數(shù)控機床技術課件

概述第一章1概述第一章1概述1.1數(shù)控機床控制系統(tǒng)的構成1.2現(xiàn)代控制技術及發(fā)展

2概述1.1數(shù)控機床控制系統(tǒng)的構成2概述1.1數(shù)控機床控制系統(tǒng)的構成1.1.1數(shù)控技術數(shù)字控制（NumericalControl）技術，簡稱數(shù)控（NC）技術，是指用數(shù)字指令來控制機器的動作。數(shù)控技術是采用數(shù)字代碼形式的信息，按給定的工作程序、運動速度和軌跡，對被控制的對象進行自動操作的一種技術。如果一種設備的控制過程是以數(shù)字形式來描繪的，其工作過程是可編程序的，并能在程序控制下自動地進行，那么這種設備就稱為數(shù)控設備。3概述1.1數(shù)控機床控制系統(tǒng)的構成3概述1.1.2數(shù)控設備的組成數(shù)控設備是由數(shù)控系統(tǒng)和被控對象組成。但從組成一臺完整的數(shù)控機床上講，一般由控制介質、數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、強電控制柜、機床本體和各類輔助裝置組成，其框圖如圖1-1所示。4概述1.1.2數(shù)控設備的組成4概述（一）控制介質控制介質又稱信息載體，是人與數(shù)控機床之間的媒介物質，反映了數(shù)控加工中全部信息?？刂平橘|有多種形式，它隨著數(shù)控裝置的類型不同而不同，常用的有穿孔紙帶、穿孔卡、磁帶、磁盤等。還有的采用數(shù)碼撥盤、數(shù)碼插銷或利用鍵盤直接將程序及數(shù)據(jù)輸入。另外，隨著CAD/CAM技術的發(fā)展，有些數(shù)控設備利用CAD/CAM軟件在其計算機上編程，然后通過計算機與數(shù)控系統(tǒng)通信，將程序和數(shù)據(jù)直接傳送給數(shù)控裝置。5概述（一）控制介質5概述（二）數(shù)控裝置數(shù)控裝置是數(shù)控系統(tǒng)的核心?，F(xiàn)代的數(shù)控裝置普遍采用通用計算機作為數(shù)控裝置的主要硬件，包括微型機系統(tǒng)的基本組成部分，CPU、存儲器、局部總線以及輸入輸出接口等；軟件部分就是我們所說的數(shù)控系統(tǒng)軟件。數(shù)控裝置的基本功能是，讀入零件加工程序，根據(jù)加工程序所指定零件形狀，計算出刀具中心的移動軌跡，并按照程序指定的進給速度，求出每個微小的時間段（插補周期）內刀具應該移動的距離，在每個時間段結束前，把下一個時間段內刀具應該移動的距離送給伺服單元。6概述（二）數(shù)控裝置6概述（三）伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)是數(shù)控機床的執(zhí)行結構，是數(shù)控系統(tǒng)和機床本體之間的電氣聯(lián)系環(huán)節(jié)。主要由伺服電動機、驅動控制系統(tǒng)和位置檢測與反饋裝置等組成。伺服電動機是系統(tǒng)的執(zhí)行元件，驅動控制系統(tǒng)則是伺服電動機的動力源。數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的指令信號與位置反饋信號比較后作為位移指令，再經過驅動控制系統(tǒng)的功率放大后，驅動電動機運轉，通過機械傳動裝置拖動工作臺或刀架運動。7概述（三）伺服系統(tǒng)7概述（四）強電控制柜強電控制柜主要用來安裝機床強電控制的各種電氣元件，除了提供數(shù)控、伺服等一類弱電控制系統(tǒng)的輸入電源，以及各種短路、過載、欠壓等電氣保護外，主要在PLC的輸出接口與機床各類輔助裝置的電氣執(zhí)行元件之間起連接作用，控制機床輔助裝置如各種交流電動機、液壓系統(tǒng)電磁閥或電磁離合器等。8概述（四）強電控制柜8概述9概述9概述（五）輔助裝置輔助裝置主要包括自動換刀裝置ATC（AutomaticToolChanger）自動交換工作臺機構APC（AutomaticPalletCh-anger）、工件夾緊放松機構、回轉工作臺、液壓控制系統(tǒng)、潤滑裝置、切削液控制裝置、排屑裝置、過載和保護裝置等。（六）機床本體數(shù)控機床的本體是指機械結構實體?？梢栽谄胀C床的基礎上改裝，也可以單獨設計。與傳統(tǒng)的普通機床相比較，數(shù)控機床的機械部分具有以下一些特點：10概述（五）輔助裝置10概述（1）數(shù)控機床采用了高性能的主軸及伺服傳動系統(tǒng)，機械傳動結構簡化，傳動鏈較短，傳動精度高等特點。（2）數(shù)控機床機械結構具有較高的剛度，阻尼精度及耐磨性，熱變形小。（3）更多地采用高效傳動部件，一般采用滾珠絲杠副、直線滾動導軌副或塑料涂層導軌等。具有完善的刀具自動交換及管理系統(tǒng)。11概述（1）數(shù)控機床采用了高性能的主軸及伺服傳動系統(tǒng)，機概述（七）位置檢測裝置位置檢測裝置也稱反饋元件，通常安裝在機床的工作臺上或絲杠上，用來檢測工作臺的實際位移或絲杠的實際轉角。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中這個實際位移或轉角有的要反饋給數(shù)控裝置，由數(shù)控裝置計算出實際位置和指令位置之間的差值，并根據(jù)這個差值的方向和大小，去控制機床，使之朝著減小誤差的方向移動。位置檢測裝置的精度直接決定了數(shù)控機床的加工精度。12概述（七）位置檢測裝置12概述1.1.3數(shù)控機床控制系統(tǒng)的構成數(shù)控機床進行加工時，首先必須將工件的幾何數(shù)據(jù)和工藝數(shù)據(jù)按規(guī)定的代碼和格式編制成數(shù)控加工程序，并用適當?shù)姆椒▽⒓庸こ绦蜉斎霐?shù)控系統(tǒng)。數(shù)控系統(tǒng)對輸入的加工程序進行數(shù)據(jù)處理，輸出各種信息和指令，控制機床各部分按規(guī)定有序地動作。這些信息和指令最基本的包括：各坐標軸的進給速度、進給方向和進給位移量，各狀態(tài)控制的I/O信號等。13概述1.1.3數(shù)控機床控制系統(tǒng)的構成13概述伺服系統(tǒng)的作用就是將進給位移量等信息轉換成機床的進給運動，數(shù)控系統(tǒng)要求伺服系統(tǒng)正確、快速地跟隨控制信息，執(zhí)行機械運動，同時，位置反饋系統(tǒng)將機械運動的實際位移信息反饋至數(shù)控系統(tǒng)，以保證位置控制精度。總之，數(shù)控機床的運行在數(shù)控系統(tǒng)的控制下，處于不斷地計算、輸出、反饋等控制過程中，從而保證刀具和工件之間相對位置的準確性。與其他加工方法相比，數(shù)控機床有以下優(yōu)點：14概述伺服系統(tǒng)的作用就是將進給位移量等信息轉換成機床的概述（1）數(shù)控系統(tǒng)取代了普通機床的手工操縱，具有充分的柔性，只要編制成零件程序就能加工出零件。（2）零件加工精度一致性好，避免了普通機床加工時人為因素的影響。（3）生產周期較短，特別適合小批量、單件的加工。（4）可加工復雜形狀的零件，如二維輪廓或三維輪廓加工。（5）易于調整機床，與其他制造方法（如自動機床、自動生產線）相比，所需調整時間較少。15概述（1）數(shù)控系統(tǒng)取代了普通機床的手工操縱，具有充分的概述從數(shù)控機床最終要完成的任務看，主要有以下三個方面內容：1.主軸運動主軸運動和普通車床一樣，主運動主要完成切削任務，其動力約占整臺機床動力的70～80％?；究刂剖侵鬏S的正、反轉和停止，可自動換檔及無級調速；對加工中心和有些數(shù)控車床還必須具有定向控制和C軸控制。16概述從數(shù)控機床最終要完成的任務看，主要有以下三個方面概述2.進給運動這是數(shù)控機床區(qū)別于普通車床最根本的地方，即用電氣驅動替代了機械驅動，數(shù)控機床的進給運動是由進給伺服系統(tǒng)完成的。伺服系統(tǒng)包括伺服驅動裝置、伺服電動機、進給傳動鏈及位置檢測裝置，如圖1-3所示。伺服控制的最終目的就是機床工作臺或刀具的位置控制，伺服系統(tǒng)中所采取的一切措施，都是為了保證進給運動的位置精度。如對機械傳動鏈進行預緊和反向間隙調整；采用高精度的位置檢測裝置；采用高性能的伺服驅動裝置和伺服電動機，提高數(shù)控系統(tǒng)的運算速度等。17概述2.進給運動17概述18概述18概述3.輸入/輸出(I/O)數(shù)控系統(tǒng)對加工程序處理后輸出的控制信號除了對進給運行軌跡進行連續(xù)控制外，還要對機床的各種狀態(tài)進行控制，這些狀態(tài)包括主軸的變速控制，主軸的正、反轉及停止，冷卻和潤滑裝置的起動和停止，刀具的自動交換，工件夾緊和放松及分度工作臺轉位等。