數(shù)控機床-第一章數(shù)控機床概論

1、.1第一章 數(shù)控技術概論.21.1 數(shù)控機床的產生與發(fā)展v隨著社會生產和科學技術的不斷進步，各類工業(yè)新產品層出不窮。機械制造產業(yè)作為國民工業(yè)的基礎，其產品更是日趨精密復雜，特別是在宇航、航海、軍事等領域所需的機械零件，精度要求更高，形狀更為復雜且往往批量較小，加工這類產品需要經常改裝或調整設備.v單件，小批量機加工零件的總量占機械加工總量的80%左右。數(shù)控機床的基本概念.3v普通機床或專業(yè)化程度高的自動化機床顯然無法適應這些要求。同時，隨著市場競爭的日益加劇，企業(yè)生產也迫切需要進一步提高其生產效率，提高產品質量及降低生產成本。 v一種新型的生產設備數(shù)控機床就應運而生了 。數(shù)控機床的基本概念數(shù)控

2、機床、數(shù)控火焰切割機、數(shù)控繪圖機、數(shù)控沖剪機、數(shù)控肋骨冷彎機等都是屬于這個范圍的自動化設備 規(guī)模化效益.4普通車床操作數(shù)控車床.5帕森斯公司正式接受委托，與麻省理工學院伺服機構實驗室（Servo Mechanism Laboratory of the Massachusetts Institute of Technology）合作，于1952年試制成功世界上第一臺數(shù)控機床試驗性樣機。1955年實現(xiàn)量產； 1959年，美國克耐杜列克公司首次成功開發(fā)了加工中心（Machining Center） 。數(shù)控機床的基本概念1.1.1數(shù)控機床的產生數(shù)控機床的產生.6 The first successfu

3、l N/C machine, funded by the Air Force, was demonstrated by the Massachusetts Institute of Technology in 1952. It was a retrofitted Cincinnati milling machine (Figure 1.15). It had the ability to coordinate the axis motions to machine a complex surface. The first commercial N/C machines were shown a

4、t the 1955 National Machine Tool Show.相關摘錄資料.71.1.2 數(shù)控機床的發(fā)展簡況數(shù)控機床的發(fā)展簡況數(shù)控機床的基本概念l 第1代數(shù)控機床：1952年1959年采用電子管元件構成的專用數(shù)控裝置（NC）。 1952，Parsons Corp.,MIT,美空軍后勤司令部合作，第一臺立式銑l 第2代數(shù)控機床：從1959年開始采用晶體管電路的NC系統(tǒng)。 1959，晶體管元件的出現(xiàn)使電子設備的體積大大減小，數(shù)控系統(tǒng)中廣泛采用晶體管和印刷電路板，K&T開發(fā)第一臺加工中心MILWAUKEE-MATIC。l 第3代數(shù)控機床：從1965年開始采用小、中 規(guī)模集成電路的NC系

5、統(tǒng)。 1965,由于它體積小、功耗低，使數(shù)控系統(tǒng)的可靠性得以進一步提高，這是第三代數(shù)控系統(tǒng)。1967英國最初的FMS電子計算機技術的發(fā)展一致.8l第4代數(shù)控機床：從1970年開始采用大規(guī)模集成電路的小型通用電子計算機控制的系統(tǒng)（CNC）。 1970，在美國芝加哥國際機床展覽會上，首次展出了一臺以通用小型計算機作為數(shù)控裝置的數(shù)控系統(tǒng)，特征為許多數(shù)控功能由軟件完成,被人們成為第四代數(shù)控系統(tǒng)。l 第5代數(shù)控機床：從1974年開始采用微型計算機控制的系統(tǒng)（MNC）。 開始出現(xiàn)的以微處理器為核心的數(shù)控系統(tǒng)被人們譽為第五代數(shù)控系統(tǒng)，近30年來，裝備微處理機數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控機床得到飛速發(fā)展和廣泛應用。l 19

6、80年后，F(xiàn)MS、FMC、CIMS、開放式數(shù)控（open NC）系統(tǒng)、智能制造系統(tǒng)（IMS）大發(fā)展。l基于PC（PC-BASED）,1990 .基于PC開發(fā)式數(shù)控系統(tǒng)。 高速加工，納米制造。.91.1.3 我國數(shù)控機床發(fā)展概況我國數(shù)控機床發(fā)展概況 我國數(shù)控機床的研制始于1958年，由清華大學研制出 了最早的樣機。1966年誕生了第一臺用于直線圓弧插補的晶體管數(shù)控系統(tǒng)。1970年北京第一機床廠的XK5040型數(shù)控升降臺銑床作為商品，小批量生產并推向市場。但由于相關工業(yè)基礎差，尤其是數(shù)控系統(tǒng)的支撐工業(yè)電子工業(yè)薄弱，致使在19701976年間開發(fā)出的加工中心、數(shù)控鏜床、數(shù)控磨床及數(shù)控鉆床因系統(tǒng)不過關

7、，多數(shù)機床沒有在生產中發(fā)揮作用。數(shù)控機床的基本概念v80年代前期，在引入了日本數(shù)控技術后，我國的數(shù)控機床才真正進入小批量生產的商品化時代。v目前我國已經有自主版權的數(shù)控系統(tǒng)，但絕大多數(shù)全功能數(shù)控機床還是采用國外的CNC系統(tǒng)。從機床的整體來看，無論是可靠性、精度、生產效率和自動化程度，與國外相比，還存在著不小的差距。 .10國產數(shù)控設備統(tǒng)計情況：現(xiàn)達到1500多個品種，年生產能力400002000年的統(tǒng)計數(shù)據(jù) 數(shù)控機床廠家：100 數(shù)控系統(tǒng)廠家：50 數(shù)控機床配套廠家：300 年產量：14053臺 數(shù)控機床品種：1300 產量數(shù)控化率：8%（95年 3.6%）2。2003年產量36000臺，產值

