數(shù)控機(jī)床概論

〖教學(xué)目的與要求〗

通過本章的教學(xué)，目的是使學(xué)生掌握數(shù)控機(jī)床的發(fā)展過程及現(xiàn)狀、數(shù)控機(jī)床的組成、工作原理與特點(diǎn)、數(shù)控機(jī)床的分類、數(shù)控機(jī)床的典型結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)（CNC）原理等。

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〖教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)〗

數(shù)控機(jī)床的組成、工作原理、典型結(jié)構(gòu)、

2/3/2023第一節(jié)

數(shù)控機(jī)床的發(fā)展過程一、數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生

最早出現(xiàn)于二十世紀(jì)四十年代初期的美國(guó)北密執(zhí)安的一個(gè)小公司，在制造飛機(jī)框架和直升機(jī)葉片時(shí)，利用全數(shù)字電子計(jì)算機(jī)對(duì)葉片輪廓的加工路徑精確地控制1952年研制成功了世界第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床———直線插補(bǔ)連續(xù)控制的三坐標(biāo)立式銑床

2/3/2023第一代：1952至1959年，采用電子管、繼電器元件；第二代：1959年開始，采用了晶體管分立元件；第三代：1965年開始，采用集成電路；第四代：1970年開始，采用大規(guī)模集成電路及小型計(jì)算機(jī)；第五代：1974年開始，采用微型計(jì)算機(jī)。2/3/20231958年開始研究1968年研制成功X53K--1立式銑床1975年研制成功第一臺(tái)加工中心

我國(guó)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展2/3/2023二、數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)（數(shù)控系統(tǒng)）(一)高速度、高精度化(二)多功能化(三)高效化(四)智能化(五)先進(jìn)制造系統(tǒng)2/3/2023數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)

（伺服系統(tǒng)）（早期）電液脈沖馬達(dá)----功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)----（60年代日本）小慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)----（70年代美）大慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)（寬調(diào)速直流伺服電動(dòng)機(jī)）----（80年代美通用電氣公司）異步交流伺服電動(dòng)機(jī)2/3/2023數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)（整體）數(shù)控機(jī)床加工中心（MachiningCenter)加工單元直接數(shù)控系統(tǒng)（DirectNC-DNC）柔性制造單元（Flexible）ManufacturingCell-FMC）

柔性制造系統(tǒng)（FlexibleManufacturingSystem-FMS）計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（ComputerIntegratedManufacturingSystem-CIMS）2/3/2023加工中心（MachiningCenter）一次裝夾可完成多道工序加工。它配備有裝載多把刀具的刀具庫(kù)，并具有自動(dòng)更換刀具的功能。

返回2/3/2023返回加工單元由數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人或工件交換機(jī)和工件臺(tái)架組成的加工單元，工件裝卸、加工實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)化控制。2/3/2023三、先進(jìn)制造系統(tǒng)柔性制造單元（FMC—FlexibleManufacturingCell）柔性制造系統(tǒng)（FMS---FlexibleManufacturingSystem）計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)2/3/2023作業(yè)字母縮寫數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)2/3/2023基本概念數(shù)字控制----（Numericalcontrol）NC.簡(jiǎn)稱數(shù)控。是指利用數(shù)字化的代碼構(gòu)成的程序或?qū)υO(shè)備的工作過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的一種方法。數(shù)控系統(tǒng)----利用數(shù)字控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)控制系統(tǒng)。數(shù)控設(shè)備----采用數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行控制的機(jī)械設(shè)備。其操作命令是數(shù)字代碼的形式來描述。工作過程是按照指定的程序自動(dòng)地進(jìn)行。第二節(jié)數(shù)控機(jī)床的組成、工作原理與特點(diǎn)2/3/2023如：數(shù)控機(jī)床、數(shù)控切割機(jī)、數(shù)控繪圖機(jī)、數(shù)控測(cè)量機(jī)、數(shù)控雕刻機(jī)、電腦繡花機(jī)、衣料開片機(jī)、數(shù)控插件機(jī)等。數(shù)控機(jī)床----裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床稱之為數(shù)控機(jī)床。2/3/2023內(nèi)臟手腳頭腦五官骨骼驅(qū)動(dòng)裝置伺服電動(dòng)機(jī)檢測(cè)裝置數(shù)控系統(tǒng)機(jī)床傳動(dòng)鏈一、數(shù)控機(jī)床的組成從仿生學(xué)的觀點(diǎn)來看，數(shù)控機(jī)床的組成類似于人的構(gòu)造及功能

人的五大要素?cái)?shù)控機(jī)床的五大要素2/3/2023對(duì)應(yīng)關(guān)系內(nèi)臟：建立了用能量來維持人的生命和活動(dòng)的條件（動(dòng)力）數(shù)控機(jī)床中的驅(qū)動(dòng)裝置和電源

返回2/3/2023對(duì)應(yīng)關(guān)系五官：接受外界的信息（傳感器）數(shù)控機(jī)床中位置和速度檢測(cè)裝置及壓力、溫度傳感器

返回2/3/2023對(duì)應(yīng)關(guān)系骨骼：用來把人體連成一體并規(guī)定其運(yùn)動(dòng)（機(jī)構(gòu)）數(shù)控機(jī)床的機(jī)械傳動(dòng)鏈，如滾珠絲杠螺母副、導(dǎo)軌副、齒輪副及聯(lián)軸器等

返回2/3/2023對(duì)應(yīng)關(guān)系手腳：作用于外界（執(zhí)行器）數(shù)控機(jī)床的主軸電動(dòng)機(jī)、進(jìn)給伺服電動(dòng)機(jī)及各種液壓缸和汽缸等

返回2/3/2023對(duì)應(yīng)關(guān)系頭腦：集中處理全部信息，并對(duì)其他要素和它們間的連接進(jìn)行有機(jī)的統(tǒng)一控制（計(jì)算機(jī)）數(shù)控機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)

返回2/3/2023對(duì)應(yīng)關(guān)系人體五大要素間的信息傳遞是靠神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)于數(shù)控機(jī)床的各種控制信號(hào)、反饋信號(hào)及驅(qū)動(dòng)線路

返回2/3/2023加工信息(加工程序)機(jī)床切削(機(jī)床)信息處理(數(shù)控系統(tǒng))伺服執(zhí)行(伺服系統(tǒng))信息反饋(反饋系統(tǒng))信息輸入(輸入裝置)輔助控制裝置二數(shù)控機(jī)床的（組成）加工過程2/3/2023（1）、加工程序：加工一個(gè)零件所需的數(shù)據(jù)及操作命令構(gòu)成的零件加工程序。（2）、輸入裝置：在零件加工前，由操作人員輸入數(shù)控機(jī)床加工程序才能根據(jù)加工程序進(jìn)行加工控制，從而加工出所需的零件。輸入時(shí)需借助于鍵盤、（顯示器）---輸出等，是進(jìn)行手動(dòng)數(shù)據(jù)輸入（MDI----ManualDataInput）的主要設(shè)備。此外，如：磁盤、磁帶和穿孔紙帶（存儲(chǔ)程序的介質(zhì)）也可輸入；還可用串行通信的方式輸入磁帶閱讀機(jī)、紙帶閱讀機(jī)。

