资源描述
Y,X,SH,现代电气自动控制技术,4.1 数控技术概述,4数字控制技术,4.1 数控技术概述,数字控制（,Numerical Control）,简称为,NC，,它是用数字化信号对设备运行及其加工过程进行控制的一种自动化技术。,如果一台设备，实现其自动工作过程的命令是以数字形式来描述的，则称其为数控设备。由于数控技术是与机床控制密切结合而发展起来的，因此，本章中数控设备均指数控机床。,4.1.1,机床数字控制技术,随着科学技术和社会生产的迅速发展，机械产品日趋复杂。零件精度要求高、形状复杂、批量小、经常改动、加工困难，生产效率低，质量也难以保证。,各种仿形加工设备在过去的生产中部分地解决了小批量复杂零件的加工问题。但在更换零件时，必须重新制造靠模并调整设备，不但要耗费大量的手工劳动，延长了生产准备周期，而且由于靠模加工误差的影响，零件的加工精度很难达到较高的要求。为解决上述这些问题，一种灵活、通用、高精度、高效率的自动化生产设备数控机床应运而生。,用数字化信号对机床的运动及其加工过程进行控制的机床，称为数控机床。或者说装备了数控系统的机床就称为数控机床。,早期的数控机床数控装置是由各种逻辑组件、记忆组件组成的逻辑电路，是固定接线端的硬件结构。由硬件来实现数控功能称为硬件数控，用这种技术实现的数控机床一般称为,NC,机床。,计算机数控,CNC,（,Computer Numerical Control）,装置,，,由计算机硬件、存储程序软件和各种接口组成的数控装置。现代数控系统都无例外地采用,CNC,装置。,数控技术是典型的机电一体化技术，它将微型计算机的信息处理功能和机械的几何运动结合于一体，微型计算机通过数字量去控制机械运动，实现生产过程自动化，较好地解决了复杂、精密、多品种、中小批量机械零件加工问题，是一种通用、灵活、高效的自动化机床。,与其它类型的自动化机床相比较，数控机床主要有如下几方面的优点：, 自动化程度与生产效率高,除工件毛坯装夹外，全部加工过程都由机床自动完成。数控机床一般可提高生产效率35倍，数控加工中心机床则可提高生产效率510倍。, 具有较大的柔性,当加工对象改变时，只需重新编制程序，能非常迅速地从一种零件的加工过渡到另一种零件的加工，特别适应于目前品种多、批量小、变化快的生产特征。, 加工精度高，加工质量稳定,数控加工的尺寸精度一般为0.0050.01,mm,之间，不受零件结构复杂程度和操作者的技术水平对加工质量的影响。数控加工将责任从操作者转移给控制指令，从而不仅使零件加工质量稳定可靠，提高了同一批零件尺寸的一致性，废品率大为降低。, 易于建立计算机通信网络。数控机床是使用数字信息作为控制信息，易于与,CAD,系统连接，形成,CADCAM,一体化系统，是柔性制造技术（,FMS）、,计算机集成制造技术（,CIMS）,等现代制造技术的基础。,4.1.2 数控机床,4.1.2.1,数控机床的组成,控制介质,人机对话中间媒介物称为控制介质，也称为信息载体。如,NC,中的穿孔带、磁带及磁盘等，,CNC,中有编程软件的,ROM,及零件程序,RAM,。,输入装置,控制介质上记载的加工信息要经过输入装置送给数控装置。,NC,中输入装置可以是光电读带机、磁带、录音机或软盘驱动器等；对于,CNC,可用操作面板上的按钮和键盘将加工程序直接输入，并在,CRT,上显示。还可将加工程序由编程计算机用通信方式传给数控装置。,数控装置,是数控设备的核心，它的功能是接收输入装置的加工信息，经运算和逻辑处理后，发出相应的指令送给伺服系统。,CNC,中数控装置的作用由一台专用计算机完成。,伺服驱动系统,是数控机床的执行部分。包括伺服驱动电路和伺服驱动组件，它们与机床上的机械部件组成数控设备的进给系统。其作用是把来自数控装置的各种指令转换为机床运动部件的进给速度、方向和位移，最后加工出符合图纸要求的零件。,机床本体及机械部件,包括主运动部件、进给运动部件如工作台、刀架及其传动部件和床身立柱等支撑部件，此外还有冷却、润滑、转位和夹紧等辅助装置。