數(shù)控原理與系統(tǒng)課件1章

數(shù)控原理與系統(tǒng)

第1章數(shù)控系統(tǒng)概述

●1.1數(shù)控系統(tǒng)的基本概念 ●1.2機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的分類 ●1.3現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

1.1數(shù)控系統(tǒng)的基本概念數(shù)控：數(shù)字控制（NumericalControl，NC）是一種自動(dòng)控制技術(shù)，是用數(shù)字化信息（指令）對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)及加工過程實(shí)現(xiàn)控制的一種方法。計(jì)算機(jī)數(shù)控：（ComputerizedNumericalcontrol，CNC）采用電子計(jì)算機(jī)來完成主要的數(shù)字控制任務(wù)。

1.1數(shù)控系統(tǒng)的基本概念數(shù)字控制是相對(duì)于模擬控制而言的。數(shù)字控制系統(tǒng)中的控制信息是數(shù)字量，其變化在時(shí)間上和數(shù)量上都是不連續(xù)的；模擬控制系統(tǒng)中的控制信息是模擬量，其變化無論是在時(shí)間上還是在數(shù)量上都是連續(xù)的。數(shù)字控制與模擬控制相比有許多優(yōu)點(diǎn)。

1.1數(shù)控系統(tǒng)的基本概念數(shù)控系統(tǒng)（NumericalControlSystem）是一種控制系統(tǒng)，它自動(dòng)輸入載體上事先給定的數(shù)字量，并將其譯碼，在進(jìn)行必要的信息處理和運(yùn)算后，控制機(jī)床動(dòng)作和加工零件。數(shù)控系統(tǒng)是用來實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)及加工過程數(shù)字化信息控制的硬件和軟件的總和。

1.1數(shù)控系統(tǒng)的基本概念專用硬件數(shù)控系統(tǒng)（NC）：由數(shù)字邏輯電路構(gòu)成，已逐漸被淘汰。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)(CNC)：取代NC的是CNC系統(tǒng)。CNC是由計(jì)算機(jī)承擔(dān)數(shù)控中的命令發(fā)生器和控制器的數(shù)控系統(tǒng)。

1.1數(shù)控系統(tǒng)的基本概念數(shù)控機(jī)床（NC機(jī)床）：采用數(shù)控技術(shù)進(jìn)行控制的各類加工機(jī)床，統(tǒng)稱為數(shù)控機(jī)床。數(shù)控機(jī)床：是一種集機(jī)械制造、計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)及精密測量技術(shù)等多種技術(shù)為一體的典型機(jī)電一體化產(chǎn)品，是現(xiàn)代制造技術(shù)的基礎(chǔ)。數(shù)控機(jī)床一般由數(shù)控系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)、機(jī)床本體及輔助控制裝置等部分組成。1.1數(shù)控系統(tǒng)的基本概念

數(shù)控機(jī)床的組成程序數(shù)控裝置機(jī)床本體輸入輸出裝置主軸伺服驅(qū)動(dòng)輔助控制裝置位置檢測圖1-1數(shù)控機(jī)床的組成進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)

1.1數(shù)控系統(tǒng)的基本概念數(shù)控機(jī)床的組成1．?dāng)?shù)控系統(tǒng)：是所有數(shù)控設(shè)備的核心。數(shù)控系統(tǒng)主要有程序的輸入/輸出裝置和數(shù)控裝置組成。2．伺服驅(qū)動(dòng)控制裝置：是數(shù)控系統(tǒng)與機(jī)床本體之間的電傳動(dòng)聯(lián)系環(huán)節(jié)，包括進(jìn)給軸伺服驅(qū)動(dòng)裝置和主軸伺服驅(qū)動(dòng)裝置。3．輔助控制裝置：是介于數(shù)控裝置和機(jī)床機(jī)械、液壓部件之間的控制系統(tǒng)。4．機(jī)床本體：是數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)體。

1.1數(shù)控系統(tǒng)的基本概念數(shù)控機(jī)床的基本工作過程

1．零件加工的基本操作過程⑴程序編制。⑵數(shù)控機(jī)床通電初始化。⑶程序輸入。⑷加工相關(guān)參數(shù)輸入。⑸運(yùn)行加工程序，完成零件的數(shù)控加工。

