數(shù)控技術(shù)與裝備概述

數(shù)控技術(shù)

浙江師范大學(xué)

交通學(xué)院

二00八年前言一、本課程性質(zhì)等二、為什么要學(xué)習(xí)本課程三、本課程要求四、本課程目的課程性質(zhì)：重要專業(yè)課課程學(xué)時(shí)：30（講授學(xué)時(shí)：26；實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：4）周學(xué)時(shí)：2教材：鄭堤主編.數(shù)控機(jī)床與編程.機(jī)械工業(yè)出版社，2005參考書：朱曉春主編.《數(shù)控技術(shù)》.機(jī)械工業(yè)出版社，2006

李恩林主編.《數(shù)控技術(shù)應(yīng)用自學(xué)讀本》.機(jī)械工業(yè)出版社，2006

授課方式：課堂教學(xué)+實(shí)驗(yàn)+作業(yè)考核方式：期末考試（80%）+平時(shí)（出勤、答疑、實(shí)驗(yàn)、作業(yè)）（20%）一、本課程性質(zhì)等是先進(jìn)制造技術(shù)內(nèi)容之一是制造裝備數(shù)字化的主要內(nèi)容是柔性自動(dòng)化的基礎(chǔ)數(shù)控機(jī)床是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用越來越普及數(shù)控機(jī)床應(yīng)用人才需求量大且迫切數(shù)控技術(shù)適用領(lǐng)域廣泛是機(jī)械工程領(lǐng)域的人才必備的專業(yè)知識(shí)二、為什么要學(xué)習(xí)本課程？