对于加工中心类的数控机床，还有存放刀具的刀库、交换刀具的机械手等部件。,4.1.2.2,数控机床的分类,（1）,按,用途分类,金属切削类,：数控车床、数控铣床、数控钻床、数控镗床、数控磨床、数控铣床等。,加工中心是带有刀具库和自动换刀装置的一机多序的数控加工机床。对一次夹装的工件进行铣、镗、钻、扩铰和攻螺纹等多任务序加工。,金属成形类,：数控折弯机、数控弯管机、数控压力机等。,特种加工机床,：数控线切割机床、数控电火花加工机床、数控激光加工机床等。,（2）,按运动方式分类,点位控制系统,：加工移位部件只能实现从一个位置到另一个位置的精确移动，在移动和定位过程中不进行任何加工。,点位直线控制系统,：加工移动部件不仅要实现从一个位置到另一个位置的精确移动，而且能实现平行于坐标轴的直线切削加工运动及沿着与坐标轴成45,的斜线进行直线切削加工。,轮廓控制系统,：可以使刀具和工件按平面直线、曲线或空间曲面轮廓进行相对运动，加工出任何形状的复杂零件。,（3）,按控制方式分类,开环控制系统,：不具有任何反馈装置的数控系统，系统框图如图4-2所示。这种系统通常使用功率步进电动机作为执行机构。这种机床工作比较稳定、反应迅速、调试方便、维修简单，但其控制精度受到限制。适用于精度要求不高的中、小型数控机床。,闭环控制系统,：是在机床移动部件上直接装有直线位置检测装置，系统框图如图4-3所示。在加工中时刻检测机床运动部件的位置，将测量的实际位置反馈到位置控制器，与指令进行比较，用差值进行控制，直至差值消除，实现移动部件的精确定位。,半闭环控制系统,：框图如图,4-4,所示。这种控制方式对工作台的实际位置不进行检测，而是通过与伺服电机有联系的测量元件，如用光电编码盘或旋转变压器等，检测出伺服电机的转角，再推算出工作台的实际位移量。,4.1.2.3,数控机床的加工过程,（1）,程序编制,是将零件的加工工艺、工艺参数、刀具位移量及位移方向和有关辅助操作，按指令代码及程序格式编制加工程序单，然后将加工程序单以代码形式记录在信息载体上。程序编制可以是手工编制，也可以是自动编制。对于自动编程，目前已较多的采用了计算机,CADCAM,图形交互式自动编程，通过计算机有关处理后，自动生成的数控程序，可通过接口直接输入数控系统内。,（2）,数控代码与译码,用来表示数控系统中的符号、字母和数字的专用代码，并组成数控指令。对数控代码进行识别，并翻译成数控系统能用于运算控制的信号形式称为译码。在计算机数控中，译码之前，先将零件程序存放在缓冲器里。译码时，译码程序依次将一个个字符和相应的数码与缓冲器中零件程序进行比较，若两者相等，说明输入了该字符。译码程序是串行工作的，它有较高的译码速度。,（3）,刀具轨迹计算,根据输入译码后的数据段参数，进行刀具补偿计算、绝对值与相对值的换算等，把零件程序提供的工件轮廓信息转换为系统认定的轨迹。,（4）,插补运算,根据刀具中心点沿各坐标轴移动的指令信息，以适当的函数关系进行各坐标轴脉冲分配计算。通过插补运算，使两个或两个以上坐标轴协调地工作。,（5）,控制指令的执行,运动部件按控制指令进行运动，从而实现零件的数控加工。,4.1.3 数控技术的发展,4.1.3.1,数控技术的发展过程,1952年美国,PARSONS,公司与麻省理工学院合作试制了世界上第一台三坐标数控立式铣床。之后，随着微电子技术、计算机技术的发展，数控机床的数控系统也随着不断更新，已经历过一下几个发展阶段。,第一代：1952年采用电子管元件构成,第二代：1961年采用晶体管电路,第三代：1965年采用集成电路,第四代：1968年采用小型计算机,第五代：1974年采用微处理器,第六代：1990年采用工控,PC,机的,CNC,第一代至第三代数控都是由电路硬件和连线组成，称为硬件数控，即,NC,系统。后三代数控系统主要是由计算机硬件和软件组成，称为,CNC,系统。