西门子数控车床系统802s新建刀具的刀沿是什么意思还有对刀和法拉克的不同和相同求解_百度知道
西门子数控车床系统802s新建刀具的刀沿是什么意思还有对刀和法拉克的不同和相同求解
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刀沿就是刀补界面不一样，原理还是差不多的西门子一个刀具最多可以有8个刀沿，就是刀补。FANUC是一个刀号一个刀补号，如果一个刀号要用多个刀补，就得是T0101
T0121这样，西门子每把刀都有T1D1 D2 D3 D4---D8对刀页面，输入X，Z测量值（试切对刀）,按下面那个计算，再按确定（记不太清了，也许没有确定，直接计算就可以了。具体你看画面就知道了）
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数控系统是数字控制系统的简称英文名称为Numerical Control System根据存储器中存储的控制执行部分或全部数值控制功能并配有接口电路和伺服驱动装置的系统通过利用数字文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制它所控制的通常是位置角度速度等机械量和
我国数控系统虽取得了较大发展但是我国高档数控机床配套的数控系统90%以上的都是国外产品特别是对于国防工业急需的高档数控机床高档数控系统是决定机床装备的性能功能可靠性和成本的关键因素而国外对我国至今仍进行封锁限制成为制约我国高档数控机床发展的瓶颈为加快数控技术行业的发展国家出台了一系列政策包括国务院批准实施装备制造业调整和振兴计划和高档数控机床与基础制造装备国家科技重大专项计划为我国数控技术行业创造了良好的外部环境装备制造业调整和振兴规划明确提出坚持装备自主化与重点建设工程相结合坚持自主开发与引进消化吸收相结合坚持发展整机与提高基础配套水平相结合的基本原则提升数控系统等基础配套件的市场占有率是落实装备自主化的重要内容国家科技重大专项高档数控机床与基础制造装备也提出到2020年国产高档数控机床的市场占有率要实现较大程度的提高
目前我国正处于工业化中期即从解决短缺为主逐步向建设经济强国转变煤炭汽车钢铁房地产建材机械电子化工等一批以重工业为基础的高增长行业发展势头强劲构成了对机床市场尤其是数控机床的巨大需求根据年中国数控系统行业发展前景与投资预测分析报告[1]所统计的数据显示我国机床消费额从2002年起已经连续8年排名世界第一2009年中国机床消费额大于世界排名第二位的日本和第三位的德国消费额之和据国家发展改革委副主任张国宝于在数控系统产业发展座谈会上的讲话介绍未来若干年内我国数控机床市场需求量将继续以年均10-15%的速度增长市场潜力巨大随着中国制造业升级中国现有普通机床也亟需改造升级因此数控系统行业市场空间广阔具备进一步发展的巨大潜力
十二五期间随着国民经济快速的发展汽车船舶工程机械航天航空等行业将为我国机床行业提供巨大的需求预计到2015年我国各类数控机床及数字化机械所需数控系统需求将达到25万台套以上(不包含进口机床所配套的数控系统)产品结构也逐渐向中高档转化其中高档数控系统所占比率将提升至10%左右中档数控系统所占比重提升至50%左右而根据国家科技重大专项之一高档数控机床与基础制造装备要求到2020年国产中高档数控机床用的国产数控系统市场占有率达到60%以上;国内中高端数控系统市场有12万台的替代空间未来行业空间巨大数字控制系统简称英文名称为Numerical Control System早期是与计算机并行发展演化的用于控制自动化加工设备的由电子管和继电器等硬件构成具有计算能力的专用控制器的称为硬件数控Hard NC20世纪70年代以后分离的硬件电子元件逐步由集成度更高的计算机处理器代替称为计算机数控系统
