1、童景琳 Tele：18236879783 Email： QQ:35808757 河南理工大学学 机械工程学学院 数数 控控 技技 术术 2012.03 西安交通大学机械工程学学院 河南理工大学河南理工大学 机械与动力工程学院机械与动力工程学院 下午6时18分 数 控 技 术 2 课程的主要结构课程的主要结构 第一章第一章 数控技术概述数控技术概述 第二章第二章 数控加工编程基础数控加工编程基础 第三章第三章 数控插补原理数控插补原理 第四章第四章 计算机数控计算机数控 系统系统 第五章第五章 位置检测装置位置检测装置 第六章第六章 数控装置的伺服系统数控装置的伺服系统 第七章第七章 数控机床的
2、机械结构数控机床的机械结构 西安交通大学机械工程学学院 河南理工大学河南理工大学 机械与动力工程学院机械与动力工程学院 2021年10月18日 数 控 技 术 3 主要参考书主要参考书 ;机机动动 时时用按用按钮钮接通接通电动电动机机 经经机械机械传动传动系系统统使机使机 床部件床部件运动运动, ,运动运动的的 停止也是靠按停止也是靠按钮钮或行或行 程程开关碰开关碰到到档铁档铁后切后切 断电断电路而路而实现实现. . 西安交通大学机械工程学学院 河南理工大学河南理工大学 机械与动力工程学院机械与动力工程学院 数数控控车车床加工床加工 数控机床则是 以数字指令方 式控制机床各 部件的相对运 动和
3、动作. 西安交通大学机械工程学学院 河南理工大学河南理工大学 机械与动力工程学院机械与动力工程学院 12 l 数字控制（数字控制（Numerical Control TechnologyNumerical Control Technology， NCNC） 是一种借助数字化信息（数字、字符）对某一工作过 程（如加工、测量、装配等）发出指令并实现自动控 制的技术。 数控系统（数控系统（Numerical Control SystemNumerical Control System）采用数字控 制技术的自动控制系统。 数控机床（数控机床（Numerical Control Machine Tool
4、sNumerical Control Machine Tools） 是 采用数字控制技术对机床的加工过程进行自动控制的 一类机床。数控机床是一种装有程序控制系统（数控 系统）的高效自动化机床。是数控技术典型应用的例 子。 1-1 1-1 数数控系控系统统及及数数控机床的基本控机床的基本概概念念 西安交通大学机械工程学学院 河南理工大学河南理工大学 机械与动力工程学院机械与动力工程学院 下午6时18分 数 控 技 术 13 西安交通大学机械工程学学院 河南理工大学河南理工大学 机械与动力工程学院机械与动力工程学院 2021年10月18日 数 控 技 术 14 数数控加工控加工与传统与传统加工的比
5、加工的比较较 工工艺艺分析分析 数数控加控加 工程序工程序 工序卡工序卡 B A C K S P A C E C T R L IN S C R T A B A L T0S H I F T Z E N D WH O M E T P g D n OP g U p J R S T E 65“4 32？1 98:7 YX VU SRPQ NMKL IHFG DCABE S C 1 4 彩 色 显 示 器 空运行Z 轴锁定MST 锁定 任选程序段 机床锁定 快进+JOG-JOG主轴正转主轴停 主轴反转 急停 超程解除 循环驱动进给保持冷却液开关 刀松/刀紧 主轴修调 16010 进给修调 160 504
6、030 20 10 0 电 源 关开 1 自动 方式选择 回零 手摇 点动步进 单段 驱 动 器 NC机床 电源 XYZA 主轴超程 报警 手摇脉冲发生器 20 10 090 增量倍率 1000 10100 1 坐标轴选择 Z Y X 传统传统加工加工 数数控加工控加工 图图2 2 传统传统加工加工与数与数控加工控加工 的比的比较图较图 西安交通大学机械工程学学院 河南理工大学河南理工大学 机械与动力工程学院机械与动力工程学院、数数控机床的工作原理控机床的工作原理 数数控机床的加工，首先要控机床的加工，首先要将将被加工零件被加工零件图纸图纸上上 的几何信息和工的几何信息和工艺艺信息用信息用规规
