數(shù)控技術(shù)與數(shù)控機(jī)床

1、第五章第五章 數(shù)控技術(shù)與數(shù)控機(jī)床數(shù)控技術(shù)與數(shù)控機(jī)床第一節(jié)第一節(jié) 數(shù)控技術(shù)數(shù)控技術(shù) 一、定義一、定義 數(shù)控技術(shù)（數(shù)控技術(shù)（numerical control，NC）以數(shù)字化的信息實(shí)以數(shù)字化的信息實(shí)現(xiàn)對設(shè)備進(jìn)行控制的技術(shù)?，F(xiàn)對設(shè)備進(jìn)行控制的技術(shù)。 二、數(shù)控技術(shù)的典型應(yīng)用二、數(shù)控技術(shù)的典型應(yīng)用 數(shù)控車床數(shù)控車床 數(shù)控鉆床數(shù)控鉆床 1 1數(shù)控機(jī)床數(shù)控機(jī)床 數(shù)控鏜床數(shù)控鏜床 （數(shù)控數(shù)控金屬金屬 數(shù)控銑床數(shù)控銑床 切削加工切削加工 數(shù)控磨床數(shù)控磨床 機(jī)床機(jī)床） 加工中心（加工中心（machining centermachining center）數(shù)控車床數(shù)控車床經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床數(shù)控鉆床數(shù)控鉆床

2、數(shù)控銑床數(shù)控銑床加工中心加工中心臥式臥式加工中心加工中心立式立式加工中心加工中心車削車削加工中心加工中心鉆削鉆削加工中心加工中心 2 2機(jī)器人機(jī)器人 3 3數(shù)控線切割機(jī)床數(shù)控線切割機(jī)床 4 4數(shù)控電火花成形機(jī)床數(shù)控電火花成形機(jī)床 5 5數(shù)控火焰切割機(jī)床數(shù)控火焰切割機(jī)床 6 6數(shù)控繪圖儀數(shù)控繪圖儀 7 7數(shù)控測量機(jī)（坐標(biāo)測量機(jī)）數(shù)控測量機(jī)（坐標(biāo)測量機(jī)） 8 8數(shù)控沖床數(shù)控沖床 9 9數(shù)控剪床數(shù)控剪床 10. 10.數(shù)控折彎機(jī)數(shù)控折彎機(jī) 機(jī)器人機(jī)器人數(shù)控線切割機(jī)床數(shù)控線切割機(jī)床數(shù)控電火花加工機(jī)床數(shù)控電火花加工機(jī)床數(shù)控火焰加工機(jī)床數(shù)控火焰加工機(jī)床數(shù)控繪圖儀數(shù)控繪圖儀滾筒式滾筒式繪圖儀繪圖儀平板式平板

3、式繪圖儀繪圖儀數(shù)控測量機(jī)（坐標(biāo)測量機(jī)）數(shù)控測量機(jī)（坐標(biāo)測量機(jī)）數(shù)控沖床數(shù)控沖床數(shù)控剪床數(shù)控剪床數(shù)控折彎機(jī)數(shù)控折彎機(jī) 三、數(shù)控系統(tǒng)的組成三、數(shù)控系統(tǒng)的組成數(shù)控數(shù)控設(shè)備設(shè)備被加工對象被加工對象伺服伺服機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)數(shù)控數(shù)控裝置裝置控制控制介質(zhì)介質(zhì) 1 1控制介質(zhì)控制介質(zhì) 指指穿孔紙帶、磁帶、磁盤穿孔紙帶、磁帶、磁盤等，用來以代碼形式記錄加工的信等，用來以代碼形式記錄加工的信息（指令），并可將加工信息輸入數(shù)控裝置。息（指令），并可將加工信息輸入數(shù)控裝置。 目前最方便的方法是在計算機(jī)上用目前最方便的方法是在計算機(jī)上用TXT（文本）文件（文本）文件編寫好編寫好加工指令后，通過加工指令后，通過RS232232串

