数控原理

第一章数控机床概述第一节数控加工的概念一、概念：数字控制(NumericalControl，简称NC)技术是用数字化信息进行控制的自动控制技术。数控机床：是以数字化的信息实现机床控制的机电一体化产品，它把刀具和工件之间的相对位置，机床电动机的起动和停止，主轴变速，工件松开夹紧，刀具的选择，冷却泵的起停等各种操作和顺序动作等信息用代码化的数字信息送入数控装置或计算机，经过译码、运算，发出各种指令控制机床伺服系统或其它执行元件，使机床自动加工出所需要的工件。数控加工：根据零件图样及工艺要求等原始条件，编制零件数控加工程序，并输入到数控机床的数控系统，以控制数控机床中刀具与工件的相对运动，从而完成零件的加工。二、产生：1952年美国帕森斯公司（Parsons）和麻省理工学院(MIT)合作研制成功了世界上第一台数控机床，它是一台三坐标数控铣床，用于加工直升飞机叶片轮廓检查用样板。第二节数控机床的组成与分类一、数控机床的组成数控机床是机电一体化的典型产品，是集机床、计算机、电机及拖动、自动控制、检测等技术为一体的自动化设备。现代数控系统都为计算机数控系统(ComputerNumericalControl，简称CNC)。数控机床的基本组成包括加工程序、输入/输出装置、数控装置、伺服系统、辅助控制装置、反馈系统及机床本体。图一数控机床的组成第二节数控机床的组成与分类CNC装置(CNC单元)：CNC装置是数控机床的核心部件。组成：计算机系统、位置控制板、PLC接口板，通讯接口板、特殊功能模块以及相应的控制软件。作用：根据输入的零件加工程序进行相应的处理（如运动轨迹处理、机床输入输出处理等），然后输出控制命令到相应的执行部件(伺服单元、驱动装置和PLC等)，所有这些工作是由CNC装置内硬件和软件协调配合，合理组织，使整个系统有条不紊地进行工作的。1.操作面板操作面板的是操作人员与机床数控装置进行信息交流的工具。组成：按钮站、状态灯、按键阵列（功能与计算机键盘一样）和显示器；。它是数控机床特有的部件。第二节数控机床的组成与分类2.控制介质与输入输出设备控制介质记录零件加工程序的媒介输入输出设备CNC系统与外部设备进行交互装置。交互的信息通常是零件加工程序。即将编制好的记录在控制介质上的零件加工程序输入CNC系统或将调试好了的零件加工程序通过输出设备存放或记录在相应的控制介质上。1.操作面板操作面板的是操作人员与机床数控装置进行信息交流的工具。组成：按钮站、状态灯、按键阵列（功能与计算机键盘一样）和显示器；。它是数控机床特有的部件。表1控制介质和输入输出设备表3.通讯现代的数控系统除采用输入输出设备进行信息交换外，一般都具有用通讯方式进行信息交换的能力。它们是实现CAD/CAM的集成、FMS和CIMS的基本技术。采用的方式有：串行通讯（RS-232等串口）、自动控制专用接口和规范（DNC，MAP等）网络技术（internet，LAN等）。第二节数控机床的组成与分类4.CNC装置(CNC单元)CNC装置是数控机床的核心部件。组成：计算机系统、位置控制板、PLC接口板，通讯接口板、特殊功能模块以及相应的控制软件。作用：根据输入的零件加工程序进行相应的处理（如运动轨迹处理、机床输入输出处理等），然后输出控制命令到相应的执行部件(伺服单元、驱动装置和PLC等)，所有这些工作是由CNC装置内硬件和软件协调配合，合理组织，使整个系统有条不紊地进行工作的。第二节数控机床的组成与分类伺服单元、驱动装置和测量装置伺服单元和驱动装置主轴伺服驱动装置和主轴电机进给伺服驱动装置和进给电机测量装置位置和速度测量装置。以实现进给伺服系统的闭环控制。作用保证灵敏、准确地跟踪CNC装置指令：进给运动指令：实现零件加工的成形运动（速度和位置控制）。