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1、第第 1 1 章章数控机床组成数控机床组成及及数字控制原理数字控制原理 1.1数控装置的概念数控装置的概念1.1 1.1 数控机床的组成及分类数控机床的组成及分类1.1.1 1.1.1 数控机床的控制技术数控机床的控制技术1.1.2 1.1.2 数控机床组成数控机床组成1.1.3 1.1.3 数控机床的分类数控机床的分类1.2 1.2 国内外数控机床的现状及发展趋势国内外数控机床的现状及发展趋势1.2.1 1.2.1 国外数控机床的发展与现状国外数控机床的发展与现状1.2.2 1.2.2 我国数控机床的现状我国数控机床的现状1.2.3 1.2.3 数控机床的发展趋势数控机床的发展趋势 1.1.
2、11.1.1数控机床的控制技术数控机床的控制技术数控装置是一种控制系统，它自动阅读输入载体上预先给定的数字值，并对其译码、运算，并据此而控制刀具与工件相对运动，加工出所需要的零件。图1 10 0 数控加工原理数控加工原理1逼近处理逼近处理 Li = Ft Li = Ft （i i1,2,1,2,）则当则当t 0 t 0 时，折线时，折线段之和接近曲线段之和接近曲线 L L，即：，即：且有：且有：F Fx x = x = xi itt F Fy y = y = yi it t 2插补运算插补运算数控机床种类繁多，有钻铣镗床类、车削类、磨削类、电加工类、锻压类、激光加工类和其他特殊用途的专用数控机
3、床等等，凡是采用了数控技术进行控制的机床统称 NC 机床。带有自动刀具交换装置（ Automatic Tool changeATC ）的数控机床（带有回转刀架的数控车床除外）称为加工中心（ Machine CenterMC ）。它通过刀具的自动交换，可以一次装夹完成多工序的加工，实现了工序的集中和工艺的复合，从而缩短了辅助加工时间，提高了机床的效率；减少了零件安装、定位次数，提高了加工精度。在加工中心的基础上，通过增加多工作台（托盘）自动交换装置（ Auto Pallet changerAPC ）以及其他相关装置，组成的加工单元称为柔性加工单元（ Flexible Manufacturing
4、CellFMC ）。在 FMC 和加工中心的基础上，通过增加物流系统、工业机器人以及相关设备，并由中央控制系统进行集中、统一控制和管理，这样的制造系统称为柔性制造系统（ Flexible Manufacturing SystemFMS ）。 为了适应市场需求多变的形势，对现代制造业来说，不仅需要发展车间制造过程的自动化，而且要实现从市场预测、生产决策、产品设计、产品制造直到产品销售的全面自动化。将这些要求综合，构成的完整的生产制造系统，称为计算机集成制造系统（ puter Integrated Manufacturing systemCIMS ）,CIMS将一个工厂的生产、经营活动进行了有机的
5、集成，实现了更高效益、更高柔性的智能化生产，是当今自动化制造技术发展的最高阶段。1.1.21.1.2数控机床组成数控机床组成图11数控加工数控加工过程示意程示意图1 1数控机床加工零件的过程数控机床加工零件的过程 2 2数控机床的组成数控机床的组成 图图11.1.31.1.3数控机床的分类数控机床的分类1 1按工艺用途分类按工艺用途分类（1 1）金属切削类数控机床）金属切削类数控机床 （2 2）金属成型类数控机床）金属成型类数控机床 （3 3）特种加工及其它类型数控机床）特种加工及其它类型数控机床 图图1图图1图13c全功能数控全功能数控铣床床图图13d高速数控铣床高速数控铣床图13e立式数控
