數(shù)控機(jī)床組成及數(shù)字控制原理

數(shù)控機(jī)床原理與結(jié)構(gòu)上篇數(shù)控機(jī)床控制技術(shù)第1章數(shù)控機(jī)床組成及數(shù)字控制原理

1.1．?dāng)?shù)控裝置的概念1.1數(shù)控機(jī)床的組成及分類1.1.1數(shù)控機(jī)床的控制技術(shù)1.1.2數(shù)控機(jī)床組成1.1.3數(shù)控機(jī)床的分類1.2國內(nèi)外數(shù)控機(jī)床的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢1.2.1國外數(shù)控機(jī)床的發(fā)展與現(xiàn)狀1.2.2我國數(shù)控機(jī)床的現(xiàn)狀1.2.3數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢

1.1.1．?dāng)?shù)控機(jī)床的控制技術(shù)數(shù)控裝置是一種控制系統(tǒng)，它自動閱讀輸入載體上預(yù)先給定的數(shù)字值，并對其譯碼、運算，并據(jù)此而控制刀具與工件相對運動，加工出所需要的零件。圖1－0數(shù)控加工原理1．逼近處理

ΔLi=FΔt

（i＝1,2,…）則當(dāng)Δt→0時，折線段之和接近曲線L，即：且有：Fx=Δxi／Δt

Fy=

Δyi／Δt2．插補運算數(shù)控機(jī)床種類繁多，有鉆銑鏜床類、車削類、磨削類、電加工類、鍛壓類、激光加工類和其他特殊用途的專用數(shù)控機(jī)床等等，凡是采用了數(shù)控技術(shù)進(jìn)行控制的機(jī)床統(tǒng)稱NC機(jī)床。帶有自動刀具交換裝置（AutomaticToolchange－ATC）的數(shù)控機(jī)床（帶有回轉(zhuǎn)刀架的數(shù)控車床除外）稱為加工中心（MachineCenter－MC）。它通過刀具的自動交換，可以一次裝夾完成多工序的加工，實現(xiàn)了工序的集中和工藝的復(fù)合，從而縮短了輔助加工時間，提高了機(jī)床的效率；減少了零件安裝、定位次數(shù)，提高了加工精度。在加工中心的基礎(chǔ)上，通過增加多工作臺（托盤）自動交換裝置（AutoPalletchanger－APC）以及其他相關(guān)裝置，組成的加工單元稱為柔性加工單元（FlexibleManufacturingCell－FMC）。在FMC和加工中心的基礎(chǔ)上，通過增加物流系統(tǒng)、工業(yè)機(jī)器人以及相關(guān)設(shè)備，并由中央控制系統(tǒng)進(jìn)行集中、統(tǒng)一控制和管理，這樣的制造系統(tǒng)稱為柔性制造系統(tǒng)（FlexibleManufacturingSystem－FMS）。為了適應(yīng)市場需求多變的形勢，對現(xiàn)代制造業(yè)來說，不僅需要發(fā)展車間制造過程的自動化，而且要實現(xiàn)從市場預(yù)測、生產(chǎn)決策、產(chǎn)品設(shè)計、產(chǎn)品制造直到產(chǎn)品銷售的全面自動化。將這些要求綜合，構(gòu)成的完整的生產(chǎn)制造系統(tǒng)，稱為計算機(jī)集成制造系統(tǒng)（puterIntegratedManufacturingsystem－CIMS）,CIMS將一個工廠的生產(chǎn)、經(jīng)營活動進(jìn)行了有機(jī)的集成，實現(xiàn)了更高效益、更高柔性的智能化生產(chǎn)，是當(dāng)今自動化制造技術(shù)發(fā)展的最高階段。1.1.2．?dāng)?shù)控機(jī)床組成圖1－1數(shù)控加工過程示意圖1．?dāng)?shù)控機(jī)床加工零件的過程2．?dāng)?shù)控機(jī)床的組成圖11.1.3．?dāng)?shù)控機(jī)床的分類1．按工藝用途分類（1）金屬切削類數(shù)控機(jī)床（2）金屬成型類數(shù)控機(jī)床（3）特種加工及其它類型數(shù)控機(jī)床圖1圖1

