第五章 數(shù)控機(jī)床及工業(yè)機(jī)器人
考情分析
本章主要介紹了數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu) 、CNC裝置、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及工業(yè)機(jī)器人等知識(shí)，內(nèi)容十分抽象，脫離實(shí)際比較遠(yuǎn)，理解起來難度較大。學(xué)習(xí)方法上，主要以記憶為主。歷年分值不穩(wěn)定，預(yù)計(jì)本章在2010年考試中分值為10分左右。
最近三年本章考試題型及分值分布
年份
單選
多選
綜合
合計(jì)
2009
4題4分
1題2分
—
5題6分
2008
4題4分
1題2分
1題12分
6題18分
2007
4題4分
1題2分
—
5題6分
本章重要考點(diǎn)
1.數(shù)控機(jī)床的優(yōu)勢(shì)、組成、再生改造；
2.CNC裝置的控制流程、軟件特點(diǎn)、兩種結(jié)構(gòu)的區(qū)別；
3.PLC的特點(diǎn)，數(shù)控機(jī)床中兩類PLC的形式與區(qū)別；
4.伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)、區(qū)別以及相關(guān)計(jì)算；
5.工業(yè)機(jī)器人、FMC、FMS的基本功能及組成。
2010年教材變化
1.2009年教材第280頁圖5－9下面增加：
以低速輔助信息和機(jī)床側(cè)各種形成開關(guān)、繼電器、傳感器、按鍵等開關(guān)量信號(hào)的狀態(tài)為根據(jù)，通過PLC處理后所進(jìn)行的控制稱為輔助控制，這是完成各種應(yīng)答運(yùn)動(dòng)的順序控制。高速軌跡信息用于各種坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度和位移的控制、插補(bǔ)和補(bǔ)償控制，稱為數(shù)字控制。
（2010年教材第265頁）
第一節(jié) 數(shù)控機(jī)床
一、什么是數(shù)控機(jī)床
數(shù)控機(jī)床是一種采用計(jì)算機(jī)，利用數(shù)字化信息進(jìn)行控制，具有高附加值的技術(shù)密集型機(jī)電一體化產(chǎn)品。
【提示】數(shù)字控制，Numerical Control，簡(jiǎn)寫NC；計(jì)算機(jī)數(shù)控，Computerized Numerical Control，簡(jiǎn)寫為CNC。
二、數(shù)控機(jī)床的發(fā)展
【提示】第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床于1952年在美國(guó)問世，我國(guó)數(shù)控起床行業(yè)起步于1958年。
三、數(shù)控機(jī)床是如何加工零件的
在進(jìn)行曲線輪廓加工時(shí)，只要知道曲線的種類、起點(diǎn)、終點(diǎn)以及速度等，就可以根據(jù)給定的數(shù)字函數(shù)，如線性函數(shù)、圓函數(shù)或高次曲線函數(shù)，在曲線的起點(diǎn)和終點(diǎn)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)點(diǎn)的密化，確定一些中間點(diǎn)，從而加工出給定的曲線輪廓，這種方法稱為插補(bǔ)。
插補(bǔ)算法是數(shù)控加工技術(shù)中的一個(gè)基本問題。
目前常用的插補(bǔ)算法有兩大類：
以脈沖形式輸出的脈沖增量法
適合于以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件的開環(huán)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
以數(shù)字量形式輸出的數(shù)字增量法
適合于以交、直流伺服電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件的閉環(huán)（或半閉環(huán)）伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
要實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工必須：
（1）具有一個(gè)既能接受零件圖樣加工要求信息，又能按照一定的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，實(shí)時(shí)地向各坐標(biāo)軸發(fā)出速度控制指令的數(shù)字計(jì)算機(jī)，即控制裝置；
（2）具有能夠快速響應(yīng)，并具有足夠功率的伺服驅(qū)動(dòng)裝置；
（3）具有能夠滿足上述加工方式的機(jī)床主機(jī)，輔助裝置和刀具。
四、為什么要發(fā)展、使用數(shù)控機(jī)床
優(yōu)點(diǎn)：
1.可加工普通機(jī)床不能或者難于加工的型面；
2.可以獲得高的加工精度和重復(fù)精度；
3.與普通機(jī)床加工相比，在數(shù)控機(jī)床上加工可提高生產(chǎn)率2～3倍，對(duì)于一些復(fù)雜零件，生產(chǎn)率可提高十幾倍甚至幾十倍；
