第一單元 數(shù)控機(jī)床整機(jī)結(jié)構(gòu)-模塊2-3

模塊一數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生及分類模塊二數(shù)控機(jī)床的構(gòu)成模塊三數(shù)控機(jī)床的未來(lái)項(xiàng)目1剖析數(shù)控機(jī)床總體結(jié)構(gòu)項(xiàng)目2配置數(shù)控機(jī)床控制裝置模塊二數(shù)控機(jī)床的構(gòu)成數(shù)控機(jī)床的總體組成與工作原理操作面板它是操作人員與數(shù)控裝置進(jìn)行信息交流的工具。組成：按鈕站、狀態(tài)燈、按鍵陣列（功能與計(jì)算機(jī)鍵盤一樣）和顯示器；。它是數(shù)控機(jī)床特有部件。

控制介質(zhì)與輸入輸出設(shè)備控制介質(zhì)是記錄零件加工程序的媒介輸入輸出設(shè)備是CNC系統(tǒng)與外部設(shè)備進(jìn)行交互裝置。交互的信息通常是零件加工程序。即將編制好的記錄在控制介質(zhì)上的零件加工程序輸入CNC系統(tǒng)或?qū)⒄{(diào)試好了的零件加工程序通過(guò)輸出設(shè)備存放或記錄在相應(yīng)的控制介質(zhì)上。通訊現(xiàn)代的數(shù)控系統(tǒng)除采用輸入輸出設(shè)備進(jìn)行信息交換外，一般都具有用通訊方式進(jìn)行信息交換的能力。它們是實(shí)現(xiàn)CAD/CAM的集成、FMS和CIMS的基本技術(shù)。采用的方式有：串行通訊（RS-232等串口）、自動(dòng)控制專用接口和規(guī)范（DNC方式，MAP協(xié)議等）網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（internet，LAN等）。

CNC裝置(CNC單元)組成：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、位置控制板、PLC接口板，通訊接口板、特殊功能模塊以及相應(yīng)的控制軟件。作用：根據(jù)輸入的零件加工程序進(jìn)行相應(yīng)的處理（如運(yùn)動(dòng)軌跡處理、機(jī)床輸入輸出處理等），然后輸出控制命令到相應(yīng)的執(zhí)行部件(伺服單元、驅(qū)動(dòng)裝置和PLC等)，所有這些工作是由CNC裝置內(nèi)硬件和軟件協(xié)調(diào)配合，合理組織，使整個(gè)系統(tǒng)有條不紊地進(jìn)行工作的。CNC裝置是CNC系統(tǒng)的核心

伺服單元、驅(qū)動(dòng)裝置和測(cè)量裝置伺服單元和驅(qū)動(dòng)裝置主軸伺服驅(qū)動(dòng)裝置和主軸電機(jī)進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)裝置和進(jìn)給電機(jī)測(cè)量裝置位置和速度測(cè)量裝置。以實(shí)現(xiàn)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的閉環(huán)控制。作用保證靈敏、準(zhǔn)確地跟蹤C(jī)NC裝置指令：進(jìn)給運(yùn)動(dòng)指令：實(shí)現(xiàn)零件加工的成形運(yùn)動(dòng)（速度和位置控制）。主軸運(yùn)動(dòng)指令，實(shí)現(xiàn)零件加工的切削運(yùn)動(dòng)（速度控制）

