數(shù)控原理與數(shù)控機(jī)床許和數(shù)控機(jī)床編程及加工

課程簡(jiǎn)介(Introduction)本課程介紹：數(shù)控機(jī)床控制原理機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)是一個(gè)普通的自動(dòng)控制系統(tǒng)，人是一個(gè)天然的自動(dòng)控制系統(tǒng)，他們之間的原理是相通的。加工程序（工作任務(wù)）數(shù)控裝置（大腦）反饋裝置（眼睛）伺服裝置（四肢）機(jī)床本體（被控對(duì)象）課程主要任務(wù)：三大項(xiàng)目通過(guò)對(duì)數(shù)控原理和典型數(shù)控系統(tǒng)的分析和介紹，使同學(xué)們了解數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)、檢測(cè)裝置、可編程控制器在數(shù)控機(jī)床上的功能和應(yīng)用，常見數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。五大項(xiàng)目1、坐標(biāo)軸位置的控制（CNC）2、主軸轉(zhuǎn)速的控制（SP）3、輔助裝置的控制（PLC）4、檢測(cè)裝置5、機(jī)床結(jié)構(gòu)特點(diǎn)第1章緒論1.1機(jī)床數(shù)字控制的基本概念1.2數(shù)控系統(tǒng)的組成及分類1.3數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展1.1機(jī)床數(shù)字控制的基本概念一、數(shù)控機(jī)床的概念

數(shù)控（NumericalControl）數(shù)字控制是一種自動(dòng)控制技術(shù)，是用數(shù)字化信號(hào)對(duì)控制對(duì)象的工作過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)控制的一種方法。數(shù)控機(jī)床（NCMachine）數(shù)控機(jī)床就是采用了數(shù)控技術(shù)的機(jī)床，或裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床。數(shù)控系統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)是一種程序控制系統(tǒng)，它能自動(dòng)完成信息的輸入、譯碼、邏輯運(yùn)算，從而控制機(jī)床的運(yùn)動(dòng)和加工過(guò)程。數(shù)控程序（NCProgram）輸入數(shù)控系統(tǒng)中的、使數(shù)控機(jī)床執(zhí)行一個(gè)確定的加工任務(wù)的、具有特定代碼和其它符號(hào)編碼的一系列指令。數(shù)控編程生成用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行零件加工的數(shù)控程序的過(guò)程。數(shù)控加工根據(jù)零件圖樣及工藝要求等原始條件編制零件數(shù)控加工程序，輸入數(shù)控系統(tǒng)，控制數(shù)控機(jī)床中刀具與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而完成零件的加工。二、數(shù)控技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：1.加工精度高，重復(fù)精度高缺點(diǎn)：6.可加工很復(fù)雜的型面數(shù)控技術(shù)不依附于數(shù)控機(jī)床，但它卻是隨數(shù)控機(jī)床發(fā)展起來(lái)的，因此數(shù)控技術(shù)多指機(jī)床數(shù)控技術(shù)。數(shù)控機(jī)床綜合應(yīng)用了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感測(cè)量技術(shù)、光機(jī)電技術(shù)、精密機(jī)械的設(shè)計(jì)制造技術(shù)等各方面現(xiàn)代科技各方面的最新成果，是現(xiàn)代制造業(yè)的主要加工裝備，也是數(shù)控技術(shù)的重要應(yīng)用方面。數(shù)控機(jī)床是制造機(jī)器的機(jī)器，是先進(jìn)的“母機(jī)”。1.2數(shù)控系統(tǒng)的組成及分類數(shù)控機(jī)床由加工程序、輸入裝置、數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、輔助控制裝置、反饋系統(tǒng)以及機(jī)床本體等部分組成。數(shù)控機(jī)床的組成用框圖表示如下：一、數(shù)控機(jī)床的組成1.程序編制及程序載體

數(shù)控程序由數(shù)控機(jī)床自動(dòng)加工零件所需工作指令組成，包含切削過(guò)程中所必需的機(jī)械運(yùn)動(dòng)、零件輪廓尺寸、工藝參數(shù)等加工信息。編制程序的工作可以人工進(jìn)行，也可以在數(shù)控機(jī)床以外用計(jì)算機(jī)自動(dòng)編程系統(tǒng)來(lái)完成。對(duì)于幾何形狀比較簡(jiǎn)單的零件，程序段不多，可以采用手工編程；對(duì)于比較復(fù)雜特別是空間曲面零件，由于手工編程繁瑣而費(fèi)時(shí)，且易出錯(cuò)，需采用自動(dòng)編程的方法。