藍(lán)領(lǐng)：機(jī)床操作

銀領(lǐng)（灰領(lǐng)）：工藝設(shè)計(jì)與編程，維修，數(shù)控改造

金領(lǐng)（白領(lǐng)）：管理金領(lǐng)銀領(lǐng)藍(lán)領(lǐng)社會(huì)急需的數(shù)控加工人才類型：三、本課程要求要求不缺課，認(rèn)真聽課，課前預(yù)習(xí)，課后復(fù)習(xí)認(rèn)真實(shí)驗(yàn)，按時(shí)獨(dú)立完成作業(yè)，積極參加課堂討論有問題及時(shí)答疑并反饋信息廣泛查閱參考資料充分利用實(shí)驗(yàn)室的開放條件真正學(xué)到知識(shí)和本領(lǐng)。四、本課程目的掌握數(shù)控技術(shù)的基本原理、數(shù)控機(jī)床的組成、工作原理及特點(diǎn)了解數(shù)控技術(shù)的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀與趨勢(shì)了解數(shù)控裝置的構(gòu)成、工作原理及性能特點(diǎn)掌握數(shù)控機(jī)床機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、性能特點(diǎn)及設(shè)計(jì)計(jì)算方法掌握數(shù)控機(jī)床手工編程方法，能夠編制較簡單零件的數(shù)控加工程序了解數(shù)控機(jī)床計(jì)算機(jī)輔助編程方法了解數(shù)控機(jī)床的選用、購置、維護(hù)與管理第一章緒論第一節(jié)數(shù)控技術(shù)基本概念與原理第二節(jié)數(shù)控機(jī)床第三節(jié)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展本章要求了解并掌握數(shù)控技術(shù)基本原理；了解并掌握數(shù)控機(jī)床的組成、工作原理、分類與特點(diǎn)；掌握數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)系及其命名方法；了解數(shù)控機(jī)床的發(fā)展歷史與發(fā)展趨勢(shì)。第一節(jié)數(shù)控技術(shù)基本概念與原理數(shù)字控制技術(shù)，簡稱數(shù)控技術(shù)（NC）：采用數(shù)字指令信號(hào)對(duì)機(jī)電產(chǎn)品或設(shè)備進(jìn)行控制的一種自動(dòng)控制技術(shù)。數(shù)控技術(shù)與傳統(tǒng)的設(shè)備自動(dòng)控制技術(shù)的顯著區(qū)別：坐標(biāo)控制——采用數(shù)字指令信號(hào)對(duì)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)部件的坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制。ZYX數(shù)控技術(shù)的基基本原理將被控設(shè)備末末端執(zhí)行部件件的運(yùn)動(dòng)（或或多個(gè)末端執(zhí)執(zhí)行部件的合合成運(yùn)動(dòng)）納入到適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)標(biāo)系中，將所所要求的復(fù)雜雜運(yùn)動(dòng)分解成各坐標(biāo)軸的的簡單直線運(yùn)運(yùn)動(dòng)或回轉(zhuǎn)運(yùn)運(yùn)動(dòng)，并用一一個(gè)滿足精度度要求的基本長度單位位（BasicLengthUnit，BLU）對(duì)各坐標(biāo)軸進(jìn)進(jìn)行離散化，由電子控控制裝置（即即數(shù)控裝置））按數(shù)控程序序規(guī)定的運(yùn)動(dòng)動(dòng)控制規(guī)律產(chǎn)產(chǎn)生與基本長長度單位對(duì)應(yīng)應(yīng)的數(shù)字指令令脈沖對(duì)各坐標(biāo)軸的的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控控制，并通過過伺服執(zhí)行元元件加以驅(qū)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)所所要求的復(fù)雜雜運(yùn)動(dòng)。幾個(gè)基本概念念插補(bǔ)：插補(bǔ)是數(shù)控技技術(shù)的核心。插補(bǔ)裝置的的功用是將期期望的設(shè)備運(yùn)運(yùn)動(dòng)軌跡沿各各坐標(biāo)軸微分分成基本長度度單位，并轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成可控制制各坐標(biāo)軸運(yùn)運(yùn)動(dòng)的一系列列數(shù)字指令脈脈沖。驅(qū)動(dòng)：將插補(bǔ)裝置輸輸出的數(shù)字指指令脈沖進(jìn)行行轉(zhuǎn)換與放大大，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行行元件，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)由數(shù)字指令令脈沖序列規(guī)規(guī)定的坐標(biāo)運(yùn)運(yùn)動(dòng)，并最終終由各坐標(biāo)運(yùn)運(yùn)動(dòng)合成所期望的運(yùn)動(dòng)動(dòng)軌跡。