1.1數(shù)控系統(tǒng)的基本概念數(shù)控機(jī)床的基本工作過程

2．計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的基本工作過程⑴信息輸入。⑵譯碼轉(zhuǎn)換。⑶數(shù)據(jù)處理。⑷軌跡插補(bǔ)。⑸伺服驅(qū)動(dòng)。(6)程序管理。

1.2機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的分類按工藝用途分類1．金屬切削類機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)2．金屬成型類機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)3．特種加工類機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)

1.2機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的分類按機(jī)床運(yùn)動(dòng)軌跡分類

1．點(diǎn)位控制數(shù)控系統(tǒng)2．點(diǎn)位直線控制數(shù)控系統(tǒng)3．輪廓控制數(shù)控系統(tǒng)起點(diǎn)①②③④⑤圖1-2點(diǎn)位控制

1.2機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的分類按伺服控制方式

1．開環(huán)控制數(shù)控系統(tǒng)

1.2機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的分類按伺服控制方式2．閉環(huán)控制數(shù)控系統(tǒng)由于閉環(huán)系統(tǒng)的位置檢測包含了進(jìn)給傳動(dòng)鏈的全部誤差，因而得到了很高的機(jī)床靜態(tài)定位精度。但是，由于位置檢測反饋環(huán)中包含的不穩(wěn)定因素較多，閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和校正相當(dāng)復(fù)雜，系統(tǒng)調(diào)試工作較困難，參數(shù)匹配不當(dāng)會(huì)引起系統(tǒng)振蕩，造成系統(tǒng)不能穩(wěn)定工作。因此，這種閉環(huán)控制方式主要用于精度要求很高的數(shù)控坐標(biāo)鏜床、數(shù)控精密磨床等。相對(duì)半閉環(huán)控制數(shù)控系統(tǒng)而言，按位置反饋元件的安裝位置不同，閉環(huán)控制數(shù)控系統(tǒng)又稱為全閉環(huán)控制數(shù)控系統(tǒng)。

1.2機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的分類按伺服控制方式2．閉環(huán)控制數(shù)控系統(tǒng)1.2機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的分類按伺服控制方式3．半閉環(huán)控制數(shù)控系統(tǒng)

1.2機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的分類按可聯(lián)動(dòng)的坐標(biāo)軸數(shù)分類

有二軸聯(lián)動(dòng)、二軸半聯(lián)動(dòng)、三軸聯(lián)動(dòng)、四軸聯(lián)動(dòng)、五軸及五軸以上聯(lián)動(dòng)控制數(shù)控系統(tǒng)?？陕?lián)動(dòng)的坐標(biāo)軸數(shù)的不同，使機(jī)床的加工能力區(qū)別很大。二軸聯(lián)動(dòng)只能兩坐標(biāo)軸聯(lián)動(dòng)，主要用于數(shù)控車床加工曲線旋轉(zhuǎn)面或數(shù)控銑床等加工曲線柱面；二軸半聯(lián)動(dòng)主要用于三軸以上機(jī)床的控制，除其中任意兩軸互為聯(lián)動(dòng)外，另一軸作周期進(jìn)給；若為三軸聯(lián)動(dòng)，選用適當(dāng)?shù)毒邉t可加工三維空間曲面。在加工多維曲面時(shí)，為使刀具能合理的切削，刀具的回轉(zhuǎn)中心也要轉(zhuǎn)動(dòng)，因此需要更多的坐標(biāo)軸聯(lián)動(dòng)。五軸聯(lián)動(dòng)的鏜銑床能夠加工螺旋槳表面。坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)數(shù)目是由所具有的伺服坐標(biāo)軸數(shù)和系統(tǒng)控制軟件功能共同決定的。機(jī)床所具有的伺服坐標(biāo)軸數(shù)不等于坐標(biāo)軸聯(lián)動(dòng)數(shù)；具有的伺服電機(jī)數(shù)也不等于坐標(biāo)軸聯(lián)動(dòng)數(shù)。所謂坐標(biāo)軸聯(lián)動(dòng)數(shù)是指由同一個(gè)插補(bǔ)程序段所能控制的同時(shí)移動(dòng)坐標(biāo)軸數(shù)。