7、定的代定的代码码和格式和格式编写编写 成加工程序，然后成加工程序，然后将将加工程序加工程序输输入入数数控装置，控装置，数数 控装置再控装置再将将程序程序( (代代码码) )进进行行译码译码、运运算，向机床算，向机床 各各个个坐坐标标的伺服机的伺服机构构和和辅辅助控制装置助控制装置发发出信出信号号， 驱动驱动机床各机床各运动运动部件，控制所需要的部件，控制所需要的运动运动，最后，最后 加工出合格零件。加工出合格零件。 西安交通大学机械工程学学院 河南理工大学河南理工大学 机械与动力工程学院机械与动力工程学院 16 机床 I/O 电路和装置 测量装置 主轴驱动装置 进给驱动装置 主轴伺服单元 进给
8、伺服单元 计算机 数 控 装 置 （CNC 装置） 程序 PLC 计算机数控系统计算机数控系统 机机 床床 辅助控制机构 进给传动机构 主运动机构 输出 设备 输入 设备 1-1 1-1 数数控系控系统统及及数数控机床的基本控机床的基本概概念念 西安交通大学机械工程学学院 河南理工大学河南理工大学 机械与动力工程学院机械与动力工程学院 17 机床 I/O 电路和装置 测量装置 主轴驱动装置 进给驱动装置 主轴伺服单元 进给伺服单元 计算机 数 控 装 置 （CNC 装置） 程序 PLC 计算机数控系统计算机数控系统 机机 床床 辅助控制机构 进给传动机构 主运动机构 输出 设备 输入 设备 1
9、-1 1-1 数数控系控系统统及及数数控机床的基本控机床的基本概概念念 西安交通大学机械工程学学院 河南理工大学河南理工大学 机械与动力工程学院机械与动力工程学院 18 机床 I/O 电路和装置 测量装置 主轴驱动装置 进给驱动装置 主轴伺服单元 进给伺服单元 计算机 数 控 装 置 （CNC 装置） 程序 PLC 计算机数控系统计算机数控系统 机机 床床 辅助控制机构 进给传动机构 主运动机构 输出 设备 输入 设备 1-1 1-1 数数控系控系统统及及数数控机床的基本控机床的基本概概念念 西安交通大学机械工程学学院 河南理工大学河南理工大学 机械与动力工程学院机械与动力工程学院 19 l组
10、成：组成：计算机系统、位置控制板、PLC接口板，通讯接口板、 特殊功能模块以及相应的控制软件。 l作用：作用：根据输入的零件加工程序进行相应的处理（如运动轨迹 处理、机床输入输出处理等），然后输出控制命令到相应的执 行部件(伺服单元、驱动装置和PLC等)，所有这些工作是由CNC 装置内硬件和软件协调配合，合理组织，使整个系统有条不紊 地进行工作的。CNCCNC装置是装置是CNCCNC系统的核心系统的核心 1-1 1-1 数数控系控系统统及及数数控机床的基本控机床的基本概概念念 西安交通大学机械工程学学院 河南理工大学河南理工大学 机械与动力工程学院机械与动力工程学院 20 1-1 1-1 数数
11、控系控系统统及及数数控机床的基本控机床的基本概概念念 硬件 1)计算机 管理软件 软件 控制软件 西安交通大学机械工程学学院 河南理工大学河南理工大学 机械与动力工程学院机械与动力工程学院 21 机床 I/O 电路和装置 测量装置 主轴驱动装置 进给驱动装置 主轴伺服单元 进给伺服单元 计算机 数 控 装 置 （CNC 装置） 程序 PLC 计算机数控系统计算机数控系统 机机 床床 辅助控制机构 进给传动机构 主运动机构 输出 设备 输入 设备 1-1 1-1 数数控系控系统统及及数数控机床的基本控机床的基本概概念念 西安交通大学机械工程学学院 河南理工大学河南理工大学 机械与动力工程学院机械
12、与动力工程学院 22 2) PLC (Programmable Logic Controller)2) PLC (Programmable Logic Controller)：用于完成：用于完成与逻辑运与逻辑运算有算有 关顺关顺序序动动作的作的I/OI/O控制，控制，它它由硬件和由硬件和软软件件组组成；成； l功能：功能： 接受接受CNCCNC的的MM、S S、T T指令，指令，对对其其进进行行译码并转换译码并转换成成对应对应的控制的控制 信信号号，控制，控制辅辅助装置完成机床相助装置完成机床相应应的的开关动开关动作作 接受操作面板和机床接受操作面板和机床侧侧的的I/OI/O信信号号，送，送给
13、给CNCCNC装置，装置，经经其其处处理后，理后， 输输出指令控制出指令控制CNCCNC系系统统的工作的工作状态状态和机床的和机床的动动作。作。 1-1 1-1 数数控系控系统统及及数数控机床的基本控机床的基本概概念念 西安交通大学机械工程学学院 河南理工大学河南理工大学 机械与动力工程学院机械与动力工程学院 23 3) 3) 接接 口口 与上位机的通信接口:串行通信+网络通信 与各种输入/输出设备接口 与机床侧信号往来的I/O接口 1-1 1-1 数数控系控系统统及及数数控机床的基本控机床的基本概概念念 西安交通大学机械工程学学院 河南理工大学河南理工大学 机械与动力工程学院机械与动力工程学
