數(shù)控加工技術 第一章 概述

數(shù)控技術福建工程學院

賈敏忠教育科學“十五”國家規(guī)劃課題研究成果第1章數(shù)控機床的基礎知識數(shù)控技術概述數(shù)控機床分類數(shù)控機床的發(fā)展趨勢1.1數(shù)控機床概述

1.1.1、數(shù)控技術基本概念1、數(shù)控技術、數(shù)控系統(tǒng)與數(shù)控機床

數(shù)控技術，簡稱數(shù)控（NumericalControl----NC）是利用數(shù)字化信息對機械運動及加工過程進行控制的一種方法。

數(shù)控系統(tǒng)（NumericalControlSystem）：用來實現(xiàn)數(shù)字化信息控制的硬件與軟件的整體稱為數(shù)控系統(tǒng)。其核心是數(shù)控裝置（NumericalController）.

數(shù)控機床：采用數(shù)控技術進行控制的機床。第一節(jié)數(shù)控機床概述

一、數(shù)控技術基本概念2、NC機床與程控機床

機床的自動控制包括三方面：1）機床動作順序的程序控制（PLC控制）2）主電機和輔助電動機的起動停止、變速、冷卻、潤滑、排屑、自動換刀等輔助機能的控制。3）刀具（或坐標）移動軌跡的控制。

控制方式控制對象控制方法順序控制組合機床或生產(chǎn)流程的順序早期由傳統(tǒng)的繼電器現(xiàn)在一般由PLC控制------主要位置（開關量）控制輔助功能控制機械加工必須的動作或機床特殊功能（動作）軌跡控制加工過程的軌跡數(shù)控技術總結(jié):1.1.1、數(shù)控技術基本概念幾個名稱NC機床加工中心FMCFMSCIMS二、數(shù)控系統(tǒng)及其組成1、數(shù)控機床的組成普通機床演變?yōu)閿?shù)控機床普通機床到數(shù)控機床數(shù)控機床的組成二、數(shù)控系統(tǒng)及其組成2、數(shù)控系統(tǒng)的基本組成

數(shù)控系統(tǒng)的主要控制對象是坐標軸的位移，控制信息主要來源于數(shù)控加工或運動控制程序。

基本組成：程序輸入/輸出裝置、數(shù)控裝置、伺服驅(qū)動。數(shù)控機床的組成

數(shù)控機床由信息輸入、信息運算及控制、伺服驅(qū)動和位置檢測反饋、機床本體、機電接口等五大部分組成。脈沖當量的概念：一個脈沖機械部件對應的位移量。第二節(jié)數(shù)控機床的分類一、按運動控制的特點分類二、按坐標軸數(shù)數(shù)目分類三、按伺服系統(tǒng)的類型分類四、按工藝方法分類五、按功能水平分類：高檔、中檔、低檔（經(jīng)濟型）一、按運動控制的特點分類

點位控制數(shù)控機床:

直線控制數(shù)控機床：

輪廓控制的數(shù)控機床：

二、按坐標軸數(shù)數(shù)目分類兩坐標數(shù)控機床兩個半坐標數(shù)控機床三坐標數(shù)控機床多坐標數(shù)控機床

三、按伺服系統(tǒng)的類型分類

開環(huán)控制的數(shù)控機床

閉環(huán)控制的數(shù)控機床

半閉環(huán)控制系統(tǒng)控制

只能用步進電機四、按工藝方法分類

金屬切削類數(shù)控機床金屬成型類及特種加工類數(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。

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。

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。五、按功能水平分類：高檔、中檔、低檔（經(jīng)濟型）

項目低檔中檔高檔分辨率/um1010.1進給速度8-15m/min15-24m/min15-100m/min聯(lián)動軸數(shù)2～3軸2～4軸3～5軸以上主CPU8-16位32位或32位以上的CPU伺服系統(tǒng)步進電機開環(huán)直流及交流閉環(huán)伺服系統(tǒng)內(nèi)裝PC無有有強功能的ＰＬＣ顯示功能LED或簡單的CRT較齊全的CRT顯示三維圖形顯示通信功能無DNC接口（或ＲＳ２３２接口）MAP接口有聯(lián)網(wǎng)功能第三節(jié)數(shù)控機床的技術指標1.規(guī)格指標:指數(shù)控機床的基本能力指標，主要包括行程范圍:工作臺面尺寸:承載能力:控制軸數(shù)和聯(lián)動軸數(shù):機床能加工零件的最大重量機床安裝工件的最大范圍

