數(shù)控機械床基礎(chǔ).doc

課題一 數(shù)控機床基礎(chǔ)基 礎(chǔ) 篇課題一 數(shù)控機床基礎(chǔ)教學(xué)目標1了解數(shù)控機床的產(chǎn)生和發(fā)展。2了解數(shù)控機床的概念和組成。3了解數(shù)控機床的種類與應(yīng)用。4了解數(shù)控機床加工的特點及應(yīng)用。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(xué)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(chǔ)，其產(chǎn)品更是日趨精密復(fù)雜，特別是宇航、航海、軍事等領(lǐng)域所需的機械零件，精度要求更高、形狀更為復(fù)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(shè)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(yīng)這些要求。同時，隨著市場競爭的日益加劇，生產(chǎn)企業(yè)也迫切需要進一步提高生產(chǎn)效率，提高產(chǎn)品質(zhì)量及降低生產(chǎn)成本。在這種背景下，一種新型的生產(chǎn)設(shè)備數(shù)控機床就應(yīng)運而生了，它綜合應(yīng)用了電子計算機、自動控制、伺服驅(qū)動、精密測量及新型機械結(jié)構(gòu)等多方面的技術(shù)成果，形成了今后機械工業(yè)的基礎(chǔ)并指明了機械制造工業(yè)設(shè)備的發(fā)展方向。1數(shù)控機床的產(chǎn)生數(shù)控機床的研制最早是從美國開始的。1948年，美國帕森斯公司（Parsons Co.）在完成研制加工直升機漿葉輪廓用檢查樣板的加工機床任務(wù)時，提出了研制數(shù)控機床的初步設(shè)想。1949年，在美國空軍后勤部的支持下，帕森斯公司正式接受委托，與麻省理工學(xué)院伺服機構(gòu)實驗室（Servo Mechanism Laboratory of the Massachusetts Institute of Technology）合作，開始數(shù)控機床的研制工作。經(jīng)過3年的研究，世界上第一臺數(shù)控機床試驗樣機于1952年試制成功。這是一臺采用脈沖乘法器原理的直線插補三坐標連續(xù)控制系統(tǒng)銑床，其數(shù)控系統(tǒng)全部采用電子管元件，其數(shù)控裝置體積比機床本體還要大。后來經(jīng)過3年的改進和自動編程研究，該機床于1955年進入試用階段。此后，其他一些國家（如德國、英國、日本、前蘇聯(lián)和瑞典等）也相繼開展數(shù)控機床的研制開發(fā)和生產(chǎn)。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），這是一種有自動換刀裝置和回轉(zhuǎn)工作臺的數(shù)控機床，可以在一次裝夾中對工件的多個平面進行多工序的加工。但是，直到20世紀50年代末，由于價格和其他因素的影響，數(shù)控機床僅限于航空、軍事工業(yè)應(yīng)用，品種也多為連續(xù)控制系統(tǒng)。直到20世紀60年代，由于晶體管的應(yīng)用，數(shù)控系統(tǒng)進一步提高了可靠性且價格下降，一些民用工業(yè)開始發(fā)展數(shù)控機床，其中多數(shù)為鉆床、沖床等點定位控制的機床。數(shù)控技術(shù)不僅在機床上得到實際應(yīng)用，而且逐步推廣到焊接機、火焰切割機等，使數(shù)控技術(shù)應(yīng)用范圍不斷地得到擴展。2數(shù)控機床的發(fā)展概況自1952年美國研制成功第一臺數(shù)控機床以來，隨著電子技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制和精密測量等技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機床也在迅速地發(fā)展和不斷地更新?lián)Q代，先后經(jīng)歷了5個發(fā)展階段。第1代數(shù)控機床：19521959年采用電子管元件構(gòu)成的專用數(shù)控裝置（Numerical Control，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1965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)（Computer Numerical Control，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)（Microcomputer Numerical Control，MNC）。