數(shù)控技術(shù)緒論 -

緒論【本章教學(xué)要點(diǎn)】知識(shí)要點(diǎn)掌握程度相關(guān)知識(shí)數(shù)控技術(shù)了解數(shù)控技術(shù)的基本概念；熟悉數(shù)控相關(guān)專業(yè)術(shù)語(yǔ)；掌握伺服系統(tǒng)的分類。NC與CNC；數(shù)控機(jī)床的定義；數(shù)控相關(guān)專業(yè)術(shù)語(yǔ)。數(shù)控機(jī)床了解數(shù)控機(jī)床的組成及特點(diǎn)；熟悉數(shù)控機(jī)床的分類；掌握數(shù)控機(jī)床的加工過程。數(shù)控機(jī)床的組成；數(shù)控機(jī)床的分類；數(shù)控機(jī)床的發(fā)展；緒論【導(dǎo)入案例】

數(shù)控技術(shù)是戰(zhàn)略性核心技術(shù)，五軸聯(lián)動(dòng)以上高檔數(shù)控系統(tǒng)和機(jī)床裝備一直是重要的國(guó)際戰(zhàn)略物資。一個(gè)典型案例是“東芝事件”：1983年，日本東芝公司賣給前蘇聯(lián)幾臺(tái)五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑床，前蘇聯(lián)將其用于制造核潛艇推進(jìn)螺旋槳，以至于美國(guó)的聲納無(wú)法偵測(cè)到前蘇聯(lián)核潛艇的動(dòng)向。后來，美國(guó)國(guó)防部追究責(zé)任，東芝的相關(guān)高層都進(jìn)了監(jiān)獄。

數(shù)字控制技術(shù)是綜合應(yīng)用了電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制及自動(dòng)檢測(cè)等方面的新成就而發(fā)展起來的一門新技術(shù)。它在許多領(lǐng)域內(nèi)得到了應(yīng)用，而在機(jī)械加工行業(yè)中的應(yīng)用則更為廣泛，其中發(fā)展特別快的是數(shù)字控制機(jī)床，簡(jiǎn)稱數(shù)控機(jī)床。數(shù)控--即數(shù)字控制（NumericalControl,NC），是采用數(shù)字化信息實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制的技術(shù)。計(jì)算機(jī)數(shù)控--（ComputerNumericalControl,CNC）,數(shù)字信息處理功能主要由軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)控技術(shù)--用數(shù)字信號(hào)形成的控制程序?qū)σ慌_(tái)或多臺(tái)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行控制的一門技術(shù)

。數(shù)控機(jī)床--（NumericallyControlledMachineTool），簡(jiǎn)單的說，就是采用了數(shù)控技術(shù)的機(jī)床。1.1概述1.2數(shù)控機(jī)床的構(gòu)成及加工過程數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生

1952年美國(guó)世界第一臺(tái)三坐標(biāo)數(shù)控銑床1.2.1數(shù)控機(jī)床的組成

主要由輸入輸出設(shè)備、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)、機(jī)床主體等四部分組成。程序介質(zhì):記載加工零件的全部信息。如加工的工藝過程、工藝參數(shù)、位移數(shù)據(jù)、切削速度等。輸入輸出設(shè)備：程序和數(shù)據(jù)的輸入、顯示、存儲(chǔ)和打印。簡(jiǎn)單的機(jī)床可能只配有鍵盤和數(shù)碼管（LED）顯示器；一般的可再加上人機(jī)對(duì)話編程操作鍵盤、通信接口、CRT顯示器和液晶顯示器；功能較強(qiáng)的可能還包含有一套自動(dòng)編程機(jī)或計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助制造（CAD/CAM）系統(tǒng)。數(shù)控裝置:按照規(guī)定的控制算法進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，把它們轉(zhuǎn)換為伺服系統(tǒng)能夠接受的指令信號(hào)，然后將結(jié)果由輸出裝置送到各坐標(biāo)控制伺服系統(tǒng)。伺服系統(tǒng):

由伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)裝置組成，是數(shù)控系統(tǒng)的執(zhí)行部件。作用是接收數(shù)控裝置發(fā)來的指令脈沖信號(hào)，控制機(jī)床執(zhí)行機(jī)構(gòu)的進(jìn)給速度、方向和位移量，以完成零件的自動(dòng)加工。

機(jī)床主體也稱主機(jī):

包括主運(yùn)動(dòng)部件、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)部件、執(zhí)行部件和基礎(chǔ)部件，如底座、立柱、滑鞍、工作臺(tái)（刀架）、導(dǎo)軌等。

