数控数控床基本知识

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1、第第1章章 数控机床基本知识数控机床基本知识1.1 数控机床的产生与发展数控机床的产生与发展1.2 数控机床的组成结构及工作原理数控机床的组成结构及工作原理1.3 数控机床的分类数控机床的分类 1.1 数控机床的产生与发展数控机床的产生与发展随着社会生产和科学技术的不断进步，随着社会生产和科学技术的不断进步，各类工业新产品层出不穷。机械制造产业各类工业新产品层出不穷。机械制造产业作为国民工业的基础，其产品更是日趋精作为国民工业的基础，其产品更是日趋精密复杂，特别是在宇航、航海、军事等领密复杂，特别是在宇航、航海、军事等领域所需的机械零件，精度要求更高，形状域所需的机械零件，精度要求更高，形状更

2、为复杂且往往批量较小，加工这类产品更为复杂且往往批量较小，加工这类产品需要经常改装或调整设备，需要经常改装或调整设备，普通机床或专业化程度高的自动化机普通机床或专业化程度高的自动化机床显然无法适应这些要求。同时，随着市床显然无法适应这些要求。同时，随着市场竞争的日益加剧，企业生产也迫切需要场竞争的日益加剧，企业生产也迫切需要进一步提高其生产效率，提高产品质量及进一步提高其生产效率，提高产品质量及降低生产成本。降低生产成本。 一种新型的生产设备一种新型的生产设备数控机床就数控机床就应运而生了应运而生了 。1.1.1 数控机床的产生帕森斯公司正式接受委托，与麻省理帕森斯公司正式接受委托，与麻省理工

3、学院伺服机构实验室（工学院伺服机构实验室（Servo Mechanism Laboratory of the Massachusetts Institute of Technology）合）合作，于作，于1952年试制成功世界上第一台数控年试制成功世界上第一台数控机床试验性样机。机床试验性样机。 1959年，美国克耐年，美国克耐杜杜列克公司（列克公司（Keaney & Trecker）首次成功）首次成功开发了加工中心（开发了加工中心（Machining Center） 。1.1.2 数控机床的发展简况数控机床的发展简况第第1代数控机床：代数控机床：1952年年1959年采用年采用电子管元件构成

4、的专用数控装置（电子管元件构成的专用数控装置（NC）。）。第第2代数控机床：从代数控机床：从1959年开始采用晶年开始采用晶体管电路的体管电路的NC系统。系统。第第3代数控机床：从代数控机床：从1965年开始采用小、年开始采用小、中规模集成电路的中规模集成电路的NC系统。系统。第第4代数控机床：从代数控机床：从1970年开始采用大年开始采用大规模集成电路的小型通用电子计算机控制规模集成电路的小型通用电子计算机控制的系统（的系统（CNC）。）。第第5代数控机床：从代数控机床：从1974年开始采用微年开始采用微型计算机控制的系统（型计算机控制的系统（MNC）。）。 1计算机直接数控系统所谓计算机直

5、接数控（所谓计算机直接数控（Direct Numerical Control，DNC）系统，即使用）系统，即使用一台计算机为数台数控机床进行自动编程，一台计算机为数台数控机床进行自动编程，编程结果直接通过数据线输送到各台数控编程结果直接通过数据线输送到各台数控机床的控制箱。机床的控制箱。 2柔性制造系统柔性制造系统（柔性制造系统（Flexible Manufacturing System，FMS）也叫做计）也叫做计算机群控自动线，它是将一群数控机床用算机群控自动线，它是将一群数控机床用自动传送系统连接起来，并置于一台计算自动传送系统连接起来，并置于一台计算机的统一控制之下，形成一个用于制造的机

6、的统一控制之下，形成一个用于制造的整体。整体。 3计算机集成制造系统计算机集成制造系统（计算机集成制造系统（Computer-Integrated Manufacturing System，CIMS），是指用最先进的计算机技术，），是指用最先进的计算机技术，控制从定货、设计、工艺、制造到销售的控制从定货、设计、工艺、制造到销售的全过程，以实现信息系统一体化的高效率全过程，以实现信息系统一体化的高效率的柔性集成制造系统。的柔性集成制造系统。 1.1.3 我国数控机床发展概况1958年开始并试制成功第一台电子管数控年开始并试制成功第一台电子管数控机床。机床。1965年开始研制晶体管数控系统，直到年

