第1章數(shù)控機(jī)床概述

數(shù)控加工與編程福建信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系1、了解數(shù)控技術(shù)發(fā)展的歷史沿革

2、理解數(shù)控機(jī)床的基本組成及工作原理

4、熟悉數(shù)控機(jī)床安全操作規(guī)程與日常維護(hù)知識

3、掌握數(shù)控機(jī)床的分類和加工特點

第1章數(shù)控機(jī)床基礎(chǔ)

1.1.1數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生及歷史沿革

1.1.2數(shù)控機(jī)床的分類1.1.3數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用及發(fā)展

1.1數(shù)控機(jī)床概述1.1.1數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生及歷史沿革數(shù)控（NumericalControl）指用數(shù)字指令來控制一臺或一臺以上機(jī)械的動作。數(shù)控機(jī)床（NumericalControlMachineTools）是用數(shù)字代碼形式的信息（程序指令），控制刀具按給定的工作程序、運動速度和軌跡進(jìn)行自動加工的機(jī)床，簡稱數(shù)控機(jī)床。CNC：采用小型計算機(jī)控制的計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)。

1948年，美國帕森斯公司接受美國空軍委托，研制直升飛機(jī)螺旋槳葉片輪廓檢驗用樣板的加工設(shè)備。由于樣板形狀復(fù)雜多樣，精度要求高，一般加工設(shè)備難以適應(yīng)，于是提出采用數(shù)字脈沖控制機(jī)床的設(shè)想。

1.1.1數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生及歷史沿革1949年，該公司與美國麻省理工學(xué)院（MIT）開始共同研究，并于1952年試制成功第一臺三坐標(biāo)數(shù)控銑床，當(dāng)時的數(shù)控裝置采用電子管元件。

1959年，數(shù)控裝置采用了晶體管元件和印刷電路板，出現(xiàn)帶自動換刀裝置的數(shù)控機(jī)床，稱為加工中心（MCMachiningCenter），使數(shù)控裝置進(jìn)入了第二代，

1965年，出現(xiàn)了第三代的集成電路數(shù)控裝置，不僅體積小，功率消耗少，且可靠性提高，價格進(jìn)一步下降，促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床品種和產(chǎn)量的發(fā)展。

1.1.1數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生及歷史沿革60年代末，先后出現(xiàn)了由一臺計算機(jī)直接控制多臺機(jī)床的直接數(shù)控系統(tǒng)（簡稱DNC），又稱群控系統(tǒng)；采用小型計算機(jī)控制的計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)（簡稱CNC），使數(shù)控裝置進(jìn)入了以小型計算機(jī)化為特征的第四代。

1974年，研制成功使用微處理器和半導(dǎo)體存貯器的微型計算機(jī)數(shù)控裝置（簡稱MNC），這是第五代數(shù)控系統(tǒng)。

20世紀(jì)80年代初，隨著計算機(jī)軟、硬件技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了能進(jìn)行人機(jī)對話式自動編制程序的數(shù)控裝置；數(shù)控裝置愈趨小型化，可以直接安裝在機(jī)床上；數(shù)控機(jī)床的自動化程度進(jìn)一步提高，具有自動監(jiān)控刀具破損和自動檢測工件等功能。

1.1.1數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生及歷史沿革20世紀(jì)90年代后期，出現(xiàn)了PC+CNC智能數(shù)控系統(tǒng)，即以PC機(jī)為控制系統(tǒng)的硬件部分，在PC機(jī)上安裝NC軟件系統(tǒng)，此種方式系統(tǒng)維護(hù)方便，易于實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化制造。

1.1.2數(shù)控機(jī)床的分類

1、按運動的軌跡分類（1）點位控制數(shù)控機(jī)床（2）直線控制數(shù)控機(jī)床（3）輪廓控制數(shù)控機(jī)床

1.1.2數(shù)控機(jī)床的分類

（1）點位控制數(shù)控機(jī)床這類控制系統(tǒng)的特點是只控制刀具相對于工件定位點的位置精度，不控制點與點之間的運動軌跡，在移動過程中刀具不進(jìn)行切削。

具有這種運動控制系統(tǒng)的機(jī)床如數(shù)控鉆床、數(shù)控坐標(biāo)鏜床、數(shù)控沖床、數(shù)控點焊機(jī)及數(shù)控測量機(jī)等。