主轴运动指令，实现零件加工的切削运动（速度控制）第二节数控机床的组成与分类PLC(ProgrammableLogicController)、机床I/O电路和装置PLC：用于控制机床顺序动作，完成与逻辑运算有关的开关量I/O控制，它控制介质输入设备输入设备穿孔纸带纸带阅读机纸带穿孔机磁带磁带机或录音机磁盘磁盘驱动器由硬件和软件组成；机床I/O电路和装置：实现开关量I/O控制的执行部件，即由继电器、电磁阀、行程开关、接触器等电器组成的逻辑电路；功能：接受CNC的M、S、T指令，对其进行译码并转换成对应的控制信号，控制辅助装置完成机床相应开关动作接受操作面板和机床侧的I/O信号，送给CNC装置，经其处理后，输出指令控制CNC系统的工作状态和机床的动作。第二节数控机床的组成与分类7.机床机床：数控机床的主体，是实现制造加工的执行部件。组成：由主运动部件、进给运动部件（工作台、拖板以及相应的传动机构）、支承件（立柱、床身等）以及特殊装置（刀具自动交换系统工件自动交换系统）和辅助装置（如排屑装置等）。二、数控机床的分类按用途分类1、金属切削类数控机床金属切削类数控机床有数控车床、数控铣床、数控钻床、数控镗床、数控磨床、数控镗铣床等。加工中心MC是带有刀库和自动换刀装置的数控机床。2、金属成形类数控机床金属成形类数控机床有数控折弯机、数控弯管机和数控压力机等。3、数控特种加工机床数控特种加工机床有数控电火花线切割机床、数控电火花加工机床、数控激光加工机床等。按运动方式分类1、点位控制系统这类控制系统只控制工具相对工件从某一加工点移到另一个加工点之间的精确坐标位置。而对于点与点之间移动的轨迹不进行控制，且移动过程中不作任何加工。通常采用这一类系统的设备有数控钻床、镗床、冲床等。2、直线控制系统这类系统不仅要控制点与点的精确位置，还要控制两点之间的移动轨迹是一条直线，且在移动中能以给定的进给速度进行加工。采用此类控制方式的设备有数控车床、数控铣床等。3、连续控制系统连续控制系统又称为轮廓控制系统或轨迹控制系统。这类系统能够对两个或两个以上坐标方向进行严格控制，即不仅控制每个坐标的行程位置，同时还控制每个坐标的运动速度。各坐标的运动按规定的比例关系相互配合，精确地协调起来连续进行加工，以形成所需要的直线、斜线或曲线、曲面。采用此类控制方式的设备有数控车床、铣床、加工中心、电加工机床、特种加工机床等。按控制原理分类1、开环控制系统这类系统不装备位置检测装置，即无位移的实际值反馈与指令值进行比较修正，因而控制信号的流程是单向的。工作台按控制原理分类2、闭环控制系统这种系统是带有位置检测装置，将位移的实际值反馈回去与指令值比较，用比较后的差值去控制，直至差值消除时才停止修正动作的系统。按按运运动动方方式式分分类类点位控制系统直线控制系统连续控制系统指指令令进进给给脉脉冲冲驱驱动动电电路路步步进进电电动动机机传传动动结结构构按控制原理分类3、半闭环控制系统这种系统是闭环系统的一种派生。它与闭环系统的不同之处仅在将检测元件装在传动链的旋转部位，它所检测得到的不是工作台的实际位移量，而是与位移量有关的旋转轴的转角量。因此，其精度比闭环系统稍差，但这种系统结构简单，便于调整，检测元件价格也较低，因而是广泛使用的一种数控系统。按数控系统类型分类1、经济型数控系统（又称简易数控系统）这一档次的数控机床仅能满足一般精度要求的加工，能加工形状较简单的直线、斜线、圆弧及带螺纹的零件，采用的微机系统为单板机或单片机系统，具有数码显示，CRT字符显示功能，机床进给由步进电动机实现开环驱动，控制的轴数和联动轴数在3轴或3轴以下。2、普及型数控系统（通常称之为全功能数控系统）这类数控系统功能较多，除了具有一般数控系统的功能以外，还具有一定的图形显示功能及面向用户的宏程序功能等，采用的微机系统为16位或32位微处理机，具有RS-232C通信接口，机床的进给多用交流或直流伺服驱动，一般系统能实现4轴或4轴以下联动控制。3、高档数控系统采用的微机系统为32位以上微处理机系统，机床的进给大多采用交流伺服驱动，除了具有一般数控系统的功能以外，应该至少能实现5轴或5轴以上的联动控制。