1、第一章 數(shù)控機(jī)床概述內(nèi)容提要： 本章主要介紹數(shù)控技術(shù)、數(shù)控機(jī)床的基本概念、體系結(jié)構(gòu)、工作原理及分類；數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用范圍及發(fā)展動向。第一章 數(shù)控機(jī)床概述*1現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)第一章 數(shù)控機(jī)床概述 產(chǎn)生背景從工業(yè)化革命以來人們實現(xiàn)機(jī)械加工自動化的手段有：自動機(jī)床；組合機(jī)床；專用自動生產(chǎn)線。第一章 數(shù)控機(jī)床概述*2現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)第一章 數(shù)控機(jī)床概述這些設(shè)備的使用大大地提高了機(jī)械加工自動化地程度，提高了勞動生產(chǎn)率，促進(jìn)了制造業(yè)地發(fā)展。但它也存在固有的缺點：初始投資大；準(zhǔn)備周期長；柔性差。 第一章 數(shù)控機(jī)床概述*3現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)第一章 數(shù)控機(jī)床概述數(shù)控技術(shù)產(chǎn)生和發(fā)展的內(nèi)在動力： 市場競爭日趨激烈，產(chǎn)品更新?lián)Q代加快

2、，大批量產(chǎn)品越來越少，小批量產(chǎn)品生產(chǎn)的比重越來越大，迫切需要一種精度高、柔性好加工設(shè)備來滿足上述需求。數(shù)控技術(shù)產(chǎn)生和發(fā)展的技術(shù)基礎(chǔ)： 電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展則為NC機(jī)床的進(jìn)步提供了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。 數(shù)控技術(shù)正是在這種背景下誕生和發(fā)展起來的。它的產(chǎn)生給自動化技術(shù)帶來了新的概念，推動了加工自動化技術(shù)的發(fā)展。第一章 數(shù)控機(jī)床概述*4現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)第一章 數(shù)控機(jī)床概述發(fā)展沿革1952年，Parsons公司和M.I.T合作研制了世界上第一臺三座標(biāo)數(shù)控機(jī)床。1955年，第一臺工業(yè)用數(shù)控機(jī)床由美國Bendix公司生產(chǎn)出來。從1952年至今，NC機(jī)床按NC系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷的五代。第一章 數(shù)控機(jī)床概述*5現(xiàn)

3、代數(shù)控技術(shù)第一章 數(shù)控機(jī)床概述第一代：1955年 NC系統(tǒng)以電子管組成，體積大，功耗大。第二代：1959年 NC系統(tǒng)以晶體管組成，廣泛采用印刷電路板。第三代：1965年 NC系統(tǒng)采用小規(guī)模集成電路作為硬件，其特點是體積小，功耗低，可靠性進(jìn)一步提高。以上三代NC系統(tǒng)，由于其數(shù)控功能均由硬件實現(xiàn)，故歷史上又稱其為“硬線NC”*6現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)第一章 數(shù)控機(jī)床概述第四代：1970年 NC系統(tǒng)采用小型計算機(jī)取代專用計算機(jī)，其部分功能由軟件實現(xiàn)，它具有價格低，可靠性高和功能多等特點。第五代：1974年 NC系統(tǒng)以微處理器為核心，不僅價格進(jìn)一步降低，體積進(jìn)一步縮小，使實現(xiàn)真正意義上的機(jī)電一體化成為可能。這一

4、代又可分為六個發(fā)展階段：1979年：系統(tǒng)采用CRT顯示，VLIC，大容量磁泡存儲器，可編程接口和遙控接口等。1974年：系統(tǒng)以位片微處理器為核心，有字符顯示，自診斷功能。*7現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)第一章 數(shù)控機(jī)床概述1981年：具有人機(jī)對話、動態(tài)圖形顯示、實時精度補償功能。1986年：數(shù)字伺服控制誕生，大慣量的交直流電機(jī)進(jìn)入實用階段。1988年：采用高性能32位機(jī)為主機(jī)的主從結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。1994年：基于PC的NC系統(tǒng)誕生，使NC系統(tǒng)的研發(fā)進(jìn)入了開放型、柔性化的新時代，新型NC系統(tǒng)的開發(fā)周期日益縮短。它是數(shù)控技術(shù)發(fā)展的又一個里程碑。第一章 數(shù)控機(jī)床概述*8現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)第一節(jié) 數(shù)控技術(shù)與數(shù)控機(jī)床自從20世紀(jì)中

5、葉數(shù)控技術(shù)創(chuàng)立以來，它給 機(jī)械制造業(yè)帶來了革命性的變化。現(xiàn)在數(shù)控技術(shù)已成為制造業(yè)實現(xiàn)自動化、柔性化、集成化生產(chǎn)的基礎(chǔ)技術(shù)，現(xiàn)代的CAD/CAM，F(xiàn)MS和CIMS、敏捷制造和智能制造等，都是建立在數(shù)控技術(shù)之上；第一章 數(shù)控機(jī)床概述*9現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)第一節(jié) 數(shù)控技術(shù)與數(shù)控機(jī)床數(shù)控技術(shù)是提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高勞動生產(chǎn)率必不可少的物質(zhì)手段；是國家的戰(zhàn)略技術(shù)：基于它的相關(guān)產(chǎn)業(yè)是體現(xiàn)國家綜合國力水平的重要基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)；專家們預(yù)言: 二十一世紀(jì)機(jī)械制造業(yè)的競爭，其實質(zhì)是數(shù)控技術(shù)的競爭。第一章 數(shù)控機(jī)床概述*10現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)數(shù)控技術(shù)定義 數(shù)字控制與數(shù)控技術(shù)數(shù)字控制（Numerical Control NC）是一種借助

