數(shù)字控制機床

1、數(shù)字控制(shzkngzh)機床李斌華中理工大學機械科學與工程學院工程信息(xnx)與智能技術(shù)研究所共八十四頁教材(jioci)與參考書教 材：廖效果，朱啟逑數(shù)字控制機床 華中理工大學出版社 武漢，1992 參考書：畢承恩，丁乃健現(xiàn)代數(shù)控機床機械工業(yè)(gngy)出版社 北京，19942022/7/272數(shù)字控制機床共八十四頁教學方法與考核(koh)方式教學方法課堂教學 實驗教學自 學考核方式考 試（70%）平時成績（20%）作 業(yè)課堂(ktng)提問 實驗報告（10%）2022/7/273數(shù)字控制機床共八十四頁什么(shn me)是數(shù)控機床？你所想象(xingxing)數(shù)控機床是什么樣的？20

2、22/7/274數(shù)字控制機床共八十四頁第一章 概述(i sh)內(nèi)容提要：本章(bn zhn)主要介紹數(shù)控技術(shù)、數(shù)控機床的基本概念、體系結(jié)構(gòu)、工作原理及分類；數(shù)控機床的應(yīng)用范圍及發(fā)展動向。2022/7/275數(shù)字控制機床共八十四頁第一節(jié) 數(shù)控技術(shù)(sh kn j sh)與數(shù)控機床自從本世紀中葉數(shù)控技術(shù)創(chuàng)立以來，它給機械制造業(yè)帶來了革命性的變化?，F(xiàn)在數(shù)控技術(shù)已成為制造業(yè)實現(xiàn)自動化、柔性化、集成化生產(chǎn)的基礎(chǔ)技術(shù)，現(xiàn)代(xindi)的CAD/CAM，F(xiàn)MS和CIMS、敏捷制造和智能制造等，都是建立在數(shù)控技術(shù)之上；2022/7/276數(shù)字控制機床共八十四頁數(shù)控技術(shù)是提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高勞動生產(chǎn)率必不可少的

3、物質(zhì)手段；以它為基礎(chǔ)的相關(guān)產(chǎn)業(yè)是關(guān)系到國家戰(zhàn)略地位和體現(xiàn)國家綜合國力水平的重要基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)，其技術(shù)水平高低已成為衡量一個國家工業(yè)現(xiàn)代化水平的重要標志。專家們預(yù)言: 二十一世紀(shj)機械制造業(yè)的競爭，其實質(zhì)是數(shù)控技術(shù)的競爭。2022/7/277數(shù)字控制(shzkngzh)機床共八十四頁、 數(shù)字控制與數(shù)控技術(shù)數(shù)字控制（Numerical Control NC）是一種借助數(shù)字、字符或其它符號對某一工作過程（如加工、測量、裝配等）進行可編程控制的自動化方法(fngf)。數(shù)控技術(shù)（Numerical Control Technology）采用數(shù)字控制的方法對某一工作過程實現(xiàn)自動控制的技術(shù)。2022/7

4、/278數(shù)字控制(shzkngzh)機床共八十四頁數(shù)控機床（Numerical Control Machine Tools） 是采用數(shù)字控制技術(shù)對機床的加工過程進行自動控制的一類機床。它數(shù)控技術(shù)典型應(yīng)用的例子。數(shù)控系統(tǒng)（Numerical Control System）實現(xiàn)數(shù)字控制(shzkngzh)的裝置。計算機數(shù)控系統(tǒng)（Computer Numerical Control CNC ）以計算機為的核心數(shù)控系統(tǒng)。2022/7/279數(shù)字控制(shzkngzh)機床共八十四頁、數(shù)控系統(tǒng)與數(shù)控機床(sh kn j chun)的組成 機床(jchung)I/O電路和裝置測量裝置主軸驅(qū)動裝置進給驅(qū)動裝

5、置主軸伺服單元進給伺服單元計算機數(shù) 控裝 置操作面板PLC圖1 CNC機床的組成計算機數(shù)控(CNC)系統(tǒng)機 床輔助控制機構(gòu)進給傳動機構(gòu)主運動機構(gòu)鍵盤輸入輸出設(shè)備2022/7/2710數(shù)字控制機床共八十四頁操作面板操作面板的是操作人員與機床數(shù)控裝置進行信息交流的工具。組成：按鈕站、狀態(tài)燈、按鍵(n jin)陣列（功能與計算機鍵盤一樣）和顯示器；。它是數(shù)控機床特有的部件。2022/7/2711數(shù)字控制(shzkngzh)機床共八十四頁 控制介質(zhì)與輸入輸出設(shè)備控制介質(zhì)是記錄零件加工(ji gng)程序的媒介輸入輸出設(shè)備是CNC系統(tǒng)與外部設(shè)備進行交互裝置。交互的信息通常是零件加工程序。即將編制好的記錄

