數(shù)控機床與編程機械工業(yè)出版社鄭堤主編目錄數(shù)控技術(shù)基本概念與原理1.11.3數(shù)控機床的發(fā)展數(shù)控機床1.2第一章緒論數(shù)字控制技術(shù),簡稱數(shù)控技術(shù)(NumericalControl,NC),是采用數(shù)字指令信號對機電產(chǎn)品或設(shè)備進行控制的一種自動控制技術(shù)。數(shù)控技術(shù)與傳統(tǒng)的設(shè)備自動控制技術(shù)的一個顯著區(qū)別在于,數(shù)控技術(shù)不僅具有順序邏輯控制功能,而且更重要的是具有關(guān)于運動部件位置的坐標控制功能,即具有采用數(shù)字指令信號對設(shè)備的坐標運動進行控制的功能。數(shù)控技術(shù)的基本原理是,將被控設(shè)備末端執(zhí)行部件的運動(或多個末端執(zhí)行部件的合成運動)納入到適當?shù)淖鴺讼抵?將所要求的復雜運動分解成各坐標軸的簡單直線運動或回轉(zhuǎn)運動,并用一個滿足精度要求的基本長度單位(BasicLengthUnit,BLU)對各坐標軸進行離散化,由電子控制裝置(即數(shù)控裝置)按數(shù)控程序規(guī)定的運動控制規(guī)律產(chǎn)生與基本長度單位對應的數(shù)字指令脈沖對各坐標軸的運動進行控制,并通過伺服執(zhí)行元件加以驅(qū)動,從而實現(xiàn)所要求的復雜運動。數(shù)控技術(shù)的核心是插補與驅(qū)動。早期數(shù)控功能是采用硬件數(shù)字電路實現(xiàn)的?，F(xiàn)代數(shù)控功能均采用微型計算機來實現(xiàn),因此又稱為計算機數(shù)字控制技術(shù),簡稱計算機數(shù)控(ComputerNumericalControl,CNC)。1.1數(shù)控技術(shù)基本概念與原理數(shù)控機床是采用數(shù)控技術(shù)對工作臺運動和切削加工過程進行控制的機床,是典型的機電一體化產(chǎn)品,是數(shù)控技術(shù)的最典型應用。典型數(shù)控機床的組成如圖1-1所示,包括程序編制、數(shù)控裝置、伺服驅(qū)動系統(tǒng)、強電控制系統(tǒng)、檢測反饋系統(tǒng)和機床本體六大組成部分,其中數(shù)控裝置與伺服驅(qū)動系統(tǒng)、強電控制系統(tǒng)、檢測反饋系統(tǒng)又合稱為數(shù)控系統(tǒng)。1.2.1數(shù)控機床的組成與工作原理1.2數(shù)控機床圖1-1典型數(shù)控機床組成框圖1.2.1數(shù)控機床的組成與工作原理實際上,程序編制并非數(shù)控機床的物理組成部分。但從邏輯上講,數(shù)控機床的加工過程必須按數(shù)控加工程序的規(guī)定進行,數(shù)控加工程序編制是數(shù)控機床加工的一個重要環(huán)節(jié)。因此,常將采用數(shù)控指令系統(tǒng)所進行的數(shù)控加工程序編制列入數(shù)控機床的組成部分。數(shù)控裝置是數(shù)控機床的運算和控制系統(tǒng),目前均采用微型計算機及其外設(shè)和各種接口電路實現(xiàn)。伺服驅(qū)動系統(tǒng)負責將數(shù)控裝置輸出的控制指令信號放大,并驅(qū)動機床工作臺按照程序規(guī)定的軌跡運動,其輸入為電信號,輸出為機床的位移、速度和力。強電控制系統(tǒng)是介于數(shù)控裝置和機床的機械與液壓部件之間的各種開關(guān)執(zhí)行電器的控制系統(tǒng),主要實現(xiàn)各種輔助功能控制(如機床起停、換刀、切削液開關(guān)等控制),目前多由數(shù)控裝置內(nèi)置的可編程序機床控制器(ProgrammableMachineController,PMC)來實現(xiàn)。