數(shù)控原理與系統(tǒng)陜西科技大學(xué)機(jī)電學(xué)院張強(qiáng)第一章緒論第一節(jié)基本概念一、數(shù)控系統(tǒng)的基本概念普通機(jī)床的工作過(guò)程數(shù)控機(jī)床的工作過(guò)程數(shù)字控制（NumericalControl，NC）——采用數(shù)字化信息對(duì)各種生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)控制，一般指對(duì)機(jī)床軌跡和狀態(tài)實(shí)行控制。數(shù)控技術(shù)——采用數(shù)字控制的方法對(duì)某一工作過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的技術(shù)。數(shù)控機(jī)床——是采用數(shù)字控制技術(shù)對(duì)機(jī)床的加工過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)控制的一類(lèi)機(jī)床：將機(jī)床的各種動(dòng)作、工件的形狀、尺寸以及機(jī)床的其它功能用一些數(shù)字代碼表示，把這些數(shù)字代碼通過(guò)信息載體輸入給數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)過(guò)一系列運(yùn)算，發(fā)出相應(yīng)的動(dòng)作指令，自動(dòng)地控制機(jī)床的刀具與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而加工出所需要的工件。數(shù)控機(jī)床主要由程序介質(zhì)、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)、機(jī)床主體等四部分組成。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的組成二、數(shù)控系統(tǒng)中的有關(guān)約定1、數(shù)控機(jī)床的坐標(biāo)系標(biāo)準(zhǔn)數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)系采用右手直角笛卡爾坐標(biāo)系。運(yùn)動(dòng)方向的規(guī)定增大刀具與工件距離的方向即為各坐標(biāo)軸的正方向。（1）Z坐標(biāo)軸的確定平行于主軸軸線的坐標(biāo)軸即為Z坐標(biāo)。（2）X坐標(biāo)軸的確定X坐標(biāo)平行于工件的裝夾平面，一般在水平面內(nèi)，且垂直于Z軸。（3）Y坐標(biāo)軸的確定

在確定X、Z坐標(biāo)的正方向后，按照右手直角坐標(biāo)系來(lái)確定Y坐標(biāo)的方向。工件做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)床，取平行于橫向?qū)к壍姆较颍üぜ较颍榈毒哌\(yùn)動(dòng)的X方向。刀具做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)床，Z坐標(biāo)水平時(shí)，沿刀具主軸后端向工件看時(shí)，+X運(yùn)動(dòng)方向指向右方；Z坐標(biāo)垂直時(shí)，面對(duì)刀具主軸向立柱看時(shí)，+X運(yùn)動(dòng)方向指向右方。對(duì)于沒(méi)有回轉(zhuǎn)軸或沒(méi)有回轉(zhuǎn)工件的機(jī)床，X軸平行于主要切削方向，且以該方向?yàn)檎较颉?、機(jī)床原點(diǎn)和參考點(diǎn)機(jī)床原點(diǎn)在機(jī)床上設(shè)置的一個(gè)固定點(diǎn)（機(jī)床坐標(biāo)系原點(diǎn)）。它在機(jī)床裝配調(diào)試時(shí)即確定下來(lái)。機(jī)床參考點(diǎn)用于對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)、控制的固定位置點(diǎn)。機(jī)床參考點(diǎn)的位置是由機(jī)床廠在每個(gè)進(jìn)給軸上用限位開(kāi)關(guān)精確調(diào)整好的，坐標(biāo)值已輸入數(shù)控系統(tǒng)中。

