数控技术及其应用

HuazhongUniv.ofSci.&Tech.第三讲数控技术及其应用唐小琦李斌1HuazhongUniv.ofSci.&Tech.3.1数控技术是国家安全的保障数控技术是先进制造装备的关键技术制造业是国民经济和社会发展的物质基础，是经济高速增长的发动机、产业结构优化升级的推动力。制造业的发展，依赖于先进的制造装备，其性能和水平的高低，直接影响着制造的效率、质量和效益。数控技术是装备制造业关键核心技术，它促使产品实现更新和升级换代，技术性能指标大幅度提高，采用数控装备易于根据市场需求组织和改变产品生产，有利于缩短新产品的生产周期，降低能耗和生产成本。2数控机床是实现装备制造业现代化的关键设备没有装备，就没有制造业；没有先进的装备制造业，就不可能实现工业现代化。数控机床作为机床工业的主流产品成为实现装备制造业现代化的关键装备，它对制造业的产品结构、生产方式、管理机制和产业结构，乃至对其他各行各业和人类的劳动方式都产生了巨大的影响，国家制造业现代化水平的重要标志。HuazhongUniv.ofSci.&Tech.3.1数控技术是国家安全的保障数控机床产业是国家的战略产业数控技术是数控机床实现自动化、柔性化、集成化、网络化、智能化的关键技术，数控机床产业是国民经济的支柱产业。航天航空、国防军工制造业需要大型、高速、精密、多轴、高效的数控机床；汽车、摩托车、家电制造业需要高效、高可靠性、高自动化的数控机床和成套的柔性生产线；电站设备、造船、冶金石化设备、轨道交通设备制造业需要高精度重型数控机床；IT业、生物工程等高技术产业需要纳米级、亚微米级的超精密加工数控机床；工程机械、农业机械等传统制造行业需要大量数控机床；数控机床对国民经济的发展、国防建设和综合国力的增强具有非常重要的意义，五轴联动的高档数控机床是国家的战略物资，五轴联动机床所需要的高档数控系统是关键部件。3HuazhongUniv.ofSci.&Tech.3.2数控技术的发展历史数控机床产业是国家的战略产业1952年，美国帕森斯（Parsons）公司和麻省理工学院CM.I.T）合作研制了世界上第一台三坐标数控机床；1955年，在Parsons专利的基础上，世界上第一台工业用数控机床由美国Bendix公司生产出来；数控机床“大脑”的数控系统在微电子技术推动下经历了：第一代：1955年，数控系统主要由电子管组成，体积大、功耗高、可靠性低。第二代：1959年，数控系统主要由晶体管组成，广泛采用印刷电路板，体积缩小、功耗降低、可靠性得到提高。第三代：1965年，数控系统采用小规模集成电路作为硬件，其特点是体积小、功耗低，可靠性得到进一步提高。第四代：1970年，数控系统采用小型计算机取代专用计算机，其部分功能由软件实现。4硬线数控HuazhongUniv.ofSci.&Tech.3.2数控技术的发展历史数控机床产业是国家的战略产业第五代：1974年，数控系统以微处理器为核心，不仅价格进一步降低，体积进一步缩小，而且性能也有了进一步提高。这一代数控系统又可细分为六个发展阶段：1974年：系统以位片微处理器为核心，有字符显示、自诊断功能。1979年：系统采用阴极射线管（CRT）显示、超大规模集成电路CVLIC）、大容量酷泡存储器、可编程接口和遥控接口等。1981年：具有人机对话、动态图形显示、实时精度补偿等功能。1986年：数字伺服控制系统诞生，大惯量的交直流电机进入实用阶段。1988年：采用高性能32位机为主机的主从结构系统。1994年：基于PC的数控系统诞生，使数控系统进入了开放型、柔性化的新时代，新型数控系统的开发周期日益缩短。这是数控技术发展史上的又一个里程碑。5HuazhongUniv.ofSci.&Tech.3.3数控技术的基本概念数控机床与数控系统数控技术（numericalcontroltechnology）是一种借助数字、字符或其他符号对某一工作过程（如加工、测量、装配等）实现自动控制的技术。