功率放大伺服電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)工作臺(tái)指令脈沖脈沖當(dāng)量：對(duì)應(yīng)于插補(bǔ)裝裝置輸出的每每一個(gè)數(shù)字指令脈沖沖，伺服驅(qū)動(dòng)系系統(tǒng)末端執(zhí)行行部件所實(shí)現(xiàn)現(xiàn)的理論位移被稱為脈沖當(dāng)當(dāng)量，它是系系統(tǒng)所能控制制的最小位移移，又稱系統(tǒng)統(tǒng)的控制分辨率，一般取為基基本長度單位位（BLU）。BLUNC與CNCNC——早期采用硬件件數(shù)字電路實(shí)實(shí)現(xiàn)的數(shù)控。。CNC——現(xiàn)代采用微型型計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)的數(shù)控，稱稱計(jì)算機(jī)數(shù)字字控制技術(shù)，，簡稱計(jì)算機(jī)機(jī)數(shù)控（ComputerNumericalControl，CNC）。CNC是先進(jìn)制造技技術(shù)或生產(chǎn)模模式的基礎(chǔ)，，是現(xiàn)代制造造業(yè)的基礎(chǔ)柔性自動(dòng)化（（FMS）計(jì)算機(jī)集成制制造（CIM）智能制造（IM）敏捷制造（AM）虛擬制造（VM）……第二節(jié)數(shù)控機(jī)床一、數(shù)控機(jī)床床的組成與工工作原理程序編制數(shù)控裝置檢測(cè)反饋系統(tǒng)機(jī)床本體伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)圖樣產(chǎn)品強(qiáng)電控制系統(tǒng)毛坯數(shù)控系統(tǒng)二、數(shù)控機(jī)床床的分類1.按數(shù)控控機(jī)床的加工工工藝分類數(shù)控車床數(shù)控銑床加工中心機(jī)床床：具有自動(dòng)動(dòng)換刀功能，，工序集中，，可一次裝夾夾連續(xù)自動(dòng)地地完成銑削、、鉆削、鏜削削、鉸孔、擴(kuò)擴(kuò)孔、攻絲等等多道工序的的加工。數(shù)控鉆床數(shù)控磨床數(shù)控鏜床數(shù)控剪板機(jī)數(shù)控折彎機(jī)數(shù)控電加工機(jī)機(jī)床數(shù)控三坐標(biāo)測(cè)測(cè)量機(jī)數(shù)控車床數(shù)控車削中心心數(shù)控立式倒置置主軸車床數(shù)控立式車床床立式加工中心心機(jī)床臥式加工中心心機(jī)床數(shù)控磨床數(shù)控沖床數(shù)控激光切割割機(jī)床三維數(shù)控激光加工機(jī)床床數(shù)控滾齒機(jī)數(shù)控折彎機(jī)電火花成型機(jī)機(jī)床數(shù)控線切割機(jī)機(jī)床三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)機(jī)2.按數(shù)控控機(jī)床運(yùn)動(dòng)軌軌跡控制方式式分類點(diǎn)位控制數(shù)控控機(jī)床連續(xù)控制數(shù)控控機(jī)床（輪廓廓控制數(shù)控機(jī)機(jī)床）XZY3.按伺服服系統(tǒng)控制方方式分類開環(huán)控制數(shù)控控機(jī)床數(shù)控裝置步進(jìn)電動(dòng)機(jī)機(jī)床工作臺(tái)閉環(huán)控制數(shù)控控機(jī)床數(shù)控裝置伺服馬達(dá)機(jī)床工作臺(tái)位置檢測(cè)器半閉環(huán)控制數(shù)數(shù)控機(jī)床數(shù)控裝置伺服馬達(dá)位置檢測(cè)器機(jī)床工作臺(tái)位置檢測(cè)器4.按數(shù)控控機(jī)床功能強(qiáng)強(qiáng)弱分類經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)機(jī)床——簡易易數(shù)控，脈沖沖當(dāng)量：0.001-0.01mm全功能數(shù)控機(jī)機(jī)床——普及型數(shù)控機(jī)機(jī)床，脈沖當(dāng)當(dāng)量：0.1-1μm高檔型數(shù)控機(jī)機(jī)床——五軸軸以上聯(lián)動(dòng)控控制、高度柔柔性、超高速速、超精密,脈沖當(dāng)量：：<0.1μm5.按控制制聯(lián)動(dòng)坐標(biāo)軸軸數(shù)分類二坐標(biāo)數(shù)控機(jī)機(jī)床主要用于于加工二維平平面輪廓；三坐標(biāo)數(shù)控機(jī)機(jī)床主要用于于加工三維立立體輪廓；四坐標(biāo)和五坐坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床床主要用于加加工空間復(fù)雜雜曲面或一些些高精度、難難加工的特殊殊型面。三、數(shù)控機(jī)床床的特點(diǎn)自動(dòng)化程度高高加工精度高生產(chǎn)率高對(duì)工件的適應(yīng)應(yīng)性強(qiáng)有利于生產(chǎn)管管理信息化四、數(shù)控機(jī)床床坐標(biāo)系數(shù)控機(jī)床最重重要的功能是是坐標(biāo)控制功功能。數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)標(biāo)系是設(shè)計(jì)、、制造和使用用數(shù)控機(jī)床的的基礎(chǔ)。