数控机床控制系统与数控机床技术.pptx

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第1章 绪 论,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第1章 绪 论,第1章绪 论,1.1 数控机床控制系统组成,1.2 数控机床分类,1.3 数控机床技术发展,思索与练习,数控机床控制系统与数控机床技术,第1页,1.1,数控机床控制系统组成,1.1.1 数控机床组成,数字控制（NC,Numerical Control，简称数控）技术是用数字化信息进行控制自动控制技术。采取数控技术控制系统称为数控系统，装备了数控系统机床即为数控机床。数控机床是集机床、计算机、电机、自动控制、传感检测等技术于一体自动化设备。,数控机床普通由加工程序、输入装置、数控系统、伺服系统和辅助控制装置、检测反馈系统以及机床本体组成，如图,1-1,所表示。,数控机床控制系统与数控机床技术,第2页,图,1-1,数控机床组成,数控机床控制系统与数控机床技术,第3页,图1-2和图1-3分别为卧式普通车床和数控车床传动系统示意图。能够看出，数控车床与普通车床相比，传动链简单清楚，其主轴转动和进给轴移动分别由主轴电机和进给电机来驱动,而辅助运动，都是由数控系统中可编程控制器(PLC)来控制完成。如主轴卡盘松紧和尾座顶尖伸缩是经过PLC控制液压系统液压缸来完成，从刀库中选刀和换刀一样是经M(辅助指令)指令与,T(,换刀指令,),指令由,PLC,功效指令来完成。,数控机床控制系统与数控机床技术,第4页,图,1-2,卧式车床传动系统示意图,数控机床控制系统与数控机床技术,第5页,图,1-3,卧式数控车床传动系统示意图,数控机床控制系统与数控机床技术,第6页,图,1-4,数控机床电气控制柜示意图,数控机床控制系统与数控机床技术,第7页,1.1.2,数控机床工作原理和特点,1.主轴运动,和普通机床一样，主轴运动主要完成切削任务，其动力约占整台机床动力70%80%。基本控制功效是主轴正、反转和停顿，可自动换挡及无级调速；对加工中心和有些数控车床，,还要求主轴进行高精度准停和分度功效。,数控机床控制系统与数控机床技术,第8页,2.进给运动,进给运动是数控机床区分于普通机床最主要地方，即用电气驱动替换了机械驱动，数控机床进给运动是由进给伺服系统完成。进给伺服系统由进给伺服驱动装置、伺服电动机、进给传动链及位置检测反馈装置等组成，,如图,1-5,所表示。,数控机床控制系统与数控机床技术,第9页,图,1-5,数控机床进给伺服系统,数控机床控制系统与数控机床技术,第10页,普通说来，数控机床功效强弱主要取决于计算机数控系统(CNC)装置，而数控机床性能优劣，如运动速度与精度等，主要取决于进给伺服驱动系统。为了确保进给运动位置精度，人们采取了一些有效办法。如对机械传动链进行预紧和反向间隙调整；采取高精度位置检测装置；采取高性能伺服驱动装置和伺服电动机,来提升数控系统运算速度等。,数控机床控制系统与数控机床技术,第11页,3.输入输出（I/O）接口,数控系统对加工程序处理后输出控制信号除了对进给运动轨迹进行准确控制外，还需要对机床主轴启/停、换向、刀具更换、工件夹紧/松开以及液压、冷却、润滑、分度工作台转位等辅助动作进行控制。比如，经过对加工程序中M代码指令、机床操作面板上控制开关及分布在机床各部位行程开关、靠近开关、压力开关等输入元件检测，由数控系统内可编程控制器（PLC）进行逻辑运算，输出控制信号驱动中间继电器、接触器、电磁阀及电磁制动器等输出元件，,对冷却泵、润滑泵、液压系统和气动系统进行控制。