计算机数控Computerized numerical control简称CNC系统是用计算机控制加工功能实现数值控制的系统CNC系统根据计算机存储器中存储的控制程序执行部分或全部数值控制功能并配有接口电路和伺服驱动装置用于控制自动化加工设备的专用计算机系统
CNC系统由数控程序存储装置从早期的纸带到磁环到磁带磁盘到计算机通用的硬盘计算机控制主机从专用计算机进化到PC体系结构的计算机可编程逻辑控制器PLC主轴驱动装置和进给伺服驱动装置包括检测装置等组成
由于逐步使用通用计算机数控系统日趋具有了软件为主的色彩又用PLC代替了传统的机床电器逻辑控制装置使系统更小巧其灵活性通用性可靠性更好易于实现复杂的数控功能使用维护也方便并具有与网络连接及进行远程通信的功能世界上的数控系统种类繁多形式各异组成结构上都有各自的特点这些结构特点来源于系统初始设计的基本要求和硬件和软件的工程设计思路对于不同的生产厂家来说基于历史发展因素以及各自因地而异的复杂因素的影响在设计思想上也可能各有千秋例如在上世界90年代美国Dynapath系统采用小板结构热变形小便于板子更换和灵活结合而日本FANUC系统则趋向大板结构减少板间插接件使之有利于系统工作的可靠性然而无论哪种系统它们的基本原理和构成是十分相似的一般整个数控系统由三大部分组成即控制系统伺服系统和位置测量系统控制系统硬件是一个具有输入输出功能的专用计算机系统按加工工件程序进行插补运算发出控制指令到伺服驱动系统测量系统检测机械的直线和回转运动位置速度并反馈到控制系统和伺服驱动系统来修正控制指令伺服驱动系统将来自控制系统的控制指令和测量系统的反馈信息进行比较和控制调节控制PWM电流驱动伺服电机由伺服电机驱动机械按要求运动这三部分有机结合组成完整的闭环控制的数控系统
控制系统硬件是具有人际交互功能具有包括现场总线接口输入输出能力的专用计算机伺服驱动系统主要包括伺服驱动装置和电机位置测量系统主要是采用长光栅或圆光栅的增量式位移编码器从硬件结构上的角度数控系统到目前为止可分为两个阶段共六代第一阶段为数值逻辑控制阶段其特征是不具有CPU依靠数值逻辑实现数控所需的数值计算和逻辑控制包括第一代是电子管数控系统第二代是晶体管数控系统第三代是集成电路数控系统第二个阶段为计算机控制阶段其特征是直接引入计算机控制依靠软件计算完成数控的主要功能包括第四代是小型计算机数控系统第五代是微型计算机数控系统第六代是PC数控系统
由于上世纪90年代开始PC结构的计算机应用的普及推广PC构架下计算机CPU及外围存储显示通讯技术的高速进步制造成本的大幅降低导致PC构架数控系统日趋成为主流的数控系统结构体系PC数控系统的发展形成了NC+PC过渡型结构既保留传统NC硬件结构仅将PC作为HMI代表性的产品包括FANUC的160i180i,310i,840D等还有一类即将数控功能集中以运动控制卡的形式实现通过增扩NC控制板卡如基于DSP的运动控制卡等来发展PC数控系统典型代表有美国DELTA TAU公司用PMAC多轴运动控制卡构造的PMAC-NC系统另一种更加革命性的结构是全部采用PC平台的软硬件资源,仅增加与伺服驱动及I/O设备通信所必需的现场总线接口从而实现非常简洁硬件体系结构1输入数据处理程序
它接收输入的零件加工程序将标准代码表示的加工指令和数据进行译码数据处理并按规定的格式存放有的系统还要进行补偿计算或为插补运算和速度控制等进行预计算通常输入数据处理程序包括输入译码和数据处理三项内容
2插补计算程序
CNC系统根据工件加工程序中提供的数据如曲线的种类起点终点既定速度等进行中间输出点的插值密化运算上述密化计算不仅要严格遵循给定轨迹要求还要符合机械系统平稳运动加减速的要求根据运算结果分别向各坐标轴发出形成进给运动的位置指令这个过程称为插补运算计算得到进给运动的位置指令通过CNC内或伺服系统内的位置闭环速度环电流环控制调节输出电流驱动电机带动工作台或刀具作相应的运动完成程序规定的加工任务
CNC系统是一边插补进行运算一边进行加工是一种典型的实时控制方式
