數(shù)控技術(shù)概述

第一章數(shù)控技術(shù)概述學(xué)時早節(jié)教學(xué)內(nèi)容重點、難點1§1-1數(shù)控技術(shù)的基本概念與特點了解基本概述1§1-2數(shù)控機床的工作原理與數(shù)控系統(tǒng)的分類掌握工作原理1§1-3數(shù)控技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r了解發(fā)展?fàn)顩r第一節(jié)數(shù)控技術(shù)的基本概念與特點一、基本概念數(shù)字控制(NumericalControl——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)進行可編程控制的自動化方法。數(shù)控技術(shù)(NumericalControlTechnology)采用數(shù)字控制的方法對某一工作過程實現(xiàn)自動控制的技術(shù)。數(shù)控機床(NumericalControlMachineTools)是采用數(shù)字控制技術(shù)對機床的加工過程進行自動控制的一類機床。它是數(shù)控技術(shù)典型應(yīng)用的例子。數(shù)控系統(tǒng)(NumericalControlSystem)實現(xiàn)數(shù)字控制的裝置。計算機數(shù)控系統(tǒng)(ComputerNumericalControl CNC)以計算機為核心的數(shù)控系統(tǒng)。二、特點數(shù)控機床的產(chǎn)生較好地解決了復(fù)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)控機床的確具有普通機床所不具備的許多優(yōu)點。而且它的應(yīng)用范圍還在不斷擴大，但是在目前還不能完全取代普通機床，也就是說，它不能以最經(jīng)濟的方式來解決加工制造中所有問題。為了更好地說明這個問題，有必要先初步了解一下采用數(shù)控機床加工的優(yōu)缺點。數(shù)控加工的優(yōu)點自動化程度高，可以減輕工人的體力勞動強度加工的零件一致性好，質(zhì)量穩(wěn)定生產(chǎn)效率較高便于產(chǎn)品研制便于實現(xiàn)計算機輔助制造。數(shù)控加工的缺點任何事物都是兩重性。數(shù)控加工雖有上述各種優(yōu)點，同時在某些方面也存在不足之處：單位加工成本較高。只適宜于多品種小批量或中批量生產(chǎn)(占機械加工總量70%?80%)加工中的調(diào)整相對復(fù)雜維修難度大第二節(jié)數(shù)控機床的工作原理與數(shù)控系統(tǒng)的分類一、數(shù)控機床的工作原理數(shù)控機床的組成數(shù)控機床一般由控制介質(zhì)，數(shù)控裝置，伺服機構(gòu)和機床本體四部分組成。粗實線所示的為開環(huán)控制的數(shù)控機床框圖。為了提高機床的加工精度，在開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)中再加上測量裝置，如圖1-1虛線所示，就構(gòu)成了數(shù)控機床的閉環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)系統(tǒng)的工作過程為：將機床工作臺運動的位移量、位移速度、方向軌跡等參數(shù)通過控數(shù)控機床的組成制介質(zhì)輸入給機床敷控裝置，敷控裝置根據(jù)這些參數(shù)指令計算得出進給脈沖序列(包含有上述各個參量)，然后進給脈沖序列經(jīng)伺服機構(gòu)轉(zhuǎn)換放大輸出，控制工作臺按所要求的速度、軌跡，方向和距離移動。若為閉環(huán)系統(tǒng)，則在輸入指令值的同時，測量裝置將工作臺實際位置進行測量，反饋量與輸入量在數(shù)控裝置中進行比較。若有偏差，說明實際位移與給定位移有誤差存在，則數(shù)控裝置精出信號控制機床向著消除誤差的方向移動.二、數(shù)控機床分類1.按工藝用途分類普通數(shù)控機床數(shù)控加工中心機床2?按加工路線分類點位控制數(shù)控機床(2)點位直線控制數(shù)控機床輪廓控制數(shù)控機床3.