第1章 數(shù)控緒論

數(shù)控技術(shù)機(jī)械與電子工程學(xué)院主講：馮濤二零零九年二月數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字程序控制數(shù)控機(jī)械實(shí)現(xiàn)自動(dòng)工作的技術(shù)。它是現(xiàn)代制造技術(shù)的基礎(chǔ)，它的廣泛應(yīng)用，使普通機(jī)械被數(shù)控機(jī)械所代替，全球制造業(yè)發(fā)生了根本性的變化。因此，數(shù)控技術(shù)的水準(zhǔn)、擁有和普及程度，已經(jīng)成為衡量一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力和工業(yè)現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志。數(shù)控技術(shù)數(shù)控技術(shù)1

緒論1.1數(shù)控技術(shù)的基本概念1.2數(shù)控機(jī)床的分類(lèi)1.3數(shù)控技術(shù)的產(chǎn)生、發(fā)展和技術(shù)水平

1緒論1.1數(shù)控技術(shù)的基本概念一、數(shù)控技術(shù)和數(shù)控機(jī)床

1、數(shù)控技術(shù)數(shù)控技術(shù)，是一種采用計(jì)算機(jī)對(duì)機(jī)械加工過(guò)程中各種控制信息進(jìn)行數(shù)字化處理、運(yùn)算、并通過(guò)高性能的驅(qū)動(dòng)單元對(duì)機(jī)械執(zhí)行構(gòu)件進(jìn)行自動(dòng)化控制的高新技術(shù)。

國(guó)標(biāo)定義為：“用數(shù)字化信號(hào)（數(shù)字、字母和符號(hào)）對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)及其加工過(guò)程進(jìn)行控制的一種方法”。簡(jiǎn)稱(chēng)數(shù)控（NC）。數(shù)字控制是與機(jī)床控制密切結(jié)合而發(fā)展起來(lái)的，因此人們習(xí)慣上說(shuō)的數(shù)控指機(jī)床數(shù)控。1.1數(shù)控技術(shù)的基本概念2、數(shù)控機(jī)床

就是采用了數(shù)控技術(shù)的機(jī)床。

國(guó)際信息處理聯(lián)盟委員會(huì)定義如下：“數(shù)控機(jī)床是一個(gè)裝有程序控制系統(tǒng)的機(jī)床，該系統(tǒng)能夠邏輯地處理具有使用代碼或其他符號(hào)編碼指令規(guī)定的程序”。1.1數(shù)控技術(shù)的基本概念數(shù)控系統(tǒng)：是指實(shí)現(xiàn)數(shù)控技術(shù)相關(guān)功能的軟、硬件模塊的有機(jī)集成系統(tǒng)，它是數(shù)控技術(shù)的載體，即是數(shù)控裝置和伺服控制部分的統(tǒng)稱(chēng)。

計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)：是指以計(jì)算機(jī)為核心的數(shù)控系統(tǒng)。

數(shù)控加工技術(shù)：應(yīng)用裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)械加工設(shè)備進(jìn)行加工的技術(shù)。1.1數(shù)控技術(shù)的基本概念二、機(jī)床數(shù)字控制的原理(即數(shù)控加工的原理）

是將加工過(guò)程所需的各種操作步驟以及工件的形狀尺寸（即零件的幾何信息和工藝信息）用程序----數(shù)字化的代碼來(lái)表示（稱(chēng)為數(shù)字信息），再由計(jì)算機(jī)的數(shù)控裝置對(duì)這些輸入的信息進(jìn)行處理和運(yùn)算。把刀具與工件的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)分割成一些最小單位量，即最小位移量，然后由數(shù)控系統(tǒng)按照零件程序的要求控制機(jī)床伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，使坐標(biāo)移動(dòng)若干個(gè)最小位移量，從而實(shí)現(xiàn)工件與刀具之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，以完成零件的加工。1.1數(shù)控技術(shù)的基本概念當(dāng)被加工工件改變時(shí)，除了重新裝夾工件和更換刀具外，只需更換程序。在數(shù)控加工中，使數(shù)控機(jī)床動(dòng)作的是數(shù)控裝置給數(shù)控機(jī)床傳遞運(yùn)動(dòng)命令的脈沖群，每個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)于機(jī)床的單位位移量。1.1數(shù)控技術(shù)的基本概念圖1.1是點(diǎn)位控制、輪廓控制加工直線和曲線的原理示意圖。1.1數(shù)控技術(shù)的基本概念基本構(gòu)思：用沿曲線（逼近函數(shù)）的最小位移量合成的分段運(yùn)動(dòng)代替任意曲線運(yùn)動(dòng)，以得出所需的運(yùn)動(dòng)。在進(jìn)行曲線加工時(shí)，可以用一給定的數(shù)字函數(shù)來(lái)模擬線段ΔL，即知道了一條曲線的種類(lèi)、起點(diǎn)、終點(diǎn)以及速度后，根據(jù)給定的數(shù)字函數(shù)，在理想的軌跡或輪廓上的已知點(diǎn)之間，進(jìn)行數(shù)據(jù)點(diǎn)的密化，確定一些中間點(diǎn)，這種方法稱(chēng)之為“插補(bǔ)”，處理這些插補(bǔ)的算法稱(chēng)之為插補(bǔ)運(yùn)算。1.1數(shù)控技術(shù)的基本概念由此可見(jiàn)，要實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工，則必須有一臺(tái)能達(dá)到下述要求的數(shù)控設(shè)備：

