第一节数控机床的基本概念

1《数控技术》说明•参考教材：《微机数控技术》，北京理工大学出版社，焦振学主编。《机床计算机数控技术》，北京理工大学出版社，任玉田等编著。•《微机数控技术》的数控部分的章节是单独排列的，相关的内容都可以在《微机数控技术》中找到。2第一章概述第一节数控机床的基本概念一、数控设备和数控机床二、CNC系统的组成三、CNC机床的特点第二节计算机数控机床的分类一、按控制系统的特点分类二、按伺服系统的控制方式分类三、按照CNC装置的功能水平分类第三节数控技术与现代制造系统一、数控设备和数控系统的发展趋势二、数控技术与计算机集成制造系统3第一节数控机床的基本概念一、数控设备和数控机床(一)数控设备和数控机床的概念⒈数控，即数字控制（NumericalControl，简称NC）是近代发展起来的一种自动控制技术，在机床领域是指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。定义中的“机床”不仅指金属切削机床，还包括其它各类机床，如线切割机床、三坐标测量机等。⒉采用数控技术的控制系统称为数控系统。装备了数控系统的受控设备称为数控设备。受控设备包括机床行业的各种数控机床和其它行业的许多数控设备，如数控火焰切割机、电火花加工机、数控冲剪机、数控测量机等。4⒊装备了数控系统的机床叫数控机床，数控机床包含在数控设备中。国际信息处理联盟第五技术委员会对数控机床作了如下定义：数控机床是一个装有程序控制系统的机床，该系统能够逻辑地处理具有使用号码，或其它符号编码指令规定的程序。⒋数控系统是一种控制系统，它能自动阅读输入载体上事先给定的数字值和指令，并将其译码、处理，从而自动地控制机床移动和加工零件。5（二）数控（NC）与计算机数控（CNC）数控装置是数控机床的控制核心，通常由一台通用或专用的微型计算机构成。数控装置根据输入的指令，进行译码、处理、计算和控制，实现其数控功能。以前数控设备的数控功能是用专用计算机的硬件结构来实现，所以称为硬件数控，简称NC。现在主要以计算机的系统控制程序来实现部分或全部数控功能，所以称为软件数控或计算机数控，简称CNC。由于计算机数控是数控系统的一种，再加上现在已经没有硬件数控，所以我们现在管数控系统统称为CNC系统。6二、CNC系统的组成（一）CNC系统的组成数控机床在数控系统的控制下，自动地按给定的程序进行机械零件的加工。数控系统是由用户程序、输入输出设备、计算机数字控制装置（CNC装置）、可编程控制器（PLC）、主轴驱动装置和进给驱动装置等组成。图1-1CNC系统框图程序输入设备计算机数字控制装置（CNC装置）可编程控制器（PLC）主轴控制单元速度控制单元输出设备主轴电机进给电机位置检测器机床71.用户程序它是零件加工程序。根据零件图纸，用手工编程或自动编程的方法编制出数控加工程序并存储在一种信息载体上。2.输入输出设备CNC系统对数控设备进行自动控制所需的各种外部控制信息及加工数据,都是通过输入设备存入CNC装置的存储器中。输入CNC装置的有零件加工程序、控制参数、补偿数据等。输出设备主要的功能为显示、打印、输出加工程序、控制参数、补偿参数等。83.CNC装置CNC装置由硬件和软件组成。硬件主要由微处理器、存储器、位置控制、输入/输出接口、可编程控制器、图形控制、电源等模块组成。软件由管理软件和控制软件组成。管理软件系指零件加工程序的输入输出、系统的显示功能和诊断功能。控制软件则包括译码处理、刀具补偿、插补运算、位置控制和速度控制。94.可编程控制器(PLC)数控设备用可编程控制器主要完成数控设备的各种执行机构的逻辑顺序控制，即用PLC程序代替用继电器控制线路，实现数控设备的辅助功能、主轴转速功能、刀具功能的译码和控制。数控设备用PLC有内装型和独立型两种。内装型PLC从属于CNC装置，PLC硬件电路可与CNC装置其它电路制作在同一块印刷板上，也可以作成独立的电路板。独立型PLC独立CNC装置，本身具有完备的硬、软件功能，可以独立完成所规定的控制任务。