管理程序负责对数据输入数据处理插补运算等为加工过程服务的各种程序进行调度管理管理程序还要对面板命令时钟信号故障信号等引起的中断进行处理在PC化的硬件结构下管理程序通常在实时操作系统的支持下实现
诊断程序的功能是在程序运行中及时发现系统的故障并指出故障的类型也可以在运行前或故障发生后检查系统各主要部件CPU存储器接口开关伺服系统等的功能是否正常并指出发生故障的部位1点位控制数控系统
控制工具相对工件从某一加工点移到另一个加工点之间的精确坐标位置,而对于点与点之间移动的轨迹不进行控制且移动过程中不作任何加工这一类系统的设备有数控钻床数控坐标镗床和数控冲床等
2直线控制数控系统
不仅要控制点与点的精确位置还要控制两点之间的工具移动轨迹是一条直线且在移动中工具能以给定的进给速度进行加工其辅助功能要求也比点位控制数控系统多如它可能被要求具有主轴转数控制进给速度控制和刀具自动交换等功能此类控制方式的设备主要有简易数控车床数控镗铣床等
3轮廓控制数控系统　　这类系统能够对两个或两个以上坐标方向进行严格控制即不仅控制每个坐标的行程位置同时还控制每个坐标的运动速度各坐标的运动按规定的比例关系相互配合精确地协调起来连续进行加工以形成所需要的直线斜线或曲线曲面采用此类控制方式的设备有数控车床铣床电加工机床和等⑴车削铣削类数控系统
针对数控车床控制的数控系统和针对加工中心控制数控系统这一类数控系统属于最常见的数控系统FANUC用TM来区别这两大类型号西门子则是在统一的数控内核上配置不同的编程工具Shopmill,shopturn来区别两者最大的区别在于车削系统要求能够随时反映刀尖点相对于车床轴线的距离以表达当前加工工件的半径或乘以2表达为直径车削系统有各种车削螺纹的固定循环车削系统支持主轴与C轴的切换支持端面直角坐标系或回转体圆柱面坐标系编程而数控系统要变换为极坐标进行控制而对于铣削数控系统更多地要求复杂曲线曲面的编程加工能力包括五轴和斜面的加工等随着车铣复合化工艺的日益普及要求数控系统兼具车削铣削功能例如大连光洋公司的GNC60/61系列数控系统
⑵磨削数控系统
针对磨床控制的专用数控系统FANUC用G代号区别西门子须配置功能与其他数控系统的区别主要在于要支持工件在线量仪的接入量仪主要监测尺寸是否到位并通知数控系统退出磨削循环磨削数控系统还要支持砂轮修整并将修正后的砂轮数据作为刀具数据计入数控系统此外磨削数控系统的PLC还要具有较强的温度监测和控制回路还要求具有与振动监测超声砂轮切入监测仪器接入协同工作的能力对于非圆磨削数控系统及伺服驱动在进给轴上需要更高的动态性能有些非圆加工例如凸轮由于被加工表面高精度和高光洁度要求数控系统对曲线平滑技术方面也要有特殊处理
⑶面向特种加工数控系统
这类系统为了适应特种加工往往需要有特殊的运动控制处理和加工作动器控制例如并联机床控制需要在常规数控运动控制算法加入相应并联结构解耦算法线切割加工中需要支持沿路径回退冲裁切割类机床控制需要C轴保持冲裁头处于运动轨迹切线姿态齿轮加工则要求数控系统能够实现符合齿轮范成规律的电子齿轮速比关系或表达式关系激光加工则要保证激光头与板材距离恒定电加工则要数控系统控制放电电源激光加工则需要数控系统控制激光能量按照伺服系统的控制方式可以把数控系统分为以下几类
⑴开环控制数控系统
这类数控系统不带检测装置也无反馈电路以步进电动机为驱动元件CNC装置输出的进给指令多为脉冲接口经驱动电路进行功率放大转换为控制步进电动机各定子绕组依此通电/断电的电流脉冲信号驱动步进电动机转动再经机床传动机构齿轮箱丝杠等带动工作台移动这种方式控制简单价格比较低廉从70年代开始被广泛应用于经济型数控机床中
⑵半闭环控制数控系统
位置检测元件被安装在电动机轴端或丝杠轴端通过角位移的测量间接计算出机床工作台的实际运行位置直线位移由于闭环的环路内不包括丝杠螺母副及机床工作台这些大惯性环节由这些环节造成的误差不能由环路所矫正其控制精度不如全闭环控制数控系统但其调试方便成本适中可以获得比较稳定的控制特性因此在实际应用中这种方式被广泛采用