按有無檢測裝置分類開環(huán)控制數(shù)控機床半閉環(huán)控制數(shù)控機床閉環(huán)控制數(shù)控機床第三節(jié)數(shù)控技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r數(shù)控機床是綜合應(yīng)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(shù)的最新成果而發(fā)展起來的全新型機床。就其數(shù)控系統(tǒng)而言已經(jīng)歷了幾代變化：第一代；1952?1959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。進入九十年代以來，隨著國際上計算機技術(shù)突飛猛進的發(fā)展，數(shù)控技術(shù)不斷采用計算機、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)展運行高速化加工高精化功能復(fù)合化控制智能化體系開放化驅(qū)動并聯(lián)化運行高速化、加工高精化速度和精度是數(shù)控設(shè)備的兩個重要指標(biāo)，它們是數(shù)控技術(shù)永恒追求的目標(biāo)。因為它直接關(guān)系到加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量。新一代數(shù)控設(shè)備在運行高速化、加工高精化等方面都有了更高的要求。運行高速化、加工高精化速度和精度是數(shù)控設(shè)備的兩個重要指標(biāo)，它們是數(shù)控技術(shù)永恒追求的目標(biāo)。因為它直接關(guān)系到加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量。新一代數(shù)控設(shè)備在運行高速化、加工高精化等方面都有了更高的要求?！踹\行高速化：使進給率、主軸轉(zhuǎn)速、刀具交換速度、托盤交換速度實現(xiàn)高速化，并且具有高加（減）速率。進給率高速化：在分辨率為1pm時，F(xiàn)max=240m/min。在Fmax下可獲得復(fù)雜型面的精確加工；在程序段長度為1mm時，F(xiàn)max=30m/min,并且具有1.5g的加減速率；主軸高速化：采用電主軸（內(nèi)裝式主軸電機），即主軸電機的轉(zhuǎn)子軸就是主軸部件。主軸最高轉(zhuǎn)速達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。換刀速度0.9秒（刀到刀）2.8秒（切削到切削）工作臺（托盤）交換速度 6.3秒。加工咼精化：提咼機械設(shè)備的制造和裝配精度；提咼數(shù)控系統(tǒng)的控制精度；采用誤差補償技術(shù)。提高CNC系統(tǒng)控制精度：采用高速插補技術(shù)，以微小程序段實現(xiàn)連續(xù)進給，使CNC控制單位精細化，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到0.01pm/脈沖）；位置伺服系統(tǒng)采用前饋控制與非線性控制等方法。釆用誤差補償技術(shù)：采用反向間隙補償、絲桿螺距誤差補償和刀具誤差補償?shù)燃夹g(shù)；設(shè)備的熱變形誤差補償和空間誤差的綜合補償技術(shù)。研究結(jié)果表明，綜合誤差補償技術(shù)的應(yīng)用可將加工誤差減少60%?80%。三井精機的JidicH5D型超精密臥式加工中心的定位精度為土0.1pm。由于計算機技術(shù)的不斷進步，促進了數(shù)控技術(shù)水平的提高，數(shù)控裝置、進給伺服驅(qū)動裝置和主軸伺服驅(qū)動裝置的性能也隨之提高，使得現(xiàn)代的數(shù)控設(shè)備在新的技術(shù)水平下，可同時具備運行高速化、加工高精化的性能。功能復(fù)合化復(fù)合化是指在一臺設(shè)備能實現(xiàn)多種工藝手段加工的方法。鏜銃鉆復(fù)合一加工中心（ATC）、五面加工中心（ATC,主軸立臥轉(zhuǎn)換）；-車銃復(fù)合一車削中心（ATC，動力刀頭）；-銃鏜鉆車復(fù)合一復(fù)合加工中心（ATC,可自動裝卸車刀架）；銃鏜鉆磨復(fù)合一復(fù)合加工中心（ATC，動力磨頭）；?可更換主軸箱的數(shù)控機床一組合加工中心；?控制智能化隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，并為滿足制造業(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，具體體現(xiàn)在以下幾個方面：?