第1章數(shù)控機(jī)床基本知識(shí)1.1數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生與發(fā)展1.2數(shù)控機(jī)床的組成結(jié)構(gòu)及工作原理1.3數(shù)控機(jī)床的分類(lèi)

1.1數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生與發(fā)展隨著社會(huì)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，各類(lèi)工業(yè)新產(chǎn)品層出不窮。機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)作為國(guó)民工業(yè)的基礎(chǔ)，其產(chǎn)品更是日趨精密復(fù)雜，特別是在宇航、航海、軍事等領(lǐng)域所需的機(jī)械零件，精度要求更高，形狀更為復(fù)雜且往往批量較小，加工這類(lèi)產(chǎn)品需要經(jīng)常改裝或調(diào)整設(shè)備，普通機(jī)床或?qū)I(yè)化程度高的自動(dòng)化機(jī)床顯然無(wú)法適應(yīng)這些要求。同時(shí)，隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益加劇，企業(yè)生產(chǎn)也迫切需要進(jìn)一步提高其生產(chǎn)效率，提高產(chǎn)品質(zhì)量及降低生產(chǎn)成本。一種新型的生產(chǎn)設(shè)備——數(shù)控機(jī)床就應(yīng)運(yùn)而生了。1.1.1數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生帕森斯公司正式接受委托，與麻省理工學(xué)院伺服機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室（ServoMechanismLaboratoryoftheMassachusettsInstituteofTechnology）合作，于1952年試制成功世界上第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床試驗(yàn)性樣機(jī)。1959年，美國(guó)克耐·杜列克公司（Keaney&Trecker）首次成功開(kāi)發(fā)了加工中心（MachiningCenter）。1.1.2數(shù)控機(jī)床的發(fā)展簡(jiǎn)況第1代數(shù)控機(jī)床：1952年～1959年采用電子管元件構(gòu)成的專(zhuān)用數(shù)控裝置（NC）。第2代數(shù)控機(jī)床：從1959年開(kāi)始采用晶體管電路的NC系統(tǒng)。第3代數(shù)控機(jī)床：從1965年開(kāi)始采用小、中規(guī)模集成電路的NC系統(tǒng)。第4代數(shù)控機(jī)床：從1970年開(kāi)始采用大規(guī)模集成電路的小型通用電子計(jì)算機(jī)控制的系統(tǒng)（CNC）。第5代數(shù)控機(jī)床：從1974年開(kāi)始采用微型計(jì)算機(jī)控制的系統(tǒng)（MNC）。1．計(jì)算機(jī)直接數(shù)控系統(tǒng)所謂計(jì)算機(jī)直接數(shù)控（DirectNumericalControl，DNC）系統(tǒng)，即使用一臺(tái)計(jì)算機(jī)為數(shù)臺(tái)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行自動(dòng)編程，編程結(jié)果直接通過(guò)數(shù)據(jù)線輸送到各臺(tái)數(shù)控機(jī)床的控制箱。2．柔性制造系統(tǒng)柔性制造系統(tǒng)（FlexibleManufacturingSystem，F(xiàn)MS）也叫做計(jì)算機(jī)群控自動(dòng)線，它是將一群數(shù)控機(jī)床用自動(dòng)傳送系統(tǒng)連接起來(lái)，并置于一臺(tái)計(jì)算機(jī)的統(tǒng)一控制之下，形成一個(gè)用于制造的整體。3．計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（Computer-IntegratedManufacturingSystem，CIMS），是指用最先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，控制從定貨、設(shè)計(jì)、工藝、制造到銷(xiāo)售的全過(guò)程，以實(shí)現(xiàn)信息系統(tǒng)一體化的高效率的柔性集成制造系統(tǒng)。