数控机床的认识

1、 数控机床的认识数控机床的认识FANUC Series 0i Mate MODEL C 19461946年世界上诞生了第一台电子计算机，这标志年世界上诞生了第一台电子计算机，这标志着人类创造可部分代替脑力劳动的工具。它与人类在着人类创造可部分代替脑力劳动的工具。它与人类在生产活动中创造的那些只是改善或减轻体力劳动的工生产活动中创造的那些只是改善或减轻体力劳动的工具相比，起了质的飞跃，它为人类进入信息社会奠定具相比，起了质的飞跃，它为人类进入信息社会奠定了基础。半个世纪以来，以计算机为主导和核心的信了基础。半个世纪以来，以计算机为主导和核心的信息技术，既通过电视、现代通信等手段提高了人类的息技术

2、，既通过电视、现代通信等手段提高了人类的生活质量，更促使生产力飞速向前发展，开创了人类生活质量，更促使生产力飞速向前发展，开创了人类文明史、生产史的新纪元。文明史、生产史的新纪元。 第一台计算机诞生第一台计算机诞生6年后，即在年后，即在1952年，计算机技年，计算机技术应用到了机床上。在美国诞生了第一台数控机床。术应用到了机床上。在美国诞生了第一台数控机床。从此，传统的机床产生了质的变化。从此，传统的机床产生了质的变化。 第一台数控机床诞生至今五十年以来，数第一台数控机床诞生至今五十年以来，数控机床的核心控机床的核心数控系统的发展经历了二个阶数控系统的发展经历了二个阶段和六代的发展。段和六代的

3、发展。 1.1.1 1.1.1 数控（数控（NCNC）阶段）阶段 1.1.21.1.2 计算机数控（计算机数控（CNC）阶段）阶段 1.1.1 1.1.1 数控（数控（NC）阶段）阶段(1952(195219701970年年) ) 早期的计算机运算速度低，这对当时的科早期的计算机运算速度低，这对当时的科学计算和数据处理影响不大，但它不能适应机学计算和数据处理影响不大，但它不能适应机床实时控制的要求。于是，人们不得不采用数床实时控制的要求。于是，人们不得不采用数字逻辑电路，搭成机床专用计算机作为数控系字逻辑电路，搭成机床专用计算机作为数控系统，被称为硬件连接数控（统，被称为硬件连接数控（HARD

4、HARDWIRED WIRED NCNC）, ,简称为数控（简称为数控（NCNC）。随着电子元器件的）。随着电子元器件的发展，这个阶段又历经三代，即发展，这个阶段又历经三代，即19521952年的第一年的第一代代电子管计算机组成的数控系统；电子管计算机组成的数控系统；19591959年的年的第二代第二代晶体管计算机组成的数控系统；晶体管计算机组成的数控系统；19651965年的第三代小规模的集成电路计算机组成的数年的第三代小规模的集成电路计算机组成的数控系统。控系统。1. .1. .2 计算机数控（计算机数控（CNC）阶段）阶段 这一阶段从这一阶段从19701970年开始至今。年开始至今。19

5、701970年研制成功大规模集年研制成功大规模集成电路，并将其用于通用小型计算机。此时的小型计算机，成电路，并将其用于通用小型计算机。此时的小型计算机，其运算速度比五、六十年代的计算机有了大幅度的提高。其运算速度比五、六十年代的计算机有了大幅度的提高。比专门搭成的专用计算机成本低，可靠性高。于是，小型比专门搭成的专用计算机成本低，可靠性高。于是，小型计算机被用作数控系统的核心部件，从此进入了计算机数计算机被用作数控系统的核心部件，从此进入了计算机数控（控（CNCCNC）阶段。）阶段。19711971年美国年美国INTELINTEL公司在世界上第一次将公司在世界上第一次将计算机的两个最核心的部件

6、计算机的两个最核心的部件运算器和控制器，采用大规运算器和控制器，采用大规模的集成电路技术集成在一块芯片上，称之为微处理器模的集成电路技术集成在一块芯片上，称之为微处理器（MicroprocessorMicroprocessor），又可称为中央处理单元（），又可称为中央处理单元（CPUCPU）。）。19741974年微处理器被应用于数控系统。这是因为小型计算机年微处理器被应用于数控系统。这是因为小型计算机功能太强，控制一台机床能力有富余（故当时曾用于控制功能太强，控制一台机床能力有富余（故当时曾用于控制多台机床，称之为群控），更重要的是当时的小型计算机多台机床，称之为群控），更重要的是当时的小型