,我国从,1958,年开始研制数控机床，,70,年代初得到广泛发展，数控技术在车床、铣床、钻床、镗床、磨床、齿轮加工机床等得到应用。,目前我国能够生产多种类型的数控机床，并有向国外出口。但我国生产的数控机床在精度、速度、数控系统的功能及传感组件等方面与先进国家仍有一定距离。,当今世界生产数控设备具有代表性的厂家（公司）有，日本的,FANUC,公司、德国的,SIEMENS,公司、美国的,A-B,（,ALLEN-BRADLE,）,公司和意大利的,A-BOSZA,公司等。,4.1.3.2,数控技术的发展方向,数控技术的发展极大地推动了数控机床的发展，经过50多年的不断发展，从控制单机到生产线乃至整个车间和工厂。近年来，微电子技术和计算机技术的成果不断渗透到机械制造的各个领域中。,（1）,直接数字控制系统,（,DNC）,亦称为计算机群控系统，即一台计算机直接管理和控制一群数控机床进行零件加工和装配的系统。在,DNC,系统中，基本保留原来各数控机床的,CNC,系统，并与,DNC,系统的中央计算机组成计算机网络。,（2）,柔性制造系统,（,FMS）,柔性制造系统（,Flexible Manufacturing System）,是20世纪70年代末发展起来的先进机械加工系统。由多台数控机床和加工中心组成，并具有自动上下料装置、自动化仓库和输送系统，在计算机集中控制下，实现加工自动化。一个典型的,FMS,由计算机辅助设计、生产系统、数控机床、智能机器人、自动化输送系统和自动化仓库组成。全部生产过程由一台中央计算机进行调度，若干控制计算机进行工位控制，组成一个各种制造单元相对独立而又便于灵活调节、适应性很强的制造系统。,（3）,计算机集成制造系统,（,CIMS）,计算机集成制造系统（,Computer Integrated Manufacturing System）,是在柔性制造技术、计算机技术、信息技术、自动化技术和现代管理科学基础上将企业的全部生产、经营活动所需的各种子系统，通过新的生产管理模式、工艺理论和计算机网络有机地集成起来，以获得适应于多品种、中小批量生产的高效益、高柔性和高质量的智能制造系统。,CIMS,最基本内涵是用集成的观点组织生产经营，即用全局的、系统的观点处理企业的经营和生产。,CIMS,由4个功能分系统及2个支撑分系统组成。图4-7表示6个分系统以及与外部的信息联系。,管理信息分系统,包括企业的市场预测、经营决策、各级生产计划、生产技术准备、市场营销、,物料供应、财务管理、成本、库存、设备和人力资源等管理信息，通过信息集成而形成企业的一体化生产经营与管理信息系统。是,CIMS,的神经中枢。,工程设计自动化分系统,在产品开发过程中引入计算机技术，包括产品设计、工程与结构分析与数控编程（,CAD/CAPP/CAM）,等。其目的是使产品的开发更高效、自动化程度更高。工程设计系统在,CIMS,中是主要的信息源。,制造自动化分系统,常用的是,FMS,系统，这个系统根据产品的工程技术信息、车间层的加工指令，完成对工件毛坯加工的作业调度、制造等工作。,质量保证分系统,包括质量检测与数据采集、质量评估、控制与跟踪等功能。系统保证从产品设计、制造、检验到售后服务的整个过程。,计算机通信网络,它是支持,CIMS,各个分系统的开放型网络通信系统，采用国际标准和工业标准规定的网络协议进行互联，以分布方式，满足各应用分系统对网络支持服务的不同需求；,支持资源共享、分布处理、分布数据库和实时控制。,数据库系统,它是支持,CIMS,各个分系统并覆盖企业全部信息的数据库系统。它在逻辑上是统一的，在物理上可以是分布的，以实现企业数据共享和信息集成。,CIMS,是通过计算机、网络、数据库等硬件和软件将企业的产品设计、加工制造、经营管理等方面的所有活动集成起来，使企业的产品质量大幅度提高，同时缩短产品开发和生产周期，提高生产效率，降低生产成本，提高企业的市场竞争能力。,
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