數(shù)控技術(shù)胡天亮博士講師

山東大學(xué)數(shù)控技術(shù)研究中心辦公地點(diǎn)：千佛山校區(qū)主樓916辦公電話：92700-806Email:tianliang.hu@Cell于我教學(xué)研究單位：機(jī)械電子工程研究所實(shí)驗(yàn)室：山東大學(xué)數(shù)控技術(shù)研究中心研究領(lǐng)域：機(jī)電集成，數(shù)控技術(shù)，智能制造學(xué)習(xí)工作經(jīng)歷：教材和參考書(shū)教材：趙玉剛，宋現(xiàn)春《數(shù)控技術(shù)》機(jī)械工業(yè)出版社北京，2003年參考書(shū)：廖效果，朱啟逑《數(shù)字控制機(jī)床》華中理工大學(xué)出版社武漢，1992畢承恩，丁乃健《現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床》機(jī)械工業(yè)出版社北京，1994教學(xué)方法與考核方式教學(xué)方法課堂教學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)自學(xué)考核方式考試（80%）平時(shí)成績(jī)（15%）實(shí)驗(yàn)報(bào)告（5%）第一章數(shù)控機(jī)床概述內(nèi)容提要：本章主要介紹制造業(yè)重要性、數(shù)控技術(shù)、數(shù)控機(jī)床的基本概念、體系結(jié)構(gòu)、工作原理及分類；數(shù)控技術(shù)及數(shù)控機(jī)床的發(fā)展動(dòng)向。第一節(jié)制造業(yè)與數(shù)控機(jī)床貢獻(xiàn)工業(yè)產(chǎn)值的25%機(jī)械產(chǎn)品出口占出口總值14%占GDP比重逐年提升第一節(jié)制造業(yè)與數(shù)控機(jī)床世界向中國(guó)裝備產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移態(tài)勢(shì)第一節(jié)制造業(yè)與數(shù)控機(jī)床1995年中國(guó)制造業(yè)只占世界的5%，到2007這個(gè)比重上升到了15%，與日本的大約14%相當(dāng)，不及美國(guó)的大約25%，卻遠(yuǎn)超過(guò)德國(guó)7%和昔日世界工廠英國(guó)的3%，2007年，有172類產(chǎn)品產(chǎn)量居世界第一，世界70%的DVD和玩具，50%的電話和鞋，超過(guò)1/3的電視和箱包產(chǎn)自中國(guó)。中國(guó)高技術(shù)產(chǎn)品出口額占國(guó)際市場(chǎng)份額已近20%。日本吸收的外資占國(guó)內(nèi)固定資本投資的比例僅1.1%，比世界平均水平16.3%低得多。而在中國(guó)，外企出口占額占總出口額的比重從1996的40.7%上升到2001的50%，因此中國(guó)只是世界的加工廠。過(guò)去日本主要依靠引進(jìn)技術(shù)，然后自主的進(jìn)行吸收、改良、創(chuàng)新，形成了一號(hào)機(jī)引進(jìn)、二號(hào)機(jī)國(guó)產(chǎn)，三號(hào)機(jī)出口的模式，而中國(guó)企業(yè)由于缺乏有效的管理和創(chuàng)新能力，出現(xiàn)了“一號(hào)機(jī)引進(jìn)，二號(hào)機(jī)引進(jìn)，三號(hào)機(jī)還引進(jìn)”的局面第一節(jié)制造業(yè)與數(shù)控機(jī)床中國(guó)在國(guó)際制造業(yè)的分工處于價(jià)值鏈的末端。美國(guó)加州大學(xué)的研究人員對(duì)iPod的成本分析發(fā)現(xiàn)，其299美元的零售價(jià)中，中國(guó)工人的貢獻(xiàn)不到3美元，創(chuàng)造其真正價(jià)值的是概念和設(shè)計(jì)。中國(guó)制造企業(yè)至今尚無(wú)一家進(jìn)入世界一流工業(yè)企業(yè)行業(yè)，日本在全球最大500家工業(yè)企業(yè)中占29%，而美國(guó)為31%。一億條牛仔褲換一架空客，8000萬(wàn)襯衫換一架波音科技進(jìn)步在經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)中的貢獻(xiàn)率，日本超過(guò)70%，中國(guó)只有39%.研發(fā)投入占GPD的比重日本3.5%，而中國(guó)僅1.3%各國(guó)生產(chǎn)一噸粗鋼需要的煤炭量相差很大：中國(guó)1.5噸，美國(guó)1噸，日本0.6噸。1噸粗鋼生產(chǎn)成品鋼材的成品率日本為0.98，美國(guó)為0.8，中國(guó)為0.6.日本為生產(chǎn)一個(gè)單位GDP所需的能源消耗僅為中國(guó)的1/9.第一節(jié)制造業(yè)與數(shù)控機(jī)床制造業(yè)的發(fā)展離不開(kāi)先進(jìn)制造裝備裝備制造業(yè)的水平，決定一個(gè)國(guó)家的制造業(yè)在國(guó)際分工中的地位在西方發(fā)達(dá)國(guó)家，裝備制造業(yè)在制造業(yè)中所占的比重非常高第一節(jié)制造業(yè)與數(shù)控機(jī)床