三、數(shù)控系統(tǒng)的分類(lèi)1、按數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)軌跡分類(lèi)點(diǎn)位數(shù)控系統(tǒng)工件刀具AB直線數(shù)控系統(tǒng)直線控制輪廓數(shù)控系統(tǒng)工件刀具輪廓控制兩軸聯(lián)動(dòng)加工三軸聯(lián)動(dòng)加工四軸聯(lián)動(dòng)加工五軸聯(lián)動(dòng)輪廓加工2、按伺服系統(tǒng)的控制方式分類(lèi)減速器數(shù)控裝置驅(qū)動(dòng)裝置工作臺(tái)輸入步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)數(shù)控系統(tǒng)數(shù)控裝置驅(qū)動(dòng)裝置伺服電機(jī)工作臺(tái)輸入位置檢測(cè)元件速度檢測(cè)元件速度反饋位置反饋閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)數(shù)控裝置控制電路伺服電機(jī)工作臺(tái)輸入速度反饋位置反饋轉(zhuǎn)角檢測(cè)元件速度檢測(cè)元件半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)3、按數(shù)控機(jī)床工藝用途分類(lèi)加工中心四、數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)及適用范圍能加工復(fù)雜型面的零件，有較強(qiáng)的適應(yīng)性和柔性可以保證較高的加工精度，并且產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，一致性好具有較高的生產(chǎn)效率可以改善生產(chǎn)條件，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度便于聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化管理及規(guī)模大的自動(dòng)化生產(chǎn)五、數(shù)控機(jī)床的發(fā)展過(guò)程1952年的第一代——電子管數(shù)控機(jī)床

1959年的第二代——晶體管數(shù)控機(jī)床

1965年的第三代——集成電路數(shù)控機(jī)床

1970年的第四代——小型計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)床

1974年的第五代——微型計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)床“六五”（1981~1985年）引進(jìn)國(guó)外技術(shù)“七五”（1986~1990年）消化吸收“八五”（1991~1995年）科技攻關(guān)“九五”（1996~2000年）產(chǎn)業(yè)化攻關(guān)我國(guó)數(shù)控技術(shù)的發(fā)展1958年：開(kāi)始進(jìn)行數(shù)控機(jī)床研制（JCS-018）運(yùn)行高速化加工高精化功能復(fù)合化控制智能化體系開(kāi)放化驅(qū)動(dòng)并聯(lián)化交互網(wǎng)絡(luò)化近年來(lái)，隨著國(guó)際上計(jì)算機(jī)技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，數(shù)控技術(shù)不斷采用計(jì)算機(jī)、控制理論等領(lǐng)域的最新技術(shù)成就，使其朝著下述方向發(fā)展驅(qū)動(dòng)桿機(jī)架

動(dòng)平臺(tái)主軸電機(jī)伺服電機(jī)主軸刀具柔性?shī)A具工件靜平臺(tái)并聯(lián)機(jī)床結(jié)構(gòu)示意圖并聯(lián)機(jī)床基于PC的數(shù)控系統(tǒng)第二節(jié)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)一、主要工作過(guò)程數(shù)據(jù)輸入

內(nèi)部外部程序存儲(chǔ)器磁盤(pán)、計(jì)算機(jī)通信數(shù)控加工程序

譯碼幾何、工藝數(shù)據(jù)開(kāi)關(guān)量控制PLC

刀具交換、切削液開(kāi)關(guān)等

插補(bǔ)

同步

調(diào)節(jié)器

反饋位置處理M:電動(dòng)機(jī)W:位置傳感器XYZ給定量信息流處理過(guò)程二、硬件構(gòu)成普及型數(shù)控系統(tǒng)的硬件組成高檔數(shù)控系統(tǒng)的內(nèi)部構(gòu)成三、面板結(jié)構(gòu)