6、數(shù)字、字符或其它符號對某一工作過程（如加工、測量、裝配等）進(jìn)行可編程控制的自動化方法。數(shù)控技術(shù)（Numerical Control Technology）采用數(shù)字控制的方法對某一工作過程實現(xiàn)自動控制的技術(shù)。第一章 數(shù)控機(jī)床概述*11現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)數(shù)控機(jī)床與數(shù)控系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床（Numerical Control Machine Tools） 是采用數(shù)字控制技術(shù)對機(jī)床的加工過程進(jìn)行自動控制的一類機(jī)床。它數(shù)控技術(shù)典型應(yīng)用的例子。數(shù)控系統(tǒng)（Numerical Control System）實現(xiàn)數(shù)字控制的裝置。計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)（Computer Numerical Control CNC ）以計算機(jī)為核心的數(shù)

7、控系統(tǒng)。第一章 數(shù)控機(jī)床概述*12現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)數(shù)控系統(tǒng)與數(shù)控機(jī)床的組成第一章 數(shù)控機(jī)床概述*13現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)第一節(jié) 數(shù)控技術(shù)與數(shù)控機(jī)床操作面板它是操作人員與數(shù)控裝置進(jìn)行信息交流的工具。組成：按鈕站、狀態(tài)燈、按鍵陣列（功能與計算機(jī)鍵盤一樣）和顯示器；。它是數(shù)控機(jī)床特有部件。第一章 數(shù)控機(jī)床概述*14現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)*15現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)控制介質(zhì)與輸入輸出設(shè)備 程序的存儲介質(zhì)是記錄零件加工程序的媒介，如：紙帶（八單位標(biāo)準(zhǔn)穿孔紙帶）、磁帶或磁盤。輸入、輸出設(shè)備是CNC系統(tǒng)與外部設(shè)備進(jìn)行交互裝置。交互的信息通常是零件加工程序。即將編制好的記錄在控制介質(zhì)上的零件加工程序輸入CNC系統(tǒng)或?qū)⒄{(diào)試好了的零件加工程序通

8、過輸出設(shè)備存放或記錄在相應(yīng)的控制介質(zhì)上。第一章 數(shù)控機(jī)床概述*16現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)第一節(jié) 數(shù)控技術(shù)與數(shù)控機(jī)床通訊 現(xiàn)代的數(shù)控系統(tǒng)除采用輸入輸出設(shè)備進(jìn)行信息交換外，一般都具有用通訊方式進(jìn)行信息交換的能力。它們是實現(xiàn)CAD/CAM的集成、FMS和CIMS的基本技術(shù)。采用的方式有：串行通訊（RS-232等串口）、自動控制專用接口和規(guī)范(DNC方式，MAP協(xié)議等)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（internet，LAN等）。第一章 數(shù)控機(jī)床概述*17現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)第一節(jié) 數(shù)控技術(shù)與數(shù)控機(jī)床 CNC裝置(CNC單元)組成：計算機(jī)系統(tǒng)、位置控制板、PLC接口板，通訊接口板、特殊功能模塊以及相應(yīng)的控制軟件。作用：根據(jù)輸入的零件加工程序

9、進(jìn)行相應(yīng)的處理（如運動軌跡處理、機(jī)床輸入輸出處理等），然后輸出控制命令到相應(yīng)的執(zhí)行部件(伺服單元、驅(qū)動裝置和PLC等)，所有這些工作是由CNC裝置內(nèi)硬件和軟件協(xié)調(diào)配合，合理組織，使整個系統(tǒng)有條不紊地進(jìn)行工作的。CNC裝置是CNC系統(tǒng)的核心第一章 數(shù)控機(jī)床概述*18現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)第一節(jié) 數(shù)控技術(shù)與數(shù)控機(jī)床 伺服單元、驅(qū)動裝置和測量裝置 伺服單元和驅(qū)動裝置主軸伺服驅(qū)動裝置和主軸電機(jī)進(jìn)給伺服驅(qū)動裝置和進(jìn)給電機(jī) 測量裝置 位置和速度測量裝置。以實現(xiàn)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的閉環(huán)控制。 作用 保證靈敏、準(zhǔn)確地跟蹤C(jī)NC裝置指令：進(jìn)給運動指令：實現(xiàn)零件加工的成形運動（速度和位置控制）。主軸運動指令，實現(xiàn)零件加工的切削運

