第1章 數(shù)控編程基礎(chǔ)1

《數(shù)控編程技術(shù)及應(yīng)用

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電話旭東隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品日趨精密復(fù)雜，改型換代日趨頻繁。制造自動(dòng)化是先進(jìn)制造技術(shù)中的重要組成部分，其核心技術(shù)是數(shù)控技術(shù)。數(shù)控技術(shù)是綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、自動(dòng)檢測(cè)及精密機(jī)械等高新技術(shù)的產(chǎn)物。目前，隨著國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)床用量的劇增，急需能夠熟練掌握數(shù)控機(jī)床編程和操作以及維護(hù)的應(yīng)用型人才。

1）機(jī)床操作

2）工藝設(shè)計(jì)與編程，維修

3）機(jī)床操作、工藝設(shè)計(jì)與編程、維修及數(shù)控改造、管理金領(lǐng)銀領(lǐng)藍(lán)領(lǐng)社會(huì)急需的數(shù)控加工人才類型：內(nèi)容簡(jiǎn)介《數(shù)控編程技術(shù)》這門課是面向“機(jī)械工程及自動(dòng)化”這個(gè)大專業(yè)開設(shè)的，即涵蓋現(xiàn)有的機(jī)械工程各專業(yè)本科生的一門專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課。它以數(shù)控機(jī)床為對(duì)象，研究數(shù)控加工過(guò)程中有關(guān)工藝分析、數(shù)值計(jì)算、基本的編程功能指令，掌握數(shù)控車床、數(shù)控銑床、加工中心、數(shù)控電火花線切割機(jī)床的程序編制方法及自動(dòng)編程方法。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)我們應(yīng)掌握數(shù)控加工的基本原理和基礎(chǔ)知識(shí)，從而培養(yǎng)我們的編程和加工能力。目錄第1章數(shù)控編程基礎(chǔ)第2章程序編制中的工藝分析處理第3章程序編制中的數(shù)值計(jì)算第4章數(shù)控車床編程第5章數(shù)控銑床編程第6章加工中心編程第7章其他數(shù)控機(jī)床編程第8章自動(dòng)編程第9章刀位驗(yàn)證與軌跡編輯第2章編程系統(tǒng)的后置處理學(xué)完本課程后學(xué)生應(yīng)達(dá)到的要求：1、合理制訂數(shù)控加工的工藝方案。2、合理確定走刀路線、合理選擇刀具及加工余量。3、掌握編程中數(shù)學(xué)處理的基本知識(shí)及一定的計(jì)算機(jī)處理能力。4、掌握常用準(zhǔn)備功能指令、輔助功能指令，手工編寫一般復(fù)雜程度零件的數(shù)控加工程序。5、具有調(diào)試加工程序，參數(shù)設(shè)置、模擬調(diào)整的基本能力。6、掌握自動(dòng)編程的基本知識(shí)，具有采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)編程的初步能力。教學(xué)方法與考核方式課堂教學(xué)自學(xué)考試平時(shí)成績(jī)作業(yè)課堂提問(wèn)教學(xué)方法考核方式本課程授課時(shí)數(shù)24學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)時(shí)數(shù)6學(xué)時(shí)（實(shí)驗(yàn)周）。第1章數(shù)控編程基礎(chǔ)1.1數(shù)控機(jī)床概述1.2插補(bǔ)原理1.3數(shù)控程序編制的基本概念1.4數(shù)控編程幾何基礎(chǔ)1.5程序編制中的基本指令數(shù)字控制（NumericalControl）技術(shù)是用數(shù)字化信息對(duì)機(jī)械設(shè)備（機(jī)床）的運(yùn)動(dòng)及其加工過(guò)程進(jìn)行控制的一種方法，簡(jiǎn)稱為數(shù)控（NC）。數(shù)控技術(shù)是近代發(fā)展起來(lái)的一種自動(dòng)控制技術(shù)，在機(jī)械制造加工技術(shù)方面得到了廣泛的應(yīng)用。1.1數(shù)控機(jī)床概述

