數(shù)控技術(shù)與編程 -程廣振課件 第1章 數(shù)控技術(shù)與編程

第一章數(shù)控技術(shù)簡(jiǎn)介1.1數(shù)控技術(shù)概述1.2數(shù)控技術(shù)的基本原理1.3數(shù)控機(jī)床的分類

1.4思考與練習(xí)第一章本章要點(diǎn)

知識(shí)要點(diǎn)掌握程度相關(guān)知識(shí)概述①了解數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生；②掌握數(shù)控技術(shù)的特點(diǎn)；③了解數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。①空間曲面加工；②集成電路與計(jì)算機(jī)的發(fā)展；③FMC、FMS、CIMS。數(shù)控技術(shù)的基本原理①掌握數(shù)控機(jī)床的組成；②掌握數(shù)控基本原理和工作過(guò)程。①硬件數(shù)控；②軟件數(shù)控；③插補(bǔ)運(yùn)算。數(shù)控機(jī)床的分類①了解按工藝用途分類；②熟悉按伺服控制方式分類；③掌握按軌跡運(yùn)動(dòng)方式分類；④了解按功能水平分類。①金屬切削機(jī)床分類方法；②伺服原理；③機(jī)床精度；④計(jì)算機(jī)分類。第一章數(shù)控技術(shù)簡(jiǎn)介

第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床的誕生

20世紀(jì)40年代，由于航空航天技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對(duì)于各種飛行器的加工提出了更高的要求，這些零件大多形狀非常復(fù)雜，材料多為難加工的合金。用傳統(tǒng)的機(jī)床和工藝方法進(jìn)行加工，不能保證精度，也很難提高生產(chǎn)效率。為了解決零件復(fù)雜形狀表面的加工問(wèn)題，1952年，美國(guó)帕森斯(Parsons)公司和麻省理工學(xué)院(MIT)研制成功了世界上第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床。

半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，數(shù)控技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展，加工精度和生產(chǎn)效率不斷提高。數(shù)控機(jī)床的發(fā)展至今已經(jīng)歷了兩個(gè)階段和六代產(chǎn)品。1952～1970年的NC數(shù)控機(jī)床，1952年的第一代電子管數(shù)控機(jī)床，1959年的第二代晶體管數(shù)控機(jī)床，1965年的第三代集成電路數(shù)控機(jī)床。1970年至今的CNC數(shù)控機(jī)床，1970年，通用小型計(jì)算機(jī)已出現(xiàn)并投入成批生產(chǎn)，人們將它移植過(guò)來(lái)作為數(shù)控系統(tǒng)的核心部件，從此數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)入計(jì)算機(jī)數(shù)控階段，1970年的第四代小型計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)床，1974年的第五代微型計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)床，1990年的第六代基于PC的數(shù)控機(jī)床。第一章數(shù)控技術(shù)簡(jiǎn)介

隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)控技術(shù)也隨之不斷更新，發(fā)展非常迅速，幾乎每5年更新?lián)Q代一次。數(shù)控系統(tǒng)方面，目前世界上幾個(gè)著名的數(shù)控裝置生產(chǎn)廠家，如日本的FANUC、德國(guó)的SIEMENS和美國(guó)的AB公司產(chǎn)品都在向系列化、模塊化、高性能和成套性方向發(fā)展。它們的數(shù)控系統(tǒng)都采用了16位、32位甚至64位微處理器、標(biāo)準(zhǔn)總線及軟件模塊和硬件模塊結(jié)構(gòu)，內(nèi)存容量擴(kuò)大到了數(shù)十兆字節(jié)以上，機(jī)床分辨率可達(dá)0.1μm，高速進(jìn)給可達(dá)100m/min以上，一般控制軸數(shù)在3～15軸，最多可達(dá)24軸，并采用先進(jìn)的電裝工藝。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方面，交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展迅速，交流傳動(dòng)系統(tǒng)已由模擬式向數(shù)字式方向發(fā)展，以運(yùn)算放大器等模擬器件為主的控制器正在被以微處理器為主的數(shù)字集成元件所取代，從而克服了零點(diǎn)漂移、溫度漂移等弱點(diǎn)。

第一章數(shù)控技術(shù)簡(jiǎn)介1.1數(shù)控技術(shù)概述1.1.1數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生

