车铣复合教案.docx
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车铣复合教案
上海科技管理学校
车、铣复合教案
课程名称:
车、铣复合
课题:
铣床的控制系统和控制面板
主讲教师:
顾凯
学校:
上海科技管理学校
日期:
2018.2.13
教 案
教案对象
数控0901,0902,0903,0904
授课日期
使用教材
数控工艺培训教程
出版单位
清华大学出版社
课题
铣床的控制系统和控制面板
计划学时
2
教案
目标
通过学习,学生能够:
知道铣床数字控制系统的组成
知道数字控制系统工作原理
知道位置检测装置的工作原理
熟悉数控机床控制面板
知识
技能
态度
1.铣床数字控制系统的组成
2.数字控制系统工作原理
3.位置检测装置工作原理
4.数控机床控制面板操作
数控仿真机床面板的操作
1、增强职业道德
2、提高职业素质
3、激发同学主动探索的热情
4、营造一个同学团结互助的学习氛围
教案所用教具
黑板,PPT,计算机
教案
要求
知识&技能
重点
难点
目 标 达 成 度
识记
理解
应用
分析
综合
铣床数字控制系统的组成
√
数字控制系统工作原理
√
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位置检测装置工作原理
√
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√
数控机床控制面板操作
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教案
场景
设计
本课程以秧田型式的座位安排,传统的教案模式,教师除了授课在讲台之外,以师生之间互动为主,教师在学生的座位之间走动,并提问临近座位的同学回答和讨论问题。
最后,以练一练的活动安排,让学生在黑板上回答题目。
活动设计,每四个人一组,讨论问题,以小组代表回答所提的问题。
教案
活动
流程
教案步骤与内容
教案组织形式
教案方法
达成目标
铣床控制系统的组成和工作原理。
新课内容:
1、铣床系统的控制
数控系统对机床的控制包括顺序控制和数字控制两个方面。
图2-1数控机床的组成框图
2、CNC装置
数控装置经历了两种类型:
一种是完全由硬件逻辑元件<开关、继电器等)组成的专用电路的数控装置即NC装置;另一种由计算机硬件和软件组成的计算机数控装置即CNC装置。
NC装置已被淘汰,现代化数控机床均使用CNC装置,所以CNC装置工作过程是硬件支持下执行系统软件的过程。
硬件结构:
CPU,存储器,总线、外设等
CNC装置的硬件构成
CNC装置是在硬件支持下,通过系统软件控制来进行工作的。
其控制功能在相当程度上取决于硬件结构。
硬件结构根据控制功能的复杂程度可分别采用单处理器结构和多处理器结构,简易的经济型采用单微处理器结构,中高档的CNC装置以多微处理机结构为多。
随着机械制造技术的发展,对数控机床提出了复杂功能、高进给速度和高加工精度的要求,因此多处理器结构得到了迅速发
主讲老师通过精讲的方式,讲述控制组成和CNC装置
PPT演示
学生,能了解控制组成和CNC装置的组成
教案
活动
流程
CNC装置的硬件结构分类:
●单微处理器硬件结构
●多微处理器硬件结构
单微处理器硬件结构装置内的所有信息处理工作都由一个CPU来完成,它集中控制和管理整个系统资源,通过分时处理的方式来实现各种数控功能。
它的优点是投资小,结构简单易于实现。
但系统的功能则受CPU的字长、数据宽度、寻址能力和运算速度等因素限制。
多微处理机CNC装置的结构
1.主从结构
该装置中只有一个CPU,对整个装置的资源有控制权和使用权,处于主导地位,而其它CPU处于从属地位。
2.多主结构
该装置中有两个或更多CPU对装置资源有控制权和使用权。
通过总线仲裁器来解决争用总线问题,通过公共存储器来交换装置内的信息。
3.分布式结构
该装置有两个或更多CPU模块,每个模块有自己独立的运行环境,它们之间采用通讯方式交换信息。
此外,还有一种多通道结构。
主讲老师通过精讲的方式,讲述CNC结构
PPT演示
学生,能了解CNC结构
数控系统的工作过程:
a)CNC系统工作过程
b)数控加工中数据转换过程
简要工作过程:
