數(shù)字控制技術(shù)與數(shù)控機(jī)床1

數(shù)字控制技術(shù)與數(shù)控機(jī)床主講：于濤第一章概述數(shù)控機(jī)床簡介數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生及其重要性數(shù)字控制機(jī)床，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。1952年，MIT伺服機(jī)構(gòu)研究所用實(shí)驗(yàn)室制造的控制裝置和新新那提（CincinnatiHydrotel）公司的立式銑床成功地實(shí)現(xiàn)了三軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控運(yùn)動(dòng)，可控制銑刀進(jìn)行連續(xù)空間曲面的加工，揭開了數(shù)控加工技術(shù)的序幕。數(shù)控機(jī)床是綜合應(yīng)用了微電子、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、自動(dòng)檢測以及精密機(jī)械等技術(shù)的最新成果而發(fā)展起來的完全新型的機(jī)床，它標(biāo)志著機(jī)床工業(yè)進(jìn)入了一個(gè)新的階段。數(shù)控技術(shù)的發(fā)展非常迅速，使制造技術(shù)發(fā)生了根本性的變化，幾乎所有品種的機(jī)床都實(shí)現(xiàn)了數(shù)控化。

數(shù)控技術(shù)是機(jī)械加工現(xiàn)代化的重要基礎(chǔ)與關(guān)鍵技術(shù)。應(yīng)用數(shù)控加工可大大提高生產(chǎn)率、穩(wěn)定加工質(zhì)量、縮短加工周期、增加生產(chǎn)柔性、實(shí)現(xiàn)對各種復(fù)雜精密零件的自動(dòng)化加工，易于在工廠或車間實(shí)行計(jì)算機(jī)管理，還使車間設(shè)備總數(shù)減少、節(jié)省人力、改善勞動(dòng)條件，有利于加快產(chǎn)品的開發(fā)和更新?lián)Q代，提高企業(yè)對市場的適應(yīng)能力并提高企業(yè)綜合經(jīng)濟(jì)效益。數(shù)控加工技術(shù)也是發(fā)展軍事工業(yè)的重要戰(zhàn)略技術(shù)。數(shù)控機(jī)床應(yīng)用范圍及特點(diǎn)目前的數(shù)控加工主要應(yīng)用于以下兩個(gè)方面：常規(guī)零件加工，如二維車削、箱體類鏜銑等，其目的在于：提高加工效率，避免人為誤差，保證產(chǎn)品質(zhì)量；以柔性加工方式取代高成本的工裝設(shè)備，縮短產(chǎn)品制造周期，適應(yīng)市場需求。另一方面的應(yīng)用是復(fù)雜形狀零件加工，如模具型腔、渦輪葉片等，該類零件在眾多的制造行業(yè)中具有重要的地位，其加工質(zhì)量直接影響以至決定著整機(jī)產(chǎn)品的質(zhì)量。這類零件型面復(fù)雜，常規(guī)加工方法難以實(shí)現(xiàn)，它不僅促使了數(shù)控加工技術(shù)的產(chǎn)生，而且也一直是數(shù)控加工技術(shù)的主要研究及應(yīng)用對象。數(shù)控機(jī)床在機(jī)械制造領(lǐng)域中得到日益廣泛的應(yīng)用，是因?yàn)樗哂腥缦绿攸c(diǎn)：高柔性生產(chǎn)效率高加工精度高、加工質(zhì)量穩(wěn)定可靠自動(dòng)化程度高能完成復(fù)雜型面的加工有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化數(shù)控機(jī)床的基本工作原理數(shù)控機(jī)床的基本工作原理國家標(biāo)準(zhǔn)GB8129－1987將數(shù)控（NumericalControl）定義為：用數(shù)字化信號對機(jī)床運(yùn)動(dòng)及其加工過程進(jìn)行控制的一種方法。國際信息處理聯(lián)盟IFIP（InternationalFederationofInformationProcessing）將數(shù)控機(jī)床定義為：數(shù)控機(jī)床是一種裝有程序控制系統(tǒng)的機(jī)床，機(jī)床的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)作按照這種程序控制系統(tǒng)發(fā)出的由特定代碼和符號編碼組成的指令進(jìn)行。這種程序控制系統(tǒng)稱之為機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)。

