第1章 數(shù)控緒論

1、數(shù)數(shù) 控控 技技 術(shù)術(shù)機械與電子工程學(xué)院機械與電子工程學(xué)院主講：馮 濤二零零九年二月v 數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字程序控制數(shù)控機械實現(xiàn)自動工作的技術(shù)。v 它是現(xiàn)代制造技術(shù)的基礎(chǔ)，它的廣泛應(yīng)用，使普通機械被數(shù)控機械所代替，全球制造業(yè)發(fā)生了根本性的變化。v 因此，數(shù)控技術(shù)的水準(zhǔn)、擁有和普及程度，已經(jīng)成為衡量一個國家綜合國力和工業(yè)現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志。 一、一、數(shù)控技術(shù)和數(shù)控機床數(shù)控技術(shù)和數(shù)控機床1、數(shù)控技術(shù)數(shù)控技術(shù) 數(shù)控技術(shù)數(shù)控技術(shù)，是一種采用計算機對機械加工過程中各種控制信息進行數(shù)字化處理、運算、并通過高性能的驅(qū)動單元對機械執(zhí)行構(gòu)件進行自動化控制的高新技術(shù)。 國標(biāo)定義為國標(biāo)定義為：“用數(shù)字化信號（數(shù)字、字

2、母和符號）對機床運動及其加工過程進行控制的一種方法”。簡稱數(shù)控（NC）。 數(shù)字控制是與機床控制密切結(jié)合而發(fā)展起來的，因此人們習(xí)慣上說的數(shù)控指機床數(shù)控。2 2、數(shù)控機床數(shù)控機床 就是采用了數(shù)控技術(shù)的機床。 國際信息處理聯(lián)盟委員會國際信息處理聯(lián)盟委員會定義定義如下：“數(shù)控機床是一個裝有程序控制系統(tǒng)的機床，該系統(tǒng)能夠邏輯地處理具有使用代碼或其他符號編碼指令規(guī)定的程序”。 數(shù)控系統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)：是指實現(xiàn)數(shù)控技術(shù)相關(guān)功能的軟、硬件模塊的有機集成系統(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。計算機數(shù)控系統(tǒng)計算機數(shù)控系統(tǒng)：是指以計算機為核心的數(shù)控系統(tǒng)。數(shù)控加工技術(shù)數(shù)控加工技術(shù)：應(yīng)用裝備了數(shù)控系統(tǒng)的

3、機械加工設(shè)備進行加工的技術(shù)。二、機床數(shù)字控制的原理機床數(shù)字控制的原理( (即數(shù)控加工的原理）即數(shù)控加工的原理） 是將加工過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)字化的代碼來表示（稱為數(shù)字信息），再由計算機的數(shù)控裝置對這些輸入的信息進行處理和運算。把刀具與工件的運動坐標(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床伺服驅(qū)動系統(tǒng)，使坐標(biāo)移動若干個最小位移量，從而實現(xiàn)工件與刀具之間的相對運動，以完成零件的加工。 當(dāng)被加工工件改變時，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)控機床動作的是數(shù)控裝置給數(shù)控機床傳遞

4、運動命令的脈沖群，每個脈沖對應(yīng)于機床的單位位移量。 圖圖1.11.1是點位控制、輪廓控制加工直線和曲線的原理示意圖。 基本構(gòu)思基本構(gòu)思：用沿曲線（逼近函數(shù)）的最小位移量合成的分段運動代替任意曲線運動，以得出所需的運動。 在進行曲線加工時，可以用一給定的數(shù)字函數(shù)來模擬線段L，即知道了一條曲線的種類、起點、終點以及速度后，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之間，進行數(shù)據(jù)點的密化，確定一些中間點，這種方法稱之為“插補插補”，處理這些插補的算法稱之為插補運算插補運算。 由此可見，要實現(xiàn)數(shù)控加工，則必須有一臺能達(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

