第一章：數(shù)控機床的工作過程

1、一、數(shù)控機床的產生 數(shù)字控制（數(shù)字控制（Numerical Control, Numerical Control, 簡稱簡稱NCNC）技術，簡稱）技術，簡稱數(shù)控技術，是使用數(shù)字化信息按給定的工作程序、運動軌跡數(shù)控技術，是使用數(shù)字化信息按給定的工作程序、運動軌跡和速度，對控制對象進行控制的一種技術。數(shù)字控制系統(tǒng)中和速度，對控制對象進行控制的一種技術。數(shù)字控制系統(tǒng)中的控制信息是數(shù)字量。它所控制的一般是位移、角度、速度的控制信息是數(shù)字量。它所控制的一般是位移、角度、速度等機械量，等機械量， 也可以是溫度、壓力、流量、顏色等物理量。這也可以是溫度、壓力、流量、顏色等物理量。這些量的大小不僅可以測量，而

2、且可經過轉換，用數(shù)字信號表些量的大小不僅可以測量，而且可經過轉換，用數(shù)字信號表示。示。 概念：概念：數(shù)控技術就是指用數(shù)字、字母和符號對某一工作數(shù)控技術就是指用數(shù)字、字母和符號對某一工作過程進行可編程自動控制的技術過程進行可編程自動控制的技術 1.1 數(shù)控機床的作用數(shù)控機床的作用 采用了數(shù)控技術的設備稱為數(shù)控設備。其操作命令是用數(shù)采用了數(shù)控技術的設備稱為數(shù)控設備。其操作命令是用數(shù)字或數(shù)字代碼的形式來描述，工作過程是按指令程序自動進字或數(shù)字代碼的形式來描述，工作過程是按指令程序自動進行。行。 數(shù)控機床就是一種典型的數(shù)控設備，它是裝備了數(shù)控系數(shù)控機床就是一種典型的數(shù)控設備，它是裝備了數(shù)控系統(tǒng)的金屬切

3、削機床。統(tǒng)的金屬切削機床。機械工程系 1952 1952年，美國帕森斯公司和麻省理工學院研制成功了年，美國帕森斯公司和麻省理工學院研制成功了世界上第一臺數(shù)控機床。半個世紀以來，數(shù)控技術得到了世界上第一臺數(shù)控機床。半個世紀以來，數(shù)控技術得到了迅猛的發(fā)展，加工精度和生產效率不斷提高。數(shù)控機床的迅猛的發(fā)展，加工精度和生產效率不斷提高。數(shù)控機床的發(fā)展至今已經歷了兩個階段和六代。發(fā)展至今已經歷了兩個階段和六代。 19521952年的第一代年的第一代電子管數(shù)控機床電子管數(shù)控機床 19591959年的第二代年的第二代晶體管數(shù)控機床晶體管數(shù)控機床 19651965年的第三代年的第三代集成電路數(shù)控機床集成電路數(shù)

4、控機床 19701970年的第四代年的第四代小型計算機數(shù)控機床小型計算機數(shù)控機床 19741974年的第五代年的第五代微型計算機數(shù)控系統(tǒng)微型計算機數(shù)控系統(tǒng) 19901990年的第六代年的第六代基于基于PCPC的數(shù)控機床。的數(shù)控機床。二、二、 數(shù)控機床的發(fā)展趨勢數(shù)控機床的發(fā)展趨勢1高速、高精度化高速、高精度化 高速指的是高的主軸轉速、高的快速移動速高速指的是高的主軸轉速、高的快速移動速度和高的換刀速度度和高的換刀速度 。 高精度化是指提高數(shù)控機床的精度。高精度化是指提高數(shù)控機床的精度。2高可靠性高可靠性數(shù)控機床的平均無故障工作時間（小時）。數(shù)控機床的平均無故障工作時間（小時）。3 3、機床功能復