數(shù)控機(jī)床是工作母機(jī)，是制造裝備的裝備

我國(guó)已成為數(shù)控機(jī)床世界第一大消費(fèi)國(guó)和進(jìn)口國(guó)世界機(jī)床產(chǎn)量的1/5用于中國(guó)市場(chǎng)國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量占有率基本穩(wěn)定在60％左右，但產(chǎn)值占有率逐年下滑高附加值的高檔數(shù)控機(jī)床基本依賴進(jìn)口，例2005年我國(guó)機(jī)床總產(chǎn)值約為50億美元，出口機(jī)床為8億美元，而進(jìn)口機(jī)床則達(dá)到67億美元。第一節(jié)制造業(yè)與數(shù)控機(jī)床

據(jù)2008年中國(guó)數(shù)控機(jī)床市場(chǎng)分析及投資咨詢報(bào)告：“十五”期間，中國(guó)數(shù)控機(jī)床行業(yè)實(shí)現(xiàn)了超高速發(fā)展。金切機(jī)床數(shù)控化率37.8%第一節(jié)制造業(yè)與數(shù)控機(jī)床2006年中國(guó)數(shù)控系統(tǒng)市場(chǎng)態(tài)勢(shì)：葫蘆形：95％：5％經(jīng)濟(jì)型：60％普及型：38％高檔型：2％約66000臺(tái)約42000臺(tái)約2000臺(tái)：17％：87％：0.5％：99.5％第一節(jié)制造業(yè)與數(shù)控機(jī)床2010年中國(guó)數(shù)控系統(tǒng)市場(chǎng)態(tài)勢(shì)預(yù)測(cè)：橄欖形總需求：15萬(wàn)臺(tái)經(jīng)濟(jì)型：30％普及型：60％高檔型：10％約45000臺(tái)約90000臺(tái)約15000臺(tái)經(jīng)濟(jì)型：60％普及型：38％高檔型：2％約66000臺(tái)約42000臺(tái)約2000臺(tái)2007年2010年第一節(jié)制造業(yè)與數(shù)控機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)是機(jī)床和各種機(jī)械裝備的大腦，是核心技術(shù)IC裝備

船舶制造裝備紡織印染裝備汽車制造裝備軍工制造裝備第一節(jié)制造業(yè)與數(shù)控機(jī)床數(shù)控技術(shù)關(guān)系到我國(guó)的經(jīng)濟(jì)安全、產(chǎn)業(yè)安全和國(guó)防安全1983年，東芝事件1995年，考克斯報(bào)告高檔數(shù)控系統(tǒng)是西方對(duì)我國(guó)封鎖與限制的重點(diǎn)我國(guó)宣布大飛機(jī)計(jì)劃后，西方國(guó)家又開(kāi)始新一輪技術(shù)封鎖中國(guó)必須擁有自主的數(shù)控系統(tǒng)核心技術(shù)和產(chǎn)品第二節(jié)數(shù)控機(jī)床簡(jiǎn)介自從本世紀(jì)中葉數(shù)控技術(shù)創(chuàng)立以來(lái)，它給機(jī)械制造業(yè)帶來(lái)了革命性的變化。1952年美國(guó)PARSONS和MIT合作研究第一臺(tái)三坐標(biāo)數(shù)控銑床。現(xiàn)在數(shù)控技術(shù)已成為制造業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、柔性化、集成化生產(chǎn)的基礎(chǔ)技術(shù)，現(xiàn)代的CAD/CAM，F(xiàn)MS和CIMS、敏捷制造和智能制造等，都是建立在數(shù)控技術(shù)之上；第二節(jié)數(shù)控機(jī)床簡(jiǎn)介數(shù)控技術(shù)是提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率必不可少的物質(zhì)手段；國(guó)家戰(zhàn)略技術(shù)和體現(xiàn)國(guó)家綜合國(guó)力水平重要標(biāo)志。－－東芝事件、制造業(yè)信息化專家們預(yù)言:二十一世紀(jì)機(jī)械制造業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)，其實(shí)質(zhì)是數(shù)控技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)。第二節(jié)數(shù)控機(jī)床簡(jiǎn)介數(shù)字控制與數(shù)控技術(shù)數(shù)字控制（NumericalControlNC）是一種借助數(shù)字、字符或其它符號(hào)對(duì)某一工作過(guò)程（如加工、測(cè)量、裝配等）進(jìn)行可編程控制的自動(dòng)化方法。數(shù)控技術(shù)（NumericalControlTechnology）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)。它包括過(guò)程控制和運(yùn)動(dòng)控制。第二節(jié)數(shù)控機(jī)床簡(jiǎn)介數(shù)控機(jī)床（NumericalControlMachineTools）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)控制的一類機(jī)床。它是數(shù)控技術(shù)典型應(yīng)用的例子。數(shù)控系統(tǒng)（NumericalControlSystem）實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制的裝置。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)（ComputerNumericalControlCNC）以計(jì)算機(jī)為核心的數(shù)控系統(tǒng)。第二節(jié)數(shù)控機(jī)床簡(jiǎn)介第二節(jié)數(shù)控機(jī)床簡(jiǎn)介數(shù)控系統(tǒng)與數(shù)控機(jī)床的組成第二節(jié)數(shù)控機(jī)床簡(jiǎn)介操作面板它是操作人員與數(shù)控裝置進(jìn)行信息交流的工具。組成：按鈕、狀態(tài)燈、按鍵陣列（功能與計(jì)算機(jī)鍵盤(pán)一樣）和顯示器。它是數(shù)控機(jī)床特有部件。BACKSPACECTRLINSCRTABALT0SHIFT畗

