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第一章 數(shù)控機(jī)床概述第一節(jié) 數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生與發(fā)展 隨著社會(huì)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，各類(lèi)工業(yè)新產(chǎn)品層出不窮。機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)作為國(guó)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(lèi)產(chǎn)品需要經(jīng)常改裝或調(diào)整設(shè)備，普通機(jī)床或?qū)I(yè)化程度高的自動(dòng)化機(jī)床顯然無(wú)法適應(yīng)這些要求。同時(shí)，隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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。 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 。1948年帕森斯公司（Parsons）正式接受美國(guó)空軍的委托，與麻省理工學(xué)院(MIT)伺服機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室（Servo Mechanism Laboratory of the Massachusetts Institute of Technology）合作，于1952年試制成功世界上第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床試驗(yàn)性樣機(jī)。 1959年，美國(guó)克耐杜列克公司（Keaney & Trecker）首次成功開(kāi)發(fā)了加工中心（Machining Center） 。11數(shù)控機(jī)床的發(fā)展簡(jiǎn)況第1代數(shù)控機(jī)床：1952年1959年采用電子管元件構(gòu)成的專(zhuān)用數(shù)控裝置（NC）。第2代數(shù)控機(jī)床：從1959年開(kāi)始采用晶體管電路的NC系統(tǒng)。第3代數(shù)控機(jī)床：從1965年開(kāi)始采用小、中規(guī)模集成電路的NC系統(tǒng)。第4代數(shù)控機(jī)床：從1970年開(kāi)始采用大規(guī)模集成電路的小型通用電子計(jì)算機(jī)控制的系統(tǒng)（CNC）。第5代數(shù)控機(jī)床：從1974年開(kāi)始采用微型計(jì)算機(jī)控制的系統(tǒng)（MNC）。微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 1計(jì)算機(jī)直接數(shù)控系統(tǒng)所謂計(jì)算機(jī)直接數(shù)控（Direct Numerical Control，DNC）系統(tǒng)，即使用一臺(tái)計(jì)算機(jī)為數(shù)臺(tái)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行自動(dòng)編程，編程結(jié)果直接通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)輸送到各臺(tái)數(shù)控機(jī)床的控制箱。 2柔性制造系統(tǒng)柔性制造系統(tǒng)（Flexible Manufacturing System，F(xiàn)MS）也叫做計(jì)算機(jī)群控自動(dòng)線(xiàn)，它是將一群數(shù)控機(jī)床用自動(dòng)傳送系統(tǒng)連接起來(lái)，并置于一臺(tái)計(jì)算機(jī)的統(tǒng)一控制之下，形成一個(gè)用于制造的整體。 3計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（Computer-Integrated Manufacturing System，CIMS），是指用最先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，控制從定貨、設(shè)計(jì)、工藝、制造到銷(xiāo)售的全過(guò)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)。 12我國(guó)數(shù)控機(jī)床發(fā)展概況1958年開(kāi)始并試制成功第一臺(tái)電子管數(shù)控機(jī)床。1965年開(kāi)始研制晶體管數(shù)控系統(tǒng)，直到20世紀(jì)60年代末至70年代初成功。從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，先后從日本、美國(guó)、德國(guó)等國(guó)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)FANUC3、FANUC5、FANUC6、FANUC7系列產(chǎn)品的制造技術(shù)；上海機(jī)床研究所引進(jìn)美國(guó)GE公司的MTC-1數(shù)控系統(tǒng)等。 13數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)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(dòng)化是數(shù)控機(jī)床的重要發(fā)展趨勢(shì)。 數(shù)控系統(tǒng)都采用了16位和32位微處理器，標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)及軟件模塊和硬件模塊結(jié)構(gòu)，內(nèi)存容量擴(kuò)大到1MB以上，機(jī)床分辨率可達(dá)0.1mm，高速進(jìn)給可達(dá)100m/min，控制軸數(shù)可達(dá)16個(gè)。第二節(jié) 數(shù)控機(jī)床的組成及工作原理21數(shù)控機(jī)床的組成數(shù)控機(jī)床是一種利用數(shù)控技術(shù)，按照事先編好的程序?qū)崿F(xiàn)動(dòng)作的機(jī)床。