數(shù)控技術(shù)與數(shù)控機床

1、數(shù)控技術(shù)與數(shù)控機床數(shù)控技術(shù)與數(shù)控機床一、數(shù)控技術(shù)的產(chǎn)生一、數(shù)控技術(shù)的產(chǎn)生二、數(shù)控機床二、數(shù)控機床三、數(shù)控機床涉及的基本技術(shù)三、數(shù)控機床涉及的基本技術(shù)四、數(shù)控技術(shù)的過去、現(xiàn)在與四、數(shù)控技術(shù)的過去、現(xiàn)在與未來未來先進制造技術(shù)是經(jīng)濟發(fā)展的支撐先進制造技術(shù)是經(jīng)濟發(fā)展的支撐制造技術(shù)的三個發(fā)展階段：第一階段：用機器代替手工，從作坊形成工廠。第二階段：從單件生產(chǎn)方式發(fā)展到大量生產(chǎn)方式。第三階段：制造的柔性化、系統(tǒng)化、智能化。產(chǎn)品與生產(chǎn)方式：設(shè)備設(shè)備大批量大批量 生產(chǎn)生產(chǎn) 采用采用“剛性剛性”自動化自動化 設(shè)備設(shè)備小批量小批量 生產(chǎn)生產(chǎn) 采用采用“柔性柔性”自動化自動化 設(shè)備設(shè)備數(shù)字控制機床等靈活通用的、能適

2、應(yīng)產(chǎn)品頻繁變化的數(shù)字控制機床等靈活通用的、能適應(yīng)產(chǎn)品頻繁變化的柔性自動化機床柔性自動化機床設(shè)備設(shè)備在機械產(chǎn)品中，單件和小在機械產(chǎn)品中，單件和小批量產(chǎn)品約占批量產(chǎn)品約占70%80%人類社會技術(shù)發(fā)展史，經(jīng)歷了石器朝代、青銅器朝代和鐵器朝代，每一個朝代都是以該朝代的主導(dǎo)資源和主導(dǎo)工具命名的。當(dāng)今社會已進入了信息時代信息時代，信息成為起主導(dǎo)作用的資源，而以電子計算機為主的電子交換器件則成為起主導(dǎo)作用的工具。信息具有可共享性共享性、可識別性可識別性、可轉(zhuǎn)換性可轉(zhuǎn)換性、可可傳遞性傳遞性、可處理性可處理性、可再生性可再生性的特點，所以，人們借助計算機系統(tǒng)的輔助，將有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換到產(chǎn)品與服務(wù)中，使之成為更好的

3、產(chǎn)品和更好的服務(wù)。計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)系統(tǒng)：是一些機構(gòu)的組合，這些機構(gòu)由信息聯(lián)系在一起，完成一定的任務(wù)。系統(tǒng)計算機（完成比較器、控制器等功能）被控對象或過程測量機構(gòu)或傳感器等控制：通過信息給對象對象以命令。對象：為完成一定任務(wù)的被控制機構(gòu)。過程：被控制的連續(xù)運行狀態(tài)。如機械加工過程（車削、銑削、磨削等）、化學(xué)反應(yīng)過程等。20世紀(jì)中葉數(shù)控技術(shù)和數(shù)控機床的誕生標(biāo)志著世紀(jì)中葉數(shù)控技術(shù)和數(shù)控機床的誕生標(biāo)志著生產(chǎn)和控制領(lǐng)域一個嶄新時代的到來生產(chǎn)和控制領(lǐng)域一個嶄新時代的到來1948年美國帕森斯（Parsons Co.）公司在研制加工直升機葉片輪廓檢驗樣板的機床時，首先提出利用電子計算機控制機床加工

4、復(fù)雜曲線樣板的新概念。Parsons Co.公司設(shè)想的方案是：把坐標(biāo)點的代碼打在穿孔卡上，然后輸入到機床的控制系統(tǒng)中，使一臺改裝過的銑床按照微小增量的步距移動得到需要的軌跡。Parsons Co.公司受美國空軍委托與麻省理工學(xué)院（MIT）伺服機構(gòu)研究所合作研制于1952年研制出世界上第一臺三坐標(biāo)立式數(shù)控銑床。采用了自動控制、伺服驅(qū)動、精密測量、新型機械結(jié)構(gòu)。1955年數(shù)控機床形成了產(chǎn)業(yè)化，并批量投放市場。數(shù)控機床的誕生在對復(fù)雜曲線、型面的加工以及對美國航空工業(yè)和軍事工業(yè)的發(fā)展起到了重要作用。Parsons Co.公司的數(shù)控加工方案實現(xiàn)了，這是因為：第一：構(gòu)思正確。第二：科學(xué)技術(shù)的發(fā)展使構(gòu)思變?yōu)?/p>

