清華大學(xué)出版社數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用第1章.ppt

1、2,第1章 緒 論,數(shù)控技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)的諸多領(lǐng)域之中，成為制造業(yè)現(xiàn)代化的基礎(chǔ)。 本章將重點(diǎn)圍繞數(shù)控技術(shù)的特點(diǎn)、分類、組成及各組成部分的作用，介紹有關(guān)數(shù)控技術(shù)的基本知識及發(fā)展趨勢,3,1.1 數(shù)控技術(shù)的產(chǎn)生和特點(diǎn),數(shù)字控制(Numerical Control)技術(shù)，簡稱為數(shù)控(NC)技術(shù)，是一種自動(dòng)控制技術(shù)，它能夠?qū)C(jī)器的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)作進(jìn)行控制。采用數(shù)控技術(shù)的控制系統(tǒng)稱為數(shù)控系統(tǒng)。裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床稱為數(shù)控機(jī)床。由于數(shù)控機(jī)床的種類多、數(shù)量大，因此是促進(jìn)數(shù)控技術(shù)發(fā)展的重要實(shí)踐領(lǐng)域。如今，數(shù)控技術(shù)已不僅應(yīng)用于金屬切削機(jī)床，而且還應(yīng)用于其他多種設(shè)備，如電火花加工機(jī)床、剪切

2、機(jī)、折彎機(jī)、坐標(biāo)測量機(jī)、機(jī)器人等,4,1.1.1 數(shù)控技術(shù)的產(chǎn)生,1952年，MIT研制成功了三坐標(biāo)數(shù)控系統(tǒng)，并在Cincinnate銑床上裝備了這種控制系統(tǒng)。它采用預(yù)制穿孔帶作為信息載體，可以控制多種機(jī)床。 我國從1958年開始研制數(shù)控機(jī)床。到20世紀(jì)70年代末共生產(chǎn)了4108臺數(shù)控機(jī)床，其中86%是數(shù)控線切割機(jī)床；到20世紀(jì)80年代，隨著我國實(shí)行改革開放政策，引進(jìn)了日本、美國等先進(jìn)的數(shù)控技術(shù)，開始批量生產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)，使我國數(shù)控機(jī)床在質(zhì)量和數(shù)量上有了很大的提高。 近十年來，我國開發(fā)并生產(chǎn)了數(shù)控銑床、車床、磨床、立式和臥式加工中心等40多個(gè)新品種；引進(jìn)和自行開發(fā)了多條柔性制造系統(tǒng)(FM

3、S)生產(chǎn)線，并開始進(jìn)行計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)的研究及探索其在生產(chǎn)中的應(yīng)用。 到了20世紀(jì)90年代初，我國生產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床已達(dá)300余種，一些較高檔次的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)也已開發(fā)出來,5,1.1.2 數(shù)控技術(shù)的特點(diǎn),數(shù)控機(jī)床是采用數(shù)控技術(shù)的機(jī)械設(shè)備中最具有代表性的一種。從數(shù)控機(jī)床具有的許多優(yōu)點(diǎn)中，可以看出數(shù)控技術(shù)的特點(diǎn)，例如： 提高了加工精度和同一批工件尺寸的重復(fù)精度，保證了加工質(zhì)量的穩(wěn)定性。 具有較高的生產(chǎn)效率。與普通機(jī)床相比，生產(chǎn)效率大致可提高23倍。 增加了設(shè)備的柔性，可以適應(yīng)不同品種、規(guī)格和尺寸以及不同批量的工件加工。 操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度大為減輕。 具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。這是因?yàn)閿?shù)控機(jī)

4、床能一機(jī)多用，代替多臺普通機(jī)床，減少了工序間工件的運(yùn)輸時(shí)間，節(jié)省廠房面積，減少工夾具數(shù)量和投資。 能加工普通機(jī)床所不能加工的復(fù)雜型面。 可向更高級的制造系統(tǒng)發(fā)展。 它的不足之處是： 提高了起始階段的投資。 增加了電子設(shè)備的維護(hù)。 對操作人員的技術(shù)水平要求較高,6,1.1.3 計(jì)算機(jī)數(shù)控,隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了采用電子管、晶體管、集成電路，直到將計(jì)算機(jī)引進(jìn)數(shù)控系統(tǒng)的過程。將微型計(jì)算機(jī)(簡稱微機(jī))引入數(shù)控系統(tǒng)后，使其在質(zhì)的方面完成了一次飛躍。計(jì)算機(jī)數(shù)控(Computer Numerical Control，CNC)系統(tǒng)有許多優(yōu)點(diǎn)： (1)柔性好 (2)功能強(qiáng) (3)可靠性高

