數(shù)控機(jī)床組成及數(shù)字控制原理

單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,*,*,單擊此處編輯母版文本樣式,點(diǎn)擊此處結(jié)束放映,數(shù)控機(jī)床原理與結(jié)構(gòu),12/11/2024,1,上 篇,數(shù)控機(jī)床控制技術(shù),12/11/2024,2,第 1 章,數(shù)控機(jī)床組成,及,數(shù)字控制原理,12/11/2024,3,1.1數(shù)控裝置的概念,1.1 數(shù)控機(jī)床的組成及分類,1.1.1 數(shù)控機(jī)床的控制技術(shù),1.1.2 數(shù)控機(jī)床組成,1.1.3 數(shù)控機(jī)床的分類,1.2 國內(nèi)外數(shù)控機(jī)床的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢,1.2.1 國外數(shù)控機(jī)床的發(fā)展與現(xiàn)狀,1.2.2 我國數(shù)控機(jī)床的現(xiàn)狀,1.2.3 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢,12/11/2024,4,數(shù)控機(jī)床的控制技術(shù),數(shù)控裝置是一種控制系統(tǒng)，它自動(dòng)閱讀輸入載體上預(yù)先給定的數(shù)字值，并對其譯碼、運(yùn)算，并據(jù)此而控制刀具與工件相對運(yùn)動(dòng)，加工出所需要的零件12/11/2024,5,圖,10 數(shù)控加工原理,1逼近處理,Li=Ft（i1,2,）,則當(dāng)t 0 時(shí)，折線段之和接近曲線 L，即：,且有：F,x,=x,i,t,F,y,=y,i,t,2插補(bǔ)運(yùn)算,12/11/2024,6,數(shù)控機(jī)床種類繁多，有鉆銑鏜床類、車削類、磨削類、電加工類、鍛壓類、激光加工類和其他特殊用途的專用數(shù)控機(jī)床等等，凡是采用了數(shù)控技術(shù)進(jìn)行控制的機(jī)床統(tǒng)稱 NC 機(jī)床。

帶有自動(dòng)刀具交換裝置（Automatic Tool changeATC）的數(shù)控機(jī)床（帶有回轉(zhuǎn)刀架的數(shù)控車床除外）稱為加工中心（Machine CenterMC）它通過刀具的自動(dòng)交換，可以一次裝夾完成多工序的加工，實(shí)現(xiàn)了工序的集中和工藝的復(fù)合，從而縮短了輔助加工時(shí)間，提高了機(jī)床的效率；減少了零件安裝、定位次數(shù)，提高了加工精度在加工中心的基礎(chǔ)上，通過增加多工作臺（托盤）自動(dòng)交換裝置（Auto Pallet changerAPC）以及其他相關(guān)裝置，組成的加工單元稱為柔性加工單元（Flexible Manufacturing CellFMC）12/11/2024,7,在 FMC 和加工中心的基礎(chǔ)上，通過增加物流系統(tǒng)、工業(yè)機(jī)器人以及相關(guān)設(shè)備，并由中央控制系統(tǒng)進(jìn)行集中、統(tǒng)一控制和管理，這樣的制造系統(tǒng)稱為柔性制造系統(tǒng)（Flexible Manufacturing SystemFMS）為了適應(yīng)市場需求多變的形勢，對現(xiàn)代制造業(yè)來說，不僅需要發(fā)展車間制造過程的自動(dòng)化，而且要實(shí)現(xiàn)從市場預(yù)測、生產(chǎn)決策、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、產(chǎn)品制造直到產(chǎn)品銷售的全面自動(dòng)化將這些要求綜合，構(gòu)成的完整的生產(chǎn)制造系統(tǒng)，稱為計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（computer Integrated Manufacturing systemCIMS）,CIMS將一個(gè)工廠的生產(chǎn)、經(jīng)營活動(dòng)進(jìn)行了有機(jī)的集成，實(shí)現(xiàn)了更高效益、更高柔性的智能化生產(chǎn)，是當(dāng)今自動(dòng)化制造技術(shù)發(fā)展的最高階段。

