數(shù)控機(jī)床的基本知識(shí)概述

第1章數(shù)控機(jī)床基本知識(shí)1.1數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生與發(fā)展1.2數(shù)控機(jī)床的組成結(jié)構(gòu)及工作原理1.3數(shù)控機(jī)床的分類

1.1數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生與發(fā)展隨著社會(huì)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，各類工業(yè)新產(chǎn)品層出不窮。機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)作為國(guó)民工業(yè)的基礎(chǔ)，其產(chǎn)品更是日趨精密復(fù)雜，特別是在宇航、航海、軍事等領(lǐng)域所需的機(jī)械零件，精度要求更高，形狀更為復(fù)雜且往往批量較小，加工這類產(chǎn)品需要經(jīng)常改裝或調(diào)整設(shè)備，普通機(jī)床或?qū)I(yè)化程度高的自動(dòng)化機(jī)床顯然無(wú)法適應(yīng)這些要求。同時(shí)，隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益加劇，企業(yè)生產(chǎn)也迫切需要進(jìn)一步提高其生產(chǎn)效率，提高產(chǎn)品質(zhì)量及降低生產(chǎn)成本。一種新型的生產(chǎn)設(shè)備——數(shù)控機(jī)床就應(yīng)運(yùn)而生了。1.1.1數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生帕森斯公司正式接受委托，與麻省理工學(xué)院伺服機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室（ServoMechanismLaboratoryoftheMassachusettsInstituteofTechnology）合作，于1952年試制成功世界上第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床試驗(yàn)性樣機(jī)。1959年，美國(guó)克耐·杜列克公司（Keaney&Trecker）首次成功開發(fā)了加工中心（MachiningCenter）。1.1.2數(shù)控機(jī)床的發(fā)展簡(jiǎn)況第1代數(shù)控機(jī)床：1952年～1959年采用電子管元件構(gòu)成的專用數(shù)控裝置（NC）。第2代數(shù)控機(jī)床：從1959年開始采用晶體管電路的NC系統(tǒng)。第3代數(shù)控機(jī)床：從1965年開始采用小、中規(guī)模集成電路的NC系統(tǒng)。第4代數(shù)控機(jī)床：從1970年開始采用大規(guī)模集成電路的小型通用電子計(jì)算機(jī)控制的系統(tǒng)（CNC）。第5代數(shù)控機(jī)床：從1974年開始采用微型計(jì)算機(jī)控制的系統(tǒng)（MNC）。1．計(jì)算機(jī)直接數(shù)控系統(tǒng)所謂計(jì)算機(jī)直接數(shù)控（DirectNumericalControl，DNC）系統(tǒng)，即使用一臺(tái)計(jì)算機(jī)為數(shù)臺(tái)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行自動(dòng)編程，編程結(jié)果直接通過(guò)數(shù)據(jù)線輸送到各臺(tái)數(shù)控機(jī)床的控制箱。2．柔性制造系統(tǒng)柔性制造系統(tǒng)（FlexibleManufacturingSystem，F(xiàn)MS）也叫做計(jì)算機(jī)群控自動(dòng)線，它是將一群數(shù)控機(jī)床用自動(dòng)傳送系統(tǒng)連接起來(lái)，并置于一臺(tái)計(jì)算機(jī)的統(tǒng)一控制之下，形成一個(gè)用于制造的整體。