CNC系統(tǒng)框圖

數(shù)控機(jī)床加工零件時(shí)，首先應(yīng)編制零件的數(shù)控程序，這是數(shù)控機(jī)床的工作指令。將數(shù)控程序輸入到數(shù)控裝置，再由數(shù)控裝置控制機(jī)床主運(yùn)動(dòng)的變速、啟停，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的方向、速度和位移大小，以及其他諸如刀具選擇交換、工件夾緊松開和冷卻潤滑的啟、停等動(dòng)作，使刀具與工件及其他輔助裝置嚴(yán)格地按照數(shù)控程序規(guī)定的順序、路程和參數(shù)進(jìn)行工作，從而加工出形狀、尺寸與精度符合要求的零件。普通機(jī)床與NC機(jī)床普通機(jī)床具有手動(dòng)加工和機(jī)動(dòng)加工功能，加工過程全部由人工干預(yù)。主傳動(dòng)和進(jìn)給傳動(dòng)一般采用三相交流異步電動(dòng)機(jī)，由變速箱實(shí)現(xiàn)多極變速以滿足工藝要求，機(jī)床傳動(dòng)鏈長。加工過程中，必須由人工不斷地進(jìn)行測量，保證工件的加工精度。普通機(jī)床與NC機(jī)床NC機(jī)床具有手動(dòng)加工（電手輪）、機(jī)動(dòng)加工和控制程序自動(dòng)加工功能，加工過程一般不需人工干預(yù)。具有CRT屏幕顯示功能，自動(dòng)報(bào)警顯示功能。普通機(jī)床不具備此功能。主傳動(dòng)和進(jìn)給傳動(dòng)采用直流或交流無級調(diào)速伺服電動(dòng)機(jī)。一般沒有主軸變速箱和進(jìn)給變速箱，傳動(dòng)鏈短。普通機(jī)床與NC機(jī)床NC機(jī)床具有工件測量系統(tǒng)。加工過程中不需進(jìn)行工件尺寸的人工測量。CNC機(jī)床與普通機(jī)床最顯著的區(qū)別當(dāng)加工對象（工件）改變，CNC機(jī)床只需改變加工程序（應(yīng)用軟件），而不需對機(jī)床作較大的調(diào)整，就能加工出各種不同的工件。普通機(jī)床與NC機(jī)床數(shù)控機(jī)床的組成

數(shù)控程序和控制介質(zhì)

輸入裝置數(shù)控裝置（CNC單元）通訊現(xiàn)代的數(shù)控系統(tǒng)除采用輸入輸出設(shè)備進(jìn)行信息交換外，一般都具有用通訊方式進(jìn)行信息交換的能力。它們是實(shí)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(dòng)控制專用接口和規(guī)范（DNC方式，MAP協(xié)議等）網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（internet，LAN等）。CNC裝置(CNC單元)組成：計(jì)算機(jī)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(jìn)行相應(yīng)的處理（如運(yùn)動(dòng)軌跡處理、機(jī)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(dòng)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(gè)系統(tǒng)有條不紊地進(jìn)行工作的。CNC裝置是CNC系統(tǒng)的核心伺服單元、驅(qū)動(dòng)裝置和測量裝置伺服單元和驅(qū)動(dòng)裝置主軸伺服驅(qū)動(dòng)裝置和主軸電機(jī)進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)裝置和進(jìn)給電機(jī)測量裝置位置和速度測量裝置。以實(shí)現(xiàn)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的閉環(huán)控制。作用保證靈敏、準(zhǔn)確地跟蹤C(jī)NC裝置指令：進(jìn)給運(yùn)動(dòng)指令：實(shí)現(xiàn)零件加工的成形運(yùn)動(dòng)（速度和位置控制）。主軸運(yùn)動(dòng)指令，實(shí)現(xiàn)零件加工的切削運(yùn)動(dòng)（速度控制）機(jī)床的機(jī)械部件機(jī)床：數(shù)控機(jī)床的主體，是實(shí)現(xiàn)制造加工的執(zhí)行部件。