济南大学机械学院ppt课件.ppt
济南大学 机械学院,数控技术,2,1.0.1 课程说明,以掌握数控技术的基本概念和基本原理为重点，同时结合代表先进数控技术的数控设备数控机床，通过实验和理论教学相结合，实现对数控技术的深入学习。 本课程的先修课程有：微机原理与应用，微机接口技术，微机控制技术，机电传动控制。,3,推荐教材及主要参考书 数控技术 张建纲，华中科技出版社 机床数控技术 刘文信，机械工业出版社 微机数控系统 黄大贵，电子科技出版社 课程考核方案 考试方式:闭卷。 出勤率、作业和课堂表现占总成绩的20%， 结课考试成绩占总成绩的80%。,1.0.1 课程说明,4,1,2,3,4,5,6,数控机床的组成及工作原理 零件加工程序的编制 数控装置的插补原理 检测反馈装置 伺服驱动装置 数控装置,1.0.2 主要内容,5,通过本课程的教学，了解数控技术在机床中的应用，掌握数控机床的工作原理，掌握简单零件的数控编程及加工，掌握数控插补原理，掌握数控机床常用的检测、驱动、控制系统，了解数控机床的结构特点。,1.0.3 目的要求,6,第一章 绪 论,7,数字控制 是一种借助数字、字符或其它符号对某一工作过程进行可编程控制的自动化方法。 特点：柔性好，可实现复杂控制，可同时控制多路信号 数控技术 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。 数控机床 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。它是数控技术典型应用的例子。 数控系统 （NC）实现数字控制的装置。 计算机数控系统(CNC) 以计算机为核心的数控系统。,1.1数控技术与数控机床 1.1.1基本概念,8,数控技术最早在机床行业中得到应用，技术也最成熟，但它不仅仅局限于机床这个行业，在日常生活和工业生产的各个领域都得到广泛应用。,数控技术的典型应用,在物料搬运中的应用,在机器人中的应用,在汽车生产中的应用,在数控机床中的应用,9,适应性强 精度高，质量稳定 生产效率高 能实现复杂的运动 良好的经济效益 有利于生产管理的现代化,1.1.2 数控机床的加工特点,10,1.1.3 数控系统与数控机床的组成,11,各组成部分作用,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。,12,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 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。 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、网络通讯 （internet，LAN）等,各组成部分作用,13,CNC装置(CNC单元) 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。,各组成部分作用,14,伺服单元、驱动装置和测量装置 1）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 2）测量装置 位置和速度测量装置，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。,各组成部分作用,15,PLC、机床I/O电路和装置 PLC ：用于完成与逻辑运算有关顺序动作的I/O控制 机床I/O电路和装置：实现I/O控制的执行部件，由继电器、电磁阀、行程开关、接触器等组成的逻辑电路 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。,各组成部分作用,16,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：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）。,各组成部分作用,17,1.1.4 数控机床的分类,1、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、数控弯管机等。 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、机器人等。,18,1.1.4 数控机床的分类,2、按控制功能分类 1）点位控制数控系统 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：数控钻床、数控镗床、数控冲床和数控测量机。,19,2）轮廓控制数控系统 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。,1.1.4 数控机床的分类,20,3、按联动轴数分类 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。,1.1.4 数控机床的分类,21,4、按进给伺服系统的类型分类 按进给伺服子系统有无位置测量装置可分为开环数控系统和闭环数控系统，在闭环数控系统中根据位置测量装置安装的位置又可分为全闭环和半闭环两种。,1.1.4 数控机床的分类,22,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。 特点：结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉等优点，一般用于经济型数控机床。,1.1.4 数控机床的分类,1）开环数控系统,23,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。,2）半闭环数控系统,1.1.4 数控机床的分类,24,从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节的误差、间隙和失动量。具有很高的位置控制精度。 由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的，故很容易造成系统的不稳定，使闭环系统的设计、安装和调试都相当困难。 该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精磨床以及较大型的数控机床等。,1.1.4 数控机床的分类,3）全闭环数控系统,25,1.2 数控机床工作原理,首先，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，然后将加工程序输入数控装置，按照程序的要求，经过数控系统信息处理，分配，使各坐标移动若干个最小位移量，实现刀具与工件的相对运动，完成零件的加工。,26,译码程序的主要功能是将用文本格式（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。,1、译码(解释),27,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。,2、刀补处理(计算刀具中心轨迹),28,本模块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。 这个过程将在第三章详细叙述。,3、插补计算,29,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。,4、PLC控制,30,从工业化革命以来人们实现机械加工自动化的手段有：自动机床、组合机床、专用自动生产线。这些设备的使用提高了机械加工自动化程度，提高了生产率。但也存在固有的缺点： 初始投资大；准备周期长；柔性差。 市场竞争激烈，产品更新换代快，大批量产品越来越少，小批量产品生产的比重越来越大，迫切需要一种精度高、柔性好加工设备。电子技术和计算机技术的发展为NC机床的进步提供了技术基础。数控技术正是在这种背景下诞生和发展起来的。,1.3 数控技术的发展状况 1.3.1 产生背景,31,第一代：1955年 NC系统以电子管组成，体积大，功耗大。 第二代：1959年 NC系统以晶体管组成，广泛采用印刷电路板。 第三代：1965年 NC系统采用小规模集成电路作为硬件，其特点是体积小，功耗低，可靠性进一步提高。 以上三代NC系统，由于其数控功能均由硬件实现，故历史上又称其为“硬线NC”,1.3.2 数控技术发展历史,32,第四代：1970年 NC系统采用小型计算机取代专用计算机，其部分功能由软件实现，它具有价格低，可靠性高和功能多等特点。 第五代：1974年 NC系统以微处理器为核心，不仅价格进一步降低，体积进一步缩小，使实现真正意义上的机电一体化成为可能。,33,（1）1952研制了世界第一台三坐标立式数控铣床。 （2）50-60年代，发展到NC（硬件数控）阶段。 （3）70年代， 发展到CNC（计算机数控）阶段。 （4）80年代，出现高速高精度CNC的开发和应用阶段 （5）90年代，基于PC的开放式CNC的开发与应用 （6）当代，也主要是基于PC的CNC开放式系统，软件有所提高。,2、数控机床的发展,34,（1）1958 开始起步。 （2）50-60年代，处于研发阶段。 （3）60-70年代，研制了晶体管式数控系统。 （4）80年代，引进设备，进行技术吸收更新。 （5）80-90年代（七五），数控大发展的阶段。 （6）90年代，有自主产权的中高档数控设备产生 （7）1995，高校和研究所加入，推出基于PC的CNC。 （8）当今，着重研究高档数控设备。,3、国内数控研究情况,35,进入九十年代以来，随着计算机技术的发展，数控技术不断采用计算机、控制理论等领域的最新技术成就，使其朝着下述方向发展： 1）运行高速化 2） 加工高精化 3）功能复合化 4） 控制智能化 5）体系开放化 6） 驱动并联化 7）交互网络化,1.3.3 发展趋势,36,1、简述数控机床的组成、各组成部分的作用 2、简述数控机床的工作原理,作业,37,数字控制与模拟控制,
