數(shù)字控制技術(shù)與數(shù)控機床

數(shù)字控制技術(shù)與數(shù)控機床主講：于濤第一章概述數(shù)控機床簡介數(shù)控機床的產(chǎn)生及其重要性數(shù)字控制機床，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化并保證質(zhì)量要求而產(chǎn)生的。1952年，MIT伺服機構(gòu)研究所用實驗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現(xiàn)了三軸聯(lián)動數(shù)控運動，可控制銑刀進行連續(xù)空間曲面的加工，揭開了數(shù)控加工技術(shù)的序幕。數(shù)控機床是綜合應(yīng)用了微電子、計算機、自動控制、自動檢測以及精密機械等技術(shù)的最新成果而發(fā)展起來的完全新型的機床，它標(biāo)志著機床工業(yè)進入了一個新的階段。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，幾乎所有品種的機床都實現(xiàn)了數(shù)控化。

數(shù)控技術(shù)是機械加工現(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、實現(xiàn)對各種復(fù)雜精密零件的自動化加工，易于在工廠或車間實行計算機管理，還使車間設(shè)備總數(shù)減少、節(jié)省人力、改善勞動條件，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)控機床應(yīng)用范圍及特點目前的數(shù)控加工主要應(yīng)用于以下兩個方面：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)控機床在機械制造領(lǐng)域中得到日益廣泛的應(yīng)用，是因為它具有如下特點：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)控機床的基本工作原理數(shù)控機床的基本工作原理國家標(biāo)準GB8129－1987將數(shù)控（NumericalControl）定義為：用數(shù)字化信號對機床運動及其加工過程進行控制的一種方法。國際信息處理聯(lián)盟IFIP（InternationalFederationofInformationProcessing）將數(shù)控機床定義為：數(shù)控機床是一種裝有程序控制系統(tǒng)的機床，機床的運動和動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行。這種程序控制系統(tǒng)稱之為機床的數(shù)控系統(tǒng)。

CNC系統(tǒng)框圖

數(shù)控機床加工零件時，首先應(yīng)編制零件的數(shù)控程序，這是數(shù)控機床的工作指令。將數(shù)控程序輸入到數(shù)控裝置，再由數(shù)控裝置控制機床主運動的變速、啟停，進給運動的方向、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、停等動作，使刀具與工件及其他輔助裝置嚴格地按照數(shù)控程序規(guī)定的順序、路程和參數(shù)進行工作，從而加工出形狀、尺寸與精度符合要求的零件。普通機床與NC機床普通機床具有手動加工和機動加工功能，加工過程全部由人工干預(yù)。主傳動和進給傳動一般采用三相交流異步電動機，由變速箱實現(xiàn)多極變速以滿足工藝要求，機床傳動鏈長。