数控系统（numericalcontrolsystem）是实现数控技术相关功能的软、硬件模块的有机集成系统，它是数控技术的载体。特点：可用不同的字长表示不同精度的信息，可进行算术运算及复杂的信息处理；可进行逻辑运算，并可用软件来改变信息处理的方式或过程，因而具有柔性。计算机数控系统（CNC,computernumericalcontrol）是以计算机为核心的数控系统。数控机床（numericalcontrolmachinetools）是采用数字控制技术对机床的加工过程进行自动控制的一类机床，它是数控技术的典型应用。6HuazhongUniv.ofSci.&Tech.3.3数控技术的基本概念数控机床与数控系统（1）控制介质与输入／输出设备控制介质是记录零件加工程序的媒介，输入／输出设备是计算机数控系统与外部设备进行信息交互的装置。输入／输出设备的作用是将记录在控制介质上的零件加工程序输入到计算机数控系统，或将已调试好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。控制介质已由早期的穿孔纸带、磁带、磁盘等发展到今天的硬盘、CF卡等电子存储介质。现代数控系统是实现计算机辅助设计与制造的集成、柔性制造系统CFMS）和计算机集成制造系统的基本技术。目前在数控机床上常用的通信方式有串行通信（RS-232等串口）、网络通信(Internet、局域网LAN）。7HuazhongUniv.ofSci.&Tech.3.3数控技术的基本概念数控机床与数控系统（2）控制面板控制面板是操作人员与数控机床（系统）进行交互的工具，是数控机床的一个输入／输出部件。（3）计算机数控装置8计算机数控系统的核心，主要由计算机系统、位置控制模块、可编程控制器（PLC,programmableLogicController）接口、通信接口、扩展功能模块以及相应的控制软件等组成。计算机数控系统的主要任务就是对由零件加工程序表达的加工信息（几何信息和工艺信息）进行相应的处理（如运动轨迹处理、机床输入／输出处理等），将其变换成各进给轴的位移指令、主轴转速指令和辅助动作指令，控制相应的执行部件（如伺服单元、驱动装置和可编程控制器等），这些工作都是在计算机数控装置内由硬件和软件协调配合、合理组织下进行的。HuazhongUniv.ofSci.&Tech.3.3数控技术的基本概念数控机床与数控系统（4）进给驱动系统、主轴驱动系统和测量装置1）进给驱动系统进给驱动系统包括进给驱动装置和进给电动机，其主要作用是实现零件加工的成形运动，控制量为速度和位置。接受计算机数控系统的进给指令，经变换、放大后通过驱动装置控制机床工作台的位移和速度，提供切削过程中各坐标轴所需转矩。2）主轴驱动系统主轴驱动系统包括主轴驱动装置和主轴电动机，其主要作用是实现零件加工的切削运动，控制量为转速。主轴驱动系统的工作要求为：高转速，大功率宽调速范围，能实现恒转矩或恒功率运转。9HuazhongUniv.ofSci.&Tech.3.3数控技术的基本概念数控机床与数控系统3）测量装置测量装置是指位置和速度测量装置，它是实现速度闭环控制（主轴、进给）和位置闭环控制（进给）的必要装置。通常安置在机床的工作台、丝杠或伺服电动机轴上，它通过把运动部件的实际位移情况变成电信号，反馈给计算机数控装置，并与指令值比较，产生误差信号，控制机床向消除误差方向移动，实现驱动系统的闭环控制。（5）可编程控制器与机床1/0电路可编程控制器由硬件和软件组成，用于完成与逻辑运算有关的顺序动作的1/0控制，对机床动作进行“顺序控制”。机床1/0电路（由继电器、电磁阀、行程开关、接触器等组成的逻辑电路），任务：接受计算机数控系统的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的开关动作；接受操作面板和机床侧的1/0信号，送给计算机数控装置，经其处理后输出指令，控制计算机数控装置的工作状态和机床的动作。10HuazhongUniv.ofSci.