數(shù)控技術(shù)

前言

　　2008年7月間，電子工業(yè)出版社邀請全國20多所高校幾十位機電領(lǐng)域的老師，研討符合“工程教育”要求的教材的編寫方案。大家認為，這適應(yīng)了目前我國高等院校工科教育發(fā)展的趨勢，特別是對工科本科生實踐能力的提高和創(chuàng)新精神的培養(yǎng)，都會起到積極的推動作用?！　〗逃坑?007年1月22日頒布了教高（2007）1號文件《教育部財政部關(guān)于實施高等學(xué)校本科教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程的意見》。同年2月17日，緊接著又頒布了教高（2007）2號文件《教育部關(guān)于進一步深化本科教學(xué)改革全面提高教學(xué)質(zhì)量的若干意見》。由這兩份文件，可以看到國家教育部已經(jīng)決定并將逐步實施“高等學(xué)校本科教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程”（簡稱質(zhì)量工程），而質(zhì)量工程的核心思想就在于培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新精神，提高教師隊伍整體素質(zhì)，以及進一步轉(zhuǎn)變?nèi)瞬排囵B(yǎng)模式、教學(xué)內(nèi)容和方法?！　〗虒W(xué)改革和教材建設(shè)從來都是相輔相成的。經(jīng)過近兩年的教改實踐，不少老師都積累了一定的教學(xué)經(jīng)驗，借此機會，編寫、出版符合“工程教育”要求的教材，不僅能夠滿足許多學(xué)校對此類教材的需求，而且將進一步促進質(zhì)量工程的深化?！　〗荒陙?，電子工業(yè)出版社選派了骨干人員與參加編寫的各位教授、專家和老師進行了深入的交流和研究。不僅在教學(xué)內(nèi)容上進行了優(yōu)化，而且根據(jù)不同課程的需要開辟了許多實踐性、經(jīng)驗性和工程性較強的欄目，如“經(jīng)驗總結(jié)”、“應(yīng)用點評”、“一般步驟”、“工程實例”、“經(jīng)典案例”、“工程背景”、“設(shè)計者思維”、“學(xué)習(xí)方法”等，從而將工程中注重的理念與理論教學(xué)更有機地結(jié)合起來。此外，部分教材還融入了實驗指導(dǎo)書和課程設(shè)計方案，這樣一方面可以滿足某些課程對實踐教學(xué)的需要，另一方面也為教師更深入地開展實踐教學(xué)提供豐富的素材?！　‰S著我國經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展，普通高等教育也將隨之發(fā)展，并培養(yǎng)出適合經(jīng)濟建設(shè)需要的人才?！案叩仍盒C電類工程教育系列規(guī)劃教材”就站在這個發(fā)展過程的源頭，將最新的教改成果推而廣之，并與之共進，協(xié)調(diào)發(fā)展。希望這套教材對更多學(xué)校的教學(xué)有所裨益，對學(xué)生的理論與實踐的結(jié)合發(fā)揮一定的作用?！　∽詈螅A(yù)?！案叩仍盒C電類工程教育系列規(guī)劃教材”項目取得成功。同時，也懇請讀者對教材中的不當(dāng)、不貼切、不足之處提出意見與建議，以便重印和再版時更正。

內(nèi)容概要

　　《數(shù)控技術(shù)》秉承“工程教育”的教學(xué)理念，在省級精品課程建設(shè)積累的基礎(chǔ)上編寫而成。在編寫過程中緊密結(jié)合教學(xué)大綱，重視基礎(chǔ)理論，側(cè)重工程應(yīng)用，強化經(jīng)驗總結(jié)，豐富經(jīng)典例題、突出工程例題、融合實驗訓(xùn)練，以適應(yīng)工程教育型的定位。主要內(nèi)容包括：緒論、數(shù)控機床的程序編制、計算機數(shù)控系統(tǒng)、插補原理與刀具補償技術(shù)、數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制、數(shù)控機床的機械結(jié)構(gòu)與部件、數(shù)控機床的故障診斷、現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)和9個實驗。教輔資料包括教學(xué)PPT和書中所有插圖?！　　稊?shù)控技術(shù)》可作為高等院校機械設(shè)計制造及其自動化、機械電子工程、測控技術(shù)與儀器等相關(guān)專業(yè)的高年級本科生及研究生的教材和參考用書，也可作為機械制造領(lǐng)域中從事科學(xué)研究、產(chǎn)品開發(fā)及工程應(yīng)用的科研人員和工程技術(shù)人員的參考用書。