常用的程序載體有穿孔紙帶、磁卡、磁盤、光盤等。程序載體我們稱它為控制介質(zhì)。CNC機(jī)床在進(jìn)行加工前，必須接受由操作人員輸入的零件加工程序，然后才能根據(jù)輸入的加工程序進(jìn)行加工控制，從而加工出所需的零件。在加工過(guò)程中，操作人員要向機(jī)床數(shù)控裝置輸入操作命令，數(shù)控裝置要為操作人員顯示必要的信息，如坐標(biāo)值、報(bào)警信號(hào)等。此外，輸入的程序有時(shí)并非全部正確，還需要編輯、修改和調(diào)試。以上工作都是機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)和操作人員進(jìn)行信息交流的過(guò)程，要進(jìn)行信息交流，CNC系統(tǒng)中就必須具備必要的交互設(shè)備，即輸入／輸出裝置。輸入裝置的作用是將程序載體上的數(shù)控代碼信息轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖信號(hào)并傳送至數(shù)控裝置的存儲(chǔ)器。根據(jù)程序控制介質(zhì)的不同，輸入裝置可以是光電閱讀機(jī)、錄放機(jī)或軟盤驅(qū)動(dòng)器。最早使用光電閱讀機(jī)對(duì)穿孔紙帶進(jìn)行閱讀，之后大量使用磁帶機(jī)和軟盤驅(qū)動(dòng)器。有些數(shù)控機(jī)床不用任何程序存儲(chǔ)載體，而是將程序清單的內(nèi)容通過(guò)數(shù)控裝置上的鍵盤，用手工的方式輸入。也可以用通信方式將數(shù)控程序由編程計(jì)算機(jī)直接傳送至數(shù)控裝置。2．輸入／輸出裝置

3.數(shù)控裝置（很可靠的計(jì)算機(jī)加數(shù)控軟件）

數(shù)控裝置是數(shù)控機(jī)床的核心，包括微型計(jì)算機(jī)、各種接口電路硬件及相應(yīng)的軟件。它能完成信息的輸入、存儲(chǔ)、變換、插補(bǔ)運(yùn)算以及各種控制功能。數(shù)控裝置接受輸入裝置送來(lái)的脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)編譯、運(yùn)算和邏輯處理后，輸出各種信號(hào)和指令來(lái)控制機(jī)床的各個(gè)部分，并按程序要求實(shí)現(xiàn)規(guī)定的、有序的動(dòng)作。

輸出：主運(yùn)動(dòng)信號(hào)（速度、位置指令）輔控信號(hào)（換刀、冷卻液和潤(rùn)滑液的控制、主軸的起停、加緊和松開）輸入：位置、溫度、壓力等信號(hào)。數(shù)控裝置具備的功能有：①

多坐標(biāo)控制；②

實(shí)現(xiàn)多種函數(shù)的插補(bǔ)；③

信息轉(zhuǎn)換功能，如英制/公制轉(zhuǎn)換、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、絕對(duì)值/增量值轉(zhuǎn)換；④

補(bǔ)償功能，如刀具半徑補(bǔ)償、長(zhǎng)度補(bǔ)償、傳動(dòng)間隙補(bǔ)償、螺距誤差補(bǔ)償；⑤

多種加工方式選擇，如可以實(shí)現(xiàn)各種加工循環(huán)、重復(fù)加工；⑥

具有故障自診斷功能；⑦

通信和聯(lián)網(wǎng)功能等。⑧多種程序輸入功能(人機(jī)對(duì)話、手動(dòng)數(shù)據(jù)輸入、由上級(jí)計(jì)算機(jī)及其他計(jì)算機(jī)輸入設(shè)備的程序輸入），以及編輯和修改功能。⑨顯示功能4．伺服驅(qū)動(dòng)裝置

伺服驅(qū)動(dòng)裝置包括主軸伺服驅(qū)動(dòng)裝置和進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)裝置兩部分。伺服驅(qū)動(dòng)裝置由驅(qū)動(dòng)電路和伺服電動(dòng)機(jī)組成，并與機(jī)床上的機(jī)械傳動(dòng)部件組成數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)和進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)。主軸伺服驅(qū)動(dòng)裝置接收來(lái)自PLC的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速指令，經(jīng)過(guò)功率放大后驅(qū)動(dòng)主軸電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)裝置在每個(gè)插補(bǔ)周期內(nèi)接收數(shù)控裝置的位移指令，經(jīng)過(guò)功率放大后驅(qū)動(dòng)進(jìn)給電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)完成速度控制和反饋控制功能。根據(jù)所選電動(dòng)機(jī)的不同，伺服驅(qū)動(dòng)裝置的控制對(duì)象可以是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、直流伺服電動(dòng)機(jī)或交流伺服電動(dòng)機(jī)。伺服驅(qū)動(dòng)裝置有開環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)之分。由于主軸的運(yùn)動(dòng)沒(méi)有進(jìn)給軸的要求高，因此，有時(shí)普通數(shù)控車、銑床的主軸電機(jī)不是伺服電動(dòng)機(jī)，而是普通電動(dòng)機(jī)。