4.廣泛的適用性和較大的靈活性；
5.一機(jī)多用；
6.減少在制品數(shù)量，節(jié)約了資金，提高了經(jīng)濟(jì)效益；
7.改善環(huán)境，降低勞動(dòng)強(qiáng)度；
8.精確的成本核算和生產(chǎn)進(jìn)度安排。
表5－1 數(shù)控機(jī)床與普通機(jī)床的性能比較表
序號(hào)
項(xiàng)目
數(shù)控機(jī)床
普通機(jī)床
1
加工異型復(fù)雜零件的能力
強(qiáng)
弱
2
改變加工對(duì)象的柔性程度
高
低
3
加工零件質(zhì)量和加工精度
高
低
4
加工效率
高
低
5
設(shè)備利用率
高
低
6
產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)與CAD（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）連接功能
高
低
7
前期投資
高
低
8
對(duì)操作人員素質(zhì)的要求
高
低
9
對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃、生產(chǎn)準(zhǔn)備和生產(chǎn)調(diào)度的要求
高
低
10
運(yùn)行費(fèi)
低
高
11
維修技術(shù)與維修費(fèi)
高
低
12
對(duì)不合格產(chǎn)品再加工（即回用）的費(fèi)用
低
高
五、數(shù)控機(jī)床的組成
數(shù)控機(jī)床分成兩大部分，即CNC系統(tǒng)和機(jī)床主機(jī)（包括輔助裝置）。
考試論壇
（一）CNC系統(tǒng)
由程序、輸入輸出（I/O）設(shè)備、CNC裝置、主軸控制單元及進(jìn)給控制單元組成。
CNC系統(tǒng)
程序
CNC系統(tǒng)的重要組成部分。
輸入輸出（I/O）設(shè)備
主要用于零件加工程序的編制、存儲(chǔ)、打印、顯示等。
CNC裝置
CNC 系統(tǒng)的核心，它由計(jì)算機(jī)（包括硬件和軟件）、可編程控制器（PLC）和接口電路三部分組成。
主軸控制單元
與交、直流主軸電動(dòng)機(jī)及其速度檢測(cè)元件組成主軸驅(qū)動(dòng)裝置。控制主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
進(jìn)給控制單元
與進(jìn)給伺服電動(dòng)機(jī)及其檢測(cè)元件組成進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置。用于控制機(jī)床各坐標(biāo)軸的切削進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。
（二）主機(jī)
數(shù)控機(jī)床也有普通機(jī)床都具有的床身、立柱、主軸、工作臺(tái)等關(guān)鍵部件，但在設(shè)計(jì)上已有很大變化。
為了滿足數(shù)控機(jī)床高自動(dòng)化、高效率、高精度、高速度、高可靠性的要求，其機(jī)械結(jié)構(gòu)具以下一些特點(diǎn)：
高剛度和高抗振性
改進(jìn)機(jī)床結(jié)構(gòu)的阻尼特性
通過機(jī)床結(jié)構(gòu)、筋板的合理布局，例如加大主軸的支承軸徑，縮短主軸端部的受力懸伸段，床身采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)等方法來提高剛度。
采用新材料，特殊結(jié)構(gòu)也可以提高動(dòng)剛度和抗振能力。
小的機(jī)床熱變形
采用熱對(duì)稱結(jié)構(gòu)及熱平衡措施。對(duì)于發(fā)熱部件（如主軸箱、靜壓導(dǎo)軌液壓油等）采取散熱、風(fēng)冷、液冷等控制溫升；對(duì)切削部位采取強(qiáng)冷措施；
采用熱位移補(bǔ)償。即預(yù)測(cè)熱變形規(guī)律，建立數(shù)學(xué)模型，存入計(jì)算機(jī)，來進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償。
高效率、無間隙、低摩擦傳動(dòng)
采用滾動(dòng)導(dǎo)軌、靜壓導(dǎo)軌、滾珠絲杠、塑料滑動(dòng)導(dǎo)軌等高效率、無間隙、低摩擦傳動(dòng)。
簡(jiǎn)化的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)
采用高性能、寬調(diào)速范圍的交直流主軸電動(dòng)機(jī)和伺服電動(dòng)機(jī)，使主軸箱、進(jìn)給變速箱及其傳動(dòng)系統(tǒng)大為簡(jiǎn)化，提高傳動(dòng)精度和可靠性。
（三）輔助裝置
為了保證數(shù)控機(jī)床正常運(yùn)行、功能充分發(fā)揮，必須配備必要的輔助裝置，包括：電器、液壓、氣動(dòng)元件及系統(tǒng)；冷卻、排屑、防護(hù)、潤(rùn)滑、照明、儲(chǔ)運(yùn)等裝置；交換工作臺(tái)，數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)，數(shù)控分度頭；刀具及其監(jiān)控檢測(cè)裝置等。