工作过程就是指在硬件的支持下,软件完成控制功能的过程。
1.加项目序的输入
输入CNC装置的有零件程序、控制参数和补偿量等数据。
输入的形式有光电阅读机输入、键盘输入、磁盘输入、连接上级计算机的DNC接口输入、网络输入。
从CNC装置工作方式看,有存储工作方式输入和手工直接输入 CNC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。 这就是书上所概括的“通过输入接口将加项目序读入系统,并在同时进行代码的整理、校验和转换”。 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 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。 主讲老师通过精讲的方式,讲述数控系统的工作过程 PPT演示 学生,能了解数控系统的工作过程 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的零件程序是以零件的轮廓轨迹来编程的,刀具补偿的作用就是把零件轮廓轨迹转换成刀具中心轨迹。 目前在比较好的CNC中,刀具补偿的工作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。 我们的教材上是怎么样概括的呢? “利用一定的数学算法将零件轮廓轨迹换成刀具中心轨迹”。 4.对进给速度进行处理 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。 所谓的速度处理,首先要做的工作就是按编程所给的合成进给速度计算出各坐标轴方向运动的分速度。 另外还要对机床允许的最低速度和最高速度的限制进行判别并处理。 在有些CNC装置中,软件自动加减速也是在这里处理的。 5.插补 所谓的插补就是根据加项目序中给出的零件基本几何形状和相关的设计工艺方面的信息,在已知的这些特征点之间插入一些中间点的过程。 我们知道,一条曲线是由无数个点组成的,插补的任务呢就是在一条给定起点和终点的曲线上按要求密化构成这条曲线的数据点,即所谓的进行“数据点的密化”。 6.位置处理 位置控制处在伺服回路的位置环上,这部分的工作可以由软件实现,也可以由硬件完成。 它的主要任务就是在每个采样周期内,将插补计算的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、各坐标轴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。 7.I/O处理 I/O处理主要是处理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),也就是书上所说的“强电信号的输入输出和控制”。 主讲老师通过精讲的方式,讲述数控系统的工作过程 PPT演示 学生,能了解数控系统的工作过程 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中还有刀具加工轨迹的静态和动态图形显示。 9.诊断 诊断的任务就是监测机床的各种状态,并对出现的非正常状况进行可能的诊断、故障定位和修复。 现代CNC都具有联机和脱机诊断的能力。 那么什么是联机诊断和脱机诊断呢? 这里所说的联机诊断是指CNC中的自诊断程序,随时检查不正确的事件。 脱机诊断是指系统运转条件下的诊断,一般的CNC都配备有各种脱机诊断程序,以检查存储器、外围设备、I/O接口等。 主讲老师通过精讲的方式,讲述数控系统的工作过程 PPT演示 学生,能了解数控系统的工作过程 CNC装置的主要功能和特点: 1.数控装置的主要功能 CNC装置的功能是指满足用户操作和机床控制要求的方法和手段。 包括: 基本功能——数控系统基本配置的功能,即必备功能; 选择功能——用户可根据实际要求选择的功能。 CNC的功能主要反映在准备功能G指令代码和辅助功能M指令代码上。 根据数控机床的类型、用途、档次的高低,CNC装置的功能有很大不同。 <1)控制轴数和联动轴数 控制功能——CNC能控制和能联动控制的进给轴数。 CNC的进给轴分类: 移动轴 基本轴和附加轴 联动控制轴数越多,CNC系统就越复杂,编程也越困难。 