4、行口將加工指令傳輸?shù)綌?shù)控裝置中。串行口將加工指令傳輸?shù)綌?shù)控裝置中。 2 2數(shù)控裝置數(shù)控裝置 接受接受控制介質(zhì)控制介質(zhì)輸入的信息，將代碼加以識別、儲存、運(yùn)算，輸入的信息，將代碼加以識別、儲存、運(yùn)算，輸出輸出相應(yīng)的相應(yīng)的指令指令（脈沖）給伺服系統(tǒng)。（脈沖）給伺服系統(tǒng)。 數(shù)控裝置數(shù)控裝置一般屬于一般屬于專用計算機(jī)專用計算機(jī)，其，其核心元器件是核心元器件是CPU，但，但其配置遠(yuǎn)低于市面上流行的臺式微機(jī)，其配置遠(yuǎn)低于市面上流行的臺式微機(jī)，運(yùn)算速度運(yùn)算速度和和內(nèi)存內(nèi)存都非常都非常低。目前有用普通臺式微機(jī)的低。目前有用普通臺式微機(jī)的開放式數(shù)控系統(tǒng)開放式數(shù)控系統(tǒng)。 3 3伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng) 把來自數(shù)控裝置的把來

5、自數(shù)控裝置的脈沖脈沖信號轉(zhuǎn)換為設(shè)備信號轉(zhuǎn)換為設(shè)備運(yùn)動運(yùn)動的系統(tǒng)。的系統(tǒng)。 最初的伺服系統(tǒng)是由最初的伺服系統(tǒng)是由步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)加相應(yīng)的齒輪傳動裝置組成。加相應(yīng)的齒輪傳動裝置組成。數(shù)控裝置發(fā)出數(shù)控裝置發(fā)出一個脈沖一個脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)動一個，電機(jī)轉(zhuǎn)動一個步距角步距角，通過，通過脈沖數(shù)量脈沖數(shù)量來來控制控制電機(jī)的轉(zhuǎn)角電機(jī)的轉(zhuǎn)角，從而實(shí)現(xiàn)對設(shè)備運(yùn)動的控制，數(shù)控技術(shù)由此而，從而實(shí)現(xiàn)對設(shè)備運(yùn)動的控制，數(shù)控技術(shù)由此而得名。得名。 目前常用的伺服系統(tǒng)也采用目前常用的伺服系統(tǒng)也采用直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)或或交流伺服電機(jī)交流伺服電機(jī)。 4 4數(shù)控設(shè)備數(shù)控設(shè)備 完成對被加工對象作業(yè)的設(shè)備（如機(jī)床、繪圖機(jī)和坐標(biāo)測量完成

6、對被加工對象作業(yè)的設(shè)備（如機(jī)床、繪圖機(jī)和坐標(biāo)測量機(jī)等）。機(jī)等）。第二節(jié)第二節(jié) 數(shù)控機(jī)床數(shù)控機(jī)床 一、定義一、定義 采用采用數(shù)控技術(shù)數(shù)控技術(shù)對機(jī)床進(jìn)行控制的對機(jī)床進(jìn)行控制的自動化自動化金屬切削加工金屬切削加工機(jī)床。機(jī)床。 二、數(shù)控機(jī)床與普通機(jī)床在性能上的主要差別二、數(shù)控機(jī)床與普通機(jī)床在性能上的主要差別 1 1數(shù)控機(jī)床數(shù)控機(jī)床剛性剛性好好 2 2數(shù)控機(jī)床的數(shù)控機(jī)床的熱變形熱變形小小 3 3要考慮要考慮自動排屑自動排屑 三、數(shù)控機(jī)床與普通機(jī)床在功能上的主要差別三、數(shù)控機(jī)床與普通機(jī)床在功能上的主要差別 為了便于分析和比較，以中小型車床為例。為了便于分析和比較，以中小型車床為例。加工功能加工功能普通車床

