數(shù)控課件第01章數(shù)控機(jī)床基本知識

1、數(shù)控課件第01章數(shù)控機(jī)床基本知識隨著社會生產(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)隨著社會生產(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，或調(diào)整設(shè)備，普通機(jī)床或?qū)I(yè)化程度高的自動化機(jī)床顯然無法適應(yīng)這些要求。同時，隨著市場普通機(jī)床或?qū)I(yè)化程度高

2、的自動化機(jī)床顯然無法適應(yīng)這些要求。同時，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)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。成本。 一種新型的生產(chǎn)設(shè)備一種新型的生產(chǎn)設(shè)備數(shù)控機(jī)床就應(yīng)運(yùn)而生了數(shù)控機(jī)床就應(yīng)運(yùn)而生了 。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（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）合作，于1952年試制成功世界上年試制成

3、功世界上第一臺數(shù)控機(jī)床試驗(yàn)性樣機(jī)。第一臺數(shù)控機(jī)床試驗(yàn)性樣機(jī)。 1959年，美國克耐年，美國克耐杜列克公司（杜列克公司（Keaney & Trecker）首次）首次成功開發(fā)了加工中心（成功開發(fā)了加工中心（Machining Center） 。第第1代數(shù)控機(jī)床：代數(shù)控機(jī)床：1952年年1959年采用電子管元件構(gòu)成的專用數(shù)控裝置（年采用電子管元件構(gòu)成的專用數(shù)控裝置（NC）。）。第第2代數(shù)控機(jī)床：從代數(shù)控機(jī)床：從1959年開始采用晶體管電路的年開始采用晶體管電路的NC系統(tǒng)。系統(tǒng)。第第3代數(shù)控機(jī)床：從代數(shù)控機(jī)床：從1965年開始采用小、中規(guī)模集成電路的年開始采用小、中規(guī)模集成電路的NC系統(tǒng)。系統(tǒng)

4、。第第4代數(shù)控機(jī)床：從代數(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算機(jī)控制年開始采用大規(guī)模集成電路的小型通用電子計算機(jī)控制的系統(tǒng)（的系統(tǒng)（CNC）。）。第第5代數(shù)控機(jī)床：從代數(shù)控機(jī)床：從1974年開始采用微型計算機(jī)控制的系統(tǒng)（年開始采用微型計算機(jī)控制的系統(tǒng)（MNC）。）。 所謂計算機(jī)直接數(shù)控（所謂計算機(jī)直接數(shù)控（Direct Numerical Control，DNC）系統(tǒng)，即使用一臺計算）系統(tǒng)，即使用一臺計算機(jī)為數(shù)臺數(shù)控機(jī)床進(jìn)行自動編程，編程結(jié)果直接通過數(shù)據(jù)線輸送到各臺數(shù)控機(jī)床的控制箱。機(jī)為數(shù)臺數(shù)控機(jī)床進(jìn)行自動編程，編程結(jié)果直接通過數(shù)據(jù)線輸送到各臺數(shù)控機(jī)床的控制箱。 柔性制

5、造系統(tǒng)（柔性制造系統(tǒng)（Flexible Manufacturing System，F(xiàn)MS）也叫做計算機(jī)群控自動）也叫做計算機(jī)群控自動線，它是將一群數(shù)控機(jī)床用自動傳送系統(tǒng)連接起來，并置于一臺計算機(jī)的統(tǒng)一控制之下，線，它是將一群數(shù)控機(jī)床用自動傳送系統(tǒng)連接起來，并置于一臺計算機(jī)的統(tǒng)一控制之下，形成一個用于制造的整體。形成一個用于制造的整體。 計算機(jī)集成制造系統(tǒng)（計算機(jī)集成制造系統(tǒng)（Computer-Integrated Manufacturing System，CIMS），），是指用最先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)，控制從定貨、設(shè)計、工藝、制造到銷售的全過程，以實(shí)現(xiàn)信是指用最先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)，控制從定貨、設(shè)計、工