數(shù)控機(jī)床是在機(jī)械制造技術(shù)和控制技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)叫做ENIAC(電子數(shù)字積分計(jì)算機(jī)的簡(jiǎn)稱，英文全稱為ElectricNumericalIntegratorAndComputer)，它于1946年2月15日在美國(guó)宣告誕生。計(jì)算機(jī)的研制成功為產(chǎn)品制造由剛性自動(dòng)化朝著柔性自動(dòng)化方向發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。數(shù)控裝置發(fā)展階段國(guó)際國(guó)內(nèi)硬件數(shù)控第一代電子管數(shù)控系統(tǒng)第二代晶體管數(shù)控系統(tǒng)第三代集成電路數(shù)控系統(tǒng)1952年1961年1965年1958年1964年1972年軟件數(shù)控第四代小型計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)第五代微處理器數(shù)控系統(tǒng)第六代基于工控PC的通用CNC數(shù)控系統(tǒng)1968年1974年1990年1978年1981年1992年數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展歷程1.1數(shù)控技術(shù)概述1.1.1數(shù)控技術(shù)的特點(diǎn)

數(shù)控機(jī)床綜合了微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)以及精密機(jī)床設(shè)計(jì)與制造技術(shù)，具有專用機(jī)床的高效率、精密機(jī)床的高精度和通用機(jī)床的高柔性等顯著特點(diǎn)，適合多變、復(fù)雜、精密零件的高效、自動(dòng)化加工。具體說(shuō)來(lái)，可以概括為以下幾個(gè)方面。(1)柔性自動(dòng)化，具有廣泛的適應(yīng)性(2)加工精度高，質(zhì)量穩(wěn)定(3)生產(chǎn)效率高(4)能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零件的加工(5)減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善勞動(dòng)條件(6)有利于現(xiàn)代化生產(chǎn)與管理1.1數(shù)控技術(shù)概述

(1)柔性自動(dòng)化，具有廣泛的適應(yīng)性

由于采用數(shù)控程序控制，加工中多采用通用型工裝，只要改變數(shù)控程序，便可以實(shí)現(xiàn)對(duì)新零件的自動(dòng)化加工，能適應(yīng)當(dāng)前市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中對(duì)產(chǎn)品不斷更新?lián)Q代的要求，解決了多品種中、小批量生產(chǎn)自動(dòng)化問(wèn)題。(2)加工精度高，質(zhì)量穩(wěn)定

數(shù)控機(jī)床集中采用了提高加工精度和保證質(zhì)量穩(wěn)定性的多種技術(shù)措施：數(shù)控機(jī)床由數(shù)控程序自動(dòng)控制進(jìn)行加工，在工作過(guò)程中，一般不需要人工干預(yù)，這就消除了操作者人為產(chǎn)生的失誤或誤差；數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)按照精密機(jī)床的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造的，采用了滾珠絲杠、滾動(dòng)導(dǎo)軌等高精度傳動(dòng)部件，剛度大、熱穩(wěn)定性和抗振性能好；伺服傳動(dòng)系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量可以達(dá)到10μm～0.5μm，同時(shí)，工作中還大多采用具有檢測(cè)反饋的閉環(huán)或半閉環(huán)控制，具有誤差修正或補(bǔ)償功能，可以進(jìn)一步提高剛度和穩(wěn)定性；數(shù)控加工中心具有刀庫(kù)和自動(dòng)換刀裝置，可以在一次裝夾中，完成工件的多面和多工序加工，最大限度地減少了裝夾誤差的影響。1.1數(shù)控技術(shù)概述(3)生產(chǎn)效率高

數(shù)控機(jī)床能最大限度地減少零件加工所需的機(jī)動(dòng)時(shí)間與輔助時(shí)間，顯著提高生產(chǎn)效率。數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和多數(shù)主運(yùn)動(dòng)都采用無(wú)級(jí)調(diào)速，且調(diào)速范圍大，因此，每一道工序都能選擇最佳的切削速度和進(jìn)給速度；良好的結(jié)構(gòu)剛度和抗振性允許機(jī)床采用大切削用量和進(jìn)行強(qiáng)力切削；一般不需要停機(jī)對(duì)工件進(jìn)行檢測(cè)，從而有效地減少了機(jī)床加工中的停機(jī)時(shí)間；機(jī)床移動(dòng)部件在定位中都采用自動(dòng)加減速措施，因此可以選用很高的空行程運(yùn)動(dòng)速度，大大節(jié)約了輔助運(yùn)動(dòng)時(shí)間；加工中心可以采用自動(dòng)換刀和自動(dòng)交換工作臺(tái)等措施，工件一次裝夾，可以進(jìn)行多面和多工序加工，大大減少了工件裝夾、對(duì)刀等輔助時(shí)間；加工工序集中，可以減少零件的周轉(zhuǎn)，減少了設(shè)備臺(tái)數(shù)及廠房面積，給生產(chǎn)調(diào)度管理帶來(lái)極大方便。1.1數(shù)控技術(shù)概述(4)能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零件的加工

