第1章 數(shù)控機(jī)床概述

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1、第1章 數(shù)控機(jī)床概述數(shù)控機(jī)床概述n數(shù)控機(jī)床的工作原理n數(shù)控機(jī)床分類n數(shù)控插補(bǔ)原理n數(shù)控機(jī)床發(fā)展概況1.1 數(shù)控機(jī)床的工作原理n數(shù)控機(jī)床的組成n數(shù)控機(jī)床加工的基本工作原理n數(shù)控機(jī)床加工特點(diǎn)n數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用范圍數(shù)控機(jī)床的工作原理n數(shù)控：數(shù)控：數(shù)字控制（Numerical ControlNC），在機(jī)床領(lǐng)域指用數(shù)字化信號對機(jī)床運(yùn)動及其加工過程進(jìn)行控制的一種自動化技術(shù)。它所控制的一般是位置、角度、速度等機(jī)械量，但也有溫度、流量、壓力等物理量。n計(jì)算機(jī)數(shù)控：計(jì)算機(jī)數(shù)控：（Computerized Numerical ControlCNC，又稱Micro Computerized Numerical Con

2、trolMNC）是用一個(gè)存儲程序的專用計(jì)算機(jī)由控制程序來實(shí)現(xiàn)部分或全部基本控制功能，并通過接口與各種輸入輸出設(shè)備建立聯(lián)系。更換不同的控制程序，可以實(shí)現(xiàn)不同的控制功能。n數(shù)控機(jī)床：數(shù)控機(jī)床：它是一種靈活、通用、能夠適應(yīng)產(chǎn)品頻繁變化的柔性自動化機(jī)床。一、數(shù)控機(jī)床的組成n數(shù)控機(jī)床主要由機(jī)床本體、數(shù)控系統(tǒng)、驅(qū)動裝置、輔助裝置等幾個(gè)部分組成。n機(jī)床本體：機(jī)床本體：是數(shù)控機(jī)床加工運(yùn)動的機(jī)械部分，主要包括支承部件（床身、立柱）等、主動部件（主軸箱）、進(jìn)給運(yùn)動部件（工作臺滑板、刀架）等。n數(shù)控系統(tǒng)（數(shù)控系統(tǒng)（CNC裝置）裝置）：是數(shù)控機(jī)床的控制核心，一般是一臺專用的計(jì)算機(jī)。n驅(qū)動裝置：驅(qū)動裝置：是數(shù)控機(jī)床執(zhí)行

3、機(jī)構(gòu)的驅(qū)動部分，包括主軸電動機(jī)、進(jìn)給伺服電動機(jī)等。n輔助裝置：輔助裝置：指數(shù)控機(jī)床的一些配套部件，包括刀庫、液壓裝置、氣動裝置、冷卻系統(tǒng)、排屑裝置、夾具、換刀機(jī)械手等。數(shù)控機(jī)床的組成n機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的基本工作流程如圖l.1所示。數(shù)控機(jī)床的組成n機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)是由加工指令程序、計(jì)算機(jī)控制裝置、可編程邏輯控制器、主軸進(jìn)給驅(qū)動裝置、速度控制單元及位置檢測裝置等組成。其核心部分是計(jì)算機(jī)控制裝置。n計(jì)算機(jī)控制裝置由硬件和軟件兩部分組成。硬件的主體是計(jì)算機(jī)，包括中央處理器、輸入輸出部分和位置控制部分。軟件有管理軟件和控制軟件。管理軟件包括輸入輸出、顯示和診斷程序等?？刂栖浖ㄗg碼、刀具補(bǔ)償、速度控制、插補(bǔ)運(yùn)

