1、 1.1 数控机床的基本概念数控机床的基本概念 第一章第一章 概概 论论 是指采用数字控制技术对机床的加工过程进是指采用数字控制技术对机床的加工过程进行自动控制的机床，是一种典型的光机电一体化行自动控制的机床，是一种典型的光机电一体化加工设备。加工设备。是指采用数控技术的控制系统，能自动阅读输入是指采用数控技术的控制系统，能自动阅读输入载体上事先给定的数字值和指令，并对其进行编译处载体上事先给定的数字值和指令，并对其进行编译处理，以达到自动地控制机床移动和加工零件的目的。理，以达到自动地控制机床移动和加工零件的目的。1.数控机床数控机床 2.数控系统数控系统一、定义一、定义1 主要采用电路的硬
2、件和连线组成的数控系统称主要采用电路的硬件和连线组成的数控系统称为硬件数控，为硬件数控，简称简称NC。主要采用计算机的硬件和软件组成，更加注重主要采用计算机的硬件和软件组成，更加注重计算机软件控制功能的数控系统称为计算机数控，计算机软件控制功能的数控系统称为计算机数控，简称简称CNC。3.数控（数控（NC）与计算机数控（与计算机数控（CNC）三、数控装置的主要技术指标三、数控装置的主要技术指标1控制轴数和联动轴数；控制轴数和联动轴数；2脉冲当量（控制分辨率）；脉冲当量（控制分辨率）；3定位精度和重复精度；定位精度和重复精度；4行程；行程；5主轴转速和调节范围；主轴转速和调节范围；26进给速度和
3、调节范围；进给速度和调节范围；7准备功能（准备功能（G功能）；功能）；8辅助功能（辅助功能（M功能）；功能）；9.自动加减速功能；自动加减速功能；10.开关量接口。开关量接口。1.2 数控机床的产生与发展数控机床的产生与发展 第一代数控机床：第一代数控机床：1952年由美国帕森兹公司和麻省理年由美国帕森兹公司和麻省理工学院合作研制成功，使用电子管元件。工学院合作研制成功，使用电子管元件。中国中国58年生产。年生产。第二代数控机床：第二代数控机床：1959年，年，以美国耐克以美国耐克 杜列杜列克公司为代表，生产出了使用晶体管元件的数控克公司为代表，生产出了使用晶体管元件的数控机床。机床。中国中国
4、64年生产。年生产。3 第三代数控机床：第三代数控机床：1965年年，出现了小规模集，出现了小规模集成电路。由于它体积小、功耗低，使数控系统的成电路。由于它体积小、功耗低，使数控系统的可靠性得以进一步提高。可靠性得以进一步提高。中国中国72年生产。年生产。第四代数控机床：第四代数控机床：1970年，在美国芝加哥国年，在美国芝加哥国际机床展览会上，首次展出了一台以通用小型计际机床展览会上，首次展出了一台以通用小型计算机作为数控装置的数控系统。算机作为数控装置的数控系统。中国中国78年生产。年生产。第五代数控机床：第五代数控机床：1974年开始出现的以微处年开始出现的以微处理器为核心的数控系统。理
5、器为核心的数控系统。中国中国81年生产。年生产。第六代数控机床：第六代数控机床：1990年生产出了基于工控年生产出了基于工控PC机的通用机的通用CNC系统。系统。中国中国92年生产。年生产。4 中档普及型数控机床的功能、性能和可靠性中档普及型数控机床的功能、性能和可靠性方面已具有较强的市场竞争力。但在中、高档数方面已具有较强的市场竞争力。但在中、高档数控机床方面，与国外一些先进产品相比，仍存在控机床方面，与国外一些先进产品相比，仍存在较大差距。以较大差距。以40号刀柄的中型加工中心为例说明：号刀柄的中型加工中心为例说明：二、我国数控机床的状况二、我国数控机床的状况表表1 中型加工中心主要技术指
6、标对比表中型加工中心主要技术指标对比表 项项 目目国内国内国外国外主轴最高转速主轴最高转速/r.min-160006000100001000010000100004000040000快移速度快移速度/m.min-12424303060609090切除切除45#速度速度/cm3.min-1200200300300400400600600定位精度定位精度/mm(全行程全行程)0.010.010.0160.0160.0040.0040.0060.006平均无故障运行时间平均无故障运行时间/h50050060060010001000重复定位精度重复定位精度/mm0.0050.0050.0080.008
