数控机床的知识

数控机床的知识（精选7篇）

数控机床的知识 篇1

一、结构要求与总体布局

在数控机床发展的最初阶段，其机械结构与通用机床相比没有多大的变化，只是在自动变速、刀架和工作台自动转位和手柄操作等方面作些改变，随着数控技术的发展，考虑到它的控制方式和使用特点，才对机床的生产率、加工精度和寿命提出了更高的要求。数控机床的主体机构有以下特点：

1、由于采用了高性能的无级变速主轴及伺服传动系统，数控机床的极限传动结构大为简化，传动链也大大缩短；

2、为适应连续的自动化加工和提高加工生产率，数控机床机械结构具有较高的静、动态刚度和阻尼精度，以及较高的耐磨性，而且热变形小；

3、为减小摩擦、消除传动间隙和获得更高的加工精度，更多地采用了高效传动部件，如滚珠丝杠副和滚动导轨、消隙齿轮传动副等；

4、为了改善劳动条件、减少辅助时间、改善操作性、提高劳动生产率，采用了刀具自动夹紧装置、刀库与自动换刀装置及自动排屑装置等辅助装置。根据数控机床的适用场合和机构特点，对数控机床结构因提出以下要求：

（一）较高的机床静、动刚度

数控机床是按照数控编程或手动输入数据方式提供的指令自动进行加工的。由于机械结构（如机床床身、导轨、工作台、刀架和主轴箱等）的几何精度与变形产生的定位误差在加工过程中不能人为地调整与补偿，因此，必须把各处机械结构部件产生的弹性变形控制在最小限度内，以保证所要求的加工精度与表面质量。

为了提高数控机床主轴的刚度，不但经常采用三支撑结构，而且选用钢性很好的双列短圆柱滚子轴承和角接触向心推力轴承铰接出相信忒力轴承 ，以减小主轴的径向和轴向变形。为了提高机床大件的刚度，采用封闭界面的床身，并采用液力平衡减少移动部件因位置变动造成的机床变形。为了提高机床各部件的接触刚度，增加机床的承载能力，采用刮研的方法增加单位面积上的接触点，并在结合面之间施加足够大的预加载荷，以增加接触面积。这些措施都能有效地提高接触刚度。

为了充分发挥数控机床的高效加工能力，并能进行稳定切削，在保证静态刚度的前提下，还必须提高动态刚度。常用的措施主要有提高系统的刚度、增加阻尼以及调整构件的自振频率等。试验表明，提高阻尼系数是改善抗振性的有效方法。钢板的焊接结构既可以增加静刚度、减轻结构重量，又可以增加构件本身的阻尼。因此，近年来在数控机床上采用了钢板焊接结构的床身、立柱、横梁和工作台。封砂铸件也有利于振动衰减，对提高抗振性也有较好的效果。

（二）减少机床的热变形

在内外热源的影响下，机床各部件将发生不同程度的热变形，使工件与刀具之间的相对运动关系遭到破环，也是机床季度下降。对于数控机床来说，因为全部加工过程是计算的指令控制的，热变形的影响就更为严重。为了减少热变形，在数控机床结构中通常采用以下措施。

1、减少发热

机床内部发热时产生热变形的主要热源，应当尽可能地将热源从主机中分离出去。

2、控制温升

在采取了一系列减少热源的措施后，热变形的情况将有所改善。但要完全消除机床的内外热源通常是十分困难的，甚至是不可能的。所以必须通过良好的散热和冷却来控制温升，以减少热源的影响。其中部较有效的方法是在机床的发热部位强制冷却，也可以在机床低温部分通过加热的方法，使机床各点的温度趋于一致，这样可以减少由于温差造成的翘曲变形。

3、改善机床机构

在同样发热条件下，机床机构对热变形也有很大影响。如数控机床过去采用的单立柱机构有可能被双柱机构所代替。由于左右对称，双立

一、结构要求与总体布局

在数控机床发展的最初阶段，其机械结构与通用机床相比没有多大的变化，只是在自动变速、刀架和工作台自动转位和手柄操作等方面作些改变。随着数控技术的发展，考虑到它的控制方式和使用特点，才对机床的生产率、加工精度和寿命提出了更高的要求。数控机床的主体机构有以下特点：

1、由于采用了高性能的无级变速主轴及伺服传动系统，数控机床的极限传动结构大为简化，传动链也大大缩短；

2、为适应连续的自动化加工和提高加工生产率，数控机床机械结构具有较高的静、动态刚度和阻尼精度，以及较高的耐磨性，而且热变形小；

3、为减小摩擦、消除传动间隙和获得更高的加工精度，更多地采用了高效传动部件，如滚珠丝杠副和滚动导轨、消隙齿轮传动副等；

4、为了改善劳动条件、减少辅助时间、改善操作性、提高劳动生产率，采用了刀具自动夹紧装置、刀库与自动换刀装置及自动排屑装置等辅助装置。根据数控机床的适用场合和机构特点，对数控机床结构因提出以下要求：

（一）较高的机床静、动刚度

数控机床是按照数控编程或手动输入数据方式提供的指令自动进行加工的。由于机械结构（如机床床身、导轨、工作台、刀架和主轴箱等）的几何精度与变形产生的定位误差在加工过程中不能人为地调整与补偿，因此，必须把各处机械结构部件产生的弹性变形控制在最小限度内，以保证所要求的加工精度与表面质量。

为了提高数控机床主轴的刚度，不但经常采用三支撑结构，而且选用钢性很好的双列短圆柱滚子轴承和角接触向心推力轴承铰接出相信忒力轴承 ，以减小主轴的径向和轴向变形。为了提高机床大件的刚度，采用封闭界面的床身，并采用液力平衡减少移动部件因位置变动造成的机床变形。为了提高机床各部件的接触刚度，增加机床的承载能力，采用刮研的方法增加单位面积上的接触点，并在结合面之间施加足够大的预加载荷，以增加接触面积。这些措施都能有效地提高接触刚度。

为了充分发挥数控机床的高效加工能力，并能进行稳定切削，在保证静态刚度的前提下，还必须提高动态刚度。常用的措施主要有提高系统的刚度、增加阻尼以及调整构件的自振频率等。试验表明，提高阻尼系数是改善抗振性的有效方法。钢板的焊接结构既可以增加静刚度、减轻结构重量，又可以增加构件本身的阻尼。因此，近年来在数控机床上采用了钢板焊接结构的床身、立柱、横梁和工作台。封砂铸件也有利于振动衰减，对提高抗振性也有较好的效果。

（二）减少机床的热变形

在内外热源的影响下，机床各部件将发生不同程度的热变形，使工件与刀具之间的相对运动关系遭到破环，也是机床季度下降。对于数控机床来说，因为全部加工过程是计算的指令控制的，热变形的影响就更为严重。为了减少热变形，在数控机床结构中通常采用以下措施。

1、减少发热

机床内部发热时产生热变形的主要热源，应当尽可能地将热源从主机中分离出去。

2、控制温升

在采取了一系列减少热源的措施后，热变形的情况将有所改善。但要完全消除机床的内外热源通常是十分困难的，甚至是不可能的。所以必须通过良好的散热和冷却来控制温升，以减少热源的影响。其中部较有效的方法是在机床的发热部位强制冷却，也可以在机床低温部分通过加热的方法，使机床各点的温度趋于一致，这样可以减少由于温差造成的翘曲变形。

3、改善机床机构

在同样发热条件下，机床机构对热变形也有很大影响。如数控机床过去采用的单立柱机构有可能被双柱机构所代替。由于左右对称，双立

柱机构受热后的主轴线除产生垂直方向的平移外，其它方向的变形很小，而垂直方向的轴线移动可以方便地用一个坐标的修正量进行补偿。

对于数控车床的主轴箱，应尽量使主轴的热变形发生在刀具切入的垂直方向上。这就可以使主轴热变形对加工直径的影响降低到最小限度。在结构上还应尽可能减小主轴中心与主轴向地面的距离，以减少热变形的总量，同时应使主轴箱的前后温升一致，避免主轴变形后出现倾斜。

数控机床中的滚珠丝杠常在预计载荷大、转速高以及散热差的条件下工作，因此丝杠容易发热。滚珠丝杠热生产造成的后果是严重的，尤其是在开环系统中，它会使进给系统丧失定位精度。目前某些机床用预拉的方法减少丝杠的热变形。对于采取了上述措施仍不能消除的热变形，可以根据测量结果由数控系统发出补偿脉冲加以修正。