3．計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（Computer-IntegratedManufacturingSystem，CIMS），是指用最先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，控制從定貨、設(shè)計(jì)、工藝、制造到銷售的全過(guò)程，以實(shí)現(xiàn)信息系統(tǒng)一體化的高效率的柔性集成制造系統(tǒng)。1.1.3我國(guó)數(shù)控機(jī)床發(fā)展概況1958年開始并試制成功第一臺(tái)電子管數(shù)控機(jī)床。1965年開始研制晶體管數(shù)控系統(tǒng)，直到20世紀(jì)60年代末至70年代初成功。從20世紀(jì)80年代開始，先后從日本、美國(guó)、德國(guó)等國(guó)家引進(jìn)先進(jìn)的數(shù)控技術(shù)。如北京機(jī)床研究所從日本FANUC公司引進(jìn)FANUC3、FANUC5、FANUC6、FANUC7系列產(chǎn)品的制造技術(shù)；上海機(jī)床研究所引進(jìn)美國(guó)GE公司的MTC-1數(shù)控系統(tǒng)等。1.1.4數(shù)數(shù)控機(jī)床床的發(fā)展趨勢(shì)勢(shì)從數(shù)控機(jī)床技技術(shù)水平看，，高精度、高高速度、高柔柔性、多功能能和高自動(dòng)化化是數(shù)控機(jī)床床的重要發(fā)展展趨勢(shì)。數(shù)控系統(tǒng)都采采用了16位位和32位微微處理器，標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)總線及軟軟件模塊和硬硬件模塊結(jié)構(gòu)構(gòu)，內(nèi)存容量量擴(kuò)大到1MB以上，機(jī)機(jī)床分辨率可可達(dá)0.1m，高速進(jìn)給給可達(dá)100m/min，控制軸數(shù)數(shù)可達(dá)16個(gè)個(gè)。1.2數(shù)數(shù)控機(jī)床的組組成結(jié)構(gòu)及工工作原理1.2.1數(shù)數(shù)控機(jī)床床的組成1．控制介質(zhì)質(zhì)數(shù)控機(jī)床工作作時(shí)，不需要要操作工人直直接操縱機(jī)床床，但機(jī)床又又必須執(zhí)行人人的意圖，這這就需要在人人與機(jī)床之間間建立某種聯(lián)聯(lián)系，這種聯(lián)聯(lián)系的中間媒媒介物即稱為為控制介質(zhì)。。2．?dāng)?shù)控系統(tǒng)統(tǒng)數(shù)控裝置是一一種控制系統(tǒng)統(tǒng)，是數(shù)控機(jī)機(jī)床的中心環(huán)環(huán)節(jié)。它能自自動(dòng)閱讀輸入入載體上事先先給定的數(shù)字字，并將其譯譯碼，從而使使機(jī)床進(jìn)給并并加工零件，，數(shù)控系統(tǒng)通通常由輸入裝裝置、控制器器、運(yùn)算器和和輸出裝置4大部分組成成。3．伺服系統(tǒng)統(tǒng)伺服系統(tǒng)由伺伺服驅(qū)動(dòng)電動(dòng)動(dòng)機(jī)和伺服驅(qū)驅(qū)動(dòng)裝置組成成，它是數(shù)控控系統(tǒng)的執(zhí)行行部分。伺服服系統(tǒng)接受數(shù)數(shù)控系統(tǒng)的指指令信息，并并按照指令信信息的要求帶帶動(dòng)機(jī)床的移移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)動(dòng)或使執(zhí)行部部分動(dòng)作，以以加工出符合合要求的工件件。每一個(gè)脈脈沖使機(jī)床移移動(dòng)部件產(chǎn)生生的位移量叫叫做脈沖當(dāng)量量。目前所使使用的數(shù)控系系統(tǒng)脈沖當(dāng)量量通常為0.001mm/脈沖。