5、一定的數(shù)字模型進行插補運動，實時地向各坐標(biāo)軸發(fā)出速度控制指令及切削用量的數(shù)字控制計算機。 （2）具有快速響應(yīng)，并且有足夠功率的伺服驅(qū)動裝置。 （3）必須有滿足上述加工方式要求的機床主機，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，冷卻液的開關(guān)，各種運動的互鎖、連鎖，運動行程的限位等，這些均屬于開關(guān)量控制，一般由可編程控制器PLC來完成。三、數(shù)控機床的組成數(shù)控機床的組成 下圖是一臺三坐標(biāo)數(shù)控銑床的組成圖?？刂平橘|(zhì)數(shù)控裝置檢測裝置機床伺服系統(tǒng) 數(shù)控機床一般由信息輸入、數(shù)控裝置、伺服驅(qū)動系統(tǒng)、機床本體、機電接口、輔助程編機及其它一些附屬設(shè)備組成。1信息輸入信息輸入 數(shù)控機床要進

6、行切削加工, 必須有各種加工信息,信息載體（即控制介質(zhì)）上存儲著加工零件所需的全部操作信息和刀具相對于工件的位移信息.信息載體有紙帶、磁帶、磁盤，加工零件的程序和各種參數(shù)、數(shù)據(jù)通過輸入設(shè)備送入計算機系統(tǒng)（數(shù)控裝置），輸入方式較多，如紙帶、磁盤、磁帶、手搖脈沖發(fā)生器、通訊接口、CRT/MDI。2、計算機數(shù)控裝置（計算機數(shù)控裝置（CNCCNC） 控制系統(tǒng)的主要作用是對輸入的零件加工程序進行數(shù)字運算和邏輯運算，然后向伺服系統(tǒng)發(fā)出控制信號。 它是數(shù)控機床的核心部分。是由CPU、存儲器、總線和相應(yīng)的軟件構(gòu)成的專用計算機，它完成加工程序的輸入、編輯及修改，實現(xiàn)信息存儲、數(shù)據(jù)變換、代碼轉(zhuǎn)換、插補運算以及各種

7、控制功能。 主要功能如下： 多軸聯(lián)動，多坐標(biāo)控制。 實現(xiàn)多種函數(shù)的插補。 多種程序輸入功能，編輯和修改功能。 信息轉(zhuǎn)換功能。 補償功能。 多種加工方式選擇。 具有故障自診斷功能。 顯示功能。 通訊和聯(lián)網(wǎng)功能。3、伺服驅(qū)動裝置和檢測反饋裝置。伺服驅(qū)動裝置和檢測反饋裝置。 伺服驅(qū)動裝置又稱為伺服系統(tǒng)，它接受計算機運算處理結(jié)果的信號，經(jīng)過驅(qū)動電路將信號進行轉(zhuǎn)換、放大以后去驅(qū)動各個坐標(biāo)的伺服電動機，并且隨時檢測運動末端件（伺服電動機或工作臺）的實際運動情況，進行嚴(yán)格的速度和位置反饋控制。這一部分影響數(shù)控機床的動態(tài)特性和輪廓加工精度。4、機床本體機床本體 包括機床的主運動部件、進給運動部件和其他相關(guān)的底

8、座、立柱、滑鞍、工作臺（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，運動精度高。 機床主體是加工運動的實際部件。特點：（1）主軸功率大，床身剛度高、抗震性好、熱變形小。（2）采用高效傳動件。傳動靈活，傳動精度高。（3）有刀具自動交換系統(tǒng)和管理系統(tǒng)。（4）有工件自動交換系統(tǒng)以及液壓夾緊放松機構(gòu)。（5）有全封閉或半封閉的安全防護設(shè)施。5、機電接口機電接口 數(shù)控機床除了實現(xiàn)加工零件輪廓軌跡控制外，還有其它許多動作，如刀具的更換，工件的松夾，冷卻液的開停，各坐標(biāo)的行程限位，各個運動的互鎖、連鎖，機床的急停，程序停止，以及各種離合器的開合，電磁鐵的通斷等等，這些屬于開關(guān)量控制，一般采用可編