5、合化、機床功能復合化 復合化是為了提高零件加工效率，減少輔復合化是為了提高零件加工效率，減少輔助時間。能減少裝卸時間，提高機床生產效率，助時間。能減少裝卸時間，提高機床生產效率，減少半成品庫存量，又能保證和提高形位精度。減少半成品庫存量，又能保證和提高形位精度。4、智能化、網絡化、柔性化、智能化、網絡化、柔性化 智能化是指數(shù)控機床控制加工精度和加智能化是指數(shù)控機床控制加工精度和加工效率的智能化。工效率的智能化。 網絡化可以進行跨地域的協(xié)同設計、協(xié)網絡化可以進行跨地域的協(xié)同設計、協(xié)同制造、信息共享、遠程監(jiān)控及遠程服務同制造、信息共享、遠程監(jiān)控及遠程服務二、數(shù)控機床的特點二、數(shù)控機床的特點1對加工

6、對象的適應性強對加工對象的適應性強2加工精度高加工精度高3生產效率高生產效率高4操作者勞動強度低操作者勞動強度低5經濟效益好經濟效益好6便于生產管理的現(xiàn)代化便于生產管理的現(xiàn)代化第二節(jié)第二節(jié) 數(shù)控機床的種類數(shù)控機床的種類一、數(shù)控機床的種類一、數(shù)控機床的種類 1按工藝要求分類按工藝要求分類1) 1) 普通數(shù)控機床普通數(shù)控機床這類數(shù)控機床指在加工工藝過程中能完成一個（或部這類數(shù)控機床指在加工工藝過程中能完成一個（或部分）工序加工的數(shù)控機床，如數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控分）工序加工的數(shù)控機床，如數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控磨床、數(shù)控鉆床等。其自動化程度還不夠完善，刀具的更磨床、數(shù)控鉆床等。其自動化程度還不夠

7、完善，刀具的更換與零件的裝夾仍需人工來完成。換與零件的裝夾仍需人工來完成。2) 2) 加工中心加工中心加工中心是指帶有刀庫和自動換刀裝置的數(shù)控機床，加工中心是指帶有刀庫和自動換刀裝置的數(shù)控機床，可以分為車削加工中心和銑削加工中心。可以分為車削加工中心和銑削加工中心。2 按控制方式分類1 1）開環(huán)控制系統(tǒng)）開環(huán)控制系統(tǒng) 開環(huán)控制系統(tǒng)是指不帶反饋的控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)是指不帶反饋的控制系統(tǒng). . 其特點其特點: :開環(huán)控制具有結構簡單、系統(tǒng)穩(wěn)定、容易調試、開環(huán)控制具有結構簡單、系統(tǒng)穩(wěn)定、容易調試、成本低等優(yōu)點。但是系統(tǒng)對移動部件的誤差沒有補償和校成本低等優(yōu)點。但是系統(tǒng)對移動部件的誤差沒有補償和校正

8、，所以精度低。一般適用于經濟型數(shù)控機床和舊機床數(shù)正，所以精度低。一般適用于經濟型數(shù)控機床和舊機床數(shù)控化改造。控化改造。 如圖如圖1.5,1.5,部件的移動速度和位移量是由輸入脈沖的頻率部件的移動速度和位移量是由輸入脈沖的頻率和脈沖數(shù)決定的。和脈沖數(shù)決定的。圖1.5開環(huán)控制系統(tǒng)2）半閉環(huán)控制系統(tǒng)）半閉環(huán)控制系統(tǒng) 1 1）半閉環(huán)控制系統(tǒng)是在開環(huán)系統(tǒng)的絲杠上裝有角位）半閉環(huán)控制系統(tǒng)是在開環(huán)系統(tǒng)的絲杠上裝有角位移測量裝置，通過檢測絲杠的轉角間接地檢測移動部件的移測量裝置，通過檢測絲杠的轉角間接地檢測移動部件的位移，反饋到數(shù)控系統(tǒng)中，由于慣性較大的機床移動部件位移，反饋到數(shù)控系統(tǒng)中，由于慣性較大的機床移