7、开始研制晶体管数控系统，直到20世纪世纪60年代末至年代末至70年代初成功。从年代初成功。从20世纪世纪80年代年代开始，先后从日本、美国、德国等国家引进先进开始，先后从日本、美国、德国等国家引进先进的数控技术。如北京机床研究所从日本的数控技术。如北京机床研究所从日本FANUC公司引进公司引进FANUC3、FANUC5、FANUC6、FANUC7系列产品的制造技术；上海机床研究所系列产品的制造技术；上海机床研究所引进美国引进美国GE公司的公司的MTC-1数控系统等。数控系统等。 1.1.4 数控机床的发展趋势从数控机床技术水平看，高精度、高从数控机床技术水平看，高精度、高速度、高柔性、多功能和

8、高自动化是数控速度、高柔性、多功能和高自动化是数控机床的重要发展趋势。机床的重要发展趋势。 数控系统都采用了数控系统都采用了16位和位和32位微处理位微处理器，标准总线及软件模块和硬件模块结构，器，标准总线及软件模块和硬件模块结构，内存容量扩大到内存容量扩大到1MB以上，机床分辨率可以上，机床分辨率可达达0.1 m，高速进给可达，高速进给可达100m/min，控制，控制轴数可达轴数可达16个。个。1.2 数控机床的组成结构及工作原理数控机床的组成结构及工作原理1.2.1 数控机床的组成1控制介质数控机床工作时，不需要操作工人数控机床工作时，不需要操作工人直接操纵机床，但机床又必须执行人的直接操

9、纵机床，但机床又必须执行人的意图，这就需要在人与机床之间建立某意图，这就需要在人与机床之间建立某种联系，这种联系的中间媒介物即称为种联系，这种联系的中间媒介物即称为控制介质。控制介质。 2数控系统数控装置是一种控制系统，是数控机数控装置是一种控制系统，是数控机床的中心环节。它能自动阅读输入载体上床的中心环节。它能自动阅读输入载体上事先给定的数字，并将其译码，从而使机事先给定的数字，并将其译码，从而使机床进给并加工零件，数控系统通常由输入床进给并加工零件，数控系统通常由输入装置、控制器、运算器和输出装置装置、控制器、运算器和输出装置4大部大部分组成分组成 。3伺服系统伺服系统由伺服驱动电动机和伺

10、服驱伺服系统由伺服驱动电动机和伺服驱动装置组成，它是数控系统的执行部分。动装置组成，它是数控系统的执行部分。伺服系统接受数控系统的指令信息，并按伺服系统接受数控系统的指令信息，并按照指令信息的要求带动机床的移动部件运照指令信息的要求带动机床的移动部件运动或使执行部分动作，以加工出符合要求动或使执行部分动作，以加工出符合要求的工件。每一个脉冲使机床移动部件产生的工件。每一个脉冲使机床移动部件产生的位移量叫做脉冲当量。目前所使用的数的位移量叫做脉冲当量。目前所使用的数控系统脉冲当量通常为控系统脉冲当量通常为0.001mm/脉冲。脉冲。 4辅助控制系统辅助控制系统是介于数控装置和机床辅助控制系统是介

11、于数控装置和机床机械、液压部件之间的强电控制装置。机械、液压部件之间的强电控制装置。 5机床本体机床本体是数控机床的主体，由机床机床本体是数控机床的主体，由机床的基础大件（如床身、底座）和各运动部的基础大件（如床身、底座）和各运动部件（如工作台、床鞍、主轴等）所组成。件（如工作台、床鞍、主轴等）所组成。 1.2.2 数控机床的关键结构部件1伺服系统驱动电机（1）步进电动机）步进电动机步进电动机通常用于开环伺服系统机床。步进电动机通常用于开环伺服系统机床。 （2）直流伺服电动机）直流伺服电动机 小惯量直流电动机小惯量直流电动机 宽调速直流电动机宽调速直流电动机 无刷直流电动机无刷直流电动机 （3

12、）交流伺服电动机）交流伺服电动机近年来新型功率开关器件、专用集成近年来新型功率开关器件、专用集成电路和新的控制算法等的发展带动了交流电路和新的控制算法等的发展带动了交流驱动电源的发展，使其调速性能更能适应驱动电源的发展，使其调速性能更能适应数控机床伺服系统的要求。交流速度控制数控机床伺服系统的要求。交流速度控制系统正逐步取代直流速度控制系统。系统正逐步取代直流速度控制系统。2位置检测装置检测装置是把位移和速度测量信号作检测装置是把位移和速度测量信号作为反馈信号，并将反馈信号转换成数字送为反馈信号，并将反馈信号转换成数字送回计算机，和脉冲指令信号相比较，以控回计算机，和脉冲指令信号相比较，以控制

