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1、课题一 认识数控机床一、数控机床的产生与发展1、数控机床的产生1952年,美国帕森斯公司和麻省理工学院研制成功了世界上第一台数控机床。半个世纪以来,数控技术得到了迅猛的发展,加工精度和生产效率不断提高。数控机床的发展至今已经历了两个阶段和六代。1952年的第一代电子管数控机床1959年的第二代晶体管数控机床1965年的第三代集成电路数控机床1970年的第四代小型计算机数控机床1974年的第五代微型计算机数控系统1990年的第六代基于PC的数控机床。2、数控机床的发展趋势(1)高速度高精度化(2)多功能化、智能化、小型化(3)高可靠性二、数控机床的概念及组成1、数控机床的基本概念(1)数控(Nu
2、merical Control,简称NC)是采用数字化信息对机床的运动及其加工过程进行控制的方法。(2)数控机床(Numerically Controlled Machine tool)是指装备了计算机数控系统的机床,简称CNC机床。2、数控机床的组成计算机数控机床由输入输出设备、计算机数控装置、伺服系统和机床本体等部分组成,其组成框图如图1.1所示,输入输出装置伺服系统 数控装置机床本体 反馈装置图1.1数控机床的组成三、数控机床的种类与应用数控机床的分类方法很多,大致有以下几种:1、按工艺用途分类(1)金属切削类数控机床(2)金属成型类数控机床(3)数控特种加工机床(4)其它类型的数控机床
3、2、按机床运动的控制轨迹分类(1)点位控制数控机床点位控制只要求控制机床的移动部件从某一位置移动到另一位置的准确定位,对于两位置之间的运动轨迹不作严格要求,在移动过程中刀具不进行切削加工,这种控制方式称为点位控制,如图1.2所示。为了实现既快又准的定位,常采用先快速移动,然后慢速趋近定位点位的方法来保证定位精度。具有点位控制功能的数控机床有数控钻床、数控冲床、数控镗床、数控点焊机等。图1.2点位数控机床加工示意图(2)直线控制数控机床直线控制数控机床的特点是除了控制点与点之间的准确定位外,还要保证两点之间移动的轨迹是一条与机床坐标轴平行的直线,而且对移动的速度也要进行控制,因为这类数控机床在两
4、点之间移动时要进行切削加工,如图1.3所示。图1.3直线数控机床加工示意图(3)轮廓控制数控机床轮廓控制又称连续轨迹控制,这类数控机床能够对两个或两个以上的运动坐标的位移及速度进行连续相关的控制,因而可以进行曲线或曲面的加工,如图1.4所示。具有轮廓控制功能的数控机床有数控车床、数控铣床、加工中心等。图1.4轮廓数控机床加工示意图3、伺服控制的方式分类(1)开环控制系统开环控制系统是指不带反馈的控制系统,即系统没有位置反馈元件,通常用功率步进电机或电液伺服电机作为执行机构。输入的数据经过数控系统的运算,发出指令脉冲,通过环形分配器和驱动电路,使步进电机或电液伺服电机转过一个步距角。再经过减速齿
5、轮带动丝杠旋转最后转换为工作台的直线移动,如图1.5所示。移动部件的移动速度和位移量是由输入脉冲的频率和脉冲数所决定的。图1.5开环控制系统开环控制具有结构简单、系统稳定、容易调试、成本低等优点。但是系统对移动部件的误差没有补偿和校正,所以精度低。一般适用于经济型数控机床和旧机床数控化改造。(2)半闭环控制系统半闭环控制系统是在开环系统的丝杠上装有角位移测量装置(如感应同步器和光电编码器等),通过检测丝杠的转角间接地检测移动部件的位移,然后反馈到数控系统中,由于惯性较大的机床移动部件不包括在检测范围之内,因而称作半闭环控制系统。半闭环数控系统的框图如图1.6所示。图1.6半闭环控制系统这种系统