14、院 24 机床 I/O 电路和装置 测量装置 主轴驱动装置 进给驱动装置 主轴伺服单元 进给伺服单元 计算机 数 控 装 置 （CNC 装置） 程序 PLC 计算机数控系统计算机数控系统 机机 床床 辅助控制机构 进给传动机构 主运动机构 输出 设备 输入 设备 1-1 1-1 数数控系控系统统及及数数控机床的基本控机床的基本概概念念 西安交通大学机械工程学学院 河南理工大学河南理工大学 机械与动力工程学院机械与动力工程学院 25 l控制介控制介质质是记录零件加工程序的媒介 l输输入入输输出出设备设备是CNC系统与外部设备进行交互装置。交互的 信息通常是零件加工程序。即将编制好的记录在控制介质
15、上的 零件加工程序输入CNC系统或将调试好了的零件加工程序通 过输出设备存放或记录在相应的控制介质上。 l数控机床常用的控制介质和输入输出设备见表1： 1-1 1-1 数数控系控系统统及及数数控机床的基本控机床的基本概概念念 西安交通大学机械工程学学院 河南理工大学河南理工大学 机械与动力工程学院机械与动力工程学院 26 表1 控制介质和输入输出设备表 1-1 1-1 数数控系控系统统及及数数控机床的基本控机床的基本概概念念 西安交通大学机械工程学学院 河南理工大学河南理工大学 机械与动力工程学院机械与动力工程学院 27 机床 I/O 电路和装置 测量装置 主轴驱动装置 进给驱动装置 主轴伺服
16、单元 进给伺服单元 计算机 数 控 装 置 （CNC 装置） 程序 PLC 计算机数控系统计算机数控系统 机机 床床 辅助控制机构 进给传动机构 主运动机构 输出 设备 输入 设备 1-1 1-1 数数控系控系统统及及数数控机床的基本控机床的基本概概念念 西安交通大学机械工程学学院 河南理工大学河南理工大学 机械与动力工程学院机械与动力工程学院 28 l 伺服伺服单单元和元和驱动驱动装置装置 主主轴轴伺服伺服驱动驱动装置和主装置和主轴电轴电机机 进给进给伺服伺服驱动驱动装置和装置和进给电进给电机机 l 测量装置 位置和速度位置和速度测测量装置。以量装置。以实现进给实现进给伺服系伺服系统统的的闭
17、环闭环控制。控制。 l 作用作用 保保证灵证灵敏、准确地跟踪敏、准确地跟踪CNCCNC装置指令：装置指令： 进给运动进给运动指令：指令：实现实现零件加工的成形零件加工的成形运动运动（速度和位置控（速度和位置控 制）。制）。 主主轴运动轴运动指令，指令，实现实现零件加工的切削零件加工的切削运动运动（速度控制）（速度控制） 1-1 1-1 数数控系控系统统及及数数控机床的基本控机床的基本概概念念 西安交通大学机械工程学学院 河南理工大学河南理工大学 机械与动力工程学院机械与动力工程学院 三、三、数数控机床的控机床的组组成成 常用的伺服元件常用的伺服元件 常用的用的检测检测元件元件 西安交通大学机械
18、工程学学院 河南理工大学河南理工大学 机械与动力工程学院机械与动力工程学院 30 机床 I/O 电路和装置 测量装置 主轴驱动装置 进给驱动装置 主轴伺服单元 进给伺服单元 计算机 数 控 装 置 （CNC 装置） 程序 PLC 计算机数控系统计算机数控系统 机机 床床 辅助控制机构 进给传动机构 主运动机构 输出 设备 输入 设备 1-1 1-1 数数控系控系统统及及数数控机床的基本控机床的基本概概念念 西安交通大学机械工程学学院 河南理工大学河南理工大学 机械与动力工程学院机械与动力工程学院 31 机床：机床：数控机床的主体，是实现制造加工的执行部件。 组组成：成：由主运动部件、进给运动部
19、件（工作台、拖板 以及相应的传动机构）、支承件（立柱、床身等）以 及特殊装置（刀具自动交换系统 工件自动交换系统） 和辅助装置（如排屑装置等）。 1-1 1-1 数数控系控系统统及及数数控机床的基本控机床的基本概概念念 西安交通大学机械工程学学院 河南理工大学河南理工大学 机械与动力工程学院机械与动力工程学院 32 高刚度和高抗振性 小的机床热变形 高效率、无间隙、低摩擦传动 简化的机械传动结构 1-1 1-1 数数控系控系统统及及数数控机床的基本控机床的基本概概念念 西安交通大学机械工程学学院 河南理工大学河南理工大学 机械与动力工程学院机械与动力工程学院 33 1. 适应性强,适合加工单件