（三）减少运动间的摩擦和消除传动间隙

数控机床工作台（或拖板）的位移量十一脉中当量为最小单位的，通常又要求能以基地的速度运动。为了使工作台能对数控装置的指令作出准确响应，就必须采取相应的措施。目前常用的滑动导轨、滚动导轨和静压导轨在摩擦阻尼特性方面存在着明显的差别。在进给系统中用滚珠丝杠代替滑动丝杠也可以收到同样的效果。目前，数控机床几乎无一例外地采用滚珠丝杠传动。

数控机床（尤其是开环系统的数控机床）的加工精度在很大程度上取决于进给传动链的精度。除了减少传动齿轮和滚珠丝杠的加工误差之外，另一个重要措施是采用无间隙传动副。对于滚珠丝杠螺距的累积误差，通常采用脉冲补偿装置进行螺距补偿。

（四）提高机床的寿命和精度保持性

为了提高机床的寿命和精度保持性，在设计时应充分考虑数控机场零部件的耐磨性，尤其是机床导轨、进给伺港机主轴部件等影响进度的主要零件的耐磨性，

在使用过程中，应保证数控机床各部件润滑良好。

（五）减少辅助时间和改善操作性能

在数控机床的单件加工中，辅助时间（非切屑时间）占有较大的比重。要进一步提高机床的生产率，就必须采取促使最大限度地压缩辅助时间。目前已经有很多数控机床采用了多主轴、多刀架、以及带刀库的自动换刀装置等，以减少换刀时间。对于切屑用量加大的数控机床，床身机构必须有利于排屑。

二、主运动机械部件

数控机床的主传动运动是指生产切屑的传动运动，例如，数控车床上主轴带动工件的旋转运动，立式加工中心上主轴带动铣刀、镗刀和砂轮等的旋转运动。数控机床的主传动运动是通过主传动电机拖动的。

（一）主传动运动的变速系统

目前，数控机床的主传动电机已经基本不再使用普通交流异步电机和传统的直流调速电机，他们与逐步被新兴的交流变频调速伺服电机和直流伺服调速电机代替。

数控机床的主运动要求有较大的调速范围，以保证加工时能选用合理的切屑用量，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。

为了适应各种工件和各种工件材料的要求，自动换刀的数控机床和加工中心主运动的调速范围应进一步扩大。数控机床的变速时按照控制指令自动进行的，因此变速机构必须适应自动操作的要求。

由于直流和交流变速主轴电机的调速系统日趋完善，不仅能方便地实现宽范围的无级变速，而且减少了中间传递环节和提高了变速控制的可靠性，因此在数控机床的主传动系统中更能显示出它的优越性。

为了确保低速时的扭矩，有的数控机床在交流和直流电机无级变速的基础上配以齿轮变速。由于主运动采用了无级变速，在大型数控车床上测斜端面时就可实现恒速切屑控制，以便进一步提高生产效率和表面质量。数控机床

主传动主要有三种配置方式。

1、带有变速齿轮的主传动

这是大、种型数控机床采用较多的一种方式。通过少数几对齿轮减速，扩大了输出扭矩，以满足主轴对输出扭矩特性的要求。一部分小型数控机床业采用此种传动方式，以获得强力切屑时所需要的扭矩。滑移齿轮的移位大都采用液压拨*或直接由液压油缸带动齿轮实现。

2、通过皮带传动的主传动

这主要应用在小型数控机床上，可以避免齿轮传动是引起的振动与噪声。但它只能使用与要求的扭矩特性的主轴。

3、由调速电机直接驱动的主传动

这种主传动方式大大简化了主轴箱体与主轴的结构，有效地提高了主轴部件的刚度。但主轴输出扭矩小，电机发热对主轴的精度影响较大。

（二）数控击穿主轴部件

数控机床主轴部件的精度、刚度和热变形对加工质量有直接影响。由于加工过程中不对数控机床进行人工调整，因此这些影响就更为严重。目前数控机床的主轴厂主要有三种型式。

1、前后支撑采用不同轴承

前支撑采用双列短圆柱滚子轴承和60°角接触双列向心推力球轴承组合，后支撑采用成对向心推力球轴承。此配置形式使主轴的综合刚度大幅度提高，可以满足强力切屑的要求，因此普遍应用于各类数控机床。

2、前轴承采用高精度双列向心推力球轴承

向心推力球轴承高速时性能良好，主轴最高转速可达4000r/min。但是，它的承载能力小，因而适用于高速、轻载和紧密的数控车床。

3、双列和单列圆锥滚子轴承

这种轴承径向和轴向刚度高，能承受重载荷，尤其能承受较强的动载荷，安装与调整性能也好。但是，这种轴承限制了主轴的最高转速和精度，因此使用中等精度、低速与重载的数控机床。

在主轴的机构上，要处理好卡盘和刀架的装夹、主轴的卸荷、主轴轴承的定位和间隙调整、 主轴部件的润滑和密封以及工艺上的其他一系列问题。

为了尽可能减少主轴部件温升热变形对机床工作精度的影响，通常利用润滑油的循环系统把主轴部件的热量带走，使主轴部件与箱体保持恒定的温度。

在某些数控镗、铣床上采用专用的制冷装置，比较理想的实现了温度控制。近年来，某些数控机床的主轴轴承采用高级油脂，用封入方式进行润滑，每加一次油脂可以使用7年至。为了使润滑油和油脂不致混合，通常采用迷宫密封方式。

对于数控车床主轴，因为在它的两端安装着结构笨重的动力卡盘和夹紧油缸，所以主轴刚度必须进一步提高，并应设计合理的连接端，以改善动力卡盘与主轴端度的连接刚度。

对于数控镗床或铣床的主轴，考虑到实现刀具的快速或自动装卸，主轴上还配有刀具自动装卸、主轴准停和主轴孔内切屑的清除装置。

三、进给传动机械部件

通常，一个典型的数控机床闭环控制进给系统，由位置比较，放大元件、驱动单元、机械传动装置和检测反馈元件等几部分组成。其中，机械传动装置是位置控制中的一个重要环节。这里所说的机械传动装置，是指将驱动源的旋转运动变为工作台的直线运动的整个机械传动链，包括齿轮装置、丝杠螺母副等中间传动机构。

（一）联轴器

联轴器是用来连接寄给机构的两根轴使之一起回转移传递扭矩和运动的一种装置。目前联轴器的类型繁多，有液力式、电磁式和机械式。机械式联轴器的应用最为广泛。

套筒联轴器构造简单，径向尺寸小，但装卸困难（轴需作轴向移动）。且要求两轴严格对中，不允许有径向或角度偏差，因此使用时受到一定限制。

绕行联轴器采用锥形夹紧环传递载荷，可使动力传递没有

方向间隙。

凸缘式联轴器构造简单、成本的、可传递较大扭矩，常用于转速低、五种及、轴的刚性大及对中性好的场合。他的主要缺点是对两轴的对中性要求很高。若两轴间存在位移与倾斜，救在机件内引起附加载荷，使工作状况恶化。

（二）减速机构

1、齿轮传动装置

齿轮传动是应用非常广泛的一种机械传动，各种机床的传动装置中几乎都有齿轮传动。在数控机床伺服进给系统中采用齿轮传动装置的目的有两个。一是将高转速的转矩的伺服电机（如步进电机、直流和交流伺服电机等）的输出改变为低转速大转矩的执行件的输入；另一是使滚珠丝杠和工作台的转动惯量在系统中占有较小的比重。此外，对于开环系统还可以保证所要求的运动精度。

为了尽量减小齿侧间隙对数控机床加工精度的影响，经常在结构上采取措施，以减小或消除齿轮副的空程误差。如采用双片齿轮错齿法、利用偏心套调整齿轮副中心距或采用轴向垫片调整法消除齿轮侧隙。

与采用同步齿形带相比，在数控机床进给传动链中采用齿轮减速装置，更易产生低频振荡，因此减速机构中常配置阻尼器来改善动态性能。

2、同步齿形带

同步齿形带传动是一种新型的带传动。他利用齿形带的齿形与带轮的轮齿依次啮合传递运动和动力，因而兼有带传动、齿轮传动及链传动的优点，且无相对滑动，平均传动比较准确，传动精度高，而且齿形带的强度高、厚度小、重量轻、故可用于高速传动。齿形带无需特别张紧，故作用在轴和轴承上的载荷小，传动效率也高，现已在数控机床上广泛应用。同步齿形带的主要参数与规格如下：