在數(shù)控機床上加工零件時,首先應根據(jù)零件圖樣的要求,結(jié)合所采用的數(shù)控機床的功能、性能和特點,確定合理的加工工藝,編制相應的數(shù)控加工程序,并采用適當?shù)姆绞綄⒊绦蜉斎氲綌?shù)控裝置。在數(shù)控機床加工過程中,數(shù)控裝置對數(shù)控加工程序進行編譯、運算和處理,輸出坐標控制指令到伺服驅(qū)動系統(tǒng),順序邏輯控制指令到PMC,通過伺服驅(qū)動系統(tǒng)和PMC驅(qū)動機床刀具或工件按照數(shù)控加工程序規(guī)定的軌跡和工藝參數(shù)運動,從而使機床精確地加工出符合圖樣要求的零件。1.2.2數(shù)控機床的分類1、按數(shù)控機床的加工工藝分類根據(jù)數(shù)控機床的加工工藝不同,并與傳統(tǒng)機床的稱謂相對應,可將數(shù)控機床分為數(shù)控車床、數(shù)控銑床、加工中心、數(shù)控鉆床、數(shù)控磨床、數(shù)控鏜床、數(shù)控剪板機、數(shù)控折彎機、數(shù)控電加工機床、數(shù)控三坐標測量機等,其中加工中心可將多種工藝內(nèi)容集中在同一臺機床上實現(xiàn),具有自動換刀功能,可在工件一次裝夾后連續(xù)自動地完成銑削、鉆削、鏜削、鉸孔、擴孔、攻螺紋等多道工序的加工。常見的加工中心有車削加工中心和鏜銑類加工中心。為了縮短上下料輔助時間,提高加工效率,便于進入自動化生產(chǎn)系統(tǒng),越來越多的加工中心配置了自動更換工作臺功能。1.2.2數(shù)控機床的分類2、按數(shù)控機床運動軌跡控制方式分類（1）點位控制數(shù)控機床點位控制數(shù)控機床的特點是,只要求控制刀具相對于工件在機床加工空間內(nèi)從某一加工點運動到另一加工點的精確坐標位置,而對兩點之間的運動軌跡原則上不進行控制,且在運動過程中不作任何加工,如圖1-2所示。圖1-2數(shù)控鉆床點位控制示意圖（2）連續(xù)控制數(shù)控機床連續(xù)控制數(shù)控機床的特點是,不僅要求控制刀具相對于工件在機床加工空間內(nèi)從某一點運動到另一點的精確坐標位置,而且要求對兩點之間的運動軌跡進行精確控制,且能夠邊移動邊加工,如圖1-3所示。1.2.2數(shù)控機床的分類圖1-3數(shù)控車床連續(xù)控制示意圖1.2.2數(shù)控機床的分類3、按伺服系統(tǒng)控制方式分類（1）開環(huán)控制數(shù)控機床開環(huán)控制的數(shù)控機床上沒有位置檢測與反饋裝置,數(shù)控系統(tǒng)僅按照數(shù)控加工程序的規(guī)定發(fā)出位置控制指令信號,而對機床的實際執(zhí)行情況不加任何檢測,因此機床結(jié)構(gòu)簡單、成本低,但加工精度也低。這類機床一般是負載不大、精度不高的經(jīng)濟型數(shù)控機床,常采用步進電動機或電液步進電動機作為執(zhí)行元件,其結(jié)構(gòu)如圖1-4所示。圖1-4開環(huán)控制數(shù)控機床（2）閉環(huán)控制數(shù)控機床閉環(huán)控制數(shù)控機床上有完善的位置檢測與反饋裝置,直接對機床末端執(zhí)行部件的實際位置進行檢測與反饋,并根據(jù)指令位置與實際位置的偏差對機床運動進行控制,因此機床加工精度高,但結(jié)構(gòu)復雜、成本高。