5、現(xiàn)實成為可能。數(shù)控加工的構(gòu)思與實現(xiàn)數(shù)控加工的構(gòu)思與實現(xiàn)零件尺寸零件形狀數(shù) 控 裝 置伺服系統(tǒng)速度反饋位置反饋機床單位運動返回計算機的出現(xiàn)為數(shù)控技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展奠定了基礎(chǔ)計算機的出現(xiàn)為數(shù)控技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展奠定了基礎(chǔ)第一代數(shù)控：19521959年，以MIT研制的三坐標(biāo)數(shù)控系 統(tǒng)為標(biāo)志，系統(tǒng)全部采用電子管元件，邏輯運算與控制采用硬件電路完成。稱之為硬件數(shù)控系統(tǒng)硬件數(shù)控系統(tǒng)（Numerical ControlNC）。第二代數(shù)控：1959，晶體管元件和印刷電路板廣泛應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)。成為第二代數(shù)控系統(tǒng)的標(biāo)志。第三代數(shù)控：1965，由于小規(guī)模集成電路的出現(xiàn) ，使其體積變小、功耗降低，數(shù)控系統(tǒng)的可靠性得以進一

6、步提高，從而推動了數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展。第四代數(shù)控：1970，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，小型計算機逐漸取代數(shù)控系統(tǒng)中的專用計算機，使許多控制功能可以依靠編制專用程序來完成，而不必依靠硬件電路，實現(xiàn)軟件控制軟件控制，大大提高了數(shù)控系統(tǒng)控制的靈活性和數(shù)控設(shè)備的可靠性。1970年，美國芝加哥國際機床展覽會上第一次展出了采用小型計算機控制的計算機數(shù)控計算機數(shù)控（Computer Numerical ControlCNC）裝置和由計算機直接控制多臺機床的直接數(shù)控直接數(shù)控（Direct Numerical ControlDNC）系統(tǒng) 。第五代數(shù)控：1974，中、大規(guī)模集成電路技術(shù)所取得的成就，促使價格低廉、體積更小

7、、集成度更高、工作可靠的微處理器芯片問世，并逐步應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)，進一步簡化了CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，降低了CNC機床的成本，由此產(chǎn)生了以微處理器微處理器為CNC系統(tǒng)核心的第五代數(shù)控系統(tǒng)，即采用微型電子計算機控制的數(shù)控系統(tǒng)（Microcomputer Numerical ControlMNC）新一代數(shù)控：進入90年代，數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展以高速度、高精度、智能化為顯著特點。大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的進一步發(fā)展，使微處理器的性能不斷提高，軟件功能日益增強，CNC系統(tǒng)隨著外圍電路和接口配置的不斷完善，以及軟件技術(shù)在交互式人機對話和圖形顯示技術(shù)方面所取得的成就而得到發(fā)展?；赑C-NC的新一代數(shù)控充分利用了現(xiàn)

8、有PC機的軟硬件資源，使得數(shù)控系統(tǒng)集成度高，可靠性好，升級換代容易，易于實現(xiàn)開放式系統(tǒng)。返回一一 數(shù)控機床定義數(shù)控機床定義由國際信息處理聯(lián)盟IFIPInternational Federation of Information Processing第五技術(shù)委員會對數(shù)控機床作如下定義：數(shù)控機床是一個裝有程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)的機床，該系統(tǒng)能夠邏輯地處理具有使用號碼或其它符號編碼指令規(guī)定的程序。 數(shù)控系統(tǒng)：采用數(shù)控技術(shù)數(shù)控技術(shù)的控制系統(tǒng)。 數(shù)控技術(shù)數(shù)字控制（Numerical Control）技術(shù)（NCNC技術(shù)）：用數(shù)字化信息（數(shù)字量及字符）發(fā)出指令并實現(xiàn)自動控制的技術(shù)。 數(shù)控（NC）硬件數(shù)控：

9、數(shù)控設(shè)備的數(shù)控功能是用專用計算機的硬件結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)的。 計算機數(shù)控（CNC）軟件數(shù)控（Computer Numerical Control）：在硬件數(shù)控的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，以小型通用計算機或微型計算機的系統(tǒng)控制程序來實現(xiàn)部分或全部數(shù)控功能。若改變相應(yīng)的控制程序，即可改變其控制功能，而無需改變其硬件電路。因此CNC系統(tǒng)具有更大的通用性和靈活性，即具有很好的“柔性”。 機床數(shù)控技術(shù)數(shù)控系統(tǒng)外圍技術(shù)機床基礎(chǔ)件配套件工作臺床身立柱導(dǎo)軌刀架刀庫絲杠位置反饋系統(tǒng)數(shù)控裝置驅(qū)動系統(tǒng)管理技術(shù)工具系統(tǒng)編程技術(shù)軟件硬件ROMPLCCPURAM順序程序控制軟件電動機伺服系統(tǒng)I/O接口功率放大器PWMSCR交流電動機步進