考情分析
本章主要介紹了數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu) 、CNC裝置、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及工業(yè)機(jī)器人等知識(shí)，內(nèi)容十分抽象，脫離實(shí)際比較遠(yuǎn)，理解起來難度較大。學(xué)習(xí)方法上，主要以記憶為主。歷年分值不穩(wěn)定，預(yù)計(jì)本章在2010年考試中分值為10分左右。
最近三年本章考試題型及分值分布
年份
單選
多選
綜合
合計(jì)
2009
4題4分
1題2分
—
5題6分
2008
4題4分
1題2分
1題12分
6題18分
2007
4題4分
1題2分
—
5題6分
本章重要考點(diǎn)
1.數(shù)控機(jī)床的優(yōu)勢(shì)、組成、再生改造；
2.CNC裝置的控制流程、軟件特點(diǎn)、兩種結(jié)構(gòu)的區(qū)別；
3.PLC的特點(diǎn)，數(shù)控機(jī)床中兩類PLC的形式與區(qū)別；
4.伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)、區(qū)別以及相關(guān)計(jì)算；
5.工業(yè)機(jī)器人、FMC、FMS的基本功能及組成。
2010年教材變化
1.2009年教材第280頁圖5－9下面增加：
以低速輔助信息和機(jī)床側(cè)各種形成開關(guān)、繼電器、傳感器、按鍵等開關(guān)量信號(hào)的狀態(tài)為根據(jù)，通過PLC處理后所進(jìn)行的控制稱為輔助控制，這是完成各種應(yīng)答運(yùn)動(dòng)的順序控制。高速軌跡信息用于各種坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度和位移的控制、插補(bǔ)和補(bǔ)償控制，稱為數(shù)字控制。
（2010年教材第265頁）
第一節(jié) 數(shù)控機(jī)床
一、什么是數(shù)控機(jī)床
數(shù)控機(jī)床是一種采用計(jì)算機(jī)，利用數(shù)字化信息進(jìn)行控制，具有高附加值的技術(shù)密集型機(jī)電一體化產(chǎn)品。
【提示】數(shù)字控制，Numerical Control，簡(jiǎn)寫NC；計(jì)算機(jī)數(shù)控，Computerized Numerical Control，簡(jiǎn)寫為CNC。
二、數(shù)控機(jī)床的發(fā)展
【提示】第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床于1952年在美國(guó)問世，我國(guó)數(shù)控起床行業(yè)起步于1958年。
三、數(shù)控機(jī)床是如何加工零件的
在進(jìn)行曲線輪廓加工時(shí)，只要知道曲線的種類、起點(diǎn)、終點(diǎn)以及速度等，就可以根據(jù)給定的數(shù)字函數(shù)，如線性函數(shù)、圓函數(shù)或高次曲線函數(shù)，在曲線的起點(diǎn)和終點(diǎn)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)點(diǎn)的密化，確定一些中間點(diǎn)，從而加工出給定的曲線輪廓，這種方法稱為插補(bǔ)。
插補(bǔ)算法是數(shù)控加工技術(shù)中的一個(gè)基本問題。
目前常用的插補(bǔ)算法有兩大類：
以脈沖形式輸出的脈沖增量法
適合于以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件的開環(huán)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
以數(shù)字量形式輸出的數(shù)字增量法
適合于以交、直流伺服電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件的閉環(huán)（或半閉環(huán)）伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
要實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工必須：
（1）具有一個(gè)既能接受零件圖樣加工要求信息，又能按照一定的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，實(shí)時(shí)地向各坐標(biāo)軸發(fā)出速度控制指令的數(shù)字計(jì)算機(jī)，即控制裝置；
（2）具有能夠快速響應(yīng)，并具有足夠功率的伺服驅(qū)動(dòng)裝置；
（3）具有能夠滿足上述加工方式的機(jī)床主機(jī)，輔助裝置和刀具。
四、為什么要發(fā)展、使用數(shù)控機(jī)床
優(yōu)點(diǎn)：
1.可加工普通機(jī)床不能或者難于加工的型面；
2.可以獲得高的加工精度和重復(fù)精度；
3.與普通機(jī)床加工相比，在數(shù)控機(jī)床上加工可提高生產(chǎn)率2～3倍，對(duì)于一些復(fù)雜零件，生產(chǎn)率可提高十幾倍甚至幾十倍；