加工過程中，必須由人工不斷地進行測量，保證工件的加工精度。普通機床與NC機床NC機床具有手動加工（電手輪）、機動加工和控制程序自動加工功能，加工過程一般不需人工干預(yù)。具有CRT屏幕顯示功能，自動報警顯示功能。普通機床不具備此功能。主傳動和進給傳動采用直流或交流無級調(diào)速伺服電動機。一般沒有主軸變速箱和進給變速箱，傳動鏈短。普通機床與NC機床NC機床具有工件測量系統(tǒng)。加工過程中不需進行工件尺寸的人工測量。CNC機床與普通機床最顯著的區(qū)別當(dāng)加工對象（工件）改變，CNC機床只需改變加工程序（應(yīng)用軟件），而不需對機床作較大的調(diào)整，就能加工出各種不同的工件。普通機床與NC機床數(shù)控機床的組成

數(shù)控程序和控制介質(zhì)

輸入裝置數(shù)控裝置（CNC單元）通訊感現(xiàn)代的數(shù)余控系統(tǒng)除腔采用輸入含輸出設(shè)備健進行信息廊交換外，竊一般都具友有用通訊武方式進行在信息交換儀的能力。昂它們是實拆現(xiàn)CAD荒/CAM照的集成、賢FMS和昏CIMS翅的基本技杰術(shù)。采用萄的方式有專：串行通打訊（R侄S-2滔32等此串口）漲、自動控制甘專用接口衣和規(guī)范（汁DNC方軟式，MA動P協(xié)議等且）網(wǎng)絡(luò)技術(shù)業(yè)（int床erne沃t，LA研N等）。CNC裝減置(CN社C單元)組成：外計算機躁系統(tǒng)、訪位置控景制板、雅PLC恒接口板事，通訊蜻接口板澆、特殊明功能模帖塊以及勢相應(yīng)的再控制軟臥件。作用：冷根據(jù)輸抬入的零拒件加工慕程序進銜行相應(yīng)像的處理討（如運觀動軌跡笑處理、懂機床輸炎入輸出朝處理等爛），然飾后輸出使控制命役令到相逐應(yīng)的執(zhí)圈行部件扭(伺服菜單元、跪驅(qū)動裝泛置和P稼LC等竟)，所攪有這些煮工作是停由CN眼C裝置盤內(nèi)硬件責(zé)和軟件子協(xié)調(diào)配顫合，合因理組織扎，使整適個系統(tǒng)醋有條不諸紊地進獻行工作關(guān)的。C飄NC裝淘置是C剪NC系俯統(tǒng)的核雪心伺服單元俘、驅(qū)動裝鵲置和測量館裝置伺服單元顯和驅(qū)動裝腎置主軸伺重服驅(qū)動羨裝置和禾主軸電陣機進給伺服藍驅(qū)動裝置組和進給電搞機測量裝躺置位置和齒速度測值量裝置稅。以實奸現(xiàn)進給賤伺服系循統(tǒng)的閉顏環(huán)控制霧。作用福保證畝靈敏、待準確地脊跟蹤C胡NC裝而置指令間：進給運支動指令松：實現(xiàn)主零件加葵工的成栽形運動此（速度披和位置閃控制）聯(lián)。主軸運掉動指令跨，實現(xiàn)起零件加飾工的切蹤蝶削運動是（速度扶控制）機床的闖機械部往件機床：數(shù)控機輕床的主汁體，是綿實現(xiàn)制荒造加工脖的執(zhí)行返部件。組成：由主運聽動部件繞、進給尖運動部較件（工揉作臺、乎拖板以膽及相應(yīng)視的傳動榮機構(gòu)）爽、支承油件（立賊柱、床肆身等）糟以及特抗殊裝置?。ǖ毒呶淖詣咏缓茡Q系統(tǒng)苗工件葉自動交秘換系統(tǒng)嗚）和輔穿助裝置做（如排促屑裝置譽等）。數(shù)控機卸床的分佛類按工藝務(wù)用途分抬類普通數(shù)控槐機床、加以工中心、挺金屬成形接類數(shù)控機銀床、數(shù)控本特種加工慕機床、其且他類型數(shù)扒控機床按運動陶方式分照類點位控制之、直線控旦制、輪廓才控制按伺服機賀構(gòu)的控制僑方式分類開環(huán)控制和、閉環(huán)控愁制、半閉枕環(huán)控制分類按加工劇方式進才行數(shù)控坐機床的戲分類金屬切售削類機所床車、加繞工中心挨、鉆、持磨、鏜孝。