返回2/3/2023（3）、數(shù)控系統(tǒng)：主功能是將輸入裝置傳送的數(shù)據(jù)加工程序，經(jīng)數(shù)控裝置系統(tǒng)軟件進(jìn)行譯碼、插補(bǔ)運(yùn)算和速度預(yù)處理等。譯碼時(shí)將程序區(qū)分為：幾何數(shù)據(jù)：刀具相對(duì)工件運(yùn)動(dòng)路徑的數(shù)據(jù)；利用它可加工出要求的幾何形狀。工藝數(shù)據(jù)：主軸轉(zhuǎn)速S和進(jìn)給速度F等輔助功能的數(shù)據(jù)。開關(guān)功能：對(duì)機(jī)床電器的開關(guān)命令；如：主軸啟/停、刀具選擇/交換、切削液的開關(guān)、潤(rùn)滑液的啟/停等。·插補(bǔ)器：根據(jù)曲線已知的幾何數(shù)據(jù)以及相關(guān)的工藝數(shù)據(jù)中速度信息，計(jì)算出曲線起、終點(diǎn)間的一系列中間點(diǎn)，分別向機(jī)床各坐標(biāo)軸發(fā)出速度和位移信號(hào)，通過各個(gè)軸運(yùn)動(dòng)的合成，形成符合數(shù)控加工程序要求的工件輪廓的刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡。

返回2/3/2023（4）、伺服系統(tǒng)：作用是接收數(shù)控系統(tǒng)插補(bǔ)的速度和位移的數(shù)字信號(hào)，轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)后控制伺服電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度（機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)）方向。一般由“驅(qū)動(dòng)電路+伺服電機(jī)”組成，并與機(jī)床的機(jī)械傳動(dòng)部件組成數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)。（每個(gè)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行部件都配有一套伺服驅(qū)動(dòng)裝置：開、閉、半閉環(huán)之分）·常用的伺服電動(dòng)機(jī)有：功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、寬調(diào)速直流伺服電動(dòng)機(jī)、交流伺服電動(dòng)機(jī)等。

返回2/3/2023（5）、反饋系統(tǒng)：它與伺服系統(tǒng)配套組成閉環(huán)和半閉環(huán)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；通過直接或間接測(cè)量將執(zhí)行部件的實(shí)際進(jìn)給位移檢測(cè)出來，反饋到數(shù)控系統(tǒng)并與指令位移比較，將其誤差轉(zhuǎn)換放大后控制執(zhí)行部件的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，以提高系統(tǒng)精度。（6）、機(jī)床：執(zhí)行部件。如：機(jī)床工作臺(tái)、刀具等。

返回2/3/2023三、加工特點(diǎn)數(shù)控加工與其他加工方法比較，數(shù)控機(jī)床有以下的特點(diǎn)：2/3/20231）優(yōu)點(diǎn)具有充分的柔性，只需編制零件程序就能加工新零件·在切削速度和進(jìn)給的全范圍內(nèi)均可保持精度、一致性好·生產(chǎn)周期較短·可以加工形狀復(fù)雜的零件·易于調(diào)整機(jī)床，與其它制造方法（如自動(dòng)機(jī)床、自動(dòng)生產(chǎn)線）相比，所需調(diào)整時(shí)間較少·操作者有空閑時(shí)間，空閑時(shí)可照料其它加工操作2/3/20232）、缺點(diǎn)·造價(jià)相對(duì)較高·維護(hù)比較復(fù)雜，需專門的維護(hù)人員·需高度熟練和經(jīng)過培訓(xùn)的零件編程人員2/3/2023返回適合于數(shù)控機(jī)床加工的零件1、輪廓形狀復(fù)雜、加工精度要求高或必須用數(shù)學(xué)方法解決的復(fù)雜曲線、曲面的小批量（100件左右）零件。2、試制中尚需多次改變?cè)O(shè)計(jì)的零件。3、加工工序較多的零件（如箱體類零件、航空附件殼體等）。4、價(jià)格昂貴的零件（如飛機(jī)大梁）。若加工中出現(xiàn)差錯(cuò)而使此類零件報(bào)廢，將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。5、要求精密復(fù)制的零件。2/3/2023作業(yè)數(shù)控機(jī)床由哪幾部分組成？各部分的基本作用是什么？數(shù)控機(jī)床適用于加工哪些零件？與普通機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床加工有何特點(diǎn)？2/3/2023第三節(jié)數(shù)控機(jī)床的分類一、按工藝用途分二、按控制的運(yùn)動(dòng)軌跡分三、按控制方式分四、按硬件基礎(chǔ)分五、按功能水平分六、按加工類型分七、按可聯(lián)動(dòng)的軸數(shù)分類2/3/2023一、按工藝用途分一般數(shù)控機(jī)床——有車、銑、鉆、鏜、磨等加工中心——在普通數(shù)控機(jī)床上加裝了刀庫(kù)和自動(dòng)換刀裝置而構(gòu)成的數(shù)控機(jī)床。特點(diǎn)是工件經(jīng)一次裝夾能進(jìn)行多工序加工。2/3/2023二、按控制的運(yùn)動(dòng)軌跡分1、點(diǎn)位控制系統(tǒng)（PositioningControl

）點(diǎn)位控制系統(tǒng)只控制刀具相對(duì)工件從一點(diǎn)移動(dòng)到另一點(diǎn)的準(zhǔn)確位置，而對(duì)于點(diǎn)與點(diǎn)之間移動(dòng)的軌跡不進(jìn)行控制，且移動(dòng)過程中不進(jìn)行切削。應(yīng)用：數(shù)控鉆床、數(shù)控鏜床、數(shù)控沖床、數(shù)控測(cè)量機(jī)、數(shù)控彎管機(jī)。2/3/20232、直線控制系統(tǒng)（strainght-lineControl

）直線控制系統(tǒng)不僅控制點(diǎn)與點(diǎn)的準(zhǔn)確位置，而且控制兩點(diǎn)間刀具移動(dòng)的軌跡是一條直線，且移動(dòng)過程中刀具能以給定的進(jìn)給速度進(jìn)行切削。應(yīng)用：數(shù)控銑床、數(shù)控車床、數(shù)控鏜、銑床、加工中心。2/3/20233、輪廓控制系統(tǒng)（ContouringControl

）輪廓控制系統(tǒng)（連續(xù)控制系統(tǒng)）能對(duì)兩個(gè)或兩個(gè)以上的坐標(biāo)軸同時(shí)進(jìn)行連續(xù)控制（坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)），連續(xù)控制系統(tǒng)是多坐標(biāo)同時(shí)控制，信息處理比較復(fù)雜，需進(jìn)行插補(bǔ)計(jì)算（據(jù)給定的運(yùn)動(dòng)代碼指令和進(jìn)給速度計(jì)算刀具相對(duì)工件的運(yùn)動(dòng)軌跡…）然后進(jìn)行相應(yīng)的速度和位移控制，將零件加工成一定形狀。應(yīng)用：（功能完善的）數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控磨床、數(shù)控火焰機(jī)及數(shù)控線切割機(jī)、數(shù)控加工中心等。2/3/20233、輪廓控制系統(tǒng)（ContouringControl

