數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生和發(fā)展

1、一、 數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生和發(fā)展 （一）產(chǎn)生： 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)越來(lái)越合理，其性能、精度和效率日趨提高更新?lián)Q代頻繁，生產(chǎn)類型由大批大量生產(chǎn)向多品種小批量生產(chǎn)轉(zhuǎn)化。因此，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的加工相應(yīng)得提出了高精度、高柔性與高度自動(dòng)化的要求。數(shù)字控制機(jī)床就是為了解決單件、小批量、特別是復(fù)雜型面零件加工的自動(dòng)化并保證質(zhì)量要求而產(chǎn)生的。 第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床是1952年美國(guó)PARSONS公司與麻省理工學(xué)院（MIT）合作研制的三坐標(biāo)數(shù)控銑床，它綜合應(yīng)用了電子計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、伺服驅(qū)動(dòng)、精密檢測(cè)與新型機(jī)械結(jié)構(gòu)等多方面的技術(shù)成果，可用于加工復(fù)雜曲面零件。 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展先后經(jīng)歷了電子管（1952年）、晶體管（1

2、959年）、小規(guī)摸集成電路（1965年）、大規(guī)模集成電路及小型計(jì)算機(jī)（1970年）和微處理機(jī)或微型機(jī)算機(jī)（1974年）等五代數(shù)控系統(tǒng)。（二）數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)1 高速化 ：采用高速的32位以上的微處理器，可提高數(shù)控系統(tǒng)的分辨率及實(shí)現(xiàn)連續(xù)小程序段的高速、高精加工。日本產(chǎn)的FANUC15系統(tǒng)開發(fā)出64位CPU系統(tǒng)，能達(dá)到最小移動(dòng)單位0.1um時(shí)，最大進(jìn)給速度為100m/min。2 多功能化3 智能化：引進(jìn)了自適應(yīng)控制技術(shù).自適應(yīng)控制（Adaptive Control，簡(jiǎn)稱AC）技術(shù)是能調(diào)節(jié)在加工過(guò)程中所測(cè)得的工作狀態(tài)特性，且能使切削過(guò)程達(dá)到并維持最佳狀態(tài)的技術(shù)。4 高精度化：通過(guò)減少數(shù)控系統(tǒng)誤差和

3、采用補(bǔ)償技術(shù)可提高數(shù)控機(jī)床的加工精度。5 高可靠性：通過(guò)提高數(shù)控系統(tǒng)的硬件質(zhì)量，采用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和通用化來(lái)提高其可靠性。 二、 數(shù)控技術(shù)的基本概念1 數(shù)字控制（Numerical Control)，簡(jiǎn)稱NC，它是采用數(shù)字化信息實(shí)現(xiàn)加工自動(dòng)化的控制技術(shù)，用數(shù)字化信號(hào)對(duì)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)及其加工過(guò)程進(jìn)行控制的機(jī)床稱作數(shù)控機(jī)床。 2 NC機(jī)床：早期的數(shù)控機(jī)床的NC裝置是由各種邏輯元件、記憶元件組成隨機(jī)邏輯電路由硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)控功能，稱作硬件數(shù)控，用這種技術(shù)實(shí)現(xiàn)的數(shù)控機(jī)床稱作NC機(jī)床。3 CNC 機(jī)床：現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)采用微處理器或?qū)Ｓ梦C(jī)的數(shù)控系統(tǒng)（Computer Numerical Control）由事先存

4、放在存儲(chǔ)器里的系統(tǒng)程序（軟件）來(lái)實(shí)現(xiàn)控制邏輯，實(shí)現(xiàn)部分或全部數(shù)控功能，并通過(guò)接口與外圍設(shè)備進(jìn)行聯(lián)接，這樣的機(jī)床稱作CNC機(jī)床。三、 數(shù)控機(jī)床的組成及工作原理 1 工作原理圖紙存儲(chǔ)介質(zhì)數(shù)控裝置輸入輸出CNC裝置伺服驅(qū)動(dòng)裝置伺服系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)切削驅(qū)動(dòng)裝置機(jī)床主體檢測(cè)裝置2 組成（1）程序的存儲(chǔ)介質(zhì)（紙帶、磁帶或磁盤等）（2）輸入輸出裝置（3）數(shù)控裝置（是數(shù)控機(jī)床的核心，接受脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)譯碼、運(yùn)算和邏輯處理將指令信息輸出給伺服系統(tǒng)，使設(shè)備按軌定的動(dòng)作執(zhí)行）（4）伺服裝置（是數(shù)控機(jī)床執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)部件，作用是把來(lái)自數(shù)控裝置的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)床執(zhí)行部件的運(yùn)動(dòng)） （5）檢測(cè)反饋裝置（作用是對(duì)機(jī)床的實(shí)際運(yùn)動(dòng)速