12/11/2024,8,數(shù)控機(jī)床組成,圖11 數(shù)控加工過程示意圖,1數(shù)控機(jī)床加工零件的過程,12/11/2024,9,2數(shù)控機(jī)床的組成,圖1,12/11/2024,10,數(shù)控機(jī)床的分類,1按工藝用途分類,（1）金屬切削類數(shù)控機(jī)床,（2）金屬成型類數(shù)控機(jī)床,（3）特種加工及其它類型數(shù)控機(jī)床,12/11/2024,11,圖1,圖1,12/11/2024,12,圖13c全功能數(shù)控銑床,圖13d 高速數(shù)控銑床,12/11/2024,13,圖13e立式數(shù)控銑床,圖13f 立式加工中心,12/11/2024,14,圖14a 數(shù)控液壓板料折彎機(jī),12/11/2024,15,圖14b 數(shù)控彎管機(jī),12/11/2024,16,圖14c 數(shù)控沖?；剞D(zhuǎn)頭壓力機(jī),12/11/2024,17,圖15a 數(shù)控線切割機(jī)床,圖15b數(shù)控電火花線切割機(jī)床,12/11/2024,18,圖15c 數(shù)控激光切割機(jī),12/11/2024,19,圖15d 數(shù)控等離子切割機(jī),12/11/2024,20,圖15e 數(shù)控三坐標(biāo)測量機(jī),圖15f 柔性三坐標(biāo)測量臂,12/11/2024,21,2如果以數(shù)控系統(tǒng)的特征進(jìn)行分類時(shí)，可將數(shù)控機(jī)床分成三大類：,（1）點(diǎn)位控制的數(shù)控機(jī)床,（2）直線控制數(shù)控機(jī)床,（3）輪廓控制的數(shù)控機(jī)床,平面輪廓加工的數(shù)控機(jī)床,空間輪廓加工的數(shù)控機(jī)床,12/11/2024,22,3按伺服系統(tǒng)的類型分類,根據(jù)有無檢測反饋元件及其檢測裝置，機(jī)床的伺服系統(tǒng)可分為開環(huán)伺服、閉環(huán)伺服和半閉環(huán)伺服。

1）開環(huán)控制數(shù)控機(jī)床,（2）閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床,（3）半閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床,12/11/2024,23,圖1,圖1,圖1,12/11/2024,24,4按照功能水平分類,對于按數(shù)控功能的水平分類方法，目前尚無明確定義，因此，涵義也不十分清楚這種分類方法沒有一個(gè)確切定義，但可以給人們一個(gè)清晰的一般水平概念，可將數(shù)控機(jī)床分為高、中、低檔三類數(shù)控機(jī)床水平高低由主要技術(shù)參數(shù)、功能指標(biāo)和關(guān)鍵部件的功能水平?jīng)Q定下列幾個(gè)方面可作為評價(jià)數(shù)控機(jī)床檔次的參考條件12/11/2024,25,12/11/2024,26,1.2.1 國外數(shù)控機(jī)床的發(fā)展與現(xiàn)狀,采用數(shù)字控制技術(shù)進(jìn)行機(jī)械加工的思想，最早是在20世紀(jì)40年代初提出的當(dāng)時(shí)，美國密執(zhí)安北部的一個(gè)小型飛機(jī)工業(yè)承包商帕爾森斯公司在制造飛機(jī)框架及直升機(jī)葉片輪廓用樣板時(shí)，利用全數(shù)字電子計(jì)算機(jī)對輪廓路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并考慮了刀具直徑對加工路徑的影響，提高了加工精度1949年作為這一方案的主要承包者的帕爾森斯公司，正式接受美空軍委托，在麻省理工學(xué)院伺服機(jī)構(gòu)試驗(yàn)室（Servo Mechanism Laboratory of the Massachusetts Institute of Technology）的協(xié)助下，開始從事數(shù)控機(jī)床的研制工作。

