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1、,,第1章 數(shù)控機床基本知識,1.1 數(shù)控機床的產(chǎn)生與發(fā)展 1.2 數(shù)控機床的組成結(jié)構(gòu)及工作原理 1.3 數(shù)控機床的分類,1.1 數(shù)控機床的產(chǎn)生與發(fā)展,隨著社會生產(chǎn)和科學技術(shù)的不斷進步，各類工業(yè)新產(chǎn)品層出不窮。機械制造產(chǎn)業(yè)作為國民工業(yè)的基礎，其產(chǎn)品更是日趨精密復雜，特別是在宇航、航海、軍事等領域所需的機械零件，精度要求更高，形狀更為復雜且往往批量較小，加工這類產(chǎn)品需要經(jīng)常改裝或調(diào)整設備，,普通機床或?qū)I(yè)化程度高的自動化機床顯然無法適應這些要求。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)設備數(shù)控機床就應運而生了 。,1.1.

2、1 數(shù)控機床的產(chǎn)生 帕森斯公司正式接受委托，與麻省理工學院伺服機構(gòu)實驗室（Servo Mechanism Laboratory of the Massachusetts Institute of Technology）合作，于1952年試制成功世界上第一臺數(shù)控機床試驗性樣機。 1959年，美國克耐杜列克公司（Keaney & Trecker）首次成功開發(fā)了加工中心（Machining Center） 。,1.1.2 數(shù)控機床的發(fā)展簡況 第1代數(shù)控機床：1952年1959年采用電子管元件構(gòu)成的專用數(shù)控裝置（NC）。 第2代數(shù)控機床：從1959年開始采用晶體管電路的NC系統(tǒng)。 第3代數(shù)控機床：從1

3、965年開始采用小、中規(guī)模集成電路的NC系統(tǒng)。,第4代數(shù)控機床：從1970年開始采用大規(guī)模集成電路的小型通用電子計算機控制的系統(tǒng)（CNC）。 第5代數(shù)控機床：從1974年開始采用微型計算機控制的系統(tǒng)（MNC）。,1計算機直接數(shù)控系統(tǒng) 所謂計算機直接數(shù)控（Direct Numerical Control，DNC）系統(tǒng)，即使用一臺計算機為數(shù)臺數(shù)控機床進行自動編程，編程結(jié)果直接通過數(shù)據(jù)線輸送到各臺數(shù)控機床的控制箱。,2柔性制造系統(tǒng) 柔性制造系統(tǒng)（Flexible Manufacturing System，F(xiàn)MS）也叫做計算機群控自動線，它是將一群數(shù)控機床用自動傳送系統(tǒng)連接起來，并置于一臺計算機的統(tǒng)一

4、控制之下，形成一個用于制造的整體。,3計算機集成制造系統(tǒng) 計算機集成制造系統(tǒng)（Computer-Integrated Manufacturing System，CIMS），是指用最先進的計算機技術(shù)，控制從定貨、設計、工藝、制造到銷售的全過程，以實現(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)控機床。1965年開始研制晶體管數(shù)控系統(tǒng)，直到20世紀60年代末至70年代初成功。從20世紀80年代開始，先后從日本、美國、德國等國家引進先進的數(shù)控技術(shù)。如北京機床研究所從日本FANUC公司引進FANUC3、FANUC5、FANUC6、

5、FANUC7系列產(chǎn)品的制造技術(shù)；上海機床研究所引進美國GE公司的MTC-1數(shù)控系統(tǒng)等。,1.1.4 數(shù)控機床的發(fā)展趨勢 從數(shù)控機床技術(shù)水平看，高精度、高速度、高柔性、多功能和高自動化是數(shù)控機床的重要發(fā)展趨勢。 數(shù)控系統(tǒng)都采用了16位和32位微處理器，標準總線及軟件模塊和硬件模塊結(jié)構(gòu)，內(nèi)存容量擴大到1MB以上，機床分辨率可達0.1m，高速進給可達100m/min，控制軸數(shù)可達16個。,1.2 數(shù)控機床的組成結(jié)構(gòu)及工作原理,1.2.1 數(shù)控機床的組成 1控制介質(zhì) 數(shù)控機床工作時，不需要操作工人直接操縱機床，但機床又必須執(zhí)行人的意圖，這就需要在人與機床之間建立某種聯(lián)系，這種聯(lián)系的中間媒介物即稱為控制