）輪廓控制系統(tǒng)（連續(xù)控制系統(tǒng)）能對(duì)兩個(gè)或兩個(gè)以上的坐標(biāo)軸同時(shí)進(jìn)行連續(xù)控制（坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)），連續(xù)控制系統(tǒng)是多坐標(biāo)同時(shí)控制，信息處理比較復(fù)雜，需進(jìn)行插補(bǔ)計(jì)算（據(jù)給定的運(yùn)動(dòng)代碼指令和進(jìn)給速度計(jì)算刀具相對(duì)工件的運(yùn)動(dòng)軌跡…）然后進(jìn)行相應(yīng)的速度和位移控制，將零件加工成一定形狀。應(yīng)用：（功能完善的）數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控磨床、數(shù)控火焰機(jī)及數(shù)控線切割機(jī)、數(shù)控加工中心等2/3/2023三、按控制方式分1、開環(huán)控制系統(tǒng)（OpenLoopControl）不帶位置反饋的控制系統(tǒng)。一般用功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、電液脈沖馬達(dá)（由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和液壓扭矩放大器組成）作為執(zhí)行元件。特點(diǎn)：

a、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行工作穩(wěn)定，調(diào)試、維修方便，價(jià)格低廉。

b、精度較低（取決于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的精度。

c、應(yīng)用于精度要求不高的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)中。2/3/20232/3/20232、閉環(huán)控制（CloseLoopControl）數(shù)控機(jī)床這類系統(tǒng)的位置檢測(cè)裝置安裝在機(jī)床工作臺(tái)上，將工作臺(tái)的實(shí)際位置檢測(cè)出來并與CNC裝置的指令進(jìn)行比較，用差值進(jìn)行控制，如上圖結(jié)構(gòu)。特點(diǎn)：·可矯正全部傳動(dòng)環(huán)節(jié)造成的誤差，精度很高；（取決于檢測(cè)裝置的精度）·不穩(wěn)定因素多，調(diào)試?yán)щy；·用于高精度設(shè)備的控制。如：鏜、銑床，超精車床，磨床等；2/3/20233、半閉環(huán)控制系統(tǒng)（Semi-ClosedLoopControl）這類系統(tǒng)位置檢測(cè)裝置安裝在電動(dòng)機(jī)或絲杠軸端，通過角位移的測(cè)量間接得出機(jī)床工作臺(tái)的實(shí)際位置，并與CNC裝置的指令位置進(jìn)行比較，用差值進(jìn)行控制。以交、直流伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件。特點(diǎn)：·可矯正部分環(huán)節(jié)造成的誤差，精度比開環(huán)的高；·反饋過程中不穩(wěn)定因素少，調(diào)試較方便，穩(wěn)定性好；·機(jī)械環(huán)節(jié)（反向間隙、絲杠螺距累積誤差）等通過數(shù)控系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置進(jìn)行補(bǔ)償，以提高其精度。2/3/20232/3/2023四、按硬件基礎(chǔ)分1、硬件數(shù)控：早期的數(shù)控系統(tǒng)采用的是數(shù)字邏輯電路，故叫NC系統(tǒng)。功能少，線路復(fù)雜、可靠性低，逐漸被淘汰。2、計(jì)算機(jī)數(shù)控：也稱微機(jī)數(shù)控，可完成復(fù)雜功能，速度快，性價(jià)比高。2/3/2023五、按功能水平分類型性能指標(biāo)CPU（位）顯示器執(zhí)行元件脈沖當(dāng)量（mm）快進(jìn)速度（m/min）1、低檔數(shù)碼管/簡(jiǎn)單CRT步進(jìn)電動(dòng)機(jī)0.01-0.0054-102、中檔16/32較齊全CRT半閉環(huán)直流/交流伺服系統(tǒng)0.005-0.00115-243、高檔32/64CRT（三維圖形顯示）閉環(huán)直流/交流伺服系統(tǒng)0.001-0.000115-1002/3/2023六、按加工方式分類1、金屬切削類數(shù)控機(jī)床此類數(shù)控機(jī)床有數(shù)控車床、數(shù)控鉆床、數(shù)控銑床、數(shù)控鏜床、數(shù)控磨床和加工中心等。2、金屬成型類數(shù)控機(jī)床此類數(shù)控機(jī)床有數(shù)控折彎?rùn)C(jī)、數(shù)控彎管機(jī)、數(shù)控回轉(zhuǎn)頭壓力機(jī)等。3、特種加工類數(shù)控機(jī)床此類數(shù)控機(jī)床包括數(shù)控線切割機(jī)床、數(shù)控電火花加工機(jī)床、數(shù)控激光切割機(jī)等。4、其他類數(shù)控機(jī)床如數(shù)控火焰切割機(jī)、數(shù)控三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x等。2/3/2023七、按可聯(lián)動(dòng)的軸數(shù)分類1、兩軸控制2、2.5軸控制（兩個(gè)軸是連續(xù)控制，第三軸是點(diǎn)位或直線控制）3、多軸控制2/3/2023七、按可聯(lián)動(dòng)的軸數(shù)分類1、兩軸控制2、2.5軸控制（兩個(gè)軸是連續(xù)控制，第三軸是點(diǎn)位或直線控制）3、多軸控制2/3/2023第四節(jié)數(shù)控機(jī)床的典型結(jié)構(gòu)2/3/2023數(shù)控機(jī)床與普通機(jī)床的區(qū)別數(shù)控機(jī)床是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品；其結(jié)構(gòu)與普通機(jī)床有許多相似之處，但不是簡(jiǎn)單地將傳統(tǒng)機(jī)床配備上數(shù)控系統(tǒng)，也不是在傳統(tǒng)機(jī)床的基礎(chǔ)上僅對(duì)局部加以改進(jìn)。傳統(tǒng)機(jī)床存在的弱點(diǎn)：剛性不足、抗振性差、熱變形大、滑動(dòng)面的摩擦阻力大及傳動(dòng)元件間存在間隙等。數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響：自動(dòng)化、高精度大功率、多功能多工序、高可靠性等推動(dòng)了其結(jié)構(gòu)的改變。數(shù)控機(jī)床無論是基礎(chǔ)大件、主傳動(dòng)系統(tǒng)、進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)、刀具系統(tǒng)、輔助功能等部件結(jié)構(gòu)，同還是整體布局、外部造型等都與傳統(tǒng)機(jī)床相比有獨(dú)特的機(jī)械結(jié)構(gòu)2/3/2023數(shù)控機(jī)床的機(jī)床本體的組成（1）機(jī)床基礎(chǔ)件；

（2）主傳動(dòng)系統(tǒng)；（3）進(jìn)給系統(tǒng)；（4）實(shí)現(xiàn)某些部件動(dòng)作和某些輔助功能的裝置，如液壓、氣動(dòng)、潤(rùn)滑、冷卻以及防護(hù)、排屑等裝置；（5）實(shí)現(xiàn)工件回轉(zhuǎn)、分度定位的裝置和附件，如回轉(zhuǎn)工作臺(tái)；（6）刀庫(kù)、刀架和自動(dòng)換刀裝置（ATC）；（7）自動(dòng)托盤交換裝置（APC）；（8）特殊功能裝置，如刀具破損檢測(cè)、精度檢測(cè)和監(jiān)控裝置等；（9）為完成自動(dòng)化控制功能的各種反饋信號(hào)裝置及元件。2/3/2023本節(jié)內(nèi)容一、數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)及主軸部件二、數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)三、數(shù)控機(jī)床導(dǎo)軌四、回轉(zhuǎn)工作臺(tái)2/3/2023一、數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)及主軸部件(一)數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)與普通機(jī)床比較特點(diǎn)：1.所選用電機(jī)的區(qū)別2.轉(zhuǎn)速高，功率大3.變速范圍大4.主軸速度的變換迅速可靠2/3/2023（二）數(shù)控機(jī)床主軸變速的傳動(dòng)方式

