九游会官网 J9平台九游会官网 J9平台第六篇 典型现代机电设备的安 装调试与维修管理 ———数控机床 第一章 数控机床的原理与结构 第一章 数控机床的原理与结构 第一节 数控机床的产生与发展 一、数控机床产生发展的背景 数控机床是机电一体化的高技术产品。它的产生是 世纪中期计算机技术，微电 ! 子技术和自动化技术高速发展的结果。是在机械制造业要求产品高精度、高质量、高生 产率、低消耗和中、小批量、多品种产品生产实现自动化生产的结果。 机械制造业是国民经济的支柱产业之一，但在实现多品种、小批量产品自动化生产 方面曾遇到困难。对于大批大量生产，实现自动流水作业比较容易，但对于多品种小批 量生产的自动化经历了漫长的道路。因为机械制造业属于离散型生产，它与化工生产、 电力生产等连续型生产类型截然不同。在机械加工中，产品是经过一道道工序、多次换 刀与一系列动作逐步累加而成型的。通过成组技术将产品分类，力求把中、小批量产品 转换成大批大量生产的形式，组成流水生产作业，在一定程度上可以使机械加工生产类 型由离散型转化为连续型。但要把这种连续型生产实现柔性自动化，只有在数控机床 诞生以后，把计算机技术引入金属切削机床之中，才从根本上解决了“柔性制造”（ #$%& ’ ()$% *(+,-(./,01+2 ）、自动化生产的实际问题。因此，毫不夸张地说：数控机床的产生是 机械制造业领域中的一场重大的技术革新。 经过半个世纪的不断改地、开拓与发展，数控机床已形成品种齐全，种类繁多、性能 完善与外观造型完美的自动化生产装备。而且正在迈向更高的层次———实现无人化工 厂。 — 543 — 第六篇 典型现代机电设备的安装调试与维修管理———数控机床 二、目前国内外数控机床的现状 从数控机床产生至今已过去了半个世纪。在这 年中从数控机床的产量不断增 ! 长，品种不断完善，数控系统的功能不断增加，可靠性不断地提高以及数控驱动系统的 性能不断改进与提高，可以说数控机床已远非当初诞生时的情况了。 目前许多企业已大大地提高了数控机床在品种与数量两个方面对全部拥有的主要 生产设备的比例。同时，许多数控机床均处于关键生产部门与工序上。通常都认为一 个企业其产品质量保证体系的硬指标中，数控机床的拥有量是十分关键的。 ! 年前所诞生的三坐标数控铣床，现在已发展到数控车床、数控镗床、数控钻床、 数控磨床、数控线切割机床、数控冲床、数控齿轮加工机床、数控电加工机床等上百个品 种的数控加工设备。 我国数控机床的现状可以从应用和生产两个方面来看，在“七五”与“八五”两个五 年计划期间、数控机床的水平与产量均有令人瞩目的提高。“九五”及“十五”期间更有 明显地增长。 从我国一些引进国外先进设备较多、较集中的行业来看，贯彻用好、管好、推广好这 些贵重设备，许多企业在人员培训和开发新技术应用推广工作方面，都不遗余力。目前 我国制造行业已经在三个层次上拥有相当数量的数控机床。在最高层次方面除少量的 国产高档数控系统外，主要是以从世界上 #$ 个国家、地区进口的全功能高档数控装备 为主体。在中低档层次上，主要是两方面并举，既有国外引进的，也有国产的。在低层 次方面，则以国内单板机、单片机或%& ’ 总线机加步进电机构成的普及型数控系统为 主体加上少量的由本单位或少量协作单位研制、开发的一些简易数控系统来改造普通 机床或将其配置在线切割机床上。 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 ( ) 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。 目前，国内外的不少的机械制造厂拥有自己具有代表性的柔性制造系统（ ）及 * + % 计算机集成制造系统（ ），国外在无人化工厂方面更具有一些特色，如日本 ,- + % 公司拥有的无人化工厂（ ）已在实际生产中应用多年并取得较好的经济效 *./ 0, *. 益。 三、数控技术的发展方向 从发展方向来看，数控技术今后将朝着以下几个方面发展。 （） 装置向进一步提高生产率方向发展 为了提高数控系统的运算速度，必 # ,/, — 211 — 第一章 数控机床的原理与结构 须提高时钟频率（由! #$ 提到目前的%& #$ ），同时使 ’( ) 的位数得到响应。因此 许多数控系统由 位机已发展到 位微处理器（如 的 系统、 系 *+ ,% -. ) /’ 0 ’ -1 2 *! 统、 的 系统、 的 系统），提高了运算速度及处理能力，这种采 -.345 6&!& 174 4/1 66& 用了 位微处理器及 位数据总线的多 系统，使系统内部各部分之间的数据交 ,% ,% ’( ) 换速度较原来的 位 的系统大为提高。目前正在开发主 为 位机的新型 *+ ’( ) ’( ) +8 系统（如 ， 及 等系统及 的 系列中的 -./ )’-9 2 * - 2 * -1*! 1: 2 4 4/1 6&& 68&’ 系统），增强了插补运算和快速进给的功能。而 位简化指令集（ ）微处理器高速 +8 571’ 系统的产生，使得处理速度成倍增加，可实现至今感到困难的复杂形状工件的高速、高 精度加工。