【正文】 第 1章 數(shù)控機(jī)床基本知識(shí) ? 數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生與發(fā)展 ? 數(shù)控機(jī)床的組成結(jié)構(gòu)及工作原理 ? 數(shù)控機(jī)床的分類 數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生與發(fā)展 ? 隨著社會(huì)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，各類工業(yè)新產(chǎn)品層出不窮。機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)作為國(guó)民工業(yè)的基礎(chǔ)，其產(chǎn)品更是日趨精密復(fù)雜，特別是在宇航、航海、軍事等領(lǐng)域所需的機(jī)械零件，精度要求更高，形狀更為復(fù)雜且往往批量較小，加工這類產(chǎn)品需要經(jīng)常改裝或調(diào)整設(shè)備， ? 普通機(jī)床或?qū)I(yè)化程度高的自動(dòng)化機(jī)床顯然無(wú)法適應(yīng)這些要求。同時(shí)，隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益加劇，企業(yè)生產(chǎn)也迫切需要進(jìn)一步提高其生產(chǎn)效率，提高產(chǎn)品質(zhì)量及降低生產(chǎn)成本。 ? 一種新型的生產(chǎn)設(shè)備 ——數(shù)控機(jī)床就應(yīng)運(yùn)而生了 。 – 數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生 ? 帕森斯公司正式接受委托，與麻省理工學(xué)院伺服機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室（ Servo Mechanism Laboratory of the Massachusetts Institute of Technology）合作，于 1952年試制成功世界上第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床試驗(yàn)性樣機(jī)。 1959年，美國(guó)克耐 杜列克公司（ Keaney Trecker）首次成功開發(fā)了加工中心（ Machining Center） 。 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展簡(jiǎn)況 ? 第 1代數(shù)控機(jī)床： 1952年～ 1959年采用電子管元件構(gòu)成的專用數(shù)控裝置（ NC）。 ? 第 2代數(shù)控機(jī)床：從 1959年開始采用晶體管電路的 NC系統(tǒng)。 ? 第 3代數(shù)控機(jī)床：從 1965年開始采用小、中規(guī)模集成電路的 NC系統(tǒng)。 ? 第 4代數(shù)控機(jī)床：從 1970年開始采用大規(guī)模集成電路的小型通用電子計(jì)算機(jī)控制的系統(tǒng)（ CNC）。 ? 第 5代數(shù)控機(jī)床：從 1974年開始采用微型計(jì)算機(jī)控制的系統(tǒng)（ MNC）。 1．計(jì)算機(jī)直接數(shù)控系統(tǒng) ? 所謂計(jì)算機(jī)直接數(shù)控（ Direct Numerical Control， DNC）系統(tǒng)，即使用一臺(tái)計(jì)算機(jī)為數(shù)臺(tái)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行自動(dòng)編程，編程結(jié)果直接通過(guò)數(shù)據(jù)線輸送到各臺(tái)數(shù)控機(jī)床的控制箱。 ? 2．柔性制造系統(tǒng) ? 柔性制造系統(tǒng)（ Flexible Manufacturing System， FMS）也叫做計(jì)算機(jī)群控自動(dòng)線，它是將一群數(shù)控機(jī)床用自動(dòng)傳送系統(tǒng)連接起來(lái)，并置于一臺(tái)計(jì)算機(jī)的統(tǒng)一控制之下，形成一個(gè)用于制造的整體。 3．計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng) ? 