10、電動機直流電動機激光光柵光電編碼器磁柵感應(yīng)同步器測帶發(fā)電機旋轉(zhuǎn)變壓器刀桿刀片編程系統(tǒng)編程機二二 機床數(shù)控技術(shù)圖示機床數(shù)控技術(shù)圖示 1) 根據(jù)加工零件的圖紙與工藝方案，用規(guī)定的代碼和程序格式編寫編寫程序單。2) 通過輸入裝置將程序代碼逐段輸入輸入到數(shù)控裝置。3) 數(shù)控裝置將代碼進行譯碼譯碼，寄存寄存和運算運算之后，向機床伺服機構(gòu)發(fā)出訊號發(fā)出訊號，以驅(qū)動驅(qū)動機床的各個運動部件，并控制其它必要的輔助操作輔助操作，如變速、開關(guān)冷卻液、松夾工件及刀具轉(zhuǎn)位等，最后加工出合格的零件。三三 數(shù)控機床加工零件的幾個步驟數(shù)控機床加工零件的幾個步驟四四 數(shù)控機床通常由四部分組成數(shù)控機床通常由四部分組成圖示的機床組成

11、方式為 開環(huán)系統(tǒng)開環(huán)系統(tǒng)程序載體程序載體數(shù)控裝置數(shù)控裝置伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)機床部分機床部分 測量裝置測量裝置檢測檢測反饋反饋加上測量裝置后機床組成方式為閉環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)可以將機床所得到的檢測結(jié)果再反饋到數(shù)控裝置中去。程序載體輸入裝置數(shù)控裝置伺服驅(qū)動系統(tǒng)強電控制裝置檢測裝置機床（主運動、進給運動、輔助操作）五五 數(shù)控機床的基本組成如下圖所示數(shù)控機床的基本組成如下圖所示繼續(xù)程序載體程序載體對數(shù)控機床進行控制必須在人與機床之間建立某種聯(lián)系，這種聯(lián)系的中間媒介物即程序載體程序載體（又稱控制介質(zhì)）。常用的控制介質(zhì)有：穿孔帶、穿孔卡、磁帶、磁盤等。返回輸入裝置輸入裝置輸入裝置的作用就是將程序載體上的數(shù)控代碼

12、數(shù)控代碼信息信息轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電脈沖信號傳送至數(shù)控裝置的內(nèi)存儲器。數(shù)控代碼信息零件加工程序、控制參數(shù)、補償數(shù)據(jù) 光電閱讀機穿孔帶。磁帶機磁帶。軟盤驅(qū)動器磁盤。MDI（Manpower Data Input）方式人工數(shù)據(jù)輸入。直接通訊方式由計算機直接傳送給數(shù)控裝置。DNC系統(tǒng)接口輸入分布式數(shù)字控制系統(tǒng)接口輸入 （Distributed Numerical Control）。 返回強電控制裝置強電控制裝置主要功能是接受數(shù)控裝置所控制的內(nèi)置式可編程控制器（PLC）輸出的主軸變速、換向、啟動或停止，刀具的選擇和更換，分度工作臺的轉(zhuǎn)位和鎖緊，工件的夾緊或松開，切削液的開或關(guān)等輔助操作的信號，經(jīng)功率放大直接

13、驅(qū)動相應(yīng)的執(zhí)行元件，諸如接觸器、電磁閥等，從而實現(xiàn)數(shù)控機床在加工過程中的全部自動操作。返回伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)（Servo System）接受來自數(shù)控裝置的指令信息（脈沖信號），嚴(yán)格按照指令信息的要求帶動機床的移動部件，以加工出符合圖紙要求的零件。伺服系統(tǒng)包括:驅(qū)動裝置、執(zhí)行部件兩大系統(tǒng)。由于伺服控制系統(tǒng)是數(shù)控機床的最后控制環(huán)節(jié)，因此它的伺服精度和動態(tài)響應(yīng)特性將直接影響數(shù)控機床的生產(chǎn)率、加工精度和表面加工質(zhì)量。功率步進電動機（Stepping Motor） 直流伺服電動機（帶有感應(yīng)同步器、編碼器等位置檢測元件）。采用晶體管脈沖寬度調(diào)制（ PWMPulse Width Modulation）

14、 和晶閘管 （SCRSemiconductor Control Rectifier）調(diào)速系統(tǒng)。交流伺服電動機（帶有感應(yīng)同步器、編碼器等位置檢測元件）。采用正弦波PWM變頻調(diào)速（SPWMSine PWM）和矢量控制調(diào)速（Vector Control）常用伺服驅(qū)動部件有常用伺服驅(qū)動部件有: :返回機床機床與傳統(tǒng)的機床相比，數(shù)控機床的外部造型、整體布局，傳動系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)、排屑系統(tǒng)與刀具系統(tǒng)的部件結(jié)構(gòu)以及操作機構(gòu)等方面都已發(fā)生了很大的變化。通常對數(shù)控機床設(shè)計在機床的精度精度、靜剛度靜剛度、動剛度動剛度和熱剛度熱剛度等方面提出了更高的要求，而傳動鏈則要求盡可能簡單。目的是為了滿足數(shù)控技術(shù)的要求和充分發(fā)