10、動（速度控制）第一章 數(shù)控機(jī)床概述*19現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng) 機(jī)床I/O電路和裝置 測量裝置 主軸驅(qū)動裝置 進(jìn)給驅(qū)動裝置 主軸伺服單元 進(jìn)給伺服單元 計算機(jī)數(shù) 控 裝 置 操作面板 PLC 計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng) 機(jī) 床 輔助控制機(jī)構(gòu) 進(jìn)給傳動機(jī)構(gòu) 主運動機(jī)構(gòu) 鍵盤 輸入輸出 設(shè)備 *20現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)第一節(jié) 數(shù)控技術(shù)與數(shù)控機(jī)床PLC、機(jī)床I/O電路和裝置PLC (Programmable Logic Controller)：用于完成與邏輯運算有關(guān)順序動作的I/O控制，它由硬件和軟件組成；機(jī)床I/O電路和裝置：實現(xiàn)I/O控制的執(zhí)行部件(由繼電器、電磁閥、行程開關(guān)、接觸器等組成的邏輯電路；功能：接受

11、CNC的M、S、T指令，對其進(jìn)行譯碼并轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的控制信號，控制輔助裝置完成機(jī)床相應(yīng)的開關(guān)動作接受操作面板和機(jī)床側(cè)的I/O信號，送給CNC裝置，經(jīng)其處理后，輸出指令控制CNC系統(tǒng)的工作狀態(tài)和機(jī)床的動作。第一章 數(shù)控機(jī)床概述*21現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)電控柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)西門子接觸器低壓斷路器步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動單元空氣開關(guān)開門斷電開關(guān)繼電器*22現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)電控柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)開門斷電開關(guān)NC板空氣開關(guān)步進(jìn)驅(qū)動單元西門子接觸器低壓斷路器繼電器*23現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng) 機(jī)床I/O電路和裝置 測量裝置 主軸驅(qū)動裝置 進(jìn)給驅(qū)動裝置 主軸伺服單元 進(jìn)給伺服單元 計算機(jī)數(shù) 控 裝 置 操作面板 PLC 計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng) 機(jī) 床

12、 輔助控制機(jī)構(gòu) 進(jìn)給傳動機(jī)構(gòu) 主運動機(jī)構(gòu) 鍵盤 輸入輸出 設(shè)備 *24現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)第一節(jié) 數(shù)控技術(shù)與數(shù)控機(jī)床 機(jī)床本體機(jī)床：數(shù)控機(jī)床的主體，是實現(xiàn)制造加工的執(zhí)行部件。組成：由主運動部件、進(jìn)給運動部件（工作臺、拖板以及相應(yīng)的傳動機(jī)構(gòu)）、支承件（立柱、床身等）以及特殊裝置（刀具自動交換系統(tǒng) 工件自動交換系統(tǒng)）和輔助裝置（如排屑裝置等）。第一章 數(shù)控機(jī)床概述*25現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng) 機(jī)床I/O電路和裝置 測量裝置 主軸驅(qū)動裝置 進(jìn)給驅(qū)動裝置 主軸伺服單元 進(jìn)給伺服單元 計算機(jī)數(shù) 控 裝 置 操作面板 PLC 計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng) 機(jī) 床 輔助控制機(jī)構(gòu) 進(jìn)給傳動機(jī)構(gòu) 主運動機(jī)構(gòu) 鍵盤 輸入輸出 設(shè)備

13、 *26現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)第二節(jié) 數(shù)控機(jī)床的分類數(shù)控機(jī)床的種類很多，從不同角度對其進(jìn)行考查，就有不同的分類方法，通常有以下幾種不同的分類方法：第一章 數(shù)控機(jī)床概述*27現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)第二節(jié) 數(shù)控機(jī)床的分類 按工藝用途分類切削加工類：數(shù)控鏜銑床、數(shù)控車床、數(shù)控磨床、加工中心、數(shù)控齒輪加工機(jī)床、FMC等。成型加工類：數(shù)控折彎機(jī)、數(shù)控彎管機(jī)等。特種加工類：數(shù)控線切割機(jī)、電火花加工機(jī)、激光加工機(jī)等。其它類型：數(shù)控裝配機(jī)、數(shù)控測量機(jī)、機(jī)器人等。第一章 數(shù)控機(jī)床概述*28現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)銑床*29現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)數(shù)控車床*30現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)數(shù)控車床*31現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)數(shù)控加工中心*32現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)錐度電火花線切割機(jī)床 *33

14、現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)第二節(jié) 數(shù)控機(jī)床的分類按控制功能分類點位控制數(shù)控系統(tǒng)僅能實現(xiàn)刀具相對于工件從一點到另一點的精確定位運動；對軌跡不作控制要求；運動過程中不進(jìn)行任何加工。適用范圍：數(shù)控鉆床、數(shù)控鏜床、數(shù)控沖床和數(shù)控測量機(jī)。第一章 數(shù)控機(jī)床概述*34現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)第二節(jié) 數(shù)控機(jī)床的分類直線控制數(shù)控機(jī)床除點到點的準(zhǔn)確位置之外，還要保證兩點之間移動的軌跡是直線，而且對移動的速度也要進(jìn)行控制，以便適應(yīng)隨工藝因素變化的不同需要。簡易數(shù)控車床、數(shù)控鏜銑床，一般有23個可控坐標(biāo)軸，但同時控制的坐標(biāo)軸只有一個。*35現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)第二節(jié) 數(shù)控機(jī)床的分類圖1-4 直線控制的加工原理圖*36現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)第二節(jié) 數(shù)控機(jī)床的分類

