數(shù)控機(jī)床簡(jiǎn)介輔導(dǎo)材料

第一章數(shù)控機(jī)床簡(jiǎn)介輔導(dǎo)材料（一）目的與要求使學(xué)生掌握數(shù)控機(jī)床的基本概念、組成、分類、發(fā)展歷程和方向。初步了解數(shù)控機(jī)床的工作原理和數(shù)控加工的特點(diǎn)。（二）重點(diǎn)與難點(diǎn)重點(diǎn)是數(shù)控機(jī)床的基本概念、組成、分類等。（三）教學(xué)內(nèi)容1．?dāng)?shù)控機(jī)床的基本概念2．?dāng)?shù)控機(jī)床的基本工作原理3．?dāng)?shù)控機(jī)床的基本組成4．?dāng)?shù)控機(jī)床的分類5．?dāng)?shù)控加工的特點(diǎn)6．?dāng)?shù)控機(jī)床的適用范圍7.數(shù)控機(jī)床的發(fā)展歷程和方向（四）教學(xué)要求1．掌握數(shù)控機(jī)床的基本概念和基本組成。2．了解數(shù)控機(jī)床的基本工作原理。3．掌握數(shù)控機(jī)床的各種分類形式。4.了解數(shù)控機(jī)床的加工特點(diǎn)及適用范圍。5．掌握數(shù)控機(jī)床的發(fā)展歷程和發(fā)展方向。（五）內(nèi)容提要和學(xué)習(xí)指導(dǎo)1.1數(shù)控機(jī)床概述1.1.1數(shù)控機(jī)床的基本概念（掌握）（增加內(nèi)容）數(shù)字控制（NumericalControl，NC）簡(jiǎn)稱數(shù)控，是用數(shù)字化信號(hào)對(duì)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)及其加工過程進(jìn)行控制的一種技術(shù)方法。數(shù)控機(jī)床（NumericalControlMachine）采用數(shù)字控制技術(shù)對(duì)機(jī)床的加工過程進(jìn)行自動(dòng)控制的一類機(jī)床?；蛘哒f是裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床。數(shù)控系統(tǒng)（NumericalControlSystem）一種自動(dòng)輸入載體上事先給定的數(shù)字量（零件加工程序），并將其譯碼，再進(jìn)行必要的信息處理和運(yùn)算后，控制機(jī)床動(dòng)作和加工零件的控制系統(tǒng)。最初的數(shù)控系統(tǒng)是由數(shù)字邏輯電路構(gòu)成的專用硬件數(shù)控系統(tǒng)。隨著微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展，硬件數(shù)控系統(tǒng)已逐漸被淘汰，取而代之的是計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)（ComputerNumericalControl，CNC）CNC系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)承擔(dān)數(shù)控中的命令發(fā)生器和控制器的數(shù)控系統(tǒng)。由于計(jì)算機(jī)可完全由軟件來確定數(shù)字信息的處理過程，從而具有真正的“柔性”，并可以處理硬件邏輯電路難以處理的復(fù)雜信息，使數(shù)字控制系統(tǒng)的性能大大提高。數(shù)控編程（CNCProgramming）從零件圖樣到將加工信息用規(guī)定代碼，按一定的格式編寫成零件加工程序單和制作控制介質(zhì)的全部過程，稱為數(shù)控加工的程序編制，簡(jiǎn)稱數(shù)控編程。

1.1.2數(shù)控機(jī)床的基本工作原理（了解）1.利用數(shù)控機(jī)床完成零件數(shù)控加工的過程。2.數(shù)控加工中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程，如圖1.2所示。（增加內(nèi)容）