7、普通車床數(shù)控車床數(shù)控車床圓柱面圓柱面手動、自動手動、自動自自 動動端端 面面手動、自動手動、自動自自 動動圓錐面圓錐面手動手動自自 動動直螺紋直螺紋手動手動自自 動動錐螺紋錐螺紋自自 動動圓弧曲面圓弧曲面手動手動+樣板樣板自自 動動函數(shù)回轉(zhuǎn)面函數(shù)回轉(zhuǎn)面手動手動+樣板樣板自自 動動切削過程中變導(dǎo)程切削過程中變導(dǎo)程自自 動動循環(huán)加工循環(huán)加工自自 動動 1 1加工功能加工功能 2 2操作操作 普通車床普通車床完全靠完全靠手工操作手工操作，勞動強(qiáng)度大。，勞動強(qiáng)度大。 數(shù)控車床數(shù)控車床在輸入加工指令后，操作人員通過鍵盤的簡單操作在輸入加工指令后，操作人員通過鍵盤的簡單操作控制控制自動加工自動加工過程，勞

8、動強(qiáng)度小。過程，勞動強(qiáng)度小。 但是，加工指令的編程需要花費(fèi)一定的時間，并且必須要但是，加工指令的編程需要花費(fèi)一定的時間，并且必須要認(rèn)認(rèn)真地核對真地核對。 3 3加工精度加工精度 普通車床普通車床的加工精度主要靠操作者的的加工精度主要靠操作者的技術(shù)水平技術(shù)水平保證，加工產(chǎn)保證，加工產(chǎn)品的品的一致性差一致性差。 數(shù)控車床的加工精度主要靠數(shù)控系統(tǒng)的性能保證，一般加工數(shù)控車床的加工精度主要靠數(shù)控系統(tǒng)的性能保證，一般加工精度可達(dá)精度可達(dá)0.01 mm0.01 mm，并且加工產(chǎn)品的，并且加工產(chǎn)品的一致性一致性非常好。非常好。 4 4生產(chǎn)效率生產(chǎn)效率 在數(shù)控車床上的加工時間為在普通車床上加工時間的在數(shù)控車床

9、上的加工時間為在普通車床上加工時間的1/41/41/61/6（對復(fù)雜形狀零件而言）。（對復(fù)雜形狀零件而言）。 但對以但對以單件單件或或幾件幾件為批量的零件而言，考慮到數(shù)控加工指令為批量的零件而言，考慮到數(shù)控加工指令編程所需要的時間，在生產(chǎn)效率方面幾乎沒有什么優(yōu)勢。編程所需要的時間，在生產(chǎn)效率方面幾乎沒有什么優(yōu)勢。 四、數(shù)控機(jī)床的發(fā)展過程四、數(shù)控機(jī)床的發(fā)展過程 數(shù)控技術(shù)是以數(shù)控機(jī)床為先導(dǎo)發(fā)展起來的，并與計算機(jī)技術(shù)數(shù)控技術(shù)是以數(shù)控機(jī)床為先導(dǎo)發(fā)展起來的，并與計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展緊密相連。的發(fā)展緊密相連。20世紀(jì)世紀(jì)40年代末期，美國空軍為了解決某些難年代末期，美國空軍為了解決某些難加工的飛機(jī)零件的制造問

10、題，委托加工的飛機(jī)零件的制造問題，委托美國麻省理工學(xué)院美國麻省理工學(xué)院研制能夠自研制能夠自動加工復(fù)雜形狀零件的自動機(jī)床。動加工復(fù)雜形狀零件的自動機(jī)床。 1952 1952年，美國年，美國麻省理工學(xué)院麻省理工學(xué)院與帕森斯公司與帕森斯公司(ParsonsCo.)共同共同試制出第一臺數(shù)控機(jī)床試制出第一臺數(shù)控機(jī)床三坐標(biāo)數(shù)控銑床。三坐標(biāo)數(shù)控銑床。 根據(jù)數(shù)控裝置的根據(jù)數(shù)控裝置的主要元器件主要元器件的演化過程，數(shù)控機(jī)床可分為的演化過程，數(shù)控機(jī)床可分為五代五代：11952年年 電子管元件電子管元件數(shù)控系統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng) 硬連線硬連線數(shù)控系統(tǒng)（數(shù)控系統(tǒng)（NCNC）21959年年 晶體管元件晶體管元件數(shù)控系統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)