4．輔助控制制系統(tǒng)輔助控制系統(tǒng)統(tǒng)是介于數(shù)控控裝置和機(jī)床床機(jī)械、液壓壓部件之間的的強(qiáng)電控制裝裝置。5．機(jī)床本體體機(jī)床本體是數(shù)數(shù)控機(jī)床的主主體，由機(jī)床床的基礎(chǔ)大件件（如床身、、底座）和各各運(yùn)動(dòng)部件（（如工作臺(tái)、、床鞍、主軸軸等）所組成成。1.2.2數(shù)數(shù)控機(jī)床床的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)構(gòu)部件1．伺服系統(tǒng)統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)（1）步進(jìn)電電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通通常用于開環(huán)環(huán)伺服系統(tǒng)機(jī)機(jī)床。（2）直流伺伺服電動(dòng)機(jī)①小慣量直直流電動(dòng)機(jī)②寬調(diào)速直直流電動(dòng)機(jī)③無(wú)刷直流流電動(dòng)機(jī)（3）交流伺伺服電動(dòng)機(jī)近年來(lái)新型功功率開關(guān)器件件、專用集成成電路和新的的控制算法等等的發(fā)展帶動(dòng)動(dòng)了交流驅(qū)動(dòng)動(dòng)電源的發(fā)展展，使其調(diào)速速性能更能適適應(yīng)數(shù)控機(jī)床床伺服系統(tǒng)的的要求。交流流速度控制系系統(tǒng)正逐步取取代直流速度度控制系統(tǒng)。。2．位置檢測(cè)測(cè)裝置檢測(cè)裝置是把把位移和速度度測(cè)量信號(hào)作作為反饋信號(hào)號(hào)，并將反饋饋信號(hào)轉(zhuǎn)換成成數(shù)字送回計(jì)計(jì)算機(jī)，和脈脈沖指令信號(hào)號(hào)相比較，以以控制驅(qū)動(dòng)元元件正確運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)。（1）感應(yīng)同同步器感應(yīng)同步器是是一種電磁式式的高精度位位移檢測(cè)元件件，按其結(jié)構(gòu)構(gòu)方式的不同同可分為直線線式和旋轉(zhuǎn)式式兩種，前者者用于長(zhǎng)度測(cè)測(cè)量，后者用用于角度測(cè)量量。感應(yīng)同步器的的特點(diǎn)是：精精度高，工作作可靠，抗干干擾性強(qiáng)，維維護(hù)簡(jiǎn)單，壽壽命長(zhǎng)，可測(cè)測(cè)量長(zhǎng)距離位位置，成本低低，易于批量量生產(chǎn)。（2）光柵光柵就是在一一塊長(zhǎng)條形的的光學(xué)玻璃上上均勻地刻劃劃很多條與運(yùn)運(yùn)動(dòng)方向垂直直的條紋，條條紋之間的距距離成為柵距距。光柵測(cè)量裝置置是一種非接接觸式測(cè)量，，利用光路減減少了機(jī)械誤誤差，具有精精度高，響應(yīng)應(yīng)速度快等特特點(diǎn)，因此是是數(shù)控機(jī)床和和數(shù)顯系統(tǒng)常常用的檢測(cè)元元件。（3）磁柵磁柵是用電磁磁的方法計(jì)算算磁波數(shù)目的的一種位置檢檢測(cè)元件，磁磁柵測(cè)量裝置置由磁性標(biāo)尺尺、讀取磁頭頭和檢測(cè)電路路組成。磁柵位置檢測(cè)測(cè)電路的特點(diǎn)點(diǎn)是：容易制制造，檢測(cè)精精度高（能達(dá)達(dá)到每米±3m），安裝使使用方便，對(duì)對(duì)環(huán)境條件要要求較低，若若磁性標(biāo)尺膨膨脹系數(shù)與機(jī)機(jī)床一致，可可在一般車間間使用。由于于磁頭與磁柵柵為有接觸的的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，，因而有磨損損，使用壽命命受到一定的的限制。一般般使用壽命可可達(dá)到5年，，涂上保護(hù)膜膜后壽命則可可進(jìn)一步延長(zhǎng)長(zhǎng)。