9、動部件不包括在檢測范圍之內，因而稱作半閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖不包括在檢測范圍之內，因而稱作半閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖1.61.6所示。所示。 2）系統(tǒng)閉環(huán)環(huán)路內不包括機械傳動環(huán)節(jié)，可獲得穩(wěn)）系統(tǒng)閉環(huán)環(huán)路內不包括機械傳動環(huán)節(jié)，可獲得穩(wěn)定的控制特性。機械傳動環(huán)節(jié)的誤差，可用補償?shù)霓k法消定的控制特性。機械傳動環(huán)節(jié)的誤差，可用補償?shù)霓k法消除，可獲得滿意的精度。中檔數(shù)控機床廣泛采用半閉環(huán)數(shù)除，可獲得滿意的精度。中檔數(shù)控機床廣泛采用半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)?？叵到y(tǒng)。圖1.6半閉環(huán)控制系統(tǒng) 3）閉環(huán)控制系統(tǒng)）閉環(huán)控制系統(tǒng) 1 1）在機床移動部件上直接裝有位置檢測裝置，將測量的結果）在機床移動部件上直接裝有位置檢測裝置，將測量的

10、結果直接反饋到數(shù)控裝置中，與輸入指令進行比較控制，使移動部件按直接反饋到數(shù)控裝置中，與輸入指令進行比較控制，使移動部件按照實際的要求運動，最終實現(xiàn)精確定位，原理如下圖所示，因為把照實際的要求運動，最終實現(xiàn)精確定位，原理如下圖所示，因為把機床工作臺納入了位置控制環(huán)，故稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。機床工作臺納入了位置控制環(huán)，故稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。 2 2）該系統(tǒng)定位精度高、調節(jié)速度快。該系統(tǒng)調試工作困難。）該系統(tǒng)定位精度高、調節(jié)速度快。該系統(tǒng)調試工作困難。系統(tǒng)復雜并且成本高，故適用于精度要求很高的數(shù)控機床，如精密系統(tǒng)復雜并且成本高，故適用于精度要求很高的數(shù)控機床，如精密數(shù)控鏜銑床、超精密數(shù)控車床等。數(shù)控鏜銑床

11、、超精密數(shù)控車床等。3按機床運動的控制軌跡分類 1）點位控制數(shù)控機床）點位控制數(shù)控機床 1)點位控制只要求控制機床的移動部件從某一位置移動到另點位控制只要求控制機床的移動部件從某一位置移動到另一位置的準確定位，對于兩位置之間的運動軌跡不作嚴格一位置的準確定位，對于兩位置之間的運動軌跡不作嚴格要求，在移動過程中刀具不進行切削加工，如圖要求，在移動過程中刀具不進行切削加工，如圖1.2所示。所示。 2)2)為了實現(xiàn)既快又準的定位，常為了實現(xiàn)既快又準的定位，常 采用先快速移動，然后慢速趨近采用先快速移動，然后慢速趨近 定位點位的方法來保證定位精度。定位點位的方法來保證定位精度。 3)主要有數(shù)控鉆床、數(shù)

12、控沖床、主要有數(shù)控鉆床、數(shù)控沖床、 數(shù)控鏜床、數(shù)控點焊機等。數(shù)控鏜床、數(shù)控點焊機等。圖1.2點位數(shù)控機床加工示意圖（2）直線控制數(shù)控機床）直線控制數(shù)控機床 1）直線控制數(shù)控機床的特）直線控制數(shù)控機床的特點是除了控制點與點之間點是除了控制點與點之間的準確定位外，還要保證的準確定位外，還要保證兩點之間移動的軌跡是一兩點之間移動的軌跡是一條與機床坐標軸平行的直條與機床坐標軸平行的直線。線。 2）對移動的速度也要進）對移動的速度也要進行控制，因為這類數(shù)控機行控制，因為這類數(shù)控機床在兩點之間移動時要進床在兩點之間移動時要進行切削加工，如圖行切削加工，如圖1.3所示。所示。 圖1.3直線數(shù)控機床加工示意圖