11、Numerically Controlled31965年年 小規(guī)模集成電路小規(guī)模集成電路數(shù)控系統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng) Machine Tool41970年年 小型計算機(jī)小型計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)（CNC）Computerized Numerically Controlled- 51974年年 微型計算機(jī)微型計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)（MNC）Micro-computerized- 從從計算機(jī)計算機(jī)對數(shù)控機(jī)床的對數(shù)控機(jī)床的控制方式控制方式上也有一個演化過程：上也有一個演化過程： CNC DNC DNCCNC（計算機(jī)數(shù)控機(jī)床）（計算機(jī)數(shù)控機(jī)床）DNC（Direct Numerically Controlled M

12、achine Tool）群控群控（或直接控制）數(shù)控機(jī)床（或直接控制）數(shù)控機(jī)床DNC（Distributed Numerically Controlled Machine Tool）分布式分布式數(shù)控機(jī)床數(shù)控機(jī)床計算機(jī)計算機(jī)機(jī)機(jī) 床床計算機(jī)計算機(jī)機(jī)機(jī) 床床計算機(jī)計算機(jī)機(jī)機(jī) 床床中中央央計計算算機(jī)機(jī) 五、數(shù)控機(jī)床的分類五、數(shù)控機(jī)床的分類 目前數(shù)控機(jī)床品種齊全，規(guī)格繁多，可以按照多種原則進(jìn)行目前數(shù)控機(jī)床品種齊全，規(guī)格繁多，可以按照多種原則進(jìn)行分類，但通常是按以下幾種方法來分類：分類，但通常是按以下幾種方法來分類： 1 1按控制軌跡分類按控制軌跡分類 （1 1）點(diǎn)位控制數(shù)控機(jī)床（）點(diǎn)位控制數(shù)控機(jī)床（po

13、int to pointpoint to point） 這類數(shù)控機(jī)床只要求保證這類數(shù)控機(jī)床只要求保證點(diǎn)與點(diǎn)點(diǎn)與點(diǎn)之間的之間的準(zhǔn)確定位準(zhǔn)確定位，即只控制，即只控制行程的行程的終點(diǎn)坐標(biāo)值終點(diǎn)坐標(biāo)值，而對點(diǎn)與點(diǎn)之間刀具所移動的軌跡不加以控，而對點(diǎn)與點(diǎn)之間刀具所移動的軌跡不加以控制，并且制，并且刀具移動過程中也不進(jìn)行切削刀具移動過程中也不進(jìn)行切削。 這類數(shù)控機(jī)床有數(shù)控鉆床、數(shù)控沖床、數(shù)控坐標(biāo)鏜床。這類數(shù)控機(jī)床有數(shù)控鉆床、數(shù)控沖床、數(shù)控坐標(biāo)鏜床。 （2 2）連續(xù)控制數(shù)控機(jī)床（）連續(xù)控制數(shù)控機(jī)床（contouring NC, continuous NC） 這類數(shù)控機(jī)床能夠?qū)崿F(xiàn)這類數(shù)控機(jī)床能夠?qū)崿F(xiàn)點(diǎn)與點(diǎn)點(diǎn)與

14、點(diǎn)之間的之間的各種復(fù)雜運(yùn)動軌跡各種復(fù)雜運(yùn)動軌跡的控的控制，如直線、圓弧、二次曲線或高次曲線。大多數(shù)的數(shù)控機(jī)床制，如直線、圓弧、二次曲線或高次曲線。大多數(shù)的數(shù)控機(jī)床（如數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控磨床、加工中心、數(shù)控齒輪專用（如數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控磨床、加工中心、數(shù)控齒輪專用機(jī)床等）都采用這種控制方式。機(jī)床等）都采用這種控制方式。AB注意：注意：某些專業(yè)書上還提出了某些專業(yè)書上還提出了直線控制數(shù)控機(jī)床直線控制數(shù)控機(jī)床的分類種類，但的分類種類，但這種分類方法這種分類方法與工程實(shí)際脫節(jié)與工程實(shí)際脫節(jié)。 2 2按控制方式分類按控制方式分類 數(shù)控機(jī)床按照被控制量有無反饋控制可以分為數(shù)控機(jī)床按照被控制量有