（1）數(shù)控裝置，即能接受零件圖樣加工要求的信息，并按照一定的數(shù)字模型進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，實(shí)時(shí)地向各坐標(biāo)軸發(fā)出速度控制指令及切削用量的數(shù)字控制計(jì)算機(jī)。（2）具有快速響應(yīng)，并且有足夠功率的伺服驅(qū)動(dòng)裝置。（3）必須有滿足上述加工方式要求的機(jī)床主機(jī)，刀具、輔助設(shè)備以及各種加工所需的輔助功能，如：主軸啟停，刀具更換，冷卻液的開(kāi)關(guān)，各種運(yùn)動(dòng)的互鎖、連鎖，運(yùn)動(dòng)行程的限位等，這些均屬于開(kāi)關(guān)量控制，一般由可編程控制器PLC來(lái)完成。1.1數(shù)控技術(shù)的基本概念三、數(shù)控機(jī)床的組成下圖是一臺(tái)三坐標(biāo)數(shù)控銑床的組成圖。1.1數(shù)控技術(shù)的基本概念控制介質(zhì)數(shù)控裝置檢測(cè)裝置機(jī)床伺服系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床一般由信息輸入、數(shù)控裝置、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)床本體、機(jī)電接口、輔助程編機(jī)及其它一些附屬設(shè)備組成。1.1數(shù)控技術(shù)的基本概念1．信息輸入數(shù)控機(jī)床要進(jìn)行切削加工,必須有各種加工信息,信息載體（即控制介質(zhì)）上存儲(chǔ)著加工零件所需的全部操作信息和刀具相對(duì)于工件的位移信息.信息載體有紙帶、磁帶、磁盤(pán)，加工零件的程序和各種參數(shù)、數(shù)據(jù)通過(guò)輸入設(shè)備送入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（數(shù)控裝置），輸入方式較多，如紙帶、磁盤(pán)、磁帶、手搖脈沖發(fā)生器、通訊接口、CRT/MDI。1.1數(shù)控技術(shù)的基本概念2、計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置（CNC）控制系統(tǒng)的主要作用是對(duì)輸入的零件加工程序進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算和邏輯運(yùn)算，然后向伺服系統(tǒng)發(fā)出控制信號(hào)。它是數(shù)控機(jī)床的核心部分。是由CPU、存儲(chǔ)器、總線和相應(yīng)的軟件構(gòu)成的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)，它完成加工程序的輸入、編輯及修改，實(shí)現(xiàn)信息存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)變換、代碼轉(zhuǎn)換、插補(bǔ)運(yùn)算以及各種控制功能。1.1數(shù)控技術(shù)的基本概念主要功能如下：①多軸聯(lián)動(dòng)，多坐標(biāo)控制。②實(shí)現(xiàn)多種函數(shù)的插補(bǔ)。③多種程序輸入功能，編輯和修改功能。④信息轉(zhuǎn)換功能。⑤補(bǔ)償功能。⑥多種加工方式選擇。⑦具有故障自診斷功能。⑧顯示功能。⑨通訊和聯(lián)網(wǎng)功能。1.1數(shù)控技術(shù)的基本概念3、伺服驅(qū)動(dòng)裝置和檢測(cè)反饋裝置。

