数控技术的基本概念

Home / 数控技术的基本概念 - 2021年11月28日 , by

一、什么是机床的数字控制

机床依靠各个部件的相对运动实现各种零件的加工。在普通机床上按手动和机动两种方式进行控制:手动靠手工摇动手把带动机床部件进行运动和停止;机动时,用按钮接通动力源(电动机)经机械传动系统使机床部件运动,运动的停止也是靠按钮或行程开关碰到档铁后切断电路而实现。数字控制机床则是以数字指令方式控制机床各部件的相对运动和动作。例如:要求机床执行如下一条指令程序段:

N003 G90 G01 X+325.927 Y+279.346 Z-429.732 S1000 T02 F500 M07;

其含义为:第三个程序段,用2号刀具加工一条空间直线段,起点为坐标原点或上一程序段指令点,终点为程序段中给定的点(+325.927,+279.346,-429.732)。坐标值的计算以坐标原点为基准。还指明机床主轴转速为1000r/m,进给部件的运动速度为500mm/min,且需将冷却液打开。从上面的程序段可以看出,它由数字0~9,文字X、Y、Z、S、T、F、M……,符号“+”“-”“.”……等组成,而这些都要转换成“二进制”数字代码输入机床的数字控制装置(即控制机床的专用计算机)中去,经过计算机的计算处理、伺服控制、驱动机床各部件运动,完成上述空间直线段的加工,由于指令运动过程是以“二进制”“数字”代码进行的,所以称这种控制为数字控制(Numerical Control 缩写为NC)。数字控制是与机床控制密切结合而发展起来的,因此,人们习惯把“机床数控”简称为“数控”或“NC”,用这种控制技术控制的机床就称为“数控机床”(Numerically Controlled Machine Tool)或“NC机床”。数控装置和伺服控制部分统称为“数控系统”。机床的数字控制是近代发展起来的一种自动控制技术,是用数字化信息实现机床控制一种方法。

二、机床数字控制的原理

数控机床的加工,首先要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,然后将加工程序输入数控装置,按照程序的要求,经过数控系统信息处理,分配,使各坐标移动若干个最小位移量,实现刀具与工件的相对运动,完成零件的加工。

在钻削、镗削或攻丝等加工(常称为点位控制Point to Point Control)中,是在一定时间内,使刀具中心从P点移动到Q点,即刀具在x坐标,y坐标移动以最小单位量计算的程序给定距离,它们的合成量为P点和Q点间的距离。但是,对刀具轨迹没有严格的限制,可先使刀具在x坐标上由P点移动到R点,然后再沿y坐标从R点移动到Q点;也可以两个坐标以相同的速度,使刀具移动到K点,再沿x坐标移动到 Q 点,这样的点位控制,是要严格控制点到点之间的距离,而与所走的路径无关。因为这种距离通常都用最小的位移是(0.001mm)表示,而且要准确地停在到达点处(误差以0.001mm计算),所以这种要求实际上是很高的。

nextpage在轮廓加工控制(Contouring Control)中,包括加工平面曲线和空间曲线两种情况。对于平面(两维)的任意曲线L,要求刀具Τ沿曲线轨迹运动,进行切削加工。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δ相当小时,这些折线段之和就接近了曲线。由数控机床的数控装置进行计算、分配,通过两个坐标最小单位量的单位运动(Δx、Δy)的合成,不断连续地控制刀具运动,不偏离地走出直线(或圆弧),从而非常逼真地加工出平面曲线。对于空间(三维)曲线中的f(x,y,z),同样可用一段一段的折线(Δli)去逼近它,只不过这时Δli的单位运动分量不仅是Δx和Δy,还有一个Δz。

这种在允许的误差范围内,用沿曲线(精确地说,是沿逼近函数)的最小单位移动量合成的分段运动代替任意曲线运动,以得出所需要的运动,是数字控制的基本构思之一。轮廓控制也称连续轨迹控制(Continuous Path Control),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。