例如，通過對機床程序中的M指令、機床的操作面板上的控制開關及分布，在機床各部位的行程開關、接近開關、壓力開關等輸入元件的檢測，由數(shù)控系統(tǒng)內的可編程控制器（PLC）進行邏輯運算，輸出控制信號驅動中間繼電器、接觸器、電磁閥及電磁制動器等輸出元件，對冷卻泵、潤滑泵、液壓系統(tǒng)和氣動系統(tǒng)進行控制。19概述3.輸入/輸出(I/O)19概述根據(jù)國際標準《ISO4336—1981（E）機床數(shù)字控制—數(shù)控裝置和數(shù)控機床電氣設備之間的接口規(guī)范》的規(guī)定，接口分為四類。如圖1-4所示為數(shù)控裝置、數(shù)控設備和機床之間的連接關系。第Ⅰ類：與驅動命令有關的連接電路，主要是與坐標軸進給驅動和主軸驅動的連接電路。第Ⅱ類：數(shù)控裝置與測量系統(tǒng)和測量傳感器之間的連接電路。第Ⅰ類和第Ⅱ類接口傳送的信息是數(shù)控裝置與伺服驅動單元、伺服電動機、位置檢測和速度檢測之間的控制信息及反饋信息，它們屬于數(shù)字控制及伺服控制。20概述根據(jù)國際標準《ISO4336—1981（E）機床概述第Ⅲ類：電源及保護電路。由數(shù)控機床強電線路中的電源控制電路構成。強電線路由電源變壓器、控制變壓器、各種斷路器、保護開關、接觸器、熔斷器等連接而成，以便為輔助交流電動機（如冷卻泵電動機、潤滑泵電動機等）、電磁鐵、離合器、電磁閥等功率執(zhí)行元件供電。強電線路不能與低壓下工作的控制電路或弱電線路直接連接，只有通過斷路器、中間繼電器等器件，轉換成直流低電壓下工作的觸點的開合動作，才能成為繼電器邏輯電路和PLC可接收的電信號，反之亦然。第Ⅳ類：開/關信號和代碼信號連接電路。是數(shù)控裝置與外部傳送的輸入、輸出控制信號。當數(shù)控機床不帶PLC時，這些信號直接在數(shù)控裝置和機床間傳送。當數(shù)控裝置帶有PLC時，這些信號除極少數(shù)的高速信號外，均通過PLC傳送。21概述第Ⅲ類：電源及保護電路。由數(shù)控機床強電線路中的電概述22概述22概述1.1.4數(shù)控機床的分類數(shù)控機床的種類規(guī)格很多，分類方法也各不相同，常見的分類有以下幾種方式。1.1.4.1按被控制對象運動軌跡進行分類：（1）點位控制的數(shù)控機床點位控制數(shù)控機床的數(shù)控裝置只要求能夠精確地控制一個坐標點到另一個坐標點的定位精度，而不管從一點到另一點是按什么軌跡運動，在移動過程中不進行任何加工。為了精度定位和提高生產率，系統(tǒng)首先高速運行，然后按1～3級減速，使之慢速趨近于定位點，減小定位誤差。這類數(shù)控機床主要有數(shù)控鉆床、數(shù)控坐標鏜床、數(shù)控沖床、數(shù)控點焊機、數(shù)控折彎機和數(shù)控測量機等。23概述1.1.4數(shù)控機床的分類23概述（2）直線控制的數(shù)控機床直線控制數(shù)控機床一般要在兩點間移動的同時進行切削加工，所以不僅要求有準確的定位功能，還要求從一點到另一點之間按直線規(guī)律運動，而且對運動的速度也要進行控制，對于不同的刀具和工件，可以選擇不同的進給速度。這一類機床包括簡易數(shù)控車床、數(shù)控銑床數(shù)控鏜床等。一般情況下，這些機床可以有兩到三個可控軸，但一般同時控制軸數(shù)只有兩個。24概述（2）直線控制的數(shù)控機床24概述（3）輪廓控制的數(shù)控機床輪廓控制又稱連續(xù)控制，大多數(shù)數(shù)控機床具有輪廓控制功能。其特點是能同時控制兩個以上的軸，具有插補功能。它不僅控制起點和終點位置，而且要控制加工過程中每一點的位置和速度，加工出任意形狀的曲線或曲面組成的復雜零件。輪廓控制的數(shù)控機床的例子有兩坐標及兩坐標以上的數(shù)控銑床、可以加工回轉曲面數(shù)控機床、加工中心等。25概述（3）輪廓控制的數(shù)控機床25概述1.1.4.2按控制方式分類：（1）開環(huán)控制數(shù)控機床這類數(shù)控機床沒有檢測反饋裝置，數(shù)控裝置發(fā)出的指令信號流程是單向的，其精度主要決定于驅動元件和伺服電機的性能，開環(huán)數(shù)控機床所用的電動機主要是步進電動機。移動部件的速度與位移是由輸入脈沖的頻率和脈沖數(shù)決定，位移精度主要決定于該系統(tǒng)各有關零部件的制造精度。26概述1.1.4.2按控制方式分類：26概述開環(huán)控制具有結構簡單、系統(tǒng)穩(wěn)定、容易調試、成本低等優(yōu)點。但是系統(tǒng)對移動部件的誤差沒有補償和校正，所以精度低，一般位置精度通常為±0.01～±0.02㎜。一般適用于經濟型數(shù)控機床和舊機床數(shù)控化改造。圖1-5為開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的示意圖。27概述開環(huán)控制具有結構簡單、系統(tǒng)穩(wěn)定、容易調試、成本低概述（2）閉環(huán)控制系統(tǒng)28概述（2）閉環(huán)控制系統(tǒng)28概述閉環(huán)控制系統(tǒng)是指在機床的運動部件上安裝位置測量裝置（位置測量裝置有光柵、感應同步器和磁柵等），如圖1-6所示。加工中將測量到的實際位置值反饋到數(shù)控裝置中，與輸入的指令位移相比較，用比較的差值控制移動部件，直到差值為零，即實現(xiàn)移動部件的最終精確定位。從理論上講，閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制精度主要取決于檢測裝置的精度，它完全可以消除由于傳動部件制造中存在的誤差給工件加工帶來的影響。所以這種控制系統(tǒng)可以得到很高的加工精度。閉環(huán)控制系統(tǒng)的設計和調整都有較大的難度，主要用于一些精度要求較高的鏜銑床、超精車床和加工中心等。29概述閉環(huán)控制系統(tǒng)是指在機床的運動部件上安裝位置測量裝概述（3）半閉環(huán)控制系統(tǒng)半閉環(huán)控制系統(tǒng)是在開環(huán)系統(tǒng)的絲杠上或進給電動機的軸上裝有角位移檢測裝置，如圓光柵，光電編碼器及旋轉式感應同步器等。該系統(tǒng)不是直接測量工作臺位移量，而是通過檢測絲杠轉角間接地測量工作臺位移量，然后反饋給數(shù)控裝置如圖1-7所示。這種控制系統(tǒng)實際控制的是絲杠的傳動，而絲杠的螺母副的傳動誤差無法測量，只能靠制造保證。因而半閉環(huán)控制系統(tǒng)的精度低于閉環(huán)系統(tǒng)。但由于角位移檢測裝置比直線位移檢測裝置結構簡單安裝調試方便，因此配有精密滾珠絲杠和齒輪的半閉環(huán)系統(tǒng)正在被廣泛地采用。30概述（3）半閉環(huán)控制系統(tǒng)30概述目前已逐步將角位移檢測裝置和伺服電動機設計成一個部件，使系統(tǒng)變得更加簡單，安裝調試都比較方便，中檔數(shù)控機床廣泛采用半閉環(huán)控制系統(tǒng)。31概述目前已逐步將角位移檢測裝置和伺服電動機設計成一個概述1.1.4.3按功能水平分類按數(shù)控系統(tǒng)的功能水平分類，通常把數(shù)控系統(tǒng)分為低、中、高檔三類。如：金屬切削類數(shù)控機床、金屬成型類數(shù)控機床、數(shù)控特種加工機床、其它類型的數(shù)控機床及低檔數(shù)控機床（脈沖當量0.01mm～0.005mm，快進速度4～10m/min）、中檔數(shù)控機床（脈沖當量0.005mm～0.001mm，快進速度15～24m/min）、高檔數(shù)控機床（脈沖當量0.001mm～0.0001mm，快進速度15～100m/min）等等。32概述1.1.4.3按功能水平分類32概述經濟型低檔數(shù)控系統(tǒng)一般采用單板機、單片機作為控制機，用步進電機作為執(zhí)行元件，其系統(tǒng)結構簡單，價格便宜，適用于自動化程度要求不高的場合。普及型（中檔）的數(shù)控系統(tǒng)，其系統(tǒng)結構都向系列化、模塊化、高性能和成套方向發(fā)展，內存容量較大，采用了高精度高響應特性的交流或直流伺服單元，裝置的可靠性指標較高。這類機床功能較全、價格適中，應用較廣。高檔型數(shù)控系統(tǒng)，一般用于多軸車削中心、多軸銑削中心、自動生產線的多軸控制、柔性加工單元、計算機集成制造系統(tǒng)等。這類數(shù)控機床的功能齊全，價格較貴。33概述經濟型低檔數(shù)控系統(tǒng)一般采用單板機、單片機作為控制概述1.1.5數(shù)控設備的工作原理數(shù)控機床加工過程可以分為以下幾個步驟。（1）程序編制程序編制是將零件的加工工藝、工藝參數(shù)、刀具位移量及位移方向和有關輔助操作，按指令代碼及程序格式編制加工程序單，然后，將加工程序單以代碼形式記錄在信息載體上。程序編制可以是手工編制，也可以是自動編制。對于自動編程，目前已較多的采用計算機CAD/CAM圖形交互式自動編程，通過計算機有關處理后，自動生成的數(shù)控程序，可通過接口直接輸入數(shù)控系統(tǒng)內。