&Tech.3.3数控技术的基本概念数控机床与数控系统可编程控制器有内装型与外装型两种，内装型可是对计算机数控与可编程控制器进行一体化设计后得到的，与计算机数控共用一个中央处理器，也可使用单独的中央处理器，但二者不能分离。外装型是由独立专业化厂家生产的。（6）机床机床是数控机床的主体，是数控系统的被控对象，是实现加工零件的执行部件。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ATC、自动工件交换系统APC）和辅助装置（如冷却、润滑、排屑、转位和夹紧装置等）组成。传动结构和变速系统较为简单，但在精度、刚度、抗振性等方面要求更高。11HuazhongUniv.ofSci.&Tech.3.3数控技术的基本概念数控系统的分类（1）按被控对象的运动轨迹分类1）点位控制数控系统仅能控制两个坐标轴，使其带动刀具相对于工件运动。被控制的运动部件从一个坐标位置快速移动到下一个坐标位置，在移动过程中不进行任何加工。用于数控钻床、印刷电路板钻孔、数控锺床、数控冲床、三坐标测量机。2）直线控制数控系统控制机床刀具或工作台以适当的进给速度，实现沿平行于某个坐标轴（x、y、z轴）或两轴等速的方向进行直线移动和切削加工。用于控制简易的两坐标轴数控车床（加工台阶轴）和简易的三坐标轴数控镜床（进行平面的镜削加工），现代组合机床也采用此类系统。12HuazhongUniv.ofSci.&Tech.3.3数控技术的基本概念数控系统的分类3）轮廓控制数控系统可控制机床实现几个坐标轴的同时协调运动，即多坐标轴联动，使刀具相对于工件按程序规定的轨迹和速度运动，能在运动过程中进行连续切削加工。用于控制数控车床、数控镜床、加工中心等用来加工曲线和曲面形状零件的数控机床。现代的数控机床基本上装备的都是这类数控系统。根据系统联动轴数还可细分为两轴联动（加工平面曲线）、兰轴联动（加工空间由面，采用球头刀）、四轴联动（加工空间曲面）、五轴联动及六轴联动（加工空间由面）。联动轴数越多，数控系统的控制算法就越复杂，加工程序的编制就越难。13HuazhongUniv.ofSci.&Tech.3.3数控技术的基本概念数控系统的分类（2）按进给伺服系统类型分类按进给伺服机构控制装置有无位置测量装置可分为开环数控系统和闭环数控系统两类，在闭环数控系统中根据位置测量装置安装的位置又可分为全闭环和半闭环数控。1）开环数控系统没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置→进给系统），故系统稳定性好。无位置反馈，精度相对闭环系统来说不高，其精度主要取决于伺服驱动系统和机械传动机构的性能和精度。以功率步进电动机作为伺服驱动部件；应用场合：精度和速度要求不高、驱动力矩不大。用于经济型数控机床和旧机床的数控化改造。14HuazhongUniv.ofSci.&Tech.3.3数控技术的基本概念数控系统的分类2）半闭环数控系统15位置检测点是从驱动电动机（常用交、直流伺服电动机）或丝杠端引出的，通过检测电动机和丝杠旋转角度来间接检测工作台的位移量。不包括或只包括少量的机械传动环节，因此系统可获得较稳定的控制性能，其稳定性虽不如开环系统，但比闭环系统要好。在位置环内各组成环节的误差可得到某种程度的纠正，但位置环外的各环节如丝杠的螺距误差无法消除。对齿轮间隙引起的运动误差可通过软件来补偿，以提高系统的运动精度。精度比开环系统好，比闭环系统差，同时具有结构简单、调试方便等特点。HuazhongUniv.ofSci.&Tech.3.3数控技术的基本概念数控系统的分类3）闭环数控系统16系统直接对工作台的实际位置进行检测。从理论上讲，该系统可以消除整个驱动和传动环节的误差、间隙和失动量，具有很高的位置控制精度，但由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的，很容易造成系统的不稳定，因此闭环系统的设计、安装和调试都有相当的难度。对其组成环节的精度、刚性和动态特性等都有较高的要求，故