8、295億元。3。2003年19月，海關統(tǒng)計機床進口297482.6萬美元，出口26630.8萬美元4。2004年9月，國產數(shù)控機床國內占有率27.115。北京一機床 五坐標數(shù)控螺旋槳銑床，加工直徑達6米，可加工10萬噸級遠洋海輪用螺旋槳葉輪面； 武漢重型機床廠 數(shù)控立車，可加工30萬KW水輪機，直徑達16米，精度0.02mm。 常州機床廠 五軸聯(lián)動機床；秦川機床廠 六軸五聯(lián)動全數(shù)控螺旋齒錐齒輪切齒機。 北京機電院 定位精度+-3um 立式加工中心；寧江機床廠+-8um臥式加工中心。6 國產數(shù)控系統(tǒng)有 中國東方數(shù)控公司；中國科偌達，航天數(shù)控，珠峰數(shù)控,北大方正,蘭州電機廠,南京四開,華中等開發(fā)的

9、華中、中華、航天和藍天；上海開通數(shù)控技術有限公司KT；北京凱恩帝的KND系列數(shù)控系統(tǒng)、廣州數(shù)控設備廠的GSK系列數(shù)控系統(tǒng)。.121.2 數(shù)控機床組成與工作原理數(shù)控機床組成與工作原理需要澄清的幾個概念需要澄清的幾個概念 1. 1. 數(shù)控技術數(shù)控技術 (Numerical Control-NC(Numerical Control-NC ) 用用數(shù)字化信號數(shù)字化信號對機床運動及其加工過程中進行控制對機床運動及其加工過程中進行控制的一種方法。稱這種方法為數(shù)字控制，簡稱數(shù)控。的一種方法。稱這種方法為數(shù)字控制，簡稱數(shù)控。2.2.數(shù)控機床數(shù)控機床 一個裝有程序控制系統(tǒng)的機床，該系統(tǒng)能夠邏輯地一個裝有程序控制

10、系統(tǒng)的機床，該系統(tǒng)能夠邏輯地處理具有使用代碼或其他符號編碼指令規(guī)定的程序。處理具有使用代碼或其他符號編碼指令規(guī)定的程序。3. 3. 數(shù)控系統(tǒng)（數(shù)控系統(tǒng)（ Numerical Control SystemNumerical Control System） 實現(xiàn)數(shù)字化控制的軟件和硬件的整體稱為數(shù)控系統(tǒng)。實現(xiàn)數(shù)字化控制的軟件和硬件的整體稱為數(shù)控系統(tǒng)。它由程序輸入、輸出設備、數(shù)控裝置、伺服裝置、反饋它由程序輸入、輸出設備、數(shù)控裝置、伺服裝置、反饋裝置、輔助驅動裝置組成。裝置、輔助驅動裝置組成。采用數(shù)控技術對加工過程采用數(shù)控技術對加工過程進行控制的機床。進行控制的機床。數(shù)控機床的基本概念.13v數(shù)控機床

11、加工時，是根據(jù)工件圖樣要求及加工工藝過程，將所用刀具及機床各部件的移動量、速度及動作先后順序、主軸轉速、主軸旋轉方向及冷卻等要求，以規(guī)定的數(shù)控代碼形式，編制成程序單，并輸入到機床專用計算機中。然后，數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)輸入的指令，進行編譯、運算和邏輯處理后，輸出各種信號和指令，控制機床各部分進行規(guī)定的位移和有順序的動作，加工出各種不同形狀的工件。 1.2.1 數(shù)控加工過程數(shù)控加工過程數(shù)控機床的基本概念參看下頁示意圖.14數(shù)控裝置伺服系統(tǒng)加工程序零件圖 數(shù)控系統(tǒng) 機床用數(shù)控機床加工工件時，首先由編程人員按照零件的幾何形狀和加工工藝要求將加工過程編成加工程序。數(shù)控系統(tǒng)讀入加工程序后，將其翻譯成機器能夠理解

12、的控制指令，再由伺服系統(tǒng)將其變換和放大后驅動機床上的主軸電機和進給伺服電機轉動，并帶動機床的工作臺移動，實現(xiàn)加工過程。數(shù)控系統(tǒng)實質上是完成了手工加工中操作者的部分工作.15v計算機數(shù)控CNC控制系統(tǒng)，它自動讀入載體上的數(shù)字信息，經過譯碼，控制機床運動。整個系統(tǒng)包括信息輸入、運算和控制、進給伺服驅動和主軸驅動以及機電接口等。其中運算和控制部分，是數(shù)控系統(tǒng)的核心,稱為數(shù)控裝置NCU 。以計算機系統(tǒng)為主構成的數(shù)控系統(tǒng)，運算和控制部分是一個專用的計算機，也稱為計算機數(shù)控CNC。數(shù)控裝置有時也簡稱為數(shù)控系統(tǒng)。NCU就是數(shù)控裝置的英文縮寫。.16數(shù)控機床的基本概念1.2.2 數(shù)控機床的組成數(shù)控機床的組成加

13、工程序輸入裝置數(shù)控裝置輔助控制裝置伺服驅動裝置檢測反饋裝置機床本體強電控制裝置.17數(shù)控機床的基本概念加工程序：建立人與機床之間的聯(lián)系，也稱為 程序載體，儲存著加工零件所需要的全部幾何信息和工藝信息。工藝分析；工件坐標；工件，刀具運動坐標；加工路線與順序；主運動，進給運動參數(shù)；輔助設備參數(shù)；輸入裝置：將程序載體上記錄的數(shù)控代碼信息轉換成相應的電脈沖信號傳送至數(shù)控裝置內存儲器。常用的控制介質是8單位的標準穿孔帶，且常用的穿孔帶是紙質的，所以又稱紙帶。其寬為 25.4mm，厚0.108mm，每行除了必須有一個1.17mm的同步孔外，最多可以有8個1.33mm 的信息孔。用每行8個孔有無的排列組合來