5．輔助控制裝置

輔助控制裝置的主要作用是接受數(shù)控裝置輸出的主運(yùn)動(dòng)換向、變速、起停、刀具的選擇和交換，以及其他輔助裝置動(dòng)作等指令信號(hào)，經(jīng)過(guò)必要的編譯、邏輯判斷和運(yùn)算，經(jīng)功率放大后直接驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)源，帶動(dòng)機(jī)床的機(jī)械部件，液壓、氣動(dòng)裝置等完成相應(yīng)指令規(guī)定的動(dòng)作，如工件的裝夾、刀具的更換、切削液的開關(guān)等一些輔助功能。它接收機(jī)床操作面板和來(lái)自數(shù)控裝置的指令，一方面通過(guò)接口電路直接控制機(jī)床的動(dòng)作；另一方面通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)裝置控制主軸電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

測(cè)量元件將數(shù)控機(jī)床各坐標(biāo)軸的位移指令值檢測(cè)出來(lái)并經(jīng)反饋系統(tǒng)輸入到機(jī)床的數(shù)控裝置中，數(shù)控裝置對(duì)反饋回來(lái)的實(shí)際位移值與設(shè)定值進(jìn)行比較，并向伺服系統(tǒng)輸出達(dá)到設(shè)定值所需的位移量指令。

與傳統(tǒng)的機(jī)床比較，數(shù)控機(jī)床本體仍然由主傳動(dòng)裝置、進(jìn)給傳動(dòng)裝置、床身、工作臺(tái)、輔助運(yùn)動(dòng)裝置、液壓氣動(dòng)系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)以及冷卻系統(tǒng)等組成。但數(shù)控機(jī)床的整體布局、外觀造型、傳動(dòng)系統(tǒng)、刀具系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和操作結(jié)構(gòu)等方面都發(fā)生了很大的改變。主要是為了滿足數(shù)控系統(tǒng)對(duì)數(shù)控機(jī)床的要求。二、數(shù)控系統(tǒng)的分類

1、按工藝用途分類

1)金屬切削類數(shù)控機(jī)床這類數(shù)控機(jī)床如數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控鏜床、數(shù)控磨床、數(shù)控鉆床、數(shù)控齒輪加工機(jī)床、加工中心等。盡管這些機(jī)床在加工工藝方面存在很大差異，具體的控制方法也各不相同，但它們都適合于單件、小批量和多品種的零件加工，具有很高的生產(chǎn)率和自動(dòng)化程度。

2)金屬成型類數(shù)控機(jī)床這類數(shù)控機(jī)床如數(shù)控折彎?rùn)C(jī)、數(shù)控彎管機(jī)、數(shù)控沖床等。3)數(shù)控特種加工及其他類型機(jī)床這類數(shù)控機(jī)床如數(shù)控線切割機(jī)床、數(shù)控火焰切割機(jī)、數(shù)控三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、數(shù)控電火花加工機(jī)床等。

2、按運(yùn)動(dòng)軌跡分類

1）點(diǎn)位控制這類機(jī)床只控制運(yùn)動(dòng)部件從一個(gè)位置到另一個(gè)位置的準(zhǔn)確定位，不管中間的移動(dòng)軌跡如何，在移動(dòng)的過(guò)程中不進(jìn)行切削加工，對(duì)兩點(diǎn)之間的移動(dòng)速度及運(yùn)動(dòng)軌跡沒(méi)有嚴(yán)格要求。但通常為了提高加工效率，一般先快速移動(dòng)，在以慢速接近終點(diǎn)。常見的有數(shù)控鉆床、數(shù)控坐標(biāo)鏜床、數(shù)控沖床等。

2）點(diǎn)位直線控制這類機(jī)床的特點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)部件不僅要實(shí)現(xiàn)由一個(gè)位置到另一個(gè)位置的精確移動(dòng)定位，而且能夠?qū)崿F(xiàn)平行坐標(biāo)軸方向或45°的直線軌跡運(yùn)動(dòng)的直線切削加工運(yùn)動(dòng)。常見的有簡(jiǎn)易數(shù)控車床。數(shù)控鏜銑床等。

3）輪廓控制這類數(shù)控機(jī)床能夠?qū)蓚€(gè)或兩個(gè)以上的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)的位移及速度進(jìn)行連續(xù)相關(guān)的控制，可以進(jìn)行曲線或曲面的加工。。控制X、Y坐標(biāo)控制Y、Z和Z、X坐標(biāo)輪廓控制數(shù)控機(jī)床（1）2坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)用“行切法”加工（2）2坐標(biāo)半聯(lián)動(dòng)加工（3）3坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)加工（4）4坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)加工（5）5坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)加工1.3.3．按伺服系統(tǒng)分類1.開環(huán)數(shù)控機(jī)床

開環(huán)控制數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)是其控制系統(tǒng)不帶反饋裝置，通常使用步進(jìn)電機(jī)作為伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)。開環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低，系統(tǒng)對(duì)移動(dòng)部件的實(shí)際位移量不進(jìn)行測(cè)量，也不進(jìn)行誤差校正。開環(huán)系統(tǒng)僅適用與加工精度要求不是很高的中小型數(shù)控機(jī)床。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)，但通常輸出的扭矩值大小受到限制，而且當(dāng)輸入的頻率較高時(shí)，容易產(chǎn)生失步，難以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)部件的控制。開環(huán)控制機(jī)床圖例2.閉環(huán)數(shù)控機(jī)床