13、驱动元件正确运转。制驱动元件正确运转。 （1）感应同步器）感应同步器感应同步器是一种电磁式的高精度感应同步器是一种电磁式的高精度位移检测元件，按其结构方式的不同可位移检测元件，按其结构方式的不同可分为直线式和旋转式两种，前者用于长分为直线式和旋转式两种，前者用于长度测量，后者用于角度测量。度测量，后者用于角度测量。 感应同步器的特点是：精度高，工感应同步器的特点是：精度高，工作可靠，抗干扰性强，维护简单，寿命作可靠，抗干扰性强，维护简单，寿命长，可测量长距离位置，成本低，易于长，可测量长距离位置，成本低，易于批量生产。批量生产。（2）光栅）光栅光栅就是在一块长条形的光学玻璃上光栅就是在一块长条

14、形的光学玻璃上均匀地刻划很多条与运动方向垂直的条纹，均匀地刻划很多条与运动方向垂直的条纹，条纹之间的距离成为栅距。条纹之间的距离成为栅距。 光栅测量装置是一种非接触式测量，光栅测量装置是一种非接触式测量，利用光路减少了机械误差，具有精度高，利用光路减少了机械误差，具有精度高，响应速度快等特点，因此是数控机床和数响应速度快等特点，因此是数控机床和数显系统常用的检测元件。显系统常用的检测元件。（3）磁栅）磁栅磁栅是用电磁的方法计算磁波数目的一种磁栅是用电磁的方法计算磁波数目的一种位置检测元件，磁栅测量装置由磁性标尺、读取位置检测元件，磁栅测量装置由磁性标尺、读取磁头和检测电路组成。磁头和检测电路组

15、成。磁栅位置检测电路的特点是：容易制造，磁栅位置检测电路的特点是：容易制造，检测精度高（能达到每米检测精度高（能达到每米3 m），安装使用方），安装使用方便，对环境条件要求较低，若磁性标尺膨胀系数便，对环境条件要求较低，若磁性标尺膨胀系数与机床一致，可在一般车间使用。由于磁头与磁与机床一致，可在一般车间使用。由于磁头与磁栅为有接触的相对运动，因而有磨损，使用寿命栅为有接触的相对运动，因而有磨损，使用寿命受到一定的限制。一般使用寿命可达到受到一定的限制。一般使用寿命可达到5年，涂年，涂上保护膜后寿命则可进一步延长。上保护膜后寿命则可进一步延长。（4）旋转变压器）旋转变压器旋转变压器是一种角位移检

16、测元件，旋转变压器是一种角位移检测元件，由定子和转子组成，分为有刷和无刷两种由定子和转子组成，分为有刷和无刷两种形式。有刷旋转变压器定子和转子均为两形式。有刷旋转变压器定子和转子均为两相交流分布绕组。相交流分布绕组。 数控机床检测装置主要使用无刷旋转数控机床检测装置主要使用无刷旋转变压器，因为无刷旋转变压器具有可靠性变压器，因为无刷旋转变压器具有可靠性高、寿命长、体积小、不用维修以及输出高、寿命长、体积小、不用维修以及输出信号大、抗干扰能力强等优点。信号大、抗干扰能力强等优点。 （5）脉冲编码器）脉冲编码器脉冲编码器是把机械转角转化为电脉脉冲编码器是把机械转角转化为电脉冲的一种常用角位移传感器

17、。冲的一种常用角位移传感器。 （6）测速发电机）测速发电机测速发电机是速度反馈元件，相当于测速发电机是速度反馈元件，相当于一台永磁式直流电动机。一台永磁式直流电动机。 3进给运动传动部件滚珠丝杠螺母副是回转运动与直线运滚珠丝杠螺母副是回转运动与直线运动相互转换的新型理想传动装置。动相互转换的新型理想传动装置。 具有如下优点。具有如下优点。（1）传动效率高。）传动效率高。（2）摩擦力小。）摩擦力小。（3）使用寿命长。）使用寿命长。（4）经预紧后可以消除轴向间隙，提）经预紧后可以消除轴向间隙，提高系统的刚度。高系统的刚度。（5）反向运动时无空行程，可以提高）反向运动时无空行程，可以提高轴向运动精度

18、。轴向运动精度。4CRT显示及其接口5数控机床通信RS-232接口1.2.3 数控机床的工作原理数控系统的主要任务之一就是控制执数控系统的主要任务之一就是控制执行机构按预定的轨迹运动。一般情况是已行机构按预定的轨迹运动。一般情况是已知运动轨迹的起点坐标、终点坐标和曲线知运动轨迹的起点坐标、终点坐标和曲线方程，由数控系统实时地算出各个中间点方程，由数控系统实时地算出各个中间点的坐标。即需要的坐标。即需要“插入、补上插入、补上”运动轨迹运动轨迹各个中间点的坐标，通常这个过程就称为各个中间点的坐标，通常这个过程就称为“插补插补”。 1逐点比较法直线插补（1）直线插补计算原理）直线插补计算原理 偏差计