近年來，微電子和計算機技術(shù)日益成熟，其成果正不斷滲透到機械制造的各個領(lǐng)域中，先后出現(xiàn)了計算機直接數(shù)控（DNC）系統(tǒng)、柔性制造系統(tǒng)（FMS）和計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）。這些高級的自動化生產(chǎn)系統(tǒng)均以數(shù)控機床為基礎(chǔ)，它們代表著數(shù)控機床今后的發(fā)展趨勢。（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。中央計算機具有足夠的內(nèi)存容量，因此可統(tǒng)一存儲、管理與控制大量的零件程序。利用分時操作系統(tǒng)，中央計算機可以同時完成一群數(shù)控機床的管理與控制，因此也稱它為計算機群控系統(tǒng)。目前DNC系統(tǒng)中的各臺數(shù)控機床都有各自獨立的數(shù)控系統(tǒng)，并與中央計算機連成網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)分級控制，而不再考慮讓一臺計算機去分時完成所有數(shù)控裝置的功能。隨著DNC技術(shù)的發(fā)展，中央計算機不僅用于編制零件的程序以控制數(shù)控機床的加工過程，而且進一步控制工件與刀具的輸送，形成了一條由計算機控制的數(shù)控機床自動生產(chǎn)線，它為柔性制造系統(tǒng)的發(fā)展提供了有利條件。（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)一控制之下，形成一個用于制造的整體。其特點是由一臺主計算機對全系統(tǒng)的硬、軟件進行管理，采用DNC方式控制兩臺或兩臺以上的數(shù)控加工中心機床，對各臺機床之間的工件進行調(diào)度和自動傳送；利用交換工作臺或工業(yè)機器人等裝置實現(xiàn)零件的自動上料和下料，使機床每天24小時均能在無人或極少人的監(jiān)督控制下進行生產(chǎn)。如日本FANUC公司有一條FMS由60臺數(shù)控機床、52個工業(yè)機器人、兩臺無人自動搬運車、一個自動化倉庫組成，這個系統(tǒng)每月能加工10000臺伺服電機。（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(shè)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)。它是在生產(chǎn)過程自動化（例如計算機輔助設(shè)計、計算機輔助工藝規(guī)程設(shè)計、計算機輔助制造、柔性制造系統(tǒng)等）的基礎(chǔ)上，結(jié)合其他管理信息系統(tǒng)的發(fā)展逐步完善的，有各種類型計算機及其軟件系統(tǒng)的分析、控制能力，可把全廠的生產(chǎn)活動聯(lián)系起來，最終實現(xiàn)全廠性的綜合自動化。3我國數(shù)控機床發(fā)展概況我國從1958年開始由北京機床研究所和清華大學(xué)等單位首先研制數(shù)控機床，并試制成功第一臺電子管數(shù)控機床。從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，研制的劈錐數(shù)控銑床、非圓插齒機等獲得成功。與此同時，還開展了數(shù)控銑床加工平面零件自動編程的研究。19721979年是數(shù)控機床的生產(chǎn)和使用階段，例如清華大學(xué)成功研制了集成電路數(shù)控系統(tǒng)；在車、銑、鏜、磨、齒輪加工、電加工等領(lǐng)域開始研究和應(yīng)用數(shù)控技術(shù)；數(shù)控加工中心機床研制成功；數(shù)控升降臺銑床和數(shù)控齒輪加工機床開始小批生產(chǎn)供應(yīng)市場。從20世紀80年代開始，隨著改革開放政策的實施，我國先后從日本、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、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MTC1數(shù)控系統(tǒng)等。在引進、消化、吸收國外先進技術(shù)的基礎(chǔ)上，北京機床研究所又開發(fā)出BSO3經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)和BSO4全功能數(shù)控系統(tǒng)，航空航天部706所研制出MNC864數(shù)控系統(tǒng)等。到“八五”末期，我國數(shù)控機床的品種已有200多個，產(chǎn)量已經(jīng)達到年產(chǎn)10000臺的水平，是1980年的500倍。我國數(shù)控機床在品種、性能以及控制水平上都有了新的飛躍，數(shù)控技術(shù)已經(jīng)進入了一個繼往開來的發(fā)展階段。4數(shù)控機床的發(fā)展趨勢從數(shù)控機床的技術(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。