数控技术概述

2012.05西南石油大学机电工程学院数控技术西安交通大学机械工程学院西南石油大学机电工程学院2第一章概述1-1数控系统及数控机床的基本概念1-2数控机床的分类1-3数控机床的产生与发展西安交通大学机械工程学院西南石油大学机电工程学院3第一章概述1-1数控系统及数控机床的基本概念1-2数控机床的分类1-3数控机床的产生与发展西安交通大学机械工程学院西南石油大学机电工程学院4一数控技术的基本概念数字控制（NumericalControlTechnology，NC）是一种借助数字化信息（数字、字符）对某一工作过程（如加工、测量、装配等）发出指令并实现自动控制的技术。数控系统（NumericalControlSystem）采用数字控制技术的自动控制系统。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。数控机床是一种装有程序控制系统（数控系统）的高效自动化机床。是数控技术典型应用的例子。1-1数控系统及数控机床的基本概念西安交通大学机械工程学院西南石油大学机电工程学院5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（CNC装置）程序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输出设备输入设备1-1数控系统及数控机床的基本概念二、数控机床的组成西安交通大学机械工程学院西南石油大学机电工程学院6(一)CNC系统机床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（CNC装置）程序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输出设备输入设备1-1数控系统及数控机床的基本概念西安交通大学机械工程学院西南石油大学机电工程学院7(一)CNC系统机床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（CNC装置）程序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输出设备输入设备1-1数控系统及数控机床的基本概念1.CNC装置西安交通大学机械工程学院西南石油大学机电工程学院8组成：计算机系统、位置控制板、PLC接口板，通讯接口板、特殊功能模块以及相应的控制软件。作用：根据输入的零件加工程序进行相应的处理（如运动轨迹处理、机床输入输出处理等），然后输出控制命令到相应的执行部件(伺服单元、驱动装置和PLC等)，所有这些工作是由CNC装置内硬件和软件协调配合，合理组织，使整个系统有条不紊地进行工作的。CNC装置是CNC系统的核心1-1数控系统及数控机床的基本概念西安交通大学机械工程学院西南石油大学机电工程学院9(一)CNC系统1-1数控系统及数控机床的基本概念1.CNC装置硬件1)计算机管理软件软件控制软件西安交通大学机械工程学院西南石油大学机电工程学院10(一)CNC系统机床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（CNC装置）程序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输出设备输入设备1-1数控系统及数控机床的基本概念1.CNC装置2)可编程控制器西安交通大学机械工程学院西南石油大学机电工程学院112)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；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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。1-1数控系统及数控机床的基本概念西安交通大学机械工程学院西南石油大学机电工程学院123)接口与上位机的通信接口:串行通信+网络通信与各种输入/输出设备接口与机床侧信号往来的I/O接口1-1数控系统及数控机床的基本概念西安交通大学机械工程学院西南石油大学机电工程学院13(一)CNC系统机床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（CNC装置）程序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输出设备输入设备1-1数控系统及数控机床的基本概念2.输入/输出设备和控制介质西安交通大学机械工程学院西南石油大学机电工程学院14控制介质是记录零件加工程序的媒介输入输出设备是CNC系统与外部设备进行交互装置。交互的信息通常是零件加工程序。即将编制好的记录在控制介质上的零件加工程序输入CNC系统或将调试好了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。数控机床常用的控制介质和输入输出设备见表1：1-1数控系统及数控机床的基本概念2.输入/输出设备和控制介质西安交通大学机械工程学院西南石油大学机电工程学院15表1控制介质和输入输出设备表控制介质输入设备输入设备穿孔纸带纸带阅读机纸带穿孔机磁盘磁盘驱动器光盘光盘驱动器1-1数控系统及数控机床的基本概念西安交通大学机械工程学院西南石油大学机电工程学院16(一)CNC系统机床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（CNC装置）程序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输出设备输入设备1-1数控系统及数控机床的基本概念3.伺服单元、驱动装置和测量装置西安交通大学机械工程学院西南石油大学机电工程学院17伺服单元和驱动装置主轴伺服驱动装置和主轴电机进给伺服驱动装置和进给电机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）3.伺服单元、驱动装置和测量装置1-1数控系统及数控机床的基本概念西安交通大学机械工程学院西南石油大学机电工程学院18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（CNC装置）程序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输出设备输入设备1-1数控系统及数控机床的基本概念(二)机床西安交通大学机械工程学院西南石油大学机电工程学院19机床：数控机床的主体，是实现制造加工的执行部件。