4.1 數(shù)控技術(shù)概述

1、4數(shù)字控制技術(shù) 4.1 數(shù)控技術(shù)概述 數(shù)字控制（Numerical Control）NC，它是用數(shù)字化信號對設(shè)備運(yùn)行及其加工過程進(jìn)行控制的一種自動化技術(shù)。如果一臺設(shè)備，實(shí)現(xiàn)其自動工作過程的命令是以數(shù)字形式來描述的，則稱其為數(shù)控設(shè)備。由于數(shù)控技術(shù)是與機(jī)床控制密切結(jié)合而發(fā)展起來的，因此，本章中數(shù)控設(shè)備均指數(shù)控機(jī)床。 4.1.1機(jī)床數(shù)字控制技術(shù) 隨著科學(xué)技術(shù)和社會生產(chǎn)的迅速發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品日趨復(fù)雜。零件精度要求高、形狀復(fù)雜、批量小、經(jīng)常改動、加工困難，生產(chǎn)效率低，質(zhì)量也難以保證。各種仿形加工設(shè)備在過去的生產(chǎn)中部分地解決了小批量復(fù)雜零件的加工問題。但在更換零件時(shí)，必須重新制造靠模并調(diào)整設(shè)備，不但要耗費(fèi)大

2、量的手工勞動，延長了生產(chǎn)準(zhǔn)備周期，而且由于靠模加工誤差的影響，零件的加工精度很難達(dá)到較高的要求。為解決上述這些問題，一種靈活、通用、高精度、高效率的自動化生產(chǎn)設(shè)備數(shù)控機(jī)床應(yīng)運(yùn)而生。 用數(shù)字化信號對機(jī)床的運(yùn)動及其加工過程進(jìn)行控制的機(jī)床，稱為數(shù)控機(jī)床?；蛘哒f裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床就稱為數(shù)控機(jī)床。早期的數(shù)控機(jī)床數(shù)控裝置是由各種邏輯組件、記憶組件組成的邏輯電路，是固定接線端的硬件結(jié)構(gòu)。由硬件來實(shí)現(xiàn)數(shù)控功能稱為硬件數(shù)控，用這種技術(shù)實(shí)現(xiàn)的數(shù)控機(jī)床一般稱為NC機(jī)床。計(jì)算機(jī)數(shù)控CNC （Computer Numerical Control）裝置，由計(jì)算機(jī)硬件、存儲程序軟件和各種接口組成的數(shù)控裝置?，F(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)都

3、無例外地采用CNC裝置。 數(shù)控技術(shù)是典型的機(jī)電一體化技術(shù)，它將微型計(jì)算機(jī)的信息處理功能和機(jī)械的幾何運(yùn)動結(jié)合于一體，微型計(jì)算機(jī)通過數(shù)字量去控制機(jī)械運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化，較好地解決了復(fù)雜、精密、多品種、中小批量機(jī)械零件加工問題，是一種通用、靈活、高效的自動化機(jī)床。與其它類型的自動化機(jī)床相比較，數(shù)控機(jī)床主要有如下幾方面的優(yōu)點(diǎn)： 自動化程度與生產(chǎn)效率高除工件毛坯裝夾外，全部加工過程都由機(jī)床自動完成。數(shù)控機(jī)床一般可提高生產(chǎn)效率35倍，數(shù)控加工中心機(jī)床則可提高生產(chǎn)效率510倍。 具有較大的柔性當(dāng)加工對象改變時(shí)，只需重新編制程序，能非常迅速地從一種零件的加工過渡到另一種零件的加工，特別適應(yīng)于目前品種多、

4、批量小、變化快的生產(chǎn)特征。 加工精度高，加工質(zhì)量穩(wěn)定數(shù)控加工的尺寸精度一般為0.0050.01mm之間，不受零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度和操作者的技術(shù)水平對加工質(zhì)量的影響。數(shù)控加工將責(zé)任從操作者轉(zhuǎn)移給控制指令，從而不僅使零件加工質(zhì)量穩(wěn)定可靠，提高了同一批零件尺寸的一致性，廢品率大為降低。 易于建立計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)。數(shù)控機(jī)床是使用數(shù)字信息作為控制信息，易于與CAD系統(tǒng)連接，形成CADCAM一體化系統(tǒng)，是柔性制造技術(shù)（FMS）、計(jì)算機(jī)集成制造技術(shù)（CIMS）等現(xiàn)代制造技術(shù)的基礎(chǔ)。4.1.2 數(shù)控機(jī)床 4.1.2.1 數(shù)控機(jī)床的組成控制介質(zhì) 人機(jī)對話中間媒介物稱為控制介質(zhì)，也稱為信息載體。如NC中的穿孔帶、磁帶及