34概述1.1.5數(shù)控設備的工作原理34概述（2）數(shù)控代碼和譯碼數(shù)控代碼是用來表示數(shù)控系統(tǒng)中的符號、字母和數(shù)字的專用代碼，并組成數(shù)控指令。對數(shù)控代碼進行識別，并翻譯成數(shù)控系統(tǒng)能用于運算控制的信號形式稱為譯碼。在計算機數(shù)控中，譯碼之前，先將零件程序存放在緩沖器里。譯碼時，譯碼程序依次將一個個字符和相應的數(shù)碼與緩沖器中零件程序進行比較，若兩者相等，說明輸入了該字符。譯碼程序是串行工作的，它有較高的譯碼速度。35概述（2）數(shù)控代碼和譯碼35概述（3）刀具軌跡的計算刀具軌跡的計算是根據(jù)輸入譯碼后的數(shù)據(jù)段參數(shù)，進行刀具補償計算、絕對值與相對值的換算等，把零件程序提供的工件輪廓信息轉換為系統(tǒng)認定的軌跡。（4）插補運算插補運算是根據(jù)刀具中心點沿各坐標軸移動的指令信息，以適當?shù)暮瘮?shù)關系進行各坐標軸脈沖分配的計算。只有通過插補運算，使兩個或兩個以上坐標軸協(xié)調的工作，才能合成所需要的目標位置的幾何軌跡，或加工出需要的零件形狀。36概述（3）刀具軌跡的計算36概述1.2現(xiàn)代控制技術及發(fā)展1.2.1數(shù)控技術的發(fā)展史由于計算機的誕生，在1952年產生了世界上第一臺3坐標立式數(shù)控銑床，標志著數(shù)控技術發(fā)展的開始。因此，數(shù)控技術的發(fā)展歷史，同計算機的發(fā)展歷史息息相關，也同數(shù)控機床的發(fā)展歷史息息相關。37概述1.2現(xiàn)代控制技術及發(fā)展37概述1.2.1.1數(shù)控技術的發(fā)展從數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展看數(shù)控技術的發(fā)展，大概分為以下幾個階段：第一階段1952年至1970年，這一階段的數(shù)控系統(tǒng)采用由硬件電路組成的專用計算機裝置，這種數(shù)控系統(tǒng)經歷三個時代，即電子管、晶體管和小規(guī)模集成電路時代。所采用的器件經過電子管、晶體管和小規(guī)模集成電路等幾次變革，但各種控制功能，如輸入裝置、插補運算、控制器等，都是由硬件邏輯電路來實現(xiàn)?？刂乒δ鼙容^簡單，使用靈活性較差。38概述1.2.1.1數(shù)控技術的發(fā)展38概述第二階段1970年至1974年，由于計算機的迅速發(fā)展，性能價格比不斷提高，小型計算機代替了數(shù)控系統(tǒng)中硬件構成的專用計算機裝置。這即是第四代數(shù)控系統(tǒng)，即計算機數(shù)控系統(tǒng)（CNC）。計算機數(shù)控用軟件實現(xiàn)了許多數(shù)控功能，使數(shù)控系統(tǒng)具有更大的適應性、柔性好計算機的優(yōu)勢在數(shù)控系統(tǒng)中得到充分發(fā)揮。第三階段1974年開始，隨著采用大規(guī)模集成電路的微處理器迅速發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)開始采用微型計算機，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展到第五代。由于微處理器的集成度不斷提高，運算速度越來越快，功能越來越豐富。今后微處理器的速度還會提高，數(shù)控的功能會有更大的提高，因此除了有特殊要求的系統(tǒng)外，中小型計算機數(shù)控均可用微型計算機數(shù)控來代替。39概述第二階段1970年至1974年，由于計算機的概述微機數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展，使得數(shù)控技術在整個20世紀80年代得到大規(guī)模的發(fā)展和應用，但是這種數(shù)控系統(tǒng)一直由系統(tǒng)制造廠家進行封閉壟斷性生產，使得這類數(shù)控產品專用性強，與標準計算機不兼容，通用性、軟件移植性和組網通訊能力較差。尤其從20世紀90年代開始，個人計算機即PC機的發(fā)展迅猛，它帶來的眾多成果不能被第五代數(shù)控系統(tǒng)及時采用。為了擺脫數(shù)控系統(tǒng)的這種局面，現(xiàn)在正在向開放式數(shù)控系統(tǒng)方向發(fā)展，目前朝該方向發(fā)展的一個具體表現(xiàn)是基于PC機的開放式數(shù)控系統(tǒng)，即第六代數(shù)控系統(tǒng)。這種系統(tǒng)從20世紀80年代初開始提出研制，直到20世紀90年代初得以實現(xiàn)。40概述微機數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展，使得數(shù)控技術在整個20世紀8概述這類系統(tǒng)結合了PC機的分析運算能力、大容量存儲功能、圖文顯示優(yōu)勢及組網的靈活性，使得數(shù)控系統(tǒng)的使用，具備了較為開放的模式。但是由于PC計算機能力的限制，阻礙了在這類數(shù)控系統(tǒng)朝高速和高精度方向的發(fā)展步伐。20世紀80年代末基于DSP(DigitalSignalProcessor)的運動控制技術的突破，為開放式數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展創(chuàng)造了新的條件?；贒SP的運動控制器為核心，融合PLC功能，與標準PC機集成的新一代開放式數(shù)控系統(tǒng)有可能成為第六代數(shù)控系統(tǒng)的主導產品。41概述這類系統(tǒng)結合了PC機的分析運算能力、大容量存儲功概述1.2.1.2從NC到CNC數(shù)控系統(tǒng)實質上是一臺專門用于機床信息處理的計算機。20世紀五六十年代的通用計算機在處理速度和結構上滿足不了機床加工的要求，不得不用電子元件來構成專門的邏輯部件，組成專用計算機來實現(xiàn)機床加工的要求，故稱之為Hard-WireNC（硬線連接數(shù)控），一般簡稱為NC。到60年代后期，小型計算機走向成熟并被引入數(shù)控，從此NC進化為CNC，NC部分功能開始改由軟件來實現(xiàn)。42概述1.2.1.2從NC到CNC42概述到70年代初，由于微電子技術的發(fā)展，由大規(guī)模集成電路構成的微處理器引入數(shù)控并取代了小型計算機。但由于當時CPU的位數(shù)少，速度低（4位、8位，到70年代末才有16位，時鐘頻率16位也只有4.77M），數(shù)控系統(tǒng)一些實時性很強的功能，如插補運算、位置控制等不得不仍舊依靠硬件來實現(xiàn)，故當時硬件品質的高低，就決定了CNC品質的高低，進入80年代中期及以后，由于微電子技術的飛躍發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)在高速化、多功能化、智能化、高精度化和高可靠性等方面得到了提高。43概述到70年代初，由于微電子技術的發(fā)展，由大規(guī)模集成概述現(xiàn)在所說的CNC系統(tǒng)實際上就是微機數(shù)控系統(tǒng)（CNC）。CNC系統(tǒng)從價格、功能、使用等綜合性指標考慮有標準型數(shù)控系統(tǒng)和經濟型數(shù)控系統(tǒng)。標準型數(shù)控系統(tǒng)也稱全功能數(shù)控系統(tǒng)，功能齊全，控制精度和運行精度都比較高，基本上都是閉環(huán)或半閉環(huán)控制系統(tǒng)；經濟型數(shù)控系統(tǒng)功能比較簡單，在我國，經濟型數(shù)控通常和步進驅動組成開環(huán)控制系統(tǒng)。44概述現(xiàn)在所說的CNC系統(tǒng)實際上就是微機數(shù)控系統(tǒng)（CN概述隨著微機技術的發(fā)展，用通用微機技術開發(fā)數(shù)控系統(tǒng)可以得到強有力的硬件和軟件支持，這些軟件和硬件技術是開放式的，此時的通用微機除了具備本身的功能外，還具備了全功能數(shù)控系統(tǒng)的所有功能，這是一條發(fā)展數(shù)控技術的途徑。當前全功能數(shù)控系統(tǒng)的特點有：45概述隨著微機技術的發(fā)展，用通用微機技術開發(fā)數(shù)控系統(tǒng)可以概述（1）選用高速微處理器微處理器是現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的核心部件，擔負著運算、存儲和控制等多重任務。其位數(shù)和運行速度直接關系到加工效率和加工精度。高速32位微處理器的采用，使得數(shù)控系統(tǒng)的輸入、譯碼、計算和輸出等環(huán)節(jié)都在高速下進行，同時提高了多軸聯(lián)動、進給速度和分辨力等指標?