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1、数数 控控 技技 术术主讲教师主讲教师:*:*第一章第一章 概论概论第一节第一节 数控机床的基本概念数控机床的基本概念一、数控机床的产生一、数控机床的产生制造技术的三个发展阶段制造技术的三个发展阶段:第一阶段:用机器代替手工,从作坊形成工厂。第二阶段:从单件生产方式发展到大量生产方式。第三阶段:制造的柔性化、系统化、智能化。先进制造技术是经济发展的支撑先进制造技术是经济发展的支撑l科学技术科学技术 l社会生产社会生产 发展发展 机械加工工艺过程的自动化机械加工工艺过程的自动化 质量质量对产品对产品 生产率生产率 要求要求越来越高越来越高解决的重要措施之一解决的重要措施之一产品与生产方式产品与生
2、产方式:自动机床、组合机床、专用自动线等刚性自动化机床自动机床、组合机床、专用自动线等刚性自动化机床自动机床、组合机床、专用自动线等刚性自动化机床自动机床、组合机床、专用自动线等刚性自动化机床设备设备大批量大批量 生产生产 采用采用“刚性刚性”自动化自动化 设备设备小批量小批量 生产生产 采用采用“柔性柔性”自动化自动化 设备设备数字控制机床等灵活通用的、能适应产品频繁变化的数字控制机床等灵活通用的、能适应产品频繁变化的柔性自动化机床柔性自动化机床设备设备在机械产品中在机械产品中,单件和小批单件和小批量产品约占量产品约占70%80%计算机控制系统计算机控制系统系统:是一些机构的组合,这些机构由
3、信息联系在一起,完成一定的任务。系统计算机(完成比较器、控制器等功能)被控对象或过程测量机构或传感器等控制:通过信息给对象对象以命令。对象:为完成一定任务的被控制机构。过程:被控制的连续运行状态。如机械加工过程(车削、铣削、磨削等)、化学反应过程等。2020世纪中叶数控技术和数控机床的诞生标志着生产和世纪中叶数控技术和数控机床的诞生标志着生产和控制领域一个崭新时代的到来控制领域一个崭新时代的到来1948年美国帕森斯(Parsons Co.)公司在研制加工直升机叶片轮廓检验样板的机床时,首先提出利用电子计算机控制机床加工复杂曲线样板的新概念。Parsons Co.公司设想的方案是:把坐标点的代码
4、打在穿孔卡上,然后输入到机床的控制系统中,使一台改装过的铣床按照微小增量的步距移动得到需要的轨迹。Parsons Co.公司受美国空军委托与麻省理工学院(MIT)伺服机构研究所合作研制于1952年研制出世界上第一台三坐标立式数控铣床。采用了自动控制、伺服驱动、精密测量、新型机械结构。1955年数控机床形成了产业化,并批量投放市场。数控机床的诞生在对复杂曲线、型面的加工以及对美国航空工业和军事工业的发展起到了重要作用。Parsons Co.公司的数控加工方案实现了,这是因为:第一:构思正确。第二:科学技术的发展使构思变为现实成为可能。计算机的出现为数控技术的出现与发展奠定了基础计算机的出现为数控
5、技术的出现与发展奠定了基础第一代数控:19521959年,以MIT研制的三坐标数控系 统为标志,系统全部采用电子管元件,逻辑运算与控制采用硬件电路完成。称之为硬件硬件数控系统数控系统(Numerical ControlNC)。第二代数控:1959,晶体管元件和印刷电路板广泛应用于数控系统。成为第二代数控系统的标志。第三代数控:1965,由于小规模集成电路的出现,使其体积变小、功耗降低,数控系统的可靠性得以进一步提高,从而推动了数控系统的发展。第四代数控:1970,随着微电子技术的发展,小型计算机逐渐取代数控系统中的专用计算机,使许多控制功能可以依靠编制专用程序来完成,而不必依靠硬件电路,实现软
6、软件控制件控制,大大提高了数控系统控制的灵活性和数控设备的可靠性。1970年,美国芝加哥国际机床展览会上第一次展出了采用小型计算机控制的计算机数计算机数控控(Computer Numerical ControlCNC)装置和由计算机直接控制多台机床的直接数控直接数控(Direct Numerical ControlDNC)系统。新一代数控:进入90年代,数控系统的发展以高速度、高精度、智能化为显著特点。大规模和超大规模集成电路的进一步发展,使微处理器的性能不断提高,软件功能日益增强,CNC系统随着外围电路和接口配置的不断完善,以及软件技术在交互式人机对话和图形显示技术方面所取得的成就而得到发展