5、度、方向、位移量以及加工狀態(tài)加以檢測(cè)并將結(jié)果反饋給數(shù)控裝置，計(jì)算出與指令位移之間的偏差并發(fā)出糾正誤差指令）（6）機(jī)床主體（是加工運(yùn)動(dòng)的實(shí)際機(jī)械部件，主要包括主運(yùn)動(dòng)部件、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)執(zhí)行部件如工作臺(tái)、拖板、刀架，和支承部件如床身、立柱等，還有冷卻、潤(rùn)滑、轉(zhuǎn)位部件、夾緊、換刀機(jī)械手等輔助裝置。3 數(shù)控系統(tǒng)的主要功能（1）多坐標(biāo)控制（多軸聯(lián)動(dòng)）（2）準(zhǔn)備功能（G功能）（3）實(shí)現(xiàn)多種函數(shù)的插補(bǔ)（直線、圓弧、拋物線等）（4）代碼轉(zhuǎn)換（EIA/ISO代碼轉(zhuǎn)換、英制/公制轉(zhuǎn)換、絕對(duì)值/增量值轉(zhuǎn)換等）（5）固定循環(huán)加工（6）指定進(jìn)給速度（7）指定主軸轉(zhuǎn)速（8）輔助功能：指定主軸的起、停、反向，冷卻系統(tǒng)的開、關(guān)等。

6、（9）刀具選擇功能（10）各種補(bǔ)償功能：如刀具半徑、刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償?shù)?。?1）字符圖形在顯示器(CRT)上的顯示（12）故障的診斷及顯示、與外部設(shè)備的連網(wǎng)及通信。（13）存儲(chǔ)加工程序，人機(jī)對(duì)話、程序的輸入、編輯及修改。4 數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)數(shù)控機(jī)床與普通機(jī)床相比，具有以下特點(diǎn)：）適應(yīng)性強(qiáng)適應(yīng)性是指數(shù)控機(jī)床隨生產(chǎn)對(duì)象變化而變化的適應(yīng)能力。）精度高工作過(guò)程不需要人工干預(yù)，而是自動(dòng)工作的，且通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)裝置來(lái)修正或補(bǔ)償以獲得更高的精度。）效率高數(shù)控機(jī)床可以采用較大的切削用量，而且具有自動(dòng)換速、自動(dòng)換刀和其他輔助操作自動(dòng)化的功能。）減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、改善勞動(dòng)條件。）有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化。四、數(shù)控機(jī)床的分類 1

7、按工業(yè)用途分類（1）數(shù)控車床（ NC Lathe） （2）數(shù)控銑床(NC Milling Machine)（3）數(shù)控鉆床(NC Drilling Machine) (4)數(shù)控鏜床(NC Boring Machine)（5）數(shù)控齒輪加工機(jī)床(NC Gearing Holding Machine)（6）數(shù)控平面磨床(NC Surface Grinding Machine)（7）數(shù)控外圓磨床(NC External Cylindrical Grinding Machine)（8）數(shù)控輪廓磨床(NC Contour Grinding Machine)（9）數(shù)控工具磨床(NC Tool Grinding

8、 Machine)（10）數(shù)控坐標(biāo)磨床(NC Jig Grinding Machine)（11）數(shù)控電火花加工機(jī)床(NC Dieseling Electric Discharge Machine)（12）數(shù)控線切割機(jī)床(NC Wire Discharge Machine)（13）數(shù)控激光加工機(jī)床(NC Laser Beam Machine) （14）數(shù)控沖床(NC Punching Press) （15）加工中心(Machine Center)（16）數(shù)控超聲波加工機(jī)床NC Ultrasonic Machine) （17）其他（如三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等）2 按運(yùn)動(dòng)方式分類 （1）點(diǎn)位控制系統(tǒng)（Posi

9、tioning Control）只控制刀具從一點(diǎn)到另一點(diǎn)的位置，而不控制移動(dòng)軌跡，在移動(dòng)過(guò)程中刀具不進(jìn)行切削加工。 刀具的三種路徑 （1） （2） （3）（2）直線控制系統(tǒng)（Straight-line Control）是控制刀具或機(jī)床工作臺(tái)以給定的速度，沿平行于某一坐標(biāo)軸方向，由一個(gè)位置到另一個(gè)位置的精確移動(dòng)，并且在移動(dòng)過(guò)程中進(jìn)行直線切削加工。（3）輪廓控制系統(tǒng)（Contour Control）是對(duì)兩個(gè)或兩個(gè)以上的坐標(biāo)軸同時(shí)進(jìn)行連續(xù)控制，并能對(duì)機(jī)床移動(dòng)部件的位移和速度進(jìn)行嚴(yán)格的控制，即要控制加工的軌跡，加工出要求的輪廓。其運(yùn)動(dòng)軌跡是任意斜率的直線、圓弧、螺旋線等。3 按控制方式分類（1）開環(huán)控