5、磁盤等，CNC中有編程軟件的ROM及零件程序RAM。輸入裝置 控制介質(zhì)上記載的加工信息要經(jīng)過輸入裝置送給數(shù)控裝置。NC中輸入裝置可以是光電讀帶機(jī)、磁帶、錄音機(jī)或軟盤驅(qū)動器等；對于CNC可用操作面板上的按鈕和鍵盤將加工程序直接輸入，并在CRT上顯示。還可將加工程序由編程計(jì)算機(jī)用通信方式傳給數(shù)控裝置。 數(shù)控裝置 是數(shù)控設(shè)備的核心，它的功能是接收輸入裝置的加工信息，經(jīng)運(yùn)算和邏輯處理后，發(fā)出相應(yīng)的指令送給伺服系統(tǒng)。CNC中數(shù)控裝置的作用由一臺專用計(jì)算機(jī)完成。伺服驅(qū)動系統(tǒng) 是數(shù)控機(jī)床的執(zhí)行部分。包括伺服驅(qū)動電路和伺服驅(qū)動組件，它們與機(jī)床上的機(jī)械部件組成數(shù)控設(shè)備的進(jìn)給系統(tǒng)。其作用是把來自數(shù)控裝置的各種指令

6、轉(zhuǎn)換為機(jī)床運(yùn)動部件的進(jìn)給速度、方向和位移，最后加工出符合圖紙要求的零件。機(jī)床本體及機(jī)械部件 包括主運(yùn)動部件、進(jìn)給運(yùn)動部件如工作臺、刀架及其傳動部件和床身立柱等支撐部件，此外還有冷卻、潤滑、轉(zhuǎn)位和夾緊等輔助裝置。對于加工中心類的數(shù)控機(jī)床，還有存放刀具的刀庫、交換刀具的機(jī)械手等部件。 4.1.2.2 數(shù)控機(jī)床的分類 （1）按用途分類金屬切削類：數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控鉆床、數(shù)控鏜床、數(shù)控磨床、數(shù)控銑床等。加工中心是帶有刀具庫和自動換刀裝置的一機(jī)多序的數(shù)控加工機(jī)床。對一次夾裝的工件進(jìn)行銑、鏜、鉆、擴(kuò)鉸和攻螺紋等多任務(wù)序加工。金屬成形類：數(shù)控折彎機(jī)、數(shù)控彎管機(jī)、數(shù)控壓力機(jī)等。特種加工機(jī)床：數(shù)控線切割機(jī)

7、床、數(shù)控電火花加工機(jī)床、數(shù)控激光加工機(jī)床等。 （2）按運(yùn)動方式分類 點(diǎn)位控制系統(tǒng)：加工移位部件只能實(shí)現(xiàn)從一個(gè)位置到另一個(gè)位置的精確移動，在移動和定位過程中不進(jìn)行任何加工。點(diǎn)位直線控制系統(tǒng)：加工移動部件不僅要實(shí)現(xiàn)從一個(gè)位置到另一個(gè)位置的精確移動，而且能實(shí)現(xiàn)平行于坐標(biāo)軸的直線切削加工運(yùn)動及沿著與坐標(biāo)軸成45的斜線進(jìn)行直線切削加工。輪廓控制系統(tǒng)：可以使刀具和工件按平面直線、曲線或空間曲面輪廓進(jìn)行相對運(yùn)動，加工出任何形狀的復(fù)雜零件。（3）按控制方式分類開環(huán)控制系統(tǒng)：不具有任何反饋裝置的數(shù)控系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖4-2所示。這種系統(tǒng)通常使用功率步進(jìn)電動機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。這種機(jī)床工作比較穩(wěn)定、反應(yīng)迅速、調(diào)試方便