13、（3）輪廓控制數(shù)控機床）輪廓控制數(shù)控機床 1）輪廓控制能夠對兩）輪廓控制能夠對兩個或兩個以上的運動坐個或兩個以上的運動坐標的位移及速度進行連標的位移及速度進行連續(xù)相關的控制，因而可續(xù)相關的控制，因而可以進行曲線或曲面的加以進行曲線或曲面的加工，如圖工，如圖1.4所示。所示。 2）具有輪廓控制功能）具有輪廓控制功能的數(shù)控機床有數(shù)控車床、的數(shù)控機床有數(shù)控車床、數(shù)控銑床、加工中心等。數(shù)控銑床、加工中心等。圖1.4輪廓數(shù)控機床加工示意圖第三節(jié)：數(shù)控機床的構成第三節(jié)：數(shù)控機床的構成 數(shù)控機床一般由機床機械本體和數(shù)控裝數(shù)控機床一般由機床機械本體和數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)、可編程程序控制器、檢測反饋置、伺服系統(tǒng)、

14、可編程程序控制器、檢測反饋裝置等組成。裝置等組成。 1、數(shù)控機床的機械本體：、數(shù)控機床的機械本體：數(shù)控機床的機械本體一般包括床身、工作臺、主軸部件、數(shù)控機床的機械本體一般包括床身、工作臺、主軸部件、刀具部件等內容刀具部件等內容與普通機床相比，在結構上有以下幾個方面的特點：與普通機床相比，在結構上有以下幾個方面的特點：1）主傳動裝置多采用無級變速或分段無級變速方式，）主傳動裝置多采用無級變速或分段無級變速方式，可利用程序控制主軸的轉動方向和轉動速度，主傳動具可利用程序控制主軸的轉動方向和轉動速度，主傳動具有較寬的調速范圍有較寬的調速范圍2）進給傳動裝置中廣泛采用無間隙滾珠絲杠傳動和無）進給傳動裝

15、置中廣泛采用無間隙滾珠絲杠傳動和無間隙齒輪傳動，利用貼塑導軌或靜壓導軌來減少運動間隙齒輪傳動，利用貼塑導軌或靜壓導軌來減少運動副的摩擦力，提高傳動精度。副的摩擦力，提高傳動精度。3）床身、立柱、橫梁等主要支承件采用合理的截面形）床身、立柱、橫梁等主要支承件采用合理的截面形狀。且采取一些補償變形的措施使其具有較高的結構狀。且采取一些補償變形的措施使其具有較高的結構剛度。剛度。4）加工中心具有刀庫和自動換刀裝置，可進行多工序、）加工中心具有刀庫和自動換刀裝置，可進行多工序、多面加工，大大提高了生產率。多面加工，大大提高了生產率。2、數(shù)控裝置、數(shù)控裝置 數(shù)控裝置是數(shù)控系統(tǒng)的核心。現(xiàn)代的數(shù)控裝置普遍采

16、用通用計算機作為數(shù)控裝置的主要硬件，包括微型機系統(tǒng)的基本組成部分，CPU、存儲器、局部總線以及輸入輸出接口等；軟件部分就是我們所說的數(shù)控系統(tǒng)軟件。數(shù)控裝置的基本功能是，讀入零件加工程序，根據(jù)加工程序所指定零件形狀，計算出刀具中心的移動軌跡，并按照程序指定的進給速度，求出每個微小的時間段（插補周期）內刀具應該移動的距離，在每個時間段結束前，把下一個時間段內刀具應該移動的距離送給伺服單元3、驅動系統(tǒng)、驅動系統(tǒng) 數(shù)控裝置發(fā)出的脈沖信號，必須經過驅動系統(tǒng)的放大，才能由相應的電動機拖動機床的機械部分進行相應的動作。在數(shù)控機床中，這樣的系統(tǒng)稱為伺服驅動系統(tǒng)，簡稱伺服器。 數(shù)控機床中的驅動系統(tǒng)包括用于控制進