這類機(jī)床帶有檢測(cè)裝置，直接對(duì)工作臺(tái)的位移量進(jìn)行測(cè)量。該系統(tǒng)可以消除包括工作臺(tái)傳動(dòng)鏈在內(nèi)的運(yùn)動(dòng)誤差，定位精度高，調(diào)節(jié)速度快。但調(diào)試工作比較困難，制造成本高。適用于精度要求很高的數(shù)控機(jī)床。相比于開環(huán)數(shù)控機(jī)床，閉環(huán)數(shù)控機(jī)床精度更高，速度更快，驅(qū)動(dòng)功率更大，但是，這類機(jī)床價(jià)格昂貴，對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)鏈依然提出了嚴(yán)格的要求。傳動(dòng)鏈的剛度、間隙，導(dǎo)軌的低速運(yùn)動(dòng)特性，機(jī)床結(jié)構(gòu)的抗振性等因素都會(huì)增加系統(tǒng)調(diào)試?yán)щy。閉環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)整得不好，很容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。所以，閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床主要用于一些精度要求很高的鏜銑床、超精車床、超精磨床等。

3.半閉環(huán)數(shù)控機(jī)床

這類數(shù)控機(jī)床是在進(jìn)給電動(dòng)機(jī)的軸端安裝角位移測(cè)量元件，通過(guò)測(cè)量電動(dòng)機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)角位移并經(jīng)過(guò)一定的換算來(lái)代替測(cè)量工作臺(tái)的直線位移。這類系統(tǒng)未將絲桿螺母副、齒輪傳動(dòng)副等傳動(dòng)誤差包含在控制系統(tǒng)中，其精度介于開環(huán)和閉環(huán)之間，但調(diào)試卻比較方便，得到廣泛的應(yīng)用。1.3.4．按控制系統(tǒng)功能水平分按控制系統(tǒng)的功能水平，可以把數(shù)控機(jī)床分為經(jīng)濟(jì)型、普及型、高級(jí)型三類，主要由技術(shù)參數(shù)、功能指標(biāo)、關(guān)鍵部件的功能水平來(lái)決定。這些指標(biāo)具體包括CPU性能、分辨率、進(jìn)給速度、伺服性能、通信功能、聯(lián)動(dòng)軸數(shù)等。1)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床這類數(shù)控機(jī)床通常為低檔數(shù)控機(jī)床，一般采用8位CPU或單片機(jī)控制，分辨率為10μm，進(jìn)給速度為8～15m/min，采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。低檔數(shù)控機(jī)床最多聯(lián)動(dòng)軸數(shù)為二軸或三軸，具有簡(jiǎn)單CRT字符顯示或數(shù)碼管顯示功能，無(wú)通信功能。

2)普及型數(shù)控機(jī)床這類數(shù)控機(jī)床通常為中檔數(shù)控機(jī)床，一般采用16位或更高性能的CPU，分辨率在1μm以內(nèi)，進(jìn)給速度為15～24m/min，采用交流或直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)；聯(lián)動(dòng)軸數(shù)為3～5軸；有較齊全的CRT顯示及很好的人機(jī)界面，大量采用菜單操作，不僅有字符，還有平面線性圖形顯示功能、人機(jī)對(duì)話、自診斷等功能；具有RS232或DNC接口，通過(guò)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，也可以直接對(duì)幾臺(tái)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行控制。

3)高級(jí)型數(shù)控機(jī)床這類數(shù)控機(jī)床通常為高檔數(shù)控機(jī)床，一般采用32位或64位CPU，并采用精簡(jiǎn)指令集RISC作為中央處理單元，分辨率可達(dá)0.1μm，進(jìn)給速度為15～100m/min，采用數(shù)字化交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，聯(lián)動(dòng)軸數(shù)在五軸以上，有三維動(dòng)態(tài)圖形顯示功能。高檔數(shù)控機(jī)床具有高性能通信接口，具備聯(lián)網(wǎng)功能，通過(guò)采用MAP(制造自動(dòng)化協(xié)議)等高級(jí)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)或Ethernet(以太網(wǎng))，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程故障診斷和維修，為解決不同類型不同廠家生產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床的聯(lián)網(wǎng)和數(shù)控機(jī)床進(jìn)入FMS(柔性制造系統(tǒng))和CIMS(計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng))等制造系統(tǒng)創(chuàng)造了條件。上述這種分類方式?jīng)]有嚴(yán)格的界限，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控是相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)控而言的，在不同時(shí)期、不同國(guó)家的含義是不一樣的。區(qū)別于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控，把功能比較齊全的數(shù)控系統(tǒng)稱為全功能數(shù)控，也稱為標(biāo)準(zhǔn)型數(shù)控。1.3數(shù)控技術(shù)的發(fā)展1．?dāng)?shù)控技術(shù)的發(fā)展史從1952年世界上第一臺(tái)數(shù)控銑床問(wèn)世至今50多年中，隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了從硬線數(shù)控到計(jì)算機(jī)數(shù)控兩個(gè)階段和從電子管數(shù)控到基于個(gè)人計(jì)算機(jī)平臺(tái)的數(shù)控共五代的發(fā)展。

