,第1章 數(shù)控機(jī)床基本知識(shí),1.1 數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生與發(fā)展 1.2 數(shù)控機(jī)床的組成結(jié)構(gòu)及工作原理 1.3 數(shù)控機(jī)床的分類,1.1 數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生與發(fā)展,隨著社會(huì)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，各類工業(yè)新產(chǎn)品層出不窮。機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)作為國民工業(yè)的基礎(chǔ)，其產(chǎn)品更是日趨精密復(fù)雜，特別是在宇航、航海、軍事等領(lǐng)域所需的機(jī)械零件，精度要求更高，形狀更為復(fù)雜且往往批量較小，加工這類產(chǎn)品需要經(jīng)常改裝或調(diào)整設(shè)備，,普通機(jī)床或?qū)I(yè)化程度高的自動(dòng)化機(jī)床顯然無法適應(yīng)這些要求。同時(shí)，隨著市場競爭的日益加劇，企業(yè)生產(chǎn)也迫切需要進(jìn)一步提高其生產(chǎn)效率，提高產(chǎn)品質(zhì)量及降低生產(chǎn)成本。 一種新型的生產(chǎn)設(shè)備數(shù)控機(jī)床就應(yīng)運(yùn)而生了 。,1.1.1 數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生 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（Servo Mechanism Laboratory of the Massachusetts Institute of Technology）合作，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)。 1959年，美國克耐杜列克公司（Keaney & Trecker）首次成功開發(fā)了加工中心（Machining Center） 。,1.1.2 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展簡況 第1代數(shù)控機(jī)床：1952年1959年采用電子管元件構(gòu)成的專用數(shù)控裝置（NC）。 第2代數(shù)控機(jī)床：從1959年開始采用晶體管電路的NC系統(tǒng)。 第3代數(shù)控機(jī)床：從1965年開始采用小、中規(guī)模集成電路的NC系統(tǒng)。,第4代數(shù)控機(jī)床：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)（CNC）。 第5代數(shù)控機(jī)床：從1974年開始采用微型計(jì)算機(jī)控制的系統(tǒng)（MNC）。,1計(jì)算機(jī)直接數(shù)控系統(tǒng) 所謂計(jì)算機(jī)直接數(shù)控（Direct Numerical Control，DNC）系統(tǒng)，即使用一臺(tái)計(jì)算機(jī)為數(shù)臺(tái)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行自動(dòng)編程，編程結(jié)果直接通過數(shù)據(jù)線輸送到各臺(tái)數(shù)控機(jī)床的控制箱。,2柔性制造系統(tǒng) 柔性制造系統(tǒng)（Flexible Manufacturing System，F(xiàn)MS）也叫做計(jì)算機(jī)群控自動(dòng)線，它是將一群數(shù)控機(jī)床用自動(dòng)傳送系統(tǒng)連接起來，并置于一臺(tái)計(jì)算機(jī)的統(tǒng)一控制之下，形成一個(gè)用于制造的整體。,3計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（Computer-Integrated Manufacturing System，CIMS），是指用最先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，控制從定貨、設(shè)計(jì)、工藝、制造到銷售的全過程，以實(shí)現(xiàn)信息系統(tǒng)一體化的高效率的柔性集成制造系統(tǒng)。