17、給的驅動系統(tǒng)和控制主軸的驅動系統(tǒng)兩種。其中進給驅動系統(tǒng)要求必須能對機床移動部件的位置和速度進行控制。主軸驅動系統(tǒng)的基本要求是能對主軸轉速進行控制，加工中心的主軸系統(tǒng)還要能對轉角進行精確控制。常見的進給驅動系統(tǒng)有步進驅動和交流伺服驅動等。四、其他部件四、其他部件 位置檢測裝置也稱反饋元件，通常安裝在機床的工作臺上或絲杠上，用來檢測工作臺的實際位移或絲杠的實際轉角。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中這個實際位移或轉角有的要反饋給數(shù)控裝置，由數(shù)控裝置計算出實際位置和指令位置之間的差值，并根據(jù)這個差值的方向和大小，去控制機床，使之朝著減小誤差的方向移動。位置檢測裝置的精度直接決定了數(shù)控機床的加工精度。 總之，數(shù)控機床的

18、運行在數(shù)控系統(tǒng)的控制下，處于不斷地計算、輸出、反饋等控制過程中，從而保證刀具和工件之間相對位置的準確性。與其他加工方法相比，數(shù)控機床有以下優(yōu)點： 1）數(shù)控系統(tǒng)取代了普通機床的手工操縱，具有充分的）數(shù)控系統(tǒng)取代了普通機床的手工操縱，具有充分的柔性，只要編制成零件程序就能加工出零件。柔性，只要編制成零件程序就能加工出零件。 （2）零件加工精度一致性好，避免了普通機床加工時人）零件加工精度一致性好，避免了普通機床加工時人為因素的影響。為因素的影響。 （3）生產周期較短，特別適合小批量、單件的加工。）生產周期較短，特別適合小批量、單件的加工。 （4）可加工復雜形狀的零件，如二維輪廓或三維輪廓加）可加工

19、復雜形狀的零件，如二維輪廓或三維輪廓加工。工。 （5）易于調整機床，與其他制造方法（如自動機床、自）易于調整機床，與其他制造方法（如自動機床、自動生產線）相比，所需調整時間動生產線）相比，所需調整時間第四節(jié)：數(shù)控機床的工作過程第四節(jié)：數(shù)控機床的工作過程 數(shù)控機床的工作過程包括基于原理的工作過程數(shù)控機床的工作過程包括基于原理的工作過程和基于使用的加工過程。加工過程一般包括加工前的和基于使用的加工過程。加工過程一般包括加工前的工藝準備、機床調整、程序調試、試切加工和正式加工藝準備、機床調整、程序調試、試切加工和正式加工等內容；基于原理的工作過程是指以數(shù)控裝置為核工等內容；基于原理的工作過程是指以數(shù)

20、控裝置為核心的數(shù)控機床如何協(xié)調完成數(shù)控加工任務的所有內容，心的數(shù)控機床如何協(xié)調完成數(shù)控加工任務的所有內容，它包括數(shù)據(jù)的輸入（輸出）、程序處理、位置控制、它包括數(shù)據(jù)的輸入（輸出）、程序處理、位置控制、程序管理等方面程序管理等方面 一、數(shù)據(jù)輸入一、數(shù)據(jù)輸入/輸出輸出輸入給數(shù)控裝置的有零件加工程序、電器接口信號和補輸入給數(shù)控裝置的有零件加工程序、電器接口信號和補償數(shù)據(jù)等。償數(shù)據(jù)等。輸入裝置可將不同的加工信息傳遞給數(shù)控裝置。輸入裝置可將不同的加工信息傳遞給數(shù)控裝置。 輸出是指輸出內部工作參數(shù)（含機床正常、理輸出是指輸出內部工作參數(shù)（含機床正常、理想工作狀態(tài)下的原始參數(shù)、故障診斷參數(shù)等）。對機想工作狀態(tài)下的原始參數(shù)、故障診斷參數(shù)等）。對機床剛工作時的狀態(tài)，一般需輸出以記錄保存這些參數(shù)，床剛工作時的狀態(tài)，一般需輸出以記錄保存這些參數(shù)，待工作一段時間后，再將輸出與原始資料比較、對照，待工作一段時間后，再將輸出與原始資料比較、對照，可幫助判斷機床工作是否維持正常。可幫助判斷機床工作是否維持正常。 二、數(shù)據(jù)處理二、數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理程序一般包括刀具參數(shù)補償、速度計算和輔助功能的處理。數(shù)據(jù)處理程序一般