數(shù)控機床與數(shù)控系統(tǒng)第1章數(shù)控機床概述數(shù)控機床的發(fā)展1.1數(shù)控機床的組成與特點1.2數(shù)控機床的分類1.3數(shù)控機床的發(fā)展技術(shù)水平1.41.1數(shù)控機床的發(fā)展

1.1.1數(shù)控機床的發(fā)展過程半個多世紀(jì)以來，數(shù)控機床發(fā)展大致可以概括為數(shù)控（NC）階段和計算機數(shù)控（CNC）階段。1．?dāng)?shù)控（NC）階段（1952～1970年）2．計算機數(shù)控（CNC）階段（1970～至今）1.1.2數(shù)控機床的發(fā)展趨勢

概括起來，數(shù)控機床的未來發(fā)展趨勢主要有如下幾個方面。1．高速、高效、高精度、高可靠性2．模塊化、智能化、柔性化和集成化3．開放性圖1.2信息化的車銑加工中心1.2數(shù)控機床的組成與特點

1.2.1數(shù)控機床的組成數(shù)控機床上完成零件加工的步驟有以下幾個方面。圖1.3數(shù)控機床的加工過程數(shù)控機床的基本組成應(yīng)包括程序載體、數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、檢測與反饋裝置、輔助裝置和機床本體。

1．程序載體程序載體是用于存取零件加工程序的裝置。

2．?dāng)?shù)控系統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)主要由輸入裝置、信息處理和輸出裝置3個基本部分構(gòu)成。

3．伺服系統(tǒng)

伺服系統(tǒng)包括驅(qū)動裝置和執(zhí)行機構(gòu)兩大部分。

4．檢測與反饋裝置檢測與反饋裝置有利于提高數(shù)控機床加工精度。

5．輔助裝置輔助裝置是把計算機送來的輔助控制指令經(jīng)機床接口轉(zhuǎn)換成強電信號，用來控制主軸電動機起停、冷卻液的開關(guān)及工作臺的轉(zhuǎn)位和換刀等動作。

6．機床本體數(shù)控機床的本體指其機械結(jié)構(gòu)實體。它包括主傳動系統(tǒng)、進給傳動系統(tǒng)、床身、底座、立柱、橫梁、滑座、工作臺、刀架、自動換刀裝置等機械部件。1.2.2數(shù)控機床的特點1．高精度2．高效率和良好的經(jīng)濟效益3．高可靠性4．對加工對象的適應(yīng)性強5．減輕了操作者的勞動強度6．有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化1.3數(shù)控機床的分類

1.3.1按機床用途分類1．金屬切削類數(shù)控機床金屬切削類數(shù)控機床主要有數(shù)控車床（見圖1.4（a））、數(shù)控銑床（見圖1.4（b））、數(shù)控鉆床（見圖1.4（c））、數(shù)控鏜床（見圖1.4（d））、加工中心（見圖1.4（e））、數(shù)控磨床（見圖1.4（f））等。圖1.4金屬切削類數(shù)控機床

2．金屬成型類數(shù)控機床金屬成型類數(shù)控機床主要有數(shù)控彎管機（見圖1.5（a））、數(shù)控折彎機（見圖1.5（b））、數(shù)控剪板機（見圖1.5（c））、數(shù)控高效臥式滾齒機（見圖1.5（d））等。圖1.5金屬成型類數(shù)控機床

3．?dāng)?shù)控特種加工機床

數(shù)控特種加工機床主要有數(shù)控電火花成型機床（見圖1.6（a））、數(shù)控電火花線切割機床（見圖1.6（b））、數(shù)控沖床（見圖1.6（c））、數(shù)控激光切割機床（見圖1.6（d））等。圖1.6數(shù)控特種加工機床圖1.6數(shù)控特種加工機床（續(xù)）

4．其他類型數(shù)控機床其他類型數(shù)控機床主要有數(shù)控三坐標(biāo)測量機等，如圖1.7所示。圖1.7數(shù)控三坐標(biāo)測量機1.3.2按加工工藝方法分類

1．普通數(shù)控機床普通數(shù)控機床是指加工用途、加工工藝相對單一的數(shù)控機床。按加工用途可分為數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控鏜床、數(shù)控鉆床、數(shù)控磨床、數(shù)控齒輪加工機床等。

2．加工中心加工中心是帶有刀庫和自動換刀裝置的數(shù)控機床。它將數(shù)控銑床、數(shù)控鏜床、數(shù)控鉆床的功能組合在一起，工件在一次裝夾后，可對其進行鉆、擴、鉸、鏜、銑、攻螺紋等多工序加工，加工中心主要用來加工箱體類零件。1.3.3按伺服控制方式分類1．開環(huán)控制數(shù)控機床開環(huán)控制數(shù)控機床一般使用功率步進電動機作為伺服驅(qū)動單元，并廣泛應(yīng)用于精度和速度要求不高、驅(qū)動力矩不大的場合。圖1.8開環(huán)控制數(shù)控機床工作原理2．半閉環(huán)控制數(shù)控機床圖1.9半閉環(huán)控制數(shù)控機床工作原理3．全閉環(huán)控制數(shù)控機床圖1.10全閉環(huán)控制數(shù)控機床工作原理4．混合閉環(huán)控制數(shù)控機床圖1.11混合閉環(huán)控制數(shù)控機床工作原理1.3.4按運動軌跡分類1．點位控制數(shù)控機床點位控制數(shù)控機床的特點是在刀具相對于工件運動過程中，不進行切削加工，它對運動的軌跡沒有嚴格要求，只要實現(xiàn)從一點到另一點坐標(biāo)位置的準(zhǔn)確移動即可，幾個坐標(biāo)軸之間的運動沒有任何聯(lián)系。圖1.12點位控制數(shù)控機床