6、在控制介質(zhì)上的零件加工程序輸入CNC系統(tǒng)或?qū)⒄{(diào)試好了的零件加工程序通過輸出設(shè)備存放或記錄在相應(yīng)的控制介質(zhì)上。數(shù)控機床常用的控制介質(zhì)和輸入輸出設(shè)備見表1：2022/7/2712數(shù)字控制(shzkngzh)機床共八十四頁表1 控制(kngzh)介質(zhì)和輸入輸出設(shè)備表2022/7/2713數(shù)字控制(shzkngzh)機床共八十四頁通訊 現(xiàn)代的數(shù)控系統(tǒng)除采用輸入輸出設(shè)備進行信息交換外，一般都具有用通訊方式進行信息交換的能力。它們是實現(xiàn)CAD/CAM的集成、FMS和CIMS的基本技術(shù)。采用的方式有：串行通訊（RS-232等串口）、自動控制專用(zhunyng)接口和規(guī)范（DNC方式，MAP協(xié)議等）網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

7、（internet，LAN等）。2022/7/2714數(shù)字控制(shzkngzh)機床共八十四頁 CNC裝置(zhungzh)(CNC單元)組成：計算機系統(tǒng)、位置控制板、PLC接口板，通訊接口板、特殊功能模塊以及相應(yīng)的控制軟件。作用：根據(jù)輸入的零件加工程序進行相應(yīng)的處理（如運動軌跡處理、機床輸入輸出處理等），然后輸出控制命令到相應(yīng)的執(zhí)行部件(伺服單元、驅(qū)動裝置和PLC等)，所有這些工作是由CNC裝置內(nèi)硬件和軟件協(xié)調(diào)配合，合理組織，使整個系統(tǒng)有條不紊地進行工作的。CNC裝置是CNC系統(tǒng)的核心。2022/7/2715數(shù)字控制(shzkngzh)機床共八十四頁 伺服單元、驅(qū)動裝置和測量裝置伺服單元和

8、驅(qū)動裝置主軸伺服驅(qū)動裝置和主軸電機進給伺服驅(qū)動裝置和進給電機測量裝置 位置和速度測量裝置。以實現(xiàn)進 給伺服系統(tǒng)的閉環(huán)控制。作用 保證靈敏、準確地跟蹤CNC裝置指令：進給運動指令，實現(xiàn)進給軸的成形運動（速度和位置控制(kngzh)）。主軸運動指令，以實現(xiàn)主軸的切削運動（速度控制）2022/7/2716數(shù)字控制(shzkngzh)機床共八十四頁PLC、機床I/O電路和裝置PLC (Programmable Logic Controller)：用于控制機床順序動作，完成與邏輯運算有關(guān)的開關(guān)量I/O控制，它由硬件和軟件(run jin)組成；機床I/O電路和裝置：實現(xiàn)開關(guān)量I/O控制的執(zhí)行部件，即由繼

9、電器、電磁閥、行程開關(guān)、接觸器等電器組成的邏輯電路；2022/7/2717數(shù)字控制(shzkngzh)機床共八十四頁功能：接受CNC的M、S、T指令，對其進行譯碼并轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的控制信號，控制輔助裝置完成機床相應(yīng)的開關(guān)動作接受操作面板(min bn)和機床側(cè)的I/O信號，送給CNC裝置，經(jīng)其處理后，輸出指令控制CNC系統(tǒng)的工作狀態(tài)和機床的動作。2022/7/2718數(shù)字控制(shzkngzh)機床共八十四頁 機床機床是數(shù)控機床的主體，是實現(xiàn)制造加工的執(zhí)行部件。組成：由主運動部件、進給運動部件（工作臺、拖板以及(yj)相應(yīng)的傳動機構(gòu)）、支承件（立柱、床身等）以及(yj)特殊裝置（刀具自動交換系統(tǒng)

10、工件自動交換系統(tǒng)）和輔助裝置（如排屑裝置等）。2022/7/2719數(shù)字控制(shzkngzh)機床共八十四頁第二節(jié) 數(shù)控機床(sh kn j chun)的分類數(shù)控機床(sh kn j chun)的種類很多，通常可以從以下不同角度來對其分類：2022/7/2720數(shù)字控制機床共八十四頁、 按工藝(gngy)用途分類切削加工類：如數(shù)控銑床、數(shù)控車床、數(shù)控磨床、加工中心、數(shù)控齒輪加工機床、FMC等。成型加工類：數(shù)控折彎機、數(shù)控彎管機等。特種加工類：數(shù)控線切割機、電火花加工機、激光加工機等。其它類型：數(shù)控裝配機、數(shù)控測量機、機器人等。2022/7/2721數(shù)字控制(shzkngzh)機床共八十四頁、