14、表示不同的代碼( 紙帶上孔的排列規(guī)定，稱為代碼)。把穿孔帶輸入到數(shù)控裝置的讀帶機，再由讀帶機把穿孔帶上的代碼轉換為數(shù)控裝置可以識別和處理的電信號，并傳送到數(shù)控裝置中去，便完成了指令信息的輸入工作。 指令集.18數(shù)控裝置：數(shù)控機床的關鍵環(huán)節(jié)、核心，一般為一臺專用的計算機；把從輸入裝置得到的電脈沖信號進行譯碼和寄存，得到這些指令作為控制與運算的原始依據(jù)。伺服控制裝置：接受來自數(shù)控裝置的位置控制信息，轉換為相應坐標軸的進給運動和精確定位運動。伺服精度和動態(tài)相應特性直接影響數(shù)控機床的生產率、加工精度和表明加工質量。數(shù)控裝置是數(shù)控機床的中樞，在普通數(shù)控機床中一般由輸入裝置、存儲器、控制器、運算器和輸出裝

15、置組成。數(shù)控裝置接收輸入介質的信息，并將其代碼加以識別、儲存、運算，輸出相應的指令脈沖以驅動伺服系統(tǒng)，進而控制機床動作。在計算機數(shù)控機床中，由于計算機本身即含有運算器、控制器等上述單元，因此其數(shù)控裝置的作用由一臺計算機來完成。 伺服系統(tǒng)的作用是把來自數(shù)控裝置的脈沖信號轉換為機床移動部件的運動，使工作臺（或溜板）精確定位或按規(guī)定的軌跡作嚴格的相對運動，最后加工出符合圖紙要求的零件。在數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)中，常用的伺服驅動元件有功率步進電機、電液脈沖馬達、直流伺服電機和交流伺服電機等。 .19輔助控制裝置：指數(shù)控機床的一些配套部件，包括刀庫、液壓、氣動裝置、冷卻系統(tǒng)、排屑裝置、夾具、換刀機械手等。

16、機床本體：是數(shù)控機床加工運動的機械部分，主要包括支承部件（床身、立柱等）、主運動部件（主軸箱）、進給運動部件（工作臺滑板、刀架）等。數(shù)控機床中的機床，在開始階段使用通用機床，只是在自動變速、刀架或工作臺自動轉位和手柄等方面作些改變。實踐證明：數(shù)控機床除由于切削用量大、連續(xù)加工發(fā)熱多等影響工件精度外，并且由于是自動控制，在加工中不能像在通用機床上那樣可以隨時由人工進行干預。所以其設計要求比通用機床更嚴格，制造要求更精密。因而后來在數(shù)控機床設計時，采用了許多新的加強剛性、減小熱變形、提高精度等方面的措施，使得數(shù)控機床的外部造型、整體布局、傳動系統(tǒng)以及刀具系統(tǒng)等方面都已發(fā)生了很大的變化。 強電控制裝

17、置：接收內置PLC所輸出的各種指令 。主軸變速，換向，停止；分度臺轉位，鎖緊；刀具進給，更換；工件夾緊；輔助信號等。 一典型數(shù)控機床示意圖如下.20 同類型的加工中心與數(shù)控銑床的結構布局相似，主要在刀庫的結構和位置上有區(qū)別，一般由床身、主軸箱、工作臺、底座、立柱、橫梁、進給機構、自動換刀裝置、輔助系統(tǒng)（氣液、潤滑、冷卻）、控制系統(tǒng)等組成，如圖所示。.21數(shù)控機床的基本概念1.2.3 數(shù)控機床設計基本技術數(shù)控機床設計基本技術精密機械技術 是數(shù)控機床的基礎，包括精密機械設計和精密機械加工兩大方面。計算機及信息處理技術 計算機技術的發(fā)展是數(shù)控機床發(fā)展和變革最活躍的因素。與人工智能、專家系統(tǒng)、模糊控制

18、、人工神經網(wǎng)絡、仿真技術結合為組成柔性制造系統(tǒng)提供了重要的技術保證。3. 自動控制理論與伺服驅動技術 對數(shù)控機床的功能、動態(tài)特性、控制品質有決定性影響。4. 精密檢測與傳感技術 是實現(xiàn)自動控制的關鍵環(huán)節(jié)之一，是閉環(huán)和半閉環(huán)控制系統(tǒng)的核心技術。主要放映在精度補償方面；關鍵器件是傳感器，要求其準確性、快速性與可靠性。網(wǎng)絡和通信技術 柔性制造，柔性制造系統(tǒng)和計算機集成制造系統(tǒng)的產生。.22加工程序計 算 機數(shù) 字 控制 裝 置(CNC）主軸電機機床本體進給電機位置檢測速度控制單元主軸控制單元可編程控制器(PLC)機床數(shù)控系統(tǒng)基本工作流程機床數(shù)控系統(tǒng)基本工作流程.231.2.3 數(shù)控機床基本工作原理數(shù)

19、控機床基本工作原理編程手冊數(shù)控機床的工作原理圖機床 數(shù)控裝置輸入裝置穿孔帶隨動進給系統(tǒng)穿孔機編程卡片加工圖樣編程手冊編程手冊加工圖樣加工圖樣編程機編程機穿孔機或穿孔機或存儲裝置存儲裝置穿孔帶穿孔帶磁盤等磁盤等輸入裝置輸入裝置數(shù)控裝置數(shù)控裝置 進給系統(tǒng)進給系統(tǒng) 機床機床數(shù)控機床的基本概念.241.2 1.2 數(shù)控機床分類數(shù)控機床分類 數(shù)控機床品種已經基本齊全，規(guī)格繁多，據(jù)不完全統(tǒng)計已有400多個品種規(guī)格?？梢园凑斩喾N原則來進行分類。但歸納起來，常見的是以下方法來分類按工藝用途分類按工藝用途分類按機床運動的控制軌跡分類按機床運動的控制軌跡分類伺服控制的方式分類伺服控制的方式分類按控制坐標軸數(shù)分類按

