第一章 數(shù)控機(jī)床概述

1、第一章第一章 數(shù)控機(jī)床概述數(shù)控機(jī)床概述1.1 數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生與發(fā)展數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生與發(fā)展 隨著社會生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，各類工業(yè)新產(chǎn)品層出不窮。機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)作為國民工業(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)化程度高的自動化機(jī)床顯然無法適應(yīng)這些要求。同時，隨著市場競爭的日益加劇，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 。數(shù)控機(jī)床的定義數(shù)控機(jī)床的定義 數(shù)控：（數(shù)控：（Numerical Cont

2、rolNumerical Control， NC NC） 是一種借助數(shù)字、字符或其它符號對某一工作過程（如加工、測量、裝配等）進(jìn)行可編程控制的自動化方法。 數(shù)控機(jī)床：數(shù)控機(jī)床： 用數(shù)控技術(shù)控制的機(jī)床稱為數(shù)控機(jī)床。數(shù)控機(jī)床的一般工作形式為： 1.1.1 數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生 帕森斯公司正式接受委托，與麻省理工學(xué)院伺服機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室合作，于1952年試制成功世界上第一臺數(shù)控機(jī)床試驗(yàn)性樣機(jī)。 1959年，美國克耐杜列克公司首次成功開發(fā)了加工中心（Machining Center） 。1.1.2 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展簡況 第1代數(shù)控機(jī)床：1952年1959年采用電子管元件構(gòu)成的專用數(shù)控裝置（NC）。 第

3、2代數(shù)控機(jī)床：從1959年開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年開始采用微型計(jì)算機(jī)控制的系統(tǒng)（MNC）。 1計(jì)算機(jī)直接數(shù)控系統(tǒng)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)，即使用一臺計(jì)算機(jī)為數(shù)臺數(shù)控機(jī)床進(jìn)行自動編程，編程結(jié)果直接通過數(shù)據(jù)線輸送到各臺數(shù)控機(jī)床的控制箱。 2柔性制造系統(tǒng)柔性制造系統(tǒng) 柔性制造系統(tǒng)（Flexible Manufacturing S

4、ystem，F(xiàn)MS）也叫做計(jì)算機(jī)群控自動線，它是將一群數(shù)控機(jī)床用自動傳送系統(tǒng)連接起來，并置于一臺計(jì)算機(jī)的統(tǒng)一控制之下，形成一個用于制造的整體。 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) 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、制造到銷售的全過程，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)。 1.1.3 我國數(shù)控機(jī)床發(fā)展概況我國數(shù)控機(jī)床發(fā)展概況 1958年開始并試制成功第一臺電子管數(shù)控機(jī)床。1965年開始研制晶體管數(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

5、紀(jì)80年代開始，先后從日本、美國、德國等國家引進(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GE公司的MTC-1數(shù)控系統(tǒng)等。 1.1.4數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控技術(shù)不斷采隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控技術(shù)不斷采用計(jì)算機(jī)、控制理論等領(lǐng)域的最新技術(shù)成就，用計(jì)算機(jī)、控制理論等領(lǐng)域的最新技術(shù)成就，使其朝著下述方向發(fā)展。使其朝著下述方向發(fā)展。 1. 高速、高效、高精度 2. 控制智能化 3. 網(wǎng)絡(luò)化 4. 數(shù)控系統(tǒng)開放化 5. 并聯(lián)機(jī)床 6. STEP-NC1.加工高速化、高精度

6、化加工高速化、高精度化1）加工高速化）加工高速化 高速CPU芯片 主軸高速化，采用電主軸 采用全數(shù)字交流伺服 機(jī)床動、靜態(tài)性能的改善1.1.4數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢在分辨率為1m時，快進(jìn)速度達(dá)240m/min.主軸轉(zhuǎn)速已達(dá)200,000rpm換刀速度少于1 s1.1.4數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢2）加工高精度化）加工高精度化 提高機(jī)械的制造和裝配精度；提高機(jī)械的制造和裝配精度； 采用高速插補(bǔ)技術(shù)，以微小程序段實(shí)現(xiàn)連采用高速插補(bǔ)技術(shù)，以微小程序段實(shí)現(xiàn)連續(xù)續(xù) 進(jìn)給，使進(jìn)給，使CNC控制單位精細(xì)化控制單位精細(xì)化 采用高分辨率位置檢測裝置，提高位置檢采用高分辨率位置檢測裝置，提高位置檢測精度（日本交流伺服電機(jī)已有