伺服驅(qū)動(dòng)裝置又稱(chēng)為伺服系統(tǒng)，它接受計(jì)算機(jī)運(yùn)算處理結(jié)果的信號(hào)，經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路將信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、放大以后去驅(qū)動(dòng)各個(gè)坐標(biāo)的伺服電動(dòng)機(jī)，并且隨時(shí)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)末端件（伺服電動(dòng)機(jī)或工作臺(tái)）的實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況，進(jìn)行嚴(yán)格的速度和位置反饋控制。這一部分影響數(shù)控機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性和輪廓加工精度。1.1數(shù)控技術(shù)的基本概念4、機(jī)床本體包括機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)部件、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)部件和其他相關(guān)的底座、立柱、滑鞍、工作臺(tái)（或刀架）、床身、導(dǎo)軌等。要求基礎(chǔ)件的剛度好，精度保持性好，運(yùn)動(dòng)精度高。機(jī)床主體是加工運(yùn)動(dòng)的實(shí)際部件。特點(diǎn)：（1）主軸功率大，床身剛度高、抗震性好、熱變形小。（2）采用高效傳動(dòng)件。傳動(dòng)靈活，傳動(dòng)精度高。（3）有刀具自動(dòng)交換系統(tǒng)和管理系統(tǒng)。（4）有工件自動(dòng)交換系統(tǒng)以及液壓夾緊放松機(jī)構(gòu)。（5）有全封閉或半封閉的安全防護(hù)設(shè)施。1.1數(shù)控技術(shù)的基本概念5、機(jī)電接口

數(shù)控機(jī)床除了實(shí)現(xiàn)加工零件輪廓軌跡控制外，還有其它許多動(dòng)作，如刀具的更換，工件的松夾，冷卻液的開(kāi)停，各坐標(biāo)的行程限位，各個(gè)運(yùn)動(dòng)的互鎖、連鎖，機(jī)床的急停，程序停止，以及各種離合器的開(kāi)合，電磁鐵的通斷等等，這些屬于開(kāi)關(guān)量控制，一般采用可編程控制器（PLC）來(lái)實(shí)現(xiàn)。PLC處理的是數(shù)字信息“0”和“1”。1.1數(shù)控技術(shù)的基本概念四、數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)數(shù)控機(jī)床是實(shí)現(xiàn)柔性自動(dòng)化的關(guān)鍵設(shè)備，是柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線的基本單元，它具有以下優(yōu)勢(shì)：1、能加工一般機(jī)床所不能加工或難以加工的復(fù)雜型面，如復(fù)雜模具，發(fā)電機(jī)葉片、整體渦輪等復(fù)雜零件。1.1數(shù)控技術(shù)的基本概念2、采用數(shù)控機(jī)床加工可以達(dá)到更高的精度和穩(wěn)定的質(zhì)量。數(shù)控機(jī)床是按預(yù)定的程序自動(dòng)加工，且加工精度還可以用軟件進(jìn)行校正補(bǔ)償。數(shù)控機(jī)床在整體設(shè)計(jì)中考慮了整機(jī)剛度和零件的制造精度，又采用高精度的滾珠絲杠傳動(dòng)副，機(jī)床的定位精度和重復(fù)定位精度都很高。特別是有的數(shù)控機(jī)床具有加工過(guò)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)和誤差補(bǔ)償?shù)裙δ?，因而能可靠地保證加工精度和尺寸的穩(wěn)定性。

1.1數(shù)控技術(shù)的基本概念3、具有高生產(chǎn)率。采用較大切削用量，自動(dòng)換刀，自動(dòng)變換工件，自動(dòng)變速，因此與普通機(jī)床相比，可提高生產(chǎn)率2～3倍。數(shù)控機(jī)床在加工中零件的裝夾次數(shù)少，一次裝夾可加工出很多表面，省去了劃線找正和檢測(cè)等許多中間環(huán)節(jié)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，普通機(jī)床的凈切削時(shí)間一般占總切削時(shí)間的15%--20%，而數(shù)控機(jī)床可達(dá)65%--70%，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀的帶刀庫(kù)數(shù)控機(jī)床甚至可達(dá)75%--80%。加工復(fù)雜工件時(shí)，效率可提高5--10倍。1.1數(shù)控技術(shù)的基本概念

4、具有較大的靈活性和廣泛的適應(yīng)性。可以適應(yīng)不同品種尺寸規(guī)格零件，一般借用通用夾具，只需更換程序，即可適應(yīng)不同零件的加工。

5、一機(jī)多用。加工中心在一次裝夾后幾乎能完成零件的全部加工部位的加工，節(jié)省了設(shè)備，時(shí)間等。

6、在制品少，從而加速了流動(dòng)資金的周轉(zhuǎn)，提高了經(jīng)濟(jì)效益。7、可以改善生產(chǎn)環(huán)境，減輕了操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度。8、可以實(shí)現(xiàn)較精確的成本核算和生產(chǎn)安排。