例如：当指令为*;; 微小程序段时，加工速度达*% ;=，每*;; 程序段 处理时间为@，即每秒钟可处理%&&; 的程序段。 在内含的(:’ 方面，由于’( ) 位数的提高，使通信能力大为加强，因此可以完成 更多的辅助功能。 （）充分利用 机的资源，将其功能集成到 中 发展极为迅速，新技术 % (’ ’/’ ’/’ 层出不穷。一般来说，硬件的生命周期只有一年多到两年，就已推出新型号；软件的资 源也越来越丰富，因此，充分利用 (’ 机上的资源，将其功能集成到’/’ 中去，已成为 世界上很多数控设备生产厂发展的方向。例如， 就是将 功能引入 -./ )’ ’ 2 ! (’ 到 装置的产品。因此，这个系统可用 语言建立应用软件，来满足特殊机床的要 ’/’ ’ 求。 利用(’ 机的资源及操作系统，简化了应用软件的开发，并可以控制加工单元和提 供连接不同局域网络的接口。 例如， 以太网是一种通用的局域网， 单元控制器就是通过 017 -./ )’- 2 ABCD 017 以太网接至系统-1 2 *! 上的。 另外，通过系统的 软件同 的计算机功能连接到系统中的 及 7 0:7/ E (’ ’/’ (:’ 装置上。如 -./ )’ 1F19 4 0A4: A.9 4 7/C 是通过 -./ )’7 0:7/ E 将,6+9 1G 微机处理器的计算机功能提供给’/’ 及(:’ 装置。 （）开发小型具有专门高功能的 及其配套装置 现在数控系统功能越来越完 , ’/’ 善，但是在实际使用中，并不是都要求全功能的。小型而具有专用功能的’/’ 及其配 套装置仍然有很广阔的市场。 这些专用的高功能的’/’ 装置能高目标地实现其具有的功能，如对 ’/’ 装置能 控制两个轴，消除伺服的跟随误差，并实现加速 减速时小的机械冲击，降低定位所需的 周期时间，并能通过 连接到 ， 及单元控制器上。 7 0 H=I ’/3 (:’ 在配套装置上，利用无线电进行传输数据，由于没有电缆，则大大减化了连接。 (:’ 结构更加紧凑，输入输出能力增强，编程容量扩大，并可以通过! 0 H=I 连接 到’/’ 单元控制器。 （）开发新型的交流伺服系统及电机 伺服系统是数控系统的重要组成部分，先进 8 — K+J — 第六篇 典型现代机电设备的安装调试与维修管理———数控机床 的高性能的!! 装置，只有通过高性能的伺服系统及电机才能体现出来，因此，开发新 型的交流伺服系统及电机已成为发展数控技术的一个关键。 世纪 年代末期，伺服系统和电机生产，转向了交流数字式伺服系统，该系统 #$ %$ 的框图如图& ’ ( ’ ( 所示。 图& ’ ( ’ ( 交流数字式伺服系统框图 为了高速地重复进行高精度的轮廓加工，全数字伺服控制系统的伺服电机位置修 正时间将达到最短。在 伺服电机方面，将采用以下新技术，如： )! 采用有限元分析最佳磁路，并选用强力的 钢磁铁，使最大输出转矩将增加 ! * +$ , 以上。 油冷式 主轴电动机，可获得在低速旋转时大的转矩。这种电机采用油冷，其 )! 循环是通过导管进入电机机套，由于没有风扇，声噪低，可达-$*. 以下，而且振动低。 油冷电机可限制电机的热传导到机床上，最适用于高速度、高精度加工的机床。同时， 电机在减轻重量及缩小体积方面取得较大的发展，日本 / 0 ’ 1 0 大范围国家科研开发 项目之一的先进工业机器人项目，开发最紧凑的伺服电机，现在已经完成了减轻重量及 缩小体积为常用类型电机的(2 ($ ，同时，还发展了这种电机用的极小型化的驱动电路。 （）数控技术相关的技术的开发 与数控技术有密切相关的技术，主要有机器人、 3 超精密加工技术、激光技术、全电子塑料注射机，电火花线切割机床以及 !! 钻床，而 且这些方面已取得了很多令人嘱目的成就，其中最突出的是工业机器人及超精密加工 技术。工业机器人的发展目前已形成品种齐全、性能优良的工业机器人生产基地，并开 发了视觉传感器、离线编程系统等技术，其目的是使制造设备自动化。用在半导体激光 器上，使得能高速实现跟踪不同类型的焊缝。 4 ’ 5 控制器，能控制两台6 ’ 7#$ 工业机器人的控制器，具有干涉检验功能、避免 了工业机器人之间的相互干涉，可使多台工业机器人安装在小空间，如汽车的焊接车间 内。 是一种新型高速、高精度视觉系统，采用了 位 及一个新型高速 898 ’ (#$ +# !: ; — &% — 第一章 数控机床的原理与结构 摄像处理器，能减少周斯时间，该系统用的采用机器人的工作位置更为精确的超精密技 术在伺服系统上获得成功，如 !# $%&’&(%#% ) &’&( 系统，可以控制 *&+ 单位的运 动，这是一种超精密工艺的极限思想，用一个带有气浮丝杆和气浮滑板的无摩擦工作台 与之配合，确保 *&+ 单位的运动。总之，对数控技术的相关技术的研究，反过来给数控 系统提出了更高的要求，又推动了数控技术的发展。 （）提高数控系统的可靠性和可维修性 由于功能提高带来的系统复杂性增加，很 , 可能影响或降低系统的可靠性。为此，在今后数控技术的发展中，许多厂家都采取了措 施，保证数控系统的平均无故障率进一步提高，而不是下降，如 !# $%*, 系统采取了 指令集运算芯片，避免了在插补运算高速运行中的多 结构， -./% %0 $ /.1 21#/ 343 系统采用了专用集成芯片的可靠性检溅和特殊工艺。 