（1）齿距

齿距p为相邻两齿在节线上的距离。由于强力层在工作时长度不变，所以强力层的中心线被规定为齿形带的节线（中性层），并以节线的周长L作为齿形带的公称长度。

（2）模数

模数定义为m=p/π,使齿形带尺寸计算的一个主要依据。

（3）其它参数

齿形带的其它参数和尺寸与渐开线齿条基本相同。齿形带齿形的计算公式与渐开线齿条不同，因为齿形带的节线在强力层上，而不在齿高中部。

齿形带的标注方法是：模数*宽度*齿数，即m*b*z。

（三）滚珠丝杠螺母副

为了提高进给系统的灵敏度、定位精度和防止爬行，必须降低数控机床进给系统的摩擦并减少静、动摩擦系数之差。因此，形成不太长的直线运动机构常用滚珠丝杠副。

滚珠丝杠副的传动效率高达85%-98%，是普通滑动丝杠副的2-4倍。滚珠丝杠副的摩擦角小于1°，因此不自锁。如果滚珠丝杠副驱动升降运动（如主轴箱或升降台的升降），则必须有制动装置。

滚珠丝杠的静、动摩擦系数实际上几乎没有什么差别。它可以消除反向间隙并施加预载，有助于提高定位精度和刚度。滚珠丝杠由专门工厂制造.

数控机床的知识 篇2

数控机床设计涉及不同的学科领域,其知识类型广、知识数量大,既有显性的设计实例知识,又有隐性的专家经验知识,管理起来非常困难。随着知识库系统的不断发展,应用该领域的先进技术建立一个性能好的数控机床设计知识库系统的需求已经越来越迫切。

知识库系统的构建面临三个关键问题:知识获取、知识表示与知识推理。长期以来,知识获取问题一直是构建知识库的瓶颈,传统方法是由知识工程师同专家交流,然后进行大量的分析、总结与统计工作,再将知识输入知识库中,会占用大量的精力和财力并降低系统的智能型[1]。知识表示是知识库系统的重要方面,经过多年的发展,现在已经出现了多种知识表示方法,比如一阶谓词逻辑、产生式规则、框架、语义网络、脚本、过程、面向对象及神经网络等。但是随着知识库系统的复杂性不断增强,这些知识表达方法的局限性也渐渐显露出来[2]。基于知识工程的知识推理方式可分为三种:基于实例的推理(case-based reasoning, CBR)、基于规则的推理(rule-based reasoning, RBR )和基于模型的推理(model-based reasoning, MBR) [3]。文献[3] 运用基于模型的推理方法设计了注塑模具模架选型推理机,文献[4] 和文献[5] 分别从技术和理念两个不同侧面研究了知识管理系统中基于案例推理技术的应用问题,文献[6] 利用基于规则的正向推理方式进行推理,并应用于Lotus Domino平台的KMS中,证明了该方法的可行性。当前的研究一般只基于其中一种方式来建立知识库的推理机制,有一定的局限性。

结合上文论述的知识库系统发展情况,本文依据数控机床设计知识库系统的实际需求,基于CBR和自然语言理解技术建立知识获取模型;规则库中专家经验知识采用产生式规则表示,案例库中事实性设计知识采用面向对象的表示方法;采用CBR和RBR相结合的方式建立了知识库推理机制。

1 系统结构

数控机床设计知识库系统的结构流程图如图1所示,它利用Visual Basic 6.0作为开发平台,数据库系统采用SQL Server 2005建立数据表,利用产生式规则,CBR,RBR等技术实现机床设计知识库系统的功能。系统输入用户名和密码登陆后,进入知识库管理系统界面。初步选择知识类型后进入知识获取功能,对于事实性知识系统采用CBR技术和自然语言理解技术实现知识获取,对于专家经验知识等具有不确定性的知识系统采用自然语言理解技术实现知识获取。接下来是知识表示功能,对于事实性知识系统采用面向对象知识表示技术,对于专家经验知识等具有不确定性的知识系统采用产生式规则来实现。知识表示结束后经过知识检查进入案例库和规则库。推理部分系统采用基于CBR技术实现案例库知识推理,采用基于RBR技术实现规则库的推理,分别输出推理结果,并将其保存入知识库中。

2 系统实现的关键技术

2.1 知识获取

知识获取工作贯穿在系统工作的整个过程中,决定了知识库系统拥有知识的数量和品质以及系统的性能,如何准确有效的获取知识是知识获取必须要解决的问题。本文基于CBR和自然语言理解技术建立知识获取模型,如图2所示,文献[7] 给出了自然语言理解技术的发展及应用,在此不再赘述。知识工程师在进行知识添加的时候,首先可将设计知识分成两类:1) 具有不确定性的知识,比如专家经验知识,2) 事实性设计知识,比如公式、标准等知识。

对于事实性设计知识,知识获取模型采用CBR技术和自然语言理解技术相结合,首先进行案例检索,如果在案例库中已经存在或者存在类似的知识,就可以进行案例重用或者案例修改后进入案例库实现知识获取。如果检索不到,系统启用自然语言理解功能,将知识进行自动分词和句法分析,得到知识的主语信息和剩余信息,主语信息变成对象,由剩余信息提炼出属性和关系,事实的对象、属性和关系具有唯一性,这样就将描述性的事实性知识转化为三要素,进而系统处理后就实现这类知识的获取。

对于专家经验等不确定性知识,系统启用自然语言理解功能,将知识进行自动分词和句法分析,得到知识的前提部分和结论部分。专家工程师通过系统设置前提和结论的可信度和阈值,然后进入规则库中,完成知识获取。

2.2 知识表示

知识表示是把从知识源获得的关于事实、判断和推理的知识进行归纳概括并建立起各种关系,然后将知识表达成计算机易于表达和利用的符号。知识表示是知识库研究的重要内容,知识表示技术运用的好坏将会影响到整个知识库系统的性能。本文依据数控机床设计知识本身的特点,以及对比各种知识表示方法的优劣,提出了一种综合运用面向对象知识表示技术和产生式规则表示技术的方法。

对于具有不确定性的知识,如非常宝贵的专家经验知识,系统采用带有阈值限度的产生式规则表示方法[8],知识表示如下:

IF <前提> THEN <结论> (CF,λ)

其中,前提可以是一个简单的条件,也可以是用AND或OR将几个简单条件组合起来的复合条件。CF是可信度因子,取值范围是[0,1],取值越小表示可信度越小。λ是阈值,取值范围是[0,1],阈值是作用是对知识的可应用性规定限度,前提的可信度达到或者超过这个阈值时,规则才能被应用。

面向对象的知识表示方法是以对象为中心,将对象的属性、关系和特征、类型等有关知识封装在表达对象的结构中,以便于数据的共享和再利用。对于事实性设计知识,这里采用面向对象的方法。知识表示形式可以简要表示为[9]:

其中对象是主体(主语),属性是直属于对象的特点或功能,关系指的是对象和属性之间的关系,类是依据面向对象的方法把对象抽象成的类,父类和子类之间有继承关系,描述是直接显示给用户的内容。这样就实现了事实性知识的表示。

2.3 知识推理

知识推理是知识库系统的关键和核心部分。本系统依据知识获取和知识表示形成的案例库和规则库的不同点,采用CBR技术实现案例库的知识推理,采用RBR技术实现规则库的推理,实现了两种推理技术的综合运用,扬长避短。

CBR技术的核心思想[1]可以概括为四个方面:1) 提取:依据问题描述,提出目标范例以准备进入案例库查询。2) 重用:根据查询条件,如果案例库中存在相同的知识则可以用来重用。3) 修改:查询到相似或相近案例,依据待求问题及修改规则进行案例修改,产生符合问题的解并输出。4) 保存:将这个问题的求解作为新的案例存储到知识库中。

系统采用CBR技术的推理工作流程如图3所示。针对问题描述进入实例查询,如果有完全匹配的知识则知识重用。如果没有则计算相似值并依据修改规则进行实例修改,修改后实例如果符合要求则输出结果并存入实例库中,如果不符合则结束。

