第1章 數(shù)控緒論

數(shù)控技術(shù)機械與電子工程學(xué)院主講：馮濤二零零九年二月數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字程序控制數(shù)控機械實現(xiàn)自動工作的技術(shù)。它是現(xiàn)代制造技術(shù)的基礎(chǔ)，它的廣泛應(yīng)用，使普通機械被數(shù)控機械所代替，全球制造業(yè)發(fā)生了根本性的變化。因此，數(shù)控技術(shù)的水準(zhǔn)、擁有和普及程度，已經(jīng)成為衡量一個國家綜合國力和工業(yè)現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志。數(shù)控技術(shù)數(shù)控技術(shù)1

緒論1.1數(shù)控技術(shù)的基本概念1.2數(shù)控機床的分類1.3數(shù)控技術(shù)的產(chǎn)生、發(fā)展和技術(shù)水平

1緒論1.1數(shù)控技術(shù)的基本概念一、數(shù)控技術(shù)和數(shù)控機床

1、數(shù)控技術(shù)數(shù)控技術(shù)，是一種采用計算機對機械加工過程中各種控制信息進行數(shù)字化處理、運算、并通過高性能的驅(qū)動單元對機械執(zhí)行構(gòu)件進行自動化控制的高新技術(shù)。

國標(biāo)定義為：“用數(shù)字化信號（數(shù)字、字母和符號）對機床運動及其加工過程進行控制的一種方法”。簡稱數(shù)控（NC）。數(shù)字控制是與機床控制密切結(jié)合而發(fā)展起來的，因此人們習(xí)慣上說的數(shù)控指機床數(shù)控。1.1數(shù)控技術(shù)的基本概念2、數(shù)控機床

就是采用了數(shù)控技術(shù)的機床。

國際信息處理聯(lián)盟委員會定義如下：“數(shù)控機床是一個裝有程序控制系統(tǒng)的機床，該系統(tǒng)能夠邏輯地處理具有使用代碼或其他符號編碼指令規(guī)定的程序”。1.1數(shù)控技術(shù)的基本概念數(shù)控系統(tǒng)：是指實現(xiàn)數(shù)控技術(shù)相關(guān)功能的軟、硬件模塊的有機集成系統(tǒng)，它是數(shù)控技術(shù)的載體，即是數(shù)控裝置和伺服控制部分的統(tǒng)稱。

計算機數(shù)控系統(tǒng)：是指以計算機為核心的數(shù)控系統(tǒng)。

數(shù)控加工技術(shù)：應(yīng)用裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機械加工設(shè)備進行加工的技術(shù)。1.1數(shù)控技術(shù)的基本概念二、機床數(shù)字控制的原理(即數(shù)控加工的原理）

是將加工過程所需的各種操作步驟以及工件的形狀尺寸（即零件的幾何信息和工藝信息）用程序----數(shù)字化的代碼來表示（稱為數(shù)字信息），再由計算機的數(shù)控裝置對這些輸入的信息進行處理和運算。把刀具與工件的運動坐標(biāo)分割成一些最小單位量，即最小位移量，然后由數(shù)控系統(tǒng)按照零件程序的要求控制機床伺服驅(qū)動系統(tǒng)，使坐標(biāo)移動若干個最小位移量，從而實現(xiàn)工件與刀具之間的相對運動，以完成零件的加工。1.1數(shù)控技術(shù)的基本概念當(dāng)被加工工件改變時，除了重新裝夾工件和更換刀具外，只需更換程序。在數(shù)控加工中，使數(shù)控機床動作的是數(shù)控裝置給數(shù)控機床傳遞運動命令的脈沖群，每個脈沖對應(yīng)于機床的單位位移量。1.1數(shù)控技術(shù)的基本概念圖1.1是點位控制、輪廓控制加工直線和曲線的原理示意圖。1.1數(shù)控技術(shù)的基本概念基本構(gòu)思：用沿曲線（逼近函數(shù)）的最小位移量合成的分段運動代替任意曲線運動，以得出所需的運動。在進行曲線加工時，可以用一給定的數(shù)字函數(shù)來模擬線段ΔL，即知道了一條曲線的種類、起點、終點以及速度后，根據(jù)給定的數(shù)字函數(shù)，在理想的軌跡或輪廓上的已知點之間，進行數(shù)據(jù)點的密化，確定一些中間點，這種方法稱之為“插補”，處理這些插補的算法稱之為插補運算。1.1數(shù)控技術(shù)的基本概念由此可見，要實現(xiàn)數(shù)控加工，則必須有一臺能達到下述要求的數(shù)控設(shè)備：