20、控制坐標軸數(shù)分類按數(shù)控系統(tǒng)功能水平分類按數(shù)控系統(tǒng)功能水平分類.25 （1）金屬切削類數(shù)控機床 金屬切削類數(shù)控機床包括數(shù)控車床、數(shù)控鉆床、數(shù)控銑床、數(shù)控磨床、數(shù)控鏜床以及加工中心。（2）金屬成型類數(shù)控機床 金屬成型類數(shù)控機床包括數(shù)控折彎機、數(shù)控組合沖床和數(shù)控回轉頭壓力機等。這類機床起步晚，但目前發(fā)展很快。（3）數(shù)控特種加工機床 數(shù)控特種加工機床如數(shù)控線（電極）切割機床、數(shù)控電火花加工機床、火焰切割機和數(shù)控激光切割機床等。（4）其它類型的數(shù)控機床 其他類型的數(shù)控機床如數(shù)控三坐標測量機等.1按工藝用途分類按工藝用途分類.26數(shù)控機床的基本概念加工中心加工中心(Machining Center)簡稱M

21、C，是由機械設備與數(shù)控系統(tǒng)組成的適用于加工復雜零件的高效率自動化數(shù)控機床。加工中心是高效的、高精度數(shù)控機床，工件在一次裝夾中便可完成多道工序的加工，同時還備有刀具庫，并且有自動換刀功能。 工藝集中原則.27加工中心數(shù)控機床的基本概念加工中心 能實現(xiàn)三軸或三軸以上的聯(lián)動控制，以保證刀具進行復雜表面的加工。加工中心除具有直線插補和圓弧插補功能外，還具有各種加工固定循環(huán)、刀具半徑自動補償、刀具長度自動補償、加工過程圖形顯示、人機對話、故障自動診斷、離線編程等功能。加工中心是從數(shù)控銑床發(fā)展而來的。一般數(shù)控機床上加裝一個刀庫(可容納10-100多把刀具)和自動換刀裝置而構成的一種帶自動換刀裝置的數(shù)控機床

22、(又稱多工序數(shù)控機床或鏜銑類加工中心 。與數(shù)控銑床的最大區(qū)別在于加工中心具有自動交換加工刀具的能力，通過在刀庫上安裝不同用途的刀具，可在一次裝夾中通過自動換刀裝置改變主軸上的加工刀具，實現(xiàn)多種加工功能。優(yōu)點: 減少機床臺數(shù), 便于管理，對于多工序的零件只要一臺機床就能完成全部加工，并可以減少半成品的庫存量； 由于工件只要一次裝夾，因此減少了由于多次安裝造成的定位誤差，可以依靠機床精度來保證加工質量； 工序集中，減少了輔助時間，提高了生產率； 由于零件在一臺機床上一次裝夾就能完成多道工序加工，所以大大減少了專用工夾具的數(shù)量，進一步縮短了生產準備時間。.28加工中心分為：立式、臥式和復合加工中心

23、立式加工中心的主軸垂直于工作臺，主要適用于加工板材類、殼體類工件，也可用于模具加工。臥式加工中心的主軸軸線與工作臺臺面平行，它的工作臺大多為由伺服電動機控制的數(shù)控回轉臺，在工件一次裝夾中，通過工作臺旋轉可實現(xiàn)多個加工面的加工，適用于箱體類工件加工。復合加工中心主要是指在一臺加工中心上有立、臥兩個主軸或主軸可90改變角度，因而可在工件一次裝夾中實現(xiàn)五個面的加工。 .29加工中心 是一種工藝范圍較大的數(shù)控加工機床，能進行銑削、鏜削、鉆削和螺紋加工等多項工作。加工中心特別適合于箱體類零件和孔系的加工 加工中心數(shù)控機床的基本概念銑削加工鉆削加工 螺紋加工 .30五面體加工中心五面體加工中心一次裝卡中完

24、成除安裝底面以外所有表面和精密孔系加工；箱體類零件，汽車覆蓋件模具等。加工示意圖可以參看動畫.312 2按機床運動的控制軌跡分類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，如圖所示。 2)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 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)控沖床、 數(shù)控鏜床、數(shù)控點焊機等。點位數(shù)控機床加工示意圖兩相關點之間的移動先是以快速移動到接近新的位置，然后降速 1-3 級，使之慢速

25、趨近定位點，以保證其定位精度 .32（2）直線控制數(shù)控機床 1）直線控制數(shù)控機床的特點是除了控制點與點之間的準確定位外，還要保證兩點之間移動的軌跡平行于坐標軸或者是一條斜線。 2）對移動的速度也要進行控制，因為這類數(shù)控機床在兩點之間移動時要進行切削加工，如圖1.3所示。 圖1.3直線數(shù)控機床加工示意圖路線一般都由和各軸線平行的直線段組成。可以沿一個坐標軸的方向(一般地也可以沿45斜線進行切削，)進行切削加工 但不能進行任意輪廓加工.33（3）輪廓控制數(shù)控機床 1）輪廓控制能夠對兩個或兩個以上的運動坐標的位移及速度進行連續(xù)相關的聯(lián)動控制，因而可以進行曲線或曲面的加工，如圖1.4所示。 2）具有輪