6、闭环环路内不包括机械传动环节,因此可获得稳定的控制特性。而机械传动环节的误差,可用补偿的办法消除,因此仍可获得满意的精度。中档数控机床广泛采用半闭环数控系统。(3)闭环控制系统闭环控制系统是在机床移动部件上直接装有位置检测装置,将测量的结果直接反馈到数控装置中,与输入的指令位移进行比较,用偏差进行控制,使移动部件按照实际的要求运动,最终实现精确定位,其原理如图1.7所示,因为把机床工作台纳入了位置控制环,故称为闭环控制系统。该系统可以消除包括工作台传动链在内的运动误差,因而定位精度高、调节速度快。该系统调试工作困难。如果各种参数匹配不当,将会引起系统振荡,造成不稳定,影响定位精度。可见闭环控制
7、系统复杂并且成本高,故适用于精度要求很高的数控机床,如精密数控镗铣床、超精密数控车床等。图1.7闭环控制系统4、按数控系统功能水平分类数控机床按数控系统的功能水平可分为低、中、高三档。四、数控机床加工的特点及应用1、数控机床加工的特点数控机床与普通机床相比,具有以下一些特点。(1)可以加工具有复杂型面的工件(2)加工精度高,质量稳定(3)生产率高(4)改善劳动条件(5)有利于生产管理现代化2、数控机床的适用范围从数控机床加工的特点可以看出,数控机床加工的主要对象件有:(1)多品种、单件小批量生产的零件或新产品试制中的零件;(2)几何形状复杂的零件;(3)精度及表面粗糙度要求高的零件;(4)加工
8、过程中需要进行多工序加工的零件;(5)用普通机床加工时,需要昂贵工装设备(工具、夹具和模具)的零件。由此可见,数控机床和普通机床都有各自的应用范围, 五、先进制造技术21世纪,人类已迈入了一个知识经济快速发展的时代,传统的制造技术以及制造模式正发生质的飞跃,先进制造技术在制造业中正逐步被应用,并推动制造业的发展。近年来,正逐步被推广应用的先进制造技术有快速原型法、虚拟制造技术、柔性制造单元和柔性制造系统等。1、快速原型法(又称快速成形法)2、虚拟制造技术3、柔性制造系统(FMS)4、柔性制造单元(FMC)5、计算机集成制造系统(CIMS) 课题二 数控系统的工作原理(一)一、计算机数控系统的工
9、作流程1、计算机数控系统的组成计算机数控系统(Computer Numerical Control)简称CNC系统,它由零件加程序,输入输出设备,计算机数字控制装置,可编程序控制器,主轴驱动装置和进给驱动装置等组成。CNC系统的核心是CNC装置。如图2.1所示。图2.1 CNC系统结构框图2、计算机数控系统的工作过程(1)CNC装置的组成CNC装置由硬件和软件组成,软件在硬件的支持下运行,离开软件,硬件便无法工作,两者缺一不可。软件包括管理软件和控制软件两大类。管理软件由输入输出程序、I/O处理程序、显示程序和诊断程序等组成。控制软件由译码程序、刀具补偿计算程序、速度控制程序、插补运算程序和位
10、置控制程序等组成。CNC装置的硬件结构:微处理器(CPU)负责运算及对整个系统进行控制和管理。可编程只读存储器(EPROM)和随机存储器(ROM)用于储存系统软件和零件加工程序以及运算的中间结果等。输入输出接口供系统与外部进行信息交换。MDI/CRT接口完成手动数据输入并将信息显示在CRT上。位置控制部分是CNC装置的重要组成部分,它通过速度控制单元,驱使进给电机输出功率和扭矩,实现进给运动。(2)CNC装置的工作过程CNC装置的工作是在硬件的支持下执行软件的全过程。机床的逻辑功能信息是在CNC装置中经译码处理后,在机床逻辑控制软件的控制下,通过一些顺序执行电器送往机床强电部分,去执行机床的强
11、电功能。零件加工程序的坐标控制信息经译码后,通过轨迹计算和速度计算传送给插补工作寄存器,由插补产生的运动指令提供给伺服电动机,去控制机床坐标轴的运动。(3)CNC装置可执行的功能CNC装置中使用了计算机,用存放在存储器中的软件来实现部分或全部数控功能,这就为丰富数控功能创造条件,也有利于数控机床进入FMS和CIMS。CNC装置的功能一般包括基本功能和选择功能。基本功能是CNC系统必备的数控功能,选择功能是供用户根据机床特点和工作途径进行选择的功能。控制功能准备功能插补功能进给功能刀具功能主轴功能辅助功能字符显示功能自诊断功能补偿功能及固定循环功能二、插补原理1、概述(1)插补的基本概念插补就是