隨著科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈，社會(huì)化大生產(chǎn)對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的要求越來(lái)越趨于多樣化、復(fù)雜化，尤其是在造船、航空航天、國(guó)防軍工、重型機(jī)械以及計(jì)算機(jī)電子等工業(yè)重中，其加工批量小、零件形狀復(fù)雜、改形頻繁、精度要求高、加工困難、生產(chǎn)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大和質(zhì)量難以保證的生產(chǎn)特點(diǎn)，已經(jīng)不能靠傳統(tǒng)的加工設(shè)備和制造方法來(lái)適應(yīng)這種柔性化程度很高的加工要求。因此能有效解決復(fù)雜、精密、中小批量加工的數(shù)控機(jī)床在近幾十年來(lái)得到迅速發(fā)展和最廣泛的應(yīng)用。采用數(shù)控技術(shù)控制的機(jī)床，即裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床稱之為數(shù)字控制機(jī)床（NumericallyControlledMachineTool）簡(jiǎn)稱數(shù)控（NC）機(jī)床。國(guó)際信息處理聯(lián)盟（IFIP）第五技術(shù)委員會(huì)對(duì)數(shù)控機(jī)床作了如下定義：數(shù)控機(jī)床是一種裝有程序控制系統(tǒng)的機(jī)床，該系統(tǒng)能邏輯地處理具有特定代碼或其他符號(hào)編碼指令規(guī)定的程序。一、數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生和發(fā)展數(shù)控機(jī)床是采用數(shù)控裝置或電子計(jì)算機(jī)來(lái)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)，自動(dòng)地取代一般通用機(jī)床上人工控制的各種操作，如啟動(dòng)、加工順序、主軸變速、切削用量、松夾工件、選擇刀具、進(jìn)刀退刀、冷卻液開停以及停車等。通常，數(shù)控機(jī)床將所需的全部機(jī)械動(dòng)作、步驟和控制功能，以及工件的形狀尺寸預(yù)先按規(guī)定的字符和文字代碼的形式編制數(shù)控程序，通過(guò)穿孔機(jī)或鍵盤等把程序上的信息以數(shù)字代碼的形式記載在控制介質(zhì)（如穿孔紙帶或磁盤等）上，通過(guò)控制介質(zhì)將加工信息送入數(shù)控裝置，數(shù)控裝置或計(jì)算機(jī)對(duì)輸入的信息進(jìn)行處理與運(yùn)算，發(fā)出各種指令性控制信號(hào)，去控制機(jī)床的伺服系統(tǒng)或其他驅(qū)動(dòng)元件的各種動(dòng)作，從而使數(shù)控機(jī)床自動(dòng)加工出所需要的零件。形數(shù)形圖形數(shù)字化的代碼零件編程的過(guò)程加工的過(guò)程整個(gè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)了：的轉(zhuǎn)換過(guò)程數(shù)控機(jī)床首先由美國(guó)率先發(fā)展，并且是為了適應(yīng)航空工業(yè)制造復(fù)雜零件的需要而產(chǎn)生的。1948年，美國(guó)帕森斯公司與美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）開始共同研究，并于1952年試制成功第一臺(tái)三坐標(biāo)數(shù)控銑床，當(dāng)時(shí)的數(shù)控裝置采用電子管元件。1959年，數(shù)控裝置采用了晶體管元件和印刷電路板，出現(xiàn)帶自動(dòng)換刀裝置的數(shù)控機(jī)床，稱為加工中心（MCMachiningCenter），1965年，出現(xiàn)了第三代的集成電路數(shù)控裝置。60年代末，直接數(shù)控系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱DNC），又稱群控系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱CNC），使數(shù)控裝置進(jìn)入了以小型計(jì)算機(jī)化為特征的第四代。1974年，研制成功使用微處理器和半導(dǎo)體存貯器的微型計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置（簡(jiǎn)稱MNC），這是第五代數(shù)控系統(tǒng)。20世紀(jì)80年代初，出現(xiàn)了人機(jī)對(duì)話式自動(dòng)編制程序的數(shù)控裝置；數(shù)控裝置愈趨小型化；具有自動(dòng)監(jiān)控刀具破損和自動(dòng)檢測(cè)工件等功能。20世紀(jì)90年代后期，出現(xiàn)了PC+CNC智能數(shù)控系統(tǒng)，此種方式系統(tǒng)維護(hù)方便，易于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化制造。我國(guó)數(shù)控機(jī)床開發(fā)的起步并不晚，大約與日本、德國(guó)、前蘇聯(lián)同步。1958年北京第一機(jī)床廠與清華大學(xué)合作試制成功我國(guó)第一臺(tái)數(shù)控銑床。1970年北京第一機(jī)床廠的XK5040型數(shù)控升降臺(tái)銑床才作為商品，1975年沈陽(yáng)第一機(jī)床廠的CSK6163型數(shù)控車床才真正進(jìn)入商品化。1974～1976年間，雖然開發(fā)了加工中心、數(shù)控鏜床、數(shù)控磨床和數(shù)控鉆床，多數(shù)機(jī)床沒(méi)有在生產(chǎn)中發(fā)揮作用。20世紀(jì)80年代前期，“六五”、“七五”、“八五”數(shù)控系統(tǒng)攻關(guān)。目前我國(guó)已經(jīng)有自主版權(quán)的數(shù)控系統(tǒng)，并能生產(chǎn)門類齊全的數(shù)控車、數(shù)控銑、數(shù)控鉆、數(shù)控鏜、數(shù)控磨、數(shù)控齒輪加工、數(shù)控電加工等數(shù)控機(jī)床，數(shù)控加工中心也相繼研制成功。數(shù)控機(jī)床的加工功能數(shù)控車床的加工功能數(shù)控銑床的加工功能1.葉輪數(shù)控銑床的加工功能2.箱體數(shù)控銑床的加工功能3.異形件數(shù)控加工中心的加工功能1.端面銑削數(shù)控加工中心的加工功能2.攻絲數(shù)控加工中心的加工功能3.鏜孔數(shù)控加工中心的加工功能4.鉆孔數(shù)控加工中心的加工功能5.內(nèi)外螺紋加工數(shù)控加工中心的加工功能6.特殊程序加工數(shù)控加工中心的加工功能7.銑內(nèi)孔槽數(shù)控加工中心的加工功能8.銑曲面數(shù)控加工中心的加工功能9.銑曲線數(shù)控加工中心的加工功能10.銑箱體數(shù)控機(jī)床是機(jī)電一體化的典型產(chǎn)品，是集機(jī)床、計(jì)算機(jī)、電機(jī)及拖動(dòng)、自動(dòng)控制、檢測(cè)等技術(shù)為一體的自動(dòng)化設(shè)備。數(shù)控機(jī)床的基本組成包括控制介質(zhì)、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)、反饋系統(tǒng)及機(jī)床本體組成，見圖1-1。