通常把数控机床上刀具运动轨迹是直线的加工,称为直线插补;刀具运动轨迹是圆弧的加工称为圆弧插补。插补(Interpolation)是指在被加工轨迹的起点和终点之间,插进许多中间点,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。一般的数控系统都具有直线、圆弧插补,随着科学技术的迅速发展,许多生产数控系统的厂家,逐渐推出了具有抛物线插补,螺旋线插补、极坐标插补、样条曲线插补、曲面直接插等丰富功能的数控系统,以满足用户的不同需要。

机床的数字控制是由数控系统完成的。数控系统包括:数控装置,伺服驱动装置、可编程控制器和检测装置等。数控装置能接收零件图纸加工要求的信息,进行插补运算,实时地向各坐标轴发出速度控制指令。伺服驱动装置能快速响应数控装置发出的指令,驱动机床各坐标轴运动,同时能提供足够的功率和扭矩。伺服控制按其工作原理可分两种控制方式:关断控制和调节控制。关断控制是将指令值与实测值在关断电路的比较器中进行比较,相等后发出信号,控制结束。这种方式用于点位控制。调节控制是数控装置发出运动的指令信号,伺服驱动装置快速响应跟踪指令信号。检测装置将坐标位移的实际值检测出来,反馈给数控装置的调节电路中的比较器,有差值就发出运动控制信号,从而实现偏差控制;不断比较指令值与反馈的实际值、不断发出信号,直到差值为零,运动结束。这种方式适用于连续轨迹控制。

在数控机床上除了上述轨迹控制和点位控制外,还有许多动作,如:主轴的启停、刀具更换、冷却液开关、电磁铁的吸合、电磁阀启闭、离合器的开合、各种运动的互锁、连锁,运动行程的限位、急停、报警、进给保持、循环启动、程序停止、复位等等。这些都属于开关量控制,一般由可编程控制器(Programmable Controller简称PC,也称为可编程逻辑控制器PLC,又称为可编程机床制器PMC,下文均称为PLC)来完成,开关量仅有“0”和“1”两种状态,显然可以很方便地融入机床数控系统中,实现对机床各种运动协调的数字控制。

三、数控机床的组成及特点

1. 数控机床的组成

一台三坐标数控铣床的组成,它是由 x、y、z三个坐标来实现刀具和工件间的相对运动的立式数控铣床。可以看出包括信息输入,运算控制(数控装置),伺服驱动及检测反馈,机床本体,机电按口等部分。

(1)信息输入

这一部分是数控机床的信息输入通道,加工零件的程序和各种参数、数据通过输入设备送进计算机系统(数控装置)。早期的输入方式为穿孔纸带,磁带。目前较多采用磁盘;在生产现场,特别是一些简单的零件程序都采用按键、配合显示器(CRT)的手动数据输入(MDI)方式;手摇脉冲发生器输入多用于调整机床和对刀时使用;通过通讯接口,可由上位机输入。

nextpage(2)数控装置

数控装置是由中央处理单元(CPU)、存储器、总线和相应的软件构成的专用计算机,它接收到输入信息后,经过译码、轨迹计算(速度计算)、插补运算和补偿计算,再给各个坐标的伺服驱动系统分配速度、位移指令。这一部分是数控机床的核心。整个数控机床的功能强弱主要由这一部分决定。它具备的主要功能如下:

1)多轴联动、多坐标控制。

2)实现多种函数的插补(直线、圆弧、抛物线、螺旋线、极坐标、样条等)。

3)多种程序输入功能(人机对话、手动数据输入、由上级计算机及其它输入设备的程序输入),以及编辑和修改功能。

4)信息转换功能:包括EIA/ISO代码转换,公制/英制转换、坐标转换、绝对值/增量值转换等。

5)补偿功能:刀具半径补偿、刀具长度补偿、传动间隙补偿、螺距误差补偿等。

6)多种加工方式选择。可以实现各种加工循环,重复加工,凹凸模加工和镜象加工等。

7)具有故障自诊断功能。

8)显示功能。用CRT可以显示字符、轨迹、平面图形和动态三维图形。

9)通讯和联网功能。

(3)伺服驱动装置及检测反馈装置

伺服驱动装置又称为伺服系统,它接受计算机运算处理后分配来的信号。该信号经过调解、转换、放大以后去驱动伺服电机,带动机床的执行部件运动。数控机床的伺服驱动装置分为主轴驱动单元(主要是速度控制)、进给驱动单元(包括速度控制和位置控制)、回转工作台和刀库伺服控制装置以及它们相应的伺服电机等。伺服系统分为直流伺服系统和交流伺服系统,而交流伺服系统正在取代直流伺服系统;以步进电机驱动的伺服系统在某些具体场合仍可采用;直线电机系统是适应高速、高精度的一种伺服机构。在伺服系统中还包括安装在伺服电机上(或机床的执行部件上)的速度,位移检测元件及相应电路,该部分能及时将信息反馈回来,构成闭环控制(交流数字闭环控制中还包括电流检测反馈)。常用检测装置有测速发电机、旋转变压器、脉冲编码器、感应同步器、光栅、磁性检测元件、霍耳检测元件等组成的系统。一般来说,数控机床的伺服驱动系统,要求具有很好的快速响应性能,以及能够灵敏而准确地跟踪指令的功能。所以,伺服驱动及检测反馈是数控机床的关键环节。

(4)机床本体

机床本体也称主机,它包括机床的主运动部件,进给运动部件、执行部件和基础部件,如底座、立柱、滑鞍、工作台(刀架)、导轨等。数控机床与普通机床不同、它的主运动,各个坐标轴的进给运动都由单独的伺服电机(无级变速)驱动,所以它的传动链短、结构比较简单。普通机床上各个传动链之间有复杂的齿轮联系,在数控机床上改由计算机来协调控制各个坐标轴之间的运动关系。为了保证数控机床的快速响应特性,在数控机床上普遍采用精密滚珠丝杠和直线滚动导轨副。为了保证数控机床的高精度、高效率,和高自动化加工,机床的机械结构应具有较高的动态特性、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。同时还有一些良好的配套设施,如:冷却、自动排屑、防护、可靠的润滑、程编机和对刀仪等,以利于充分发挥数控机床的功能。

(5)机电接口

机床上除了点位、轨迹控制采用数字控制外,还有许多其它的控制,如主轴的启停,刀具的更换,工件的夹紧松开,各种辅助交流电动机的启停,电磁铁的吸合、释放,离合器的开、合,电磁阀的打开与关闭等。它们的动力来源是由电源变压器,控制变压器,各种断路器,保护开关,接触器,功率断路器及熔断器等组成的强电线路提供的,而这种强电线路是不能与低压下工作的控制电路或弱电线路直接连接,只能通过断路器,热动开关,中间继电器等转换成直流低压下工作的触点的开、合(关)工作,成为继电器逻辑电路或PLC可接收的信号。其它还有为了保证人身和设备安全、或者为了操作、为了兼容性所必须的:如“急停”、“进给保持”、“循环启动”、“NC准备好”、“行程限位”、“JOG命令(手动连续进给)”、“NC报警”、“程序停止”、“复位”、“M信号”、“S信号”“T信号”等等信号也需由PLC来传送。这些动作都按机床工作的逻辑顺序由PLC来完成。PLC控制的虽是动作先后逻辑顺序,但它处理的是数字信息“0”和“1”,不管是由PLC本身带“CPU”、还是由数控装置内的CPU来处理这些信息,数控机床的计算机都能将数字控制信息和开关量控制信息很好地协调起来,实现正常的运转和工作。

以上这些都是属于数控装置和机床之间的接口问题,我们将它们统称为机电接口。解决这些问题,首先要知道机床上有哪些动作,其次是这些动作的先后顺序,以及它们之间的逻辑(联锁,互锁等)关系等。

