数控机床模块

nullnull项目三 数控机床控制技术null 单元一 基本概念一、数控系统的基本概念 1.数字控制（Numerical Control）—简称NC，是近代发展起来的用数字化信息进行控制的自动控制技术。 2.计算机数控系统—简称CNC （Computer Numerical Control） ，是采用了计算机或微型计算机的数控系统。 3.数控机床—采用数控技术控制的机床，或者说装备了数控系统的机床。 null普通卧式车床项目三 数控机床控制技术null和普通机床相比，数控机床完全按照加工程序自动的加工工件。null 二、数控系统的组成null 1.程序载体— 数控机床是按照输入的工件加工程序运行的。程序载体就是存储工件加工程序的媒介物。数控机床中，常用的程序载体有穿孔纸带、穿孔卡片、磁带和磁盘等。 2.输入装置— 输入装置的作用就是将程序载体内有关加工信息读入CNC单元中，根据载体的不同，相应有不同的输入装置。例如，对于穿孔纸带，配有光电阅读机；对于盒式磁带，配有录放机；对于软磁盘，配有软盘驱动器和驱动卡等。现代数控机床，还可以通过手动方式（MDI方式），将工件加工程序，用数控系统的操作面板上的按键，直接键入CNC单元，或者用与上级机通信方式直接将加工程序输入CNC单元。 null 3.CNC单元—CNC单元是数控机床的核心，它包括微型计算机、通用输入输出外围设备以及相应的软件。它具备的主要功能有：多坐标函数的插补；多种程序输入功能以及编辑和修改功能；信息转换功能；补偿功能；多种加工方法选择；显示功能；自诊断功能；通讯联网等。 4.伺服系统— 伺服系统是数控系统的执行部分，它接受来自CNC单元的指令信息，经功率放大后，严格按照指令信息的要求驱动机床的运动部件，完成指令规定的运动。伺服系统由伺服电动机以及驱动控制单元组成。它与数控系统的进给机械部件构成进给伺服系统。一般来说数控机床的伺服系统，要求有好的快速响应性能和灵敏而准确的跟踪指令功能。null 5.位置测量反馈系统— 位置测量反馈分为数控机床执行部件的转角位移反馈和直线位移反馈两种，运动部分通过传感器将上述角位移或直线位移转换成电信号，输送给CNC单元，与指令位置进行比较，并由CNC单元发出指令，纠正所产生的误差。 6.辅助控制装置—辅助控制装置的主要作用是接收CNC单元输出的主运动换向、起停、刀具的选择和交换，以及其它辅助装置动作等指令信号，经过必要的编译、逻辑判断、运算和功率放大后直接驱动相应的电器，带动机床机械部件、液压气动等辅助扎实能治完成指令规定的动作。而机床上限位开关等开关信号经辅助控制装置处理后送CNC单元处理。 null 7.机床的机械部件— 数控机床的机械结构，除了主运动系统、进给系统以及辅助部分，如液压、气动、冷却和润滑等一般部件外，闪有些特殊部件，如储备刀具的刀库、自动换刀装置、自动托盘交换装置等等。null 三、数控系统的工作原理 数控机床比普通机床相比，工作原理不同处在于数控机床是按数字形式给出的指令进行加工的。 数控机床加工工件，首先要将被加工工件图上的几何信息和工艺信息数字化，用规定的代码程序格式编写加工程序，并存储到程序载体内，然后用相应的输入装置将所编的程序指令输入到CNC单元。CNC单元将程序代码进行译码、运算之后，向机床的各个坐标的伺服系统和辅助控制装置发出信号，以驱动机床的各运动部件，并控制所需的辅助动作，最后加工出合格的工件。 null四、数控机床控制对象 数控系统对输入的加工程序进行数据处理，输出各种信息和指令，控制机床各部分按规定有序的动作。这些信息和指令最基本的包括：各坐标轴的进给方向、进给位移量和进给速度、各状态控制的I/O信号等。从数控系统最终要完成的任务看，主要有以下三个方面的内容： 1.主轴运动 主运动主要完成切削任务，占据了机床大部分功率，其基本控制是主轴的正反转和停止，可无级调速和自动换挡。 null 2.进给运动 是数控机床区别于普通机床最根本的地方，即用电气驱动替代了机械驱动，具体表现为进给电机带动滚珠丝杠使工作台、刀架等移动部件实现进给运动。进给控制是由进给伺服系统完成的，伺服系统包括伺服驱动装置、进给电动机、进给传动链、位置及速度检测装置等。 伺服系统的最终目的是对机床工作台或刀具的位置控制。伺服系统中采取的一切都是为了保证进给运动的位置精度。如对机械传动链进行预紧和反间隙调整、采用高精度的检测装置、采用高性能的伺服驱动和伺服电机、提高数控系统的运算速度等。 null 3.输入/输出（I/O） 数控系统对加工程序处理后输出的控制信号除了对进给轨迹进行连续控制外，还要对机床的各种状态进行控制，这些状态包括主轴齿轮换挡、变速控制、主轴的正反转及停止、冷却和润滑装置的启动和停止、刀具自动变换、工件夹紧和放松等。 