6、立式数控铣床床图图13f立式加工中心立式加工中心图14a数控液数控液压板料折弯机板料折弯机图图14b数控弯管机数控弯管机图14c数控冲模回数控冲模回转头压力机力机 图15a数控数控线切割机床切割机床图图15b数控电火花线切割机床数控电火花线切割机床图15c数控激光切割机数控激光切割机图15d数控等离子切割机数控等离子切割机 图15e数控三坐数控三坐标测量机量机图图15f柔性三坐标测量臂柔性三坐标测量臂2 2如果以数控系统的特征进行分类时，可将数控机床如果以数控系统的特征进行分类时，可将数控机床分成三大类：分成三大类：（1 1）点位控制的数控机床）点位控制的数控机床 （2 2）直线控制数控机床）
7、直线控制数控机床（3 3）轮廓控制的数控机床）轮廓控制的数控机床 平面轮廓加工的数控机床平面轮廓加工的数控机床 空间轮廓加工的数控机床空间轮廓加工的数控机床 3按伺服系统的类型分类根据有无检测反馈元件及其检测装置，机床的伺服系统可分为开环伺服、闭环伺服和半闭环伺服。（1）开环控制数控机床 （2）闭环控制数控机床 （3）半闭环控制数控机床 图图1图图1图图14按照功能水平分类对于按数控功能的水平分类方法，目前尚无明确定义，因此，涵义也不十分清楚。这种分类方法没有一个确切定义，但可以给人们一个清晰的一般水平概念，可将数控机床分为高、中、低档三类。数控机床水平高低由主要技术参数、功能指标和关键部件的
8、功能水平决定。下列几个方面可作为评价数控机床档次的参考条件。 1.2.1 1.2.1 国外数控机床的发展与现状国外数控机床的发展与现状 采用数字控制技术进行机械加工的思想，最早是在采用数字控制技术进行机械加工的思想，最早是在2020世纪世纪4040年代年代初提出的。当时，美国密执安北部的一个小型飞机工业承包商帕初提出的。当时，美国密执安北部的一个小型飞机工业承包商帕尔森斯公司在制造飞机框架及直升机叶片轮廓用样板时，利用全尔森斯公司在制造飞机框架及直升机叶片轮廓用样板时，利用全数字电子计算机对轮廓路径进行数据处理，并考虑了刀具直径对数字电子计算机对轮廓路径进行数据处理，并考虑了刀具直径对加工路径
9、的影响，提高了加工精度。加工路径的影响，提高了加工精度。19491949年作为这一方案的主要承包者的帕尔森斯公司，正式接受美年作为这一方案的主要承包者的帕尔森斯公司，正式接受美空军委托，在麻省理工学院伺服机构试验室（空军委托，在麻省理工学院伺服机构试验室（Servo Mechanism Servo Mechanism Laboratory of the Massachusetts Institute of TechnologyLaboratory of the Massachusetts Institute of Technology）的协助下，开始从事数控机床的研制工作。经过三年时间的研究，
10、的协助下，开始从事数控机床的研制工作。经过三年时间的研究，于于19521952年试制成功世界第一台数控机床试验性样机。这是一台采年试制成功世界第一台数控机床试验性样机。这是一台采用脉冲乘法器原理的直线插补三坐标连续控制铣床（用脉冲乘法器原理的直线插补三坐标连续控制铣床（Cincinnati Cincinnati HydromelHydromel），这便是数控的第一代。），这便是数控的第一代。 1953年，美国空军与麻省理工学院协作，开始从事计算机自动编程的研究，这就是创制APT（Automatically Programmed Tools）自动编程系统的开始。1955年，美国空军花费巨额经费订
11、购了大约100台数控机床，此后两年，数控机床在美国进入迅速发展阶段，市场上出现了商品化数控机床。1958年，美国克耐杜列克公司在世界上首先研制成功带自动换刀装置的数控机床，称为“加工中心”。1959年，计算机行业研制出晶体管元器件，因而数控装置中广泛采用晶体管和印刷电路板，从而跨入第二代数控。同时美国航空工业协会（AIA）和麻省理工学院发展APT程序语言。 1960年以后，点位控制机床在美国得到迅速发展，数控技术不仅在机床上得到了实际应用，而且逐步推广到冲压机、绕线机、焊接机、火焰切割机、包装机和坐标测量机等，在程序编制方面，已由手工编程逐步发展到采用计算机自动编程。除了APT数控语言外，又发