26、廓控制功能的數(shù)控機床有數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控磨床、加工中心等。圖1.4輪廓數(shù)控機床加工示意圖不僅控制起點與終點，還要控制加工中每一點的速度與位移量.343 伺服控制的方式分類伺服控制的方式分類 （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).數(shù)控裝置發(fā)出信號的流程是單向的 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、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，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。 如圖1.5,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。圖1.5開環(huán)控制系統(tǒng).35（2）半閉環(huán)控制系統(tǒng) 1）半閉環(huán)

27、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1.6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)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)控系統(tǒng)。圖1.6半閉環(huán)控制系統(tǒng).36 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)

28、。 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。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。（3）閉環(huán)控制系統(tǒng).374 按控制坐標軸數(shù)分類按控制坐標軸數(shù)分類v1.兩坐標數(shù)控機床：兩軸聯(lián)動，用于加工 各種曲線輪廓的回轉體，如數(shù)控車床。v2.三坐標數(shù)控機床：三軸聯(lián)動，多用于加工曲面零件，如數(shù)控銑床、數(shù)控磨床。v3.多坐標數(shù)控機床：四軸或五軸聯(lián)動，多用于加工形狀復雜的零件。圖1-4為兩種不同類型的四軸聯(lián)動數(shù)控機床。 .38 5. 按數(shù)控系統(tǒng)功能水平分類按數(shù)控系統(tǒng)功能水平分類 數(shù)控機床按數(shù)控系統(tǒng)的功能水平可分為 低、中、高三檔n 經濟型數(shù)控機床，以

29、步進電動機為伺服驅動單元的開環(huán)系統(tǒng)，功能簡單，價格低廉；n 普及型數(shù)控機床，控制功能齊全；n 高級型數(shù)控機床，采用32位或16位微處理器，可以實現(xiàn)5軸以上控制；.391.3 1.3 數(shù)控機床加工的特點及應用數(shù)控機床加工的特點及應用 1數(shù)控機床加工的特點數(shù)控機床加工的特點 （1）可以加工具有復雜型面的工件 （2）加工精度高，質量穩(wěn)定 （3）生產率高 （4）改善勞動條件 （5）有利于生產管理現(xiàn)代化.402數(shù)控機床的適用范圍數(shù)控機床的適用范圍 （1）多品種、單件小批量生產的零件或新產品試制中的零件； （2）幾何形狀復雜的零件； （3）精度及表面粗糙度要求高的零件； （4）加工過程中需要進行多工序加工

30、的零件； （5）用普通機床加工時，需要昂貴工裝設備（工具、夾具和模具）的零件。數(shù)控機床加工特點與應用.41數(shù)控機床加工特點與應用數(shù)控機床的精度精度是數(shù)控機床的一項重要指標；主要指：加工精度、定位精度、 重復定位精度中、小型數(shù)控機床的加工精度通常為0.1-0.005mm；定位精度通常為0.05-0.0025mm；重復定位精度通常為0.025-0.001mm；數(shù)控機床是以數(shù)字形式給出相應的脈沖指令進行加工，所以脈沖當量就與精度保持了緊密的聯(lián)系；數(shù)控機床脈沖當量一般為：0.01-0.0005mm/脈沖。.42柔性制造系統(tǒng)柔性制造系統(tǒng)（FMS-Flexible Manufacturing System

31、） 柔性制造系統(tǒng)是在柔性制造單元（FMC-Flexible Manufacturing Cell）基礎上研制和發(fā)展起來的。柔性制造單元是一種在人的參與減到最小時，能連續(xù)地對同一組零件內不同的工件進行自動化加工（包括工件在單元內部的運輸和交換）的最小單元。它即可以作為獨立使用的加工設備，又可以作為更大更復雜的柔性制造系統(tǒng)或柔性自動線的基本組成模塊。數(shù)控機床的基本概念隨著產品多樣化、降低制造成本、縮短制造周期等迫切要求，以及以數(shù)控機床為基礎的自動化生產技術的驚人發(fā)展，1967年Molins公司研制了第一個柔性制造系統(tǒng)。FMS是一種在批量加工條件下，高柔性和高自動化程度的制造系統(tǒng)。解決了中小批量、中

32、大批量、多品種產品生產自動化技術難題。 .43 柔性制造系統(tǒng)是由加工系統(tǒng)（由一組數(shù)控機床和其他自動化工藝設備如清洗機、成品試驗機、噴漆機等組成）、智能機器人、全自動輸送系統(tǒng)及自動化倉庫組成見。這種系統(tǒng)可按任意順序加工一組不同工序與不同加工節(jié)拍的工件，工藝流程可隨工件不同而調整，全部生產過程有一臺中央計算機進行生產程序的調度，若干臺計算機進行工位控制。其中各個制造單元相對獨立，能適時地平衡資源的利用。 數(shù)控機床的基本概念.44自適應控制機床自適應控制機床（AC-Adaptive Control）n 一般數(shù)控機床，是按預先編好的程序進行加工的。但在編程時，實際上有許多參數(shù)只能參照過去的經驗數(shù)據(jù)來決

33、定，不可能準確地考慮到它們的一切變化，如毛坯的不均勻，刀具與工件材質的變化，刀具的磨損，工件的變形，熱傳導性的差別等等，這些變化直接或間接地影響著加工質量，使加工不能在最佳狀態(tài)下進行。數(shù)控機床的基本概念n 如果控制系統(tǒng)能對實際加工中的各種加工狀態(tài)的參數(shù)及時地測量并反饋給機床進行修正，則可使切削過程隨時都處在最佳狀態(tài)。所謂最佳狀態(tài)，指的是最高生產率、最低加工成本、最好的加工質量等。由于CNC系統(tǒng)自身帶由計算機，只要加上相應的檢測元件、控制線路和有關軟件就可以制造出這種自適應控制機床。 .45數(shù)控設備與加工方式的選用一般原則1.什么時候選擇數(shù)控機床？什么時候選擇數(shù)控機床？.462.選擇什么樣的數(shù)控