1.1.3我我國(guó)國(guó)數(shù)數(shù)控控機(jī)機(jī)床床發(fā)發(fā)展展概概況況1958年年開(kāi)開(kāi)始始并并試試制制成成功功第第一一臺(tái)臺(tái)電電子子管管數(shù)數(shù)控控機(jī)機(jī)床床。。1965年年開(kāi)開(kāi)始始研研制制晶晶體體管管數(shù)數(shù)控控系系統(tǒng)統(tǒng)，，直直到到20世世紀(jì)紀(jì)60年年代代末末至至70年年代代初初成成功功。。從從20世世紀(jì)紀(jì)80年年代代開(kāi)開(kāi)始始，，先先后后從從日日本本、、美美國(guó)國(guó)、、德德國(guó)國(guó)等等國(guó)國(guó)家家引引進(jìn)進(jìn)先先進(jìn)進(jìn)的的數(shù)數(shù)控控技技術(shù)術(shù)。。如如北北京京機(jī)機(jī)床床研研究究所所從從日日本本FANUC公公司司引引進(jìn)進(jìn)FANUC3、、FANUC5、、FANUC6、、FANUC7系系列列產(chǎn)產(chǎn)品品的的制制造造技技術(shù)術(shù)；；上上海海機(jī)機(jī)床床研研究究所所引引進(jìn)進(jìn)美美國(guó)國(guó)GE公公司司的的MTC-1數(shù)數(shù)控控系系統(tǒng)統(tǒng)等等。。1.1.4數(shù)數(shù)控控機(jī)機(jī)床床的的發(fā)發(fā)展展趨趨勢(shì)勢(shì)從數(shù)數(shù)控控機(jī)機(jī)床床技技術(shù)術(shù)水水平平看看，，高高精精度度、、高高速速度度、、高高柔柔性性、、多多功功能能和和高高自自動(dòng)動(dòng)化化是是數(shù)數(shù)控控機(jī)機(jī)床床的的重重要要發(fā)發(fā)展展趨趨勢(shì)勢(shì)。。數(shù)控控系系統(tǒng)統(tǒng)都都采采用用了了16位位和和32位位微微處處理理器器，，標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)總總線線及及軟軟件件模模塊塊和和硬硬件件模模塊塊結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)，，內(nèi)內(nèi)存存容容量量擴(kuò)擴(kuò)大大到到1MB以以上上，，機(jī)機(jī)床床分分辨辨率率可可達(dá)達(dá)0.1m，，高高速速進(jìn)進(jìn)給給可可達(dá)達(dá)100m/min，，控控制制軸軸數(shù)數(shù)可可達(dá)達(dá)16個(gè)個(gè)。。1.2數(shù)數(shù)控控機(jī)機(jī)床床的的組組成成結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)及及工工作作原原理理1.2.1數(shù)數(shù)控控機(jī)機(jī)床床的的組組成成1．．控控制制介介質(zhì)質(zhì)數(shù)控控機(jī)機(jī)床床工工作作時(shí)時(shí)，，不不需需要要操操作作工工人人直直接接操操縱縱機(jī)機(jī)床床，，但但機(jī)機(jī)床床又又必必須須執(zhí)執(zhí)行行人人的的意意圖圖，，這這就就需需要要在在人人與與機(jī)機(jī)床床之之間間建建立立某某種種聯(lián)聯(lián)系系，，這這種種聯(lián)聯(lián)系系的的中中間間媒媒介介物物即即稱(chēng)稱(chēng)為為控控制制介介質(zhì)質(zhì)。。2．．?dāng)?shù)數(shù)控控系系統(tǒng)統(tǒng)數(shù)控控裝裝置置是是一一種種控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)，，是是數(shù)數(shù)控控機(jī)機(jī)床床的的中中心心環(huán)環(huán)節(jié)節(jié)。。它它能能自自動(dòng)動(dòng)閱閱讀讀輸輸入入載載體體上上事事先先給給定定的的數(shù)數(shù)字字，，并并將將其其譯譯碼碼，，從從而而使使機(jī)機(jī)床床進(jìn)進(jìn)給給并并加加工工零零件件，，數(shù)數(shù)控控系系統(tǒng)統(tǒng)通通常常由由輸輸入入裝裝置置、、控控制制器器、、運(yùn)運(yùn)算算器器和和輸輸出出裝裝置置4大大部部分分組組成成。。3．．伺伺服服系系統(tǒng)統(tǒng)伺服服系系統(tǒng)統(tǒng)由由伺伺服服驅(qū)驅(qū)動(dòng)動(dòng)電電動(dòng)動(dòng)機(jī)機(jī)和和伺伺服服驅(qū)驅(qū)動(dòng)動(dòng)裝裝置置組組成成，，它它是是數(shù)數(shù)控控系系統(tǒng)統(tǒng)的的執(zhí)執(zhí)行行部部分分。。