11、 按控制功能分類點位控制數(shù)控系統(tǒng)僅能實現(xiàn)刀具相對于工件從一點到另一點的精確定位運動；對軌跡不作控制要求；運動過程中不進行任何(rnh)加工。適用范圍：數(shù)控鉆床、數(shù)控鏜床、數(shù)控沖床和數(shù)控測量機。2022/7/2722數(shù)字控制(shzkngzh)機床共八十四頁2022/7/2723數(shù)字控制(shzkngzh)機床共八十四頁輪廓控制數(shù)控系統(tǒng)輪廓控制(連續(xù)控制)系統(tǒng)：具有控制幾個進給軸同時(tngsh)諧調(diào)運動(坐標聯(lián)動)，使工件相對于刀具按程序規(guī)定的軌跡和速度運動，在運動過程中進行連續(xù)切削加工的數(shù)控系統(tǒng)。適用范圍：數(shù)控車床、數(shù)控銑床、加工中心等用于加工曲線和曲面的機床?，F(xiàn)代的數(shù)控機床基本上都是裝備的

12、這種數(shù)控系統(tǒng)。2022/7/2724數(shù)字控制(shzkngzh)機床共八十四頁按聯(lián)動(lin dn)軸數(shù)分，可分為2軸聯(lián)動(lin dn)、3軸聯(lián)動(lin dn)、4軸聯(lián)動(lin dn)、5軸聯(lián)動(lin dn)及6軸聯(lián)動(lin dn)數(shù)控系統(tǒng)。聯(lián)動(lin dn)軸數(shù)越多數(shù)控系統(tǒng)的控制算法就越復雜。2022/7/2725數(shù)字控制(shzkngzh)機床共八十四頁、 按進給伺服系統(tǒng)的類型分類(fn li)按數(shù)控系統(tǒng)的進給伺服子系統(tǒng)有無位置測量裝置可分為開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)和閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，在閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)中根據(jù)位置測量裝置安裝的位置又可分為全閉環(huán)和半閉環(huán)兩種。2022/7/2726數(shù)字控制(shzk

13、ngzh)機床共八十四頁 開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)沒有位置測量裝置，信號流是單向的（數(shù)控裝置進給系統(tǒng)），故系統(tǒng)穩(wěn)定性好。無位置反饋，精度相對閉環(huán)系統(tǒng)來講不高，其精度主要取決于伺服驅(qū)動系統(tǒng)和機械傳動機構(gòu)的性能和精度。一般以功率步進電機作為伺服驅(qū)動元件。這類系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定、調(diào)試(dio sh)方便、維修簡單、價格低廉等優(yōu)點，在精度和速度要求不高、驅(qū)動力矩不大的場合得到廣泛應(yīng)用。一般用于經(jīng)濟型數(shù)控機床。2022/7/2727數(shù)字控制(shzkngzh)機床共八十四頁 半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點如圖1的實線所示，是從驅(qū)動裝置(常用伺服電機)或絲杠引出，采樣旋轉(zhuǎn)角度進行檢測，不是直接檢測運

14、動部件的實際位置。半閉環(huán)環(huán)路內(nèi)不包括或只包括少量機械傳動環(huán)節(jié)(hunji)，因此可獲得穩(wěn)定的控制性能，其系統(tǒng)的穩(wěn)定性雖不如開環(huán)系統(tǒng)，但比閉環(huán)要好。2022/7/2728數(shù)字控制(shzkngzh)機床共八十四頁由于絲杠的螺距誤差和齒輪間隙引起的運動誤差難以消除(xioch)。因此，其精度較閉環(huán)差，較開環(huán)好。但可對這類誤差進行補償，因而仍可獲得滿意的精度。半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試方便、精度也較高，因而在現(xiàn)代CNC機床中得到了廣泛應(yīng)用。2022/7/2729數(shù)字控制(shzkngzh)機床共八十四頁 全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點如圖1的虛線所示，直接對運動(yndng)部件的實際位

15、置進行檢測。從理論上講，可以消除整個驅(qū)動和傳動環(huán)節(jié)的誤差、間隙和失動量。具有很高的位置控制精度。2022/7/2730數(shù)字控制(shzkngzh)機床共八十四頁由于位置環(huán)內(nèi)的許多機械傳動環(huán)節(jié)的摩擦特性、剛性和間隙都是非線性的，故很容易造成(zo chn)系統(tǒng)的不穩(wěn)定，使閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計、安裝和調(diào)試都相當困難。該系統(tǒng)主要用于精度要求很高的鏜銑床、超精車床、超精磨床以及較大型的數(shù)控機床等。2022/7/2731數(shù)字控制(shzkngzh)機床共八十四頁第三節(jié) 數(shù)控加工(ji gng)原理、數(shù)控加工與傳統(tǒng)(chuntng)加工的比較工藝分析數(shù)控加工程序工序卡傳統(tǒng)加工數(shù)控加工圖2 傳統(tǒng)加工與數(shù)控加工的比