(1)?1952年美國(guó)研制出第一代數(shù)控機(jī)床，其數(shù)控系統(tǒng)采用電子管、繼電器、模擬電路組成，體積龐大，價(jià)格昂貴。(2)?1959年數(shù)控系統(tǒng)中開始廣泛采用晶體管和印刷電路板，數(shù)控系統(tǒng)跨入第二代。第二代數(shù)控系統(tǒng)體積縮小，成本有所下降。從1960年開始，其他一些工業(yè)國(guó)家如德國(guó)、日本等都陸續(xù)開發(fā)、生產(chǎn)并使用了數(shù)控機(jī)床。(3)?1965年出現(xiàn)了小規(guī)模集成電路，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展到第三代。第三代數(shù)控系統(tǒng)不僅體積小、功率消耗少，且可靠性提高，價(jià)格進(jìn)一步下降。1967年，英國(guó)首先把幾臺(tái)數(shù)控機(jī)床聯(lián)結(jié)成具有柔性的加工系統(tǒng)，這就是最初的柔性制造系統(tǒng)(FMS)；之后，美國(guó)、日本也相繼進(jìn)行了開發(fā)和應(yīng)用。以上這三代數(shù)控系統(tǒng)主要由電路的硬件和連線組成，稱為硬線數(shù)控系統(tǒng)，具有很多硬件和連線特點(diǎn)，電路復(fù)雜，可靠性不高。裝有這類數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床稱為普通數(shù)控機(jī)床(NC)。(4)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，小型計(jì)算機(jī)的價(jià)格急劇下降，小型計(jì)算機(jī)開始取代專用數(shù)控計(jì)算機(jī)，使數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)入了以小型計(jì)算機(jī)化為特征的第四代，數(shù)控的許多功能由軟件程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。1970年，這種系統(tǒng)首次出現(xiàn)在美國(guó)芝加哥國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)上。

(5)?1974年，以微處理器為核心的數(shù)控系統(tǒng)問(wèn)世，標(biāo)志著數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)入第五代。30多年來(lái)，微處理器數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床得到了飛速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。（6）1990年開始，數(shù)控系統(tǒng)轉(zhuǎn)向基于pc機(jī)，進(jìn)入到第六代。第四、五、六代數(shù)控系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)硬件和軟件組成，通常稱為計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)(CNC)；又由于其利用存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器里的軟件控制系統(tǒng)工作，因此也稱為軟件數(shù)控系統(tǒng)。這種系統(tǒng)容易擴(kuò)大功能，柔性好，可靠性高。