，F(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)控制軸數(shù)為3～15軸，有的多達20～24軸，同時控制軸數(shù)（聯(lián)動）為3～6軸。快速進給速度及切削進給速度已達到100m/min（1μm分辨力）和24m/min（0.11μm分辨力）。46概述（1）選用高速微處理器微處理器是現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的概述（2）配置高速、功能強的可編程序控制器（PLC）數(shù)控系統(tǒng)除了對位置進行信息控制外，還要對I/O狀態(tài)量進行控制，數(shù)控系統(tǒng)中高速和強功能的可編程控制器能滿足數(shù)控機床這方面的需要。同時，PLC輸入/輸出點數(shù)和PLC容量的增加可滿足直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DNC）和柔性制造單元（FMC）的控制要求。47概述（2）配置高速、功能強的可編程序控制器（PLC）概述（3）CRT圖形顯示、人機對話功能及自診斷功能大多數(shù)現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)采用CRT與手動鍵盤配合，實現(xiàn)程序的輸入、編輯、修改和刪除等功能，具有前臺操作、后臺編輯的功能及用戶宏程序等；可以有二維圖形軌跡顯示，有的還可以實現(xiàn)三維彩色動態(tài)圖形的顯示。由于采用菜單選擇操作方式，操作簡單明了。系統(tǒng)具有硬件、軟件及機床故障的自診斷功能，提高了可維修性。48概述（3）CRT圖形顯示、人機對話功能及自診斷功能概述（4）具有多種監(jiān)控、檢測及補償功能為了提高數(shù)控機床的效率及加工精度，有些數(shù)控機床配置了各種測量裝置，如刀具磨損的檢測、機床精度及熱變形的檢測等，與之相適應，數(shù)控系統(tǒng)則具有刀具壽命管理、刀具參數(shù)補償、反向間隙及絲杠螺距誤差補償、熱變形補償?shù)裙δ?。?）CNC的智能化在現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)中，引進了自適應控制技術。數(shù)控系統(tǒng)能檢測對機床本身有影響的信息，并自動連續(xù)調整有關參數(shù)，以達到系統(tǒng)運行的最優(yōu)化。如測量工件狀態(tài)、調整刀具切削用量、進行尺寸控制，以滿足加工精度及表面粗糙度的要求等。在有的CNC系統(tǒng)中，還建立了切削率的數(shù)據(jù)庫及切削用量的專家系統(tǒng)等。大多數(shù)現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)都具有學習及示教功能。49概述（4）具有多種監(jiān)控、檢測及補償功能為了提高數(shù)控概述（6）通信功能一般數(shù)控系統(tǒng)都有簡單的通信功能，如采用RS-232C串行接口與編程機、微機等外設通信。現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)還要與其他數(shù)控系統(tǒng)或者上級計算機通信，所以除了RS-232C接口外，還有RS-422和DNC（直接數(shù)控）等多種通信接口。數(shù)控系統(tǒng)要單機進入柔性制造系統(tǒng)（FMS）進而形成計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS），就要求數(shù)控系統(tǒng)具有更高的通信功能，為此，有的數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)了符合ISO開放系統(tǒng)互聯(lián)七層網絡模型的通信規(guī)約，如MAP（制造自動化協(xié)議），為自動化技術發(fā)展創(chuàng)造了條件。50概述（6）通信功能一般數(shù)控系統(tǒng)都有簡單的通信功能，概述（7）標準化、通用化和模塊化現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的性能越來越完善，功能越來越多樣化，促使數(shù)控系統(tǒng)的硬件和軟件結構實現(xiàn)標準化，通用化和模塊化。選擇不同的標準化模塊可以組成各種數(shù)控機床的控制系統(tǒng)，能方便地移植計算機行業(yè)或自動化領域的成果，也便于現(xiàn)有的數(shù)控系統(tǒng)進一步擴展及升級。（8）開放性基于PC機的開放式數(shù)控系統(tǒng)已成為數(shù)控技術發(fā)展的重要方向，通過制定必要的技術規(guī)范，在通用PC機的基礎上，一方面使硬件的體系結構和功能模塊具有兼容性；另一方面使軟件、接口等技術規(guī)范化和標準化，為機床制造廠或用戶提供一個良好的開放性和開發(fā)環(huán)境。51概述（7）標準化、通用化和模塊化現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的性能概述（9）高可靠性這是一項硬指標，現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的平均無故障時間（MIBF）已達到30000h以上。數(shù)控系統(tǒng)與微機只是專用機和通用機及生產批量大小的區(qū)別，其制造過程，包括元器件篩選、印制電路板、焊接和貼附、生產過程及最終產品的檢測和出廠前整機的考機等措施保證了數(shù)控系統(tǒng)有很高的可靠性。52概述（9）高可靠性這是一項硬指標，現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的平概述1.2.2數(shù)控技術的發(fā)展趨勢隨著生產技術的發(fā)展，對產品的性能要求越來越高，產品改型頻繁，采用多品種小批量生產方式的企業(yè)越來越多，這就要求數(shù)控機床向著高速化、高精度化、復合化、系統(tǒng)化、智能化、環(huán)保化方向發(fā)展。要求數(shù)控技術滿足這些要求，數(shù)控技術正向以下方面發(fā)展。53概述1.2.2數(shù)控技術的發(fā)展趨勢53概述1.2.2.1高速化和高精度化目前數(shù)控機床正向著高速化和高精度化方向發(fā)展，主軸轉速可達10000～40000r/min，進給速度可達30m/min，快速移動可達100m/min，加速度可達1g，換刀時間可達1.5s，加工中心的定位精度約為±5μm，有的可達到±1μm。

1.2.2.2數(shù)控系統(tǒng)智能化、信息化由于微電子技術、超大規(guī)模集成電路等各種技術的發(fā)展，使數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)智能化變?yōu)榭赡堋Ｖ悄芑臄?shù)控系統(tǒng)可以解決數(shù)控機床的故障診斷和提出排除的方法，也可以更廣泛的深入解決加工中的技術問題。54概述1.2.2.1高速化和高精度化1.2.2.2數(shù)控系統(tǒng)概述1.2.3數(shù)控伺服系統(tǒng)的發(fā)展伺服系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)的重要組成部分，伺服系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)性能直接影響數(shù)控機床的定位精度、加工精度和位移速度。當前伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是：（1）全數(shù)字式控制系統(tǒng)伺服系統(tǒng)傳統(tǒng)的位置控制是將位置控制信號反饋至數(shù)控系統(tǒng)，與位置指令比較后輸出速度控制模擬信號至伺服驅動裝置，而全數(shù)字式數(shù)控系統(tǒng)的位置比較是在伺服驅動裝置中完成的，數(shù)控系統(tǒng)僅輸出位置指令的數(shù)字信號至伺服驅動裝置。55概述1.2.3數(shù)控伺服系統(tǒng)的發(fā)展55概述另外，直流伺服系統(tǒng)逐漸被交流數(shù)字伺服系統(tǒng)所代替。在全數(shù)字式控制系統(tǒng)中，位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)等參數(shù)均實現(xiàn)了數(shù)字化，實現(xiàn)了幾乎不受負載變化影響的高速響應的伺服系統(tǒng)。（2）采用高分辨力的位置檢測裝置現(xiàn)代數(shù)控機床的位置檢測大多采用高分辨力的光柵和光電編碼器，必要時采用細分電路，進一步提高分辨力。