在模块化结构中更广泛地推进了标准化及通用化程序，大大地避免了工艺生产中 的不可靠因素。 为了提高系统的自动化监控及维修性能，许多系统在开发中，已设计出具有良好效 果的刀具监控系统、主轴监控系统，在传感器应用和开发方面下了很大功夫。图, 5 * 5 6 表示出当代加工中心和高水平数控机床应具备的测量—监视系统。此外，在数控 系统中，无论在硬件配置与插件板的装卸以及软件中所建立的自诊断系统（ 78’ &(:8: 9 : :=+ ）将大为发展，推进构成能满足专家系统中心必需的数据库，朝更加智能化方向 ; 改进。从而大大地降低系统的维修周期和维修费用。 图, 5 * 5 6 加工中心本身应具备的测量—监视系统图 （）提高和加强数控系统的通信能力，使之更易进入 和 工艺控制网络 ! 2 / %. 2 / 今后由于大型工业体系要力求采用新技术，很可能实现! 2 / 和%. 2 / 系统以推进 工业自动化的综合水平，因此，数控系统在今后开发中，应提高和加强接口数据交换能 力和通信能力，目前配置的-/6?6 和-/@66 高速、远距、串行接口，已实现对伺服计算 机的数据交换。今后在7#% 接口方面要设计成易于进入目前广泛采用的20 工业 控制网络，以实现! 2 / 和%. 2 / 联络通信能力。 — A,A — 第六篇 典型现代机电设备的安装调试与维修管理———数控机床 四、数控技术发展中的关键性技术 数控机床产生至今的半个世纪中，回顾它所走过的历程，就不难看出在数控技术中 的确有一些关键性技术的突破，才能使它在不断地前进征途中起到了至关重要的技术 支持作用。归纳起来，大约有以下几个方面： （）计算机技术的突破与发展 由于数控机床带有专用的计算机装置，而且在机械 ! 结构、液压与气动装置等方面的专门化设计与制造、监测与自诊断系统的特殊配置、显 示与操作的特制系统，才使它与普通机床有本质上的区别。其中，引入计算机技术是至 关重要的环节。因此，没有计算机技术的开拓与支持，数控机床显然不会有今日之水 平。 （）数控程序编制的自动化程编技术的不断开拓与发展 数控机床的数控装置是 按预先编制完善的程序而进行工作的。如果没有编程自动化技术的开拓与支持，显然 数控机床将无法启动与正常工作。或者至少关停机时间多而工作时间短，造成机床负 荷率和利用率的下降，从而使数控机床在应用上受到严重制约。 所谓编程就是把欲加工成型的零件图样作为基本资料，按尺寸，公差，粗糙度、几何 形状要求、相对位置精度要求等技术条件结合工艺过程、工艺参数、机床的运动和刀具 的位移等约束条件按照数控系统的程序段格式、标准与规范，按特定的语言记录在程序 上的全过程。该程序可以通过指定的介质（如纸带、磁卡、磁盘等）或手动键盘方式 （ 方式）输入给数控系统。 #$% 编程的方法有两种： 手工编程。从零件图样分析及工艺处理、数值计算、书写程 ! 序单、纸带制作和检验，均由人工编写。据统计分析，采用手工编程，一个零件的编程时 间与机床加工时间之比，平均约为&’ ( !，这样低的效率已远远不能满足要求。因此为 了提高效率，必须采用自动编程。 自动编程。它用计算机或程编机代替手工编程。 给计算机输入零件加工源程序，计算机自动地进行计算和编写零件加工程序单，自动地 输出打印加工程序单并将程序记录到控制介质上。自动编程需要有自动化编程语言， 其中 语言是最典型的一种数控语言。世界第一台 机床在 研制成功后， )*+ ,- # %+ 为了充分发挥 机床的加工能力， 设计了一种专门用于机械零件数控加工的自 ,- # %+ 动编程语言 ， 语言用专用语句书写源程序，将其输入计算机，由 处理程 )*+ )*+ )*+ 序经过编辑和运算，输出刀具中心轨迹，然后再经过后置处理，把通用的刀位数据转换 成 机床所要求 程序段格式。从 世纪 年代开始出现的图像数控编程技术 ,- ,- ’ .’ 有效地解决了几何造型、零件几何形状的显示、交互设计、修改及刀具轨迹生成、走刀过 程的仿真显示、验证等，从而推动了-)$ 和 -) # 向一体化方向发展。图像数控编程 系统实质上就是一个集成化的-)$/ -) # 系统。随着-)$/ -) # 技术的不断发展，加 上与 技术的一体化也推动了 技术的发展，比如 插补，以及出现计算机 -,- ,- , 0123 — 4.’ — 第一章 数控机床的原理与结构 集成制造系统的技术。 （）软件的应用 年，在芝加哥展览会上，首次展出了 数控系统，最早的 ! #$% &’& 是由小型机组成的。大约在同时，英特尔公司发明了微处理器； 年，美、日等 &’& #$( 国相继研制出以微处理器为核心韵&’&，有时也称为 ) ’& 。由于它具有许多的优点； 这种&’& 系统得到了飞速的发展。它采用计算机存储器里的程序完成数控要求的功 能。其全部或部分控制功能由软件实现。数控系统软件完成管理和控制两种工作。管 理工作包括：输入、 处理、通信、显示和诊断等。控制工作包括译码、刀具补偿、速度 *+ , 处理、插补、位置控制等。采用半导体存储器存储加工零件程序，还可以代替打孔的零 件纸带程序进行加工，这种程序容易显示、检查、修改和编辑，因而减少系统的硬件配 置，提高系统的可靠性。