由于數(shù)控機(jī)床采用計(jì)算機(jī)插補(bǔ)和多坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)控制技術(shù)，所以可以實(shí)現(xiàn)任意的軌跡運(yùn)動(dòng)和加工出任何復(fù)雜形狀的空間曲面，可以方便地完成如螺旋槳、汽輪機(jī)葉片、汽車外形沖壓用模具等具有各種復(fù)雜曲面類零件的加工。(5)減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善勞動(dòng)條件

由于數(shù)控機(jī)床的操作者主要利用操作面板對(duì)機(jī)床的自動(dòng)加工進(jìn)行操作，因此，大大減輕了操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了生產(chǎn)條件，并且可以一個(gè)人輕松地管理多臺(tái)機(jī)床。1.1數(shù)控技術(shù)概述(6)有利于現(xiàn)代化生產(chǎn)與管理

采用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工，能夠方便、精確計(jì)算出零件的加工工時(shí)或進(jìn)行自動(dòng)加工統(tǒng)計(jì)，能夠精確計(jì)算生產(chǎn)和加工費(fèi)用，有利于生產(chǎn)過(guò)程的科學(xué)管理。數(shù)控機(jī)床是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造、群控或分布式控制、柔性制造系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)等先進(jìn)制造系統(tǒng)的基礎(chǔ)。但是，與普通機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床的初始投資及維護(hù)費(fèi)用較高，對(duì)操作與管理人員的素質(zhì)要求較高。所以只有從生產(chǎn)實(shí)際出發(fā)，合理地選擇與使用數(shù)控機(jī)床，并且要循序漸進(jìn)，培養(yǎng)入才，積累經(jīng)驗(yàn)，才能達(dá)到降低生產(chǎn)成本、提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力的目的。1.1數(shù)控技術(shù)概述1.1.2數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

（1）高精度化（2）高速化（3）高柔性化(4)高自動(dòng)化(5)智能化(6)復(fù)合化(7)高可靠性(8)網(wǎng)絡(luò)化(9)開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)1.1數(shù)控技術(shù)概述（1）高精度化

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、新材料及新零件的出現(xiàn)，對(duì)精密加工技術(shù)不斷提出新的要求。提高加工精度，發(fā)展新型超精密加工機(jī)床，完善精密加工技術(shù)，以適應(yīng)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，是現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的發(fā)展方向之一。其精度已經(jīng)從微米級(jí)發(fā)展到亞微米級(jí)、乃至納米級(jí)。提高數(shù)控機(jī)床的加工精度，一般可以通過(guò)減少數(shù)控系統(tǒng)的誤差和采用機(jī)床誤差補(bǔ)償技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在減少CNC系統(tǒng)控制誤差方面，通常采取提高數(shù)控系統(tǒng)的分辨率、提高位置檢測(cè)精度、在位置伺服系統(tǒng)中采用前饋控制與非線性控制等方法。在機(jī)床誤差補(bǔ)償技術(shù)方面，除采用齒輪間隙補(bǔ)償、絲杠螺距誤差補(bǔ)償和刀具補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)外，還可以對(duì)設(shè)備熱變形進(jìn)行誤差補(bǔ)償。近十多年來(lái)，普通級(jí)數(shù)控機(jī)床的加工精度已經(jīng)由±10μm提高到±5μm，精密級(jí)加工中心的加工精度則從±3μm～5μm提高到±1μm～1.5μm。1.1數(shù)控技術(shù)概述（2）

高速化

提高生產(chǎn)率是機(jī)床技術(shù)追求的基本目標(biāo)之一。數(shù)控機(jī)床高速化可以充分發(fā)揮現(xiàn)代刀具材料的性能，不但可以大幅度提高加工效率、降低加工成本，而且可以提高零件的表面加工質(zhì)量和精度，對(duì)制造業(yè)實(shí)現(xiàn)高效、優(yōu)質(zhì)、低成本生產(chǎn)，具有廣泛的適用性。要實(shí)現(xiàn)數(shù)控設(shè)備高速化，首先要求數(shù)控系統(tǒng)能對(duì)由微小程序段構(gòu)成的加工程序進(jìn)行高速處理，以計(jì)算出伺服電機(jī)的移動(dòng)量。同時(shí)要求伺服電機(jī)能高速度地做出反應(yīng)，采用32位及64位微處理器，是提高數(shù)控系統(tǒng)高速處理能力的有效手段。實(shí)現(xiàn)數(shù)控設(shè)備高速化的關(guān)鍵是提高切削速度、進(jìn)給速度和減少輔助時(shí)間。1.1數(shù)控技術(shù)概述（3）

