數(shù)控機床簡介輔導材料

第一章數(shù)控機床簡介輔導材料（一）目的與要求使學生掌握數(shù)控機床的基本概念、組成、分類、發(fā)展歷程和方向。初步了解數(shù)控機床的工作原理和數(shù)控加工的特點。（二）重點與難點重點是數(shù)控機床的基本概念、組成、分類等。（三）教學內(nèi)容1．數(shù)控機床的基本概念2．數(shù)控機床的基本工作原理3．數(shù)控機床的基本組成4．數(shù)控機床的分類5．數(shù)控加工的特點6．數(shù)控機床的適用范圍7.數(shù)控機床的發(fā)展歷程和方向（四）教學要求1．掌握數(shù)控機床的基本概念和基本組成。2．了解數(shù)控機床的基本工作原理。3．掌握數(shù)控機床的各種分類形式。4.了解數(shù)控機床的加工特點及適用范圍。5．掌握數(shù)控機床的發(fā)展歷程和發(fā)展方向。（五）內(nèi)容提要和學習指導1.1數(shù)控機床概述1.1.1數(shù)控機床的基本概念（掌握）（增加內(nèi)容）數(shù)字控制（NumericalControl，NC）簡稱數(shù)控，是用數(shù)字化信號對機床的運動及其加工過程進行控制的一種技術方法。數(shù)控機床（NumericalControlMachine）采用數(shù)字控制技術對機床的加工過程進行自動控制的一類機床?；蛘哒f是裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機床。數(shù)控系統(tǒng)（NumericalControlSystem）一種自動輸入載體上事先給定的數(shù)字量（零件加工程序），并將其譯碼，再進行必要的信息處理和運算后，控制機床動作和加工零件的控制系統(tǒng)。最初的數(shù)控系統(tǒng)是由數(shù)字邏輯電路構成的專用硬件數(shù)控系統(tǒng)。隨著微型計算機的發(fā)展，硬件數(shù)控系統(tǒng)已逐漸被淘汰，取而代之的是計算機數(shù)控系統(tǒng)。計算機數(shù)控系統(tǒng)（ComputerNumericalControl，CNC）CNC系統(tǒng)是由計算機承擔數(shù)控中的命令發(fā)生器和控制器的數(shù)控系統(tǒng)。由于計算機可完全由軟件來確定數(shù)字信息的處理過程，從而具有真正的“柔性”，并可以處理硬件邏輯電路難以處理的復雜信息，使數(shù)字控制系統(tǒng)的性能大大提高。數(shù)控編程（CNCProgramming）從零件圖樣到將加工信息用規(guī)定代碼，按一定的格式編寫成零件加工程序單和制作控制介質(zhì)的全部過程，稱為數(shù)控加工的程序編制，簡稱數(shù)控編程。

1.1.2數(shù)控機床的基本工作原理（了解）1.利用數(shù)控機床完成零件數(shù)控加工的過程。2.數(shù)控加工中的數(shù)據(jù)轉換過程，如圖1.2所示。（增加內(nèi)容）

圖1.2數(shù)控加工中的數(shù)據(jù)轉換過程

⑴譯碼譯碼程序以一個程序段為單位，按一定規(guī)則將加工程序中的信息翻譯成計算機內(nèi)部能識別的數(shù)據(jù)形式，并以約定的格式存放在指定的內(nèi)存區(qū)間。⑵數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理程序一般包括刀具補償、進給方向判斷、進給速度計算以及輔助功能處理等。刀具補償是把零件輪廓軌跡轉化成刀具中心運動軌跡，編程員只需按零件輪廓軌跡編程。進給方向判斷是根據(jù)零件輪廓的形狀和機床刀具的位置，決定刀具運動方向的指令。速度計算是根據(jù)編程所給的進給速度來計算各坐標運動方向的分速度。另外對機床允許的最低速度和最高速度的限制進行判斷并處理。⑶插補計算數(shù)據(jù)密化的過程。插補計算就是對數(shù)控系統(tǒng)輸入基本數(shù)據(jù)，運用一定的算法進行計算，并根據(jù)計算結果向相應的坐標發(fā)出進給指令。⑷PLC控制（ProgrammableLogicController）用于完成與邏輯運算有關順序動作的I/O控制。數(shù)控機床的工作原理就是將預先編好的加工程序以數(shù)據(jù)的形式輸入數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)通過譯碼、數(shù)據(jù)處理、插補計算和PLC協(xié)調(diào)控制等，最終實現(xiàn)零件的自動化加工。