一般车床只需二轴控制二轴联动;一般铣床需要三轴控制,二轴半坐标控制和三轴联动;一般加工中心为三轴联动、多轴控制。 <2)准备功能 准备功能 如: 基本移动、程序暂停、平面选择、坐标设定、刀具补偿、基准点返回、固定循环和公英制转换等。 ISO标准中规定准备功能有G00至G99共100种,数控系统可从中选用,目前许多数控系统已用到超过G99以外的代码。 主讲老师通过精讲的方式,CNC装置的主要功能及其特点 PPT演示 学生,NC装置的主要功能及其特点 <3)插补功能 插补功能——插补功能是数控系统实现零件轮廓(平面或空间>加工轨迹运算的功能。 早期的硬件数控系统,也就是NC系统,插补过程是由专门的数字逻辑电路来完成的,属于全硬件插补,而现在广泛应用的计算机数控系统,也就是CNC系统的插补更多地是采用软件来完成。 特别是数据采样插补是当前的重要方法。 根据插补计算实时性很强的特点,采用二种方式来进行插补运算。 一种是采用高速微处理器的一级插补; 另一种是采用软件进行粗插补,之后再利用硬件在粗插补的基础上进行细插补的二级插补。 一般的CNC都有直线和圆弧插补,高档CNC还具有抛物线插补、螺旋线插补等等。 <4)主轴速度功能: 主轴转速的编码方式、恒定线速度、主轴定向准停 主轴功能——数控系统的主轴的控制功能。 主轴转速的编程方式——主轴转速的控制功能,单位为r/min。 恒线速度控制——刀具切削点的切削速度为恒速的控制功能。 主轴定向控制——主轴周向定位于特定位置控制的功能。 C轴控制——主轴周向任意位置控制的功能。 主轴修调率——人工实时修调预先设定的主轴转速。 主讲老师通过精讲的方式,CNC装置的主要功能及其特点 PPT演示 学生,NC装置的主要功能及其特点 <5)进给功能 进给功能—— 进给速度的控制功能。 进给速度——控制刀具相对工件的运动速度,单位为mm/min。 一般进给量为1mm/min~24m/min。 同步进给速度——实现切削速度和进给速度的同步,单位为mm/r。 只有主轴上装有位置编码器的机床才能指令同步进给速度。 快速进给速度——一般为进给速度的最高速度,它通过参数设定,用G00指令执行快速。 进给倍率<进给修调率)——人工实时修调预先给定的进给速度。 使用倍率开关不用修改程序就可改变进给速度。 2.CNC数控装置的特点 1)具有比NC更高的柔性 NC装置以固定接线的硬件结构来实现特定的逻辑电路功能,一旦制成就难以改变。 而CNC只要改变相应的控制软件,就可以改变和扩展其功能,满足用户的不同需要。 现代随着PC机的引入,利用软件来实现功能时所占的比重还会越来越大。 2)具有良好的通用性 CNC装置硬件结构有多种形式,模块化硬件结构使系统易于扩展,模块化软件能满足各类数控机床<如车床、铣床、加工中心等)的不同控制要求,标准化的用户接口,统一的用户界面,既方便系统维护,又方便用户培训。 尤其是现在的开放式系统,不但发展了模块化的概念,更是将PC系统的标准化和开放性思想引进来,这必将大大提高数控系统的通用性。 3)数控功能不断增强和扩展 主讲老师通过精讲的方式,CNC装置的主要功能及其特点 PPT演示 学生,NC装置的主要功能及其特点 利用计算机的高速数据处理能力,使CNC能方便地实现许多复杂的数控功能;随着处理器的速度越来越快,很多对速度有要求的功能也能被软件来处理,这样就可以相对简化硬件设计又可以增加系统的灵活性。 4)可靠性越来越高 零件的加项目序在加工前输入到CNC当中,经系统检查后调用执行,避免了零件程序错误。 许多功能由软件实现,使硬件的元器件数目大为减少,整个系统的可靠性等到改善,特别是采用大规模和超大规模集成电路,硬件高度集成、体积小,进一步提高了系统的可靠性。 5)方便了系统的维修和使用 CNC的自诊断功能能够迅速的报警或显示故障的原因和位置,大大方便了维修工作,减少了停机时间。 CNC还零件程序编辑功能,程序编制很方便。 零件程序编好后,可显示程序,甚至通过空运行,将刀具轨迹显示出来,检验程序的正确性。 6)易于实现机电一体化 超大规模集成电路的广泛应用,不但增强了CNC的功能,减小了功耗,而且还大大缩小了板卡的尺寸,体积越来越小,易于和机床的机械结构融合,实现机电一体化。 