對單臺主機不僅要求提高其柔性和自動化程度，還要求具有更高層次的柔性制造系統(tǒng)和計算機集成系統(tǒng)的適應(yīng)能力。我國國產(chǎn)數(shù)控設(shè)備的主軸轉(zhuǎn)速已達1000040000r/min，進給速度達到3060m/min，換刀時間t2.0s，表面粗糙度Ra0.008m。在數(shù)控系統(tǒng)方面，目前世界上幾個著名的數(shù)控裝置生產(chǎn)廠家，諸如日本的FANUC公司、德國的SIEMENS公司和美國的A-B公司，其產(chǎn)品都在向系列化、模塊化、高性能和成套性方向發(fā)展。它們的數(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)存容量擴大到了1MB以上，機床分辨率可達0.1m，高速進給速度可達100m/min，控制軸數(shù)可達16個，并采用先進的電裝工藝。在驅(qū)動系統(tǒng)方面，交流驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)展迅速。交流驅(qū)動已由模擬式向數(shù)字式方向發(fā)展，以運算放大器等模擬器件為主的控制器正被以微處理器為主的數(shù)字集成元件所取代，從而克服了零點漂移、溫度漂移等弱點。1.2 數(shù)控機床的概念及組成1數(shù)控機床的概念數(shù)控技術(shù)是20世紀中期發(fā)展起來的機床控制技術(shù)。數(shù)字控制（Numerical Control，簡稱NC）是一種自動控制技術(shù)，是用數(shù)字化信號對機床的運動及其加工過程進行控制的一種方法。數(shù)控機床（NC Machine）就是采用了數(shù)控技術(shù)的機床，或者說是裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機床。它是一種綜合應(yīng)用計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)、精密測量技術(shù)、通信技術(shù)和精密機械技術(shù)等先進技術(shù)的典型的機電一體化產(chǎn)品。國家信息處理聯(lián)盟（International Federation of Information Processing，簡稱IFIP）第五技術(shù)委員會對數(shù)控機床作了如下定義：數(shù)控機床是一種裝有程序控制系統(tǒng)的機床，該系統(tǒng)能邏輯地處理具有特定代碼和其他符號編碼指令規(guī)定的程序。2數(shù)控機床的組成數(shù)控機床的種類很多，但任何一種數(shù)控機床都是由控制介質(zhì)、數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、輔助控制系統(tǒng)和機床本體等若干基本部分組成，如圖1-1所示。圖1-1 數(shù)控機床的組成（1）控制介質(zhì)數(shù)控系統(tǒng)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介質(zhì)。在控制介質(zhì)上存儲著加工零件所需要的全部操作信息和刀具相對工件位移信息，因此，控制介質(zhì)就是將零件加工信息傳送到數(shù)控裝置去的信息載體?？刂平橘|(zhì)有多種形式，它隨著數(shù)控裝置類型的不同而不同，常用的有穿孔紙帶、穿孔卡、磁帶、磁盤和USB接口介質(zhì)等。控制介質(zhì)上記載的加工信息要經(jīng)過輸入裝置傳送給數(shù)控裝置，常用的輸入裝置有光電紙帶輸入機、磁帶錄音機、磁盤驅(qū)動器和USB接口等。除了上述幾種控制介質(zhì)外，還有一部分數(shù)控機床采用數(shù)碼撥盤、數(shù)碼插銷或利用鍵盤直接輸入程序和數(shù)據(jù)。另外，隨著CAD/CAM技術(shù)的發(fā)展，有些數(shù)控設(shè)備利用CAD/CAM軟件在其他計算機上編程，然后通過計算機與數(shù)控系統(tǒng)通信（如局域網(wǎng)），將程序和數(shù)據(jù)直接傳送給數(shù)控裝置。（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部分組成，如圖1-2所示。圖1-2 數(shù)控裝置結(jié)構(gòu)輸入裝置接受由穿孔帶閱讀機輸出的代碼，經(jīng)識別與譯碼之后分別輸入到各個相應(yīng)的寄存器，這些指令與數(shù)據(jù)將作為控制與運算的原始數(shù)據(jù)?？刂破鹘邮茌斎胙b置的指令，根據(jù)指令控制運算器與輸入裝置，以實現(xiàn)對機床的各種操作（如控制工作臺沿某一坐標軸的運動、主軸變速和冷卻液的開關(guān)等）以及控制整機的工作循環(huán)（如控制閱讀機的啟動或停止、控制運算器的運算和控制輸出信號等）。運算器接受控制器的指令，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(jié)果，使伺服系統(tǒng)執(zhí)行所要求的運動。