另外，采用软件控制大大增加了系统的柔性，降低系统的制造 成本。常用的&’& 软件结构有前后台型软件结构和中断型软件结构。目前 ’& 系统 的软件还外延到&-.+ &- ) 。通过&-.+ &- ) 生成的软件直接送到&’& 系统控制机 床的运动。 （）硬件不断地更新换代 数控的发展阶段是根据电子元件的发展阶段划分的。 ( 世纪 年代初世界上第一台数控系统是由电子管组成的，系统占空间体积大、运算 /% 0% 速度慢。 年美国贝尔实验室诞生了晶体管， 年美国德克萨斯仪器公司发明了 #($ #01 集成电路，从此微电子技术突飞猛进。根据摩尔定律，微处理器性能（按芯片上的晶体 管数量定义）每 1 个月翻一番；不断缩小特征尺寸，以增加芯片上晶体管的数量，从而 也提高了电路的处理速度。 世纪 年代每块晶片（ / ）有 个晶体管， 年代 /% 2% %34 % $% 后每 年增加 倍。 年 月英特尔宣布一块硅片上可达 1 个晶体 % %%% ##1 ! $ 5 %/ 6 % 管，即集成电路发明后 年，晶体管的尺寸只有原来的 万分之一。由于微电子技 (% %% 术的发展，对数控技术起着极大的推动作用。日本7-’ 8& 公司在 #02 年采用电子管 开始搞 ； 年就采用锗晶体管组成 ； 年采用硅晶体管研制出 、 ’& #0# ’& #2! 79//% 等。 年又采用中小规模 更新了 、 等。 世纪 年代开始 79/(% #2# *& 79//% 79/(% /% $% 采用 推出了 、 、 、 、 、 、 、 、 、 等一系列 :9* 790 79$ 79! 792 79% 791 792 79/% 79/ 790 &’& 系统。从 位的单片机（ ）到 位的 （ ）、 位的 （ ）； 年， ( 79$ 2 1%12 792 !/ 1%(12 79% ##2 采用最新专用芯片 的微电子工艺 （ ）封装及采用 7-’ 8= ?- @AA ?BC -BB@D （ ）工艺生产的微处理器推出小型化高性能的 系列数控系统。 )&) )EAF &GH)ICEAJ 大小只有原有系统的+ ( ，大大减少了占有的空间，提高了系统的可靠性，也提高了性 能。 （）系统的规范化与标准的制定 随着 成为机械自动化加工的重要设备，在管 0 ’& 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。’& 技术的发展，形成了多个国际通用的标准：即*9, 国际标准 化组织标准、 国际电工委员会标准和 美国电子工业协会标准等。最早制订的 *K& K*- 标准有 机床的坐标轴和运动方向、 机床的编码字符、 机床的程序段格式、准 ’& ’& ’& — #$ — 第六篇 典型现代机电设备的安装调试与维修管理———数控机床 备功能和辅助功能、数控纸带的尺寸、数控的名词术语等。我国在发展数控产业化的同 时也等效地采用了这些标准。由于这些标准的建立，对 技术的发展起了规范和推 ! 动的作用。而 技术的发展也要求 标准不断更新。比如， 年颁布的 ! ! #$%& 对于 定义为“ （直接数控）”。其概念为：“此系统使 ’()*%&+ ,! -./012 3450/.167 1832/87 一群数控机床与公用零件程序或加工程序存储器发生联系。一旦提出请求，它立即把 数据分配给有关机床”。这种技术在 世纪 年代到 年代的研制及应用表明，由 *& 9& %& 于系统复杂，可靠性差，因此得不到发展。在 #$$: 年颁布的 ’()*%&+ 定义 ,! 为 “ （分布式数控）”。这样，其概念也发生了本质的变化，其 ,.;2/.420- !450/.167 832/87 意义为“在生产管理计算机和多个数控系统之间分配数据的分级系统。”标准的变化，说 明技术的内涵发生了变化。随着新技术的发展，新的标准也不断出现。由于数字伺服 装置越来越广泛地得到应用，不同的制造厂家生产出的数字伺服装置很难互相兼容。 这就需要有统一的标准接口。 年 月， 颁布了 “工业机械电气 #$$= ## ’ ’? ’7:$ # 装置———控制器和传动装置间实时通信的串行数据链”简称 (@)( 标准。它使设计 有统一标准接口的数控与数字伺服装置成为可能。这种接口具有开放的性能。为了推 动先进制造技术的发展，缩短新产品上市的时间和降低开发与安装费用，最近， 基 ’() 于用户的需要和对下一个 年间信息技术的预测，又在酝酿推出新标准“ 控制器 = ! 的数据结构”。它把A B C （先进制造技术）的内容集中在两个主要的级别和它们间的连 接；第一级A B ，为车间和它的生产机械，第二级是上一级，为数据生成系统，由A,、 、 和 编程系统及相关的数据库组成。 AD A ! （）伺服系统技术迅猛发展使数据装置得以配套，构成完整的控制系统伺 服装置 + 是数控系统的重要组成部分。伺服技术的发展建立在控制理论、电机驱动及电力电子 等技术的基础上。 世纪 年代初，世界第一台 机床的进给运动采用液压驱动。 *& =& ! 由于液压系统单位面积产生的力大于电气系统（约为 ：），惯性低、反应快，因此当时 *& # 很多 系统的进给伺服为液压系统。