組成：由主運(yùn)動(dòng)部件、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)部件（工作臺、拖板以及相應(yīng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)）、支承件（立柱、床身等）以及特殊裝置（刀具自動(dòng)交換系統(tǒng)工件自動(dòng)交換系統(tǒng)）和輔助裝置（如排屑裝置等）。數(shù)控機(jī)床的分類按工藝用途分類普通數(shù)控機(jī)床、加工中心、金屬成形類數(shù)控機(jī)床、數(shù)控特種加工機(jī)床、其他類型數(shù)控機(jī)床按運(yùn)動(dòng)方式分類點(diǎn)位控制、直線控制、輪廓控制按伺服機(jī)構(gòu)的控制方式分類開環(huán)控制、閉環(huán)控制、半閉環(huán)控制分類按加工方式進(jìn)行數(shù)控機(jī)床的分類金屬切削類機(jī)床車、加工中心、鉆、磨、鏜。金屬成型類機(jī)床數(shù)控折彎機(jī)、數(shù)控回轉(zhuǎn)頭壓力機(jī)數(shù)控特種加工機(jī)床數(shù)控線切割機(jī)床、數(shù)控電火花加工機(jī)床、數(shù)控激光切割機(jī)床其它類型數(shù)控三坐標(biāo)測量機(jī)分類點(diǎn)位控制系統(tǒng)這類控制方式只要求控制刀具從一點(diǎn)移到另一點(diǎn)的準(zhǔn)確位置，而對運(yùn)動(dòng)軌跡原則上不加控制。數(shù)控機(jī)床在刀具移動(dòng)的過程中，并不進(jìn)行切削加工，而是作快速空行程的定位運(yùn)動(dòng)。屬于點(diǎn)位控制的數(shù)控機(jī)床有數(shù)控鉆床、數(shù)控鏜床、數(shù)控沖床和數(shù)控測量機(jī)。點(diǎn)位控制系統(tǒng)在從點(diǎn)1到點(diǎn)2的軌跡中，刀具不切削。因此可以從任意選擇的方向接近點(diǎn)2?，F(xiàn)在圖示的是兩種可能的路徑。直線控制系統(tǒng)這類控制方式除了控制點(diǎn)與點(diǎn)之間的準(zhǔn)確位置外，還要保證被控制的兩點(diǎn)間移動(dòng)的軌跡是一條直線而且移動(dòng)的速度是給定的。在兩點(diǎn)間移動(dòng)時(shí)，刀具切削材料，進(jìn)行加工。一般的簡易數(shù)控系統(tǒng)均屬于直線控制系統(tǒng)。直線控制系統(tǒng)必須是沿著平行于某一坐標(biāo)軸方向，或沿著與坐標(biāo)軸成45度的直線。在這個(gè)例子中，顯示的是關(guān)于銑削的一個(gè)直線控制系統(tǒng)。工件的a-b-c外形被加工。注意輪廓控制系統(tǒng)該系統(tǒng)能對刀具相對零件的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行連續(xù)控制，以加工任意斜率的直線、圓弧、拋物線或其它函數(shù)關(guān)系的曲線。刀具以一定的進(jìn)給速度運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，進(jìn)行加工。數(shù)控銑床、功能完善的數(shù)控車床、數(shù)控凸輪磨床等均采用。輪廓控制系統(tǒng)

裝置系統(tǒng)一般都是兩坐標(biāo)或兩坐標(biāo)以上的多坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)，其功能齊全，可加工任意形狀的曲線或型腔，如平板凸輪。二軸三軸五軸四軸開環(huán)控制系統(tǒng)通常不帶位置測量元件，伺服驅(qū)動(dòng)元件為步進(jìn)電機(jī)。輸入的數(shù)據(jù)通過數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)算分配出指令脈沖，每一個(gè)脈沖送給步進(jìn)電機(jī)，它就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)精度，再通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使被控制的工作臺移動(dòng)。對實(shí)際傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作情況是不進(jìn)行檢查的，沒有被控制對象的反饋值，指令發(fā)送出去不再反饋回來，稱為開環(huán)控制。