第一章數(shù)控機床概述

1、教學方法與考核方式 教學方法 課堂教學課堂教學 實驗教學實驗教學 自自 學學 考核方式 考考 試試 （60%） 平時成績平時成績 （40%） 出勤情況出勤情況 作業(yè)情況作業(yè)情況 做實驗情況做實驗情況生產線的基本組成C3163-1 轉塔式六角車床CA6140CA6140X數(shù)顯車床老式機床閉環(huán)全數(shù)控電火花小孔加工機CAK6150D數(shù)控車床S1-378車削加工中心激光切割機數(shù)控數(shù)控機床機床定義是一種采用了數(shù)控技術的機床，或者說是一種裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機床是綜合應用了微電子、計算機、自動控制、自動檢測以及精密機械等技術的最新成果而發(fā)展起來的全新型機床 也就是數(shù)字控制，在機床領域是指用數(shù)字化信號對機床運動

2、、加工過程進行控制的一種方法 采用存儲程序的專用計算機來實現(xiàn)部分或全部基本數(shù)控功能課程結構穿 孔 紙 帶 與 程 序 編 制控控 制制 介介 質質數(shù) 字 脈 沖 乘 法 器逐 點 比 較 法數(shù) 字 積 分 法數(shù) 控 插 補 原 理數(shù)數(shù) 控控 裝裝 置置檢 測 裝 置步 進 式 伺 服 系 統(tǒng)開 環(huán) 伺 服 系 統(tǒng)鑒 相 式 伺 服 系 統(tǒng)數(shù) 字 比 較 式 伺 服 系 統(tǒng)閉 環(huán) 伺 服 系 統(tǒng)分 類伺 服 系 統(tǒng)機 床 本 體數(shù) 控 機 床數(shù)控機床的歷史一、數(shù)控機床的產生產生的歷史背景：產生的歷史背景： 科學技術的迅速發(fā)展，對機械產品提出了高精度、高復雜性的要求，而且產品改型頻繁。 宇航、造船

3、、武器生產等工業(yè)部門，需要加工的零件多具有精度高、形狀復雜、批量小、經(jīng)常變動等特點。使用普通機床加工這些零件，不僅勞動強度大、效率低，而且難以保證精度，有些零件甚至無法加工。 復雜、精密、小批、多變復雜、精密、小批、多變產生的時間：產生的時間： 世界上第一臺數(shù)字控制機床(簡稱數(shù)控機床)是為滿足航空工業(yè)加工復雜零件的需要而產生的。1948年，美國巴森茲公司(Parsons Co.)在研制加工直升飛機葉片輪廓檢查用樣板的機床時，提出了數(shù)控機床的初步設想。后來，受空軍委托與麻省理工學院(MIT)合作開始了將三坐標銑床數(shù)控化的研究工作。，這是一臺直線插補連續(xù)控制的三坐標銑床，使用的是電子管元件 ：數(shù)控

4、機床的發(fā)展過程 第一代；19521959年采用電子管元件； 第二代：從1959年開始采用晶體管元件； 第三代；從1965年開始采用集成電路； 第四代：從1970年開始采用大規(guī)模集成 電路及小型通用計算機； 第五代：從1974年開始采用微處理機或 微型計算機。 我國是從1958年開始起步的數(shù)控機床的特點1提高加工精度 2提高生產效率 3、減輕勞動強度，改善勞動條件 4有利于生產管理 5有利于產品的更新改型 數(shù)控機床的產生較好地解決了復雜、精密、小批多變復雜、精密、小批多變的零件加工問題，是一種靈活、高效能的自動化機床 數(shù)控機床具有許多一般機床所不具備的優(yōu)點，但數(shù)控機床較復雜，成本較高，從技術經(jīng)濟

5、效果看，數(shù)控機床并不能完全代替其它類型的機床，也還不能以最經(jīng)濟的方式解決機械加工中的所有問題。目前，數(shù)控機床最適合以下幾種情況零件的加工：單件、中小批量生產零件的加工；形狀較復雜，精度要求較高或價值昂貴、不允 許報廢的零件的加工；產品改型頻繁、生產周期短的零件的加工。專用機床普通機床數(shù)控機床零件批量零件復雜程度數(shù)控機床的適用范圍(虛線所示為發(fā)展方向） 一、數(shù)控加工中心機床一、數(shù)控加工中心機床 二、自動程序編制二、自動程序編制 三、計算機數(shù)字控制三、計算機數(shù)字控制(CNC) 四、直接數(shù)字控制四、直接數(shù)字控制(DNC) 五、自適應控制五、自適應控制(AC) 六、柔性制造系統(tǒng)六、柔性制造系統(tǒng)(FMS