高柔性化

采用柔性自動(dòng)化設(shè)備或系統(tǒng)，是提高加工精度和效率、縮短生產(chǎn)周期、適應(yīng)市場(chǎng)變化需求和提高競(jìng)爭(zhēng)能力的有效手段。數(shù)控機(jī)床在提高單機(jī)柔性化的同時(shí)，朝著單元柔性化和系統(tǒng)柔性化方向發(fā)展。如出現(xiàn)了可編程控制器控制的可調(diào)組合機(jī)床、數(shù)控多軸加工中心、換刀換箱式加工中心、數(shù)控三坐標(biāo)動(dòng)力單元等具有柔性的高效加工設(shè)備、柔性加工單元、柔性制造系統(tǒng)以及介于傳統(tǒng)自動(dòng)線與柔性制造系統(tǒng)之間的柔性制造線。1.1數(shù)控技術(shù)概述（4）

高自動(dòng)化

高自動(dòng)化是指在全部加工過(guò)程中，盡量減少人的介入，自動(dòng)地完成規(guī)定的任務(wù)，它包括物料流和信息流的自動(dòng)化。自20世紀(jì)80年代中期以來(lái)，以數(shù)控機(jī)床為主體的加工自動(dòng)化已經(jīng)從“點(diǎn)”(數(shù)控單機(jī)、加工中心和數(shù)控復(fù)合加工機(jī)床)、“線”(FMC、FMS、柔性加工線、柔性自動(dòng)線)向“面”(工段車間獨(dú)立制造島、自動(dòng)化工廠)、“體”(CIMS、分布式網(wǎng)絡(luò)集成制造系統(tǒng))的方向發(fā)展。數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)化除了進(jìn)一步提高其自動(dòng)編程、上下料、加工等自動(dòng)化程度外，還要在自動(dòng)檢索、監(jiān)控、診斷等方面進(jìn)一步發(fā)展。1.1數(shù)控技術(shù)概述（5）

智能化

為適應(yīng)制造業(yè)生產(chǎn)柔性化、自動(dòng)化發(fā)展需要，智能化正成為數(shù)控設(shè)備研究及發(fā)展的熱點(diǎn)。它不僅貫穿在生產(chǎn)加工的全過(guò)程(如智能編程、智能數(shù)據(jù)庫(kù)和智能監(jiān)控)，而且貫穿在產(chǎn)品的售后服務(wù)和維修中。目前采取的主要技術(shù)措施包括以下幾個(gè)方面。

自適應(yīng)控制技術(shù)。

專家系統(tǒng)技術(shù)。

故障自診斷、自修復(fù)技術(shù)

智能化交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)

模式識(shí)別技術(shù)

1.1數(shù)控技術(shù)概述（6）復(fù)合化

復(fù)合化包含工序復(fù)合化和功能復(fù)合化。數(shù)控機(jī)床的發(fā)展已經(jīng)模糊了粗、精加工工序的概念。加工中心的出現(xiàn)，又把車、銑、鏜等工序集中到一臺(tái)機(jī)床來(lái)完成，打破了傳統(tǒng)的工序界限和分開(kāi)加工的工藝規(guī)程，可以最大限度地提高設(shè)備利用率。為了進(jìn)一步提高加工效率，現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床采用多主軸、多面體切削，即同時(shí)對(duì)一個(gè)零件的不同部位進(jìn)行不同方式的切削加工，如各類五面體加工中心。

另外，現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的控制軸數(shù)也在不斷增加，其同時(shí)聯(lián)動(dòng)的軸數(shù)已達(dá)6軸。沈陽(yáng)機(jī)床股份有限公司開(kāi)發(fā)的五軸車銑中心，刀庫(kù)容量16把，可以控制X、Y、Z、B、C五個(gè)軸，具有車削中心和銑削中心的特點(diǎn)；上海重型機(jī)床廠開(kāi)發(fā)的雙主軸倒順式立式車削中心，第一主軸正置、第二主軸倒置，具有C軸功能，采用12工位動(dòng)力刀架，具有自動(dòng)上下料裝置和全封閉等多道防護(hù)裝置，可以一次上料完成零件的正反面加工，包括車削、鏜孔、鉆孔、攻絲等多道工序，適用于大批量輪轂、盤類零件加工。1.1數(shù)控技術(shù)概述（7）