主傳動(dòng)要求較大的調(diào)速范圍

1.帶有變速齒輪的主傳動(dòng)（圖a）2.通過帶傳動(dòng)的主傳動(dòng)（圖b）3.由伺服電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的主傳動(dòng)（圖c）2/3/2023（三）主軸部件1.數(shù)控機(jī)床的主軸軸承配置的三種主要形式

⑴前支承采用圓錐孔雙列圓柱滾子軸承和雙向推力角接觸球軸承組合，后支承采用成對(duì)角接觸球軸承（a）

⑵前軸承采用高精度角接觸球軸承，后支承的球軸承具有較好的高速性能

（b）⑶雙列圓錐滾子軸承和單列圓錐滾子軸承（c）

2/3/20232.主軸結(jié)構(gòu)

⑴刀具的自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)

主要由拉桿7、拉桿端部的四個(gè)鋼球3、碟形彈簧8、活塞10、液壓缸11等組成。

⑵主軸的準(zhǔn)停裝置

2/3/2023二、數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（一）對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的要求

包括齒輪傳動(dòng)副（或蝸桿蝸輪副）、絲杠螺母副等及其支承部件（軸承座等）

1.高傳動(dòng)剛度2.抗振性 3.低摩擦4.低慣量5.無間隙2/3/2023（二）滾珠絲杠螺母副

1.工作原理和特點(diǎn)滾珠絲杠螺母副由于在絲杠和螺母之間放入了滾珠，變滑動(dòng)摩擦為滾動(dòng)摩擦，因而大大地減小了摩擦阻力，提高了傳動(dòng)效率。圖為滾珠絲杠螺母副的結(jié)構(gòu)示意圖。絲杠１和螺母２上均有圓弧型面的螺旋槽，將它們裝在一起便形成了螺旋滾道，滾珠在其間既自轉(zhuǎn)又循環(huán)滾動(dòng)。

滾珠絲杠螺母副示意圖

１-絲杠;２-螺母;３-滾珠2/3/2023滾珠絲杠螺母副與普通絲杠螺母副比具有優(yōu)點(diǎn)：（1）傳動(dòng)效率高，摩擦損失小。（2）運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)無爬行。（3）傳動(dòng)精度高，反向時(shí)無空程。（4）磨損小。（5）運(yùn)動(dòng)具有可逆性。滾珠絲杠螺母副的缺點(diǎn)：（1）由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故制造成本高。（2）由于不能自鎖，特別是在用作垂直安裝的滾珠絲杠傳動(dòng)，會(huì)因部件的自重而自會(huì)因部件的自重而自動(dòng)下降。當(dāng)向下驅(qū)動(dòng)部件時(shí)，由于部件的自重和慣性，當(dāng)傳動(dòng)切斷時(shí)，不能立即停止運(yùn)動(dòng)，必須增加制動(dòng)裝置。2/3/20232.結(jié)構(gòu)類型

滾珠絲杠螺母副按其中的滾珠循環(huán)方式可分為兩種：外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)。（1）外循環(huán)：滾珠在循環(huán)過程結(jié)束后，通過螺母外表面上的螺旋槽或插管返回絲杠螺母間重新進(jìn)入循環(huán)。圖示為常用的一種形式：在螺母外圓上裝有螺旋形的插管，其兩端插入滾珠螺母工作始末兩端孔中，以引導(dǎo)滾珠通過插管，形成滾珠的多圈循環(huán)鏈。這種形式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工藝性好，承載能力較高，但徑向尺寸較大。也可用于重載傳動(dòng)系統(tǒng)中。2/3/2023滾珠的外循環(huán)結(jié)構(gòu)

2/3/2023（2）內(nèi)循環(huán)：靠螺母上安裝的反向器接通相鄰滾道，使?jié)L珠成單圈循環(huán)。反向器的數(shù)目與滾珠圈數(shù)相等。這種形式結(jié)構(gòu)緊湊，剛性好，滾珠流通性好，摩擦損失小，但制造較難。適用于高靈敏、高精度的進(jìn)給系統(tǒng)，不宜用于重載傳動(dòng)中。滾珠的內(nèi)循環(huán)結(jié)構(gòu)2/3/20233.滾珠絲杠螺母副的預(yù)緊

滾珠絲杠螺母副的預(yù)緊是通過改變兩個(gè)螺母的相對(duì)位置，使每個(gè)螺母中的滾珠分別接觸絲杠滾道的左右兩側(cè)實(shí)現(xiàn)的。通過預(yù)緊可以消除滾珠絲杠螺母副的軸向間隙并提高軸向剛度。（1）雙螺母墊片式預(yù)緊

2/3/2023（2）雙螺母螺紋式預(yù)緊2/3/2023三、數(shù)控機(jī)床導(dǎo)軌（一）對(duì)導(dǎo)軌的基本要求（1）導(dǎo)向精度

（2）精度保持性

（3）低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性

（4）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝性好

即：高速進(jìn)給時(shí)不振動(dòng)，低速進(jìn)給時(shí)不爬行；有高的靈敏度，能在重載下長(zhǎng)期連續(xù)工作；耐磨性要高，精度保持性要好等2/3/2023（二）數(shù)控機(jī)床導(dǎo)軌的分類和特點(diǎn)

1、滑動(dòng)導(dǎo)軌

⑴聚四氟乙烯導(dǎo)軌軟帶

以聚四氟乙烯為基體，加入青銅粉、二硫化鉬和石墨等填充劑混合燒結(jié)而成；具有摩擦特性好、耐磨性好、減振性好等優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)是承載能力低、尺寸穩(wěn)定性較差；該種軟帶可在原有滑動(dòng)導(dǎo)軌面上用粘接劑粘結(jié)，加壓固化后進(jìn)行精加工，故一般稱之為貼塑導(dǎo)軌。2/3/2023⑵環(huán)氧型耐磨涂料

以環(huán)氧樹脂為基體，加入二硫化鉬和膠體石墨以及鐵粉等混合而成，再配以固化劑調(diào)勻涂刮或注入導(dǎo)軌面，故一般稱之為“涂塑導(dǎo)軌”或“注塑導(dǎo)軌”。具有良好的摩擦特性和耐磨性，它與鑄鐵導(dǎo)軌副的摩擦系數(shù)較低，為0.1—0.2mm，在無潤(rùn)滑油的情況下仍有較好潤(rùn)滑和防止爬行的效果。其抗壓強(qiáng)度比導(dǎo)軌軟帶高，尺寸穩(wěn)定。2/3/20232、滾動(dòng)導(dǎo)軌

在導(dǎo)軌工作面間放入滾珠、滾柱或滾針等滾動(dòng)體，使導(dǎo)軌面間成為滾動(dòng)摩擦，可以大大降低摩擦系數(shù)，提高運(yùn)動(dòng)靈敏度。[直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌（滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副）]滾動(dòng)導(dǎo)軌的特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)摩擦系數(shù)小，為0.0025—0.005mm；動(dòng)、靜摩擦系數(shù)很接近；精度保持性好；低速運(yùn)動(dòng)時(shí)，不易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，定位精度高。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，制造較困難，成本較高；滾動(dòng)導(dǎo)軌對(duì)臟物較敏感，必須要有良好的防護(hù)裝置。2/3/20232/3/20232/3/2023直線滾動(dòng)軌導(dǎo)軌2/3/2023直線滾動(dòng)導(dǎo)軌

