高檔數(shù)控機床是裝備制造業(yè)智能制造的工作母機,是智能制造最重要的關(guān)鍵裝備之一,對智能制造有著重要的影響。高檔數(shù)控機床是衡量一個國家裝備制造業(yè)發(fā)展水平和產(chǎn)品質(zhì)量的重要標志。
近年來,我國已經(jīng)連續(xù)多年成為世界最大的機床裝備生產(chǎn)國、消費國和進口國。中高端機床生產(chǎn)技術(shù)進一步提升,但高檔數(shù)控機床國產(chǎn)化率甚至不到10%。
數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機床的大腦,決定機床裝備的性能、功能、可靠性和成本,而國外對我國至今仍進行封鎖限制,成為制約我國高檔數(shù)控機床發(fā)展的瓶頸。國內(nèi)數(shù)控系統(tǒng)的中高端市場被德國西門子公司、日本FANUC公司瓜分。低端市場是國內(nèi)數(shù)控系統(tǒng)的天下,數(shù)十家系統(tǒng)廠擠在這個狹小的市場區(qū)域。鑒于此,我們必須自己攻克此技術(shù),目前,我國數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)了從模擬式、脈沖式到全數(shù)字總線的跨越。
為了促進我國數(shù)控機床行業(yè)產(chǎn)業(yè)升級,近幾年,國家出臺一系列政策以支持數(shù)控機床行業(yè)發(fā)展。根據(jù)工業(yè)和信息化部2016年的《智能制造工程實施指南(20162020)》,我國數(shù)控機床國產(chǎn)化率將在2020年超過50%。2015年10月,國家制造強國建設(shè)戰(zhàn)略咨詢委員會發(fā)布的《(中國制造2025)重點領(lǐng)域技術(shù)路線圖》對未來十年我國高檔數(shù)控機床的發(fā)展做出規(guī)劃。未來十年,我國數(shù)控機床將重點針對航空航天裝備、汽車、電子信息設(shè)備等產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要,開發(fā)高檔數(shù)控機床、先進成形裝備及成組工藝生產(chǎn)線。
2019年1月28日,高檔數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造裝備科技重大專項2019年度再次啟動,其中有16個課題涉及數(shù)控機床。
隨著《中國制造2025》和工業(yè)4.0的逐漸實施,以及基于國情制造業(yè)要升級,淘汰勞動密集型的低端制造業(yè),我國數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)必須實現(xiàn)大比重國產(chǎn)化,實現(xiàn)數(shù)控產(chǎn)業(yè)為國家的競爭力強勢產(chǎn)業(yè)。
有需求也有機遇,我國有全世界最齊全的工業(yè)門類和全世界最大的工業(yè)市場,另外,我國有世界名列前茅的5G技術(shù),方便于實現(xiàn)數(shù)控機床與工業(yè)機器人融合發(fā)展。這些條件非常有利于數(shù)控機床的發(fā)展。
在此背景下,本書出版第3版,本次再版增加了許多近幾年數(shù)控機床的新技術(shù)和新應用,對相關(guān)數(shù)控名詞概念進行規(guī)范化,相關(guān)表述更加貼近數(shù)控機床開發(fā)實際,特別介紹了5G技術(shù) 數(shù)控機床 工業(yè)機器人融合發(fā)展技術(shù)。
插補方面增加了參數(shù)曲線直接插補內(nèi)容,數(shù)控系統(tǒng)方面增加了華中數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)介紹分析,更加貼近實踐,PLC方面增加了數(shù)控系統(tǒng)廠家對PLC的應用思路,數(shù)控加工工藝方面進一步梳理,增加了形象化的數(shù)控加工框圖,對數(shù)控切削用量的選擇也進一步細化和列表,方便于加工實踐,裝夾方面增加了夾具實物圖,更具有指導性。
作者方面增加了許昌學院李耀輝老師,李耀輝老師對本書插補、CNC系統(tǒng)內(nèi)容做了許多改進工作。
本次再版得到了武漢華中數(shù)控股份有限公司總工程師朱志紅教授的多次指導,在此致謝!