5、 (4)易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化 (5)經(jīng)濟(jì)性好,7,1.2 數(shù)控機(jī)床的組成和作用,雖然數(shù)控技術(shù)能用來控制多種機(jī)械，但用得最多的和最典型的是數(shù)控機(jī)床，所以先來簡單地介紹數(shù)控機(jī)床,8,1.2.1 數(shù)控機(jī)床的組成部分,如前所述，數(shù)控機(jī)床配備有數(shù)控系統(tǒng)，可以按照事先編好的加工程序?qū)崿F(xiàn)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)作。數(shù)控機(jī)床由程序載體、輸入裝置、CNC裝置、伺服系統(tǒng)和機(jī)床的機(jī)械部件構(gòu)成，如圖1.1所示,9,1.2.2 數(shù)控機(jī)床各組成部分的作用,1. 程序載體 數(shù)控機(jī)床是按照輸入的工件加工程序運(yùn)行的。加工程序存放在軟、硬磁盤等程序載體中，通過數(shù)控機(jī)床的輸入裝置，將加工程序信息讀入CNC裝置中。 2. 輸入裝置 輸入裝置的作

6、用是將加工程序的信息讀入CNC裝置內(nèi)。 3. CNC裝置 CNC裝置主要由信息的輸入、處理和輸出三部分組成。 4. 伺服系統(tǒng) 伺服系統(tǒng)由伺服電動(dòng)機(jī)以及伺服驅(qū)動(dòng)控制裝置和有關(guān)軟件構(gòu)成。 5. 位置反饋系統(tǒng) 位置反饋系統(tǒng)的作用是將機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際位置信息反饋給CNC裝置。 6. 機(jī)床的機(jī)械部件 數(shù)控機(jī)床的機(jī)械部件，除了主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)以及輔助部分(如液壓、氣動(dòng)、冷卻和潤滑部分)以外，尚有一些特殊部件，如儲備刀具的刀庫、自動(dòng)換刀裝置(ATC)和自動(dòng)托盤交換裝置等,10,1.3 數(shù)字控制系統(tǒng),1.3.1 數(shù)字控制系統(tǒng)的組成和分類 1. 數(shù)字控制系統(tǒng)的組成 數(shù)控系統(tǒng)是一種能夠控制機(jī)器運(yùn)動(dòng)的裝置，它是由輸入和

7、輸出設(shè)備、CNC裝置、可編程控制器(PLC)、主軸驅(qū)動(dòng)裝置和進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置等組成的一個(gè)系統(tǒng)。 2. 機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的類型 機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)有不同的類型，以適應(yīng)不同用途的需要。 (1)根據(jù)伺服系統(tǒng)的控制原理，機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)，根據(jù)檢測裝置安裝的位置不同，閉環(huán)控制系統(tǒng)又可分為全閉環(huán)控制系統(tǒng)和半閉環(huán)控制系統(tǒng)。 (2)根據(jù)控制運(yùn)動(dòng)方式的不同，可分為點(diǎn)位控制系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng)。另外點(diǎn)位/直線(或稱直線)控制系統(tǒng)也歸類于連續(xù)控制系統(tǒng)中。 (3)根據(jù)數(shù)控功能，可分為經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)、普及型數(shù)控系統(tǒng)和高級型數(shù)控系統(tǒng),11,1.3.2 開環(huán)和閉環(huán)控制系統(tǒng),1. 開環(huán)控制系統(tǒng) 圖1.2所示為開環(huán)

