【正文】 第一章緒論數(shù)控機床是集機械、電氣、液壓、氣動、微電子和信息處理等多項技術為一體的典型應用。微機控制的數(shù)控機床的高精度、高速度、高效率、高度柔性化及適合加工復雜零部件的性能，滿足當今市場快速多變、競爭激烈和工藝發(fā)展的需要?？梢哉f，微機控制技術的應用是機械制造行業(yè)現(xiàn)代化的標志，在很大程度上決定了企業(yè)在市場競爭中的成敗。第一節(jié)機床數(shù)字控制的基本概念一、數(shù)字控制技術數(shù)字控制（NumericalControl)，簡稱NC，是近代發(fā)展起來的一種自動控制技術。數(shù)字控制是相對于模擬控制而言的。數(shù)字控制系統(tǒng)中的控制信息是數(shù)字量，而模擬控制系統(tǒng)中的控制信息是模擬量。數(shù)字控制系統(tǒng)特點：l）2）3）數(shù)字控制系統(tǒng)的硬件基礎是數(shù)字邏輯電路。早期的數(shù)控系統(tǒng)是由數(shù)字邏輯電路構成的，因而被稱之為硬件數(shù)控系統(tǒng)。隨著微型計算機的發(fā)展，硬件數(shù)控系統(tǒng)已被淘汰，取而代之的是計算機數(shù)控系統(tǒng)（ComputerNumericalcontrol)，簡稱CNC。簡而言之，用數(shù)字化信息進行控制的自動控制技術稱為數(shù)字控制技術，簡稱數(shù)控；采用數(shù)控技術控制的機床，或者說裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機床，稱之為數(shù)控機床。二、數(shù)控機床的組成和加工特點數(shù)控機床由機床和數(shù)控系統(tǒng)兩大部分組成，如圖1一1所示。機床一般由床身、立柱、主軸、進給機構及輔助裝置等部分組成；數(shù)控系統(tǒng)主要包括：輸人設備、通信設備、顯示／輸出設備、計算機控制裝置、主軸驅動、伺服進給驅動及邏輯控制單元（PLC）等部分。數(shù)控機床進行加工，首先必須將工件的幾何信息和工藝信息數(shù)字化，按規(guī)定的代碼和格式編制數(shù)控加工程序，并用適當?shù)姆绞綄⒋思庸こ绦虻男畔⑤斎藬?shù)控系統(tǒng)。數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)輸人的加工程序信息進行處理，計算出理想軌跡和運動速度（計算軌跡的過程稱為插補），然后將處理的結果輸出到機床的執(zhí)行部件，控制機床執(zhí)行部件按預定的軌跡和速度運動。數(shù)控機床加工的過程如圖1一2所示。其中信息輸人、信息處理和伺服執(zhí)行是數(shù)控系統(tǒng)工作的三個基本過程。加工一個零件所需的數(shù)據(jù)及操作命令構成零件加工程序。信息處理是數(shù)控的核心任務，由計算機來完成。它的作用是識別輸人介質中每個程序段的加工數(shù)據(jù)和操作命令，并對其進行換算和插補計算。伺服驅動部分的作用是將插補輸出的位移（或位置）信息轉換成機床的進給運動。與傳統(tǒng)的加工方法相比，數(shù)控機床有以下優(yōu)點：l）可以加工復雜、異形的零件。2）加工的零件精度高、一致性好、裝配容易，無需再“修配”。3）具有柔性化的特點，不僅能適應中小批量，也適合大批量生產(chǎn)。4）提高了加工精度和效率，縮短生產(chǎn)周期。5）具有遠程監(jiān)控、補償、診斷和自動報警等多種功能，降低了勞動強度。6）機床結構簡化，易于調整，與普通機床相比，所需的調整時間較少。需要指出的是，數(shù)控機床也有以下缺點：1）造價相對較高。2）維護比較復雜，需要專門的維護人員。3）需要高度熟練和經(jīng)過培訓的編程人員。第二節(jié)數(shù)控系統(tǒng)的分類機床數(shù)控系統(tǒng)的分類可按以下幾種方式來劃分：l）按被控機床運動軌跡來劃分，有點位控制、直線控制與輪廓切削（連續(xù)軌跡）控制。2）按控制器的結構來劃分，有硬件數(shù)控和計算機數(shù)控。計算機數(shù)控（當前主要是指微機數(shù)控）又可分為單微機系統(tǒng)和多微機系統(tǒng)。3）按伺服系統(tǒng)控制環(huán)路來劃分，可分為開環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)系統(tǒng)。4）按功能水平來劃分，可分為高、中、低檔三類。一、點位、直線與輪廓切削控制（一）點位控制系統(tǒng)點位控制系統(tǒng)常用于數(shù)控鉆床、數(shù)控幢床、數(shù)控沖床和其他需定位控制的機械中。（二）直線控制系統(tǒng)常用于簡易數(shù)控車床、數(shù)控銼銑床等。