PLC、機(jī)床I/O電路和裝置PLC(ProgrammableLogicController)：用于完成與邏輯運(yùn)算有關(guān)順序動(dòng)作的I/O控制，它由硬件和軟件組成；機(jī)床I/O電路和裝置：實(shí)現(xiàn)I/O控制的執(zhí)行部件(由繼電器、電磁閥、行程開(kāi)關(guān)、接觸器等組成的邏輯電路；功能：接受CNC的M、S、T指令，對(duì)其進(jìn)行譯碼并轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)，控制輔助裝置完成機(jī)床相應(yīng)的開(kāi)關(guān)動(dòng)作接受操作面板和機(jī)床側(cè)的I/O信號(hào)，送給CNC裝置，經(jīng)其處理后，輸出指令控制CNC系統(tǒng)的工作狀態(tài)和機(jī)床的動(dòng)作。機(jī)床本體機(jī)床：數(shù)控機(jī)床的主體，是實(shí)現(xiàn)制造加工的執(zhí)行部件。組成：由主運(yùn)動(dòng)部件、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)部件（工作臺(tái)、拖板以及相應(yīng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)）、支承件（立柱、床身等）以及特殊裝置（刀具自動(dòng)交換系統(tǒng)工件自動(dòng)交換系統(tǒng)）和輔助裝置（如排屑裝置等）。項(xiàng)目1未來(lái)的數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)項(xiàng)目2控制裝置的發(fā)展趨勢(shì)模塊三數(shù)控機(jī)床的未來(lái)項(xiàng)目3IT-MT一體化編程方法發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)入九十年代以來(lái)，隨著國(guó)際上計(jì)算機(jī)技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，數(shù)控技術(shù)不斷采用計(jì)算機(jī)、控制理論等領(lǐng)域的最新技術(shù)成就，使其朝著下述方向發(fā)展運(yùn)行高速化加工高精化功能復(fù)合化控制智能化體系開(kāi)放化驅(qū)動(dòng)并聯(lián)化交互網(wǎng)絡(luò)化

運(yùn)行高速化、加工高精化速度和精度是數(shù)控設(shè)備的兩個(gè)重要指標(biāo)，它們是數(shù)控技術(shù)永恒追求的目標(biāo)。因?yàn)樗苯雨P(guān)系到加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量。新一代數(shù)控設(shè)備在運(yùn)行高速化、加工高精化等方面都有了更高的要求。運(yùn)行高速化使進(jìn)給率、主軸轉(zhuǎn)速、刀具交換速度、托盤交換速度實(shí)現(xiàn)高速化，并且具有高加（減）速率。

進(jìn)給率高速化：在分辨率為1m時(shí)，F(xiàn)max=240m/min。在Fmax下可獲得復(fù)雜型面的精確加工；在程序段長(zhǎng)度為1mm時(shí)，F(xiàn)max=30m/min，并且具有1.5g的加減速率；主軸高速化：采用電主軸（內(nèi)裝式主軸電機(jī)），即主軸電機(jī)的轉(zhuǎn)子軸就是主軸部件。主軸最高轉(zhuǎn)速達(dá)200000r/min。主軸轉(zhuǎn)速的最高加（減）速為1.0g，即僅需1.8秒即可從0提速到15000r/min。換刀速度

0.9秒（刀到刀）2.8秒（切削到切削）工作臺(tái)（托盤）交換速度6.3秒。加工高精化提高機(jī)械設(shè)備的制造和裝配精度；提高數(shù)控系統(tǒng)的控制精度；采用誤差補(bǔ)償技術(shù)。

提高CNC系統(tǒng)控制精度：采用高速插補(bǔ)技術(shù)，以微小程序段實(shí)現(xiàn)連續(xù)進(jìn)給，使CNC控制單位精細(xì)化，采用高分辨率位置檢測(cè)裝置，提高位置檢測(cè)精度（日本交流伺服電機(jī)已有裝上106脈沖/轉(zhuǎn)的內(nèi)藏位置檢測(cè)器，其位置檢測(cè)精度能達(dá)到0.01m/脈沖）；位置伺服系統(tǒng)采用前饋控制與非線性控制等方法。采用誤差補(bǔ)償技術(shù)采用反向間隙補(bǔ)償、絲桿螺距誤差補(bǔ)償和刀具誤差補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù);設(shè)備的熱變形誤差補(bǔ)償和空間誤差的綜合補(bǔ)償技術(shù)。研究結(jié)果表明，綜合誤差補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用可將加工誤差減少60％～80％。三井精機(jī)的JidicH5D型超精密臥式加工中心的定位精度為±0.1m。功能復(fù)合化復(fù)合化是指在一臺(tái)設(shè)備能實(shí)現(xiàn)多種工藝手段加工的方法。鏜銑鉆復(fù)合—加工中心（ATC）、五面加工中心（ATC，主軸立臥轉(zhuǎn)換）；車銑復(fù)合—車削中心（ATC，動(dòng)力刀頭）；銑鏜鉆車復(fù)合—復(fù)合加工中心（ATC，可自動(dòng)裝卸車刀架）；銑鏜鉆磨復(fù)合—復(fù)合加工中心（ATC，動(dòng)力磨頭）；可更換主軸箱的數(shù)控機(jī)床—組合加工中心；