15、揮數(shù)控機床的特點。（1）由于采用高性能的主軸和伺服系統(tǒng)，使得數(shù)控機床的機械傳動結(jié)構(gòu)得到了簡化，傳動鏈較短。（2）具有較高的動態(tài)剛度、阻尼精度，耐磨性好，熱變形較小。（3）更多地采用高效傳動部件，如滾珠絲杠副，滾動導(dǎo)軌。 與普通機床的不同點：與普通機床的不同點：返回六六 數(shù)控機床的分類數(shù)控機床的分類普通數(shù)控機床 ：車、銑、鉆、鏜、磨等。其工藝性能與通用機床相似，但能自動加工復(fù)雜形狀零件。 在普通數(shù)控機床上加裝一個刀庫和自動換刀裝置，能連續(xù)進行車、銑、鏜、鉆、鉸及攻絲等多工序加工。 加工中心機床：有些復(fù)雜形狀零件需要三個坐標(biāo)以上的合成運動才能加工。常用的有四個、五個、六個坐標(biāo)的數(shù)控機床。 多坐標(biāo)數(shù)

16、控機床：數(shù)控線切割機床、數(shù)控電火花加工機床、數(shù)控激光切割機床。 數(shù)控特種加工機床：1616大類數(shù)控機床：大類數(shù)控機床：數(shù)控車床（含有銑削功能的車削中心）數(shù)控銑床（含銑削中心）數(shù)控鏜床以銑鏜削為主的加工中心數(shù)控磨床（含磨削中心）數(shù)控鉆床（含鉆削中心）數(shù)控拉床數(shù)控刨床數(shù)控切割機床數(shù)控齒輪加工機床柔性制造單元 （FMCFlexible Manufacturing Cell）柔性制造系統(tǒng) （FMSFlexible Manufacturing System）數(shù)控電加工機床（含電加工中心）數(shù)控板材成形加工機床數(shù)控管料成形加工機床其它數(shù)控機床特點是機床移動部件只能實現(xiàn)一個位置到另一個位置的精確移動，在移動和

17、定位過程中不進行任何加工，機床移動部件的運動路線并不影響加工的孔距精度。最典型的點位控制數(shù)控機床有數(shù)控鉆床、數(shù)控坐標(biāo)鏜床、數(shù)控點焊機和數(shù)控彎管機。特點是能夠?qū)蓚€或兩個以上的坐標(biāo)軸同時進行控制，它不僅能控制機床移動部件的起點和終點坐標(biāo)，而且要控制整個加工過程每一點的速度與位移量。由于只能作簡單的直線運動，因此不能實現(xiàn)任意的輪廓軌跡加工。特點是能夠?qū)蓚€或兩個以上的坐標(biāo)同時進行控制，它不僅能控制機床移動部件的起點與終點坐標(biāo)，而且要控制整個加工過程每一點的速度和位移量，即要控制移動軌跡，將工件加工成一定的輪廓形狀。輪廓控制需要在加工過程中不斷進行多坐標(biāo)軸之間的插補運算，實現(xiàn)相應(yīng)的速度和位移控制。輪

18、廓控制包含了點位和點位直線控制。不帶反饋裝置，CNC系統(tǒng)發(fā)出的指令脈沖信號是單方向的，機床沒有檢測反饋裝置，其加工精度取決于伺服系統(tǒng)的性能。 步進電機驅(qū)動電路功率步進電動機機械傳動鏈機床運動部件輸入脈沖位置環(huán)：機床最終運動部件位置上直接裝有直線或回轉(zhuǎn)式檢測裝置，測得實際位移值后反饋回來與指令值進行比較，所得差值再經(jīng)數(shù)/模（D/A）變換、放大，對伺服電機進行控制，使驅(qū)動機構(gòu)按規(guī)定移動，直到其差值趨于0為止。速度環(huán)：處于位置環(huán)內(nèi)，其目的是減少因負(fù)載等因素而引起進給速度的波動，改善位置環(huán)的控制品質(zhì)。 繼續(xù)閉環(huán)控制將機械傳動鏈的全部環(huán)節(jié)都包括在閉環(huán)之內(nèi)，因而從理論講，閉環(huán)控制的運動精度主要取決于檢測裝

19、置的精度，而與機械傳動鏈的誤差無關(guān)。比較器前置及功率放大電路機械傳動鏈機床運動部件直流或交流伺服電機位置檢測裝置速度檢測裝置輸入脈沖返回控制方式與閉環(huán)系統(tǒng)相同，區(qū)別是：檢測裝置位于伺服電機軸或絲杠端頭，檢測角位移。由于半閉環(huán)控制將運動部件的機械傳動鏈不包括在閉環(huán)之內(nèi)，機械傳動鏈的誤差無法得到校正和消除。比較器前置及功率放大電路機械傳動鏈機床運動部件直流或交流伺服電機脈沖編碼器輸入脈沖開環(huán)補償型控制系統(tǒng)： 基本控制為開環(huán)控制系統(tǒng)，再附加一個補償（校正）伺服電路。這樣既保留了開環(huán)控制的優(yōu)點，又能較好地解決步進電機丟步和過沖問題，補償了機械傳動系統(tǒng)的誤差，使開環(huán)控制的控制精度得以提高。半閉環(huán)補償型控