10、制（Open Loop Control）即不帶位置測(cè)量元件，數(shù)控裝置根據(jù)控制介質(zhì)上的指令信號(hào)，經(jīng)控制運(yùn)算發(fā)出指令脈沖，使伺服驅(qū)動(dòng)元件轉(zhuǎn)過(guò)一定的角度，并通過(guò)傳動(dòng)齒輪、滾珠絲杠螺母副，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如工作臺(tái)）移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)。特點(diǎn)是沒(méi)有來(lái)自位置測(cè)量元件的反饋信號(hào)，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作情況不進(jìn)行檢查，指令流向?yàn)閱蜗?，控制精度較低。l開環(huán)控制驅(qū)動(dòng)裝置工作臺(tái)數(shù)控裝置控制介質(zhì)指令脈沖伺服電機(jī)齒輪箱（2）閉環(huán)控制（Closed Loop Control）是將位置檢測(cè)裝置安裝于機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件上，加工中將測(cè)量到的實(shí)際位置值反饋。另外通過(guò)與伺服電機(jī)剛性連接的測(cè)速元件，隨時(shí)實(shí)測(cè)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，得到速度反饋信號(hào)，并與速度指令信號(hào)

11、相比較，其比較的差值對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨時(shí)進(jìn)行校正，直至實(shí)現(xiàn)移動(dòng)部件工作臺(tái)的最終精確定位。l閉環(huán)控制測(cè)速元器件位移指令位移反饋速度反饋位置檢測(cè)裝置工作臺(tái)（3）半閉環(huán)控制（Semi-Closed Loop Control）是將位置檢測(cè)裝置安裝于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)軸端或安裝于傳動(dòng)絲杠端部，間接地測(cè)量移動(dòng)部件（工作臺(tái)）的實(shí)際位置或位移。l半閉環(huán)控制測(cè)速元器件位移指令位移反饋速度反饋位置檢測(cè)裝置工作臺(tái)五、主要數(shù)控機(jī)床介紹1 數(shù)控車床：機(jī)床主體包括主軸、溜板、刀架等。數(shù)控系統(tǒng)包括電顯示器（CRT）、控制面板、強(qiáng)電控制系統(tǒng)。2 數(shù)控銑床：適于加工三維復(fù)雜曲面。3 加工中心：即具有自動(dòng)刀具交換裝置，并能進(jìn)行多種工序

12、加工的數(shù)控機(jī)床。4 數(shù)控鉆床：主要完成鉆孔、功絲功能，同時(shí)也可以完成簡(jiǎn)單的銑削功能，刀庫(kù)可以存放多種刀具。5 數(shù)控磨床：主要用在高精度、高硬度加工表面。6 數(shù)控電火花成形機(jī)床：是利用兩個(gè)不同極性的電極在絕緣液體中產(chǎn)生放電現(xiàn)象，去除材料進(jìn)而完成加工。7 數(shù)控線切割機(jī)床：工作原理與電火花成形機(jī)床一樣，其電極是電極絲，加工液一般采用去離子水。六、先進(jìn)制造系統(tǒng)簡(jiǎn)介（其核心是生產(chǎn)加工設(shè)備的數(shù)控化、柔性化和精密化）1 柔性制造系統(tǒng)（FMS） 根據(jù)自動(dòng)化程度及功能可分為三類：（1）單機(jī)數(shù)控加工：是用一臺(tái)數(shù)控機(jī)床或加工中心加工機(jī)械零件。（2）柔性加工單元（Flexible Machining Cell）是一種人的參與減到最小時(shí)，能連續(xù)地對(duì)同一零件族內(nèi)不同的零件進(jìn)行自動(dòng)化加工（包括工件、刀具、廢屑等在單元內(nèi)部的運(yùn)輸和交換）的最小加工單元。（3）柔性制造系統(tǒng)（Flexible Manufacturing System）是由加工系統(tǒng)（由一組數(shù)控機(jī)床和其他自動(dòng)化工藝設(shè)備，如清洗機(jī)、成品實(shí)驗(yàn)機(jī)、噴漆機(jī)等組成）、物料自動(dòng)儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)和信息控制系統(tǒng)三者相結(jié)合，由中央計(jì)算機(jī)管理使之自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)的制造系統(tǒng)。2 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（Computer Integrated Manufacturin