2．直線控制數(shù)控機床直線控制數(shù)控機床的特點是不僅要求具有準(zhǔn)確的定位功能，還要求從一點到另一點按直線運動進行切削加工，刀具相對于工件移動的軌跡是平行機床各坐標(biāo)軸的直線或兩軸同時移動構(gòu)成45°的斜線。圖1.13直線控制數(shù)控機床

3．輪廓控制數(shù)控機床輪廓控制數(shù)控機床的特點是能夠?qū)蓚€或兩個以上的坐標(biāo)軸進行連續(xù)的切削加工控制，它不僅能控制機床移動部件的起點和終點坐標(biāo)，而且能按需要嚴格控制刀具移動的軌跡，以加工出任意斜線、圓弧、拋物線以及其他函數(shù)關(guān)系的曲線或曲面。

圖1.14輪廓控制數(shù)控機床1.3.5按控制的聯(lián)動坐標(biāo)軸數(shù)不同分類1．兩軸聯(lián)動數(shù)控機床兩軸聯(lián)動數(shù)控機床主要用于數(shù)控車床加工旋轉(zhuǎn)曲面或數(shù)控銑床加工曲線輪廓面等，如圖1.15所示。圖1.15兩軸聯(lián)動的輪廓加工

2．兩軸半聯(lián)動數(shù)控機床

兩軸半聯(lián)動數(shù)控機床主要用于三軸以上機床的控制。圖1.16兩軸半聯(lián)動的曲面加工3．三軸聯(lián)動數(shù)控機床三軸聯(lián)動數(shù)控機床一般分為兩類：一類是X、Y、Z三個直線坐標(biāo)軸聯(lián)動，一般用于數(shù)控銑床、加工中心等，另一類是除了同時控制X、Y、Z中任意兩個直線坐標(biāo)外，還同時控制圍繞其中某一直線坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸（繞X軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸稱為A軸，繞Y軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸稱為B軸，繞Z軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸稱為C軸）。圖1.17三軸聯(lián)動的曲面加工

4．四軸聯(lián)動數(shù)控機床四軸聯(lián)動數(shù)控機床同時控制X、Y、Z三個直線坐標(biāo)軸與某一旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸聯(lián)動，如圖1.18所示。圖1.18四軸聯(lián)動的數(shù)控機床5．五軸聯(lián)動數(shù)控機床圖1.19五軸聯(lián)動的數(shù)控機床1.3.6按功能水平分類1．經(jīng)濟型數(shù)控機床經(jīng)濟型數(shù)控機床是指采用步進電動機驅(qū)動的開環(huán)控制的數(shù)控機床。

2．全功能型數(shù)控機床全功能型數(shù)控機床的功能齊全、價格較貴，適用于加工復(fù)雜零件。

3．精密型數(shù)控機床精密型數(shù)控機床采用閉環(huán)控制，它不僅具有全功能型數(shù)控機床的全部功能，而且機械系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)較快，適用于精密和超精密加工。1.4數(shù)控機床的發(fā)展技術(shù)水平

1.4.1柔性制造單元柔性制造單元（FlexibleManufacturingCell，F(xiàn)MC）由單臺帶有多托盤系統(tǒng)的加工中心或3臺以下的數(shù)控機床組成，它可以自動地加工一組工件，適用于小批量多品種加工。圖1.20柔性加工單元圖1.21一個FMC的結(jié)構(gòu)常用的FMC有兩種類型：一類是加工中心配上自動托盤交換系統(tǒng)（APC）。另一類是數(shù)控機床配置機器人（Robot）。1—加工中心機床；2—托盤；3—托盤座；4—環(huán)形工作臺；5—托盤交換裝置

圖1.22具有托盤交換系統(tǒng)的FMC圖1.23由數(shù)控機床和機器人組成的FMC圖1.24三臺數(shù)控機床與機器人組成的FMC1.4.2柔性制造生產(chǎn)線柔性制造生產(chǎn)線（FlexibleManufacturingLine，F(xiàn)ML）又稱為柔性自動線（FTL）或可變自動線，它與傳統(tǒng)的剛性自動線的區(qū)別在于它能同時或依次加工少量不同的工件。圖1.25多軸主軸箱的換箱式和轉(zhuǎn)塔式組合加工中心組成的FML1.4.3柔性制造系統(tǒng)