16、較圖2022/7/2732數(shù)字控制機床共八十四頁、 數(shù)控加工(ji gng)中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程圖3 數(shù)控加工(ji gng)中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程加工程序譯 碼刀補處理插補處理PLC控制進給伺服系統(tǒng)切削運動、機床I/O裝置成形運動2022/7/2733數(shù)字控制機床共八十四頁譯碼(解釋)譯碼程序的主要功能是將用文本格式（通常用ASCII碼）表達的零件(ln jin)加工程序，以程序段為單位轉(zhuǎn)換成刀補處理程序所要求的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（格式）。該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用來描述一個程序段解釋后的數(shù)據(jù)信息。它主要包括：X、Y、Z等坐標值；進給速度；主軸轉(zhuǎn)速；G代碼；M代碼；刀具號；子程序處理和循環(huán)調(diào)用處理等數(shù)據(jù)或標志的存放順序和格式。2

17、022/7/2734數(shù)字控制(shzkngzh)機床共八十四頁 刀補處理(計算刀具中心軌跡)用戶零件加工(ji gng)程序通常是按零件輪廓編制的，而數(shù)控機床在加工(ji gng)過程中控制的是刀具中心軌跡，因此在加工(ji gng)前必須將零件輪廓變換成刀具中心的軌跡。刀補處理就是完成這種轉(zhuǎn)換的程序。2022/7/2735數(shù)字控制(shzkngzh)機床共八十四頁 插補計算本程序以系統(tǒng)規(guī)定的插補周期t定時運行，它將由各種線形（直線，園弧等）組成的零件輪廓，按程序給定的進給速度F，實時計算出各個進給軸在t內(nèi)位移(wiy)指令（X1、Y1、），并送給進給伺服系統(tǒng)，實現(xiàn)成形運動。 這個過程將在下面

18、進一步敘述。2022/7/2736數(shù)字控制(shzkngzh)機床共八十四頁 PLC控制PLC控制是對機床動作的“順序控制”。即以CNC內(nèi)部和機床各行程開關(guān)、傳感器、按鈕、繼電器等開關(guān)量信號狀態(tài)為條件，并按預(yù)先規(guī)定的邏輯順序?qū)χT如主軸的起停、換向，刀具的更換，工件的夾緊、松開，冷卻、潤滑(rnhu)系統(tǒng)等的運行等進行的控制。2022/7/2737數(shù)字控制(shzkngzh)機床共八十四頁逼近處理圖4為欲加工的圓弧軌跡L，起點為P0，終點(zhngdin)為Pe。CNC裝置首先對圓弧進行逼近處理。、 數(shù)控加工(ji gng)軌跡控制原理XLYLiXiYiT0P0Pe圖4 數(shù)控加工原理圖2022/

19、7/2738數(shù)字控制機床共八十四頁系統(tǒng)按插補時間t和進給速度F的要求，將L分割成若干短直線L1，L2，Li，這里：Li = Ft （i=1，2，）則 ： 用直線Li逼近圓弧存在著逼近誤差(wch)，但只要足夠?。↙i足夠短），總能滿足零件的加工要求。當F為常數(shù)時，而t對數(shù)控系統(tǒng)而言恒為常數(shù)，則Li的長度也為常數(shù)L，只是其斜率與在L上的位置有關(guān)。2022/7/2739數(shù)字控制(shzkngzh)機床共八十四頁 插補運算在計算出Li 后，再將其分解(fnji)為X軸及Y軸移動分量Xi和Yi（在ti時間內(nèi)），它們將隨著Li在L上位置的變化而不斷變化，但它們滿足： 且有： Fx = Xi / ti F

20、y = Yi / tiLi的斜率是不斷變化的，因此進給速度在x方向及y方向的分量Fx與Fy以及它們之間的比值Fx /Fy都在不斷變化的。2022/7/2740數(shù)字控制(shzkngzh)機床共八十四頁 指令輸出將計算出ti在時間內(nèi)的和作為指令輸出給Y軸，以控制它們聯(lián)動。即： Xi X軸； Yi Y軸只要能連續(xù)自動地控制X，Y 兩個進給軸在ti時間內(nèi)移動量，就可以實現(xiàn)曲線輪廓(lnku)零件的加工。2022/7/2741數(shù)字控制(shzkngzh)機床共八十四頁第四節(jié) 數(shù)控機床的應(yīng)用(yngyng)范圍數(shù)控機床的確具有普通機床所不具備的許多優(yōu)點。而且它的應(yīng)用范圍還在不斷擴大，但是在目前還不能完全

