第一章数控机床概述.docx
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第一章数控机床概述
第一章 数控机床概述 6
教学目的和要求：
使学生掌握数控、计算机数控，数控机床等基本概念，了解数控机床的特点，数控装置的主要技术指标，掌握数控机床的组成与分类以及数控技术的发展及其技术水平。
重点：
数字控制的基本概念。
数控机床的组成及分类。
数控技术的发展。
难点：
数控机床的控制原理和组成。
思考题：
1-1．名词解释：
数字控制、数控机床、点位控制系统、轮廓控制系统、开环伺服系统、闭环伺服系统、半闭环伺服系统
1-2．NC机床由哪儿部分组成，试用框图表示各部分之间的关系。
1-3．试从控制精度、系统稳定性及经济性三方面，比较开环、闭环、半闭环系统的优劣？
1-4．从NC系统、联动轴数、伺服系统、机床来看，NC机床各分为几类，它们各用于什么场合？
1-5．NC机床适用于加工哪些类型零件，不适用于哪些类型的零件，为什么？
第一章 数控机床概述
内容提要：
本章主要介绍数控技术、数控机床等的基本概念；数控机床的组成与各部分介绍；数控机床加工的特点；数控机床的工作原理及分类；数控机床的应用范围；数控机床的产生、及发展；与数控技术发展相关的新技术。
第一节 数控机床简介
a） 自从本世纪中叶数控技术创立以来，它给机械制造业带来了革命性的变化。
b） 现在数控技术已成为制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础技术，现代的CAD/CAM，FMS和CIMS、敏捷制造和智能制造等，都是建立在数控技术之上；
c） 数控技术是提高产品质量、提高劳动生产率必不可少的物质手段；
d） 是国家的战略技术：
东芝事件、考克斯报告！
e） 基于它的相关产业是体现国家综合国力水平的重要基础性产业；
f） 专家们预言:
二十一世纪机械制造业的竞争，其实质是数控技术的竞争。
数字控制与数控技术：
1、数字控制（NumericalControl NC）是一种借助数字、字符或其它符号对某一工作过程（如加工、测量、装配等）进行可编程控制的自动化方法。
2、数控技术（NumericalControlTechnology）采用数字控制的方法对某一工作过程实现自动控制的技术。
3、数控机床（NumericalControlMachineTools）是采用数字控制技术对机床的加工过程进行自动控制的一类机床。
它数控技术典型应用的例子。
4、数控系统（NumericalControlSystem）实现数字控制的装置。
5、计算机数控系统（ComputerNumericalControl CNC）以计算机为核心的数控系统。
第二节 数控机床的组成与各部分介绍
数控系统与数控机床的组成
1、操作面板
a、它是操作人员与数控装置进行信息交流的工具。
b、组成：
按钮站、状态灯、按键阵列（功能与计算机键盘一样）和显示器；。
c、它是数控机床特有部件
2、控制介质与输入输出设备
a、控制介质是记录零件加工程序的媒介
b、输入输出设备是CNC系统与外部设备进行交互装置。
交互的信息通常是零件加工程序。
即将编制好的记录在控制介质上的零件加工程序输入CNC系统或将调试好了的零件加工程序通过输出设备存放或记录在相应的控制介质上。
c、数控机床常用的控制介质和输入输出设备下表
控制介质
输入设备
输入设备
穿孔纸带
纸带阅读机
纸带穿孔机
磁带
磁带机或录音机
磁盘
磁盘驱动器
通讯
现代的数控系统除采用输入输出设备进行信息交换外，一般都具有用通讯方式进行信息交换的能力。
它们是实现CAD/CAM的集成、FMS和CIMS的基本技术。
采用的方式有：
a、串行通讯（RS-232等串口）、
b、自动控制专用接口和规范（DNC方式，MAP协议等）