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（ ComputerIntegrated Manufacturing System，CIMS），是指用最先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，控制從定貨、設(shè)計(jì)、工藝、制造到銷售的全過(guò)程，以實(shí)現(xiàn)信息系統(tǒng)一體化的高效率的柔性集成制造系統(tǒng)。 我國(guó)數(shù)控機(jī)床發(fā)展概況 ? 1958年開始并試制成功第一臺(tái)電子管數(shù)控機(jī)床。 1965年開始研制晶體管數(shù)控系統(tǒng)，直到20世紀(jì) 60年代末至 70年代初成功。從 20世紀(jì)80年代開始，先后從日本、美國(guó)、德國(guó)等國(guó)家引進(jìn)先進(jìn)的數(shù)控技術(shù)。如北京機(jī)床研究所從日本 FANUC公司引進(jìn) FANUC FANUCFANUC FANUC7系列產(chǎn)品的制造技術(shù)；上海機(jī)床研究所引進(jìn)美國(guó) GE公司的 MTC1數(shù)控系統(tǒng)等。 – 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì) ? 從數(shù)控機(jī)床技術(shù)水平看，高精度、高速度、高柔性、多功能和高自動(dòng)化是數(shù)控機(jī)床的重要發(fā)展趨勢(shì)。 ? 數(shù)控系統(tǒng)都采用了 16位和 32位微處理器，標(biāo)準(zhǔn)總線及軟件模塊和硬件模塊結(jié)構(gòu)，內(nèi)存容量擴(kuò)大到 1MB以上，機(jī)床分辨率可達(dá) ?m，高速進(jìn)給可達(dá) 100m/min，控制軸數(shù)可達(dá) 16個(gè)。 數(shù)控機(jī)床的組成結(jié)構(gòu)及工作原理 – 數(shù)控機(jī)床的組成 ? 1．控制介質(zhì) ? 數(shù)控機(jī)床工作時(shí)，不需要操作工人直接操縱機(jī)床，但機(jī)床又必須執(zhí)行人的意圖，這就需要在人與機(jī)床之間建立某種聯(lián)系，這種聯(lián)系的中間媒介物即稱為控制介質(zhì)。 ? 2．?dāng)?shù)控系統(tǒng) ? 數(shù)控裝置是一種控制系統(tǒng)，是數(shù)控機(jī)床的中心環(huán)節(jié)。它能自動(dòng)閱讀輸入載體上事先給定的數(shù)字，并將其譯碼，從而使機(jī)床進(jìn)給并加工零件，數(shù)控系統(tǒng)通常由輸入裝置、控制器、運(yùn)算器和輸出裝置 4大部分組成 。 ? 3．伺服系統(tǒng) ? 伺服系統(tǒng)由伺服驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)裝置組成，它是數(shù)控系統(tǒng)的執(zhí)行部分。伺服系統(tǒng)接受數(shù)控系統(tǒng)的指令信息，并按照指令信息的要求帶動(dòng)機(jī)床的移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)或使執(zhí)行部分動(dòng)作，以加工出符合要求的工件。每一個(gè)脈沖使機(jī)床移動(dòng)部件產(chǎn)生的位移量叫做脈沖當(dāng)量。目前所使用的數(shù)控系統(tǒng)脈沖當(dāng)量通常為。 ? 4．輔助控制系統(tǒng) ? 輔助控制系統(tǒng)是介于數(shù)控裝置和機(jī)床機(jī)械、液壓部件之間的強(qiáng)電控制裝置。 ? 5．機(jī)床本體 ? 機(jī)床本體是數(shù)控機(jī)床的主體，由機(jī)床的基礎(chǔ)大件（如床身、底座）和各運(yùn)動(dòng)部件（如工作臺(tái)、床鞍、主軸等）所組成。 數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件 ?1．伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī) –（ 1）步進(jìn)電動(dòng)機(jī) ?步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通常用于開環(huán)伺服系統(tǒng)機(jī)床。 （ 2）直流伺服電動(dòng)機(jī) 187。① 小慣量直流電動(dòng)機(jī) 187。② 寬調(diào)速直流電動(dòng)機(jī) 187。③ 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī) –（ 3）交流伺服電動(dòng)機(jī) ? 近年來(lái)新型功率開關(guān)器件、專用集成電路和新的控制算法等的發(fā)展帶動(dòng)了交流驅(qū)動(dòng)電源的發(fā)展，使其調(diào)速性能更能適應(yīng)數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的要求。交流速度控制系統(tǒng)正逐步取代直流速度控制系統(tǒng)。 ? 2．位置檢測(cè)裝置 ? 檢測(cè)裝置是把位移和速度測(cè)量信號(hào)作為反饋信號(hào)，并將反饋信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字送回計(jì)算機(jī)，和脈沖指令信號(hào)相比較，以控制驅(qū)動(dòng)元件正確運(yùn)轉(zhuǎn)。 –（ 1）感應(yīng)同步器 ? 感應(yīng)同步器是一種電磁式的高精度位移檢測(cè)元件，按其結(jié)構(gòu)方式的不同可分為直線式和旋轉(zhuǎn)式兩種，前者用于長(zhǎng)度測(cè)量，后者用于角度測(cè)量。 ? 感應(yīng)同步器的特點(diǎn)是：精度高，工作可靠，抗干擾性強(qiáng)，維護(hù)簡(jiǎn)單，壽命長(zhǎng)，可測(cè)量長(zhǎng)距離位置，成本低，易于批量生產(chǎn)。 –（ 2）光柵 ? 光柵就是在一塊長(zhǎng)條形的光學(xué)玻璃上均勻地刻劃很多條與運(yùn)動(dòng)方向垂直的條紋，條紋之間的距離成為柵距。 ? 光柵測(cè)量裝置是一種非接觸式測(cè)量，利用光路減少了機(jī)械誤差，具有精度高，響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，因此是數(shù)控機(jī)床和數(shù)顯系統(tǒng)常用的檢測(cè)元件。 –（ 3）磁柵 ? 磁柵是用電磁的方法計(jì)算磁波數(shù)目的一種位置檢測(cè)元件，磁柵測(cè)量裝置由磁性標(biāo)尺、讀取磁頭和檢測(cè)電路組成。 ? 磁柵位置檢測(cè)電路的特點(diǎn)是：容易制造，檢測(cè)精度高（能達(dá)到每米177。 3?m），安裝使用方便，對(duì)環(huán)境條件要求較低，若磁性標(biāo)尺膨脹系數(shù)與機(jī)床一致，可在一般車間使用。由于磁頭與磁柵為有接觸的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因而有磨損，使用壽命受到一定的限制。一般使用壽命可達(dá)到 5年，涂上保護(hù)膜后壽命則可進(jìn)一步延長(zhǎng)。 –（ 4）旋轉(zhuǎn)變壓器 ? 旋轉(zhuǎn)變壓器是一種角位移檢測(cè)元件，由定子和轉(zhuǎn)子組成，分為有刷和無(wú)刷兩種形式。有刷旋轉(zhuǎn)變壓器定子和轉(zhuǎn)子均為兩相交流分布繞組。 ? 數(shù)控機(jī)床檢測(cè)裝置主要使用無(wú)刷旋轉(zhuǎn)變壓器，因?yàn)闊o(wú)刷旋轉(zhuǎn)變壓器具有可靠性高、壽命長(zhǎng)、體積小、不用維修以及輸出信號(hào)大、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。 –（ 5）脈沖編碼器 ? 脈沖編碼器是把機(jī)械轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)化為電脈沖的一種常用角位移傳感器。 –（ 6）測(cè)速發(fā)電機(jī) ? 測(cè)速發(fā)電機(jī)是速度反饋元件，相當(dāng)于一臺(tái)永磁式直流電動(dòng)機(jī)。 ? 3． 進(jìn)給運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)部件 ? 滾珠絲杠螺母副是回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與直線運(yùn)動(dòng)相互轉(zhuǎn)換的新型理想傳動(dòng)裝置。 ? 具有如下優(yōu)點(diǎn)。 ? （ 1）傳動(dòng)效率高。 ? （ 2）摩擦力小。 ? （ 3）使用壽命長(zhǎng)。 ? （ 4）經(jīng)預(yù)緊后可以消除軸向間隙，提高系統(tǒng)的剛度。 ? （ 5）反向運(yùn)動(dòng)時(shí)無(wú)空行程，可以提高軸向運(yùn)動(dòng)精度。 4． CRT顯示及其接口 5． 數(shù)控機(jī)床通信 RS232接口 數(shù)控機(jī)床的工作原理 ? 數(shù)控系統(tǒng)的主要任務(wù)之一就是控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)按預(yù)定的軌跡運(yùn)動(dòng)。一般情況是已知運(yùn)動(dòng)軌跡的起點(diǎn)坐標(biāo)、終點(diǎn)坐標(biāo)和曲線方程，由數(shù)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)地算出各個(gè)中間點(diǎn)的坐標(biāo)。即需要“插入、補(bǔ)上”運(yùn)動(dòng)軌跡各個(gè)中間點(diǎn)的坐標(biāo)，通常這個(gè)過(guò)程就稱為“插補(bǔ)”。 ? 1． 逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ) –（ 1）直線插補(bǔ)計(jì)算原理 187。① 偏差計(jì)算公式 ? 定義直線插補(bǔ)的偏差判別式如下： ? Fm=ymxe?xmye –② 終點(diǎn)判斷的方法 ? 一種方法是設(shè)置 Σx、 Σy兩個(gè)減法計(jì)數(shù)器。 ? 另一種方法是設(shè)置一個(gè)終點(diǎn)計(jì)數(shù)器 。 ? 第三種方法是選終點(diǎn)坐標(biāo)值較大的坐標(biāo)作為計(jì)數(shù)坐標(biāo)。 –③ 插補(bǔ)計(jì)算過(guò)程 ? 偏差判斷 ? 坐標(biāo)進(jìn)給 ? 偏差計(jì)算 ? 終點(diǎn)判別 ? 2．逐點(diǎn)比較法圓弧插補(bǔ) –（ 1）圓弧插補(bǔ)計(jì)算原理 187。① 偏差計(jì)算公式 ? 定義圓弧偏差判別式如下： ? Fm=Rm2?R2= xm2+ym2?R2 ? 新加工點(diǎn) m+1點(diǎn)的偏差為 ? Fm?2 xm+1 ? 新加工點(diǎn)的偏差值為 ? Fm+2ym+1 187。② 終點(diǎn)判別方法 187。③ 插補(bǔ)計(jì)算過(guò)程 數(shù)控機(jī)床的分類 – 按控制系統(tǒng)的特點(diǎn)分類 ?1．點(diǎn)位控制數(shù)控機(jī)床 ? 這類機(jī)床主要有數(shù)控坐標(biāo)鏜床、數(shù)控鉆床、數(shù)控點(diǎn)焊機(jī)和數(shù)控折彎?rùn)C(jī)等，其相應(yīng)的數(shù)控裝置稱為點(diǎn)位控制數(shù)控裝置。 ? 2． 直線控制數(shù)控機(jī)床 ? 這類機(jī)床主要有數(shù)控車床、數(shù)控磨床和數(shù)控鏜銑床等，相應(yīng)的數(shù)控裝置稱為直線控制裝置。 3．輪廓控制數(shù)控機(jī)床 ? 屬于這類機(jī)床的有數(shù)控車床、數(shù)控銑床、加工中心等。其相應(yīng)的數(shù)控裝置稱為輪廓控制裝置。輪廓數(shù)控裝置比點(diǎn)位、直線控制裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜得多，功能齊全得多。 按進(jìn)給伺服系統(tǒng)的類型分類 1．開環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床 ? 開環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)通常不帶有位置檢測(cè)元件，伺服驅(qū)動(dòng)元件一般為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。 2．閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床 ? 閉環(huán)進(jìn)給控制系統(tǒng)帶有位置檢測(cè)元件，隨時(shí)可以檢測(cè)出工作臺(tái)的實(shí)際位移，并反饋給數(shù)控裝置，并與設(shè)定的指令值進(jìn)行比較，利用其差值控制伺服電動(dòng)機(jī)，直至差值為零為止。 3．半閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床 ? 半閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)是將位置檢測(cè)元件安裝在伺服電動(dòng)機(jī)的軸上或滾珠絲杠的端部，不直接反饋機(jī)床的位移量，而是檢測(cè)伺服機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)角，將此信號(hào)反饋給數(shù)控裝置進(jìn)行指令值比較，用差值控制伺服電動(dòng)機(jī)。 – 按工藝用途分類 ? 1．金屬切削類數(shù)控機(jī)床 ? 金屬切削類數(shù)控機(jī)床包括數(shù)控車床、數(shù)控鉆床、數(shù)控銑床、數(shù)控磨床、數(shù)控鏜床以及加工中心。 ? 2．金屬成型類數(shù)控機(jī)床 ? 金屬成型類數(shù)控機(jī)床包括數(shù)控折彎?rùn)C(jī)、數(shù)控組合沖床和數(shù)控回轉(zhuǎn)頭壓力機(jī)等。這類機(jī)床起步晚，但目前發(fā)展很快。 ? 3．?dāng)?shù)控特種加工機(jī)床 ? 數(shù)控特種加工機(jī)床如數(shù)控線（電極）切割機(jī)床、數(shù)控電火花加工機(jī)床、火焰切割機(jī)和數(shù)控激光切割機(jī)床等。 ? 4．其他類型的數(shù)控機(jī)床 ? 其他類型的數(shù)控機(jī)床如數(shù)控三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等。 – 按所用數(shù)控裝置的構(gòu)成方式分類 ? 1．硬線數(shù)控系統(tǒng) ? 2．軟線數(shù)控系統(tǒng) 第 2章 數(shù)控編程基礎(chǔ) ? 數(shù)控編程概述 ? 數(shù)控程序編制中的工藝分析 ? 數(shù)控程序編制中的數(shù)學(xué)處理 數(shù)控編程概述 程序編制的內(nèi)容和步驟 ? 數(shù)控加工，是指在數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行零件加工的一種工藝方法。 ? 數(shù)控機(jī)床程序編制過(guò)程的主要內(nèi)容包括：零件圖的分析、數(shù)控機(jī)床的選擇、工件裝夾方法的確定、加工工藝的確定、刀具的選擇、程序的編制、程序的調(diào)試。從零件圖的分析開始到零件加工完畢 。 ? 1．零件圖的分析 ? 2．?dāng)?shù)控機(jī)床的選擇 ? 3．工件裝夾方法的確定 ? 4．加工工藝的確定 ? 5．刀具的選擇 ? 6．程序的編制 ? 7．程序的調(diào)試 – 程序編制的方法 ? 1．手工編程 ? 利用一般的計(jì)算工具，通過(guò)各種數(shù)學(xué)方法，人工進(jìn)行刀具軌跡的運(yùn)算，并進(jìn)行指令編制。這種方式比較簡(jiǎn)單，很容易掌握，適應(yīng)性較大。適用于中等復(fù)雜程度程序、計(jì)算量不大的零件編程，對(duì)機(jī)床操作人員來(lái)講必須掌握。 ? 2．自動(dòng)編程 ? （ 1）自動(dòng)編程軟件編程 ? 利用通用的微型計(jì)算機(jī)及專用的自動(dòng)編程軟件，以人機(jī)對(duì)話方式確定加工對(duì)象和加工條件自動(dòng)進(jìn)行運(yùn)算和生成指令。 ? 專用軟件多為在開放式操作系統(tǒng)環(huán)境下，在微型計(jì)算機(jī)上開發(fā)的，成本低、通用性強(qiáng)。 ? （ 2） CAD/CAM集成數(shù)控編程系統(tǒng)自動(dòng)編程 ? 利用 CAD/CAM系統(tǒng)進(jìn)行零件的設(shè)計(jì)、分析及加工編程。該種方法適用于制造業(yè)中的 CAD/CAM集成編程數(shù)控系統(tǒng)，目前正被廣泛應(yīng)用。該方式適應(yīng)面廣、效率高、程序質(zhì)量好適用于各類柔性制造系統(tǒng)（ FMS）和集成制造系統(tǒng)（ CIMS），但投資大，掌握起來(lái)需要一定時(shí)間。 數(shù)控程序編制中的工藝分析 數(shù)控加工工藝基本特點(diǎn) ? 數(shù)控加工的程序是數(shù)控機(jī)床的指令性文件。數(shù)控機(jī)床受控于程序指令，加工的全過(guò)程都是按程序指令自動(dòng)進(jìn)行的。因此，數(shù)