1.2.2數(shù)控機(jī)床的加工過程1.加工程序編制

首先要根據(jù)工件的形狀、尺寸、材料及技術(shù)要求等，確定工件加工的工藝過程，工藝參數(shù)，并根據(jù)編程手冊(cè)中所規(guī)定的代碼或依據(jù)不同數(shù)控設(shè)備說明書中所規(guī)定的格式，將這些工藝數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成工件程序清單。2．程序輸入

零件加工程序可采用不同形式輸入到CNC裝置。

（1）采用光電讀帶機(jī)讀入數(shù)據(jù)。

（2）用鍵盤直接將程序輸入數(shù)控裝置。

（3）在通用計(jì)算機(jī)上采用CAD/CAM軟件編程或者在專用編程器上編程，然后通過電纜輸入到CNC裝置或先存入軟盤，再將軟盤上的加工程序輸入到CNC裝置。3.信息處理

信息處理是數(shù)控的核心任務(wù)，它的作用是識(shí)別輸入程序中每個(gè)程序段的加工數(shù)據(jù)和操作命令，并對(duì)其進(jìn)行換算和插補(bǔ)計(jì)算。零件加工程序中只能包含各種線段軌跡的起點(diǎn)、終點(diǎn)和半徑等有限數(shù)據(jù)，在加工過程中，伺服機(jī)構(gòu)按零件形狀和尺寸要求進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，即按圖形軌跡移動(dòng)，因而就要在各線段的起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)值之間進(jìn)行“數(shù)據(jù)點(diǎn)的密化”，求出一系列中間點(diǎn)的坐標(biāo)值，并向相應(yīng)坐標(biāo)輸出脈沖信號(hào)，這就是所謂的插補(bǔ)。4.伺服控制

伺服控制是根據(jù)不同的控制方式把來自數(shù)控裝置插補(bǔ)輸出的脈沖信號(hào)，經(jīng)過功率放大，通過驅(qū)動(dòng)元件（如步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、交直流伺服電動(dòng)機(jī)等）和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，使數(shù)控機(jī)床的執(zhí)行機(jī)構(gòu)相對(duì)于工件按預(yù)定工藝路線和速度進(jìn)行加工。1.2.3

數(shù)控機(jī)床的主要技術(shù)參數(shù)(1)主要規(guī)格尺寸

數(shù)控車床主要有床身上最大工件回轉(zhuǎn)直徑、刀架上最大工件回轉(zhuǎn)直徑、加工最大工件長(zhǎng)度、最大車削直徑等；對(duì)數(shù)控銑床有工作臺(tái)面尺寸（長(zhǎng)、寬）、工作臺(tái)T形槽、工作行程等。(2)主軸系統(tǒng)

數(shù)控機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)方式、轉(zhuǎn)速、調(diào)速范圍、主軸回轉(zhuǎn)精度等。數(shù)控機(jī)床主軸采用直流或交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，具有較寬調(diào)速范圍和較高回轉(zhuǎn)精度.(3)進(jìn)給系統(tǒng)

1）進(jìn)給速度是影響加工質(zhì)量、生產(chǎn)效率和刀具壽命的主要因素，直接受到數(shù)控裝置運(yùn)算速度、機(jī)床動(dòng)特性和工藝系統(tǒng)剛度的限制。

2）脈沖當(dāng)量（分辨率）可以分辨的最小間隔。一是機(jī)床坐標(biāo)軸可達(dá)到的控制精度（可以控制的最小位移增量），表示數(shù)控裝置每發(fā)出一個(gè)脈沖時(shí)坐標(biāo)軸移動(dòng)的距離，稱為實(shí)際脈沖當(dāng)量或外部脈沖當(dāng)量；二是內(nèi)部運(yùn)算的最小單位，稱之為內(nèi)部脈沖當(dāng)量，一般內(nèi)部脈沖當(dāng)量比實(shí)際脈沖當(dāng)量設(shè)置的要小，目的是在運(yùn)算過程中不損失精度。3）定位精度和重復(fù)定位精度

定位精度是指數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)等移動(dòng)部件在確定的終點(diǎn)所達(dá)到的實(shí)際位置的精度。移動(dòng)部件實(shí)際位置與理想位置之間的誤差稱為定位誤差。

重復(fù)定位精度是指在同一臺(tái)數(shù)控機(jī)床上，應(yīng)用相同程序相同代碼加工一批零件，所得到的連續(xù)結(jié)果的一致程度。重復(fù)定位精度受伺服系統(tǒng)特性、進(jìn)給系統(tǒng)的間隙與剛性以及摩擦特性等因素的影響。(4)刀具系統(tǒng)