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試容易，價(jià)格便宜。但是控制精度和運(yùn)動(dòng)速度受到限制。步進(jìn)電機(jī)工作臺步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)線路進(jìn)給脈沖半閉環(huán)控制系統(tǒng)工作臺模數(shù)轉(zhuǎn)換執(zhí)行單元角度測量位置指令位置反饋對工作臺的實(shí)際位置不進(jìn)行檢查測量，而是通過與伺服電機(jī)（執(zhí)行單元）有機(jī)聯(lián)系的測量元件（如測速電機(jī)、光電編碼器等）檢測出伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)角，間接地推算出工作臺實(shí)際位移量，用此值與指令值進(jìn)行比較，用差值來實(shí)現(xiàn)控制。由于檢測的不是工作臺的位移，所以稱之為半閉環(huán)。精度沒有閉環(huán)高，但調(diào)試卻比閉環(huán)容易。閉環(huán)控制系統(tǒng)位置指令位置反饋工作臺執(zhí)行單元模數(shù)轉(zhuǎn)換計(jì)算機(jī)位置檢測器必須具備測量元件。直接在移動(dòng)工作臺上安裝直線位移檢測裝置如光柵、磁尺、感應(yīng)同步器等，檢測出來的反饋信號與輸入指令相比較，用比較的差值進(jìn)行控制，直至差值消除時(shí)停止，這叫閉環(huán)控制。優(yōu)點(diǎn)是控制精度高，但是安裝、調(diào)試和維護(hù)比較復(fù)雜，而且價(jià)格昂貴。數(shù)控機(jī)床分類表數(shù)控機(jī)床的種類數(shù)控車床加工中心機(jī)床數(shù)控銑床數(shù)控鉆床數(shù)控鏜床數(shù)控磨床數(shù)控電加工機(jī)床數(shù)控金屬成型機(jī)床控制系統(tǒng)類別點(diǎn)位、直線控制輪廓控制點(diǎn)位、直線控制開環(huán)、半閉環(huán)、閉環(huán)特殊用途的輪廓控制點(diǎn)位、直線控制輪廓控制點(diǎn)位控制開環(huán)、半閉環(huán)開環(huán)、半閉環(huán)、閉環(huán)開環(huán)、半閉環(huán)、閉環(huán)開環(huán)、半閉環(huán)開環(huán)、半閉環(huán)開環(huán)、半閉環(huán)開環(huán)、半閉環(huán)閉環(huán)閉環(huán)、半閉環(huán)開環(huán)、半閉環(huán)開環(huán)、半閉環(huán)點(diǎn)位、直線控制點(diǎn)位、直線控制輪廓控制輪廓控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)類別加工對象類別沒錐度、圓弧的軸有錐度、圓弧的軸齒輪箱、框架等箱體飛機(jī)零件的輪廓加工箱體平面輪廓的凸輪、樣板、沖模，壓、鑄模印刷電路基板、多孔零件箱體精密箱體凸輪、軋輥、沖模模具沖壓，板材、彎管等按數(shù)控機(jī)床的功能水平分類低檔數(shù)控機(jī)床（經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床）中檔數(shù)控機(jī)床高檔數(shù)控機(jī)床按可聯(lián)動(dòng)的坐標(biāo)數(shù)分類2軸聯(lián)動(dòng)（平面曲線）3軸聯(lián)動(dòng)（空間曲面，球頭刀）4軸聯(lián)動(dòng)（空間曲面）5軸聯(lián)動(dòng)及6軸聯(lián)動(dòng)（空間曲面）。聯(lián)動(dòng)軸數(shù)越多數(shù)控系統(tǒng)的控制算法就越復(fù)雜。數(shù)控技術(shù)的發(fā)展數(shù)控系統(tǒng)及數(shù)控機(jī)床的發(fā)展歷程1952年美國麻省理工學(xué)院研制成數(shù)控銑床后，隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和精密測量技術(shù)的發(fā)展，以集成電路的集成度為推動(dòng)力，先后經(jīng)歷了電子管、晶體管、小規(guī)模集成電路、小型計(jì)算機(jī)（CNC）和微型機(jī)（MNC）數(shù)控系統(tǒng)等五個(gè)發(fā)展階段。90年代以來，受通用微機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展的影響，數(shù)控系統(tǒng)正朝著以通用微機(jī)（個(gè)人計(jì)算機(jī)－PC）為基礎(chǔ)、體系結(jié)構(gòu)開放和智能化的方向發(fā)展。