数控技术发展和应用

数控技术发展和应用太原理工大学董长双一、前言数控技术是使用计算机对整个机械机械加工过程进行信息处理与控制，达到生产过程自动化的一门技术。是FMS、CIMS的技术基础。数控机床是当代机械制造业的装备主流。数控技术范围覆盖很多领域：(1)机械制造技术；(2)信息处理、加工、传输技术；(3)自动控制技术；(4)伺服驱动技术；(5)传感器技术；(6)微电子技术；(7)软件技术等。二、数控技术的产生20世纪40年末，JohnparsonsandFrankstulenparsonscorporation,（Traversecity,Michigan)提出了数控加工思想。theideaofusingcoordinatepositiondatacontainedonpunchedcardstodefineandmachinethesurfacecontoursofairfoilshapesairfoil±0.0015inch(±0.038mm)1951年4月，美国空军和MIT伺服实验室签协议，研发数控机床。1952年3月，第一台数控机床在MIT问世，成为世界机械工业史上一件划时代的事件，推动了自动化的发展。当时控制程序是记录在纸带上的字符和数字，故称数字控制机床。1955年，第一台商业数控机床在美国全国机床展览会上展出。1959年，KeaneyandTrecherCo.研制了第一台加工中心（MC),加工中心是具有刀库和自动换刀装置的数控机床。1967年，MollinCo.研制了第一台柔性制造系统（FMS）(DavidWilliamson)。(System24,(24hr/day,16hrhumanworkerunattended)IBM1360/140,7machinetools)柔性制造系统是由加工系统（若干台数控机床和加工中心）、物料运送及管理系统和计算机管理系统组成的自动加工线。CincinnatiMillingMachineCo.VerticalHydro-Telmillingmachine292vacuumtubes计算机集成制造系统(computerintegratedmanufacturingsystem:CIMS)计算机集成制造(CIM)是一种企业生产制造与生产管理进行优化的哲理。这种哲理首先是在1974年美国JosephHarrington博士在其论文《ComputerIntegratedManufacturing》中提出的。CIM是针对企业所面临的激烈市场竞争形势而提出的组织企业生产的一种哲理。其基本思想是：①制造企业中的各个部分（即从市场分析、经营决策、工程设计、制造过程、质量控制、生产指挥到售后服务）是一个互相紧密相关的整体；②整个制造过程本质上可以抽象成一个数据的搜集、传递、加工和利用的过程，最终产品仅是数据的物化表现。前者体现了集成的思想，它将企业决策、经营管理、生产制造、销售及售后服务有机地结合在一起；后者就是信息制造观的思想。CIMS定义：由一个多级计算机控制硬件结构，配合一套订货、销售、设计、制造和管理综合为一体的软件系统所构成的全盘自动化制造系统。计算机集体制造系统体系结构CIMS：三、数字控制与数控机床基本概念与分类基本概念数字控制（NC，numericalcontrol）GB8129-87,用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制的一种方法。数控系统（NCsystem）：实现数控技术的机电控制设备；数控机床：装备了数控系统的机床。机床：机床是从金属的毛坯上切削掉多余的材料，使工件具有要求的形状和寸，取得规定的精度和光洁度。普通机床：人工手动操作的机床。机床类别及代号：（JB1838-85）车床（C）钻床（Z）镗床（T）磨床（M）齿轮加工机床（Y）螺纹加工机床（S)铣床（X）刨插床（B)拉床（L）特种加工机床（D）锯床（G)其他加工机床（Q)（GB/T15375-94）车床（C）钻床（Z）镗床（T）磨床（M）齿轮加工机床（Y）螺纹加工机床（S)铣床（X）刨插床（B)拉床（L）锯床（G)其他加工机床（Q)数控机床加工过程零件图首先由编程人员按照零件的几何形状和加工工艺要求将加工过程编成加工程序。