15、輪廓控制數(shù)控系統(tǒng)輪廓控制(連續(xù)控制)系統(tǒng)：具有控制幾個進(jìn)給軸同時諧調(diào)運動(坐標(biāo)聯(lián)動)，使工件相對于刀具按程序規(guī)定的軌跡和速度運動，在運動過程中進(jìn)行連續(xù)切削加工的數(shù)控系統(tǒng)。適用范圍：數(shù)控車床、數(shù)控銑床、加工中心等用于加工曲線和曲面的機(jī)床。現(xiàn)代的數(shù)控機(jī)床基本上都是裝備的這種數(shù)控系統(tǒng)。第一章 數(shù)控機(jī)床概述*37現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)第二節(jié) 數(shù)控機(jī)床的分類圖1-5 2軸控制，同時控制兩個坐標(biāo)*38現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)第二節(jié) 數(shù)控機(jī)床的分類 按聯(lián)動軸數(shù)分，2軸聯(lián)動（平面曲線）3軸聯(lián)動（空間曲面，球頭刀）4軸聯(lián)動（空間曲面）5軸聯(lián)動及6軸聯(lián)動（空間曲面） 。聯(lián)動軸數(shù)越多數(shù)控系統(tǒng)的控制算法就越復(fù)雜。第一章 數(shù)控機(jī)床概述*39

16、現(xiàn)代數(shù)控技術(shù) 3軸聯(lián)動，(3軸控制)4軸控制 圖1-6 多軸聯(lián)動數(shù)控加工的原理圖 5軸聯(lián)動加工 5軸聯(lián)動加工*40現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)第二節(jié) 數(shù)控機(jī)床的分類 按進(jìn)給伺服系統(tǒng)的類型分類按數(shù)控系統(tǒng)的進(jìn)給伺服子系統(tǒng)有無位置測量裝置可分為開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)和閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，在閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)中根據(jù)位置測量裝置安裝的位置又可分為全閉環(huán)和半閉環(huán)兩種。第一章 數(shù)控機(jī)床概述*41現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)第二節(jié) 數(shù)控機(jī)床的分類開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)沒有位置測量裝置，信號流是單向的（數(shù)控裝置進(jìn)給系統(tǒng)），故系統(tǒng)穩(wěn)定性好。第一章 數(shù)控機(jī)床概述電機(jī)機(jī)械執(zhí)行部件A相、B相C相、f、nCNC插補指令脈沖頻率f脈沖個數(shù)n換算脈沖環(huán)形分配變換功率放大*42現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)

17、第二節(jié) 數(shù)控機(jī)床的分類開環(huán)系統(tǒng)無位置反饋，精度相對閉環(huán)系統(tǒng)來講不高，其精度主要取決于伺服驅(qū)動系統(tǒng)和機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)的性能和精度。一般以功率步進(jìn)電機(jī)作為伺服驅(qū)動元件。這類系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定、調(diào)試方便、維修簡單、價格低廉等優(yōu)點，在精度和速度要求不高、驅(qū)動力矩不大的場合得到廣泛應(yīng)用。一般用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床。第一章 數(shù)控機(jī)床概述*43現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)第二節(jié) 數(shù)控機(jī)床的分類 半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點如圖所示，是從驅(qū)動裝置(常用伺服電機(jī))或絲杠引出，采樣旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行檢測，不是直接檢測運動部件的實際位置。位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動檢測與反饋單元位置控制單元速度控制單元+-電機(jī)機(jī)械執(zhí)行部

18、件CNC插補指令實際位置反饋實際速度反饋*44現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)第二節(jié) 數(shù)控機(jī)床的分類半閉環(huán)環(huán)路內(nèi)不包括或只包括少量機(jī)械傳動環(huán)節(jié)，因此可獲得穩(wěn)定的控制性能，其系統(tǒng)的穩(wěn)定性雖不如開環(huán)系統(tǒng)，但比閉環(huán)要好。由于絲杠的螺距誤差和齒輪間隙引起的運動誤差難以消除。因此，其精度較閉環(huán)差，較開環(huán)好。但可對這類誤差進(jìn)行補償，因而仍可獲得滿意的精度。半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試方便、精度也較高，因而在現(xiàn)代CNC機(jī)床中得到了廣泛應(yīng)用。第一章 數(shù)控機(jī)床概述*45現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)第二節(jié) 數(shù)控機(jī)床的分類 全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點如圖的虛線所示，直接對運動部件的實際位置進(jìn)行檢測。位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動檢測與