主讲老师通过精讲的方式,CNC装置的主要功能及其特点 PPT演示 学生,NC装置的主要功能及其特点 3、位置检测装置 闭环系统的数控机床中,检测装置对机床运动部件的位置及速度进行检测,把测量信号作为反馈信号,并将其转换成数字信号送回计算机与脉冲指令信号进行比较,若有偏差,经信号放大后控制执行部件,使其向着消除偏差的方向运动,直到偏差为零。 为了提高加工精度,必须提高测量元件和测量系统的精度,不同数控机床对测量元件和测量系统的精度要求、允许的最高移动速度各不相同,检测装置的精度直接影响数控机床的定位精度和加工精度。 数控机床对位置检测有以下要求: (1)受温度、湿度的影响小、工作可靠,能长期保持精度,抗干扰能力强; (2)在机床执行部件移动范围内,能满足精度和速度的要求; (3)使用维护方便 (4)成本低 位置检测装置分类: 位置检测装置 按检测方式分类 直接测量 光栅,感应同步器,磁栅 间接测量 脉冲编码器,旋转变压器,测速发电机 按测量装置编码方式分类 增量式测量 光栅,增量式光电编码器 绝对式测量 接触式码盘,绝对式光电编码 按检测信号的类型分类 数字式测量 光栅,光电码盘,接触式编码器 模拟式测量 旋转变压器,感应同步器,磁栅 主讲老师通过精讲的方式,位置检测装置的种类和特点 PPT演示 学生,了解位置检测装置的种类和特点 ●绝对式测量: 对于被测量的任意一点位置均由固定的零点标起。 每一个被测点都有一个相应的测量值。 特点: 装置的结构较为复杂 增量式测量: 只测量位移量。 测量单位为0.01mm每移动0.01mm发出一个脉冲信号。 优点: 装置简单,任何一个对中点都可作为测量的起点。 在轮廓控制的数控机床上大都采用这种方式。 缺点: ●在增量式检测系统中,移距是由测量信号计数读出,一旦计数有误,以后的测量结果则完全错误。 如出某种事故,无法恢复。 特点: ●直接测量被测的量,无需变换; ●在小量程内实现较高精度的测量,技术成熟。 模拟式测量: 模拟式测量是将被测量用连续变量来表示。 如电压变化、相位变化等。 数控机床所用模拟式测量主要用于小量程的测量,如感应同步器的一个线距<2mm)内的信号相位变化等。 数字式测量: 被测的量以数字的形式来表示。 测量信号为电脉冲,可以直接把它们送入 数控装置进行比较、处理。 特点: ●被测的量转换为脉冲个数,便于显示和处理; ●测量精度取决于测量单位,和量程基本无关; ●测量装置比较简单,脉冲信号抗干扰能力较强。 主讲老师通过精讲的方式,位置检测装置的种类和特点 PPT演示 学生,了解位置检测装置的种类和特点 传感器的性能指标应包括静态特性和动态特性,主要如下。 1.精度符合输出量与输入量之间特定函数关系的准确程度称作精度。 高精度和高速实时测量。 2.分辨率分辩率应适应机床精度和伺服系统的要求。 3.灵敏度灵敏度高、一致。 4.迟滞对某一输入量,传感器的正行程的输出量与反行程的输出量的不一致,称为迟滞。 迟滞小。 5.测量范围和量程 6.零漂与温漂 其它可靠,抗干扰性强、使用维护方便、成本低等。 旋转变压器 旋转变压器是一种角度测量元件,它是一种小型交流电机。 在结构上与两相绕组式异步电动机相似,由定子和转子组成,定子绕组为变压器的原边,转子绕组为变压器的副边。 激磁电压接到定子绕组上,激磁频率通常为400H、500H、1000H、3000H、5000H,其结构简单、动作灵敏,对环境无特殊要求,维护方便,输出信号幅度大,抗干扰性强,工作可靠。 利用电磁耦合原理,将位移或转角变成电信号<极为普遍)。 即使滑尺与定尺相互平行,并保持一定的间距。 向滑尺通以交流激磁电压,则在滑尺中产生激磁电流,绕组周围产生按正弦规律变化的磁场,由电磁感应,在定尺上感出感应电压,当滑尺与定尺间产生相对位移时,因为电磁耦合的变化,使定尺上感应电压随位移的变化而变化<相同频率)。 主讲老师通过精讲的方式,讲述位置传感器的性能、旋转变压器的特点 PPT演示 学生,了解位置传感器的性能、旋转变压器的特点 光电脉冲编码器 (1)增量式光电编码器 工作原理: 当码盘随轴一起,每转过一个缝隙就发生一次光线的明暗变化,由光敏元件接受后,变成一次电信号的强弱变化,这一变化规律近似于正弦函数。 光敏元件输出的信号经信号处理电路的整形、放大和微分处理后,便得到脉冲输出信号,脉冲数就等于转过的缝隙数<即转过的角度),脉冲频率就表示了转速。 