RBR技术进行问题求解通常采用易于叙述的if-then规则来求解问题。数控机床设计知识库系统的规则库运用带有阈值限度的产生式规则来进行知识表示,相应的采用RBR技术进行规则库的知识推理。

系统的推理过程实际上是问题求解的过程,这不仅依赖于所使用的推理方法,还依赖于推理的控制策略。推理的控制策略包括推理方向、求解策略、和冲突消解策略。而推理方法则是指在确定了推理控制策略以后,在进行具体的推理时所要选用的匹配方法或不确定性传递算法等方法。

本系统采用正向推理方法,规则知识的表示中引入了可信度和阈值,实现过程中由专家工程师进行设置,规则推理中采用的是可信度传播算法[10],冲突消解策略是指当推理过程中有很多条知识或规则可以用时,如何选择一条用于推理的策略。本系统采用的冲突消解策略是可信度高的规则先执行。

系统采用RBR技术的推理工作流程[9]如图4所示。依据推理任务的前提条件进入规则库读取规则,前提满足则计算其可信度,可信度不小于设置的阈值则继续计算其结论的可信度,结论可信度不小于设置的阈值则最后判断规则是否已经执行完,是则输出结果。在判断过程中哪一步不满足条件则返回读取规则选择下一条,重新执行。

3 结论

针对知识库系统构建面临三个关键问题:知识获取、知识表示与推理进行了研究,在大量学习相关领域知识的基础上提出了数控机床设计知识库系统的知识获取模型以及案例库和规则库的知识表示方法,并针对知识推理部分提出了CBR和RBR相结合的推理方法,依据这些理论运用Visual Basic 6.0和SQL Server 2005开发的数控机床设计知识库管理系统软件已经在课题合作单位开始试用,将会为数控机床设计提供智力支持。

参考文献

[1]董文革.基于范例推理和自动案例启发的知识获取模型[J].武汉理工大学学报.2008,30(7):149-151.

[2]姚锡凡,等.人工智能技术及应用[M].北京:中国电力出版社,2008.

[3]李凯岭,等.注塑模具模架选型中知识库与推理机连接技术的研究[J].机械科学与技术,2005,24(9):1087-1092.

[4]Watson I.Applying Knowledge Management:Techniques forBuilding Organizational Memories[M].San Francisco:MorganKaufmann Publishers,2002.

[5]Chau K W,Chuntia C,Li C W.Knowledge management systemon flow and water quality modeling[J].Expert System with Ap-plications,2002,22(4):321-330.

[6]黄福玉,等.基于关系模型的不确定性知识表示与推理及其在KMS中的应用[J].南京理工大学学报,2006,30(5):653-658.

[7]郭艳华,周昌乐.自然语言理解研究综述[J].杭州电子工业学院学报,2000,(20):59-67.

[8]马宪民.人工智能的原理与方法[M].西安:西北工业大学出版社,2002.

[9]白永强,等.基于规则推理和自然语言理解的坦克火控知识库系统[J].火力与指挥控制,2005,30(2):57-61.

数控机床领域的知识产权现状分析 篇3

关键词：数控机床 知识产权 自主创新

一、引言

制造业是国家的基础性、支柱性的战略产业，是衡量参与国际竞争力的重要标志。国民经济发展计划明确提出“用高新技术和先进适用技术改造传统产业，大力振兴装备制造业”。数控机床作为装备制造业的工作母机，在全球市场从数量上看份额不足20%，从价值量上看份额超过70%，且利润通常高达50%以上，更是现代制造业重点发展的关键设备。装备制造业的振兴需要用先进数控机床来武装，它可提高装备水平，减少进口依赖。因此可以说数控机床产业既是国民经济的基础产业，又是国防安全的战略产业，它是衡量综合国力的重要标志之一。

二、现状分析

（一）缺乏数控系统的核心知识产权

数控机床是一个国家制造业水平高低的象征，数控机床是机床制造技术、微电子和计算机技术三者相结合的产物，其核心就是数控系统。据不完全统计，我们的数控系统80%以上是进口的。这些数控系统不仅价格高，进口周期也不能满足主机厂的要求。而且，使用进口的东西组装起来的机床，可靠性和质量也会受到极大的影响。

据海关统计，2009年全国金属加工机床进口金额为58.63亿美元；出口金额为13.49亿美元。其中：数控机床进口量为1.05万台，进口金额为27.33亿元；出口1.04万台，金额为2.93亿美元；加工中心进口量为8820台，金额为15.59亿美元；出口636台，出口额0.55亿美元；组合機床进口量为486台，价值2.27亿美元；出口1795台，价值919万美元。[1]

以上数据表明，我国生产的数控机床还是停留在中低档市场，极度缺乏高档产品，目前出口数控机床产品还是以中低档次廉价产品为主。这其中主要原因就是缺乏数控系统的核心知识产权，未形成数控机床的产业规模。

（二）对科研投入资金偏低，缺乏自主创新和消化吸收能力

发达国家通过在全世界吸引人才，控制知识产权来获得竞争优势，在全世界科技移民当中有40%被吸引到了美国，其中又有70%来自于发展中国家。据不完全统计，目前全世界有86%的研发收入、90%以上的发明专利都掌握在发达国家手里，这些发达国家的科技进步贡献率大约都在70%以上，对外技术的依存度都在30%以下。同时以美国为首的西方国家对科技研究、开发投入占国内生产总值的比重基本上都在2%以上，欧盟更是将2010年的科研经费提高到占GDP比重的3%，韩国则是增加到4%。这些国家凭着科技优势和建立在科技优势基础上的国际规则，形成了对世界市场的高度垄断，从而获取大量的超额利润。[2]

（三）未形成产学研相结合的综合体系，极度缺乏专家人才和熟练技术工人

目前，在我国中低档数控机床产业结构中还有一个很突出的问题，就是主机厂多，关键功能部件专业生产厂商少且弱。这就导致了我们的数控机床产业化程度不高，产能不足，生产成本不能得到有效降低。换句话说，就是尚未形成适应市场经济需求的以企业为主体、产学研相结合的技术创新体系。这就无法有效整合相关技术、产业和资源优势，形成合力开展联合攻关，共同打造技术创新平台。导致数控机床的机械结构设计、制造的配套环节、集成技术和制造工艺等比较落后的方面长期得不到有效解决。据统计，我国大型高性能超精机床每年生产产量不足千台，不到德国、日本的1/20。

这个数据已经说明了我国的数控机床领域还是处于各自为战，未能形成资源和优势互补的产业化互利平台。再加上严重缺乏专家人才和熟练技术工人；缺乏政府相关政策的引导；未形成吸引高层次、高素质人才创新创业的环境，造成数控机床领域共性关键技术的持续创新能力不足。

三、总结

目前，我国机床制造业存在的三大问题尚未从根本上解决，还需政府继续加大对科研投入专项资金，出台相关的政策法规，加快建立以企业为主，产、学、研结合的技术创新体系，加大培养人才的力度，尽快赶上世界技术发展的步伐。发电设备、航空、航天、船舶需要的高精、大型、专门化工作母机和工艺复合化机床，汽车制造业需要的成套、高效、高精度、高可靠性及柔性制造系统等对我国机床制造业提出了新的需求，我国数控机床制造业发展之道还任重而道远。

参考文献：

[1]北方科技信息研究所.借鉴海外经验促进国产数控机床发展[EB/OL].中国设备网，2010-2-27.