当时的富士通公司从 吸收了第一台 技 ! B ’C ! 术后，开始用伺服阀电液系统作为进给驱动系统，然后在 #$=$ 年很快就推出了电气液 压脉冲马达进给系统。 世纪 年代初期，由于石油危机，加上液压对环境的污染以 *& 9& 及系统笨重、效率低等原因，美国EC C F( 公司开发出直流大惯量伺服电机，静力矩和 启动力矩大，性能良好； 年 公司很快引进并在 机床上应用。从此，开 #$9: GA! H ! 环系统逐渐由闭环系统取代；液压伺服系统逐渐由电气伺服系统取代。 电伺服也经过了从直流伺服到交流伺服的过程，对于电动机，其输出转矩 ! 的大 小与励磁磁感应强度 和电枢磁感应强度 的大小及 、 之间夹角 的正弦成 # * # * ! 比，即： （ ） ! I # ;.3 # ! * ! ! 其中 为比例系数。直流电机由于电刷的位置在几何中心线上，所以 ，控制简 # I $&$ ! 单，可以输出较大的力矩，因此得到了广泛的应用。但是直流电机电刷容易磨损，需要 — $9* — 第一章 数控机床的原理与结构 经常更换，这就给维修造成困难，于是又开发了交流伺服电机。由于交流电机!!!!， 为了提高性能，采用现代伺服控制理论和数字信号处理器，可以对交流感应电机结构的 主轴电机进行矢量控制以得到!!! 。对于交流同步结构的伺服电机，采用控制磁场 夹角的方法以得到!!! 。 采用电伺服技术的初期阶段，指令的控制为模拟控制，这种控制方法噪声大，漂移 大。由于数字控制可以克服上述缺点，因此越来越多地得到应用。 传统设计和制造的 机床受制于标准驱动装置及控制器，因此在 年代末出现 #$ % 了直线伺服电机。它由两个非接触元件组成，电磁力直接作用于移动元件而无需机械 连接，没有机械滞后或螺距周期误差，精度完全依赖于反馈系统和分级的支承。由全数 字伺服驱动，刚性高，频响好，因而可获得高速度。但由于其推力还不够大，发热、漏磁 及造价也影响了它的广泛使用。 伺服技术的发展与电力电子技术的发展有关， 世纪 年代初使用的功率电子 & ’ 器件为电子管、闸流管，体积大、寿命短、效率低。( 年代之后，又相继出现了晶闸管 （可控硅整流器）、功率晶体管、功率场效应管) *+,-. 、绝缘栅三极管/01. 、智能功率 模块/2 ) 等，把功率放大、触发控制、驱动、保护电路集成在一起。这些器件的出现，大 大提高了系统的控制性能及集成度、可靠性。 （）可编程序控制器（ ）的应用与不断改进，使数控机床的功能得以完善 在 3 24$ & 世纪 年代以前， 控制器与机床强电顺序控制主要靠继电器进行。 世纪 年 3 #$ & ( 代出现了半导体逻辑元件， 年美国 公司研制出世界第一台可编程序控制器 5!(! 6-$ ， 年 把它定义为：“可编程序控制器是一种数字运算电子系统，专为在工 24$ 5!%3 /-$ 业环境下运用而设计。它采用可编程序的存储器，用于存储执行逻辑运算、顺序控制、 定时、计数和算术运算等特定功能的用户指令，并通过数字式或模拟式的输入和输出， 控制各类机械或生产过程。可编程序控制器及其辅助设备都应按易于构成一个工业控 制系统，且它们所具有的全部功能易于应用的原则设计”。24$ 很快就显示出其优越 性，设计的图形与继电器电路相似，形象直观，可以方便地实现程序的显示、编辑、诊断、 存储和传送。24$ 没有那种接触不良、触点熔焊、磨损、线圈烧断等，因此，很快在 #$ 机床得到应用。目前，每步指令执行时间可达到 7 %’ 8，最大步数为9& 步。使用 ! 24$ 大大减少了系统的占有空间，提高了系统的快速性和可靠性。 （）插补运算技术的开拓与发展 数控机床之所以能加工出具有复杂轮廓曲线、曲 % 面的机器零、部件，其根本原因与关键是在于数控装置中的核心部分———插补器。刀具 所走过的路径，始终是在插补器的运算与控制下进行运动的。对于具有复杂轮廓曲线、 曲面的零件而言，构成曲线、曲面上的每个点的元素事先并不知道其确切的坐标点。但 是构成曲线、曲面上的节点是可以通过图形上各种点、线、面的关系而求得的。因此，问 题的关键就在于如何对求出两节点之间的曲线密化，使其构成圆滑的曲线、曲面。显 然，具有特征方程所描述的曲线是按给定的数学关系进行密化。而不具有特征方程的 — !39 — 第六篇 典型现代机电设备的安装调试与维修管理———数控机床 离散点所构成的曲线、曲面，则要按插值、样条的办法来处理。但无论如何，插补器必须 完成两节点之间的线段密化运算。运算的结果还要有适当的装置将其输出。而这个输 出值又要为控制器所接受。 由此可见，插补器的设计与插补技术的开拓与发展是数控装置的核心部分。数控 的功能也往往与插补功能密切相关。 早期的数控装置中，插补器依靠硬件装置，而进入计算机与微机数控系统后，插补 器的设计大多为硬、软件混合式装置，其中两者在分工上的比例，逐渐趋向于以软代硬。 目的是使数控装置更加“柔性化”。 输出的信号本质上可分为两种，即脉冲和数值两类。因此插补器也分为脉冲插补 与数值采样插补。按插补值计算方法不同，当前主要采用三种插补方法，即： !数字脉冲乘法器插补 世界第一台数控机床的数控装置的插补方法是脉冲乘法 器。由美国麻省理工学院研制，也称 ! # 法。这是一种直线插补器。