4、算和位置控制等程序。數(shù)控機(jī)床的組成n數(shù)控系統(tǒng)的基本功能:數(shù)控系統(tǒng)即位置控制系統(tǒng)，具有三個(gè)基本功能：（1）輸入功能 指零件加工程序和各種參數(shù)的輸入。（2）插補(bǔ)功能 在加工零件的實(shí)際輪廓或軌跡的已知點(diǎn)之間確定一些中間點(diǎn)的方法。通常在給定直線或圓弧的起點(diǎn)和終點(diǎn)之間插補(bǔ)中間點(diǎn)。插補(bǔ)方法主要有兩種：1）脈沖增量法。2）數(shù)字增量法。（3）伺服控制 將計(jì)算機(jī)送出的位置進(jìn)給脈沖或進(jìn)給速度指令，經(jīng)變換和放大后化為伺服電動機(jī)（步進(jìn)或直、交流電動機(jī)）的轉(zhuǎn)動，從而帶動機(jī)床工作臺移動。數(shù)控機(jī)床的組成n數(shù)控系統(tǒng)的工作過程n對輸入的零件加工程序、控制參數(shù)、補(bǔ)償數(shù)據(jù)等進(jìn)行識別和譯碼，并執(zhí)行所需要的邏輯運(yùn)算，發(fā)出相應(yīng)的指令脈沖

5、，控制機(jī)床的驅(qū)動裝置，操作機(jī)床實(shí)現(xiàn)預(yù)期的加工功能。數(shù)控機(jī)床的組成n主軸控制單元n主要控制機(jī)床主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。n速度控制單元n進(jìn)給驅(qū)動裝置是由交、直流電動機(jī)、速度檢測元件和速度控制元件組成。速度控制單元主要控制機(jī)床各坐標(biāo)軸的切削進(jìn)給運(yùn)動。數(shù)控機(jī)床的組成n可編程邏輯控制器n這是一種專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作電子系統(tǒng)。PLC處于計(jì)算機(jī)控制裝置與機(jī)床之間，對計(jì)算機(jī)控制裝置和機(jī)床的輸入輸出信號進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)輔助功能M、主軸轉(zhuǎn)速S及刀具功能T的控制和譯碼。即按照預(yù)先規(guī)定的邏輯順序?qū)χT如主軸的起動、停止、轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速、刀具的更換、工件的夾緊松開、液壓、冷卻、潤滑、氣動等進(jìn)行控制。二、數(shù)控機(jī)床的基

6、本工作原理n數(shù)控機(jī)床加工時(shí)，是根據(jù)工件圖樣要求及加工工藝過程，將所用刀具及機(jī)床各部件的移動量、速度及動作先后順序、主軸轉(zhuǎn)速、主軸旋轉(zhuǎn)方向及冷卻等要求，以規(guī)定的數(shù)控代碼形式，編制成程序單，并輸入到機(jī)床專用計(jì)算機(jī)中。然后，數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)輸入的指令，進(jìn)行編譯、運(yùn)算和邏輯處理，輸出各種信號指令，控制機(jī)床各部分進(jìn)行規(guī)定的位移和有順序的動作，加工出各種不同形狀的工件。三、數(shù)控機(jī)床加工特點(diǎn)1適應(yīng)性強(qiáng)2精度高3效率高4減輕勞動強(qiáng)度、改善勞動條件四、數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用范圍1）多品種小批量零件（合理生產(chǎn)批量為10100件之間）；2）結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，精度要求較高或必須用數(shù)學(xué)方法確定的復(fù)雜曲線、曲面等零件；3）需要頻繁改型的零

7、件；4）鉆、鏜、鉸、锪、攻螺紋及銑削工序聯(lián)合進(jìn)行的零件，如箱體、殼體等；5）價(jià)格昂貴，不允許報(bào)廢的零件；6）要求百分之百檢驗(yàn)的零件；7）需要最小生產(chǎn)周期的急需零件。1.2 數(shù)控機(jī)床分類n按控制刀具與零件相對運(yùn)動軌跡分類n按加工方式分類n按控制坐標(biāo)軸數(shù)分類n按驅(qū)動系統(tǒng)的控制方式分類一、按控制刀具與零件相對運(yùn)動軌跡分類1點(diǎn)位控制或位置控制數(shù)控機(jī)床n這類機(jī)床只能控制工作臺或刀具從一個(gè)位置精確地移動到另一位置，在移動過程中不進(jìn)行加工，各個(gè)運(yùn)動軸可以同時(shí)移動，也可以依次移動，見圖1.3a。如數(shù)控鏜、鉆、沖，數(shù)控點(diǎn)焊機(jī)及數(shù)控折彎機(jī)等均屬此類機(jī)床。按控制刀具與零件相對運(yùn)動軌跡分類2輪廓控制數(shù)控機(jī)床n這類機(jī)床