這類機床一般是負載較大的大型或重型數(shù)控機床或高精度數(shù)控機床,常采用直流或交流伺服電動機、伺服液壓缸或液壓馬達作為執(zhí)行元件,其結(jié)構(gòu)如圖1-5所示。1.2.2數(shù)控機床的分類圖1-5閉環(huán)控制數(shù)控機床（2）半閉環(huán)控制數(shù)控機床半閉環(huán)控制數(shù)控機床是介于開環(huán)和閉環(huán)控制數(shù)控機床之間的一類機床,其控制原理與閉環(huán)控制數(shù)控機床相同,所不同的是其檢測元件不直接檢測機床末端執(zhí)行部件的實際位置,而是通過對執(zhí)行元件的輸出或伺服傳動機構(gòu)中間某個環(huán)節(jié)的輸出進行檢測,依據(jù)檢測點到末端執(zhí)行部件的傳動關(guān)系推算出末端執(zhí)行部件的實際位置,其結(jié)構(gòu)如圖1-6所示。這類數(shù)控機床與閉環(huán)控制的數(shù)控機床一樣采用了閉環(huán)反饋控制,但由于檢測元件所安裝的位置不同而將機械系統(tǒng)的大部分機構(gòu)封閉在反饋控制環(huán)之外,因此機床結(jié)構(gòu)和伺服控制系統(tǒng)的復雜程度、加工精度與成本等均介于開環(huán)和閉環(huán)控制數(shù)控機床之間,是目前應用最廣、數(shù)量最大的一類數(shù)控機床,目前企業(yè)中使用的大部分全功能數(shù)控機床均為半閉環(huán)控制的數(shù)控機床。1.2.2數(shù)控機床的分類圖1-6半閉環(huán)控制數(shù)控機床1.2.2數(shù)控機床的分類4、按數(shù)控機床功能強弱分類（1）經(jīng)濟型數(shù)控機床經(jīng)濟型數(shù)控機床又稱簡易數(shù)控機床,主要采用功能較弱、價格低廉的經(jīng)濟型數(shù)控裝置,多為開環(huán)控制,其機械結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)機床結(jié)構(gòu)差異不大,剛度與精度均較低。由于這類機床經(jīng)濟性好,因此在我國中小企業(yè)應用廣泛。目前國產(chǎn)數(shù)控儀表機床多為經(jīng)濟型數(shù)控機床,有些企業(yè)還以自用為目的,采用經(jīng)濟型數(shù)控裝置對傳統(tǒng)機床進行適當改造,獲得經(jīng)濟型數(shù)控機床。經(jīng)濟型數(shù)控機床的脈沖當量一般在0.001~0.01mm范圍內(nèi)。（2）全功能數(shù)控機床全功能數(shù)控機床又稱普及型數(shù)控機床,采用功能完善、價格較高的數(shù)控裝置(如日本的FANUC、德國的SIEMENS以及國產(chǎn)的廣州GSK、華中HNC等系統(tǒng)中的中高端數(shù)控裝置等),采用閉環(huán)或半閉環(huán)控制,直流或交流伺服電動機驅(qū)動,在機械結(jié)構(gòu)設(shè)計上充分考慮了強度、剛度、抗振性、低速運動平穩(wěn)性、精度、熱穩(wěn)定性和操作宜人等方面的要求,能實現(xiàn)高速、強力切削或高精度產(chǎn)品加工。這類機床是企業(yè)生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備,隨著我國制造業(yè)的迅速發(fā)展,在企業(yè)中得到了越來越普遍的應用。全功能數(shù)控機床的脈沖當量一般在0.1~1μm范圍內(nèi)。