金屬成麗型類機賀床數(shù)控折彎鉛機、數(shù)控布回轉(zhuǎn)頭壓獨力機數(shù)控特種晃加工機床數(shù)控線切逮割機床、令數(shù)控電火間花加工機華床、數(shù)控殼激光切割趟機床其它類要型數(shù)控三治坐標(biāo)測金量機分類點位控制犬系統(tǒng)這類控膀制方式娘只要求讀控制刀蕩具從一堆點移到搖另一點安的準確兇位置，帶而對運悠動軌跡膀原則上張不加控擁制。數(shù)控機聲床在刀齡具移動轉(zhuǎn)的過程悼中，并姐不進行杯切削加顛工，而杠是作快啟速空行酬程的定控位運動蛋。屬于點位蜻控制的數(shù)筐控機床有勤數(shù)控鉆床舌、數(shù)控鏜茶床、數(shù)控玻沖床和數(shù)叉控測量機沙。點位控制較系統(tǒng)在從點淚1到點貌2的軌眨跡中，錘刀具不深切削。飄因此可暗以從任特意選擇繞的方向鉗接近點膠2?，F(xiàn)在圖示蝦的是兩種鋤可能的路承徑。直線控立制系統(tǒng)這類控制拉方式除了循控制點與遼點之間的蠟準確位置孫外，還要惕保證被控頃制的兩點抹間移動的堡軌跡是一足條直線而朽且移動的西速度是給鳴定的。在兩點間歐移動時，警刀具切削抹材料，進獅行加工。一般的簡貿(mào)易數(shù)控系塌統(tǒng)均屬于隊直線控制雅系統(tǒng)。直線控哭制系統(tǒng)必須是灰沿著平搖行于某列一坐標(biāo)兩軸方向佩，或沿曉著與坐蠟標(biāo)軸成葛45度彎的直線猾。在這個段例子中遷，顯示撒的是關(guān)溫于銑削陽的一個氏直線控復(fù)制系統(tǒng)弟。工件條的a-雄b-c網(wǎng)外形被儀加工。注意輪廓控擋制系統(tǒng)該系統(tǒng)罰能對刀斥具相對彩零件的贈運動軌塵跡進行訂連續(xù)控希制，以來加工任鏟意斜率裂的直線筍、圓弧蘋、拋物業(yè)線或其鼻它函數(shù)啦關(guān)系的考曲線。刀具以設(shè)一定的未進給速幅度運動母的同時莊，進行放加工。數(shù)控銑稅床、功凱能完善禁的數(shù)控詠車床、雁數(shù)控凸勁輪磨床熔等均采逼用。輪廓控摧制系統(tǒng)裝置系臂統(tǒng)一般撐都是兩港坐標(biāo)或暫兩坐標(biāo)臂以上的寄多坐標(biāo)武聯(lián)動控毛制系統(tǒng)志，其功翻能齊全育，可加貿(mào)工任意駐形狀的永曲線或西型腔，盟如平板遙凸輪。二軸三軸五軸四軸開環(huán)控制游系統(tǒng)通常不帶位置測她量元件，伺服驅(qū)詢動元件為步進鑄電機。幕輸入的橋數(shù)據(jù)通惰過數(shù)控沈系統(tǒng)的練運算分由配出指黃令脈沖慨，每一郊個脈沖屈送給步詞進電機慎，它就泛轉(zhuǎn)動一浮個精度肅，再通耕過傳動塔機構(gòu)使刮被控制殊的工作根臺移動朝。對實際傳隆動機構(gòu)的兆動作情況撐是不進行考檢查的，稠沒有被控舒制對象的膚反饋值，訴指令發(fā)送傲出去不再省反饋回來械，稱為開環(huán)控制。優(yōu)點是結(jié)構(gòu)千簡單，脈調(diào)試容央易，價猾格便宜誓。但是登控制精喉度和運潤動速度料受到限俘制。步進電機工作臺步進電機驅(qū)動線路進給脈沖半閉環(huán)胃控制系凈統(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愿的實際位竿置不進行午檢查測量鴉，而是通產(chǎn)過與伺服價電機（執(zhí)傅行單元）舒有機聯(lián)系煩的測量元禍件（如測丑速電機、根光電編碼遠器等）檢巨測出伺服隨電機的轉(zhuǎn)且角，間接囑地推算出出工作臺實您際位移量痕，用此值稱與指令值攪進行比較寬，用差值陶來實現(xiàn)控嘉制。由于檢測窗的不是工洋作臺的位鍛移，所以淘稱之為半閉環(huán)。精度沒有勾閉環(huán)高，鬼但調(diào)試卻示比閉環(huán)容綁易。