編者
2022年1月
數(shù)控技術(shù)(數(shù)字化控制技術(shù))是未來控制技術(shù)的發(fā)展方向,從家用電器到醫(yī)療器械,從地下的探測設(shè)備到太空飛行器,許多領(lǐng)域都大量使用了數(shù)字信號和數(shù)控技術(shù)。隨著信息技術(shù)的發(fā)展,特別是現(xiàn)代控制理論研究的深入,數(shù)字化控制技術(shù)在控制領(lǐng)域的比重將逐漸增加,并有逐漸取代其他傳統(tǒng)控制方法的趨勢。
數(shù)控技術(shù)與機械制造中的機床設(shè)備相結(jié)合,形成了一種全新的加工裝備數(shù)控機床。數(shù)控機床的整個加工過程由數(shù)控系統(tǒng)進行自動控制。近年來數(shù)控技術(shù)的快速發(fā)展極大地推動了計算機輔助設(shè)計與制造(CAD/CAM)、柔性制造系統(tǒng)(flexible manufacture system,FMS)和計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)的發(fā)展。數(shù)控技術(shù)正在改變制造業(yè)的生產(chǎn)方式、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、組織模式,是關(guān)系到國家戰(zhàn)略地位的重要技術(shù)。
數(shù)控技術(shù)的發(fā)展歷程經(jīng)歷了硬件數(shù)控(numerical control,NC)和計算機數(shù)控(computerized numerical control,CNC)兩個階段。硬件數(shù)控的運算和控制功能均由邏輯電路來完成,靈活性差,柔性不好。計算機數(shù)控是隨著微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的,其主要功能基本上由軟件來完成。隨著數(shù)控操作系統(tǒng)功能的不斷完善,軟件系統(tǒng)開放性的不斷提高,CNC對不同的加工工藝及要求容易通過軟件程序來解決,不需改變硬件,因此,靈活性好,柔性較強。
教育學部高等學校機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)教學指導分委員會于2007年會同中國機械工程學會、清華大學出版社組成中國機械工程學科教程研究組 出版的《中國機械工程學科教程》,采用知識領(lǐng)域邊界再設(shè)計的方法,構(gòu)造了機械工程本科專業(yè)教育的知識體系和框架,形成了科學的課程知識體系。我們根據(jù)該知識體系和框架,本著從高等院校教育目標及知識、能力和素質(zhì)結(jié)構(gòu)的要求出發(fā),編寫了數(shù)控技術(shù)教材。書中以數(shù)控技術(shù)的基本原理和基本知識為根基,以數(shù)控機床為主線,全面且系統(tǒng)地反映了數(shù)控技術(shù)各方面的內(nèi)容。本書對數(shù)控技術(shù)的核心內(nèi)容和最新技術(shù)作了較為深入、系統(tǒng)的介紹,全書內(nèi)容充實、具體、科學、先進,敘述深入淺出,內(nèi)容編排循序漸進,文字簡練。本書采用國產(chǎn)著名品牌華中數(shù)控系統(tǒng)作為典型系統(tǒng)進行分析講解,以國產(chǎn)三維CAD/CAM軟件CAXA作為自動編程軟件進行介紹,在數(shù)控系統(tǒng)和自動編程的講解上實例充分。通過對本教材的學習掌握,讀者可以對數(shù)控技術(shù)有較完整的、系統(tǒng)的認識,對數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)有較清晰的了解。
本書可作為高等院校機械工程相關(guān)本科專業(yè)數(shù)控技術(shù)數(shù)控系統(tǒng)及數(shù)控機床原理課程的教學用書,也適合研究生、?茖W生及從事數(shù)控技術(shù)工程的技術(shù)人員閱讀參考。
本書共分為8章。第1章簡要介紹數(shù)控機床的組成、工作原理、分類和發(fā)展; 第2章分析插補原理,并介紹典型的插補方法; 第3章講述計算機數(shù)控系統(tǒng)的硬件和軟件,分別介紹計算機數(shù)控系統(tǒng)硬件的組成和功能以及軟件的結(jié)構(gòu)和功能; 第4章分析數(shù)控位置檢測裝置,按照工作原理的不同分別對各種數(shù)控位置檢測裝置進行了分析; 第5章分析數(shù)控伺服系統(tǒng),對數(shù)控伺服系統(tǒng)的類型、伺服電動機及調(diào)速、現(xiàn)代典型數(shù)控伺服系統(tǒng)進行了詳細介紹; 第6章講述數(shù)控手工編程; 第7章講述自動編程及CAXA軟件的使用方法; 第8章介紹了數(shù)控機床結(jié)構(gòu)。
本書由嚴育才、張福潤擔任主編,程憲平、段明忠擔任副主編。本書第1、2章由張福潤編寫,第3、4、7、8章由嚴育才編寫,第5章由程憲平、嚴育才共同編寫,第6章由段明忠、嚴育才共同編寫。本書在編寫過程中得到了華中科技大學數(shù)控國家重點實驗室和華中科技大學金工實訓中心的大力幫助,在此對數(shù)控國家重點實驗室和金工實訓中心的各位老師表示衷心的感謝。華中科技大學李元科教授、孫親錫教授、劉延林教授、朱冬梅教授對本書的編寫提出了許多寶貴的意見,在此也一并致謝!