1.2機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的分類按系統(tǒng)功能水平分類

按照數(shù)控系統(tǒng)的功能水平，數(shù)控系統(tǒng)可以分為經(jīng)濟(jì)型(低檔型)、普及型(中檔型)和高檔型數(shù)控系統(tǒng)三種。這種分類方法沒有明確的定義和確切的分類界線，且不同時(shí)期、不同國家的類似分類含義也不同。1.3現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展趨勢1．高速度化2．高精度化3．復(fù)合化4．智能化5．小型化6．網(wǎng)絡(luò)化7．開放化8．高可靠性

1.3現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展趨勢為提高可靠性，可采取如下的措施：⑴采用高集成度的電路芯片，利用大規(guī)模或超大規(guī)模的專用及混合式集成電路，來減少元器件的數(shù)量，精簡電路外部連線，降低功耗。⑵建立由設(shè)計(jì)、試制到生產(chǎn)的一整套質(zhì)量保證體系，采用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和通用化的硬件結(jié)構(gòu)以便于組織批量生產(chǎn)及維修，完善各種抗干擾措施，對(duì)元器件進(jìn)行嚴(yán)格的篩選，采用高質(zhì)量的電路板安裝工藝并進(jìn)行老化、振動(dòng)等全面的檢驗(yàn)考核，以保證質(zhì)量。⑶增強(qiáng)故障自診斷、自恢復(fù)和保護(hù)功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)軟、硬件和外部設(shè)備的故障診斷和報(bào)警；利用容錯(cuò)技術(shù)，對(duì)重要部件采用“冗余”設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)故障自恢復(fù)；利用各種測試、監(jiān)控技術(shù)，當(dāng)產(chǎn)生編程及人為操作錯(cuò)誤，超程、刀具磨損、各種干擾、斷電等意外事件時(shí)，自動(dòng)進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)。

1.3現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢開放式數(shù)控系統(tǒng)

1．開放式數(shù)控系統(tǒng)特點(diǎn)開放式數(shù)控系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)、信息技術(shù)，控制技術(shù)融入數(shù)控技術(shù)的產(chǎn)物。根據(jù)IEEE的定義，開放式數(shù)控系統(tǒng)為：能使各種應(yīng)用系統(tǒng)有效地運(yùn)行于不同供應(yīng)商提供的平臺(tái)上，具有與其他應(yīng)用系統(tǒng)相互操作及提供與用戶交互的特點(diǎn)。也可以通俗地理解為開放式數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)是一種通用計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)上的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用程序，而不再像傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)那樣包含有許多插件板的專用硬件系統(tǒng)?；蛘哒f，開放式數(shù)控系統(tǒng)允許用戶根據(jù)各自需要進(jìn)行選配和集成，更改或擴(kuò)展系統(tǒng)的功能，從而迅速適應(yīng)不同用戶的需要，并且組成新系統(tǒng)的各功能模塊可來源于不同的供應(yīng)商，且相互兼容。1.3現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢開放式數(shù)控系統(tǒng)

1．開放式數(shù)控系統(tǒng)特點(diǎn)一般認(rèn)為，開放式數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)具有下列特征。⑴具有開放結(jié)構(gòu)數(shù)字控制器平臺(tái)，使控制系統(tǒng)具有硬件無關(guān)性，用戶可根據(jù)需求選用通用計(jì)算機(jī)控制，利用PC機(jī)建立開放的人機(jī)界面。⑵具有高度模塊化的特征。模塊化的含義有兩層：一層是數(shù)控功能的模塊化，可以根據(jù)機(jī)床廠的要求選裝所需的功能；另一層含義是系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的模塊化，即數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)各功能的算法是可分離的、可替換的。⑶數(shù)控系統(tǒng)的開放是在一定的標(biāo)準(zhǔn)化約束下進(jìn)行的，而不是沒有限制、毫無約束的。

⑷開放式控制系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)允許用戶進(jìn)行二次開發(fā)。⑸考慮到迅速發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用，作為開放式控制系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)操作方式需要。

1.3現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢開放式數(shù)控系統(tǒng)

2．國內(nèi)外開放式數(shù)控系統(tǒng)研究動(dòng)向⑴美國的NGC計(jì)劃⑵歐共體的OSACA計(jì)劃⑶日本的OSEC計(jì)劃⑷我國開放式數(shù)控系統(tǒng)