ZEND

瑌WHOME瘆

TPgDn瓆

OPgUp

JRST

E65“432？198:7

YX<>VU[]

SRPQ

NMKL

IHFG

DCABESC14''彩

色顯

示

器空運(yùn)行Z軸鎖定MST鎖定任選程序段機(jī)床鎖定快進(jìn)+JOG-JOG主軸正轉(zhuǎn)主軸停主軸反轉(zhuǎn)急停超程解除循環(huán)驅(qū)動(dòng)進(jìn)給保持冷卻液開(kāi)/關(guān)刀松/刀緊主軸修調(diào)16010進(jìn)給修調(diào)16050403020100電

源關(guān)開(kāi)1自動(dòng)方式選擇回零手搖點(diǎn)動(dòng)步進(jìn)單段驅(qū)

動(dòng)

器NC機(jī)床電源XYZA主軸超程報(bào)警-+手搖脈沖發(fā)生器2010090增量倍率1000101001坐標(biāo)軸選擇Z

YX第二節(jié)數(shù)控機(jī)床簡(jiǎn)介控制介質(zhì)與輸入輸出設(shè)備控制介質(zhì)是記錄零件加工程序的媒介輸入輸出設(shè)備是CNC系統(tǒng)與外部設(shè)備進(jìn)行交互裝置。交互的信息通常是零件加工程序。即將編制好的記錄在控制介質(zhì)上的零件加工程序輸入CNC系統(tǒng)或?qū)⒄{(diào)試好了的零件加工程序通過(guò)輸出設(shè)備存放或記錄在相應(yīng)的控制介質(zhì)上。數(shù)控機(jī)床的控制介質(zhì)和輸入輸出設(shè)備第二節(jié)數(shù)控機(jī)床簡(jiǎn)介通信：現(xiàn)代的數(shù)控系統(tǒng)除采用輸入輸出設(shè)備進(jìn)行信息交換外，一般都具有用通訊方式進(jìn)行信息交換的能力。它們是實(shí)現(xiàn)CAD/CAM的集成、FMS和CIMS的基本技術(shù)。采用的方式有：串行通訊（RS-232等串口）、自動(dòng)控制專用接口和規(guī)范（DNC－Directnumericalcontrol方式，MAP-manufacturingautomationprotocol協(xié)議等）網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（internet，LAN等）第二節(jié)數(shù)控機(jī)床簡(jiǎn)介