20、制系統(tǒng)： 基本控制為半閉環(huán)系統(tǒng)，再用裝于工作臺上的直線位移檢測裝置實現(xiàn)全閉環(huán)，用半閉環(huán)和全閉環(huán)的差值進行控制，因而既可以快速獲得穩(wěn)定的控制特性，又可以獲得高精度。 混合控制系統(tǒng)混合控制系統(tǒng)：繼續(xù)混合電路驅(qū)動電路機械傳動鏈機床運動部件步進電機D/A脈沖源指令進給脈沖測量裝置校正脈沖系統(tǒng)誤差比較單元開環(huán)補償型控制系統(tǒng)框圖開環(huán)補償型控制系統(tǒng)框圖返回混合控制速度調(diào)節(jié)機械傳動鏈機床運動部件伺服放大角度檢測裝置速度檢測裝置指令位置伺服電機直線檢測裝置半閉環(huán)補償型控制系統(tǒng)框圖半閉環(huán)補償型控制系統(tǒng)框圖返回功 能低 檔中 檔高 檔分辨率（mm）1010.1進給速度（m/min）815152415100伺服控制類

21、型開環(huán)、步進電動機半閉環(huán)或閉環(huán)的直流或交流伺服系統(tǒng)聯(lián)動軸數(shù)（軸）232435以上通訊功能一般無RS-232、DNCRS-232、DNC、MAP顯示功能LED或簡單的CRT較齊全的CRT顯示還有三維圖形顯示內(nèi)裝PLC無有有強功能的PLC主CPU8位、16位32位或64位的多CPU七七 數(shù)控機床的精度數(shù)控機床的精度數(shù)控機床的精度主要是指加工精度加工精度定位精度定位精度重復(fù)定位精度重復(fù)定位精度由于數(shù)控機床是以數(shù)字的形式給出相應(yīng)的脈沖脈沖指令指令進行加工，數(shù)控機床的脈沖當(dāng)量脈沖當(dāng)量與精度有關(guān)。按不同精度等級的數(shù)控機床的要求，脈沖當(dāng)量脈沖當(dāng)量通常為0.01-0.0005mm/脈沖。一般中小型數(shù)控機床（非

22、精密型）的加工精加工精度值約為脈沖當(dāng)量的度值約為脈沖當(dāng)量的1010倍倍，因此數(shù)控機床的加工精度通常為0.1-0.005mm。一般情況下定位精度通常是加工精度的定位精度通常是加工精度的1/21/21/31/3，因此數(shù)控機床的定位精度通常為0.05-0.0025mm。而重復(fù)定位精度通常是定位精度的重復(fù)定位精度通常是定位精度的1/2-1/31/2-1/3，因此數(shù)控機床的重復(fù)定位精度通常為0.025-0.001mm。返回數(shù)控機床涉及的基本技術(shù)數(shù)控機床涉及的基本技術(shù)數(shù)控機床是綜合了當(dāng)今世界上許多領(lǐng)域最新的技術(shù)成果。主要包括：精密機械、計算機及信息處理、自動控制及伺服驅(qū)動、精密檢測及傳感和網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)。

23、其核心是由微電子技術(shù)向精密機械技術(shù)滲透所形成的機電一體化技術(shù)。返回精密機械技術(shù)精密機械技術(shù)精密機械技術(shù)是數(shù)控機床的基礎(chǔ)，它包括精密機械設(shè)計和精密機械加工兩大方面。對一臺數(shù)控機床而言，機械結(jié)構(gòu)和傳動占了很大的比例，因此不斷發(fā)展各種新的設(shè)計計算方法和新型結(jié)構(gòu)，采用新型材料和新工藝，以使新一代數(shù)控機床的主機具有高精度、高速度、高可靠性、體積小、質(zhì)量小、維修方便和價格低廉的機械機構(gòu)。返回計算機及信息處理技術(shù)計算機及信息處理技術(shù)通常計算機技術(shù)計算機技術(shù)包括計算機軟件軟件和計算機硬件硬件技術(shù)、數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫技術(shù)，以及網(wǎng)絡(luò)通信網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。而信息處理技術(shù)信息處理技術(shù)包括信息的存取存取、運算運算、判斷判斷、決策

24、決策和交換交換，計算機作為信息處理的工具，兩者之間就自然地具有極為密切的關(guān)系。數(shù)控系統(tǒng)中計算機指揮和管理整個系統(tǒng)的有序運行，信息處理的高速、及時和正確將直接影響系統(tǒng)的工作質(zhì)量和效率。目前的數(shù)控系統(tǒng)還引入了人工智能、專家系統(tǒng)、模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和仿真技術(shù)等。返回自動控制理論和伺服驅(qū)動技術(shù)自動控制理論和伺服驅(qū)動技術(shù)自動控制理論和伺服驅(qū)動技術(shù)對數(shù)控機床的功能、動態(tài)特性和控制品質(zhì)具有重要影響：在對一個具體的控制裝置或系統(tǒng)的設(shè)計、仿真和現(xiàn)場調(diào)試中，自動控制理論具有重要的理論指導(dǎo)作用。在伺服速度環(huán)控制中采用前饋控制，使傳統(tǒng)的位置環(huán)偏差控制的跟蹤滯后現(xiàn)象得到很大改善，并增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和伺服精度。為了