,1.1.3 我國數(shù)控機(jī)床發(fā)展概況 1958年開始并試制成功第一臺(tái)電子管數(shù)控機(jī)床。1965年開始研制晶體管數(shù)控系統(tǒng)，直到20世紀(jì)60年代末至70年代初成功。從20世紀(jì)80年代開始，先后從日本、美國、德國等國家引進(jìn)先進(jìn)的數(shù)控技術(shù)。如北京機(jī)床研究所從日本FANUC公司引進(jìn)FANUC3、FANUC5、FANUC6、FANUC7系列產(chǎn)品的制造技術(shù)；上海機(jī)床研究所引進(jìn)美國GE公司的MTC-1數(shù)控系統(tǒng)等。,1.1.4 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢 從數(shù)控機(jī)床技術(shù)水平看，高精度、高速度、高柔性、多功能和高自動(dòng)化是數(shù)控機(jī)床的重要發(fā)展趨勢。 數(shù)控系統(tǒng)都采用了16位和32位微處理器，標(biāo)準(zhǔn)總線及軟件模塊和硬件模塊結(jié)構(gòu)，內(nèi)存容量擴(kuò)大到1MB以上，機(jī)床分辨率可達(dá)0.1m，高速進(jìn)給可達(dá)100m/min，控制軸數(shù)可達(dá)16個(gè)。,1.2 數(shù)控機(jī)床的組成結(jié)構(gòu)及工作原理,1.2.1 數(shù)控機(jī)床的組成 1控制介質(zhì) 數(shù)控機(jī)床工作時(shí)，不需要操作工人直接操縱機(jī)床，但機(jī)床又必須執(zhí)行人的意圖，這就需要在人與機(jī)床之間建立某種聯(lián)系，這種聯(lián)系的中間媒介物即稱為控制介質(zhì)。,2數(shù)控系統(tǒng) 數(shù)控裝置是一種控制系統(tǒng)，是數(shù)控機(jī)床的中心環(huán)節(jié)。它能自動(dòng)閱讀輸入載體上事先給定的數(shù)字，并將其譯碼，從而使機(jī)床進(jìn)給并加工零件，數(shù)控系統(tǒng)通常由輸入裝置、控制器、運(yùn)算器和輸出裝置4大部分組成 。,3伺服系統(tǒng) 伺服系統(tǒng)由伺服驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)裝置組成，它是數(shù)控系統(tǒng)的執(zhí)行部分。伺服系統(tǒng)接受數(shù)控系統(tǒng)的指令信息，并按照指令信息的要求帶動(dòng)機(jī)床的移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)或使執(zhí)行部分動(dòng)作，以加工出符合要求的工件。每一個(gè)脈沖使機(jī)床移動(dòng)部件產(chǎn)生的位移量叫做脈沖當(dāng)量。目前所使用的數(shù)控系統(tǒng)脈沖當(dāng)量通常為0.001mm/脈沖。,4輔助控制系統(tǒng) 輔助控制系統(tǒng)是介于數(shù)控裝置和機(jī)床機(jī)械、液壓部件之間的強(qiáng)電控制裝置。 5機(jī)床本體 機(jī)床本體是數(shù)控機(jī)床的主體，由機(jī)床的基礎(chǔ)大件（如床身、底座）和各運(yùn)動(dòng)部件（如工作臺(tái)、床鞍、主軸等）所組成。,1.2.2 數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件 1伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī) （1）步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通常用于開環(huán)伺服系統(tǒng)機(jī)床。,（2）直流伺服電動(dòng)機(jī) 小慣量直流電動(dòng)機(jī) 寬調(diào)速直流電動(dòng)機(jī) 無刷直流電動(dòng)機(jī),（3）交流伺服電動(dòng)機(jī) 近年來新型功率開關(guān)器件、專用集成電路和新的控制算法等的發(fā)展帶動(dòng)了交流驅(qū)動(dòng)電源的發(fā)展，使其調(diào)速性能更能適應(yīng)數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的要求。交流速度控制系統(tǒng)正逐步取代直流速度控制系統(tǒng)。