12、展了许多自动编程语言。从1960年开始，德国、日本等先进工业国家都陆续开发、生产及使用了数控机床。1965年，出现了小规模集成电路。由于它体积小、功耗低，使数控系统的可靠性得以进一步提高，数控系统发展到第三代。以上3代，都是采用专用控制计算机的硬逻辑数字控制系统。装有这类数控系统的机床为普通数控机床（简称NC机床）。 1967年，英国首先把几台数控机床联接成具有柔性的加工系统，这就是最初的FMS（Flexible Manufacturing System，柔性制造系统）。之后，美、欧、日也相继进行开发与应用。随着计算机技术的发展，小型计算机的价格急剧下降。小型计算机开始取代专用数控计算机，数控
13、的许多功能由软件程序实现。这样组成的数控系统称为计算机数控系统（CNC）。1970年，在美国芝加哥国际机床展览会上，首次展出了这种系统，称为第四代数控。而由计算机直接对许多机床进行控制的控制系统，称为直接数控系统（DNC）。 1970年前后，美国英特尔公司开发和使用了微处理器。1974年美、日等国首先研制出以微处理器为核心的数控系统。近20年来，微处理机数控系统的数控机床得到了飞速发展和广泛应用，这就是第五代数控系统（MNC）。20世纪80年代初，国际上又出现了柔性制造单元（Flexible Manufacturing Cell，FMC）。FMC和FMS被认为是实现计算机集成制造系统（Comp
14、uter Integrated Manufacturing System，CIMS）的必经阶段和基础。 国外数控机床的现状有三个特点：第一是拥有数量较多，通常占主要生产设备的20%以上；第二是大型数控机床，如落地式镗铣床、大型龙门镗铣床以及三坐标测量机等较多；第三是更新换代较快。许多新开发的数控机床已陆续装备在生产线上。 1.2.2我国数控机床的现状我国数控机床的现状我国从我国从19581958年开始研究数控机床，一直到年开始研究数控机床，一直到2020世纪世纪6060年代中期处于年代中期处于研制、开发时期。当时，一些高等院校、科研单位研制出试验性研制、开发时期。当时，一些高等院校、科研单位研
15、制出试验性样机，开始也是从电子管着手的。样机，开始也是从电子管着手的。19651965年，国内开始研制晶体管数控系统。年，国内开始研制晶体管数控系统。2020世纪世纪6060年代末至年代末至2020世世纪纪7070年代初研制成了三维数控铣床、数控非圆齿轮插齿机、年代初研制成了三维数控铣床、数控非圆齿轮插齿机、CIL-CIL-1818晶体管数控系统及晶体管数控系统及Z53K-1GZ53K-1G立式数控铣床。立式数控铣床。从从2020世纪世纪7070年代开始，数控技术在车、铣、镗、磨、齿轮加工、年代开始，数控技术在车、铣、镗、磨、齿轮加工、电加工等领域全面展开，数控加工中心在上海、北京研制成功。电
16、加工等领域全面展开，数控加工中心在上海、北京研制成功。但由于电子元器件的质量和制造工艺水平差，致使数控系统的可但由于电子元器件的质量和制造工艺水平差，致使数控系统的可靠性、稳定性未得到解决，因此未能广泛推广。在这一时期，数靠性、稳定性未得到解决，因此未能广泛推广。在这一时期，数控线切割机由于结构简单，使用方便，价格低廉，在模具加工中控线切割机由于结构简单，使用方便，价格低廉，在模具加工中得到了推广。数控车削加工、点位加工和加工中心及三坐标数控得到了推广。数控车削加工、点位加工和加工中心及三坐标数控加工的自动编程系统和语言也研制成功，有的也在生产中应用。加工的自动编程系统和语言也研制成功，有的也