1.2.2數(shù)控機床的分類（3）高端數(shù)控機床高端數(shù)控機床是指五軸以上閉環(huán)聯(lián)動控制、能加工復雜形狀零件的數(shù)控機床,或者工序高度集中、具備高度柔性、智能化的數(shù)控機床,或者可進行超高速、精密、超精密甚至納米加工的數(shù)控機床,這類機床性能很好,但價格也很高,以往僅用在特別需要的場合,近年來在我國制造業(yè)快速發(fā)展的驅(qū)動下,高端數(shù)控機床的需求呈快速上升趨勢。高端數(shù)控機床的脈沖當量一般為0.1μm,甚至更小。1.2.2數(shù)控機床的分類5、按控制聯(lián)動坐標軸數(shù)分類按所能控制聯(lián)動坐標軸數(shù)目的不同,數(shù)控機床還可分成兩坐標、三坐標、四坐標和五坐標等數(shù)控機床。兩坐標數(shù)控機床主要用于加工二維平面輪廓;三坐標數(shù)控機床主要用于加工三維立體輪廓;四坐標和五坐標數(shù)控機床主要用于加工空間復雜曲面、特殊零件型面或結(jié)構(gòu)復雜、精度要求高、難加工的箱體類零件。范圍內(nèi)。1.2.3數(shù)控機床的特點與傳統(tǒng)機床相比,數(shù)控機床具有下述顯著特點:（1）自動化程度高。（2）加工精度高。（3）生產(chǎn)率高。（4）對工件的適應性強。（5）有利于生產(chǎn)管理信息化。1.2.4數(shù)控機床坐標系1、數(shù)控機床坐標系數(shù)控機床坐標系采用右手笛卡兒直角坐標系,如圖1-7所示。該坐標系規(guī)定了X、Y、Z三個相互垂直的直線坐標軸和分別繞三個直線坐標軸回轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)坐標軸A、B、C。坐標系中各坐標軸應與機床各主要導軌平行,坐標軸X、Y、Z的正向采用右手定則確定,坐標軸A、B、C的正向采用右手螺旋定則確定。圖1-7數(shù)控機床坐標系1.2.4數(shù)控機床坐標系數(shù)控機床在設(shè)計、制造和使用過程中涉及幾種不同的坐標系,分別是機床坐標系、工件坐標系、絕對坐標系和相對坐標系、附加坐標系等。(1)機床坐標系。機床坐標系是機床上固有的坐標系,并設(shè)有固定的坐標原點,稱為機床零點或機械零點。該坐標系由數(shù)控機床制造商提供,機床出廠時該坐標系就已確定,用戶不能輕易修改。該坐標系與機床的位置檢測系統(tǒng)相對應,是數(shù)控機床的基準,機床每次上電開機后,應首先使運動部件返回機床零點,對機床坐標系進行校準。(2)工件坐標系。工件坐標系可以任意設(shè)置,它是為方便編程和加工由編程人員在編制零件數(shù)控加工程序時設(shè)置的,不同的零件或不同的編程人員可以根據(jù)習慣或工藝特點而采用不同的工件坐標系。工件坐標系的設(shè)置主要考慮工件形狀、工件在機床上的裝夾方法以及刀具加工軌跡計算等因素,一般以工件圖樣上某一固定點為原點,沿平行于各裝夾定位面設(shè)置各坐標軸,按工件坐標系中的尺寸計算刀具加工軌跡并編程。加工時,通過對刀和坐標系偏置等操作建立起工件坐標系與機床坐標系的關(guān)系,將工件坐標系置于機床坐標系中,如圖1-8所示,其中XOY為機床坐標系,X1O1Y1為工件坐標系。圖1-8機床坐標系與工件坐標系的相互關(guān)系1.2.4數(shù)控機床坐標系(3)絕對坐標系和相對坐標系。絕對坐標系是指刀具運動軌跡上所有點的坐標值均從某一固定坐標原點計量的坐標系。相對坐標系(又稱增量坐標系)是指刀具運動軌跡的終點坐標是相對于起點計量的坐標系。絕對坐標系和相對坐標系是為了編程方便而采用的,可通過標準數(shù)控代碼G90(絕對坐標指令代碼)和G91(相對坐標指令代碼)進行轉(zhuǎn)換。在圖1-9中,若A點為刀具起點,B點為刀具終點,采用絕對坐標系時,坐標系原點在O點,編程終點坐標為XB=12,YB=15;采用相對坐標系時,坐標原點在O1(A)點,編程終點坐標為X1B=-18,Y1B=-20。