数控原理第1章

2019/8/16page1数控技术及应用第一章绪论第二章数控加工程序的编制第三章计算机数控系统第四章数控机床的机械结构第五章数控机床的位置传感器第六章数控机床的电气驱动第七章数控机床进给伺服系统的控制原理第八章数控机床的精度第九章数控机床的故障诊断2019/8/16page2第一章绪论数控技术是现代制造技术的基础，数控技术水平的高低、数控设备的拥有量以及数控技术的普及程度，已经成为衡量一个国家综合国力和工业现代化水平的重要标志。数控技术经过几十年的发展（1952年第一台数控机床问世），已广泛应用于现代工业的各领域，成为制造业现代化的基础。数控技术不仅应用于金属切削机床，还应用于其他多种设备。如机器人、坐标测量机、数控雕刻机、数控绘图机、电火花加工机床等。数控技术虽不附属数控机床，但却是伴随数控机床发展起来的。20世纪40年代后期，汽车、飞机和导弹制造业发展迅速，原来的加工设备已无法承担精度要求高、形状复杂的工件的加工任务。数控技术应运而生。2019/8/16page3数控技术基本概念数控技术，简称数控（numericalcontrol，NC）以数字或数字代码的形式实现控制的技术。如果一种设备的控制过程是以数字形式来描述，其工作过程在数控程序的控制下自动进行，那么这种设备就称为数控设备。数控设备工作原理工作要求数控程序数控设备工作结果数控技术是集计算机、自动控制、精密测量、电工电子、机械制造与信息管理为一体的现代控制技术，广泛应用于机械制造领域，是制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础。2019/8/16page41.1数控技术的产生和特点在第一台数控机床问世后，随着微电子技术的迅猛发展数控系统也不断更新换代，先后经历电子管（1952年）、晶体管（1960年）、小规模集成电路（1965年）、小型计算机（1970年）、微处理器或微机（1974年）和PC－NC智能数控系统（1990年以后）。前3代采用专用的控制计算机硬逻辑数控系统，简称NC（numericalcontrol）。第四代以后采用通用计算机，数控功能由软件实现，提高了系统的功能特色与可靠性，称为计算机数控CNC（computernumericalcontrol）。由于数控系统生产厂家自行设计软硬件，具有多种不同的软硬件模块、不同编程语言、不同操作系统、非标准化接口，给用户带来使用维修的复杂性。第六代数控系统利用现有PC机的软硬件资源，规范设计具有许多优势。2019/8/16page51．数控加工技术的发展1948年美国Parson公司与美空军签订合同，与麻省理工学院合作，1952年麻省理工学院研制成功三坐标数控系统，可以控制多种机床，并装备三轴控制的数控铣床样机，取名“NumericalControl”。1953年麻省理工学院开发出只需确定零件轮廓、指定切削路线，即可生成NC程序的自动编程语言。1959年美国Keaney&Trecker公司开发成功了带刀库，能自动进行刀具交换，一次装夹中即能进行铣、钻、镗、攻丝等多种加工功能的数控机床，这就是数控机床的新种类——加工中心。2019/8/16page61968年英国首次将多台数控机床、无人化搬运小车和自动仓库在计算机控制下连接成自动加工系统，这就是柔性制造系统FMS。1974年微处理器开始用于机床的数控系统中，从此CNC(计算机数控系统)软线数控技术随着计算机技术的发展得以快速发展。1976年美国Lockhead公司开始使用图像编程。利用CAD(计算机辅助设计)绘出加工零件的模型，在显示器上“指点”被加工的部位，输入所需的工艺参数，即可由计算机自动计算刀具路径，模拟加工状态，获得NC程序。2019/8/16page7DNC(直接数控)技术始于20世纪60年代末期。它是使用一台通用计算机，直接控制和管理一群数控机床及数控加工中心，进行多品种、多工序的自动加工。