9、程控制器（PLC）來實現(xiàn)。 PLC處理的是數(shù)字信息“0”和“1”。四、數(shù)控機床的特點數(shù)控機床的特點 數(shù)控機床是實現(xiàn)柔性自動化的關(guān)鍵設(shè)備，是柔性自動化生產(chǎn)線的基本單元，它具有以下優(yōu)勢： 1、能加工一般機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)電機葉片、整體渦輪等復(fù)雜零件。 2、采用數(shù)控機床加工可以達(dá)到更高的精度和穩(wěn)定的質(zhì)量。 數(shù)控機床是按預(yù)定的程序自動加工，且加工精度還可以用軟件進行校正補償。 數(shù)控機床在整體設(shè)計中考慮了整機剛度和零件的制造精度，又采用高精度的滾珠絲杠傳動副，機床的定位精度和重復(fù)定位精度都很高。特別是有的數(shù)控機床具有加工過程自動監(jiān)測和誤差補償?shù)裙δ?，因而能可靠地保證加工精

10、度和尺寸的穩(wěn)定性。 3、具有高生產(chǎn)率。 采用較大切削用量，自動換刀，自動變換工件，自動變速，因此與普通機床相比，可提高生產(chǎn)率23倍。 數(shù)控機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等許多中間環(huán)節(jié)。據(jù)統(tǒng)計，普通機床的凈切削時間一般占總切削時間的15%-20%，而數(shù)控機床可達(dá)65%-70%，可實現(xiàn)自動換刀的帶刀庫數(shù)控機床甚至可達(dá)75%-80%。加工復(fù)雜工件時，效率可提高5-10倍。 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、一機多用。 加工中心在一次裝夾后幾乎能完成零件的全部加

11、工部位的加工，節(jié)省了設(shè)備，時間等。 6、在制品少，從而加速了流動資金的周轉(zhuǎn)，提高了經(jīng)濟效益。 7、可以改善生產(chǎn)環(huán)境，減輕了操作者的勞動強度。 8、可以實現(xiàn)較精確的成本核算和 生產(chǎn)安排。 綜上分析，最適合在數(shù)控機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）用普通機床加工時，需要制作復(fù)雜的工藝裝備的零件。（3）用普通機床加工時，工藝路線過長，工裝過多的零件。（4）多品種、小批量生產(chǎn)的零件。（5）新產(chǎn)品的試制零件。（6）價值昂貴，加工中不允許報廢的零件。（7）生產(chǎn)周期短的零件。（8）集多種工序于一體的箱體零件。一、按運動控制的特點分類按運動控制的特點分類1、點位控制數(shù)控機

12、床點位控制數(shù)控機床 這種機床只要求獲得精確的孔系坐標(biāo)定位精度，而不控制從一個孔到另一個孔的運動軌跡，在坐標(biāo)運動過程中，不進行切削加工。2、直線控制數(shù)控機床直線控制數(shù)控機床 是指控制機床工作臺或刀具以要求的進給速度，沿著平行于坐標(biāo)軸的方向進行直線移動和切削加工的機床。這類機床有準(zhǔn)確的定位功能，而且還要控制位移的速度。一般情況下這類機床有兩到三個可控制的軸，但同時只能控制一個。直線控制也稱單軸數(shù)控。3、輪廓控制的數(shù)控機床輪廓控制的數(shù)控機床 該類機床在加工過程中，時刻都對各坐標(biāo)軸的位移和速度進行嚴(yán)格的連續(xù)的控制，是具有同時控制兩個或兩個以上坐標(biāo)進行聯(lián)動（即插補）的數(shù)控機床。可以加工曲線或曲面的零件。

13、 按照聯(lián)動軸數(shù)，可以分為兩坐標(biāo)聯(lián)動控制，2.5坐標(biāo)聯(lián)動控制，三坐標(biāo)、四坐標(biāo)、五坐標(biāo)等聯(lián)動控制。輪廓加工的實例如圖1.4所示。二、按伺服系統(tǒng)的類型分類按伺服系統(tǒng)的類型分類1、開環(huán)系統(tǒng)控制的數(shù)控機床開環(huán)系統(tǒng)控制的數(shù)控機床 這類機床沒有位置檢測反饋裝置，其精度主要取決于驅(qū)動元器件和電機（步進電動機）的性能。特點：調(diào)試簡單，系統(tǒng)易穩(wěn)定，精度低，價廉。指令脈沖2、閉環(huán)系統(tǒng)的數(shù)控機床閉環(huán)系統(tǒng)的數(shù)控機床 該類機床數(shù)控裝置中插補器發(fā)出的位置指令信號與工作臺（或刀架）上檢測到的實際位置反饋信號進行比較，根據(jù)其差值不斷控制運動，進行誤差修正，直到差值為零停止運動。 指令指令 特點：系統(tǒng)的設(shè)計、調(diào)整難度大，加工精度