1.1.3數(shù)控機床的基本組成（掌握）數(shù)控機床的基本組成：控制介質(zhì)、數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、機床本體、反饋裝置和各類輔助裝置等。

（調(diào)整內(nèi)容）數(shù)控機床一般由控制介質(zhì)、數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、機床本體、反饋裝置和各類輔助裝置組成。1、控制介質(zhì)2、數(shù)控系統(tǒng)3、伺服系統(tǒng)4、反饋裝置該裝置由測量部件和響應的測量電路組成，其作用是檢測速度和位移，并將信息反饋給數(shù)控裝置，構成閉環(huán)控制系統(tǒng)。沒有測量反饋裝置的系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。常用的測量部件有脈沖編碼器、光柵、旋轉變壓器、感應同步器和磁尺等。5、輔助裝置輔助裝置主要包括液壓和氣動裝置、自動排屑裝置、自動換刀裝置、工件自動交換裝置、工件夾緊放松機構、潤滑裝置、切削液裝置、過載和保護裝置等。6、機床本體

1.2數(shù)控機床的分類（掌握）1.按伺服控制的方式進行分類（1）開環(huán)控制的數(shù)控機床：特點：只有控制信息的前向通道，沒有檢測裝置，不具有反饋環(huán)節(jié)。應用：一般在經(jīng)濟型數(shù)控機床和舊設備的簡易數(shù)控改造中采用。（2）閉環(huán)控制的數(shù)控機床：特點：具有反饋環(huán)節(jié)，全閉環(huán)控制的數(shù)控機床的反饋裝置安裝在數(shù)控機床終端移動部件上。應用：主要是高精密的數(shù)控機床、加工中心等；半閉環(huán)控制的數(shù)控機床：特點：反饋裝置安裝在伺服電動機或絲杠端部。應用：大部分數(shù)控機床中采用。（3）混合控制數(shù)控系統(tǒng)：常用形式：開環(huán)補償型和半閉環(huán)補償型。2.按數(shù)控機床運動軌跡分類（1）點位控制的數(shù)控機床應用：主要有數(shù)控鉆床、數(shù)控鏜床和數(shù)控沖床等。（2）直線控制的數(shù)控機床應用：主要有簡易的數(shù)控車床、數(shù)控銑床等。（3）輪廓控制的數(shù)控機床：數(shù)控系統(tǒng)應具有插補運算功能。應用：兩軸以上聯(lián)動的數(shù)控機床、加工中心均采用輪廓控制。可控軸數(shù)：是指機床數(shù)控裝置能夠控制的坐標數(shù)目，即數(shù)控機床有幾個運動方向采用了數(shù)字控制。聯(lián)動軸數(shù)：是指機床數(shù)控裝置控制各坐標軸協(xié)調(diào)動作的坐標軸數(shù)目。通常一臺數(shù)控機床的聯(lián)動軸數(shù)一般會小于或等于可控軸數(shù)。（增加內(nèi)容）（3）輪廓控制的數(shù)控機床數(shù)控機床的可控軸數(shù)，是指機床數(shù)控裝置能夠控制的坐標數(shù)目，即數(shù)控機床有幾個運動方向采用了數(shù)字控制。五軸控制的數(shù)控機床包含了三個移動坐標軸和兩個轉動坐標軸。數(shù)控機床完成的運動越多，控制軸數(shù)就越多，對應的功能就越強，同時機床結構的復雜程度與技術含量也就越高。數(shù)控機床實現(xiàn)了對多個坐標軸的控制，并不等于就可以加工出任何形狀的零件。我們所說的兩軸聯(lián)動、3軸聯(lián)動、4軸聯(lián)動、5軸聯(lián)動等，即數(shù)控機床的聯(lián)動軸數(shù)，是指機床數(shù)控裝置控制各坐標軸協(xié)調(diào)動作的坐標軸數(shù)目。聯(lián)動軸數(shù)越多，控制系統(tǒng)就越復雜，加工能力就越強。通常一臺數(shù)控機床的聯(lián)動軸數(shù)一般會小于或等于可控軸數(shù)。