8、能夠同時(shí)對兩個(gè)或兩個(gè)以上坐標(biāo)軸進(jìn)行連續(xù)控制，具有插補(bǔ)功能，工作臺或刀具邊移動邊加工，見圖1.3b、c。如數(shù)控銑、車、磨及加工中心等是典型的輪廓控制數(shù)控機(jī)床，數(shù)控火焰切割機(jī)、數(shù)控線切割及數(shù)控繪圖機(jī)等也都采用輪廓控制系統(tǒng)。二、按加工方式分類1）金屬切削類：如數(shù)控車、鉆、鏜、銑、磨、加工中心等。2）金屬成形類：如數(shù)控折彎機(jī)、彎管機(jī)、四轉(zhuǎn)頭壓力機(jī)等。3）特殊加工類：如數(shù)控線切割、電火花、激光切割機(jī)等。4）其他類：如數(shù)控火焰切割機(jī)、三坐標(biāo)測量機(jī)等。三、按控制坐標(biāo)軸數(shù)分類1）兩坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床：兩軸聯(lián)動，用于加工各種曲線輪廓的回轉(zhuǎn)體，如數(shù)控車床。2）三坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床：三軸聯(lián)動，多用于加工曲面零件，如數(shù)控銑床、數(shù)

9、控磨床。3）多坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床：四軸或五軸聯(lián)動，多用于加工形狀復(fù)雜的零件。圖l.4為兩種不同類的四軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床。四、按驅(qū)動系統(tǒng)的控制方式分類1開環(huán)控制數(shù)控機(jī)床2閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床3半閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床1.3 數(shù)控插補(bǔ)原理n插補(bǔ)方法n基準(zhǔn)脈沖插補(bǔ)n數(shù)字積分插補(bǔ)法 一、插補(bǔ)方法n插補(bǔ)的基本概念n所謂插補(bǔ)，就是指數(shù)據(jù)密化的過程，對輸入數(shù)控系統(tǒng)的有限坐標(biāo)點(diǎn)（例如起點(diǎn)、終點(diǎn)），計(jì)算機(jī)根據(jù)曲線的特征，運(yùn)用一定的計(jì)算方法，自動地在有限坐標(biāo)點(diǎn)之間生成一系列的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，以滿足加工精度的要求。n數(shù)控系統(tǒng)（包括硬件NC系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)CNC系統(tǒng)）必須具備插補(bǔ)功能，但采取的插補(bǔ)方式會有所不同。在CNC系統(tǒng)中，一般采用軟件或軟件

10、和硬件相結(jié)合的方法完成插補(bǔ)運(yùn)算，稱為軟件插補(bǔ)；在NC系統(tǒng)中，有一個(gè)專門實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)計(jì)算的計(jì)算裝置（插補(bǔ)器），稱為硬件插補(bǔ)。軟件插補(bǔ)和硬件插補(bǔ)的原理相同，其作用都是根據(jù)給定的信息進(jìn)行計(jì)算，在計(jì)算過程中不斷向各坐標(biāo)軸發(fā)出相互協(xié)調(diào)的進(jìn)給脈沖，使數(shù)控機(jī)床按指定的軌跡運(yùn)動。插補(bǔ)方法n插補(bǔ)功能的基本要求（1）必須保證插補(bǔ)計(jì)算的精度，插補(bǔ)結(jié)果沒有累積誤差，局部偏差不能超過允許的誤差（一般小于規(guī)定的分辨率）。（2）對于硬件插補(bǔ)，要求控制電路簡單可靠；對于軟件插補(bǔ)，要求計(jì)算方法簡潔，計(jì)算速度快。（3）控制系統(tǒng)運(yùn)行速度快且輸出脈沖均勻，使進(jìn)給速度恒定且能滿足加工要求。（4）插補(bǔ)計(jì)算所需的原始數(shù)據(jù)較少。插補(bǔ)方法n插補(bǔ)方