書籍目錄

第1章 緒論 11.1 概述 21.1.1 機床數(shù)字控制的基本概念 21.1.2 數(shù)控加工原理 21.1.3 數(shù)控機床的組成 31.1.4 數(shù)控機床的特點 41.1.5 數(shù)控機床的適用范圍 51.2 數(shù)控機床的分類 61.2.1 按運動軌跡分類 61.2.2 按伺服驅(qū)動系統(tǒng)控制方式分類 71.2.3 按功能水平分類 81.2.4 按工藝用途分類 91.3 數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展 91.3.1 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展歷程及趨勢 91.3.2 數(shù)控技術(shù)與現(xiàn)代制造系統(tǒng) 121.4 習(xí)題與思考題 151.5 參考文獻 16第2章 數(shù)控機床的程序編制 172.1 概述 182.2 數(shù)控編程基礎(chǔ)知識 192.2.1 與數(shù)控機床編程有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn) 192.2.2 數(shù)控機床坐標(biāo)軸和運動方向的確定 192.2.3 數(shù)控加工程序格式 222.2.4 數(shù)控編程的內(nèi)容和步驟 242.2.5 數(shù)控加工程序編制方法 282.3 數(shù)控編程中的數(shù)值計算 292.3.1 二維輪廓零件的數(shù)學(xué)處理 292.3.2 空間曲線的數(shù)學(xué)處理 382.4 手工編程 392.4.1 工藝規(guī)劃 392.4.2 常用基本編程指令及其應(yīng)用 442.4.3 編程實例 512.5 自動編程 542.5.1 語言式自動編程 552.5.2 自動編程系統(tǒng)軟件的總體結(jié)構(gòu) 562.5.3 圖形交互式自動編程 572.6 數(shù)控編程技術(shù)的發(fā)展 572.6.1 典型的CAD/CAM軟件介紹 582.6.2 MasterCAM軟件介紹 592.7 習(xí)題與思考題 622.8 參考文獻 64第3章 計算機數(shù)控系統(tǒng) 653.1 概述 663.1.1 CNC系統(tǒng)的功能 663.1.2 CNC系統(tǒng)的組成及工作流程 673.2 CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu) 683.3 CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu) 753.3.1 CNC裝置的軟硬件界面 753.3.2 CNC裝置軟件結(jié)構(gòu)特點 753.3.3 常規(guī)CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu) 783.4 數(shù)控機床用可編程控制器 853.4.1 PLC的結(jié)構(gòu)、工作原理及編程系統(tǒng) 863.4.2 數(shù)控機床用PLC 903.4.3 PLC在數(shù)控機床中的應(yīng)用 973.5 CNC裝置的I/O接口及通信網(wǎng)絡(luò) 983.5.1 數(shù)控裝置的I/O接口 983.5.2 CNC裝置的數(shù)據(jù)通信接口 993.6 典型的CNC裝置 1023.6.1 CNC裝置的主要生產(chǎn)廠家及其典型產(chǎn)品 1023.6.2 國外主要CNC裝置及其特點 1043.6.3 國內(nèi)主要CNC裝置及其特點 1063.7 習(xí)題與思考題 1083.8 主要數(shù)控廠商及數(shù)控資料網(wǎng)址 1093.9 參考文獻 109第4章 插補原理與刀具補償技術(shù) 1114.1 概述 1124.2 刀具補償技術(shù) 1134.2.1 刀具位置和刀具長度補償 1134.2.2 刀具半徑補償 1144.2.3 C功能刀具半徑補償 1154.2.4 刀補的執(zhí)行過程 1234.3 數(shù)控機床的插補原理 1244.3.1 逐點比較法 1254.3.2 數(shù)字積分法 1304.3.3 數(shù)據(jù)采樣插補 1374.3.4 其他插補方法簡介 1434.4 進給速度與加減速控制 1474.4.1 進給速度控制 1474.4.2 加減速度控制 1484.5 習(xí)題與思考題 1534.6 參考文獻 153第5章 數(shù)控機床的驅(qū)動與位置控制 1555.1 概述 1565.