21、取代普通機床，也就是說，它不能以最經(jīng)濟的方式來解決加工(ji gng)制造中所有問題。為了更好地說明這個問題，有必要先初步了解一下采用數(shù)控機床加工的優(yōu)缺點。第一章 數(shù)控機床概述2022/7/2742數(shù)字控制機床共八十四頁、數(shù)控加工的優(yōu)點自動化程度高，可以減輕工人的體力勞動強度 加工的零件一致性好，質(zhì)量穩(wěn)定 生產(chǎn)效率較高便于(biny)產(chǎn)品研制 便于實現(xiàn)計算機輔助制造 。2022/7/2743數(shù)字控制(shzkngzh)機床共八十四頁、 數(shù)控加工的缺點任何事物都是兩重性。數(shù)控加工雖有上述各種( zhn)優(yōu)點，同時在某些方面也存在不足之處：加工成本一般較高 。只適宜于多品種小批量或中批量生產(chǎn)（占機

22、械加工總量70%80%）加工中難以調(diào)整 維修困難2022/7/2744數(shù)字控制(shzkngzh)機床共八十四頁、數(shù)控加工的適應(yīng)性根據(jù)數(shù)控加工的優(yōu)缺點及國內(nèi)外大量應(yīng)用實踐，一般可按適應(yīng)程度將零件分為下列三類：. 最適應(yīng)類對于下述零件，首先應(yīng)考慮能不能把它們加工出來，即要著重考慮可能性問題。只要有可能，可先不要過多地去考慮生產(chǎn)率與經(jīng)濟上是否合理(hl)，都應(yīng)把對其進行數(shù)控加工作為優(yōu)選方案。2022/7/2745數(shù)字控制(shzkngzh)機床共八十四頁形狀復雜：加工精度要求高，用通用機床無法加工或雖然能加工但很難保證(bozhng)產(chǎn)品質(zhì)量的零件；用數(shù)學模型描述的復雜曲線或曲面輪廓零件；具有難測

23、量、難控制進給、難控制尺寸的不開敞內(nèi)腔的殼體或盒型零件；必須在一次裝夾中合并完成銑、鏜、锪、鉸或攻絲等多工序的零件。 2022/7/2746數(shù)字控制(shzkngzh)機床共八十四頁. 較適應(yīng)類 這類零件在分析其可加工性以后(yhu)，還要在提高生產(chǎn)率及經(jīng)濟效益方面作全面衡量，一般可把它們作為數(shù)控加工的主要選擇對象。2022/7/2747數(shù)字控制(shzkngzh)機床共八十四頁在通用機床上加工(ji gng)時極易受人為因素（如：情緒波動、體力強弱、技術(shù)水平高低等）干擾，零件價值又高，一旦質(zhì)量失控便造成重大經(jīng)濟損失的零件；在通用機床上加工時必須制造復雜專用工裝的零件；需要多次更改設(shè)計后才能定

24、型的零件；在通用機床上加工需要作長時間調(diào)整的零件；用通用機床加工時，生產(chǎn)率很低或體力勞動強度很大的零件。 2022/7/2748數(shù)字控制(shzkngzh)機床共八十四頁. 不適應(yīng)類下述零件采用(ciyng)數(shù)控加工后，在生產(chǎn)效率與經(jīng)濟性方面一般無明顯改善，還有可能弄巧成拙或得不償失，故此類零件一般不應(yīng)作為數(shù)控加工的選擇對象。 2022/7/2749數(shù)字控制(shzkngzh)機床共八十四頁生產(chǎn)批量大的零件（當然不排除其中個別工序用數(shù)控機床加工）；裝夾困難或完全靠找正定位來保證(bozhng)加工精度的零件；加工余量很不穩(wěn)定，且數(shù)控機床上無在線檢測系統(tǒng)可自動調(diào)整零件坐標位置的；必須用特定的工藝

25、裝備協(xié)調(diào)加工的零件。2022/7/2750數(shù)字控制(shzkngzh)機床共八十四頁根據(jù)上述數(shù)控加工的適應(yīng)性，我們就可以根據(jù)所擁有的數(shù)控機床來選擇加工對象，或根據(jù)零件類型來考慮哪些應(yīng)該先安排數(shù)控加工，或從技術(shù)改造角度考慮，是否要投資(tu z)添置數(shù)控機床。2022/7/2751數(shù)字控制(shzkngzh)機床共八十四頁第五節(jié) 數(shù)控機床(sh kn j chun)的發(fā)展動向、產(chǎn)生背景從工業(yè)化革命以來人們實現(xiàn)機械加工自動化的手段(shudun)有：自動機床；組合機床；專用自動生產(chǎn)線。2022/7/2752數(shù)字控制機床共八十四頁這些設(shè)備的使用大大地提高了機械加工自動化地程度，提高了勞動生產(chǎn)率，促進