数控知识点总结 篇4

3数控系统：是一种程序控制系统，它能逻辑的处理输入到系统中的数控加工程序，控制数控机床运动并加工出零件。由输入/输出装置、计算机数控装置（CNC computer numerical control）、可编程控制器PLC(programmable logic controller)、主轴伺服驱动装置、进给伺服驱动装置以及检测装置等组成.。见书上图2页

4数控加工零件的过程：1）零件图工艺处理2）数学处理3）程序编程和程序仿真4）程序输入5）译码6）数据处理7）插补8）伺服控制与加工

5数控机床的分类：1）按运动控制方式分：点位控制、直线控制、轮廓控制数控机床。点位控制：特点是机床的运动部件只能实现从一个位置到另一个位置的精确定位，从一个位置到另一个位置的移动轨迹没有严格要求，不进行切削加工。如数控钻床等。直线控制数控机床的特点是机床的运动部件不仅要实现从一个位置到另一个位置的精确定位，而且要求机床工作台或刀具以给定的进给速度，沿平行于坐标轴的方向或与坐标轴成45度的方向进行直线移动和切削加工。轮廓控制数控机床的特点是机床的运动部件能够实现两个或两个以上的坐标轴的联动控制，使刀具与工件间的相对运动符合工件轮廓要求，如数控铣床、车床。分为两轴、两轴半、三轴、四轴、五轴联动，两轴可实现直线、圆弧、曲线的轨迹控制。两轴半可实现简单的曲面的轨迹控制。三轴可实现曲面的轨迹控制。2）按伺服系统类型分类：开环控制（没有位置检测装置的数控机床）、闭环控制（带有位置检测装置，安装在机床刀架或工作台等执行部件上，用以随时检测执行部件的实际位置）、半闭环控制（也有位置检测装置，但安装在伺服电机或丝杠的端部，通过角位移间接计算出机床工作台等执行部件的实际位置，然后与指令位置进行比较，进行差值控制）。3）按工艺方法分类：金属切削数控机床（车床、铣床、钻床、磨床等）、金属成形数控机床（挤、冲、压、拉）、特种加工数控机床。

6数控技术的发展趋势：1）高速度、高精度方向（电主轴和直线电机）2）向柔性化、功能集成化方向发展3）智能化4）高可靠性5）标准化7）驱动并联化

第二章 数控加工程序编制基础

1分为两大类：手工编程和自动编程。手工编程包括零件图纸分析、工艺处理、数学处理、程序编制等。自动编程分为语言式编程、图形交互式编程、语音编程等，其中图形交互式编程是目前最常用的方法。

2坐标轴的命名及方向：直线运动的坐标轴采用右手笛卡尔坐标系，旋转运动的坐标轴用右手螺旋定则确定。

3数控机床坐标轴的确定方法：X轴平行于工件装夹面且与Z轴垂直，通常呈水平方向，对于刀具旋转类机床，如果Z轴是垂直的，则面对刀具主轴向立柱方向看，X轴的正方向为向右方向。如果Z轴是水平的，则从刀具主轴后端向工件看，X轴的正反向为向右方向。4机床参考点：厂家设定的固定点，一般为各坐标轴的正极限位置，通过机床正确回参考点，才能确定机床的原点位置，从而正确建立机床坐标系。

5加工程序结构格式：N_G_X_Y_Z_„F_S_T_M_；N程序段号字；G准备功能字，F进给功能字，S主轴转速，T刀具，M辅助功能字。

6常用指令：1）G代码分为模态代码和非模态代码。2）圆弧插补：绝对坐标编程时，XYZ为圆弧终点在工件坐标系中的坐标值；增量坐标编程时，XYZ为终点相对于起点的增量值；无论是绝对还是增量，IJK都为圆心坐标相对于圆弧起点的增量值。格式：G02/G03X_Y_Z_I_J_K_F_;或X_Y_Z_R_F；圆弧所对的圆心角a>180，—R。3）刀具补偿指令：刀具半径补偿G00/G01 G41/42 X_Y_D(H)_F；刀具长度补偿：G43/G44(正 负)，取消G49/G40，格式：G00/G01 G43/G44 Z_H_F_;补偿量可以是要求深度与实际深度的差值 刀具补偿功能的优点：简化编程工作量、实现粗精加工、实现内外型面的加工。4）工件坐标系设定指令：G92；5）暂停指令:G04 P/X(U)；P后面的数字为整数，单位为ms P3000表示暂停3s，G04 X3.2表示暂停3.2s。

7数控加工工艺的特点：1）工序内容具体2）工序内容复杂3）工序集中

8工序的安排：除了遵循基准先行、先粗后精、先面后孔、先主后次，还应该遵守1）先进行内形内腔的加工，后进行外形加工工序2）有相同装夹方式或用同一把刀具加工的工序最好一起进行，以减少定位i，节省换刀时间3）同一次装夹中进行的多道工序，应先安排对工件刚性破坏较小的工序

9夹具：只需要具备定位和夹紧两种功能就行。

10刀具的选择要求：满足调整方便、刚性好、精度高、耐用度高。

11对刀点与换刀点的确定：对刀点是工具相对工件运动的起点，选择原则：1）尽量选在零件的设计基准或工艺基准上2）便于对刀、观察和检测3）简化坐标值计算；刀位点：表征刀具特征的点，刀具对刀时，刀位点与对刀点重合。球头铣刀的刀位点为球心。

12几种加工实例：1）凹槽的三种走刀路线：行切法和环切法。实际生产中，先采用行切法加工，最后环切一刀光整轮廓表面能获得较好效果。2)对点位控制的机床而言，要求定位过程尽量快，这类机床应按最短空行程来安排走刀路线。3）对于多框复杂薄壁件，应采用层优先而不能采用深度优先的方法，以减少薄壁件的加工变形。4）车螺纹：在Z方向应使车刀刀位点离待加工面有一定的引入距离，退刀时有一定的引出距离。

13高速加工：切削速度很高，超过普通切削5-10倍；机床主转速很高，一般在10000转以上，最高达到150000r/min；进给速度很高，15m/min以上，最高90；

14数学处理：用直线段逼近非圆曲线时计算节点：等间距法、等步长法、等误差法。1）等步长法步骤：求出最小曲率半径Rmin；计算允许步长L；计算节点坐标2）等误差法：以起点为圆心，允为半径做圆；求圆与曲线的公切线的斜率；求过起点与已知直线平行的直线；与曲线联立求的节点坐标。第三章

第四章 计算机数控装置（由硬件和软件组成）

1CNC装置通过数据输入、数据存储、译码处理、插补计算和信息的输出，控制数控机床的执行部件运动，实现零件的加工。单微处理器结构：整个数控装置只有一个微处理器，对存储、插补运算、输入输出控制、CRT显示等功能进行集中控制和分时处理。见书141的图4-1。1）微处理器：由运算器和控制器组成，目前有8位、16、32、64位的微处理器。2）总线：一般分为数据总线、地址总线和控制总线。只有数据总线采用双方向线。3)存储器：包括只读存储器（ROM）和随机存储器（RAM），ROM一般采用可擦除的只读存储器（EPROM）,RAM中的内容可以随时被CPU读或写，断电后，RAM中的信息会消失，如果需要断电后保留信息，一般需采用后备电池。4)输入/输出接口：一般在接口电路中采用光电耦合器或继电器将CNC装置和机床之间的信号进行电气隔离，防止干扰信号引起误动作。5）位置控制器：数控机床的主运动包括主轴转动和各坐标轴的进给运动。6）MDI/CRT接口：MDI接口是通过操作面板上的键盘，手动输入数据的接口。CRT接口是在CNC软件配合下，将字符和图形显示在显示器上。7）可编程控制器：PLC用来实现各种开关量（S、M、T）的控制，如主轴正转、反转，换刀，切削液开关。8）通信接口：一般采用RS232C和RS422/485串口。3多微处理器结构：数控装置中有两个或以上的微处理器，功能和单微处理器结构的一样，不过多微处理器结构采用模块化技术，将每个功能进行模块化。一般包括管理模块、CNC插补模块、位置控制模块、存储器模块、自动编程模块、操作面板显示模块、主轴控制模块以及PLC功能模块。并不是每个模块都有一个微处理器，把带有CPU的称为主模块，不带的称为从模块（各种RAM和ROM模块、I/O等），在结构上分为共享总线型和共享存储器型。

4共享总线结构：只有主模块有权控制使用系统总线，但由于主模块不止一个，多个主模块可能会同时请求使用总线，而某一时刻只能由一个主模块占有总线，为此，系统有总线仲裁电路，由优先级高的主模块优先使用总线。特点：容易引起冲突，使数据传输效率降低，总线一旦出现故障，会影响整个CNC装置的性能。系统配置灵活、容易实现。

5共享存储器结构：所有主模块共享存储器，各个主模块都有权控制使用存储器，即使多个主模块同时请求使用存储器，只要存储器容量有空闲，一般不会发生冲突，所有引起冲突的可能性小，数据传输效率高，结构也不复杂。

6开放式数控系统：以工业PC机为基础的开放式数控系统，很容易实现多轴、多通道控制，利用Windows工作平台，实现三维实体图形显示和自动编程相当容易。可以实现数控系统三个不同层次上的开放：1）CNC系统的开放2）用户操作界面的开放3）CNC内核的深层次开放

