數(shù)控加工技術(shù) 第一章 概述

數(shù)控技術(shù)福建工程學(xué)院

賈敏忠教育科學(xué)“十五”國家規(guī)劃課題研究成果第1章數(shù)控機(jī)床的基礎(chǔ)知識(shí)數(shù)控技術(shù)概述數(shù)控機(jī)床分類數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢1.1數(shù)控機(jī)床概述

1.1.1、數(shù)控技術(shù)基本概念1、數(shù)控技術(shù)、數(shù)控系統(tǒng)與數(shù)控機(jī)床

數(shù)控技術(shù)，簡稱數(shù)控（NumericalControl----NC）是利用數(shù)字化信息對機(jī)械運(yùn)動(dòng)及加工過程進(jìn)行控制的一種方法。

數(shù)控系統(tǒng)（NumericalControlSystem）：用來實(shí)現(xiàn)數(shù)字化信息控制的硬件與軟件的整體稱為數(shù)控系統(tǒng)。其核心是數(shù)控裝置（NumericalController）.

數(shù)控機(jī)床：采用數(shù)控技術(shù)進(jìn)行控制的機(jī)床。第一節(jié)數(shù)控機(jī)床概述

一、數(shù)控技術(shù)基本概念2、NC機(jī)床與程控機(jī)床

機(jī)床的自動(dòng)控制包括三方面：1）機(jī)床動(dòng)作順序的程序控制（PLC控制）2）主電機(jī)和輔助電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)停止、變速、冷卻、潤滑、排屑、自動(dòng)換刀等輔助機(jī)能的控制。3）刀具（或坐標(biāo)）移動(dòng)軌跡的控制。

控制方式控制對象控制方法順序控制組合機(jī)床或生產(chǎn)流程的順序早期由傳統(tǒng)的繼電器現(xiàn)在一般由PLC控制------主要位置（開關(guān)量）控制輔助功能控制機(jī)械加工必須的動(dòng)作或機(jī)床特殊功能（動(dòng)作）軌跡控制加工過程的軌跡數(shù)控技術(shù)總結(jié):1.1.1、數(shù)控技術(shù)基本概念幾個(gè)名稱NC機(jī)床加工中心FMCFMSCIMS二、數(shù)控系統(tǒng)及其組成1、數(shù)控機(jī)床的組成普通機(jī)床演變?yōu)閿?shù)控機(jī)床普通機(jī)床到數(shù)控機(jī)床數(shù)控機(jī)床的組成二、數(shù)控系統(tǒng)及其組成2、數(shù)控系統(tǒng)的基本組成

數(shù)控系統(tǒng)的主要控制對象是坐標(biāo)軸的位移，控制信息主要來源于數(shù)控加工或運(yùn)動(dòng)控制程序。

基本組成：程序輸入/輸出裝置、數(shù)控裝置、伺服驅(qū)動(dòng)。數(shù)控機(jī)床的組成

數(shù)控機(jī)床由信息輸入、信息運(yùn)算及控制、伺服驅(qū)動(dòng)和位置檢測反饋、機(jī)床本體、機(jī)電接口等五大部分組成。脈沖當(dāng)量的概念：一個(gè)脈沖機(jī)械部件對應(yīng)的位移量。第二節(jié)數(shù)控機(jī)床的分類一、按運(yùn)動(dòng)控制的特點(diǎn)分類二、按坐標(biāo)軸數(shù)數(shù)目分類三、按伺服系統(tǒng)的類型分類四、按工藝方法分類五、按功能水平分類：高檔、中檔、低檔（經(jīng)濟(jì)型）一、按運(yùn)動(dòng)控制的特點(diǎn)分類

點(diǎn)位控制數(shù)控機(jī)床:

直線控制數(shù)控機(jī)床：

輪廓控制的數(shù)控機(jī)床：

二、按坐標(biāo)軸數(shù)數(shù)目分類兩坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床兩個(gè)半坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床三坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床多坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床

三、按伺服系統(tǒng)的類型分類

開環(huán)控制的數(shù)控機(jī)床

閉環(huán)控制的數(shù)控機(jī)床

半閉環(huán)控制系統(tǒng)控制

只能用步進(jìn)電機(jī)四、按工藝方法分類

金屬切削類數(shù)控機(jī)床金屬成型類及特種加工類數(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。

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)頭壓力機(jī)等。

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。五、按功能水平分類：高檔、中檔、低檔（經(jīng)濟(jì)型）