,2位置檢測裝置 檢測裝置是把位移和速度測量信號(hào)作為反饋信號(hào)，并將反饋信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字送回計(jì)算機(jī)，和脈沖指令信號(hào)相比較，以控制驅(qū)動(dòng)元件正確運(yùn)轉(zhuǎn)。,（1）感應(yīng)同步器 感應(yīng)同步器是一種電磁式的高精度位移檢測元件，按其結(jié)構(gòu)方式的不同可分為直線式和旋轉(zhuǎn)式兩種，前者用于長度測量，后者用于角度測量。 感應(yīng)同步器的特點(diǎn)是：精度高，工作可靠，抗干擾性強(qiáng)，維護(hù)簡單，壽命長，可測量長距離位置，成本低，易于批量生產(chǎn)。,（2）光柵 光柵就是在一塊長條形的光學(xué)玻璃上均勻地刻劃很多條與運(yùn)動(dòng)方向垂直的條紋，條紋之間的距離成為柵距。 光柵測量裝置是一種非接觸式測量，利用光路減少了機(jī)械誤差，具有精度高，響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，因此是數(shù)控機(jī)床和數(shù)顯系統(tǒng)常用的檢測元件。,（3）磁柵 磁柵是用電磁的方法計(jì)算磁波數(shù)目的一種位置檢測元件，磁柵測量裝置由磁性標(biāo)尺、讀取磁頭和檢測電路組成。 磁柵位置檢測電路的特點(diǎn)是：容易制造，檢測精度高（能達(dá)到每米3m），安裝使用方便，對環(huán)境條件要求較低，若磁性標(biāo)尺膨脹系數(shù)與機(jī)床一致，可在一般車間使用。由于磁頭與磁柵為有接觸的相對運(yùn)動(dòng)，因而有磨損，使用壽命受到一定的限制。一般使用壽命可達(dá)到5年，涂上保護(hù)膜后壽命則可進(jìn)一步延長。,（4）旋轉(zhuǎn)變壓器 旋轉(zhuǎn)變壓器是一種角位移檢測元件，由定子和轉(zhuǎn)子組成，分為有刷和無刷兩種形式。有刷旋轉(zhuǎn)變壓器定子和轉(zhuǎn)子均為兩相交流分布繞組。 數(shù)控機(jī)床檢測裝置主要使用無刷旋轉(zhuǎn)變壓器，因?yàn)闊o刷旋轉(zhuǎn)變壓器具有可靠性高、壽命長、體積小、不用維修以及輸出信號(hào)大、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。,（5）脈沖編碼器 脈沖編碼器是把機(jī)械轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)化為電脈沖的一種常用角位移傳感器。 （6）測速發(fā)電機(jī) 測速發(fā)電機(jī)是速度反饋元件，相當(dāng)于一臺(tái)永磁式直流電動(dòng)機(jī)。,3進(jìn)給運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)部件 滾珠絲杠螺母副是回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與直線運(yùn)動(dòng)相互轉(zhuǎn)換的新型理想傳動(dòng)裝置。,具有如下優(yōu)點(diǎn)。 （1）傳動(dòng)效率高。 （2）摩擦力小。 （3）使用壽命長。 （4）經(jīng)預(yù)緊后可以消除軸向間隙，提高系統(tǒng)的剛度。 （5）反向運(yùn)動(dòng)時(shí)無空行程，可以提高軸向運(yùn)動(dòng)精度。,4CRT顯示及其接口 5數(shù)控機(jī)床通信RS-232接口,1.2.3 數(shù)控機(jī)床的工作原理 數(shù)控系統(tǒng)的主要任務(wù)之一就是控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)按預(yù)定的軌跡運(yùn)動(dòng)。一般情況是已知運(yùn)動(dòng)軌跡的起點(diǎn)坐標(biāo)、終點(diǎn)坐標(biāo)和曲線方程，由數(shù)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)地算出各個(gè)中間點(diǎn)的坐標(biāo)。即需要“插入、補(bǔ)上”運(yùn)動(dòng)軌跡各個(gè)中間點(diǎn)的坐標(biāo)，通常這個(gè)過程就稱為“插補(bǔ)”。,1逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ) （1）直線插補(bǔ)計(jì)算原理 偏差計(jì)算公式 定義直線插補(bǔ)的偏差判別式如下： Fm=ymxexmye, 終點(diǎn)判斷的方法 一種方法是設(shè)置x、y兩個(gè)減法計(jì)數(shù)器。 