20、小批量复杂零件 2. 加工精度高,产品质量稳定 3. 自动化程度高,劳动强度低 4. 生产效率高 减少辅助时间和机动时间 5. 良好的经济效率 6. 有利于生产管理的现代化 1-1 1-1 数数控系控系统统及及数数控机床的基本控机床的基本概概念念 西安交通大学机械工程学学院 河南理工大学河南理工大学 机械与动力工程学院机械与动力工程学院 34 西安交通大学机械工程学学院 河南理工大学河南理工大学 机械与动力工程学院机械与动力工程学院 35 数控机床的种类很多，据不完全统计已有据不完全统计已有400400多个品多个品 种规格。种规格。从不同角度对其进行考查，就有不同的分类方 法，通常有以下几种不
21、同的分类方法： 1. 1.按运动轨迹分类按运动轨迹分类 2. 2.按伺服系统的控制方式分类按伺服系统的控制方式分类 3. 3.按工艺用途分类按工艺用途分类 4. 4. 按数控装置分类按数控装置分类 1-2 1-2 数数控机床的分控机床的分类类 西安交通大学机械工程学学院 河南理工大学河南理工大学 机械与动力工程学院机械与动力工程学院 2021年10月18日 数 控 技 术 36 1.1.按按运动轨运动轨迹分迹分类类 点位控制系点位控制系统统 连续连续控制系控制系统统 如图如图1 1，点位控制是指数控系统只控，点位控制是指数控系统只控 制刀具或工作台从一点移至另一点的制刀具或工作台从一点移至另一
22、点的 准确定位，然后进行定点加工，而点准确定位，然后进行定点加工，而点 与点之间的路径不需控制。采用这类与点之间的路径不需控制。采用这类 控制的有数控钻床、数控镗床和数控控制的有数控钻床、数控镗床和数控 坐标镗床等坐标镗床等。 西安交通大学机械工程学学院 河南理工大学河南理工大学 机械与动力工程学院机械与动力工程学院 37 特点: l仅能实现刀具相对于工件从一点到另一点的精确定位运仅能实现刀具相对于工件从一点到另一点的精确定位运 动；动； l对轨迹不作控制要求；对轨迹不作控制要求； l运动过程中不进行任何加工运动过程中不进行任何加工 l适用范围：数控钻床、数控镗床、数控冲床和数控测数控钻床、数
23、控镗床、数控冲床和数控测 量机。量机。 点位控制 1-2 1-2 数数控机床的分控机床的分类类 西安交通大学机械工程学学院 河南理工大学河南理工大学 机械与动力工程学院机械与动力工程学院 38 轮廓控制 l轮轮廓控制廓控制( (连续连续控制控制) )系系统统：具有控制几个进给轴同时谐调运动 (坐标联动)，使工件相对于刀具按程序规定的轨迹和速度运动， 在运动过程中进行连续切削加工的数控系统。 l适用范适用范围围：数控车床、数控铣床、加工中心等用于加工曲线和 曲面的机床。现代的数控机床基本上都是装备的这种数控系统。 1-2 1-2 数数控机床的分控机床的分类类 西安交通大学机械工程学学院 河南理工
24、大学河南理工大学 机械与动力工程学院机械与动力工程学院 39 l l 半闭环控制系统 全闭环控制系统 1-2 1-2 数数控机床的分控机床的分类类 西安交通大学机械工程学学院 河南理工大学河南理工大学 机械与动力工程学院机械与动力工程学院 40 开环数控系统 电机电机 机械执行部件机械执行部件 A相、相、B 相相 C相、相、 f、n CNC 插补指令插补指令 脉冲频率脉冲频率f 脉冲个数脉冲个数n 换算换算 脉冲环脉冲环 形分配形分配 变换变换 功率功率 放大放大 1-2 1-2 数数控机床的分控机床的分类类 西安交通大学机械工程学学院 河南理工大学河南理工大学 机械与动力工程学院机械与动力工
25、程学院 41 开环控制框图开环控制框图 工作台工作台 步进电机步进电机 数控装置数控装置 1-2 1-2 数数控机床的分控机床的分类类 西安交通大学机械工程学学院 河南理工大学河南理工大学 机械与动力工程学院机械与动力工程学院 42 没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置进给系统）， 故系统稳定性好。 无位置反馈，精度相对闭环系统来讲不高，其精度主要取决于 伺服驱动系统和机械传动机构的性能和精度。 一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。 这类系统具有结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、价 格低廉等优点，在精度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合 得到广泛应用。一般用于经济型数控机床。 1-