1.3現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床

新一代機(jī)床的發(fā)展趨勢是進(jìn)一步滿足超精密、超高速、激光和細(xì)微加工等新工藝提出的高性能和高集成度的要求，為此，全球機(jī)床制造業(yè)都在積極探索和研究新型的制造設(shè)備和制造模式，并涌現(xiàn)了多種新穎的設(shè)計(jì)理念，而其中并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床的出現(xiàn)和迅速發(fā)展就是典型的例子。并聯(lián)機(jī)床（又稱虛擬軸機(jī)床）是由機(jī)械機(jī)構(gòu)學(xué)原理引用過來的，機(jī)構(gòu)學(xué)里將機(jī)構(gòu)分為串聯(lián)機(jī)構(gòu)和并聯(lián)機(jī)構(gòu)，串聯(lián)機(jī)構(gòu)的典型代表是機(jī)器人，傳統(tǒng)機(jī)床的布局實(shí)際上也是串聯(lián)機(jī)構(gòu)。

1.3現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床

1．并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床的特點(diǎn)并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床是以空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)，充分利用計(jì)算機(jī)數(shù)字控制的潛力，以軟件代替部分硬件，以電氣裝置和電子器件取代部分機(jī)械傳動(dòng)，使將近兩個(gè)世紀(jì)以來以笛卡爾坐標(biāo)直線位移為基礎(chǔ)的機(jī)床結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)學(xué)原理發(fā)生了根本變化。

1.3現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床

1．并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床的特點(diǎn)

如圖1-6所示，傳統(tǒng)機(jī)床與并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床相比較，從結(jié)構(gòu)布局上看它們的區(qū)別主要表現(xiàn)在：傳統(tǒng)機(jī)床布局的特點(diǎn)是以床身、立柱、橫梁等作為支承部件，主軸部件和工作臺(tái)的滑板沿支承部件上的直線導(dǎo)軌移動(dòng)，按照X、Y、Z坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)疊加的串聯(lián)運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，形成刀頭點(diǎn)的加工表面軌跡。并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床布局的基本特點(diǎn)是以機(jī)床框架為固定平臺(tái)的若干桿件組成空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)，主軸部件安裝在并聯(lián)機(jī)構(gòu)的動(dòng)平臺(tái)上，改變桿件長度或移動(dòng)桿件支點(diǎn)，按照并聯(lián)運(yùn)動(dòng)學(xué)原理形成刀頭點(diǎn)的加工表面軌跡。

1.3現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床

1.3現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床

2．并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的要求并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床的控制系統(tǒng)必須是開放式控制系統(tǒng)。3．并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床的發(fā)展1965年Stewart提出了一種6自由度的新型空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)，引起了眾多研究者的興趣，經(jīng)過40多年的不斷改進(jìn)和發(fā)展，演變出不同運(yùn)動(dòng)學(xué)原理和結(jié)構(gòu)的空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)，并已在許多科學(xué)研究和工業(yè)領(lǐng)域取得了廣泛應(yīng)用。第一臺(tái)真正的并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床是1994年在美國芝加哥國際機(jī)床博覽會(huì)，由美國Ingersoll銑床公司、Giddings&Lewis公司和Hexal公司首次展出的、稱為“六足蟲”（Hexapod）和“變異型”(Variax)的數(shù)控機(jī)床與加工中心，引起世界轟動(dòng)。隨后，英國Geodetic公司，俄羅斯Lapik公司，挪威Muticraft公司，日本豐田、日立、三菱等公司，瑞士ETZH和IFW研究所，瑞典NeosRobotics公司，丹麥Braunschweig公司，德國亞琛工業(yè)大學(xué)和斯圖加特大學(xué)等單位也紛紛研制出不同結(jié)構(gòu)形式的數(shù)控銑床、激光加工和水射流機(jī)床、坐標(biāo)測量機(jī)和加工中心等。當(dāng)時(shí)在國際上對(duì)并聯(lián)機(jī)床做得最好的是瑞典的NOUSE公司，到2003年，該公司已經(jīng)銷售出300余臺(tái)。

1.3現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床

我國也將并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床的研究納入了多個(gè)發(fā)展計(jì)劃中，我國的高校、科研院所和企業(yè)也開展了并聯(lián)機(jī)床的研究工作，并在1997年由清