机电一体化概论 第5章.ppt

第五章第五章 数控技术与数控机床数控技术与数控机床第一节第一节 数控技术数控技术 一、定义一、定义 数控技术（数控技术（numerical control，NC）以数字化的信息实以数字化的信息实现对设备进行控制的技术。现对设备进行控制的技术。二、数控技术的典型应用二、数控技术的典型应用 数控车床数控车床 数控钻床数控钻床 1 1数控机床数控机床 数控镗床数控镗床 （数控数控金属金属 数控铣床数控铣床 切削加工切削加工 数控磨床数控磨床 机床机床）加工中心（加工中心（machining centermachining center）数控车床数控车床经济型数控车床经济型数控车床数控钻床数控钻床数控铣床数控铣床加工中心加工中心卧式卧式加工中心加工中心立式立式加工中心加工中心车削车削加工中心加工中心钻削钻削加工中心加工中心 2 2机器人机器人 3 3数控线切割机床数控线切割机床 4 4数控电火花成形机床数控电火花成形机床 5 5数控火焰切割机床数控火焰切割机床 6 6数控绘图仪数控绘图仪 7 7数控测量机（坐标测量机）数控测量机（坐标测量机）8 8数控冲床数控冲床 9 9数控剪床数控剪床 10.10.数控折弯机数控折弯机 机器人机器人数控线切割机床数控线切割机床数控电火花加工机床数控电火花加工机床数控火焰加工机床数控火焰加工机床数控绘图仪数控绘图仪滚筒式滚筒式绘图仪绘图仪平板式平板式绘图仪绘图仪数控测量机（坐标测量机）数控测量机（坐标测量机）数控冲床数控冲床数控剪床数控剪床数控折弯机数控折弯机 三、数控系统的组成三、数控系统的组成数控数控设备设备被加工对象被加工对象伺服伺服机构机构数控数控装置装置控制控制介质介质 1 1控制介质控制介质 指指穿孔纸带、磁带、磁盘穿孔纸带、磁带、磁盘等，用来以代码形式记录加工的信等，用来以代码形式记录加工的信息（指令），并可将加工信息输入数控装置。息（指令），并可将加工信息输入数控装置。目前最方便的方法是在计算机上用目前最方便的方法是在计算机上用TXT（文本）文件文本）文件编写好编写好加工指令后，通过加工指令后，通过RS232232串行口将加工指令传输到数控装置中。串行口将加工指令传输到数控装置中。2 2数控装置数控装置 接受接受控制介质控制介质输入的信息，将代码加以识别、储存、运算，输入的信息，将代码加以识别、储存、运算，输出输出相应的相应的指令指令（脉冲）给伺服系统。（脉冲）给伺服系统。数控装置数控装置一般属于一般属于专用计算机专用计算机，其，其核心元器件是核心元器件是CPU，但但其配置远低于市面上流行的台式微机，其配置远低于市面上流行的台式微机，运算速度运算速度和和内存内存都非常都非常低。目前有用普通台式微机的低。目前有用普通台式微机的开放式数控系统开放式数控系统。3 3伺服系统伺服系统 把来自数控装置的把来自数控装置的脉冲脉冲信号转换为设备信号转换为设备运动运动的系统。的系统。最初的伺服系统是由最初的伺服系统是由步进电机步进电机加相应的齿轮传动装置组成。加相应的齿轮传动装置组成。数控装置发出数控装置发出一个脉冲一个脉冲，电机转动一个，电机转动一个步距角步距角，通过，通过脉冲数量脉冲数量来来控制控制电机的转角电机的转角，从而实现对设备运动的控制，数控技术由此而，从而实现对设备运动的控制，数控技术由此而得名。得名。目前常用的伺服系统也采用目前常用的伺服系统也采用直流伺服电机直流伺服电机或或交流伺服电机交流伺服电机。4 4数控设备数控设备 完成对被加工对象作业的设备（如机床、绘图机和坐标测量完成对被加工对象作业的设备（如机床、绘图机和坐标测量机等）。机等）。第二节第二节 数控机床数控机床 一、定义一、定义 采用采用数控技术数控技术对机床进行控制的对机床进行控制的自动化自动化金属切削加工金属切削加工机床。机床。二、数控机床与普通机床在性能上的主要差别二、数控机床与普通机床在性能上的主要差别 1 1数控机床数控机床刚性刚性好好 2 2数控机床的数控机床的热变形热变形小小 3 3要考虑要考虑自动排屑自动排屑 三、数控机床与普通机床在功能上的主要差别三、数控机床与普通机床在功能上的主要差别 为了便于分析和比较，以中小型车床为例。为了便于分析和比较，以中小型车床为例。