（4）旋轉(zhuǎn)變變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器是是一種角位移移檢測(cè)元件，，由定子和轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子組成，分分為有刷和無(wú)無(wú)刷兩種形式式。有刷旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變壓器定子子和轉(zhuǎn)子均為為兩相交流分分布繞組。數(shù)控機(jī)床檢測(cè)測(cè)裝置主要使使用無(wú)刷旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變壓器，因因?yàn)闊o(wú)刷旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變壓器具有有可靠性高、、壽命長(zhǎng)、體體積小、不用用維修以及輸輸出信號(hào)大、、抗干擾能力力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。。（5）脈沖編編碼器脈沖編碼器是是把機(jī)械轉(zhuǎn)角角轉(zhuǎn)化為電脈脈沖的一種常常用角位移傳傳感器。（6）測(cè)速發(fā)發(fā)電機(jī)測(cè)速發(fā)電機(jī)是是速度反饋元元件，相當(dāng)于于一臺(tái)永磁式式直流電動(dòng)機(jī)機(jī)。3．進(jìn)給運(yùn)動(dòng)動(dòng)傳動(dòng)部件滾珠絲杠螺母母副是回轉(zhuǎn)運(yùn)運(yùn)動(dòng)與直線運(yùn)運(yùn)動(dòng)相互轉(zhuǎn)換換的新型理想想傳動(dòng)裝置。。具有如下優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)。（1）傳動(dòng)效效率高。（2）摩擦力力小。（3）使用壽壽命長(zhǎng)。（4）經(jīng)預(yù)緊緊后可以消除除軸向間隙，，提高系統(tǒng)的的剛度。（5）反向運(yùn)運(yùn)動(dòng)時(shí)無(wú)空行行程，可以提提高軸向運(yùn)動(dòng)動(dòng)精度。4．CRT顯顯示及其接口口5．?dāng)?shù)控機(jī)床床通信RS-232接口口1.2.3數(shù)數(shù)控機(jī)床床的工作原理理數(shù)控系統(tǒng)的主主要任務(wù)之一一就是控制執(zhí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)按預(yù)預(yù)定的軌跡運(yùn)運(yùn)動(dòng)。一般情情況是已知運(yùn)運(yùn)動(dòng)軌跡的起起點(diǎn)坐標(biāo)、終終點(diǎn)坐標(biāo)和曲曲線方程，由由數(shù)控系統(tǒng)實(shí)實(shí)時(shí)地算出各各個(gè)中間點(diǎn)的的坐標(biāo)。即需需要“插入、、補(bǔ)上”運(yùn)動(dòng)動(dòng)軌跡各個(gè)中中間點(diǎn)的坐標(biāo)標(biāo)，通常這個(gè)個(gè)過(guò)程就稱為為“插補(bǔ)”。。1．逐點(diǎn)比較較法直線插補(bǔ)補(bǔ)（1）直線插插補(bǔ)計(jì)算原理理①偏差計(jì)算算公式定義直線插補(bǔ)補(bǔ)的偏差判別別式如下：Fm=ymxexmye②終點(diǎn)判斷斷的方法一種方法是設(shè)設(shè)置Σx、Σy兩個(gè)減法計(jì)數(shù)數(shù)器。另一種方法是是設(shè)置一個(gè)終終點(diǎn)計(jì)數(shù)器。。第三種方法是是選終點(diǎn)坐標(biāo)標(biāo)值較大的坐坐標(biāo)作為計(jì)數(shù)數(shù)坐標(biāo)。③插補(bǔ)計(jì)算算過(guò)程偏差判斷坐標(biāo)進(jìn)給偏差計(jì)算終點(diǎn)判別2．