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1、1,第1章 绪 论,数控技术经过几十年的发展，已经广泛地应用于现代工业的诸多领域之中，成为制造业现代化的基础。本章将重点围绕数控技术的特点、分类、组成及各组成部分的作用，介绍有关数控技术的基本知识及发展趋势。,2,1.1 数控技术的产生和特点,数字控制(Numerical Control)技术，简称为数控(NC)技术，是一种自动控制技术，它能够对机器的运动和动作进行控制。采用数控技术的控制系统称为数控系统。装备了数控系统的机床称为数控机床。由于数控机床的种类多、数量大，因此是促进数控技术发展的重要实践领域。如今，数控技术已不仅应用于金属切削机床，而且还应用于其他多种设备，如电火花加工机床、剪切
2、机、折弯机、坐标测量机、机器人等。,3,1.1.1 数控技术的产生,1952年，MIT研制成功了三坐标数控系统，并在Cincinnate铣床上装备了这种控制系统。它采用预制穿孔带作为信息载体，可以控制多种机床。我国从1958年开始研制数控机床。到20世纪70年代末共生产了4108台数控机床，其中86%是数控线切割机床；到20世纪80年代，随着我国实行改革开放政策，引进了日本、美国等先进的数控技术，开始批量生产数控系统和伺服系统，使我国数控机床在质量和数量上有了很大的提高。近十年来，我国开发并生产了数控铣床、车床、磨床、立式和卧式加工中心等40多个新品种；引进和自行开发了多条柔性制造系统(FMS
3、)生产线，并开始进行计算机集成制造系统(CIMS)的研究及探索其在生产中的应用。到了20世纪90年代初，我国生产的数控机床已达300余种，一些较高档次的五轴联动数控系统也已开发出来。,4,1.1.2 数控技术的特点,数控机床是采用数控技术的机械设备中最具有代表性的一种。从数控机床具有的许多优点中，可以看出数控技术的特点，例如：提高了加工精度和同一批工件尺寸的重复精度，保证了加工质量的稳定性。具有较高的生产效率。与普通机床相比，生产效率大致可提高23倍。增加了设备的柔性，可以适应不同品种、规格和尺寸以及不同批量的工件加工。操作人员的劳动强度大为减轻。具有较高的经济效益。这是因为数控机床能一机多用
4、，代替多台普通机床，减少了工序间工件的运输时间，节省厂房面积，减少工夹具数量和投资。能加工普通机床所不能加工的复杂型面。可向更高级的制造系统发展。它的不足之处是：提高了起始阶段的投资。增加了电子设备的维护。对操作人员的技术水平要求较高。,5,1.1.3 计算机数控,随着电子技术和计算机技术的发展，数控系统经历了采用电子管、晶体管、集成电路，直到将计算机引进数控系统的过程。将微型计算机(简称微机)引入数控系统后，使其在质的方面完成了一次飞跃。计算机数控(Computer Numerical Control，CNC)系统有许多优点：(1)柔性好(2)功能强(3)可靠性高(4)易于实现机电一体化(5
5、)经济性好,6,1.2 数控机床的组成和作用,虽然数控技术能用来控制多种机械，但用得最多的和最典型的是数控机床，所以先来简单地介绍数控机床。,7,1.2.1 数控机床的组成部分,如前所述，数控机床配备有数控系统，可以按照事先编好的加工程序实现机床的运动和动作。数控机床由程序载体、输入装置、CNC装置、伺服系统和机床的机械部件构成，如图1.1所示。,8,1.2.2 数控机床各组成部分的作用,1.程序载体数控机床是按照输入的工件加工程序运行的。加工程序存放在软、硬磁盘等程序载体中，通过数控机床的输入装置，将加工程序信息读入CNC装置中。2.输入装置输入装置的作用是将加工程序的信息读入CNC装置内。