7、裝上測精度（日本交流伺服電機(jī)已有裝上1000000 脈沖脈沖/轉(zhuǎn)的內(nèi)藏位置檢測器，其位置檢測精度轉(zhuǎn)的內(nèi)藏位置檢測器，其位置檢測精度能達(dá)到能達(dá)到0.01m/脈沖）脈沖） 位置伺服系統(tǒng)采用前饋控制與非線性控制位置伺服系統(tǒng)采用前饋控制與非線性控制等方法等方法1.1.4數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢采用反向間隙補(bǔ)償、絲桿螺距誤差補(bǔ)償和刀具誤差補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù) 設(shè)備的熱變形誤差補(bǔ)償和空間誤差的綜合補(bǔ)償技術(shù)。研究表明，綜合誤差補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用可將加工誤差減少6080。 1.1.4數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢2. 控制智能化隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，為滿足制造業(yè)生產(chǎn)柔性化、制造自動化發(fā)展需求，數(shù)控技術(shù)智能化程度不斷提高，體現(xiàn)在：加工過

8、程自適應(yīng)控制技術(shù)：加工過程自適應(yīng)控制技術(shù)：通過監(jiān)測主軸和進(jìn)給電機(jī)的功率、電流、電壓等信息，辯識出刀具的受力、磨損以及破損狀態(tài)，機(jī)床加工的穩(wěn)定性狀態(tài)；并實(shí)時修調(diào)加工參數(shù)（主軸轉(zhuǎn)速，進(jìn)給速度）和加工指令，使設(shè)備處于最佳運(yùn)行狀態(tài)，以提高加工精度、降低工件表面粗糙度以及保證設(shè)備運(yùn)行的安全性1.1.4數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢加工參數(shù)的智能優(yōu)化：加工參數(shù)的智能優(yōu)化：將零件加工的一般規(guī)律、特殊工藝經(jīng)驗(yàn)，用現(xiàn)代智能方法，構(gòu)造基于專家系統(tǒng)或基于模型的“加工參數(shù)的智能優(yōu)化與選擇”，獲得優(yōu)化的加工參數(shù)，提高編程效率和加工工藝水平，縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備時間。使加工系統(tǒng)始終處于較合理和較經(jīng)濟(jì)的工作狀態(tài)。 智能化交流伺服驅(qū)動裝置：智能

9、化交流伺服驅(qū)動裝置：自動識別負(fù)載、自動調(diào)整控制參數(shù)，包括智能主軸和智能化進(jìn)給伺服裝置，使驅(qū)動系統(tǒng)獲得最佳運(yùn)行。 1.1.4數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢智能故障診斷與自修復(fù)技術(shù)智能故障診斷與自修復(fù)技術(shù) 智能故障診斷技術(shù)：根據(jù)已有的故障信息，應(yīng)用現(xiàn)代智能方法，實(shí)現(xiàn)故障快速準(zhǔn)確定位。 智能故障自修復(fù)技術(shù)：根據(jù)診斷故障原因和部位，以自動排除故障或指導(dǎo)故障的排除技術(shù)。集故障自診斷、自排除、自恢復(fù)、自調(diào)節(jié)于一體，貫穿于全生命周期。 智能故障診斷技術(shù)在有些數(shù)控系統(tǒng)中已有應(yīng)用，智能化自修復(fù)技術(shù)還在研究之中。1.1.4數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢3. 加工網(wǎng)絡(luò)化加工網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化是先進(jìn)制造模式的要求，數(shù)控機(jī)床作為網(wǎng)絡(luò)中的一個