項(xiàng)目低檔中檔高檔分辨率/um1010.1進(jìn)給速度8-15m/min15-24m/min15-100m/min聯(lián)動(dòng)軸數(shù)2～3軸2～4軸3～5軸以上主CPU8-16位32位或32位以上的CPU伺服系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)開環(huán)直流及交流閉環(huán)伺服系統(tǒng)內(nèi)裝PC無有有強(qiáng)功能的ＰＬＣ顯示功能LED或簡單的CRT較齊全的CRT顯示三維圖形顯示通信功能無DNC接口（或ＲＳ２３２接口）MAP接口有聯(lián)網(wǎng)功能第三節(jié)數(shù)控機(jī)床的技術(shù)指標(biāo)1.規(guī)格指標(biāo):指數(shù)控機(jī)床的基本能力指標(biāo)，主要包括行程范圍:工作臺(tái)面尺寸:承載能力:控制軸數(shù)和聯(lián)動(dòng)軸數(shù):機(jī)床能加工零件的最大重量機(jī)床安裝工件的最大范圍

機(jī)床允許的加工空間控制軸數(shù):機(jī)床數(shù)控裝置能夠控制的進(jìn)給軸數(shù)目聯(lián)動(dòng)軸數(shù):機(jī)床數(shù)控裝置同時(shí)控制的進(jìn)給軸數(shù)目：如2軸、2.5軸、3軸、4軸、5軸控制等第三節(jié)數(shù)控機(jī)床的技術(shù)指標(biāo)2.精度指標(biāo):機(jī)床的移動(dòng)部件沿某一坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)時(shí)實(shí)際值與給定值的接近程度同一臺(tái)數(shù)控機(jī)床上應(yīng)用相同程序、相同代碼加工一批零件所得到結(jié)果的一致性分度工作臺(tái)在分度時(shí)指令要求回轉(zhuǎn)的角度值和實(shí)際回轉(zhuǎn)的角度值的差值定位精度:重復(fù)定位精度:分度精度:機(jī)床移動(dòng)部件位置精度第三節(jié)數(shù)控機(jī)床的技術(shù)指標(biāo)3.性能指標(biāo):最大主軸轉(zhuǎn)速:最高快移速度和最高進(jìn)給速度:最高快移速度指進(jìn)給軸在非加工狀態(tài)下的最高移動(dòng)速度主軸所能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速，是影響零件表面加工質(zhì)量、生產(chǎn)率、刀具壽命的主要因素最高進(jìn)給速度指進(jìn)給軸在加工狀態(tài)下的最高移動(dòng)速度第三節(jié)數(shù)控機(jī)床的技術(shù)指標(biāo)可以測量的最小增量（對測量系統(tǒng)而言）可以控制的最小位移增量（對控制系統(tǒng)而言）脈沖當(dāng)量：

分辨率：

數(shù)控裝置每發(fā)出一個(gè)脈沖信號，反映到機(jī)床移動(dòng)部件上的移動(dòng)量。例：0.001mm脈沖當(dāng)量越小，數(shù)控機(jī)床的加工精度和加工表面質(zhì)量越高分辨率（Resolution）與脈沖當(dāng)量:0.01mm、0.001mm、0.1μm、0.01μm；第五節(jié)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。運(yùn)行高速化和加工高精化功能復(fù)合化控制智能化體系開放化驅(qū)動(dòng)并聯(lián)化交互網(wǎng)絡(luò)化造型宜人化1、趨勢——運(yùn)行高速化進(jìn)給、主軸、刀具交換、托盤交換等實(shí)現(xiàn)高速化，并具有高加（減）速度。

進(jìn)給率高速化：在分辨率為1m時(shí)，F(xiàn)max=240m/min，可獲得復(fù)雜型面的精確加工；在程序段長度為1mm時(shí)，F(xiàn)max=30m/min，并且具有1.5g的加減速率；LinearMotor在高效加工中心上達(dá)到90m/min的快移速度和1g的加速度。直線電機(jī)作為高效驅(qū)動(dòng)元件正被廣為應(yīng)用，尤其在激光切割和高速加工中。換刀速度0.9秒（刀到刀）2.8秒（切削到切削）工作臺(tái)（托盤）交換速度

6.3秒。主軸高速化：采用電主軸（內(nèi)裝式主軸電機(jī)），主軸電機(jī)的轉(zhuǎn)子軸就是主軸部件。主軸最高轉(zhuǎn)速達(dá)200000r/min。主軸轉(zhuǎn)速的最高加（減）速為1.0g，即僅需1.8秒即可從0提速到15000r/min。SpindleMotor高速加工：控制、伺服驅(qū)動(dòng)、主軸、刀具、軸承、導(dǎo)軌、絲杠、卡盤、夾具、冷卻2、趨勢——加工高精化提高機(jī)械的制造和裝配精度；提高數(shù)控系統(tǒng)的控制精度；采用誤差補(bǔ)償技術(shù)。IC制造裝備、納米控制。