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件 1585.2.1 步進電動機 1585.2.2 直流伺服電動機 1625.2.3 交流伺服電動機 1655.2.4 直線電動機 1675.3 進給驅(qū)動 1695.3.1 對進給驅(qū)動的要求 1695.3.2 步進電動機驅(qū)動（控制電路 1705.3.3 直流電動機的速度控制單元 1775.3.4 交流電動機的速度控制單元 1835.4 主軸驅(qū)動 1885.4.1 對主軸驅(qū)動的要求 1885.4.2 直流主軸控制單元 1895.4.3 交流主軸電動機控制單元 1905.5 數(shù)控機床常用的檢測裝置 1945.5.1 位置檢測裝置的要求和分類 1945.5.2 旋轉(zhuǎn)變壓器 1955.5.3 感應(yīng)同步器 1965.5.4 脈沖編碼器 1975.5.5 光柵尺 1995.5.6 磁尺（磁柵 2015.6 位置控制 2025.6.1 數(shù)字脈沖比較伺服系統(tǒng) 2025.6.2 相位比較伺服系統(tǒng) 2035.6.3 幅值比較伺服系統(tǒng) 2045.7 習(xí)題與思考題 2045.8 參考文獻 205第6章 數(shù)控機床的機械結(jié)構(gòu)與部件 2076.1 概述 2086.2 數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)及主軸部件 2106.2.1 主傳動系統(tǒng) 2106.2.2 主軸變速方式 2126.2.3 數(shù)控機床的主軸部件 2146.2.4 主軸的準(zhǔn)停裝置與C軸單元 2186.2.5 高速電主軸 2196.3 數(shù)控機床的進給運動系統(tǒng) 2216.3.1 對進給系統(tǒng)的性能要求 2216.3.2 滾珠絲杠螺母副 2226.3.3 消除間隙的齒輪傳動機構(gòu) 2286.3.4 數(shù)控機床的導(dǎo)軌副 2316.3.5 直線電動機傳動 2346.4 數(shù)控機床自動換刀系統(tǒng) 2356.4.1 數(shù)控車床與車削中心刀架系統(tǒng) 2356.4.2 加工中心自動換刀系統(tǒng) 2376.5 數(shù)控分度工作臺和回轉(zhuǎn)工作臺 2426.5.1 數(shù)控分度工作臺 2426.5.2 數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺 2466.6 習(xí)題與思考題 2496.7 參考文獻 249第7章 數(shù)控機床的故障診斷 2517.1 概述 2527.1.1 數(shù)控機床的可靠性與故障 2527.1.2 數(shù)控機床常見故障分類 2537.1.3 數(shù)控機床故障診斷的流程 2537.2 數(shù)控機床的機械故障診斷 2567.2.1 數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)故障診斷與維修 2567.2.2 進給部件故障診斷 2587.2.3 自動換刀部件故障診斷 2607.2.4 液壓與氣壓傳動系統(tǒng)的故障診斷 2617.3 數(shù)控機床位置檢測裝置故障診斷 2627.3.1 位置檢測元件的維護 2627.3.2 位置檢測裝置的故障診斷 2647.3.3 位置檢測裝置的故障診斷舉例 2667.4 數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的故障診斷 2667.4.1 主軸伺服系統(tǒng)故障及診斷 2667.4.2 進給伺服系統(tǒng)故障及診斷 2717.4.3 PLC檢測伺服系統(tǒng)故障及處理 2777.5 習(xí)題與思考題 2797.6 參考文獻 279第8章 現(xiàn)代數(shù)控技術(shù) 2818.1 開放式數(shù)控系統(tǒng) 2828.1.1 開放式數(shù)控系統(tǒng)的產(chǎn)生背景 2828.1.2 開放式數(shù)控系統(tǒng)的基本特征 2838.1.3 國內(nèi)外開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究動向 2848.1.4 開放式數(shù)控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和研究方法 2908.2 并聯(lián)機床 2918.2.1 并聯(lián)機床的產(chǎn)生與發(fā)展 2918.2.2 并聯(lián)機床的設(shè)計理論與關(guān)鍵技術(shù) 2928.2.3 并聯(lián)機床的控制技術(shù) 2958.3 習(xí)題與思考題 298第9章 實驗 2999.1 數(shù)控車床的操作與加工實驗 2999.2 數(shù)控銑床的操作與加工實驗 3009.3 數(shù)控系統(tǒng)組成及其外設(shè)接口實驗 3029.4 機床用可編程控制器（PLC編程與調(diào)試實驗 3039.5 插補原理實驗 3049.6 加減速控制及其實現(xiàn)實驗 3059.7 伺服電動機控制實驗 3059.8 數(shù)控機床位置檢測裝置實驗 3069.9 數(shù)控機床典型機械結(jié)構(gòu)拆裝實驗 307索引 309