1.1.2數(shù)控機(jī)床的分類

（2）直線控制數(shù)控機(jī)床一些數(shù)控機(jī)床不僅要求具有準(zhǔn)確的定位功能，而且要求從一點到另一點之間按直線移動，并能控制移動的速度，因為刀具在移動過程中要進(jìn)行切削加工。具有這種運動軌跡控制的數(shù)控機(jī)床稱為直線控制數(shù)控機(jī)床，如數(shù)控車床、數(shù)控鏜銑床等。

1.1.2數(shù)控機(jī)床的分類

（3）輪廓控制數(shù)控機(jī)床輪廓控制數(shù)控機(jī)床（或稱連續(xù)控制機(jī)床），它的特點是能夠?qū)蓚€或兩個以上的坐標(biāo)軸方向同時進(jìn)行連續(xù)控制，并能對位移和速度進(jìn)行嚴(yán)格的不間斷的控制。這類數(shù)控機(jī)床需要控制刀尖整個運動軌跡，使它嚴(yán)格地按加工表面的輪廓形狀連續(xù)地運動，并在移動時進(jìn)行切削加工，可以加工任意斜率的直線、圓弧和其他函數(shù)關(guān)系曲線。采用這類控制系統(tǒng)的機(jī)床有數(shù)控銑床、數(shù)控磨床、加工中心等。

1.1.2數(shù)控機(jī)床的分類

2、按伺服控制系統(tǒng)分類（1）開環(huán)伺服系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床（2）閉環(huán)伺服系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床（3）半閉環(huán)伺服系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床

1.1.2數(shù)控機(jī)床的分類

（1）開環(huán)伺服系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床開環(huán)控制數(shù)控機(jī)床運動部件的位移沒有檢測反饋裝置，數(shù)控裝置發(fā)出信號是單向的，通常采用功率步進(jìn)電機(jī)作位移的伺服機(jī)構(gòu)。數(shù)控裝置發(fā)出的指令脈沖信號，通過環(huán)形分配器和驅(qū)動電路控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過相應(yīng)的角度，再經(jīng)過減速器帶動絲杠轉(zhuǎn)動，從而使工作臺移動。位移的精度主要決定于該系統(tǒng)各有關(guān)零部件的制造精度。開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)具有工作穩(wěn)定、調(diào)試方便、維修簡單、成本較低等特點，但伺服機(jī)構(gòu)的誤差沒有補償和校正，所以精度較低，適用于精度要求不高、驅(qū)動力矩不大的場合。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床一般都采用開環(huán)控制系統(tǒng)。

1.1.2數(shù)控機(jī)床的分類

（2）閉環(huán)伺服系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床的特點是在機(jī)床的運動部件上安裝有直線位移測量裝置，將測量出的實際位移值反饋到數(shù)控裝置中與輸入的指令位移值相比較，用差值進(jìn)行控制，直至差值為零。所以，能實現(xiàn)運動部件的精確定位。該系統(tǒng)加工精度高，但系統(tǒng)的設(shè)計、調(diào)試、維修困難，且系統(tǒng)復(fù)雜，成本高，主要是一些精度要求很高的鏜銑床、超精車床和大型數(shù)控機(jī)床等。

1.1.2數(shù)控機(jī)床的分類

（3）半閉環(huán)伺服系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床半閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床如圖1-6所示，其位置反饋采用轉(zhuǎn)角檢測裝置，如圓光柵、光電編碼器及旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器等，直接安裝在伺服電機(jī)或絲杠端部。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(zhuǎn)角，間接地測量工作臺位移量，然后再反饋給數(shù)控裝置。由于工作臺位移沒有完全包括在控制回路中，故稱半閉環(huán)控制系統(tǒng)。目前已將角位移檢測器與伺服電機(jī)設(shè)計成一個部件，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，安裝、調(diào)試都比較方便。由于大部分機(jī)械傳動環(huán)節(jié)未包括在系統(tǒng)閉環(huán)環(huán)路內(nèi)，因此可獲得較穩(wěn)定的控制特性。這種控制系統(tǒng)的精度沒有閉環(huán)系統(tǒng)高，目前大多數(shù)中、小型數(shù)控機(jī)床都采用這種控制方式。