null 单元二 数控系统的分类按伺服系统（驱动装置控制方式）分类 1.开环控制数控系统null 开环控制数控机床不带位置检测反馈装置，CNC单元发出的指令信号流是单向的。这种系统一般用功率步进电机做伺服驱动元件，当插补结果需要某个轴运动一个单位长度（即一个脉冲当量）时，向该轴伺服电路输出一个脉冲，经环形分配和功率放大后驱动步进电机转动一步，通过丝杠转动使机床运动部件运动一个长度单位。 开环数控系统具有工作稳定、调试方便、维修简单等优点，在精度和速度要求不高的场合得到广泛应用，在我国，经济型数控机床一般都采用开环数控系统。 null 2.闭环控制数控系统 闭环控制数控机床的特点是装有位置测量反馈装置。加工中，直接安装在机床移动部件上的位移测量装置，随时、不断的测量机床移动部件的实际位移，并将测量的实际位移值反馈到CNC单元中。插补得出的指令位移与反馈的实际位移相比较，根据其差值控制电动机的转速，进行误差修正，直到位移误差消除为止。 闭环控制系统可以消除由于机械传动部件的精度误差给加工精度带来的影响，所以可以获得很高的精度。从理论上讲，闭环系统的运动精度主要取决于测量装置的位移测量精度。闭环系统主要用于精度很高的数控镗铣床，数控磨床等。 null 闭环控制系统的工作特点对机床的结构以及传动链仍然提出了比较严格的要求，传动系统的刚性不足及间隙的存在、导轨的爬行等各种因素将增加调试的困难，甚至会使数控机床的伺服系统工作时产生振荡。 由于机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的，它们包含在闭环控制的位置环内，故很容易造成系统的不稳定，使闭环系统和调整都非常困难，为了排除机械传动环节的非线性对系统稳定性的影响，半闭环数控系统的位置测量装置安装在伺服电动机转动轴上或丝杠的端部，也就是说反馈信号取自电动机或丝杠，而不是机床的最终运动部件。大多数机床采用半闭环控制。 3.半闭环控制数控系统null null 补充：CNC系统的总体结构 计算机数控（CNC）系统实在传统的硬件数控（NC）的基础上发展起来的。它主要由硬件和软件两大部分组成。通过系统控制软件和硬件的配合，合理的组合、管理数据系统的输入、数据处理、插补运算和信息输出，控制执行部件，使数控机床按照操作者的要求，有条不紊的加工。 目前CNC系统大都采用体积小、成本低、功能强的微处理器。系统主要由微机及其相应的I/O设备、外部设备、机床控制及其I/O通道三部分构成。 null nullnull 补充：插补的基本概念 在数控机床中，机床移动部件（刀具或工件）是一步一步移动的，移动部件所能够移动的最小位移量叫机床的脉动当量。脉动当量是机床移动部件一步所移动的距离，也叫机床的最小分辨率。 由于刀具是一步一步的移动，移动轨迹必然是折线，而不是光滑的曲线，也就是说，刀具不能严格的按照说加工曲线运动，而只能近似的取代说需加工的零件廓形。 null 一般从机器零件图样上均可知道直线的起点和终点，圆弧的起点和终点以及圆心坐标和半径，数控系统必须按进给速度的要求刀具参数和进给方向的要求等，在轮廓的起点和重点之间计算出（插入）若干个中间点的坐标值，这一数据的密化工作称为插补。null 补充：刀具半径补偿 在数控加工过程中，编程人员编程时是按零件轮廓进行编程的。由于刀具中有一定的半径，刀具中心运动的轨迹并不等于所需加工零件的实际轮廓，二十编译轮廓一个刀具半径值。在进行外轮廓加工时，使刀具中心偏移零件的外轮廓一个刀具半径值，在进行内轮廓加工时，使刀具中心偏移零件的内轮廓表面一个刀具半径值。 现代CNC系统都具备较完善的刀具半径补偿功能。刀具半径补偿功能通常不是由编程人员完成的，编程人员只按零件的加工轮廓编制程序。实际的刀具半径补偿是在CNC系统内部由计算机自动完成的。 null 单元三 数控加工信息预处理一、数控加工信息的译码 以程序段为单位处理用户加工程序，将其中的轮廓信 息、加工速度和辅助功能信息等翻译成便于计算机处理的 信息格式，存放在指定的存储器中。 null 二、进给速度处理 脉冲增量插补方式速度处理 因为：F = 60δf 所以：f = F/（60δ）Hz F：编程时的进给速度 mm/min ； δ：脉冲当量 mm； f：脉冲源的频率 Hz。 数据采样插补方式速度处理 ΔL = K•F•Ts /（60×1000）mm ΔL：一个插补周期对应的进给位移 mm； K：速度倍率； F：编程时对应的进给速度 mm/min ； Ts：插补周期 ms。 1.进给速度计算null 2.加/减速控制 前加减速和后加减速 加减速特性曲线 线性加/减速 指数加/减速 S曲线加/减速