（三）輪廓切削控制系統(tǒng)按同時控制的軸數(shù)（即聯(lián)動軸數(shù)）分，可分為2軸聯(lián)動、3軸兩聯(lián)動、3軸聯(lián)動、4軸聯(lián)動和多軸聯(lián)動等數(shù)控機床。其中3軸兩聯(lián)動是指3個坐標軸（x,Y,Z）中任一時刻只能控制任意2軸聯(lián)動，另一軸則是點位或直線控制。輪廓控制系統(tǒng)一般都有點位和直線控制功能。二、硬件數(shù)控和計算機數(shù)控早期的數(shù)控系統(tǒng)是由數(shù)字邏輯電路來處理數(shù)字信息的，也就是硬件數(shù)控，習慣上稱之為NC系統(tǒng)，于20世紀60年代投入使用。隨著微處理器價格的降低，常采用多個微處理器在一個數(shù)控系統(tǒng)中，這樣可以并行完成單微處理器難以完成的復雜功能，而且速度快，有較高的性能價格比?；诠δ?、價格等因素權衡，多微處理器的數(shù)控系統(tǒng)得到了迅速發(fā)展。微機數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)一個系統(tǒng)中微處理器的多少，可分為單微機數(shù)控系統(tǒng)和多微機數(shù)控系統(tǒng)。三、開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)和閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)（一）開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)這類數(shù)控系統(tǒng)的伺服系統(tǒng)是開環(huán)的，沒有檢測反饋裝置，數(shù)控裝置發(fā)出的指令信號流是單向的，所以不存在穩(wěn)定性問題。開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)具有工作穩(wěn)定、調試方便、維修簡單、價格低廉等優(yōu)點。（二）閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)裝有檢測反饋裝置，在加工中隨時檢測移動部件的實際位置。能得到很高的加工精度。但是閉環(huán)系統(tǒng)設計和調整都相當困難。目前這種全閉環(huán)系統(tǒng)主要用于精度要求較高的鏜銑床、精密車床、精密磨床和加工中心等。（三）半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的檢測元件安裝在伺服電動機或絲杠的端部，也就是說反饋信號取自電動機軸而不是機床的最終運動部件，沒有將運動部件包含在閉環(huán)系統(tǒng)中，因而稱為半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)?？色@得穩(wěn)定的控制特性。仍可得到滿意的加工精度。四、按功能水平分類按照數(shù)控系統(tǒng)的功能水平可以把數(shù)控系統(tǒng)分為高、中、低三檔。低檔（經(jīng)濟型）、中檔（普及型）、高檔（標準型或全功能型）。（一）分辨率和進給速度（二）坐標聯(lián)動功能（三）顯示功能（四）通信功能（五）主CPU檔次（六）內裝PLC此外，進給伺服系統(tǒng)的技術水平也是衡量數(shù)控系統(tǒng)檔次的條件之一。我國現(xiàn)階段所謂的經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)，大多指開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)而言，多由步進電機驅動，一般不具有通信功能。這類機床結構簡單，精度要求不高，但價格低廉，在我國目前應用較廣泛。區(qū)別于經(jīng)濟型數(shù)控，把功能較齊全的數(shù)控系統(tǒng)稱為全功能數(shù)控系統(tǒng)，或稱標準型數(shù)控系統(tǒng)。這類數(shù)控系統(tǒng)功能較多，進給驅動采用直流或交流數(shù)字伺服系統(tǒng)，能實現(xiàn)多軸聯(lián)動，分辨率高，具有三維動態(tài)圖形顯示和高性能網(wǎng)絡通信接口，可進行計算機聯(lián)網(wǎng)通信。裝備這類系統(tǒng)的數(shù)控機床功能齊全，加工精度高，但價格較昂貴。如：全功能數(shù)控車床、車削中心、多面加工中心及柔性制造單元等。第三節(jié)數(shù)控機床的有關功能規(guī)定數(shù)控機床的核心是數(shù)控系統(tǒng)。而數(shù)控系統(tǒng)的核心是執(zhí)行信息處理功能的計算機（通常是指微機），它是指揮機床進行自動加工的司令部。反過來，數(shù)控系統(tǒng)的控制功能又是為機床加工過程服務的。