本書為修訂版,利用此次修訂的機會,作者不僅認真仔細地訂正了第1版中存在的錯誤和疏漏,還將平時教學中使用的電子課件進行了整理,并增補了部分習題參考解答。
限于編者的水平,書中難免有錯誤和不妥之處,敬請讀者批評指正。
編者
2012年2月
第1章緒論
1.1數(shù)控技術(shù)概念概述
1.2數(shù)控機床組成及工作原理
1.2.1數(shù)控機床的組成
1.2.2CNC的工作特征
1.2.3數(shù)控系統(tǒng)的工作過程
1.3數(shù)控機床的分類、特點與應用
1.3.1數(shù)控機床的分類
1.3.2數(shù)控機床的特點
1.3.3數(shù)控機床的應用
1.4數(shù)控機床的產(chǎn)生與發(fā)展
1.4.1數(shù)控機床的產(chǎn)生
1.4.2數(shù)控機床的發(fā)展歷程
1.4.3數(shù)控機床的發(fā)展趨勢
1.5數(shù)控技術(shù)在我國的發(fā)展情況
習題
第2章插補原理
2.1插補概念分析
2.1.1插補的概念
2.1.2插補需要解決的問題
2.1.3插補的實質(zhì)
2.1.4插補的基本要求
2.1.5插補方法的分類
2.2硬件插補
2.2.1數(shù)字脈沖乘法器的工作原理
2.2.2數(shù)字脈沖乘法器的直線插補
2.2.3脈沖分配的不均勻性問題
2.3逐點比較法
2.3.1逐點比較法插補原理
2.3.2逐點比較法直線插補
2.3.3逐點比較法圓弧插補
2.3.4逐點比較法象限處理
2.3.5逐點比較法的進給速度
2.4數(shù)字積分法
2.4.1數(shù)字積分法的工作原理
2.4.2數(shù)字積分法直線插補原理
2.4.3數(shù)字積分法圓弧插補原理
2.4.4數(shù)字積分法插補精度的提高
2.5數(shù)據(jù)采樣插補法
2.5.1概述
2.5.2時間分割法插補
2.5.3擴展數(shù)字積分法插補
2.5.4脈沖增量插補法和數(shù)據(jù)采樣插補法的比較
習題
第3章CNC系統(tǒng)
3.1CNC系統(tǒng)的組成與工作原理
3.1.1CNC系統(tǒng)的組成
3.1.2CNC裝置的工作原理
3.2CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)
3.2.1大板結(jié)構(gòu)和功能模板結(jié)構(gòu)
3.2.2單微處理器結(jié)構(gòu)和多微處理器結(jié)構(gòu)
3.2.3CNC裝置的硬件功能模塊
3.2.4CNC裝置的輸入輸出接口
3.3CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)
3.3.1CNC裝置軟件的組成
3.3.2CNC裝置軟件結(jié)構(gòu)模式
3.3.3CNC裝置軟件的特點
3.4CNC裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及處理
3.4.1數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程
3.4.2數(shù)據(jù)處理
3.5進給速度處理和加減速控制
3.5.1開環(huán)CNC系統(tǒng)的進給速度及加減速控制
3.5.2閉環(huán)(或半閉環(huán))CNC系統(tǒng)的加減速控制
3.6數(shù)控機床用可編程邏輯控制器
3.6.1數(shù)控機床中PLC完成的功能
3.6.2PLC順序程序接口信號處理
3.6.3PLC地址分配
3.6.4PLC與CNC機床的關(guān)系
3.6.5M、S、T功能的實現(xiàn)
3.6.6華中數(shù)控系統(tǒng)PLC的形式和原理
3.7開放式數(shù)控體系結(jié)構(gòu)
3.7.1概述
3.7.2開放式數(shù)控系統(tǒng)的定義及其基本特征
習題
第4章數(shù)控檢測技術(shù)
4.1概述
4.1.1檢測裝置的分類
4.1.2數(shù)控測量裝置的性能指標及要求
4.2旋轉(zhuǎn)變壓器
4.2.1旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)
4.2.2旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理
4.2.3旋轉(zhuǎn)變壓器的應用
4.3感應同步器
4.3.1直線式感應同步器