15、無反饋控制可以分為開環(huán)、閉環(huán)開環(huán)、閉環(huán)和和半閉環(huán)半閉環(huán)控制方式。控制方式。 （1 1）開環(huán)控制數(shù)控機(jī)床）開環(huán)控制數(shù)控機(jī)床 在開環(huán)控制方式下，數(shù)控機(jī)床在開環(huán)控制方式下，數(shù)控機(jī)床沒有檢測反饋裝置沒有檢測反饋裝置。輸入的數(shù)。輸入的數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)控裝置運(yùn)算，給出據(jù)經(jīng)過數(shù)控裝置運(yùn)算，給出指令脈沖指令脈沖，通過伺服機(jī)構(gòu)，通過伺服機(jī)構(gòu)( (步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)）驅(qū)動被控對象的工作臺移動。驅(qū)動被控對象的工作臺移動。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)簡單、工作穩(wěn)定、調(diào)試和維修方便、造價低。系統(tǒng)簡單、工作穩(wěn)定、調(diào)試和維修方便、造價低。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：控制精度較差（只適用于一般要求的中、小型數(shù)控機(jī)床）?？刂凭容^差（只適用于一般要求的中、小型數(shù)

16、控機(jī)床）。 （2 2）閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床）閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床 在閉環(huán)控制方式下，檢測裝置直接對在閉環(huán)控制方式下，檢測裝置直接對工作臺的實(shí)際位移量工作臺的實(shí)際位移量進(jìn)進(jìn)行檢測，將工作臺的行檢測，將工作臺的實(shí)際位移量實(shí)際位移量與與指令值指令值比較后形成的比較后形成的誤差誤差信號信號作為控制量，去控制工作臺的運(yùn)動，使之與數(shù)控裝置所要求的位作為控制量，去控制工作臺的運(yùn)動，使之與數(shù)控裝置所要求的位置相符合，以達(dá)到很高的加工精度。置相符合，以達(dá)到很高的加工精度。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：定位精度高，調(diào)節(jié)速度快。定位精度高，調(diào)節(jié)速度快。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：工作臺的工作臺的慣性慣性、絲杠與螺母之間的、絲杠與螺母之間的間隙間隙、絲杠的扭

17、轉(zhuǎn)變形、絲杠的扭轉(zhuǎn)變形等因素對系統(tǒng)的等因素對系統(tǒng)的穩(wěn)定性穩(wěn)定性不利；成本高。不利；成本高。 這種閉環(huán)控制系統(tǒng)一般用于精度要求很高的數(shù)控機(jī)床，如數(shù)這種閉環(huán)控制系統(tǒng)一般用于精度要求很高的數(shù)控機(jī)床，如數(shù)控銑床、數(shù)控坐標(biāo)鏜床等?？劂姶?、數(shù)控坐標(biāo)鏜床等。 （3 3）半閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床）半閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床 在半閉環(huán)控制方式下，檢測裝置不對工作臺的實(shí)際位置進(jìn)行在半閉環(huán)控制方式下，檢測裝置不對工作臺的實(shí)際位置進(jìn)行測量，而是測量，而是通過測量伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)角通過測量伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)角推算出工作臺的推算出工作臺的實(shí)際位移量實(shí)際位移量。將推算出的位移量與指令值相比較，得到的誤差信號作為控制量將推算出的位移量與指令值相比較，得到的誤差信號作為控制量去控制工作臺的運(yùn)動。由于去控制工作臺的運(yùn)動。由于反饋量反饋量取自取自伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)角伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)角，而不是，而不是工作臺的實(shí)際位移，即工作臺的實(shí)際位移，即工作臺位移未包括在反饋環(huán)工作臺位移未包括在反饋環(huán)內(nèi)，因而稱為內(nèi)，因而稱為半閉環(huán)半閉環(huán)控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：控