二、數(shù)控機(jī)床的組成控制介質(zhì)數(shù)控裝置伺服系統(tǒng)機(jī)床本體MG測(cè)量反饋圖1-1數(shù)控機(jī)床組成數(shù)控機(jī)床工作時(shí)，不要人去直接操作機(jī)床，但又要執(zhí)行人的意圖，這就必須在任何數(shù)控機(jī)床之間建立某種聯(lián)系，這種聯(lián)系的中間媒介物稱之為控制介質(zhì)。數(shù)控機(jī)床常用的控制介質(zhì)和輸入輸出設(shè)備見表1。1.控制介質(zhì)表1控制介質(zhì)和輸入輸出設(shè)備表對(duì)于用微機(jī)控制的數(shù)控機(jī)床，也可用操作面板上的按鈕和鍵盤將加工程序直接用鍵盤輸入，并在CRT顯示器上顯示。數(shù)控裝置是數(shù)控機(jī)床的核心。其功能是接受輸入裝置輸入的數(shù)控程序中的加工信息，經(jīng)過(guò)數(shù)控裝置的系統(tǒng)軟件或邏輯電路進(jìn)行譯碼、運(yùn)算和邏輯處理后，發(fā)出相應(yīng)的脈沖送給伺服系統(tǒng)，使伺服系統(tǒng)帶動(dòng)機(jī)床的各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件按數(shù)控程序預(yù)定要求動(dòng)作。它具備的主要功能如下：1．多軸聯(lián)動(dòng)控制；2．直線、圓弧、拋物線等多種函數(shù)的插補(bǔ)；3．輸入、編輯和修改數(shù)控程序功能；2.數(shù)控裝置4．?dāng)?shù)控加工信息的轉(zhuǎn)換功能：ISO/EIA代碼轉(zhuǎn)換，公英制轉(zhuǎn)換，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，絕對(duì)值和相對(duì)值得轉(zhuǎn)換，計(jì)數(shù)制轉(zhuǎn)換等；5．刀具半徑補(bǔ)償、刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償，傳動(dòng)間隙補(bǔ)償，螺距誤差補(bǔ)償?shù)妊a(bǔ)償功能；6．實(shí)現(xiàn)固定循環(huán)、重復(fù)加工、鏡像加工等多種加工方式選擇；7．在CRT上顯示字符、軌跡、圖形和動(dòng)態(tài)演示等功能。機(jī)床上的執(zhí)行部件和機(jī)械傳動(dòng)部件組成數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)，它根據(jù)數(shù)控裝置發(fā)來(lái)的速度和位移指令控制執(zhí)行部件的進(jìn)給速度、方向和位移量。每個(gè)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行部件都配有一套伺服系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)的作用是把來(lái)自數(shù)控裝置的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)床移動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)，它相當(dāng)于手工操作人的手，使工作臺(tái)（或溜板）精確定位或按規(guī)定的軌跡作嚴(yán)格的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，最后加工出符合圖紙要求的零件。伺服系統(tǒng)由伺服驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)裝置組成，它是數(shù)控系統(tǒng)的執(zhí)行部分，驅(qū)動(dòng)機(jī)床執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)部件。包括主軸驅(qū)動(dòng)單元（速度控制）、進(jìn)給驅(qū)動(dòng)單元（速度控制和位置控制）、主軸電機(jī)和進(jìn)給電機(jī)等。3.伺服系統(tǒng)反饋裝置是閉環(huán)（半閉環(huán)）數(shù)控機(jī)床的檢測(cè)環(huán)節(jié)，該裝置可以包括在伺服系統(tǒng)中，它由檢測(cè)元件和相應(yīng)的電路組成，其作用是檢測(cè)數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)軸的實(shí)際移動(dòng)速度和位移，并將信息反饋到數(shù)控裝置或伺服驅(qū)動(dòng)中，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)；檢測(cè)裝置的安裝、檢測(cè)信號(hào)反饋的位置，決定于數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)型式。無(wú)測(cè)量反饋裝置的系統(tǒng)稱為開環(huán)系統(tǒng)。4.反饋裝置隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)的技術(shù)性能要求更高了，在總體布局、外觀造型、傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、刀具系統(tǒng)以及操作性能方面都已經(jīng)發(fā)生很大的變化。數(shù)控機(jī)床主體，包括床身、主軸、進(jìn)給機(jī)構(gòu)等機(jī)械部件，以及輔助運(yùn)動(dòng)裝置、液壓氣動(dòng)系統(tǒng)、冷卻裝置等部分。數(shù)控機(jī)床的主機(jī)結(jié)構(gòu)有下面幾個(gè)特點(diǎn)：（1）由于采用了高性能的主軸及進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)裝置，數(shù)控機(jī)床的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)得到了簡(jiǎn)化，傳動(dòng)鏈較短。（2）數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)具有較高的動(dòng)態(tài)特性、動(dòng)態(tài)剛度、阻尼精度、耐磨性以及抗熱變形性能。適應(yīng)連續(xù)地自動(dòng)化加工。（3）較多地采用高效傳動(dòng)件，如精密滾珠絲杠、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副、精密齒條、蝸母條、靜壓、磁浮導(dǎo)軌等。5.機(jī)床本體（3）較多地采用高效傳動(dòng)件，如精密滾珠絲杠、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副、精密齒條、蝸母條、靜壓、磁浮導(dǎo)軌等。滾珠絲桿副直線導(dǎo)軌副從數(shù)控機(jī)床最終要完成的任務(wù)看，主要應(yīng)對(duì)三方面進(jìn)行控制。1.主運(yùn)動(dòng)控制和通用機(jī)床一樣，主運(yùn)動(dòng)是形成切削速度并從工件上切除多余材料起主要作用的工作運(yùn)動(dòng)來(lái)完成切削任務(wù)。機(jī)床功率主要消耗于主運(yùn)動(dòng)，其動(dòng)力約占整臺(tái)機(jī)床動(dòng)力的70%~80%。2.進(jìn)給運(yùn)動(dòng)控制數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是通過(guò)進(jìn)給伺服系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這是數(shù)控機(jī)床區(qū)別于通用機(jī)床的重要方面之一。