6、介質(zhì)。,2數(shù)控系統(tǒng) 數(shù)控裝置是一種控制系統(tǒng)，是數(shù)控機床的中心環(huán)節(jié)。它能自動閱讀輸入載體上事先給定的數(shù)字，并將其譯碼，從而使機床進給并加工零件，數(shù)控系統(tǒng)通常由輸入裝置、控制器、運算器和輸出裝置4大部分組成 。,3伺服系統(tǒng) 伺服系統(tǒng)由伺服驅(qū)動電動機和伺服驅(qū)動裝置組成，它是數(shù)控系統(tǒng)的執(zhí)行部分。伺服系統(tǒng)接受數(shù)控系統(tǒng)的指令信息，并按照指令信息的要求帶動機床的移動部件運動或使執(zhí)行部分動作，以加工出符合要求的工件。每一個脈沖使機床移動部件產(chǎn)生的位移量叫做脈沖當量。目前所使用的數(shù)控系統(tǒng)脈沖當量通常為0.001mm/脈沖。,4輔助控制系統(tǒng) 輔助控制系統(tǒng)是介于數(shù)控裝置和機床機械、液壓部件之間的強電控制裝置。 5機

7、床本體 機床本體是數(shù)控機床的主體，由機床的基礎大件（如床身、底座）和各運動部件（如工作臺、床鞍、主軸等）所組成。,1.2.2 數(shù)控機床的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件 1伺服系統(tǒng)驅(qū)動電機 （1）步進電動機 步進電動機通常用于開環(huán)伺服系統(tǒng)機床。,（2）直流伺服電動機 小慣量直流電動機 寬調(diào)速直流電動機 無刷直流電動機,（3）交流伺服電動機 近年來新型功率開關(guān)器件、專用集成電路和新的控制算法等的發(fā)展帶動了交流驅(qū)動電源的發(fā)展，使其調(diào)速性能更能適應數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的要求。交流速度控制系統(tǒng)正逐步取代直流速度控制系統(tǒng)。,2位置檢測裝置 檢測裝置是把位移和速度測量信號作為反饋信號，并將反饋信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字送回計算機，和脈沖指令

8、信號相比較，以控制驅(qū)動元件正確運轉(zhuǎn)。,（1）感應同步器 感應同步器是一種電磁式的高精度位移檢測元件，按其結(jié)構(gòu)方式的不同可分為直線式和旋轉(zhuǎn)式兩種，前者用于長度測量，后者用于角度測量。 感應同步器的特點是：精度高，工作可靠，抗干擾性強，維護簡單，壽命長，可測量長距離位置，成本低，易于批量生產(chǎn)。,（2）光柵 光柵就是在一塊長條形的光學玻璃上均勻地刻劃很多條與運動方向垂直的條紋，條紋之間的距離成為柵距。 光柵測量裝置是一種非接觸式測量，利用光路減少了機械誤差，具有精度高，響應速度快等特點，因此是數(shù)控機床和數(shù)顯系統(tǒng)常用的檢測元件。,（3）磁柵 磁柵是用電磁的方法計算磁波數(shù)目的一種位置檢測元件，磁柵測量裝

9、置由磁性標尺、讀取磁頭和檢測電路組成。 磁柵位置檢測電路的特點是：容易制造，檢測精度高（能達到每米3m），安裝使用方便，對環(huán)境條件要求較低，若磁性標尺膨脹系數(shù)與機床一致，可在一般車間使用。由于磁頭與磁柵為有接觸的相對運動，因而有磨損，使用壽命受到一定的限制。一般使用壽命可達到5年，涂上保護膜后壽命則可進一步延長。,（4）旋轉(zhuǎn)變壓器 旋轉(zhuǎn)變壓器是一種角位移檢測元件，由定子和轉(zhuǎn)子組成，分為有刷和無刷兩種形式。有刷旋轉(zhuǎn)變壓器定子和轉(zhuǎn)子均為兩相交流分布繞組。 數(shù)控機床檢測裝置主要使用無刷旋轉(zhuǎn)變壓器，因為無刷旋轉(zhuǎn)變壓器具有可靠性高、壽命長、體積小、不用維修以及輸出信號大、抗干擾能力強等優(yōu)點。,（5）脈沖