34、機床？選擇什么樣的數(shù)控機床？ 數(shù)控裝置的性能指標反映了數(shù)控系統(tǒng)的基本性能，是選數(shù)控裝置的性能指標反映了數(shù)控系統(tǒng)的基本性能，是選擇數(shù)控系統(tǒng)的主要依據(jù)，概括起來如下?lián)駭?shù)控系統(tǒng)的主要依據(jù)，概括起來如下 1控制軸數(shù)和聯(lián)動軸數(shù)控制軸數(shù)和聯(lián)動軸數(shù) 2脈沖當量（控制分辨率）脈沖當量（控制分辨率） 3定位精度和重復精度定位精度和重復精度 4行程行程 5主軸轉速和調節(jié)范圍主軸轉速和調節(jié)范圍 6進給速度和調節(jié)范圍進給速度和調節(jié)范圍 7準備功能（準備功能（G功能）功能） 8輔助功能（輔助功能（M功能）功能） 9. 自動加減速功能自動加減速功能 10. 開關量接口開關量接口 .47v以上性能指標可以作為選擇數(shù)控裝置時

35、參考，隨著數(shù)控技術的發(fā)展，數(shù)控裝置的性能指標也在不斷地豐富和提高。v一般來說，性能越高的數(shù)控裝置，價格也越貴，所以對用戶來說并不一定一味地追求高性能，而應該根據(jù)自己的實際需要，綜合考慮性能和價格，作出最經濟實用的選擇。.481.4 1.4 數(shù)控機床發(fā)展趨勢數(shù)控機床發(fā)展趨勢v總的發(fā)展趨勢： 高速化、高精度化、高效加工、多功能化、小型化、復 合化、開放化和智能化以及數(shù)控標準的發(fā)展。 目前的動向是:開放式數(shù)控系統(tǒng)、高速加工系統(tǒng)。v未來數(shù)控機床的發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在以下三個方面： 1.數(shù)控技術水平 2.數(shù)控系統(tǒng)方面 3.驅動系統(tǒng)方面 .491數(shù)控技術水平v高精度高精度 定位精度微米級、納米級；v高速度高

36、速度 主軸轉速10000 r / min、快速進給100 m /min、換刀時間23 s；v高柔性高柔性 多主軸、多工位、多刀庫；數(shù)控機床發(fā)展趨勢.50 隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，對超精密加工技術不斷提出了新的要求。新材料及新零件的出現(xiàn)，更高精度要求的提出等都需要超精密加工工藝，發(fā)展新型超精密加工機床，完善現(xiàn)代超精密加工技術，以適應現(xiàn)代科技的發(fā)展。當前，機械加工高精度的要求如下：普通的加工精度提高了一倍，達到5微米；精密加工精度提高了兩個數(shù)量級，超精密加工精度進入納米級（0.001微米），主軸回轉精度要求達到0.010.05微米，加工圓度為0.1微米，加工表面粗糙度Ra=0.003微米等。精密化

37、是為了適應高新技術發(fā)展的需要，也是為了提高普通機電產品的性能、質量和可靠性，減少其裝配時的工作量從而提高裝配效率的需要。隨著高新技術的發(fā)展和對機電產品性能與質量要求的提高，機床用戶對機床加工精度的要求也越來越高。為了滿足用戶的需要， 近10多年來，普通級數(shù)控機床的加工精度已由10m提高到5m，精密級加工中心的加工精度則從35m，提高到11.5m 高可靠性 當前國外數(shù)控裝置的可靠性指標，平均無故障間隔時間（MTBF）已達6000小時以上，驅動裝置達30000小時以上。高精度.51.52v多功能多功能 立臥并用、復合加工；v高自動化、智能化高自動化、智能化 自動上下料、自動監(jiān)控、自動測量、自動通訊

38、。v主要表現(xiàn)在以下4個方面： 數(shù)控機床發(fā)展趨勢.53v應用自適應控制技術.54v自動編程，可視化結合.55v自動故障診斷可靠性、穩(wěn)健性保障.56v應用模式識別.572數(shù)控系統(tǒng)方面v目前世界上幾個著名的數(shù)控裝置生產廠家，如日本的FANUC，德國的SIEMENS公司產品都向系列化、模塊化、高性能和成套性方向發(fā)展。它們的數(shù)控系統(tǒng)都采用了16位、32位甚至64位微處理器、標準總線及軟件模塊和硬件模塊結構，內存容量擴大到了數(shù)十兆字節(jié)以上，高速進給可達100 m / min以上，一般控制軸數(shù)在315軸，最多可達24軸，并采用先進的電裝工藝。 數(shù)控機床發(fā)展趨勢.58v開放式系統(tǒng)產生的原因隨著數(shù)控技術的發(fā)展，

39、數(shù)控系統(tǒng)變得越來越復雜，暴露出許多自身固有的缺陷。最大的問題是，這些數(shù)控系統(tǒng)都是專門設計的，它們具有不同的編程語言、非標準的人機接口、多種實時操作系統(tǒng)、非標準的硬件接口等，這些缺陷造成了數(shù)控系統(tǒng)使用和維護的不便，也限制了數(shù)控技術的進一步發(fā)展。 當今的當今的CNC控制器是個黑匣子，封閉保密，制造廠和用戶不能把特控制器是個黑匣子，封閉保密，制造廠和用戶不能把特殊加工工藝、管理經驗和操作技能等放進去，要求透明，因此需要開放殊加工工藝、管理經驗和操作技能等放進去，要求透明，因此需要開放結構的數(shù)控系統(tǒng)。結構的數(shù)控系統(tǒng)。 現(xiàn)在的現(xiàn)在的CNC技術（其核心為技術（其核心為CNC控制器和驅動技術）及結構為專用控