脉冲乘法器的电 路主要由多位分频器组成，由一列脉冲经分频输出与控制数相乘后输出。由于分频器 分频脉冲为上升沿或下降沿，因此分频后的输出脉冲不重合。脉冲乘法器插补方法简 单，容易实现多坐标联动。但由于输出脉冲的不均匀会产生插补误差。为此需要增加 均频器。也可采用微处理器电路组成数字脉冲乘法器。 逐点比较法插补 也称代数运算法，它是由富士通公司（以后的发那科公司）发 明的。富士通公司消化 ! # 的第一台数控系统后，对 $% 进行了创新，发明了逐点比 较法。有时也称为富士通醉步法。它是把多坐标曲线 ，（，，…）分解为两坐标曲 ! & # $ 线 （，）， （，）…然后分别对两坐标曲线比较判别加工点与规定图形的偏差位 ! ’ # ! ’ $ 置，利用判别式进行判别，决定下一步脉冲的方向，之后进行终点判别；但在过象限时判 别式需要修改。 这种插补的算法比较直观，插补的误差最大不超过一个脉冲当量，而且输出脉冲比 较均匀，速度变化小。它在两坐标插补中应用比较多。 #数字积分法插补 也称数字微分分析器；简称 (() 。根据积分的基本原理，函 数 （）在 区间的积分，就是该函数曲线与横坐标 在区伺（ ）所围成 * ! % %+ , % & % % + , %& 的面积，并可近似地看成是该曲线下面的许多小矩形面积之和。这种近似积分法称为 矩形积分法。当 % 取得足够小，便可以希望的精度来迫近积分值。这种方法具有运 ! 算速度快、脉冲分配均匀、容易实现多坐标联动及描绘平面各种函数曲线。软、硬件均 能实现，应用比较广泛。其缺点是速度调节不便，插补精度必须采取一定的措施才可达 到。 （）位置与速度检测元器件、传感器的技术突破与不断改进和发展 数控机床的加 - 工精度除了受机械传动、运动部件的影响之外，在闭环控制方式中，主要是取决于位置 环与速度环中的检测元器件的结构、质量与检测方法。 在早期的数控机床上采用过旋转变压器作为检测的传感器、也采用过自整角机。 — -/. — 第一章 数控机床的原理与结构 当日本富士通研制出开环脉冲马达后的一段时间内，欧美仍在采用闭环系统，因此传感 器件的研制从未间断。 怎样更好的测量直线位移或旋转角度的直线感应同步器和圆感应同步器、直线光 栅与圆光栅、磁尺，利用磁阻的传感器等都在不断改进，这些传感器由光学、精密机械、 电子部件组成。利用它可以构成高精度的数控系统，为超精加工打下基础。 第二节 数控机床的工作原理 一、概述 数字控制机床是一种高技术含量的自动控制技术所装备的金属切削机床，它的核 心部分是数控系统，用它来实现数字控制。数控装置是以微处理器为核心，用总线连接 有关部件，带有集成于一体（或独立）的!# 装置，通过驱动、伺服、位检等环节对机床 实现加工过程的控制。 数控系统包括：数控装置、可编程序控制器，主轴驱动及进给装置、伺服电机与位置 检测装置等几大部分。 现代的数控系统是以微计算机为基础，以微处理器为标志的数控系统。如果说第 一代数控系统是以分立元器件为基础构成的专用计算机控制系统，则第二代即为中，小 型计算机数控（ ），那么第三代则以微处理器为基础，以超太规摸集成电路（ ） #$# % &’ 为标志构成微机数控系统（ ）。为方便起见，均称为“ ”系统。 ( $# $# 当前，常用的各种微机数控系统皆以)*+, 年出现的微处理器作为基础，它使机床 $# 系统由硬件连接过渡到软件连接。引起了机床内部结构的巨大变化，一些原来由 机械承担的功能已转化为电气功能。 采用微机数控后，使数控机床可靠性有了明显地提高，故障发生率大为下降，因为 硬联接减少、焊点、接插件触点以及外部连线显著减少。同时灵活性也加强了，由于 ( $# 硬件是通用、标准化的，对于不同用途的机床控制要求，仅需改变可编程只读存储 器中的系统控制程序即可，而且又采取了模块化结构，更便于系统的扩展。此外，也实 现了机电一体，由于采用了% &’ 之后，使数控装置体积缩小，采用可编程接口，又将 、 、（主轴转速控制、辅助机能及刀具参数用量）等顺控部分的逻辑电路与 装置 ! # $# 合而为一，使全部控制箱进入机床内部，减少了空间和占地面积，不仅减少管理费用，而 且本身的成本也大为降低。 数控机床加工零件的工作过程可概括如图- . ) . / 所示。首先按产品零件图进行 — *+0 — 第六篇 典型现代机电设备的安装调试与维修管理———数控机床 工艺分析；确定加工方案；工装选择与设计；确立合理的程序原点（对刀点）、走刀路线及 切削用量。编程中的数学处理包括：按零件几何尺寸、加工路线，计算刀具中心运动轨 迹取得刀位数据。根据机床插补功能及被加工零件轮廓的复杂程度决定计算工作量， 计算量小可手工计算完成，若量大则要依靠自动编程系统进行计算。目的是获得零件 轮廓相邻几何元素交点或切点的坐标值，得出几何元素的起点、终点、圆弧的圆心坐标 值等。之后可编写加工程序单并制成输入纸带、磁带或磁卡。上述加工数据可通过光 电阅读机、键盘或计算机接口等! 种方式输入给数控机床。加工时可将程序一段一段 地输入（即一边加工一边输入）。也可以先把程序全部输入，由数控系统中的存储器存 储，等加工时再将程序一段一段调出。