圖1.2數(shù)控加工中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程

⑴譯碼譯碼程序以一個(gè)程序段為單位，按一定規(guī)則將加工程序中的信息翻譯成計(jì)算機(jī)內(nèi)部能識(shí)別的數(shù)據(jù)形式，并以約定的格式存放在指定的內(nèi)存區(qū)間。⑵數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理程序一般包括刀具補(bǔ)償、進(jìn)給方向判斷、進(jìn)給速度計(jì)算以及輔助功能處理等。刀具補(bǔ)償是把零件輪廓軌跡轉(zhuǎn)化成刀具中心運(yùn)動(dòng)軌跡，編程員只需按零件輪廓軌跡編程。進(jìn)給方向判斷是根據(jù)零件輪廓的形狀和機(jī)床刀具的位置，決定刀具運(yùn)動(dòng)方向的指令。速度計(jì)算是根據(jù)編程所給的進(jìn)給速度來計(jì)算各坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)方向的分速度。另外對(duì)機(jī)床允許的最低速度和最高速度的限制進(jìn)行判斷并處理。⑶插補(bǔ)計(jì)算數(shù)據(jù)密化的過程。插補(bǔ)計(jì)算就是對(duì)數(shù)控系統(tǒng)輸入基本數(shù)據(jù)，運(yùn)用一定的算法進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果向相應(yīng)的坐標(biāo)發(fā)出進(jìn)給指令。⑷PLC控制（ProgrammableLogicController）用于完成與邏輯運(yùn)算有關(guān)順序動(dòng)作的I/O控制。數(shù)控機(jī)床的工作原理就是將預(yù)先編好的加工程序以數(shù)據(jù)的形式輸入數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)通過譯碼、數(shù)據(jù)處理、插補(bǔ)計(jì)算和PLC協(xié)調(diào)控制等，最終實(shí)現(xiàn)零件的自動(dòng)化加工。

1.1.3數(shù)控機(jī)床的基本組成（掌握）數(shù)控機(jī)床的基本組成：控制介質(zhì)、數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、機(jī)床本體、反饋裝置和各類輔助裝置等。

（調(diào)整內(nèi)容）數(shù)控機(jī)床一般由控制介質(zhì)、數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、機(jī)床本體、反饋裝置和各類輔助裝置組成。1、控制介質(zhì)2、數(shù)控系統(tǒng)3、伺服系統(tǒng)4、反饋裝置該裝置由測(cè)量部件和響應(yīng)的測(cè)量電路組成，其作用是檢測(cè)速度和位移，并將信息反饋給數(shù)控裝置，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。沒有測(cè)量反饋裝置的系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。常用的測(cè)量部件有脈沖編碼器、光柵、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器和磁尺等。5、輔助裝置輔助裝置主要包括液壓和氣動(dòng)裝置、自動(dòng)排屑裝置、自動(dòng)換刀裝置、工件自動(dòng)交換裝置、工件夾緊放松機(jī)構(gòu)、潤(rùn)滑裝置、切削液裝置、過載和保護(hù)裝置等。6、機(jī)床本體