對于加工復(fù)雜零件的輪廓控制系統(tǒng)，運算器的重要功能是進行插補運算。所謂插補運算就是將每個程序段輸入的工件輪廓上的某起始點和終點的坐標數(shù)據(jù)送入運算器，經(jīng)過運算之后在起點和終點之間進行“數(shù)據(jù)密化”，并按控制器的指令向輸出裝置送出計算結(jié)果。輸出裝置根據(jù)控制器的指令將運算器送來的計算結(jié)果輸送到伺服系統(tǒng)，經(jīng)過功率放大驅(qū)動相應(yīng)的坐標軸，使機床完成刀具相對工件的運動。目前均采用微型計算機作為數(shù)控裝置。微型計算機的中央處理單元（CPU）又稱微處理器，是一種大規(guī)模集成電路。它將運算器、控制器集成在一塊集成電路芯片中。在微型計算機中，輸入與輸出電路采用大規(guī)模集成電路，即所謂的I/O接口。微型計算機擁有較大容量的寄存器，并采用高密度的存儲介質(zhì)，如半導(dǎo)體存儲器和磁盤存儲器等。存儲器可分為只讀存儲器（ROM）和隨機存取存儲器（RAM）兩種類型，前者用于存放系統(tǒng)的控制程序，后者存放系統(tǒng)運行時的工作參數(shù)或用戶的零件加工程序。微型計算機數(shù)控裝置的工作原理與上述硬件數(shù)控裝置的工作原理相同，只是前者采用通用的硬件，不同的功能通過改變軟件來實現(xiàn)，因此更為靈活與經(jīng)濟。（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本體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。指令信息是脈沖信息的體現(xiàn)，每個脈沖使機床移動部件產(chǎn)生的位移量叫做脈沖當量。機械加工中一般常用的脈沖當量為0.01mm/脈沖、0.005mm/脈沖、0.001mm/脈沖，目前所使用的數(shù)控系統(tǒng)脈沖當量一般為0.001mm/脈沖。伺服系統(tǒng)是數(shù)控機床的關(guān)鍵部件，它的好壞直接影響著數(shù)控加工的速度、位置、精度等。伺服機構(gòu)中常用的驅(qū)動裝置，隨數(shù)控系統(tǒng)的不同而不同。開環(huán)系統(tǒng)的伺服機構(gòu)常用步進電機和電液脈沖馬達；閉環(huán)系統(tǒng)常用寬調(diào)速直流電機和電液伺服驅(qū)動裝置等。（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。它接受數(shù)控裝置輸出的主運動變速、刀具選擇交換、輔助裝置動作等指令信號，經(jīng)過必要的編譯、邏輯判斷、功率放大后直接驅(qū)動相應(yīng)的電器、液壓、氣動和機械部件，以完成各種規(guī)定的動作。此外，有些開關(guān)信號經(jīng)過輔助控制系統(tǒng)傳輸給數(shù)控裝置進行處理。（5）機床本體機床本體是數(shù)控機床的主體，由機床的基礎(chǔ)大件（如床身、底座）和各種運動部件（如工作臺、床鞍、主軸等）所組成。它是完成各種切削加工的機械部分，是在普通機床的基礎(chǔ)上改進而成的。其具有以下特點：l 數(shù)控機床采用了高性能的主軸與伺服傳動系統(tǒng)、機械傳動裝置。l 數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)具有較高的剛度、阻尼精度和耐磨性。l 更多采用了高效傳動部件，如滾珠絲杠副、直線滾動導(dǎo)軌。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)的部件結(jié)構(gòu)及操作機構(gòu)等方面都發(fā)生了很多變化。這些變化的目的是為了滿足數(shù)控機床的要求和充分發(fā)揮數(shù)控機床的特點，因此，必須建立數(shù)控機床設(shè)計的新概念。1.3 數(shù)控機床的種類與應(yīng)用當前數(shù)控機床的品種很多，結(jié)構(gòu)、功能各不相同，通?？梢园聪率龇椒ㄟM行分類。1按機床運動軌跡進行分類按機床運動軌跡不同，可分為點位控制數(shù)控機床、直線控制數(shù)控機床和輪廓控制數(shù)控機床。（1）點位控制數(shù)控機床點位控制（Positioning Control）又稱為點到點控制（Point to Point Control）。刀具從某一位置向另一位置移動時，不管中間的移動軌跡如何，只要刀具最后能正確到達目標位置，就稱為點位控制。點位控制機床的特點是只控制移動部件由一個位置到另一個位置的精確定位，而對它們的運動過程中的軌跡沒有嚴格要求，在移動和定位過程中不進行任何加工。因此，為了盡可能地減少移動部件的運動時間和定位時間，兩相關(guān)點之間的移動先以快速移動到接近新點位的位置，然后進行連續(xù)降速或分級降速，使之慢速趨近定位點，以保證其定位精度。點位控制加工示意圖如圖1-3所示。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(yīng)的數(shù)控裝置稱為點位控制數(shù)控裝置。