6、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)。息系統(tǒng)一體化的高效率的柔性集成制造系統(tǒng)。 1958年開始并試制成功第一臺電子管數(shù)控機(jī)床。年開始并試制成功第一臺電子管數(shù)控機(jī)床。1965年開始研制晶體管數(shù)控系統(tǒng)，年開始研制晶體管數(shù)控系統(tǒng)，直到直到20世紀(jì)世紀(jì)60年代末至年代末至70年代初成功。從年代初成功。從20世紀(jì)世紀(jì)80年代開始，先后從日本、美國、德國等年代開始，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)公司引進(jìn)FANUC3、FANUC5、FANUC6、FANUC7系列產(chǎn)品的制造

7、技術(shù)；上海機(jī)床研究所引進(jìn)美國系列產(chǎn)品的制造技術(shù)；上海機(jī)床研究所引進(jìn)美國GE公司的公司的MTC-1數(shù)數(shù)控系統(tǒng)等?？叵到y(tǒng)等。 從數(shù)控機(jī)床技術(shù)水平看，高精度、高速度、高柔性、多功能和高自動化是數(shù)控機(jī)從數(shù)控機(jī)床技術(shù)水平看，高精度、高速度、高柔性、多功能和高自動化是數(shù)控機(jī)床的重要發(fā)展趨勢。床的重要發(fā)展趨勢。 數(shù)控系統(tǒng)都采用了數(shù)控系統(tǒng)都采用了16位和位和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)，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)大到內(nèi)存容量擴(kuò)大到1MB以上，機(jī)床分辨率可達(dá)以上，機(jī)床分辨率可達(dá)0.1 m，高速進(jìn)給可達(dá)，高速進(jìn)給可達(dá)100m/min，控制軸數(shù)可，控制軸數(shù)可達(dá)達(dá)16

8、個。個。數(shù)控機(jī)床工作時，不需要操作工人直接操縱機(jī)床，但機(jī)床又必須執(zhí)行人的數(shù)控機(jī)床工作時，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)。質(zhì)。 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)。它能自動閱讀輸入載體上事數(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

9、器和輸出裝置制器、運(yùn)算器和輸出裝置4大部分組成大部分組成 。伺服系統(tǒng)由伺服驅(qū)動電動機(jī)和伺服驅(qū)動裝置組成，它是數(shù)控系統(tǒng)的執(zhí)行部分。伺伺服系統(tǒng)由伺服驅(qū)動電動機(jī)和伺服驅(qū)動裝置組成，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機(jī)床的移動部件運(yùn)動或使執(zhí)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機(jī)床的移動部件運(yùn)動或使執(zhí)行部分動作，以加工出符合要求的工件。每一個脈沖使機(jī)床移動部件產(chǎn)生的位移量叫做脈行部分動作，以加工出符合要求的工件。每一個脈沖使機(jī)床移動部件產(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.

10、001mm/脈沖。脈沖。 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。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。 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)動部件機(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)動部件（如工作臺、床鞍、主軸等）所組成。（如工作臺、床鞍、主軸等）所組成。 步進(jìn)電動機(jī)通常用于開環(huán)伺服系統(tǒng)機(jī)床。步進(jìn)電動機(jī)通常用于開環(huán)伺服系統(tǒng)機(jī)床。 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)展帶動了交流驅(qū)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)展帶動了交流驅(qū)動電源的發(fā)展，使

11、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)正逐動電源的發(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)。步取代直流速度控制系統(tǒng)。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(zhuǎn)換成數(shù)字送回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(zhuǎn)換成數(shù)字送回計算機(jī)，和脈沖指令信號相比較，以控制驅(qū)動元件正確運(yùn)轉(zhuǎn)。計算機(jī)，和脈沖指令信號相比較，以控制驅(qū)動元件正確運(yùn)轉(zhuǎn)。 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

12、長度測量，后者用于角度測量。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，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)?？蓽y量長距離位置，成本低，易于批量生產(chǎn)。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)動方向垂直的條紋，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)動方向垂直的條紋，條紋之間的距離成為柵距。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，響光柵測量裝置是一種非接觸式測量，利用

13、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。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。磁柵是用電磁的方法計算磁波數(shù)目的一種位置檢測元件，磁柵測量裝置由磁性標(biāo)磁柵是用電磁的方法計算磁波數(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。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3 m），安），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。裝使用方便，對環(huán)境條件要求較低，若磁性標(biāo)尺膨