逐點(diǎn)比較較法圓弧插補(bǔ)補(bǔ)（1）圓弧插插補(bǔ)計(jì)算原理理①偏差計(jì)算算公式定義圓弧偏差差判別式如下下：Fm=Rm2R2=xm2+ym2R2新加工點(diǎn)m+1點(diǎn)的偏差差為Fm2xm+1新加工點(diǎn)的偏偏差值為Fm+2ym+1②終點(diǎn)判別別方法③插補(bǔ)計(jì)算算過(guò)程1.3數(shù)數(shù)控機(jī)床的分分類1.3.1按按控制系系統(tǒng)的特點(diǎn)分分類1．點(diǎn)位控制制數(shù)控機(jī)床這類機(jī)床主要要有數(shù)控坐標(biāo)標(biāo)鏜床、數(shù)控控鉆床、數(shù)控控點(diǎn)焊機(jī)和數(shù)數(shù)控折彎?rùn)C(jī)等等，其相應(yīng)的的數(shù)控裝置稱稱為點(diǎn)位控制制數(shù)控裝置。。2．直線控制制數(shù)控機(jī)床這類機(jī)床主要要有數(shù)控車床床、數(shù)控磨床床和數(shù)控鏜銑銑床等，相應(yīng)應(yīng)的數(shù)控裝置置稱為直線控控制裝置。3．輪廓控制制數(shù)控機(jī)床屬于這類機(jī)床床的有數(shù)控車車床、數(shù)控銑銑床、加工中中心等。其相相應(yīng)的數(shù)控裝裝置稱為輪廓廓控制裝置。。輪廓數(shù)控裝裝置比點(diǎn)位、、直線控制裝裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜雜得多，功能能齊全得多。。1.3.2按按進(jìn)給伺伺服系統(tǒng)的類類型分類1．開環(huán)進(jìn)給給伺服系統(tǒng)數(shù)數(shù)控機(jī)床開環(huán)進(jìn)給伺服服系統(tǒng)通常不不帶有位置檢檢測(cè)元件，伺伺服驅(qū)動(dòng)元件件一般為步進(jìn)進(jìn)電動(dòng)機(jī)。2．閉環(huán)進(jìn)給給伺服系統(tǒng)數(shù)數(shù)控機(jī)床閉環(huán)進(jìn)給控制制系統(tǒng)帶有位位置檢測(cè)元件件，隨時(shí)可以以檢測(cè)出工作作臺(tái)的實(shí)際位位移，并反饋饋給數(shù)控裝置置，并與設(shè)定定的指令值進(jìn)進(jìn)行比較，利利用其差值控控制伺服電動(dòng)動(dòng)機(jī)，直至差差值為零為止止。3．半閉環(huán)進(jìn)進(jìn)給伺服系統(tǒng)統(tǒng)數(shù)控機(jī)床半閉環(huán)進(jìn)給伺伺服系統(tǒng)是將將位置檢測(cè)元元件安裝在伺伺服電動(dòng)機(jī)的的軸上或滾珠珠絲杠的端部部，不直接反反饋機(jī)床的位位移量，而是是檢測(cè)伺服機(jī)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)角，，將此信號(hào)反反饋給數(shù)控裝裝置進(jìn)行指令令值比較，用用差值控制伺伺服電動(dòng)機(jī)。。1.3.3按按工工藝藝用用途途分分類類1．．金金屬屬切切削削類類數(shù)數(shù)控控機(jī)機(jī)床床金屬屬切切削削類類數(shù)數(shù)控控機(jī)機(jī)床床包包括括數(shù)數(shù)控控車車床床、、數(shù)數(shù)控控鉆鉆床床、、數(shù)數(shù)控控銑銑床床、、數(shù)數(shù)控控磨磨床床、、數(shù)數(shù)控控鏜鏜床床以以及及加加工工中中心心。。2．．金金屬屬成成型型類類數(shù)數(shù)控控機(jī)機(jī)床床金屬屬成成型型類類數(shù)數(shù)控控機(jī)機(jī)床床包包括括數(shù)數(shù)控控折折彎彎?rùn)C(jī)機(jī)、、數(shù)數(shù)控控組組合合沖沖床床和和數(shù)數(shù)控控回回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)頭頭壓壓力力機(jī)機(jī)等等。。這這類類機(jī)機(jī)床床起起步步晚晚，，但但目目前前發(fā)發(fā)展展很