19、反饋單元位置控制單元速度控制單元+-電機(jī)機(jī)械執(zhí)行部件CNC插補指令實際位置反饋實際速度反饋*46現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)第二節(jié) 數(shù)控機(jī)床的分類從理論上講，可以消除整個驅(qū)動和傳動環(huán)節(jié)的誤差、間隙和失動量。具有很高的位置控制精度。 由于位置環(huán)內(nèi)的許多機(jī)械傳動環(huán)節(jié)的摩擦特性、剛性和間隙都是非線性的，故很容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，使閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計、安裝和調(diào)試都相當(dāng)困難。該系統(tǒng)主要用于精度要求很高的鏜銑床、超精車床、超精磨床以及較大型的數(shù)控機(jī)床等。*47現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)按機(jī)構(gòu)運動方式分串連數(shù)控機(jī)床（傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床）并聯(lián)數(shù)控機(jī)床混聯(lián)數(shù)控機(jī)床*48現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)北京理工大學(xué)研制的并聯(lián)機(jī)床機(jī)床加工過程*49現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)*50現(xiàn)代數(shù)控

20、技術(shù)第三節(jié) 數(shù)控加工原理 數(shù)控加工中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程圖3 數(shù)控加工中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程第一章 數(shù)控機(jī)床概述譯 碼刀補處理插補處理PLC控制進(jìn)給伺服系統(tǒng)切削運動、機(jī)床I/O裝置成形運動加工程序*51現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)第三節(jié) 數(shù)控加工原理 譯碼(解釋)譯碼程序的主要功能是將用文本格式（通常用ASCII碼）表達(dá)的零件加工程序，以程序段為單位轉(zhuǎn)換成刀補處理程序所要求的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（格式）。該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用來描述一個程序段解釋后的數(shù)據(jù)信息。它主要包括：X、Y、Z等坐標(biāo)值；進(jìn)給速度；主軸轉(zhuǎn)速；G代碼；M代碼；刀具號；子程序處理和循環(huán)調(diào)用處理等數(shù)據(jù)或標(biāo)志的存放順序和格式。第一章 數(shù)控機(jī)床概述*52現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)第三節(jié) 數(shù)控加工原理

21、刀補處理(計算刀具中心軌跡)用戶零件加工程序通常是按零件輪廓編制的，而數(shù)控機(jī)床在加工過程中控制的是刀具中心軌跡，因此在加工前必須將零件輪廓變換成刀具中心的軌跡。刀補處理就是完成這種轉(zhuǎn)換的程序。第一章 數(shù)控機(jī)床概述*53現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)第三節(jié) 數(shù)控加工原理 插補計算本模塊以系統(tǒng)規(guī)定的插補周期t定時運行，它將由各種線形（直線，園弧等）組成的零件輪廓，按程序給定的進(jìn)給速度F，實時計算出各個進(jìn)給軸在t內(nèi)位移指令（X1、Y1、），并送給進(jìn)給伺服系統(tǒng)，實現(xiàn)成形運動。 這個過程將在下面進(jìn)一步敘述。第一章 數(shù)控機(jī)床概述*54現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)第三節(jié) 數(shù)控加工原理 PLC控制PLC控制是對機(jī)床動作的“順序控制”。即以CN

22、C內(nèi)部和機(jī)床各行程開關(guān)、傳感器、按鈕、繼電器等開關(guān)量信號狀態(tài)為條件，并按預(yù)先規(guī)定的邏輯順序?qū)χT如主軸的起停、換向，刀具的更換，工件的夾緊、松開，冷卻、潤滑系統(tǒng)等的運行等進(jìn)行的控制。第一章 數(shù)控機(jī)床概述*55現(xiàn)代數(shù)控技術(shù) 數(shù)控加工軌跡控制原理 逼近處理 圖為欲加工的圓弧軌跡L， 起點為P0，終點為Pe。 CNC裝置首先對圓弧進(jìn)行 逼近處理。第三節(jié) 數(shù)控加工原理XLYLiXiYiT0P0Pe數(shù)控加工原理圖第一章 數(shù)控機(jī)床概述*56現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)第三節(jié) 數(shù)控加工原理系統(tǒng)按插補時間t和進(jìn)給速度F的要求，將 L分割成若干短直線 L1，L2，Li， 這里： Li = Ft （i=1，2，） F：用戶給定的進(jìn)

23、給速度t：數(shù)控系統(tǒng)插補周期XLYLiXiYiT0P0Pe數(shù)控加工原理圖*57現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)第三節(jié) 數(shù)控加工原理用直線Li逼近圓弧存在著逼近誤差，但只要足夠小（Li足夠短），總能滿足零件的加工要求。當(dāng)F為常數(shù)時，而t對數(shù)控系統(tǒng)而言恒為常數(shù)，則Li的長度也為常數(shù)L，只是其斜率與其在L上的位置有關(guān)。XLYLiXiYiT0P0Pe數(shù)控加工原理圖*58現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)第三節(jié) 數(shù)控加工原理 插補運算將Li分解為X 軸及Y 軸移動分量Xi和Yi（在ti時間內(nèi)），要求滿足： 且有：Fx = Xi / ti Fy = Yi / tiLi 的斜率和F 的分量Fx、Fy以及比值Fx /Fy都在不斷變化。XLYLiXiYi