3.輸入/輸出（I/O）控制數(shù)控系統(tǒng)對(duì)加工程序處理后輸出的控制信號(hào)還要對(duì)機(jī)床的各種狀態(tài)進(jìn)行控制，這些狀態(tài)包括主軸的變頻控制，主軸的正、反轉(zhuǎn)及停止，冷卻和潤(rùn)滑裝置的起動(dòng)和停止，刀具自動(dòng)交換，工件夾緊和放松及分度工作臺(tái)轉(zhuǎn)位等。三、數(shù)控機(jī)床的控制對(duì)象機(jī)床的運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫顯示：數(shù)控機(jī)床加工工件的過(guò)程見圖1-2。四、數(shù)控機(jī)床的工作原理零件圖紙程序設(shè)計(jì)編寫程序單穿孔紙帶數(shù)控介質(zhì)伺服系統(tǒng)機(jī)床加工零件成品圖1-2數(shù)控機(jī)床加工工件過(guò)程數(shù)控機(jī)床對(duì)零件的加工過(guò)程，是嚴(yán)格按照加工程序所規(guī)定的參數(shù)及動(dòng)作執(zhí)行的。它是一種高效能自動(dòng)或半自動(dòng)機(jī)床，與普通機(jī)床相比，具有以下明顯特點(diǎn)：1．適應(yīng)性強(qiáng)，適應(yīng)70%以上多品種小批量零件自動(dòng)加工；2．加工質(zhì)量穩(wěn)定，無(wú)故障時(shí)間迅速增加；3．生產(chǎn)效率高，是普通機(jī)床效率的2～5倍；4．加工精度高，具有加工復(fù)雜形狀零件的能力；5．工序集中，一機(jī)多用；6．自動(dòng)化程度高，生產(chǎn)準(zhǔn)備周期短；7．易于建立計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)；8．有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化。五、數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)六、數(shù)控機(jī)床的分類（1）金屬切削類數(shù)控機(jī)床金屬切削類數(shù)控機(jī)床有數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控鉆床、數(shù)控鏜床、數(shù)控磨床、數(shù)控插齒機(jī)、數(shù)控鏜銑床、數(shù)控凸輪磨床、數(shù)控磨刀機(jī)、數(shù)控曲面磨床等。磨削中心、加工中心MC是帶有刀庫(kù)和自動(dòng)換刀裝置的數(shù)控機(jī)床。（2）金屬成形類數(shù)控機(jī)床金屬成形類數(shù)控機(jī)床有數(shù)控折彎?rùn)C(jī)、數(shù)控彎管機(jī)、數(shù)控油壓成型機(jī)和數(shù)控壓力機(jī)等。（3）數(shù)控特種加工機(jī)床數(shù)控特種加工機(jī)床有數(shù)控線切割機(jī)床、數(shù)控電火花加工機(jī)床、數(shù)控電脈沖機(jī)床、數(shù)控激光加工機(jī)床等。（4）其它類型的數(shù)控機(jī)床如水射流切割機(jī)、鞋樣切割機(jī)、雕刻機(jī)、數(shù)控三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等。1.按用途分類圖1-3數(shù)控車床圖1-4數(shù)控銑床圖1-5數(shù)控加工中心圖1-6錐度電火花線切割機(jī)床（1）．點(diǎn)位控制數(shù)控機(jī)床這類數(shù)控機(jī)床主要有數(shù)控坐標(biāo)鏜床、數(shù)控鉆床、數(shù)控沖床、數(shù)控點(diǎn)焊機(jī)以及數(shù)控彎管機(jī)等。其相應(yīng)的數(shù)控裝置稱之為點(diǎn)位數(shù)控裝置，點(diǎn)位數(shù)控裝置的控制系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單。2.按運(yùn)動(dòng)方式分類圖1-7點(diǎn)位控制數(shù)控機(jī)床（2）．直線控制數(shù)控機(jī)床這類數(shù)控機(jī)床主要有簡(jiǎn)易數(shù)控車床，數(shù)控鏜銑床和數(shù)控磨床等，相應(yīng)的數(shù)控裝置稱之為直線控制裝置。圖1-8直線控制數(shù)控機(jī)床（3）．輪廓控制數(shù)控機(jī)床輪廓控制數(shù)控機(jī)床又稱為連續(xù)控制數(shù)控機(jī)床或軌跡控制數(shù)控機(jī)床。各坐標(biāo)的運(yùn)動(dòng)按規(guī)定的比例關(guān)系相互配合，精確地協(xié)調(diào)起來(lái)連續(xù)進(jìn)行加工，以最小的誤差逼近規(guī)定的直線、斜線或輪廓曲線、曲面。圖1-5為坐標(biāo)輪廓控制數(shù)控機(jī)床的工作原理圖。圖1-9輪廓控制數(shù)控機(jī)床