組成：導(dǎo)軌體1,滑塊7、滾珠4、保持器3、端蓋6等

2/3/2023⒊靜壓導(dǎo)軌

在導(dǎo)軌工作面間通入具有一定壓強(qiáng)的潤(rùn)滑油，使運(yùn)動(dòng)件浮起，導(dǎo)軌面間充滿潤(rùn)滑油形成的油膜，因而始終處于純液體摩擦狀態(tài)。靜壓導(dǎo)軌優(yōu)點(diǎn)：由于導(dǎo)軌面處于純液體摩擦狀態(tài)，摩擦系數(shù)極低，約為0.0005mm，因而驅(qū)動(dòng)功率大大降低，低速運(yùn)動(dòng)時(shí)無爬行現(xiàn)象。導(dǎo)軌面不易磨損，精度保持性好。由于油膜有吸振作用，因而抗振性好、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。缺點(diǎn)是靜壓導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且需要一套過濾效果良好的供油系統(tǒng)，制造和調(diào)整都較困難，成本高。2/3/2023四、回轉(zhuǎn)工作臺(tái)回轉(zhuǎn)工作合是數(shù)控銑床、數(shù)控鏜床、加工中心等數(shù)控機(jī)床不可缺少的重要附件。作用:是按照控制裝置的信號(hào)或指令作回轉(zhuǎn)分度或連續(xù)回轉(zhuǎn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，以使數(shù)控機(jī)床能完成指定的加工工序。常用的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)有分度工作臺(tái)和數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)。

2/3/20232/3/2023（一）數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)主要用于數(shù)控鏜床和銑床，其外形和通用機(jī)床的分度工作臺(tái)十分相似，但其內(nèi)部結(jié)構(gòu)卻具有數(shù)控進(jìn)給驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的許多特點(diǎn)。功能:使工作臺(tái)作連續(xù)回轉(zhuǎn)進(jìn)給，以完成切削工作，同時(shí)能完成00－3600圍內(nèi)的任意角度的分度。作用:既能作為數(shù)控機(jī)床的一個(gè)回轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸，用于加工各種圓弧或與直線坐標(biāo)軸聯(lián)動(dòng)加工曲面，又能作為分度頭完成工件的轉(zhuǎn)位換面。實(shí)現(xiàn)：由于數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的功能要求連續(xù)回轉(zhuǎn)進(jìn)給并與其他坐標(biāo)軸聯(lián)動(dòng)，因此采用伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)、分度和定位類型：有開環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)和閉環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)。2/3/2023（二）分度工作臺(tái)

數(shù)控機(jī)床（主要是鉆床、鏜床和鏜銑床）的分度工作臺(tái)與數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)不同，它只能完成分度運(yùn)動(dòng)，而不能實(shí)現(xiàn)圓周進(jìn)給。由于結(jié)構(gòu)上的原因，通常分度工作臺(tái)的分度運(yùn)動(dòng)只限于某些規(guī)定的角度，如900、600或450等。

功能:是完成回轉(zhuǎn)分度運(yùn)動(dòng)，即在需要分度時(shí)，將工作臺(tái)及其工件回轉(zhuǎn)一定角度。作用:在加工中自動(dòng)完成工件的轉(zhuǎn)位換面，實(shí)現(xiàn)工件一次安裝完成幾個(gè)面的加工。2/3/20232/3/2023作業(yè)1．

數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)有何特點(diǎn)？2．

數(shù)控機(jī)床對(duì)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)有何要求？3．

滾珠絲杠副有何優(yōu)點(diǎn)？4．

對(duì)數(shù)控機(jī)床的導(dǎo)軌有何要求？2/3/2023第五節(jié)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)原理2/3/2023一、CNC數(shù)控系統(tǒng)的基本概念二、CNC數(shù)控裝置的組成三、CNC系統(tǒng)的工作流程四、CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)五、CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)六、軟件的主要功能七、運(yùn)動(dòng)軌跡的插補(bǔ)原理2/3/2023一、CNC數(shù)控系統(tǒng)的基本概念(ComputerNumericalControl)是一種用計(jì)算機(jī)通過執(zhí)行其存儲(chǔ)器內(nèi)的程序來實(shí)現(xiàn)數(shù)控功能，并配有接口電路和伺服驅(qū)動(dòng)裝置的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。CNC系統(tǒng)是一種位置控制系統(tǒng)。CNC系統(tǒng)的核心是CNC裝置。2/3/2023二、CNC數(shù)控裝置的組成CNC裝置主要由硬件和軟件兩大部分組成。2/3/2023返回CNC裝置硬件組成框圖2/3/2023硬件組成CNC裝置硬件：具有一般計(jì)算機(jī)具有的微處理器(CPU)及總線、可編程只讀存儲(chǔ)器(EPROM)、隨機(jī)存儲(chǔ)器(RAM)、輸入／輸出(1／O)接口還具有數(shù)控要求的專用接口和部件，即位置控制器、，紙帶閱讀機(jī)接口、手動(dòng)數(shù)據(jù)輸入(MDl)接口和視頻顯示(CRT)接口。2/3/2023返回CNC裝置軟件框圖CNC軟件是為實(shí)現(xiàn)CNC系統(tǒng)各項(xiàng)功能而編制的專用軟件，又稱系統(tǒng)軟件，分管理軟件和控制軟件兩大部分2/3/2023軟件組成系統(tǒng)軟件：管理軟件、控制軟件管理軟件用來管理零件程序的輸入、輸出及I/O接口、信息處理、管理各類通信外設(shè)的連接與信息傳遞、顯示零件程序、刀具位置、系統(tǒng)參數(shù)、機(jī)床狀態(tài)及報(bào)警、診斷、CNC裝置是否正常并檢查出現(xiàn)故障的原因。控制軟件即數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)加工控制軟件，它所完成的是數(shù)控系統(tǒng)的基本任務(wù)，也是核心任務(wù)。因此，其核心控制軟件包括預(yù)處理、插補(bǔ)計(jì)算、位置控制和PLC控制等等。2/3/2023CPUCPU是CNC裝置的核心，具有執(zhí)行計(jì)算的能力和控制能力。CPU主要由控制單元、算術(shù)邏輯單元和一些暫存寄存器組成。CPU在CNC裝置中工作時(shí)，其控制單元從存儲(chǔ)器中依次取出組成程序的指令，進(jìn)行譯碼后，向CNC裝置的各部分按順序發(fā)出執(zhí)行操作的控制信號(hào)；同時(shí)接收?qǐng)?zhí)行部件發(fā)出的反饋信號(hào)，與程序中的指令信號(hào)比較后，決定下一步應(yīng)執(zhí)行的操作。2/3/2023返回總線總線是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部各獨(dú)立模塊之間傳遞各種信號(hào)的渠道?？偩€通?？梢苑譃槠偩€、內(nèi)總線和外總線。2/3/2023片總線片總線為元件級(jí)總線，是組成一個(gè)小系統(tǒng)或CPU插件各芯片間的連接總線。片總線包括地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線，即所謂三總線結(jié)構(gòu)。2/3/2023內(nèi)總線內(nèi)總線又稱系統(tǒng)總線，為板級(jí)總線，用于CNC裝置中各插件板之間的連接和通信。如S—100總線、PC總線、Multi總線、STD、IBM—AT標(biāo)準(zhǔn)總線等。2/3/2023返回外總線外總線又稱通信總線，它用于系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的通信。這類總線有RS—232C、RS—422、IEEE—488等。2/3/2023存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器用來存放程序、數(shù)據(jù)和參數(shù)。在CNC裝置中一般有三種用途的內(nèi)存儲(chǔ)器和一些外存儲(chǔ)器(視需要而配置)。①系統(tǒng)軟件存儲(chǔ)器，通常為只讀存儲(chǔ)器EPROM