8、、維修簡單，但其控制精度受到限制。適用于精度要求不高的中、小型數(shù)控機(jī)床。 閉環(huán)控制系統(tǒng)：是在機(jī)床移動部件上直接裝有直線位置檢測裝置，系統(tǒng)框圖如圖4-3所示。在加工中時(shí)刻檢測機(jī)床運(yùn)動部件的位置，將測量的實(shí)際位置反饋到位置控制器，與指令進(jìn)行比較，用差值進(jìn)行控制，直至差值消除，實(shí)現(xiàn)移動部件的精確定位。 半閉環(huán)控制系統(tǒng)：框圖如圖4-4所示。這種控制方式對工作臺的實(shí)際位置不進(jìn)行檢測，而是通過與伺服電機(jī)有聯(lián)系的測量元件，如用光電編碼盤或旋轉(zhuǎn)變壓器等，檢測出伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)角，再推算出工作臺的實(shí)際位移量。4.1.2.3 數(shù)控機(jī)床的加工過程 （1）程序編制 是將零件的加工工藝、工藝參數(shù)、刀具位移量及位移方向和有關(guān)

9、輔助操作，按指令代碼及程序格式編制加工程序單，然后將加工程序單以代碼形式記錄在信息載體上。程序編制可以是手工編制，也可以是自動編制。對于自動編程，目前已較多的采用了計(jì)算機(jī)CADCAM圖形交互式自動編程，通過計(jì)算機(jī)有關(guān)處理后，自動生成的數(shù)控程序，可通過接口直接輸入數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)。 （2）數(shù)控代碼與譯碼 用來表示數(shù)控系統(tǒng)中的符號、字母和數(shù)字的專用代碼，并組成數(shù)控指令。對數(shù)控代碼進(jìn)行識別，并翻譯成數(shù)控系統(tǒng)能用于運(yùn)算控制的信號形式稱為譯碼。在計(jì)算機(jī)數(shù)控中，譯碼之前，先將零件程序存放在緩沖器里。譯碼時(shí)，譯碼程序依次將一個(gè)個(gè)字符和相應(yīng)的數(shù)碼與緩沖器中零件程序進(jìn)行比較，若兩者相等，說明輸入了該字符。譯碼程序是串

10、行工作的，它有較高的譯碼速度。 （3）刀具軌跡計(jì)算 根據(jù)輸入譯碼后的數(shù)據(jù)段參數(shù)，進(jìn)行刀具補(bǔ)償計(jì)算、絕對值與相對值的換算等，把零件程序提供的工件輪廓信息轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)認(rèn)定的軌跡。（4）插補(bǔ)運(yùn)算根據(jù)刀具中心點(diǎn)沿各坐標(biāo)軸移動的指令信息，以適當(dāng)?shù)暮瘮?shù)關(guān)系進(jìn)行各坐標(biāo)軸脈沖分配計(jì)算。通過插補(bǔ)運(yùn)算，使兩個(gè)或兩個(gè)以上坐標(biāo)軸協(xié)調(diào)地工作。 （5）控制指令的執(zhí)行 運(yùn)動部件按控制指令進(jìn)行運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)零件的數(shù)控加工。 4.1.3 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展 4.1.3.1 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展過程 1952年美國PARSONS公司與麻省理工學(xué)院合作試制了世界上第一臺三坐標(biāo)數(shù)控立式銑床。之后，隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的數(shù)控

11、系統(tǒng)也隨著不斷更新，已經(jīng)歷過一下幾個(gè)發(fā)展階段。第一代：1952年采用電子管元件構(gòu)成第二代：1961年采用晶體管電路第三代：1965年采用集成電路第四代：1968年采用小型計(jì)算機(jī)第五代：1974年采用微處理器第六代：1990年采用工控PC機(jī)的CNC第一代至第三代數(shù)控都是由電路硬件和連線組成，稱為硬件數(shù)控，即NC系統(tǒng)。后三代數(shù)控系統(tǒng)主要是由計(jì)算機(jī)硬件和軟件組成，稱為CNC系統(tǒng)。我國從1958年開始研制數(shù)控機(jī)床，70年代初得到廣泛發(fā)展，數(shù)控技術(shù)在車床、銑床、鉆床、鏜床、磨床、齒輪加工機(jī)床等得到應(yīng)用。目前我國能夠生產(chǎn)多種類型的數(shù)控機(jī)床，并有向國外出口。但我國生產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床在精度、速度、數(shù)控系統(tǒng)的功能及