⑶全闭环控制数控系统
位置检测装置安装在机床工作台上用以检测机床工作台的实际运行位置直线位移并将其与CNC装置计算出的指令位置或位移相比较用差值进行调节控制这类控制方式的位置控制精度很高但由于它将丝杠螺母副及机床工作台这些连接环节放在闭环内导致整个系统连接刚度变差因此调试时其系统较难达到高增益即容易产生振荡⑴经济型数控系统
又称简易数控系统通常采用步进电机或脉冲串接口的伺服驱动不具有位置反馈或位置反馈不参与位置控制仅能满足一般精度要求的加工能加工形状较简单的直线斜线圆弧及带螺纹类的零件采用的微机系统为单板机或单片机系统通常不具有用户可编程的PLC功能通常装备的机床定位精度在0.02mm以上
⑵普及型数控系统
介于简式型数控系统和高性能型数控系统之间的数控系统其特点联动轴数4轴以下含4轴闭环控制伺服电机反馈信息参与控制具有螺距误差补偿和刀具管理功能支持用户开发PLC功能
⑶高档型数控系统
一般是指具有多通道两个及以上数控设备控制能力具有双驱控制5轴及以上的插补联动功能斜面加工样条插补双向螺距误差补偿直线度和垂直度误差补偿刀具管理及刀具长度和半径补偿功能高静态精度分辨率0.001μm即最小分辨率为1nm和高动态精度随动误差0.01mm以内高速度及完备的PLC控制功能数控系统数控系统的功能适用性对于数控机床的设计选型无疑是重要的限制性因索以下因素是在选择数控系统中必须考虑的重要因素
⑴驱动能力
不同的数控供应商的解决方案中伺服的功率范围和配套电机范围也是不同的首先应该从可匹配的电机类型功率范围来初步筛选特别是要注意数控机床方案中是否包括力矩电机直线电机电主轴属于同步电主轴还是异步电主轴上述电机的额定电流需求和过载电流需求电主轴的最高转速需求等
⑵全闭环需求与双驱需求
数控机床特别是大型重型数控机床大多数都有全闭环和双驱需求在全闭环控制方案中要在距离编码光栅绝对值式光栅普通增量光栅间进行选择同时数控系统也要支持相应的反馈信号接入
⑶五轴控制需求
五轴机床需要明确是否五轴联动还是仅要求五面加工相应选择数控系统功能也不同比如针对五面箱体类加工通常不需要RTCP选择余地就比较大同时针对五轴功能可能涉及数控系统供货商在出口许可证售后服务技术支持等也必须认真考虑
⑷生产系统需求
数控系统网络化支持成为生产系统集成的必要条件对于要纳入自动化程度很高的生产系统的数控机床必须明确数控系统具有相应的接入解决方案包括低级的依靠PLC输入输出点直接接入到高级的数控系统内置OPC服务器依照OPC标准向用户开放数控系统内部数据此外面向生产系统自动化的在线工件检测和刀具检测也是必须支持的功能具有五轴功能的数控机床可以以多种姿态实现工件与刀具间的相对运动一方面可以保持刀具更好的加工姿 态避免刀具中心极低的切削速度也可以避免刀具和工件卡具间的干涉实现有限行程内更大加工范围 五轴功能也是衡量数控系统能力的重要指标对于具有转台结构的五轴机床工件与回转工作台固结即工件坐标系WCS与回转工作台固结当工作台旋转后工件坐标系WCS必须相应的旋转此后工件坐标系的X,Y,Z与原机床坐标系(MCS)XYZ方向不再一致五轴插补算法需要随时自动完成工件坐标系的旋转保证正确的刀具运行轨迹如下图所示
由于工件坐标系随转台一起旋转数控系统在手动操作模式下给用户提供了选择机床坐标系MCS还是工件坐标系WCS的机会如果用户选择了WCS下的手动操作而且WCS已经旋转则手动操作将按照旋转后的坐标轴方向运动以C轴转台为例如果C轴已由初始的0度CCW旋转45度后用户选择WCS下手动X轴数控机床的会XY轴联动走X-Y平面45度斜线如图1所示上述行为对于工件的寻边和手动定位加工很方便不需要顾及转台转了多少度只要依据图纸上工件坐标系所示的方向操作即可在自动加工模式下所有的G92,G54-G59,G52都是在WCS下设定的都会跟随WCS旋转而旋转