高可靠性

數(shù)控機(jī)床的可靠性一直是用戶最關(guān)心的指標(biāo)。數(shù)控系統(tǒng)將采用更高集成度的電路芯片，利用大規(guī)模或超大規(guī)模的專用及混合式集成電路，以減少元器件的數(shù)量，提高可靠性。通過(guò)硬件功能軟件化，以適應(yīng)各種控制功能的要求，同時(shí)采用機(jī)床本體的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化和系列化，使得既提高生產(chǎn)批量，又便于組織生產(chǎn)和質(zhì)量把關(guān)。還通過(guò)自動(dòng)運(yùn)行啟動(dòng)診斷、在線診斷、離線診斷等多種診斷程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)硬、軟件和各種外部設(shè)備進(jìn)行故障診斷與報(bào)警。利用報(bào)警提示，及時(shí)排除故障；利用容錯(cuò)技術(shù)，對(duì)重要部件采用“冗余”設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)故障功能的自恢復(fù)；利用各種測(cè)試、監(jiān)控技術(shù)，當(dāng)發(fā)生超程、刀具磨損、干擾、斷電等各種意外時(shí)，自動(dòng)進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)。1.1數(shù)控技術(shù)概述（8）網(wǎng)絡(luò)化

為了適應(yīng)FMC、FMS以及進(jìn)一步聯(lián)網(wǎng)組成CIMS的要求，先進(jìn)的CNC系統(tǒng)為用戶提供了強(qiáng)大的聯(lián)網(wǎng)能力，除帶有RS232串行接口、RS422等接口外，還帶有遠(yuǎn)程緩沖功能的DNC接口，可以實(shí)現(xiàn)幾臺(tái)數(shù)控機(jī)床之間的數(shù)據(jù)通信和直接對(duì)幾臺(tái)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行控制。為了適應(yīng)自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和工廠自動(dòng)化規(guī)模越來(lái)越大的要求，滿足不同廠家不同類型數(shù)控機(jī)床聯(lián)網(wǎng)的需要，現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床已經(jīng)配備與工業(yè)局域網(wǎng)通訊的功能以及制造自動(dòng)化協(xié)議(ManufacturingAutomationProtocol，簡(jiǎn)稱MAP)接口，為現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床進(jìn)入FMS及CIMS創(chuàng)造了條件，促進(jìn)了系統(tǒng)集成化和信息綜合化，使遠(yuǎn)程操作和監(jiān)控、遙控及遠(yuǎn)程故障診斷成為可能。這不僅有利于數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠對(duì)其產(chǎn)品的監(jiān)控和維修，而且適用于大規(guī)?，F(xiàn)代化生產(chǎn)的無(wú)人化車間實(shí)行網(wǎng)絡(luò)管理，還適用于在操作人員不宜到現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境(如對(duì)環(huán)境要求很高的超精密加工和對(duì)人體有害的環(huán)境)中工作。1.1數(shù)控技術(shù)概述

（9）開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)20世紀(jì)90年代以后，計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展推動(dòng)了數(shù)控機(jī)床技術(shù)更快地更新?lián)Q代，世界上許多數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家利用PC機(jī)豐富的硬、軟件資源開(kāi)發(fā)了開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)的新一代數(shù)控系統(tǒng)。

開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)可以大量采用通用微機(jī)的先進(jìn)技術(shù)，如多媒體技術(shù)，實(shí)現(xiàn)聲控自動(dòng)編程、圖形掃描自動(dòng)編程等。新一代數(shù)控系統(tǒng)的硬、軟件和總線規(guī)范都是對(duì)外開(kāi)放的，由于有充足的硬、軟件資源可供利用。這種數(shù)控系統(tǒng)可以隨著CPU升級(jí)而升級(jí)，結(jié)構(gòu)上不必變動(dòng)，使數(shù)控系統(tǒng)有更好的通用性、柔性、適應(yīng)性和擴(kuò)展性，并朝著智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。許多國(guó)家紛紛研究、開(kāi)發(fā)這種系統(tǒng)，如美國(guó)科學(xué)制造中心與空軍共同領(lǐng)導(dǎo)的“下一代工作站機(jī)床控制器體系結(jié)構(gòu)”、歐共體的“自動(dòng)化系統(tǒng)中開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)”、日本的OSEC計(jì)劃等，開(kāi)發(fā)、研究成果已經(jīng)得到應(yīng)用，如CincinnatiMilacron公司從1995年開(kāi)始在其生產(chǎn)的加工中心、數(shù)控銑床、數(shù)控車床等產(chǎn)品中采用開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)的A2l00系統(tǒng)。1.1數(shù)控技術(shù)概述1.2.1數(shù)控機(jī)床的組成

數(shù)控系統(tǒng)一般由控制介質(zhì)、輸入裝置、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)、執(zhí)行部件和測(cè)量反饋裝置組成，如圖1-1所示。1.2數(shù)控技術(shù)的基本原理圖1-1數(shù)控系統(tǒng)組成框圖1.控制介質(zhì)