機床允許的加工空間控制軸數(shù):機床數(shù)控裝置能夠控制的進給軸數(shù)目聯(lián)動軸數(shù):機床數(shù)控裝置同時控制的進給軸數(shù)目：如2軸、2.5軸、3軸、4軸、5軸控制等第三節(jié)數(shù)控機床的技術指標2.精度指標:機床的移動部件沿某一坐標軸運動時實際值與給定值的接近程度同一臺數(shù)控機床上應用相同程序、相同代碼加工一批零件所得到結(jié)果的一致性分度工作臺在分度時指令要求回轉(zhuǎn)的角度值和實際回轉(zhuǎn)的角度值的差值定位精度:重復定位精度:分度精度:機床移動部件位置精度第三節(jié)數(shù)控機床的技術指標3.性能指標:最大主軸轉(zhuǎn)速:最高快移速度和最高進給速度:最高快移速度指進給軸在非加工狀態(tài)下的最高移動速度主軸所能達到的最高轉(zhuǎn)速，是影響零件表面加工質(zhì)量、生產(chǎn)率、刀具壽命的主要因素最高進給速度指進給軸在加工狀態(tài)下的最高移動速度第三節(jié)數(shù)控機床的技術指標可以測量的最小增量（對測量系統(tǒng)而言）可以控制的最小位移增量（對控制系統(tǒng)而言）脈沖當量：

分辨率：

數(shù)控裝置每發(fā)出一個脈沖信號，反映到機床移動部件上的移動量。例：0.001mm脈沖當量越小，數(shù)控機床的加工精度和加工表面質(zhì)量越高分辨率（Resolution）與脈沖當量:0.01mm、0.001mm、0.1μm、0.01μm；第五節(jié)數(shù)控機床的發(fā)展趨勢

隨著計算機技術的發(fā)展，數(shù)控技術不斷采用計算機、控制理論等領域的最新技術成就，使其朝著下述方向發(fā)展。運行高速化和加工高精化功能復合化控制智能化體系開放化驅(qū)動并聯(lián)化交互網(wǎng)絡化造型宜人化1、趨勢——運行高速化進給、主軸、刀具交換、托盤交換等實現(xiàn)高速化，并具有高加（減）速度。

進給率高速化：在分辨率為1m時，F(xiàn)max=240m/min，可獲得復雜型面的精確加工；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；LinearMotor在高效加工中心上達到90m/min的快移速度和1g的加速度。直線電機作為高效驅(qū)動元件正被廣為應用，尤其在激光切割和高速加工中。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。主軸高速化：采用電主軸（內(nèi)裝式主軸電機），主軸電機的轉(zhuǎn)子軸就是主軸部件。主軸最高轉(zhuǎn)速達200000r/min。主軸轉(zhuǎn)速的最高加（減）速為1.0g，即僅需1.8秒即可從0提速到15000r/min。SpindleMotor高速加工：控制、伺服驅(qū)動、主軸、刀具、軸承、導軌、絲杠、卡盤、夾具、冷卻2、趨勢——加工高精化提高機械的制造和裝配精度；提高數(shù)控系統(tǒng)的控制精度；采用誤差補償技術。IC制造裝備、納米控制。

提高CNC系統(tǒng)控制精度：采用高速插補技術，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，其位置檢測精度能達到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。采用誤差補償技術：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;設備的熱變形誤差補償和空間誤差的綜合補償技術。研究表明，綜合誤差補償技術的應用可將加工誤差減少60％～80％。三井精機的JidicH5D型超精密臥式加工中心的定位精度為±0.1m。高精加工：控制、伺服驅(qū)動、主軸、刀具、傳感器、軸承、導軌、絲杠、夾具、冷卻3、趨勢——控制智能化

隨著人工智能技術的不斷發(fā)展，為滿足制造業(yè)生產(chǎn)柔性化、制造自動化發(fā)展需求，數(shù)控技術智能化程度不斷提高，體現(xiàn)在：