7、0.0020.0020.0030.0035 近年中国数控机床的产业化步伐正在以惊人的近年中国数控机床的产业化步伐正在以惊人的速度向前迈进！速度向前迈进！2003年全国数控机床产量达到年全国数控机床产量达到36813台，销售产值台，销售产值37.9亿美元，同比增长亿美元，同比增长47.73。2003年中国机床市场消费额年中国机床市场消费额75.4亿美元亿美元)，为位，为位居第居第2的德国市场消费额的的德国市场消费额的1.72倍，预计今年将超倍，预计今年将超过过90亿美元，打破美国人创造的世界记录。并且亿美元，打破美国人创造的世界记录。并且在在20年之内将保持遥遥领先于世界机床市场的位年之内将保持
8、遥遥领先于世界机床市场的位置。其结果：我国将成为世界机床生产、销售中置。其结果：我国将成为世界机床生产、销售中心，世界机床制造商加速向中国转移。心，世界机床制造商加速向中国转移。2010年左年左右有可能超过日本、德国，世界第一。右有可能超过日本、德国，世界第一。61.3 数控机床的组成和工作原理数控机床的组成和工作原理一、组成一、组成程序编制程序编制输入装置输入装置数控系统数控系统CNC机机 床床 图图1-1 数控机床的基本组成数控机床的基本组成伺服系统伺服系统加工程序加工程序辅助控制装置辅助控制装置测量反馈装置测量反馈装置7 1.加工程序加工程序 数控程序数控程序是把加工零件的所有运动、尺寸
9、、工艺参是把加工零件的所有运动、尺寸、工艺参数和辅助运动等加工信息，按规定的方法、格式和代码，数和辅助运动等加工信息，按规定的方法、格式和代码，所编制的程序。所编制的程序。2.输入装置输入装置 其作用其作用是将控制介质上的有关加工信息传递并存入是将控制介质上的有关加工信息传递并存入控制系统内。控制系统内。输入方式有输入方式有键盘输入键盘输入(MDI方式方式)和用计算机通信传和用计算机通信传输两种。输两种。3.数控系统数控系统 它是数控机床的核心，其功能是接受输入装置送来它是数控机床的核心，其功能是接受输入装置送来的脉冲信号，经过编译、运算和逻辑处理后，输出指令的脉冲信号，经过编译、运算和逻辑处
10、理后，输出指令控制机床的各个部分进行规定的动作。控制机床的各个部分进行规定的动作。8 4.伺服系统伺服系统 6.辅助控制装置辅助控制装置 它是数控系统的执行部分。它接受数控装置的是数控系统的执行部分。它接受数控装置的指令信息，经功率放大后，严格按指令信息要求驱指令信息，经功率放大后，严格按指令信息要求驱动机床的运动部件，完成指令规定的运动。动机床的运动部件，完成指令规定的运动。伺服系统由伺服驱动电路和伺服驱动装置组成。伺服系统由伺服驱动电路和伺服驱动装置组成。其作用是接受数控装置输出的主运动换向、变其作用是接受数控装置输出的主运动换向、变速、启停、刀具选择和交换等的指令信息，并发出速、启停、刀
11、具选择和交换等的指令信息，并发出控制辅助装置的指令。常用控制辅助装置的指令。常用PLC作辅助控制装置。作辅助控制装置。5.测量反馈装置测量反馈装置 其作用是检测数控机床各坐标轴的位移值并反其作用是检测数控机床各坐标轴的位移值并反馈到数控装置中，以便进行比较和纠正误差。馈到数控装置中，以便进行比较和纠正误差。9 7.机床机床 由主传动装置、进给传动装置、床身、工作台由主传动装置、进给传动装置、床身、工作台和辅助装置组成。和辅助装置组成。二、工作原理二、工作原理图图1-2 数控机床的工作原理图数控机床的工作原理图数控数控装置装置伺服伺服系统系统加工程序加工程序零件图零件图数控系统数控系统 机床机床
12、101.4 数控机床的分类数控机床的分类一、按控制系统的特点分类一、按控制系统的特点分类 图图1-3 点位控制数控机床的加工原理图点位控制数控机床的加工原理图11 2.直线直线控制数控机床控制数控机床 图图1-4 直线控制数控机床的加工原理图直线控制数控机床的加工原理图12 其特点其特点 3.轮廓控制数控机床轮廓控制数控机床 图图1-5 轮廓控制数控机床的加工原理图轮廓控制数控机床的加工原理图13 二二、按伺服系统分类、按伺服系统分类驱动电路驱动电路步进电机步进电机工作台工作台指令指令 图图1-6 开环控制框图开环控制框图1.开环伺服数控机床开环伺服数控机床 这类数控机床不带位置检测反馈装置这
13、类数控机床不带位置检测反馈装置。开环开环控制的数控机床工作比较稳定，反应快，调试方控制的数控机床工作比较稳定，反应快，调试方便，维修简单，但控制精度低，这类数控机床多便，维修简单，但控制精度低，这类数控机床多为经济型。为经济型。142.闭环控制数控机床闭环控制数控机床位置比位置比较电路较电路速度控速度控制电路制电路 伺服伺服电动机电动机 工作台工作台速度检测速度检测位置检测位置检测指令指令 图图1-7 闭环控制框图闭环控制框图 这类数控机床带有位置检测反馈装置。位置检测装置这类数控机床带有位置检测反馈装置。位置检测装置安装在机床工作台上，用以检测机床工作台的实际运行位安装在机床工作台上，用以检