c、网络技术（internet，LAN等）。
3、CNC装置（CNC单元）
a、组成：
计算机系统、位置控制板、PLC接口板，通讯接口板、特殊功能模块以及相应的控制软件。
b、作用：
根据输入的零件加工程序进行相应的处理（如运动轨迹处理、机床输入输出处理等），然后输出控制命令到相应的执行部件（伺服单元、驱动装置和PLC等），所有这些工作是由CNC装置内硬件和软件协调配合，合理组织，使整个系统有条不紊地进行工作的。
CNC装置是CNC系统的核心
4、伺服单元、驱动装置和测量装置
a、伺服单元和驱动装置
主轴伺服驱动装置和主轴电机
进给伺服驱动装置和进给电机
b、测量装置
位置和速度测量装置。
以实现进给伺服系统的闭环控制。
c、作用 保证灵敏、准确地跟踪CNC装置指令：
进给运动指令：
实现零件加工的成形运动（速度和位置控制）。
主轴运动指令，实现零件加工的切削运动（速度控制）
5、PLC、机床I/O电路和装置
a、PLC（ProgrammableLogicController）：
用于完成与逻辑运算有关顺序动作的I/O控制，它由硬件和软件组成；
b、机床I/O电路和装置：
实现I/O控制的执行部件（由继电器、电磁阀、行程开关、接触器等组成的逻辑电路；
c、功能：
接受CNC的M、S、T指令，对其进行译码并转换成对应的控制信号，控制辅助装置完成机床相应的开关动作
接受操作面板和机床侧的I/O信号，送给CNC装置，经其处理后，输出指令控制CNC系统的工作状态和机床的动作。
6、机床
a、机床：
数控机床的主体，是实现制造加工的执行部件。
b、组成：
由主运动部件、进给运动部件（工作台、拖板以及相应的传动机构）、支承件（立柱、床身等）以及特殊装置（刀具自动交换系统工件自动交换系统）和辅助装置（如排屑装置等）。
第三节 数控机床的加工特点
数控机床在机械制造业中得到日益广泛的应用，是因为它具有如下特点：
1、能适应不同零件的自动加工；
2、生产效率和加工精度高、加工质量稳定；
3、能高效优质完成复杂型面零件的加工；
4、工序集中，一机多用；
5、数控机床是一种高技术的设备。
第四节 数控机床的工作原理及分类
一、数控装置的工作过程
CNC装置的工作是在硬件的支持下执行软件的过程。
下面简要说明CNC装置的工作情况。
1、程序输入
将编写好的数控加工程序输入给CNC装置的方式有：
纸带阅读机输入、键盘输入、磁盘输入、通讯接口输入及连接上一级计算机的DNC（DirectNumericalControl）接口输入。
CNC装置在输入过程中还要完成校验和代码转换等工作，输入的全部信息都放到CNC装置的内部存储器中。
2、译码
在输入的工件加工程序中含有工件的轮廓信息（起点、终点、直线、圆弧等）、加工速度（F代码）及其它辅助功能（M、S、T）信息等，译码程序以一个程序段为单位，按一定规则将这些信息翻译成计算机内部能识别的数据形式，并以约定的格式存放在指定的内存区间。
3、数据处理
数据处理程序一般包括刀具半径补偿、速度计算以及辅助功能处理。
刀具半径补偿是把零件轮廓轨迹转化成刀具中心轨迹，编程员只需按零件轮廓轨迹编程，减轻了工作量。
速度计算是解决该加工程序段以什么样的速度运动的问题。
编程所给的进给速度是合成速度，速度计算是根据合成速度来计算各坐标运动方向的分速度。
另外对机床允许的最低速度和最高速度的限制进行判断并处理。
辅助功能诸如换刀、主轴启停、切削液开关等一些开关量信号也在此程序中处理。
辅助功能处理的主要工作是识别标志，在程序执行时发出信号，让机床相应部件执行这些动作。
4、插补
插补的任务是通过插补计算程序在已知有限信息的基础上进行“数据点的密化”工作，即在起点和终点之间插入一些中间点。
5、位置控制
它的主要任务是在每个采样周期内，将插补计算的理论位置与实际反馈位置相比较，用其差值去控制进给电动机，进而控制工作台或刀具的位移。
