数控技术数控机床.pptx
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1、教学参考资料教学参考资料1.黄翔、李迎光 数控编程理论、技术与应用 清华大学出版社,2006 2.杨胜群等 UG NX4 CAM数控加工实用教程 清华大学出版社,北京,200613.廖效果、刘又午数控技术 湖北科学技术出版社,武汉,2000 4.李斌 数控加工技术 北京 高等教育出版社 北京,20015.寇有顺、倪亚辉 数控机床编程 北京理工大学出版社,北京,1996第1页/共81页2数控机床简介数控加工原理数控机床的分类数控机床的发展动向第一章第一章 数控机床概述数控机床概述 本章主要介绍数控技术、数控机床的基本概念、体系结构、本章主要介绍数控技术、数控机床的基本概念、体系结构、工作原理及分
2、类;数控技术及数控机床的发展动向。工作原理及分类;数控技术及数控机床的发展动向。第2页/共81页第一节第一节 数控机床简介数控机床简介自从上世纪中叶数控技术创立以来,它给 机械制造业带来了革命性的变化。现在数控技术已成为制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础技术,现代的CAD/CAM,FMS(柔性制造)和CIMS(计算机集成生产系统)、敏捷制造和智能制造等,都是建立在数控技术之上;第3页/共81页第一节第一节 数控机床简介数控机床简介数控技术是提高产品质量、提高劳动生产率必不可少的物质手段;国家战略技术和体现国家综合国力水平重要标志。专家们预言:二十一世纪机械制造业的竞争,其二十一世纪机械
3、制造业的竞争,其实质是数控技术的竞争。实质是数控技术的竞争。第4页/共81页第一节第一节 数控机床简介数控机床简介 数字控制与数控技术数字控制(数字控制(Numerical Control NC)是一种借助数字、字符或其它符号对某一工作过程(如加工、测量、装配等)进行可编程控制的自动化方法。数控技术(数控技术(Numerical Control Technology)采用数字控制的方法对某一工作过程实现自动控制的技术。第5页/共81页数控机床(数控机床(Numerical Control Machine Tools)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。是数控技术典型应用的
4、例子。数控系统(数控系统(Numerical Control System)实现数字控制的装置。计算机数控系统(计算机数控系统(Computer Numerical Control CNC)以计算机为核心的数控系统。第一节第一节 数控机床简介数控机床简介第6页/共81页7l l 数控系统与数控机床的组成第一节第一节 数控机床简介数控机床简介第7页/共81页8 CNC系统系统第一节第一节 数控机床简介数控机床简介第8页/共81页9uCNC系统系统1.CNC1.CNC装置装置第一节第一节 数控机床简介数控机床简介第9页/共81页 CNC装置(CNC单元)组成:组成:计算机系统、位置控制板、PLC接
5、口板,通讯接口板、特殊功能模块以及相应的控制软件。作用: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装置是装置是CNC系统的核心系统的核心第一节第一节 数控机床简介数控机床简介第10页/共81页11(一一)CNC系统系统1.CNC1.CNC装置装置2)2)可编程控制器可编程控制器第一节第一节 数控机床简介数控机床简介第11页/共81页12PLC(Programmable Logic Control
6、ler):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第一节第一节 数控机床简介数控机床简介第12页/共81页通讯通讯 现代的数控系统除采用输入输出设备进行信息交换外,一般都具有用通讯方式进行信息交换的能力。它们是实现CAD/CAM的集成、FMS和CIMS的基本技术。采用的方式有:串行通讯(RS-232等串口)、自动控制专用接口和
7、规范(DNC方式,MAP协议等)网络技术(internet,LAN等)。第一节第一节 数控机床简介数控机床简介第13页/共81页14第一节第一节 数控机床简介数控机床简介u控制介质与输入输出设备第14页/共81页 控制介质与输入输出设备控制介质与输入输出设备控制介质是记录零件加工程序的媒介控制介质是记录零件加工程序的媒介输入输出设备是输入输出设备是CNC系统与外部设备进行交互装置。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录在控制介质上的零件加工程序输入CNC系统或将系统或将调试好了的零件