6、) 七、簡易型數(shù)控機床七、簡易型數(shù)控機床 一、數(shù)控加工中心機床一、數(shù)控加工中心機床臥式加工中心 為了進一步提高加工精度和生產效率，在普通數(shù)控機床基礎上發(fā)展了數(shù)控加工中心機床。它是一種具有刀具迅速交換機能的復合數(shù)控機床，又稱為自動換刀數(shù)控機床又稱為自動換刀數(shù)控機床。它將數(shù)控銑床、數(shù)控鏜床、數(shù)控鉆床的功能組合起來，再附加一個自自動換刀裝置動換刀裝置和一個有一定容量的刀刀庫庫。這樣就可以進行多道工序的連續(xù)加工。 一臺一臺數(shù)控加工中心機床加工箱體類零件時相當于5 5臺臺普通數(shù)控機床的加工效率 二、自動程序編制二、自動程序編制 程序編制可以由人工來完成，即所謂手工編程。對于簡單零件的加工程序，可以用手工

7、編程手工編程。但對于復雜的零件，特別是一些復雜的曲面零件，用手工編程十分繁雜，工作量大，不僅容易出錯，而且難于查找，不得不求助于通用計算機，即所謂的自動編程自動編程。 自動編程的要點是：采用簡單、習用的語言去描述工件的幾何形狀與加工過程，由計算機接受、翻譯，并根據(jù)指定的要求進行分段和計算，最后處理成數(shù)控機床適用的加工紙帶。 國外成熟的自動編程語言系統(tǒng)是美國的APT系統(tǒng)，它在1955年完成模型后不斷改進，目前已發(fā)展到APT系統(tǒng)。 三、計算機數(shù)字控制三、計算機數(shù)字控制(CNC) CNC數(shù)控又稱為軟線數(shù)控軟線數(shù)控，是70年代初出現(xiàn)的新型數(shù)控系統(tǒng)。與使用專用計算機的NC數(shù)控(也稱為硬線數(shù)控硬線數(shù)控)的

8、不同之處在于：它的數(shù)控裝置使用的是一臺小型通用計算機。用這種小型通用計算機去控制某一特定對象時，要靠事先存放在存儲器里的系統(tǒng)程序。系統(tǒng)程序事先編好由紙帶輸入計算機，CNC系統(tǒng)靠它來實現(xiàn)數(shù)控機床的控制邏輯，改變系統(tǒng)程序就改變了控制邏輯。系統(tǒng)程序屬于計算機的軟件，而普通數(shù)控系統(tǒng)的控制邏輯是由專用計算機中固定接線的硬件結構實現(xiàn)的，專用計算機連好后就難以再改變。 一個明顯的優(yōu)點具有良好的“柔性”四、直接數(shù)字控制四、直接數(shù)字控制(DNC) DNC亦稱為計算機群控系統(tǒng)。它可理解為用一臺計算機直接管理和控制一群數(shù)控機床的系統(tǒng) DNC系統(tǒng)分為間接型間接型群控系統(tǒng)和直接型直接型群控系統(tǒng)兩大類 1間接型群控系統(tǒng)

9、間接型群控系統(tǒng)是在已有的一些單臺數(shù)控機床的基礎上，配上電子計算機聯(lián)成一個群控系統(tǒng)通用計算機中存儲的各機床的加工程序通過接口裝置直接送到機床群中每臺機床的數(shù)控裝置中去，而不需要再經(jīng)過讀帶機 2直接型群控系統(tǒng) 在直接型群控系統(tǒng)中，每臺機床不再裝設普通的數(shù)控裝置只有由伺服控制驅動電路和操作盤所組成的機床控制器數(shù)控機床的插補運算等功能完全由計算機承擔，而計算機又通過接口直接控制各機床。因此，DNC系統(tǒng)實際上具有CNC系統(tǒng)的功能和優(yōu)點，同時還能對生產組織、技術狀態(tài)等方面進行管理，從而提高機床的生產率 五、自適應控制五、自適應控制(AC)數(shù)控電火花線切割機床電腦控制電火花成型機 數(shù)控機床在加工零件時是嚴格