閉環(huán)控近制系統(tǒng)位置指令位置反饋工作臺執(zhí)行單元模數(shù)轉(zhuǎn)換計算機位置檢測器必須具備測量元室件。直接在移摩動工作臺左上安裝直賞線位移檢散測裝置如謠光柵、磁歸尺、感應(yīng)剝同步器等僵，檢測出油來的反饋墾信號與輸布入指令相姻比較，用恨比較的差守值進行控渡制，直至賽差值消除梳時停止，損這叫閉環(huán)控制。優(yōu)點是控制精僑度高，但抗是安裝、摩調(diào)試和維飄護比較復(fù)零雜，而且盼價格昂貴們。數(shù)控機愛床分類銷表數(shù)控機床筍的種類數(shù)控車蘭床加工中心押機床數(shù)控銑突床數(shù)控鉆抬床數(shù)控鏜床數(shù)控磨秀床數(shù)控電口加工機伴床數(shù)控金屬揭成型機床控制系統(tǒng)乒類別點位、直坑線控制輪廓控制點位、直庭線控制開環(huán)、半吊閉環(huán)、閉廣環(huán)特殊用雞途的輪引廓控制點位、絕直線控賞制輪廓控制點位控制開環(huán)、隆半閉環(huán)開環(huán)、半爐閉環(huán)、閉植環(huán)開環(huán)、半近閉環(huán)、閉刃環(huán)開環(huán)、鹽半閉環(huán)開環(huán)、咽半閉環(huán)開環(huán)、蹄半閉環(huán)開環(huán)、半架閉環(huán)閉環(huán)閉環(huán)、半幼閉環(huán)開環(huán)、半怎閉環(huán)開環(huán)、叢半閉環(huán)點位、直甜線控制點位、直燈線控制輪廓控?zé)┲戚喞刂茍?zhí)行機構(gòu)蓄類別加工對象含類別沒錐度澡、圓弧寄的軸有錐度單、圓弧足的軸齒輪箱、炕框架等箱盤體飛機零壯件的輪雄廓加工箱體平面輪訓(xùn)廓的凸泰輪、樣窗板、沖驢模，壓鳴、鑄模印刷電雙路基板福、多孔坡零件箱體精密箱橫體凸輪、乖軋輥、成沖模模具沖壓，爬板材、毒彎管等按數(shù)控機鞋床的功能蠻水平分類低檔數(shù)字控機床瞞（經(jīng)概濟型數(shù)腦控機床摸）中檔數(shù)控象機床高檔數(shù)控沈機床按可聯(lián)黎動的坐朝標(biāo)數(shù)分枝類2軸聯(lián)搬動（平匙面曲線遞）3軸聯(lián)動怖（空間曲滲面，球頭馳刀）4軸聯(lián)薯動（空卵間曲面舊）5軸聯(lián)術(shù)動及6逃軸聯(lián)動輛（空間冶曲面）莫。聯(lián)動軸彎數(shù)越多較數(shù)控系敘統(tǒng)的控河制算法囑就越復(fù)以雜。數(shù)控技術(shù)孩的發(fā)展數(shù)控系統(tǒng)陷及數(shù)控機贏床的發(fā)展振歷程1952銷年美國麻胃省理工學(xué)屋院研制成男數(shù)控銑床耳后，隨著怒電子技術(shù)璃、計算機陽技術(shù)、自歇動控制技俯術(shù)和精密峰測量技術(shù)然的發(fā)展，石以集成電曾路的集成停度為推動箱力，先后羅經(jīng)歷了電卡子管、晶珍體管、小尋規(guī)模集成喝電路、小瓣型計算機醋（CNC丈）和微型戚機（MN到C）數(shù)控抗系統(tǒng)等五錦個發(fā)展階樹段。90年代雹以來，受需通用微機私技術(shù)飛速錢發(fā)展的影字響，數(shù)控侄系統(tǒng)正朝柜著以通用芹微機（個創(chuàng)人計算機出－PC）它為基礎(chǔ)、螺體系結(jié)構(gòu)梯開放和智介能化的方乎向發(fā)展。知1994吊年基于P挑C的NC現(xiàn)控制器在酸美國首先慚出現(xiàn)于市溉場，此后張得到迅速活發(fā)展。由喘于基于P毀C的開放幫式數(shù)控系半統(tǒng)可充分機利用通用呈微機豐富啄的硬軟件頑資源和適以用于通用暫微機的各卸種先進技慈術(shù)，已成筍為數(shù)控技捧術(shù)發(fā)展的獸潮流和趨榨勢。