105.伺服系统伺服系统包括驱动部分和执行机构两大部分。伺服系统主要指数控设备的主轴驱动和进给驱动，是CNC系统的执行部分。伺服系统的作用是把来自CNC装置的各种指令（脉冲信号），转换成数控设备移动部件的运动。在数控机床的伺服驱动机构中，常用的驱动元件有功率步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机，后二者都带有感应同步器、编码器等位置检测元件。11（二）CNC系统的主要工作过程1.正常工作前的准备工作在接通电源后，CNC装置将对数控系统及数控机床的各组成部分的工作状态进行检查和诊断，并设置初始状态。2.零件加工控制信息的输入CNC系统具备了正常工作条件后，开始输入零件加工程序、刀具长度补偿数值、刀具半径补偿数值以及工件坐标系原点相对机床原点的坐标值。3.数控加工程序的译码和预处理加工控制信息输入后，启动加工运行，此时CNC装置在系统控制程序的作用下，对数控程序进行预处理，即进行译码和预计算（刀补计算、坐标变换等）。124.插补计算一个程序段的加工控制信息预处理完毕后进行插补处理。所谓“插补”就是指在一条已知起点和终点的曲线上进行数据点的密化。插补的任务就是根据进给速度的要求，在一段零件轮廓的起点和终点之间，计算出若干个中间点，分别向各个坐标轴发出方向、大小和速度都确定的运动序列指令。5.位置控制各个坐标轴的伺服系统将插补结果作为各个坐标轴位置调节器的指令值，机床上位置检测元件测得的位移作为实际位置值。位置调节器将两者进行比较，经过调节，输出相应的位置和速度控制信号，控制各轴伺服系统驱动机床坐标轴运动。通过各个坐标轴运动的合成，产生数控加工程序所要求的工件轮廓尺寸。13三、CNC机床的特点数控机床的优点比较多，主要有以下几点：1.加工精度和尺寸重复精度高,加工质量稳定性好2.柔性好，通用性强3.易于实现多功能、高复杂程度的控制4.加工生产率高5.减轻劳动强度,改善劳动条件6.可靠性高,经济性好7.有利于向高级制造系统发展数控机床的不足之处：投资大、维修维护难度大以及对技术人员的技术水平要求较高。14第二节数控机床的分类一、按控制系统的特点分类1.点位控制数控机床它的特点是刀具相对工件的移动过程中，不进行切削加工，对定位过程中的运动轨迹没有严格要求，只要求实现从一坐标点到另一坐标点的精确定位。点位控制数控机床主要有：数控坐标镗床、数控钻床、数控冲床等。15某些数控机床不仅要求具有准确定位的功能，而且要求从一点到另一点之间按直线移动，并能控制位移的速度。因为这一类型的数控机床在两点间移动时，要进行切削加工。直线控制数控机床主要有：数控镗铣床、数控车床、加工中心等。一般情况下这些数控机床有两到三个可控轴，但同时控制轴数只有一个。2.直线控制数控机床16这类数控机床的特点是能同时控制两个或两个以上的坐标轴，可以加工曲线或曲面的零件。轮廓控制数控机床主要有数控车床、数控铣床、数控磨床、加工中心、数控电加工机床等。3.轮廓控制数控机床171.开环控制系统这类数控机床不带位置检测反馈装置。CNC装置输出的指令脉冲经驱动电路的功率放大，驱动步进电机转动，再经传动机构带动工作台移动，其控制框图如下图所示。开环控制的数控机床工作比较稳定，反应快，调试方便，维修简单，但控制精度低这类数控机床多为经济型。指令脉冲步进电机驱动电路步进电机工作台开环控制系统框图二、按伺服系统的控制方式分类18这类数控机床带有位置检测反馈装置。位置检测装置安装在机床工作台上，用以检测机床工作台的实际运行位置，并与CNC装置的指令位置进行比较，用差值进行控制，其控制框图如下图所示。2.闭环控制系统控制脉冲比较环节速度控制单元机床工作台伺服电机位置检测元件控制元件位置反馈电流反馈速度反馈19闭环控制系统的特点是：精度高、速度快、技术上要求高，成本较高。闭环控制系统的调试和维修比较复杂，其关键是系统的稳定性，系统调试不好容易产生振荡，所以在设计时必须对稳定性给予足够的重视。