數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)過(guò)50多年的不斷發(fā)展，功能越來(lái)越完善，使用越來(lái)越方便，可靠性越來(lái)越高，性能價(jià)格比越來(lái)越好。以FANUC為例，1991年開發(fā)成功的FS15系統(tǒng)與1971年開發(fā)的FS220系統(tǒng)相比，體積只有后者的1/10，加工精度提高了10倍，可靠性提高了30倍以上。新一代數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)水平的提高，促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床性能的提高：數(shù)控機(jī)床的控制軸數(shù)已從單軸的點(diǎn)位控制、兩軸聯(lián)動(dòng)發(fā)展到五軸以上的聯(lián)動(dòng)；許多數(shù)控機(jī)床具有自適應(yīng)控制、自動(dòng)檢測(cè)、軟件精度補(bǔ)償、自動(dòng)換刀、自動(dòng)交換工件、動(dòng)態(tài)加工圖像顯示、現(xiàn)場(chǎng)編程、機(jī)床故障自診斷等功能；某些機(jī)床還帶有自動(dòng)監(jiān)控刀具破損、磨損、切削振動(dòng)、主軸功率超載監(jiān)控等裝置。2．?dāng)?shù)控機(jī)床和數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)1)高速化速度和精度是數(shù)控機(jī)床的兩個(gè)重要指標(biāo)，它直接關(guān)系到加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量。高速切削可以減小切削深度，有利于克服機(jī)床振動(dòng)、降低傳入零件的熱量及減小熱變形，從而提高加工精度，改善加工表面質(zhì)量。新一代高速數(shù)控機(jī)床的車削和銑削的切削速度已達(dá)到5000～8000m/min以上，主軸轉(zhuǎn)速在30000r/min以上(有的高達(dá)100000r/min)，數(shù)控機(jī)床能在極短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)升速和降速，以保持很高的定位精度；工作臺(tái)的移動(dòng)速度，在分辨率為1μm時(shí)，可達(dá)100m/min以上，在分辨率為0.1μm時(shí)，可達(dá)240m/min以上；自動(dòng)換刀時(shí)間在1秒以內(nèi)，工作臺(tái)交換時(shí)間在秒以內(nèi)，并且高速化的趨勢(shì)有增無(wú)減。目前，數(shù)控系統(tǒng)采用更高位數(shù)、頻率的處理器，以提高系統(tǒng)的運(yùn)算速度；采用超大規(guī)模的集成電路和多微處理器機(jī)構(gòu)，以提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力；采用直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)的直線伺服進(jìn)給方式，使其高速度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性相當(dāng)優(yōu)越；為適應(yīng)超高速加工的要求，數(shù)控機(jī)床采用主軸電機(jī)與機(jī)床主軸合二為一的結(jié)構(gòu)形式，實(shí)現(xiàn)了變頻電動(dòng)機(jī)與機(jī)床主軸的一體化；主軸電機(jī)的軸承采用磁浮軸承、液體動(dòng)靜壓軸承或陶瓷滾動(dòng)軸承等形式；目前陶瓷刀具和金剛石涂層刀具已開始得到應(yīng)用。2)高精度化數(shù)控系統(tǒng)帶有高精度的位置檢測(cè)裝置，并通過(guò)在線自動(dòng)補(bǔ)償(實(shí)時(shí)補(bǔ)償)技術(shù)來(lái)消除或減少熱變形、力變形和刀具磨損的影響，使加工一致性的精度得到保證，進(jìn)一步提高了定位精度。普通數(shù)控加工的尺寸精度通?？蛇_(dá)5μm，精密級(jí)加工中心的加工精度通?？蛇_(dá)1μm，最高的尺寸精度可達(dá)0.01μm。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)超精密加工技術(shù)不斷提出新的要求。新材料、新零件的出現(xiàn)以及更高精度要求的提出等都需要超精密加工工藝，發(fā)展新型超精密加工機(jī)床，完善現(xiàn)代超精密加工技術(shù)，是適應(yīng)現(xiàn)代科技必由之路。3)多功能化數(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)打破了傳統(tǒng)的工序界限和分開加工的工藝規(guī)程。配有自動(dòng)換刀機(jī)構(gòu)(刀庫(kù)容量可達(dá)100把以上)的各類加工中心，能在同一臺(tái)機(jī)床上同時(shí)實(shí)現(xiàn)銑削、鏜削、鉆削、車削、鉸孔、擴(kuò)孔、攻螺紋等多種工序加工?，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床還采用了多主軸、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，減少了在不同數(shù)控機(jī)床間進(jìn)行工序的轉(zhuǎn)換而引起的待工以及多次上下料等時(shí)間。近年來(lái)，又相繼出現(xiàn)了許多跨度更大的功能集中的超復(fù)合化數(shù)控機(jī)床。4)智能化隨著人工智能在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域中的應(yīng)用，數(shù)控系統(tǒng)引入了自適應(yīng)控制、模糊系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制機(jī)理，使新一代數(shù)控系統(tǒng)具有自動(dòng)編程、模糊控制、前饋控制、學(xué)習(xí)控制、自適應(yīng)控制、工藝參數(shù)自動(dòng)生成、三維刀具補(bǔ)償、運(yùn)動(dòng)參數(shù)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)裙δ?，而且人機(jī)界面極為友好，并具有故障診斷專家系統(tǒng)，使自診斷和故障監(jiān)控功能更加完善。

5)高柔性化數(shù)控機(jī)床在提高單機(jī)柔性化的同時(shí)，正朝著單元柔性化和系統(tǒng)柔性化方向發(fā)展。柔性制造系統(tǒng)(FMS)是一種在批量生產(chǎn)下，高柔性和高自動(dòng)化程度的制造系統(tǒng)，它綜合了高效、高質(zhì)量及高柔性的特點(diǎn)，解決了長(zhǎng)期以來(lái)中小批量以及中大批量、多品種產(chǎn)品生產(chǎn)自動(dòng)化的技術(shù)難題。為了適應(yīng)柔性制造系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)集成系統(tǒng)的要求，數(shù)控系統(tǒng)具有遠(yuǎn)距離串行接口，甚至可以聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控機(jī)床之間的數(shù)據(jù)通信，也可以直接對(duì)多臺(tái)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行控制。6)可靠性最大化數(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)繼續(xù)向高集成度方向發(fā)展，以減少元器件的數(shù)量來(lái)提高可靠性，同時(shí)使系統(tǒng)更加小型化、微型化；利用多CPU的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)故障自動(dòng)排除，增強(qiáng)可靠性。

此外，數(shù)控機(jī)床也在朝著模塊化、專門化、個(gè)性化方向發(fā)展。數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)模塊化，以適應(yīng)數(shù)控機(jī)床多品種、小批量加工零件的特點(diǎn)；數(shù)控功能專門化，以使機(jī)床性能價(jià)格比顯著提高；個(gè)性化也是近幾年來(lái)數(shù)控機(jī)床特別明顯的發(fā)展趨勢(shì)。3先進(jìn)制造系統(tǒng)簡(jiǎn)介