（3）軟件補償現(xiàn)代數(shù)控機床利用數(shù)控系統(tǒng)的補償功能，通過參數(shù)設置對伺服系統(tǒng)進行多種補償，如位置環(huán)增益、軸向運動誤差補償、反向間隙補償及絲杠螺距累積誤差補償?shù)取?6概述另外，直流伺服系統(tǒng)逐漸被交流數(shù)字伺服系統(tǒng)所代替。概述（4）前饋控制傳統(tǒng)的伺服系統(tǒng)是將指令位置和實際位置的偏差乘以位置環(huán)增益作為速度指令，經伺服驅動裝置拖動伺服電動機，這種方式總是存在著位置跟蹤滯后誤差，使得在加工拐角及圓弧時加工情況惡化。通過前饋控制，使跟蹤滯后誤差大為減小，提高了位置控制精度。（5）機械靜、動磨擦的非線性控制技術機床的動、靜磨擦的非線性會導致爬行現(xiàn)象。除采取降低靜磨擦的措施外，新型的伺服系統(tǒng)還具有自動補償機械系統(tǒng)靜、動磨擦非線性的控制功能。57概述（4）前饋控制57概述1.2.4以數(shù)控機床為基礎的自動化生產系統(tǒng)加工中心、網絡控制技術、信息技術的發(fā)展，為單機數(shù)控向計算機控制的多機控制系統(tǒng)發(fā)展創(chuàng)造了必要的條件。已經出現(xiàn)的計算機直接數(shù)控系統(tǒng)（DNC）、柔性制造系統(tǒng)（FMS）及計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS），就是以數(shù)控機床為基礎的自動化生產系統(tǒng)。58概述1.2.4以數(shù)控機床為基礎的自動化生產系統(tǒng)58概述1.2.4.1計算機直接數(shù)控系統(tǒng)（CIMS）計算機直接數(shù)控系統(tǒng)就是用一臺中央計算機直接控制和管理一群數(shù)控設備進行零件加工或裝配的系統(tǒng)，因此，也稱它為計算機群控系統(tǒng)。在DNC系統(tǒng)中，各臺數(shù)控機床都各自有獨立的數(shù)控系統(tǒng)，并與中央計算機組成計算機網絡，實現(xiàn)分級控制管理。中央計算機不僅用于編制零件的程序以控制數(shù)控機床的加工過程，而且能控制工件與刀具的輸送，同時還具有生產管理、工況監(jiān)控及刀具壽命管理等能力，形成了一條由計算機控制的數(shù)控機床自動生產線。59概述1.2.4.1計算機直接數(shù)控系統(tǒng)（CIMS）59概述1.2.4.2柔性制造單元（FMC）和柔性制造系統(tǒng)（FMS）柔性制造單元是由加工中心（MC）與工件自動交換裝置（APC）組成，同時，數(shù)控系統(tǒng)還增加了自動檢測與工況自動監(jiān)控等功能，如工件尺寸測量補償、刀具損壞和壽命監(jiān)控等。柔性制造單元既可作為組成柔性制造系統(tǒng)的基礎，也可用作獨立的自動化加工設備。60概述1.2.4.2柔性制造單元（FMC）和柔性制造系統(tǒng)（F概述1.2.4.3計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）CIMS的核心是一個公用的數(shù)據(jù)庫，對信息資源進行存儲與管理，并與各個計算機系統(tǒng)進行通信。在此基礎上，需要有三個計算機系統(tǒng)，一是進行產品設計與工藝設計的計算機輔助設計與計算機輔助制造系統(tǒng)，即CAD/CAM；二是計算機輔助生產計劃與計算機生產控制系統(tǒng)，即CAP/CAC，此系統(tǒng)對加工過程進行計劃、調度與控制，F(xiàn)MS是這個系統(tǒng)的主體；三是計算機工廠自動系統(tǒng)，它可以實現(xiàn)產品的自動裝配與測試，材料的自動運輸與處理等。在上述三個計算機系統(tǒng)外圍，還需要利用計算機進行市場預測，編制產品發(fā)展規(guī)劃，分析財政狀況和進行生產管理與人員管理。雖然CIMS涉及的領域相當廣泛，但數(shù)控機床仍然是CIMS不可缺少的基本工作單元。61概述1.2.4.3計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）61放映結束！無悔無愧于昨天，豐碩殷實的今天，充滿希望的明天。62放映結束！無悔無愧于昨天，豐碩殷實的今天，充滿希望的明天。6概述第一章63概述第一章1概述1.1數(shù)控機床控制系統(tǒng)的構成1.2現(xiàn)代控制技術及發(fā)展

64概述1.1數(shù)控機床控制系統(tǒng)的構成2概述1.1數(shù)控機床控制系統(tǒng)的構成1.1.1數(shù)控技術數(shù)字控制（NumericalControl）技術，簡稱數(shù)控（NC）技術，是指用數(shù)字指令來控制機器的動作。數(shù)控技術是采用數(shù)字代碼形式的信息，按給定的工作程序、運動速度和軌跡，對被控制的對象進行自動操作的一種技術。如果一種設備的控制過程是以數(shù)字形式來描繪的，其工作過程是可編程序的，并能在程序控制下自動地進行，那么這種設備就稱為數(shù)控設備。65概述1.1數(shù)控機床控制系統(tǒng)的構成3概述1.1.2數(shù)控設備的組成數(shù)控設備是由數(shù)控系統(tǒng)和被控對象組成。但從組成一臺完整的數(shù)控機床上講，一般由控制介質、數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、強電控制柜、機床本體和各類輔助裝置組成，其框圖如圖1-1所示。66概述1.1.2數(shù)控設備的組成4概述（一）控制介質控制介質又稱信息載體，是人與數(shù)控機床之間的媒介物質，反映了數(shù)控加工中全部信息?？刂平橘|有多種形式，它隨著數(shù)控裝置的類型不同而不同，常用的有穿孔紙帶、穿孔卡、磁帶、磁盤等。還有的采用數(shù)碼撥盤、數(shù)碼插銷或利用鍵盤直接將程序及數(shù)據(jù)輸入。另外，隨著CAD/CAM技術的發(fā)展，有些數(shù)控設備利用CAD/CAM軟件在其計算機上編程，然后通過計算機與數(shù)控系統(tǒng)通信，將程序和數(shù)據(jù)直接傳送給數(shù)控裝置。67概述（一）控制介質5概述（二）數(shù)控裝置數(shù)控裝置是數(shù)控系統(tǒng)的核心?，F(xiàn)代的數(shù)控裝置普遍采用通用計算機作為數(shù)控裝置的主要硬件，包括微型機系統(tǒng)的基本組成部分，CPU、存儲器、局部總線以及輸入輸出接口等；軟件部分就是我們所說的數(shù)控系統(tǒng)軟件。數(shù)控裝置的基本功能是，讀入零件加工程序，根據(jù)加工程序所指定零件形狀，計算出刀具中心的移動軌跡，并按照程序指定的進給速度，求出每個微小的時間段（插補周期）內刀具應該移動的距離，在每個時間段結束前，把下一個時間段內刀具應該移動的距離送給伺服單元。68概述（二）數(shù)控裝置6概述（三）伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)是數(shù)控機床的執(zhí)行結構，是數(shù)控系統(tǒng)和機床本體之間的電氣聯(lián)系環(huán)節(jié)。主要由伺服電動機、驅動控制系統(tǒng)和位置檢測與反饋裝置等組成。伺服電動機是系統(tǒng)的執(zhí)行元件，驅動控制系統(tǒng)則是伺服電動機的動力源。數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的指令信號與位置反饋信號比較后作為位移指令，再經過驅動控制系統(tǒng)的功率放大后，驅動電動機運轉，通過機械傳動裝置拖動工作臺或刀架運動。69概述（三）伺服系統(tǒng)7概述（四）強電控制柜強電控制柜主要用來安裝機床強電控制的各種電氣元件，除了提供數(shù)控、伺服等一類弱電控制系統(tǒng)的輸入電源，以及各種短路、過載、欠壓等電氣保護外，主要在PLC的輸出接口與機床各類輔助裝置的電氣執(zhí)行元件之間起連接作用，控制機床輔助裝置如各種交流電動機、液壓系統(tǒng)電磁閥或電磁離合器等。70概述（四）強電控制柜8概述71概述9概述（五）輔助裝置輔助裝置主要包括自動換刀裝置ATC（AutomaticToolChanger）自動交換工作臺機構APC（AutomaticPalletCh-anger）、工件夾緊放松機構、回轉工作臺、液壓控制系統(tǒng)、潤滑裝置、切削液控制裝置、排屑裝置、過載和保護裝置等。（六）機床本體數(shù)控機床的本體是指機械結構實體?？梢栽谄胀C床的基礎上改裝，也可以單獨設計。與傳統(tǒng)的普通機床相比較，數(shù)控機床的機械部分具有以下一些特點：72概述（五）輔助裝置10概述（1）數(shù)控機床采用了高性能的主軸及伺服傳動系統(tǒng)，機械傳動結構簡化，傳動鏈較短，傳動精度高等特點。（2）數(shù)控機床機械結構具有較高的剛度，阻尼精度及耐磨性，熱變形小。