（2）直線控制數(shù)控機床直線控制（Straight Cut Control）又稱平行切削控制（Parallet Cut Control）。這類控制除了控制點到點的準確位置之外，還要保證兩點之間移動的軌跡是一條直線，而且對移動的速度也有控制，因為這一類機床在兩點之間移動時要進行切削加工。直線控制數(shù)控機床的特點是刀具相對于工件的運動不僅要控制兩相關(guān)點的準確位置（距離），還要控制兩相關(guān)點之間移動的速度和軌跡，其軌跡一般由與各軸線平行的直線段組成。它和點位控制數(shù)控機床的區(qū)別在于當機床移動部件移動時，可以沿一個坐標軸的方向進行切削加工，而且其輔助功能比點位控制的數(shù)控機床多。直線控制加工示意圖如圖1-4所示。 圖1-3 點位控制加工示意圖 圖1-4 直線控制加工示意圖這類機床主要有數(shù)控坐標車床、數(shù)控磨床和數(shù)控鏜銑床等，其相應(yīng)的數(shù)控裝置稱為直線控制數(shù)控裝置。（3）輪廓控制數(shù)控機床輪廓控制又稱連續(xù)控制，大多數(shù)數(shù)控機床具有輪廓控制功能。輪廓控制數(shù)控機床的特點是能同時控制兩個以上的軸聯(lián)動，具有插補功能。它不僅要控制加工過程中的每一點的位置和刀具移動速度，還要加工出任意形狀的曲線或曲面。輪廓控制加工示意圖如圖1-5所示。屬于輪廓控制機床的有數(shù)控坐標車床、數(shù)控銑床、加工中心等。其相應(yīng)的數(shù)控裝置稱為輪廓控制裝置。輪廓控制裝置比點位、直線控制裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜得多，功能齊全得多。2按伺服系統(tǒng)類型進行分類按伺服系統(tǒng)類型不同，可分為開環(huán)控制數(shù)控機床、閉環(huán)控制數(shù)控機床和半閉環(huán)控制數(shù)控機床。圖1-5 輪廓控制加工示意圖（1）開環(huán)控制數(shù)控機床開環(huán)控制（Open loop Control）數(shù)控機床通常不帶位置檢測元件，伺服驅(qū)動元件一般為步進電動機。數(shù)控裝置每發(fā)出一個進給脈沖后，脈沖便經(jīng)過放大，并驅(qū)動步進電動機轉(zhuǎn)動一個固定角度，再通過機械傳動驅(qū)動工作臺運動。開環(huán)伺服系統(tǒng)如圖1-6所示。這種系統(tǒng)沒有被控對象的反饋值，系統(tǒng)的精度完全取決于步進電動機的步距精度和機械傳動的精度，其控制線路簡單，調(diào)節(jié)方便，精度較低（一般可達0.02mm），通常應(yīng)用于小型或經(jīng)濟型數(shù)控機床。圖1-6 開環(huán)伺服系統(tǒng)（2）閉環(huán)控制數(shù)控機床閉環(huán)控制（Closed loop Control）數(shù)控機床通常帶位置檢測元件，隨時可以檢測出工作臺的實際位移并反饋給數(shù)控裝置，與設(shè)定的指令值進行比較后，利用其差值控制伺服電動機，直至差值為零。這類機床一般采用直流伺服電動機或交流伺服電動機驅(qū)動。位置檢測元件常有直線光柵、磁柵、同步感應(yīng)器等。閉環(huán)伺服系統(tǒng)如圖1-7所示。由閉環(huán)伺服系統(tǒng)的工作原理可以看出，系統(tǒng)精度主要取決于位置檢測裝置的精度，從理論上講，它完全可以消除由于傳動部件制造中存在的誤差給工件加工帶來的影響，所以這種系統(tǒng)可以得到很高的加工精度。閉環(huán)伺服系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)整都有很大的難度，直線位移檢測元件的價格比較昂貴，主要用于一些精度要求較高的鏜銑床、超精車床和加工中心。（3）半閉環(huán)控制數(shù)控機床半閉環(huán)控制（SemiClosed loop Control）數(shù)控機床通常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，而是檢測伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)角，將此信號反饋給數(shù)控裝置進行指令比較，用差值控制伺服電動機。半閉環(huán)伺服系統(tǒng)如圖1-8所示。圖1-7 閉環(huán)伺服系統(tǒng)圖1-8 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)因為半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的反饋信號取自電動機軸的回轉(zhuǎn)，因此系統(tǒng)中的機械傳動裝置處于反饋回路之外，其剛度、間歇等非線性因素對系統(tǒng)穩(wěn)定性沒有影響，調(diào)試方便。同樣，機床的定位精度主要取決于機械傳動裝置的精度，但是現(xiàn)在的數(shù)控裝置均有螺距誤差補償和間歇補償功能，不需要將傳動裝置各種零件的精度提得很高，通過補償就能將精度提高到絕大多數(shù)用戶都能接受的程度。