1.1數(shù)控技術(shù)的基本概念綜上分析，最適合在數(shù)控機(jī)床上加工的零件可歸納如下：（1）輪廓形狀復(fù)雜，加工精度較高的零件。（2）用普通機(jī)床加工時(shí)，需要制作復(fù)雜的工藝裝備的零件。（3）用普通機(jī)床加工時(shí)，工藝路線過(guò)長(zhǎng)，工裝過(guò)多的零件。（4）多品種、小批量生產(chǎn)的零件。（5）新產(chǎn)品的試制零件。（6）價(jià)值昂貴，加工中不允許報(bào)廢的零件。（7）生產(chǎn)周期短的零件。（8）集多種工序于一體的箱體零件。1.1數(shù)控技術(shù)的基本概念一、按運(yùn)動(dòng)控制的特點(diǎn)分類(lèi)1、點(diǎn)位控制數(shù)控機(jī)床這種機(jī)床只要求獲得精確的孔系坐標(biāo)定位精度，而不控制從一個(gè)孔到另一個(gè)孔的運(yùn)動(dòng)軌跡，在坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，不進(jìn)行切削加工。1.2數(shù)控機(jī)床的分類(lèi)2、直線控制數(shù)控機(jī)床是指控制機(jī)床工作臺(tái)或刀具以要求的進(jìn)給速度，沿著平行于坐標(biāo)軸的方向進(jìn)行直線移動(dòng)和切削加工的機(jī)床。這類(lèi)機(jī)床有準(zhǔn)確的定位功能，而且還要控制位移的速度。一般情況下這類(lèi)機(jī)床有兩到三個(gè)可控制的軸，但同時(shí)只能控制一個(gè)。直線控制也稱(chēng)單軸數(shù)控。1.2數(shù)控機(jī)床的分類(lèi)3、輪廓控制的數(shù)控機(jī)床該類(lèi)機(jī)床在加工過(guò)程中，時(shí)刻都對(duì)各坐標(biāo)軸的位移和速度進(jìn)行嚴(yán)格的連續(xù)的控制，是具有同時(shí)控制兩個(gè)或兩個(gè)以上坐標(biāo)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)（即插補(bǔ)）的數(shù)控機(jī)床?？梢约庸で€或曲面的零件。按照聯(lián)動(dòng)軸數(shù)，可以分為兩坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)控制，2.5坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)控制，三坐標(biāo)、四坐標(biāo)、五坐標(biāo)等聯(lián)動(dòng)控制。輪廓加工的實(shí)例如圖1.4所示。1.2數(shù)控機(jī)床的分類(lèi)1.2數(shù)控機(jī)床的分類(lèi)二、按伺服系統(tǒng)的類(lèi)型分類(lèi)1、開(kāi)環(huán)系統(tǒng)控制的數(shù)控機(jī)床

這類(lèi)機(jī)床沒(méi)有位置檢測(cè)反饋裝置，其精度主要取決于驅(qū)動(dòng)元器件和電機(jī)（步進(jìn)電動(dòng)機(jī)）的性能。特點(diǎn)：調(diào)試簡(jiǎn)單，系統(tǒng)易穩(wěn)定，精度低，價(jià)廉。指令脈沖1.2數(shù)控機(jī)床的分類(lèi)2、閉環(huán)系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床該類(lèi)機(jī)床數(shù)控裝置中插補(bǔ)器發(fā)出的位置指令信號(hào)與工作臺(tái)（或刀架）上檢測(cè)到的實(shí)際位置反饋信號(hào)進(jìn)行比較，根據(jù)其差值不斷控制運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行誤差修正，直到差值為零停止運(yùn)動(dòng)。指令1.2數(shù)控機(jī)床的分類(lèi)特點(diǎn)：系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、調(diào)整難度大，加工精度高，機(jī)床工作精度主要取決于測(cè)量元件的精度?？上到y(tǒng)中的機(jī)械傳動(dòng)部件制造誤差對(duì)加工精度帶來(lái)的影響。1.2數(shù)控機(jī)床的分類(lèi)3、半閉環(huán)控制的數(shù)控機(jī)床

這類(lèi)機(jī)床的檢測(cè)元件裝在電機(jī)軸或絲杠軸的端部，這種系統(tǒng)的閉環(huán)控制環(huán)內(nèi)不包括機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)，該系統(tǒng)反饋的是進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的部分誤差，由于采用了高分辨率的