.,1,第1章數控機床基本知識,1.1數控機床的產生與發展1.2數控機床的組成結構及工作原理1.3數控機床的分類,1.1數控機床的產生與發展,隨著社會生產和科學技術的不斷進步，各類工業新產品層出不窮。機械制造產業作為國民工業的基礎，其產品更是日趨精密復雜，特別是在宇航、航海、軍事等領域所需的機械零件，精度要求更高，形狀更為復雜且往往批量較小，加工這類產品需要經常改裝或調整設備，,普通機床或專業化程度高的自動化機床顯然無法適應這些要求。同時，隨著市場競爭的日益加劇，企業生產也迫切需要進一步提高其生產效率，提高產品質量及降低生產成本。一種新型的生產設備數控機床就應運而生了。,1.1.1數控機床的產生帕森斯公司正式接受委托，與麻省理工學院伺服機構實驗室（ServoMechanismLaboratoryoftheMassachusettsInstituteofTechnology）合作，于1952年試制成功世界上第一臺數控機床試驗性樣機。1959年，美國克耐杜列克公司（Keaney&Trecker）首次成功開發了加工中心（MachiningCenter）。,1.1.2數控機床的發展簡況第1代數控機床：1952年1959年采用電子管元件構成的專用數控裝置（NC）。第2代數控機床：從1959年開始采用晶體管電路的NC系統。第3代數控機床：從1965年開始采用小、中規模集成電路的NC系統。,第4代數控機床：從1970年開始采用大規模集成電路的小型通用電子計算機控制的系統（CNC）。第5代數控機床：從1974年開始采用微型計算機控制的系統（MNC）。,1計算機直接數控系統所謂計算機直接數控（DirectNumericalControl，DNC）系統，即使用一臺計算機為數臺數控機床進行自動編程，編程結果直接通過數據線輸送到各臺數控機床的控制箱。,2柔性制造系統柔性制造系統（FlexibleManufacturingSystem，FMS）也叫做計算機群控自動線，它是將一群數控機床用自動傳送系統連接起來，并置于一臺計算機的統一控制之下，形成一個用于制造的整體。,3計算機集成制造系統計算機集成制造系統（Computer-IntegratedManufacturingSystem，CIMS），是指用最先進的計算機技術，控制從定貨、設計、工藝、制造到銷售的全過程，以實現信息系統一體化的高效率的柔性集成制造系統。,1.1.3我國數控機床發展概況1958年開始并試制成功第一臺電子管數控機床。1965年開始研制晶體管數控系統，直到20世紀60年代末至70年代初成功。從20世紀80年代開始，先后從日本、美國、德國等國家引進先進的數控技術。如北京機床研究所從日本FANUC公司引進FANUC3、FANUC5、FANUC6、FANUC7系列產品的制造技術；上海機床研究所引進美國GE公司的MTC-1數控系統等。,1.1.4數控機床的發展趨勢從數控機床技術水平看，高精度、高速度、高柔性、多功能和高自動化是數控機床的重要發展趨勢。數控系統都采用了16位和32位微處理器，標準總線及軟件模塊和硬件模塊結構，內存容量擴大到1MB以上，機床分辨率可達0.1m，高速進給可達100m/min，控制軸數可達16個。,1.2數控機床的組成結構及工作原理,1.2.1數控機床的組成1控制介質數控機床工作時，不需要操作工人直接操縱機床，但機床又必須執行人的意圖，這就需要在人與機床之間建立某種聯系，這種聯系的中間媒介物即稱為控制介質。,2數控系統數控裝置是一種控制系統，是數控機床的中心環節。它能自動閱讀輸入載體上事先給定的數字，并將其譯碼，從而使機床進給并加工零件，數控系統通常由輸入裝置、控制器、運算器和輸出裝置4大部分組成。,3伺服系統伺服系統由伺服驅動電動機和伺服驅動裝置組成，它是數控系統的執行部分。伺服系統接受數控系統的指令信息，并按照指令信息的要求帶動機床的移動部件運動或使執行部分動作，以加工出符合要求的工件。每一個脈沖使機床移動部件產生的位移量叫做脈沖當量。目前所使用的數控系統脈沖當量通常為0.001mm/脈沖。,4輔助控制系統輔助控制系統是介于數控裝置和機床機械、液壓部件之間的強電控制裝置。5機床本體機床本體是數控機床的主體，由機床的基礎大件（如床身、底座）和各運動部件（如工作臺、床鞍、主軸等）所組成。,1.2.2數控機床的關鍵結構部件1伺服系統驅動電機（1）步進電動機步進電動機通常用于開環伺服系統機床。