a）數(shù)控車削b）數(shù)控銑削由控制坐標(biāo)軸的數(shù)量可以有2軸控制、2.5軸控制、3軸控制、4軸控制、5軸控制等（如圖1-10、1-11、1-12所示）。圖1-102.5軸加工空間曲面圖1-113軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑床加工圖圖1-125軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控加工（1）．開環(huán)控制數(shù)控機(jī)床沒(méi)有位置測(cè)量裝置，信號(hào)流是單向的（數(shù)控裝置→進(jìn)給系統(tǒng)），故系統(tǒng)穩(wěn)定性好。3.按控制原理分類電機(jī)機(jī)械執(zhí)行部件A相、B相C相、…f、nCNC插補(bǔ)指令脈沖頻率f脈沖個(gè)數(shù)n換算脈沖環(huán)形分配變換功率放大圖1-13開環(huán)控制系統(tǒng)框圖（2）．閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床

全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點(diǎn)如圖的虛線所示，直接對(duì)運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際位置進(jìn)行檢測(cè)。位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動(dòng)檢測(cè)與反饋單元位置控制單元速度控制單元++--電機(jī)機(jī)械執(zhí)行部件CNC插補(bǔ)指令實(shí)際位置反饋實(shí)際速度反饋圖1-14閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖（3）．半閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點(diǎn)如圖所示，是從驅(qū)動(dòng)裝置(常用伺服電機(jī))或絲杠引出，采樣旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行檢測(cè)，不是直接檢測(cè)運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際位置。位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動(dòng)檢測(cè)與反饋單元位置控制單元速度控制單元++--電機(jī)機(jī)械執(zhí)行部件CNC插補(bǔ)指令實(shí)際位置反饋實(shí)際速度反饋圖1-15半閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)（又稱簡(jiǎn)易數(shù)控系統(tǒng)）普及型數(shù)控系統(tǒng)（通常稱之為全功能數(shù)控系統(tǒng)）高檔數(shù)控系統(tǒng)基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)4.按數(shù)控系統(tǒng)類型分類這種分類沒(méi)有明確的定義和確切的界限，但可以給人們一個(gè)清晰的水平概念。數(shù)控機(jī)床水平的高低由主要技術(shù)參數(shù)、功能指標(biāo)和關(guān)鍵部件的功能水平來(lái)決定。通?？捎孟率鲋笜?biāo)作為評(píng)價(jià)數(shù)控機(jī)床檔次的參考條件。（1）分辨率和進(jìn)給速度分辨率為10μm，進(jìn)給速度為8—15m/min為低檔；分辨率為1μm，進(jìn)給速度為15—24m/min為中檔；分辨率為0.1μm，進(jìn)給速度為15—100m/min為高檔；（2）多坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)功能低檔數(shù)控機(jī)床最多聯(lián)動(dòng)軸數(shù)為2—3軸，中、高檔為3-5軸以上。（3）顯示功能低檔數(shù)控一般只有簡(jiǎn)單的數(shù)碼顯示或簡(jiǎn)單的CRT字符顯示（CathodeRayTube陰極射線管）。中檔有較齊全的CRT顯示，不僅有字符，而且還有圖形，人機(jī)對(duì)話、自診斷等功能。高檔數(shù)控還有三維動(dòng)態(tài)圖形顯示。（4）通訊功能低檔數(shù)控?zé)o通訊功能。中檔數(shù)控有RS32或DNC接口。高檔數(shù)控有MAP（制造自動(dòng)化協(xié)議）等高性能通訊借口，具有聯(lián)網(wǎng)功能。（5）主CPU低檔數(shù)控一般采用8位CPU，中、高檔數(shù)控已經(jīng)由16位CPU發(fā)展到32位、64位CPU，并用具有精簡(jiǎn)指令集的RISC中央處理單元。全功能、可靠性CNCFANUC—OC系列

CNC單元

顯示裝置與操作面板數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)的突飛猛進(jìn)為數(shù)控機(jī)床的技術(shù)進(jìn)步提供了條件，為了滿足市場(chǎng)的需要，達(dá)到現(xiàn)代制造技術(shù)對(duì)數(shù)控機(jī)床提出的更高的要求，當(dāng)前，數(shù)控技術(shù)及數(shù)控機(jī)床的發(fā)展方向主要體現(xiàn)為下述幾方面運(yùn)行高速化加工高精化高可靠性功能復(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)化七、數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)運(yùn)行高速化、加工高精化速度和精度是數(shù)控設(shè)備的兩個(gè)重要指標(biāo)，它們是數(shù)控技術(shù)永恒追求的目標(biāo)。因?yàn)樗苯雨P(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(yùn)行高速化、加工高精化等方面都有了更高的要求。運(yùn)行高速化進(jìn)給率、主軸轉(zhuǎn)速、刀具交換速度、托盤交換速度實(shí)現(xiàn)高速化，并且具有高加（減）速率。進(jìn)給率高速化在分辨率為1

m時(shí)，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(zhǎng)度為1mm時(shí)，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(jī)），即主軸電機(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。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。甚至有人提出了達(dá)到“非切削時(shí)間為零”的目標(biāo)