7软件结构：包括管理软件和控制软件。管理软件主要包括数据输入、I/O处理、通信、诊断和显示等功能。控制软件包括速度控制、插补和位置控制及开关量控制、负责译码、刀具补偿功能。具体见146页的图。软件结构有：多任务并行处理（资源共享和时间重叠两种方法）、前后台软件结构、中断型软件结构、开放式数控软件结构。8可编程控制器可完成如下功能1）M S T 功能2）机床外部开关量信号控制功能、输出信号控制功能、伺服控制功能、报警处理功能、其他介质输入装置互联控制。

9典型的CNC系统：日本的FANUC公司和德国的SIEMENS公司。其中FANUC特点：1）高可靠性的PowerMate 0 系列。2)普及型CNC 0-D 系列3）全功能型的 0-C系列4）高性价比的0i系列：整体软件功能包，高速、高精度加工，并具有网络功能5）具有网络功能的超小型、超薄型CNC16i/18i/2li系列。SINUMERIK 840D数控系统性能：采用三CPU结构:人机通信CPU、数字控制CPU、可编程逻辑控制器CPU。具有以下特点：数字化驱动、轴控规模大、可以实现5轴联动、操作系统视窗化、软件内容丰富功能强大、具有远程诊断功能、保护功能健全、硬件高度集成化、模块化设计、内装大容量的plc、pc化。第五章 数控机床的控制原理

1脉冲当量或最小分辨率：在数控机床中，刀具或工件能够移动的最小位移量。

2插补：根据零件轮廓线型上的已知点，数控系统按刀具参数、进给速度和进给方向的要求，计算出轮廓线上中间点位置坐标值的过程。插补的实质就是根据有限的信息完成“数据密化”的工作。插补技术是数控系统的核心技术。

3插补器：数控系统中完成插补运算工作的装置或程序，分为：硬件插补器、软件插补器、软硬结合插补器。现代CNC一般粗插补用软件方法，精插补用硬件插补方法。

4插补的方法原理很多，根据数控系统输出到伺服驱动装置的信号的不同，插补方法分为：基准脉冲插补和数据采样插补两种类型。基准脉冲插补：特点是数控装置在插补结束时向各个运动坐标轴输出一个基准脉冲序列，驱动各坐标轴进给电机的运动。每个脉冲使各坐标轴仅产生一个脉冲当量的增量，代表了刀具或工件的最小位移；脉冲的数量代表了工件或刀具移动的位移量；脉冲序列的频率代表了刀具或工件运动的速度。如：逐点比较法、数字积分法、比较积分法等。数据采样插补：分为两步进行，第一步为粗插补，采用时间分割的思想，把加工一段直线或圆弧的整段时间细分为许多相等的时间间隔，称为插补周期。轮廓步长L=FT,其中F为进给速度。第二步为精插补，即在粗插补算出的每一微小直线段的基础上再做“数据点的密化”工作。粗插补由软件完成，精插补可以由软件完成，也可以由硬件完成。计算机除了完成插补运算外，还要执行显示、监控、位置采样及控制等实时任务，所以插补周期应大于插补运算时间与完成其他实时任务所需时间之和。一般取插补周期为采样周期的整数倍，该倍数应等于对轮廓步长实时精插补时的插补点数。提高插补精度的措施——余数寄存器预置数，常用的是预置最大容量值（全加载）和预置0.5（半加载）两种。也就是余数寄存器Jrx；和Jry的初值不是0

6直线函数法：

7刀具半径补偿：B刀具半径补偿和C刀具半径补偿。B刀具半径补偿要求编程轨迹的过渡方式为圆角过渡（以圆弧连接），且连接处必须相切，切削内轮廓角时，过渡圆弧的半径应大于刀具半径。C刀具半径补偿：能自动处理两个相邻程序段之间连接（即尖角过渡）的各种情况，并直接求出刀具中心轨迹的转接交点，然后再对原来的刀具中心轨迹做伸长或缩短修正。在同一坐标平面内直线转接直线时，a在0—360度变化，相应刀具中心轨迹的转接有缩短型、插入型及伸长型。

第六章数控机床的检测装置 位置检测装置是数控机床闭环和半闭环伺服系统的重要组成部分，其作用是检测位移（线位移或角位移）和速度，发送位置检测反馈信号至数控装置，构成伺服系统的闭环或半闭环控制，使工作台按指令的路径精确的移动。闭环或半闭环控制的数控机床的加工精度主要由检测系统的精度决定。对于采用半闭环控制的数控机床，其位置检测装置一般采用旋转变压器或编码器，安装在进给电机或丝杠上。对于采用闭环控制的数控机床，一般可采用感应同步器，光栅等测量装置，安装在工作台或导轨上，直接测量工作台的直线位移。

2直接测量和间接测量：1）直接测量：对机床的直线位移采用直线型检测装置测量，称为直接测量。直接测量的测量精度主要取决于测量装置的精度，不受传动精度的影响。但检测装置要与行程等长，对大型机床来说是个限制。2）间接测量：对机床的直线位移采用回转型检测装置测量，称为间接测量。缺点是加入了直线运动转变为旋转运动的传动链误差，从而影响检测精度。

3旋转变压器：常用的角位移测量装置，用于半闭环控制。由定子和转子组成，分为有刷和无刷两种。无刷旋转变压器具有输出信号大、可靠性高、寿命长及不用维修等优点，所以数控机床主要使用无刷旋转变压器。公式及图见书上216页 4正/余弦旋转变压器的工作原理：是双极对旋转变压器，定子和转子绕组中各有互相垂直的两个绕组，转子绕组中的一个绕组输出电压为U2，另一个绕组接高阻抗，用来补偿转子对定子的电枢反应。分为两种不同的工作方式：鉴相工作方式和鉴幅工作方式。具体还要看书 5感应同步器：分为直线式和旋转式。直线式由定尺和滑尺组成，测量直线位移，用于全闭环伺服系统。旋转式由定子和转子组成，测角位移，用于半闭环伺服系统，定尺安装在机床不动部件上，滑尺安装在机床的移动部件上，保持定尺和滑尺平行。两绕组的中心距。6光栅：按用途分为：物理光栅和计量光栅。光栅的结构：光栅由标尺光栅和光栅读数头组成。标尺光栅一般安装在机床活动部件（工作台）上，光栅读数头安装在机床固定部件（机床底座）上。标尺光栅和指示光栅构成了光栅尺，光栅尺检测装置一般采用增量式检测方式。7光栅的基本测量原理：对于栅距d相等的指示光栅和标尺光栅，当两光栅尺沿线纹方向保持一个很小的夹角时、刻划面相对平行且有一个很小的间隙放置时，在光源的照射下，由于光的衍射或遮光效应，在与两光栅线纹角的平分线相垂直的方向上，形成明暗相间的条纹，称为“莫尔条纹”。莫尔条纹中两条亮纹或暗纹之间的距离称为莫尔条纹的宽度。莫尔条纹有几个特性：1）起放大作用k=w/d=1/ 角度。2）实现平均误差作用3）莫尔条纹的移动与栅距的移动成比例。四倍频鉴向电路在光栅测量系统中被广泛使用，所谓四倍频，就是在一个莫尔条纹宽度内安装彼此距离1/4个莫尔条纹宽度的四个光电元件，这样，莫尔条纹移动时，四个光电元件将产生四个依次相差1/4周期（90度相位）的正弦信号。

8编码器：根据内部结构和检测方式可分为 接触式、光电式和电磁式三种。安装方式：内装式编码器（和伺服电机同轴联接在一起）、外装式编码器（连接在滚珠丝杠末端）1）光电式编码器：测量精度取决于它所能分辨的最小角度，与码盘周围的条纹数有关，即分辨角a=360度/条纹数。2）接触式编码器：是一种绝对值式的检测装置，可直接把被测的角位移用数字代码表示出来，且每一个角度位置均有表示该位置的唯一对应的代码，因此这种测量方式即使断电或切断电源，也能读出角位移。具体见书232页。二进制码盘：高位在内，低位在外，分辨的最小角度a=360度/2^n。循环码或格雷码：为了消除非单值误差，与普通码盘不同在于：它的各码道的数码并不同时改变，任何两个相邻数码间只有1位是变化的，所以每次只切换1位数，把误差控制在最小单位内。编码器的测量精度与码盘周围的条纹数有关，即分辨率a=360度/条纹数。

