数控技术的基本知识和现代数控的发展方向 哈尔滨工业大学机电学院数控

数控技术的基本知识和现代数控的发展方向哈尔滨工业大学机电学院数控技术研究室2004年5月12日第一部分数控技术的基本概念1.1数控与数控机床1.概念◆数控:数字控制（NC—NumericalControl）,以数字化信息对机床运动及加工过程进行控制的一种方法。NC已成为数控加工的专用术语。◆数控技术：用数控机床（数控设备）进行自动化加工的一种技术，它综合应用了多种学科的知识。◆数控机床：是实现柔性自动化的关键设备，是柔性自动生产系统的基本单元。●数控技术是现代先进制造技术的基础，其技术水平和普及程度是衡量国家综合国和工业现代化程度的重要标志。●CNC与CAD/CAM/CAPP/关系:通讯▼CAD:计算机辅助设计(ComputerAidedDesign)▼CAM:计算机辅助制造(ComputerAidedMaunfacturng)▼CAE:计算机辅助工程(ComputerAidedEngineering)CADCAMCAE范畴划分●CNC与现代先进制造系统关系:CNC用在制造系统中CNC：DNC–FMC–FMS–CIMS–FA并行工程、敏捷制造、数字化制造、智能制造、网络制造、绿色制造、纳米制造、高速加工等等。初步设计分析模拟详细设计制图生产准备工艺设计NC编程机器人编程制造NC加工装配检验产品CAECADCAMCAD/CAMCAD/CAM/CAE广义CAD广义CAM广义CAD/CAMCAPP2.数控技术产生的原因■高精度、高效率；■刚性自动化不能满足的要求（手工、小规模、大规模生产）；■柔性自动化（多品种、变批量）、复杂零件的加工（多坐标加工）；■计算机技术的发展。3.数控技术的发展历史■1952年，第一代电子管数控系统；■1959年，第二代晶体管数控系统。随之出现刀库，机械手、加工中心；■1960年，第三代集成电路数控系统，硬逻辑数控系统（称为NC；■1970年，第四代小型计算机数控（CNC）；■1974年，第五代微型计算机数控（MNC，统称CNC）；■1980年后，FMS、FMC、CIMS、开放式数控（openNC）系统、智能制造系统（IMS）大发展。■1990年后,高速加工，纳米制造。1.2数控机床的工作原理1.机床数字控制的原理将被加工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，然后将程序输入数控装置，按照程序的要求，经过信息处理，分配，使各坐标以最小位移量为单位移动，其合成运动实现了刀具与工件的相对运动，完成零件的加工。最小位移量的合成运动是机床数字控制的基本原理，即轨迹控制原理（插补原理）。◆点位控制：严格控制点到点的距离，不严格要求路径，运动中不加工。XYOPQ123图1.1点位控制◆轮廓控制：加工平面曲线、空间曲线、空间曲面时，需要多坐标联动。以平面（两维）的任意曲线L为例，要求刀具Τ沿（逼近）曲线轨迹运动，进行切削加工。如图1.2所示。将曲线L分割成：l0、l1、l2……、li等线段。用直线（或圆弧）代替（逼近）这些线段，当逼近误差δ相当小时，这些折线段之和就接近了曲线。轮廓控制也称连续轨迹控制，它的特点是不仅对坐标的移动量进行控制，而且对各坐标的速度及它们之间的比率都要进行严格控制，以便加工出给定的轨迹1112131516δ△x△y14X1Y1O1T1L图1.2轮廓控制:这种在允许的误差范围内，用沿曲线逼近函数的最小单位移动量合成的分段运动（小线段、小圆弧）代替任意曲线运动，以得出所需要的运动轨迹，是数控的基本构思之一。◆插补（Interpolation）是用被加工轨迹的有限信息（如起点和终点之间），计算插进刀具运动的许多中间点，进行数据点的密化工作，然后用已知线型（如直线、圆弧等）逼近。插补有二层意义：基本线型的形成及如何分段逼近。基本线型：由插补指令完成。如直线插补、圆弧插补、抛物线插补、螺旋线插补、极坐标插补、圆柱插补、样条插补、曲面直接插补、纳米插补、光顺插补等，插补指令越多，越能实现复杂型面的加工。