章節(jié)摘錄

　　根據(jù)零件圖樣，按已經(jīng)確定的加工路線和允許的編程誤差，計算數(shù)控系統(tǒng)所需輸入的數(shù)據(jù)，稱為數(shù)值計算。數(shù)值計算是程序編制工作中的重要組成部分，對那些比較復(fù)雜的零件來說更是這樣。　　程序編制中數(shù)學(xué)處理的任務(wù)是根據(jù)零件圖紙和加工路線計算出機床控制裝置所需輸入數(shù)據(jù)，也就是進行機床各坐標(biāo)軸位移數(shù)據(jù)的計算和插補計算。在編制點位加工程序時，往往不需要數(shù)值計算。當(dāng)形狀較簡單（由直線、圓弧構(gòu)成輪廓零件，若控制系統(tǒng)具有直線、圓弧插補功能和刀具補償功能，則數(shù)學(xué)處理也比較簡單）時，只需算出零件輪廓上相連幾何元素的交點或切點的坐標(biāo)值。當(dāng)零件形狀比較復(fù)雜或零件形狀與機床控制裝置的插補功能不一致時，就需要進行比較復(fù)雜的計算。在用直線逼近曲線（APT自動編程語言系統(tǒng)中，也采用直線逼近曲線的原則）時，用一段一段的直線來逼近曲線，此時數(shù)學(xué)處理的任務(wù)是計算出各分隔點的坐標(biāo)值，并使逼近誤差小于允許值?！　τ陲w機、艦船、航天器等上面的許多零件輪廓并不是用數(shù)學(xué)方程式描述的，而是用一組離散的坐標(biāo)點描述的。編程時，首先需要決定這些離散點（Discrete Point）之間軌跡變化的規(guī)律?，F(xiàn)在經(jīng)常使用樣條（Spline）插值函數(shù)達到這一目的，但用樣條擬合的輪廓曲線仍然是任意曲線，而一般控制系統(tǒng)只有直線、圓弧插補功能，于是還需要將樣條曲線進一步處理成直線信息或圓弧信息，以便作為機床控制裝置的輸入。我國發(fā)展的圓弧樣條和英國發(fā)展的雙圓弧曲線計算方法，可以不用Spline處理，而直接利用圖紙上給出的離散點坐標(biāo)值來擬合輪廓曲線?！　￡P(guān)于曲面的數(shù)學(xué)處理，尤其是用離散點描述的曲面處理就更復(fù)雜了。　　……

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