14、高，機床工作精度主要取決于測量元件的精度。可消除系統(tǒng)中的機械傳動部件制造誤差對加工精度帶來的影響。3、半閉環(huán)控制的數(shù)控機床半閉環(huán)控制的數(shù)控機床 這類機床的檢測元件裝在電機軸或絲杠軸的端部，這種系統(tǒng)的閉環(huán)控制環(huán)內(nèi)不包括機械傳動環(huán)節(jié)，該系統(tǒng)反饋的是進給傳動系統(tǒng)的部分誤差，由于采用了高分辨率的反饋檢測元件，以及傳動部分有補償，可獲得較滿意的精度和速度。三、按工藝方法分類按工藝方法分類1、金屬切削類數(shù)控機床金屬切削類數(shù)控機床 其中加工中心是帶有自動換刀裝置的能進行銑、鉆、鏜加工的復(fù)合型的數(shù)控機床，適合于箱體零件的加工。2、金屬成型類或特種加工類數(shù)控機床金屬成型類或特種加工類數(shù)控機床。四、按功能水平分類

15、按功能水平分類 通常分為高、中、低檔（亦稱經(jīng)濟型）三類。數(shù)控機床水平的高低主要指它們的主要技術(shù)參數(shù)、功能指標(biāo)和關(guān)鍵功能部件的功能水平等。如下表：項目高中低CPU32位或64位16位8位分辨率0.1m1m10m進給速度24100m/min1524m/min815m/min多軸聯(lián)動35軸或更多3523顯示功能CRT顯示、字符、三維動態(tài)圖顯、診斷 較齊全的CRT顯示、字符、圖形、診斷數(shù)碼顯示通訊功能MAP、有聯(lián)網(wǎng)功能RS232或DNC無一、數(shù)控技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展數(shù)控技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展 技術(shù)基礎(chǔ)：電子技術(shù)，控制技術(shù)和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展。 1952年，美國parsons公司和麻省理工學(xué)院，合作研制了世界上

16、第一臺三坐標(biāo)數(shù)控銑床，它是由電子管組成的控制系統(tǒng)。 1955年，在parsons專利的基礎(chǔ)上，第一臺工業(yè)用NC機床由美國Bendix公司生產(chǎn)出來，這是一臺實用化的NC機床。 從1952年至今， NC機床按NC系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了五代： 第一代，1955年，NC系統(tǒng)以電子管組成，體積大，功耗大。 第二代，1959年，NC系統(tǒng)由晶體管組成，廣泛采用印刷電路板。加工中心。 第三代，1965年，NC系統(tǒng)采用小規(guī)模集成電路作為硬件，其特點是體積小，功耗小，可靠性提高。 第四代，1970年，NC系統(tǒng)采用了小型計算機替代了專用計算機，其部分功能由軟件實現(xiàn)，具有價值低，可靠性高和功能多等特點。CNC系統(tǒng)。 第五代

17、，1974年，NC系統(tǒng)以微處理器為核心，價格進一步降低，體積更小，系統(tǒng)性能隨CPU的不斷升級而不斷提高。MNC系統(tǒng)。 前三代均屬于硬邏輯數(shù)控系統(tǒng)，稱為NC。后兩代統(tǒng)稱為CNC。 二、現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢：現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢： 隨著計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，計算機技術(shù)、信息技術(shù)與傳統(tǒng)控制技術(shù)相結(jié)合，為數(shù)控技術(shù)的發(fā)展和進步提供了新的條件，其發(fā)展趨勢是：向運行高速化，加工高精度化，高效化，多功能化，復(fù)合化和控制智能化方向發(fā)展。主要發(fā)展動向是研制開放式全功能通用數(shù)控系統(tǒng)?，F(xiàn)代數(shù)控技術(shù)的發(fā)展主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（一）數(shù)控系統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng) 1、數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)的PCPC化化 發(fā)展基于PC平臺CN