6、3.CNC装置CNC装置主要由信息的输入、处理和输出三部分组成。4.伺服系统伺服系统由伺服电动机以及伺服驱动控制装置和有关软件构成。5.位置反馈系统位置反馈系统的作用是将机床运动部件的实际位置信息反馈给CNC装置。6.机床的机械部件数控机床的机械部件，除了主运动系统以及辅助部分(如液压、气动、冷却和润滑部分)以外，尚有一些特殊部件，如储备刀具的刀库、自动换刀装置(ATC)和自动托盘交换装置等。,9,1.3 数字控制系统,1.3.1 数字控制系统的组成和分类1.数字控制系统的组成数控系统是一种能够控制机器运动的装置，它是由输入和输出设备、CNC装置、可编程控制器(PLC)、主轴驱动装置和进给驱动
7、装置等组成的一个系统。2.机床数控系统的类型机床数控系统有不同的类型，以适应不同用途的需要。(1)根据伺服系统的控制原理，机床数控系统可分为开环控制系统和闭环控制系统，根据检测装置安装的位置不同，闭环控制系统又可分为全闭环控制系统和半闭环控制系统。(2)根据控制运动方式的不同，可分为点位控制系统和连续控制系统。另外点位/直线(或称直线)控制系统也归类于连续控制系统中。(3)根据数控功能，可分为经济型数控系统、普及型数控系统和高级型数控系统。,10,1.3.2 开环和闭环控制系统,1.开环控制系统图1.2所示为开环控制系统的框图。2.全闭环控制系统针对开环控制系统的缺点，闭环控制系统在机床工作台
8、运动方向上增加了测量工作台实际位移量的位置传感器，如图1.3所示。3.半闭环控制系统半闭环控制系统的控制方式与闭环控制系统相类似，它们之间的主要区别在于前者的电动机轴上装有表示其角位移的编码器。,11,1.3.3 点位控制系统与连续控制系统,1.点位控制系统点位控制系统仅控制刀具相对于工件的位置。同时，移动的途径和速度原则上没有规定。点位控制系统多采用于孔加工的数控机床。2.连续控制系统(1)插补运算原理(2)连续控制系统的工作特点,12,1.3.4 多功能与经济型数控系统,多功能机床数控系统的功能比较齐全，适用于功率较大、动作较复杂、定位精度较高的大、中型数控机床。这种数控系统大多是在专业工
9、厂生产。由于批量较大，质量较稳定，所以可靠性高。配置这种系统的数控机床价格较贵。有的工厂为了提高生产率和稳定加工质量，在普通机床基础上，对机械部分作必要的改造，配上功能较为简单的数控系统，使之具备某些必要的数控功能。这种数控系统就叫作经济型数控系统。配置经济型数控系统的数控机床，一般采用控制较简单、成本较低的步进电动机伺服系统。为了提高加工精度，防止步进电动机丢步，较高档的经济型数控机床在步进电机端部装有回转编码器进行补偿。计算机的CPU一般采用51系列的单片机，以增强抗干扰能力，提高工作的可靠性。,13,1.3.5 适应控制系统,1.如前所述的闭环控制系统为了提高切削效率和加工精度，机床的数
10、控系统最好能在加工过程中改变机床的切削用量，以适应在一瞬间实际发生的加工情况。这种控制方法称为适应控制(Adaptive Control简称AC)，如图1.5所示。2.适应控制铣床图1.6为适应控制铣床的框图。,14,1.3.6 直接数控系统,直接数控系统(Direct Numerical Control，DNC)，可以理解为用一台计算机直接控制一群机床，所以它又称为群控系统。DNC系统的特点为：(1)可实现非实时分配数控数据，它可和车间的编程机结合起来，便于实现车间的监控和管理。(2)DNC系统采用了局域网络(LAN)技术进行通信，所以DNC系统成为一种“开放式”系统，可以向上级机和下级设备