25、適應(yīng)不同類型數(shù)控機床復(fù)雜的控制算法，伺服系統(tǒng)的位置環(huán)和速度環(huán)都采用軟件控制。目前交流伺服電動機驅(qū)動已經(jīng)逐步取代了其它的伺服驅(qū)動，與之配套的是電力電子技術(shù)，提供了瞬時輸出很大的峰值電流和完善的保護功能。返回精密檢測和傳感技術(shù)精密檢測和傳感技術(shù)精密檢測和傳感技術(shù)是閉環(huán)和半閉環(huán)控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)，檢測和傳感裝置則是實現(xiàn)自動控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。精密檢測和傳感的精度與功能直接影響自動控制的品質(zhì)，在精度補償方面發(fā)揮重要作用。精密檢測的關(guān)鍵器件是傳感器傳感器，數(shù)控系統(tǒng)要求傳感器能夠快速、精確地獲取信息，并能在各種各樣的工作環(huán)境下可靠運行。與計算機技術(shù)的發(fā)展相比，傳感與檢測技術(shù)的發(fā)展相對滯后。返回返回網(wǎng)絡(luò)和

26、通信技術(shù)網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在通信領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，正在對數(shù)控機床和以數(shù)控機床為基礎(chǔ)的柔性制造單元（FMC）、柔性制造系統(tǒng)（FMS）乃至計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）產(chǎn)生重大而深遠的影響。通過網(wǎng)絡(luò)仿真使零件從概念到在數(shù)控機床上完成加工的全部過程已經(jīng)實現(xiàn)。計算機網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)可以充分實現(xiàn)信息資源共享。通過電子郵件等方式進行無紙化的遠程管理和監(jiān)控，可以方便地進行產(chǎn)品的異地加工、裝配和調(diào)試。返回數(shù)控技術(shù)的發(fā)展已有數(shù)控技術(shù)的發(fā)展已有5 5O O年歷史，它是在多種年歷史，它是在多種技術(shù)交叉的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。這里主要介技術(shù)交叉的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。這里主要介紹十種關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展歷程。紹十種關(guān)鍵技

27、術(shù)的發(fā)展歷程。1.1.電子元件技術(shù)的發(fā)展電子元件技術(shù)的發(fā)展1947年美國貝爾實驗室誕生了晶體管，1958年美國德克薩斯儀器公司發(fā)明了集成電路，從此微電子技術(shù)突飛猛進。微處理器性能(按芯片上的晶體管數(shù)量定義)每18個月翻一番；不斷縮小特征尺寸，以增加芯片上晶體管的數(shù)量，從而也提高了電路的處理速度。60年代每塊晶片(10cm2)有1O個晶體管，70年代后每10年增加10OO倍。集成電路發(fā)明后40年晶體管的尺寸降低了100萬倍。日本日本FANUCFANUC公司公司1956年：采用電子管開始搞NC。1959年：采用鍺晶體管組成NC。1963年：采用硅晶體管研制出FS22、FS24O等。1969年：采用

28、中小規(guī)模IC更新了FSS22O、FS240等。70年代：采用大規(guī)模IC推出了一系列CNC系統(tǒng)。1996年：采用最新專用芯片352Pin的微電子工藝BGA(Ball Grid Array)封裝及采用MCM(Multi Chip Module)工藝生產(chǎn)的微處理器推出小型化高性能的i系列數(shù)控系統(tǒng)。大小只有原有系統(tǒng)的1/4,大大減少了占有的空間，提高了系統(tǒng)的可靠性，也提高了性能。2.2.軟件的應(yīng)用軟件的應(yīng)用采用存貯器存貯加工零件程序可代替穿孔紙帶程序進行加工，這種程序容易顯示、檢查、修改和編輯。另外，采用軟件控制大大增加了系統(tǒng)的柔性，降低系統(tǒng)的制造成本。目前NC系統(tǒng)的軟件還外延到CAD/CAM。通過C

29、AD/CAM生成的軟件直接送到CNC系統(tǒng)控制機床的運動。 數(shù)控系統(tǒng)軟件完成管理和控制兩種工作。管理工作：輸入、I/O處理、通信、顯示和診斷等。控制工作：譯碼、刀具補償、速度處理、插補、位置控制等。3.3.數(shù)控標(biāo)準(zhǔn)的引入數(shù)控標(biāo)準(zhǔn)的引入NC技術(shù)的發(fā)展，形成了多個國際通用的標(biāo)準(zhǔn)：ISO（國際標(biāo)準(zhǔn)化組織標(biāo)準(zhǔn)）IEC（國際電工委員會標(biāo)準(zhǔn)）EIA（美國電子工業(yè)協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)）NC技術(shù)的發(fā)展也要求NC標(biāo)準(zhǔn)不斷更新。隨著新技術(shù)的發(fā)展，新的標(biāo)準(zhǔn)也不斷出現(xiàn)。八十年代ISO對于DNC定義為direct numerical control(直接數(shù)控)。其概念為：此系統(tǒng)使一群數(shù)控機床與公用零件程序或加工程序行貯器發(fā)生聯(lián)系。一