各台数控机床只配置机床控制器用于数据传送、驱动控制和手动操作。DNC群控技术是FMS柔性制造技术的基础，现代数控机床上的DNC接口就是机床数控装置与通用计算机之间进行数据传送及通讯控制用的，也是数控机床之间实现通讯用的接口。DNC具有生产管理、作业调度、工况监控、刀具管理等功能。实现分级管理，随着DNC数控技术的发展，数控机床已成为无人控制工厂的基本组成单元。2019/8/16page820世纪90年代，出现了包括市场预测、生产决策、产品设计与制造和销售等全过程均由计算机集成管理和控制的计算机集成制造系统CIMS。其中，数控是其基本控制单元。20世纪90年代，基于PC-NC的智能数控系统开始得到发展，它打破了原数控厂家各自为政的封闭式专用系统结构模式，提供开放式基础，使升级换代变得非常容易。充分利用现有PC机的软硬件资源，使远程控制、远程检测诊断能够得以实现。由于数控机床的优越性和国防工业的需要，国际竞争日益激烈，各国都致力于开发和生产各种数控机床。2019/8/16page9我国早在1958年就开始研制数控机床，但由于历史原因及工业基础较差，一直没有取得实质性成果。20世纪60年代末70年代初，我国曾掀起研制数控机床的热潮，主要有数控线切割机、数控铣床等，采用晶体管分立元件或小规模集成电路，性能不稳定，可靠性较差。我校数学系与校仪器厂在1970年研制出晶体管的数控线切割机，73年为龙岩风动厂研制出小规模集成电路数控铣床。改革开放以来，通过技术引进、科学攻关和技术改造，我国的数控技术有了较大的进步，逐步形成产业。1980年北京机床研究所引进日本FANUC5、7、3、6数控系统，上海机床研究所引进美国GE公司的MTC－1数控系统，辽宁精密仪器厂引进美国Bendix公司的DynapthLTD10数控系统。2019/8/16page10在引进、消化、吸收国外先进技术的基础上，北京机床研究所又开发出BS03经济型数控和BS04全功能数控系统，航天部706所研制出MNC864数控系统。“八五”期间国家又组织近百个单位进行以发展自主版权为目标的“数控技术攻关”，从而为数控技术产业化建立了基础。20世纪90年代末，华中数控自主开发出基于PC-NC的HNC数控系统，达到了国际先进水平，加大了我国数控机床在国际上的竞争力度。目前我国数控机床生产企业有200多家，品种满足率达80％，在有些企业实施了柔性制造系统FMS和计算机集成制造系统CIMS。2019/8/16page112.数控技术的特点提高加工精度和同一批工件的重复精度，保证了加工质量的稳定性。具有较高的生产率，是普通机床的2～3倍。增加设备的柔性，适应不同品种、规格、批量的工件的加工。减少劳动强度。具有较高的经济效益。加工普通机床无法加工的复杂工件。可向更高级的制造系统发展。问题：提高投资增加电子设备维护人员的技术水平要求较高2019/8/16page123.计算机数控随着电子技术、计算机技术的发展，数控系统经历了电子管、晶体管、集成电路的过程。将计算机引入数控系统称为计算机数控（ComputerNumericalControl）简称CNC，具有如下优点：（1）柔性好：以往数控系统功能由硬件实现，一旦设计成功则不能改变。CNC可由软件灵活改变系统功能。（2）功能强：可利用计算机技术及外围设备，增强系统功能。如图形功能、网络功能、纠错功能等。（3）可靠性高：利用计算机的输入、存储设备（如硬盘）避免原来的光电机、纸带机出错率高的问题。减少了硬件电路即减少焊点、接插件、外部连线，提高可靠性。（4）易于实现机电一体化：由于采用大规模集成电路和印刷电路版技术，将数控系统装在机床上，实现机电一体化。（5）经济性好：采用CNC，使系统性价比大为提高。2019/8/16page131.2数控机床的组成和作用1、数控机床的组成：反馈信号辅助信号（1）程序载体、输入装置：数控机床按程序加工，加工程序存放的硬件。如U盘硬盘、加工程序清单等。通过输入装置读入CNC。