再加上直線位移檢測裝置比角位移檢測裝置昂貴得多，因此，除了對定位精度要求特別高或行程特別長，不能采用滾珠絲杠的大型機床外，絕大多數(shù)數(shù)控機床均采用半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。3按工藝用途進行分類按工藝用途不同，可分為金屬切削類數(shù)控機床、金屬成型類數(shù)控機床、數(shù)控特種加工機床和其他類型的數(shù)控機床。（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。切削類機床發(fā)展最早，目前種類繁多，功能差異也較大，加工中心能實現(xiàn)自動換刀。這類機床都有一個島庫，可容納10100把刀具。其特點是：工件一次裝夾可完成多道工序。為了進一步提高生產(chǎn)效率，有的加工中心使用雙工作臺，一面加工，一面裝卸，工作臺可以自動交換。（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)控特種加工機床有線切割機床、數(shù)控電火花加工機床、火焰切割機和數(shù)控激光機切割機床等。（4）其他類型的數(shù)控機床其他類型的數(shù)控機床有數(shù)控三坐標測量機床等。4按數(shù)控系統(tǒng)功能水平進行分類按數(shù)控系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)、功能指標和關(guān)鍵部件的功能水平不同，數(shù)控機床可分為低、中、高3個檔次。國內(nèi)還分為全功能數(shù)控機床、普及型數(shù)控機床和經(jīng)濟型數(shù)控機床。這些分類方法劃分的界線是相對的，不同時期的劃分標準有所不同，大體有以下幾個方面。（1）控制系統(tǒng)CPU的檔次低檔數(shù)控系統(tǒng)一般采用8位CPU，中、高檔數(shù)控系統(tǒng)采用16位或64位的CPU，現(xiàn)在有些CNC裝置已采用64位的CPU。（2）分辨率和進給速度分辨率為位移檢測裝置所能檢測到的最小位移單位，分辨率越小，則檢測精度越高。它取決于檢測裝置的類型和制造精度。一般認為，分辨率為10m，進給速度為810m/min是低檔數(shù)控機床；分辨率為1m，進給速度為1020m/min是中檔數(shù)控機床；分辨率為0.1m，進給速度為1520m/min是高檔數(shù)控機床。通常分辨率應(yīng)比機床所要求的加工精度高一個數(shù)量級。（3）伺服系統(tǒng)類型 一般采用開環(huán)、步進電動機進給系統(tǒng)的為低檔數(shù)控機床；中、高檔數(shù)控機床則采用半閉環(huán)或閉環(huán)的直流伺服或交流伺服系統(tǒng)。（4）坐標聯(lián)動軸數(shù)數(shù)控機床聯(lián)動軸數(shù)也是常用區(qū)分機床檔次的一個標志。按同時控制的聯(lián)動軸數(shù)，可分為2軸聯(lián)動、3軸聯(lián)動、2.5軸聯(lián)動（任一時刻3軸中只能實現(xiàn)兩軸聯(lián)動，另一軸則是點位或直線控制）、4軸聯(lián)動、5軸聯(lián)動等。低檔數(shù)控機床的聯(lián)動軸數(shù)一般不超過2軸；中、高檔的聯(lián)動軸數(shù)則為35軸。（5）通信功能低檔數(shù)控系統(tǒng)一般無通信能力；中檔數(shù)控系統(tǒng)可以有RS-232C或直接（DirectNumerical Control，簡稱DNC）接口；高檔數(shù)控系統(tǒng)還可以有制造自動化協(xié)議（Manufacturing Automation Protocol，簡稱MAP）通信接口，具有聯(lián)網(wǎng)功能。（6）顯示功能低檔數(shù)控系統(tǒng)一般只有簡單的數(shù)碼管顯示或單色CRT字符顯示；中檔數(shù)控系統(tǒng)則有較齊全的CRT顯示，不僅有字符，而且有二維圖形、人機對話、狀態(tài)和自診斷等功能；高檔數(shù)控系統(tǒng)還可以有三維圖形顯示、圖形編輯等功能。5按所用數(shù)控裝置的構(gòu)成方式分類按所用數(shù)控裝置的構(gòu)成方式不同，可分為硬線數(shù)控系統(tǒng)和軟線數(shù)控系統(tǒng)。（1）硬線數(shù)控系統(tǒng)硬線數(shù)控系統(tǒng)使用硬線數(shù)控裝置，它的輸入處理、插補運算和控制功能，都由專用的固定組合邏輯電路來實現(xiàn)，不同功能的機床，其組合邏輯電路也不相同。改變或增減控制、運算功能時，需要改變數(shù)控裝置的硬件電路。因此該系統(tǒng)通用性和靈活性差，制造周期長，成本高。20世紀70年代初期以前的數(shù)控機床基本是屬于這種類型。（2）軟線數(shù)控系統(tǒng)軟線數(shù)控系統(tǒng)也稱計算機數(shù)控系統(tǒng)，它使用軟線數(shù)控裝置。