12、按规定的函数曲线或直线,对其起点和终点之间,按照一定的方法进行数据点的密化计算和填充,并给出相应的位移量,使其实际轨迹和理论轨迹之间的误差小于一个脉冲当量,这个过程称为插补。(2)插补方法的分类脉冲增量插补脉冲增量插补亦称行程增量插补,它适应于以步进电机为驱动装置的开环数控系统。这种插补的实现方法较简单,只需进行加法和移位就能完成插补。故其易用硬件实现,且运算速度很快。因此,脉冲增量插补算法只适合于一些中等精度(0.01mm)和中等速度(13m/min)的机床控制。数字增量插补这类插补算法的特点是插补运算分两步完成。第一步是粗插补,即在给定起点和终点的曲线之间插入若干点,用若干条微小直线段来逼
13、近给定曲线,每一微小直线段的长度L相等,且与给定的进给速度有关。粗插补在每个插补运算周期中计算一次,因此每一微小直线段的长度L与进给速度F和插补周期T有关,即L=FT。粗插补的特点是把给定的一条曲线用一组直线段来逼近。第二步为精插补,它是在粗插补时算出的每一微小直线段上再做“数据点的密化”工作,这一步相当于对直线的脉冲增量插补,这种插补算法可以实现高速、高精度控制,因此适于以直流伺服电机或交流电机为驱动装置的半闭环或闭环数控系统。2、逐点比较法逐点比较法插补的基本原理是:计算机在控制加工轨迹的过程中,每走一步都要和规定的轨迹相比较,由比较结果决定下一步的移动方向。逐点比较法既可以做直线插补又可
14、以做圆弧插补。这种算法的特点是:运算直观,插补误差小于一个脉冲当量,输出脉冲均匀,而且输出脉冲的速度变化小,调节方便,因此在两坐标数控机床中应用较为普遍,这种方法每控制机床坐标进给一步,都要完成四个工作节拍。(1)四个工作节拍第一个节拍偏差判别 判别刀具当前位置相对于给定轮廓的偏离情况,以此决定刀具进给方向。第二个节拍坐标进给 根据偏差判别结果,控制刀具相对于工件轮廓进给一步,即向给定的轮廓靠拢减小偏差;第三个节拍偏差计算 由于刀具在进给后已改变了位置,因此应计算出刀具当前位置的新偏差,为下一次偏差判别作准备;第四个节拍终点判别 判断刀具是否已到达被加工轮廓线段的终点,若已到达终点,则停止插补
15、,若还未到达终点,再继续插补。如此不断循环进行这四个节拍就可以加工出所要求的轮廓线段。(2)直线插补以第一象限直线段为例。用户编程时,给出要加工直线的起点和终点。如果以直线的起点为坐标原点,终点坐标为(Xe,Ye),插补点坐标为(X,Y),如图2.2所示,则以下关系成立: 若点(X,Y)在直线上,则 XeY - YeX = 0若点(X,Y)位于直线上方,则Xe Y- Ye X0若点(X,Y)位于直线下方,则 XeY - Ye X0,下一步向+X方向运动;当点在直线下方时,F0的情况,继续向+X方向运动。这样从原点出发,走一步判别一次F,再走一步,所运动的轨迹总在直线附近,并不断趋向终点。设点(
16、Xi,Yi)为当前所在位置, 其F值为F = XeYi -YeXi若沿+X方向走一步,则Xi+1=Xi+1 Yi+1=YiFi+1=XeYi+1Ye Xi+1=XeYiYe(Xi+1) = FiYe若沿+Y方向走一步,则Xi+1=Xi Yi+1=Yi+1Fi+1=XeYi+1Ye Xi+1=Xe(Yi +1)YeYi= Fi+Xe由逐点比较法的运动特点可知,插补运动总步数n = Xe+Ye,可以利用n来判别是否到达终点。每走一步使n = n - 1,直至n = 0为止。终上所述第一象限直线插补软件流程如图2.3所示。图2.3逐点比较法计算流程举例:欲加工直线段终点X = 4,Y = 2,则整个