输入装置包括数控系统的面板按钮、键盘、或上位机、网络通信方式将加工程序输入CNC系统。（2）CNC系统：由输入、处理、输出三部分组成。加工程序送CNC后，由解析程序解释为计算机信息，由控制程程序载体输入装置CNC系统伺服系统机床2019/8/16page14序按系统规定逐步存储处理，将处理结果通过输出部分发出位置、速度指令给伺服系统和主运动控制部分。数控机床的辅助工作，如刀具的选择与更换、切削液的启停等都采用可编程控制器（PLC）进行控制。（3）伺服系统：由伺服电机以及伺服驱动控制装置和相关软件组成。它和机床的进给运动部件组成伺服系统。（4）位置反馈系统：将机床运动的实际位置，通过传感器将角位移或直线位移转换成电信号，反馈给CNC，与指令位置进行比较，由CNC纠正产生的误差。（5）机床：包括主运动系统、辅助部分（液压、气动、冷却、润滑部分等），刀库、自动换刀装置，自动托盘交换装置等。数控机床的刚度要求更高，传动装置间隙要小，摩擦系数要小且要有恰当的阻尼。2019/8/16page151.3.1数控系统的组成和分类（1）数控系统：是一种能控制机器运动的装置。加工程序输入系统后能够自动解释指令，进行运算，并由系统的输出装置向机床的执行机构发出指令，完成规定的运动或动作。（2）数控系统的类型：根据伺服系统的控制原理，可分为开环控制系统和闭环控制系统、半闭环控制系统。根据控制运动方式，可分为点位控制系统和连续控制系统。按数控系统的功能分类，可分为经济型数控系统、普及型数控系统、高档型数控系统。1.3数字控制系统2019/8/16page161)开环控制系统(OpenLoopControlSystem)开环控制系统多采用步进电机，步进电机驱动单元接收到一个脉冲相应旋转一个角度，称为步距角，通过机床传动部件，使工作台相应产生一个位移量。开环控制系统没有反馈装置，不能消除步进电机失步产生的误差。因此开环控制系统一般用于运动速度较低和加工精度不高的机床。2019/8/16page172)闭环控制系统(ClosedLoopControlSystem)闭环控制系统在机床运动方向上增加测量工作台实际位移的传感器，将工作台实际位置的信息反馈给CNC的比较器，如有误差，由CNC发指令，使工作台运动直至误差消失。采用闭环控制系统的机床的位置精度大大提高。2019/8/16page183)半闭环控制系统(Semi-closedLoopControlSystem)半闭环控制系统与闭环控制系统相类似，主要区别在电机轴上装有表示角位移的编码器，可控制电机做精确的角位移，不能纠正机床运动部件产生的误差。采用半闭环控制系统的机床的结构较简单，控制方便，价格便宜又有较高的精度，在数控机床上得到广泛应用。2019/8/16page191、点位控制系统仅控制刀具相对工件的位置，刀具或工件在移动过程不进行切削，要保证点间相对位置的准确，移动速度要快速。多用于孔加工的数控机床。2、连续控制系统，又称为轮廓控制系统。可实现复杂轮廓型状的加工。同时运动轨迹和速度要进行控制。（1）插补运算原理：使刀具与工件相对运动的轨迹为线或园弧，系统不能将坐标无限细分，只能按最小设定单位（脉冲当量）移动。不同形状的工件轮廓都可以直线或圆弧来逼近，一般的数控系统都具有直线和圆弧的插补功能。有的系统还有抛物线、螺旋线、渐开线等插补功能。（2）连续控制系统的特点：1.3.3点位控制系统与连续控制系统2019/8/16page20直线插补运算圆弧插补运算2019/8/16page21连续控制系统的插补功能由插补器来实现，根据输入的指令进行数学运算，根据运算结果，对各坐标轴进行脉冲分配，伺服系统驱动机床工作台完成规定运动，加工出工件轮廓。连续控制系统必须精确控制两个以上坐标运动，一般最小设定单位为1μm。所以连续控制系统数据处理的速度要高。1.3.5适应控制系统系统在实际加工过程，加工量的不一致、材质的不均匀、切削力的变化、刀具的磨损等都将影响加工过程。加工过程不是处于最佳状态。为提高切