這種數(shù)控裝置的硬件電路由小型或微型計算機再加上通用或?qū)Ｓ玫拇笠?guī)模集成電路制成，數(shù)控機床的主要功能幾乎全部由系統(tǒng)軟件來實現(xiàn)，所以不同功能的數(shù)控機床其系統(tǒng)軟件也就不同，而修改或增減系統(tǒng)功能時，也不需要改動硬件電路，只需要改變系統(tǒng)軟件。因此，該系統(tǒng)具有較高的靈活性，同時由于硬件電路基本是通用的，這就有利于大量生產(chǎn)、提高質(zhì)量和可靠性、縮短制造周期和降低成本。20世紀70年代中期以后，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展和微型計算機的出現(xiàn)，以及集成電路的集成度不斷提高，計算機數(shù)控系統(tǒng)才得到不斷發(fā)展和提高，目前幾乎所有的數(shù)控機床都采用軟線數(shù)控系統(tǒng)。1.4 數(shù)控機床加工的特點及應(yīng)用1數(shù)控機床加工特點與普通機床相比，數(shù)控機床是一種機電一體化的高效自動機床，它具有以下加工特點。（1）具有廣泛的適應(yīng)性和較高的靈活性數(shù)控機床更換加工對象，只需要重新編制和輸入加工程序即可實現(xiàn)加工；在某些情況下，甚至只要修改程序中部分程序段或利用某些特殊指令就可實現(xiàn)加工（例如利用縮放功能指令就可實現(xiàn)加工形狀相同尺寸不同的零件）。這為單件、小批量多品種生產(chǎn)，產(chǎn)品改型和新產(chǎn)品試制提供了極大的方便，大大縮短生產(chǎn)準備及試制周期。（2）加工精度高，質(zhì)量穩(wěn)定由于數(shù)控機床采用了數(shù)字伺服系統(tǒng)，數(shù)控裝置每輸出一個脈沖，通過伺服執(zhí)行機構(gòu)使機床產(chǎn)生相應(yīng)的位移量（稱為脈沖當量），可達0.11m；機床傳動絲杠采用間歇補償，螺距誤差及其傳動誤差可由閉環(huán)系統(tǒng)加以控制，因此數(shù)控機床能達到較高的加工精度。例如普通精度加工中心，定位精度一般可達到每300mm長度誤差不超過（0.0050.008）mm，重復(fù)精度可達到0.001mm。另外，數(shù)控機床結(jié)構(gòu)剛性和熱穩(wěn)定性都較好，制造精度能保證；其自動加工方式避免了操作者的人為操作誤差，加工質(zhì)量穩(wěn)定，合格率高，同批加工的零件幾何尺寸一致性好。數(shù)控機床能實現(xiàn)多軸聯(lián)動，可以加工普通機床很難加工甚至不可能加工的復(fù)雜曲面。（3）加工生產(chǎn)率高在數(shù)控機床上可選擇最有利的加工參數(shù)，實現(xiàn)多道工序連續(xù)加工；也可實現(xiàn)多機看管。由于采用了加速、減速措施，使機床移動部件能快速移動和定位，大大節(jié)省可加工過程中的空程時間。（4）可獲得良好的經(jīng)濟效率雖然數(shù)控機床分攤到每個零件上的設(shè)備費（包括折舊費、維修費、動力消耗費等）較高，但生產(chǎn)效率高，單件、小批量生產(chǎn)時節(jié)省輔助時間（如畫線、機床調(diào)整、加工檢驗等），節(jié)省直接生產(chǎn)費用。數(shù)控機床加工精度穩(wěn)定，減少廢品率，使生產(chǎn)成本進一步降低。2數(shù)控機床的應(yīng)用數(shù)控機床的性能特點決定了它的應(yīng)用范圍。對于數(shù)控加工，可按適應(yīng)程度將加工對象大致分為3類。（1）最適應(yīng)類加工精度要求高，形狀、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尤其是具有復(fù)雜曲線、曲面輪廓的零件，或具有不開暢內(nèi)腔的零件。這類零件用通用機床很難加工，很難檢測，質(zhì)量也難保證。必須在一次裝夾中完成銑、鉆、絞、锪或攻絲等多道工序的零件。（2）較適應(yīng)類價格昂貴，毛坯獲得困難，不允許報廢的零件。這類零件在普通機床上加工時，有一定難度，受機床的調(diào)整、操作人員的精神、工作狀態(tài)等多種因素影響，容易產(chǎn)生次品或廢品。為可靠起見，可選擇在數(shù)控機床上進行加工。在通用機床上加工生產(chǎn)效率低，勞動強度大，質(zhì)量難穩(wěn)定控制的零件。用于改型比較、供性能測試的零件（它們要求尺寸一致性好）；多品種、多規(guī)格、單件小批量生產(chǎn)的零件。（3）不適應(yīng)類利用毛坯作為粗基準定位進行加工或定位完全需要人工找正的零件。數(shù)控機床無在線檢測系統(tǒng)可自動檢測調(diào)整零件位置坐標的情況下，加工余量很不穩(wěn)定的零件。必須用特定的工藝裝備，或依據(jù)樣板、樣件加工的零件或加工內(nèi)容。需大批量生產(chǎn)的零件。隨著數(shù)控機床性能的提高、功能的完善和成本的降低，隨著數(shù)控加工用的刀具、輔助用具的性能不斷改善提高和數(shù)控加工工藝的不斷改進，利用數(shù)控機床高自動化、高精度、工藝集中的特性，將數(shù)控機床用于大批量生產(chǎn)的情況逐漸多起來。