组成：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（刀具自动交换系统工件自动交换系统）和辅助装置（如排屑装置等）。1-1数控系统及数控机床的基本概念(二)机床西安交通大学机械工程学院西南石油大学机电工程学院20高刚度和高抗振性小的机床热变形高效率、无间隙、低摩擦传动简化的机械传动结构1-1数控系统及数控机床的基本概念数控机床主机特点西安交通大学机械工程学院西南石油大学机电工程学院211.适应性强,适合加工单件小批量复杂零件2.加工精度高,产品质量稳定3.自动化程度高,劳动强度低4.生产效率高减少辅助时间和机动时间5.良好的经济效率6.有利于生产管理的现代化二、数控机床的特点1-1数控系统及数控机床的基本概念西安交通大学机械工程学院西南石油大学机电工程学院22第一章概述1-1数控系统及数控机床的基本概念1-2数控机床的分类1-3数控机床的产生与发展西安交通大学机械工程学院西南石油大学机电工程学院23数控机床的种类很多，从不同角度对其进行考查，就有不同的分类方法，通常有以下几种不同的分类方法：1-2数控机床的分类西安交通大学机械工程学院西南石油大学机电工程学院24点位控制数控机床(位置控制)轮廓控制数控机床(连续控制)(一)按控制刀具与工件相对运动的轨迹分类1-2数控机床的分类西安交通大学机械工程学院西南石油大学机电工程学院25特点:仅能实现刀具相对于工件从一点到另一点的精确定位运动；对轨迹不作控制要求；运动过程中不进行任何加工适用范围：数控钻床、数控镗床、数控冲床和数控测量机。点位控制1-2数控机床的分类西安交通大学机械工程学院西南石油大学机电工程学院26轮廓控制轮廓控制(连续控制)系统：具有控制几个进给轴同时谐调运动(坐标联动)，使工件相对于刀具按程序规定的轨迹和速度运动，在运动过程中进行连续切削加工的数控系统。适用范围：数控车床、数控铣床、加工中心等用于加工曲线和曲面的机床。现代的数控机床基本上都是装备的这种数控系统。1-2数控机床的分类西安交通大学机械工程学院西南石油大学机电工程学院27开环控制系统闭环控制系统半闭环控制系统全闭环控制系统(一)按照伺服驱动系统的控制方式分类1-2数控机床的分类西安交通大学机械工程学院西南石油大学机电工程学院28开环数控系统电机机械执行部件A相、B相C相、…f、nCNC插补指令脉冲频率f脉冲个数n换算脉冲环形分配变换功率放大1-2数控机床的分类西安交通大学机械工程学院西南石油大学机电工程学院29开环控制框图工作台步进电机数控装置1-2数控机床的分类西安交通大学机械工程学院西南石油大学机电工程学院30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讲不高，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。一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。这类系统具有结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉等优点，在精度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合得到广泛应用。一般用于经济型数控机床。1-2数控机床的分类西安交通大学机械工程学院西南石油大学机电工程学院31半闭环数控系统位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元++--电机机械执行部件CNC插补指令实际位置反馈实际速度反馈1-2数控机床的分类西安交通大学机械工程学院西南石油大学机电工程学院32工作台伺服电动机数控装置伺服放大器位置检测（编码器）半闭环控制框图1-2数控机床的分类西安交通大学机械工程学院西南石油大学机电工程学院33半闭环数控系统的位置采样点如图所示，是从驱动装置(常用伺服电机)或丝杠引出，采样旋转角度进行检测，不是直接检测运动部件的实际位置。半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，因此可获得稳定的控制性能，其系统的稳定性虽不如开环系统，但比闭环要好。由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难以消除。因此，其精度较闭环差，较开环好。但可对这类误差进行补偿，因而仍可获得满意的精度。半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度也较高，因而在现代CNC机床中得到了广泛应用。1-2数控机床的分类西安交通大学机械工程学院西南石油大学机电工程学院34全闭环数控系统位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元++--电机机械执行部件CNC插补指令实际位置反馈实际速度反馈1-2数控机床的分类西安交通大学机械工程学院西南石油大学机电工程学院35工作台伺服电动机数控装置伺服放大器闭环控制框图检测装置（光栅）1-2数控机床的分类西安交通大学机械工程学院西南石油大学机电工程学院36闭环数控系统的位置采样点如图所示，直接检测运动部件的实际位置，精度高。闭环环路内包括机械传动环节多，易导致系统不稳定闭环数控系统复杂、调试较难、成本高。1-2数控机床的分类西安交通大学机械工程学院西南石油大学机电工程学院37性能类别CPU位数联动轴数分辨率(um)进给速度(m/min)显示高级型3250.124三维动态普及型2630.1~1015~24字符/图形经济型831015字符4、按照CNC装置的功能水平分类1-2数控机床的分类西安交通大学机械工程学院西南石油大学机电工程学院383按工艺用途分类切削加工类：数控镗铣床、数控车床、数控磨床、加工中心、数控齿轮加工机床、FMC等。成型加工类：数控折弯机、数控冲裁机等。特种加工类：数控线切割机、电火花加工机、激光加工机等。其它类型：数控装配机、数控测量机、机器人