數(shù)控車床包括刀架工位數(shù)、工具孔直徑、刀桿尺寸、換刀時(shí)間、重復(fù)定位精度等各項(xiàng)內(nèi)容。加工中心包括刀庫(kù)容量與換刀時(shí)間等。(5)數(shù)控機(jī)床的可控軸數(shù)與聯(lián)動(dòng)軸數(shù)

數(shù)控機(jī)床的可控軸數(shù)：指機(jī)床數(shù)控裝置能夠控制的坐標(biāo)數(shù)目?？煽剌S數(shù)和數(shù)控裝置的運(yùn)算處理能力、運(yùn)算速度及內(nèi)存容量等有關(guān)。

數(shù)控機(jī)床的聯(lián)動(dòng)軸數(shù)是指機(jī)床數(shù)控裝置控制的坐標(biāo)軸同時(shí)達(dá)到空間某一點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)目。1.3數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)及分類

1.3.1數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)1．精度高，質(zhì)量穩(wěn)定

傳動(dòng)部分一般采用滾珠絲杠，提高了傳動(dòng)精度；導(dǎo)軌采用滾動(dòng)導(dǎo)軌、懸浮式導(dǎo)軌或采用摩擦系數(shù)很小的合成材料，因而減小了摩擦阻力，消除了低速爬行現(xiàn)象。閉環(huán)、半閉環(huán)伺服系統(tǒng)裝有精度很高的位置檢測(cè)元件，隨時(shí)將位置誤差反饋給計(jì)算機(jī)進(jìn)行誤差校正，使數(shù)控機(jī)床獲得很高的加工精度。與普通機(jī)床相比，加工質(zhì)量穩(wěn)定，產(chǎn)品精度重復(fù)性好。2．生產(chǎn)效率高1）具有自動(dòng)變速、自動(dòng)換刀和其它輔助操作自動(dòng)化等功能，而且無(wú)需工序間的檢驗(yàn)與測(cè)量，使輔助時(shí)間大為縮短。2）工序集中。數(shù)控機(jī)床的軌跡運(yùn)動(dòng)是由程序自動(dòng)控制完成的，減少了半成品的周轉(zhuǎn)時(shí)間。3）不同零件的加工程序存儲(chǔ)在控制介質(zhì)或內(nèi)部存儲(chǔ)器中，因而更換工件時(shí)，只需更換零件加工程序即可，從而節(jié)省了大量準(zhǔn)備和機(jī)床調(diào)整的時(shí)間。3.適應(yīng)性強(qiáng)

進(jìn)行不同加工時(shí)，只要改變數(shù)控機(jī)床的輸入程序，就可適應(yīng)新產(chǎn)品的生產(chǎn)需要，而不需要改變機(jī)械部分和控制電路。4.能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)

普通機(jī)床很難實(shí)現(xiàn)或無(wú)法實(shí)現(xiàn)軌跡為三次以上的曲線或曲面的運(yùn)動(dòng)。如螺旋槳、汽輪機(jī)葉片之類的空間曲面。數(shù)控機(jī)床可以幾個(gè)坐標(biāo)同時(shí)聯(lián)動(dòng)，適用于復(fù)雜異形零件的加工。5.減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善勞動(dòng)條件

數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行是由程序控制自動(dòng)完成的，能自動(dòng)換刀、自動(dòng)變速等，因而改善了勞動(dòng)條件。6.管理水平提高

數(shù)控機(jī)床是組成綜合自動(dòng)化系統(tǒng)（如FA，F(xiàn)TL，F(xiàn)MC，F(xiàn)MS，CIMS）的基本單元。數(shù)控機(jī)床具有的通信接口和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式，可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)之間的聯(lián)接，組成工業(yè)局部網(wǎng)絡(luò)（LAN），實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的計(jì)算機(jī)管理與控制。1.3.2數(shù)控機(jī)床的及分類

按運(yùn)動(dòng)控制的特點(diǎn)分類按伺服系統(tǒng)的類型分類

按工藝方法分類按功能水平分類

高檔中檔低檔

金屬切削類數(shù)控機(jī)床金屬成型類及特種加工類數(shù)控機(jī)床開環(huán)控制的數(shù)控機(jī)床閉環(huán)控制的數(shù)控機(jī)床半閉環(huán)控制的數(shù)控機(jī)床點(diǎn)位控制數(shù)控機(jī)床直線控制數(shù)控機(jī)床輪廓控制的數(shù)控機(jī)床