1.1.2數(shù)控機(jī)床的分類1.1.2數(shù)控機(jī)床的分類

3、按功能水平分類通常把數(shù)控系統(tǒng)分為低、中、高三類

1.1.2數(shù)控機(jī)床的分類

數(shù)控系統(tǒng)不同檔次分類1.1.2數(shù)控機(jī)床的分類

4、按工藝方法分類一般數(shù)控機(jī)床：金屬切削類（數(shù)控的車床、銑床、磨床與齒輪加工機(jī)床等）；金屬成型類（數(shù)控的沖壓機(jī)、彎管機(jī)、裁剪機(jī)等）特種加工機(jī)床：數(shù)控的電火花切割機(jī)、火焰切割機(jī)、點焊機(jī)、激光加工機(jī)等。加工中心：是一種帶有自動換刀裝置的數(shù)控機(jī)床。常見的有以加工箱體類零件為主的鏜銑類加工中心和幾乎能夠完成各種回轉(zhuǎn)體類零件所有工序加工的車削中心。非加工類：數(shù)控測量機(jī)、自動繪圖機(jī)、裝配機(jī)、工業(yè)機(jī)器人等。

1.1.3數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用及發(fā)展

1、高速度、高精度化2、更高的可靠性

3、更完善的自動編程技術(shù)4、更高的通信功能5、智能化6、數(shù)控系統(tǒng)的開放化

1.1.3數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用及發(fā)展1、高速度、高精度化現(xiàn)代機(jī)床CNC系統(tǒng)多采用32位CPU，并向64位CPU發(fā)展，并且采用多微處理器并行技術(shù)，使運算速度和數(shù)據(jù)處理能力得到很大提高。現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床采用了交流數(shù)字伺服驅(qū)動系統(tǒng)。伺服驅(qū)動系統(tǒng)的位置、速度和電流環(huán)都實現(xiàn)了數(shù)字化，并采用現(xiàn)代控制理論，實現(xiàn)了不受機(jī)械負(fù)荷變動影響的高速響應(yīng)伺服驅(qū)動。由于新型CNC系統(tǒng)和伺服驅(qū)動系統(tǒng)的采用，使數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給速度和分辨力得到很大提高。在100～240m／min的進(jìn)給速度下其位移分辨力可達(dá)1um，在24m／min的進(jìn)給速度下其位移分辨力可達(dá)0．1um，在2．4m／min的進(jìn)給速度下其位移分辨力可達(dá)0．01um?，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床還充分利用CNC系統(tǒng)的補償功能(如反向間隙補償功能、螺距誤差補償功能及熱補償功能等)來提高其加工精度和動態(tài)性能。1.1.3數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用及發(fā)展2、更高的可靠性由于現(xiàn)代機(jī)床CNC系統(tǒng)的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化和系列化，便于組織批量生產(chǎn)，有利于保證產(chǎn)品質(zhì)量。現(xiàn)代CNC系統(tǒng)大量采用大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路，采用專用芯片及混合式集成電路，提高了集成度，減少了元器件數(shù)量，降低了功耗，從而提高了可靠性。通過完善的故障診斷功能，實現(xiàn)對系統(tǒng)內(nèi)硬、軟件及外部設(shè)備的故障診斷和報警。利用報警提示及時排除故障；利用容錯技術(shù)，對重要部件采用“冗余”設(shè)計來實現(xiàn)故障自恢復(fù)；利用監(jiān)控檢測技術(shù)，對發(fā)生超程、刀具損壞、過熱、干擾、斷電等各種意外自動進(jìn)行相應(yīng)保護(hù)，從而保證了數(shù)控機(jī)床可靠的工作。1.1.3數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用及發(fā)展3、更完善的自動編程技術(shù)由于多微處理器并行技術(shù)的采用，使數(shù)控編程從離線編程發(fā)展到在線編程，即所謂的“前臺加工，后臺編程”。通過會話自動編程系統(tǒng)，不僅實現(xiàn)了在線零件加工程序的編制，還可以根據(jù)機(jī)床性能、工件材料及零件加工要求自動選擇刀具及最佳切削用量，生成工藝路線，并實現(xiàn)切削仿真，大大提高了對復(fù)雜型面編程的效率。1.1.3數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用及發(fā)展4、更高的通信功能為了適應(yīng)自動化技術(shù)的不斷發(fā)展，適應(yīng)工廠自動化規(guī)模越來越大的要求，為了使數(shù)控機(jī)床更易于進(jìn)入柔性制造系統(tǒng)和計算機(jī)集成制造系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)中，機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的接口數(shù)據(jù)交換能力和通信能力在不斷加強(qiáng)。