17、在生产中应用。 2020世纪世纪8080年代，我国从日本发那科公司引进了年代，我国从日本发那科公司引进了3 3、5 5、6 6、7 7等系列等系列的数控系统和直流伺服电动机、直流主轴电动机等制造技术，以的数控系统和直流伺服电动机、直流主轴电动机等制造技术，以及引进美国及引进美国GEGE公司的公司的MCIMCI系统和交流伺服系统，德国西门子系统和交流伺服系统，德国西门子VSVS系列系列可控硅调速装置，并进行了商品化生产。这些系统可靠性高，功可控硅调速装置，并进行了商品化生产。这些系统可靠性高，功能齐全。与此同时，还自行开发了能齐全。与此同时，还自行开发了3 3、4 4、5 5轴联动的数控系统以及
18、轴联动的数控系统以及双电动机驱动的同步数控系统（用于火焰切割机）和新品种的伺双电动机驱动的同步数控系统（用于火焰切割机）和新品种的伺服电动机，推动了我国数控机床稳定发展，使我国数控机床在性服电动机，推动了我国数控机床稳定发展，使我国数控机床在性能和质量上产生了一个质的飞跃。能和质量上产生了一个质的飞跃。“十一五十一五”期间，随着一系列关键技术的突破和自主生产能力的期间，随着一系列关键技术的突破和自主生产能力的形成，我国开始冲出形成，我国开始冲出“外国制造外国制造”的的“重围重围”，进入世界高速数，进入世界高速数控机床和高精度数控机床生产国的行列。控机床和高精度数控机床生产国的行列。从产量来看，
19、从产量来看，20102010年我国机床工具行业实现工业总产值年我国机床工具行业实现工业总产值5 5536.8536.8亿亿元，同比增长元，同比增长40.6%40.6%；数控机床产量达到；数控机床产量达到23.623.6万台，同比增长万台，同比增长62.2%62.2%；20102010年我国机床产值和数控机床产量均列世界第一位。整年我国机床产值和数控机床产量均列世界第一位。整个个“十一五十一五”期间，在需求的拉动下，我国数控机床产量保持高期间，在需求的拉动下，我国数控机床产量保持高速增长，年均复合增长率达到速增长，年均复合增长率达到37.4%37.4%。20102010年的增长数据意味着数年的增
20、长数据意味着数控机床的发展已经步入新阶段。控机床的发展已经步入新阶段。 1.2.3 1.2.3 数控机床的发展趋势数控机床的发展趋势 随着科学技术的发展，制造技术的进步，以及社会对产品质量和品种多样化的要求愈来愈强烈，中、小批量生产的比重明显增加，要求现代数控机床成为一种具有柔性、精密、高效、复合、集成功能和低成本的自动化加工设备。同时，为了满足制造业向更高层次发展，为柔性制造单元（FMC）、柔性制造系统（FMS），以及计算机集成制造系统（CIMS）提供基础设备，也要求数控机床向更高水平发展。当前数控机床技术呈现如下发展趋势。 1高速、高效、高精度与高可靠性（1）高速、高效 （2）高精度 （3
21、）高可靠性 2复合化、多轴化、柔性化、网络化、智能化与绿色化（1）复合化 （2）多轴化 （3）柔性化 （4）网络化 （5）智能化 （6）绿色化 3新型功能部件为了提高数控机床各方面的性能，具有高精度和高可靠性的新型功能部件的应用成为必然。具有代表性的新型功能部件包括：（1）高频电主轴（2）直线电动机（3）电滚珠丝杆 4重视新技术标准、规范的建立随着数控机床成为机械自动化加工的重要设备，在管理和操作之间，都需要有统一的术语、技术要求、符号和图形，统一的标准，以便于世界性的技术交流和贸易。数控技术的发展，形成了多个国际通用的标准，即ISO（国际标准化组织）标准、IEC（国际电工委员会）标准和EIA（美国电子工业协会）标准等。 复习与思考题复习与思考题（1）试述数控机床的概念。（2）数控机床的加工原理是什么？（3）简述数控机床的特点及适用范围。（4）何为经济型数控机床？（5）点位控制系统、点位直线控制系统、连续控制系统各有何特点？适用什么场合？（6）何谓开环、半闭环和闭环控制系统？优缺点何在？适用于什么场合？（7）数控机床是由哪几部分组成的？各有何作用？（8）试分析数控机床与通用机床的区别何在？（9）数控机床的加工特点是什么？（10）数控机床有哪些类型？（11）简述数控机床是怎样产生的，其经历有哪几个阶段？（12）简述我国数控机床的发展史。（13）简述数控机床的技术发展趋势。