26、2 1-2 数数控机床的分控机床的分类类 西安交通大学机械工程学学院 河南理工大学河南理工大学 机械与动力工程学院机械与动力工程学院 43 半闭环数控系统 位置控制调节器位置控制调节器 速度控制速度控制 调节与驱动调节与驱动 检测与反馈单元检测与反馈单元 位置控制单元位置控制单元速度控制单元速度控制单元 + + - 电机电机 机械执行部件机械执行部件 CNC 插补插补 指令指令 实际位实际位 置反馈置反馈 实际速实际速 度反馈度反馈 1-2 1-2 数数控机床的分控机床的分类类 西安交通大学机械工程学学院 河南理工大学河南理工大学 机械与动力工程学院机械与动力工程学院 44 工作台工作台 伺服
27、电动机伺服电动机 数控装置数控装置 伺服伺服 放大器放大器 位置检测（编码器）位置检测（编码器） 半闭环控制框图半闭环控制框图 1-2 1-2 数数控机床的分控机床的分类类 西安交通大学机械工程学学院 河南理工大学河南理工大学 机械与动力工程学院机械与动力工程学院 45 半闭环数控系统的位置采样点如图所示，是从驱动装置(常 用伺服电机)或丝杠引出，采样旋转角度进行检测，不是直 接检测运动部件的实际位置。 半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，因此可获 得稳定的控制性能，其系统的稳定性虽不如开环系统，但比 闭环要好。 由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难以消除。 因此，其精度较闭环
28、差，较开环好。但可对这类误差进行补 偿，因而仍可获得满意的精度。 半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度也较高，因而在 现代CNC机床中得到了广泛应用。 1-2 1-2 数数控机床的分控机床的分类类 西安交通大学机械工程学学院 河南理工大学河南理工大学 机械与动力工程学院机械与动力工程学院 46 全闭环数控系统 位置控制调节器位置控制调节器 速度控制速度控制 调节与驱动调节与驱动 检测与反馈单元检测与反馈单元 位置控制单元位置控制单元速度控制单元速度控制单元 + + - 电机电机 机械执行部件机械执行部件 CNC 插补插补 指令指令 实际位实际位 置反馈置反馈 实际速实际速 度反馈度反馈 1-
29、2 1-2 数数控机床的分控机床的分类类 西安交通大学机械工程学学院 河南理工大学河南理工大学 机械与动力工程学院机械与动力工程学院 47 工作台工作台 伺服电动机伺服电动机 数控装置数控装置 伺服伺服 放大器放大器 闭环控制框图闭环控制框图 检测装置（光栅）检测装置（光栅） 1-2 1-2 数数控机床的分控机床的分类类 西安交通大学机械工程学学院 河南理工大学河南理工大学 机械与动力工程学院机械与动力工程学院 48 闭环数控系统的位置采样点如图所示，直接检测运动部件的 实际位置， 精度高。 闭环环路内包括机械传动环节多，易导致系统不稳定 闭环数控系统复杂、调试较难、成本高。 1-2 1-2
30、数数控机床的分控机床的分类类 西安交通大学机械工程学学院 河南理工大学河南理工大学 机械与动力工程学院机械与动力工程学院 49 3 按工艺用途分类 切削加工类：切削加工类：数控镗铣床、数控车床、数控磨床、加 工中心、数控齿轮加工机床、FMC等。 成型加工类：成型加工类：数控折弯机、数控冲裁机数控折弯机、数控冲裁机等。 特种加工类：特种加工类：数控线切割机、电火花加工机、激光加 工机等。 其它类型：其它类型：数控装配机、数控测量机、机器人等。 1-2 1-2 数数控机床的分控机床的分类类 西安交通大学机械工程学学院 河南理工大学河南理工大学 机械与动力工程学院机械与动力工程学院 50 性能性能
31、类别类别 CPUCPU位位 数数 联动轴联动轴 数数 分辨率分辨率(um)(um)进给速度进给速度 (m/min)(m/min) 显示显示 高级型高级型32325 50.12424三维动三维动 态态 普及型普及型26263 30.1100.11015241524字符字符/ / 图形图形 经济型经济型8 83310101515字符字符 1-2 1-2 数数控机床的分控机床的分类类 西安交通大学机械工程学学院 河南理工大学河南理工大学 机械与动力工程学院机械与动力工程学院 51 西安交通大学机械工程学学院 河南理工大学河南理工大学 机械与动力工程学院机械与动力工程学院 52 l产生要解决如下问题：