加工功能加工功能普通车床普通车床数控车床数控车床圆柱面圆柱面手动、自动手动、自动自自 动动端端 面面手动、自动手动、自动自自 动动圆锥面圆锥面手动手动自自 动动直直螺纹螺纹手动手动自自 动动锥锥螺纹螺纹自自 动动圆弧曲面圆弧曲面手动手动+样板样板自自 动动函数回转面函数回转面手动手动+样板样板自自 动动切削过程中变导程切削过程中变导程自自 动动循环加工循环加工自自 动动 1 1加工功能加工功能 2 2操作操作 普通车床普通车床完全靠完全靠手工操作手工操作，劳动强度大。，劳动强度大。数控车床数控车床在输入加工指令后，操作人员通过键盘的简单操作在输入加工指令后，操作人员通过键盘的简单操作控制控制自动加工自动加工过程，劳动强度小。过程，劳动强度小。但是，加工指令的编程需要花费一定的时间，并且必须要但是，加工指令的编程需要花费一定的时间，并且必须要认认真地核对真地核对。3 3加工精度加工精度 普通车床普通车床的加工精度主要靠操作者的的加工精度主要靠操作者的技术水平技术水平保证，加工产保证，加工产品的品的一致性差一致性差。数控车床的加工精度主要靠数控系统的性能保证，一般加工数控车床的加工精度主要靠数控系统的性能保证，一般加工精度可达精度可达0.01 0.01 mmmm，并且加工产品的并且加工产品的一致性一致性非常好。非常好。4 4生产效率生产效率 在数控车床上的加工时间为在普通车床上加工时间的在数控车床上的加工时间为在普通车床上加工时间的1/41/41/61/6（对复杂形状零件而言）。（对复杂形状零件而言）。但对以但对以单件单件或或几件几件为批量的零件而言，考虑到数控加工指令为批量的零件而言，考虑到数控加工指令编程所需要的时间，在生产效率方面几乎没有什么优势。编程所需要的时间，在生产效率方面几乎没有什么优势。四、数控机床的发展过程四、数控机床的发展过程 数控技术是以数控机床为先导发展起来的，并与计算机技术数控技术是以数控机床为先导发展起来的，并与计算机技术的发展紧密相连。的发展紧密相连。20世纪世纪40年代末期，美国空军为了解决某些难年代末期，美国空军为了解决某些难加工的飞机零件的制造问题，委托加工的飞机零件的制造问题，委托美国麻省理工学院美国麻省理工学院研制能够自研制能够自动加工复杂形状零件的自动机床。动加工复杂形状零件的自动机床。1952 1952年，美国年，美国麻省理工学院麻省理工学院与帕森斯公司与帕森斯公司(ParsonsCo.)共共同试制出第一台数控机床同试制出第一台数控机床三坐标数控铣床。三坐标数控铣床。根据数控装置的根据数控装置的主要元器件主要元器件的演化过程，数控机床可分为的演化过程，数控机床可分为五代五代：11952年年 电子管元件电子管元件数控系统数控系统 硬连线硬连线数控系统（数控系统（NCNC）21959年年 晶体管元件晶体管元件数控系统数控系统 Numerically Controlled31965年年 小规模集成电路小规模集成电路数控系统数控系统 Machine Tool41970年年 小型计算机小型计算机数控系统数控系统（CNC）Computerized Numerically Controlled-51974年年 微型计算机微型计算机数控系统数控系统（MNC）Micro-computerized-从从计算机计算机对数控机床的对数控机床的控制方式控制方式上也有一个演化过程：上也有一个演化过程：CNC DNC DNCCNC（计算机数控机床）计算机数控机床）DNC（Direct Numerically Controlled Machine Tool）群控群控（或直接控制）数控机床（或直接控制）数控机床DNC（Distributed Numerically Controlled Machine Tool）分布式分布式数控机床数控机床计算机计算机机机 床床计算机计算机机机 床床计算机计算机机机 床床中中央央计计算算机机 五、数控机床的分类五、数控机床的分类 目前数控机床品种齐全，规格繁多，可以按照多种原则进行目前数控机床品种齐全，规格繁多，可以按照多种原则进行分类，但通常是按以下几种方法来分类：分类，但通常是按以下几种方法来分类：1 1按控制轨迹分类按控制轨迹分类 （1 1）点位控制数控机床（）点位控制数控机床（point to pointpoint to point）这类数控机床只要求保证这类数控机床只要求保证点与点点与点之间的之间的准确定位准确定位，即只控制，即只控制行程的行程的终点坐标值终点坐标值，而对点与点之间刀具所移动的轨迹不加以控，而对点与点之间刀具所移动的轨迹不加以控制，并且制，并且刀具移动过程中也不进行切削刀具移动过程中也不进行切削。