其能分辨的角度为: 显然,位数越大,测量精度越高 (2)绝对式光电码盘 绝对式光电码盘与接触式码盘相似,只是将接触式码盘导电区和绝缘区改为透光区和不透光区,由码道上的一组光电元件接收相应的编码信号,即受光输出为高电平,不受光输出为低电平。 (3)脉冲编码器的应用 光电脉冲编码器在数控机床中可用于工作台或者刀架的直线位移的测量;在数控回转工作台中,通过在回转轴末端安装编码器,可直接测量回转台角位移;在数控车床的主轴上安装编码器后,可实现Z轴控制,用以控制自动换刀时主轴准停和车削螺纹时的进刀点和退刀点的定位;在交流伺服电机中的光电编码器可以检测电动机转子磁极相对与定子绕组的角度位置,控制电动机的运转,并通过频率/电压<f/U)转换电路,提供速度反馈信号等。 此外,在进给坐标轴中,还应用一种手摇脉冲发生器,用于慢速对刀和手动调整机床 主讲老师通过精讲的方式,讲述光电脉冲编码器的特点 PPT演示 学生,了解,光电脉冲编码器的特点 光栅测量装置: 光栅: 用真空镀膜的方法在透明玻璃或者金属镜面上光刻平行等间距的线纹 原理: 利用光的透射、衍射现象制成的光电检测元件 直线光栅结构与莫尔条纹 莫尔条纹: 当光源的光线经聚光镜呈平行光线垂直照射到标尺光栅上时,在与两块光栅线纹相交的钝角角平分线上,出现粗大条纹,并随标尺光栅的移动而上下明暗交替地运动。 特点: ●因为光栅的刻线可以制作十分精确,同时莫尔条纹对刻线局部误差有均化作用,因此,栅距误差对测量精度影响较小。 也可采用信号。 ●在检测过程中,标尺光栅与指示光栅不直接接触,没有磨损,因而精度可以长期保持。 ●光线刻线要求很精确,两光栅之间的间隙及倾斜角都要求保持不变,制造调试比较困难。 光学系统易受外界的影响产生误差,同时又有灰尘、油、冷却液等污物的侵入,易使光学系统变质。 磁栅 组成: 磁性标尺、磁头和检测电路 利用录磁的原理将一定周期变化的方法,正弦波或脉冲电信号,用录磁磁头记录在磁性标尺的磁膜上,作为测量的基准。 检测时,用拾磁磁头将磁性标尺上的磁信号转换成电信号,经过检测电路处理后,用以计量磁头相对磁尺之间的位移量。 特点: •精度高,安装方便,大型机床和精密机床作为位置或位移量的检测 •对使用环境的条件要求较低,对周围磁场的抗干扰能力较强,在油污、粉尘较多的地方使用有较好的稳定性。 其缺点是需要屏蔽和防尘。 主讲老师通过精讲的方式,讲述光栅工作原理及特点 PPT演示 学生,了解光栅工作原理及特点 感应同步器: 利用电磁耦合原理,将位移或转角变成电信号<极为普遍)。 即使滑尺与定尺相互平行,并保持一定的间距。 向滑尺通以交流激磁电压,则在滑尺中产生激磁电流,绕组周围产生按正弦规律变化的磁场,由电磁感应,在定尺上感出感应电压,当滑尺与定尺间产生相对位移时,因为电磁耦合的变化,使定尺上感应电压随位移的变化而变化<相同频率)。 对环境有要求,周围无磁场干扰。 主讲老师通过精讲的方式,讲述感应同步器原理及特点 PPT演示 学生,了解感应同步器原理及特点 4、驱动伺服系统 4.1伺服系统是数控系统主要的子系统,是数控系统的“四肢”。 它的作用: (1)伺服驱动系统能放大控制信号,具有输出功率的能力; (2)伺服驱动系统根据CNC装置发出的控制信息对机床移动部件的位置和速度进行控制。 伺服系统的组成框图: 4.2伺服驱动的控制方式 <1)开环控制<没有位置检测装置) <2)半闭环控制<只检测电机旋转角度) <3)全闭环控制<对运动部件的运动速度和实际位置) <4)混合控制 4.3对伺服系统的要求: <1)高精度 <2)快速响应 <3)调速范围宽 <4)低速大扭矩 <5)惯量匹配 <6)较强的过载能力 主讲老师通过精讲的方式,讲述伺服控制系统的特点及控制方式 PPT演示 学生,了解伺服控制系统的特点及控制方式 5.借助计算机,宇龙仿真软件,认识典型FANUC系统数控铣床的控制板面及其系统 主要操作: ●开机—热启动—回零 ●手动模式—手轮模式—MDI模式-EDIT模式—AUTO模式 ●OFFSETING-刀补及磨损 ●工件坐标系建立 ●界面数字和字母的输入、编辑操作 主讲老师通过现场演示操作,直观认识机床的控制板面 仿真 学生,学会简单的开机、回零、手动模式的操作,从而感性认识铣床的控制板面 课外作业 课外习题 教案回顾
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