30、旦提出請求，它立即把數(shù)據(jù)分配給有關(guān)機床。九十年代ISO對于DNC定義為distributed numerical control(分布式數(shù)控)。這樣，其概念也發(fā)生了本質(zhì)的變化，具意義為在生產(chǎn)管理計算機和多個數(shù)控系統(tǒng)之問分配數(shù)據(jù)的分組系統(tǒng)。 最近，ISO基于用戶的需要和未來信息技術(shù)的預(yù)測，又在醞釀推出新標(biāo)準(zhǔn)“CNC控制器的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”。它把AMT(先進制造技術(shù))的內(nèi)容集中在兩個主要的級別和它們間的連接；第一級是CAM，為車間和它的生產(chǎn)機械。第二級是上一級，為數(shù)據(jù)生成系統(tǒng)，由CAD、CAPP、CAE和NC編程系統(tǒng)及相關(guān)的數(shù)據(jù)庫組成。4.4.伺服技術(shù)的發(fā)展伺服技術(shù)的發(fā)展伺服裝置是數(shù)控系統(tǒng)的重要組成部分

31、。伺服技術(shù)的發(fā)展建立在控制理論、驅(qū)動系統(tǒng)及電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)上。50年代初，世界第一臺數(shù)控機床的進給驅(qū)動采用液壓驅(qū)動。當(dāng)時很多NC系統(tǒng)的進給伺服為液壓系統(tǒng)。七十年代，開環(huán)的系統(tǒng)逐漸由閉環(huán)的系統(tǒng)取代；液壓的伺服系統(tǒng)逐漸由電氣伺服系統(tǒng)取代。 5.5.自動編程的采用自動編程的采用美國空軍設(shè)計了一種專門用于機械零件數(shù)控加工的自動編程語言APT（Automatically Programmed Tools），APT語言用專用語句書寫源程序，將其輸入計算機，由APT處理程序經(jīng)過編輯和運算，輸出刀具中心軌跡，然后再經(jīng)過后置處理，把通用的刀位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)控機床所要求NC程序段格式。從70年代開始出現(xiàn)的圖像數(shù)控

32、編程技術(shù)有效地解決了幾何造型、零件幾何形狀的顯示、交互設(shè)計、修改及刀具軌跡生成、走刀過程的仿真顯示、驗證等，從而推動了CAD和CAM向一體化方向發(fā)展。圖像數(shù)控編程系統(tǒng)實質(zhì)上就是一個集成化的CAD/CAM系統(tǒng)。6. 6. DNCDNC概念的引入及發(fā)展概念的引入及發(fā)展DNC概念從“直接數(shù)控”到“分布式數(shù)控”其本質(zhì)也發(fā)生了變化?！胺植际綌?shù)控”表明可用一臺計算機控制多臺數(shù)控機床。這樣，機械加工從單機自動化的模式可擴展到柔性生產(chǎn)線及計算機集成制造系統(tǒng)。在CNC系統(tǒng)增加DNC接口，形成制造通信網(wǎng)絡(luò)?？梢詫崿F(xiàn)：(1)對零件程序的上傳或下傳；(2)讀、寫CNC的數(shù)據(jù)；(3)PLC數(shù)據(jù)的傳送；(4)存貯器操作控

33、制；(5)系統(tǒng)狀態(tài)采集和遠程控制等。DNC技術(shù)使CNC與通信網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系在一起，使用戶與NC生產(chǎn)廠直接通信，大大提高服務(wù)質(zhì)量和效率。7.7.可編程控制器的采用可編程控制器的采用在7O年代以前， NC控制器與機床強電順序控制主要靠繼電器繼電器進行。1969年美國DEC公司研制出世界第一臺可編程序控制器PLC（Programmable Logic Controller）。1987年IEC把它定義定義為：“可編程序控制器是一種數(shù)字運算電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下運用而設(shè)計。 它采用可編程序的存貯器，用于存貯執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)、和算術(shù)運算等特定功能的用戶指令，并通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出

34、，控制各類機械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌漭o助設(shè)備都應(yīng)按易于構(gòu)成一個工業(yè)控制系統(tǒng)，且它們所具有的全部功能易于應(yīng)用的原則設(shè)計”。8.8.傳感器技術(shù)的發(fā)展傳感器技術(shù)的發(fā)展 閉環(huán)系統(tǒng)的控制精度主要取決于傳感器，特別是位置和速度傳感器；世界上第一臺數(shù)控銑床的位置測量元件采用旋轉(zhuǎn)變壓器，系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量為O.0125mm；傳感器由光學(xué)、精密機械、電子部件組成，一般分辨率為0.01mm-0.001mm，測量精度為0.002mm-0.02mm/m。隨著對機床精度要求的不斷提高、也對傳感器的分辨率和精度提出更高的要求。于是出現(xiàn)了具有“細(xì)分”電路高分辨率的傳感器，可以構(gòu)成高精度NC系統(tǒng)，這就為超精控制及加工創(chuàng)造