數(shù)控設(shè)備工作時(shí)，不需要操作者直接進(jìn)行手工加工，但設(shè)備必須按操作者的意圖進(jìn)行工作，這就必須在操作者與設(shè)備間建立某種聯(lián)系，對(duì)這種聯(lián)系的中間媒介物稱之為控制介質(zhì)。控制介質(zhì)也稱為信息載體，它可以是穿孔帶、穿孔卡、磁帶、軟磁盤等。在控制介質(zhì)上存儲(chǔ)著加工零件所需要的全部操作信息，它是數(shù)控系統(tǒng)用來(lái)指揮和控制設(shè)備進(jìn)行加工運(yùn)動(dòng)的唯一指令信息。2.輸入裝置

輸入裝置的作用是將控制介質(zhì)上的程序代碼變成相應(yīng)的電脈沖信號(hào)，傳送并存入數(shù)控裝置中。根據(jù)不同的控制介質(zhì)，輸入裝置可以是光電讀帶機(jī)、磁盤驅(qū)動(dòng)器等。也可以將數(shù)控加工程序單上的內(nèi)容通過(guò)數(shù)控裝置上的鍵盤直接輸入給數(shù)控裝置，稱為MDI方式?；蛘邔?shù)控加工程序由編程計(jì)算機(jī)用通信方式傳送給數(shù)控裝置。1.2數(shù)控技術(shù)的基本原理3.數(shù)控裝置

數(shù)控裝置是數(shù)控設(shè)備的核心，它接受輸入裝置送來(lái)的脈沖信導(dǎo)，經(jīng)過(guò)數(shù)控裝置的控制軟件和邏輯電路進(jìn)行編譯、運(yùn)算和邏輯處理，然后將各種信息指令輸出給伺服系統(tǒng)，使設(shè)備各部分進(jìn)行規(guī)范而有序的動(dòng)作。這些指令主要是經(jīng)插補(bǔ)運(yùn)算決定的各坐標(biāo)軸的進(jìn)給速度、進(jìn)給方向和位移量；主運(yùn)動(dòng)部件的變速、換向和啟停信號(hào)；選擇和交換刀具的指令信號(hào)；切削液的開(kāi)停信號(hào)；工件的松夾、分度工作臺(tái)的轉(zhuǎn)位等輔助指令信號(hào)。

介于數(shù)控裝置與被控設(shè)備之間的強(qiáng)電控制裝置，主要作用是接收數(shù)控裝置輸出的主運(yùn)動(dòng)變速、刀具選擇交換、輔助裝置動(dòng)作等指令信號(hào)，經(jīng)過(guò)必要的編譯、邏輯判斷和功率放大后，直接驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的電器、液壓、氣動(dòng)和機(jī)械部件等，完成指令所規(guī)定的各種動(dòng)作。1.2數(shù)控技術(shù)的基本原理4.伺服系統(tǒng)

伺服系統(tǒng)包括伺服驅(qū)動(dòng)電路和伺服驅(qū)動(dòng)元件，它們與執(zhí)行部件上的機(jī)械部件組成數(shù)控設(shè)備的進(jìn)給系統(tǒng)。其作用是把數(shù)控裝置發(fā)來(lái)的速度和位移指令(脈沖信號(hào))轉(zhuǎn)換成執(zhí)行部件的進(jìn)給速度、方向和位移。每個(gè)執(zhí)行進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的部件，都配有一套伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，而相對(duì)于每一個(gè)脈沖信號(hào)，執(zhí)行部件都有一個(gè)相應(yīng)的位移量，又稱為脈沖當(dāng)量，其值越小，加工精度就越高。數(shù)控裝置可以以很高的速度和精度進(jìn)行計(jì)算并發(fā)出很小的脈沖信號(hào)，關(guān)鍵在于伺服系統(tǒng)能以多高的速度與精度去響應(yīng)執(zhí)行。所以整個(gè)系統(tǒng)的精度與速度主要取決于伺服系統(tǒng)。

在伺服系統(tǒng)中，伺服驅(qū)動(dòng)電路要把數(shù)控裝置發(fā)出的微弱電信導(dǎo)(5v左右，毫安級(jí))放大成強(qiáng)電的驅(qū)動(dòng)電信導(dǎo)(幾十至上百伏，安培級(jí))去驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件－伺服電動(dòng)機(jī)。伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件主要有功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、電液脈沖馬達(dá)、直流伺服電動(dòng)機(jī)和交流伺服電動(dòng)機(jī)等，其作用是將電控信號(hào)的變化轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)輸出軸的角速度和角位移的變化，從而帶動(dòng)執(zhí)行部件作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。1.2數(shù)控技術(shù)的基本原理5.執(zhí)行部件