自动加工中值得注意如果用户在工件坐标系下编程推刀前建议用户使用G53回到MCS下再按照MCS坐标系执行退刀动作否则就要想清楚当前WCS与MCS的角度关系例如C轴为0度时与180度时WCS坐标系正好方向相反进刀起始位置C为0度XY为WCS绝对值正值的话退刀位置时C为180度再向回到起始点就要回到WCS绝对值负值了如图所示
对于具有摆头结构的机床而言五轴数控系统在机床坐标系MCS中只关注控制点摆头回转中心的坐标 而在工件坐标系WCS中五轴数控系统控制刀尖点坐标如图所示结合WCS随转台旋转数控系统这样控制行为使WCS下始终正确地反映刀具与工件间的相对位置关系用户可以安心对照工件图纸考虑WCS下工件编程即可无须考虑机床结构
五轴加工中不论是刀具旋转还是转台转动都使刀尖点产生了XYZ的附加运动五轴数控系统可以自动对这些转动和摆动产生的工件与刀尖点间产生的位移进行补偿称之为RTCP围绕刀尖点旋转控制功能例如大连光洋的GNC61采用G203起动该功能在西门子840D中使用TRAORI开启RTCP海德汉TNC530中使用M128开启RTCP这样用户可以在五轴机床上如同3坐标一样的编程可以适时加入调整刀具与工件间姿态调整的旋转指令而不需要考虑这些旋转指令带来的附加运动
五轴编程中推荐采用刀具相对于工件坐标系WCS的姿态矢量来表达工件与刀具的姿态关系这样处理的结果是用户不必考虑五轴机床的具体类型和结构相同的工件程序可以在不同类型的五轴机床上加工所有与机床结构相关的坐标处理完全由五轴数控系统自动完成
例如840D采用A3B3C3来表达刀具矢量大连光洋的GNC61采用VXVYVZ表示刀具在WCS下刀尖点指向控制点的姿态对VXVYVZ向量长度无特殊要求据统计世界范围内五轴机床真正用于五轴联动加工仅占5%如叶轮叶片航空结构件等特殊零件73% 用于五轴定向加工如V型发动机缸体模具制造等五面体加工占22%[1]例如机床上的箱体结构零件
840D中采用Frames的概念描述空间斜面和坐标系
TNC530中采用PLANE功能定义加工作业斜面例如采用空间角定义斜面
N50 plane spatial spa+27 spb+0 spc+45 ... 空间角A旋转角SPA是围绕机床固定X轴旋转空间角B旋转角SPB是围绕机床固定Y轴旋转空间角C旋转角SPC是围绕机床固定Z轴旋转除了空间角定义外TNC530还支持投影角欧拉角三点等多种空间斜面定义
GNC61在工件坐标系WCS下设有G92坐标系该坐标系负责对其上的用户定义的坐标系整体偏移 可以用来表达卡具的基准在G92坐标系内用户可以定义G54, G55, G56, G57, G58, G59坐标系可以用来表达同一卡具基准下的多个工件各自的坐标系GNC61设计了程序局部坐标系G52该坐标系位于G54-G59下可以任意旋转倾斜在设定的加工程序中有效一旦新加载程序G52会自动清0GNC61支持用户在程序中直接定义G52空间角来指定一个倾斜的坐标系此外GNC61还提供其他倾斜的坐标系定义的内建函数包括SG52_EULER通过欧拉角的方式来指定G52旋转坐标系SG52_2VEC通过使用两个矢量来定义加工面SG52_3PT通过三点的方式来指定G52旋转坐标系
此外在定义斜面的基础上五轴数控系 统还需要支持刀具自动定向到垂直于斜面的姿态海德汉的TNC530有3种处理方式MOVETRUNSTAY其MOVE模式在开启RTCP的情况下实现刀具自动定向即保持刀尖点不动TRUN模式下刀具自动定向但不开启RTCP即刀具只摆动不进行RTCP补偿运动STAY则表示不产生任何运动但相应的所需的运动量被系统变量保存大连光洋GNC61在自动加工模式下GNC61支持两种自动刀具定向指令G200刀具自动垂直斜面非RTCPG201 刀具自动垂直斜面带RTCP
通常在默认状态下所谓五轴数控系统采用五轴直线插补即将ABC增量等同直线增量进行插补不论是否开启RTCP五轴直线插补在都没有直接约束刀具的侧刃可能造成侧刃形成的零件尺寸和形貌不符合要求为此数控厂商往往还支持其他约束侧刃的特殊的五轴插补