7、计算机可靠性仍不太理想，可靠性仍不太理想， 总之计算机数控阶段也经历了三代。即总之计算机数控阶段也经历了三代。即19701970年年第四代第四代小型计算机数控系统；小型计算机数控系统；19741974年年 的第五的第五代代微处理器组成微处理器组成 的的 数控系统数控系统 和和19901990年的年的 第六第六代代基于基于PCPC的数控系统的数控系统 。 必须指出，数控系统近五十年来经历了两个阶必须指出，数控系统近五十年来经历了两个阶段六代的发展，只是发展到了第五代以后，才从根段六代的发展，只是发展到了第五代以后，才从根本上解决了数控系统可靠性低，价格极为昂贵，应本上解决了数控系统可靠性低，价格

8、极为昂贵，应用很不方便等极为关键的问题，因此即使在工业发用很不方便等极为关键的问题，因此即使在工业发达国家，数控机床大规模地得到应用和普及也是在达国家，数控机床大规模地得到应用和普及也是在上世纪的七十年代末、八十年代初以后的事情上世纪的七十年代末、八十年代初以后的事情 ，也就是说也就是说 数控技术经过了近三十年的发展才走向数控技术经过了近三十年的发展才走向普及应用。普及应用。 数控机床的运动性能指标数控机床的运动性能指标 （1）数控机床的可控轴数和联动轴数）数控机床的可控轴数和联动轴数 （2）快速移动速度（）快速移动速度（G00速度）及进给速度速度）及进给速度 （3）主轴转速）主轴转速 （4）

9、坐标行程）坐标行程2数控机床的精度指标数控机床的精度指标（1）定位精度）定位精度（2）重复定位精度）重复定位精度（3）分辨率与脉冲当量）分辨率与脉冲当量1.2 1.2 现代数控技术发展趋势现代数控技术发展趋势 1.2.1 高速、高精加工高速、高精加工1.2.2 数控系统具有多轴控制、多轴联动和数控系统具有多轴控制、多轴联动和 复合加工的控制功能复合加工的控制功能 1.2.3 数控系统开放化、智能化和网络化数控系统开放化、智能化和网络化 1.2.1 1.2.1 高速、高精加工高速、高精加工 随着汽车制造、电子工业、模具工业、随着汽车制造、电子工业、模具工业、航空工业和国防科技的发展，要求机床的航

10、空工业和国防科技的发展，要求机床的加工速度和精度进一步提高。加工速度和精度进一步提高。 目前，加工中心主轴转速最高达目前，加工中心主轴转速最高达40000r/min进给速度达进给速度达24m/min30m/min，快速移动速度可达，快速移动速度可达60m/min，定位精度都在几个微米。定位精度都在几个微米。特点：特点：1 1、 采用高精高速的数控系统采用高精高速的数控系统2 2、 采用直线电动机作为进给伺服系统采用直线电动机作为进给伺服系统 3 3、采用高速内装式主轴采用高速内装式主轴 4 4、采用高速永磁同步电动机采用高速永磁同步电动机 1. .2. .2 数控系统具有多轴控制、多轴联动和数

11、控系统具有多轴控制、多轴联动和 复合加工的控制功能复合加工的控制功能 从理论上讲，数控机床只要从理论上讲，数控机床只要3 3轴联动，对于轴联动，对于3 3维曲面维曲面均能加工。但是，实际上均能加工。但是，实际上3 3轴联动对于轴联动对于3 3维曲面加工，维曲面加工，由于很难用上刀具的最佳几何形状进行切削，不仅效由于很难用上刀具的最佳几何形状进行切削，不仅效率低且表面粗糙度差，往往采用手动进行修补，因此，率低且表面粗糙度差，往往采用手动进行修补，因此，已加工表面也可能丧失精度。已加工表面也可能丧失精度。 5轴（坐标）联动数控机床，是数控机床技术制高轴（坐标）联动数控机床，是数控机床技术制高点标志