数控系统读入加工程序后，将其翻译成机器能够理解的控制指令，再由伺服系统将其变换和放大后驱动机床上的主轴电机和进给伺服电机转动，并带动机床的工作台移动，实现加工过程。数控系统实质上是完成了手工加工中操作者的部分工作。加工程序数控装置伺服系统机床数控机床的组成本图是数控机床的组成框图。除了机床本体以外的部分统称为数控系统，数控装置是数控系统的核心。1．输入/输出设备2.控制面板3．数控装置4．伺服单元5．PLC及接口6．机床本体7．测量装置机床I/O电路和装置测量装置主轴驱动装置进给驱动装置主轴伺服单元进给伺服单元计算机数控装置操作面板PLC计算机数控系统机床辅助控制机构进给传动机构主运动机构键盘输入输出设备伺服单元、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（鼠笼型三相感应电机），实现零件切削加工运动。要求：高转速（10000r/min），大功率（2.2~250kW)，宽调速范围(1:10~1:1000)。进给伺服驱动装置和进给电机（永磁同步电机）,实现零件切削加工成形运动。要求：定位精度高，响应速度快，调度范围宽，低速大转矩。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）PLC、机床I/O电路和装置PLC(ProgrammableLogicController)：用于完成与逻辑运算有关顺序动作的I/O控制，它由硬件和软件组成；1969年，美国数字设备公司（DEC-DigitalEquipmentCorporation)研制出世界第1台PLC，并在GM公司汽车自动装配线上试用成功。独立式、嵌入式。机床I/O电路和装置：实现I/O控制的执行部件(由继电器、电磁阀、行程开关、接触器等组成的逻辑电路；)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的开关动作并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。数控机床物理结构数控机床的特点优点：1．适应性强；2．加工精度高、质量稳定；3．生产效率高、经济效益好；4．减轻操作者的劳动强度、操作简单；5．有利于生产管理的现代化；6.具有故障诊断和监控能力；问题：1．造价较高；2．调试和维修比较复杂，需要专门的技术人员；3．对编程人员的技术水平要求较高。数控机床特别适合高精度、复杂零件的加工80年代的东芝事件1987年5月27日，日本警视厅逮捕了日本东芝机械公司铸造部部长林隆二和机床事业部部长谷村弘明。东芝机械公司曾与挪威康士堡公司合谋，非法向前苏联出口大型铣床等高技术产品。上世纪60年代末，苏联情报机关在美国海军机要部门建立的间谍网不断获得美国核潜艇跟踪苏联潜艇的情报。苏联潜艇的噪音很大，美国海军在200海里以外就能侦测到。1979年底，克格勃高级官员奥西波夫以全苏技术机械进口公司副总经理的身份，通过日本和光贸易股份公司驻莫斯科事务所所长熊谷独与日本伊藤忠商社、东芝公司和挪威康士堡公司接上了头。在巨大的商业利益的诱惑下，东芝公司和康士堡公司同意向苏联提供四台MBP—11OS型九轴数控大型船用螺旋桨铣床，此项合同成交额达37亿日元（1850万美圆）。这种高约10米、宽22米、重250吨的铣床，可以精确地加工出巨大的螺旋桨，使潜艇推进器发出的噪音大大降低。为了掩人耳目，苏联没有向日本订购与九轴五联动铣床相配套的计算机控制系统，而是要求挪威国营武器制造公司———康士堡贸易公司向东芝公司提供四台NC—2000数字控制装置，由东芝公司完成总装后，出口苏联。苏联为此还与康士堡公司单独签订了秘密合同。这种数控装置通常与不受“巴统”限制的两轴机床配套使用，但是只要改变一下配线和电路，就可作为九轴机床的数控装置。