（1）數(shù)控裝置，即能接受零件圖樣加工要求的信息，并按照一定的數(shù)字模型進行插補運動，實時地向各坐標(biāo)軸發(fā)出速度控制指令及切削用量的數(shù)字控制計算機。（2）具有快速響應(yīng)，并且有足夠功率的伺服驅(qū)動裝置。（3）必須有滿足上述加工方式要求的機床主機，刀具、輔助設(shè)備以及各種加工所需的輔助功能，如：主軸啟停，刀具更換，冷卻液的開關(guān)，各種運動的互鎖、連鎖，運動行程的限位等，這些均屬于開關(guān)量控制，一般由可編程控制器PLC來完成。1.1數(shù)控技術(shù)的基本概念三、數(shù)控機床的組成下圖是一臺三坐標(biāo)數(shù)控銑床的組成圖。1.1數(shù)控技術(shù)的基本概念控制介質(zhì)數(shù)控裝置檢測裝置機床伺服系統(tǒng)數(shù)控機床一般由信息輸入、數(shù)控裝置、伺服驅(qū)動系統(tǒng)、機床本體、機電接口、輔助程編機及其它一些附屬設(shè)備組成。1.1數(shù)控技術(shù)的基本概念1．信息輸入數(shù)控機床要進行切削加工,必須有各種加工信息,信息載體（即控制介質(zhì)）上存儲著加工零件所需的全部操作信息和刀具相對于工件的位移信息.信息載體有紙帶、磁帶、磁盤，加工零件的程序和各種參數(shù)、數(shù)據(jù)通過輸入設(shè)備送入計算機系統(tǒng)（數(shù)控裝置），輸入方式較多，如紙帶、磁盤、磁帶、手搖脈沖發(fā)生器、通訊接口、CRT/MDI。1.1數(shù)控技術(shù)的基本概念2、計算機數(shù)控裝置（CNC）控制系統(tǒng)的主要作用是對輸入的零件加工程序進行數(shù)字運算和邏輯運算，然后向伺服系統(tǒng)發(fā)出控制信號。它是數(shù)控機床的核心部分。是由CPU、存儲器、總線和相應(yīng)的軟件構(gòu)成的專用計算機，它完成加工程序的輸入、編輯及修改，實現(xiàn)信息存儲、數(shù)據(jù)變換、代碼轉(zhuǎn)換、插補運算以及各種控制功能。1.1數(shù)控技術(shù)的基本概念主要功能如下：①多軸聯(lián)動，多坐標(biāo)控制。②實現(xiàn)多種函數(shù)的插補。③多種程序輸入功能，編輯和修改功能。④信息轉(zhuǎn)換功能。⑤補償功能。⑥多種加工方式選擇。⑦具有故障自診斷功能。⑧顯示功能。⑨通訊和聯(lián)網(wǎng)功能。1.1數(shù)控技術(shù)的基本概念3、伺服驅(qū)動裝置和檢測反饋裝置。

伺服驅(qū)動裝置又稱為伺服系統(tǒng)，它接受計算機運算處理結(jié)果的信號，經(jīng)過驅(qū)動電路將信號進行轉(zhuǎn)換、放大以后去驅(qū)動各個坐標(biāo)的伺服電動機，并且隨時檢測運動末端件（伺服電動機或工作臺）的實際運動情況，進行嚴格的速度和位置反饋控制。這一部分影響數(shù)控機床的動態(tài)特性和輪廓加工精度。1.1數(shù)控技術(shù)的基本概念4、機床本體包括機床的主運動部件、進給運動部件和其他相關(guān)的底座、立柱、滑鞍、工作臺（或刀架）、床身、導(dǎo)軌等。要求基礎(chǔ)件的剛度好，精度保持性好，運動精度高。機床主體是加工運動的實際部件。特點：（1）主軸功率大，床身剛度高、抗震性好、熱變形小。（2）采用高效傳動件。傳動靈活，傳動精度高。（3）有刀具自動交換系統(tǒng)和管理系統(tǒng)。（4）有工件自動交換系統(tǒng)以及液壓夾緊放松機構(gòu)。（5）有全封閉或半封閉的安全防護設(shè)施。1.1數(shù)控技術(shù)的基本概念5、機電接口

數(shù)控機床除了實現(xiàn)加工零件輪廓軌跡控制外，還有其它許多動作，如刀具的更換，工件的松夾，冷卻液的開停，各坐標(biāo)的行程限位，各個運動的互鎖、連鎖，機床的急停，程序停止，以及各種離合器的開合，電磁鐵的通斷等等，這些屬于開關(guān)量控制，一般采用可編程控制器（PLC）來實現(xiàn)。PLC處理的是數(shù)字信息“0”和“1”。1.1數(shù)控技術(shù)的基本概念四、數(shù)控機床的特點數(shù)控機床是實現(xiàn)柔性自動化的關(guān)鍵設(shè)備，是柔性自動化生產(chǎn)線的基本單元，它具有以下優(yōu)勢：1、能加工一般機床所不能加工或難以加工的復(fù)雜型面，如復(fù)雜模具，發(fā)電機葉片、整體渦輪等復(fù)雜零件。1.1數(shù)控技術(shù)的基本概念2、采用數(shù)控機床加工可以達到更高的精度和穩(wěn)定的質(zhì)量。數(shù)控機床是按預(yù)定的程序自動加工，且加工精度還可以用軟件進行校正補償。數(shù)控機床在整體設(shè)計中考慮了整機剛度和零件的制造精度，又采用高精度的滾珠絲杠傳動副，機床的定位精度和重復(fù)定位精度都很高。特別是有的數(shù)控機床具有加工過程自動監(jiān)測和誤差補償?shù)裙δ埽蚨芸煽康乇ＷC加工精度和尺寸的穩(wěn)定性。