26、了制造業(yè)地發(fā)展。但它也存在(cnzi)固有的缺點：初始投資大；準備周期長；柔性差。 2022/7/2753數(shù)字控制(shzkngzh)機床共八十四頁數(shù)控技術(shù)產(chǎn)生和發(fā)展的內(nèi)在動力：市場競爭日趨激烈，產(chǎn)品更新?lián)Q代加快，大批量產(chǎn)品越來越少，小批量產(chǎn)品生產(chǎn)的比重越來越大，迫切需要一種精度高、柔性好加工設(shè)備來滿足上述(shngsh)需求。數(shù)控技術(shù)產(chǎn)生和發(fā)展的技術(shù)基礎(chǔ)：電子技術(shù)和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展則為NC機床的進步提供了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。數(shù)控技術(shù)正是在這種背景下誕生和發(fā)展起來的。它的產(chǎn)生給自動化技術(shù)帶來了新的概念，推動了加工自動化技術(shù)的發(fā)展。2022/7/2754數(shù)字控制(shzkngzh)機床共八十四頁

27、、發(fā)展沿革1952年，Parsons公司和M.I.T合作(hzu)研制了世界上第一臺三座標數(shù)控機床。1955年，第一臺工業(yè)用數(shù)控機床由美國Bendix公司生產(chǎn)出來。從1952年至今，NC機床按NC系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷的五代。2022/7/2755數(shù)字控制(shzkngzh)機床共八十四頁第一代：1955年 NC系統(tǒng)以電子管組成，體積 大，功耗大。第二代：1959年 NC系統(tǒng)以晶體管組成，廣泛采用印刷電路板。第三代：1965年 NC系統(tǒng)采用小規(guī)模集成電路(jchng-dinl)作為硬件，其特點是體積小，功耗低，可靠性進一步提高。第四代：1970年 NC系統(tǒng)采用小型計算機取代專用計算機，其部分功能由軟件

28、實現(xiàn)，它具有價格低，可靠性高和功能多等特點。2022/7/2756數(shù)字控制(shzkngzh)機床共八十四頁第五代：1974年 NC系統(tǒng)以微處理器為核心，不僅價格進一步降低，體積進一步縮小，使實現(xiàn)真正(zhnzhng)意義上的機電一體化成為可能。這一代又可分為六個發(fā)展階段：1974年：系統(tǒng)以位片微處理器為核心，有字符顯示，自診斷功能。1979年：系統(tǒng)采用CRT顯示，VLIC，大容量磁泡存儲器，可編程接口和遙控接口等。2022/7/2757數(shù)字控制(shzkngzh)機床共八十四頁1981年：具有人機對話、動態(tài)圖形顯示、實時精度補償功能。1986年：數(shù)字伺服控制誕生，大慣量的交直流電機進入實用階

29、段。1988年：采用高性能的32位機作為主機的主從結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。1994年：基于PC的NC系統(tǒng)誕生，使NC系統(tǒng)的研究(ynji)開發(fā)進入了開放型、柔性化的新時代，新型NC系統(tǒng)的開發(fā)周期日益縮短。它是數(shù)控技術(shù)發(fā)展的又一個里程碑。2022/7/2758數(shù)字控制(shzkngzh)機床共八十四頁、發(fā)展趨勢進入九十年代以來，隨著(su zhe)國際上計算機技術(shù)突飛猛進的發(fā)展，數(shù)控技術(shù)不斷采用計算機、控制理論等領(lǐng)域的最新技術(shù)成就，使其朝著高速化、高精化、復合化、智能化、高柔性化及結(jié)構(gòu)開放化等方向發(fā)展。2022/7/2759數(shù)字控制(shzkngzh)機床共八十四頁. 運行高速化、加工高精化速度和精度是數(shù)控設(shè)

30、備的兩個重要指標，它直接關(guān)系到加工效率(xio l)和產(chǎn)品質(zhì)量。新一代數(shù)控設(shè)備在運行高速化、加工高精化等方面都有了更高的要求。2022/7/2760數(shù)字控制(shzkngzh)機床共八十四頁運行高速化：使進給率、主軸轉(zhuǎn)速、刀具交換速度、托盤交換速度實現(xiàn)高速化，并且具有高加（減）速率。 進給率：在分辨率為1m時，F(xiàn)max=240m/min。在Fmax下可獲得復雜型面的精確加工(ji gng)；在程序段長度為1mm時，F(xiàn)max=30m/min，并且具有1.5g的加減速率；2022/7/2761數(shù)字控制(shzkngzh)機床共八十四頁主軸高速化：采用電主軸（內(nèi)裝式主軸電機），即主軸電機的轉(zhuǎn)子(zh