32、 l在汽车、拖拉机等大量生产的工业部门中，大都采用自动机床、组合 机床和自动线。但这种设备的第一次投资费用大，生产准备时间长， 这与改型频繁、精度要求高、零件形状复杂的舰船和宇航，以及其他 国防工业的要求不相适应。如果采用仿形机床，则要制造靠模，不仅 生产周期长，精度亦受限制。 单件（小批量）生产 精度 复杂型面加工 西安交通大学机械工程学学院 河南理工大学河南理工大学 机械与动力工程学院机械与动力工程学院 53 19521952年，美国帕森斯公司和麻省理工学院年，美国帕森斯公司和麻省理工学院（MITMIT）伺服机构实验室）伺服机构实验室研研 制成功了世界上第一台制成功了世界上第一台三坐标数控
33、系统，并装备于三坐标数控系统，并装备于CINCINNATICINCINNATI立式立式 铣床上，但到铣床上，但到19551955年进入实用。年进入实用。 v19461946年世界上诞生了第一台电子计算机。年世界上诞生了第一台电子计算机。 v第一台计算机诞生第一台计算机诞生6 6年后，即在年后，即在19521952年，计算机技术应用到了机床上。年，计算机技术应用到了机床上。 第二次世界大战以后，美国为了加速飞机工业的发展，要求革新一第二次世界大战以后，美国为了加速飞机工业的发展，要求革新一 种样板加工的设备。种样板加工的设备。 19481948年，美国帕森斯年，美国帕森斯(Parsons)(Pa
34、rsons)公司在研制加公司在研制加 工直升飞机叶片轮廓检查用样板的机床时，提出了数控机床的初始工直升飞机叶片轮廓检查用样板的机床时，提出了数控机床的初始 设想。设想。 1.1.数控机床的产生数控机床的产生 西安交通大学机械工程学学院 河南理工大学河南理工大学 机械与动力工程学院机械与动力工程学院 2.2.数控机床的发展数控机床的发展 1 1）数数控系控系统统的的发发展展 1.第一代： 19521952年至19591959年，电子管时代 2.第二代：从19591959年开始，晶体管时代 3.第三代：从19651965年开始，小规模集成电路时代 NC阶 阶段段 5.第五代：从1974年开始，微处
35、理器时代(超大规模集成电路) 4.第四代：从19701970年开始，小型计算机时代(大规模集成电路) CNC阶 阶段段 6.第六代：从9090年代开始，基于PC机数控平台(PC PC 数控系统数控系统) 数数控机床控机床发发展到今天，其展到今天，其发发展主要是展主要是数数控系控系统统的的发发展。其展。其数数控控 系系统统共共经历经历了了两个阶两个阶段、六代的段、六代的发发展：展： 1.3 数控机床的产生和发展过程数控机床的产生和发展过程 西安交通大学机械工程学学院 河南理工大学河南理工大学 机械与动力工程学院机械与动力工程学院 2 2）数数控机床控机床结构结构功能的功能的发发展展 v19591
36、959年：美年：美国国克耐克耐 杜列克首次杜列克首次开开 发发成功加工中心（成功加工中心（Machine Center,Machine Center, MCMC）。）。 1.3 数控机床的产生和发展过程数控机床的产生和发展过程 2.2.数控机床的发展数控机床的发展 西安交通大学机械工程学学院 河南理工大学河南理工大学 机械与动力工程学院机械与动力工程学院 v19671967年：英年：英国国出出现现多台多台数数控机床控机床连连接而成的柔性加工系接而成的柔性加工系统统, ,即最即最 早的柔性制造系早的柔性制造系统统（Flexible Manufacturing SystemFlexible Man
37、ufacturing System，FMSFMS）。）。 2 2）数数控机床控机床结构结构功能的功能的发发展展 1.1 数控机床的产生和发展过程数控机床的产生和发展过程 2.2.数控机床的发展数控机床的发展 西安交通大学机械工程学学院 河南理工大学河南理工大学 机械与动力工程学院机械与动力工程学院 v2020世纪世纪6060年代末：出现直接数控系统。年代末：出现直接数控系统。 用电子计算机对具有数控装置的机床群直接进行联机用电子计算机对具有数控装置的机床群直接进行联机 控制和管理，直接数控（控制和管理，直接数控（Direct Numerical ControlDirect Numerical