5.1平面刀矢插补
在冲裁模具中存在大量侧壁保持平面的要求航 空薄壁结构件也存在大量侧壁倾斜要求的型腔铣削加工焊接零件焊接坡口也有铣倾斜面的要求840D提供ORIVECT以及GNC61的G213都是上述功能通常该功能自动启动RTCP
5.2双样条约束插补
即指定刀尖点的样条曲线再另一条约束刀具的样条曲线数控系统将完成两样条曲线约束的直纹面的插补840D提供ORICURVE以及GNC61提供的G6.3X都实现上述功能
5.3圆锥插补
指定刀具矢量沿特定圆锥表面运行该插补功能适合加工圆锥及空间斜面间圆锥过渡曲面840D提供的ORICONCW\ORICONCCW\ORICONIO\ORICONTO即完成上述功能
空间刀具半径补偿
对于五轴加工RTCP起到了刀具长度补偿的作用而五轴的刀具半径的补偿可以在不修改五轴加工程序中工件表面坐标点的情况下调整各种类型的刀具均能保证工件表面形状的正确在FANUC最高级的30i系列数控系统和西门子高端的840D系统都支持上述功能
五轴速度平滑
在五轴加工中由于开启RTCP以及各种特殊的五 轴算法例如平面矢量插补双样条约束插补等都可能造成各直线进给轴速度的波动这些波动有时会造成机床振动影响零件表面加工质量超过机床允许范围为此五轴数控系统需要对各轴速度进行平滑调整目前FANUC最高级的30i系列数控系统和西门子高端的840D系统都支持上述功能1输入零件程序及控制参数补偿量等数据的输入可采用光电阅读机键盘磁盘连接上级计算机的DNC 接口网络等多种形式CNC装置在输入过程中通常还要完成无效码删除代码校验和代码转换等工作
2译码不论系统工作在MDI方式还是存储器方式都是将零件程序以一个程序段为单位进行处理把其中的各种零件轮廓信息如起点终点直线或圆弧等加工速度信息F 代码和其他辅助信息MST代码等按照一定的语法规则解释成计算机能够识别的数据形式并以一定的数据格式存放在指定的内存专用单元在译码过程中还要完成对程序段的语法检查若发现语法错误便立即报警
3刀具补偿刀具补偿包括刀具长度补偿和刀具半径补偿通常CNC装置的零件程序以零件轮廓轨迹编程刀具补偿作用是把零件轮廓轨迹转换成刀具中心轨迹在比较好的CNC装置中刀具补偿的工件还包括程序段之间的自动转接和过切削判别这就是所谓的C刀具补偿
4进给速度处理编程所给的刀具移动速度是在各坐标的合成方向上的速度速度处理首先要做的工作是根据合成速度来计算各运动坐标的分速度在有些CNC装置中对于机床允许的最低速度和最高速度的限制软件的自动加减速等也在这里处理
5插补插补的任务是在一条给定起点和终点的曲线上进行 数据点的密化 插补程序在每个插补周期运行一次在每个插补周期内根据指令进给速度计算出一个微小的直线数据段通常经过若干次插补周期后 插补加工完一个程序段轨迹即完成从程序段起点到终点的数据点密化工作
6位置控制位置控制处在伺服回路的位置环上 这部分工作可以由软件实现 也可以由硬件完成它的主要任务是在每个采样周期内将理论位置与实际反馈位置相比较 用其差值去控制伺服电动机在位置控制中通常还要完成位置回路的增益调整各坐标方向的螺距误差补偿和反向间隙补偿以提高机床的定位精度
7I/0 处理I/O 处理主要处理CNC装置面板开关信号机床电气信号的输入输出和控制如换刀换挡冷却等
8显示CNC装置的显示主要为操作者提供方便通常用于零件程序的显示参数显示刀具位置显示机床状态显示报警显示等有些CNC装置中还有刀具加工轨迹的静态和动态图形显示
9诊断对系统中出现的不正常情况进行检查定位包括联机诊断和脱机诊断数控系统及相关的自动化产品主要是为数控机床配套数控机床是以数控系统为代表的新技术对传统机械制造产业的渗透而形成的机电一体化产品数控系统装备的机床大大提高了零件加工的精度速度和效率这种数控的工作母机是国家工业现代化的重要物质基础之一