11、法的分類（1）基準(zhǔn)脈沖插補(bǔ)n基準(zhǔn)脈沖插補(bǔ)又稱為脈沖增量插補(bǔ)或行程標(biāo)量插補(bǔ)，適用于以步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動裝置的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。其特點(diǎn)是每次插補(bǔ)結(jié)束后產(chǎn)生一個(gè)行程增量，以脈沖的方式輸出到步進(jìn)電機(jī)，驅(qū)動坐標(biāo)軸運(yùn)動。單個(gè)脈沖使坐標(biāo)軸產(chǎn)生的移動量稱為脈沖當(dāng)量，一般用來表示。脈沖當(dāng)量是脈沖的基本單位，按加工精度選定，普通機(jī)床取=0.01mm，較精密的機(jī)床取=0.005mm、0.0025mm或0.001mm。由于基準(zhǔn)脈沖插補(bǔ)算法只用加法和移位即可完成，故運(yùn)算速度很快。一般用于中等精度（0.01mm）和中等速度（l3mmin）的數(shù)控系統(tǒng)。插補(bǔ)方法的分類（2）數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)n數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)又稱為數(shù)字增量插補(bǔ)或時(shí)間標(biāo)量插補(bǔ)，

12、適用于交、直流伺服電機(jī)驅(qū)動的閉環(huán)（或半閉環(huán)）控制系統(tǒng)。這類插補(bǔ)算法的特點(diǎn)是插補(bǔ)運(yùn)算分兩步進(jìn)行。首先為粗插補(bǔ)，即在給定起點(diǎn)和終點(diǎn)的曲線之間插入若干點(diǎn)，用若干微小直線段來逼近給定曲線，每一微小直線段的長度L相等，且與給定的進(jìn)給速度有關(guān)。在每一插補(bǔ)周期中，粗插補(bǔ)程序被調(diào)用一次，因而每一微小直線段的長度L與進(jìn)給速度F和插補(bǔ)周期T成正比，即L=FT。粗插補(bǔ)的特點(diǎn)是把給定的曲線用一組直線段來逼近。第二步為精插補(bǔ)，它在粗插補(bǔ)計(jì)算出的每一微小直線段的基礎(chǔ)上再作“數(shù)據(jù)點(diǎn)的密化”工作。這一步相當(dāng)于對直線的脈沖增量插補(bǔ)。在實(shí)際應(yīng)用中，粗插補(bǔ)由軟件完成，即通常所說的插補(bǔ)運(yùn)算；精插補(bǔ)可以由軟件完成，也可以由硬件完成。這

13、類插補(bǔ)算法都是采用時(shí)間分割的思想，根據(jù)程序編制的進(jìn)給速度，將輪廓曲線分割為采樣周期的進(jìn)給段（輪廓步長），即用直線或圓弧逼近輪廓曲線。二、基準(zhǔn)脈沖插補(bǔ)n逐點(diǎn)比較插補(bǔ)法n逐點(diǎn)比較插補(bǔ)法又稱代數(shù)運(yùn)算法、醉步法，它是一種最早的插補(bǔ)算法，其原理是：CNC系統(tǒng)在控制加工過程中，能逐點(diǎn)計(jì)算和判別刀具的運(yùn)動軌跡與給定軌跡的偏差，并根據(jù)偏差控制進(jìn)給軸向給定輪廓方向靠近，使加工輪廓逼近給定輪廓曲線。逐點(diǎn)比較法是以折線來逼近直線或圓弧曲線，它與給定的直線或圓弧之間的最大誤差不超過一個(gè)脈沖當(dāng)量，因此只要將脈沖當(dāng)量，即坐標(biāo)軸進(jìn)給一步的距離取得足夠小，就可滿足加工精度的要求。逐點(diǎn)比較插補(bǔ)法n逐點(diǎn)比較直線插補(bǔ) 逐點(diǎn)比較直線