經(jīng)過三年時(shí)間的研究，于1952年試制成功世界第一臺數(shù)控機(jī)床試驗(yàn)性樣機(jī)這是一臺采用脈沖乘法器原理的直線插補(bǔ)三坐標(biāo)連續(xù)控制銑床（Cincinnati Hydromel），這便是數(shù)控的第一代12/11/2024,27,1953年，美國空軍與麻省理工學(xué)院協(xié)作，開始從事計(jì)算機(jī)自動(dòng)編程的研究，這就是創(chuàng)制APT（Automatically Programmed Tools）自動(dòng)編程系統(tǒng)的開始1955年，美國空軍花費(fèi)巨額經(jīng)費(fèi)訂購了大約100臺數(shù)控機(jī)床，此后兩年，數(shù)控機(jī)床在美國進(jìn)入迅速發(fā)展階段，市場上出現(xiàn)了商品化數(shù)控機(jī)床1958年，美國克耐杜列克公司在世界上首先研制成功帶自動(dòng)換刀裝置的數(shù)控機(jī)床，稱為“加工中心”1959年，計(jì)算機(jī)行業(yè)研制出晶體管元器件，因而數(shù)控裝置中廣泛采用晶體管和印刷電路板，從而跨入第二代數(shù)控同時(shí)美國航空工業(yè)協(xié)會（AIA）和麻省理工學(xué)院發(fā)展APT程序語言12/11/2024,28,1960年以后，點(diǎn)位控制機(jī)床在美國得到迅速發(fā)展，數(shù)控技術(shù)不僅在機(jī)床上得到了實(shí)際應(yīng)用，而且逐步推廣到?jīng)_壓機(jī)、繞線機(jī)、焊接機(jī)、火焰切割機(jī)、包裝機(jī)和坐標(biāo)測量機(jī)等，在程序編制方面，已由手工編程逐步發(fā)展到采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)編程。

除了APT數(shù)控語言外，又發(fā)展了許多自動(dòng)編程語言從1960年開始，德國、日本等先進(jìn)工業(yè)國家都陸續(xù)開發(fā)、生產(chǎn)及使用了數(shù)控機(jī)床1965年，出現(xiàn)了小規(guī)模集成電路由于它體積小、功耗低，使數(shù)控系統(tǒng)的可靠性得以進(jìn)一步提高，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展到第三代以上3代，都是采用專用控制計(jì)算機(jī)的硬邏輯數(shù)字控制系統(tǒng)裝有這類數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床為普通數(shù)控機(jī)床（簡稱NC機(jī)床）12/11/2024,29,1967年，英國首先把幾臺數(shù)控機(jī)床聯(lián)接成具有柔性的加工系統(tǒng)，這就是最初的FMS（Flexible Manufacturing System，柔性制造系統(tǒng)）之后，美、歐、日也相繼進(jìn)行開發(fā)與應(yīng)用隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，小型計(jì)算機(jī)的價(jià)格急劇下降小型計(jì)算機(jī)開始取代專用數(shù)控計(jì)算機(jī)，數(shù)控的許多功能由軟件程序?qū)崿F(xiàn)這樣組成的數(shù)控系統(tǒng)稱為計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)（CNC）1970年，在美國芝加哥國際機(jī)床展覽會上，首次展出了這種系統(tǒng)，稱為第四代數(shù)控而由計(jì)算機(jī)直接對許多機(jī)床進(jìn)行控制的控制系統(tǒng)，稱為直接數(shù)控系統(tǒng)（DNC）12/11/2024,30,1970年前后，美國英特爾公司開發(fā)和使用了微處理器1974年美、日等國首先研制出以微處理器為核心的數(shù)控系統(tǒng)近20年來，微處理機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床得到了飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，這就是第五代數(shù)控系統(tǒng)（MNC）。

20世紀(jì)80年代初，國際上又出現(xiàn)了柔性制造單元（Flexible Manufacturing Cell，F(xiàn)MC）FMC和FMS被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（Computer Integrated Manufacturing System，CIMS）的必經(jīng)階段和基礎(chǔ)12/11/2024,31,國外數(shù)控機(jī)床的現(xiàn)狀有三個(gè)特點(diǎn)：第一是擁有數(shù)量較多，通常占主要生產(chǎn)設(shè)備的20%以上；第二是大型數(shù)控機(jī)床，如落地式鏜銑床、大型龍門鏜銑床以及三坐標(biāo)測量機(jī)等較多；第三是更新?lián)Q代較快許多新開發(fā)的數(shù)控機(jī)床已陸續(xù)裝備在生產(chǎn)線上12/11/2024,32,1.2.2 我國數(shù)控機(jī)床的現(xiàn)狀,我國從1958年開始研究數(shù)控機(jī)床，一直到20世紀(jì)60年代中期處于研制、開發(fā)時(shí)期當(dāng)時(shí)，一些高等院校、科研單位研制出試驗(yàn)性樣機(jī)，開始也是從電子管著手的1965年，國內(nèi)開始研制晶體管數(shù)控系統(tǒng)20世紀(jì)60年代末至20世紀(jì)70年代初研制成了三維數(shù)控銑床、數(shù)控非圓齒輪插齒機(jī)、CIL-18晶體管數(shù)控系統(tǒng)及Z53K-1G立式數(shù)控銑床從20世紀(jì)70年代開始，數(shù)控技術(shù)在車、銑、鏜、磨、齒輪加工、電加工等領(lǐng)域全面展開，數(shù)控加工中心在上海、北京研制成功。