10、節(jié)點(diǎn)，有助于解決自動化孤島問題。支持網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，既滿足單機(jī)DNC需要，又能滿足FMC、FMS、CIMS、敏捷制造對基層設(shè)備集成要求。網(wǎng)絡(luò)資源共享。數(shù)控機(jī)床的遠(yuǎn)程（網(wǎng)絡(luò)）控制。數(shù)控機(jī)床故障的遠(yuǎn)程（網(wǎng)絡(luò)）診斷。 數(shù)控機(jī)床的遠(yuǎn)程（網(wǎng)絡(luò)）培訓(xùn)與教學(xué)（網(wǎng)絡(luò)數(shù)控 ）1.1.4數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢4. 數(shù)控系統(tǒng)的開放化數(shù)控系統(tǒng)的開放化1 1）傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的特點(diǎn)）傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的特點(diǎn) 由生產(chǎn)廠家支配價格和結(jié)構(gòu)，各種接口不能通用。 功能集成停止在微電子技術(shù)的應(yīng)用上，而不是針對開放式的生產(chǎn)環(huán)境和功能。對于不同的產(chǎn)品，操作、維護(hù)方法都必須進(jìn)行相應(yīng)的培訓(xùn)。 對于使用者，控制器成為黑盒子無法自行修改更新。 1.1.4數(shù)控

11、機(jī)床的發(fā)展趨勢由于傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的局限性，為滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)的要求，數(shù)控系統(tǒng)需要具有：開放性：開放性：可重構(gòu)性、可維護(hù)性、允許用戶進(jìn)行二次開發(fā)模塊化：模塊化：具有平臺無關(guān)性 接口協(xié)議：接口協(xié)議：可傳遞性、可移植性 可進(jìn)化性：可進(jìn)化性：智能化 語言統(tǒng)一化：語言統(tǒng)一化：中性語言NML： FADL、OSEL 1.1.4數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢2）開放化數(shù)控系統(tǒng)的概念）開放化數(shù)控系統(tǒng)的概念數(shù)控系統(tǒng)可以在統(tǒng)一的運(yùn)行平臺上開發(fā)，面向機(jī)床廠家和最終用戶，通過改變、增加或剪裁數(shù)控功能，形成系列化，并可方便地將用戶的特殊應(yīng)用和技術(shù)訣竅集成到控制系統(tǒng)中，快速實(shí)現(xiàn)不同品種、不同檔次的開放式數(shù)控系統(tǒng)，形成具有鮮明特色的名牌產(chǎn)品

12、。1.1.4數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢1.2 數(shù)控機(jī)床數(shù)控機(jī)床概述概述一一. 數(shù)控機(jī)床的數(shù)控機(jī)床的概念概念1.數(shù)控?cái)?shù)控:NC 是利用數(shù)字化信息對機(jī)床的運(yùn)動及其加工過是利用數(shù)字化信息對機(jī)床的運(yùn)動及其加工過程進(jìn)行控制的方法程進(jìn)行控制的方法.2.數(shù)控機(jī)床數(shù)控機(jī)床: :采用數(shù)字控制的機(jī)床采用數(shù)字控制的機(jī)床. . 1)NC 1)NC機(jī)床機(jī)床; 2)CNC; 2)CNC機(jī)床機(jī)床. .二二. .數(shù)控機(jī)床數(shù)控機(jī)床 一般由輸入裝置、輸出裝置、數(shù)控裝置、伺一般由輸入裝置、輸出裝置、數(shù)控裝置、伺服驅(qū)動裝置、輔助控制裝置、檢測反饋裝置服驅(qū)動裝置、輔助控制裝置、檢測反饋裝置和機(jī)床本體等部分組成和機(jī)床本體等部分組成. .數(shù)控機(jī)床

13、的組成控制介質(zhì)人機(jī)交互設(shè)備PLC計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置輔助控制裝置主軸驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)反饋系統(tǒng)適應(yīng)控制機(jī)床速度檢測位置檢測過程檢測數(shù)控機(jī)床的組成框圖數(shù)控機(jī)床的組成框圖三三.數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn): 1.提高加工精度; 2.提高生產(chǎn)效率:一般35倍加工中心可達(dá)510倍. 3.可加工形狀復(fù)雜的零件; 4.減輕勞動強(qiáng)度,改善了勞動條件; 4.利于管理和綜合自動化的發(fā)展.四四.數(shù)控機(jī)床工作過程數(shù)控機(jī)床工作過程 分析工藝參數(shù) 編程 程序輸入 試運(yùn)行 運(yùn)行程序五五.應(yīng)用范圍應(yīng)用范圍: 1.多品種小批量; 2.形狀結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜 的; 3.頻繁改型的; 4.價貴、不許報(bào)廢的; 5.生產(chǎn)周期短的; 6.批量較