伺伺服服系系統(tǒng)統(tǒng)接接受受數(shù)數(shù)控控系系統(tǒng)統(tǒng)的的指指令令信信息息，，并并按按照照指指令令信信息息的的要要求求帶帶動(dòng)動(dòng)機(jī)機(jī)床床的的移移動(dòng)動(dòng)部部件件運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)或或使使執(zhí)執(zhí)行行部部分分動(dòng)動(dòng)作作，，以以加加工工出出符符合合要要求求的的工工件件。。每每一一個(gè)個(gè)脈脈沖沖使使機(jī)機(jī)床床移移動(dòng)動(dòng)部部件件產(chǎn)產(chǎn)生生的的位位移移量量叫叫做做脈脈沖沖當(dāng)當(dāng)量量。。目目前前所所使使用用的的數(shù)數(shù)控控系系統(tǒng)統(tǒng)脈脈沖沖當(dāng)當(dāng)量量通通常常為為0.001mm/脈脈沖沖。。4．．輔輔助助控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)輔助助控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)是是介介于于數(shù)數(shù)控控裝裝置置和和機(jī)機(jī)床床機(jī)機(jī)械械、、液液壓壓部部件件之之間間的的強(qiáng)強(qiáng)電電控控制制裝裝置置。。5．．機(jī)機(jī)床床本本體體機(jī)床床本本體體是是數(shù)數(shù)控控機(jī)機(jī)床床的的主主體體，，由由機(jī)機(jī)床床的的基基礎(chǔ)礎(chǔ)大大件件（（如如床床身身、、底底座座））和和各各運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)部部件件（（如如工工作作臺(tái)臺(tái)、、床床鞍鞍、、主主軸軸等等））所所組組成成。。1.2.2數(shù)數(shù)控控機(jī)機(jī)床床的的關(guān)關(guān)鍵鍵結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)部部件件1．．伺伺服服系系統(tǒng)統(tǒng)驅(qū)驅(qū)動(dòng)動(dòng)電電機(jī)機(jī)（1））步步進(jìn)進(jìn)電電動(dòng)動(dòng)機(jī)機(jī)步進(jìn)進(jìn)電電動(dòng)動(dòng)機(jī)機(jī)通通常常用用于于開(kāi)開(kāi)環(huán)環(huán)伺伺服服系系統(tǒng)統(tǒng)機(jī)機(jī)床床。。（2））直直流流伺伺服服電電動(dòng)動(dòng)機(jī)機(jī)①小小慣慣量量直直流流電電動(dòng)動(dòng)機(jī)機(jī)②寬寬調(diào)調(diào)速速直直流流電電動(dòng)動(dòng)機(jī)機(jī)③無(wú)無(wú)刷刷直直流流電電動(dòng)動(dòng)機(jī)機(jī)（3））交交流流伺伺服服電電動(dòng)動(dòng)機(jī)機(jī)近年年來(lái)來(lái)新新型型功功率率開(kāi)開(kāi)關(guān)關(guān)器器件件、、專(zhuān)專(zhuān)用用集集成成電電路路和和新新的的控控制制算算法法等等的的發(fā)發(fā)展展帶帶動(dòng)動(dòng)了了交交流流驅(qū)驅(qū)動(dòng)動(dòng)電電源源的的發(fā)發(fā)展展，，使使其其調(diào)調(diào)速速性性能能更更能能適適應(yīng)應(yīng)數(shù)數(shù)控控機(jī)機(jī)床床伺伺服服系系統(tǒng)統(tǒng)的的要要求求。。交交流流速速度度控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)正正逐逐步步取取代代直直流流速速度度控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)。。2．．位位置置檢檢測(cè)測(cè)裝裝置置檢測(cè)測(cè)裝裝置置是是把把位位移移和和速速度度測(cè)測(cè)量量信信號(hào)號(hào)作作為為反反饋饋信信號(hào)號(hào)，，并并將將反反饋饋信信號(hào)號(hào)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換成成數(shù)數(shù)字字送送回回計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)，，和和脈脈沖沖指指令令信信號(hào)號(hào)相相比比較較，，以以控控制制驅(qū)驅(qū)動(dòng)動(dòng)元元件件正正確確運(yùn)運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)。。