14、插補(bǔ)逐點(diǎn)比較直線插補(bǔ)逐點(diǎn)比較直線插補(bǔ)逐點(diǎn)比較直線插補(bǔ)n從上述過程可以看出，逐點(diǎn)比較法中刀具每進(jìn)給一步都要完成以下四項(xiàng)內(nèi)容：（1）偏差符號判別確定加工點(diǎn)是在規(guī)定零件輪廓線外側(cè)還是在內(nèi)側(cè)，即判斷是否。（2）坐標(biāo)進(jìn)給根據(jù)偏差情況，控制x坐標(biāo)軸或y坐標(biāo)軸進(jìn)給一步，使加工點(diǎn)向零件輪廓線靠攏，以縮小偏差。當(dāng)時(shí)，向+x方向前進(jìn)一步；當(dāng)時(shí)，向+y方向前進(jìn)一步。（3）新偏差計(jì)算進(jìn)給一步后，計(jì)算新加工點(diǎn)與零件輪廓的偏差，作為下一步偏差判別的依據(jù)。計(jì)算公式為式（1.1）或式（1.2）。（4）終點(diǎn)判別判別終點(diǎn)的方法有兩種，一是計(jì)算出x和y方向坐標(biāo)所要進(jìn)給的總步數(shù)，即每向x或y方向進(jìn)給一步，均進(jìn)行N減1計(jì)算，當(dāng)N減至零

15、時(shí)即到終點(diǎn)，停止插補(bǔ)。另一種方法是分別求出x坐標(biāo)和y坐標(biāo)應(yīng)進(jìn)給的步數(shù)，即 xe 和 ye 的值，當(dāng)沿x方向進(jìn)給一步時(shí)，Nx1；當(dāng)沿y方向進(jìn)給一步時(shí)，Ny1；當(dāng)Nx和Ny都為零時(shí)，達(dá)到終點(diǎn)，停止插補(bǔ)。eeeeyxyyxxN)()(00逐點(diǎn)比較直線插補(bǔ)n舉例n設(shè)在第一象限插補(bǔ)直線段OA，起點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)O（0，0），終點(diǎn)為A（8，6）。試用點(diǎn)比較法進(jìn)行插補(bǔ)，并畫出插補(bǔ)軌跡。n解：用第一種終點(diǎn)判別法插補(bǔ)完這段直線，刀具沿x、y軸應(yīng)走的總步數(shù)為1468eeyxN逐點(diǎn)比較直線插補(bǔ)逐點(diǎn)比較直線插補(bǔ)逐點(diǎn)比較直線插補(bǔ)n逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)可以用硬件實(shí)現(xiàn)，也可以用軟件實(shí)現(xiàn)。用硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)，采用兩個(gè)坐標(biāo)寄存器、偏差寄存

16、器、加法器、終點(diǎn)判別器等組成邏輯電路即可實(shí)現(xiàn)逐點(diǎn)比較法的直線插補(bǔ)。用軟件實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)的程序流程圖如圖1.8和插補(bǔ)軌跡如圖1.9所示。逐點(diǎn)比較直線插補(bǔ)逐點(diǎn)比較插補(bǔ)法n逐點(diǎn)比較圓弧插補(bǔ)圖1.10 圓弧插補(bǔ)原理逐點(diǎn)比較圓弧插補(bǔ)n逆時(shí)針圓弧插補(bǔ) 逆時(shí)針圓弧插補(bǔ)逐點(diǎn)比較圓弧插補(bǔ)n順時(shí)針圓弧插補(bǔ) 順時(shí)針圓弧插補(bǔ)逐點(diǎn)比較圓弧插補(bǔ)逐點(diǎn)比較圓弧插補(bǔ)n圓弧插補(bǔ)每進(jìn)給一步，也要完成偏差判別、坐標(biāo)進(jìn)給、新偏差計(jì)算和終點(diǎn)判別四項(xiàng)內(nèi)容，只是偏差計(jì)算公式、進(jìn)給方向和終點(diǎn)判別步數(shù)N的計(jì)算公式與直線插補(bǔ)不一樣。其中，偏差計(jì)算公式和進(jìn)給方向可利用公式（1.3）式（1.6），終點(diǎn)判別方法有如下兩種。逐點(diǎn)比較圓弧插補(bǔ)n舉例：n 第一象限