9编码器在数控机床中的应用：1）位移测量2）主轴控制或C轴控制（包括主轴旋转与坐标轴进给的同步控制：在螺纹加工中，为了保证切削螺纹的螺距，必须有固定的进刀点和退刀点，解决两个问题，1通过对编码器输出脉冲的计数，保证主轴每转一周，刀具准确的移动一个螺距2一般的螺纹加工要经过几次切削才能完成，每次重复切削，开始进刀的位置必须相同，为了保证重复切削不乱扣，系统在接受到编码器中的一个脉冲后才开始螺纹切削的计算、主轴定向准停控制，如精镗孔，要求刀具必须停在某一径向位置才能退出）3）恒线速度切削控制4）转速测量5）零点脉冲信号用于回参考点控制

第七章 数控机床的伺服驱动系统 步进电机：开环伺服系统的驱动元件，用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转换成相应的机械角位移。每给步进电机一个电脉冲信号，其转子轴就转过一个角度，称为步距角（步距角=360度/mzk，其中m为定子相数；z为转子齿数，k为通电系数，若连续两次通电相数相同为1，不同为2），转子轴的角位移量与电脉冲数成正比，其转速与电脉冲信号输入的频率成正比。最大的缺点就是容易失步，特别是大负载和速度较高的情况下每次定子绕组通电状态改变时，转子只转过齿距的1/m或者1/2m即达到新的平衡位置。如果转子有40个齿，故齿距为360度/40=9度，若通电方式为三相三拍，当转子齿与A相定子齿对齐时，转子齿与B相定子齿相差1/3齿距，即3度；与C相定子齿相差2/3齿距。步进电机的驱动控制由环形分配器和功率放大器组成。步进电机有几相就需要几组功率放大电路。2直流伺服电机（实现调速比较容易），根据磁场产生的方式，可分为他励式、永磁式、并励式、串励式和复励式。根据控制方式.可分为磁场控制方式和电枢控制方式。1）永磁式直流伺服电机（大惯量宽调速直流伺服电机）采用电枢控制方式，调速范围较宽，转动惯量大，加速度大，在较低转速下运行平稳，能够在较大过载转矩时长时间的工作，因此可以直接与丝杠相连，不需要中间传动装置；2）小惯性直流伺服电机一般也为永磁式，最大限度的减小电枢的转动惯量，所以能获得最快的响应速度，适合需要快速运动的伺服系统。3）无刷直流伺服电机：没有电刷和换向器，由同步电机和逆变器组成，逆变器由安装在转子上的转子位置传感器控制，噪声小，使用寿命长，无线电干扰小，适合需要低噪声、高真空、无干扰的伺服系统。

3直流电机的基本调速方式有三种：即调节电枢电阻Ra、电枢电压Ua、磁通的值。数控机床伺服进给驱动系统的调速采用调压的方式。而磁通调速主要用于机床主轴电机调速。4直流电机速度控制单元常采用晶闸管（可控硅）调速系统和晶体管脉冲调制（PWM,pulse width modulation）调速系统。PWM调速是使功率晶体管工作于开关状态，开关频率保持恒定，用改变开关导通时间的方法来调整晶体管的输出，使电机两端得到宽度随时间变化的电压脉冲。PWM的基本原理如图，若脉冲的周期固定为T，在一个周期内高电平持续的时间（导通时间）为Ton，高电平持续的时间与脉冲周期的比值称为占空比，则直流电机电压T的平均值为Ua=1/TEaTon/T Ea=Ea，其中E为电源电压，为占空比=Ton/T。

04交流伺服电机：一般都为三相。分为：异步交流伺服电机和同步交流伺服电机，同步交流伺服电机又分为电磁式和非电磁式。非电磁式又有磁滞式、永磁式、反应式。数控系统多采用永磁式交流同步电机。异步电机相当于感应式交流异步电机，一般用在主轴驱动系统中。5永磁式交流同步电机：由定子、转子、检测元件组成。转速nr=ns=60f1/p，其中f1为交流供电电源频率（定子供电频率），p为定子和转子的极对数。缺点是启动难。6交流主轴电机nr=ns(1-s)=60f1(1-s)/p，ns为同步转速，s为转差率，s=(ns-nr)/ns；p为极对数。

7交流伺服电机的变频调速：交流伺服电机调速应用最多的是变频调速.。变频器可分为交-交变频和交-直-交变频两种，常采用交-直-交变频调速。在交-直-交变频中，根据中间直流电压是否可调，可分为中间直流电压可调PWM逆变器和中间直流电压固定的PWM逆变器。SPWM变频器是目前应用最广、最基本的一种交-直-交电压型变频器。

8位置控制：数控机床进给伺服系统是位置随动系统，需要对位置和速度进行精确控制，这通过对位置环、速度环、电流环的控制来实现。位置环和速度环（电流环）是紧密相连的，速度环的给定值，就是来自位置环。根据对位置环、速度环和电流环的控制是用软件还是硬件来实现，可将伺服系统分为混合式伺服系统和全数字式伺服系统。对于混合式伺服系统，根据位置比较的方式不同，可分为数字脉冲比较伺服系统、相位比较伺服系统和幅值比较伺服系统。

9相位比较伺服系统：脉冲相位差就反应了指令位置与实际位置的偏差。位置检测元件采用旋转变压器、感应同步器或磁栅，这些装置工作在相位工作状态。相位比较的实质是脉冲相位之间超前或滞后关系的比较，相位比较由鉴相器实现。

10鉴相器又称相位比较器，它的作用是鉴别指令信号与反馈信号的相位，判别两者之间的相位差及其相位超前、滞后的关系，并把它变成相应的误差电压信号，该信号作为速度单元的输入信号。

数控机床的知识 篇5

机电102班34号黎之敏

数控机床设备是技术密集型和知识密集型机电一体产品，其价格昂贵，为了保证机床长期安全平稳运行，大会更大效益，需要注重数控机床的日常管理。对于机床的管理，必须有一个安全可靠的管理方法，下面是关于数控机床安全管理的一些探讨。

数控机床设备管理要建立严格的规章制度，并严格按照规章制度进行管理和考核。制定规章制度时广泛征求数控技术人员的意见，结合各种数控设备安全操作规程及维修制度，力求使指定的制度科学合理、贴近实际、易于施行，使设备管理走上规范化和系统化道路。再严格的规章制度和配套的考核体系下形成数控设备管理网络，营造一个人人关心设备、人人爱护设备的良好设备管理气氛。提高设备管理人员的素质，高素质的设备维护人员应掌握丰富的专业知识，并具有一定的动手能力和实操经验的工作人员。一个合格的管理员不仅需要掌握电机原理、自控原理、检测技术、电子技术及机械传动方面的知识，还需要了解一定的机械加工工艺和简单的PLC编程技术。数控机床管理人员还应该勤于学习，善于分析，要有较强的动手能力和实验技能，并能总结实际工作中的经验，做到举一反三。

加强数控设备的验收，为了保证设备的质量，应加强设备安装调试和验收工作，尤其是设备验收这一环节，要制定严格的把关措施，对照合同、技术协议、国际和国内有关标准及验收大纲的项目逐步检查。针对每台数控机床的具体性能和加工对象指定维修保养方案，根据数控机床的各部件特点，建立日常维护保养计划，包括传动系统的润滑、摩擦，油、水、气路，各项温度控制，平衡系统，冷却系统及各功能部件和元器件的保养。

建立完善的维修档案，将数控设备的运行情况及故障详细记录，特别是对设备发生故障的时间、部位、原因、解决方法和 予以详细的记录和存档，以便在今后的操作、维修工作中参考、借鉴。数控设备从进厂安装调试起就应做好设备的状态记录，包括控制系统型号、生产厂家、主轴控制单元和伺服单元的幸好、性能及其他通电前的常规性技术指标。坚持数控设备的巡查制度，根据数控设备的先进行、复杂性和智能化高的特点，使得它的维护、保养工作比普通设备复杂得多。所以要坚持数控机床的巡查制度，每天有机械和电器维修人员到现场进行巡视，及时了解数控机床的使用情况。做到故障的预防，及时发现问题解决问题。