一、數(shù)控機床程序編制的有關規(guī)定零件加工程序正確性有兩個方面的含義：一是語法正確，即數(shù)控系統(tǒng)能識別；二是語義正確，即根據(jù)程序所表達的信息，數(shù)控機床能加工出符合圖樣要求的零件來。數(shù)控系統(tǒng)的程序輸人手段有多種型式，主要分為手動和自動兩種方式。手動輸人一般是通過鍵盤輸人，也稱為手動數(shù)據(jù)輸人方式（MDI）。自動輸人可用紙帶、磁帶、磁盤等信息載體輸人，也可以用通信方式輸人。當前紙帶、磁帶輸人方式已極少見到。零件加工程序就是一篇用數(shù)控語言描述零件加工過程的文章，它由若干個程序段（句子）組成，程序段由若干指令代碼（單詞）組成，指令代碼又是由字母和數(shù)字組成，這些字母和數(shù)字相當于文章中的字。即字母和數(shù)字組成指令代碼，指令代碼組成程序段，程序段組成程序。數(shù)控機床常用的功能指令代碼可以分為兩大類。一類是準備功能代碼，即G代碼；另一類是輔助功能代碼，即M代碼。G代碼和M代碼是數(shù)控加工程序中描述零件加工工藝過程的各種操作和運行特征的基本單元，是程序的基礎。國際上廣泛采用的ISO—1056—1975E標準規(guī)定了G代碼和M代碼。我國原機械工業(yè)部根據(jù)ISO標準制定了JB3208—1983《數(shù)控機床穿孔帶程序段格式中的準備功能G代碼和輔助功能M代碼》標準，如表1一1和表1一2所示。G代碼是使數(shù)控機床準備好某種運動方式的指令，故稱之為準備功能。M代碼主要用于數(shù)控機床的開關量控制。F代碼用于指令切削進給速度，F(xiàn)字母后的數(shù)字代表了切削進給速度值，單位是mm/min。T代碼用于指令加工用刀具號、刀具長度及刀具補償功能等。二、數(shù)控機床的坐標系和運動方向的規(guī)定在數(shù)控機床中，機床直線運動的坐標軸X、Y、Z按照ISO和我國的JB3051—1982標準，規(guī)定為右手直角笛卡爾坐標系?；咀鴺溯S為X、Y、Z直角坐標，圍繞X、Y、Z三個軸的旋轉運動軸為A、B、C，如圖1—5所示。X、Y、Z的正方向是使工件尺寸增加的方向，即增大工件和刀具的距離的方向。通常以平行于主軸的軸線為Z軸（即Z坐標運動由傳遞切削動力的主軸所規(guī)定），若機床有多個主軸，應選盡可能垂直于工件裝卡面的主要軸為Z軸并規(guī)定增大工件和刀具距離的方向作為Z軸的正方向。X、Y、Z為主坐標系或稱為第一坐標系。若有平行于X、Y、Z的第二組坐標系和第三組坐標系，則分別指定為U、V、W和P、Q、R靠近主軸的直線運動為第一坐標系，稍遠的為第二坐標系。第四節(jié)機床數(shù)控技術的發(fā)展一、數(shù)控機床的產(chǎn)生和數(shù)控技術的發(fā)展過程采用數(shù)字控制技術進行機械加工的思想，最早是在20世紀40年代初提出的。1952年，美國麻省理工學院將計算機技術應用到機床控制上，成功地研制出一臺三坐標聯(lián)動的數(shù)控銑床。這是公認的世界上第一臺數(shù)控機床。1959年，美國的卡尼一特雷克公司成功地開發(fā)了稱為“MILWAUKEE一MATIC”的加工中心。我們將晶體管數(shù)控裝置稱為第二代數(shù)控系統(tǒng)。1965年，數(shù)控裝置開始采用小規(guī)模集成電路，使數(shù)控系統(tǒng)的體積減小、功耗降低、可靠性提高。稱之為第三代集成電路數(shù)控系統(tǒng)。1967年，美國首先把幾臺數(shù)控機床連接成具有柔性的加工系統(tǒng)，這就是最初的FMS（柔性制造系統(tǒng)）。1970年，在美國芝加哥國際機床展覽會上，首次展出了第四代數(shù)控系統(tǒng)—用小型計算機控制的數(shù)控機床。這是第一臺用計算機控制的機床，簡稱CNC。1971年，美國INTEL公司第一次將計算機的核心部件—運算器和控制器集成在一塊大規(guī)模集成電路芯片上，稱之為微處理器。到了1974年，微處理器直接用于數(shù)控系統(tǒng)，微處理器的應用使數(shù)控系統(tǒng)進人到第五代。20世紀80年代初，國際上出現(xiàn)了柔性制造單元FMC。1990年，數(shù)控系統(tǒng)進入到基于PC的時代，稱之為第六代數(shù)控系統(tǒng)。二、我國數(shù)控機床發(fā)展情況我國從1958年開始研究數(shù)控技術，一直到20世紀60年代中期仍處于研制、開發(fā)階段。1965年，國內開始研制晶體管數(shù)控系統(tǒng)。從20世紀70年代開始，數(shù)控技術在車、銑、鉆、鏗、磨、齒輪加工和電加工等領域全面展開，數(shù)控加工中心也先后在北京、上海研制成功。20世紀80年代，我國先后從日本、美國等國家引進了部分數(shù)控裝置和伺服系統(tǒng)技術，在北京、上海和遼寧等地，開始小批量試制和生產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)。