加工過程自適應(yīng)控制技術(shù)通過監(jiān)測加工過程中的切削力、主軸和進給電機的功率、電流、電壓等信息，利用傳統(tǒng)的或現(xiàn)代的算法進行識別，以辯識出刀具的受力、磨損以及破損狀態(tài)，機床加工的穩(wěn)定性狀態(tài)；并根據(jù)這些狀態(tài)實時修調(diào)加工參數(shù)（主軸轉(zhuǎn)速，進給速度）和加工指令，使設(shè)備處于最佳運行狀態(tài)，以提高加工精度、降低工件表面粗糙度以及設(shè)備運行的安全性。＞MitsubishiElectric公司的用于數(shù)控電火花成型機床的“MiracleFuzzy"基于模糊邏輯的自適應(yīng)控制器，可自動控制和優(yōu)化加工參數(shù)；＞日本牧野在電火花NC系統(tǒng)Makino_Mce20中，用專家系統(tǒng)代替人進行加工過程監(jiān)控。＞以色列的外置式力自適應(yīng)控制器＞意大利Mandelli公司數(shù)控系統(tǒng)的可編程功率自適應(yīng)控制功能。＞國內(nèi)清華和我校的自適應(yīng)控制技術(shù)的研究已取得成果。正在進行商品化開發(fā)。＞加工參數(shù)的智能優(yōu)化與選擇將工藝專家或技工的經(jīng)驗、零件加工的一般與特殊規(guī)律，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"，利用它獲得優(yōu)化的加工參數(shù)，從而達到提高編程效率和加工工藝水平，縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備時間的目的。采用經(jīng)過優(yōu)化的加工參數(shù)編制的加工程序，可使加工系統(tǒng)始終處于較合理和較經(jīng)濟的工作狀態(tài)。＞目前已開發(fā)出帶自學(xué)習(xí)功能的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電火花加工專家系統(tǒng)。＞日本大隈公司的7000系列數(shù)控系統(tǒng)帶有人工智能式自動編程功能。＞國內(nèi)清華和我校在加工參數(shù)的智能優(yōu)化與選擇及CAPP方面的研究也取得了一些成果。但有待進行實用化開發(fā)。＞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（AI、ES、ANN等），實現(xiàn)故障快速準(zhǔn)確定位的技術(shù)。＞智能故障自修復(fù)技術(shù)：指能根據(jù)診斷確定故障原因和部位，以自動排除故障或指導(dǎo)故障的排除技術(shù)。智能自修復(fù)技術(shù)集故障自診斷、故障自排除、自恢復(fù)、自調(diào)節(jié)于一體，并貫穿于加工過程的整個生命周期。＞智能故障診斷技術(shù)在有些日本、美國公司生產(chǎn)的數(shù)控系統(tǒng)中已有應(yīng)用，基本上都是應(yīng)用專家系統(tǒng)實現(xiàn)的。＞智能化自修復(fù)技術(shù)還在研究之中。＞智能化交流伺服驅(qū)動裝置目前已開始研究能自動識別負載，并自動調(diào)整參數(shù)的智能化伺服系統(tǒng)，包括智能主軸交流驅(qū)動裝置和智能化進給伺服裝置。這種驅(qū)動裝置能自動識別電機及負載的轉(zhuǎn)動慣量，并自動對控制系統(tǒng)參數(shù)進行優(yōu)化和調(diào)整，使驅(qū)動系統(tǒng)獲得最佳運行。-智能4M數(shù)控系統(tǒng)在制造過程中，加工、檢測一體化是實現(xiàn)快速制造、快速檢測和快速響應(yīng)的有效途徑，將測量(Measurement)、建模(Modelling)、加工(Manufacturing)、機器操作(Manipulator)四者(即4M)融合在一個系統(tǒng)中，實現(xiàn)信息共享，促進測量、建模、加工、裝夾、操作一體化的4M智能系統(tǒng)?？隗w系開放化定義(IEEE)：具有在不同的工作平臺上均能實現(xiàn)系統(tǒng)功能、且可以與其他的系統(tǒng)應(yīng)用進行互操作的系統(tǒng)。?