7、。基于PC-NC的新一代数控充分利用了现有PC机的软硬件资源,使得数控系统集成度高,可靠性好,升级换代容易,易于实现开放式系统。数控机床定义数控机床定义:由国际信息处理联盟IFIPInternational Federation of Information Processing第五技术委员会对数控机床作如下定义:数控机床是一个装有程序控制系统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。数控系统:采用数控技术数控技术的控制系统。数控技术数字控制(Numerical Control)技术(NCNC技术):用数字化信息(数字量及字符)发出指令并实现自动控制的技
8、术。数控(NC)硬件数控:数控设备的数控功能是用专用计算机的硬件结构来实现的。计算机数控(CNC)软件数控(Computer Numerical Control):在硬件数控的基础上发展起来的,以小型通用计算机或微型计算机的系统控制程序来实现部分或全部数控功能。若改变相应的控制程序,即可改变其控制功能,而无需改变其硬件电路。因此CNC系统具有更大的通用性和灵活性,即具有很好的“柔性”。二、数控机床的组成二、数控机床的组成数控机床加工零件的几个步骤数控机床加工零件的几个步骤:1)根据加工零件的图纸与工艺方案,用规定的代码和程序格式编写编写程序单。2)通过输入装置将程序代码逐段输入输入到数控装置。
9、3)数控装置将代码进行译码译码,寄存寄存和运算运算之后,向机床伺服机构发出讯号发出讯号,以驱动驱动机床的各个运动部件,并控制其它必要的辅助操作辅助操作,如变速、开关冷却液、松夹工件及刀具转位等,最后加工出合格的零件。数控机床通常由四部分组成数控机床通常由四部分组成:图示的机床组成方式为 开环系统开环系统程序载体程序载体数控装置数控装置伺服系统伺服系统机床部分机床部分 测量装置测量装置检测检测反馈反馈加上测量装置后机床组成方式为闭环系统闭环系统可以将机床所得到的检测结果再反馈到数控装置中去。数控机床的基本组成如下图所示数控机床的基本组成如下图所示:程序载体输入装置数控装置伺服驱动系统强电控制装置
10、检测装置机床(主运动、进给运动、辅助操作)继续1 1、程序载体、程序载体 对数控机床进行控制必须在人与机床之间建立某种联系,这种联系的中间媒介物即程序载体(又称控制介质)。常用的控制介质有:穿孔带、穿孔卡、磁带。如图所示为八位标准穿孔带如图所示为八位标准穿孔带:返回光电阅读机穿孔带。磁带机磁带。软盘驱动器磁盘。MDI方式手动直接输入。直接通讯方式由计算机直接传送给数控装置。DNC系统接口输入分布式数字控制系统接口输入(Distributed Numerical Control)。返回3 3、数控装置、数控装置(CNC)(CNC)数控机床的中心环节。输入装置输入装置:接受由穿孔带阅读机输出的代码
11、,经过识别与译码之后分别输送到个相应的寄存器,这些指令与数据将作为控制器与运算器的原始数据。控制器控制器:接受输入装置的指令,根据指令控制运算器与输出装置,以实现对机床的各种操作(如主轴的变速或冷却液的开关)以及控制整机的工作循环。输出装置输出装置:根据控制器的指令将运算器送来的计算结果输送到伺服系统,经过功率的放大,驱动相应的坐标轴,使机床完成刀具相对工件的运动。CNC装置硬件软件工业控制计算机或专用微型计算机位置控制模块图形控制模块可编程控制器(PLC)零件加工程序的输入输出控制软件管理软件系统的显示功能和诊断功能译码处理位置控制刀具补偿速度控制4 4、强电控制装置、强电控制装置 主要功能
12、是接受数控装置所控制的内置式可编程控制器(PLC)输出的主轴变速、换向、启动或停止,刀具的选择和更换,分度工作台的转位和锁紧,工件的夹紧或松开,切削液的开或关等辅助操作的信号,经功率放大直接驱动相应的执行元件,诸如接触器、电磁阀等,从而实现数控机床在加工过程中的全部自动操作。返回5 5、伺服系统、伺服系统 伺服系统接受来自数控装置的指令信息,严格按照指令信息的要求带动机床的移动部件,以加工出符合图纸要求的零件。伺服系统包括:驱动装置、执行部件两大系统。由于伺服控制系统是数控机床的最后控制环节,因此它的伺服精度和动态响应特性将直接影响数控机床的生产率、加工精度和表面加工质量。功率步进电动机(St