31、un z)軸就是主軸部件。主軸最高轉(zhuǎn)速達200000r/min。主軸最高轉(zhuǎn)速15000r/min，需1.8秒即可從0提速到15000r/min（加（減）速度1.0g）換刀速度 0.9秒（刀到刀）2.8秒（切削到切削）工作臺（托盤）交換速度 6.3秒。2022/7/2762數(shù)字控制(shzkngzh)機床共八十四頁加工高精化：提高機械設(shè)備的制造和裝配精度；提高數(shù)控系統(tǒng)的控制精度；采用誤差補償技術(shù)。 提高CNC系統(tǒng)控制精度：采用高速插補技術(shù)，以微小程序段實現(xiàn)連續(xù)進給，使CNC控制單位精細化，采用高分辨率位置檢測裝置，提高位置檢測精度（日本交流伺服電機已有裝上106 脈沖/轉(zhuǎn)的內(nèi)藏位置檢測器，其位置

32、檢測精度能達到(d do)0.01m/脈沖）；位置伺服系統(tǒng)采用前饋控制與非線性控制等方法。2022/7/2763數(shù)字控制(shzkngzh)機床共八十四頁 采用誤差補償技術(shù)：采用反向間隙補償、絲桿螺距誤差補償和刀具誤差補償?shù)燃夹g(shù);設(shè)備的熱變形誤差補償和空間誤差的綜合補償技術(shù)。研究結(jié)果表明，綜合誤差補償技術(shù)的應(yīng)用可將加工誤差減少(jinsho)6080。三井精機的JidicH5D型超精密臥式加工中心的定位精度為0.1m。2022/7/2764數(shù)字控制(shzkngzh)機床共八十四頁 由于計算機技術(shù)的不斷進步，促進(cjn)了數(shù)控技術(shù)水平的提高，數(shù)控裝置、進給伺服驅(qū)動裝置和主軸伺服驅(qū)動裝置的性能

33、也隨之提高，使得現(xiàn)代的數(shù)控設(shè)備在新的技術(shù)水平下，可同時具備運行高速化、加工高精化的性能。2022/7/2765數(shù)字控制(shzkngzh)機床共八十四頁. 功能復合化復合化是指在一臺設(shè)備能實現(xiàn)多種工藝手段加工的方法。鏜銑鉆復合加工中心（ATC）、五面加工 中心（ATC，主軸立臥轉(zhuǎn)換）；車銑復合車削(ch xu)中心（ATC，動力刀頭）；2022/7/2766數(shù)字控制(shzkngzh)機床共八十四頁銑鏜鉆車復合復合加工中心（ATC，可自 動裝卸車刀架）；銑鏜鉆磨復合復合加工中心（ATC，動力(dngl) 磨頭）；可更換主軸箱的數(shù)控機床組合加工中心； 2022/7/2767數(shù)字控制(shzkng

34、zh)機床共八十四頁. 控制智能化隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，并為滿足(mnz)制造業(yè)生產(chǎn)柔性化、制造自動化發(fā)展需求，數(shù)控技術(shù)智能化程度不斷提高，具體體現(xiàn)在以下幾個方面：2022/7/2768數(shù)字控制(shzkngzh)機床共八十四頁 加工過程自適應(yīng)控制技術(shù)通過監(jiān)測加工過程中的切削力、主軸和進給電機的功率、電流、電壓等信息(xnx)，利用傳統(tǒng)的或現(xiàn)代的算法進行識別，以辯識出刀具的受力、磨損以及破損狀態(tài)，機床加工的穩(wěn)定性狀態(tài)；并根據(jù)這些狀態(tài)實時修調(diào)加工參數(shù)（主軸轉(zhuǎn)速，進給速度）和加工指令，使設(shè)備處于最佳運行狀態(tài)，以提高加工精度、降低工件表面粗糙度以及設(shè)備運行的安全性。2022/7/2769數(shù)字控

35、制(shzkngzh)機床共八十四頁Mitsubishi Electric 公司的用于數(shù)控電火花成型(chngxng)機床的“Miracle Fuzzy” 基于模糊邏輯的自適應(yīng)控制器，可自動控制和優(yōu)化加工參數(shù)；日本牧野在電火花NC系統(tǒng)Makino_Mce20中，用專家系統(tǒng)代替人進行加工過程監(jiān)控。以色列的外置式力自適應(yīng)控制器意大利Mandelli公司數(shù)控系統(tǒng)的可編程功率自適應(yīng)控制功能。國內(nèi)清華和我校的自適應(yīng)控制技術(shù)的研究已取得成果。正在進行商品化開發(fā)。2022/7/2770數(shù)字控制(shzkngzh)機床共八十四頁 加工參數(shù)的智能優(yōu)化與選擇 將工藝專家或技工的經(jīng)驗、零件加工的一般與特殊規(guī)律(gu