控制智能化隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，并為滿足制造業(yè)生產(chǎn)柔性化、制造自動(dòng)化發(fā)展需求，數(shù)控技術(shù)智能化程度不斷提高，具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

加工過(guò)程自適應(yīng)控制技術(shù)通過(guò)監(jiān)測(cè)加工過(guò)程中的切削力、主軸和進(jìn)給電機(jī)的功率、電流、電壓等信息，利用傳統(tǒng)的或現(xiàn)代的算法進(jìn)行識(shí)別，以辯識(shí)出刀具的受力、磨損以及破損狀態(tài)，機(jī)床加工的穩(wěn)定性狀態(tài)；并根據(jù)這些狀態(tài)實(shí)時(shí)修調(diào)加工參數(shù)（主軸轉(zhuǎn)速，進(jìn)給速度）和加工指令，使設(shè)備處于最佳運(yùn)行狀態(tài)，以提高加工精度、降低工件表面粗糙度以及設(shè)備運(yùn)行的安全性。MitsubishiElectric公司的用于數(shù)控電火花成型機(jī)床的“MiracleFuzzy”基于模糊邏輯的自適應(yīng)控制器，可自動(dòng)控制和優(yōu)化加工參數(shù)；日本牧野在電火花NC系統(tǒng)Makino_Mce20中，用專家系統(tǒng)代替人進(jìn)行加工過(guò)程監(jiān)控。以色列的外置式力自適應(yīng)控制器意大利Mandelli公司數(shù)控系統(tǒng)的可編程功率自適應(yīng)控制功能。國(guó)內(nèi)清華和我校的自適應(yīng)控制技術(shù)的研究已取得成果。正在進(jìn)行商品化開(kāi)發(fā)。加工參數(shù)的智能優(yōu)化與選擇

將工藝專家或技工的經(jīng)驗(yàn)、零件加工的一般與特殊規(guī)律，用現(xiàn)代智能方法，構(gòu)造基于專家系統(tǒng)或基于模型的“加工參數(shù)的智能優(yōu)化與選擇器”，利用它獲得優(yōu)化的加工參數(shù)，從而達(dá)到提高編程效率和加工工藝水平，縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間的目的。采用經(jīng)過(guò)優(yōu)化的加工參數(shù)編制的加工程序，可使加工系統(tǒng)始終處于較合理和較經(jīng)濟(jì)的工作狀態(tài)。目前已開(kāi)發(fā)出帶自學(xué)習(xí)功能的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電火花加工專家系統(tǒng)。日本大隈公司的7000系列數(shù)控系統(tǒng)帶有人工智能式自動(dòng)編程功能。國(guó)內(nèi)清華和我校在加工參數(shù)的智能優(yōu)化與選擇及CAPP方面的研究也取得了一些成果。但有待進(jìn)行實(shí)用化開(kāi)發(fā)。

智能故障診斷與自修復(fù)技術(shù)

智能故障診斷技術(shù)：根據(jù)已有的故障信息，應(yīng)用現(xiàn)代智能方法（AI、ES、ANN等），實(shí)現(xiàn)故障快速準(zhǔn)確定位的技術(shù)。智能故障自修復(fù)技術(shù)：指能根據(jù)診斷確定故障原因和部位，以自動(dòng)排除故障或指導(dǎo)故障的排除技術(shù)。智能自修復(fù)技術(shù)集故障自診斷、故障自排除、自恢復(fù)、自調(diào)節(jié)于一體，并貫穿于加工過(guò)程的整個(gè)生命周期。智能故障診斷技術(shù)在有些日本、美國(guó)公司生產(chǎn)的數(shù)控系統(tǒng)中已有應(yīng)用，基本上都是應(yīng)用專家系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。智能化自修復(fù)技術(shù)還在研究之中。