14、测机床工作台的实际运行位置，并与置，并与CNC装置的指令位置进行比较，用差值进行控制。装置的指令位置进行比较，用差值进行控制。15 闭环控制系统的特点是：精度高、速度快、闭环控制系统的特点是：精度高、速度快、技术上要求高，成本较高。闭环控制系统的调试技术上要求高，成本较高。闭环控制系统的调试和维修比较复杂，其关键是系统的稳定性，系统和维修比较复杂，其关键是系统的稳定性，系统调试不好容易产生振荡，所以在设计时必须对稳调试不好容易产生振荡，所以在设计时必须对稳定性给予足够的重视。定性给予足够的重视。闭环控制系统主要应用于一些精度要求较高闭环控制系统主要应用于一些精度要求较高的数控车床、镗铣床和加工
15、中心等。的数控车床、镗铣床和加工中心等。16 3.半闭环控制数控机床半闭环控制数控机床 位置比位置比较电路较电路速度控速度控制电路制电路 伺服伺服电动机电动机 工作台工作台速度检测速度检测角度检测角度检测指令指令 图图1-8 半闭环控制框图半闭环控制框图 半闭环控制系统是将检测元件安装在电机或丝半闭环控制系统是将检测元件安装在电机或丝杠端部，检测角位移，其控制框图如下图所示。杠端部，检测角位移，其控制框图如下图所示。17 由于闭环环路内不包括丝杠、螺母副及工作由于闭环环路内不包括丝杠、螺母副及工作台，所以可以获得比较稳定的控制特性。其控制台，所以可以获得比较稳定的控制特性。其控制精度虽不如闭环
16、控制系统，但调试比较方便，因精度虽不如闭环控制系统，但调试比较方便，因此它广泛应用于中小型的此它广泛应用于中小型的CNC机床。机床。三、按照三、按照CNC装置的功能水平分类装置的功能水平分类 按照数控机床的功能水平对数控机床进行分类，按照数控机床的功能水平对数控机床进行分类，一般可以把数控机床分为高、中、低档三类一般可以把数控机床分为高、中、低档三类。1.分辨率和进给速度分辨率和进给速度 分辨率为分辨率为10 m，进给速度在进给速度在815m/min为为低低档档；分辨率为；分辨率为1 m,进给速度在进给速度在1524m/min为为中档中档；分辨率为分辨率为0.1 m，进给速度在进给速度在151
17、00m/min为为高档高档。18 2.伺服进给类型伺服进给类型 采用开环、步进电机进给系统为采用开环、步进电机进给系统为低档低档；中高档中高档则采用半闭环或闭环的直流伺服系统或交流伺服则采用半闭环或闭环的直流伺服系统或交流伺服系统。系统。3.联动轴数值联动轴数值 低档低档数控机床最多联动轴数为数控机床最多联动轴数为23轴，而轴，而中、中、高档高档则为则为35轴以上。轴以上。4.通信功能通信功能 低档低档数控机床一般无通信功能。数控机床一般无通信功能。中档中档可以有可以有RS-232或或DNC（direct numerical control)接口。接口。高档高档的还可以有的还可以有MAP（ma
18、nufacturing automation protocol）通信接口，具有联网功能。通信接口，具有联网功能。19 5.显示功能显示功能 低档低档的数控机床一般只有简单的数码管显示的数控机床一般只有简单的数码管显示或简单的或简单的CRT字符显示。而字符显示。而中档中档数控机床则具有数控机床则具有较齐全的较齐全的CRT显示，不仅有字符显示，而且有图显示，不仅有字符显示，而且有图形显示，人机对话功能，自诊断等功能。形显示，人机对话功能，自诊断等功能。高档高档数数控机床还有三维图形显示。控机床还有三维图形显示。6.内置内置PLC 低档低档数控机床一般无内置数控机床一般无内置PLC，中高档中高档都有内都有内置置PLC。高档高档数控机床有功能强大的内置数控机床有功能强大的内置PLC，且具有轴控制的扩展功能。且具有轴控制的扩展功能。20 7.主主CPU 低档低档数控一般采用数控一般采用8位位CPU，中档及高档中档及高档已经已经逐步由逐步由16位位CPU向向32位位CPU过渡。外国的一些新过渡。外国的一些新的数控系统已经选用了的数控系统已经选用了64位位CPU，并选用具有精并选用具有精简指令集的简指令集的RISC中央处理单元，以提高系统的运中央处理单元，以提高系统的运算速度。算速度。21