36、l)，用現(xiàn)代智能方法，構(gòu)造基于專家系統(tǒng)或基于模型的“加工參數(shù)的智能優(yōu)化與選擇器”，利用它獲得經(jīng)過優(yōu)化的加工參數(shù)，從而達到提高編程效率和加工工藝水平，縮短生產(chǎn)準備時間的目的。采用經(jīng)過優(yōu)化的加工參數(shù)編制的加工程序，可使加工系統(tǒng)始終處于較合理和較經(jīng)濟的工作狀態(tài)，2022/7/2771數(shù)字控制(shzkngzh)機床共八十四頁目前已開發(fā)出帶自學習功能的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電火花加工專家系統(tǒng)。日本大隈公司的7000系列數(shù)控系統(tǒng)帶有人工智能式自動編程功能。國內(nèi)清華和我校在加工參數(shù)的智能(zh nn)優(yōu)化與選擇及CAPP方面的研究也取得了一些成果。但有待進行實用化開發(fā)。2022/7/2772數(shù)字控制(shzkngzh)

37、機床共八十四頁 智能故障診斷與自修復技術(shù) 智能故障診斷技術(shù)是指根據(jù)已有的故障(gzhng)信息，應(yīng)用現(xiàn)代智能方法（AI、ES、ANN等），實現(xiàn)故障快速準確定位的技術(shù)。智能故障自修復技術(shù)是指能根據(jù)診斷確定故障原因和部位，以自動排除故障或指導故障的排除技術(shù)。智能自修復技術(shù)集故障自診斷、故障自排除、自恢復、自調(diào)節(jié)于一體，并貫穿于加工過程的整個生命周期。2022/7/2773數(shù)字控制(shzkngzh)機床共八十四頁智能故障診斷技術(shù)在有些(yuxi)日本、美國公司生產(chǎn)的數(shù)控系統(tǒng)中已有應(yīng)用，基本上都是應(yīng)用專家系統(tǒng)實現(xiàn)的。智能化自修復技術(shù)還在研究之中。2022/7/2774數(shù)字控制(shzkngzh)機床

38、共八十四頁 智能化交流伺服驅(qū)動裝置 目前已開始研究能自動識別負載，并自動調(diào)整參數(shù)的智能(zh nn)化伺服系統(tǒng)，包括智能(zh nn)主軸交流驅(qū)動裝置和智能(zh nn)化進給伺服裝置。這種驅(qū)動裝置能自動識別電機及負載的轉(zhuǎn)動慣量，并自動對控制系統(tǒng)參數(shù)進行優(yōu)化和調(diào)整，使驅(qū)動系統(tǒng)獲得最佳運行。2022/7/2775數(shù)字控制(shzkngzh)機床共八十四頁 智能(zh nn)4M數(shù)控系統(tǒng)在制造過程中，加工、檢測一體化是實現(xiàn)快速制造、快速檢測和快速響應(yīng)的有效途徑，將測量(Measurement)、建模(Modelling)、加工(Manufacturing)、機器操作(Manipulator)四者（

39、即4M）融合在一個系統(tǒng)中，實現(xiàn)信息共享，促進測量、建模、加工、裝夾、操作一體化的4M智能系統(tǒng)。2022/7/2776數(shù)字控制(shzkngzh)機床共八十四頁. 結(jié)構(gòu)開放化定義（IEEE）：具有在不同的工作平臺上均能實現(xiàn)系統(tǒng)功能、且可以與其他的系統(tǒng)應(yīng)用進行互操作的系統(tǒng)。開放式數(shù)控系統(tǒng)特點：系統(tǒng)構(gòu)件(gujin)（軟件和硬件）具有標準化(Standardization)與多樣化( Diversification)和互換性(Interchangeability)的特征允許通過對構(gòu)件的增減來構(gòu)造系統(tǒng)，實現(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；2022/7/2777數(shù)字控制(shzkngzh)機床共八十四頁.開放體系結(jié)構(gòu)CNC的優(yōu)點向未來技術(shù)開放；由于軟硬件接口都遵循公認的標準協(xié)議，只需少量的重新設(shè)計和調(diào)整，新一代的通用軟硬件資源就可能被現(xiàn)有系統(tǒng)所采納、吸收和兼容，這就意味著系統(tǒng)的開發(fā)費用將大大降低而系統(tǒng)性能與可靠性將不斷改善并處于長生命周期；標準化的人機界面；標準化的編程語言，方便用戶使用，降低了和操作效率直接有關(guān)(yugun)的勞動消耗；2022/7/277