數(shù)控機(jī)床按其刀具與工件相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方式，可以分為點(diǎn)位控制、直線控制和輪廓控制。（1）點(diǎn)位控制數(shù)控機(jī)床特點(diǎn)：要求保證點(diǎn)與點(diǎn)之間的準(zhǔn)確定位。它只能控制行程的終點(diǎn)坐標(biāo)值，而不管從一個(gè)孔到另一個(gè)孔是按照什么軌跡運(yùn)動(dòng)，在刀具運(yùn)動(dòng)過程中，不進(jìn)行切削加工。包括數(shù)控鉆床，數(shù)控鏜床，數(shù)控沖床，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，印刷電路板鉆床等。點(diǎn)位控制鉆孔加工示意圖1．按機(jī)械運(yùn)動(dòng)軌跡分類（2）直線控制數(shù)控機(jī)床特點(diǎn)：不僅要控制行程的終點(diǎn)坐標(biāo)值，還要保證在兩點(diǎn)之間機(jī)床的刀具走的是一條直線，而且在走直線的過程中往往要進(jìn)行切削。包括數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控磨床、數(shù)控鏜床等。

直線控制切削加工示意圖

（3）輪廓控制數(shù)控機(jī)床特點(diǎn)：不僅要控制行程的終點(diǎn)坐標(biāo)值，還要保證兩點(diǎn)之間的軌跡要按一定的曲線進(jìn)行。即這種系統(tǒng)必須能夠?qū)蓚€(gè)或兩個(gè)以上的坐標(biāo)方向的同時(shí)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行嚴(yán)格的連續(xù)控制。輪廓控制銑削加工示意圖

(1)開環(huán)控制數(shù)控機(jī)床

開環(huán)控制系統(tǒng)是指不帶反饋的控制系統(tǒng).

開環(huán)控制具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、系統(tǒng)穩(wěn)定、容易調(diào)試、成本低等優(yōu)點(diǎn)。但是系統(tǒng)對(duì)移動(dòng)部件的誤差沒有補(bǔ)償和校正，所以精度低。一般適用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床和舊機(jī)床數(shù)控化改造。２．按伺服系統(tǒng)類型分類(2)、閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床

a.在機(jī)床移動(dòng)部件上直接裝有位置檢測(cè)裝置，將測(cè)量的結(jié)果直接反饋到數(shù)控裝置中，與輸入指令進(jìn)行比較控制，實(shí)現(xiàn)精確定位，稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。

b.系統(tǒng)定位精度高、調(diào)節(jié)速度快。系統(tǒng)復(fù)雜并且成本高，故適用于精度要求很高的數(shù)控機(jī)床等。(3)半閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床

在開環(huán)系統(tǒng)的絲杠上裝有角位移測(cè)量裝置，通過檢測(cè)絲杠的轉(zhuǎn)角間接地檢測(cè)移動(dòng)部件的位移，反饋到數(shù)控系統(tǒng)中，機(jī)床移動(dòng)部件不包括在檢測(cè)范圍之內(nèi)，稱作半閉環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)閉環(huán)環(huán)路內(nèi)不包括機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)。機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)的誤差，可用補(bǔ)償?shù)霓k法消除。中檔數(shù)控機(jī)床廣泛采用半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。數(shù)控機(jī)床按功能水平分為高、中、低檔三類。數(shù)控機(jī)床功能水平的高低主要由它們的主要技術(shù)參數(shù)、功能指標(biāo)和關(guān)鍵部件的功能水平等決定，主要包括以下內(nèi)容。（1）中央處理單元(CPU)

低檔數(shù)控機(jī)床一般采用8位CPU；而中、高檔數(shù)控機(jī)床已經(jīng)由16位CPU，發(fā)展到32位或64位CPU，并用具有精簡(jiǎn)指令集(RISC)的CPU。（2）分辨率和進(jìn)給速度低檔數(shù)控機(jī)床的分辨率為10μm，進(jìn)給速度為6m/min～15m/min；中檔數(shù)控機(jī)床的分辨率為1μm，進(jìn)給速度為12m/min～24m/min；高檔數(shù)控機(jī)床的分辨率為0.1μm或更小，進(jìn)給速度為24m/min～100m/min，或更高。（3）多軸聯(lián)動(dòng)功能低檔數(shù)控機(jī)床多為2～3軸聯(lián)動(dòng)；中、高檔數(shù)控機(jī)床則都是3～5軸聯(lián)動(dòng)，或更多。3．按功能水平分類

