制造自动化技术之一-数控技术.ppt
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1、,现代机械加工新技术第三章 制造自动化技术第一节数控技术,数控机床的结构及设计,数控技术的发展方向,二,一,三,四,数控机床控制系统(CNC),数控技术的基础知识,数控雕刻机床,数控车床,加工中心,五轴联动数控机床的加工:,铝材质头盔的加工(短片),叶片的加工(短片),德国DMG的加工(短片1、短片2),FANUC数控系统(显示器及操作面板),西门子系统的显示操作部件、驱动器、可编程控制器,(一)数控与数控机床1.概念 数控:数字控制(NC Numerical Control),以数字化信 息对机床运动及加工过程进行控制的一种方法。NC已成为 数控加工的专用术语。数控技术:用数控机床(数控设备
2、)进行自动化加工的一 种技术,它综合应用了多种学科的知识。数控机床:是实现柔性自动化的关键设备,是柔性自动生 产系统的基本单元。数控技术是现代先进制造技术的基础,其技术水平和普及 程度是衡量国家综合国和工业现代化程度的重要标志。CNC与CAD/CAM/CAPP/关系:通讯 CAD:计算机辅助设计(Computer Aided Design)CAM:计算机辅助制造(Computer Aided Maunfacturng)CAE:计算机辅助工程(Computer Aided Engineering),一 数控技术的基础知识,一 数控技术的基础知识,CNC与现代先进制造系统关系:CNC用在制造系统中
3、 CNC:DNC FMC FMS CIMS FA 并行工程、敏捷制造、数字化制造、智能制造、网络制造、绿色制造、纳米制造、高速加工等等。,2.数控技术产生的原因高精度、高效率;刚性自动化不能满足的要求(手工、小规模、大规模生产);柔性自动化(多品种、变批量)、复杂零件的加工(多坐 标加工);计算机技术的发展。3.数控技术的发展历史1952年,第一代电子管数控系统;1959年,第二代晶体管数控系统。随之出现刀库,机械手、加工中心;1960年,第三代集成电路数控系统,硬逻辑数控系统(称为 NC;1970年,第四代小型计算机数控(CNC);1974年,第五代微型计算机数控(MNC,统称CNC);19
4、80年后,FMS、FMC、CIMS、开放式数控(open NC)系 统、智能制造系统(IMS)大发展。1990年后,高速加工,纳米制造。,(二)数控机床的工作原理1.机床数字控制的原理 将被加工零件图纸上的几何信息和工艺信息用规定的代码和格式编写成加工程序,然后将程序输入数控装置,按照程序的要求,经过信息处理,分配,使各坐标以最小位移量为单位移动,其合成运动实现了刀具与工件的相对运动,完成零件的加工。,最小位移量的合成运动是机床数字控制的基本原理,即轨迹控制原理。点位控制:严格控制点到点的距离,不严格要求路径,运动中不加工。轮廓控制:加工平面曲线、空间曲线、空间曲面时,需要多坐标联动。以平面(
5、两维)的任意曲线L为例,要求刀具沿(逼近)曲线轨迹运动,进行切削加工。如图所示。将曲线L分割成:l0、l1、l2、li等线段。用直线(或圆弧)代替(逼近)这些线段,当逼近误差相当 小时,这些折线段之和就接近了曲线,轮廓控制也称连续轨迹控制,它的特点是不仅对坐标的移动量进行控制,而且对各坐标的速度及它们之间的比率都要进行严格控制,以便加工出给定的轨迹,轮廓控制,这种在允许的误差范围内,用沿曲线逼近函数的最小单位移动量合成的分段运动(小线段、小圆弧)代替任意曲线运动,以得出所需要的运动轨迹,是数控的基本构思之一。插补(Interpolation)是用被加工轨迹的有限信息(如起点和终点之间),计算插
6、进刀具运动的许多中间点,进行数据点的密化工作,然后用已知线型(如直线、圆弧等)逼近。插补有二层意义:基本线型的形成及如何分段逼近。基本线型:由插补指令完成。如直线插补、圆弧插补、抛物 线插补、螺旋线插补、极坐标插补、圆柱插补、样条插补、曲面直接插补、纳米插补、光顺插补等,插补指令越多,越能实现复杂型面的加工。分段逼近:按允许的误差。弦线逼近、割线逼近、切线逼近。,插补分类:基准脉冲插补、数据采样插补(主要方法)。基点和节点 基点:在数控加工图纸中,基本线型的交点;节点:轮廓轨迹上的插入点(逼近线型与轮廓轨迹的交点)。为什么不用数学函数直接插补?计算费时间,不能满足实时控制的要求;有的被加工轮廓