6、输入/输出（I/O）处理控制
I/O处理主要处理CNC系统和机床之间的来往信号的输入和输出控制。
7、显示
CNC系统的显示主要是为操作者提供方便，通常有：
零件程序显示、参数设置、刀具位置显示、机床状态显示、报警显示、刀具加工轨迹动态模拟显示以及在线编程时的图形显示等
8、诊断
主要是指CNC系统利用内装诊断程序进行自诊断，主要有启动诊断和在线诊断。
启动诊断是指CNC系统每次从通电开始进入正常的运行准备状态中，系统相应的内诊断程序通过扫描自动检查系统硬件、软件及有关外设是否正常。
只有当检查的每个项目都确认正确无误之后，整个系统才能进入正常的准备状态。
否则，CNC系统将通过报警方式指出故障的信息，此时，启动诊断过程不能结束，系统不能投入运行。
在线诊断程序是指在系统处于正常运行状态中，由系统相应的内装诊断程序，通过定时中断周期扫描检查CNC系统本身以及各外设。
只要系统不停电，在线诊断就不会停止。
二、数控机床的分类：
数控机床的种类很多，从不同角度对其进行考查，就有不同的分类方法，通常有以下几种不同的分类方法：
1、按工艺用途分类
切削加工类：
数控镗铣床、数控车床、数控磨床、加工中心、数控齿轮加工机床、FMC等。
成型加工类：
数控折弯机、数控弯管机等。
特种加工类：
数控线切割机、电火花加工机、激光加工机等。
其它类型：
数控装配机、数控测量机、机器人等。
2、按控制功能分类
点位控制数控系统
仅能实现刀具相对于工件从一点到另一点的精确定位运动；
对轨迹不作控制要求；
运动过程中不进行任何加工。
适用范围：
数控钻床、数控镗床、数控冲床和数控测量机。
轮廓控制数控系统
轮廓控制（连续控制）系统：
具有控制几个进给轴同时谐调运动（坐标联动），使工件相对于刀具按程序规定的轨迹和速度运动，在运动过程中进行连续切削加工的数控系统。
适用范围：
数控车床、数控铣床、加工中心等用于加工曲线和曲面的机床。
现代的数控机床基本上都是装备的这种数控系统。
3、按联动轴数分类
2轴联动（平面曲线）
3轴联动（空间曲面，球头刀）
4轴联动（空间曲面）
5轴联动及6轴联动（空间曲面）。
联动轴数越多数控系统的控制算法就越复杂。
4、按进给伺服系统的类型分类
按数控系统的进给伺服子系统有无位置测量装置可分为开环数控系统和闭环数控系统，在闭环数控系统中根据位置测量装置安装的位置又可分为全闭环和半闭环两种。
开环数控系统
没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置Õ进给系统），故系统稳定性好。
无位置反馈，精度相对闭环系统来讲不高，其精度主要取决于伺服驱动系统和机械传动机构的性能和精度。
一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。
这类系统具有结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉等优点，在精度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合得到广泛应用。
一般用于经济型数控机床。
半闭环数控系统
半闭环数控系统的位置采样点如图所示，是从驱动装置（常用伺服电机）或丝杠引出，采样旋转角度进行检测，不是直接检测运动部件的实际位置。
半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，因此可获得稳定的控制性能，其系统的稳定性虽不如开环系统，但比闭环要好。
由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难以消除。
因此，其精度较闭环差，较开环好。
但可对这类误差进行补偿，因而仍可获得满意的精度。