1.2數(shù)控機(jī)床的分類（掌握）1.按伺服控制的方式進(jìn)行分類（1）開環(huán)控制的數(shù)控機(jī)床：特點(diǎn)：只有控制信息的前向通道，沒有檢測(cè)裝置，不具有反饋環(huán)節(jié)。應(yīng)用：一般在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床和舊設(shè)備的簡(jiǎn)易數(shù)控改造中采用。（2）閉環(huán)控制的數(shù)控機(jī)床：特點(diǎn)：具有反饋環(huán)節(jié)，全閉環(huán)控制的數(shù)控機(jī)床的反饋裝置安裝在數(shù)控機(jī)床終端移動(dòng)部件上。應(yīng)用：主要是高精密的數(shù)控機(jī)床、加工中心等；半閉環(huán)控制的數(shù)控機(jī)床：特點(diǎn)：反饋裝置安裝在伺服電動(dòng)機(jī)或絲杠端部。應(yīng)用：大部分?jǐn)?shù)控機(jī)床中采用。（3）混合控制數(shù)控系統(tǒng)：常用形式：開環(huán)補(bǔ)償型和半閉環(huán)補(bǔ)償型。2.按數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)軌跡分類（1）點(diǎn)位控制的數(shù)控機(jī)床應(yīng)用：主要有數(shù)控鉆床、數(shù)控鏜床和數(shù)控沖床等。（2）直線控制的數(shù)控機(jī)床應(yīng)用：主要有簡(jiǎn)易的數(shù)控車床、數(shù)控銑床等。（3）輪廓控制的數(shù)控機(jī)床：數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)具有插補(bǔ)運(yùn)算功能。應(yīng)用：兩軸以上聯(lián)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床、加工中心均采用輪廓控制。可控軸數(shù)：是指機(jī)床數(shù)控裝置能夠控制的坐標(biāo)數(shù)目，即數(shù)控機(jī)床有幾個(gè)運(yùn)動(dòng)方向采用了數(shù)字控制。聯(lián)動(dòng)軸數(shù)：是指機(jī)床數(shù)控裝置控制各坐標(biāo)軸協(xié)調(diào)動(dòng)作的坐標(biāo)軸數(shù)目。通常一臺(tái)數(shù)控機(jī)床的聯(lián)動(dòng)軸數(shù)一般會(huì)小于或等于可控軸數(shù)。（增加內(nèi)容）（3）輪廓控制的數(shù)控機(jī)床數(shù)控機(jī)床的可控軸數(shù)，是指機(jī)床數(shù)控裝置能夠控制的坐標(biāo)數(shù)目，即數(shù)控機(jī)床有幾個(gè)運(yùn)動(dòng)方向采用了數(shù)字控制。五軸控制的數(shù)控機(jī)床包含了三個(gè)移動(dòng)坐標(biāo)軸和兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)軸。數(shù)控機(jī)床完成的運(yùn)動(dòng)越多，控制軸數(shù)就越多，對(duì)應(yīng)的功能就越強(qiáng)，同時(shí)機(jī)床結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度與技術(shù)含量也就越高。數(shù)控機(jī)床實(shí)現(xiàn)了對(duì)多個(gè)坐標(biāo)軸的控制，并不等于就可以加工出任何形狀的零件。我們所說的兩軸聯(lián)動(dòng)、3軸聯(lián)動(dòng)、4軸聯(lián)動(dòng)、5軸聯(lián)動(dòng)等，即數(shù)控機(jī)床的聯(lián)動(dòng)軸數(shù)，是指機(jī)床數(shù)控裝置控制各坐標(biāo)軸協(xié)調(diào)動(dòng)作的坐標(biāo)軸數(shù)目。聯(lián)動(dòng)軸數(shù)越多，控制系統(tǒng)就越復(fù)雜，加工能力就越強(qiáng)。通常一臺(tái)數(shù)控機(jī)床的聯(lián)動(dòng)軸數(shù)一般會(huì)小于或等于可控軸數(shù)。