17、计算流程与节拍如下。前面我们讨论了第一象限直线插补偏差的递推公式,至于其它象限的直线插补偏差递推公式可同理推导。在插补计算中可以使坐标值带有符号,使插补计算为有符号数学运算,此时四个象限的直线插补偏差计算递推公式见表2.2,也可以使坐标值不带符号,用坐标的绝对值进行计算,此时偏差计算递推公式见表2.3。表2.2 直线插补公式(坐标值带符号)象 限坐 标 进 给偏 差 计 算FFFF1XYFi+1 = FiYeFi+1 = FiXe2XYFi+1 = FiYeFi+1 = FiXe3XYFi+1 = FiYeFi+1 = FiXe4XYFi+1 = FiYeFi+1 = FiXe表2.3 直线插
18、补公式(坐标值为绝对值)象 限坐 标 进 给偏 差 计 算FFFF0时,该点在圆外,向-X方向运动一步;当F0的情况,插补运动始终沿着圆弧并向终点运动。与直线插补的判别类似,圆弧插补的判别计算可采用如下的迭加运算。设当前点(Xi,Yi)对应的偏差函数为:Fi =(Xi2 + Yi2)- R2当点沿-X方向走一步后:Fi+1 =(Xi-1)2 + Yi2 - R2= Fi 2Xi + 1当点沿+Y方向走一步后: Fi +1 =Xi2 + (Yi+1)2 - R2= Fi + 2Yi + 1终点判别可由n = | Xe - Xo | + | Ye - Yo | 判别,每走一步使n = n - 1,
19、直至n = 0为止。举例:插补起点(Xo = 4,Y o = 1)至终点(Xe = 1,Y e = 4)的一段圆弧,计算整个流程。2、象限处理以上讨论了用逐点比较法进行直线和圆弧插补的原理和计算公式,只适用于第一象限直线和第一象限逆时针圆弧。对于不同象限和不同走向的圆弧来说,其插补计算公式和脉冲进给方向都是不同的。为了将各象限直线的插补公式统一于象第一象限的公式,将各象限不同走向的圆弧的插补公式统一于第一象限的插补公式,需要将坐标和进给方向根据象限等的不同进行转换,转换后不管哪个象限的直线和圆弧都按第一象限的逆圆和直线进行插补计算,而进给脉冲的方向则按实际象限和线型决定。图2.5分别给出了不同
20、象限内8种圆弧和4种直线的插补运动方式,据此可以得到表2.5的进给脉冲分配表型。图2.5不同象限直线圆弧进给方向表2.5 象限与进给脉冲分配对照线型脉冲象限和坐标1234直线X+X+Y-X-YY+Y-X-Y+X顺圆X-Y+X+Y-XY+X+Y-X-Y逆圆X-X-Y+X+YY+Y-X-Y+X根据表2.5,可以列出如表2.6所示各种情况下偏差计算的递推公式(所有坐标值均采用绝对值,其中SR、NR分别表示顺时针和逆时针圆弧,后面的数字表示象限,如SR1表示第一象限顺时针圆弧)。表2.6 顺圆逆圆偏差计算公式表圆 弧FF0进给计 算 公 式进给计 算 公 式SR1Y Fi+1 = Fi2Yi1 Xi+
21、1 = Xi Yi+1 = Yi1X Fi+1 = Fi2Xi1 Xi+1 = Xi1 Yi+1 = YiSR3YXNR2YXNR4YXNR1X Fi+1 = Fi2Xi1 Xi+1 = Xi1 Yi+1 = YiY Fi+1 = Fi2Yi1 Xi+1 = Xi1 Yi+1 = YiNR3XYSR2XYSR4XY3、数字增量插补在以直流伺服电机或交流伺服电机为驱动元件的闭环CNC系统中,一般都会采用不同类型的数据采样插补算法,数据采样插补一般分粗、精两步完成插补运算。第一步是粗插补,由软件实现,第二步是精插补,由硬件实现。用软件粗插补计算出一定时间内加工动点应该移动的距离,送到硬件插补器内,再经硬件精插补,控制电机驱动运动部件,达到预定的要求。相邻两次插补之间的时间间隔称为插补周期T;向硬件插补器送入插补位移的时间间隔称为采样周期。数据采样插补实际上是根据程编进给速度将轮廓曲线按时间分割为采样周期的进给段,即微小的进给直线段(进给步长)L,因此L与编程速度代码F和插补周期T密切相关,即L = FT,可见,插补周期T的选择十分重要。正确选择插补周期,要考虑许多因素,主要有下面三个影响因素。插补运算时间位置反馈采样周期插补精度和速度
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