17、逆時(shí)針圓弧AB，起點(diǎn)為A（6，0），終點(diǎn)為B（0，6）。試對此段圓弧進(jìn)行插補(bǔ)，并畫出插補(bǔ)軌跡圖。n解：用第二種終點(diǎn)判別方法插補(bǔ)完這段圓弧，刀具沿x軸和y軸應(yīng)走的步數(shù)分別為逐點(diǎn)比較圓弧插補(bǔ)逐點(diǎn)比較圓弧插補(bǔ)逐點(diǎn)比較圓弧插補(bǔ)n舉例：n第一象限順時(shí)針圓弧AB，起點(diǎn)為A（0，6），終點(diǎn)為B（6，0）。試對此段圓弧進(jìn)行插補(bǔ)，并畫出插補(bǔ)軌跡圖。n解：終點(diǎn)判別用第一種方法，則逐點(diǎn)比較圓弧插補(bǔ)逐點(diǎn)比較圓弧插補(bǔ)圖1.16 逐點(diǎn)比較圓弧插補(bǔ)三、數(shù)字積分插補(bǔ)法三、數(shù)字積分插補(bǔ)法 n數(shù)字積分插補(bǔ)法又稱為數(shù)字微分分析法（DDA，digital differential analyzer），它是利用數(shù)字積分的方法確定刀具沿

18、各坐標(biāo)軸的位移，使得刀具沿著所設(shè)定的曲線進(jìn)行加工。數(shù)字積分插補(bǔ)法運(yùn)算速度快、脈沖分配均勻、易于實(shí)現(xiàn)空間曲線插補(bǔ)，能夠插補(bǔ)出各種平面曲線。其缺點(diǎn)是速度調(diào)節(jié)不便，插補(bǔ)精度需要采取一定的措施才能滿足要求。但由于計(jì)算機(jī)有較強(qiáng)的計(jì)算功能，采用軟件插補(bǔ)時(shí)，能夠克服上述缺點(diǎn)。數(shù)字積分插補(bǔ)法數(shù)字積分插補(bǔ)法數(shù)字積分插補(bǔ)法數(shù)字積分插補(bǔ)法nDDA直線插補(bǔ) DDA直線插補(bǔ)DDA直線插補(bǔ)DDA直線插補(bǔ)DDA直線插補(bǔ)n舉例：n對第一象限的直線OA進(jìn)行DDA插補(bǔ)，各點(diǎn)的坐標(biāo)分別是O（0，0），A（8，6）。寫出插補(bǔ)計(jì)算過程，并畫出插補(bǔ)軌跡圖。DDA直線插補(bǔ)DDA直線插補(bǔ)數(shù)字積分插補(bǔ)法數(shù)字積分插補(bǔ)法n數(shù)字積分法圓弧插補(bǔ) 數(shù)字

19、積分法圓弧插補(bǔ)數(shù)字積分法圓弧插補(bǔ)n與直線插補(bǔ)類似，圓弧插補(bǔ)也可由數(shù)字積分器來實(shí)現(xiàn)，如圖1.23所示。數(shù)字積分法圓弧插補(bǔ)數(shù)字積分法圓弧插補(bǔ)n舉例：n插補(bǔ)第一象限圓弧AB，圓弧起點(diǎn)為A（6，0），終點(diǎn)為B（0，6），試寫出用DDA插補(bǔ)方法的計(jì)算過程，并畫出插補(bǔ)軌跡。n解：因?yàn)閤A6，yA0，xB0，yB6，所以用三位寄存器即可，即n3。數(shù)字積分法圓弧插補(bǔ)數(shù)字積分法圓弧插補(bǔ)數(shù)字積分法圓弧插補(bǔ)1.4 數(shù)控機(jī)床發(fā)展概況n工業(yè)化國家數(shù)控機(jī)床的發(fā)展概況n我國數(shù)控機(jī)床的發(fā)展概況n數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢一、工業(yè)化國家數(shù)控機(jī)床的發(fā)展概況n數(shù)控機(jī)床的研制最早是從美國開始的。1952年帕森斯公司和麻省理工學(xué)院合作研制成功

20、了世界第一臺三坐標(biāo)數(shù)控銑床，它用來加工直升飛機(jī)葉片輪廓檢查用樣板。這是一臺采用專用計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算與控制和直線插補(bǔ)與輪廓控制的數(shù)控銑床，專用計(jì)算機(jī)使用電子管元件，經(jīng)過三年的改進(jìn)與自動編程研究，1955年進(jìn)入實(shí)用階段，在復(fù)雜曲面的加工中發(fā)揮了重要作用。但由于技術(shù)上和價(jià)格上的原因，只局限在航空工業(yè)中應(yīng)用。n隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)也不斷地更新?lián)Q代。由使用電子管過渡到晶體管、印制電路及小規(guī)模集成電路，數(shù)控系統(tǒng)的可靠性得到了進(jìn)一步提高。但上述專用計(jì)算機(jī)都是采用硬接線數(shù)控系統(tǒng)，使用局限性大，屬一般數(shù)控系統(tǒng)，即所謂的NC。n20世紀(jì)70年代初，計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展使得用小型計(jì)算機(jī)代替專用計(jì)算機(jī)在經(jīng)濟(jì)上成