圖1－3c

全功能數(shù)控銑床圖1－3d

高速數(shù)控銑床

圖1－3e

立式數(shù)控銑床圖1－3f

立式加工中心圖1－4a數(shù)控液壓板料折彎機(jī)圖1－4b數(shù)控彎管機(jī)圖1－4c數(shù)控沖?；剞D(zhuǎn)頭壓力機(jī)

圖1－5a

數(shù)控線切割機(jī)床圖1－5b

數(shù)控電火花線切割機(jī)床圖1－5c數(shù)控激光切割機(jī)圖1－5d數(shù)控等離子切割機(jī)

圖1－5e

數(shù)控三坐標(biāo)測量機(jī)圖1－5f柔性三坐標(biāo)測量臂2．如果以數(shù)控系統(tǒng)的特征進(jìn)行分類時，可將數(shù)控機(jī)床分成三大類：（1）點位控制的數(shù)控機(jī)床（2）直線控制數(shù)控機(jī)床（3）輪廓控制的數(shù)控機(jī)床①平面輪廓加工的數(shù)控機(jī)床②空間輪廓加工的數(shù)控機(jī)床3．按伺服系統(tǒng)的類型分類根據(jù)有無檢測反饋元件及其檢測裝置，機(jī)床的伺服系統(tǒng)可分為開環(huán)伺服、閉環(huán)伺服和半閉環(huán)伺服。（1）開環(huán)控制數(shù)控機(jī)床（2）閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床（3）半閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床

圖1圖1圖14．按照功能水平分類對于按數(shù)控功能的水平分類方法，目前尚無明確定義，因此，涵義也不十分清楚。這種分類方法沒有一個確切定義，但可以給人們一個清晰的一般水平概念，可將數(shù)控機(jī)床分為高、中、低檔三類。數(shù)控機(jī)床水平高低由主要技術(shù)參數(shù)、功能指標(biāo)和關(guān)鍵部件的功能水平?jīng)Q定。下列幾個方面可作為評價數(shù)控機(jī)床檔次的參考條件。1.2.1國外數(shù)控機(jī)床的發(fā)展與現(xiàn)狀采用數(shù)字控制技術(shù)進(jìn)行機(jī)械加工的思想，最早是在20世紀(jì)40年代初提出的。當(dāng)時，美國密執(zhí)安北部的一個小型飛機(jī)工業(yè)承包商帕爾森斯公司在制造飛機(jī)框架及直升機(jī)葉片輪廓用樣板時，利用全數(shù)字電子計算機(jī)對輪廓路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并考慮了刀具直徑對加工路徑的影響，提高了加工精度。1949年作為這一方案的主要承包者的帕爾森斯公司，正式接受美空軍委托，在麻省理工學(xué)院伺服機(jī)構(gòu)試驗室（ServoMechanismLaboratoryoftheMassachusettsInstituteofTechnology）的協(xié)助下，開始從事數(shù)控機(jī)床的研制工作。經(jīng)過三年時間的研究，于1952年試制成功世界第一臺數(shù)控機(jī)床試驗性樣機(jī)。這是一臺采用脈沖乘法器原理的直線插補三坐標(biāo)連續(xù)控制銑床（CincinnatiHydromel），這便是數(shù)控的第一代。1953年，美國空軍與麻省理工學(xué)院協(xié)作，開始從事計算機(jī)自動編程的研究，這就是創(chuàng)制APT（AutomaticallyProgrammedTools）自動編程系統(tǒng)的開始。1955年，美國空軍花費巨額經(jīng)費訂購了大約100臺數(shù)控機(jī)床，此后兩年，數(shù)控機(jī)床在美國進(jìn)入迅速發(fā)展階段，市場上出現(xiàn)了商品化數(shù)控機(jī)床。1958年，美國克耐·杜列克公司在世界上首先研制成功帶自動換刀裝置的數(shù)控機(jī)床，稱為“加工中心”。1959年，計算機(jī)行業(yè)研制出晶體管元器件，因而數(shù)控裝置中廣泛采用晶體管和印刷電路板，從而跨入第二代數(shù)控。同時美國航空工業(yè)協(xié)會（AIA）和麻省理工學(xué)院發(fā)展APT程序語言。1960年以后，點位控制機(jī)床在美國得到迅速發(fā)展，數(shù)控技術(shù)不僅在機(jī)床上得到了實際應(yīng)用，而且逐步推廣到?jīng)_壓機(jī)、繞線機(jī)、焊接機(jī)、火焰切割機(jī)、包裝機(jī)和坐標(biāo)測量機(jī)等，在程序編制方面，已由手工編程逐步發(fā)展到采用計算機(jī)自動編程。除了APT數(shù)控語言外，又發(fā)展了許多自動編程語言。從1960年開始，德國、日本等先進(jìn)工業(yè)國家都陸續(xù)開發(fā)、生產(chǎn)及使用了數(shù)控機(jī)床。1965年，出現(xiàn)了小規(guī)模集成電路。由于它體積小、功耗低，使數(shù)控系統(tǒng)的可靠性得以進(jìn)一步提高，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展到第三代。以上3代，都是采用專用控制計算機(jī)的硬邏輯數(shù)字控制系統(tǒng)。裝有這類數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床為普通數(shù)控機(jī)床（簡稱NC機(jī)床）。