24、T0P0Pe數(shù)控加工原理圖*59現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)第三節(jié) 數(shù)控加工原理指令輸出將計算出ti 在時間內(nèi)的和作為指令輸出給Y軸，以控制它們聯(lián)動。即： Xi X 軸； Yi Y 軸只要能連續(xù)自動地控制X，Y 兩個進(jìn)給軸在ti時間內(nèi)移動量，就可以實現(xiàn)曲線輪廓零件的加工。第一章 數(shù)控機(jī)床概述*60現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)第四節(jié) 數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用范圍 數(shù)控機(jī)床的確具有普通機(jī)床所不具備的許多優(yōu)點。而且它的應(yīng)用范圍還在不斷擴(kuò)大，但是在目前還不能完全取代普通機(jī)床，也就是說，它不能以最經(jīng)濟(jì)的方式來解決加工制造中所有問題。為了更好地說明這個問題，有必要先初步了解一下采用數(shù)控機(jī)床加工的優(yōu)缺點。*61現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)第四節(jié) 數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用范圍

25、 數(shù)控加工的優(yōu)點自動化程度高，可以減輕工人的體力勞動強(qiáng)度 加工的零件一致性好，質(zhì)量穩(wěn)定 生產(chǎn)效率較高便于產(chǎn)品研制 便于實現(xiàn)計算機(jī)輔助制造 。第一章 數(shù)控機(jī)床概述*62現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)第四節(jié) 數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用范圍 數(shù)控加工的缺點任何事物都是兩重性。數(shù)控加工雖有上 述各種優(yōu)點，同時在某些方面也存在不足之處：單位加工成本較高 。只適宜于多品種小批量或中批量生產(chǎn)（占機(jī)械加工總量70%80%）加工中的調(diào)整相對復(fù)雜 維修難度大第一章 數(shù)控機(jī)床概述*63現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)第四節(jié) 數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用范圍 數(shù)控加工的適應(yīng)性根據(jù)數(shù)控加工的優(yōu)缺點及國內(nèi)外大量應(yīng)用實踐，一般可按適應(yīng)程度將零件分為下列三類：最適應(yīng)類 對于下述零件，首先

26、應(yīng)考慮能不能把它們加工出來，即要著重考慮可能性問題。只要有可能，可先不要過多地去考慮生產(chǎn)率與經(jīng)濟(jì)上是否合理，都應(yīng)把對其進(jìn)行數(shù)控加工作為優(yōu)選方案。第一章 數(shù)控機(jī)床概述*64現(xiàn)代數(shù)控技術(shù) 形狀復(fù)雜：加工精度要求高，用通用機(jī)床無法加工或雖然能加工但很難保證產(chǎn)品質(zhì)量的零件； 用數(shù)學(xué)模型描述的復(fù)雜曲線或曲面輪廓零件； 具有難測量、難控制進(jìn)給、難控制尺寸的不開敞內(nèi)腔的殼體或盒型零件； 必須在一次裝夾中合并完成銑、鏜、锪、鉸或攻絲等多工序的零件。*65現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)第四節(jié) 數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用范圍較適應(yīng)類 這類零件在分析其可加工性以后，還要在提高生產(chǎn)率及經(jīng)濟(jì)效益方面作全面衡量，一般可把它們作為數(shù)控加工的主要選擇對象

27、。1在通用機(jī)床上加工時極易受人為因素（如：情緒波動、體力強(qiáng)弱、技術(shù)水平高低等）干擾，零件價值又高，一旦質(zhì)量失控便造成重大經(jīng)濟(jì)損失的零件；第一章 數(shù)控機(jī)床概述*66現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)第四節(jié) 數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用范圍2.在通用機(jī)床上加工時必須制造復(fù)雜專用工裝的零件；3.需要多次更改設(shè)計后才能定型的零件；4.在通用機(jī)床上加工需要作長時間調(diào)整的零件；5.用通用機(jī)床加工時，生產(chǎn)率很低或體力勞動強(qiáng)度很大的零件。 第一章 數(shù)控機(jī)床概述*67現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)第四節(jié) 數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用范圍 不適應(yīng)類 下述一類零件采用數(shù)控加工后，在生產(chǎn)效率與經(jīng)濟(jì)性方面一般無明顯改善，還可能弄巧成拙或得不償失，故此類零件一般不應(yīng)作為數(shù)控加工的選擇對象

28、。 第一章 數(shù)控機(jī)床概述*68現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)第四節(jié) 數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用范圍裝夾困難或完全靠找正定位來保證加工精度的零件；加工余量很不穩(wěn)定，且數(shù)控機(jī)床上無在線檢測系統(tǒng)可自動調(diào)整零件坐標(biāo)位置的；生產(chǎn)批量大的零件（當(dāng)然不排除其中個別工序用數(shù)控機(jī)床加工）；必須用特定的工藝裝備協(xié)調(diào)加工的零件。第一章 數(shù)控機(jī)床概述*69現(xiàn)代數(shù)控技術(shù) 根據(jù)上述數(shù)控加工的適應(yīng)性，我們就可以根據(jù)所擁有的數(shù)控機(jī)床來選擇加工對象，或根據(jù)零件類型來考慮哪些應(yīng)該先安排數(shù)控加工，或從技術(shù)改造角度考慮，是否要投資添置數(shù)控機(jī)床。第四節(jié) 數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用范圍第一章 數(shù)控機(jī)床概述*70現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)第五節(jié) 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展動向 發(fā)展趨勢進(jìn)入九十年代以來，隨