8、控制系統(tǒng)的框圖。 2. 全閉環(huán)控制系統(tǒng) 針對開環(huán)控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)，閉環(huán)控制系統(tǒng)在機(jī)床工作臺運(yùn)動(dòng)方向上增加了測量工作臺實(shí)際位移量的位置傳感器，如圖1.3所示。 3. 半閉環(huán)控制系統(tǒng) 半閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制方式與閉環(huán)控制系統(tǒng)相類似，它們之間的主要區(qū)別在于前者的電動(dòng)機(jī)軸上裝有表示其角位移的編碼器,12,1.3.3 點(diǎn)位控制系統(tǒng)與連續(xù)控制系統(tǒng),1. 點(diǎn)位控制系統(tǒng) 點(diǎn)位控制系統(tǒng)僅控制刀具相對于工件的位置。同時(shí)，移動(dòng)的途徑和速度原則上沒有規(guī)定。 點(diǎn)位控制系統(tǒng)多采用于孔加工的數(shù)控機(jī)床。 2. 連續(xù)控制系統(tǒng) (1)插補(bǔ)運(yùn)算原理 (2)連續(xù)控制系統(tǒng)的工作特點(diǎn),13,1.3.4 多功能與經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng),多功能機(jī)床數(shù)控

9、系統(tǒng)的功能比較齊全，適用于功率較大、動(dòng)作較復(fù)雜、定位精度較高的大、中型數(shù)控機(jī)床。這種數(shù)控系統(tǒng)大多是在專業(yè)工廠生產(chǎn)。由于批量較大，質(zhì)量較穩(wěn)定，所以可靠性高。配置這種系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床價(jià)格較貴。 有的工廠為了提高生產(chǎn)率和穩(wěn)定加工質(zhì)量，在普通機(jī)床基礎(chǔ)上，對機(jī)械部分作必要的改造，配上功能較為簡單的數(shù)控系統(tǒng)，使之具備某些必要的數(shù)控功能。這種數(shù)控系統(tǒng)就叫作經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)。配置經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床，一般采用控制較簡單、成本較低的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)。為了提高加工精度，防止步進(jìn)電動(dòng)機(jī)丟步，較高檔的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床在步進(jìn)電機(jī)端部裝有回轉(zhuǎn)編碼器進(jìn)行補(bǔ)償。計(jì)算機(jī)的CPU一般采用51系列的單片機(jī)，以增強(qiáng)抗干擾能力，提高工

10、作的可靠性,14,1.3.5 適應(yīng)控制系統(tǒng),1. 如前所述的閉環(huán)控制系統(tǒng) 為了提高切削效率和加工精度，機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)最好能在加工過程中改變機(jī)床的切削用量，以適應(yīng)在一瞬間實(shí)際發(fā)生的加工情況。這種控制方法稱為適應(yīng)控制(Adaptive Control簡稱AC)，如圖1.5所示。 2. 適應(yīng)控制銑床 圖1.6為適應(yīng)控制銑床的框圖,15,1.3.6 直接數(shù)控系統(tǒng),直接數(shù)控系統(tǒng)(Direct Numerical Control，DNC)，可以理解為用一臺計(jì)算機(jī)直接控制一群機(jī)床，所以它又稱為群控系統(tǒng)。 DNC系統(tǒng)的特點(diǎn)為： (1)可實(shí)現(xiàn)非實(shí)時(shí)分配數(shù)控?cái)?shù)據(jù)，它可和車間的編程機(jī)結(jié)合起來，便于實(shí)現(xiàn)車間的監(jiān)控和管

11、理。 (2)DNC系統(tǒng)采用了局域網(wǎng)絡(luò)(LAN)技術(shù)進(jìn)行通信，所以DNC系統(tǒng)成為一種“開放式”系統(tǒng)，可以向上級機(jī)和下級設(shè)備擴(kuò)展延伸。 (3)DNC系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相結(jié)合，可以采集機(jī)床的工作狀態(tài)，在線檢測數(shù)據(jù)，對加工質(zhì)量和機(jī)床狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。 (4)DNC系統(tǒng)既可獨(dú)立使用，也可作為工廠的計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)的一個(gè)層次,16,1.4 數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用,1.4.1 數(shù)控技術(shù)在金屬切削機(jī)床中的應(yīng)用 數(shù)控技術(shù)在金屬切削機(jī)床上應(yīng)用的最多。根據(jù)數(shù)控機(jī)床用途的不同，大致可分為以下幾類。 1. 普通數(shù)控機(jī)床 (1)數(shù)控車床 (2)數(shù)控銑床 (3)數(shù)控鉆床 (4)數(shù)控磨床 (5)數(shù)控齒輪機(jī)床 2. 加工中心 (1)