CNC裝置(CNC單元)組成：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、位置控制板、PLC接口板，通訊接口板、特殊功能模塊以及相應(yīng)的控制軟件。作用：根據(jù)輸入的零件加工程序進(jìn)行相應(yīng)的處理（如運(yùn)動(dòng)軌跡處理、機(jī)床輸入輸出處理等），然后輸出控制命令到相應(yīng)的執(zhí)行部件(伺服單元、驅(qū)動(dòng)裝置和PLC等)，所有這些工作是由CNC裝置內(nèi)硬件和軟件協(xié)調(diào)配合，合理組織，使整個(gè)系統(tǒng)有條不紊地進(jìn)行工作的。CNC裝置是CNC系統(tǒng)的核心第二節(jié)數(shù)控機(jī)床簡(jiǎn)介伺服單元、驅(qū)動(dòng)裝置和測(cè)量裝置伺服單元和驅(qū)動(dòng)裝置主軸伺服驅(qū)動(dòng)裝置和主軸電機(jī)進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)裝置和進(jìn)給電機(jī)測(cè)量裝置位置和速度測(cè)量裝置。以實(shí)現(xiàn)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的閉環(huán)控制。作用保證靈敏、準(zhǔn)確地跟蹤C(jī)NC裝置指令：進(jìn)給運(yùn)動(dòng)指令：實(shí)現(xiàn)零件加工的成形運(yùn)動(dòng)（速度和位置控制）。主軸運(yùn)動(dòng)指令，實(shí)現(xiàn)零件加工的切削運(yùn)動(dòng)（速度控制）第二節(jié)數(shù)控機(jī)床簡(jiǎn)介PLC、機(jī)床I/O電路和裝置PLC(ProgrammableLogicController)：用于完成與邏輯運(yùn)算有關(guān)順序動(dòng)作的I/O控制，它由硬件和軟件組成；機(jī)床I/O電路和裝置：實(shí)現(xiàn)I/O控制的執(zhí)行部件(由繼電器、電磁閥、行程開(kāi)關(guān)、接觸器等組成的邏輯電路；功能：接受CNC的M、S、T指令，對(duì)其進(jìn)行譯碼并轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)，控制輔助裝置完成機(jī)床相應(yīng)的開(kāi)關(guān)動(dòng)作接受操作面板和機(jī)床側(cè)的I/O信號(hào)，送給CNC裝置，經(jīng)其處理后，輸出指令控制CNC系統(tǒng)的工作狀態(tài)和機(jī)床的動(dòng)作。第二節(jié)數(shù)控機(jī)床簡(jiǎn)介機(jī)床數(shù)控機(jī)床的主體，是實(shí)現(xiàn)制造加工的執(zhí)行部件。組成主運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)給運(yùn)動(dòng)部件（工作臺(tái)、拖板以及相應(yīng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)）支承件（立柱、床身等）特殊裝置（刀具自動(dòng)交換系統(tǒng)工件自動(dòng)交換系統(tǒng)）輔助裝置（如排屑裝置等）。第三節(jié)數(shù)控加工原理數(shù)控加工與傳統(tǒng)加工的比較工藝分析數(shù)控加工程序工序卡傳統(tǒng)加工數(shù)控加工圖2傳統(tǒng)加工與數(shù)控加工的比較圖第三節(jié)數(shù)控加工原理數(shù)控加工中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過(guò)程圖3數(shù)控加工中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過(guò)程譯碼刀補(bǔ)處理插補(bǔ)處理PLC控制進(jìn)給伺服系統(tǒng)切削運(yùn)動(dòng)、機(jī)床I/O裝置成形運(yùn)動(dòng)加工程序第三節(jié)數(shù)控加工原理譯碼譯碼程序的主要功能將用文本格式（通常用ASCII碼）表達(dá)的零件加工程序，以程序段為單位轉(zhuǎn)換成刀補(bǔ)處理程序所要求的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（格式）。該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用來(lái)描述一個(gè)程序段解釋后的數(shù)據(jù)信息。它主要包括：X、Y、Z等坐標(biāo)值；進(jìn)給速度；主軸轉(zhuǎn)速；G代碼；M代碼；刀具號(hào)；子程序處理和循環(huán)調(diào)用處理等數(shù)據(jù)或標(biāo)志的存放順序和格式。第三節(jié)數(shù)控加工原理刀補(bǔ)處理(計(jì)算刀具中心軌跡)用戶零件加工程序通常是按零件輪廓編制的數(shù)控機(jī)床在加工過(guò)程中控制的是刀具中心軌跡因此在加工前必須將零件輪廓變換成刀具中心的軌跡。刀補(bǔ)處理就是完成這種轉(zhuǎn)換的程序。第三節(jié)數(shù)控加工原理插補(bǔ)計(jì)算本模塊以系統(tǒng)規(guī)定的插補(bǔ)周期△t定時(shí)運(yùn)行，它將由各種線形（直線，園弧等）組成的零件輪廓，按程序給定的進(jìn)給速度F，實(shí)時(shí)計(jì)算出各個(gè)進(jìn)給軸在△t內(nèi)位移指令（△X1、△Y1、…），并送給進(jìn)給伺服系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)成形運(yùn)動(dòng)。這個(gè)過(guò)程將在下面進(jìn)一步敘述。第三節(jié)數(shù)控加工原理PLC控制PLC控制是對(duì)機(jī)床動(dòng)作的“順序控制”。即以CNC內(nèi)部和機(jī)床各行程開(kāi)關(guān)、傳感器、按鈕、繼電器等開(kāi)關(guān)量信號(hào)狀態(tài)為條件，并按預(yù)先規(guī)定的邏輯順序?qū)χT如主軸的起停、換向，刀具的更換，工件的夾緊、松開(kāi)，冷卻、潤(rùn)滑系統(tǒng)等的運(yùn)行等進(jìn)行的控制。第三節(jié)數(shù)控加工原理指令輸出將計(jì)算出△ti在時(shí)間內(nèi)的和作為指令輸出給Y軸，以控制它們聯(lián)動(dòng)。