具有三维动画图形按数控系统类型分类功能和宜人的图形用户界面，同时还具有丰富的刀具管理功能、宽调速主轴系统、多功能智能化监控系统和面向用户的宏程序功能，还有很强的智能诊断和智能工艺数据库，能实现加工条件的自动设定，且能实现与计算机的联网和通信。4、基于PC的开放式数控系统用通用微机技术开发数控系统可以得到强有力的硬件与软件支持，这些软件和硬件的技术是开放式的，此时的通用微机除了具备本身的功能外，还具备了全功能数控系统的所有功能。第三节数控机床的控制对象从数控机床最终要完成的任务看，主要应对以下三方面进行控制：1、主运动和通用机床一样，主运动主要完成切削任务，其动力约占整台机床动力的70%-80%，数控车床的主轴旋转运动如图1所示。基本控制要实现主轴的正、反转和停止，可自动换档及无级调速；对加工中心和一些数控车床还必须具有准停控制和C轴控制功能。2、进给运动数控机床的进给运动是通过进给伺服系统来实现的，这是数控机床区别于通用机床的重要方面之一。伺服控制的最终目的就是实现对机床工作台或刀具的位置控制，伺服系统中所采取的一切措施，都是为了保证进给运动的位置精度。图2为数控车床的刀架的Z向进给运动，图3为数控车床的刀架的X向进给运动。3、输入/输出(I/O)数控系统对加工程序处理后输出的控制信号除了对进给运动轨迹进行连续控制外，还要对机床的各种状态进行控制，这些状态包括主轴的变频控制，主轴的正、反转及停止，冷却和润滑装置的起动和停止，刀具自动交换，工件夹紧和放松及分度工作台转位等，图4所示为数控车床的换刀运动。主运动X向进给运动Z向进给运动换刀运动第四节数控机床的工作原理数控机床加工零件时，首先要将零件图纸上的几何信息和工艺信息用规定的代码和格式编写成加工程序，然后将加工程序输入数控装置，经过计算机的处理、运算，按各坐标轴的分量送到相应的驱动电路，经过转换、放大去驱动伺服电动机，使各坐标移动若干个最小位移量，并进行反馈控制，使各轴精确走到程序要求的位置，实现刀具与工件的相对运动，完成零件全部轮廓的加工。第四节数控机床的工作原理所谓插补，就是指在被加工轨迹的起点和终点之间，插进若干中间点，然后用已知线型（如直线、圆弧）逼近。通常把数控机床上刀具运动轨迹是直线加工的称为直线插补；刀具运动轨迹是圆弧加工的称为圆弧插补。一般的数控系统都具有直线和圆弧插补，能加工出各象限直线和圆弧。对于复杂功能的数控机床，通过多轴控制、多轴联动实现空间曲线、曲面的加工。第四节数控机床的工作原理数控机床的数字控制功能是由数控系统完成的。数控装置能接受零件图纸加工要求的信息，进行插补运算，实时地向各坐标轴发出速度控制指令。伺服驱动装置能快速响应数控装置发出的指令，驱动机床各坐标轴运动，同时能提供足够的功率和扭矩。伺服系统中常用的驱动装置，根据控制系统的类型不同而不同，开环伺服系统常用步进电动机，闭环伺服系统常采用脉宽调速直流电动机和交流伺服电动机等。检测装置将坐标位移的实际位置检测出来，反馈给数控装置中的比较器与指令位置进行比较，实现偏差控制。伺服系统中常用的检测装置有测量线位移的光栅、磁栅、感应同步器等，测量角位移的旋转变压器、数字脉冲编码器等。可编程控制器PLC,在数控机床中一般用来对一些逻辑开关量进行控制，如：主轴直直线线插插补补圆圆弧弧插插补补(5,2)XYO3XYO的启、停，刀具更换、冷却液开关等。第五节数控加工的特点及应用范围数控机床的应用范围零件复杂程度价值昂贵，不允许报费的关键零件；需要最少周期的急需零件；批量较大精度要求高的零件。第五节数控加工的特点及应用范围数控机床的特点1、数控系统取代了通用机床的手工操作，具有充分的柔性，只要重新编制零件程序，更换相应工装，就能加工出新的零件。2、零件加工精度一致性好，避免了通用机床加工时人为因素的影响。3、生产周期短，特别适合小批量、单件零件的加工。4、可加工复杂形状的零件，如二维轮廓或三维轮廓加工。5、易于调整机床，与其他加工方法相比，所需调整时间较少。6、易于建立计算机通信网络。