4.廣泛的適用性和較大的靈活性；
5.一機(jī)多用；
6.減少在制品數(shù)量，節(jié)約了資金，提高了經(jīng)濟(jì)效益；
7.改善環(huán)境，降低勞動(dòng)強(qiáng)度；
8.精確的成本核算和生產(chǎn)進(jìn)度安排。
表5－1 數(shù)控機(jī)床與普通機(jī)床的性能比較表
序號(hào)
項(xiàng)目
數(shù)控機(jī)床
普通機(jī)床
1
加工異型復(fù)雜零件的能力
強(qiáng)
弱
2
改變加工對(duì)象的柔性程度
高
低
3
加工零件質(zhì)量和加工精度
高
低
4
加工效率
高
低
5
設(shè)備利用率
高
低
6
產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)與CAD（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）連接功能
高
低
7
前期投資
高
低
8
對(duì)操作人員素質(zhì)的要求
高
低
9
對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃、生產(chǎn)準(zhǔn)備和生產(chǎn)調(diào)度的要求
高
低
10
運(yùn)行費(fèi)
低
高
11
維修技術(shù)與維修費(fèi)
高
低
12
對(duì)不合格產(chǎn)品再加工（即回用）的費(fèi)用
低
高
五、數(shù)控機(jī)床的組成
數(shù)控機(jī)床分成兩大部分，即CNC系統(tǒng)和機(jī)床主機(jī)（包括輔助裝置）。
考試論壇
（一）CNC系統(tǒng)
由程序、輸入輸出（I/O）設(shè)備、CNC裝置、主軸控制單元及進(jìn)給控制單元組成。
CNC系統(tǒng)
程序
CNC系統(tǒng)的重要組成部分。
輸入輸出（I/O）設(shè)備
主要用于零件加工程序的編制、存儲(chǔ)、打印、顯示等。
CNC裝置
CNC 系統(tǒng)的核心，它由計(jì)算機(jī)（包括硬件和軟件）、可編程控制器（PLC）和接口電路三部分組成。
主軸控制單元
與交、直流主軸電動(dòng)機(jī)及其速度檢測(cè)元件組成主軸驅(qū)動(dòng)裝置。控制主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
進(jìn)給控制單元
與進(jìn)給伺服電動(dòng)機(jī)及其檢測(cè)元件組成進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置。用于控制機(jī)床各坐標(biāo)軸的切削進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。
（二）主機(jī)
數(shù)控機(jī)床也有普通機(jī)床都具有的床身、立柱、主軸、工作臺(tái)等關(guān)鍵部件，但在設(shè)計(jì)上已有很大變化。
為了滿足數(shù)控機(jī)床高自動(dòng)化、高效率、高精度、高速度、高可靠性的要求，其機(jī)械結(jié)構(gòu)具以下一些特點(diǎn)：
高剛度和高抗振性
改進(jìn)機(jī)床結(jié)構(gòu)的阻尼特性
通過機(jī)床結(jié)構(gòu)、筋板的合理布局，例如加大主軸的支承軸徑，縮短主軸端部的受力懸伸段，床身采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)等方法來提高剛度。
采用新材料，特殊結(jié)構(gòu)也可以提高動(dòng)剛度和抗振能力。
小的機(jī)床熱變形
采用熱對(duì)稱結(jié)構(gòu)及熱平衡措施。對(duì)于發(fā)熱部件（如主軸箱、靜壓導(dǎo)軌液壓油等）采取散熱、風(fēng)冷、液冷等控制溫升；對(duì)切削部位采取強(qiáng)冷措施；
采用熱位移補(bǔ)償。即預(yù)測(cè)熱變形規(guī)律，建立數(shù)學(xué)模型，存入計(jì)算機(jī)，來進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償。
高效率、無間隙、低摩擦傳動(dòng)
采用滾動(dòng)導(dǎo)軌、靜壓導(dǎo)軌、滾珠絲杠、塑料滑動(dòng)導(dǎo)軌等高效率、無間隙、低摩擦傳動(dòng)。
簡(jiǎn)化的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)
采用高性能、寬調(diào)速范圍的交直流主軸電動(dòng)機(jī)和伺服電動(dòng)機(jī)，使主軸箱、進(jìn)給變速箱及其傳動(dòng)系統(tǒng)大為簡(jiǎn)化，提高傳動(dòng)精度和可靠性。
（三）輔助裝置
為了保證數(shù)控機(jī)床正常運(yùn)行、功能充分發(fā)揮，必須配備必要的輔助裝置，包括：電器、液壓、氣動(dòng)元件及系統(tǒng)；冷卻、排屑、防護(hù)、潤(rùn)滑、照明、儲(chǔ)運(yùn)等裝置；交換工作臺(tái)，數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)，數(shù)控分度頭；刀具及其監(jiān)控檢測(cè)裝置等。