38、Control，D D NCNC）又称群控。）又称群控。 直接数控系统分为两种类型。用通用计算机加数控直接数控系统分为两种类型。用通用计算机加数控 装置构成的直接数控系统；用通用计算机加计算机数控装置构成的直接数控系统；用通用计算机加计算机数控 装置构成的直接数控系统。装置构成的直接数控系统。 2 2）数数控机床控机床结构结构功能的功能的发发展展 1.3 数控机床的产生和发展过程数控机床的产生和发展过程 2.2.数控机床的发展数控机床的发展 西安交通大学机械工程学学院 河南理工大学河南理工大学 机械与动力工程学院机械与动力工程学院 v19771977年：美年：美国开国开始始研研究究并应并应用用
39、计计算机集成制造系算机集成制造系统统。 2 2）数数控机床控机床结构结构功能的功能的发发展展 1.3 数控机床的产生和发展过程数控机床的产生和发展过程 2.2.数控机床的发展数控机床的发展 计算机集成制造系统计算机集成制造系统(Computer Integrated Manufa(Computer Integrated Manufa cturing Systemcturing System，CIMS)CIMS)是随着计算机辅助设计与制造的是随着计算机辅助设计与制造的 发展而产生的。它是在信息技术自动化技术与制造的基发展而产生的。它是在信息技术自动化技术与制造的基 础上，通过计算机技术把分散在产
40、品设计制造过程中各础上，通过计算机技术把分散在产品设计制造过程中各 种孤立的自动化子系统有机地集成起来，形成适用于多种孤立的自动化子系统有机地集成起来，形成适用于多 品种、小批量生产，实现整体效益的集成化和智能化制品种、小批量生产，实现整体效益的集成化和智能化制 造系统。它包含：管理信息系统、计算机辅助设计系统造系统。它包含：管理信息系统、计算机辅助设计系统 和计算机辅助制造系统和计算机辅助制造系统 西安交通大学机械工程学学院 河南理工大学河南理工大学 机械与动力工程学院机械与动力工程学院 v2020世世纪纪8080年代初：出年代初：出现现加工中心加工中心 ; 设备的热变形误差补偿和空间误差的
41、综合补偿技术。研究结果表明，设备的热变形误差补偿和空间误差的综合补偿技术。研究结果表明， 综合误差补偿技术的应用可将加工误差减少综合误差补偿技术的应用可将加工误差减少60608080。三井精机的。三井精机的J J idicH5DidicH5D型超精密卧式加工中心的定位精度为型超精密卧式加工中心的定位精度为0.10.1 m m。 西安交通大学机械工程学学院 河南理工大学河南理工大学 机械与动力工程学院机械与动力工程学院 81 功能复合化 复合化是指在一台设备能实现多种工艺手段加工的方法。 镗铣钻复合加工中心（ATC）、五面加工中心（ATC，主轴立卧 转换）； 车铣复合车削中心（ATC，动力刀头）
42、； 铣镗钻车复合复合加工中心（ATC，可自动装卸车刀架）； 铣镗钻磨复合复合加工中心（ATC，动力磨头）； 可更换主轴箱的数控机床组合加工中心； 1-3 1-3 数数控机床的控机床的产产生生与发与发展展 西安交通大学机械工程学学院 河南理工大学河南理工大学 机械与动力工程学院机械与动力工程学院 82 控制智能化 随着人工智能技术的不断发展，并为满足制造业生 产柔性化、制造自动化发展需求，数控技术智能化程 度不断提高，具体体现在以下几个方面： 1-3 1-3 数数控机床的控机床的产产生生与发与发展展 西安交通大学机械工程学学院 河南理工大学河南理工大学 机械与动力工程学院机械与动力工程学院 83
43、 l 加工过程自适应控制技术加工过程自适应控制技术 通过监测加工过程中的切削力、主轴和进给电机的功率、 电流、电压等信息，利用传统的或现代的算法进行识别， 以辩识出刀具的受力、磨损以及破损状态，机床加工的稳 定性状态；并根据这些状态实时修调加工参数（主轴转速， 进给速度）和加工指令，使设备处于最佳运行状态，以提 高加工精度、降低工件表面粗糙度以及设备运行的安全性。 1-3 1-3 数数控机床的控机床的产产生生与发与发展展 西安交通大学机械工程学学院 河南理工大学河南理工大学 机械与动力工程学院机械与动力工程学院 84 l加工参数的智能优化与选择加工参数的智能优化与选择 将工艺专家或技工的经验、