（3）更多地采用高效傳動部件，一般采用滾珠絲杠副、直線滾動導軌副或塑料涂層導軌等。具有完善的刀具自動交換及管理系統(tǒng)。73概述（1）數(shù)控機床采用了高性能的主軸及伺服傳動系統(tǒng)，機概述（七）位置檢測裝置位置檢測裝置也稱反饋元件，通常安裝在機床的工作臺上或絲杠上，用來檢測工作臺的實際位移或絲杠的實際轉角。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中這個實際位移或轉角有的要反饋給數(shù)控裝置，由數(shù)控裝置計算出實際位置和指令位置之間的差值，并根據(jù)這個差值的方向和大小，去控制機床，使之朝著減小誤差的方向移動。位置檢測裝置的精度直接決定了數(shù)控機床的加工精度。74概述（七）位置檢測裝置12概述1.1.3數(shù)控機床控制系統(tǒng)的構成數(shù)控機床進行加工時，首先必須將工件的幾何數(shù)據(jù)和工藝數(shù)據(jù)按規(guī)定的代碼和格式編制成數(shù)控加工程序，并用適當?shù)姆椒▽⒓庸こ绦蜉斎霐?shù)控系統(tǒng)。數(shù)控系統(tǒng)對輸入的加工程序進行數(shù)據(jù)處理，輸出各種信息和指令，控制機床各部分按規(guī)定有序地動作。這些信息和指令最基本的包括：各坐標軸的進給速度、進給方向和進給位移量，各狀態(tài)控制的I/O信號等。75概述1.1.3數(shù)控機床控制系統(tǒng)的構成13概述伺服系統(tǒng)的作用就是將進給位移量等信息轉換成機床的進給運動，數(shù)控系統(tǒng)要求伺服系統(tǒng)正確、快速地跟隨控制信息，執(zhí)行機械運動，同時，位置反饋系統(tǒng)將機械運動的實際位移信息反饋至數(shù)控系統(tǒng)，以保證位置控制精度?？傊瑪?shù)控機床的運行在數(shù)控系統(tǒng)的控制下，處于不斷地計算、輸出、反饋等控制過程中，從而保證刀具和工件之間相對位置的準確性。與其他加工方法相比，數(shù)控機床有以下優(yōu)點：76概述伺服系統(tǒng)的作用就是將進給位移量等信息轉換成機床的概述（1）數(shù)控系統(tǒng)取代了普通機床的手工操縱，具有充分的柔性，只要編制成零件程序就能加工出零件。（2）零件加工精度一致性好，避免了普通機床加工時人為因素的影響。（3）生產周期較短，特別適合小批量、單件的加工。（4）可加工復雜形狀的零件，如二維輪廓或三維輪廓加工。（5）易于調整機床，與其他制造方法（如自動機床、自動生產線）相比，所需調整時間較少。77概述（1）數(shù)控系統(tǒng)取代了普通機床的手工操縱，具有充分的概述從數(shù)控機床最終要完成的任務看，主要有以下三個方面內容：1.主軸運動主軸運動和普通車床一樣，主運動主要完成切削任務，其動力約占整臺機床動力的70～80％?；究刂剖侵鬏S的正、反轉和停止，可自動換檔及無級調速；對加工中心和有些數(shù)控車床還必須具有定向控制和C軸控制。78概述從數(shù)控機床最終要完成的任務看，主要有以下三個方面概述2.進給運動這是數(shù)控機床區(qū)別于普通車床最根本的地方，即用電氣驅動替代了機械驅動，數(shù)控機床的進給運動是由進給伺服系統(tǒng)完成的。伺服系統(tǒng)包括伺服驅動裝置、伺服電動機、進給傳動鏈及位置檢測裝置，如圖1-3所示。伺服控制的最終目的就是機床工作臺或刀具的位置控制，伺服系統(tǒng)中所采取的一切措施，都是為了保證進給運動的位置精度。如對機械傳動鏈進行預緊和反向間隙調整；采用高精度的位置檢測裝置；采用高性能的伺服驅動裝置和伺服電動機，提高數(shù)控系統(tǒng)的運算速度等。79概述2.進給運動17概述80概述18概述3.輸入/輸出(I/O)數(shù)控系統(tǒng)對加工程序處理后輸出的控制信號除了對進給運行軌跡進行連續(xù)控制外，還要對機床的各種狀態(tài)進行控制，這些狀態(tài)包括主軸的變速控制，主軸的正、反轉及停止，冷卻和潤滑裝置的起動和停止，刀具的自動交換，工件夾緊和放松及分度工作臺轉位等。例如，通過對機床程序中的M指令、機床的操作面板上的控制開關及分布，在機床各部位的行程開關、接近開關、壓力開關等輸入元件的檢測，由數(shù)控系統(tǒng)內的可編程控制器（PLC）進行邏輯運算，輸出控制信號驅動中間繼電器、接觸器、電磁閥及電磁制動器等輸出元件，對冷卻泵、潤滑泵、液壓系統(tǒng)和氣動系統(tǒng)進行控制。81概述3.輸入/輸出(I/O)19概述根據(jù)國際標準《ISO4336—1981（E）機床數(shù)字控制—數(shù)控裝置和數(shù)控機床電氣設備之間的接口規(guī)范》的規(guī)定，接口分為四類。如圖1-4所示為數(shù)控裝置、數(shù)控設備和機床之間的連接關系。第Ⅰ類：與驅動命令有關的連接電路，主要是與坐標軸進給驅動和主軸驅動的連接電路。第Ⅱ類：數(shù)控裝置與測量系統(tǒng)和測量傳感器之間的連接電路。第Ⅰ類和第Ⅱ類接口傳送的信息是數(shù)控裝置與伺服驅動單元、伺服電動機、位置檢測和速度檢測之間的控制信息及反饋信息，它們屬于數(shù)字控制及伺服控制。82概述根據(jù)國際標準《ISO4336—1981（E）機床概述第Ⅲ類：電源及保護電路。由數(shù)控機床強電線路中的電源控制電路構成。強電線路由電源變壓器、控制變壓器、各種斷路器、保護開關、接觸器、熔斷器等連接而成，以便為輔助交流電動機（如冷卻泵電動機、潤滑泵電動機等）、電磁鐵、離合器、電磁閥等功率執(zhí)行元件供電。強電線路不能與低壓下工作的控制電路或弱電線路直接連接，只有通過斷路器、中間繼電器等器件，轉換成直流低電壓下工作的觸點的開合動作，才能成為繼電器邏輯電路和PLC可接收的電信號，反之亦然。第Ⅳ類：開/關信號和代碼信號連接電路。是數(shù)控裝置與外部傳送的輸入、輸出控制信號。當數(shù)控機床不帶PLC時，這些信號直接在數(shù)控裝置和機床間傳送。當數(shù)控裝置帶有PLC時，這些信號除極少數(shù)的高速信號外，均通過PLC傳送。83概述第Ⅲ類：電源及保護電路。由數(shù)控機床強電線路中的電概述84概述22概述1.1.4數(shù)控機床的分類數(shù)控機床的種類規(guī)格很多，分類方法也各不相同，常見的分類有以下幾種方式。1.1.4.1按被控制對象運動軌跡進行分類：（1）點位控制的數(shù)控機床點位控制數(shù)控機床的數(shù)控裝置只要求能夠精確地控制一個坐標點到另一個坐標點的定位精度，而不管從一點到另一點是按什么軌跡運動，在移動過程中不進行任何加工。為了精度定位和提高生產率，系統(tǒng)首先高速運行，然后按1～3級減速，使之慢速趨近于定位點，減小定位誤差。這類數(shù)控機床主要有數(shù)控鉆床、數(shù)控坐標鏜床、數(shù)控沖床、數(shù)控點焊機、數(shù)控折彎機和數(shù)控測量機等。85概述1.1.4數(shù)控機床的分類23概述（2）直線控制的數(shù)控機床直線控制數(shù)控機床一般要在兩點間移動的同時進行切削加工，所以不僅要求有準確的定位功能，還要求從一點到另一點之間按直線規(guī)律運動，而且對運動的速度也要進行控制，對于不同的刀具和工件，可以選擇不同的進給速度。這一類機床包括簡易數(shù)控車床、數(shù)控銑床數(shù)控鏜床等。一般情況下，這些機床可以有兩到三個可控軸，但一般同時控制軸數(shù)只有兩個。86概述（2）直線控制的數(shù)控機床24概述（3）輪廓控制的數(shù)控機床輪廓控制又稱連續(xù)控制，大多數(shù)數(shù)控機床具有輪廓控制功能。其特點是能同時控制兩個以上的軸，具有插補功能。它不僅控制起點和終點位置，而且要控制加工過程中每一點的位置和速度，加工出任意形狀的曲線或曲面組成的復雜零件。輪廓控制的數(shù)控機床的例子有兩坐標及兩坐標以上的數(shù)控銑床、可以加工回轉曲面數(shù)控機床、加工中心等。87概述（3）輪廓控制的數(shù)控機床25概述1.1.4.2按控制方式分類：（1）開環(huán)控制數(shù)控機床這類數(shù)控機床沒有檢測反饋裝置，數(shù)控裝置發(fā)出的指令信號流程是單向的，其精度主要決定于驅動元件和伺服電機的性能，開環(huán)數(shù)控機床所用的電動機主要是步進電動機。移動部件的速度與位移是由輸入脈沖的頻率和脈沖數(shù)決定，位移精度主要決定于該系統(tǒng)各有關零部件的制造精度。88概述1.1.4.2按控制方式分類：26概述開環(huán)控制具有結構簡單、系統(tǒng)穩(wěn)定、容易調試、成本低等優(yōu)點。但是系統(tǒng)對移動部件的誤差沒有補償和校正，所以精度低，一般位置精度通常為±0.01～±0.02㎜。一般適用于經濟型數(shù)控機床和舊機床數(shù)控化改造。圖1-5為開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的示意圖。