数控机床的知识 篇6

一、判断题：

(√)1.(×)2.(√)3.(×)4.(×)5.(×)6.(√)7.(×)8.(√)9.(×)10.(×)11.(√)12.(√)13.(√)14.(×)15.(×)16.(√)17.(×)18.(×)19.(√)20.二、选择题

１A2 D3 A4 C5 C6 D7C8 D9C10C11 D12 A13 C14D15C 16 C17D18D 19D20B21 B22 B23D24C25B26 A27 D28A29B30 C

三、简答题

1．1）整体刀具的刀头和刀体采用同一刀具材料，结构简单，刚性好；

2）焊接刀具的刀头和刀体为不同材料，采用焊接方式，是镶嵌式刀具的一种，可以节省刀具材料；

3）可转位刀具是镶嵌式刀具中的机夹式刀具的一种，磨损后转位继续使用，不需要刃磨，又称不

重磨刀具；

4）不转位刀具是镶嵌式刀具中的机夹式刀具的另一种，磨损后需将刀片重磨继续后使用。

举例：

整体刀具：小型整体式立铣刀；焊接刀具：焊接式固定铰刀；可转位刀具：面铣刀；

不可转位刀具：某些三面刃铣刀。

2．N100程序段序号 G90绝对坐标方式

G98钻孔完成后快速返回到起始平面 G81钻孔循环孔底部不停留快速返回

X20Y 30孔的坐标位置，钻头快速移动到此位置 Z 50孔底坐标

R10参考平面的Z坐标 钻头快速下降到R平面，然后切削进给钻孔 F30切削进给速度为每分钟30毫米

四．编程题:

N0010(C)N0030(A)N0040(C)N0050(D)N0060(C)

N0070(A)N0090(B)N0100(C)N0130（B）N0150(D)

数控机床的应用与发展 篇7

【关键词】数控机床；应用；发展

随着社会生产和电子、计算机、自动化及精密测试等科学技术的迅速发展，小批量、多品种的机械加工不断增多，机械产品的性能和质量不断提高，更新换代的速度也在不断加快，具有高复杂性、高精度的产品日益被市场经济的发展所需要，这就给机床设备提出了高效率、高精度、稳定性、适应性、通用性、灵活性的要求，数控机床就是针对这些要求而产生的一种新型高度自动化机床。

数控机床是机电一体化重要组成部分，是集精密机械技术、计算机技术、自动控制技术、微电子技术和伺服驱动技术于一体的高度机电一体化典型产品，它体现了当前世界机床技术进步主流，是现代机床技术水平的重要标志。

1.数控机床的工作原理及基本特点

1.1工作原理

数控机床是数字控制机床的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。其工作原理就是将加工过程中所需要的各种操作(如主轴变速、进刀与退刀、开车与停车、工件松开与夹紧、自动关停冷却液等)和步骤，以及工件形状尺寸用数字化代码予以表示，通过控制介质(如磁盘或穿孔纸带等)将数字信息送入数控装置，数控装置则将对所输入的信息进行处理与运算，发出各种控制信号，以控制机床伺服系统和其他驱动原件，从而使机床自动加工出生产中所需要的工件。简单地说，数控机床就是能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，将其译码，从而使机床动作并加工零件。

1.2加工内容

数控机床由主机、数控装置、驱动装置、辅助装置、编程及其他附属设备几个部分组成。数控机床的数控系统由显示器、伺服控制器、伺服电机、开关和传感器构成。数控机床的加工一般包括对图纸进行分析，确定需要数控加工部分；利用图形软件对需要数控加工部分造型；加工条件，选择合适加工参数，生成包括粗加工、半精加工、精加工的加工轨迹；轨迹仿真检验；生成代码；传给机床加工几项内容。使用数控机床进行生产加工的关键是加工数据和工艺参数的获取，即数控编程。

1.3基本特点

数控机床自动化程度高，机床操作者的劳动趋于智力型工作，极大地降低了劳动强度；加工过程属于封闭式加工，既清洁又安全，有利于改善劳动条件；机床本身的精度高、刚性大，具有稳定的加工质量，可进行多坐标的联动，不但能加工形状复杂的零件，在加工用量上可选择有利的，大大提高了生产效率；适合单件、小批生产及新产品开发，具有高度柔性，当加工零件改变时，一般只需要更改数控程序，这不仅缩短了生产准备周期，而且节省了大量工艺设备费用；加工中所使用的数字信号与标准代码为控制信息，易于实现加工信息的标准化，在有效减少零件的加工时间和辅助时间的同时，更有利于生产管理的规范化、现代化。另外，数控机床是一种价格昂贵的精密设备，对操作人员的素质要求较高，对维修人员的技术要求更高。

2.数控机床的分类与应用

2.1分类

按性能，可分为高档数控机床，中档数控机床，经济型数控机床：按工藝用途，可分为金属切削类数控机床，金属成型类数控机床，数控特种加工机床和其他类型的数控设备；按所用数控装置的构成方式，可分为软线数控系统，硬线数控系统；按控制方式，可分为开环控制，半闭环控制和闭环控制；按运动方式，可分为点位控制、直线控制、以及轮廓控制。

2.2应用

数控机床发展至今已经有四十多年的历史了，它与电子技术，特别是计算机技术的发展密切相关。自世界上第一台数控机床于1952年在美国麻省理工学院研制出以来，数控机床在制造工业，特别是汽车、航空航天，以及军事工业中被广泛地应用，数控技术无论在硬件还是在软件方面，都有飞速的发展。随着现代经济和科学技术的飞跃发展，尤其是计算机数控系统的出现及微型计算机的迅速发展，再加上数控技术的普及和电子器件成本的降低，这些有利的条件都使得数控机床的适用、应用范围越来越广泛，其加工成本不断降低，加工精度不断提高。

数控系统除了用来控制金属切削机床外，还普遍用于控制诸如：中床、线切割机、气割机之类的简单机器直至机器人之类的复杂设备，在要求可靠性高、柔性强和实现机电一体化等方面的生产加工中对数控机床都有广泛的需要。由于数控机床属于精密设备，致使成本较高，因此，目前多用于形状复杂、精度要求高的中小批量零件加工。

3.数控机床的发展

在数控机床的早期产品中，数控装置是专用的。近年来，数控系统技术的突飞猛进，柔性制造系统的迅速发展和超高速切削、超精密加工等技术的广泛应用，以及电子、计算机信息技术的不断成熟，为数控机床的技术进步提供有利条件的同时，也提出了更高的要求。数控装置中的逻辑电路已被计算机所取代，从而实现了控制多样化和多功能化。为更好地满足市场的需要，达到现代制造技术对数控机床所提出的更高要求，使数控机床控制功能实现最佳控制和自适应控制，在数控机床中增加其系统诊断功能并通过传感器反馈，实现加工智能化，更好地保证系统的可靠性是十分必要的。总之，数控机床应不断吸收最新、最先进技术成就，朝着高可靠性、高速度化、高效率化、高精度化、高柔性化、高智能化、数控编程自动化、制造控制系统小型化、多功能复合化、设计宜人化等方向发展。

然而，由于我国工业基础相对薄弱，以企业为主体的创新体系尚未建立，数控机床产业化时间短；企业自身装备的数控化效率低，信息化管理水平不高，对国外尖端技术的依存度很高；数控机床行业发展技术能力低下，研发能力有限，基础技术和关键技术研究还很薄弱，基础开发理论研究、基础工艺研究和应用软件开发还不能适应数控技术快速发展的要求；科技人才不足，缺乏高级技术人员科技投入和科研设施尚不适应等，这些问题的存在，使得我国数控机床行业发展缓慢。2006年国务院8号文件<国务院关于加快振兴装备制造业的若干意见)中，首次将数控机床列入重大技术装备，并提出明确要求：发展大型、精密、高速数控装备和数控系统及功能部件，改变大型、高精度数控机床大部分依赖进口的现状，满足机械、航空航天等工业发展的需要。可见，以国家意志启动的振兴装备制造业的举措，为我国机床工具行业的发展创造了极好的外部环境，提供了前所未有的发展机遇。因此，在国家加大支持力度的前提下，企业要加强数控技术研发领域的投入，不断提高数控机床的技术水平，增强自身实力，以突破国际巨头的技术封锁。■

【参考文献】

［１］李善术主编．数控机床及其应用，机械工业出版社．2005，01．

［２］刘战术编著．数控机床及其维护—21世纪高等职业教育数控技术规划教材，人民邮电出版社．2005．1．