FMS的工作過程可描述為在裝卸站將毛坯安裝在早已固定在托盤上的夾具中；物料傳送系統(tǒng)把毛坯連同夾具和托盤輸送到進行第一道加工工序的加工中心旁邊排隊等候，一旦加工中心空閑，零件就立即送到加工中心加工。每道工序加工完畢后，物料傳輸系統(tǒng)還要將該加工中心完成的半成品取出并送至執(zhí)行下一工序的加工中心旁邊排隊等候；如此不停地進行至最后一道加工工序。在完成零件的整個加工過程中，除進行加工工序外，若有必要還要進行清洗、檢驗、壓套組裝等工序。圖1.26典型的柔性制造系統(tǒng)示意圖圖1.27所示為柔性制造系統(tǒng)框圖。圖1.27柔性制造系統(tǒng)框圖

1．加工系統(tǒng)該系統(tǒng)由自動化加工設(shè)備、檢驗站、清洗站、裝配站等組成，是FMS的基礎(chǔ)部分。

2．物料輸送系統(tǒng)物料輸送系統(tǒng)在計算機控制下主要實現(xiàn)工件和刀具的輸送及入庫存放，它由自動倉庫、自動輸送小車、機器人等組成。

3．信息系統(tǒng)信息系統(tǒng)由主計算機、分級計算機及其接口、外圍設(shè)備和各種控制裝置的硬件和軟件組成。1.4.4直接數(shù)字控制或分布數(shù)字控制它指的是將若干臺數(shù)控設(shè)備直接連接在一臺中央計算機上，由中央計算機負責(zé)NC程序的管理和傳送。圖1.28分布式DNC1.4.5計算機集成制造系統(tǒng)1．CIMS的概念計算機集成制造系統(tǒng)是在信息技術(shù)、自動化技術(shù)、計算機技術(shù)及制造技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過計算機及其軟件，將制造工廠的全部生產(chǎn)活動──設(shè)計、制造、經(jīng)營管理（包括市場調(diào)研、生產(chǎn)決策、生產(chǎn)計劃、生產(chǎn)管理、產(chǎn)品開發(fā)、產(chǎn)品設(shè)計、加工制造以及銷售經(jīng)營）等與整個生產(chǎn)過程有關(guān)的物料流與信息流實現(xiàn)計算機高度統(tǒng)一的綜合化管理。把各種分散的自動化系統(tǒng)有機地集成起來，構(gòu)成一個優(yōu)化的完整的生產(chǎn)系統(tǒng)，從而獲得更高的整體效益，縮短產(chǎn)品開發(fā)制造周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)率，提高企業(yè)的應(yīng)變能力，以贏得競爭的主動權(quán)。圖1.29CIMS的概念模型

2．CIMS的構(gòu)成

CIMS包括制造工廠的生產(chǎn)、經(jīng)營的全部活動，應(yīng)具有經(jīng)營管理、工程設(shè)計和加工制造等主要功能。圖1.30所示為CIMS的構(gòu)成。由信息管理模塊、設(shè)計和工藝模塊以及制造模塊組成。圖1.30CIMS的構(gòu)成設(shè)計和工藝模塊主要包括：計算機輔助設(shè)計（CAD）、計算機輔助工程（CAE）、成組技術(shù)（GT）、計算機輔助工藝規(guī)程設(shè)計（CAPP）、計算機輔助數(shù)控編程技術(shù)等，該模塊的目的是使產(chǎn)品的開發(fā)更高效、優(yōu)質(zhì)、并自動化地進行。柔性制造系統(tǒng)是制造模塊的主體，主要包括：零件的數(shù)控加工、生產(chǎn)調(diào)度、刀具管理、質(zhì)量檢測和控制、裝配、物料儲運等。信息管理模塊主要包括：市場預(yù)測、經(jīng)營決策、各級生產(chǎn)計劃、生產(chǎn)技術(shù)準(zhǔn)備、銷售及售后跟蹤服務(wù)、成本核算、人力資源管理等，通過信息的集成，達到縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期、減少占用的流動資金、提高企業(yè)的應(yīng)變能力。

3．CIMS的控制結(jié)構(gòu)

CIMS是一個復(fù)雜龐大的工程系統(tǒng)，通常采用遞階控制體系結(jié)構(gòu)。根據(jù)目前制造型企業(yè)多級管理的結(jié)構(gòu)層次，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)局（NIST）將CIMS分為五層遞階控制結(jié)構(gòu)，即工廠層、車間層、單元層、工作站層和設(shè)備層。圖1.31CIMS的遞階控制結(jié)構(gòu)（1）工廠層。工廠層是企業(yè)最高的管理決策層，具有市場預(yù)測、制定長期生產(chǎn)計劃、確定生產(chǎn)資源需求、制定資源計劃、產(chǎn)品開發(fā)以及工藝過程規(guī)劃的功能（2）車間層。車間層是根據(jù)工廠層生產(chǎn)計劃協(xié)調(diào)車間生產(chǎn)作業(yè)和資源配置，包括從設(shè)計部門的CAD/CAM