半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度也较高，因而在现代CNC机床中得到了广泛应用。
全闭环数控系统
全闭环数控系统的位置采样点如图所示，直接对运动部件的实际位置进行检测。
从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节的误差、间隙和失动量。
具有很高的位置控制精度。
由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的，故很容易造成系统的不稳定，使闭环系统的设计、安装和调试都相当困难。
该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精磨床以及较大型的数控机床等。
第三节 第五节 数控机床的应用范围
数控机床的确具有普通机床所不具备的许多优点。
而且它的应用范围还在不断扩大，但是在目前还不能完全取代普通机床，也就是说，它不能以最经济的方式来解决加工制造中所有问题。
为了更好地说明这个问题，有必要先初步了解一下采用数控机床加工的优缺点。
1、数控加工的优点
（1）自动化程度高，可以减轻工人的体力劳动强度
（2）加工的零件一致性好，质量稳定
（3）生产效率较高
（4）便于产品研制
（5）便于实现计算机辅助制造。
2、数控加工的缺点
任何事物都是两重性。
数控加工虽有上述各种优点，同时在某些方面也存在不足之处：
（1）单位加工成本较高 。
（2）只适宜于多品种小批量或中批量生产（占机械加工总量70%~80%）
（3）加工中的调整相对复杂
（4）维修难度大
3、数控加工的适应性
根据数控加工的优缺点及国内外大量应用实践，一般可按适应程度将零件分为下列三类：
（1）最适应类
对于下述零件，首先应考虑能不能把它们加工出来，即要着重考虑可能性问题。
只要有可能，可先不要过多地去考虑生产率与经济上是否合理，都应把对其进行数控加工作为优选方案。
a、形状复杂：
加工精度要求高，用通用机床无法加工或虽然能加工但很难保证产品质量的零件；
b、用数学模型描述的复杂曲线或曲面轮廓零件；
c、具有难测量、难控制进给、难控制尺寸的不开敞内腔的壳体或盒型零件；
d、必须在一次装夹中合并完成铣、镗、锪、铰或攻丝等多工序的零件。
（2）较适应类
这类零件在分析其可加工性以后，还要在提高生产率及经济效益方面作全面衡量，一般可把它们作为数控加工的主要选择对象。
a、在通用机床上加工时极易受人为因素（如：
情绪波动、体力强弱、技术水平高低等）干扰，零件价值又高，一旦质量失控便造成重大经济损失的零件；
b、在通用机床上加工时必须制造复杂专用工装的零件；
c、需要多次更改设计后才能定型的零件；
d、在通用机床上加工需要作长时间调整的零件；
e、用通用机床加工时，生产率很低或体力劳动强度很大的零件。
（3）不适应类
下述一类零件采用数控加工后，在生产效率与经济性方面一般无明显改善，还可能弄巧成拙或得不偿失，故此类零件一般不应作为数控加工的选择对象。
a、生产批量大的零件（当然不排除其中个别工序用数控机床加工）；
b、装夹困难或完全靠找正定位来保证加工精度的零件；
c、加工余量很不稳定，且数控机床上无在线检测系统可自动调整零件坐标位置的；
d、必须用特定的工艺装备协调加工的零件。
根据上述数控加工的适应性，我们就可以根据所拥有的数控机床来选择加工对象，或根据零件类型来考虑哪些应该先安排数控加工，或从技术改造角度考虑，是否要投资添置数控机床。
第六节 数控机床的产生及发展
一、产生背景
1、数控技术产生和发展的内在动力：
市场竞争日趋激烈，产品更新换代加快，大批量产品越来越少，小批量产品生产的比重越来越大，迫切需要一种精度高、柔性好加工设备来满足上述需求。
2、数控技术产生和发展的技术基础：
电子技术和计算机技术的飞速发展则为NC机床的进步提供了坚实的技术基础。
数控技术正是在这种背景下诞生和发展起来的。