1994年基于PC的NC控制器在美國首先出現(xiàn)于市場，此后得到迅速發(fā)展。由于基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)可充分利用通用微機(jī)豐富的硬軟件資源和適用于通用微機(jī)的各種先進(jìn)技術(shù)，已成為數(shù)控技術(shù)發(fā)展的潮流和趨勢。在伺服驅(qū)動(dòng)方面，隨著微電子、計(jì)算機(jī)和控制技術(shù)的發(fā)展，伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能也不斷提高，從最初的電液伺服電機(jī)和功率步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制驅(qū)動(dòng)發(fā)展到直流伺服電機(jī)和目前廣泛應(yīng)用的交流伺服電機(jī)閉環(huán)(半閉環(huán))控制驅(qū)動(dòng)，并由模擬控制向數(shù)字化控制方向發(fā)展。在高性能的數(shù)控系統(tǒng)上已普遍采用數(shù)字化的交流伺服驅(qū)動(dòng)，使用高速數(shù)字信號處理器(DSP)和高分辨率的檢測器，以極高的采樣頻率進(jìn)行數(shù)字補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)伺服驅(qū)動(dòng)的高速高精度化。1958年美國Kearney&Trecker公司開發(fā)了世界上第一臺加工中心，從而揭開了加工中心的序幕。1967年，英國首先把幾臺數(shù)控機(jī)床連接成具有柔性的加工系統(tǒng)，這就是最初的FMS。數(shù)控機(jī)床的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢高精度化高速度化高柔性化高自動(dòng)化復(fù)合化智能化網(wǎng)絡(luò)化高可靠性先進(jìn)數(shù)控技術(shù)概述CNC系統(tǒng)采用高性能CPU及開放式體系結(jié)構(gòu)目前先進(jìn)的CNC系統(tǒng)普遍使用32位甚至64位CPU多總線的體系結(jié)構(gòu)和實(shí)時(shí)多任務(wù)、多用戶的操作系統(tǒng)，以提高運(yùn)算處理速度。新—代數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)向開放式系統(tǒng)發(fā)展。CNC制造商、系統(tǒng)集成者、用戶都希望“開放式的控制器”，能夠自由地選擇CNC裝置、驅(qū)動(dòng)裝置、伺服電動(dòng)機(jī)、應(yīng)用軟件等數(shù)控系統(tǒng)的各個(gè)構(gòu)成要素，并能采用規(guī)范的、簡便的方法將這些構(gòu)成要素組合起來?；赑C的開放式CNC大致可分為三類：專用CNC+PC型、運(yùn)動(dòng)控制器+PC型、純PC型傳統(tǒng)封閉式數(shù)控系統(tǒng)的缺點(diǎn)（1）各廠家產(chǎn)品軟硬件不兼容，主流技術(shù)遠(yuǎn)落后于PC軟硬件技術(shù)，購買、使用成本高;（2）系統(tǒng)功能固定，不能充分反映數(shù)控設(shè)備制造廠的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，很難滿足最終用戶的特殊要求;（3）缺乏統(tǒng)一、有效和高速的通道與外部互連，信息被鎖在“黑匣子”中，成為自動(dòng)化的“孤島”;（4）人機(jī)界面不靈活，系統(tǒng)的培訓(xùn)和維護(hù)費(fèi)用昂貴。PC-NC結(jié)構(gòu)的不足（1）仍存在專有硬件（2）信息的交換還不是完全開放的（3）與I/O接口連線多（4）成本高（5）工業(yè)化設(shè)計(jì)不如傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)軟件化開放式是數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展方向（1）基于標(biāo)準(zhǔn)的PC硬件（2）信息的完全開放，軟件模塊的PnP，（3）與I/O的連接為現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)PROFIBUS，SERCOS，MACRO,HS-Link,IEEE13