1967年，英國首先把幾臺數(shù)控機(jī)床聯(lián)接成具有柔性的加工系統(tǒng)，這就是最初的FMS（FlexibleManufacturingSystem，柔性制造系統(tǒng)）。之后，美、歐、日也相繼進(jìn)行開發(fā)與應(yīng)用。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，小型計算機(jī)的價格急劇下降。小型計算機(jī)開始取代專用數(shù)控計算機(jī)，數(shù)控的許多功能由軟件程序?qū)崿F(xiàn)。這樣組成的數(shù)控系統(tǒng)稱為計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)（CNC）。1970年，在美國芝加哥國際機(jī)床展覽會上，首次展出了這種系統(tǒng)，稱為第四代數(shù)控。而由計算機(jī)直接對許多機(jī)床進(jìn)行控制的控制系統(tǒng)，稱為直接數(shù)控系統(tǒng)（DNC）。1970年前后，美國英特爾公司開發(fā)和使用了微處理器。1974年美、日等國首先研制出以微處理器為核心的數(shù)控系統(tǒng)。近20年來，微處理機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床得到了飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，這就是第五代數(shù)控系統(tǒng)（MNC）。20世紀(jì)80年代初，國際上又出現(xiàn)了柔性制造單元（FlexibleManufacturingCell，F(xiàn)MC）。FMC和FMS被認(rèn)為是實現(xiàn)計算機(jī)集成制造系統(tǒng)（ComputerIntegratedManufacturingSystem，CIMS）的必經(jīng)階段和基礎(chǔ)。