东芝事件一个月后，东芝公司即向日本通产省申领向苏联出口的许可证。申领书隐瞒了九轴机床的高性能，伪称产品是用于加工水力发电机叶片的简易TDP—70／110型两轴机床，从而获得了通产省的出口许可证。这四台精密机床顺利到达苏联并很快发挥作用。到1985年，苏联制.造出的新型潜艇噪音仅相当于原来潜艇的10％，使美国海军只能在20海里以内才能侦测出来。1986年10月，一艘美国核潜艇因为没有侦测到它正在追踪的苏联潜艇的噪音而与苏联潜艇相撞。1985年12月，苏联、日本秘密协议当事人之一、东芝公司的熊谷独因与他的雇主发生纠纷而辞职，并愤而向“巴统”主席盖尼尔.陶瑞格揭发了东芝事件。陶瑞格立即要求日方调查此事。日本通产省对东芝公司进行调查时，东芝公司以预先签署的假合同和其它技术文件为证，对此事矢口否认。经过进一步调查，1987年初，美国人掌握了苏联从日本获取精密机床的真凭实据。在美国的压力下，日本警视厅对东芝公司进行突击检查，查获了全部有关秘密资料，并逮捕了涉案人员。在以后的几个月里，美国朝野群情激愤，再三谴责日本，并对东芝公司进行了制裁。当时的日本首相中曾根康弘不得不向美国表示道歉，日本方面还花1亿日元在美国的50多家报纸上整版刊登“悔罪广告”。心惊胆颤的挪威政府除了向美国保证今后决不再发生类似事件外，还关闭了康士堡公司驻莫斯科办事处，并停止了该公司正在与东欧国家进行的全部贸易。不久后，挪威又以从事窃取科技情报的间谍活动为由，驱逐了苏联一名外交官和三名贸易代表。•静音潜艇的技术东芝事件•巴黎统筹委员会(简称“巴统”)•两有趣事情•1.苏工程师晚上安装调试两台机床•2.30岁挪威电脑技师波路斯塔特喜结良缘数控机床的分类从不同的角度对数控机床进行分类，常见的有以下几种分类方法：按运动控制轨迹分类1.点位控制数控机床2.直线控制数控机床3.轮廓控制数控机床按伺服系统的类型分类1．开环控制数控机床一般用于经济型数控机床和旧机床改造2．闭环控制数控机床理论上，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，具有很高的位置精度，但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，因此要求系统的动态特性要求高，闭环系统的设计、安装和调试都有相当的难度。主要用于精度要求很高的镗铣床，超精车床、超精磨床以及较大型的数控机床。3．半闭环控制数控机床半闭环数控系统精度比开环系统好，比闭环差，同时具有结构简单，调试方便等特点，在现代数控机床中得到广泛应用。按数控系统体系结构分类•1传统封闭式数控系统早期开发的封闭系统结构数控系统，系统的扩展、改变必须求助于开发商。目前占领着数控系统的大部分市场。如FUNUC0系列、MITSUBISHIM50、Simens810等。•2“PC”嵌入“NC”结构数控系统制造商在既不愿放弃多年来积累的数控技术资源、又想利用计算机丰富的软件资源的情况下开发的产品。具有一定的开放性，但NC体系结构不开放，用户无法介入系统核心。如FUNUC16i、18i、21i，Simens840D，Num1060等。•3“NC”嵌入“PC”结构开放数控系统PC+运动控制卡构成。如PMAC-NC数控系统（美国DeltaTau),MAZATROL640CNC(MAZAK)•4全软件型开放数控系统系统的计算机数控软件全部装在计算机中，而硬件部分仅是与伺服驱动装置和外部Ｉ／Ｏ之间的标准通用接口。如OpenCNC（美国ＭDSI）PA8000NT(德国PowerAutomation)按工艺用途分类1.切削加工类：如数控铣床、数控车床、数控磨床、加工中心、数控齿轮加工机床、FMC等。2.成型加工类：数控折弯机、数控弯管机、数控冲压机等。3.特种加工类：数控线切割机、电火花加工机、激光加工机等。4.其它类型：数控装配机、数控测量机、机器人等。5.虚拟轴机床、快速成型机虚拟轴机床•虚拟轴机床(Vi