即：Xi->X軸；Yi->Y軸只要能連續(xù)自動(dòng)地控制X，Y兩個(gè)進(jìn)給軸在△ti時(shí)間內(nèi)移動(dòng)量，就可以實(shí)現(xiàn)曲線輪廓零件的加工。第四節(jié)數(shù)控機(jī)床的分類數(shù)控機(jī)床的種類很多，從不同角度對(duì)其進(jìn)行考查，就有不同的分類方法，通常有以下幾種不同的分類方法第四節(jié)數(shù)控機(jī)床的分類按工藝用途分類切削加工類：如數(shù)控銑床、數(shù)控車床、數(shù)控磨床、加工中心、數(shù)控齒輪加工機(jī)床、FMC等。成型加工類：數(shù)控折彎?rùn)C(jī)、數(shù)控彎管機(jī)等。特種加工類：數(shù)控線切割機(jī)、電火花加工機(jī)、激光加工機(jī)等。其它類型：數(shù)控裝配機(jī)、數(shù)控測(cè)量機(jī)、機(jī)器人等。第四節(jié)數(shù)控機(jī)床的分類按運(yùn)動(dòng)軌跡來(lái)分點(diǎn)位控制系統(tǒng)直線控制數(shù)控系統(tǒng)輪廓控制系統(tǒng)第四節(jié)數(shù)控機(jī)床的分類點(diǎn)位控制數(shù)控系統(tǒng)僅能實(shí)現(xiàn)刀具相對(duì)于工件從一點(diǎn)到另一點(diǎn)的精確定位運(yùn)動(dòng)；對(duì)軌跡不作控制要求；運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不進(jìn)行任何加工。適用范圍：數(shù)控鉆床、數(shù)控鏜床、數(shù)控沖床和數(shù)控測(cè)量機(jī)。直線控制數(shù)控系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位控制數(shù)控系統(tǒng)的功能能實(shí)現(xiàn)沿平行某個(gè)坐標(biāo)軸（如X、Y、Z）或兩軸等速的方向進(jìn)行加工；適用范圍：數(shù)控鏜銑床、數(shù)控組合機(jī)床等。第四節(jié)數(shù)控機(jī)床的分類輪廓控制數(shù)控系統(tǒng)輪廓控制(連續(xù)控制)系統(tǒng)：具有控制幾個(gè)進(jìn)給軸同時(shí)諧調(diào)運(yùn)動(dòng)(坐標(biāo)聯(lián)動(dòng))，使工件相對(duì)于刀具按程序規(guī)定的軌跡和速度運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中進(jìn)行連續(xù)切削加工的數(shù)控系統(tǒng)。適用范圍：數(shù)控車床、數(shù)控銑床、加工中心等用于加工曲線和曲面的機(jī)床?，F(xiàn)代的數(shù)控機(jī)床基本上都是裝備的這種數(shù)控系統(tǒng)。第四節(jié)數(shù)控機(jī)床的分類按聯(lián)動(dòng)軸數(shù)分，2軸聯(lián)動(dòng)（平面曲線）3軸聯(lián)動(dòng)（空間曲面，球頭刀）4軸聯(lián)動(dòng)（空間曲面）5軸聯(lián)動(dòng)及6軸聯(lián)動(dòng)（空間曲面）。聯(lián)動(dòng)軸數(shù)越多數(shù)控系統(tǒng)的控制算法就越復(fù)雜。第四節(jié)數(shù)控機(jī)床的分類按進(jìn)給伺服系統(tǒng)的類型分類按數(shù)控系統(tǒng)的進(jìn)給伺服子系統(tǒng)有無(wú)位置測(cè)量裝置可分為開(kāi)環(huán)數(shù)控系統(tǒng)閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)在閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)中根據(jù)位置測(cè)量裝置安裝的位置又可分為全閉環(huán)和半閉環(huán)兩種。第四節(jié)數(shù)控機(jī)床的分類開(kāi)環(huán)數(shù)控系統(tǒng)沒(méi)有位置測(cè)量裝置，信號(hào)流是單向的（數(shù)控裝置->進(jìn)給系統(tǒng)），故系統(tǒng)穩(wěn)定性好。電機(jī)機(jī)械執(zhí)行部件A相、B相C相、…f、nCNC插補(bǔ)指令脈沖頻率f脈沖個(gè)數(shù)n換算脈沖環(huán)形分配變換功率放大第四節(jié)數(shù)控機(jī)床的分類開(kāi)環(huán)數(shù)控系統(tǒng)無(wú)位置反饋，精度相對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)來(lái)講不高，其精度主要取決于伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能和精度。一般以功率步進(jìn)電機(jī)作為伺服驅(qū)動(dòng)元件。這類系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定、調(diào)試方便、維修簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，在精度和速度要求不高、驅(qū)動(dòng)力矩不大的場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用。一般用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床。第四節(jié)數(shù)控機(jī)床的分類半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點(diǎn)如圖所示，是從驅(qū)動(dòng)裝置(常用伺服電機(jī))或絲杠引出，采樣旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行檢測(cè)，不是直接檢測(cè)運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際位置。45位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動(dòng)檢測(cè)與反饋單元位置控制單元速度控制單元++--電機(jī)機(jī)械執(zhí)行部件CNC插補(bǔ)指令實(shí)際位置反饋實(shí)際速度反饋第四節(jié)數(shù)控機(jī)床的分類半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)半閉環(huán)環(huán)路內(nèi)不包括或只包括少量機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)，因此可獲得穩(wěn)定的控制性能，其系統(tǒng)的穩(wěn)定性雖不如開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，但比閉環(huán)要好。