数值控制简称数控或NC的概念是把被加工的机械零件的要求如形状尺寸等信息转换成数值数据指令信号传送到电子控制装置由该装置控制驱动 机床刀具的运动而加工出零件而在传统的手动机械加工中这些过程都需要经过人工操纵机械而实现很难满足复杂零件对加工的要求特别对于多品种小批量 的零件加工效率低精度差
1952年美国麻省理工学院与帕森斯公司进行合作发明了世界上第一台三坐标数控铣床控制装置由2000多个电子管组成约一个普通实验室大小伺服机构采用一台小伺服马达改变液压马达斜盘角度以控制液动机速度其插补装置采用脉冲乘法器这台NC机床的研制成功标志着NC技术的开创和机械制造的一个新的数值控制时代的开始
软件的应用
在1970年的芝加哥展览会上首次展出了由小型机组成的CNC数控系统大约在同时英特尔公司发明了微处理器1974年美日等国相继研制出以微处理器为核 心的CNC有时也称为MNC它运用计算机存贮器里的程序完成数控要求的功能其全部或部分控制功能由软件实现包括译码刀具补偿速度处理插补 位置控制等采用半导体存贮器存贮零件加工程序可以代替打孔的零件纸带程序进行加工这种程序便于显示检查修改和编辑因而可以减少系统的硬件配 置提高系统的可靠性采用软件控制大大增加了系统的柔性降低了系统的制造成本
数控标准的引入
随着NC成为机械自动化加工的重要设备在管理和操作之间都需要有统一的术语技术要求符号和图形即有统一的标准以便进行世界性的技术交流和贸 易NC技术的发展形成了多个国际通用的标准即ISO国际标准化组织标准IEC国际电工委员会标准和EIA美国电子工业协会标准等最早制订的标准 有NC机床的坐标轴和运动方向NC机床的编码字符NC机床的程序段格式准备功能和辅助功能数控纸带的尺寸数控的名词术语等这些标准的建立对 NC技术的发展起到了规范和推动作用ISO基于用户的需要和对下一个5年间信息技术的预测又在酝酿推出新标准CNC控制器的数据结构它把 AMT先进制造技术的内容集中在两个主要的级别和它们之间的连接上第一级CAM为车间和它的生产机械第二级是上一级为数据生成系统由 CADCAP CAE和NC编程系统及相关的数据库组成
伺服技术的发展
伺服装置是数控系统的重要组成部分20世纪50年代初世界第一台NC机床的进给驱动采用液压驱动由于液压系统单位面积产生的力大于电气系统所产生的 力约为20:1惯性小反应快因此当时很多NC系统的进给伺服为液压系统70年代初期由于石油危机加上液压对环境的污染以及系统笨重效率低等原因美国GETTYS公司开发出直流大惯量伺 服电动机静力矩和起动力矩大性能良好FANUC公司很快于1974年引进并在NC机床上得到了应用从此开环的系统逐渐被闭环的系统取代液压伺 服系统逐渐被电气伺服系统取代
电伺服技术的初期阶段为模拟控制这种控制方法噪声大漂移大随着微处理器的采用引入了数字控制它有以下优点①无温漂稳定性好②基于数值计 算精度高③通过参数对系统设定调整减少④容易做成ASIC电路对现代数控系统伺服技术取得的最大突破可以归结为交流驱动取代直流驱动数字 控制取代模拟控制或者称为软件控制取代硬件控制20世纪90年代许多公司又研制了直线电动机由全数字伺服驱动刚性高频响好因而可获得高速 度
自动编程的采用
编程的方法有手工编程和自动编程两种据统计分析采用手工编程一个零件的编程时间与机床加工之比平均约为30:1为了提高效率必须采用计算机或 程编机代替手工编程自动编程需要有自动化编程语言其中麻省理工学院研制的APT语言是最典型的一种数控语言它大大地提高了编程效率从70年代开始 出现的图象数控编程技术有效地解决了几何造型零件几何形状的显示交互设计修改及刀具轨迹生成走刀过程的仿真显示验证等从而推动了CAD和 CAM向一体化方向发展
DNC概念的引入及发展