14、大、精度要求較高的. 1.3 數(shù)控機(jī)床的分類數(shù)控機(jī)床的分類 一一. 按運(yùn)動軌跡分類按運(yùn)動軌跡分類1點(diǎn)位控制數(shù)控機(jī)床點(diǎn)位控制數(shù)控機(jī)床點(diǎn)點(diǎn)位置精確控制，保證的是定位精度，以慢快慢的運(yùn)動方式。 這類機(jī)床主要有數(shù)控坐標(biāo)鏜床、數(shù)控鉆床、數(shù)控點(diǎn)焊機(jī)和數(shù)控折彎機(jī)等，其相應(yīng)的數(shù)控裝置稱為點(diǎn)位控制數(shù)控裝置。2直線控制數(shù)控機(jī)床直線控制數(shù)控機(jī)床 位置控制+速度和路線控制，只能沿某個坐標(biāo)軸方向（平行或45）切削加工。 這類機(jī)床主要有數(shù)控車床、數(shù)控磨床和數(shù)控鏜銑床等，相應(yīng)的數(shù)控裝置稱為直線控制裝置。3 3輪廓控制數(shù)控機(jī)床輪廓控制數(shù)控機(jī)床 每點(diǎn)的位置+速度+路線控制，可對2坐標(biāo)或2坐標(biāo)以上坐標(biāo)軸進(jìn)行控制。 屬于這類機(jī)床的

15、有數(shù)控車床、數(shù)控銑床、加工中心等。其相應(yīng)的數(shù)控裝置稱為輪廓控制裝置。輪廓數(shù)控裝置比點(diǎn)位、直線控制裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜得多，功能齊全得多。按運(yùn)動軌跡分類按運(yùn)動軌跡分類AB按運(yùn)動軌跡分類按運(yùn)動軌跡分類按運(yùn)動軌跡分類按運(yùn)動軌跡分類二、二、按進(jìn)給伺服系統(tǒng)的類型分類按進(jìn)給伺服系統(tǒng)的類型分類1開環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床開環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床開環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)通常不帶有位置檢測元件，伺服驅(qū)動元件一般為步進(jìn)電動機(jī)。 開環(huán)控制數(shù)控機(jī)床開環(huán)控制數(shù)控機(jī)床2閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床閉環(huán)進(jìn)給控制系統(tǒng)帶有位置檢測元件，隨時可以檢測出工作臺的實(shí)際位移，并反饋給數(shù)控裝置，并與設(shè)定的指令值進(jìn)行比較，利用其差值控制

16、伺服電動機(jī)，直至差值為零為止。 閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床3半閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床半閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床半閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)是將位置檢測元件安裝在伺服電動機(jī)的軸上或滾珠絲杠的端部，不直接反饋機(jī)床的位移量，而是檢測伺服機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)角，將此信號反饋給數(shù)控裝置進(jìn)行指令值比較，用差值控制伺服電動機(jī)。 半閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床半閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床三三. 按工藝用途分類按工藝用途分類 1金屬切削類數(shù)控機(jī)床金屬切削類數(shù)控機(jī)床 金屬切削類數(shù)控機(jī)床包括數(shù)控車床、數(shù)控鉆床、數(shù)控銑床、數(shù)控磨床、數(shù)控鏜床以及加工中心。 2金屬成型類數(shù)控機(jī)床金屬成型類數(shù)控機(jī)床 金屬成型類數(shù)控機(jī)床包括數(shù)控折彎機(jī)、數(shù)控組合沖床和數(shù)控回轉(zhuǎn)頭