14、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，因而有磨損，使用壽命受到一定的限制。一般使用由于磁頭與磁柵為有接觸的相對運(yùn)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(dá)到壽命可達(dá)到5年，涂上保護(hù)膜后壽命則可進(jìn)一步延長。年，涂上保護(hù)膜后壽命則可進(jìn)一步延長。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。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、

15、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大、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。壽命長、體積小、不用維修以及輸出信號大、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。 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。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。 測速發(fā)電機(jī)是速度反饋元件，相當(dāng)于一臺永磁式直流電動機(jī)。測速發(fā)電機(jī)是速度反饋元件，相當(dāng)于一臺永磁式直流電動機(jī)。 滾珠絲杠螺母副是回轉(zhuǎn)運(yùn)動與直線運(yùn)動相互轉(zhuǎn)換的新型理想傳動裝置。滾珠絲杠螺母副是回轉(zhuǎn)運(yùn)動與直線運(yùn)動相互轉(zhuǎn)換的新型理想傳動裝置。 具有如下優(yōu)點(diǎn)。具有如下優(yōu)點(diǎn)。（1）傳動效率高。）傳動

16、效率高。（2）摩擦力小。）摩擦力小。（3）使用壽命長。）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。）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)動時無空行程，可以提高軸向運(yùn)動精度。）反向運(yùn)動時無空行程，可以提高軸向運(yùn)動精度。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。一般情況是已知數(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。一般情況是已知運(yùn)動軌跡的起點(diǎn)坐標(biāo)、終點(diǎn)坐標(biāo)和曲線方程，由數(shù)控系統(tǒng)實(shí)時地算出各個中間點(diǎn)的坐標(biāo)。運(yùn)動軌跡的起點(diǎn)坐標(biāo)、終點(diǎn)坐標(biāo)和曲線方程，由數(shù)控系統(tǒng)實(shí)時地算出各個中間點(diǎn)的坐標(biāo)。即需要即需要“插入、補(bǔ)上插入、補(bǔ)上”運(yùn)動軌跡各個中間

17、點(diǎn)的坐標(biāo)，通常這個過程就稱為運(yùn)動軌跡各個中間點(diǎn)的坐標(biāo)，通常這個過程就稱為“插補(bǔ)插補(bǔ)”。 定義直線插補(bǔ)的偏差判別式如下：定義直線插補(bǔ)的偏差判別式如下：Fm=ymxe xmye 一種方法是設(shè)置一種方法是設(shè)置x、y兩個減法計數(shù)器。兩個減法計數(shù)器。另一種方法是設(shè)置一個終點(diǎn)計數(shù)器另一種方法是設(shè)置一個終點(diǎn)計數(shù)器 。第三種方法是選終點(diǎn)坐標(biāo)值較大的坐標(biāo)作為計數(shù)坐標(biāo)。第三種方法是選終點(diǎn)坐標(biāo)值較大的坐標(biāo)作為計數(shù)坐標(biāo)。 偏差判斷偏差判斷坐標(biāo)進(jìn)給坐標(biāo)進(jìn)給偏差計算偏差計算終點(diǎn)判別終點(diǎn)判別 定義圓弧偏差判別式如下：定義圓弧偏差判別式如下： Fm=Rm2 R2= xm2+ym2 R2 新加工點(diǎn)新加工點(diǎn)m+1點(diǎn)的偏差為點(diǎn)的偏

18、差為Fm 2 xm+1 新加工點(diǎn)的偏差值為新加工點(diǎn)的偏差值為Fm+2ym+1 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。應(yīng)的數(shù)控裝置稱為點(diǎn)位控制數(shù)控裝置。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?？刂蒲b置。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。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。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)動元件一般為步進(jìn)電動機(jī)。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)動元件一般為步進(jìn)電動機(jī)。 閉環(huán)進(jìn)給控制系統(tǒng)帶有位置檢測元件，隨時可以檢測出工作臺的實(shí)際位移，并閉環(huán)進(jìn)給控制系統(tǒng)帶有