7、用列表点表示的,没用数学公式;数控加工时运动不能突变,要满足加速度的要求。,2.数控机床的控制 轨迹控制 开关量控制(三)数控机床的组成及分类 1.数控机床的组成 数控系统:I/0接口、CNC装置、伺服系统、PLC 机械主机:主运动机构、进给运动机构、辅助机 构、床身等,2.数控机床的应用 1)多品种变批量、单件小批量的自动化 2)柔性加工和柔性自动化 小批量而又轮番生产的零件;几何形状复杂的零件;在加工过程中必须进行多种工序加工的零件;切削余量大的零件;必须严格控制公差(公差带范围很小)的零件;工艺设计会经常变化的零件;贵重零件;需全部检测的零件,等等。,3.数控机床的分类 1)按控制运动的
8、轨迹特点分类 点位控制数控机床 直线控制数控机床(单轴数控)轮廓控制的数控机床:分为两坐标联动,2.5坐标联动,三坐标联动,四坐标联动,五坐标联动等数控机床。五坐标联动是关键技术 2)按伺服系统的控制类型分类 开环控制的数控机床 全闭环控制的数控机床 半闭环控制的数控机床,3)按工艺方法分类 金属切削类数控机床: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等。金属成型类及特种加工类数控机床4)按功能水平分类:高、中、低档(亦称经济型)5)按驱动方式分类 步进式 直流伺服 交流伺服(交流模拟、交流数字)6)按组成和功能 开放式数控 智能数控,二 数控机床控制系统(CNC),二 数
9、控机床控制系统(CNC)(一)CNC系统的组成 CNC系统由“数控装置”、“伺服系统”和系统程序组成。数控装置(专用计算机):硬件和软件组成。伺服系统:检测装置、驱动装置和伺服电机组成。1、数控装置的硬件组成及功能 1)数控装置的硬件包括:微机基本系统:CPU、总线、存储器、I/O设备等数控接口组件:进给轴位置控制接口组件、主轴控制接口组件、手摇脉冲发生器接口组件等。,接口:人机界面接口、通讯接口、机电接口、辅助功能(M)控制接口等2)硬件功能:与软件一起接收输入信息(程序)、经过译码、轨迹计算(速度计算)、补偿计算、加/减处理和插补运算,给各个坐标的伺服驱动器分配速度、位移指令,完成数控加工
10、任务。,3)硬件具体组成 微机基本系统人机界面接口:键盘、显示器、操作面板、手摇脉冲发生器 通讯接口、RS232、RS485串行接口、网络接口 进给轴位置控制接口 主轴控制接口 辅助功能(M 指令)控制接口,单CPU数控装置,2、数控装置软件的基本组成和功能 软件由控制功能程序、管理功能程序组成 1.控制功能程序-实时性强,用于进给坐标的位置控制,中断完成;译码;预处理(刀补和速度处理);插补;位控;,2.管理功能程序-实时性稍差,但要保证控制软件数据的供给传递,具体见图,(二)CNC系统的技术性能指标1CPU的性能:8、16、32、64位,主频十多GHz,精减指令集芯片(RISC),提供高的
11、速度和丰富的软硬件资源;2系统具有高分辨率:保证高精度、超精密加工。进给系统100万脉冲/每转、1600万脉冲/每转(FANUC 0i),分辨率为0.001mm,速度最高可达到100 m 240m/min。超精密加工时分辨率0.1m(甚至0.01m),速度为24m/min,或更高。,3系统的控制功能:1)多轴联动、多坐标控制 2)多种函数的插补 3)多种程序输入功能 4)信息转换功能 5)补偿功能 6)多种加工方式选择 7)具有故障自诊断功能 8)显示功能 4伺服驱动系统的性能,5数控系统内PLC功能 6系统的通讯和联网功 7系统的开放性 8可靠性,(三)CNC系统的选择1、选择原则 1)名牌
12、厂家:FANUC、SIEMENS、AB、CINCINNATI、NUM、HP、FAG、GE-FANUC、三菱、华中数控、广州数控、航天数控、蓝天数控、北京FANUC、上海开通数控、南京方达数控、威海华东数控、南京清华数控 2)系统的系列 FANUC:FANUC0TD/0MD/0C/0i/15/15i/16/16i/18/18i/21/21i/160/180/210/160i/180i/210i/F30i;SIEMENS:SIEMENS-802S/802D/810D/840D,3)基本功能、选择功能 4)分辨率(设定单位)、速度、联动轴数;5)高速高精度系统的特殊指令功能 6)价格、维修。2.高速