,数控机床控制系统与数控机床技术,第12页,数控机床接口是指数控装置与机床电气设备之间电气连接部分。依据国际标准ISO4336-1981（E）机床数字控制数控装置和数控电气设备之间接口规范要求，接口分为四种类型。,图,1-6,所表示为数控装置、,数控设备和机床间连接关系。,数控机床控制系统与数控机床技术,第13页,图,1-6,数控装置、,控制设备与机床间连接关系,数控机床控制系统与数控机床技术,第14页,第1类：与驱动命令相关连接电路，主要是指与坐标轴进给驱动和主轴驱动连接电路。,第2类：数控装置与测量系统和测量传感器之间连接电路。,第3类：电源及保护电路。,第4类：通/断信号和代码信号连接电路。,第1、2类接口连接电路传送信息是数控装置与伺服单元、伺服电机、位置检测和速度检测器件间控制信息及反馈信息。,它们属于数字控制及伺服控制。,数控机床控制系统与数控机床技术,第15页,第3类电源及保护电路由数控机床强电线路中电源控制电路组成。强电线路由电源变压器、控制变压器、各种断路器、保护开关、接触器、熔断器等连接而成，方便为辅助交流电机（如风扇电机、冷却泵电机、润滑泵电机等）、电磁铁、离合器、电磁阀等功率执行元件供电。强电线路不能与低压下工作控制电路或弱电线路直接连接，只有经过断路器、热动开关、中间继电器等器件转换成在直流低压下工作触点开合工作，才能成为继电器逻辑电路和,PLC,可接收电信号，反之亦然。,数控机床控制系统与数控机床技术,第16页,第4类开关信号和代码信号是数控装置与外部传送输入、输出控制信号。当数控机床不带PLC时，这些信号直接在数控装置和机床间传送。当数控装置带有PLC时，这些信号除极少数高速信号外，,均经过,PLC,传送。,数控机床控制系统与数控机床技术,第17页,数控机床是一个高效能自动化加工设备。与普通机床相比，数控机床含有以下特点:,（1）对零件加工适应性强、灵活性好。因数控机床能实现若干个坐标联动，加工程序可按对加工零件要求而变换，而不需改变机械部分和控制部分硬件，就能适应新工作要求。,（2）加工精度高、加工质量稳定。在数控机床上加工零件，零件加工精度和质量由机床确保，完全消除了操作者人为误差。所以数控机床加工精度高，一致性好，加工质量稳定。,数控机床控制系统与数控机床技术,第18页,（3）加工生产效率高。在数控机床上能够采取较大切削用量，有效地节约了加工时间。还有自动换刀、自动换速和其它辅助操作自动化等功效，而且无需工序间检验与测量，故使辅助时间大为缩短。,（4）能完成复杂型面加工。许多复杂曲线和曲面加工，普通机床无法实现而数控机床则完全能够做到。,数控机床控制系统与数控机床技术,第19页,（5）减轻劳动强度，改进劳动条件。数控机床加工，除了装卸零件、操作键盘、观察机床运行外，其它机床动作都是按照程序要求自动连续地进行切削加工，操作者不需要进行繁重重复手工操作。所以能减轻工人劳动强度，改进劳动条件。,（6）有利于生产管理。采取数控设备，有利于向计算机控制和管理生产方向发展，为实现制造和生产管理自动化创造了条件。,数控机床控制系统与数控机床技术,第20页,1.2,数控机床分类,1.按工艺用途分类,1)金属切削类数控机床,金属切削类数控机床和传统通用机床产品种类一样，有数控车床、数控铣床、数控钻床、数控磨床、数控镗床以及加工中心机床等。数控加工中心机床是带有自动换刀装置，在一次装夹后，能够进行各种工序加工数控机床。,数控机床控制系统与数控机床技术,第21页,2)金属成型类数控机床,金属成型类数控机床有数控折弯机、数控弯管机、数控压力机等。