分段逼近：按允许的误差。弦线逼近、割线逼近、切线逼近。◆插补分类：基准脉冲插补、数据采样插补（主要方法）。◆基点和节点基点：在数控加工图纸中，基本线型的交点称为；节点：轮廓轨迹上的插入点（逼近线型与轮廓轨迹的交点）。◆为什么补用数学函数直接插补？①计算费时间，不能满足实时控制的要求；②有的被加工轮廓用列表点表示的，没用数学公式；③数控加工时运动不能突变，要满足加速度的要求。2.数控机床的控制●轨迹控制●开关量控制1.3数控机床的组成及分类1.数控机床的组成●数控系统：I/0接口、CNC装置、伺服系统、PLC●机械主机：主运动机构、进给运动机构、辅助机构、床身等输入数控装置驱动装置机床MG测量反馈图3数控机床的组成2.数控机床的应用1）多品种变批量、单件小批量的自动化2）柔性加工和柔性自动化◆小批量而又轮番生产的零件；◆几何形状复杂的零件；◆在加工过程中必须进行多种工序加工的零件；◆切削余量大的零件；◆必须严格控制公差（公差带范围很小）的零件；◆工艺设计会经常变化的零件；◆贵重零件；◆需全部检测的零件，等等。3.数控机床的分类1）按控制运动的轨迹特点分类◆点位控制数控机床◆直线控制数控机床(单轴数控)◆轮廓控制的数控机床：分为两坐标联动，2.5坐标联动，三坐标联动，四坐标联动，五坐标联动等数控机床。五坐标联动是关键技术。2）按伺服系统的控制类型分类◆开环控制的数控机床◆全闭环控制的数控机床◆半闭环控制的数控机床3）按工艺方法分类◆金属切削类数控机床：数控车床，数控铣床、数控钻床、数控磨床、数控镗床以及加工中心等。◆金属成型类及特种加工类数控机床4）按功能水平分类：◆高、中、低档（亦称经济型）5）按驱动方式分类◆步进式◆直流伺服◆交流伺服（交流模拟、交流数字）6）按组成和功能◆开放式数控◆智能数控第二部分数控机床控制系统（CNC）2.1CNC系统的组成CNC系统由“数控装置”、“伺服系统”和系统程序组成。●数控装置（专用计算机）：硬件和软件组成。●伺服系统：检测装置、驱动装置和伺服电机组成。2.1.1数控装置的硬件组成及功能1.数控装置的硬件包括：微机基本系统：CPU、总线、存储器、I/O设备等数控接口组件：进给轴位置控制接口组件、主轴控制接口组件手摇脉冲发生器接口组件等。接口：人机界面接口、通讯接口、机电接口辅助功能（M）控制接口等2.硬件功能：与软件一起接收输入信息（程序）、经过译码、轨迹计算（速度计算）、补偿计算、加/减处理和插补运算，给各个坐标的伺服驱动器分配速度、位移指令，完成数控加工任务。3.硬件具体组成微机基本系统人机界面接口:键盘、显示器、操作面板、手摇脉冲发生器通讯接口、RS232、RS485串行接口、网络接口进给轴位置控制接口主轴控制接口辅助功能（M指令）控制接口CPUROMRAMIN接口0UT接口其它接口通讯控制接口位置控制接口主轴控制接口MDI/CRT接口手摇脉冲发生器接口图4单CPU数控装置2.1.2数控装置软件的基本组成和功能软件由控制功能程序、管理功能程序组成1.控制功能程序--实时性强,用于进给坐标的位置控制，中断完成;译码;预处理（刀补和速度处理）；插补；位控；2.管理功能程序--实时性稍差，但要保证控制软件数据的供给传递，具体见图。CNC软件管理控制显示STMI/O处理通讯诊断译码刀具补偿速度处理插补位置控制输入存储图5数控装置软件组成2.2CNC系统的技术性能指标1．CPU的性能：8、16、32、64位，主频十多GHz,精减指令集芯片（RISC）,提供高的速度和丰富的软硬件资源；2．系统具有高分辨率：保证高精度、超精密加工。进给系统100万脉冲/每转、1600万脉冲/每转（FANUC0i）,分辨率为0.001mm，速度最高可达到100m～240m/min。超精密加工时分辨率0.1μm（甚至0.01μm）,速度为24m/min,或更高。3．