,（2）直流伺服電動機小慣量直流電動機寬調速直流電動機無刷直流電動機,（3）交流伺服電動機近年來新型功率開關器件、專用集成電路和新的控制算法等的發展帶動了交流驅動電源的發展，使其調速性能更能適應數控機床伺服系統的要求。交流速度控制系統正逐步取代直流速度控制系統。,2位置檢測裝置檢測裝置是把位移和速度測量信號作為反饋信號，并將反饋信號轉換成數字送回計算機，和脈沖指令信號相比較，以控制驅動元件正確運轉。,（1）感應同步器感應同步器是一種電磁式的高精度位移檢測元件，按其結構方式的不同可分為直線式和旋轉式兩種，前者用于長度測量，后者用于角度測量。感應同步器的特點是：精度高，工作可靠，抗干擾性強，維護簡單，壽命長，可測量長距離位置，成本低，易于批量生產。,（2）光柵光柵就是在一塊長條形的光學玻璃上均勻地刻劃很多條與運動方向垂直的條紋，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，利用光路減少了機械誤差，具有精度高，響應速度快等特點，因此是數控機床和數顯系統常用的檢測元件。,（3）磁柵磁柵是用電磁的方法計算磁波數目的一種位置檢測元件，磁柵測量裝置由磁性標尺、讀取磁頭和檢測電路組成。磁柵位置檢測電路的特點是：容易制造，檢測精度高（能達到每米3m），安裝使用方便，對環境條件要求較低，若磁性標尺膨脹系數與機床一致，可在一般車間使用。由于磁頭與磁柵為有接觸的相對運動，因而有磨損，使用壽命受到一定的限制。一般使用壽命可達到5年，涂上保護膜后壽命則可進一步延長。,（4）旋轉變壓器旋轉變壓器是一種角位移檢測元件，由定子和轉子組成，分為有刷和無刷兩種形式。有刷旋轉變壓器定子和轉子均為兩相交流分布繞組。數控機床檢測裝置主要使用無刷旋轉變壓器，因為無刷旋轉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大、抗干擾能力強等優點。,（5）脈沖編碼器脈沖編碼器是把機械轉角轉化為電脈沖的一種常用角位移傳感器。（6）測速發電機測速發電機是速度反饋元件，相當于一臺永磁式直流電動機。,3進給運動傳動部件滾珠絲杠螺母副是回轉運動與直線運動相互轉換的新型理想傳動裝置。,具有如下優點。（1）傳動效率高。（2）摩擦力小。（3）使用壽命長。（4）經預緊后可以消除軸向間隙，提高系統的剛度。（5）反向運動時無空行程，可以提高軸向運動精度。,4CRT顯示及其接口5數控機床通信RS-232接口,1.2.3數控機床的工作原理數控系統的主要任務之一就是控制執行機構按預定的軌跡運動。一般情況是已知運動軌跡的起點坐標、終點坐標和曲線方程，由數控系統實時地算出各個中間點的坐標。即需要“插入、補上”運動軌跡各個中間點的坐標，通常這個過程就稱為“插補”。,1逐點比較法直線插補（1）直線插補計算原理偏差計算公式定義直線插補的偏差判別式如下：Fm=ymxexmye,終點判斷的方法一種方法是設置x、y兩個減法計數器。另一種方法是設置一個終點計數器。第三種方法是選終點坐標值較大的坐標作為計數坐標。,插補計算過程偏差判斷坐標進給偏差計算終點判別,2逐點比較法圓弧插補（1）圓弧插補計算原理偏差計算公式定義圓弧偏差判別式如下：Fm=Rm2R2=xm2+ym2R2,新加工點m+1點的偏差為Fm2xm+1新加工點的偏差值為Fm+2ym+1終點判別方法插補計算過程,1.3數控機床的分類,1.3.1按控制系統的特點分類1點位控制數控機床這類機床主要有數控坐標鏜床、數控鉆床、數控點焊機和數控折彎機等，其相應的數控裝置稱為點位控制數控裝置。,2直線控制數控機床這類機床主要有數控車床、數控磨床和數控鏜銑床等，相應的數控裝置稱為直線控制裝置。,3輪廓控制數控機床屬于這類機床的有數控車床、數控銑床、加工中心等。其相應的數控裝置稱為輪廓控制裝置。輪廓數控裝置比點位、直線控制裝置結構復雜得多，功能齊全得多。,1.3.2按進給伺服系統的類型分類1開環進給伺服系統數控機床開環進給伺服系統通常不帶有位置檢測元件，伺服驅動元件一般為步進電動機。,2閉環進給伺服系統數控機床閉環進給控制系統帶有位置檢測元件，隨時可以檢測出工作臺的實際位移，并反饋給數控裝置，并與設定的指令值進行比較，利用其差值控制伺服電動機，直至差值為零為止。,3半閉環進給伺服系統數控機床半閉環進給伺服系統是將位置檢測元件安裝在伺服電動機的軸上或滾珠絲杠的端部，不直接反饋機床的位移量，而是檢測伺服機構的轉角，將此信號反饋給數控裝置進行指令值比較，用差值控制伺服電動機。,1.3.3按工藝用途分類1金屬切削類數控機床金屬切削類數控機床包括數控車床、數控鉆床、數控銑床、數