10、按照事先編制好的程序進行的。在編制程序時，大量難以考慮周到的參數(shù)變化影響著機床性能的充分發(fā)揮，也往往使加工過程偏離了最佳狀態(tài)。數(shù)控機床的自適應控制就是在加工過程中不斷檢查某些代表加工狀態(tài)的參數(shù)，例如切削力、切削溫度等，及時對主軸轉速和進給速度等參數(shù)進行校正，使數(shù)控機床保持在最佳切削狀態(tài)。 自適應控制在數(shù)控機床中應用較普遍，并在數(shù)控磨床、數(shù)控線切割機床和數(shù)控電火花成型機床中取得較好效果。這些機床采用自適應控制后，在提高生產效率、延長刀具使用壽命和改善表面質量等方面均有明顯效果 六、柔性制造系統(tǒng)六、柔性制造系統(tǒng)(FMS) FMS系統(tǒng)是一種適用于多品種、大中小批量生產的自動化生產方式，主要由計算機輔

11、助設計計算機輔助設計，生產系統(tǒng)生產系統(tǒng)、數(shù)控機床數(shù)控機床、智能機器人智能機器人、全自動化輸送系統(tǒng)全自動化輸送系統(tǒng)和自動化倉自動化倉庫庫組成 。全部生產過程由一臺中央計算機進行生產的調度，若干臺控制計算機進行工位控制，組成一個各種制造單元相對獨立而又便于靈活調節(jié)，適應性很強的制造系統(tǒng)，這種系統(tǒng)稱為柔性制造系統(tǒng)(FMSFlexible Manufacturing System) 加工中心工業(yè)機器人隨行工作臺數(shù)控機床的組成 數(shù)控機床工作時，不需要工人去直接操作加工，但又必須執(zhí)行人的意圖。這就必須在 人和數(shù)控機床之間建立某種聯(lián)系，這種聯(lián)系的中間媒介物稱為控制介質，也可稱為信息載 體。在控制介質上在控制

12、介質上。 控制介質控制介質可以是多種形式的，由數(shù)控裝置的類型而定。常用的有穿孔帶、穿孔卡和磁帶穿孔帶、穿孔卡和磁帶等。目前數(shù)控機床常用的是八單位標準穿孔帶八單位標準穿孔帶。它可以制成為多種顏色的紙帶、塑料帶和金屬帶。實際中應用最廣泛的是黑色紙帶黑色紙帶。 信息按規(guī)定的格式以代碼的形式存儲在紙帶上。所謂代代碼碼，就是由一些小孔按一定規(guī)律排列的二進制圖案。每一行代碼可以表示一個十進制數(shù)或一個字母或一個符號。目前國際上使用的八單位代碼有EIA代碼代碼和ISO代碼代碼。 運動方向運動方向 數(shù)控裝置是數(shù)控機床的。普通數(shù)控機床的數(shù)控裝置一般由、和四部分組成 輸入裝置接受閱讀機輸出的指令代碼，經(jīng)識別譯碼后分

13、別送到各相應的寄存器。這些指令與數(shù)據(jù)將作為控制和運算的原始數(shù)據(jù) 控制器接受輸入裝置的指令，根據(jù)指令控制運算器和輸出裝置，以實現(xiàn)對機床的各種操作。作為被控對象的機床，受控動作概括為：主軸啟停、轉向、速度；進給坐標、進給方式、進給速度，刀具、刀具補償和各種輔助操作。 運算器接受控制器指令，將輸入裝置送來的數(shù)據(jù)進行某種運算，并不斷向輸出裝置送出運算結果，使伺服系統(tǒng)執(zhí)行所要求的運動。 輸出裝置根據(jù)控制器的指令將運算器送來的計算結果輸送到伺服系統(tǒng)，經(jīng)功率放大，驅動相應的坐標軸，使機床完成刀具相對工件的運動 通常，我們把這種用專用計算機的硬件結構實現(xiàn)的數(shù)控裝置稱為或。也可以用一臺小型通用計算機或微型計算機

14、來作為數(shù)控裝置，我們把它稱為或。兩種數(shù)控裝置的工作原理基本相同，只是前者采用專用的硬件，而后者是使用通用的硬件加系統(tǒng)軟件 伺服機構的作用是把來自數(shù)控裝置的脈沖信號轉換為機床移動部件的運動，使機床工作臺精確定位或按規(guī)定的軌跡作嚴格的相對運動，最后加工出符合圖紙要求的零件。由于伺服機構是將數(shù)字信號轉化為位移量的環(huán)節(jié)，因此它的精度、動態(tài)響應是決定數(shù)控機床的加工、表面質量和生產率的主要因素。相對于每一個脈沖信號，機床移動部件的位移量稱為脈沖當量，一般用表示。常用的脈沖當量為0.01mmp、0.005mmp及0.001m/p。 伺服機構一般包括和兩大部分，目前大都采用直流伺服電機或交流伺服電機作為執(zhí)行機