運(yùn)行高速化高速切削機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)高速機(jī)床是實(shí)現(xiàn)高速加工的前提和基本條件，高速切削機(jī)床技術(shù)是高速切削技術(shù)中最基本的關(guān)鍵技術(shù)。高速切削機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)包括以下幾方面：①高速主軸單元②高速直線驅(qū)動(dòng)進(jìn)給單元③高速切削刀具技術(shù)④CNC控制系統(tǒng)⑤切屑處理和冷卻系統(tǒng)⑥安全裝置與實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)⑦換刀裝置⑧機(jī)床床體結(jié)構(gòu)運(yùn)行高速化高速加工中心機(jī)床實(shí)例米克朗（Mikron）公司生產(chǎn)的HSM400U5軸聯(lián)動(dòng)高速加工中心如圖所示。機(jī)床性能參數(shù)：工作范圍400mm×240mm×350mm；主軸轉(zhuǎn)速42000r/min；主軸功率13kW；進(jìn)給速度X,Y,Z方向40m/min；回轉(zhuǎn)速度B、C擺900～1500o/sec；加速度X,Y,Z方向17m/s2；回轉(zhuǎn)加速度B、C擺5700～17200o/s2；刀柄采用HSK40，刀庫(kù)為18～76位。加工高精化提高機(jī)械設(shè)備的制造和裝配精度；提高數(shù)控系統(tǒng)的控制精度；采用誤差補(bǔ)償技術(shù)。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(cè)裝置，提高位置檢測(cè)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(cè)器，其位置檢測(cè)精度能達(dá)到0.01

m/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)。研究結(jié)果表明，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±0.1

m。高可靠性數(shù)控機(jī)床要發(fā)揮其高性能、高精度、高效率，并獲得良好的效益，關(guān)鍵取決于其可靠性。衡量可靠性的重要量化指標(biāo)是平均故障時(shí)間（MTBF），數(shù)控系統(tǒng)的無(wú)故障工作時(shí)間已由20世紀(jì)80年代的10000h，提高到20世紀(jì)90年代的30000~50000h。數(shù)控機(jī)床整機(jī)的可靠性水平也有顯著提高，其MTBF值已由20世紀(jì)80年代初期的500~800h，降低到目前的100~200h。功能復(fù)合化復(fù)合化是指在一臺(tái)設(shè)備能實(shí)現(xiàn)多種工藝手段加工的方法。在零件加工過(guò)程中有大量的無(wú)用時(shí)間消耗在工件搬運(yùn)、上下料、安裝調(diào)整、換刀和主軸的升、降速上，為了盡可能降低這些無(wú)用時(shí)間，人們希望將不同的加工功能整合在同一臺(tái)機(jī)床上，因此，復(fù)合化的機(jī)床成為近年來(lái)發(fā)展很快的機(jī)種。復(fù)合化包含工序復(fù)合化和功能復(fù)合化。數(shù)控機(jī)床的發(fā)展已模糊了粗精加工工序的概念。加工中心的出現(xiàn)，又把車、銑、鏜等工序集中到一臺(tái)機(jī)床來(lái)完成，打破了傳統(tǒng)的工序界限和分開加工的工藝規(guī)程。近年來(lái)，又相繼出現(xiàn)了許多跨度更大的功能集中的超復(fù)合化數(shù)控機(jī)床，如日本池貝鐵工所的TV4L立式加工中心，由于采用U軸，亦可進(jìn)行車加工。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）；車銑復(fù)合—車削中心（ATC，動(dòng)力刀頭）；銑鏜鉆車復(fù)合—復(fù)合加工中心（ATC，可自動(dòng)裝卸車刀架）；銑鏜鉆磨復(fù)合—復(fù)合加工中心（ATC，動(dòng)力磨頭）；可更換主軸箱的數(shù)控機(jī)床—組合加工中心；控制智能化智能化是21世紀(jì)制造技術(shù)發(fā)展的一個(gè)大方向。智能加工是一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制、數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和理論的加工，它是要在加工過(guò)程中模擬人類專家的智能活動(dòng)，以解決加工過(guò)程許多不確定性的、要由人工干預(yù)才能解決的問(wèn)題。智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個(gè)方面：1.加工過(guò)程自適應(yīng)控制技術(shù)

2.加工參數(shù)的智能優(yōu)化與選擇

3.智能故障診斷與自修復(fù)技術(shù)