②工作參數(shù)存儲(chǔ)器，一般采用隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM

③工件加工程序存儲(chǔ)器，可以采用帶后備電源的CMOSRAM

內(nèi)存儲(chǔ)器一般位于主機(jī)內(nèi)部，可與CPU直接聯(lián)系，存取速度高，存儲(chǔ)容量有限。外存儲(chǔ)器大多放在主機(jī)外面，一般只與內(nèi)存儲(chǔ)器交換信息，存取速度低，但存儲(chǔ)容量大2/3/2023①系統(tǒng)軟件存儲(chǔ)------EPROM

程序只能被讀出而不能隨機(jī)寫入。

②工作參數(shù)存儲(chǔ)器-------RAM

堆棧、參數(shù)保存和運(yùn)算的中間結(jié)果保存。

RAM能隨機(jī)讀寫，斷電后，信息消失。

③工件加工程序存儲(chǔ)器-------CMOSRAM

互補(bǔ)型場(chǎng)效應(yīng)存儲(chǔ)器，只需要極小的能量就能維持內(nèi)部的信息。

既能隨機(jī)讀出，又能根據(jù)操作需要寫入或修改，并且斷電后，CMOSRAM中存放的數(shù)據(jù)信息能妥善保存，恢復(fù)供電后能馬上運(yùn)行。2/3/2023三、CNC系統(tǒng)的工作流程CNC系統(tǒng)的工作過程是在硬件的支持下執(zhí)行軟件的全過程。其工作過程主要是輸入、譯碼處理、數(shù)據(jù)處理、插補(bǔ)運(yùn)算、位置控制、I/O處理、顯示和診斷控制等。2/3/2023(1)輸入數(shù)控系統(tǒng)首先接受輸入數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)或指令。接受的數(shù)據(jù)和指令主要是零件加工程序、控制參數(shù)、補(bǔ)償數(shù)據(jù)。輸入的方式有紙帶閱讀機(jī)輸入、鍵盤手動(dòng)輸入(MDI)、磁盤輸入、通信接口輸入以及接受上一級(jí)計(jì)算機(jī)的DNC(DirectNumericalControl)接口輸入，輸入的全部信息都存放在CNC裝置的內(nèi)部存儲(chǔ)器中。2/3/2023（2）譯碼處理譯碼程序是以零件程序段為單位的處理用戶加工程序，將其中的輪廓信息(如起點(diǎn)、終點(diǎn)、直線、圓弧等)，加工速度和輔助功能信息翻譯成便于計(jì)算機(jī)處理的信息，存放在指定的內(nèi)存專用空間。2/3/2023（3）數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理程序的任務(wù)就是將經(jīng)過預(yù)處理后存放在指定的存儲(chǔ)區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)處理程序一般包括刀具半徑補(bǔ)償，速度計(jì)算以及輔助功能處理。2/3/2023（4）插補(bǔ)運(yùn)算CNC系統(tǒng)的插補(bǔ)運(yùn)算是由實(shí)時(shí)控制軟件完成的。插補(bǔ)程序是在每個(gè)插補(bǔ)周期運(yùn)行一次，在每個(gè)插補(bǔ)周期中，根據(jù)指令速度計(jì)算出一個(gè)微小的直線段，通常經(jīng)過若干個(gè)插補(bǔ)周期加工完成一個(gè)程序段。即從數(shù)據(jù)段的起點(diǎn)走到終點(diǎn)，計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)是一邊插補(bǔ)，一邊加工.本次采樣周期內(nèi)插補(bǔ)程序的作用是計(jì)算下一個(gè)采樣周期的位置增量。2/3/2023（5）位置控制插補(bǔ)的結(jié)果是產(chǎn)生了一個(gè)采樣周期內(nèi)的位置增量，位置控制的主要任務(wù)是在每一個(gè)采樣周期內(nèi)，將插補(bǔ)計(jì)算的理論位置與實(shí)際反饋位置相比較，用其差值去控制進(jìn)給電動(dòng)機(jī)，進(jìn)而控制數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)(或刀具)的位移。2/3/2023（6）輸入/輸出(I/O)處理輸入、輸出處理主要是處理裝置與機(jī)床之間的來往信號(hào)的輸入、輸出和控制。2/3/2023（7）顯示控制CNC裝置顯示主要是為操作者提供方便。通常應(yīng)有：零件程序顯示、參數(shù)顯示、刀具位置顯示、機(jī)床狀態(tài)顯示、刀具加工軌跡動(dòng)態(tài)模擬圖像顯示、報(bào)警顯示等。2/3/2023（8）診斷診斷程序主要是指CNC系統(tǒng)利用內(nèi)裝診斷程序進(jìn)行自診斷。有聯(lián)機(jī)診斷和脫機(jī)診斷兩種2/3/2023四、CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)按照電路板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分：大板結(jié)構(gòu)、模塊化結(jié)構(gòu)。按CNC裝置中微處理器的個(gè)數(shù)分：?jiǎn)挝⑻幚砥鹘Y(jié)構(gòu)、多微處理器結(jié)構(gòu)2/3/20231.大板結(jié)構(gòu)和功能模塊結(jié)構(gòu)大板結(jié)構(gòu)由主電路板、位置控制板、PLC板、圖形控制板、附加I/O板和電源單元等組成。主電路板是大印制電路板，其它電路板是小板，插在大印制電路板上的插槽內(nèi)。2/3/2023大板式結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：CNC裝置結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、可靠性高，價(jià)格低。其缺點(diǎn)是硬件功能不易變動(dòng)，柔性低。

模塊結(jié)構(gòu)將CPU、存儲(chǔ)器、輸入輸出控制、{成插件板，又稱硬件模塊，相應(yīng)的軟件也是模塊結(jié)構(gòu)，固化一個(gè)特定的功能單元，稱功能模塊。功能模塊間有明確定義的接口，形成總線。

模塊化結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：CNC裝置可采用積木形式組成，使CNC裝置設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，試制周期高，適應(yīng)性好，擴(kuò)展性強(qiáng)。

2/3/20232.單微處理器結(jié)構(gòu)和多微處理器結(jié)構(gòu)單微處理器結(jié)構(gòu)

CNC裝置中只有一只微處理器(CPU)，工作方式是集中控制、分時(shí)處理數(shù)控系統(tǒng)的各項(xiàng)任務(wù)，如存儲(chǔ)、插補(bǔ)運(yùn)算、輸入輸出控制、CRT顯示等。特點(diǎn)：其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，性能有限。