1.3數(shù)控機(jī)床的適用范圍（了解）1.3.1數(shù)控機(jī)床的加工特點(diǎn)1.3.2數(shù)控機(jī)床的適用范圍

1.4數(shù)控機(jī)床的發(fā)展歷程和發(fā)展方向（掌握）1.4.1數(shù)控機(jī)床的發(fā)展歷程突破傳統(tǒng)機(jī)床結(jié)構(gòu)的最新一代的數(shù)控機(jī)床：并聯(lián)機(jī)床（虛軸機(jī)床）。（增加內(nèi)容）數(shù)控機(jī)床的研制最早是從美國開始的。1948年，美國帕森斯公司(ParsonsCo.)在研制加工直升飛機(jī)槳葉輪廓用檢查樣板的加工機(jī)床任務(wù)時(shí)，提出了研制數(shù)控機(jī)床的初始設(shè)想。1949年，在美國空軍部門的支持下，帕森斯公司正式接受委托，與麻省理工學(xué)院伺服機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室(ServoMechanismlaboratoryoftheMassachusettsInstituteofTechnology)合作，開始從事數(shù)控機(jī)床的研制工作。經(jīng)過三年時(shí)間的研究，于1952年試制成功世界上第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床試驗(yàn)性樣機(jī)。這是一臺(tái)采用脈沖乘法器原理的直線插補(bǔ)三坐標(biāo)連續(xù)控制銑床。其數(shù)控系統(tǒng)全部采用電子管元件，數(shù)控裝置體積比機(jī)床本體還要大。后又經(jīng)過三年的改進(jìn)和自動(dòng)編程研究，于1955年進(jìn)入實(shí)用階段。一直到50年代末，由于價(jià)格和技術(shù)上的原因，數(shù)控機(jī)床局限在航空工業(yè)中應(yīng)用，品種也多為連續(xù)控制系統(tǒng)。到了60年代，由于晶體管的應(yīng)用，數(shù)控系統(tǒng)提高了可靠性且價(jià)格開始下降，一些民用工業(yè)開始發(fā)展數(shù)控機(jī)床，其中多數(shù)是鉆沖、沖床等點(diǎn)位控制的機(jī)床。數(shù)控技術(shù)不僅在機(jī)床上得到實(shí)際應(yīng)用，而且逐步推廣到焊接機(jī)、火焰切割機(jī)等，使數(shù)控技術(shù)不斷地?cái)U(kuò)展應(yīng)用范圍。20世紀(jì)80年代中后期，隨著加工中心功能和結(jié)構(gòu)的完善，顯示了這種工序集中數(shù)控機(jī)床的優(yōu)越性，開始出現(xiàn)車削中心、磨削中心等，使復(fù)合加工得到擴(kuò)展而不再局限于鏜、銑等工序。90年代后期又進(jìn)一步發(fā)展了車銑中心、銑車中心、車磨中心等，近年來又出現(xiàn)由激光、電火花和超聲波等特種加工方法與切削、磨削加工方法組合的復(fù)合機(jī)床，使復(fù)合加工技術(shù)成為推動(dòng)機(jī)床結(jié)構(gòu)和制造工藝發(fā)展的一個(gè)新熱點(diǎn)。自1952年，美國研制成功第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床以來，隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制和精密測(cè)量等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床也在迅速的發(fā)展和不斷的更新?lián)Q代，先后經(jīng)歷了五個(gè)發(fā)展階段。第一代數(shù)控：1952～1959年采用電子管元件構(gòu)成的專用數(shù)控裝置(NC)。第二代數(shù)控：從1959年開始采用晶體管電路的NC系統(tǒng)。第三代數(shù)控：從1965年開始采用小、中規(guī)模集成電路的NC系統(tǒng)。第四代數(shù)控：從1970年開始采用大規(guī)模集成電路的小型通用電子計(jì)算機(jī)控制的系統(tǒng)(ComputerNumericalControl，簡(jiǎn)稱CNC)。第五代數(shù)控：從1974年開始采用微型電子計(jì)算機(jī)控制的系統(tǒng)(MicrocomputerNumericalControl，簡(jiǎn)稱MNC)。第五代微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)已取代了以往的普通數(shù)控系統(tǒng)，形成了現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)。它采用微處理器及大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路，具有很強(qiáng)的程序存儲(chǔ)能力和控制功能。這些控制功能是由一系列控制程序（即存儲(chǔ)在系統(tǒng)內(nèi)的管理程序）來實(shí)現(xiàn)的。這種數(shù)控系統(tǒng)的通用性很強(qiáng)，幾乎只需改變軟件，就可以適應(yīng)不同類型機(jī)床的控制要求，具有很大的柔性。隨著集成電路規(guī)模的日益擴(kuò)大，光纜通信技術(shù)應(yīng)用于數(shù)控裝置中，使其體積日益縮小，價(jià)格逐年下降，可靠性顯著提高，功能也更加完善，數(shù)控裝置的故障已從數(shù)控機(jī)床總的故障次數(shù)中占主導(dǎo)地位降到了很次要的地位。進(jìn)入90年代以來，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，推動(dòng)數(shù)控機(jī)床技術(shù)更快的更新?lián)Q代。世界上許多數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家利用PC機(jī)豐富的軟硬件資源開發(fā)開放式體系結(jié)構(gòu)的新一代數(shù)控系統(tǒng)(也稱之為第六代數(shù)控)。