21、為可能。數(shù)控的許多功能可以用編制的專用程序來實(shí)現(xiàn)，而這些專用程序可以存儲在小型計(jì)算機(jī)的存儲器中，這就是所謂的軟接線數(shù)控，即計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)CNC。微處理器的誕生使得CNC系統(tǒng)的控制功能大部分由軟件技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，其可靠性進(jìn)一步提高，功能更加完善，性能價(jià)格比大為提高，使數(shù)控機(jī)床產(chǎn)生了一個(gè)大的飛躍。工業(yè)化國家數(shù)控機(jī)床的發(fā)展概況n進(jìn)入20世紀(jì)80年代，數(shù)控機(jī)床進(jìn)一步發(fā)展。近年來具有代表性的數(shù)控系統(tǒng)如下：1計(jì)算機(jī)直接控制系統(tǒng)n計(jì)算機(jī)直接控制系統(tǒng)又稱群控。其特點(diǎn)是：使用計(jì)算機(jī)對生產(chǎn)過程加強(qiáng)管理，使程序的編制、生產(chǎn)的準(zhǔn)備與計(jì)劃安排等工作和機(jī)床工作協(xié)調(diào)一致，以提高各個(gè)數(shù)控機(jī)床的使用效率。工業(yè)化國家數(shù)控機(jī)床的發(fā)展概

22、況2自適應(yīng)控制機(jī)床n一般數(shù)控機(jī)床，是按預(yù)先編好的程序進(jìn)行加工的。但在編程時(shí)，實(shí)際上有許多參數(shù)只能參照過去的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)來決定，不可能準(zhǔn)確地考慮到它們的一切變化，如毛坯的不均勻，刀具與工件材質(zhì)的變化，刀具的磨損，工件的變形，熱傳導(dǎo)性的差別等等，這些變化直接或間接地影響著加工質(zhì)量，使加工不能在最佳狀態(tài)下進(jìn)行。如果控制系統(tǒng)能對實(shí)際加工中的各種加工狀態(tài)的參數(shù)及時(shí)地測量并反饋給機(jī)床進(jìn)行修正，則可使切削過程隨時(shí)都處在最佳狀態(tài)。所謂最佳狀態(tài)，指的是最高生產(chǎn)率、最低加工成本、最好的加工質(zhì)量等。由于CNC系統(tǒng)自身帶有計(jì)算機(jī)，只要加上相應(yīng)的檢測元件、控制線路和有關(guān)軟件就可以制造出這種自適應(yīng)控制機(jī)床。工業(yè)化國家數(shù)控機(jī)床

23、的發(fā)展概況3柔性制造系統(tǒng)n柔性制造系統(tǒng)是在柔性制造單元（Flexible Manufacturing Cell FMC）基礎(chǔ)上研制和發(fā)展起來的。柔性制造單元是一種在人的參與減到最少時(shí)，能連續(xù)地對同一組零件內(nèi)不同的工件進(jìn)行自動化加工（包括工件在單元內(nèi)部的運(yùn)輸和交換）的最小單元。它既可以作為獨(dú)立使用的加工設(shè)各，又可以作為更大更復(fù)雜的柔性制造系統(tǒng)或柔性自動線的基本組成模塊。柔性制造系統(tǒng)是由加工系統(tǒng)（由一組數(shù)控機(jī)床和其他自動化工藝設(shè)各，如清洗機(jī)、成品試驗(yàn)機(jī)、噴漆機(jī)等組成）、智能機(jī)器人、全自動輸送系統(tǒng)及自動化倉庫組成（見圖l.25）。這種系統(tǒng)可按任意順序加工一組不同工序與不同加工節(jié)拍的工件，工藝流程可隨