(4)附加坐標系。如果機床在主坐標系XYZABC的坐標運動之外還有與之平行的坐標運動,則可分別用U、V、W、P、Q、R來指定相應的坐標軸,構(gòu)成附加坐標系UVWPQR。附加坐標系一般僅在大型數(shù)控機床上出現(xiàn)。圖1-9絕對坐標系與相對坐標系1.2.4數(shù)控機床坐標系2、數(shù)控機床坐標軸的確定(1)Z軸及其方向?qū)τ谟兄鬏S的機床,如車床、銑床、鉆鏜床等,Z軸與主軸軸線平行;對于沒有主軸的機床,如刨床等,或多主軸機床,如龍門式輪廓銑床等,Z軸與工件裝夾面(即工作臺面)的法線平行。使刀具遠離工件或使工件尺寸增大的運動方向為Z軸的正方向。由于Z軸特征明顯,容易識別,故一般應首先確定Z軸及其方向。(2)X軸及其方向X軸一般位于與主軸軸線垂直或與工件裝夾面平行的水平面內(nèi)。在工件旋轉(zhuǎn)的機床上,如車床等,X軸垂直于主軸軸線且平行于橫向滑板,使刀具遠離工件或使工件尺寸增大的運動方向為X軸的正方向。(3)Y軸及其方向Y軸及其方向可在已經(jīng)確定好Z軸和X軸的基礎(chǔ)上,按右手定則來確定。數(shù)控技術(shù)起源于美國,起因于軍工發(fā)展的需要。1948年,美國人帕森斯(JohnParsons)提出了采用穿孔卡片存儲機床坐標位置信息并控制機床按坐標位置進行工件表面輪廓加工的設(shè)想。基于這一設(shè)想,帕森斯作為經(jīng)理的美國帕森斯公司(ParsonsCo.)于1949年承擔了為美國空軍研究開發(fā)直升機螺旋槳葉輪輪廓檢驗樣板加工機床的任務。在麻省理工學院伺服機構(gòu)實驗室(ServoMechanismLaboratoryoftheMassachusettsInstituteofTechnology)的合作下,經(jīng)過三年的研究,于1952年試制成功世界上第一臺數(shù)控機床,這是一臺采用穿孔帶作為輸入介質(zhì)、按脈沖乘法器直線插補原理進行三坐標連續(xù)控制的銑床,其數(shù)控裝置采用電子管元件制造,體積比機床本體還大,如圖1-13所示。1.3.1數(shù)控機床發(fā)展簡史1.3數(shù)控機床的發(fā)展圖1-13世界上第一臺數(shù)控機床1.3.1數(shù)控機床發(fā)展簡史我國數(shù)控技術(shù)起步于1958年,其發(fā)展歷程大致可分為四個階段:第一階段從1958年到1979年,即封閉式發(fā)展階段。在此階段,由于國外的技術(shù)封鎖和我國基礎(chǔ)條件的限制,數(shù)控技術(shù)的發(fā)展較為緩慢。第二階段是在國家的“六五”“七五”期間以及“八五”的前期,即引進技術(shù)、消化吸收、初步建立起國產(chǎn)化體系階段。在此階段,由于改革開放和國家的重視,以及研究開發(fā)環(huán)境和國際環(huán)境的改善,我國數(shù)控技術(shù)的研究、開發(fā)以及在產(chǎn)品的國產(chǎn)化方面都取得了長足的進步。第三階段是在國家的“八五”后期和“九五”期間,即實施產(chǎn)業(yè)化的研究,進入市場競爭階段。在此階段,我國國產(chǎn)數(shù)控裝備的產(chǎn)業(yè)化取得了實質(zhì)性進步。第四階段是進入21世紀以后,我國的數(shù)控機床進入了快速發(fā)展與普及應用期。在數(shù)控機床應用方面,以往由于我國的制造業(yè)長期處于低迷狀態(tài),數(shù)控機床的擁有率一直很低。進入21世紀以來,我國制造業(yè)迅速崛起,目前已發(fā)展成為制造業(yè)大國,并正在向制造業(yè)強國挺進。