17、壓力機(jī)等。這類機(jī)床起步晚，但目前發(fā)展很快。 3數(shù)控特種加工機(jī)床數(shù)控特種加工機(jī)床 數(shù)控特種加工機(jī)床如數(shù)控線（電極）切割機(jī)床、數(shù)控電火花加工機(jī)床、火焰切割機(jī)和數(shù)控激光切割機(jī)床等。 4其他類型的數(shù)控機(jī)床其他類型的數(shù)控機(jī)床 其他類型的數(shù)控機(jī)床如數(shù)控三坐標(biāo)測量機(jī)等。 四四. 按按聯(lián)動軸數(shù)聯(lián)動軸數(shù)分類分類 1兩軸聯(lián)動兩軸聯(lián)動 2兩軸半聯(lián)動兩軸半聯(lián)動 3. 三軸聯(lián)動三軸聯(lián)動 4. 多座標(biāo)軸聯(lián)動多座標(biāo)軸聯(lián)動五五.按按CNC裝置功能水平分類裝置功能水平分類 高、中、低三檔高、中、低三檔數(shù)控機(jī)床的坐標(biāo)系數(shù)控機(jī)床的坐標(biāo)系一一 一.作用:確定位置關(guān)系獲得所需的數(shù)據(jù). 二.依據(jù):ISO841標(biāo)準(zhǔn). 三.確定方法:右手笛

18、卡兒直角坐標(biāo)系. 1.假設(shè):工件固定,刀具相對運(yùn)動. 2.標(biāo)準(zhǔn):右手笛卡兒直角坐標(biāo)系. 拇指指向?yàn)閄軸向,繞X軸轉(zhuǎn)+A 食指指向?yàn)閅軸向,繞Y軸轉(zhuǎn)+B 右手法則 中指指向?yàn)閆軸向,繞Z軸轉(zhuǎn)+C 數(shù)控機(jī)床的坐標(biāo)系數(shù)控機(jī)床的坐標(biāo)系 基本坐標(biāo)系基本坐標(biāo)系：直線進(jìn)給運(yùn)動的坐標(biāo)系（X.Y.Z）。坐標(biāo)軸相互關(guān)系：由右手定則決定。 回轉(zhuǎn)座標(biāo)回轉(zhuǎn)座標(biāo)：繞X.Y.Z 軸轉(zhuǎn)動的圓進(jìn)給坐標(biāo) 軸分別用A.B.C表示， 坐標(biāo)軸相互關(guān)系由右 手螺旋法則而定。 3.順序:先Z軸,再X軸,最后Y軸. Z:機(jī)床主軸 X:裝夾平面內(nèi)的水平方向. Y:由右手笛卡兒直角坐標(biāo)系確定. 4.方向:刀具遠(yuǎn)離工件方向?yàn)檎较? 四.機(jī)床的機(jī)

19、床原點(diǎn)、機(jī)床參考點(diǎn)、工件原 點(diǎn)和對刀點(diǎn). 1.機(jī)床原點(diǎn)：固定不變的. 1)數(shù)車:卡盤端面與主軸中心線交點(diǎn). 2)數(shù)銑:一般取XYZ軸正向極限位置. 2.機(jī)床參考點(diǎn):出廠時設(shè)定. 1)數(shù)車:離原點(diǎn)最遠(yuǎn)的極限點(diǎn). 2)數(shù)銑:與原點(diǎn)重合. 3.工件原點(diǎn):程序原點(diǎn) 1)滿足編程簡單、尺寸換算少、加工誤差小 等條件 . 2)一般工件原點(diǎn)應(yīng)選擇尺寸標(biāo)注基準(zhǔn)或定位 基準(zhǔn). 4.對刀點(diǎn):零件程序的起始點(diǎn). 1)對刀點(diǎn)是零件程序的起始點(diǎn). 2)目的:確定程序原點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系中的位置. 3)可以與程序原點(diǎn)重合,也可以在方便對刀的任意處,但必須有確定的坐標(biāo)聯(lián)系. 4)銑床用G92指令,車床用G50指令可建立工件坐標(biāo)系.數(shù)數(shù)控控車車床床數(shù)數(shù)控控銑銑床床數(shù)控鉆床