,3)数控特种加工机床,数控特种加工机床有数控线切割机床、,数控电火花加工机床、,数控激光切割机床等。,数控机床控制系统与数控机床技术,第22页,2.按加工路线分类,1)点位控制系统,点位控制系统数控机床只要求控制一个位置到另一个位置准确移动，而不论是按照什么轨迹运动。在移动过程中不进行任何加工。为了准确定位和提升生产率，普通先快速移动到终点附近，然后再减速移动到定位点，以确保良好定位精度。这类数控机床主要有数控钻床、坐标镗床、数控冲床和数控测量机等。图1-7(a)所表示为数控钻床点位控制加工示意图。,数控机床控制系统与数控机床技术,第23页,图 1-7 数控机床运动方式,(a,）,点位控制,;(b,）,点位直线控制,;(c,）,轮廓控制,数控机床控制系统与数控机床技术,第24页,2)直线控制系统,直线控制系统是指控制刀具或机床工作台以适当速度，沿着平行于某一坐标轴方向或与坐标轴成45斜线方向进行直线加工控制系统。但该系统不能沿任意斜率直线进行直线加工。普通简易数控系统均属于直线控制系统。,将点位控制和直线控制结合起来控制系统称为点位直线控制系统，该系统同时含有点位控制和直线控制功效。另外，有些系统还含有刀具选择、刀具长度和刀具半径赔偿等功效。这一类数控机床有数控镗铣床、加工中心等。图1-7(b)为点位直线控制系统加工示意图。,数控机床控制系统与数控机床技术,第25页,3)轮廓控制系统,轮廓控制系统又称连续控制系统，其特点是数控系统能够对两个或两个以上坐标轴同时进行连续控制。加工时不但要控制起点和终点，还要控制整个加工过程中每点速度和位置。应用这类控制系统数控机床有数控铣床、可加工曲面数控车床、加工中心等。图1,-7(c),为数控铣床轮廓加工示意图。,数控机床控制系统与数控机床技术,第26页,3.按伺服系统类型分类,1)开环控制系统,开环控制系统机床伺服进给系统中没有位移检测反馈装置，通常使用步进电机作为执行元件。数控装置发出控制指令直接驱动装置控制步进电机运转，然后经过机械传动系统转化成工作台位移，如图,1-8,所表示。,数控机床控制系统与数控机床技术,第27页,图,1-8,开环控制系统结构图,数控机床控制系统与数控机床技术,第28页,2)闭环控制系统,闭环控制系统控制机床上安装有检测装置，直接对工作台位移量进行检测，如图19所表示。当数控装置发出指令进给信号后，经伺服驱动使工作台移动时，安装在工作台上位置检测装置把机械位移量变为电参量，反馈到输入端与输入指令信号进行比较，得到差值经过转换和放大，最终驱开工作台向降低误差方向移动，直到差值消除时才停顿移动。因为闭环系统位置检测包含了进给传动链全部误差，如丝杠螺母副、导轨副间隙等，所以可到达很高控制精度。,位置检测装置有光栅、感应同时器和磁栅等。,数控机床控制系统与数控机床技术,第29页,图,1-9,闭环数控系统结构图,数控机床控制系统与数控机床技术,第30页,3)半闭环控制系统,半闭环控制系统控制系统机床是在伺服电机上同轴安装，或在滚珠丝杠轴端安装有角位移检测装置，经过测量角位移间接地测出移动部件直线位移，然后反馈至数控系统中去。惯用角位移检测装置有光电编码器、旋转变压器或感应同时器等。,数控机床控制系统与数控机床技术,第31页,如图1-10所表示为半闭环控制系统结构图。因为在半闭环控制系统中，进给传动链中滚珠丝杠副、导轨副等机构误差都没有全部包含在反馈环路内，所以其位置控制精度低于闭环伺服系统。不过，因为把惯性质量较大工作台安排在反馈环之外，所以半闭环伺服系统稳定性能好，调试方便，当前应用比较广泛。至于传动链误差，能够经过适当提升丝杠、螺母等机械部件精度以及采取误差软件赔偿（如反向间隙赔偿、丝杠螺距误差赔偿）办法来降低。