15、構。因為這些電機均帶有光電編碼器等位置檢測元件和測速發(fā)電機等速度檢測元件。多數(shù)的執(zhí)行機構由相應的驅動裝置來驅動 由于數(shù)控機床在加工過程中切削用量大、連續(xù)加工發(fā)熱多，并且在加工過程中工件精度不能人為進行補償，因此與傳統(tǒng)的手動機床相比，數(shù)控機床的外部造型、整體布局、傳動系統(tǒng)與刀具系統(tǒng)的結構以及操作機構等方面都已發(fā)生了很大的變化。這些變化的目的是為了更充分發(fā)揮數(shù)控機床的特點 數(shù)控機床分類普通數(shù)控機床普通數(shù)控機床數(shù)控加工中心機床數(shù)控加工中心機床點位控制數(shù)控機床點位控制數(shù)控機床點位直線控制數(shù)控機床點位直線控制數(shù)控機床 開環(huán)控制數(shù)控機床開環(huán)控制數(shù)控機床 輪廓控制數(shù)控機床輪廓控制數(shù)控機床半閉環(huán)控制數(shù)控機床半

16、閉環(huán)控制數(shù)控機床閉環(huán)控制數(shù)控機床閉環(huán)控制數(shù)控機床(1)普通數(shù)控機床普通數(shù)控機床 這種數(shù)控機床與傳統(tǒng)的通用機床品種一樣，有數(shù)控車、銑、鏜、鉆、磨床等，而且每一種又有很多品種。例如，數(shù)控銑床中還有立銑、臥銑、工具銑、龍門銑等。這類數(shù)控機床的工藝可能性與通用手動機床相似，所不同的是它。數(shù)控動梁龍門鏜銑床數(shù)控動梁龍門鏜銑床立式高速數(shù)控鏜銑床立式高速數(shù)控鏜銑床(2)數(shù)控加工中心機床數(shù)控加工中心機床 這類機床是在普通數(shù)控機床的基礎上加裝一個(可容納10100多把刀具)和，從而構成了一種帶自動換刀裝置的數(shù)控機床，也稱為多工序數(shù)控機床。這使數(shù)控機床更進一步地向自動化和高效化方向發(fā)展。 這類機床與普通數(shù)控機床相

17、比，優(yōu)點是工件可以經(jīng)過一次裝夾后，數(shù)控裝置就能控制機床自動地更換刀具，連續(xù)地對工件各加工面自動地完成銑、鏜、鉆、鉸及攻絲等多工序加工。工序集中，減少了機床的臺數(shù)，減少了零件重復定位誤差，也大大減少了輔助時間。這類機床多以鏜、銑加工為主，加工對象主要是一些箱體類零件。 (1)點位控制數(shù)控機床點位控制數(shù)控機床 這類機床的數(shù)控裝置。至于兩相關點之間的移動速度及路線則取決于生產率。為了在精確定位基礎上有盡可能高的生產率，兩相關點之間的移動先是以快速移動接近定位點，然后降速13級，再慢速接近它，以保證定位精度。 這類機床主要有數(shù)控坐標鏜床、數(shù)控鉆床、數(shù)控沖床和數(shù)控測量機等，其相應的數(shù)控裝置稱為點位控制裝

18、置。 (2)點位直線控制數(shù)控機床點位直線控制數(shù)控機床 這類機床工作時，不僅要控制兩相關點之間的距離，還控制兩相關點之間的移動速度和軌跡，其路線一般都由和各軸線平行的直線段組成。當這類機床移動部件移動時，。例如，要增加主軸轉速控制、循環(huán)進給加工、刀具選擇等功能 這類機床主要有簡易數(shù)控車床、數(shù)控鏜銑床和數(shù)控加工中心等，其相應的數(shù)控裝置稱為點位直線控制裝置。 點位控制數(shù)控系統(tǒng) 僅能實現(xiàn)刀具相對于工件從一點到另一點的精確定位運動； 對軌跡不作控制要求； 運動過程中不進行任何加工。 適用范圍：適用范圍：數(shù)控鉆床、數(shù)控鏜床、數(shù)控沖床和數(shù)控測量機。(3)輪廓控制數(shù)控機床輪廓控制數(shù)控機床 這類機床的控制裝置能