1.1數(shù)控技術(shù)的基本概念3、具有高生產(chǎn)率。采用較大切削用量，自動換刀，自動變換工件，自動變速，因此與普通機床相比，可提高生產(chǎn)率2～3倍。數(shù)控機床在加工中零件的裝夾次數(shù)少，一次裝夾可加工出很多表面，省去了劃線找正和檢測等許多中間環(huán)節(jié)。據(jù)統(tǒng)計，普通機床的凈切削時間一般占總切削時間的15%--20%，而數(shù)控機床可達65%--70%，可實現(xiàn)自動換刀的帶刀庫數(shù)控機床甚至可達75%--80%。加工復(fù)雜工件時，效率可提高5--10倍。1.1數(shù)控技術(shù)的基本概念

4、具有較大的靈活性和廣泛的適應(yīng)性?？梢赃m應(yīng)不同品種尺寸規(guī)格零件，一般借用通用夾具，只需更換程序，即可適應(yīng)不同零件的加工。

5、一機多用。加工中心在一次裝夾后幾乎能完成零件的全部加工部位的加工，節(jié)省了設(shè)備，時間等。

6、在制品少，從而加速了流動資金的周轉(zhuǎn)，提高了經(jīng)濟效益。7、可以改善生產(chǎn)環(huán)境，減輕了操作者的勞動強度。8、可以實現(xiàn)較精確的成本核算和生產(chǎn)安排。

1.1數(shù)控技術(shù)的基本概念綜上分析，最適合在數(shù)控機床上加工的零件可歸納如下：（1）輪廓形狀復(fù)雜，加工精度較高的零件。（2）用普通機床加工時，需要制作復(fù)雜的工藝裝備的零件。（3）用普通機床加工時，工藝路線過長，工裝過多的零件。（4）多品種、小批量生產(chǎn)的零件。（5）新產(chǎn)品的試制零件。（6）價值昂貴，加工中不允許報廢的零件。（7）生產(chǎn)周期短的零件。（8）集多種工序于一體的箱體零件。1.1數(shù)控技術(shù)的基本概念一、按運動控制的特點分類1、點位控制數(shù)控機床這種機床只要求獲得精確的孔系坐標(biāo)定位精度，而不控制從一個孔到另一個孔的運動軌跡，在坐標(biāo)運動過程中，不進行切削加工。1.2數(shù)控機床的分類2、直線控制數(shù)控機床是指控制機床工作臺或刀具以要求的進給速度，沿著平行于坐標(biāo)軸的方向進行直線移動和切削加工的機床。這類機床有準(zhǔn)確的定位功能，而且還要控制位移的速度。一般情況下這類機床有兩到三個可控制的軸，但同時只能控制一個。直線控制也稱單軸數(shù)控。1.2數(shù)控機床的分類3、輪廓控制的數(shù)控機床該類機床在加工過程中，時刻都對各坐標(biāo)軸的位移和速度進行嚴格的連續(xù)的控制，是具有同時控制兩個或兩個以上坐標(biāo)進行聯(lián)動（即插補）的數(shù)控機床?？梢约庸で€或曲面的零件。按照聯(lián)動軸數(shù)，可以分為兩坐標(biāo)聯(lián)動控制，2.5坐標(biāo)聯(lián)動控制，三坐標(biāo)、四坐標(biāo)、五坐標(biāo)等聯(lián)動控制。輪廓加工的實例如圖1.4所示。1.2數(shù)控機床的分類1.2數(shù)控機床的分類二、按伺服系統(tǒng)的類型分類1、開環(huán)系統(tǒng)控制的數(shù)控機床

這類機床沒有位置檢測反饋裝置，其精度主要取決于驅(qū)動元器件和電機（步進電動機）的性能。特點：調(diào)試簡單，系統(tǒng)易穩(wěn)定，精度低，價廉。指令脈沖1.2數(shù)控機床的分類2、閉環(huán)系統(tǒng)的數(shù)控機床該類機床數(shù)控裝置中插補器發(fā)出的位置指令信號與工作臺（或刀架）上檢測到的實際位置反饋信號進行比較，根據(jù)其差值不斷控制運動，進行誤差修正，直到差值為零停止運動。指令1.2數(shù)控機床的分類特點：系統(tǒng)的設(shè)計、調(diào)整難度大，加工精度高，機床工作精度主要取決于測量元件的精度?？上到y(tǒng)中的機械傳動部件制造誤差對加工精度帶來的影響。1.2數(shù)控機床的分類3、半閉環(huán)控制的數(shù)控機床

這類機床的檢測元件裝在電機軸或絲杠軸的端部，這種系統(tǒng)的閉環(huán)控制環(huán)內(nèi)不包括機械傳動環(huán)節(jié)，該系統(tǒng)反饋的是進給傳動系統(tǒng)的部分誤差，由于采用了高分辨率的