開放式數(shù)控系統(tǒng)特點：＞系統(tǒng)構(gòu)件(軟件和硬件)具有標(biāo)準(zhǔn)化(Standardization)與多樣化(Diversification)和互換性(Interchangeability)的特征＞允許通過對構(gòu)件的增減來構(gòu)造系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)'積木式”的集成。構(gòu)造應(yīng)該是可移植的和透明的；-開放體系結(jié)構(gòu)CNC的優(yōu)點＞向未來技術(shù)開放：由于軟硬件接口都遵循公認的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，只需少量的重新設(shè)計和調(diào)整，新一代的通用軟硬件資源就可能被現(xiàn)有系統(tǒng)所采納、吸收和兼容，這就意味著系統(tǒng)的開發(fā)費用將大大降低而系統(tǒng)性能與可靠性將不斷改善并處于長生命周期；＞標(biāo)準(zhǔn)化的人機界面：標(biāo)準(zhǔn)化的編程語言，方便用戶使用，降低了和操作效率直接有關(guān)的勞動消耗；＞向用戶特殊要求開放：更新產(chǎn)品、擴充能力、提供可供選擇的硬軟件產(chǎn)品的各種組合以滿足特殊應(yīng)用要求，給用戶提供一個方法，從低級控制器開始，逐步提高，直到達到所要求的性能為止。另外用戶自身的技術(shù)訣竅能方便地融入，創(chuàng)造出自己的名牌產(chǎn)品；＞可減少產(chǎn)品品種，便于批量生產(chǎn)、提高可靠性和降低成本，增強市場供應(yīng)能力和競爭能力。?開放式數(shù)控裝置的概念結(jié)構(gòu)數(shù)控功能?國內(nèi)外開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究進展>美國：NGC(TheNextGenerationWork-station/MachineController)和OMAC(OpenModularArchitectureController)計劃歐共體：OSACA（OpenSystemArchitectureforControlwithinAutomationSystems）計劃日本：OSEC（OpenSystemEnvironmentforController）計劃華中I型——基于IPC的CNC開放體系結(jié)構(gòu)航天I型CNC系統(tǒng)——基于PC的多機CNC開放體系結(jié)構(gòu)- 驅(qū)動并聯(lián)化? 并聯(lián)加工中心（又稱6條腿數(shù)控機床、虛軸機床）是數(shù)控機床在結(jié)構(gòu)上取得的圖 并聯(lián)機床結(jié)構(gòu)示意圖?特點>并聯(lián)結(jié)構(gòu)機床是現(xiàn)代機器人與傳統(tǒng)加工技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物；>由于它沒有傳統(tǒng)機床所必需的床身、立柱、導(dǎo)軌等制約機床性能提高的結(jié)構(gòu)，>具有現(xiàn)代機器人的模塊化程度高、重量輕和速度快等優(yōu)點。鑒于并聯(lián)機床具有許多傳統(tǒng)機床所無法比擬的卓越性能，它作為一種新型的加工設(shè)備，已成為當(dāng)前機床技術(shù)的一個重要研究方向。近年來，受到了國際機床行業(yè)的高度重視。在近幾年的國際知名機床博覽會上，一些世界著名的機床廠商都展出了他們研制的并聯(lián)機床，得到了行家們的高度評價，被認為是咱發(fā)明數(shù)控技術(shù)以來在機床行業(yè)中最有意義的進步”，“21世紀新一代數(shù)控加工設(shè)備”口交互網(wǎng)絡(luò)化支持網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，既滿足單機需要，又能滿足FMC、FMS、CIMS對基層設(shè)備集成要求的數(shù)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)是形成“全球制造”的基礎(chǔ)單元。?網(wǎng)絡(luò)資源共享。數(shù)控機床的遠程（網(wǎng)絡(luò)）監(jiān)視、控制。數(shù)控機床的遠程（網(wǎng)絡(luò)）培訓(xùn)與教學(xué)（網(wǎng)絡(luò)數(shù)控）數(shù)控