DNC概念从直接数控到分布式数控的变化其内涵也发生了变化分布式数控表明可用一台计算机控制多台数控机床这样机械加工从单机自动化的模式 扩展到柔性生产线及计算机集成制造系统从通信功能而言可以在CNC系统中增加DNC接口形成制造通信网络网络的最大特点是资源共享通过DNC功 能形成网络可以实现①对零件程序的上传或下传②读写CNC的数据③PLC数据的传送④存贮器操作控制⑤系统状态采集和远程控制等
可编程控制器的采用
在20世纪70年代以前NC控制器与机床强电顺序控制主要靠继电器进行60年代出现了半导体逻辑元件1969年美国DEC公司研制出世界上第一台可编程序 控制器PLCPLC很快就显示出优越性设计的图形与继电器电路相似形象直观可以方便地实现程序的显示编辑诊断存贮和传送PLC没有继电器 电路那种接触不良触点熔焊磨损线圈烧断等缺点因此很快在NC机床上得到应用在NC机床上指令执行时间可达到0.085&s/步最大步数 为32000步而且使用PLC还可以大大减少系统的占用空间提高系统的快速性和可靠性
传感器技术的发展
一台NC系统与机械连结在一起时它能控制的几何精度除受机械因素的影响外闭环系统还主要取决于所采用的传感器特别是位置和速度传感器如可测量直线 位移和旋转角度的直线感应同步器和圆感应同步器直线和圆光栅磁尺利用磁阻的传感器等这些传感器由光学精密机械电子部件组成一般分辨率为0.01～0.001mm测量精度为±0.02～0.002mm/m机床工作台速度为20m/min以下随着机床精度的不断提高对传感器的分辨率 和精度也提出了更高的要求于是出现了具有细分电路的高分辨率传感器比如FANUC公司研制的编码器通过细分可做到分辨率为10-7r利用它构成 的高精度数控系统为超精控制及加工创造了条件
开放技术的产生
1987年美国空军发表了著名的NGC下一代控制器计划首先提出了开放体系结构的控制器概念这个计划的重要内容之一便是提出了开放系统体系结构标准 规格SOSAS美国空军把开放的体系结构定义为在竞争的环境中允许多个制造商销售可相互交换和相互操作的模块机床制造商可以在开放系统的平台 上增加一定的硬件和软件构成自己的系统当前在市场上开放系统基本上有两种结构①CNC+PC主板把一块PC主板插入传统的CNC机器中PC板主要 运行非实时控制CNC主要运行以坐标轴运动为主的实时控制②PC+运动控制板把运动控制板插入PC机的标准插槽中作实时控制用而PC机主要作非实 时控制为了增加开放性主流数控系统生产厂家往往采用方案①即在不改变原系统基本结构的基础上增加一块PC板提供键盘使用户能把PC和CNC联系在 一起大大提高了人机界面的功能典型的如FANUC公司的150/160/180/210系统有些厂家也把这种装置称为融合系统fusionsystem由于它工作可靠界面开放越来越受到机床制造商的欢迎成为NC技术的发展趋势之一位置环
这是数控系统发出控制指令并与位置检测系统的反馈值相比较进一步完成控制任务的关键环节它具有很高的工作频度并与外设相联接所以容易发生故障
常见的故障有①位控环报警可能是测量回路开路测量系统损坏位控单元内部损坏②不发指令就运动可能是漂移过高正反馈位控单元故障测量元件损坏③测量元件故障一般表现为无反馈值机床回不了基准点高速时漏脉冲产生报警可能的原因是光栅或读头脏了光栅坏了
伺服驱动系统
伺服驱动系统与电源电网机械系统等相关联而且在工作中一直处于频繁的启动和运行状态因而这也是故障较多的部分
电源是维持系统正常工作的能源支持部分它失效或故障的直接结果是造成系统的停机或毁坏整个系统一般在欧美国家这类问题比较少在设计上这方面的因素考虑的不多但在中国由于电源波动较大质量差还隐藏有如高频脉冲这一类的干扰加上人为的因素如突然拉闸断电等这些原因可造成电源故障监控或损坏另外数控系统部分运行数据设定数据以及加工程序等一般存贮在RAM存贮器内系统断电后靠电源的后备蓄电池或锂电池来保持因而停机时间比较长拔插电源或存贮器都可能造成数据丢失使系统不能运行
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