12、銑削加工中心 (2)車削加工中心,17,1.4.2 數(shù)控技術(shù)在電加工機(jī)床中的應(yīng)用,數(shù)控電加工機(jī)床主要有兩類：數(shù)控電火花成形機(jī)床和數(shù)控線切割機(jī)床。 1. 數(shù)控電火花成形機(jī)床 圖1.8所示為數(shù)控電火花成型機(jī)床的工作原理。 2. 數(shù)控線切割機(jī)床 圖1.9所示為數(shù)控線切割機(jī)床的工作原理圖,18,1.4.3 數(shù)控技術(shù)在工業(yè)機(jī)器人中的應(yīng)用,圖1.10所示為一工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的示意圖，它由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、動(dòng)力部分和控制部分組成。對于較高級的機(jī)器人，還有檢測傳感系統(tǒng)、感覺系統(tǒng)。 1. 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 2. 動(dòng)力部分 3. 控制部分 4. 檢測傳感系統(tǒng) 5. 感覺系統(tǒng),19,1.4.4 CNC三坐標(biāo)測量機(jī),三坐標(biāo)(或多坐標(biāo))

13、測量機(jī)用來檢測箱體、成形工件、模具以及其他形狀復(fù)雜的工件。 三坐標(biāo)測量機(jī)主體結(jié)構(gòu)形式較多，常見的一種如圖1.11所示。 三坐標(biāo)測量機(jī)的測量控制系統(tǒng)如圖1.12所示,20,1.5 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展與機(jī)械加工自動(dòng)化,1.5.1 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢 現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢是高速化、高精度化、高可靠性、多功能、復(fù)合化、智能化和開放式結(jié)構(gòu)。主要發(fā)展動(dòng)向是研制開發(fā)軟、硬件都具有開放式結(jié)構(gòu)的智能化全功能通用數(shù)控裝置。 下面對現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的主要發(fā)展趨勢作一簡要介紹。 1. 高速化與高精度化 2. 復(fù)合化 3. 智能化 4. 高柔性化 5. 小型化 6. 開放式體系結(jié)構(gòu),21,1.5.2 先進(jìn)制造技術(shù)簡介,1.

14、計(jì)算機(jī)直接數(shù)控系統(tǒng)(DNC) 計(jì)算機(jī)直接數(shù)控系統(tǒng)(DNC)就是使用一臺通用計(jì)算機(jī)直接控制和管理一群數(shù)控機(jī)床進(jìn)行零件加工或裝配的系統(tǒng)，也稱計(jì)算機(jī)群控系統(tǒng)。 2. 柔性制造系統(tǒng)(FMS) 柔性制造技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)形成了在自動(dòng)化程度和規(guī)模上不同的多種層次和級別的柔性制造系統(tǒng)。帶有自動(dòng)換刀裝置(Automatic Tool Changer，ATC)的數(shù)控加工中心，是柔性制造的硬件基礎(chǔ)，是制造系統(tǒng)的基本級別。 (1)柔性制造單元 (2)柔性制造系統(tǒng) 3. 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)簡介 (1)CIMS的定義 (2)CIMS的結(jié)構(gòu),22,1.6 習(xí) 題,1)數(shù)控機(jī)床有哪些優(yōu)點(diǎn)和不足之處？ (2)數(shù)控機(jī)床由哪些部分組成？ (3)數(shù)控機(jī)床的各個(gè)組成部分有什么功用？ (4)數(shù)控系統(tǒng)由哪些部分組成？各個(gè)部分的功用是什么？ (5)機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)有哪些類型？它們之間有什么區(qū)別？ (6)開環(huán)控制系統(tǒng)由哪些部分組成？它主要用于什么場合？ (7)閉環(huán)控制系統(tǒng)有什么特點(diǎn)？它的工作原理是怎樣的？ (8)半閉環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)相比，有什么特點(diǎn)？ (9)點(diǎn)位控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是什么？它用于什么場合？ (10)連續(xù)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是什么？它具有什么獨(dú)特的功能,23,1.6 習(xí) 題,11)插補(bǔ)有什么意義？ (12)何謂脈沖當(dāng)量？ (13)采取什么方法可