它的产生给自动化技术带来了新的概念，推动了加工自动化技术的发展。
二、发展沿革
a、1952年，Parsons公司和M.I.T合作研制了世界上第一台三座标数控机床。
b、1955年，第一台工业用数控机床由美国Bendix公司生产出来。
c、从1952年至今，NC机床按NC系统的发展经历的五代。
第一代：
1955年 NC系统以电子管组成，体积大，功耗大。
第二代：
1959年 NC系统以晶体管组成，广泛采用印刷电路板。
第三代：
1965年 NC系统采用小规模集成电路作为硬件，其特点是体积小，功耗低，可靠性进一步提高。
以上三代NC系统，由于其数控功能均由硬件实现，故历史上又称其为“硬线NC”
第四代：
1970年 NC系统采用小型计算机取代专用计算机，其部分功能由软件实现，它具有价格低，可靠性高和功能多等特点。
第五代：
1974年 NC系统以微处理器为核心，不仅价格进一步降低，体积进一步缩小，使实现真正意义上的机电一体化成为可能。
这一代又可分为六个发展阶段：
1974年：
系统以位片微处理器为核心，有字符显示，自诊断功能。
1979年：
系统采用CRT显示，VLIC，大容量磁泡存储器，可编程接口和遥控接口等。
1981年：
具有人机对话、动态图形显示、实时精度补偿功能。
1986年：
数字伺服控制诞生，大惯量的交直流电机进入实用阶段。
1988年：
采用高性能32位机为主机的主从结构系统。
1994年：
基于PC的NC系统诞生，使NC系统的研发进入了开放型、柔性化的新时代，新型NC系统的开发周期日益缩短。
它是数控技术发展的又一个里程碑。
称为第六代
三、我国数控技术的发展：
1958年起步
“六五”（1981~1985年）引进国外技术
“七五”（1986~1990年）消化吸收
“八五”（1991~1995年）科技攻关
“九五”（1996~2000年）产业化攻关
我国目前的数控技术已达到第六代
第六代的优势：
a、元器件集成度最高，可靠性好，性能高
b、技术进步快升级换代容易
c、提供了开放式的基础可供利用的软硬件丰富，数控功能得到相应扩展
d、对数控系统生产厂家来说，可拥有性能良好、种类繁多的开发工具和环境
四、发展趋势
进入九十年代以来，随着国际上计算机技术突飞猛进的发展，数控技术不断采用计算机、控制理论等领域的最新技术成就，使其朝着下述方向发展
a、运行高速化 b、加工高精化 c、功能复合
d、控制智能化 e、体系开放化 f、驱动并联化
g、交互网络化
运行高速化、加工高精化
速度和精度是数控设备的两个重要指标，它们是数控技术永恒追求的目标。
因为它直接关系到加工效率和产品质量。
新一代数控设备在运行高速化、加工高精化等方面都有了更高的要求。
运行高速化：
使进给率、主轴转速、刀具交换速度、托盘交换速度实现高速化，并且具有高加（减）速率。
进给率高速化：
在分辨率为1mm时，Fmax=240m/min。
在Fmax下可获得复杂型面的精确加工；
在程序段长度为1mm时，Fmax=30m/min，并且具有1.5g的加减速率；
主轴高速化：
采用电主轴（内装式主轴电机），即主轴电机的转子轴就是主轴部件。
主轴最高转速达200000r/min。
主轴转速的最高加（减）速为1.0g，即仅需1.8秒即可从0提速到15000r/min。
换刀速度
0.9秒（刀到刀）
2.8秒（切削到切削）
工作台（托盘）交换速度 6.3秒。
加工高精化：
提高机械设备的制造和装配精度；提高数控系统的控制精度；采用误差补偿技术。
提高CNC系统控制精度：
采用高速插补技术，以微小程序段实现连续进给，使CNC控制单位精细化，
采用高分辨率位置检测装置，提高位置检测精度（日本交流伺服电机已有装上106脉冲/转的内藏位置检测器，其位置检测精度能达到0.01mm/脉冲）；
位置伺服系统采用前馈控制与非线性控制等方法。
采用误差补偿技术：