開放式體系結(jié)構(gòu)使數(shù)控系統(tǒng)有更好的通用性、柔性、適應(yīng)性、擴(kuò)展性，并向智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向大大發(fā)展。近幾年許多國家紛紛研究開發(fā)這種系統(tǒng)，如美國科學(xué)制造中心（NCMS）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)”NGC，歐共體的“自動(dòng)化系統(tǒng)中開放式體系結(jié)構(gòu)”O(jiān)SACA，日本的OSEC計(jì)劃等。開發(fā)研究成果已得到應(yīng)用，如Cincinnati-Milacron公司從1995年開始在其生產(chǎn)的加工中心、數(shù)控銑床、數(shù)控車床等產(chǎn)品中采用了開放式體系結(jié)構(gòu)的A2100系統(tǒng)。開放式體系結(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。數(shù)控系統(tǒng)繼續(xù)向高集成度方向發(fā)展，每個(gè)芯片上可以集成更多個(gè)晶體管，使系統(tǒng)體積更小，更加小型化、微型化?？煽啃源蟠筇岣摺＠枚郈PU的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)故障自動(dòng)排除；增強(qiáng)通信功能，提高進(jìn)線、聯(lián)網(wǎng)能力。開放式體系結(jié)構(gòu)的新一代數(shù)控系統(tǒng)，其硬件、軟件和總線規(guī)范都是對(duì)外開放的，由于有充足的軟、硬件資源可供利用，不僅使數(shù)控系統(tǒng)制造商和用戶進(jìn)行的系統(tǒng)集成得到有力的支持，而且也為用戶的二次開發(fā)帶來極大方便，促進(jìn)了數(shù)控系統(tǒng)多檔次、多品種的開發(fā)和廣泛應(yīng)用，既可通過升檔或剪裁構(gòu)成各種檔次的數(shù)控系統(tǒng)，又可通過擴(kuò)展構(gòu)成不同類型數(shù)控機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)，開發(fā)生產(chǎn)周期大大縮短。這種數(shù)控系統(tǒng)可隨CPU升級(jí)而升級(jí)，結(jié)構(gòu)上不必變動(dòng)。最新一代的數(shù)控機(jī)床：并聯(lián)機(jī)床（又稱6條腿數(shù)控機(jī)床、并聯(lián)運(yùn)動(dòng)學(xué)機(jī)器人、虛軸機(jī)床）是數(shù)控機(jī)床在結(jié)構(gòu)上取得的重大突破。1994年，在美國芝加哥國際機(jī)床展覽會(huì)(IMTS’94)上，美國Giddings＆Lewis公司首次展出了Variax型并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床，引起各國機(jī)床研究單位和生產(chǎn)廠家的重視。它是一臺(tái)以Stewart平臺(tái)為基礎(chǔ)的5坐標(biāo)立式加工中心，標(biāo)志著機(jī)床設(shè)計(jì)開始采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)，是機(jī)床結(jié)構(gòu)重大改革的里程碑。并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床是以空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)，充分利用計(jì)算機(jī)數(shù)字控制的潛力，以軟件取代部分硬件，以電氣裝置和電子器件取代部分機(jī)械傳動(dòng)，使將近兩個(gè)世紀(jì)以來以笛卡爾坐標(biāo)直線位移為基礎(chǔ)的機(jī)床結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)學(xué)原理發(fā)生了根本變化。并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床與傳統(tǒng)機(jī)床的比較如圖1.24所示。圖l.24并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床與傳統(tǒng)機(jī)床的比較從圖中可見，并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床與傳統(tǒng)機(jī)床的區(qū)別主要表現(xiàn)在：傳統(tǒng)機(jī)床布局的基本特點(diǎn)是以床身、立柱、橫梁等作為支承部件，主軸部件和工作臺(tái)的滑板沿支承部件上的直線導(dǎo)軌移動(dòng)，按照X、Y、Z坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)疊加的串聯(lián)運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，形成刀頭點(diǎn)的加工表向軌跡。并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床布局的基本特點(diǎn)是，以機(jī)床框架為固定平臺(tái)的若十桿件組成空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)，主軸部件安裝在并聯(lián)機(jī)構(gòu)的動(dòng)平臺(tái)上，改變桿件的長(zhǎng)度或移動(dòng)桿件的支點(diǎn)，按照并聯(lián)運(yùn)動(dòng)學(xué)原理形成刀頭點(diǎn)的加工表面軌跡。出于并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床結(jié)構(gòu)以絎架桿系取代傳統(tǒng)機(jī)床結(jié)構(gòu)的懸臂梁和兩支點(diǎn)梁來承載切削力和部件重力，加上運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量明顯減小以及主要由電主軸、滾珠絲杠、直線電動(dòng)機(jī)等機(jī)電一體化部件組