加工過程自適應控制技術：通過監(jiān)測主軸和進給電機的功率、電流、電壓等信息，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備運行的安全性。加工參數(shù)的智能優(yōu)化:將零件加工的一般規(guī)律、特殊工藝經(jīng)驗，用現(xiàn)代智能方法，構造基于專家系統(tǒng)或基于模型的“加工參數(shù)的智能優(yōu)化與選擇器”，獲得優(yōu)化的加工參數(shù)，提高編程效率和加工工藝水平，縮短生產(chǎn)準備時間。使加工系統(tǒng)始終處于較合理和較經(jīng)濟的工作狀態(tài)。智能化交流伺服驅(qū)動裝置：自動識別負載、自動調(diào)整控制參數(shù)，包括智能主軸和智能化進給伺服裝置，使驅(qū)動系統(tǒng)獲得最佳運行。

智能故障診斷與自修復技術

智能故障診斷技術：根據(jù)已有的故障信息，應用現(xiàn)代智能方法，實現(xiàn)故障快速準確定位。智能故障自修復技術：根據(jù)診斷故障原因和部位，以自動排除故障或指導故障的排除技術。集故障自診斷、自排除、自恢復、自調(diào)節(jié)于一體，貫穿于全生命周期。智能故障診斷技術在有些數(shù)控系統(tǒng)中已有應用，智能化自修復技術還在研究之中。4、趨勢——功能復合化復合化：在一臺設備上實現(xiàn)多種工藝步驟的加工，縮短加工鏈車銑復合—車削中心（ATC，動力刀頭）；鏜銑鉆復合—加工中心（ATC）、五面加工中心（ATC，主軸立臥轉(zhuǎn)換）；銑鏜鉆車復合—復合加工中心；可更換主軸箱的數(shù)控機床—組合加工中心；集車削和激光加工于一體的機床；測量/制造復合，在加工后對工件進行在線測量多功能復合化機床消除了車床、銑床、磨床、激光設備等之間的傳統(tǒng)差異。CAD、CAM、CNC三者關系圖

CAD/CAM/CNC

智能4M數(shù)控系統(tǒng)：將測量(Measurement)、建模(Modelling)、加工(Manufacturing)、機器操作(Manipulator)四者（即4M）融合在一個系統(tǒng)中，實現(xiàn)信息共享、快速制造、快速檢測和快速響應。5、趨勢——交互網(wǎng)絡化

支持網(wǎng)絡通訊協(xié)議，既滿足單機DNC需要，又能滿足FMC、FMS、CIMS、靈捷制造TEAM（technologyenablingagilemanufacture）對基層設備集成要求的數(shù)控系統(tǒng)。網(wǎng)絡資源共享。數(shù)控機床的遠程（網(wǎng)絡）控制。數(shù)控機床故障的遠程（網(wǎng)絡）診斷。數(shù)控機床的遠程（網(wǎng)絡）培訓與教學（網(wǎng)絡數(shù)控）數(shù)控系統(tǒng)中采用網(wǎng)絡與光纖通訊技術實現(xiàn)運動和I/O的控制是數(shù)控技術的發(fā)展方向。數(shù)控中：德國Intrtamat的SERCOS、美國DELTATAU的Mcro-Link、日本FANUC的SERVO-Link、日本三菱的Tro-Link等。由于技術封鎖等原因，各系統(tǒng)中光纖通訊采用的協(xié)議沒有兼容性和互換性，要求伺服驅(qū)動器以及I/O模塊必須具有相應協(xié)議的光纖通訊接口，這樣的系統(tǒng)軟硬件開放性較差，而且系統(tǒng)的成本也較高。另外的網(wǎng)絡通訊協(xié)議：ARCNET、CANBus、Profibus、USB、IEEE1394。IEEE1394的前身即FireWire，是1986年由蘋果電腦公司針對高速數(shù)據(jù)傳輸所開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，并于1995年獲得美國電機電子工程師協(xié)會認可成為正式新標準?，F(xiàn)在大家看到的IEEE1394、FireWire和i.LINK其實指的都是這個標準，通常，在PC個人計算機領域?qū)⑺Q為IEEE1394，在電子消費品領域則更多的將它稱為i.LINK。

IEEE1394（FireWire）：高速串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_放式技術標準，通訊速度最高達400MHz；目前IEEE1394技術使用最廣的是數(shù)字成像領域，支持的產(chǎn)品包括數(shù)字相機或攝像機等。IEEE1394可以采用光纖進行信息的傳輸，大大地提高了系統(tǒng)的通訊速度和數(shù)據(jù)傳輸距離以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。在?/p>