（1））感感應(yīng)應(yīng)同同步步器器感應(yīng)應(yīng)同同步步器器是是一一種種電電磁磁式式的的高高精精度度位位移移檢檢測(cè)測(cè)元元件件，，按按其其結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)方方式式的的不不同同可可分分為為直直線線式式和和旋旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)式式兩兩種種，，前前者者用用于于長(zhǎng)長(zhǎng)度度測(cè)測(cè)量量，，后后者者用用于于角角度度測(cè)測(cè)量量。。感應(yīng)應(yīng)同同步步器器的的特特點(diǎn)點(diǎn)是是：：精精度度高高，，工工作作可可靠靠，，抗抗干干擾擾性性強(qiáng)強(qiáng)，，維維護(hù)護(hù)簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單，，壽壽命命長(zhǎng)長(zhǎng)，，可可測(cè)測(cè)量量長(zhǎng)長(zhǎng)距距離離位位置置，，成成本本低低，，易易于于批批量量生生產(chǎn)產(chǎn)。。（2））光光柵柵光柵柵就就是是在在一一塊塊長(zhǎng)長(zhǎng)條條形形的的光光學(xué)學(xué)玻玻璃璃上上均均勻勻地地刻刻劃劃很很多多條條與與運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)方方向向垂垂直直的的條條紋紋，，條條紋紋之之間間的的距距離離成成為為柵柵距距。。光柵柵測(cè)測(cè)量量裝裝置置是是一一種種非非接接觸觸式式測(cè)測(cè)量量，，利利用用光光路路減減少少了了機(jī)機(jī)械械誤誤差差，，具具有有精精度度高高，，響響應(yīng)應(yīng)速速度度快快等等特特點(diǎn)點(diǎn)，，因因此此是是數(shù)數(shù)控控機(jī)機(jī)床床和和數(shù)數(shù)顯顯系系統(tǒng)統(tǒng)常常用用的的檢檢測(cè)測(cè)元元件件。。（3））磁磁柵柵磁柵柵是是用用電電磁磁的的方方法法計(jì)計(jì)算算磁磁波波數(shù)數(shù)目目的的一一種種位位置置檢檢測(cè)測(cè)元元件件，，磁磁柵柵測(cè)測(cè)量量裝裝置置由由磁磁性性標(biāo)標(biāo)尺尺、、讀讀取取磁磁頭頭和和檢檢測(cè)測(cè)電電路路組組成成。。磁柵柵位位置置檢檢測(cè)測(cè)電電路路的的特特點(diǎn)點(diǎn)是是：：容容易易制制造造，，檢檢測(cè)測(cè)精精度度高高（（能能達(dá)達(dá)到到每每米米±±3m），安裝使使用方便，對(duì)對(duì)環(huán)境條件要要求較低，若若磁性標(biāo)尺膨膨脹系數(shù)與機(jī)機(jī)床一致，可可在一般車(chē)間間使用。由于于磁頭與磁柵柵為有接觸的的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，，因而有磨損損，使用壽命命受到一定的的限制。一般般使用壽命可可達(dá)到5年，，涂上保護(hù)膜膜后壽命則可可進(jìn)一步延長(zhǎng)長(zhǎng)。（4）旋轉(zhuǎn)變變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器是是一種角位移移檢測(cè)元件，，由定子和轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子組成，分分為有刷和無(wú)無(wú)刷兩種形式式。有刷旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變壓器定子子和轉(zhuǎn)子均為為兩相交流分分布繞組。數(shù)控機(jī)床檢測(cè)測(cè)裝置主要使使用無(wú)刷旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變壓器，因因?yàn)闊o(wú)刷旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變壓器具有有可靠性高、、壽命長(zhǎng)、體體積小、不用用維修以及輸輸出信號(hào)大、、抗干擾能力力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。。（5）脈沖編編碼器脈沖編碼器是是把機(jī)械轉(zhuǎn)角角轉(zhuǎn)化為電脈脈沖的一種常常用角位移傳傳感器。