8、加工程序通过输出设备存放或记录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。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数控机床常用的控制介质和输入输出设备见表1:第一节第一节 数控机床简介数控机床简介第15页/共81页控制介质和输入输出设备第一节第一节 数控机床简介数控机床简介第16页/共81页BACKSPACECTRLINSCRTABALT0SHIFT畗 ZEND 瑌WHOME瘆 TPgDn瓆 OPgUp JRST E65“432?198:7 YXVU SRPQ NMKL IHFG DCABESC14彩 色显 示 器空运行Z 轴锁定MST 锁定任选程序段机
9、床锁定快进+JOG-JOG主轴正转主轴停 主轴反转急停超程解除循环驱动进给保持冷却液开/关 刀松/刀紧主轴修调16010进给修调16050403020100电 源关开1自动方式选择回零手摇点动步进单段驱 动 器NC机床电源XYZA主轴超程报警-+手摇脉冲发生器2010 090增量倍率1000101001坐标轴选择Z YX 操作面板它是操作人员与数控装置进行信息交流的工具。组成:按钮站、状态灯、按键阵列(功能与计算机键盘一样)和显示器;。它是数控机床特有部件。第一节第一节 数控机床简介数控机床简介第17页/共81页18第一节第一节 数控机床简介数控机床简介u 伺服单元、驱动装置和测量装置第18页
10、/共81页 伺服单元、驱动装置和测量装置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)第一节第一节 数控机床简介数控机床简介第19页/共81页20第一节第一节 数控机床简介数控机床简介u机床第20页/共81页 机床机床:机床:数控机床的主体,是实现制造加工的执行部件。组成: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
11、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)。第一节第一节 数控机床简介数控机床简介第21页/共81页第二节第二节 数控加工原理数控加工原理 数控加工与传统加工的比较数控加工与传统加工的比较工艺分析数控加工程序工序卡传统加工数控加工图2 传统加工与数控加工的比较图第22页/共81页第二节第二节 数控加工原理数控加工原理 数控加工中数据转换过程数控加工中数据转换过程图3 数控加工中数据转换过程译 码刀补处理插补处理PLC控制进给伺服系统切削运动、机床I/O装置成形运动加工程序第23页/共81页第二节第二节 数控加工原理数控加工原理译码(解释)译码程序的主要功能是将用文本格
12、式(通常用ASCII码)表达的零件加工程序,以程序段为单位转换成刀补处理程序所要求的数据结构(格式)。该数据结构用来描述一个程序段解释后的数据信息。它主要包括:X、Y、Z等坐标值;进给速度;主轴转速;G代码;M代码;刀具号;子程序处理和循环调用处理等数据或标志的存放顺序和格式。第24页/共81页第二节第二节 数控加工原理数控加工原理 刀补处理(计算刀具中心轨迹)用户零件加工程序通常是按零件轮廓编制的,而数控机床在加工过程中控制的是刀具中心轨迹,因此在加工前必须将零件轮廓变换成刀具中心的轨迹。刀补处理就是完成这种转换的程序。第25页/共81页第二节第二节 数控加工原理数控加工原理 插补计算本模块
13、以系统规定的插补周期t定时运行,它将由各种线形(直线,园弧,螺旋线,样条曲线等)组成的零件轮廓,按程序给定的进给速度F,实时计算出各个进给轴在t内位移指令(X1、Y1、),并送给进给伺服系统,实现成形运动。这个过程将在下面进一步叙述。第26页/共81页第二节第二节 数控加工原理数控加工原理 PLC控制PLC控制是对机床动作的“顺序控制”。即以CNC内部和机床各行程开关、传感器、按钮、继电器等开关量信号状态为条件,并按预先规定的逻辑顺序对诸如主轴的起停、换向,刀具的更换,工件的夹紧、松开,冷却、润滑系统等的运行等进行的控制。第27页/共81页第二节第二节 数控加工原理数控加工原理 数控加工轨迹控
14、制原理 逼近处理 图为欲加工的圆弧轨迹L,起点为P0,终点为Pe。CNC装置首先对圆弧进行 逼近处理。XLYLi Xi YiT0P0Pe数控加工原理图第28页/共81页第二节第二节 数控加工原理数控加工原理系统按插补时间t和进给速度F的要求,将 L分割成若干短直线 XLYLi Xi YiT0P0Pe数控加工原理图L1,L2,Li,这里:Li=Ft (i=1,2,)F:用户给定的进给速度t:数控系统插补周期第29页/共81页第二节第二节 数控加工原理数控加工原理用直线Li逼近圆弧存在着逼近误差,但只要足够小(Li足够短),总能满足零件的加工要求。当F为常数时,而t对数控系统而言恒为常数,则Li的