24、工件不同而調(diào)整，全部生產(chǎn)過程由一臺中央計(jì)算機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)程序的調(diào)度，若干臺計(jì)算機(jī)進(jìn)行工位控制。其中各個(gè)制造單元相對獨(dú)立，能適時(shí)地平衡資源的利用。4計(jì)算機(jī)集成生產(chǎn)系統(tǒng)n為實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)過程自動化，人們正著手研制包括計(jì)劃設(shè)計(jì)、工藝、加工、裝配、檢驗(yàn)、銷售等全過程都由計(jì)算機(jī)控制的集成生產(chǎn)系統(tǒng)。它具有計(jì)算機(jī)控制的自動化信息流和物質(zhì)流，對產(chǎn)品的構(gòu)思和設(shè)計(jì)直到最終裝配、檢驗(yàn)這一全過程進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)工廠自動化這一偉大的目標(biāo)。工業(yè)化國家數(shù)控機(jī)床的發(fā)展概況二、我國數(shù)控機(jī)床的發(fā)展概況n我國數(shù)控機(jī)床的研制始于1958年，由清華大學(xué)研制出了最早的樣機(jī)。1966年誕生了第一臺用于直線圓弧插補(bǔ)的晶體管數(shù)控系統(tǒng)。1970年北京

25、第一機(jī)床廠的XK5040型數(shù)控升降臺銑床作為商品，小批量生產(chǎn)并推向市場。但由于相關(guān)工業(yè)基礎(chǔ)差，尤其是數(shù)控系統(tǒng)的支撐工業(yè)電子工業(yè)薄弱，致使在19701976年間開發(fā)出的加工中心、數(shù)控鏜床、數(shù)控磨床及數(shù)控鉆床因系統(tǒng)不過關(guān)，多數(shù)機(jī)床沒有在生產(chǎn)中發(fā)揮作用。n20世紀(jì)80年代前期，在引入了日本FANUC數(shù)控技術(shù)后，我國的數(shù)控機(jī)床才真正進(jìn)入小批量生產(chǎn)的商品化時(shí)代。n目前我國已經(jīng)有自主版權(quán)的數(shù)控系統(tǒng)，但絕大多數(shù)全功能數(shù)控機(jī)床還是采用國外的CNC系統(tǒng)。從機(jī)床的整體來看，無論是可靠性、精度、生產(chǎn)效率和自動化程度，與國外相比，還存在著不小的差距。三、數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢n未來數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面

26、：1數(shù)控技術(shù)水平n高精度 定位精度微米級、納米級；n高速度 主軸轉(zhuǎn)速l0000rmin、快速進(jìn)給100mmin、換刀時(shí)間23s；n高柔性 多主軸、多工位、多刀庫；n多功能 立臥并用、復(fù)合加工；n高自動化 自動上下料、自動監(jiān)控、自動測量、自動通信。n對單臺主機(jī)不僅要求提高其柔性和自動化程度，還要求其具有進(jìn)入更高層次的柔性制造系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)的適應(yīng)能力。數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢2數(shù)控系統(tǒng)方面n目前世界上幾個(gè)著名的數(shù)控裝置生產(chǎn)廠家，如日本的FANUC、德國的SIEMENS和美國的AB公司產(chǎn)品都在向系列化、模塊化、高性能和成套性方向發(fā)展。它們的數(shù)控系統(tǒng)都采用了16位、32位甚至64位微處理器、標(biāo)準(zhǔn)總線及軟件模塊和硬件模塊結(jié)構(gòu)，內(nèi)存容量擴(kuò)大到了數(shù)十兆字節(jié)以上，機(jī)床分辨率可達(dá)，高速進(jìn)給可達(dá)100m/min以上，一般控制軸數(shù)在315軸，最多可達(dá)24軸，并采用先進(jìn)的電裝工藝。3驅(qū)動系統(tǒng)方面n交流驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)展迅速，交流傳動系統(tǒng)已由模擬式向數(shù)字式方向發(fā)展，以運(yùn)算放大器等模擬器件為主的控制器正在被以微處理器為主的數(shù)字集成元件所取代，從而克服了零點(diǎn)漂移、溫度漂移等弱點(diǎn)。