數(shù)控裝置可分為中央處理單元、數(shù)控面板、機(jī)床操作面板。西門(mén)子SINUMERIK802Dsl面板組成FANUC3M數(shù)控機(jī)床操作面板四、軟件構(gòu)成第三節(jié)數(shù)控機(jī)床與現(xiàn)代機(jī)械制造系統(tǒng)一、現(xiàn)代制造系統(tǒng)的類(lèi)型及比較設(shè)備柔性：設(shè)備隨產(chǎn)品變化而加工不同零件的難易程度。工藝柔性：工藝流程不變時(shí)適應(yīng)產(chǎn)品或原材料變化的能力；制造系統(tǒng)內(nèi)為適應(yīng)產(chǎn)品或原材料變化而改變相應(yīng)工藝的難易程度。產(chǎn)品柔性：產(chǎn)品更新后，系統(tǒng)能夠經(jīng)濟(jì)和迅速地生產(chǎn)出新產(chǎn)品的能力。維護(hù)柔性：處理故障，保障生產(chǎn)正常進(jìn)行的能力。柔性自動(dòng)化的表現(xiàn)生產(chǎn)能力柔性：當(dāng)生產(chǎn)量改變、系統(tǒng)能經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行的能力。擴(kuò)展柔性：當(dāng)生產(chǎn)需要的時(shí)候，可以很容易地?cái)U(kuò)展系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，增加模塊，構(gòu)成一個(gè)更大系統(tǒng)的能力。運(yùn)行柔性：利用不同的機(jī)器、材料、工藝流程來(lái)生產(chǎn)一系列產(chǎn)品的能力和同樣的產(chǎn)品，換用不同工序加工的能力。二、現(xiàn)代機(jī)械制造系統(tǒng)簡(jiǎn)介1、柔性自動(dòng)生產(chǎn)線

柔性自動(dòng)線中的機(jī)床主要是可換主軸箱式和轉(zhuǎn)塔式加工中心。工件變換時(shí)，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制更換各機(jī)床的主軸箱和各加工中心的數(shù)控程序，生產(chǎn)節(jié)拍也作相應(yīng)的調(diào)整。柔性自動(dòng)線的特點(diǎn)具有剛性自動(dòng)線的絕大部分優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)批量不是很大時(shí)，生產(chǎn)成本比剛性自動(dòng)線低得多。當(dāng)品種改變時(shí)，系統(tǒng)所需的調(diào)整時(shí)間又比剛性生產(chǎn)線少得多。2、柔性制造系統(tǒng)（FMS）（1）FMS的概念

柔性制造系統(tǒng)通常由兩臺(tái)以上數(shù)控加工設(shè)備和自動(dòng)化物流系統(tǒng)組成，能在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的控制和管理下，對(duì)加工對(duì)象、工藝過(guò)程、工序內(nèi)容和生產(chǎn)節(jié)拍進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整的自動(dòng)化制造系統(tǒng)。加工子系統(tǒng)物料儲(chǔ)運(yùn)子系統(tǒng)刀具子系統(tǒng)質(zhì)量檢驗(yàn)及監(jiān)控子系統(tǒng)運(yùn)行控制子系統(tǒng)FMS系統(tǒng)的組成FMS的特點(diǎn)

提高了制造系統(tǒng)的柔性，利于多品種、中小批量生產(chǎn)。提高機(jī)床利用率，縮減輔助時(shí)間，利于降低生產(chǎn)成本?？s短生產(chǎn)周期，減少庫(kù)存量，利于提高市場(chǎng)響應(yīng)能力。便于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)集成生產(chǎn)系統(tǒng)。（2）FMS實(shí)例FMS－500的控制結(jié)構(gòu)柔性制造單元（FMC）FMC是一個(gè)規(guī)模最小的FMS，是FMS向廉價(jià)化及小型化方向發(fā)展的一種產(chǎn)物。它是由1～2臺(tái)加工中心、工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床及物料運(yùn)送存貯設(shè)備構(gòu)成，其特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)單機(jī)柔性化及自動(dòng)化，具有適應(yīng)加工多品種產(chǎn)品的靈活性。4、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）（1）CIMS的內(nèi)涵CIMS的提出1974年約瑟夫.哈林頓將制造企業(yè)的全部生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)（市場(chǎng)分析、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、質(zhì)量保證、經(jīng)營(yíng)管理等）通過(guò)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)形成一個(gè)有機(jī)整體，使企業(yè)內(nèi)各種活動(dòng)相互協(xié)調(diào)地進(jìn)行。通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)管理技術(shù)實(shí)現(xiàn)各單元集成。CIMS的組成產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和工藝設(shè)計(jì)子系統(tǒng)經(jīng)營(yíng)和管理子系統(tǒng)制造過(guò)程子系統(tǒng)實(shí)例——清華大學(xué)CIMS研究