29、著國際上計算機(jī)技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，數(shù)控技術(shù)不斷采用計算機(jī)、控制理論等領(lǐng)域的最新技術(shù)成就，使其朝著下述方向發(fā)展運行高速化加工高精化功能復(fù)合化控制智能化體系開放化驅(qū)動并聯(lián)化交互網(wǎng)絡(luò)化第一章 數(shù)控機(jī)床概述*71現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)第五節(jié) 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展動向 運行高速化、加工高精化 速度和精度是數(shù)控設(shè)備的兩個重要指標(biāo)，它們是數(shù)控技術(shù)永恒追求的目標(biāo)。因為它直接關(guān)系到加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量。新一代數(shù)控設(shè)備在運行高速化、加工高精化等方面都有了更高的要求。第一章 數(shù)控機(jī)床概述*72現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)第五節(jié) 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展動向運行高速化：使進(jìn)給率、主軸轉(zhuǎn)速、刀具交換速度、托盤交換速度實現(xiàn)高速化，并且具有高加（減）速率。 進(jìn)給率高

30、速化：在分辨率為1m時，F(xiàn)max=240m/min。在Fmax下可獲得復(fù)雜型面的精確加工；在程序段長度為1mm時，F(xiàn)max=30m/min，并且具有1.5g的加減速率；第一章 數(shù)控機(jī)床概述*73現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)第五節(jié) 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展動向主軸高速化：采用電主軸（內(nèi)裝式主軸電機(jī)），即主軸電機(jī)的轉(zhuǎn)子軸就是主軸部件。主軸最高轉(zhuǎn)速達(dá)200000r/min。主軸轉(zhuǎn)速的最高加（減）速為1.0g ，即僅需1.8秒即可從0提速到15000r/min。換刀速度 0.9秒（刀到刀）2.8秒（切削到切削）工作臺（托盤）交換速度 6.3秒。第一章 數(shù)控機(jī)床概述*74現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)第五節(jié) 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展動向加工高精化：提高機(jī)械

31、設(shè)備的制造和裝配精度；提高數(shù)控系統(tǒng)的控制精度；采用誤差補償技術(shù)。 提高CNC系統(tǒng)控制精度：采用高速插補技術(shù)，以微小程序段實現(xiàn)連續(xù)進(jìn)給，使CNC控制單位精細(xì)化，采用高分辨率位置檢測裝置，提高位置檢測精度（日本交流伺服電機(jī)已有裝上106 脈沖/轉(zhuǎn)的內(nèi)藏位置檢測器，其位置檢測精度能達(dá)到0.01m/脈沖）；位置伺服系統(tǒng)采用前饋控制與非線性控制等方法。第一章 數(shù)控機(jī)床概述*75現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)第五節(jié) 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展動向采用誤差補償技術(shù)：采用反向間隙補償、絲桿螺距誤差補償和刀具誤差補償?shù)燃夹g(shù);設(shè)備的熱變形誤差補償和空間誤差的綜合補償技術(shù)。研究結(jié)果表明，綜合誤差補償技術(shù)的應(yīng)用可將加工誤差減少6080。三井精機(jī)的

32、JidicH5D型超精密臥式加工中心的定位精度為0.1m。*76現(xiàn)代數(shù)控技術(shù) 由于計算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，促進(jìn)了數(shù)控技術(shù)水平的提高，數(shù)控裝置、進(jìn)給伺服驅(qū)動裝置和主軸伺服驅(qū)動裝置的性能也隨之提高，使得現(xiàn)代的數(shù)控設(shè)備在新的技術(shù)水平下，可同時具備運行高速化、加工高精化的性能。第五節(jié) 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展動向第一章 數(shù)控機(jī)床概述*77現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)第五節(jié) 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展動向功能復(fù)合化 復(fù)合化是指在一臺設(shè)備能實現(xiàn)多種工藝手段加工的方法。鏜銑鉆復(fù)合加工中心（ATC）、五面加工中心（ATC，主軸立臥轉(zhuǎn)換）；車銑復(fù)合車削中心（ATC，動力刀頭）；銑鏜鉆車復(fù)合復(fù)合加工中心（ATC，可自動裝卸車刀架）；銑鏜鉆磨復(fù)合復(fù)合加工

33、中心（ATC，動力磨頭）；可更換主軸箱的數(shù)控機(jī)床組合加工中心；*78現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)第五節(jié) 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展動向 控制智能化 隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，并為滿足制造業(yè)生產(chǎn)柔性化、制造自動化發(fā)展需求，數(shù)控技術(shù)智能化程度不斷提高，具體體現(xiàn)在以下幾個方面：第一章 數(shù)控機(jī)床概述*79現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)第五節(jié) 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展動向 加工過程自適應(yīng)控制技術(shù) 通過監(jiān)測加工過程中的切削力、主軸和進(jìn)給電機(jī)的功率、電流、電壓等信息，利用傳統(tǒng)的或現(xiàn)代的算法進(jìn)行識別，以辯識出刀具的受力、磨損以及破損狀態(tài)，機(jī)床加工的穩(wěn)定性狀態(tài)；并根據(jù)這些狀態(tài)實時修調(diào)加工參數(shù)（主軸轉(zhuǎn)速，進(jìn)給速度）和加工指令，使設(shè)備處于最佳運行狀態(tài)，以提高加工精度、