18、C的推動力量主要來自PC中豐富的軟硬件資源。 使用pc為基礎(chǔ)的CNC具有以下優(yōu)點：（1）成本低。（2）標(biāo)準(zhǔn)化。（3）可靠性高。pc的生產(chǎn)批量大，有利于質(zhì)量的控制。（4）軟件資源豐富。 （5）便于聯(lián)網(wǎng)。 存在的問題： a）pc機的硬件結(jié)構(gòu)上為用戶提供的中斷少。 b）實現(xiàn)實時控制機制問題。 PC化的數(shù)控系統(tǒng)可以分為三類： （1）NC板插入PC 中。這種數(shù)控系統(tǒng)是將數(shù)控的核心功能插卡化，并將其插入PC中。PC將實現(xiàn)用戶接口，文件管理及通信等功能，NC插卡將全面負(fù)責(zé)機床的運動控制和開關(guān)量控制。 （2）PC板嵌入CNC中。 （3）軟件CNC。軟件CNC可以理解為用PC技術(shù)的概念和手段實現(xiàn)CNC的功能。這

19、種CNC裝置的主體是PC機。 2、數(shù)控系統(tǒng)的智能化數(shù)控系統(tǒng)的智能化 智能制造的通俗理解是應(yīng)用人工智能技術(shù)控制制造過程，包括制造過程的建模、監(jiān)控、決策等。數(shù)控系統(tǒng)是智能制造的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。計算機軟硬件技術(shù)和人工智能技術(shù)的發(fā)展，使機床控制器具備了應(yīng)用人工智能技術(shù)的條件。智能化主要體現(xiàn)在以下幾個方面： （1）數(shù)控程序編制的智能化。高檔數(shù)控系統(tǒng)大多可以通過會話自動編程系統(tǒng)來自動選擇刀具，生成工藝路線等，實現(xiàn)切削仿真，大大提高了編程的效率。 （2）加工過程智能化監(jiān)控。通過對影響加工精度和效率的物理量進行測量、建模，提取特征來感知系統(tǒng)的運行狀態(tài)，快速做出實現(xiàn)最佳目標(biāo)的決策，對進給速度和主軸轉(zhuǎn)速進行實時的控

20、制和調(diào)整，使整個加工過程處于合理狀態(tài)。如刀具的磨損和破損的監(jiān)控等。 （3）故障診斷的智能化。在系統(tǒng)中內(nèi)置實時診斷系統(tǒng)，當(dāng)機床出現(xiàn)故障時，可以進行診斷并進行指導(dǎo)對故障的排除。 3、數(shù)控系統(tǒng)的開放化數(shù)控系統(tǒng)的開放化 當(dāng)今機床正朝著靈活，多功能，網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展，控制器也必須跟上這一步伐，這就要求控制器能夠重新配置、修改、擴充和改裝，甚至要求控制器能夠重新生成，完成這一任務(wù)的有效途徑就是“開放”。數(shù)控系統(tǒng)為了能方便的和PC機兼容或聯(lián)網(wǎng)，且能利用第三方的軟件實現(xiàn)CAD/CAM集成這就要求制造設(shè)備的開放化。（二）、伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng) 直流伺服系統(tǒng)被交流數(shù)字伺服系統(tǒng)所取代，伺服電機的位置、速度及電流環(huán)都實現(xiàn)了數(shù)字化。（三）、機械結(jié)構(gòu)機械結(jié)構(gòu)三、數(shù)控機床的發(fā)展數(shù)控機床的發(fā)展 1 運行高速化，加工高精度化。 2 功能復(fù)合化。 3 控制智能化。 4 驅(qū)動并聯(lián)化。并聯(lián)加工中心，其典型結(jié)構(gòu)由動平臺、靜平臺和6個可伸縮運動的桿件組成，它能實現(xiàn)六個自由度的空間運動。這種機床沒有導(dǎo)軌和滑板，是現(xiàn)代機器人與傳統(tǒng)加工技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。四、以數(shù)控機床為基礎(chǔ)的生產(chǎn)自動化技術(shù)四、以數(shù)控機床為基礎(chǔ)的生產(chǎn)自動化技術(shù) 1、DNC-D