这类数控机床有数控钻床、数控冲床、数控坐标镗床。这类数控机床有数控钻床、数控冲床、数控坐标镗床。（2 2）连续控制数控机床（）连续控制数控机床（contouring NC,continuous NC）这类数控机床能够实现这类数控机床能够实现点与点点与点之间的之间的各种复杂运动轨迹各种复杂运动轨迹的控的控制，如直线、圆弧、二次曲线或高次曲线。大多数的数控机床制，如直线、圆弧、二次曲线或高次曲线。大多数的数控机床（如数控车床、数控铣床、数控磨床、加工中心、数控齿轮专用（如数控车床、数控铣床、数控磨床、加工中心、数控齿轮专用机床等）都采用这种控制方式。机床等）都采用这种控制方式。AB注意：注意：某些专业书上还提出了某些专业书上还提出了直线控制数控机床直线控制数控机床的分类种类，但的分类种类，但这种分类方法这种分类方法与工程实际脱节与工程实际脱节。2 2按控制方式分类按控制方式分类 数控机床按照被控制量有无反馈控制可以分为数控机床按照被控制量有无反馈控制可以分为开环、闭环开环、闭环和和半闭环半闭环控制方式。控制方式。（1 1）开环控制数控机床）开环控制数控机床 在开环控制方式下，数控机床在开环控制方式下，数控机床没有检测反馈装置没有检测反馈装置。输入的数。输入的数据经过数控装置运算，给出据经过数控装置运算，给出指令脉冲指令脉冲，通过伺服机构，通过伺服机构(步进电机步进电机）驱动被控对象的工作台移动。驱动被控对象的工作台移动。优点：优点：系统简单、工作稳定、调试和维修方便、造价低。系统简单、工作稳定、调试和维修方便、造价低。缺点：缺点：控制精度较差（只适用于一般要求的中、小型数控机床）。控制精度较差（只适用于一般要求的中、小型数控机床）。（2 2）闭环控制数控机床）闭环控制数控机床 在闭环控制方式下，检测装置直接对在闭环控制方式下，检测装置直接对工作台的实际位移量工作台的实际位移量进进行检测，将工作台的行检测，将工作台的实际位移量实际位移量与与指令值指令值比较后形成的比较后形成的误差误差信号信号作为控制量，去控制工作台的运动，使之与数控装置所要求的位作为控制量，去控制工作台的运动，使之与数控装置所要求的位置相符合，以达到很高的加工精度。置相符合，以达到很高的加工精度。优点：优点：定位精度高，调节速度快。定位精度高，调节速度快。缺点：缺点：工作台的工作台的惯性惯性、丝杠与螺母之间的、丝杠与螺母之间的间隙间隙、丝杠的扭转变形、丝杠的扭转变形等因素对系统的等因素对系统的稳定性稳定性不利；成本高。不利；成本高。这种闭环控制系统一般用于精度要求很高的数控机床，如数这种闭环控制系统一般用于精度要求很高的数控机床，如数控铣床、数控坐标镗床等。控铣床、数控坐标镗床等。（3 3）半闭环控制数控机床）半闭环控制数控机床 在半闭环控制方式下，检测装置不对工作台的实际位置进行在半闭环控制方式下，检测装置不对工作台的实际位置进行测量，而是测量，而是通过测量伺服电机的转角通过测量伺服电机的转角推算出工作台的推算出工作台的实际位移量实际位移量。将推算出的位移量与指令值相比较，得到的误差信号作为控制量将推算出的位移量与指令值相比较，得到的误差信号作为控制量去控制工作台的运动。由于去控制工作台的运动。由于反馈量反馈量取自取自伺服电机的转角伺服电机的转角，而不是，而不是工作台的实际位移，即工作台的实际位移，即工作台位移未包括在反馈环工作台位移未包括在反馈环内，因而称为内，因而称为半闭环半闭环控制系统。控制系统。优点：优点：控制精度比开环控制高，调试比闭环控制方便。控制精度比开环控制高，调试比闭环控制方便。缺点：缺点：控制精度不如闭环控制（丝杠的扭转变形、螺母间隙等）。控制精度不如闭环控制（丝杠的扭转变形、螺母间隙等）。六、小结六、小结 1.1.以以数字化信息数字化信息对设备进行控制具有精度高的优点，在工程对设备进行控制具有精度高的优点，在工程技术领域有广泛的应用前景。技术领域有广泛的应用前景。2.专用自动化系统如果能与专用自动化系统如果能与台式计算机（或工控机）台式计算机（或工控机）的应用的应用相结合，能够取得更好的应用效果。相结合，能够取得更好的应用效果。