4.智能化交流伺服驅(qū)動(dòng)裝置

5.智能4M數(shù)控系統(tǒng)（測(cè)量Measurement、建模Modelling、加工Manufacturing、機(jī)器操作Manipulator）高柔性化柔性自動(dòng)化技術(shù)是制造業(yè)適應(yīng)動(dòng)態(tài)市場(chǎng)需求及產(chǎn)品迅速更新的主要手段，是各國(guó)制造業(yè)發(fā)展的主流趨勢(shì)，是先進(jìn)制造領(lǐng)域的基礎(chǔ)技術(shù)。數(shù)控機(jī)床在提高單機(jī)柔性化的同時(shí)，正朝著單元柔性化和系統(tǒng)柔性化方向發(fā)展。如出現(xiàn)了可編程控制器（PLC）控制的可調(diào)組合機(jī)床、數(shù)控多軸加工中心、數(shù)控三坐標(biāo)動(dòng)力單元等具有柔性的高效加工設(shè)備，還有柔性加工單元（FMC）、柔性制造系統(tǒng)（FMS）以及介于傳統(tǒng)自動(dòng)線與FMS之間的柔性制造線（FTL）。體系開放化定義（IEEE）：具有在不同的工作平臺(tái)上均能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能、且可以與其他的系統(tǒng)應(yīng)用進(jìn)行互操作的系統(tǒng)。開放式數(shù)控系統(tǒng)特點(diǎn)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(guò)對(duì)構(gòu)件的增減來(lái)構(gòu)造系統(tǒng)，實(shí)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(diǎn)向未來(lái)技術(shù)開放：標(biāo)準(zhǔn)化的人機(jī)界面：向用戶特殊要求開放：開放式數(shù)控裝置的概念結(jié)構(gòu)硬件配置單元軟件配置單元標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)硬件數(shù)控系統(tǒng)基本硬件數(shù)控功能應(yīng)用程序DOS(WINDOWS)實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)RTM應(yīng)用程序接口NC構(gòu)件庫(kù)圖1-20開放式數(shù)控裝置的概念結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)并聯(lián)化近年來(lái)出現(xiàn)了所謂六條腿結(jié)構(gòu)的并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床。這種新穎的機(jī)床是采用以可伸縮的六條“腿”（伺服軸）支撐并連接上平臺(tái)（裝有主軸頭）與下平臺(tái)（裝有工作臺(tái)）的構(gòu)架結(jié)構(gòu)形式，取代傳統(tǒng)的床身、立柱等支撐結(jié)構(gòu)，而沒(méi)有任何導(dǎo)軌與滑板的所謂“虛軸機(jī)床”。并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床是1994年出現(xiàn)的新概念機(jī)床，是一種在結(jié)構(gòu)上完全不同于傳統(tǒng)機(jī)床的新型機(jī)床。1994年，在美國(guó)國(guó)際制造技術(shù)展覽會(huì)上（IMTS94），美國(guó)Giddings-Lewis公司推出了Variax加工中心（如圖所示）。在這臺(tái)機(jī)床上，看不到傳統(tǒng)機(jī)床的床身、導(dǎo)軌、立柱和橫粱等結(jié)構(gòu)，它的基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)活動(dòng)平臺(tái)、一個(gè)固定平臺(tái)和六根長(zhǎng)度可變的連桿?；顒?dòng)平臺(tái)上裝有機(jī)床主軸和刀具，固定平臺(tái)上安裝工件，六根桿實(shí)際是六個(gè)滾珠絲杠副，它通過(guò)萬(wàn)向鉸鏈將兩個(gè)平臺(tái)連在一起，同時(shí)將伺服電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)。當(dāng)不斷改變六根桿的長(zhǎng)度時(shí)，可帶動(dòng)活動(dòng)平臺(tái)產(chǎn)生六自由度的空間運(yùn)動(dòng)，使刀具在工件上加工出復(fù)雜的三維曲面。驅(qū)動(dòng)并聯(lián)化

并聯(lián)加工中心（又稱6條腿數(shù)控機(jī)床、虛軸機(jī)床）是數(shù)控機(jī)床在結(jié)構(gòu)上取得的重大突破。驅(qū)動(dòng)桿機(jī)架