因此，適應(yīng)性是相對的，會隨著科技的發(fā)展而發(fā)生變化。1.5 先進制造技術(shù)21世紀，人類邁入了一個知識經(jīng)濟快速發(fā)展的時代，傳統(tǒng)的制造技術(shù)以及制造模式正在發(fā)生質(zhì)的飛躍，先進制造技術(shù)在制造業(yè)中開始逐步被應(yīng)用，推動制造業(yè)的發(fā)展。近年來，開始逐步被應(yīng)用的先進制造技術(shù)包括快速原型法、虛擬制造技術(shù)、柔性制造單元和柔性制造系統(tǒng)等。1快速原型法隨著需求的多樣化與產(chǎn)品生命周期的變短，使零件與產(chǎn)品的批量減小、交貨期縮短，為適應(yīng)市場的這種變化，國外在20世紀80年代后期在CADCAM、數(shù)據(jù)處理、CNC、激光傳感技術(shù)充分發(fā)展的基礎(chǔ)上發(fā)展出一種全新概念的先進的零件原型制造技術(shù)快速原型制造，即“疊層制造”技術(shù)?？焖僭头ǎㄓ址Q快速成形法），它與虛擬制造技術(shù)一起，被稱為未來制造業(yè)中的兩大支柱。（1）快速原型法基本原理快速原型法是綜合運用CAD技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、激光加工技術(shù)和材料技術(shù)，實現(xiàn)從零件設(shè)計到三維實體原型制造一體化的系統(tǒng)技術(shù)。它采用軟件離散化材料堆積的原理實現(xiàn)零件的成形?？焖僭椭圃煸砣鐖D1-9所示。圖1-9 快速原型制造原理其具體過程如下：采用CAD軟件設(shè)計出零件的三維曲面或?qū)嶓w模型；如已有零件的話從零件實樣掃描得到三維輪廓數(shù)據(jù)。根據(jù)工藝要求，按照一定的厚度在某坐標方向（如Z向）對生成的CAD模型進行切面分層，生成各個截面的二維平面信息。每層厚度可為0.050.5mm，一般用適中的0.1mm左右，以保證原型足夠光潔并足夠快速。對層面信息進行工藝處理，選擇加工參數(shù)，系統(tǒng)將自動生成刀具移動軌跡和數(shù)控加工代碼。對加工過程進行仿真，確認數(shù)控代碼的正確性。利用數(shù)控裝置精確控制激光束或其他工具的運動，在當前的工作層（二維）上采用輪廓掃描，加工出適當?shù)慕孛嫘螤睢ｄ伾弦粚有碌某尚尾牧?，進行下一次的加工，直到整個零件加工完畢?？梢钥闯?，快速成形過程是由三維到二維（軟件離散化），再由二維到三維（材料堆積）的工作過程?？焖僭头ú粌H可用于原始設(shè)計中快速生成零件實物，也可用來快速復(fù)制實物（包括對其放大、縮小、修改）。（2）快速原型技術(shù)的主要工藝方法光固化立體成形制造法（LSL法）LSL法是以各類樹脂為成形材料，以氦鎘激光器為能源，以樹脂受熱固化為特征的快速成形方法。實體分層制造法（LOM法）LOM法是以片材（如制片、塑料薄膜或復(fù)合材料）為材料，利用CO2激光器為能源，用激光束切割片狀的邊界，形成某一層的輪廓，各層間的粘接利用加熱、加壓的方法，最后形成零件的形狀。該方法取材廣泛，成本低。選擇性激光燒結(jié)制造法（SLS法）SLS法是采用各種粉末（金屬、陶瓷、臘粉和塑料等）為材料，利用滾子鋪粉，用CO2高功率激光器對粉末進行加熱直到燒結(jié)成塊，利用該方法可以加工出能直接使用的金屬件。溶融沉積制造法（FDM法）FDM法是采用蠟絲為原料，利用電加熱方式將蠟絲熔化成蠟液，蠟液由噴嘴噴到指定的位置固定，一層層地加工出零件。該方法污染小，材料可以回收。（3）快速原型法的特點快速原型法的特點如下：l 適合于形狀復(fù)雜的、不規(guī)則零件的加工。l 減少對熟練技術(shù)工人的要求。l 下腳料沒有或極少，是一種環(huán)保型的制造技術(shù)。l 成功地解決了CAD中三維造型“看得見，摸不著”的問題。l 系統(tǒng)柔性高，只需修改CAD模型就可生成不同形狀的零件。l 技術(shù)集成，設(shè)計制造一體化。l 具有廣泛的材料適應(yīng)性。l 不需要專門的工裝夾具和模具，縮短了新產(chǎn)品的試制時間。因此，快速原型法主要適用于新產(chǎn)品開發(fā)，快速單件及小批量零件制造，形狀復(fù)雜零件的制造，模具設(shè)計與制造以及難加工材料零件的加工制造。2虛擬制造技術(shù)虛擬制造技術(shù)是以計算機支持的仿真技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)為前提，對企業(yè)的全部生成、經(jīng)營活動進行建模，并在計算機上“虛擬”地進行產(chǎn)品設(shè)計。該技術(shù)可實現(xiàn)加工制造、計劃制定、生成調(diào)度、經(jīng)營管理、成本財務(wù)管理、質(zhì)量管理甚至市場營銷等在內(nèi)的全部企業(yè)功能，在求得系統(tǒng)的最佳運行參數(shù)后，再據(jù)此實現(xiàn)企業(yè)的物理運行。虛擬制造包括設(shè)計過程的仿真、加工過程