多微處理器結(jié)構(gòu)

在一個(gè)數(shù)控系統(tǒng)中有兩個(gè)或兩個(gè)以上的微處理器，每個(gè)微處理器通過數(shù)據(jù)總線或通信方式進(jìn)行連接，共享系統(tǒng)的公用存儲(chǔ)器與I/O接口，每個(gè)微處理器分擔(dān)系統(tǒng)的一部分工作，這就是多微處理器系統(tǒng)。類型：主從式結(jié)構(gòu)、總線式多主CPU結(jié)構(gòu)、分布式結(jié)構(gòu)。特點(diǎn)：性價(jià)比高，可靠性高，采用模塊化結(jié)構(gòu)故具有良好的適應(yīng)性和可擴(kuò)展性。2/3/2023五、CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)CNC系統(tǒng)是一個(gè)多任務(wù)的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，即能對(duì)信息快速處理和反應(yīng)。一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)包括受控系統(tǒng)和控制系統(tǒng)：受控系統(tǒng)由硬件設(shè)備組成，如數(shù)控機(jī)床中的電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)部分；控制系統(tǒng)(這里為CNC裝置)由軟件及其支持硬件組成，數(shù)控的基本功能由控制系統(tǒng)完成，即由軟件和硬件共同完成2/3/2023（一）計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)軟件的組成CNC裝置的軟件是為了實(shí)現(xiàn)CNC系統(tǒng)各項(xiàng)功能而編制的專用軟件，稱為系統(tǒng)軟件。在系統(tǒng)軟件的控制下,CNC裝置對(duì)輸入的加工程序自動(dòng)進(jìn)行處理并發(fā)出相應(yīng)的控制指令。系統(tǒng)軟件主要由管理軟件和控制軟件兩部分組成，管理軟件用來管理零件程序的輸入、輸出及I/O接口、信息處理、管理各類通信外設(shè)的連接與信息傳遞、顯示零件程序、刀具位置、系統(tǒng)參數(shù)、機(jī)床狀態(tài)及報(bào)警、診斷、CNC裝置是否正常并檢查出現(xiàn)故障的原因。控制軟件即數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)加工控制軟件，它所完成的是數(shù)控系統(tǒng)的基本任務(wù)，也是核心任務(wù)。因此，其核心控制軟件包括預(yù)處理、插補(bǔ)計(jì)算、位置控制和PLC控制等等。2/3/2023（二）計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)1.前后臺(tái)型軟件結(jié)構(gòu)

前后臺(tái)型軟件結(jié)構(gòu)將整個(gè)CNC系統(tǒng)軟件分為:

前臺(tái)程序和后臺(tái)程序前臺(tái)程序?yàn)閷?shí)時(shí)中斷程序，承擔(dān)了幾乎全部實(shí)時(shí)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)、位置控制及數(shù)控機(jī)床開關(guān)邏輯控制等實(shí)時(shí)功能。后臺(tái)程序又稱背景程序，是一個(gè)循環(huán)運(yùn)行程序，實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工程序的輸入、預(yù)處理和管理.在背景程序循環(huán)運(yùn)行的過程中，前臺(tái)的實(shí)時(shí)中斷程序不斷定時(shí)插入，二者密切配合，共同完成零件的加工任務(wù)。這種前后臺(tái)型軟件結(jié)構(gòu)一般適用于單微處理器系統(tǒng)集中控制。

2/3/2023程序執(zhí)行過程是：程序啟動(dòng)，經(jīng)過初始化程序后就進(jìn)入后臺(tái)程序，同時(shí)開放定時(shí)中斷，每10ms定時(shí)中斷發(fā)生一次，執(zhí)行一次中斷服務(wù)程序，即前臺(tái)程序。此時(shí)，后臺(tái)程序停止運(yùn)行；定時(shí)中斷程序執(zhí)行完畢以后又返回后臺(tái)程序；以后過10ms定時(shí)中斷又發(fā)生，如此循環(huán)往復(fù)，共同完成數(shù)控系統(tǒng)的全部功能。值得注意的是，在執(zhí)行中斷處理程序時(shí)，若后臺(tái)程序未作好準(zhǔn)備工作時(shí)，插補(bǔ)程序和伺服控制等都跳過去，不予執(zhí)行，僅執(zhí)行一些例行的掃描、監(jiān)控等功能。2/3/2023特點(diǎn)：1、對(duì)處理機(jī)的要求較高因?yàn)樗械膶?shí)時(shí)處理功能均要求在定時(shí)中斷服務(wù)程序中一次完成。該中斷服務(wù)程序的運(yùn)行時(shí)間不能太長(zhǎng)，還要給后臺(tái)程序留一部分時(shí)間，因而對(duì)處理機(jī)的運(yùn)行速度及指令功能要求較高。2、適用該結(jié)構(gòu)比較適合單微處理器集中式的數(shù)控系統(tǒng)。2/3/20232.中斷型軟件結(jié)構(gòu)

在這種結(jié)構(gòu)中，除了初始化程序以外，整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)中斷控制系統(tǒng)。所有各種功能的子程序（如工件程序的輸入、編輯、譯碼、數(shù)據(jù)處理、插補(bǔ)和伺服控制等功能）均被安排成優(yōu)先級(jí)別不同的中斷服務(wù)程序。級(jí)別高的中斷程序可以打斷級(jí)別低的中斷程序，系統(tǒng)軟件本身就是一個(gè)大的多重中斷服務(wù)程序，通過各級(jí)中斷服務(wù)程序之間的通信來進(jìn)行管理。各中斷服務(wù)程序的優(yōu)先級(jí)別與其作用和執(zhí)行時(shí)間密切相關(guān)。2/3/2023該系統(tǒng)的中斷優(yōu)先級(jí)是從0級(jí)到7級(jí)。0級(jí)優(yōu)先級(jí)別最低，7級(jí)最高。在正常加工時(shí)，第7級(jí)不使用，這樣伺服控制被安排成最高級(jí)別。因?yàn)闄C(jī)床伺服控制實(shí)時(shí)性要求最高，不能耽誤。開機(jī)→初始化→0級(jí)CRT顯示，經(jīng)過4ms，時(shí)鐘請(qǐng)求第6級(jí)中斷，在第6級(jí)中斷服務(wù)程序中，設(shè)置第1級(jí)、第2級(jí)（16ms)和第4級(jí)（8ms）中斷請(qǐng)求（軟件中斷）。2/3/2023特點(diǎn)：1、采用模塊化結(jié)構(gòu)因此中斷型軟件結(jié)構(gòu)便于修改和擴(kuò)充，編制程序較為方便2、適用更重要的是，這種結(jié)構(gòu)便于向多微處理器數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展

2/3/20233.CNC系統(tǒng)的特點(diǎn)

⑴

高的速度。⑵

高的精度和更高的生產(chǎn)率。⑶

靈活通用，數(shù)控功能多樣化。⑷

用維修方便，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化。2/3/2023六、軟件的主要功能CNC系統(tǒng)的功能：基本功能、選擇功能基本功能是系統(tǒng)必備的功能，包括：控制軸功能、準(zhǔn)備功能(G功能)、進(jìn)給速度功能(F功能)、刀具功能(T功能)、主軸轉(zhuǎn)速功能(S功能),輔助功能(M功能),顯示功能,自診斷功能等。選擇功能是供用戶根據(jù)需要進(jìn)行選擇的功能。2/3/2023選擇功能補(bǔ)償功能