闭环控制系统主要应用于一些精度要求较高的超精车床、镗铣床、超精铣床和精密加工中心等。203.半闭环控制系统半闭环控制系统是将检测元件安装在电机或丝杠端头上，检测角位移，其控制框图如下图所示。由于闭环环路内不包括丝杠、螺母副及工作台，所以可以获得比较稳定的控制特性。其控制精度虽不如闭环控制系统，但调试比较方便，因此它广泛应用于中小型的CNC机床。控制脉冲比较环节速度控制单元机床工作台伺服电机位置检测元件速度检测元件位置反馈电流反馈速度反馈21三、按照CNC装置的功能水平分类按照数控机床的功能水平对数控机床进行分类，一般可以把数控机床分为高、中、低档三类。1.分辨率和进给速度分辨率为10m，进给速度在8～15m/min为低档；分辨率为1m,进给速度在15～24m/min为中档；分辨率为0.1m，进给速度在15～100m/min为高档。2.伺服进给类型采用开环、步进电机进给系统为低档；中高档则采用半闭环或闭环的直流伺服系统或交流伺服系统。223.联动轴数值低档数控机床最多联动轴数为2～3轴，而中、高档则为3～5轴以上。4.通信功能低档数控机床一般无通信功能。中档可以有RS—232或DNC（directnumericalcontrol)接口。高档的还可以有MAP（manufacturingautomationprotocol）通信接口，具有联网功能。5.显示功能低档的数控机床一般只有简单的数码管显示或简单的CRT字符显示。而中档数控机床则具有较齐全的CRT显示，不仅有字符显示，而且有图形显示，人机对话功能，自诊断等功能。高档数控机床还有三维图形显示。236.内置PLC低档数控机床一般无内置PLC，中高档都有内置PLC。高档数控机床具有强功能的内置PLC，具有轴控制的扩展功能。7.主CPU低档数控一般采用8位CPU，中档及高档已经逐步由16位CPU向32位CPU过渡。外国的一些新的数控系统已经选用了64位CPU，并选用具有精简指令集的RISC中央处理单元，以提高系统的运算速度。24第三节数控技术与现代机械制造系统一、数控设备和数控系统的发展趋势数控系统发展的主要目标：降低价格、提高可靠性、拓宽功能、提高操作舒适性、提高集成度、提高系统的柔性和开放性。数控系统领域发展趋势硬件开放式数控系统,PC集成技术,系统模块化系统软件开放式数控系统,标准操作系统,实时数据库CNC核心功能三维刀具补偿,样条插补编程功能三维图形模拟,WOP编程,在线编程伺服系统采用现代控制理论提高跟随精度监控和诊断自适应技术,智能诊断技术通信MAP,TCP/IP,现场总线网等用户界面用户可设计的界面25二、数控技术与计算机集成制造系统为满足现代生产中的多品种、中小批量、产品更新换代周期快的要求，出现许多先进制造方法和系统，概括起来主要有：1.柔性制造单元(FMC)2.柔性制造系统(FMS)3.计算机集成制造系统(CIMS)在这里，我们主要介绍一下FMC、FMS的定义以及它们的特点等。26（一）柔性制造单元（FMC）1.FMC的概念柔性制造单元（FlexibleManufacturingCell，简称FMC）由一台或多台数控设备，自动化物流存储、传输和交换装置，及一台单元控制计算机组成。单元控制计算机协调和控制单元内各设备的运行并与上级计算机通信。2.FMC的组成一般情况下，FMC中存在着信息流、物流和加工三个子系统。信息流子系统包括FMC控制系统、监视系统、控制与管理软件；物流子系统包括工件流和刀具流的装卸、搬运和存储。下图就是一个FMC的控制结构框图。27图一个FMC的控制结构框图283.FMC的特点⑴在单元计算机控制下，可在不同或同一机床上进行不同零件的加工；⑵在单元计算机控制下，可以组成柔性制造系统并进行通信；⑶在机床加工过程中可自动进行刀具的更换和工件的自动传输；⑷在机床加工过程中可实现加工过程监控；29（二）柔性制造系统（FMS）1.FMS的定义柔性制造系统（FlexibleManufacturingSystem，简称FMS）的定义是：柔性制造系统是由数控加工设备、物