在此過程中,數(shù)字化制造、兩化融合(信息化與工業(yè)化深度融合)、機器換人等已成為企業(yè)的迫切追求,推動了數(shù)控機床擁有率和普及率的迅速提高,目前我國制造業(yè)企業(yè)關(guān)鍵工序的數(shù)控化率平均已達33%,主要行業(yè)大中型企業(yè)關(guān)鍵工序的數(shù)控化率已超過50%。在我國沿海制造業(yè)比較發(fā)達的地區(qū),制造業(yè)企業(yè)無論大小都已普及應用數(shù)控機床,從而導致近幾年在各類媒體上經(jīng)常出現(xiàn)數(shù)控技術(shù)人才大量需求的報道。目前,數(shù)控技術(shù)與數(shù)控機床的迅速普及和廣泛應用已成為我國從制造大國向制造強國發(fā)展的一個重要標志?？梢灶A見,隨著《中國制造2025》與《<中國制造2025>重點領(lǐng)域技術(shù)路線圖(2015年版)》的發(fā)布和實施,以及機器換人工程的逐步推進,我國數(shù)控機床的擁有率和普及率、制造過程的數(shù)控化率等指標將迅速提高,為實現(xiàn)從制造大國向制造強國轉(zhuǎn)變奠定重要基礎(chǔ)。1.3.2數(shù)控機床的發(fā)展趨勢(1)智能化。數(shù)控技術(shù)通過與迅速發(fā)展的人工智能相融合,使數(shù)控機床具有語音編程、工藝參數(shù)自動生成、三維刀具補償、運動參數(shù)動態(tài)補償、模糊控制、學習控制、自適應控制、在線故障診斷等功能,能夠?qū)崟r感知加工過程中的機床、刀具、工件的各種狀態(tài)信息及周邊環(huán)境相關(guān)信息,通過自主分析和決策,對數(shù)控加工程序和工藝參數(shù)進行實時動態(tài)優(yōu)化調(diào)整,對加工過程進行自適應最優(yōu)控制。(2)開放化。具有開放式體系結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)是在基于PC的CNC系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,其硬件、軟件和總線規(guī)范都是對外開放的,可以大量采用通用微機的先進技術(shù)(如多媒體技術(shù)等),實現(xiàn)聲控自動編程、圖形掃描自動編程等功能。具有開放式體系結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)由于有充足的軟、硬件資源可供利用,不僅可使數(shù)控系統(tǒng)制造商和用戶進行的系統(tǒng)集成得到有力的支持,而且也為用戶的二次開發(fā)帶來極大方便,使用戶能夠?qū)⑻厥鈶煤图夹g(shù)訣竅集成到控制系統(tǒng)中,促進了數(shù)控系統(tǒng)多檔次、多品種的開發(fā)和廣泛應用。開放式的體系結(jié)構(gòu)既可通過升檔或剪裁構(gòu)成各種檔次的數(shù)控系統(tǒng),又可通過擴展構(gòu)成不同類型數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng),使開發(fā)生產(chǎn)周期大大縮短。(3)網(wǎng)絡(luò)化。數(shù)控機床網(wǎng)絡(luò)化的重要意義主要體現(xiàn)在三個方面,第一是在企業(yè)內(nèi)部,具有網(wǎng)絡(luò)功能的數(shù)控機床可充分實現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部資源和信息的共享,使企業(yè)底層生產(chǎn)控制系統(tǒng)的