12、之一，点标志之一，5轴联动数控铣床用于大型螺旋桨空间曲轴联动数控铣床用于大型螺旋桨空间曲面加工，其机械配置主要有刀具轴旋转方式、工作台面加工，其机械配置主要有刀具轴旋转方式、工作台旋转方式和这两种方式的复合。采用旋转方式和这两种方式的复合。采用5轴联动，可以使轴联动，可以使用刀具最佳几何形状进行切削。用刀具最佳几何形状进行切削。 复合加工机床在工件一次安装后，就能完复合加工机床在工件一次安装后，就能完成全部加工工序，不但提高了加工效率，而且成全部加工工序，不但提高了加工效率，而且提高了精度，实现精益生产。复合加工机床实提高了精度，实现精益生产。复合加工机床实现了工序复合和工种复合，而工序复合和

13、工种现了工序复合和工种复合，而工序复合和工种复合是机床集成技术发展最活跃的因素，是当复合是机床集成技术发展最活跃的因素，是当今制造技术发展的总趋势。目前，复合机床产今制造技术发展的总趋势。目前，复合机床产品正在趋于成熟，品正在趋于成熟， 1. .2. .3 数控系统开放化、智能化和网络化数控系统开放化、智能化和网络化 目前，开放式数控系统结构主要有目前，开放式数控系统结构主要有2种形式，一种形式，一种是基于种是基于PC的的CNC系统（有些文献称之为系统（有些文献称之为PC Base），这种系统以），这种系统以PC机为平台，开发数控系统的机为平台，开发数控系统的各种功能，通过伺服卡控制坐标轴电动

14、机的运动。各种功能，通过伺服卡控制坐标轴电动机的运动。 另一种是另一种是PC嵌入式，这种系统的基本结嵌入式，这种系统的基本结构为：构为：CNC+PC主板（有些文献称之为主板（有些文献称之为NC Base）即把一块）即把一块PC主板插入传统的主板插入传统的CNC数控数控系统中，系统中，PC板主要运行于非实时控制，而板主要运行于非实时控制，而CNC主要运行以坐标轴运动为主的实时控制；主要运行以坐标轴运动为主的实时控制；或或CNC作为数控功能运行，而作为数控功能运行，而PC板作为用户板作为用户的人机接口平台。国外主流的人机接口平台。国外主流CNC数控系统生产数控系统生产厂家，主要采用这一种，以发挥他

15、们厂家，主要采用这一种，以发挥他们CNC产品产品的优势。这种系统的开放主要是人机接口的开的优势。这种系统的开放主要是人机接口的开放，而系统的核心并没有开放。放，而系统的核心并没有开放。 数控机床的主轴、进给轴伺服控制系统大多数是数控机床的主轴、进给轴伺服控制系统大多数是机电式的，其输出都包含有某种类型的机械环节和元机电式的，其输出都包含有某种类型的机械环节和元件，它们是控制系统的重要组成部分，其性能直接影件，它们是控制系统的重要组成部分，其性能直接影响数控机床的品质。这些机械环节和元件一旦制造好响数控机床的品质。这些机械环节和元件一旦制造好后，其性能就难于显著地加以更改，远不如电气部分后，其性

16、能就难于显著地加以更改，远不如电气部分灵活易变。因此，数控机床的机械与数控装置的设计灵活易变。因此，数控机床的机械与数控装置的设计人员都必须明确地了解机械环节和元件的参数对整机人员都必须明确地了解机械环节和元件的参数对整机系统性能的影响，以便密切配合，在设计阶段，就仔系统性能的影响，以便密切配合，在设计阶段，就仔细考虑相互间的各种要求，作出合理的设计。从机械细考虑相互间的各种要求，作出合理的设计。从机械角度来看，需要考虑的包括有关的负载，驱动力或驱角度来看，需要考虑的包括有关的负载，驱动力或驱动力矩，摩擦力或摩擦力矩，死区、传动系统的间隙、动力矩，摩擦力或摩擦力矩，死区、传动系统的间隙、刚性、