13、高精密数控机床的CNC系统 1)数控装置的特殊功能 纳米精加工插补;(Nano interpolation)光顺插补;高精度(纳米)轮廓控制;5轴加工功能;,NURBS插补;前视功能;预测及反复控制;法线方向及缓曲线法线方向控制;精细加/减速功能;切削进给插补前/后的直线加/减速功能;切削进给插补前/后的铃型(或叫鼓型)加/减速 插补型螺距误差补偿;双向螺距误差补偿;直线度补偿;插补型直线度补偿,丰富的宏指令,循环指令;完善的自诊断、参数设置、动态图形显示、高速缓存、I/O外部设备控制和联网功能等 接外部补偿的功能。2)对驱动控制及伺服电机的特殊要求 光纤通讯的三环(电流、速度、位置)全闭环控
14、制交流数字伺服系 统;高响应的矢量控制功能:FANUC系统称为:HRV-High Response Vector高响应向量控制);双位置反馈控制;特殊制造的高响应高精度电机,且具有平稳运行的低速性能;,三 数控机床的结构及设计,(一)机床本体 机床本体也称主机,它包括:主运动部件:主轴箱及主轴;进给运动部件:进给传动件、工作台、刀架、导轨等;基础部件:支撑部件,如:底座、床身、立柱等;特殊部件:刀库、自动换刀装置和托盘交换装置等);现在包括CNC装置,各个部件都看做功能部件,专门生产。,数控车床的主要内部结构,数控机床的结构介绍说明(短片),(二)数控机床主机的特点主运动及进给运动都由单独的伺
15、服电机驱动;传动链短、结构比较简单;运动关系由计算机来协调控制。采用高效传动件:精密滚珠丝杠、直线滚动导轨副、精密齿条、静压、磁浮导轨等。机械结构应具有较高的静态特性、动态刚度、阻尼精度、耐磨性以及抗热变形性能。在加工中心上还具备有刀库和自动交换刀具的机械手。配套设施齐全,如:冷却、自动排屑、防护、可靠的润滑、对刀仪等,(三)主机的设计1.总体设计 1)总体方案:布局外观、精度、性能、静动态特性(刚度特性、摩擦特性、热特性).2)参数:功率、扭矩、转速、行程、速度.3)机电匹配:机电分工、电机和控制系统的选择.2.主传动系统设计 1)传动系统.2)电主轴.3)自动卡盘.4)动力刀架,3.进给传
16、动系统设计 1)开环、半闭环、全闭环.2)传动方案.3)高效传动件的设计、选择、计算、机电匹配.4)直线电机系统.4.其它系统的设计 1)数控回转工作台.2)换刀机械手。3)刀库、刀具系统.4)冷却、排屑系统,四 数控技术的发展方向,(一)数控技术总的发展趋势 当代,数控技术的典型应用是:FMC/FMS/CIMS 数控技术的发展方向是:高速化、高精度化、高效加工、多功能化、小型化、复合化、开放化和智能化以及数控标准的发展 目前的动向是:开放式数控系统、高速加工系统。,(二)开放式数控(OPEN CNC)1、开放数控的产生和发展:1)产生的原因 当今的CNC控制器是个黑匣子,封闭保密,制造厂和用
17、户不能把特殊加工工艺、管理经验和操作技能等放进去,要求透明,因此需要开放结构的数控系统。现在的CNC技术(其核心为CNC控制器和驱动技术)及结构为专用的软硬件,远落后于PC的主流技术。升级困难,各厂家产品不兼容,成本高。用户界面不灵活,网络功能弱,系统维护培训昂贵。,2)发展情况:美国:OMAC 1)1981年,国防部为了减少军备制造对日本控制系统的依赖性,开始了一项名为“下一代控制器(NGC)”的计划,并成立了“美国国家科学制造中心”,该计划于1991年终止,完成了“开放式系统体系结构标准(SOSAS)”。2)1995年,在NGC的基础上,由美国国防部资助又开始了由20个公司合作的“OASA
18、Y”计划,目的是建立8个控制器并在6个不同的系统平台上测试这8个控制器。3)1994年美国汽车工业为了解决自身发展过程中碰到的一系列问题,由克莱斯勒、福特和通用三家大汽车公司开始了一项名为:“开放式模块化体系结构控制器(OMAC-Open Modular Architecture Controls)”的计划。,欧洲:OSACA 1992年在欧洲,启动了一项“自动化系统中控制器的开放系 统体系结构(OSACA-OpenSystem Architecture for Controls within Automation Systems)”的联合计划。由22家欧州的机床生产商、控制开发商、控制集成商
19、和研究机构参 加,后来扩大到27名会员。日本:OSEC 1995年日本六家公司:东芝机器制造公司、丰田机器厂、MAZAK公司、日本IBM、三菱电子公司和SML公司共同实施了“控制器开放系统环境计划。OSEC-Open System Environment for Controllers”的计划。OMAC、OSACA、OSEC是在当前开放式控制系统领域内有很大影响的三个计划。这几大开放数控系统计划正在执行中,已有了自己的标准和样机产品。,2.开放性:开放式数控系统,不但要求模块化、网络化、标准化(用户界 面、图形显示、动态仿真、数控编程、故障诊断、网络通讯),而且对实时性和可靠性要求很高。其特点