有關(guān)數(shù)控機(jī)床床坐標(biāo)系的國國際標(biāo)準(zhǔn)：ISO841—1974JB/T3051—1999《數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)標(biāo)和運(yùn)動(dòng)方向向的命名》1．?dāng)?shù)控機(jī)床床坐標(biāo)系采用右手笛卡卡兒直角坐標(biāo)標(biāo)系：坐標(biāo)軸X、Y、Z的正向采用右右手定則確定定坐標(biāo)軸A、B、C的正向采用右右手螺旋定則則確定通常在命名數(shù)數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)標(biāo)系時(shí)，總是是假定工件不不動(dòng)，刀具相相對(duì)于工件運(yùn)運(yùn)動(dòng)，則坐標(biāo)標(biāo)系用XYZABC表達(dá)；若刀具不動(dòng)，，工件相對(duì)于于刀具運(yùn)動(dòng)，，則相應(yīng)的坐坐標(biāo)系用X′Y′Z′A′B′C′來表達(dá)。兩種坐標(biāo)系中中的正運(yùn)動(dòng)方方向正好相反反。幾種坐標(biāo)系機(jī)床坐標(biāo)系：：機(jī)床上固有的的坐標(biāo)系，并并設(shè)有固定的的坐標(biāo)原點(diǎn)，，稱機(jī)床零點(diǎn)點(diǎn)或機(jī)械零點(diǎn)點(diǎn)；由數(shù)控機(jī)床制制造商提供，，機(jī)床出廠時(shí)時(shí)該坐標(biāo)系就就已確定，用用戶不能輕易易修改；與機(jī)床的位置置檢測(cè)系統(tǒng)相相對(duì)應(yīng)，是數(shù)數(shù)控機(jī)床的基基準(zhǔn)；機(jī)床每次上電電開機(jī)后，應(yīng)應(yīng)首先使運(yùn)動(dòng)動(dòng)部件返回機(jī)機(jī)床零點(diǎn)，對(duì)對(duì)機(jī)床坐標(biāo)系系進(jìn)行校準(zhǔn)。。工件坐標(biāo)系是為編程和加加工方便由編編程人員在編編制零件數(shù)控控加工程序時(shí)時(shí)設(shè)置的，可可以任意設(shè)置置；不同的零件或或不同的編程程人員可以根根據(jù)習(xí)慣或工工藝特點(diǎn)而采采用不同的工工件坐標(biāo)系；；采用工件坐標(biāo)標(biāo)系進(jìn)行編程程時(shí)，可以不不考慮加工時(shí)時(shí)所采用的具具體機(jī)床的坐坐標(biāo)系及工件件在機(jī)床上的的裝夾位置，，為編程人員員帶來很大方方便。YY1OO1XX1工件坐標(biāo)系偏置工件坐標(biāo)系機(jī)床坐標(biāo)系絕對(duì)坐標(biāo)系和和相對(duì)坐標(biāo)系系絕對(duì)坐標(biāo)系是是指刀具運(yùn)動(dòng)動(dòng)軌跡上所有點(diǎn)的坐標(biāo)值均從某一固定坐坐標(biāo)原點(diǎn)計(jì)量量的坐標(biāo)系；；相對(duì)坐標(biāo)系（（又稱增量坐坐標(biāo)系）是指指刀具運(yùn)動(dòng)軌軌跡的終點(diǎn)坐標(biāo)是相對(duì)于于起點(diǎn)計(jì)量的坐標(biāo)系系；絕對(duì)坐標(biāo)系和和相對(duì)坐標(biāo)系系可通過標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)數(shù)控代碼G90（絕對(duì)坐標(biāo)指令令代碼）和G91（相對(duì)坐標(biāo)指令令代碼）進(jìn)行行轉(zhuǎn)換。OO1X1YXABY130123515附加坐標(biāo)系機(jī)床在主坐標(biāo)標(biāo)系XYZABC的坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)之之外還有與之之平行的坐標(biāo)標(biāo)運(yùn)動(dòng)，構(gòu)成成附加坐標(biāo)系系UVWPQR；附加坐標(biāo)系一一般僅在大型型數(shù)控機(jī)床上上會(huì)出現(xiàn)。2．?dāng)?shù)控機(jī)床坐坐標(biāo)軸的確定定Z軸及其方向有主軸機(jī)床（（車、銑、鉆鉆鏜等），Z軸與主軸軸線線平行；無主軸機(jī)床（（刨、插等）），或多主軸軸機(jī)床（龍門門式輪廓銑床床等），Z軸與工件裝夾夾面（即工作作臺(tái)面）的法法線平行。使刀具遠(yuǎn)離工工件或使工件件尺寸增大的的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)闉閆軸的正方向。。X軸及其方向一般位于與主主軸軸線垂直直或與工件裝裝夾面平行的的水平面內(nèi)。。在工件旋轉(zhuǎn)的的機(jī)床上，如如車床等，X軸垂直于主軸軸軸線且平行行于橫向滑板板，使刀具遠(yuǎn)遠(yuǎn)離工件或使使工件尺寸增增大的運(yùn)動(dòng)方方向?yàn)閄軸的正方向。。在刀具旋轉(zhuǎn)的的機(jī)床上若主軸是水平平的，如臥式式銑床等，則則逆著Z軸正向由刀具具（主軸）向向工件看，X軸的正向指向向右邊；若主軸是垂直直的，如立式式銑床等，則則由刀具向立立柱看，X軸的正向指向向右邊。Y軸及其方向Y軸及其方向可可在已經(jīng)確定定好Z軸和X軸的基礎(chǔ)上，，按右手定則則來確定。