,数控机床控制系统与数控机床技术,第32页,图,1-10,半闭环数控系统结构图,数控机床控制系统与数控机床技术,第33页,1.3,数控机床技术发展,1.3.1,数控机床发展,数控机床发展大致经历了以下六个阶段:,第一阶段，1952年，出现了第一台电子管数控系统。,第二阶段，1960年，出现了晶体管和印刷电路板数控系统。,第三阶段，,1965,年，,出现了小规模集成电路数控系统。,数控机床控制系统与数控机床技术,第34页,第四阶段，1970年，出现了小型计算机数控系统硬件，并以软件形式实现数控功效数控系统。,第五阶段，1974年，出现微处理器或微型计算机数控系统。,第六阶段，20世纪90年代后期，出现了PC+CNC(CNC为专用计算机数控系统)智能数控系统。以个人计算机(PC机)为控制系统硬件部分，Windows NT为PC机操作系统平台，在PC机上安装NC软件系统，即为加工中心控制系统。德国,Roeders,企业生产,RFM600,型加工中心就是经典,PC+CNC,系统。,数控机床控制系统与数控机床技术,第35页,PC+CNC系统优点集中表现为以下几点：,(1)与PC硬件完全通用，使数控系统能伴随PC技术升级而升级，系统维护方便。,(2)充分共享PC丰富软件资源。,(3),因为,PC,机有标准接口，,方便地接入局域网及,Internet,，,易于实现网络化制造。,数控机床控制系统与数控机床技术,第36页,1.3.2 数控伺服系统发展趋势,1.全数字式控制系统,2.,采取高分辨率位置检测装置,3.,采取误差软件赔偿办法,4.,采取前馈控制技术,5.,采取摩擦非线性误差赔偿控制技术,数控机床控制系统与数控机床技术,第37页,1.3.3,以数控机床为基础生产自动化系统,1.计算机直接数控系统（DNC）,计算机直接数控系统就是用一台中央计算机直接控制和管理数台数控设备进行零件加工或装配系统，也称计算机群控系统。中央计算机主要对多台数控系统进行数控加工程序和相关数据分配，并分时监控各台数控系统运行，这么会深入提升数控机床生产率。,数控机床控制系统与数控机床技术,第38页,2.柔性制造单元（FMC）和柔性制造系统（FMS）,柔性制造单元由数控加工中心与工件自动交换装置组成，能够实现单工序或双工序加工可变加工单元。柔性制造单元既可作为组成柔性制造系统基础，也可用作独立自动化加工设备。,柔性制造系统是将一群数控机床与工件、刀具、夹具及切屑自动传输线相配合，并由计算机统一管理与控制制造系统。,柔性制造系统是当前机械制造技术发展方向，能处理机械加工中高度自动化和高度柔性化矛盾，使二者有机地结合于一体。,数控机床控制系统与数控机床技术,第39页,3.计算机集成制造系统（CIMS）,伴随制造技术发展，不但需要发展车间制造过程自动化，而且要实现从生产决议、产品设计、市场预测、直到销售整个生产活动自动化，这么一个全方面、完整功效生产制造系统就是计算机集成制造系统（CIMS）。它能够将一个制造企业生产活动进行有机集成，以实现更高效益，更高柔性智能化生产。,即使,CIMS,包括领域相当广泛，,但数控机床依然是,CIMS,不可缺乏基本工作单元。,数控机床控制系统与数控机床技术,第40页,思,考,与,练,习,1-1 何谓数控机床？数控机床与普通机床有何不一样？,1-2 数控机床电气控制系统由哪些装置组成？,1-3 点位控制、点位直线控制和轮廓控制各有何特点？,1-4 说明开环、半闭环和闭环伺服系统组成及各自特点？,1-5 简述数控伺服系统发展趋势。,1-6,为何说数控技术是,FMS,和,CIMS,主要技术基础？,数控机床控制系统与数控机床技术,第41页,