89概述開環(huán)控制具有結構簡單、系統(tǒng)穩(wěn)定、容易調試、成本低概述（2）閉環(huán)控制系統(tǒng)90概述（2）閉環(huán)控制系統(tǒng)28概述閉環(huán)控制系統(tǒng)是指在機床的運動部件上安裝位置測量裝置（位置測量裝置有光柵、感應同步器和磁柵等），如圖1-6所示。加工中將測量到的實際位置值反饋到數(shù)控裝置中，與輸入的指令位移相比較，用比較的差值控制移動部件，直到差值為零，即實現(xiàn)移動部件的最終精確定位。從理論上講，閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制精度主要取決于檢測裝置的精度，它完全可以消除由于傳動部件制造中存在的誤差給工件加工帶來的影響。所以這種控制系統(tǒng)可以得到很高的加工精度。閉環(huán)控制系統(tǒng)的設計和調整都有較大的難度，主要用于一些精度要求較高的鏜銑床、超精車床和加工中心等。91概述閉環(huán)控制系統(tǒng)是指在機床的運動部件上安裝位置測量裝概述（3）半閉環(huán)控制系統(tǒng)半閉環(huán)控制系統(tǒng)是在開環(huán)系統(tǒng)的絲杠上或進給電動機的軸上裝有角位移檢測裝置，如圓光柵，光電編碼器及旋轉式感應同步器等。該系統(tǒng)不是直接測量工作臺位移量，而是通過檢測絲杠轉角間接地測量工作臺位移量，然后反饋給數(shù)控裝置如圖1-7所示。這種控制系統(tǒng)實際控制的是絲杠的傳動，而絲杠的螺母副的傳動誤差無法測量，只能靠制造保證。因而半閉環(huán)控制系統(tǒng)的精度低于閉環(huán)系統(tǒng)。但由于角位移檢測裝置比直線位移檢測裝置結構簡單安裝調試方便，因此配有精密滾珠絲杠和齒輪的半閉環(huán)系統(tǒng)正在被廣泛地采用。92概述（3）半閉環(huán)控制系統(tǒng)30概述目前已逐步將角位移檢測裝置和伺服電動機設計成一個部件，使系統(tǒng)變得更加簡單，安裝調試都比較方便，中檔數(shù)控機床廣泛采用半閉環(huán)控制系統(tǒng)。93概述目前已逐步將角位移檢測裝置和伺服電動機設計成一個概述1.1.4.3按功能水平分類按數(shù)控系統(tǒng)的功能水平分類，通常把數(shù)控系統(tǒng)分為低、中、高檔三類。如：金屬切削類數(shù)控機床、金屬成型類數(shù)控機床、數(shù)控特種加工機床、其它類型的數(shù)控機床及低檔數(shù)控機床（脈沖當量0.01mm～0.005mm，快進速度4～10m/min）、中檔數(shù)控機床（脈沖當量0.005mm～0.001mm，快進速度15～24m/min）、高檔數(shù)控機床（脈沖當量0.001mm～0.0001mm，快進速度15～100m/min）等等。94概述1.1.4.3按功能水平分類32概述經濟型低檔數(shù)控系統(tǒng)一般采用單板機、單片機作為控制機，用步進電機作為執(zhí)行元件，其系統(tǒng)結構簡單，價格便宜，適用于自動化程度要求不高的場合。普及型（中檔）的數(shù)控系統(tǒng)，其系統(tǒng)結構都向系列化、模塊化、高性能和成套方向發(fā)展，內存容量較大，采用了高精度高響應特性的交流或直流伺服單元，裝置的可靠性指標較高。這類機床功能較全、價格適中，應用較廣。高檔型數(shù)控系統(tǒng)，一般用于多軸車削中心、多軸銑削中心、自動生產線的多軸控制、柔性加工單元、計算機集成制造系統(tǒng)等。這類數(shù)控機床的功能齊全，價格較貴。95概述經濟型低檔數(shù)控系統(tǒng)一般采用單板機、單片機作為控制概述1.1.5數(shù)控設備的工作原理數(shù)控機床加工過程可以分為以下幾個步驟。（1）程序編制程序編制是將零件的加工工藝、工藝參數(shù)、刀具位移量及位移方向和有關輔助操作，按指令代碼及程序格式編制加工程序單，然后，將加工程序單以代碼形式記錄在信息載體上。程序編制可以是手工編制，也可以是自動編制。對于自動編程，目前已較多的采用計算機CAD/CAM圖形交互式自動編程，通過計算機有關處理后，自動生成的數(shù)控程序，可通過接口直接輸入數(shù)控系統(tǒng)內。96概述1.1.5數(shù)控設備的工作原理34概述（2）數(shù)控代碼和譯碼數(shù)控代碼是用來表示數(shù)控系統(tǒng)中的符號、字母和數(shù)字的專用代碼，并組成數(shù)控指令。對數(shù)控代碼進行識別，并翻譯成數(shù)控系統(tǒng)能用于運算控制的信號形式稱為譯碼。在計算機數(shù)控中，譯碼之前，先將零件程序存放在緩沖器里。譯碼時，譯碼程序依次將一個個字符和相應的數(shù)碼與緩沖器中零件程序進行比較，若兩者相等，說明輸入了該字符。譯碼程序是串行工作的，它有較高的譯碼速度。97概述（2）數(shù)控代碼和譯碼35概述（3）刀具軌跡的計算刀具軌跡的計算是根據(jù)輸入譯碼后的數(shù)據(jù)段參數(shù)，進行刀具補償計算、絕對值與相對值的換算等，把零件程序提供的工件輪廓信息轉換為系統(tǒng)認定的軌跡。（4）插補運算插補運算是根據(jù)刀具中心點沿各坐標軸移動的指令信息，以適當?shù)暮瘮?shù)關系進行各坐標軸脈沖分配的計算。只有通過插補運算，使兩個或兩個以上坐標軸協(xié)調的工作，才能合成所需要的目標位置的幾何軌跡，或加工出需要的零件形狀。98概述（3）刀具軌跡的計算36概述1.2現(xiàn)代控制技術及發(fā)展1.2.1數(shù)控技術的發(fā)展史由于計算機的誕生，在1952年產生了世界上第一臺3坐標立式數(shù)控銑床，標志著數(shù)控技術發(fā)展的開始。因此，數(shù)控技術的發(fā)展歷史，同計算機的發(fā)展歷史息息相關，也同數(shù)控機床的發(fā)展歷史息息相關。99概述1.2現(xiàn)代控制技術及發(fā)展37概述1.2.1.1數(shù)控技術的發(fā)展從數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展看數(shù)控技術的發(fā)展，大概分為以下幾個階段：第一階段1952年至1970年，這一階段的數(shù)控系統(tǒng)采用由硬件電路組成的專用計算機裝置，這種數(shù)控系統(tǒng)經歷三個時代，即電子管、晶體管和小規(guī)模集成電路時代。所采用的器件經過電子管、晶體管和小規(guī)模集成電路等幾次變革，但各種控制功能，如輸入裝置、插補運算、控制器等，都是由硬件邏輯電路來實現(xiàn)?？刂乒δ鼙容^簡單，使用靈活性較差。100概述1.2.1.1數(shù)控技術的發(fā)展38概述第二階段1970年至1974年，由于計算機的迅速發(fā)展，性能價格比不斷提高，小型計算機代替了數(shù)控系統(tǒng)中硬件構成的專用計算機裝置。這即是第四代數(shù)控系統(tǒng)，即計算機數(shù)控系統(tǒng)（CNC）。計算機數(shù)控用軟件實現(xiàn)了許多數(shù)控功能，使數(shù)控系統(tǒng)具有更大的適應性、柔性好計算機的優(yōu)勢在數(shù)控系統(tǒng)中得到充分發(fā)揮。第三階段1974年開始，隨著采用大規(guī)模集成電路的微處理器迅速發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)開始采用微型計算機，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展到第五代。由于微處理器的集成度不斷提高，運算速度越來越快，功能越來越豐富。今后微處理器的速度還會提高，數(shù)控的功能會有更大的提高，因此除了有特殊要求的系統(tǒng)外，中小型計算機數(shù)控均可用微型計算機數(shù)控來代替。101概述第二階段1970年至1974年，由于計算機的概述微機數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展，使得數(shù)控技術在整個20世紀80年代得到大規(guī)模的發(fā)展和應用，但是這種數(shù)控系統(tǒng)一直由系統(tǒng)制造廠家進行封閉壟斷性生產，使得這類數(shù)控產品專用性強，與標準計算機不兼容，通用性、軟件移植性和組網通訊能力較差。尤其從20世紀90年代開始，個人計算機即PC機的發(fā)展迅猛，它帶來的眾多成果不能被第五代數(shù)控系統(tǒng)及時采用。為了擺脫數(shù)控系統(tǒng)的這種局面，現(xiàn)在正在向開放式數(shù)控系統(tǒng)方向發(fā)展，目前朝該方向發(fā)展的一個具體表現(xiàn)是基于PC機的開放式數(shù)控系統(tǒng)，即第六代數(shù)控系統(tǒng)。這種系統(tǒng)從20世紀80年代初開始提出研制，直到20世紀90年代初得以實現(xiàn)。