提高CNC系統(tǒng)控制精度：采用高速插補(bǔ)技術(shù)，以微小程序段實(shí)現(xiàn)連續(xù)進(jìn)給，使CNC控制單位精細(xì)化；采用高分辨率位置檢測裝置，提高位置檢測精度（日本交流伺服電機(jī)已有裝上106脈沖/轉(zhuǎn)的內(nèi)藏位置檢測器，其位置檢測精度能達(dá)到0.01m/脈沖）位置伺服系統(tǒng)采用前饋控制與非線性控制等方法。采用誤差補(bǔ)償技術(shù)：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60％～80％。三井精機(jī)的JidicH5D型超精密臥式加工中心的定位精度為±0.1m。高精加工：控制、伺服驅(qū)動(dòng)、主軸、刀具、傳感器、軸承、導(dǎo)軌、絲杠、夾具、冷卻3、趨勢——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(dòng)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(shí)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(shí)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設(shè)備運(yùn)行的安全性。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)化與選擇器”，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(shí)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(dòng)裝置：自動(dòng)識(shí)別負(fù)載、自動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)獲得最佳運(yùn)行。

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(dòng)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。4、趨勢——功能復(fù)合化復(fù)合化：在一臺(tái)設(shè)備上實(shí)現(xiàn)多種工藝步驟的加工，縮短加工鏈車銑復(fù)合—車削中心（ATC，動(dòng)力刀頭）；鏜銑鉆復(fù)合—加工中心（ATC）、五面加工中心（ATC，主軸立臥轉(zhuǎn)換）；銑鏜鉆車復(fù)合—復(fù)合加工中心；可更換主軸箱的數(shù)控機(jī)床—組合加工中心；集車削和激光加工于一體的機(jī)床；測量/制造復(fù)合，在加工后對工件進(jìn)行在線測量多功能復(fù)合化機(jī)床消除了車床、銑床、磨床、激光設(shè)備等之間的傳統(tǒng)差異。CAD、CAM、CNC三者關(guān)系圖

CAD/CAM/CNC

智能4M數(shù)控系統(tǒng)：將測量(Measurement)、建模(Modelling)、加工(Manufacturing)、機(jī)器操作(Manipulator)四者（即4M）融合在一個(gè)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)信息共享、快速制造、快速檢測和快速響應(yīng)。5、趨勢——交互網(wǎng)絡(luò)化

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、靈捷制造TEAM（technologyenablingagilemanufacture）對基層設(shè)備集成要求的數(shù)控系統(tǒng)。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）數(shù)控系統(tǒng)中采用網(wǎng)絡(luò)與光纖通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)和I/O的控制是數(shù)控技術(shù)的發(fā)展方向。數(shù)控中：德國Intrtamat的SERCOS、美國DELTATAU的Mcro-Link、日本FANUC的SERVO-Link、日本三菱的Tro-Link等。由于技術(shù)封鎖等原因，各系統(tǒng)中光纖通訊采用的協(xié)議沒有兼容性和互換性，要求伺服驅(qū)動(dòng)器以及I/O模塊必須具有相應(yīng)協(xié)議的光纖通訊接口，這樣的系統(tǒng)軟硬件開放性較差，而且系統(tǒng)的成本也較高。另外的網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議：ARCNET、CANBus、Profibus、USB、IEEE1394。IEEE1394的前身即FireWire，是1986年由蘋果電腦公司針對高速數(shù)據(jù)傳輸所開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，并于1995年獲得美國電機(jī)電子工程師協(xié)會(huì)認(rèn)可成為正式新標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)在大家看到的IEEE1394、FireWire和i.LINK其實(shí)指的都是這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，通常，在PC個(gè)人計(jì)算機(jī)領(lǐng)域?qū)⑺Q為IEEE1394，在電子消費(fèi)品領(lǐng)域則更多的將它稱為i.LINK。

IEEE1394（FireWire）：高速串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_放式技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，通訊速度最高達(dá)400MHz；目前IEEE1394技術(shù)使用最廣的是數(shù)字成像領(lǐng)域，支持的產(chǎn)品包括數(shù)字相機(jī)或攝像機(jī)等。IEEE1394可以采用光纖進(jìn)行信息的傳輸，大大地提高了系統(tǒng)的通訊速度和數(shù)據(jù)傳輸距離以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。在?/p>