20、:可移植性:在保持应用模块功能的情况下,不需任何变化就 可以应用到不同的平台上。可扩展性:不同的模块能运行于一个平台,而不出现冲突。互操作性:模块在一起工作时,表现为相互协调,可以根据 定义相互交换数据。可维护性:用户修方便。统一的人机界面。,结构:目前开放的数控系统结构有3种:基于PC的CNC系统(软数控:Soft CNC):以PC机为平台,数控功能由软件模块实现,但要解决实时性的问题。运动执行通过伺服卡传递数据,由伺服系统驱动坐标轴电机。全方位开放。PC嵌入式:把一块多轴运动控制卡插入传统的PC中,运动卡运行以坐标轴运动为主的实时控制(作为数控功能运行)。PC作为人机接口平台。易于实现。,
21、PC+CNC(融合系统):专业厂家认为CNC系统最主要功能是高速、高精加工和可靠性,像PC一样出现死机现象是不允许 的。已生产的大量CNC系统在体系结构上变化,对维修和可靠性不利。故采取了:增加一块PC板,提供键盘,使PC与CNC 联系在一起的方案。界面开放,提高人机界面的功能。专业CNC系统厂家(如Fanuc,Simens等)现在都这样做。,(三)新一带数控标准 STEP-NC 1.STEP-NC标准的产生及概念产生:数控发展已50多年了,编程还在采用G、M代码、地址字的程序格式(ISO6983),它是面向运动和开关控制的语言。限制了CNC系统的开放性和智能化发展的需要,使CNC与 CAM技
22、术之间形成了瓶颈。体现不出IT技术与MT技术的结合:CAD/CAM/CAE/PDM不能真正实现集成,限制了制造业的发展。,为此国际标准化组织ISO制定了“产品模型数据交换标准”STEP(Standard for the Exchange of Product Model Data)(ISO10303)产品模型数据转换标准STEP,是面向对象的数据模型,将此扩展到数控领域,形成了STEP-NC新标准(ISO-14649)2.STEP-NC数据模型 STEP-NC为“新型的CNC控制器数据模型”标准,它是从 CAM到CNC的数据模型。STEP、STEP-NC是中性的,采用面向对象语言:EXPRES
23、S,以面向对象的形式将产品的设计信息与制造信息联系起来,STEP-NC数控系统能进行CAD/CAM与CNC一体化的加工。,STEP-NC为CNC系统重新规定CAD/CAM与CNC之间的接口,可以进行数据交换。要求CNC系统直接使用符合STEP标准的CAD三维产品数据模型(包括工件几何数据、设置、制造特征信息、工艺信息和刀具信息),而直接产生的加工程序用来控制机床。3.STEP-NC研究情况STEP-NC是当前世界各国正在开展的研究项目。欧洲、美国(Super Model项目)、韩国、日本(Digital Sater项目)都在积极的进行,而且关于STEP-NC的研究已 取得了实质性的进展。法那科
24、、西门子数控系统公司都宣布将执行STEP-NC标准。,4.STEP-NC标准的内容 STEP-NC定义了一个新的应用协议AP-238,作为 CAM与CNC之间数据交换的具体规范。1)AP-238 AP-238包括从产品概念到成品(零件)全过程所需的全部信息。其中有:三维几何信息-AP-203/AP214;特征信息-AP-224;工艺信息(如车、铣、放电加工等)-AP-219;检测信息-AP-219等等,2)STEP-NC 标准(草案)内容:有关基本规则与铣削加工的标准(草案)已完成,包括:基本概念和规则(Part 1);通用数据(Part 10);数控铣削加工工艺(Part 11);刀具、铣削
25、刀具(Part 111)等。数控车削加工(Part 12);正在制定的STEP-NC标准有:放电加工(Part 13);木材和玻璃加工(Part 14);检测(Part 15)等,3)标准通用数据 包括二大部分:工件(Workpiece,指成品)和工作计划(Workplan)。工件上需去除的材料的区域由一系列加工特征(Machining-feature)定义。工作计划包括若干工作步骤(Working step)。工作步骤将具体的加工特征(如平面、复杂曲面、孔等)与具体的操作(Machining-operation)联系起来。操作(operation)本身是ISO-14649定义的一个面向的概念
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