17、惯性矩和共振频率等。刚性、惯性矩和共振频率等。 1.3 1.3 数控机床的机械参数及其对系统的影响数控机床的机械参数及其对系统的影响1.3.1 摩擦摩擦 相互间接触的两物体有相对运动或有运动相互间接触的两物体有相对运动或有运动趋势时就存在摩擦。在接触面间产生的切向运趋势时就存在摩擦。在接触面间产生的切向运动阻力即为摩擦力。在应用上，摩擦力可分三动阻力即为摩擦力。在应用上，摩擦力可分三类：粘性摩擦力；库仑摩擦力和静摩擦力。类：粘性摩擦力；库仑摩擦力和静摩擦力。 粘性摩擦力是和运动速度成正比的摩擦力。粘性摩擦力是和运动速度成正比的摩擦力。 库仑摩擦力是物体运动时接触面对运动物库仑摩擦力是物体运动时

18、接触面对运动物体所呈现的阻力（或阻力矩）它是一个常数。体所呈现的阻力（或阻力矩）它是一个常数。 静摩擦力是物体有运动倾向但仍处于静止静摩擦力是物体有运动倾向但仍处于静止时呈现的摩擦力，最大值发生在开始运动的瞬时呈现的摩擦力，最大值发生在开始运动的瞬间，一旦运动开始，静摩擦力即消失。间，一旦运动开始，静摩擦力即消失。 1 1、 摩擦引起低速爬行及减少爬行的措施摩擦引起低速爬行及减少爬行的措施 同一个进给系统，当工作台作低速进给运同一个进给系统，当工作台作低速进给运动时，在一定的条件下可能产生爬行，这是一动时，在一定的条件下可能产生爬行，这是一种行进中的自激振荡现象。种行进中的自激振荡现象。 在数

19、控机床上产生低速爬行主要是机床导在数控机床上产生低速爬行主要是机床导轨。因此轨。因此,减少低速爬行的措施是减少低速爬行的措施是 减少机床减少机床导轨静动摩擦系数的差，减少滑动面的摩擦阻导轨静动摩擦系数的差，减少滑动面的摩擦阻力，提高传动件的刚度。力，提高传动件的刚度。 目前用得较多的是目前用得较多的是在滑动面上贴塑料导轨软带。贴塑后改变了数在滑动面上贴塑料导轨软带。贴塑后改变了数控机床导轨的摩擦特性，使导轨的静、动摩擦控机床导轨的摩擦特性，使导轨的静、动摩擦系数相差很小。当机床速度较高时则可采用滚系数相差很小。当机床速度较高时则可采用滚动导轨。动导轨。 2 2、摩擦引起系统的失动、摩擦引起系统

20、的失动 数控机床的伺服驱动装置应用数字数控机床的伺服驱动装置应用数字逻辑电路和离散的输入信号控制系统运逻辑电路和离散的输入信号控制系统运行。数控机床运行时很重要的一项精度行。数控机床运行时很重要的一项精度指标即定位精度，它指伺服系统按照允指标即定位精度，它指伺服系统按照允许的输入位移指令进行定位时可能产生许的输入位移指令进行定位时可能产生的最大偏差，主要表示伺服系统准确执的最大偏差，主要表示伺服系统准确执行定位指令的能力行定位指令的能力 。 失动则表示指令位置没有达到的情失动则表示指令位置没有达到的情况。况。 1.3.2 1.3.2 间隙间隙 在齿轮副，滚珠丝杠副或其它类似的传动在齿轮副，滚珠

21、丝杠副或其它类似的传动链中，两啮合面之间总要留出一个小的活动量，链中，两啮合面之间总要留出一个小的活动量，这就是这就是“间隙间隙”。间隙的存在对于工作在可逆。间隙的存在对于工作在可逆运转的传动装置就造成了回差，其输出输入关运转的传动装置就造成了回差，其输出输入关系具有滞环特性，是非单值的非线性关系。系具有滞环特性，是非单值的非线性关系。 运动副的传动间隙是导致反向误差的主要运动副的传动间隙是导致反向误差的主要误差因素之一。如果数控系统补偿不掉此项误误差因素之一。如果数控系统补偿不掉此项误差就会直接影响加工精度。更大的影响是：由差就会直接影响加工精度。更大的影响是：由于间隙是非线性系统，容易使系统不稳定，产于间隙是非线性系统，容易使系统不稳定，产生自激振荡。特别是全闭环系统，自激振荡将生自激振荡。特别是全闭环系统，自激振荡将导致系统不能稳定、可靠的运行。导致系统不能稳定、可靠的运行。 1.3.3 1.3.3 刚度与扭转谐振刚度与扭转谐振 所谓