國外數(shù)控機(jī)床的現(xiàn)狀有三個特點：第一是擁有數(shù)量較多，通常占主要生產(chǎn)設(shè)備的20%以上；第二是大型數(shù)控機(jī)床，如落地式鏜銑床、大型龍門鏜銑床以及三坐標(biāo)測量機(jī)等較多；第三是更新?lián)Q代較快。許多新開發(fā)的數(shù)控機(jī)床已陸續(xù)裝備在生產(chǎn)線上。1.2.2我國數(shù)控機(jī)床的現(xiàn)狀我國從1958年開始研究數(shù)控機(jī)床，一直到20世紀(jì)60年代中期處于研制、開發(fā)時期。當(dāng)時，一些高等院校、科研單位研制出試驗性樣機(jī)，開始也是從電子管著手的。1965年，國內(nèi)開始研制晶體管數(shù)控系統(tǒng)。20世紀(jì)60年代末至20世紀(jì)70年代初研制成了三維數(shù)控銑床、數(shù)控非圓齒輪插齒機(jī)、CIL-18晶體管數(shù)控系統(tǒng)及Z53K-1G立式數(shù)控銑床。從20世紀(jì)70年代開始，數(shù)控技術(shù)在車、銑、鏜、磨、齒輪加工、電加工等領(lǐng)域全面展開，數(shù)控加工中心在上海、北京研制成功。但由于電子元器件的質(zhì)量和制造工藝水平差，致使數(shù)控系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性未得到解決，因此未能廣泛推廣。在這一時期，數(shù)控線切割機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，價格低廉，在模具加工中得到了推廣。數(shù)控車削加工、點位加工和加工中心及三坐標(biāo)數(shù)控加工的自動編程系統(tǒng)和語言也研制成功，有的也在生產(chǎn)中應(yīng)用。20世紀(jì)80年代，我國從日本發(fā)那科公司引進(jìn)了3、5、6、7等系列的數(shù)控系統(tǒng)和直流伺服電動機(jī)、直流主軸電動機(jī)等制造技術(shù)，以及引進(jìn)美國GE公司的MCI系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng)，德國西門子VS系列可控硅調(diào)速裝置，并進(jìn)行了商品化生產(chǎn)。這些系統(tǒng)可靠性高，功能齊全。與此同時，還自行開發(fā)了3、4、5軸聯(lián)動的數(shù)控系統(tǒng)以及雙電動機(jī)驅(qū)動的同步數(shù)控系統(tǒng)（用于火焰切割機(jī)）和新品種的伺服電動機(jī)，推動了我國數(shù)控機(jī)床穩(wěn)定發(fā)展，使我國數(shù)控機(jī)床在性能和質(zhì)量上產(chǎn)生了一個質(zhì)的飛躍。“十一五”期間，隨著一系列關(guān)鍵技術(shù)的突破和自主生產(chǎn)能力的形成，我國開始沖出“外國制造”的“重圍”，進(jìn)入世界高速數(shù)控機(jī)床和高精度數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)國的行列。從產(chǎn)量來看，2010年我國機(jī)床工具行業(yè)實現(xiàn)工業(yè)總產(chǎn)值

5

536.8億元，同比增長40.6%；數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量達(dá)到23.6萬臺，同比增長62.2%；2010年我國機(jī)床產(chǎn)值和數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量均列世界第一位。整個“十一五”期間，在需求的拉動下，我國數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量保持高速增長，年均復(fù)合增長率達(dá)到37.4%。2010年的增長數(shù)據(jù)意味著數(shù)控機(jī)床的發(fā)展已經(jīng)步入新階段。1.2.3數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，制造技術(shù)的進(jìn)步，以及社會對產(chǎn)品質(zhì)量和品種多樣化的要求愈來愈強(qiáng)烈，中、小批量生產(chǎn)的比重明顯增加，要求現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床成為一種具有柔性、精密、高效、復(fù)合、集成功能和低成本的自動化加工設(shè)備。同時，為了滿足制造業(yè)向更高層次發(fā)展，為柔性制造單元（FMC）、柔性制造系統(tǒng)（FMS），以及計算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）提供基礎(chǔ)設(shè)備，也要求數(shù)控機(jī)床向更高水平發(fā)展。當(dāng)前數(shù)控機(jī)床技術(shù)呈現(xiàn)如下發(fā)展趨勢。1．高速、高效、高精度與高可靠性（1）高速、高效（2）高精度（3）高可靠性

2．復(fù)合化、多軸化、柔性化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化與綠色化（1）復(fù)合化（2）多軸化（3）柔性化（4）網(wǎng)絡(luò)化（5）智能化（6）綠色化3．新型功能部件為了提高數(shù)控機(jī)床各方面的性能，具有高精度和高可靠性的新型功能部件的應(yīng)用成為必然。具有代表性的新型功能部件包括：（1）高頻電主軸（2）直線電動機(jī)（3）電滾珠絲桿4．重視新技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的建立隨著數(shù)控機(jī)床成為機(jī)械自動化加工的重要設(shè)備，在管理和操作之間，都需要有統(tǒng)一的術(shù)語、技術(shù)要求、符號和圖形，統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，以便于世界性的技術(shù)交流和貿(mào)易。數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，形成了多個國際通用的標(biāo)準(zhǔn)，即ISO（國際標(biāo)準(zhǔn)化組織）標(biāo)準(zhǔn)、IEC（國際電工委員會）標(biāo)準(zhǔn)和EIA（美國電子工業(yè)協(xié)會）標(biāo)準(zhǔn)等。復(fù)習(xí)與思考題（1）試述數(shù)控機(jī)床的概念。（2）數(shù)控機(jī)床的加工原