10、編碼器 脈沖編碼器是把機械轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)化為電脈沖的一種常用角位移傳感器。 （6）測速發(fā)電機 測速發(fā)電機是速度反饋元件，相當于一臺永磁式直流電動機。,3進給運動傳動部件 滾珠絲杠螺母副是回轉(zhuǎn)運動與直線運動相互轉(zhuǎn)換的新型理想傳動裝置。,具有如下優(yōu)點。 （1）傳動效率高。 （2）摩擦力小。 （3）使用壽命長。 （4）經(jīng)預緊后可以消除軸向間隙，提高系統(tǒng)的剛度。 （5）反向運動時無空行程，可以提高軸向運動精度。,4CRT顯示及其接口 5數(shù)控機床通信RS-232接口,1.2.3 數(shù)控機床的工作原理 數(shù)控系統(tǒng)的主要任務之一就是控制執(zhí)行機構(gòu)按預定的軌跡運動。一般情況是已知運動軌跡的起點坐標、終點坐標和曲線方程，由數(shù)

11、控系統(tǒng)實時地算出各個中間點的坐標。即需要“插入、補上”運動軌跡各個中間點的坐標，通常這個過程就稱為“插補”。,1逐點比較法直線插補 （1）直線插補計算原理 偏差計算公式 定義直線插補的偏差判別式如下： Fm=ymxexmye, 終點判斷的方法 一種方法是設置x、y兩個減法計數(shù)器。 另一種方法是設置一個終點計數(shù)器 。 第三種方法是選終點坐標值較大的坐標作為計數(shù)坐標。, 插補計算過程 偏差判斷 坐標進給 偏差計算 終點判別,2逐點比較法圓弧插補 （1）圓弧插補計算原理 偏差計算公式 定義圓弧偏差判別式如下： Fm=Rm2R2= xm2+ym2R2,新加工點m+1點的偏差為 Fm2 xm+1 新加工

12、點的偏差值為 Fm+2ym+1 終點判別方法 插補計算過程,1.3 數(shù)控機床的分類,1.3.1 按控制系統(tǒng)的特點分類 1點位控制數(shù)控機床 這類機床主要有數(shù)控坐標鏜床、數(shù)控鉆床、數(shù)控點焊機和數(shù)控折彎機等，其相應的數(shù)控裝置稱為點位控制數(shù)控裝置。,2直線控制數(shù)控機床 這類機床主要有數(shù)控車床、數(shù)控磨床和數(shù)控鏜銑床等，相應的數(shù)控裝置稱為直線控制裝置。,3輪廓控制數(shù)控機床 屬于這類機床的有數(shù)控車床、數(shù)控銑床、加工中心等。其相應的數(shù)控裝置稱為輪廓控制裝置。輪廓數(shù)控裝置比點位、直線控制裝置結(jié)構(gòu)復雜得多，功能齊全得多。,1.3.2 按進給伺服系統(tǒng)的類型分類 1開環(huán)進給伺服系統(tǒng)數(shù)控機床 開環(huán)進給伺服系統(tǒng)通常不帶有

13、位置檢測元件，伺服驅(qū)動元件一般為步進電動機。,2閉環(huán)進給伺服系統(tǒng)數(shù)控機床 閉環(huán)進給控制系統(tǒng)帶有位置檢測元件，隨時可以檢測出工作臺的實際位移，并反饋給數(shù)控裝置，并與設定的指令值進行比較，利用其差值控制伺服電動機，直至差值為零為止。,3半閉環(huán)進給伺服系統(tǒng)數(shù)控機床 半閉環(huán)進給伺服系統(tǒng)是將位置檢測元件安裝在伺服電動機的軸上或滾珠絲杠的端部，不直接反饋機床的位移量，而是檢測伺服機構(gòu)的轉(zhuǎn)角，將此信號反饋給數(shù)控裝置進行指令值比較，用差值控制伺服電動機。,1.3.3 按工藝用途分類 1金屬切削類數(shù)控機床 金屬切削類數(shù)控機床包括數(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)控機床 金屬成型類數(shù)控機床包括數(shù)控折彎機、數(shù)控組合沖床和數(shù)控回轉(zhuǎn)頭壓力機等。這類機床起步晚，但目前發(fā)展很快。,3數(shù)控特種加工機床 數(shù)控特種加工機床如數(shù)控線（電極）切割機床、數(shù)控電火花加工機床、火焰切割機和數(shù)控激光切割機床等。 4其他類型的數(shù)控機床 其他類型的數(shù)控機床如數(shù)控三坐標測量機等。,1.3.4 按所用數(shù)控裝置的構(gòu)成方式分類 1硬線數(shù)控系統(tǒng) 2軟線數(shù)控系統(tǒng),