但由于電子元器件的質(zhì)量和制造工藝水平差，致使數(shù)控系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性未得到解決，因此未能廣泛推廣在這一時(shí)期，數(shù)控線切割機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，價(jià)格低廉，在模具加工中得到了推廣數(shù)控車削加工、點(diǎn)位加工和加工中心及三坐標(biāo)數(shù)控加工的自動(dòng)編程系統(tǒng)和語言也研制成功，有的也在生產(chǎn)中應(yīng)用12/11/2024,33,20世紀(jì)80年代，我國從日本發(fā)那科公司引進(jìn)了3、5、6、7等系列的數(shù)控系統(tǒng)和直流伺服電動(dòng)機(jī)、直流主軸電動(dòng)機(jī)等制造技術(shù)，以及引進(jìn)美國GE公司的MCI系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng)，德國西門子VS系列可控硅調(diào)速裝置，并進(jìn)行了商品化生產(chǎn)這些系統(tǒng)可靠性高，功能齊全與此同時(shí)，還自行開發(fā)了3、4、5軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控系統(tǒng)以及雙電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的同步數(shù)控系統(tǒng)（用于火焰切割機(jī)）和新品種的伺服電動(dòng)機(jī)，推動(dòng)了我國數(shù)控機(jī)床穩(wěn)定發(fā)展，使我國數(shù)控機(jī)床在性能和質(zhì)量上產(chǎn)生了一個(gè)質(zhì)的飛躍十一五”期間，隨著一系列關(guān)鍵技術(shù)的突破和自主生產(chǎn)能力的形成，我國開始沖出“外國制造”的“重圍”，進(jìn)入世界高速數(shù)控機(jī)床和高精度數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)國的行列從產(chǎn)量來看，2010年我國機(jī)床工具行業(yè)實(shí)現(xiàn)工業(yè)總產(chǎn)值5536.8億元，同比增長40.6%；數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量達(dá)到23.6萬臺，同比增長62.2%；2010年我國機(jī)床產(chǎn)值和數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量均列世界第一位。

整個(gè)“十一五”期間，在需求的拉動(dòng)下，我國數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量保持高速增長，年均復(fù)合增長率達(dá)到37.4%2010年的增長數(shù)據(jù)意味著數(shù)控機(jī)床的發(fā)展已經(jīng)步入新階段12/11/2024,34,1.2.3 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，制造技術(shù)的進(jìn)步，以及社會對產(chǎn)品質(zhì)量和品種多樣化的要求愈來愈強(qiáng)烈，中、小批量生產(chǎn)的比重明顯增加，要求現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床成為一種具有柔性、精密、高效、復(fù)合、集成功能和低成本的自動(dòng)化加工設(shè)備同時(shí)，為了滿足制造業(yè)向更高層次發(fā)展，為柔性制造單元（FMC）、柔性制造系統(tǒng)（FMS），以及計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）提供基礎(chǔ)設(shè)備，也要求數(shù)控機(jī)床向更高水平發(fā)展當(dāng)前數(shù)控機(jī)床技術(shù)呈現(xiàn)如下發(fā)展趨勢12/11/2024,35,1高速、高效、高精度與高可靠性,（1）高速、高效,（2）高精度,（3）高可靠性,2復(fù)合化、多軸化、柔性化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化與綠色化,（1）復(fù)合化,（2）多軸化,（3）柔性化,（4）網(wǎng)絡(luò)化,（5）智能化,（6）綠色化,12/11/2024,36,3新型功能部件,為了提高數(shù)控機(jī)床各方面的性能，具有高精度和高可靠性的新型功能部件的應(yīng)用成為必然具有代表性的新型功能部件包括：,（1）高頻電。