（6）測(cè)速發(fā)發(fā)電機(jī)測(cè)速發(fā)電機(jī)是是速度反饋元元件，相當(dāng)于于一臺(tái)永磁式式直流電動(dòng)機(jī)機(jī)。3．進(jìn)給運(yùn)動(dòng)動(dòng)傳動(dòng)部件滾珠絲杠螺母母副是回轉(zhuǎn)運(yùn)運(yùn)動(dòng)與直線運(yùn)運(yùn)動(dòng)相互轉(zhuǎn)換換的新型理想想傳動(dòng)裝置。。具有如下優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)。（1）傳動(dòng)效效率高。（2）摩擦力力小。（3）使用壽壽命長(zhǎng)。（4）經(jīng)預(yù)緊緊后可以消除除軸向間隙，，提高系統(tǒng)的的剛度。（5）反向運(yùn)運(yùn)動(dòng)時(shí)無(wú)空行行程，可以提提高軸向運(yùn)動(dòng)動(dòng)精度。4．CRT顯顯示及其接口口5．?dāng)?shù)控機(jī)床床通信RS-232接口口1.2.3數(shù)數(shù)控機(jī)床床的工作原理理數(shù)控系統(tǒng)的主主要任務(wù)之一一就是控制執(zhí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)按預(yù)預(yù)定的軌跡運(yùn)運(yùn)動(dòng)。一般情情況是已知運(yùn)運(yùn)動(dòng)軌跡的起起點(diǎn)坐標(biāo)、終終點(diǎn)坐標(biāo)和曲曲線方程，由由數(shù)控系統(tǒng)實(shí)實(shí)時(shí)地算出各各個(gè)中間點(diǎn)的的坐標(biāo)。即需需要“插入、、補(bǔ)上”運(yùn)動(dòng)動(dòng)軌跡各個(gè)中中間點(diǎn)的坐標(biāo)標(biāo)，通常這個(gè)個(gè)過(guò)程就稱(chēng)為為“插補(bǔ)”。。1．逐點(diǎn)比較較法直線插補(bǔ)補(bǔ)（1）直線插插補(bǔ)計(jì)算原理理①偏差計(jì)算算公式定義直線插補(bǔ)補(bǔ)的偏差判別別式如下：Fm=ymxexmye②終點(diǎn)判斷斷的方法一種方法是設(shè)設(shè)置Σx、Σy兩個(gè)減法計(jì)數(shù)數(shù)器。另一種方法是是設(shè)置一個(gè)終終點(diǎn)計(jì)數(shù)器。。第三種方法是是選終點(diǎn)坐標(biāo)標(biāo)值較大的坐坐標(biāo)作為計(jì)數(shù)數(shù)坐標(biāo)。③插補(bǔ)計(jì)算算過(guò)程偏差判斷坐標(biāo)進(jìn)給偏差計(jì)算終點(diǎn)判別2．逐點(diǎn)比較較法圓弧插補(bǔ)補(bǔ)（1）圓弧插插補(bǔ)計(jì)算原理理①偏差計(jì)算算公式定義圓弧偏差差判別式如下下：Fm=Rm2R2=xm2+ym2R2新加工點(diǎn)m+1點(diǎn)的偏差差為Fm2xm+1新加工點(diǎn)的偏偏差值為Fm+2ym+1②終點(diǎn)判別別方法③插補(bǔ)計(jì)算算過(guò)程1.3數(shù)數(shù)控機(jī)床的分分類(lèi)1.3.1按按控制系系統(tǒng)的特點(diǎn)分分類(lèi)1．點(diǎn)位控制制數(shù)控機(jī)床這類(lèi)機(jī)床主要要有數(shù)控坐標(biāo)標(biāo)鏜床、數(shù)控控鉆床、數(shù)控控點(diǎn)焊機(jī)和數(shù)數(shù)控折彎?rùn)C(jī)等等，其相應(yīng)的的數(shù)控裝置稱(chēng)稱(chēng)為點(diǎn)位控制制數(shù)控裝置。。2．直線控制制數(shù)控機(jī)床這類(lèi)機(jī)床主要要有數(shù)控車(chē)床床、數(shù)控磨床床和數(shù)控鏜銑銑床等，相應(yīng)應(yīng)的數(shù)控裝置置稱(chēng)為直線控控制裝置。3．輪廓控制制數(shù)控機(jī)床屬于這類(lèi)機(jī)床床的有數(shù)控車(chē)車(chē)床、數(shù)控銑銑床、加工中中心等。其相相應(yīng)的數(shù)控裝裝置稱(chēng)為輪廓廓控制裝置。。輪廓數(shù)控裝裝置比點(diǎn)位、、直線控制裝裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜雜得多，功能能齊全得多。。1.3.2按按進(jìn)給伺伺服系統(tǒng)的類(lèi)類(lèi)型分類(lèi)1．開(kāi)環(huán)進(jìn)給給伺服系統(tǒng)數(shù)數(shù)控機(jī)床開(kāi)環(huán)進(jìn)給伺服服系統(tǒng)通常不不帶有位置檢檢測(cè)元件