无论哪种输入，都必须以一个程序段为单位，由 系统程序及编译程序进行处理，不仅将刀位数据而且将加工速度 代码及其它辅助代 码（代码表示主轴转速， 代码表示刀具号及 代码表示切削液等）均按语法规则进 # $ % 行解释成计算机所能认可的数据形式，并以一定的格式存放在内存专用区间。此外，对 刀补（长度与半径补偿）作处理，对进给速度（合成速度分解成沿各坐标的分速度以及自 动增减速等）作处理。再完成加工中的插补运算（由主&’ ( 担任），数据由存储区间调 入时依靠控制总线通过地址总线取址并将数据沿数据总线输入&’ ( 运算，结果仍沿总 线返回，分别送至相关输出接口。输出信号也要通过一系列电路处理（分配、中断和缓 冲），才能使伺服电机进给，主轴按转速回转或停止， 显示出程序执行过程及位置 &)$ 环与速度环的反馈信号往返经总线由&’ ( 进一步随机处理并获得输出。全部过程均 在时钟频率的统一速率下，有条不紊地进行工作。 图* + , + ! 微机数控系统结构、工作原理图 按加工工艺，机械零件的加工可分为两大类：即旋转体零件加工和箱体零件加工。 通常，刀具相对工件的切削运动是按照零件图样编排加工程序，依照工艺规程中的工件 装夹方式和机床刀具相对于工件的切削运动予以保证的。旋转体（图* + , + -. ）多在 车床、磨床上加工。箱体零件（图* + , + -/ ）则在铣、镗、钻等机床上加工。当零件被加 工面含有斜、锥或曲面时，数控机床则依靠预先编排好的程序指令，以数值计算方法密 — 10* — 第一章 数控机床的原理与结构 化起始点至终止点间给出的数学特征方程式或离散点之间的小线段，以插值方法完成 刀具应走的轨迹达到工艺要求。这个过程叫做“插补”，完成“插补”功能的装置叫做“插 补器”。在车削时，通过两个轴联合行动则可形成斜面或曲面，但在箱体零件加工曲面 时，至少要有! 个坐标相配合运动，如图 # $ # %& 的零件，为! # 两坐标联动在车床 上形成曲面回转体，而图 零件除在 — 两个坐标上联动外，还要 轴配合 # $ # %’ ! # 才可能加工出马鞍形。由此可见，有些曲面可以用两轴联动而第 轴控制加工出来，有 ! 些则要 轴联动或 轴以上联动。 ! ! 图 # $ # ( 机械零件分类图 图 # $ # % 多轴联动加工图 ）带有锥面的旋转体零件 ）箱体零件 ）两坐标联动 ）两个以上坐标联动 & ’ & ’ 从数学的观点来看，有一些曲线或曲面可以用特征方程式表达，如圆、双曲线、摆线、渐 开线、抛物线、悬链线等方程式可以很准确地将曲线描述出来。但是，有一些随机曲线、 曲面只能给出一些离散点的坐标值，而无法用特征方程式描述。这时，就采用牛顿—莱 布尼兹数值计算法或样条法插值，以求得定义域之间的密化点。 从数控的观点来看，无论上述哪类曲线或曲面，都要以二进制的逻辑代数为基础， 以开关电路为依托，实现全过程控制。也就是说开关电路的“闭合”或“开启”两种状态 可以用“”或“”代表。这些开关电路被称为“门”电路，是一系列的开关晶体管组成各 ) $ 类触发器进而构成集成电路来完成诸如十翻二的运算，加“”运算，译码及逻辑推理运 $ 算等等功能。 软件应能完成输入数据的处理功能：包括数据输入、校验、换码、十进制$ 二进制软 换，绝对值 增量值转换、插补和速度控制前的预备性运算以及插补运算和速度运算等 $ 等。 图 # $ # 数控加工基本原理图 — — +** 第六篇 典型现代机电设备的安装调试与维修管理———数控机床 例如：加工某一有任意曲线 的零件，见图 ，其加工过程如下： ! ! # ! 刀具在 — 平面内沿 曲线（即零件的轮廓线）而运动，刀具中心对零件被加工 # ! 后表面的垂直距离应为刀具半径与吃刀深度 之和，显然，刀具沿 工作进给一周后， $ ! 即可得到符合图样要求的零件。 如果把 曲线用点 、、…… 分隔成 、 、 、…… 等小线段时，设 ! # $ % % & & & & $ ! & ! # ! $ ! ’ ! ’ 为加工 总和线段的切削时间，显然， 时，折线线段之总和将逼近 曲线， & $ & ! ! ! ! ’ + 即 ()* & , ! ! ’ & & % , & !! & ! 而 ’ , ’ ’ $ ! ’ 式中 ———给定的切削用量中的某一进给速度。 ’ ’ 当 常数（ ）时， 的 、 两个坐标的分量，即 与 的比率随曲 ’ , -.’/0 ’ # # ! ! ’ ’ ’ ’ 线斜率而变化。换言之，必须控制 及 的比率，使它符合于曲线 每点的斜率 ( ) ! ! ! ’ ’ 即可。 # ! ! ’ $ ’ $ 由此可推知，若 （ ） （ ） 时，则插补轨迹为一斜线 ! ’ $ $ # ’ ’ 称之为直线插补。 & ! 在曲线 之比率不断变化，因此，只要能连续地自动控制 ， 两个 # $ ! 坐标方向运动速度的比值，就可以加工出曲线零件的轮廓来。 有些更为复杂的零件，如：汽轮机叶片或机翼桨叶等变截面曲面的加工则要控制与 轴联动，使刀具的刀尖按数学规律导向。显然，所有的数学规律计算处理均要转化为计 算机所能接受的计算程序，由微处理器去处理，获得的结果输出给伺服系统，就完成了 这种复杂曲面的加工。 以上所述是能够完成连续轮廓成型加工的数控系统，但也有些零件只需要对点或 直线准确定位和移动。