目前，已通過配置的RS—232、RS—422串行接口實現(xiàn)了對伺服、計算機(jī)的數(shù)據(jù)交換。通過網(wǎng)絡(luò)接口可以方便地實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接。如SIEMENS公司的Sinu—meric850／880系統(tǒng)設(shè)置有SINECHl網(wǎng)絡(luò)接口和MAP網(wǎng)絡(luò)接口(SINECH2接口)，通過網(wǎng)絡(luò)接口可將數(shù)據(jù)系統(tǒng)連接到SIEMENS的SINECHl網(wǎng)絡(luò)和MAP工業(yè)局域網(wǎng)絡(luò)中。FANUC公司的FANUC15系統(tǒng)也配置了類似的網(wǎng)絡(luò)接口，為了便于接人工業(yè)局域網(wǎng)，還可配置MAP3．0接口板。1.1.3數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用及發(fā)展5、智能化計算機(jī)軟、硬件技術(shù)的發(fā)展，人工智能技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)智能化的進(jìn)程。機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的智能化主要體現(xiàn)在：(1)將自適應(yīng)控制應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)中，構(gòu)成自適應(yīng)數(shù)控系統(tǒng)(AC—NCSystem)。。(2)故障診斷的智能化，即數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)置實時診斷軟件，在數(shù)控機(jī)床整個工作過程中進(jìn)行故障診斷并指導(dǎo)故障的排除。一旦發(fā)生故障，除采用停機(jī)措施，利用CRT進(jìn)行故障報警，提示故障發(fā)生的部位和原因外，還可以利用“冗余”技術(shù)，自動使故障模塊脫機(jī)，接通備用模塊，以滿足無人化工作環(huán)境的要求。(3)刀具壽命自動監(jiān)控檢測技術(shù)的應(yīng)用。即利用紅外、聲發(fā)射(AE)、激光等檢測手段，對刀具和工件進(jìn)行監(jiān)控。發(fā)現(xiàn)工件超差，刀具損壞，及時報警、自動進(jìn)行補償或更換備用刀具，以確保產(chǎn)品質(zhì)量。。1.1.3數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用及發(fā)展6、數(shù)控系統(tǒng)的開放化隨著技術(shù)、市場、生產(chǎn)組織結(jié)構(gòu)諸方面的快速變化，對數(shù)控機(jī)床，特別是數(shù)控系統(tǒng)提出許多更新、更高的要求：(1)為了適應(yīng)不斷出現(xiàn)的新加工需求，數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)具有更強(qiáng)的軟、硬件重構(gòu)能力，而且重構(gòu)成本要低，重構(gòu)周期要短；(2)為了適應(yīng)未來車間面向任務(wù)和訂單的生產(chǎn)組織模式，使底層生產(chǎn)控制系統(tǒng)的集成更為簡便、有效，必須改變數(shù)控系統(tǒng)封閉型的設(shè)計模式；(3)為了適應(yīng)機(jī)床制造廠家的不同需要，數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)該具有高度的模塊化，可重新配置、修改、擴(kuò)充和改裝，機(jī)床制造廠家和用戶可以方便地將自己的成熟技術(shù)集成到數(shù)控系統(tǒng)中；(4)加強(qiáng)數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化，大幅度降低數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)、維護(hù)、培訓(xùn)的成本和周期。為了適應(yīng)新需要，尋求一種新的數(shù)控系統(tǒng)開放化發(fā)展模式已成必然。1.2.1數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)組成

1.2.2數(shù)控機(jī)床工作原理

1.2.3數(shù)控加工特點1.2數(shù)控機(jī)床組成及工作原理

1.2.1數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)組成

數(shù)控機(jī)床由信息輸入、數(shù)控裝置、伺服驅(qū)動及檢測裝置、機(jī)床本體、機(jī)電接口等五大部分組成。1.2.1數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)組成