13、epping Motor)直流伺服电动机(带有感应同步器、编码器等位置检测元件)。采用晶体管脉冲宽度调制(PWMPulse Width Modulation)和晶闸管(SCRSemiconductor Control Rectifier)调速系统。交流伺服电动机(带有感应同步器、编码器等位置检测元件)。采用正弦波PWM变频调速(SPWMSine PWM)和矢量控制调速(Vector Control)常用伺服驱动部件有常用伺服驱动部件有:返回6 6、机床、机床 与传统的机床相比,数控机床的外部造型、整体布局,传动系统、支撑系统、排屑系统与刀具系统的部件结构以及操作机构等方面都已发生了很大的变化。
14、通常对数控机床设计在机床的精度、静刚度、动刚度和热刚度等方面提出了更高的要求,而传动链则要求尽可能简单。目的是为了满足数控技术的要求和充分发挥数控机床的特点。与普通机床的不同点与普通机床的不同点:(1)由于采用高性能的主轴和伺服系统,使得数控机床的机械传动结构得到了简化,传动链较短。(2)具有较高的动态刚度、阻尼精度,耐磨性好,热变形较小。(3)更多地采用高效传动部件,如滚珠丝杠副,滚动导轨。返回三、三、数控机床涉及的基本技术数控机床涉及的基本技术数控机床是综合了当今世界上许多领域最新的技术成果。主要包括:精密机械、计算机及信息处理、自动控制及伺服驱动、精密检测及传感和网络通讯等技术。其核心是
15、由微电子技术向精密机械技术渗透所形成的机电一体化技术。1 1、精密机械技术、精密机械技术 精密机械技术是数控机床的基础,它包括精密机械设计和精密机械加工两大方面。对一台数控机床而言,机械结构和传动占了很大的比例,因此不断发展各种新的设计计算方法和新型结构,采用新型材料和新工艺,以使新一代数控机床的主机具有高精度、高速度、高可靠性、体积小、质量小、维修方便和价格低廉的机械机构。返回2 2、计算机及信息处理技术、计算机及信息处理技术 通常计算机技术包括计算机软件和计算机硬件技术、数据库技术,以及网络通信技术。而信息处理技术包括信息的存取、运算、判断、决策和交换,计算机作为信息处理的工具,两者之间就
16、自然地具有极为密切的关系。数控系统中计算机指挥和管理整个系统的有序运行,信息处理的高速、及时和正确将直接影响系统的工作质量和效率。目前的数控系统还引入了人工智能、专家系统、模糊控制、人工神经网络和仿真技术等。返回3 3、自动控制理论和伺服驱动技术、自动控制理论和伺服驱动技术 自动控制理论和伺服驱动技术对数控机床的功能、动态特性和控制品质具有重要影响:在对一个具体的控制装置或系统的设计、仿真和现场调试中,自动控制理论具有重要的理论指导作用。在伺服速度环控制中采用前馈控制,使传统的位置环偏差控制的跟踪滞后现象得到很大改善,并增加了系统的稳定性和伺服精度。为了适应不同类型数控机床复杂的控制算法,伺服
17、系统的位置环和速度环都采用软件控制。目前交流伺服电动机驱动已经逐步取代了其它的伺服驱动,与之配套的是电力电子技术,提供了瞬时输出很大的峰值电流和完善的保护功能。返回4 4、精密检测和传感技术、精密检测和传感技术 精密检测和传感技术是闭环和半闭环控制系统中的关键技术,检测和传感装置则是实现自动控制的关键环节之一。精密检测和传感的精度与功能直接影响自动控制的品质,在精度补偿方面发挥重要作用。精密检测的关键器件是传感器,数控系统要求传感器能够快速、精确地获取信息,并能在各种各样的工作环境下可靠运行。与计算机技术的发展相比,传感与检测技术的发展相对滞后。返回返回5 5、网络和通信技术、网络和通信技术 随着计算机网络技术在通信领域的广泛应用,正在对数控机床和以数控机床为基础的柔性制造单元(FMC)、柔性制造系统(FMS)乃至计算机集成制造系统(CIMS)产生重大而深远的影响。通过网络仿真使零件从概念到在数控机床上完成加工的全部过程已经实现。计算机网络和通信技术可以充分实现信息资源共享。通过电子邮件等方式进行无纸化的远程管理和监控,可以方便地进行产品的异地加工、装配和调试。