它主要由以下部分組成1控制介質(zhì)數(shù)控機(jī)床工作時(shí)，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(chēng)為控制介質(zhì)。 2數(shù)控系統(tǒng)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(dòng)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、控制器、運(yùn)算器和輸出裝置4大部分組成 。3伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)由伺服驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)床的移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)或使執(zhí)行部分動(dòng)作，以加工出符合要求的工件。每一個(gè)脈沖使機(jī)床移動(dòng)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0.001mm/脈沖。 4輔助控制系統(tǒng)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。 5機(jī)床本體機(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(dòng)部件（如工作臺(tái)、床鞍、主軸等）所組成。22數(shù)控機(jī)床的工作原理 在數(shù)控機(jī)床上加工零件通常要經(jīng)過(guò)以下幾個(gè)步驟1 根據(jù)零件的加工圖樣與工藝方案，用規(guī)定的代碼和程序格式編寫(xiě)程序單；2 把編寫(xiě)好的程序通過(guò)控制介質(zhì)輸入到CNC單元中去；3 CNC將輸入的程序經(jīng)過(guò)處理后，向機(jī)床各個(gè)坐標(biāo)的伺服系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)；4 伺服系統(tǒng)根據(jù)CNC單元發(fā)出的信號(hào)，驅(qū)動(dòng)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)部件，并控制必要的輔助操作；5 通過(guò)機(jī)床機(jī)械部件帶動(dòng)刀具與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，加工出要求的工件；6 檢測(cè)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)反饋裝置反饋給CNC單元，以減小加工誤差。當(dāng)然，對(duì)于開(kāi)環(huán)數(shù)控機(jī)床來(lái)說(shuō)沒(méi)有檢測(cè)、反饋裝置。第三節(jié) 數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍31數(shù)控機(jī)床的優(yōu)點(diǎn)1、 加工精度高數(shù)控機(jī)床是精密機(jī)械和自動(dòng)化技術(shù)的綜合體。機(jī)床的數(shù)控裝置可以對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的位移、熱變形等導(dǎo)致的誤差，通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償而獲得很高且穩(wěn)定的加工精度。由于數(shù)控機(jī)床實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加工，所以減少了操作人員素質(zhì)帶來(lái)的人為誤差，提高了同批零件的一致性。2、生產(chǎn)效率高就生產(chǎn)效率而言，相對(duì)普通機(jī)床，數(shù)控機(jī)床的效率一般能提高23倍、甚至十幾倍。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:a. 一次裝夾完成多工序加工，省去了普通機(jī)床加工的多次變換工種、工序間的轉(zhuǎn)件以及劃線(xiàn)等工序。b. 簡(jiǎn)化了夾具及專(zhuān)用工裝等，由于是一次裝夾完成加工。所以普通機(jī)床多工序的夾具省去了，即使偶爾必須用到專(zhuān)用夾具。由于數(shù)控機(jī)床的超強(qiáng)功能夾具的結(jié)構(gòu)也可簡(jiǎn)化。4、改善勞動(dòng)條件、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，數(shù)控機(jī)床大多采用全封閉護(hù)罩,機(jī)床不會(huì)有水、油、鐵屑濺出，可有效保持工作環(huán)境的清潔。數(shù)控機(jī)床的操作由體力型轉(zhuǎn)為智力型，大大降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。5、有利于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)管理現(xiàn)代化a. 程序化控制加工、更換品種方便；b. 一機(jī)多工序加工，減化生產(chǎn)過(guò)程的管理，減少管理人員；c. 可實(shí)現(xiàn)無(wú)人化生產(chǎn)。32數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用范圍數(shù)控機(jī)床是一種可編程的通用加工設(shè)備，但是因設(shè)備投資費(fèi)用較高，還不能用數(shù)控機(jī)床完全替代其他類(lèi)型的設(shè)備，因此，數(shù)控機(jī)床的選用有其一定的適用范圍。圖1-1（右）可粗略地表示數(shù)控機(jī)床的適用范圍。從圖1-1可看出，通用機(jī)床多適用于零件結(jié)構(gòu)不太復(fù)雜、生產(chǎn)批量較小的場(chǎng)合；專(zhuān)用機(jī)床適用于生產(chǎn)批量很大的零件；數(shù)控機(jī)床對(duì)于形狀復(fù)雜的零件盡管批量小也同樣適用。隨著數(shù)控機(jī)床的普及，數(shù)控機(jī)床的適用范圍也愈來(lái)愈廣，對(duì)一些形狀不太復(fù)雜而重復(fù)工作量很大的零件，如印制電路板的鉆孔加工等，由于數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)率高，也已大量使用。