40、制器和驅動技術）及結構為專用的軟硬件，遠落后于的軟硬件，遠落后于PC的主流技術。升級困難，各廠家產品不兼容，成的主流技術。升級困難，各廠家產品不兼容，成本高。本高。 用戶界面不靈活，網(wǎng)絡功能弱，系統(tǒng)維護培訓昂貴。用戶界面不靈活，網(wǎng)絡功能弱，系統(tǒng)維護培訓昂貴。.59v開放式數(shù)控系統(tǒng)的概念 為了解決這些問題，人們提出了“開放式數(shù)控系統(tǒng)”的概念。這個概念最早見于1987年美國的NGC (Next Generation Controller)計劃， NGC控制技術通過實現(xiàn)基于相互操作和分級式的軟件模塊的“開放式系統(tǒng)體系結構標準規(guī)范（SOSAS）”找到解決問題的辦法。 一個開放式的系統(tǒng)體系結構能夠使供應

41、商為實現(xiàn)專門的最佳方案去定制控制系統(tǒng)。由于這樣一個富有哲理的概念作為NGC計劃的奠基石，NGC代表了下一代控制技術。系統(tǒng)平臺-開發(fā)接口-二次開發(fā).60v開放式數(shù)控系統(tǒng)，不但要求模塊化、網(wǎng)絡化、標準化開放式數(shù)控系統(tǒng)，不但要求模塊化、網(wǎng)絡化、標準化(用戶用戶界面、圖形顯示、動態(tài)仿真、數(shù)控編程、故障診斷、網(wǎng)絡通界面、圖形顯示、動態(tài)仿真、數(shù)控編程、故障診斷、網(wǎng)絡通訊訊)，而且對實時性和可靠性要求很高。其特點：，而且對實時性和可靠性要求很高。其特點： 可移植性：在保持應用模塊功能的情況下，不需任何可移植性：在保持應用模塊功能的情況下，不需任何變化就可以應用到不同的平臺上。變化就可以應用到不同的平臺上。

42、可擴展性：不同的模塊能運行于一個平臺，而不出現(xiàn)可擴展性：不同的模塊能運行于一個平臺，而不出現(xiàn)沖突。沖突。 互操作性：模塊在一起工作時，表現(xiàn)為相互協(xié)調，可互操作性：模塊在一起工作時，表現(xiàn)為相互協(xié)調，可以根據(jù)定義相互交換數(shù)據(jù)。以根據(jù)定義相互交換數(shù)據(jù)。 可維護性：用戶修方便?？删S護性：用戶修方便。 統(tǒng)一的人機界面。統(tǒng)一的人機界面。.61v目前開放的數(shù)控系統(tǒng)結構1.基于基于PC的的CNC系統(tǒng)（軟數(shù)控系統(tǒng)（軟數(shù)控 ： Soft CNC） 以以PC機為平臺，數(shù)控功能由軟件模塊實現(xiàn)，但要決實時性的問題。運機為平臺，數(shù)控功能由軟件模塊實現(xiàn)，但要決實時性的問題。運動執(zhí)行通過伺服卡傳遞數(shù)據(jù)，由伺服系統(tǒng)驅動坐標軸電

43、機。動執(zhí)行通過伺服卡傳遞數(shù)據(jù)，由伺服系統(tǒng)驅動坐標軸電機。 全方位開放全方位開放2. PC嵌入式嵌入式 把一塊多軸運動控制卡插入傳統(tǒng)的把一塊多軸運動控制卡插入傳統(tǒng)的PC中，運動卡運行以坐標軸運動為中，運動卡運行以坐標軸運動為主的實時控制（作為數(shù)控功能運行）。主的實時控制（作為數(shù)控功能運行）。PC作為人機接口平臺作為人機接口平臺 。 易實現(xiàn)，研究單位和高校易實現(xiàn)，研究單位和高校.623. PC + CNC （融合系統(tǒng)）（融合系統(tǒng)） 專業(yè)廠家認為專業(yè)廠家認為CNC系統(tǒng)最主要功能是高速、高精加工系統(tǒng)最主要功能是高速、高精加工和可靠性，向和可靠性，向PC在的死機現(xiàn)象是不允許的。已生產的大量在的死機現(xiàn)象是

44、不允許的。已生產的大量CNC系統(tǒng)在體系結構上變化，對維修和可靠性不利。故采取系統(tǒng)在體系結構上變化，對維修和可靠性不利。故采取了：增加一塊了：增加一塊PC板，提供鍵盤，使板，提供鍵盤，使PC與與CNC 聯(lián)系在一起的聯(lián)系在一起的方案?？山缑骈_放，提高人機界面的功能。方案?？山缑骈_放，提高人機界面的功能。 專業(yè)專業(yè)CNC系統(tǒng)廠家（如系統(tǒng)廠家（如fanuc，siemens等）現(xiàn)在都采用此方式。等）現(xiàn)在都采用此方式。.631996年，美國HP公司在東京日本國際機床展覽會上展出了開放式數(shù)控系統(tǒng)OAC500；HP公司對開放式數(shù)控系統(tǒng)提出了12個方面的判別準則：（1） 是否基于工業(yè)標準硬件平臺和總線結構；（2

45、） 運動控制軟件是否采用工業(yè)標準的開放操作系統(tǒng)；（3） 能否采用流行的硬件和軟件與工廠的網(wǎng)絡相連接；（4） 能否運行流行的軟件而不降低機床的性能；（5） 能否安裝從不同商家得到的流行硬件；（6）設計或第三方開發(fā)者能否應用標準工具和文件格式、編程接口建立用戶實時的應用；（7）能否修改所有級別的控制軟件；（8）控制商家能否提供文件格式的開發(fā)工具，允許訪問系統(tǒng)的所有級別？（9）對于I/O接口，控制器是否使用了標準的現(xiàn)場總線？（10） 是否可以把控制器與不同廠家的伺服裝置相連接？（11）控制器是否可以與多用戶控制的網(wǎng)絡相連接？（12）所有的編程（GUI、運動、PLC）是否采用了標準的流行的編程工具？系