另一種方法是設(shè)置一個(gè)終點(diǎn)計(jì)數(shù)器 。 第三種方法是選終點(diǎn)坐標(biāo)值較大的坐標(biāo)作為計(jì)數(shù)坐標(biāo)。, 插補(bǔ)計(jì)算過程 偏差判斷 坐標(biāo)進(jìn)給 偏差計(jì)算 終點(diǎn)判別,2逐點(diǎn)比較法圓弧插補(bǔ) （1）圓弧插補(bǔ)計(jì)算原理 偏差計(jì)算公式 定義圓弧偏差判別式如下： Fm=Rm2R2= xm2+ym2R2,新加工點(diǎn)m+1點(diǎn)的偏差為 Fm2 xm+1 新加工點(diǎn)的偏差值為 Fm+2ym+1 終點(diǎn)判別方法 插補(bǔ)計(jì)算過程,1.3 數(shù)控機(jī)床的分類,1.3.1 按控制系統(tǒng)的特點(diǎn)分類 1點(diǎn)位控制數(shù)控機(jī)床 這類機(jī)床主要有數(shù)控坐標(biāo)鏜床、數(shù)控鉆床、數(shù)控點(diǎn)焊機(jī)和數(shù)控折彎機(jī)等，其相應(yīng)的數(shù)控裝置稱為點(diǎn)位控制數(shù)控裝置。,2直線控制數(shù)控機(jī)床 這類機(jī)床主要有數(shù)控車床、數(shù)控磨床和數(shù)控鏜銑床等，相應(yīng)的數(shù)控裝置稱為直線控制裝置。,3輪廓控制數(shù)控機(jī)床 屬于這類機(jī)床的有數(shù)控車床、數(shù)控銑床、加工中心等。其相應(yīng)的數(shù)控裝置稱為輪廓控制裝置。輪廓數(shù)控裝置比點(diǎn)位、直線控制裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜得多，功能齊全得多。,1.3.2 按進(jìn)給伺服系統(tǒng)的類型分類 1開環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床 開環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)通常不帶有位置檢測元件，伺服驅(qū)動(dòng)元件一般為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。,2閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床 閉環(huán)進(jìn)給控制系統(tǒng)帶有位置檢測元件，隨時(shí)可以檢測出工作臺(tái)的實(shí)際位移，并反饋給數(shù)控裝置，并與設(shè)定的指令值進(jìn)行比較，利用其差值控制伺服電動(dòng)機(jī)，直至差值為零為止。,3半閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床 半閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)是將位置檢測元件安裝在伺服電動(dòng)機(jī)的軸上或滾珠絲杠的端部，不直接反饋機(jī)床的位移量，而是檢測伺服機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)角，將此信號(hào)反饋給數(shù)控裝置進(jìn)行指令值比較，用差值控制伺服電動(dòng)機(jī)。,1.3.3 按工藝用途分類 1金屬切削類數(shù)控機(jī)床 金屬切削類數(shù)控機(jī)床包括數(shù)控車床、數(shù)控鉆床、數(shù)控銑床、數(shù)控磨床、數(shù)控鏜床以及加工中心。 2金屬成型類數(shù)控機(jī)床 金屬成型類數(shù)控機(jī)床包括數(shù)控折彎機(jī)、數(shù)控組合沖床和數(shù)控回轉(zhuǎn)頭壓力機(jī)等。這類機(jī)床起步晚，但目前發(fā)展很快。,3數(shù)控特種加工機(jī)床 數(shù)控特種加工機(jī)床如數(shù)控線（電極）切割機(jī)床、數(shù)控電火花加工機(jī)床、火焰切割機(jī)和數(shù)控激光切割機(jī)床等。 4其他類型的數(shù)控機(jī)床 其他類型的數(shù)控機(jī)床如數(shù)控三坐標(biāo)測量機(jī)等。,1.3.4 按所用數(shù)控裝置的構(gòu)成方式分類 1硬線數(shù)控系統(tǒng) 2軟線數(shù)控系統(tǒng),