19、算公式偏差计算公式定义直线插补的偏差判别式如下：定义直线插补的偏差判别式如下：Fm=ymxe xmye 终点判断的方法终点判断的方法一种方法是设置一种方法是设置x、y两个减法计数两个减法计数器。器。另一种方法是设置一个终点计数器另一种方法是设置一个终点计数器 。第三种方法是选终点坐标值较大的坐第三种方法是选终点坐标值较大的坐标作为计数坐标。标作为计数坐标。 插补计算过程插补计算过程 偏差判断偏差判断坐标进给坐标进给偏差计算偏差计算终点判别终点判别 2逐点比较法圆弧插补（1）圆弧插补计算原理）圆弧插补计算原理 偏差计算公式偏差计算公式定义圆弧偏差判别式如下：定义圆弧偏差判别式如下： Fm=Rm2

20、 R2= xm2+ym2 R2 新加工点新加工点m+1点的偏差为点的偏差为Fm 2 xm+1 新加工点的偏差值为新加工点的偏差值为Fm+2ym+1 终点判别方法终点判别方法 插补计算过程插补计算过程1.3 数控机床的分类数控机床的分类 1.3.1 按控制系统的特点分类1点位控制数控机床这类机床主要有数控坐标镗床、数控这类机床主要有数控坐标镗床、数控钻床、数控点焊机和数控折弯机等，其相钻床、数控点焊机和数控折弯机等，其相应的数控装置称为点位控制数控装置。应的数控装置称为点位控制数控装置。2直线控制数控机床这类机床主要有数控车床、数控磨床这类机床主要有数控车床、数控磨床和数控镗铣床等，相应的数控装

21、置称为直和数控镗铣床等，相应的数控装置称为直线控制装置。线控制装置。3轮廓控制数控机床属于这类机床的有数控车床、数控属于这类机床的有数控车床、数控铣床、加工中心等。其相应的数控装置铣床、加工中心等。其相应的数控装置称为轮廓控制装置。轮廓数控装置比点称为轮廓控制装置。轮廓数控装置比点位、直线控制装置结构复杂得多，功能位、直线控制装置结构复杂得多，功能齐全得多。齐全得多。1.3.2 按进给伺服系统的类型分类1开环进给伺服系统数控机床开环进给伺服系统通常不带有位置检测开环进给伺服系统通常不带有位置检测元件，伺服驱动元件一般为步进电动机。元件，伺服驱动元件一般为步进电动机。 2闭环进给伺服系统数控机床

22、闭环进给控制系统带有位置检测元件，闭环进给控制系统带有位置检测元件，随时可以检测出工作台的实际位移，并反随时可以检测出工作台的实际位移，并反馈给数控装置，并与设定的指令值进行比馈给数控装置，并与设定的指令值进行比较，利用其差值控制伺服电动机，直至差较，利用其差值控制伺服电动机，直至差值为零为止。值为零为止。 3半闭环进给伺服系统数控机床半闭环进给伺服系统是将位置检测元半闭环进给伺服系统是将位置检测元件安装在伺服电动机的轴上或滚珠丝杠的件安装在伺服电动机的轴上或滚珠丝杠的端部，不直接反馈机床的位移量，而是检端部，不直接反馈机床的位移量，而是检测伺服机构的转角，将此信号反馈给数控测伺服机构的转角，

23、将此信号反馈给数控装置进行指令值比较，用差值控制伺服电装置进行指令值比较，用差值控制伺服电动机。动机。 1.3.3 按工艺用途分类1金属切削类数控机床金属切削类数控机床包括数控车床、金属切削类数控机床包括数控车床、数控钻床、数控铣床、数控磨床、数控镗数控钻床、数控铣床、数控磨床、数控镗床以及加工中心。床以及加工中心。 2金属成型类数控机床金属成型类数控机床包括数控折弯机、金属成型类数控机床包括数控折弯机、数控组合冲床和数控回转头压力机等。这数控组合冲床和数控回转头压力机等。这类机床起步晚，但目前发展很快。类机床起步晚，但目前发展很快。3数控特种加工机床数控特种加工机床如数控线（电极）数控特种加工机床如数控线（电极）切割机床、数控电火花加工机床、火焰切切割机床、数控电火花加工机床、火焰切割机和数控激光切割机床等。割机和数控激光切割机床等。4其他类型的数控机床其他类型的数控机床如数控三坐标测其他类型的数控机床如数控三坐标测量机等。量机等。1.3.4 按所用数控装置的构成方式分类1硬线数控系统2软线数控系统