19、夠同時對兩個或兩個以上的坐標軸進行連續(xù)控制。加工時不僅要，還要，使機床加工出符合圖紙要求的復雜形狀的零件。它的輔助功能比較齊全。 這類機床主要有數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控磨床和電加工機床，其相應的數(shù)控裝置稱為輪廓控制裝置。 輪廓控制輪廓控制(連續(xù)控制連續(xù)控制)系統(tǒng)：系統(tǒng)：具有控制幾個進給軸同時諧調運動(坐標聯(lián)動)，使工件相對于刀具按程序規(guī)定的軌跡和速度運動，在運動過程中進行連續(xù)切削加工的數(shù)控系統(tǒng)。 適用范圍：適用范圍：數(shù)控車床、數(shù)控銑床、加工中心等用于加工曲線和曲面的機床?，F(xiàn)代的數(shù)控機床基本上都是裝備的這種數(shù)控系統(tǒng)。 按聯(lián)動軸數(shù)分，2軸聯(lián)動（平面曲線）3軸聯(lián)動（空間曲面，球頭刀）4軸聯(lián)動（空間曲

20、面）5軸聯(lián)動及6軸聯(lián)動（空間曲面） 。聯(lián)動軸數(shù)越多數(shù)控系統(tǒng)的控制算法就越復雜。 按進給伺服系統(tǒng)的類型分類 按數(shù)控系統(tǒng)的進給伺服子系統(tǒng)有無位置測量裝置可分為開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)和閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，在閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)中根據(jù)位置測量裝置安裝的位置又可分為全閉環(huán)全閉環(huán)和半閉環(huán)半閉環(huán)兩種。(1)開環(huán)控制數(shù)控機床開環(huán)控制數(shù)控機床 所謂開環(huán)控制系統(tǒng)，就是機床上，如圖14所示。伺服元件通常使用。數(shù)控裝置輸出的脈沖通過環(huán)形分配器和驅動線路，不斷地改變供電狀態(tài)，使伺服元件轉過相應的步距角，再經(jīng)過減速齒輪帶動絲杠旋轉，最后轉換為移動部件的直線位移。移動部件的移動速度和位移量取決于輸入脈沖的頻率和數(shù)量。 這種

21、開環(huán)控制系統(tǒng)的特點是。在一些精度要求不太高的場合，開環(huán)控制系統(tǒng)是一個很實用的系統(tǒng)。特別是在高精度的步進電機作為伺服元件時，這種系統(tǒng)得到非常廣泛的應用 開環(huán)數(shù)控系統(tǒng) 沒有位置測量裝置，信號流是單向的（數(shù)控裝置進給系統(tǒng)），故系統(tǒng)穩(wěn)定性好。電機電機機械執(zhí)行部件機械執(zhí)行部件A相、相、B相相C相、相、f、nCNC插補指令插補指令脈沖頻率脈沖頻率f脈沖個數(shù)脈沖個數(shù)n換算換算脈沖環(huán)脈沖環(huán)形分配形分配變換變換功率功率放大放大無位置反饋，精度相對閉環(huán)系統(tǒng)來講不高，其精度主要取決于伺服驅動系統(tǒng)和機械傳動機構的性能和精度。一般以功率步進電機作為伺服驅動元件。這類系統(tǒng)具有結構簡單、工作穩(wěn)定、調試方便、維修簡單、價格低廉等優(yōu)點，在精度和速度要求不高、驅動力矩不大的場合得到廣泛應用。一般用于經(jīng)濟型數(shù)控機床。(2)半閉環(huán)控制數(shù)控機床半閉環(huán)控制數(shù)控機床 ，如圖所示。由于反饋量取自轉角，而不是工作臺的實際位移，即機床工作臺未包括在反饋回路內，所以稱該系統(tǒng)為半閉環(huán)控制系統(tǒng)。 這種系統(tǒng)由于沒有把慣性大的工作臺包含在閉環(huán)回路內，因此該系統(tǒng)。系統(tǒng)的控制精度和機床的定位精度比開環(huán)系統(tǒng)高，而比全閉環(huán)系統(tǒng)低，因它并沒有消除機床工作臺的誤差 半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點如圖所示，是從驅動裝置(常用伺服電機)或絲杠引出，采樣旋轉角度進行檢測，不是直接檢測運動部件的實際位置。位置控制調節(jié)器位置控制調節(jié)器速度控制速度控制調節(jié)與驅動調