由于絲杠的螺距誤差和齒輪間隙引起的運(yùn)動(dòng)誤差難以消除。因此，其精度較閉環(huán)差，較開(kāi)環(huán)好。但可對(duì)這類誤差進(jìn)行補(bǔ)償，因而仍可獲得滿意的精度。半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)試方便、精度也較高，因而在現(xiàn)代CNC機(jī)床中得到了廣泛應(yīng)用。第四節(jié)數(shù)控機(jī)床的分類全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點(diǎn)如圖的虛線所示，直接對(duì)運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際位置進(jìn)行檢測(cè)。位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動(dòng)檢測(cè)與反饋單元位置控制單元速度控制單元++--電機(jī)機(jī)械執(zhí)行部件CNC插補(bǔ)指令實(shí)際位置反饋實(shí)際速度反饋第四節(jié)數(shù)控機(jī)床的分類全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)從理論上講，可以消除整個(gè)驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)環(huán)節(jié)的誤差、間隙和失動(dòng)量。具有很高的位置控制精度。由于位置環(huán)內(nèi)的許多機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)的摩擦特性、剛性和間隙都是非線性的，故很容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，使閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)試都相當(dāng)困難。該系統(tǒng)主要用于精度要求很高的鏜銑床、超精車床、超精磨床以及較大型的數(shù)控機(jī)床等第五節(jié)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展動(dòng)向產(chǎn)生背景從工業(yè)化革命以來(lái)人們實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工自動(dòng)化的手段有：自動(dòng)機(jī)床；組合機(jī)床；專用自動(dòng)生產(chǎn)線。第五節(jié)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展動(dòng)向這些設(shè)備的使用大大地提高了機(jī)械加工自動(dòng)化地程度，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，促進(jìn)了制造業(yè)地發(fā)展。但它也存在固有的缺點(diǎn)：初始投資大；準(zhǔn)備周期長(zhǎng)；柔性差。第五節(jié)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展動(dòng)向數(shù)控技術(shù)產(chǎn)生和發(fā)展的內(nèi)在動(dòng)力：市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，產(chǎn)品更新?lián)Q代加快，大批量產(chǎn)品越來(lái)越少，小批量產(chǎn)品生產(chǎn)的比重越來(lái)越大，迫切需要一種精度高、柔性好加工設(shè)備來(lái)滿足上述需求。數(shù)控技術(shù)產(chǎn)生和發(fā)展的技術(shù)基礎(chǔ)：電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展則為NC機(jī)床的進(jìn)步提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。數(shù)控技術(shù)正是在這種背景下誕生和發(fā)展起來(lái)的。它的產(chǎn)生給自動(dòng)化技術(shù)帶來(lái)了新的概念，推動(dòng)了加工自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展第五節(jié)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展動(dòng)向發(fā)展沿革1952年，Parsons公司和M.I.T合作研制了世界上第一臺(tái)三座標(biāo)數(shù)控機(jī)床。1955年，第一臺(tái)工業(yè)用數(shù)控機(jī)床由美國(guó)Bendix公司生產(chǎn)出來(lái)。從1952年至今，NC機(jī)床按NC系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷的五代。第五節(jié)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展動(dòng)向第一代：1955年NC系統(tǒng)以電子管組成，體積大，功耗大。第二代：1959年NC系統(tǒng)以晶體管組成，廣泛采用印刷電路板。第三代：1965年NC系統(tǒng)采用小規(guī)模集成電路作為硬件，其特點(diǎn)是體積小，功耗低，可靠性進(jìn)一步提高。以上三代NC系統(tǒng)，由于其數(shù)控功能均由硬件實(shí)現(xiàn)，故歷史上又稱其為“硬線NC”第五節(jié)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展動(dòng)向第四代：1970年NC系統(tǒng)采用小型計(jì)算機(jī)取代專用計(jì)算機(jī)，其部分功能由軟件實(shí)現(xiàn)，它具有價(jià)格低，可靠性高和功能多等特點(diǎn)第五代：1974年NC系統(tǒng)以微處理器為核心，不僅價(jià)格進(jìn)一步降低，體積進(jìn)一步縮小，使實(shí)現(xiàn)真正意義上的機(jī)電一體化成為可能。