4.3.2旋轉(zhuǎn)式感應同步器
4.3.3直線式感應同步器的工作原理
4.3.4感應同步器的應用
4.3.5感應同步器使用應注意的事項
4.4光柵傳感器
4.4.1光柵的類型和結(jié)構(gòu)
4.4.2計量光柵的工作原理
4.5脈沖編碼器
4.5.1脈沖編碼器的結(jié)構(gòu)與分類
4.5.2脈沖編碼器在數(shù)控機床上的應用
4.5.3增量式光電脈沖編碼器
4.5.4絕對式脈沖編碼器
4.5.5光電脈沖編碼器的應用形式
習題
第5章數(shù)控伺服系統(tǒng)
5.1概述
5.1.1伺服系統(tǒng)的組成
5.1.2對伺服系統(tǒng)的基本要求
5.1.3對伺服電動機的要求
5.1.4伺服系統(tǒng)分類
5.2步進電動機伺服系統(tǒng)
5.2.1步進電動機結(jié)構(gòu)及工作原理
5.2.2步進電動機的主要性能指標
5.2.3步進電動機功率驅(qū)動
5.2.4功率放大器
5.2.5調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動電路
5.2.6細分驅(qū)動電路
5.2.7步進電動機應用中的注意問題
5.3直流電動機伺服系統(tǒng)
5.3.1直流伺服電動機的種類與應用
5.3.2直流伺服電動機的結(jié)構(gòu)與工作原理
5.3.3直流伺服電動機的控制原理
5.3.4直流伺服電動機的調(diào)速
5.3.5晶閘管調(diào)速控制系統(tǒng)
5.3.6晶體管直流脈寬調(diào)制調(diào)速系統(tǒng)
5.3.7全數(shù)字脈寬調(diào)制調(diào)速系統(tǒng)
5.4交流電動機伺服系統(tǒng)
5.4.1交流伺服電動機的種類
5.4.2永磁交流同步伺服電動機的結(jié)構(gòu)
5.4.3交流伺服電動機的發(fā)展方向
5.4.4交流伺服電動機的調(diào)速原理
5.4.5交流伺服電動機的速度控制單元
5.5伺服系統(tǒng)的位置控制
5.5.1相位比較伺服系統(tǒng)
5.5.2幅值比較伺服系統(tǒng)
5.5.3數(shù)字比較伺服系統(tǒng)
5.5.4全數(shù)字伺服系統(tǒng)舉例
習題
第6章數(shù)控加工的程序編制
6.1數(shù)控機床編程概述
6.2數(shù)控機床坐標系的確定
6.2.1數(shù)控機床的坐標系
6.2.2數(shù)控機床上坐標軸方向的確定
6.2.3機床坐標系與工件坐標系
6.3數(shù)控加工工藝
6.3.1數(shù)控加工工藝方案制訂的主要內(nèi)容
6.3.2影響數(shù)控加工工藝方案制訂的主要因素
6.3.3零件數(shù)控加工工藝性分析
6.3.4劃分加工階段
6.3.5數(shù)控加工工序規(guī)劃
6.3.6選擇走刀路線
6.3.7數(shù)控編程誤差及其控制
6.4數(shù)控加工刀具與切削用量的選擇
6.4.1數(shù)控加工刀具的選擇
6.4.2切削用量的選擇
6.5數(shù)控機床上工件的裝夾
6.5.1零件裝夾注意事項
6.5.2數(shù)控機床上零件裝夾的方法
6.5.3使用平口虎鉗裝夾零件
6.5.4使用壓板和T形槽用螺釘固定零件
6.5.5彎板的使用
6.5.6V形塊的使用
6.5.7零件通過托盤裝夾在工作臺上
6.5.8使用組合夾具、專用夾具等
6.6數(shù)控加工程序的組成及各指令的應用
6.6.1程序的組成
6.6.2程序的格式
6.6.3程序指令一覽表
6.6.4數(shù)控機床常用指令的使用方法說明
6.7數(shù)控編程指令用法及加工舉例
6.7.1數(shù)控車床編程指令用法及加工舉例
6.7.2數(shù)控銑床編程指令用法及加工舉例
習題
第7章CAXA自動編程
7.1自動編程概述
7.2CAXA制造工程師基本功能
7.2.1簡介
7.2.2主要功能
7.2.3用戶界面簡介
7.3CAXA幾何建模技術(shù)基礎(chǔ)
7.4CAXA的拾取操作
7.5線架造型
7.5.1線架造型簡介
7.5.2實例操作
7.6實體特征造型
7.6.1草圖繪制
7.6.2輪廓特征
7.7連桿件的造型與加工
7.7.1連桿件的實體造型
7.7.2加工前的準備工作
7.7.3刀具軌跡的生成和仿真檢驗
第8章數(shù)控機床結(jié)構(gòu)
8.1床身
8.2導軌
8.3主軸部件
8.4進給系統(tǒng)
8.5回轉(zhuǎn)工作臺
參考文獻