12、傳感組件等方面與先進(jìn)國家仍有一定距離。當(dāng)今世界生產(chǎn)數(shù)控設(shè)備具有代表性的廠家（公司）有，日本的FANUC公司、德國的SIEMENS公司、美國的A-B（ALLEN-BRADLE）公司和意大利的A-BOSZA公司等。 4.1.3.2 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展方向 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展極大地推動了數(shù)控機(jī)床的發(fā)展，經(jīng)過50多年的不斷發(fā)展，從控制單機(jī)到生產(chǎn)線乃至整個(gè)車間和工廠。近年來，微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的成果不斷滲透到機(jī)械制造的各個(gè)領(lǐng)域中。（1）直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DNC）亦稱為計(jì)算機(jī)群控系統(tǒng)，即一臺計(jì)算機(jī)直接管理和控制一群數(shù)控機(jī)床進(jìn)行零件加工和裝配的系統(tǒng)。在DNC系統(tǒng)中，基本保留原來各數(shù)控機(jī)床的CNC系統(tǒng)，并與DNC

13、系統(tǒng)的中央計(jì)算機(jī)組成計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。（2）柔性制造系統(tǒng)（FMS）柔性制造系統(tǒng)（Flexible Manufacturing System）是20世紀(jì)70年代末發(fā)展起來的先進(jìn)機(jī)械加工系統(tǒng)。由多臺數(shù)控機(jī)床和加工中心組成，并具有自動上下料裝置、自動化倉庫和輸送系統(tǒng)，在計(jì)算機(jī)集中控制下，實(shí)現(xiàn)加工自動化。一個(gè)典型的FMS由計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、生產(chǎn)系統(tǒng)、數(shù)控機(jī)床、智能機(jī)器人、自動化輸送系統(tǒng)和自動化倉庫組成。全部生產(chǎn)過程由一臺中央計(jì)算機(jī)進(jìn)行調(diào)度，若干控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行工位控制，組成一個(gè)各種制造單元相對獨(dú)立而又便于靈活調(diào)節(jié)、適應(yīng)性很強(qiáng)的制造系統(tǒng)。（3）計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS） 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（Computer

14、Integrated Manufacturing System）是在柔性制造技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、自動化技術(shù)和現(xiàn)代管理科學(xué)基礎(chǔ)上將企業(yè)的全部生產(chǎn)、經(jīng)營活動所需的各種子系統(tǒng)，通過新的生產(chǎn)管理模式、工藝?yán)碚摵陀?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)有機(jī)地集成起來，以獲得適應(yīng)于多品種、中小批量生產(chǎn)的高效益、高柔性和高質(zhì)量的智能制造系統(tǒng)。CIMS最基本內(nèi)涵是用集成的觀點(diǎn)組織生產(chǎn)經(jīng)營，即用全局的、系統(tǒng)的觀點(diǎn)處理企業(yè)的經(jīng)營和生產(chǎn)。CIMS由4個(gè)功能分系統(tǒng)及2個(gè)支撐分系統(tǒng)組成。圖4-7表示6個(gè)分系統(tǒng)以及與外部的信息聯(lián)系。管理信息分系統(tǒng)包括企業(yè)的市場預(yù)測、經(jīng)營決策、各級生產(chǎn)計(jì)劃、生產(chǎn)技術(shù)準(zhǔn)備、市場營銷、物料供應(yīng)、財(cái)務(wù)管理、成本、庫存

15、、設(shè)備和人力資源等管理信息，通過信息集成而形成企業(yè)的一體化生產(chǎn)經(jīng)營與管理信息系統(tǒng)。是CIMS的神經(jīng)中樞。工程設(shè)計(jì)自動化分系統(tǒng)在產(chǎn)品開發(fā)過程中引入計(jì)算機(jī)技術(shù)，包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工程與結(jié)構(gòu)分析與數(shù)控編程（CAD/CAPP/CAM）等。其目的是使產(chǎn)品的開發(fā)更高效、自動化程度更高。工程設(shè)計(jì)系統(tǒng)在CIMS中是主要的信息源。制造自動化分系統(tǒng)常用的是FMS系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)根據(jù)產(chǎn)品的工程技術(shù)信息、車間層的加工指令，完成對工件毛坯加工的作業(yè)調(diào)度、制造等工作。質(zhì)量保證分系統(tǒng)包括質(zhì)量檢測與數(shù)據(jù)采集、質(zhì)量評估、控制與跟蹤等功能。系統(tǒng)保證從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)到售后服務(wù)的整個(gè)過程。計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)它是支持CIMS各個(gè)分系統(tǒng)的開放型網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，采用國際標(biāo)準(zhǔn)和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的