采用反向间隙补偿、丝杆螺距误差补偿和刀具误差补偿等技术;
设备的热变形误差补偿和空间误差的综合补偿技术。
研究结果表明，综合误差补偿技术的应用可将加工误差减少60％～80％。
三井精机的JidicH5D型超精密卧式加工中心的定位精度为±0.1mm。
由于计算机技术的不断进步，促进了数控技术水平的提高，数控装置、进给伺服驱动装置和主轴伺服驱动装置的性能也随之提高，使得现代的数控设备在新的技术水平下，可同时具备运行高速化、加工高精化的性能。
功能复合化
复合化是指在一台设备能实现多种工艺手段加工的方法。
镗铣钻复合—加工中心（ATC）、五面加工中心（ATC，主轴立卧转换）；
车铣复合—车削中心（ATC，动力刀头）；
铣镗钻车复合—复合加工中心（ATC，可自动装卸车刀架）；
铣镗钻磨复合—复合加工中心（ATC，动力磨头）；
可更换主轴箱的数控机床—组合加工中心；
控制智能化
随着人工智能技术的不断发展，并为满足制造业生产柔性化、制造自动化发展需求，数控技术智能化程度不断提高，具体体现在以下几个方面：
加工过程自适应控制技术
通过监测加工过程中的切削力、主轴和进给电机的功率、电流、电压等信息，利用传统的或现代的算法进行识别，以辩识出刀具的受力、磨损以及破损状态，机床加工的稳定性状态；并根据这些状态实时修调加工参数（主轴转速，进给速度）和加工指令，使设备处于最佳运行状态，以提高加工精度、降低工件表面粗糙度以及设备运行的安全性。
加工参数的智能优化与选择
将工艺专家或技工的经验、零件加工的一般与特殊规律，用现代智能方法，构造基于专家系统或基于模型的“加工参数的智能优化与选择器”，利用它获得优化的加工参数，从而达到提高编程效率和加工工艺水平，缩短生产准备时间的目的。
采用经过优化的加工参数编制的加工程序，可使加工系统始终处于较合理和较经济的工作状态。
智能故障诊断与自修复技术
智能故障诊断技术：
根据已有的故障信息，应用现代智能方法（AI、ES、ANN等），实现故障快速准确定位的技术。
智能故障自修复技术：
指能根据诊断确定故障原因和部位，以自动排除故障或指导故障的排除技术。
智能自修复技术集故障自诊断、故障自排除、自恢复、自调节于一体，并贯穿于加工过程的整个生命周期。
智能故障诊断技术在有些日本、美国公司生产的数控系统中已有应用，基本上都是应用专家系统实现的。
智能化自修复技术还在研究之中。
智能化交流伺服驱动装置
目前已开始研究能自动识别负载，并自动调整参数的智能化伺服系统，包括智能主轴交流驱动装置和智能化进给伺服装置。
这种驱动装置能自动识别电机及负载的转动惯量，并自动对控制系统参数进行优化和调整，使驱动系统获得最佳运行。
智能4M数控系统
在制造过程中，加工、检测一体化是实现快速制造、快速检测和快速响应的有效途径，将测量（Measurement）、建模（Modelling）、加工（Manufacturing）、机器操作（Manipulator）四者（即4M）融合在一个系统中，实现信息共享，促进测量、建模、加工、装夹、操作一体化的4M智能系统。
体系开放化
定义（IEEE）：
具有在不同的工作平台上均能实现系统功能、且可以与其他的系统应用进行互操作的系统。
开放式数控系统特点：
系统构件（软件和硬件）具有标准化（Standardization）与多样化（Diversification）和互换性（Interchangeability）的特征
允许通过对构件的增减来构造系统，实现系统“积木式”的集成。
构造应该是可移植的和透明的；
开放体系结构CNC的优点
a、向未来技术开放：
由于软硬件接口都遵循公认的标准协议，只需少量的重新设计和调整，新一代的通用软硬件资源就可能被现有系统所采纳、吸收和兼容，这就意味着系统的开发费用将大大降低而系统性能与可靠性将不断改善并处于长生命周期；
b、标准化的人机界面：
标准化的编
升级会员 