動(dòng)平臺(tái)主軸電機(jī)伺服電機(jī)主軸刀具柔性?shī)A具工件靜平臺(tái)圖1-21并聯(lián)機(jī)床結(jié)構(gòu)示意圖并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床與傳統(tǒng)機(jī)床的比較并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床與傳統(tǒng)機(jī)床的結(jié)構(gòu)見下圖所示。并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床是以機(jī)床框架為固定平臺(tái)的若干個(gè)桿件組成空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)，主軸部件安裝在并聯(lián)機(jī)構(gòu)的動(dòng)平臺(tái)上，工作臺(tái)與機(jī)床框架連接在一起。改變桿件的長(zhǎng)度或移動(dòng)桿件的支點(diǎn)，按照并聯(lián)運(yùn)動(dòng)學(xué)原理形成刀具相對(duì)于被加工零件的運(yùn)動(dòng)軌跡。并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床與傳統(tǒng)機(jī)床相比，具有以下優(yōu)異的性能：并聯(lián)結(jié)構(gòu)機(jī)床是現(xiàn)代機(jī)器人與傳統(tǒng)加工技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物；由于它沒(méi)有傳統(tǒng)機(jī)床所必需的床身、立柱、導(dǎo)軌等制約機(jī)床性能提高的結(jié)構(gòu)，具有現(xiàn)代機(jī)器人的模塊化程度高、重量輕和速度快等優(yōu)點(diǎn)。由于并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床具有上述顯著優(yōu)點(diǎn)，目前已成為高速高效高柔性加工設(shè)備的一個(gè)新的發(fā)展方向，但是它也存在一些缺點(diǎn)，如控制計(jì)算極其復(fù)雜，桿件的熱變形對(duì)機(jī)床的加工精度影響比較嚴(yán)重，機(jī)床加工的有效空間相對(duì)于機(jī)床本身體積所占比例較小。特點(diǎn)并聯(lián)結(jié)構(gòu)機(jī)床是現(xiàn)代機(jī)器人與傳統(tǒng)加工技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物；由于它沒(méi)有傳統(tǒng)機(jī)床所必需的床身、立柱、導(dǎo)軌等制約機(jī)床性能提高的結(jié)構(gòu)，具有現(xiàn)代機(jī)器人的模塊化程度高、重量輕和速度快等優(yōu)點(diǎn)。鑒于并聯(lián)機(jī)床具有許多傳統(tǒng)機(jī)床所無(wú)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(jī)床技術(shù)的一個(gè)重要研究方向。近年來(lái)，受到了國(guó)際機(jī)床行業(yè)的高度重視。在近幾年的國(guó)際知名機(jī)床博覽會(huì)上，一些世界著名的機(jī)床廠商都展出了他們研制的并聯(lián)機(jī)床，得到了行家們的高度評(píng)價(jià)，被認(rèn)為是“自發(fā)明數(shù)控技術(shù)以來(lái)在機(jī)床行業(yè)中最有意義的進(jìn)步”，“21世紀(jì)新一代數(shù)控加工設(shè)備”。交互網(wǎng)絡(luò)化支持網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，既滿足單機(jī)需要，又能滿足FMC、FMS、CIMS對(duì)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(jī)床的遠(yuǎn)程（網(wǎng)絡(luò)）監(jiān)視、控制。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)控裝備的數(shù)字化服務(wù)（數(shù)控機(jī)床故障的遠(yuǎn)程（網(wǎng)絡(luò)）診斷、遠(yuǎn)程維護(hù)、電子商務(wù)等）。1.2插補(bǔ)原理與計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)1．插補(bǔ)（Interpolation）的基本概念機(jī)床上進(jìn)行輪廓加工的各種工件，，一般都是由一些簡(jiǎn)單的、基本的幾何元素（直線、圓弧等）構(gòu)成。若加工對(duì)象由其它二次曲線和高次曲線組成，可以采用一小段直線或圓弧來(lái)擬合(有些場(chǎng)合，需要拋物線或高次曲線擬合)，就可以滿足精度要求。這種擬合的方法就是“插補(bǔ)”（Interpolation）。它實(shí)質(zhì)上是根據(jù)有限的信息完成把“填補(bǔ)空白”的“數(shù)據(jù)密化”的工作。即數(shù)控裝置依據(jù)編程時(shí)有限數(shù)據(jù)，按照一定方法產(chǎn)生基本線型（直線、圓弧等），并以此為基礎(chǔ)完成所需要輪廓軌跡的擬合工作?？梢姅?shù)控系統(tǒng)根據(jù)零件輪廓線型的有限信息，計(jì)算出刀具的一系列加工點(diǎn)、完成所謂的數(shù)據(jù)“密化”工作。插補(bǔ)有二層意思：一是用小線段逼近產(chǎn)生基本線型（如直線、圓弧等）；二是用基本線型擬和其它輪廓曲線。1.2.1插補(bǔ)原理2．插補(bǔ)方法在數(shù)控系統(tǒng)中，常用的插補(bǔ)方法有逐點(diǎn)插補(bǔ)法、數(shù)字積分法、時(shí)間分割法等?，F(xiàn)將數(shù)控系統(tǒng)中用得最多的方法——逐點(diǎn)比較法的插補(bǔ)過(guò)程和直線圓弧插補(bǔ)運(yùn)算方法簡(jiǎn)介如下。逐點(diǎn)比較法又稱代數(shù)運(yùn)算法、醉步法，其插補(bǔ)原理可概括為“逐點(diǎn)比較，步步逼近”八個(gè)字。逐點(diǎn)比較法的插補(bǔ)過(guò)程分為四個(gè)步驟：①偏差判別根椐偏差值判斷刀具當(dāng)前位置與理想線段的相對(duì)位置，以確定下一步的走向。②坐標(biāo)進(jìn)給根據(jù)判別結(jié)果，使刀具向x或y方向移動(dòng)一步。③偏差計(jì)算當(dāng)?shù)毒咭频叫挛恢脮r(shí)，再計(jì)算與理想線段間的偏差以確定下一步的走向。④終點(diǎn)判別判斷刀具是否到達(dá)終點(diǎn)。未到終點(diǎn)，則繼續(xù)進(jìn)行插補(bǔ)。若己達(dá)終點(diǎn)，則插補(bǔ)結(jié)束。（1）直線插補(bǔ)圖1-16直線插補(bǔ)規(guī)定：當(dāng)加工點(diǎn)在OA直線上方或在OA直線上，該點(diǎn)的偏差值Fn≥0，若在OA直線的下方，即偏差值Fn＜0，機(jī)床數(shù)控裝置的邏輯功能，根據(jù)偏差值能自動(dòng)判別走步。當(dāng)Fn≥0時(shí)朝+x方向進(jìn)給一步，當(dāng)Fn＜0時(shí)，朝+y方向進(jìn)給一步，每走一步自動(dòng)比