15、长度也为常数L,只是其斜率与其在L上的位置有关。XLYLi Xi YiT0P0Pe数控加工原理图第30页/共81页第二节第二节 数控加工原理数控加工原理 插补运算将Li分解为X轴及Y轴移动分量Xi和Yi(在ti时间内),要求满足:且有:Fx=Xi/ti Fy=Yi/tiLi的斜率和F的分量Fx、Fy以及比值Fx/Fy都在不断变化。XLYLi Xi YiT0P0Pe数控加工原理图第31页/共81页第二节第二节 数控加工原理数控加工原理 指令输出将计算出ti 在时间内的和作为指令输出给Y轴,以控制它们联动。即:Xi X 轴;Yi Y 轴只要能连续自动地控制X,Y 两个进给轴在ti时间内移动量,就可
16、以实现曲线轮廓零件的加工。第32页/共81页 第三节第三节 数控机床的分类数控机床的分类 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:第33页/共81页第三节第三节 数控机床的分类数控机床的分类 按工艺用途分类切削加工类:切削加工类:如数控铣床、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:成型加工类:数控折弯机、数控弯管机等。特种加工类: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:其它类型:数控装配机、数控测量机、机器人等。第34页/共81页第三节第三节 数控机床的分类数控机床的分类按控制功能分类点
17、位控制数控系统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:适用范围:数控钻床、数控镗床、数控冲床和数控测量机。第35页/共81页第三节第三节 数控机床的分类数控机床的分类直线控制数控系统能实现点位控制数控系统的功能能实现沿平行某个坐标轴(如X、Y、Z)或两轴等速的方向进行加工;适用范围:适用范围:数控镗铣床、数控组合机床等。第36页/共81页第三节第三节 数控机床的分类数控机床的分类轮廓控制数控系统轮廓控制轮廓控制(连续控制连续控制)系统:系统:具有控制几个进给轴同时协调运动(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
18、,在运动过程中进行连续切削加工的数控系统。适用范围: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。第37页/共81页第三节第三节 数控机床的分类数控机床的分类 按联动轴数分,2轴联动(平面曲线)3轴联动(空间曲面,球头刀)4轴联动(空间曲面)5轴联动及6轴联动(空间曲面)。联动轴数越多数控系统的控制算法就越复杂。第38页/共81页第三节第三节 数控机床的分类数控机床的分类 按进给伺服系统的类型分类按数控系统的进给伺服子系统有无位置测量装置可分为开环数控系统开环数控系统和闭环数控系统闭环数控系统,在闭环数控系统中根据位置测量装置安装
19、的位置又可分为全闭环全闭环和半闭环半闭环两种。第39页/共81页第三节第三节 数控机床的分类数控机床的分类开环数控系统没有位置测量装置,信号流是单向的(数控装置进给系统),故系统稳定性好。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第40页/共81页41 开环控制框图工作台工作台步进电机数控装置第三节第三节 数控机床的分类数控机床的分类第41页/共81页第三节第三节 数控机床的分类数控机床的分类无位置反馈,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
20、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。第42页/共81页第三节第三节 数控机床的分类数控机床的分类 半闭环数控系统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。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第43页/共81页44工作台伺服电动机数控装置伺服放大器位置检测(编码器)半闭环控制框图第三节第三节 数控机床的分类数控机床的分类第44
21、页/共81页第三节第三节 数控机床的分类数控机床的分类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。第45页/共81页第三节第三节 数控机床的分类数控机床的分类 全闭环数控系统全闭环数控系统的位置采样点如图的虚线所示,直接对运动部件的实际位置进行检测。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
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