1、信息輸入信息輸入是將加工零件的程序和各種參數(shù)、數(shù)據(jù)通過輸入設(shè)備送到數(shù)控裝置，輸人方式有穿孔紙帶、磁盤、鍵盤(MDI)、手搖脈沖發(fā)生器等。目前較多采用磁盤輸入，紙帶是一種比較傳統(tǒng)的輸入方式。也可以通過上位機(jī)通信接口輸入。2、數(shù)控裝置數(shù)控裝置是一種專用計算機(jī)，一般由中央處理單元(CPU)、存儲器、總線和輸入輸出接口等構(gòu)成。為了完成各種形狀的零件加工，該部分必須具備多種主要功能，如多軸聯(lián)動、多坐標(biāo)控制功能、多種函數(shù)插補功能、刀具補償功能、故障診斷功能、通信和聯(lián)網(wǎng)功能等等。數(shù)控裝置是整個數(shù)控機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的核心，決定了機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)功能的強(qiáng)弱。1.2.1數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)組成

3、伺服驅(qū)動及檢測裝置伺服驅(qū)動及檢測反饋是數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵部分，它影響數(shù)控機(jī)床的動態(tài)特性和輪廓加工精度。伺服驅(qū)動部分接受計算機(jī)運算處理后分配來的信號，經(jīng)過調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)換、放大以后去驅(qū)動伺服電機(jī)，帶動機(jī)床的執(zhí)行部件運動，并且隨時檢測伺服電機(jī)或工作臺的實際運動情況，進(jìn)行嚴(yán)格的速度和位置反饋控制。在伺服系統(tǒng)中包括安裝在伺服電機(jī)上的速度、位置檢測元件及相應(yīng)電路，該部分能及時將信息反饋回來，構(gòu)成閉環(huán)控制。4、機(jī)床本體機(jī)床本體包括機(jī)床的主運動部件、進(jìn)給運動部件、執(zhí)行部件和其他相關(guān)的底座、立柱、刀架、工作臺等基礎(chǔ)部件。數(shù)控機(jī)床是一種高精度、高效率和高度自動化機(jī)床，要求機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)具有較高的精度和剛度，精度保持性要好，主運動、進(jìn)給運動部件運動精度要高。機(jī)床的進(jìn)給傳動系統(tǒng)一般均采用精密滾珠絲杠、精密滾動導(dǎo)軌副、摩擦特性良好的滑動(貼塑)導(dǎo)軌副，以保證進(jìn)給系統(tǒng)的靈敏和精確?？梢哉f高精度、高剛度的機(jī)床本體結(jié)構(gòu)是保證數(shù)控機(jī)床高效、高精度、高度自動化加工的基礎(chǔ)。1.2.1數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)組成

5、機(jī)電接口（機(jī)床電氣控制）數(shù)控機(jī)床除了實現(xiàn)加工零件輪廓軌跡的數(shù)字控制外，還有許多功能由可編程控制器(簡稱PLC)來完成的邏輯順序控制。如自動換刀，冷卻液開、關(guān)，離合器的開、合，電磁鐵的通、斷，電磁閥的開、閉等等。這些邏輯開關(guān)量的動力來源是由強(qiáng)電線路提供的，必須經(jīng)過接口電路轉(zhuǎn)換成PLC可接受的信號。1.2.2數(shù)控機(jī)床工作原理

在數(shù)控機(jī)床上加工零件時，要事先根據(jù)零件加工圖樣的要求確定零件加工的工藝過程、工藝參數(shù)和刀具參數(shù)，再按規(guī)定編寫零件數(shù)控加工程序，然后通過手動數(shù)據(jù)輸入(MDI——ManualDataInput)方式或與計算機(jī)通訊等方式將數(shù)控加工程序送到數(shù)控系統(tǒng)，在數(shù)控系統(tǒng)控制軟件的支持下，經(jīng)過分析處理與計算后發(fā)出相應(yīng)的指令，通過伺服系統(tǒng)使機(jī)床按預(yù)定的軌跡運動，從而控制機(jī)床進(jìn)行零件的自動加工。1.3數(shù)控加工特點

1、自動化程度高2、具有加工復(fù)雜形狀零件的能力3、生產(chǎn)準(zhǔn)備周期短4、加工精度高、質(zhì)量穩(wěn)定5、生產(chǎn)效率高6、易于建立計算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)1.4.1數(shù)控機(jī)床安全操作規(guī)程1.4.2數(shù)控機(jī)床的日常維護(hù)

1.4數(shù)控機(jī)床安全操作規(guī)程與日常維護(hù)

1.4.1