數(shù)字控制系統(tǒng)數(shù)字控制系統(tǒng)(DNC系統(tǒng))是用一臺(tái)計(jì)算機(jī)直接控制多臺(tái)機(jī)床進(jìn)行零件加工或裝備的系統(tǒng)，又稱群控系統(tǒng)，它在20世紀(jì)60年代末開始出現(xiàn)。在DNC系統(tǒng)中，基本保留了原來(lái)各數(shù)控機(jī)床的CNC系統(tǒng)，并與DNC系統(tǒng)的中央計(jì)算機(jī)組成計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了分級(jí)控制管理。DNC系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：①

具有計(jì)算機(jī)集中處理和分時(shí)控制的能力；②

具有現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)編程和對(duì)零件程序進(jìn)行編輯和修改的能力，使編程與控制相結(jié)合，而且零件程序存儲(chǔ)容量大；③

具有生產(chǎn)管理、作業(yè)調(diào)度、工況顯示監(jiān)控和刀具壽命管理的能力。1)間接型DNC系統(tǒng)間接型DNC系統(tǒng)配有集中管理和控制的中央計(jì)算機(jī)，并在中央計(jì)算機(jī)和數(shù)控機(jī)床的數(shù)控裝置之間加有通信接口，如圖1-8所示。各機(jī)床的數(shù)控裝置依然承擔(dān)著原來(lái)的控制功能，中央計(jì)算機(jī)配備的大容量外存儲(chǔ)器中存放著每臺(tái)數(shù)控機(jī)床所需的零件加工計(jì)劃和加工程序，可適時(shí)調(diào)至計(jì)算機(jī)的內(nèi)存中。計(jì)算機(jī)根據(jù)需要以中斷方式向發(fā)出請(qǐng)求的某臺(tái)數(shù)控機(jī)床的通信接口傳送所需的加工程序。間接型DNC系統(tǒng)比較容易建立，由于機(jī)床的數(shù)控裝置未簡(jiǎn)化，硬件成本較高。2)直接型DNC系統(tǒng)在直接型DNC系統(tǒng)中，數(shù)控機(jī)床不再配備數(shù)控裝置，只需配置一個(gè)簡(jiǎn)單的機(jī)床控制器(MachineControlUnit，MCU)，用于數(shù)據(jù)傳輸、驅(qū)動(dòng)控制和手工操作，原來(lái)由數(shù)控裝置完成的插補(bǔ)運(yùn)算由中央計(jì)算機(jī)或接口電路完成，如圖1-9所示。直接控制型DNC系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床，其控制功能主要由計(jì)算機(jī)軟件執(zhí)行，所以靈活性大，適應(yīng)性強(qiáng)，可靠性也比較高，但是投資比較大。圖1-8間接型DNC系統(tǒng)

圖1-9直接型DNC系統(tǒng)