这时数控装置可以简化。 二、脉冲数字乘法器的工作原理 脉冲数字乘法器是一种可以完成零件轮廓连续加工与终点判别的开环式数控系 统。 它的工作原理以直线插补为例说明如下：当加工直线 时，其起点为 、终点为 ! ! & ! （见图! # 2 所示）。直线的斜率为 # * ，设脉冲当量为 #*** 脉冲时，数字乘 、 # 法器就是将直线坐标转换成相应的脉冲数目。同时必须将这些脉冲按 # * 的斜率分 别计算 坐标和 坐标，才能加工出合乎要求的直线。 # 当加工开始时，先把终点的 、 值输入到 、 寄存器中去，由计数器对其分 # + + # — 423 — 第一章 数控机床的原理与结构 别计数。如果计数器每循环周期为 个脉冲时，经过 分频，将在 上得到 个脉 ! # !$ % 冲，分频将在 上得到 个脉冲，分频后则 得到 个脉冲。同理， 分频后将 $ ! & $ % !# # ! 在 端输出上得到 个脉冲。特别要强调的是，它们在时间上并不重合。再根据 、 ! ! ! 寄存器中各触发器状态的控制，就可能在 、 两个坐标上的分配器输出中得到完 # # 全符合 # $ 的斜率，见图 ’ ! ’ % 所示。 图 ’ ! ’ ( 用数字乘法器 图 分频器 端输出图 ’ ! ’ % ! 对直线 插补示意图 % 在一个计数循环中， 输出六个脉冲，在两个计数循环中， 轴步进电机将会得 !# # 到 个脉冲。如果有 个计数循环，则 轴步进电机就会获得 个脉冲。因 # ) & ’ & ) 此，有时称它为脉冲数字乘法器。但也有称它为二进制比例乘法器。举例说明：假定分 频器位数为四位（实际应用位数比这要多），加工直线终点坐标值 及 分别为 # !+ * * 和 ，即［ ］ ，［ ］ 。在一程序间隔时间内，所得的 和 插补脉 * 二 , !+ !+ # * 二 , + !!+ ( - ( . 冲时间分布如图! ’ /0，按此分配脉冲走出的轨迹如图 ’ ! ’ /1 粗线所示。 图 ’ ! ’ / 插补脉冲不均匀示意图 图 例可以看出， 和 两序列插补脉冲，在时间上分布是不均匀的，用 ’ ! ’ /0 ( ( - . 这种不均匀的脉冲控制步进电机将会降低步进电机的最高工作频率，同时影响步进电 机运动的均匀性，从而降低了伺服系统的精度，另一方面因为直线插补获得的实际加工 轨迹是一根逼近理想直线的折线，由于插补脉冲分布不均，引起折线与实际直线偏差增 — /(/ — 第六篇 典型现代机电设备的安装调试与维修管理———数控机床 大。改善插补脉冲分布不均的措施可以采用“匀化电路”，又称“中和电路”。它将每个 程序段的脉冲输入数扩大 倍，之后把插补器输出的插补脉冲分别经二级分频后输出。 ! 得出如图 # $ # $% 所示的比较结果，可以明显地看出设置中和电路与不设置中和电 路，使输出脉冲均匀或不均匀的情况。中和电路的框图，如图 # $ # $$ 所示。 图 # $ # $% 中和电路有无输出比较图 ）设置两级中和电路的脉冲输出分布图 ）没有中和电路的脉冲输出分布图 & ’ 图 # $ # $$ 中和电路框图 三、“逐点比较法”的插补原理及装置 逐点比较法最初称为“区域判别法”，又称为代数运算法，或醉步式近似法。顾名思 义，逐点比较法是逐点比较进行进给的。 逐点比较法的插补原理分别可用直线插补及圆弧插补的过程予以说明。 （）逐点比较法的直线插补原理 设图 在 平面第一象限的直线段以 $ # $ # $( ! — *)% — 第一章 数控机床的原理与结构 原点为始点，以 （ ， ）为终点，对于直线上一点 （ ， ），因为它正好在直线上， ! # $# % & $’ 那么下式成立： 图 第 象 ! # #$ ( 限直线插补图 $ ’ # % & # 或即： $ $ % & # ’ & # 若任意点 （ ， ）在直线上方（严格地说，在直线与 轴所成夹角区域内），那么 % & $’ $ 有下式关系： $ ’ # ’ & # 或即： $ $ ’ & # ’ & # 若任意点 （ ， ）在直线下方（严格地说，在直线与 轴所成夹角区域内），那么 % & $’ 有下式关系： $ ’ # ( & # 或即： $ $ ( & # ’ & # 取 符号代表 式 ) $ $ &’ # ’ & # 当待比较点 （ ， ）落在直线上时， % & $’ )&’ % & 当待比较点 （ ， ）落在直线上方时， % & $’ )&’ ’ & 当待比较点 （ ， ）落在直线下方时， % & $’ )&’ ( & 我们称 式为“直线加工偏差判别式”，或称“偏差判别函数”， 的 ) % $ $ ) &’ # ’ & # &’ 数值称为“偏差”。 图! # #) 近似直线图 例如：图 待加工直线 ，我们运用下述法则，根据偏差判别式，就可以 ! # #) *! — +*# — 第六篇 典型现代机电设备的安装调试与维修管理———数控机床 获得图中粗线段那样的近似直线。若刀具相对于工件位置 （ ， ）处在直线上方 ! # $% （包括在直线上），即满足 时，向 轴方向发出一个脉冲，使刀具沿 轴坐标移 & !

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