1.3數(shù)控機床的適用范圍（了解）1.3.1數(shù)控機床的加工特點1.3.2數(shù)控機床的適用范圍

1.4數(shù)控機床的發(fā)展歷程和發(fā)展方向（掌握）1.4.1數(shù)控機床的發(fā)展歷程突破傳統(tǒng)機床結構的最新一代的數(shù)控機床：并聯(lián)機床（虛軸機床）。（增加內(nèi)容）數(shù)控機床的研制最早是從美國開始的。1948年，美國帕森斯公司(ParsonsCo.)在研制加工直升飛機槳葉輪廓用檢查樣板的加工機床任務時，提出了研制數(shù)控機床的初始設想。1949年，在美國空軍部門的支持下，帕森斯公司正式接受委托，與麻省理工學院伺服機構實驗室(ServoMechanismlaboratoryoftheMassachusettsInstituteofTechnology)合作，開始從事數(shù)控機床的研制工作。經(jīng)過三年時間的研究，于1952年試制成功世界上第一臺數(shù)控機床試驗性樣機。這是一臺采用脈沖乘法器原理的直線插補三坐標連續(xù)控制銑床。其數(shù)控系統(tǒng)全部采用電子管元件，數(shù)控裝置體積比機床本體還要大。后又經(jīng)過三年的改進和自動編程研究，于1955年進入實用階段。一直到50年代末，由于價格和技術上的原因，數(shù)控機床局限在航空工業(yè)中應用，品種也多為連續(xù)控制系統(tǒng)。到了60年代，由于晶體管的應用，數(shù)控系統(tǒng)提高了可靠性且價格開始下降，一些民用工業(yè)開始發(fā)展數(shù)控機床，其中多數(shù)是鉆沖、沖床等點位控制的機床。數(shù)控技術不僅在機床上得到實際應用，而且逐步推廣到焊接機、火焰切割機等，使數(shù)控技術不斷地擴展應用范圍。20世紀80年代中后期，隨著加工中心功能和結構的完善，顯示了這種工序集中數(shù)控機床的優(yōu)越性，開始出現(xiàn)車削中心、磨削中心等，使復合加工得到擴展而不再局限于鏜、銑等工序。90年代后期又進一步發(fā)展了車銑中心、銑車中心、車磨中心等，近年來又出現(xiàn)由激光、電火花和超聲波等特種加工方法與切削、磨削加工方法組合的復合機床，使復合加工技術成為推動機床結構和制造工藝發(fā)展的一個新熱點。自1952年，美國研制成功第一臺數(shù)控機床以來，隨著電子技術、計算機技術、自動控制和精密測量等相關技術的發(fā)展，數(shù)控機床也在迅速的發(fā)展和不斷的更新?lián)Q代，先后經(jīng)歷了五個發(fā)展階段。第一代數(shù)控：1952～1959年采用電子管元件構成的專用數(shù)控裝置(NC)。第二代數(shù)控：從1959年開始采用晶體管電路的NC系統(tǒng)。第三代數(shù)控：從1965年開始采用小、中規(guī)模集成電路的NC系統(tǒng)。第四代數(shù)控：從1970年開始采用大規(guī)模集成電路的小型通用電子計算機控制的系統(tǒng)(ComputerNumericalControl，簡稱CNC)。第五代數(shù)控：從1974年開始采用微型電子計算機控制的系統(tǒng)(MicrocomputerNumericalControl，簡稱MNC)。第五代微機數(shù)控系統(tǒng)已取代了以往的普通數(shù)控系統(tǒng)，形成了現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)。它采用微處理器及大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路，具有很強的程序存儲能力和控制功能。這些控制功能是由一系列控制程序（即存儲在系統(tǒng)內(nèi)的管理程序）來實現(xiàn)的。這種數(shù)控系統(tǒng)的通用性很強，幾乎只需改變軟件，就可以適應不同類型機床的控制要求，具有很大的柔性。隨著集成電路規(guī)模的日益擴大，光纜通信技術應用于數(shù)控裝置中，使其體積日益縮小，價格逐年下降，可靠性顯著提高，功能也更加完善，數(shù)控裝置的故障已從數(shù)控機床總的故障次數(shù)中占主導地位降到了很次要的地位。