44、零件加工的一般与特 殊规律，用现代智能方法，构造基于专家系统或基于 模型的“加工参数的智能优化与选择器”，利用它获 得优化的加工参数，从而达到提高编程效率和加工工 艺水平，缩短生产准备时间的目的。采用经过优化的 加工参数编制的加工程序，可使加工系统始终处于较 合理和较经济的工作状态。 1-3 1-3 数数控机床的控机床的产产生生与发与发展展 西安交通大学机械工程学学院 河南理工大学河南理工大学 机械与动力工程学院机械与动力工程学院 85 l 智能故障诊断与自修复技术智能故障诊断与自修复技术 智能故障诊断技术：根据已有的故障信息，应用现代智能方 法（AI、ES、ANN等），实现故障快速准确定位的
45、技术。 智能故障自修复技术：指能根据诊断确定故障原因和部位， 以自动排除故障或指导故障的排除技术。智能自修复技术集 故障自诊断、故障自排除、自恢复、自调节于一体，并贯穿 于加工过程的整个生命周期。 智能故障诊断技术在有些日本、美国公司生产的数控系统中 已有应用，基本上都是应用专家系统实现的。 智能化自修复技术还在研究之中。 1-3 1-3 数数控机床的控机床的产产生生与发与发展展 西安交通大学机械工程学学院 河南理工大学河南理工大学 机械与动力工程学院机械与动力工程学院 86 l 智能化交流伺服驱动装置智能化交流伺服驱动装置 目前已开始研究能自动识别负载，并自动调整参数的智能 化伺服系统，包括
46、智能主轴交流驱动装置和智能化进给伺服装 置。这种驱动装置能自动识别电机及负载的转动惯量，并自动 对控制系统参数进行优化和调整，使驱动系统获得最佳运行。 1-3 1-3 数数控机床的控机床的产产生生与发与发展展 西安交通大学机械工程学学院 河南理工大学河南理工大学 机械与动力工程学院机械与动力工程学院 87 体系开放化 定义（定义（IEEEIEEE）：）：具有在不同的工作平台上均能实现系统功能、且可以 与其他的系统应用进行互操作的系统。 l开放式数控系统特点：开放式数控系统特点： 系统构件（软件和硬件）具有标准化(Standardization) 与多样化( Diversification)和互
47、换性(Interchangeability) 的特征 允许通过对构件的增减来构造系统，实现系统“积木式” 的集成。构造应该是可移植的和透明的； 1-3 1-3 数控机床的产生与发展数控机床的产生与发展 西安交通大学机械工程学学院 河南理工大学河南理工大学 机械与动力工程学院机械与动力工程学院 88 l开放体系结构CNC的优点 向未来技术开放：向未来技术开放：由于软硬件接口都遵循公认的标准协议，只需少 量的重新设计和调整，新一代的通用软硬件资源就可能被现有系统 所采纳、吸收和兼容，这就意味着系统的开发费用将大大降低而系 统性能与可靠性将不断改善并处于长生命周期； 标准化的人机界面：标准化的人机界
48、面：标准化的编程语言，方便用户使用，降低了和 操作效率直接有关的劳动消耗； 向用户特殊要求开放向用户特殊要求开放：更新产品、扩充能力、提供可供选择的硬软 件产品的各种组合以满足特殊应用要求，给用户提供一个方法，从 低级控制器开始，逐步提高，直到达到所要求的性能为止。另外用 户自身的技术诀窍能方便地融入，创造出自己的名牌产品； 可减少产品品种，便于批量生产、提高可靠性和降低成本，增强市 场供应能力和竞争能力。 1-3 1-3 数数控机床的控机床的产产生生与发与发展展 西安交通大学机械工程学学院 河南理工大学河南理工大学 机械与动力工程学院机械与动力工程学院 89 交互网络化 支持网络通讯协议，既
49、满足单机需要，又能满足FMC、FMS、 CIMS对基层设备集成要求的数控系统，该系统是形成“全球制造” 的基础单元。 网络资源共享。 数控机床的远程（网络）监视、控制。 数控机床的远程（网络）培训与教学（网络数控） 数控装备的数字化服务（数控机床故障的远程（网络）诊断、远程维 护、电子商务等）。 1-3 1-3 数控机床的产生与发展数控机床的产生与发展 西安交通大学机械工程学学院 河南理工大学河南理工大学 机械与动力工程学院机械与动力工程学院 第 一 章 数 控 技 术 概 述 19941994年，在美国国际制造技术展览会上年，在美国国际制造技术展览会上 （IMTS94IMTS94），美国），美国Giddings-LewisGiddings-Lewis公司公司 推出了推出了VariaxVariax加工中心。在这台机床上加工中心。在这台机床上 ，看不到传统机床的床身、导轨、立柱，看不到传统机床的床身、导轨、立柱 和横粱等结构，它的基本结构是和横粱等结构，它的基本结构是一个活一个活 动平台动平台、一个固定平台一个固定平台和和六根长度可变六根长度可变 的连杆的连杆。活动平台上装有机床主轴和刀活动平台上装有机床主轴和刀 具具，固定平台上安装工件固定平台上安装工件，六根杆