在伺服驅(qū)歲動方面，蔑隨著微電挺子、計算隔機和控制耳技術(shù)的發(fā)諷展，伺服展驅(qū)動系統(tǒng)徒的性能也齡不斷提高趁，從最初古的電液伺龍服電機和膏功率步進蠟電機開環(huán)任控制驅(qū)動瘦發(fā)展到直丟流伺服電萍機和目前勁廣泛應(yīng)用憶的交流伺鑰服電機閉飾環(huán)(半閉磚環(huán))控制霉驅(qū)動，并靈由模擬控謝制向數(shù)字異化控制方始向發(fā)展。越在高性能滋的數(shù)控系揭統(tǒng)上已普系遍采用數(shù)阿字化的交謙流伺服驅(qū)弦動，使用粱高速數(shù)字膝信號處理否器(DS下P)和高仁分辨率的勉檢測器，容以極高的賽采樣頻率通進行數(shù)字忍補償，實害現(xiàn)伺服驅(qū)屋動的高速嚼高精度化酷。195工8年美兼國Ke井a(chǎn)rn漿ey&模Tre道cke取r公司風(fēng)開發(fā)了稠世界上咐第一臺葉加工中挎心，從吉而揭開攝了加工歉中心的熟序幕。壇196像7年，歐英國首叉先把幾未臺數(shù)控輩機床連斗接成具網(wǎng)有柔性央的加工濟系統(tǒng)，拉這就是鍛最初的嘴FMS注。數(shù)控機床冠的發(fā)展現(xiàn)孕狀與趨勢高精度化高速度化高柔性狡化高自動侮化復(fù)合化智能化網(wǎng)絡(luò)化高可靠恐性先進數(shù)裹控技術(shù)巷概述CNC返系統(tǒng)采紀用高性籍能CP荷U及開涌放式體片系結(jié)構(gòu)目前先進傲的CNC絹系統(tǒng)普遍俗使用32紅位甚至6錘4位CP擴U多總線護的體系結(jié)蔬構(gòu)和實時闊多任務(wù)、謀多用戶的咱操作系統(tǒng)先，以提高曠運算處理數(shù)速度。新—代勝數(shù)控系翠統(tǒng)體系兩結(jié)構(gòu)向食開放式隨系統(tǒng)發(fā)販展。C等NC制充造商、溜系統(tǒng)集優(yōu)成者、游用戶都寒希望“拖開放式絕的控制驗器”，捧能夠自獲由地選鋒擇CN變C裝置仔、驅(qū)動丈裝置、稀伺服電格動機、賽應(yīng)用軟捷件等數(shù)騙控系統(tǒng)伍的各個眉構(gòu)成要翼素，并點能采用蠟規(guī)范的即、簡便城的方法座將這些賴構(gòu)成要系素組合季起來?；赑踩C的開巾放式C的NC大貢致可分谷為三類淹：專用受CNC浸+PC恭型、專運動控閱制器+選PC型土、純恨PC型傳統(tǒng)封引閉式數(shù)易控系統(tǒng)撓的缺點（1陳）各廠牽家產(chǎn)品侄軟硬件艙不兼容雁，主流湊技術(shù)遠惡落后于否PC軟撓硬件技儲術(shù)，購狂買、使料用成本糟高;（2）系債統(tǒng)功能固晝定，不能史充分反映尤數(shù)控設(shè)備鄉(xiāng)豐制造廠的芹生產(chǎn)經(jīng)驗儲，很難滿的足最終用凱戶的特殊推要求;（3）葬缺乏統(tǒng)雜一、有氧效和高畏速的通羅道與外域部互連語，信息托被鎖在階“黑匣纖子”中舉，成為斤自動化俯的“孤故島”;（4）租人機界悄面不靈國活，系普統(tǒng)的培不訓(xùn)和維對護費用牛昂貴。PC-象NC結(jié)掌構(gòu)的不里足（1）仍漫存在專有奧硬件（2）顏信息的弱交換還萌不是完揀全開放仍的（3）與潛I/O接享口連線多（4）成口本高（5）應(yīng)工業(yè)化杰設(shè)計不件如傳統(tǒng)豈數(shù)控系糠統(tǒng)軟件化開噴放式是數(shù)冒控系統(tǒng)的綿發(fā)展方向（1）基安于標(biāo)準的證PC硬件（2）信宅息的完全糾開放，軟治件模塊的協(xié)PnP，（3）澡與I/柱O的連另接為現(xiàn)僚場總線蝦結(jié)構(gòu)PRO