為滿足現(xiàn)代生產(chǎn)中的多品種、中小批量、產(chǎn)品更新?lián)Q代周期快的要求，出現(xiàn)許多先進(jìn)制造方法和系統(tǒng)，概括起來(lái)主要有： 1.柔性制造單元(FMC) 2.柔性制造系統(tǒng)(FMS) 3.計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS) 在這里，我們主要介紹一下FMC、FMS的定義以及它們的特點(diǎn)等。柔性制造單元（FMC） 1.FMC的概念 柔性制造單元（FlexibleManufacturingCell，簡(jiǎn)稱FMC）由一臺(tái)或多臺(tái)數(shù)控設(shè)備，自動(dòng)化物流存儲(chǔ)、傳輸和交換裝置，及一臺(tái)單元控制計(jì)算機(jī)組成。單元控制計(jì)算機(jī)協(xié)調(diào)和控制單元內(nèi)各設(shè)備的運(yùn)行并與上級(jí)計(jì)算機(jī)通信。 2.FMC的組成 一般情況下，F(xiàn)MC中存在著信息流、物流和加工三個(gè)子系統(tǒng)。信息流子系統(tǒng)包括FMC控制系統(tǒng)、監(jiān)視系統(tǒng)、控制與管理軟件；物流子系統(tǒng)包括工件流和刀具流的裝卸、搬運(yùn)和存儲(chǔ)。下圖就是一個(gè)FMC的控制結(jié)構(gòu)框圖。 3.FMC的特點(diǎn)⑴在單元計(jì)算機(jī)控制下，可在不同或同一機(jī)床上進(jìn)行不同零件的加工；⑵在單元計(jì)算機(jī)控制下，可以組成柔性制造系統(tǒng)并進(jìn)行通信；⑶在機(jī)床加工過(guò)程中可自動(dòng)進(jìn)行刀具的更換和工件的自動(dòng)傳輸；⑷在機(jī)床加工過(guò)程中可實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程監(jiān)控；柔性制造系統(tǒng)（FMS） 1.FMS的定義 柔性制造系統(tǒng)（FlexibleManufacturingSystem，簡(jiǎn)稱FMS）的定義是：柔性制造系統(tǒng)是由數(shù)控加工設(shè)備、物料運(yùn)儲(chǔ)裝置和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等組成的自動(dòng)化制造系統(tǒng)。它包括多個(gè)柔性制造單元，能根據(jù)制造任務(wù)或生產(chǎn)環(huán)境的變化迅速進(jìn)行調(diào)整，適用于多品種、小批量生產(chǎn)。 2.FMS的基本組成 從硬件的形式看有三部分組成：多個(gè)加工設(shè)備、一套自動(dòng)的物料儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)以及一套計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。 從軟件內(nèi)容看主要包括：運(yùn)行控制軟件、質(zhì)量控制軟件以及數(shù)據(jù)管理和通信軟件。 從功能上看應(yīng)該有：能自動(dòng)進(jìn)行零件的批量生產(chǎn)；改變軟件，便能制造出某一零件族的任何零件；物料的運(yùn)輸和存儲(chǔ)是自動(dòng)完成的；能解決多機(jī)條件下零件的混合比，且無(wú)需額外增加費(fèi)用。3.FMS的效益 由于FMS是自動(dòng)化系統(tǒng),，應(yīng)用FMS可以獲得明顯的效益，主要由于以下幾方面的因素：(1)主要設(shè)備利用率高。(2)降低主要設(shè)備成本。(3)降低直接人工成本。(4)減少在制品庫(kù)存量及生產(chǎn)周期。(5)生產(chǎn)具有柔性、能適應(yīng)市場(chǎng)需求的變化。(6)具有自診斷和維護(hù)生產(chǎn)的能力。(7)產(chǎn)品質(zhì)量高。(8)占地面積減少。數(shù)控機(jī)床編程及加工機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^(guò)數(shù)控機(jī)床的加工程序編制，掌握編程的方法及技巧；將在計(jì)算機(jī)上用OpenSoftCNC軟件模擬顯示加工過(guò)程校驗(yàn)程序，然后在數(shù)控機(jī)床上對(duì)工件進(jìn)行加工；結(jié)合機(jī)械加工工藝，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化編程，提高加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率。機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心數(shù)控編程的基本原理數(shù)控編程的目的；數(shù)控編程的內(nèi)容；編程步驟。機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心數(shù)控編程的基本原理所謂編程，就是把零件的圖形尺寸、工藝過(guò)程、工藝參數(shù)、機(jī)床的運(yùn)動(dòng)以及刀具位移等內(nèi)容，按照數(shù)控機(jī)床的編程格式和能識(shí)別的語(yǔ)言記錄在程序單上的全過(guò)程。這樣編制的程序還必須按規(guī)定把程序單制備成控制介質(zhì)如程序紙帶、磁帶等，變成數(shù)控系統(tǒng)能讀懂的信息，再送入數(shù)控機(jī)床，數(shù)控機(jī)床的CNC裝置對(duì)程序經(jīng)過(guò)處理之后，向機(jī)床各坐標(biāo)的伺服系統(tǒng)發(fā)出指令信息，驅(qū)動(dòng)機(jī)床完成相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心數(shù)控編程的目的數(shù)控編程的基本原理①分析零件圖紙，確定加工工藝過(guò)程；②計(jì)算走刀軌跡，得出刀位數(shù)據(jù)；③編寫零件加工程序；④制作控制介質(zhì)；⑤校對(duì)程序及首件試加工。機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心數(shù)控編程的內(nèi)容數(shù)控編程的基本原理機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心數(shù)控編程的步驟零件圖紙分析零件圖紙制定工藝規(guī)程數(shù)學(xué)處理編寫程序文件制作控制介質(zhì)程序校驗(yàn)及試切數(shù)控機(jī)床OpenSoftCNC軟件介紹OpenSoftCNC軟件包括數(shù)控車床模擬仿真和數(shù)控銑床模擬仿真系統(tǒng)，由軟件+標(biāo)準(zhǔn)硬件系統(tǒng)構(gòu)成，不要求專用硬件或運(yùn)動(dòng)控制卡，所有數(shù)控功能和邏輯控制功能均由軟件完成，操作界面由系統(tǒng)操作和機(jī)床控制兩大部分組成。機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心OpenSoftCNC軟件介紹機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心為例，軟件提供下列指令：以數(shù)控車床模擬仿真系統(tǒng)（OpenSoftCNC01T）組別指令功能編程格式模態(tài)

1G00快速線性移動(dòng)G00X(U)_Z(W)_√G01直線插補(bǔ)G01X(U)_Z(W)_√G02順時(shí)針圓弧插補(bǔ)G02I_K_X(U)_Z(W)_√G03逆時(shí)針圓弧插補(bǔ)G03I_K_X(U)_Z(W)_√G32恒螺距公制螺紋插補(bǔ)G32X(U)_Z(W)_K_I_H√G33恒螺距英制螺紋插補(bǔ)G33X(U)_Z(W)_K_I_H√G27X軸