2. 数控机床的特点

近代,在汽车拖拉机及轻工业消费品等大批量生产方面,采用大量的组合机床自动线,流水线;在标准件等大量生产中,采用了凸轮控制的专用机床和自动机床。这些适合于大批量生产的生产线,其建造和调试很困难,过程很长。一旦需要更换产品,则整个工艺过程全变了。即原来所有的设备将被抛弃,另外制造或购置新的设备,重新安装和调试生产线,资金的投入和时间投入将会很大。人们把这种生产模式称为刚性自动化。

nextpage现代,由于产品多样化和产品更新加快的要求,解决单件、小批量生产自动化的问题便迫在眉睫。在航空、宇航、造船、电子、军工、模具等工业对解决形状复杂零件的高精度加工要求越来越高。刚性自动化很难满足这些领域的要求,而以数控机床为基础的柔性加工和柔性自动化便应运而生的发展起来。

数控机床是一种新型的自动化机床,它具有广泛的通用性和很高的自动化程度。数控机床是实现柔性自动化的关键设备,是柔性自动生产线的基本单元。数控机床在如下一些零件的加工中,更能显示出它的优越性,它们是:①小批量而又轮番生产的零件;②几何形状复杂的零件;③在加工过程中必须进行多种工序加工的零件;④切削余量大的零件;⑤必须严格控制公差(即公差带范围很小)的零件;⑥工艺设计会经常变化的零件;⑦加工过程中的错误会造成严重浪费的贵重零件;⑧需全部检测的零件,等等。

数控机床的优势:

(1)数控机床有广泛的适应性和较大的灵活性,它能够加工普通机床难以完成,或者根本不能加工的、复杂型面的零件。所以数控机床首先在航空、航天领域获得应用;在复杂形面的模具加工中,在蜗轮叶片和螺旋桨叶片的加工中也都得到了广泛的应用。

(2)数控机床按照预先编制的零件加工程序自动加工,加工过程不需要人工干预,故加工零件的一致性好,重复精度高,这很适合批量生产。由于数控机床本身的刚度好,精度高,并且精度保持性也好,这更有利于数控机床加工质量的长期稳定。此外还可利用软件进行精度校正和补偿,这为获得比机床本身精度还要高的加工精度和重复精度展示了前景。

(3)数控机床是一种高度自动化,高效率的机床,它可以采用较大的切削用量,具有自动变速、自动换刀、自动交换工件,这样生产率得以极大提高,一般为普通机床的3-4倍,甚至更高,尤其是对于某些复杂零件(如箱体)、加工量大的零件和易出差错的印刷电路板加工等,生产率可提高几十倍,且大大减轻了工人劳动强度。

(4)数控机床加工完这一种(或这一批)零件后,需要更换为另一种(或另一批)零件时,只需要更换新的零件加工程序,而将原来的零件加工程序保存起来,待以后使用。组合机床自动线加工零件改变时,则需要重新设计、制造、安装、调试新的组合机床及各种钻模、镗模夹具;自动化机床或专用机床则需要重新设计更换凸轮,靠模,样板等工艺装备。保存这些不用(或暂时不用的)机床、夹具比保存加工程序要复杂得多。显然数控机床加工零件更换时,生产准备也相对容易,生产准备周期也较短;大大节省了占用厂房的面积。所以数控机床是产品更新换代频繁时代的首选柔性设备。

(5)加工中心采用工艺复合,一机多能(如加工中心的铣、钻、镗削功能合一;车削中心的车、铣、钻削功能合一等),再配上分度工作台或数控转台,主轴立、卧转换,工作台立、卧转换以及工作台(或托盘)交换、刀具交换等工序高度集中措施,实现在一次零件定位装夹中完成多工位、多面、多刀加工。大大节省了工序之间的运输,测量装夹时间,既有利于提高加工零件的精度,节省了机床的占地面积,也极大地提高了企业的经济效益。

(6)数控机床是一种高新技术设备,它不仅价格较高,而且要求操作人员有较丰富的专业知识和较高的操作、维护、保养技能。通过应用数控机床可以不断提高企业人员的技术素质,促进企业的文明生产、树立企业的良好形象。

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