11、扩展延伸。(3)DNC系统与数据采集系统相结合，可以采集机床的工作状态，在线检测数据，对加工质量和机床状态进行实时控制。(4)DNC系统既可独立使用，也可作为工厂的计算机集成制造系统的一个层次。,15,1.4 数控技术的应用,1.4.1 数控技术在金属切削机床中的应用数控技术在金属切削机床上应用的最多。根据数控机床用途的不同，大致可分为以下几类。1.普通数控机床(1)数控车床(2)数控铣床(3)数控钻床(4)数控磨床(5)数控齿轮机床 2.加工中心(1)铣削加工中心(2)车削加工中心,16,1.4.2 数控技术在电加工机床中的应用,数控电加工机床主要有两类：数控电火花成形机床和数控线切割机床。
12、1.数控电火花成形机床图1.8所示为数控电火花成型机床的工作原理。2.数控线切割机床图1.9所示为数控线切割机床的工作原理图。,17,1.4.3 数控技术在工业机器人中的应用,图1.10所示为一工业机器人系统的示意图，它由执行机构、动力部分和控制部分组成。对于较高级的机器人，还有检测传感系统、感觉系统。1.执行机构2.动力部分3.控制部分4.检测传感系统5.感觉系统,18,1.4.4 CNC三坐标测量机,三坐标(或多坐标)测量机用来检测箱体、成形工件、模具以及其他形状复杂的工件。三坐标测量机主体结构形式较多，常见的一种如图1.11所示。三坐标测量机的测量控制系统如图1.12所示。,19,1.5
13、 数控技术的发展与机械加工自动化,1.5.1 数控机床的发展趋势现代数控机床的发展趋势是高速化、高精度化、高可靠性、多功能、复合化、智能化和开放式结构。主要发展动向是研制开发软、硬件都具有开放式结构的智能化全功能通用数控装置。下面对现代数控机床的主要发展趋势作一简要介绍。1.高速化与高精度化2.复合化3.智能化4.高柔性化5.小型化 6.开放式体系结构,20,1.5.2 先进制造技术简介,1.计算机直接数控系统(DNC)计算机直接数控系统(DNC)就是使用一台通用计算机直接控制和管理一群数控机床进行零件加工或装配的系统，也称计算机群控系统。2.柔性制造系统(FMS)柔性制造技术的发展，已经形成
14、了在自动化程度和规模上不同的多种层次和级别的柔性制造系统。带有自动换刀装置(Automatic Tool Changer，ATC)的数控加工中心，是柔性制造的硬件基础，是制造系统的基本级别。(1)柔性制造单元(2)柔性制造系统3.计算机集成制造系统(CIMS)简介(1)CIMS的定义(2)CIMS的结构,21,1.6 习 题,(1)数控机床有哪些优点和不足之处？(2)数控机床由哪些部分组成？(3)数控机床的各个组成部分有什么功用？(4)数控系统由哪些部分组成？各个部分的功用是什么？(5)机床数控系统有哪些类型？它们之间有什么区别？(6)开环控制系统由哪些部分组成？它主要用于什么场合？(7)闭环
15、控制系统有什么特点？它的工作原理是怎样的？(8)半闭环控制系统与闭环控制系统相比，有什么特点？(9)点位控制系统的主要特点是什么？它用于什么场合？(10)连续控制系统的特点是什么？它具有什么独特的功能？,22,1.6 习 题,(11)插补有什么意义？(12)何谓脉冲当量？(13)采取什么方法可以较显著地提高经济型数控机床的加工精度？(14)适应控制系统与闭环控制系统有什么区别？(15)何谓直接数控系统？(16)加工中心与其他数控机床相比，有什么特点？(17)目前现代数控机床大致向哪几个方向发展？(18)何谓开放型数控系统？为什么说它代表数控系统的发展方向？(19)FMC有什么特点？适用于什么场合？(20)什么是柔性制造系统？它有什么优点？(21)FMS中的柔性指的是什么？(22)CIMS有什么特点？为什么说它是21世纪制造系统的发展方向？,