智能化交流伺服驅(qū)動(dòng)裝置

目前已開(kāi)始研究能自動(dòng)識(shí)別負(fù)載，并自動(dòng)調(diào)整參數(shù)的智能化伺服系統(tǒng)，包括智能主軸交流驅(qū)動(dòng)裝置和智能化進(jìn)給伺服裝置。這種驅(qū)動(dòng)裝置能自動(dòng)識(shí)別電機(jī)及負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，并自動(dòng)對(duì)控制系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)獲得最佳運(yùn)行。

智能4M數(shù)控系統(tǒng)在制造過(guò)程中，加工、檢測(cè)一體化是實(shí)現(xiàn)快速制造、快速檢測(cè)和快速響應(yīng)的有效途徑，將測(cè)量(Measurement)、建模(Modelling)、加工(Manufacturing)、機(jī)器操作(Manipulator)四者（即4M）融合在一個(gè)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)信息共享，促進(jìn)測(cè)量、建模、加工、裝夾、操作一體化的4M智能系統(tǒng)。

體系開(kāi)放化定義（IEEE）：具有在不同的工作平臺(tái)上均能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能、且可以與其他的系統(tǒng)應(yīng)用進(jìn)行互操作的系統(tǒng)。開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)特點(diǎn)：系統(tǒng)構(gòu)件（軟件和硬件）具有標(biāo)準(zhǔn)化(Standardization)與多樣化(Diversification)和互換性(Interchangeability)的特征允許通過(guò)對(duì)構(gòu)件的增減來(lái)構(gòu)造系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)“積木式”的集成。構(gòu)造應(yīng)該是可移植的和透明的；開(kāi)放體系結(jié)構(gòu)CNC的優(yōu)點(diǎn)向未來(lái)技術(shù)開(kāi)放：由于軟硬件接口都遵循公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，只需少量的重新設(shè)計(jì)和調(diào)整，新一代的通用軟硬件資源就可能被現(xiàn)有系統(tǒng)所采納、吸收和兼容，這就意味著系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)費(fèi)用將大大降低而系統(tǒng)性能與可靠性將不斷改善并處于長(zhǎng)生命周期；標(biāo)準(zhǔn)化的人機(jī)界面：標(biāo)準(zhǔn)化的編程語(yǔ)言，方便用戶使用，降低了和操作效率直接有關(guān)的勞動(dòng)消耗；向用戶特殊要求開(kāi)放：更新產(chǎn)品、擴(kuò)充能力、提供可供選擇的硬軟件產(chǎn)品的各種組合以滿足特殊應(yīng)用要求，給用戶提供一個(gè)方法，從低級(jí)控制器開(kāi)始，逐步提高，直到達(dá)到所要求的性能為止。另外用戶自身的技術(shù)訣竅能方便地融入，創(chuàng)造出自己的名牌產(chǎn)品；可減少產(chǎn)品品種，便于批量生產(chǎn)、提高可靠性和降低成本，增強(qiáng)市場(chǎng)供應(yīng)能力和競(jìng)爭(zhēng)能力。開(kāi)放式數(shù)控裝置的概念結(jié)構(gòu)硬件配置單元軟件配置單元標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)硬件數(shù)控系統(tǒng)基本硬件數(shù)控功能應(yīng)用程序DOS(WINDOWS)實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)RTM應(yīng)用程序接口NC構(gòu)件庫(kù)

國(guó)內(nèi)外開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的研究進(jìn)展美國(guó)：NGC(TheNextGenerationWork-station/MachineController)和OMAC(OpenModularArchitectureController)計(jì)劃歐共體：OSACA（OpenSystemArchitectureforControlwithinAutomationSystems)計(jì)劃日本：OSEC(OpenSystemEnvironmentforController)計(jì)劃華中I型——基于IPC的CNC開(kāi)放體系結(jié)構(gòu)航天I型CNC系統(tǒng)——基于PC的多機(jī)CNC開(kāi)放體系結(jié)構(gòu)

驅(qū)動(dòng)并聯(lián)化并聯(lián)加工中心（又稱6條腿數(shù)控機(jī)床、虛軸機(jī)床）是數(shù)控機(jī)床在結(jié)構(gòu)上取得