近幾年，我國有關技術主管部門已明確了發(fā)展以PC為平臺的數(shù)控系統(tǒng)，較好地解決了多坐標聯(lián)動的數(shù)控技術難題。目前，我國已經(jīng)可以供應網(wǎng)絡化、集成化、柔性化的數(shù)控機床，從整體上，我國已跨人了數(shù)控技術領域世界先進行列中。三、機床數(shù)控技術的發(fā)展趨勢隨著高速切削和精密加工等先進制造技術的發(fā)展，對數(shù)控裝置的性能提出了更高的要求。目前，數(shù)控技術正由專用型封閉式控制模式向通用型開放式控制模式轉換。數(shù)控系統(tǒng)朝著高速度、高精度、智能化、環(huán)保型、網(wǎng)絡型和高可靠性的方向迅猛發(fā)展。1． 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展目前，數(shù)控系統(tǒng)多采用位數(shù)、頻率更高的微處理器、超大規(guī)模集成電路和多微處理器體系結構，主要用以提高系統(tǒng)的插補運算速度和精度。因此，高性能數(shù)控系統(tǒng)可以同時控制幾個軸，甚至幾十個軸（包括坐標軸、主軸及輔助軸），有多個控制通道，并且，前臺的加工控制和后臺的程序編輯，可以同時進行。當今世界上開放式數(shù)控系統(tǒng)主要有以下幾種類型：1)“PC嵌人NC”結構型式。2)“NC嵌人PC”結構型式3)SOFT型開放式數(shù)控系統(tǒng)為了適應FMC（柔性制造單元）、FMS（柔性制造系統(tǒng)）以及進一步聯(lián)網(wǎng)組成CIMS（計算機集成制造系統(tǒng)）的通信要求，目前現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)除具有廣泛使用的RS232C串行通信接口外，還具有網(wǎng)絡通信接口。從而，滿足了不同生產(chǎn)廠家不同數(shù)控系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)需求，為組成CIMS集成制造系統(tǒng)創(chuàng)造了條件。2． 數(shù)控伺服系統(tǒng)的發(fā)展伺服系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)的輸出執(zhí)行部件。伺服系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)性能將直接影響數(shù)控機床的定位精度、位移速度、加工精度和效率。其技術發(fā)展如下：(l）前饋控制技術(2）補償技術的應用和發(fā)展(3）采用高分辨力的位置檢測裝置(4）直線電動機驅動機構(5）電主軸驅動3．程序編制方面的發(fā)展近幾年在編程方面的發(fā)展有以下幾個特點：l）脫機編程發(fā)展到在線編程。2）具有機械加工技術中的特殊工藝方法和組合工藝方法的程序編制功能。3）可以同時處理幾何信息和工藝信息。4．數(shù)控機床的檢測和監(jiān)督5．自適應控制的應用習題與思考題1l請解釋下列常用技術名詞：數(shù)字控制系統(tǒng)、CNC系統(tǒng)、數(shù)控機床、插補。l2試述機床數(shù)控系統(tǒng)的組成及各部分的作用。13按控制運動軌跡劃分，數(shù)控系統(tǒng)有哪幾種類型，各自的特點與應用的范圍。14試畫出開環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的結構框圖，并說明它們的區(qū)別。15數(shù)控機床的加工程序是由哪幾部分構成的？16簡述G代碼、M代碼、T代碼和S代碼的功能。17簡述使用數(shù)控機床進行加工的優(yōu)點和缺點。18數(shù)控機床的坐標系和運動方向是怎樣規(guī)定的？19試述數(shù)控技術的發(fā)展趨勢。第二章數(shù)控檢測傳感器第一節(jié) 概述現(xiàn)在大多數(shù)的數(shù)控系統(tǒng)，尤其是高精度的CNC數(shù)控系統(tǒng)都是由微型計算機進行控制的閉環(huán)系統(tǒng)。圖21為閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)框圖。檢測反饋裝置包括檢測傳感器和測量反饋電路，其作用是將位置或速度等被測參數(shù)經(jīng)過一系列轉換由模擬量轉化為計算機所能識別的數(shù)字脈沖信號，送入微機數(shù)控裝置。檢測反饋環(huán)節(jié)既可檢測工作臺的線位移又可檢測伺服電動機的旋轉位移及速度，檢測信號經(jīng)反饋電路送入微機數(shù)控裝置后與位置指令信號相比較，得到偏差值，再通過微機數(shù)控