固定循環(huán)功能

圖形通信功能顯示功能圖形編程功能

人機(jī)對(duì)話編程功能2/3/2023補(bǔ)償功能CNC系統(tǒng)可以備有補(bǔ)償功能包括：刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償,刀具半徑補(bǔ)償,刀尖圓弧補(bǔ)償,三維刀具補(bǔ)償,絲杠螺距誤差補(bǔ)償,反向間隙所引起的加工誤差補(bǔ)償?shù)鹊?/3/2023固定循環(huán)功能固定循環(huán)功能：指數(shù)控系統(tǒng)為常見的加工工藝所編制的,可以多次循環(huán)加工的功能,固定循環(huán)的使用,要嚴(yán)格按照固定循環(huán)的指令格式編制加工程序,用戶要選擇合適的切削用量和重復(fù)次數(shù)等參數(shù),然后,按固定循環(huán)約定的功能進(jìn)行加工。

2/3/2023圖形通信功能圖形顯示功能一般需要高分辨率的顯示器,某些CNC系統(tǒng)可配置14英寸彩色顯示器,能顯示人機(jī)對(duì)話編程菜單,零件圖形,動(dòng)態(tài)模擬刀具軌跡等。

2/3/2023顯示功能CNC系統(tǒng)通常備有RS23—2C接口,有的還備有RS422接口,設(shè)有緩沖存儲(chǔ)器,可以實(shí)現(xiàn)一般的數(shù)據(jù)傳送DNC控制等功能,有的CNC系統(tǒng)還能與自動(dòng)制造協(xié)議MAP相連,進(jìn)入工廠通信網(wǎng)絡(luò),以適應(yīng)FMS,CIMS的要求。2/3/2023圖形編程功能圖形編程功能是指CNC系統(tǒng)不僅可以對(duì)由G指令和M指令編制的加工程序進(jìn)行處理,同時(shí)還具備CAD(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))的功能,即能夠在CNC系統(tǒng)中進(jìn)行零件的圖形設(shè)計(jì)。CNC系統(tǒng)可以直接處理零件的圖形,將其轉(zhuǎn)換成由G指令和M指令組成的加工代碼,然后加工出符合要求的零件2/3/2023人機(jī)對(duì)話編程功能人機(jī)對(duì)話功能不但有助于編制復(fù)雜零件的程序,而且可以方便編程。例如:藍(lán)圖編程,只要輸入圖樣上表示幾何尺寸的簡(jiǎn)單命令,就能自動(dòng)生成加工程序,對(duì)話式編程可根據(jù)引導(dǎo)圖和說明進(jìn)行示教編程,并具有工序,刀具,切削條件等自動(dòng)選擇的智能功能。

2/3/2023七、運(yùn)動(dòng)軌跡的插補(bǔ)原理所謂插補(bǔ)，就是在所需的路徑或輪廓上的起點(diǎn)坐標(biāo)、終點(diǎn)坐標(biāo)已知的情況下，據(jù)所需的路徑或輪廓軌跡的曲線方程由數(shù)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)地算出各個(gè)中間點(diǎn)的位置坐標(biāo)值的運(yùn)動(dòng)過程。即需要“插入、補(bǔ)上”運(yùn)動(dòng)軌跡各個(gè)中間點(diǎn)的坐標(biāo)。數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)這些坐標(biāo)值控制刀具或工件的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工。插補(bǔ)的實(shí)質(zhì)是根據(jù)有限的信息完成“數(shù)據(jù)密化”的工作。2/3/2023插補(bǔ)的實(shí)現(xiàn)形式

插補(bǔ)器---數(shù)控系統(tǒng)中完成插補(bǔ)工作的裝置。插補(bǔ)工作可以由硬件或軟件完成，故有：硬件插補(bǔ)器、軟件插補(bǔ)器現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)大多采用軟件插補(bǔ)或軟、硬件插補(bǔ)相結(jié)合的方法（軟件粗插補(bǔ)—將加工軌跡分割為線段，硬件進(jìn)行精插補(bǔ)—將粗插補(bǔ)分割的線段進(jìn)一步密化數(shù)據(jù)點(diǎn)）

2/3/2023硬件插補(bǔ)器由專用集成電路組成的適用于早期的數(shù)控系統(tǒng)中其特點(diǎn)是運(yùn)算速度快，但靈活性差；軟件插補(bǔ)器利用微處理器通過系統(tǒng)程序完成各種插補(bǔ)功能其特點(diǎn)是靈活易變，但速度較慢。2/3/2023插補(bǔ)的方法：據(jù)數(shù)控系統(tǒng)輸出的信號(hào)為脈沖和數(shù)值信號(hào)可有：

基準(zhǔn)脈沖插補(bǔ)、數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)基準(zhǔn)脈沖插補(bǔ)：逐點(diǎn)比較插補(bǔ)法、數(shù)字積分插補(bǔ)法（也稱“一次插補(bǔ)法”）數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)法：時(shí)間分割法、擴(kuò)展DDA法（也稱“二次插補(bǔ)法”）2/3/2023基準(zhǔn)脈沖插補(bǔ)法基準(zhǔn)脈沖插補(bǔ)法就是通過向各個(gè)運(yùn)動(dòng)軸分配脈沖，控制數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)軸作相互協(xié)調(diào)的運(yùn)動(dòng)，從而加工出一定形狀零件輪廓的算法。

逐點(diǎn)比較插補(bǔ)法，就是每走一步都要將加工點(diǎn)和規(guī)定的圖形軌跡相比較，判斷實(shí)際加工點(diǎn)在給定軌跡的什么位置，從而決定下一步的進(jìn)給方向。這樣就能得出一個(gè)非常接近規(guī)定圖形的軌跡。最大偏差不超過一個(gè)脈沖當(dāng)量2/3/2023零件輪廓與插補(bǔ)軌跡2/3/2023模擬硬件插補(bǔ)的原理，在插補(bǔ)計(jì)算過程中不斷地向各個(gè)坐標(biāo)軸發(fā)出互相協(xié)調(diào)的進(jìn)給脈沖，驅(qū)動(dòng)各坐標(biāo)軸進(jìn)給電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)。插補(bǔ)結(jié)果產(chǎn)生單位行程增量，即工作臺(tái)移動(dòng)一個(gè)脈沖當(dāng)量δ（數(shù)控系統(tǒng)一個(gè)脈沖所產(chǎn)生的坐標(biāo)軸移動(dòng)量）。普通精度的數(shù)控機(jī)床δ=0.01mm，精密數(shù)控機(jī)床取δ=1μm或0.5μm。其特點(diǎn)是進(jìn)給速度取決于執(zhí)行脈沖的時(shí)間，受到一定限制，故用于進(jìn)給速度不高的數(shù)控系統(tǒng)或開環(huán)系統(tǒng)?？梢杂捎布韺?shí)現(xiàn)，也可以由軟件來實(shí)現(xiàn)。2/3/2023逐點(diǎn)比較插補(bǔ)法----直線插補(bǔ)1、偏差計(jì)算公式設(shè)在X-Y平面第一象限中有一加工直線OA，起點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)O，終點(diǎn)坐標(biāo)為A（xe，ye），P（xi，yi）