102概述微機數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展，使得數(shù)控技術在整個20世紀8概述這類系統(tǒng)結合了PC機的分析運算能力、大容量存儲功能、圖文顯示優(yōu)勢及組網的靈活性，使得數(shù)控系統(tǒng)的使用，具備了較為開放的模式。但是由于PC計算機能力的限制，阻礙了在這類數(shù)控系統(tǒng)朝高速和高精度方向的發(fā)展步伐。20世紀80年代末基于DSP(DigitalSignalProcessor)的運動控制技術的突破，為開放式數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展創(chuàng)造了新的條件。基于DSP的運動控制器為核心，融合PLC功能，與標準PC機集成的新一代開放式數(shù)控系統(tǒng)有可能成為第六代數(shù)控系統(tǒng)的主導產品。103概述這類系統(tǒng)結合了PC機的分析運算能力、大容量存儲功概述1.2.1.2從NC到CNC數(shù)控系統(tǒng)實質上是一臺專門用于機床信息處理的計算機。20世紀五六十年代的通用計算機在處理速度和結構上滿足不了機床加工的要求，不得不用電子元件來構成專門的邏輯部件，組成專用計算機來實現(xiàn)機床加工的要求，故稱之為Hard-WireNC（硬線連接數(shù)控），一般簡稱為NC。到60年代后期，小型計算機走向成熟并被引入數(shù)控，從此NC進化為CNC，NC部分功能開始改由軟件來實現(xiàn)。104概述1.2.1.2從NC到CNC42概述到70年代初，由于微電子技術的發(fā)展，由大規(guī)模集成電路構成的微處理器引入數(shù)控并取代了小型計算機。但由于當時CPU的位數(shù)少，速度低（4位、8位，到70年代末才有16位，時鐘頻率16位也只有4.77M），數(shù)控系統(tǒng)一些實時性很強的功能，如插補運算、位置控制等不得不仍舊依靠硬件來實現(xiàn)，故當時硬件品質的高低，就決定了CNC品質的高低，進入80年代中期及以后，由于微電子技術的飛躍發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)在高速化、多功能化、智能化、高精度化和高可靠性等方面得到了提高。105概述到70年代初，由于微電子技術的發(fā)展，由大規(guī)模集成概述現(xiàn)在所說的CNC系統(tǒng)實際上就是微機數(shù)控系統(tǒng)（CNC）。CNC系統(tǒng)從價格、功能、使用等綜合性指標考慮有標準型數(shù)控系統(tǒng)和經濟型數(shù)控系統(tǒng)。標準型數(shù)控系統(tǒng)也稱全功能數(shù)控系統(tǒng)，功能齊全，控制精度和運行精度都比較高，基本上都是閉環(huán)或半閉環(huán)控制系統(tǒng)；經濟型數(shù)控系統(tǒng)功能比較簡單，在我國，經濟型數(shù)控通常和步進驅動組成開環(huán)控制系統(tǒng)。106概述現(xiàn)在所說的CNC系統(tǒng)實際上就是微機數(shù)控系統(tǒng)（CN概述隨著微機技術的發(fā)展，用通用微機技術開發(fā)數(shù)控系統(tǒng)可以得到強有力的硬件和軟件支持，這些軟件和硬件技術是開放式的，此時的通用微機除了具備本身的功能外，還具備了全功能數(shù)控系統(tǒng)的所有功能，這是一條發(fā)展數(shù)控技術的途徑。當前全功能數(shù)控系統(tǒng)的特點有：107概述隨著微機技術的發(fā)展，用通用微機技術開發(fā)數(shù)控系統(tǒng)可以概述（1）選用高速微處理器微處理器是現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的核心部件，擔負著運算、存儲和控制等多重任務。其位數(shù)和運行速度直接關系到加工效率和加工精度。高速32位微處理器的采用，使得數(shù)控系統(tǒng)的輸入、譯碼、計算和輸出等環(huán)節(jié)都在高速下進行，同時提高了多軸聯(lián)動、進給速度和分辨力等指標?，F(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)控制軸數(shù)為3～15軸，有的多達20～24軸，同時控制軸數(shù)（聯(lián)動）為3～6軸?？焖龠M給速度及切削進給速度已達到100m/min（1μm分辨力）和24m/min（0.11μm分辨力）。108概述（1）選用高速微處理器微處理器是現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的概述（2）配置高速、功能強的可編程序控制器（PLC）數(shù)控系統(tǒng)除了對位置進行信息控制外，還要對I/O狀態(tài)量進行控制，數(shù)控系統(tǒng)中高速和強功能的可編程控制器能滿足數(shù)控機床這方面的需要。同時，PLC輸入/輸出點數(shù)和PLC容量的增加可滿足直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DNC）和柔性制造單元（FMC）的控制要求。109概述（2）配置高速、功能強的可編程序控制器（PLC）概述（3）CRT圖形顯示、人機對話功能及自診斷功能大多數(shù)現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)采用CRT與手動鍵盤配合，實現(xiàn)程序的輸入、編輯、修改和刪除等功能，具有前臺操作、后臺編輯的功能及用戶宏程序等；可以有二維圖形軌跡顯示，有的還可以實現(xiàn)三維彩色動態(tài)圖形的顯示。由于采用菜單選擇操作方式，操作簡單明了。系統(tǒng)具有硬件、軟件及機床故障的自診斷功能，提高了可維修性。110概述（3）CRT圖形顯示、人機對話功能及自診斷功能概述（4）具有多種監(jiān)控、檢測及補償功能為了提高數(shù)控機床的效率及加工精度，有些數(shù)控機床配置了各種測量裝置，如刀具磨損的檢測、機床精度及熱變形的檢測等，與之相適應，數(shù)控系統(tǒng)則具有刀具壽命管理、刀具參數(shù)補償、反向間隙及絲杠螺距誤差補償、熱變形補償?shù)裙δ?。?）CNC的智能化在現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)中，引進了自適應控制技術。數(shù)控系統(tǒng)能檢測對機床本身有影響的信息，并自動連續(xù)調整有關參數(shù)，以達到系統(tǒng)運行的最優(yōu)化。如測量工件狀態(tài)、調整刀具切削用量、進行尺寸控制，以滿足加工精度及表面粗糙度的要求等。在有的CNC系統(tǒng)中，還建立了切削率的數(shù)據(jù)庫及切削用量的專家系統(tǒng)等。大多數(shù)現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)都具有學習及示教功能。111概述（4）具有多種監(jiān)控、檢測及補償功能為了提高數(shù)控概述（6）通信功能一般數(shù)控系統(tǒng)都有簡單的通信功能，如采用RS-232C串行接口與編程機、微機等外設通信。現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)還要與其他數(shù)控系統(tǒng)或者上級計算機通信，所以除了RS-232C接口外，還有RS-422和DNC（直接數(shù)控）等多種通信接口。數(shù)控系統(tǒng)要單機進入柔性制造系統(tǒng)（FMS）進而形成計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS），就要求數(shù)控系統(tǒng)具有更高的通信功能，為此，有的數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)了符合ISO開放系統(tǒng)互聯(lián)七層網絡模型的通信規(guī)約，如MAP（制造自動化協(xié)議），為自動化技術發(fā)展創(chuàng)造了條件。112概述（6）通信功能一般數(shù)控系統(tǒng)都有簡單的通信功能，概述（7）標準化、通用化和模塊化現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的性能越來越完善，功能越來越多樣化，促使數(shù)控系統(tǒng)的硬件和軟件結構實現(xiàn)標準化，通用化和模塊化。選擇不同的標準化模塊可以組成各種數(shù)控機床的控制系統(tǒng)，能方便地移植計算機行業(yè)或自動化領域的成果，也便于現(xiàn)有的數(shù)控系統(tǒng)進一步擴展及升級。（8）開放性基于PC機的開放