這一代又可分為六個(gè)發(fā)展階段：第五節(jié)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展動(dòng)向1974年：系統(tǒng)以位片微處理器為核心，有字符顯示，自診斷功能。1979年：系統(tǒng)采用CRT顯示，VLIC，大容量磁泡存儲(chǔ)器，可編程接口和遙控接口等。1981年：具有人機(jī)對(duì)話、動(dòng)態(tài)圖形顯示、實(shí)時(shí)精度補(bǔ)償功能。1986年：數(shù)字伺服控制誕生，大慣量的交直流電機(jī)進(jìn)入實(shí)用階段。1988年：采用高性能32位機(jī)為主機(jī)的主從結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。1994年：基于PC的NC系統(tǒng)誕生，使NC系統(tǒng)的研發(fā)進(jìn)入了開(kāi)放型、柔性化的新時(shí)代，新型NC系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期日益縮短。它是數(shù)控技術(shù)發(fā)展的又一個(gè)里程碑。第五節(jié)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展動(dòng)向硬件結(jié)構(gòu)封閉結(jié)構(gòu)PC+運(yùn)動(dòng)控制卡現(xiàn)場(chǎng)總線平臺(tái)工業(yè)以太網(wǎng)總線平臺(tái)如：早期數(shù)控系統(tǒng)如：PMAC卡等Profibus,SERCOSII,CAN…EtherCAT,ProfinetPowerLink,SercosIII…第五節(jié)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展動(dòng)向軟件結(jié)構(gòu)封閉式基于PC的開(kāi)放式分布式跨平臺(tái)軟件基于專有硬件利用PC標(biāo)準(zhǔn)資源模塊化，組件化，跨平臺(tái)第五節(jié)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展動(dòng)向四代運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備第一代，50年代,純機(jī)械驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)如：從一個(gè)電機(jī)通過(guò)軸、凸輪、齒輪傳到各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件.第二代，70年代，機(jī)械、伺服混合系統(tǒng)；第三代，當(dāng)前，單個(gè)獨(dú)立伺服為中心取代傳統(tǒng)的齒輪、凸輪、帶傳動(dòng)等，通過(guò)電聯(lián)系建立各運(yùn)動(dòng)軸的關(guān)系；第四代“軟件機(jī)械”，指軟件占設(shè)備成本構(gòu)成的大部分.據(jù)預(yù)測(cè)，到2010,軟件占機(jī)器總成本的60%，而機(jī)械和電氣大約各占20%.對(duì)比第三代機(jī)械，軟件約占40%,電氣20%，機(jī)械40%第五節(jié)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展動(dòng)向發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)入九十年代以來(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)化第五節(jié)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展動(dòng)向運(yùn)行高速化、加工高精化速度和精度是數(shù)控設(shè)備的兩個(gè)重要指標(biāo)，它們是數(shù)控技術(shù)永恒追求的目標(biāo)。它直接關(guān)系到加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量。新一代數(shù)控設(shè)備在運(yùn)行高速化、加工高精化等方面都有了更高的要求。第五節(jié)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展動(dòng)向運(yùn)行高速化：使進(jìn)給率、主軸轉(zhuǎn)速、刀具交換速度、托盤(pán)交換速度實(shí)現(xiàn)高速化，并且具有高加（減）速率。進(jìn)給率高速化：在分辨率為1m時(shí)，F(xiàn)max=240m/min（4m/s--p=4M)。在Fmax下可獲得復(fù)雜型面的精確加工；在程序段長(zhǎng)度為1mm時(shí)，F(xiàn)max=60m/min，并且具有1.5g的加減速率；第五節(jié)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展動(dòng)向主軸高速化：采用電主軸（內(nèi)裝式主軸電機(jī)），即主軸電機(jī)的轉(zhuǎn)子軸就是主軸部件。主軸最高轉(zhuǎn)速達(dá)200000r/min。主軸轉(zhuǎn)速的最高加（減）速為1.0g，即僅需1.8秒即可從0提速到15000r/min。換刀速度0.6秒（刀到刀）2.8秒（切削到切削）工作臺(tái)（托盤(pán)）交換速度4.3秒。第五節(jié)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展動(dòng)向加工高精化：提高機(jī)械設(shè)備的制造和裝配精度；提高數(shù)控系統(tǒng)的控制精度；采用誤差補(bǔ)償技術(shù)。第五節(jié)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展動(dòng)向提高CNC系統(tǒng)控制精度：采用高速插補(bǔ)技術(shù)，以微小程序段實(shí)現(xiàn)連續(xù)進(jìn)給，使CNC控制單位精細(xì)化，采用高分辨率位置檢測(cè)裝置，提高位置檢測(cè)精度（日本交流伺服電機(jī)已有裝上106脈沖/轉(zhuǎn)的內(nèi)藏位置檢測(cè)器，其位置檢測(cè)精度能達(dá)到0.01um/脈沖）；位置伺服系統(tǒng)采用前饋控制與非線性控制等方法。