ZX臥式數(shù)控車床床坐標(biāo)系+X+ZXYZZXY第三節(jié)數(shù)控機(jī)床的發(fā)發(fā)展一、數(shù)控機(jī)床床發(fā)展簡史1948年，，美國人JohnParsons提出設(shè)想；1952年，，試制成功世界界上第一臺(tái)數(shù)數(shù)控機(jī)床；1952~1959：第一代電子子管數(shù)控系統(tǒng)統(tǒng)；1959~1965：第第二代晶體管管數(shù)控系統(tǒng)；；1965~1970：第第三代集成電電路數(shù)控系統(tǒng)統(tǒng)；1970~1974：第第四代大規(guī)模模集成電路及及小型通用計(jì)算算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)統(tǒng)；1974~：：第五代微型計(jì)計(jì)算機(jī)數(shù)控系系統(tǒng)；20世紀(jì)末~：第六代基于PC的數(shù)控系統(tǒng)。第一階段NC第二階段CNC柔性自動(dòng)化體積減小，功功能性能提高高數(shù)控機(jī)床布局局?jǐn)?shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)構(gòu)數(shù)控機(jī)床傳動(dòng)動(dòng)機(jī)構(gòu)主傳動(dòng)進(jìn)給傳動(dòng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)數(shù)控機(jī)床造型型數(shù)控機(jī)床功能能數(shù)控機(jī)床性能能隨著數(shù)控技術(shù)術(shù)的發(fā)展，對(duì)對(duì)機(jī)械系統(tǒng)要要求越來越高高，促使精密密機(jī)械技術(shù)得得到了快速的的發(fā)展我國數(shù)控機(jī)床床發(fā)展的三個(gè)個(gè)階段第一階段：1958-1979，封閉式發(fā)展階階段第二階段：““六五”、“七五”期間以及“八五”的前期，引進(jìn)技術(shù)，消消化吸收，初初步建立起國國產(chǎn)化體系階階段第三階段：““八五”后期和“九五”期間，實(shí)施產(chǎn)業(yè)化的的研究，進(jìn)入入市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)階階段目前前：：國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床床的國內(nèi)市場(chǎng)場(chǎng)占有率達(dá)50％，配置的國國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)統(tǒng)（普及型））也達(dá)到了10％；數(shù)控機(jī)床床的普及率迅迅速提高，數(shù)數(shù)控機(jī)床擁有有率目前已接接近3%二、數(shù)控機(jī)床床發(fā)展趨勢(shì)智能化：與人工智能相相結(jié)合；模糊糊控制、學(xué)習(xí)習(xí)控制、自適適應(yīng)控制、運(yùn)運(yùn)動(dòng)參數(shù)動(dòng)態(tài)態(tài)補(bǔ)償、自動(dòng)動(dòng)識(shí)別負(fù)載并并自動(dòng)優(yōu)化調(diào)調(diào)整參數(shù)、自自診斷和故障障監(jiān)控專家系系統(tǒng)；更好地地實(shí)現(xiàn)對(duì)人類類智力的延伸伸。開放化：基于PC，硬件、軟件和和總線規(guī)范均均對(duì)外開放，便于系統(tǒng)集集成和二次開開發(fā)，使數(shù)控系統(tǒng)具具有更好的通通用性、柔性性、適應(yīng)性、、擴(kuò)展性。網(wǎng)絡(luò)化：企業(yè)底層生產(chǎn)產(chǎn)控制系統(tǒng)的的集成更加簡簡便有效；促進(jìn)企業(yè)間的的合作與資源源共享；使制造商能夠夠通過計(jì)算機(jī)機(jī)網(wǎng)絡(luò)為用戶戶提供遠(yuǎn)程故故障診斷、維維修、技術(shù)咨咨詢等服務(wù)。。高速化：充分發(fā)揮現(xiàn)代代刀具材料的的性能，大幅幅度提高加工工效率、降低低加工成本，，提高零件的的表面加工質(zhì)質(zhì)量和精度，，適應(yīng)制造業(yè)業(yè)對(duì)高效、優(yōu)優(yōu)質(zhì)、低成本本生產(chǎn)的廣泛泛需求；目前，電主軸轉(zhuǎn)速可可達(dá)15,000～100,000r/min、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)部件件快移速度達(dá)達(dá)60～120m/min，切削進(jìn)給速度度達(dá)60m/min。。精密化：近10多年來來，普通級(jí)數(shù)數(shù)控機(jī)床的加加工精度已由由±10μm提高到±5μm，精密級(jí)加工中中心的加工精精度則從±3～5μm提高到±1～～1.5μm，超精密數(shù)控機(jī)機(jī)床加工精度度已開始進(jìn)入入納米級(jí)(0.01μm)。復(fù)合化：工序高度集中中，減少工序序間轉(zhuǎn)換時(shí)間間；5軸聯(lián)動(dòng)動(dòng)5面加工數(shù)數(shù)控機(jī)床是典典型的復(fù)合化化數(shù)控機(jī)床；；數(shù)控五面加加