35、了條件。 除此以外，少數(shù)高精度機床也應(yīng)用了激光傳感器。9.9.開放技術(shù)的產(chǎn)生開放技術(shù)的產(chǎn)生1987年美國空軍在里根政府支持下，發(fā)表了著名的“NGC(下一代控制器)”的計劃，首先提出了開放體系結(jié)構(gòu)的控制器概念。這個計劃的重要內(nèi)容之一便是提出了“開放系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格(SOSAS)”。自199O年開始，在美國海軍支持下，國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院提出了“EMC(增強型機床控制器)”由通用、福特和克萊斯勒三大汽車公司提出了“OMAC(開放模塊體系結(jié)構(gòu)控制器)”，它相似于歐洲的“OSACA(對于自動化系統(tǒng)的開放體系結(jié)構(gòu))”，等等。 NGC計劃的目的是建立一個體系模型，并定義模型中各模塊的控制功能和接口，確定

36、它們的內(nèi)部關(guān)系規(guī)則。NGC的特征是：(1) 是否基于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)硬件平臺和總線結(jié)構(gòu)? (2) 對于運動控制軟件是否采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的開放操作系統(tǒng)?(3) 能否采用流行的硬件和軟件與工廠網(wǎng)絡(luò)相聯(lián)結(jié)?(4) 能否運轉(zhuǎn)流行的軟件而不降低機床的性能? (5) 能否安裝從不同的商家得到的流行硬件?(6) 設(shè)計或第三方開發(fā)者能否應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)工具和文件格式、編程接口建立用戶實時的應(yīng)用? (7) 能否訪問和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) 對與I/ O的接口，是否控制器使用標(biāo)準(zhǔn)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接口?(11) 控

37、制器是否可以與多用戶廣控制的網(wǎng)絡(luò)相連接? (12) 所有的編程是不是采用標(biāo)準(zhǔn)的流行的編程工具? 10.10.制造技術(shù)的發(fā)展制造技術(shù)的發(fā)展CNC機床的發(fā)展建立在NCNC技術(shù)技術(shù)、機械構(gòu)造技術(shù)機械構(gòu)造技術(shù)和制造技術(shù)制造技術(shù)的基礎(chǔ)上。這三種技術(shù)的進步和發(fā)展也互相推動。NC本身的發(fā)展也是建立在機械發(fā)展的基礎(chǔ)上，(1) 機械加工速度和精度的提高，要求NC系統(tǒng)的功能不斷擴大、改進，完善。 (2) 機械結(jié)構(gòu)簡化與改進及新加工功能的完善，要求NC的軟件功能越來越復(fù)雜、元部件性能越來越高。(3) 機械加工的連續(xù)運行，連續(xù)、協(xié)調(diào)，要求NC系統(tǒng)可靠性不斷提高。加工和系統(tǒng)信息不但可以控制、管理而且可以通過網(wǎng)絡(luò)共享。這

38、樣就使NC發(fā)展到可以進網(wǎng)，連網(wǎng)。我國數(shù)控產(chǎn)業(yè)我國數(shù)控產(chǎn)業(yè)1.1.數(shù)控產(chǎn)業(yè)數(shù)控產(chǎn)業(yè)我國數(shù)控機床生產(chǎn)廠共有100多家，其中能批量生產(chǎn)的企業(yè)有42多家；數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)企業(yè)約50家；生產(chǎn)數(shù)控機床配套產(chǎn)品的企業(yè)共計300余家，產(chǎn)品品種包括八大類2000種以上。在經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)中，我們具有很大優(yōu)勢，在當(dāng)前每年數(shù)千臺經(jīng)濟型數(shù)控車床和電加工機床的市場上，國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)是“一花獨秀” 。進入90年代以來，我國數(shù)控系統(tǒng)的各方面研究力量在集中優(yōu)勢、突破關(guān)鍵、以我為主、發(fā)展產(chǎn)業(yè)的原則基礎(chǔ)上，逐步形成了以航天數(shù)控集團、機電集團、華中數(shù)控、藍天數(shù)控等以生產(chǎn)普及型數(shù)控系統(tǒng)為主的國有企業(yè)，以及北京法那科、西門子數(shù)控(南京)有限公司等合資企業(yè)的基本力量。80年代以來，國家對數(shù)控機床的發(fā)展十分重視，經(jīng)歷了“六五”、“七五”期間的消化吸收引進技術(shù)，“八五”期間科技攻關(guān)開發(fā)自主版權(quán)數(shù)控系統(tǒng)2個階段，為數(shù)控機床的產(chǎn)業(yè)化奠定了良好基礎(chǔ)。“九五”期間數(shù)控機床發(fā)展已進入實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化階段。數(shù)控機床新開發(fā)品種300個。新開發(fā)的國產(chǎn)數(shù)控機床產(chǎn)品大部分達到國際80年代中期水平，部分達到90年代水平。2.2.技術(shù)狀況技術(shù)狀況我國數(shù)控系統(tǒng)在技術(shù)上已趨于成熟，在重大關(guān)鍵技術(shù)上(包括核心技術(shù))，已達到國外先進水平。