采用誤差補(bǔ)償技術(shù)：采用反向間隙補(bǔ)償、絲桿螺距誤差補(bǔ)償和刀具誤差補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù);設(shè)備的熱變形誤差補(bǔ)償和空間誤差的綜合補(bǔ)償技術(shù)。研究結(jié)果表明，綜合誤差補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用可將加工誤差減少60％～80％。三井精機(jī)的JidicH5D型超精密臥式加工中心的定位精度為±0.1um。第五節(jié)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展動(dòng)向由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，促進(jìn)了數(shù)控技術(shù)水平的提高，數(shù)控裝置、進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)裝置和主軸伺服驅(qū)動(dòng)裝置的性能也隨之提高，使得現(xiàn)代的數(shù)控設(shè)備在新的技術(shù)水平下，可同時(shí)具備運(yùn)行高速化、加工高精化的性能。第五節(jié)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展動(dòng)向功能復(fù)合化復(fù)合化是指在一臺(tái)設(shè)備能實(shí)現(xiàn)多種工藝手段加工的方法。鏜銑鉆復(fù)合—加工中心（ATC－automatictoolchanger）、五面加工中心（ATC，主軸立臥轉(zhuǎn)換）；車銑復(fù)合—車削中心（ATC，動(dòng)力刀頭）；銑鏜鉆車復(fù)合—復(fù)合加工中心（ATC，可自動(dòng)裝卸車刀架）；銑鏜鉆磨復(fù)合—復(fù)合加工中心（ATC，動(dòng)力磨頭）；可更換主軸箱的數(shù)控機(jī)床—組合加工中心；第五節(jié)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展動(dòng)向控制智能化隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，并為滿足制造業(yè)生產(chǎn)柔性化、制造自動(dòng)化發(fā)展需求，數(shù)控技術(shù)智能化程度不斷提高，具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面第五節(jié)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展動(dòng)向加工過(guò)程自適應(yīng)控制技術(shù)通過(guò)監(jiān)測(cè)加工過(guò)程中的切削力、主軸和進(jìn)給電機(jī)的功率、電流、電壓等信息，利用傳統(tǒng)的或現(xiàn)代的算法進(jìn)行識(shí)別，以辯識(shí)出刀具的受力、磨損以及破損狀態(tài)，機(jī)床加工的穩(wěn)定性狀態(tài)；并根據(jù)這些狀態(tài)實(shí)時(shí)修調(diào)加工參數(shù)（主軸轉(zhuǎn)速，進(jìn)給速度）和加工指令，使設(shè)備處于最佳運(yùn)行狀態(tài)，以提高加工精度、降低工件表面粗糙度以及設(shè)備運(yùn)行的安全性。MitsubishiElectric公司的用于數(shù)控電火花成型機(jī)床的“MiracleFuzzy”基于模糊邏輯的自適應(yīng)控制器，可自動(dòng)控制和優(yōu)化加工參數(shù)；日本牧野在電火花NC系統(tǒng)Makino_Mce20中，用專家系統(tǒng)代替人進(jìn)行加工過(guò)程監(jiān)控。以色列的外置式力自適應(yīng)控制器意大利Mandelli公司數(shù)控系統(tǒng)的可編程功率自適應(yīng)控制功能。國(guó)內(nèi)清華和華中數(shù)控的自適應(yīng)控制技術(shù)的研究已取得成果。正在進(jìn)行商品化開(kāi)發(fā)。第五節(jié)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展動(dòng)向加工參數(shù)的智能優(yōu)化與選擇將工藝專家或技工的經(jīng)驗(yàn)、零件加工的一般與特殊規(guī)律，用現(xiàn)代智能方法，構(gòu)造基于專家系統(tǒng)或基于模型的“加工參數(shù)的智能優(yōu)化與選擇器”，利用它獲得優(yōu)化的加工參數(shù)，從而達(dá)到提高編程效率和加工工藝水平，縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間的目的。采用經(jīng)過(guò)優(yōu)化的加工參數(shù)編制的加工程序，可使加工系統(tǒng)始終處于較合理和較經(jīng)濟(jì)的工作狀態(tài)。目前已開(kāi)發(fā)出帶自學(xué)習(xí)功能的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電火花加工專家系統(tǒng)。日本大隈公司的7000系列數(shù)控系統(tǒng)帶有人工智能式自動(dòng)編程功能。國(guó)內(nèi)清華和華中數(shù)控在加工參數(shù)的智能優(yōu)化與選擇及CAPP方面的研究也取得了一些成果。但有待進(jìn)行實(shí)用化開(kāi)發(fā)。第五節(jié)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展動(dòng)向智能故障診斷與自修復(fù)技術(shù)智能故障診斷技術(shù)：根據(jù)已有的故障信息，應(yīng)用現(xiàn)代智能方法（AI、ES、ANN等），實(shí)現(xiàn)故障快速準(zhǔn)確定位的技術(shù)。智能故障自修復(fù)技術(shù)：指能根據(jù)診斷確定故障原因和部位，以自動(dòng)排除故障或指導(dǎo)故障的排除技術(shù)。智能自修復(fù)技術(shù)集故障自診斷、故障自排除、自恢復(fù)、自調(diào)節(jié)于一體，并貫穿于加工過(guò)程的整個(gè)生命周期。智能故障診斷技術(shù)在有些日本、美國(guó)公司生產(chǎn)的數(shù)控系統(tǒng)中已有應(yīng)用，基本上都是應(yīng)用專家系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。智能化自修復(fù)技術(shù)還在研