數(shù)控系統(tǒng)的執(zhí)行部件是加工運(yùn)動(dòng)的實(shí)際執(zhí)行部件，主要包括主運(yùn)動(dòng)部件、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)執(zhí)行部件、工作臺(tái)、拖板及其部件和床身立柱等支承部件，此外還有冷卻、潤(rùn)滑和夾緊等輔助裝置，存放刀具的刀架、刀庫(kù)及交換刀具的自動(dòng)換刀機(jī)構(gòu)等。執(zhí)行部件應(yīng)有足夠的剛度和抗振性，還要有足夠的強(qiáng)度，傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單，便于實(shí)觀自動(dòng)控制。6.測(cè)量反饋裝置

測(cè)量反饋裝置是將運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際位移、速度及當(dāng)時(shí)的環(huán)境(如溫度、振動(dòng)、摩擦和切削力等因素的變化)參數(shù)加以檢測(cè)，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)后反饋給數(shù)控裝置，通過(guò)比較，得出實(shí)際運(yùn)動(dòng)與指令運(yùn)動(dòng)的誤差，并發(fā)出誤差指令，糾正所產(chǎn)生的誤差。測(cè)量反饋裝置的引入，有效地改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，大大提高了零件的加工精度。1.2數(shù)控技術(shù)的基本原理1.2.2數(shù)控基本原理和工作過(guò)程1.數(shù)控基本原理

在傳統(tǒng)的金屬切削機(jī)床上，加工零件時(shí)，操作者根據(jù)圖樣的要求，通過(guò)不斷改變刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡和運(yùn)動(dòng)速度等參數(shù)，使刀具對(duì)工件進(jìn)行切削加工，最終加工出合格零件。數(shù)控機(jī)床的加工，實(shí)質(zhì)上是應(yīng)用了“微分”原理。其工作原理如圖1-2所示，簡(jiǎn)述如下。1）數(shù)控裝置根據(jù)加工程序要求的刀具軌跡，將軌跡按機(jī)床對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)軸，以最小移動(dòng)量（脈沖當(dāng)量）進(jìn)行微分（圖1-2中的X、Y），并計(jì)算出各軸需要移動(dòng)的脈沖數(shù)。2）通過(guò)數(shù)控裝置的插補(bǔ)軟件或插補(bǔ)運(yùn)算器，把要求的軌跡用以“最小移動(dòng)單位”為單位的等效折線進(jìn)行擬合，并找出最接近理論軌跡的擬合折線。3）數(shù)控裝置根據(jù)擬合折線的軌跡，給相應(yīng)的坐標(biāo)軸連續(xù)不斷地分配進(jìn)給脈沖，并通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)使機(jī)床坐標(biāo)軸按分配的脈沖運(yùn)動(dòng)。1.2數(shù)控技術(shù)的基本原理圖1-2數(shù)控加工原理第一，只要數(shù)控機(jī)床的最小移動(dòng)量（脈沖當(dāng)量）足夠小，所用的擬合折線就完全可以等效代替理論曲線；第二，只要改變坐標(biāo)軸的脈沖分配方式，即可以改變擬合折線的形狀，從而達(dá)到改變加工軌跡的目的；第三，只要改變分配脈沖的頻率，即可改變坐標(biāo)軸（刀具）的運(yùn)動(dòng)速度。這樣就實(shí)現(xiàn)了數(shù)控機(jī)床控制刀具移動(dòng)軌跡的根本目的。

以上根據(jù)給定的數(shù)學(xué)函數(shù)，在理想軌跡的已知點(diǎn)之間，通過(guò)數(shù)據(jù)點(diǎn)的密化，確定一些中間點(diǎn)的方法，稱為插補(bǔ)。能同時(shí)參與插補(bǔ)的坐標(biāo)軸數(shù)，稱為聯(lián)動(dòng)軸數(shù)。顯然，數(shù)控機(jī)床的聯(lián)動(dòng)軸數(shù)越多，機(jī)床加工輪廓的性能就越強(qiáng)。因此，聯(lián)動(dòng)軸的數(shù)量是衡量數(shù)控機(jī)床性能的重要技術(shù)指標(biāo)之一。1.2數(shù)控技術(shù)的基本原理2.數(shù)控機(jī)床工作過(guò)程