（4）顯示功能低檔數(shù)控機(jī)床一般只有簡(jiǎn)單的數(shù)碼顯示或簡(jiǎn)單的陰極射線管CRT字符顯示功能；中檔數(shù)控機(jī)床有較齊全的CRT顯示功能，如字符、圖形、人機(jī)對(duì)話、自診斷等功能顯示；高檔數(shù)控機(jī)床還有三維動(dòng)態(tài)圖形顯示功能。（5）通信功能低檔數(shù)控機(jī)床無(wú)通信功能；中檔數(shù)控機(jī)床有RS232C或直接數(shù)控(DNC，也稱群控)等接口。高檔數(shù)控機(jī)床有制造自動(dòng)化協(xié)議(MAP)等高性能通信接口，且具有聯(lián)網(wǎng)功能。數(shù)控機(jī)床按功能水平的另一種分類是將數(shù)控機(jī)床分為經(jīng)濟(jì)(簡(jiǎn)易)型、普及(全功能)型和高檔型。全功能型機(jī)床并不追求過多功能，以實(shí)用為準(zhǔn)，也稱為標(biāo)準(zhǔn)型。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床是根據(jù)實(shí)際機(jī)床的使用要求制造的，并合理地簡(jiǎn)化了系統(tǒng)，降低了價(jià)格。

（1）金屬切削類數(shù)控機(jī)床如數(shù)控車床、數(shù)控鉆床、數(shù)控磨床、數(shù)控銑床、數(shù)控齒輪加工機(jī)床、加工中心、虛擬軸加工機(jī)床等。（2）金屬成型類數(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、數(shù)控回轉(zhuǎn)頭壓力機(jī)等。（3）數(shù)控特種加工機(jī)床如數(shù)控線切割機(jī)床、數(shù)控電火花成型機(jī)、數(shù)控激光切割機(jī)、數(shù)控火焰切割機(jī)等。4．按加工方式分類三、數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)1.高速化

研究成果表明：隨著切削線速度的增加，溫度及刀具磨損會(huì)劇烈增加，當(dāng)切削線速度達(dá)到超過某臨界值時(shí)，切削溫度及切削力會(huì)減小，然后又隨著切削速度的增加而急劇增加2.高精度化

數(shù)控機(jī)床的精度主要體現(xiàn)在定位精度和重復(fù)定位精度。數(shù)控機(jī)床配置了新型、高速、多功能的數(shù)控系統(tǒng)，其分辨率可達(dá)到0.1μm，有的可達(dá)到0.01μm，實(shí)現(xiàn)了高精度加工。伺服系統(tǒng)采用前饋控制技術(shù)、高分辨率的位置檢測(cè)元件、計(jì)算機(jī)數(shù)控的補(bǔ)償功能等，保證了數(shù)控機(jī)床的高加工精度。目前數(shù)控機(jī)床的定位精度可達(dá)0.001mm，重復(fù)定位精度可達(dá)0.0005mm。3.多功能化

CNC裝置功能的不斷擴(kuò)大，促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床的高度自動(dòng)化及多功能化。數(shù)控機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)大多采用CRT（CathodeRayTube）顯示，可實(shí)現(xiàn)二維圖形的軌跡顯示，有的還可以實(shí)現(xiàn)三維彩色動(dòng)態(tài)圖形顯示；有的數(shù)控系統(tǒng)裝有小型數(shù)據(jù)庫(kù)，可以自動(dòng)選擇最佳刀具和切削用量；有的數(shù)控系統(tǒng)具有各種監(jiān)控、檢測(cè)等功能，如刀具壽命管理、刀具尺寸自動(dòng)測(cè)量和補(bǔ)償、工件尺寸自動(dòng)測(cè)量及補(bǔ)償、切削參數(shù)自動(dòng)調(diào)整、刀具磨損或破損檢測(cè)等功能，有的甚至可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人化運(yùn)行。4．加工功能復(fù)合化

在一臺(tái)機(jī)床上實(shí)現(xiàn)多工序、多方法加工是數(shù)控機(jī)床發(fā)展的又一趨勢(shì)。已經(jīng)出現(xiàn)了集鉆、鏜、銑功能于一身的數(shù)控機(jī)床，可完成鉆、鏜、銑、擴(kuò)孔、鉸孔、攻螺絲等工序的數(shù)控加工中心，以及車削加工中心，鉆削、磨削加工中心，電火花加工中心等。近年來又出現(xiàn)了高