34、降低工件表面粗糙度以及設(shè)備運行的安全性。*80現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)第五節(jié) 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展動向Mitsubishi Electric 公司的用于數(shù)控電火花成型機(jī)床的“Miracle Fuzzy” 基于模糊邏輯的自適應(yīng)控制器，可自動控制和優(yōu)化加工參數(shù)；日本牧野在電火花NC系統(tǒng)Makino_Mce20中，用專家系統(tǒng)代替人進(jìn)行加工過程監(jiān)控。以色列的外置式力自適應(yīng)控制器意大利Mandelli公司數(shù)控系統(tǒng)的可編程功率自適應(yīng)控制功能。*81現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)第五節(jié) 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展動向加工參數(shù)的智能優(yōu)化與選擇 將工藝專家或技工的經(jīng)驗、零件加工的一般與特殊規(guī)律，用現(xiàn)代智能方法，構(gòu)造基于專家系統(tǒng)或基于模型的“加工參數(shù)的智能優(yōu)化

35、與選擇器”，利用它獲得優(yōu)化的加工參數(shù)，從而達(dá)到提高編程效率和加工工藝水平，縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備時間的目的。采用經(jīng)過優(yōu)化的加工參數(shù)編制的加工程序，可使加工系統(tǒng)始終處于較合理和較經(jīng)濟(jì)的工作狀態(tài)。*82現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)第五節(jié) 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展動向目前已開發(fā)出帶自學(xué)習(xí)功能的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電火花加工專家系統(tǒng)。日本大隈公司的7000系列數(shù)控系統(tǒng)帶有人工智能式自動編程功能。國內(nèi)清華在加工參數(shù)的智能優(yōu)化與選擇及CAPP方面的研究也取得了一些成果。但有待進(jìn)行實用化開發(fā)。第一章 數(shù)控機(jī)床概述*83現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)第五節(jié) 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展動向 智能故障診斷與自修復(fù)技術(shù) 智能故障診斷技術(shù)：根據(jù)已有的故障信息，應(yīng)用現(xiàn)代智能方法（AI、ES、AN

36、N等），實現(xiàn)故障快速準(zhǔn)確定位的技術(shù)。智能故障自修復(fù)技術(shù)：指能根據(jù)診斷確定故障原因和部位，以自動排除故障或指導(dǎo)故障的排除技術(shù)。智能自修復(fù)技術(shù)集故障自診斷、故障自排除、自恢復(fù)、自調(diào)節(jié)于一體，并貫穿于加工過程的整個生命周期。智能故障診斷技術(shù)在有些日本、美國公司生產(chǎn)的數(shù)控系統(tǒng)中已有應(yīng)用，基本上都是應(yīng)用專家系統(tǒng)實現(xiàn)的。智能化自修復(fù)技術(shù)還在研究之中。*84現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)第五節(jié) 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展動向 智能化交流伺服驅(qū)動裝置 目前已開始研究能自動識別負(fù)載，并自動調(diào)整參數(shù)的智能化伺服系統(tǒng)，包括智能主軸交流驅(qū)動裝置和智能化進(jìn)給伺服裝置。這種驅(qū)動裝置能自動識別電機(jī)及負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量，并自動對控制系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，使

37、驅(qū)動系統(tǒng)獲得最佳運行。*85現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)第五節(jié) 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展動向 智能4M數(shù)控系統(tǒng) 在制造過程中，加工、檢測一體化是實現(xiàn)快速制造、快速檢測和快速響應(yīng)的有效途徑，將測量(Measurement)、建模(Modelling)、加工(Manufacturing)、機(jī)器操作(Manipulator)四者（即4M）融合在一個系統(tǒng)中，實現(xiàn)信息共享，促進(jìn)測量、建模、加工、裝夾、操作一體化的4M智能系統(tǒng)。*86現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)第五節(jié) 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展動向 體系開放化定義（IEEE）：具有在不同的工作平臺上均能實現(xiàn)系統(tǒng)功能、且可以與其他的系統(tǒng)應(yīng)用進(jìn)行互操作的系統(tǒng)。開放式數(shù)控系統(tǒng)特點：系統(tǒng)構(gòu)件（軟件和硬件）具有標(biāo)準(zhǔn)化(Standardization)與多樣化( Diversification)和互換性(Interchangeability)的特征允許通過對構(gòu)件的增減來構(gòu)造系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)“積木式”的集成。構(gòu)造應(yīng)該是可移植的和透明的；*87現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)第五節(jié) 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展動向開放體系結(jié)構(gòu)CNC的優(yōu)點向未來技術(shù)開放：由于軟硬件接口都遵循公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，只需少量的重新設(shè)計和調(diào)整，新一代的通用軟硬件資源就可能被現(xiàn)有系統(tǒng)所采納、吸收和兼容，這就意味著系統(tǒng)的開發(fā)費用將大大降低而系統(tǒng)性能與可靠性將不斷改善并處于長生命周期；標(biāo)準(zhǔn)化的