系统的控制功能：1)多轴联动、多坐标控制2)多种函数的插补3)多种程序输入功能4)信息转换功能5)补偿功能6)多种加工方式选择7)具有故障自诊断功能8)显示功能4．伺服驱动系统的性能5．数控系统内PLC功能6．系统的通讯和联网功7．系统的开放性8．可靠性2.3怎样选择CNC系统2.3.1选择原则1.名牌厂家：FANUC、SIEMENS、AB、CINCINNATI、NUM、HP、FAG、GE-FANUC、三菱、华中数控、广州数控、航天数控、蓝天数控、北京FANUC、上海开通数控、南京方达数控、威海华东数控、南京清华数控…2.系统的系列FANUC:FANUC-0TD/0MD/0C/0i/15/15i/16/16i/18/18i/21/21i/160/180/210/160i/180i/210i/…F30i；SIEMENS:SIEMENS-802S/802D/810D/840D；3.基本功能、选择功能4.分辨率（设定单位）、速度、联动轴数；5.高速高精度系统的特殊指令功能6.价格、维修。2.3.2高速高精密数控机床的CNC系统1.数控装置的特殊功能●纳米精加工插补；（Nanointerpolation）●光顺插补；●高精度（纳米）轮廓控制；●5轴加工功能；●NURBS插补；●前视功能；●预测及反复控制；●法线方向及缓曲线法线方向控制；●精细加/减速功能；●切削进给插补前/后的直线加/减速功能；●切削进给插补前/后的铃型（或叫鼓型）加/减速●插补型螺距误差补偿；●双向螺距误差补偿；●直线度补偿；●插补型直线度补偿；●丰富的宏指令，循环指令；●完善的自诊断、参数设置、动态图形显示、高速缓存、I/O外部设备控制和联网功能等●接外部补偿的功能。2.对驱动控制及伺服电机的特殊要求●光纤通讯的三环（电流、速度、位置）全闭环控制交流数字伺服系统；●高响应的矢量控制功能:FANUC系统称为:HRV-HighResponseVector高响应向量控制）；●双位置反馈控制；●特殊制造的高响应高精度电机,且具有平稳运行的低速性能；第三部分数控机床的结构及设计3.1机床本体机床本体也称主机，它包括:主运动部件:主轴箱及主轴；进给运动部件：进给传动件、工作台、刀架、导轨等；基础部件：支撑部件，如：底座、床身、立柱等；特殊部件：刀库、自动换刀装置和托盘交换装置等）；现在包括CNC装置，各个部件都看做功能部件，专门生产。3.2数控机床主机的特点主运动，及进给坐标轴都由单独的伺服电机驱动；传动链短、结构比较简单；运动关系由计算机来协调控制。采用高效传动件：精密滚珠丝杠、直线滚动导轨副、精密齿条、蜗母条、静压、磁浮导轨等。机械结构应具有较高的静态特性、动态刚度、阻尼精度、耐磨性以及抗热变形性能。在加工中心上还具备有刀库和自动交换刀具的机械手。配套设施齐全，如：冷却、自动排屑、防护、可靠的润滑、对刀仪等。3.3主机的设计3.3.1总体设计1.总体方案：布局外观、精度、性能、静动态特性（刚度特性摩擦特性、热特性）.2.参数：功率、扭矩、转速、行程、速度….3.机电匹配：机电分工、电机和控制系统的选择.3.3.2主传动系统设计1.传动系统.2.电主轴.3.自动卡盘.4.动力刀架.3.3.3进给传动系统设计1.开环、半闭环、全闭环.2.传动方案.3.高效传动件的设计、选择、计算、机电匹配.4.直线电机系统.3.3.4其它系统的设计1.数控回转工作台.2.换刀机械手。3.刀库、刀具系统.4.冷却、排屑系统.第四部分数控技术的发展方向4.1数控技术总的发展趋势当代，数控技术的典型应用是FMC/FMS/CIMS，其发展方向是高速化、高精度化、高效加工、多功能化、小型化、复合化、开放化和智能化以及数控标准的发展。目前的动向是:开放式数控系统、高速加工系统。4.2新的数控标准STEP-NC4.2.1STEP-NC标准的产生及概念1.产生：数控发展已50多年了，编程还在采用G、M代码、地址字的程序格式（ISO6983），它是面向运动和开关控制的语言。限制了CNC系统的开放性和智能化发展的需要，使CNC与CAM技术之间形成了