進入90年代以來，由于計算機技術的飛速發(fā)展，推動數(shù)控機床技術更快的更新?lián)Q代。世界上許多數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家利用PC機豐富的軟硬件資源開發(fā)開放式體系結構的新一代數(shù)控系統(tǒng)(也稱之為第六代數(shù)控)。開放式體系結構使數(shù)控系統(tǒng)有更好的通用性、柔性、適應性、擴展性，并向智能化、網(wǎng)絡化方向大大發(fā)展。近幾年許多國家紛紛研究開發(fā)這種系統(tǒng)，如美國科學制造中心（NCMS）與空軍共同領導的“下一代工作站/機床控制器體系結構”NGC，歐共體的“自動化系統(tǒng)中開放式體系結構”O(jiān)SACA，日本的OSEC計劃等。開發(fā)研究成果已得到應用，如Cincinnati-Milacron公司從1995年開始在其生產(chǎn)的加工中心、數(shù)控銑床、數(shù)控車床等產(chǎn)品中采用了開放式體系結構的A2100系統(tǒng)。開放式體系結構可以大量采用通用微機的先進技術，如多媒體技術，實現(xiàn)聲控自動編程、圖形掃描自動編程等。數(shù)控系統(tǒng)繼續(xù)向高集成度方向發(fā)展，每個芯片上可以集成更多個晶體管，使系統(tǒng)體積更小，更加小型化、微型化。可靠性大大提高。利用多CPU的優(yōu)勢，實現(xiàn)故障自動排除；增強通信功能，提高進線、聯(lián)網(wǎng)能力。開放式體系結構的新一代數(shù)控系統(tǒng)，其硬件、軟件和總線規(guī)范都是對外開放的，由于有充足的軟、硬件資源可供利用，不僅使數(shù)控系統(tǒng)制造商和用戶進行的系統(tǒng)集成得到有力的支持，而且也為用戶的二次開發(fā)帶來極大方便，促進了數(shù)控系統(tǒng)多檔次、多品種的開發(fā)和廣泛應用，既可通過升檔或剪裁構成各種檔次的數(shù)控系統(tǒng)，又可通過擴展構成不同類型數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)，開發(fā)生產(chǎn)周期大大縮短。這種數(shù)控系統(tǒng)可隨CPU升級而升級，結構上不必變動。最新一代的數(shù)控機床：并聯(lián)機床（又稱6條腿數(shù)控機床、并聯(lián)運動學機器人、虛軸機床）是數(shù)控機床在結構上取得的重大突破。1994年，在美國芝加哥國際機床展覽會(IMTS’94)上，美國Giddings＆Lewis公司首次展出了Variax型并聯(lián)運動機床，引起各國機床研究單位和生產(chǎn)廠家的重視。它是一臺以Stewart平臺為基礎的5坐標立式加工中心，標志著機床設計開始采用并聯(lián)機構，是機床結構重大改革的里程碑。并聯(lián)運動機床是以空間并聯(lián)機構為基礎，充分利用計算機數(shù)字控制的潛力，以軟件取代部分硬件，以電氣裝置和電子器件取代部分機械傳動，使將近兩個世紀以來以笛卡爾坐標直線位移為基礎的機床結構和運動學原理發(fā)生了根本變化。并聯(lián)運動機床與傳統(tǒng)機床的比較如圖1.24所示。圖l.24并聯(lián)運動機床與傳統(tǒng)機床的比較從圖中可見，并聯(lián)運動機床與傳統(tǒng)機床的區(qū)別主要表現(xiàn)在：傳統(tǒng)機床布局的基本特點是以床身、立柱、橫梁等作為支承部件，主軸部件和工作臺的滑板沿支承部件上的直線導軌移動，按照X、Y、Z坐標運動疊加的串聯(lián)運動學原理，形成刀頭點的加工表向軌跡。并聯(lián)運動機床布局的基本特點是，以機床框架為固定平臺的若十桿件組成空間并聯(lián)機構，主軸部件安裝在并聯(lián)機構的動平臺上，改變桿件的長度或移動桿件的支點，按照并聯(lián)運動學原理形成刀頭點的加工表面軌跡。出于并聯(lián)運動機床結構以絎架桿系取代傳統(tǒng)機床結構的懸臂梁和兩支點梁來承載切削力和部件重力，加上運動部件的質(zhì)量明顯減小以及主要由電主軸、滾珠絲杠、直線電動機等機電一體化部件組