46、統(tǒng)平臺-開發(fā)接口-二次開發(fā).64v基于網(wǎng)絡的數(shù)控系統(tǒng) 新興發(fā)展方向，非常有利于現(xiàn)代先進制造技術的數(shù)字化，智能化。 現(xiàn)代加工制造企業(yè)數(shù)字化、智能化管理基礎。組織結構參考下頁圖：.65網(wǎng)絡的任務主要是進行通訊，共享信息。數(shù)控機床作為車間的基本設備，它的通訊范圍是：1）數(shù)控系統(tǒng)內部的CNC裝置與數(shù)字伺服間的 通信；（2）數(shù)控系統(tǒng)與上級主計算機間的通信；（3）與車間現(xiàn)場設備及I/O裝置的通信，主要通過現(xiàn)場總線，如PROFIBUS等進行通訊；（4）通過因特網(wǎng)與服務中心的通信，傳遞維修數(shù)據(jù)；（5）通過因特網(wǎng)與另一個工廠交換制造數(shù)據(jù).66v提高數(shù)控系統(tǒng)的可靠性 可靠性是數(shù)控機床用戶最為關注的問題，提高可靠性

47、通常可采取下列一些措施： （1） 提高線路的集成度。采用大規(guī)模集成電路、專用芯片及混合式集成電路，以減少元器件數(shù)量，精簡外部連線和降低功耗。 （2） 建立由設計、試制到生產的完整質量保證體系。例如采取防電源干擾，輸入輸出隔離；使數(shù)控系統(tǒng)模塊化、通用化及標準化，以便組織批量生產和維修；在安裝制造時注意嚴格篩選元器件；對系統(tǒng)可靠性進行全面檢查考核等.67v增強故障自診斷功能和保護功能。由于元器件失效、編程及人為操作失誤等原因，數(shù)控系統(tǒng)完全可能出現(xiàn)故障。數(shù)控系統(tǒng)一般具有故障預報和自恢復功能。此外，應注意增強監(jiān)控和保護功能，例如有的系統(tǒng)設有刀具破損檢測、行程范圍保護和斷電保護等功能，以避免損壞機床或報

48、廢工件。由于采用了各種有效的增強可靠性的措施，現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的平均無故障時間可達到MTBF=1000036000小時。.683驅動系統(tǒng)方面v交流驅動系統(tǒng)發(fā)展迅速，交流傳動系統(tǒng)以由模擬式向數(shù)字式方向發(fā)展，以運算放大器等模擬器件為主的控制器正在被以微處理器為主的數(shù)字集成元件所取代，從而克服了零點漂移、溫度漂移等弱點。 數(shù)控機床發(fā)展趨勢.694. 新發(fā)展的主要技術數(shù)控機床發(fā)展趨勢u 伺服驅動技術是數(shù)控技術的重要組成部分。與數(shù)控裝置相配合，伺服系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)特性直接影響機床的位移速度，定位精度和加工精度?，F(xiàn)在，直流伺服系統(tǒng)被交流數(shù)字伺服系統(tǒng)所取代；伺服電機的位置，速度及電流環(huán)都實現(xiàn)了數(shù)字化；并采用了新

49、的控制理論，實現(xiàn)了不受機械負荷變動影響的高速響應系統(tǒng)。前饋控制技術。前饋控制技術。 過去的伺服系統(tǒng)，是把檢測器信號與位置指令的差值乘以位置環(huán)增益作為速度指過去的伺服系統(tǒng)，是把檢測器信號與位置指令的差值乘以位置環(huán)增益作為速度指令。這種控制方式總是存在著跟蹤滯后誤差，這使得在加工拐角及圓弧時加工精令。這種控制方式總是存在著跟蹤滯后誤差，這使得在加工拐角及圓弧時加工精度惡化。所謂前饋控制，就是在原來的控制系統(tǒng)上加上速度指令的控制方式，這度惡化。所謂前饋控制，就是在原來的控制系統(tǒng)上加上速度指令的控制方式，這樣使伺服系統(tǒng)的跟蹤滯后誤差大大減小。樣使伺服系統(tǒng)的跟蹤滯后誤差大大減小。機械靜止摩擦的非線性控制

50、技術。機械靜止摩擦的非線性控制技術。 對于一些具有較大靜止摩擦的數(shù)控機床，新型數(shù)字伺服系統(tǒng)具有補償機床驅動系對于一些具有較大靜止摩擦的數(shù)控機床，新型數(shù)字伺服系統(tǒng)具有補償機床驅動系統(tǒng)靜摩擦的非線性摩擦的非線性控制功能。統(tǒng)靜摩擦的非線性摩擦的非線性控制功能。.70 伺服系統(tǒng)的位置環(huán)和速度環(huán)（包括電流環(huán)）均采用數(shù)伺服系統(tǒng)的位置環(huán)和速度環(huán)（包括電流環(huán)）均采用數(shù) 字閉環(huán)，字閉環(huán)，軟件計算、數(shù)字調解等軟件計算、數(shù)字調解等。 為適應不同類型的機床，不同精度和不同速度的要求，預先調整加、減速為適應不同類型的機床，不同精度和不同速度的要求，預先調整加、減速性能或自動調整加、減速性能。性能或自動調整加、減速性能。采用高分辨的位置檢測裝置。采用高分辨的位置檢測裝置。 高分辨率的脈沖編碼器，內有微處理器組成的細分電路，使得分辨率大大高分辨率的脈沖編碼器，內有微處理器組成的細分電路，使得分辨率大大提高，增量位置檢測為提高，增量位置檢測為10000p/r10000p/r（脈沖數(shù)（脈沖數(shù)/ /