因而，數(shù)控機(jī)床的適用范圍已大大擴(kuò)展。 通用機(jī)床 圖1-1（左）表示當(dāng)采用通用機(jī)床、專(zhuān)用機(jī)床及數(shù)控機(jī)床加工時(shí)，零件生產(chǎn)批量與零件總加工費(fèi)用之間的關(guān)系。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，當(dāng)生產(chǎn)批量在100件以下，用數(shù)控機(jī)床加工具有一定復(fù)雜程度零件時(shí)，加工費(fèi)用最低，能獲得較高的經(jīng)濟(jì)效益。專(zhuān)用機(jī)床綜合費(fèi)用零件批量數(shù)專(zhuān)用機(jī)床數(shù)控機(jī)床普通機(jī)床數(shù)控機(jī)床零件批量10 100 200 零件復(fù)雜程度 圖1-1 數(shù)控機(jī)床的適用范圍由此可見(jiàn)，數(shù)控機(jī)床最適宜加工以下類(lèi)型的零件1） 生產(chǎn)批量小的零件(100件以下)；2） 需要進(jìn)行多次改型設(shè)計(jì)的零件；3） 加工精度要求高、結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜的零件，如箱體類(lèi)，曲線(xiàn)、曲面類(lèi)零件；4） 需要精確復(fù)制和尺寸一致性要求高的零件；5） 價(jià)值昂貴的零件，這種零件雖然生產(chǎn)量不大，但是如果加工中因出現(xiàn)差錯(cuò)而報(bào)廢將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)損失；第四節(jié) 數(shù)控機(jī)床的分類(lèi)1、按工業(yè)用途分類(lèi)（1）數(shù)控車(chē)床（ NC Lathe） （2）數(shù)控銑床(NC Milling Machine)（3）數(shù)控鉆床(NC Drilling Machine) (4) 數(shù)控鏜床(NC Boring Machine)（5）數(shù)控齒輪加工機(jī)床(NC Gearing Holding Machine)（6）數(shù)控平面磨床(NC Surface Grinding Machine)（7）數(shù)控外圓磨床(NC External Cylindrical Grinding Machine)（8）數(shù)控輪廓磨床(NC Contour Grinding Machine)（9）數(shù)控工具磨床(NC Tool Grinding Machine)（10）數(shù)控坐標(biāo)磨床(NC Jig Grinding Machine)（11）數(shù)控電火花加工機(jī)床(NC Dieseling Electric Discharge Machine)（12）數(shù)控線(xiàn)切割機(jī)床(NC Wire Discharge Machine)（13）數(shù)控激光加工機(jī)床(NC Laser Beam Machine) （14）數(shù)控沖床(NC Punching Press) （15）加工中心(Machine Center)（16）數(shù)控超聲波加工機(jī)床NC Ultrasonic Machine) （17）其他（如三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等）2、按控制系統(tǒng)的特點(diǎn)分類(lèi) （1）點(diǎn)位控制系統(tǒng)（Positioning Control）只控制刀具從一點(diǎn)到另一點(diǎn)的位置，而不控制移動(dòng)軌跡，在移動(dòng)過(guò)程中刀具不進(jìn)行切削加工。（2）直線(xiàn)控制系統(tǒng)（Straight-line Control）是控制刀具或機(jī)床工作臺(tái)以給定的速度，沿平行于某一坐標(biāo)軸方向，由一個(gè)位置到另一個(gè)位置的精確移動(dòng)，并且在移動(dòng)過(guò)程中進(jìn)行直線(xiàn)切削加工。（3）輪廓控制系統(tǒng)（Contour Control）是對(duì)兩個(gè)或兩個(gè)以上的坐標(biāo)軸同時(shí)進(jìn)行連續(xù)控制，并能對(duì)機(jī)床移動(dòng)部件的位移和速度進(jìn)行嚴(yán)格的控制，即要控制加工的軌跡，加工出要求的輪廓。其運(yùn)動(dòng)軌跡是任意斜率的直線(xiàn)、圓弧、螺旋線(xiàn)等。3、按控制方式分類(lèi)（1）開(kāi)環(huán)控制（Open Loop Control）即不帶位置測(cè)量元件，數(shù)控裝置根據(jù)控制介質(zhì)上的指令信號(hào)，經(jīng)控制運(yùn)算發(fā)出指令脈沖，使伺服驅(qū)動(dòng)元件轉(zhuǎn)過(guò)一定的角度，并通過(guò)傳動(dòng)齒輪、滾珠絲杠螺母副，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如工作臺(tái)）移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)。特點(diǎn)是沒(méi)有來(lái)自位置測(cè)量元件的反饋信號(hào)，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作情況不進(jìn)行檢查，指令流向?yàn)閱蜗?，控制精度較低。（2）閉環(huán)控制（Closed Loop Control）是將位置檢測(cè)裝置安裝于機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件上，加工中將測(cè)量到的實(shí)際位置值反饋。另外通過(guò)與伺服電機(jī)剛性連接的測(cè)速元件，隨時(shí)實(shí)測(cè)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，得到速度反饋信號(hào)，并與速度指令信號(hào)相比較，其比較的差值對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨時(shí)進(jìn)行校正，直至實(shí)現(xiàn)移動(dòng)部件工作臺(tái)的最終精確