數(shù)控機(jī)床加工零件是按照事先編制好的加工程序進(jìn)行的。首先分析零件圖樣，根據(jù)圖樣中對(duì)材料和尺寸、形狀、加工精度及熱處理等的要求來(lái)確定工藝方案，進(jìn)行工藝處理和數(shù)值計(jì)算。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)規(guī)定的功能指令代碼和程序段格式編寫數(shù)控加工程序單，將加工程序單內(nèi)容輸入數(shù)控裝置，數(shù)控裝置將輸入的加工程序進(jìn)行譯碼、寄存和運(yùn)算后，向系統(tǒng)各個(gè)坐標(biāo)軸的伺服系統(tǒng)發(fā)出指令信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路的放大處理，驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)輸出角位移和角速度，通過(guò)執(zhí)行部件的傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為工作臺(tái)的直線位移，實(shí)現(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。

同時(shí)，數(shù)控裝置通過(guò)強(qiáng)電控制裝置－可編程序控制器(PLC)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)其他必要的輔助動(dòng)作。如自動(dòng)變速、冷卻潤(rùn)滑液的自動(dòng)開(kāi)停、工件的自動(dòng)松夾及刀具的自動(dòng)更換等，配合進(jìn)給運(yùn)動(dòng)完成零件的自動(dòng)加工。1.2數(shù)控技術(shù)的基本原理1.3.1按工藝用途分類

數(shù)控機(jī)床按照工藝用途分類，可分為金屬切削類數(shù)控機(jī)床、金屬成型類數(shù)控機(jī)床、特種加工數(shù)控機(jī)床。1.金屬切削類數(shù)控機(jī)床

金屬切削類數(shù)控機(jī)床有數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控鏜床、數(shù)控鏜銑床、加工中心。加工中心是帶有刀庫(kù)和自動(dòng)換刀裝置的一機(jī)多工序的數(shù)控加工機(jī)床。它的出現(xiàn)打破了一臺(tái)機(jī)床只能進(jìn)行一種工序加工的傳統(tǒng)觀念，利用刀庫(kù)中的多把刀具(一般為20-120把)和自動(dòng)換刀裝置，對(duì)一次裝夾的工件進(jìn)行銑、鏜、鉆、擴(kuò)、鉸和攻螺紋等多工序加工。它主要用來(lái)加工箱體零件或框形零件。2.金屬成型類數(shù)控機(jī)床

金屬成型類數(shù)控機(jī)床有數(shù)控折彎?rùn)C(jī)、數(shù)控彎管機(jī)、數(shù)控壓力機(jī)等設(shè)備。3.特種加工數(shù)控機(jī)床

特種加工數(shù)控機(jī)床有數(shù)控線切割機(jī)床、數(shù)控電火花加工機(jī)床、數(shù)控激光加工機(jī)床等設(shè)備.1.3數(shù)控機(jī)床的分類

1.3.2按伺服控制方式分類

按伺服系統(tǒng)有無(wú)反饋位置檢測(cè)元件，并根據(jù)檢測(cè)元件安裝位置的不同（見(jiàn)第4章4.1.1位置伺服控制分類），機(jī)床伺服系統(tǒng)通常可分為:

開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)

閉環(huán)控制系統(tǒng)

半閉環(huán)控制系統(tǒng)1.3數(shù)控機(jī)床的分類1.3.3按軌跡運(yùn)動(dòng)方式分類

按運(yùn)動(dòng)方式分類，可分為

點(diǎn)位控制系統(tǒng)

直線控制系統(tǒng)

輪廓控制系統(tǒng)。1.3數(shù)控機(jī)床的分類1.點(diǎn)位控制系統(tǒng)

點(diǎn)位控制系統(tǒng)如圖l-3(a)所示，其特點(diǎn)是加工移動(dòng)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(dòng)，在移動(dòng)和定位過(guò)程中不進(jìn)行任何加工，而且移動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)路線并不影響加工孔距的精度。數(shù)控系統(tǒng)只能精確控制行程終點(diǎn)的坐標(biāo)值，而不控制點(diǎn)與點(diǎn)之間的運(yùn)動(dòng)軌跡。為了盡可能地減少移動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)與定位時(shí)間，通常先以快速移動(dòng)到接近終點(diǎn)坐標(biāo)，然后減速準(zhǔn)確移動(dòng)到定位點(diǎn)，以保證良好的加工精度。采用點(diǎn)位控制系統(tǒng)的主要有數(shù)控坐標(biāo)鏜床、數(shù)控鉆床、數(shù)控沖床、數(shù)控點(diǎn)焊機(jī)及數(shù)控彎管機(jī)等。(a)點(diǎn)位控制系統(tǒng)1.3數(shù)控機(jī)床的分類2.直線控制系統(tǒng)

直線控制系統(tǒng)如圖l-3(b)所示，其特點(diǎn)是加工移動(dòng)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(dòng)，而且能實(shí)現(xiàn)平行于坐標(biāo)軸的直線切削加工運(yùn)動(dòng)，及沿與坐標(biāo)軸成45°的斜線進(jìn)行切削加工