1、2:2412:2422:2432:244 1-1 数控系统及数控机床的基本概念数控系统及数控机床的基本概念 第一章第一章 绪绪 论论 一、定义一、定义 1.数字控制数字控制(数控数控NC)(Numerical Control)它是指用数字化信号对机床运动及其加工过它是指用数字化信号对机床运动及其加工过程中进行控制的一种方法。程中进行控制的一种方法。2.数控系统（数控系统（NC Control System）数控设备的数据处理和控制电路以及伺服机数控设备的数据处理和控制电路以及伺服机构等统称构等统称数控控制系统数控控制系统。它由程序输入、输出设。它由程序输入、输出设备、计算机数字控制装置、可编程
2、控制器、主轴备、计算机数字控制装置、可编程控制器、主轴进给及驱动装置等组成。进给及驱动装置等组成。2:245 数控机床数控机床是一种装有程序控制系统（数控系是一种装有程序控制系统（数控系统）的高效自动化机床。它综合了综合了计算机统）的高效自动化机床。它综合了综合了计算机、自动控制、精密测量、机床的机构设计与制造、自动控制、精密测量、机床的机构设计与制造等方面的最新成果。等方面的最新成果。3.数控机床（数控机床（NC Machine Tools）4、数控系统（数控系统（Numerical Control System）实现数字控制的装置。实现数字控制的装置。5、计算机数控系统（计算机数控系统（C
3、omputer Numerical Control CNC）以计算机为核心的数控系统。）以计算机为核心的数控系统。2:2467、并联机床：新一代机床的发展趋势，进一步、并联机床：新一代机床的发展趋势，进一步满足超精密，超高速。满足超精密，超高速。6、加工中心、加工中心MC：数控机床配有刀具：数控机床配有刀具库和自动换刀装置就构成加工中心，它库和自动换刀装置就构成加工中心，它可以一次装夹并进行多工序加工。可以一次装夹并进行多工序加工。2:247驱动杆机架 动平台主轴电机伺服电机主轴刀具柔性夹具工件静平台图图1-1 1-1 并联机床结构示意图并联机床结构示意图驱动并联化驱动并联化并联加工并联加工中
4、心中心（又称（又称6 6条条腿数控机腿数控机床、虚轴床、虚轴机床）是机床）是数控机床数控机床在结构上在结构上取得的重取得的重大突破大突破2:248 1-2 现代数控机床的特点和发展趋势现代数控机床的特点和发展趋势一、特点一、特点1.对加工对象的适应性强。对加工对象的适应性强。2.生产效率和加工精度高、加工质量稳定。生产效率和加工精度高、加工质量稳定。3.能完成复杂型面的加工。能完成复杂型面的加工。2:249 5.数控机床是一种高技术的设备。数控机床是一种高技术的设备。它具有故障诊断的能力，监控功能强，能减轻它具有故障诊断的能力，监控功能强，能减轻操作者的劳动强度、实现加工自动化和操作简单操作者
5、的劳动强度、实现加工自动化和操作简单化，有利于生产管理的现代化和有利于向高级计化，有利于生产管理的现代化和有利于向高级计算机控制与管理方面发展算机控制与管理方面发展 4.工序集中，一机多用。工序集中，一机多用。3.需要高度熟练和经过适当培训的零件编程员。需要高度熟练和经过适当培训的零件编程员。缺点：缺点：1.造价相对较高。造价相对较高。2.测试和维修比较复杂，需要专门的技术人才。测试和维修比较复杂，需要专门的技术人才。2:2410 二、数控机床的发展趋势二、数控机床的发展趋势 高速度高速度:以发展高速切削为先导（最高转速以发展高速切削为先导（最高转速达达80000r/min以上），并重视对空行
6、程的提速以上），并重视对空行程的提速(最最高进给速度达高进给速度达80m/min)，力求达到更大的加工效，力求达到更大的加工效率。率。2 高效率：在注重提高机床材料去除率的同高效率：在注重提高机床材料去除率的同时，大力推进以缩短加工过程链为目标的复合加工时，大力推进以缩短加工过程链为目标的复合加工技术。技术。3 高柔性：机床及其制造系统的柔性化将在高柔性：机床及其制造系统的柔性化将在可重组技术的支持下，通过对制造系统的快速重可重组技术的支持下，通过对制造系统的快速重组实现敏捷和经济地适应不确定市场对产品多变组实现敏捷和经济地适应不确定市场对产品多变地要求。地要求。2:2411 5高环保：机床地
7、绿色设计与制造以重视环高环保：机床地绿色设计与制造以重视环保的净洁生产为重点，干切削或微量切削液的高效保的净洁生产为重点，干切削或微量切削液的高效加工技术日趋成熟。加工技术日趋成熟。4 高精度：数控车、铣、磨等机床地工作精高精度：数控车、铣、磨等机床地工作精度正以平均每年提升度正以平均每年提升8%10%地幅度向纳米级精地幅度向纳米级精度迈进。度迈进。2:2412 三、数控机床的产生和发展现状三、数控机床的产生和发展现状1、数控设备的发展历史、数控设备的发展历史 19521952年，三坐标连续控制铣床的系统研究成年，三坐标连续控制铣床的系统研究成功。电子管元件功。电子管元件 、晶体管元件、晶体管
8、元件、集成电集成电路数控系统路数控系统 、大规模集成电路及小型计算、大规模集成电路及小型计算机和，微处理机和微型计算机。机和，微处理机和微型计算机。数控加工中心（数控加工中心（machining centermachining center）的出现）的出现使单机数控自动化向计算机控制的多机制造使单机数控自动化向计算机控制的多机制造系统自动化方向发展。系统自动化方向发展。2:2413 随着计算机技术和控制技术的发展，出现了随着计算机技术和控制技术的发展，出现了直接数字控制系统（直接数字控制系统（DNC）、柔性制造系统）、柔性制造系统(FMS)、计算机集成制造系统、计算机集成制造系统(CIMS)。
9、1快速原型法（又称快速成形法）快速原型法（又称快速成形法）2虚拟制造技术虚拟制造技术 3柔性制造系统柔性制造系统(FMS)4柔性制造单元（柔性制造单元（FMC）5计算机集成制造系统计算机集成制造系统(CIMS)2:24142、直接数字控制系统直接数字控制系统 DNC系统是用一台计算机直接控制和管理一系统是用一台计算机直接控制和管理一群数控机床进行零件加工或装配的系统。计群数控机床进行零件加工或装配的系统。计算机将一组数控机床与存储有零件加工程序算机将一组数控机床与存储有零件加工程序和机床控制程序的公共存储器相连接，根据和机床控制程序的公共存储器相连接，根据加工要求想向机床分配数据和指令。加工要
10、求想向机床分配数据和指令。DNC系统可分为间接控制型和直接控制型两系统可分为间接控制型和直接控制型两种。种。2:2415（1）、）、间接控制型系统间接控制型系统 2:2416（2 2）、直接控制型系统）、直接控制型系统 2:24173、柔性制造单元和柔性制造系统柔性制造单元和柔性制造系统（1）、）、柔性制造单元柔性制造单元：由中心控制计算：由中心控制计算机、加工中心与自动交换工件（机、加工中心与自动交换工件（AWC、APC）装置所组成。）装置所组成。中心控制计算机负责作业调度、自动检中心控制计算机负责作业调度、自动检测与工况自动监控等功能测与工况自动监控等功能。2:2418（2）、）、柔性制造
11、系统柔性制造系统 一般由加工、物流、信息流三个子系统组成。一般由加工、物流、信息流三个子系统组成。加工系统：由加工系统：由CNC机床按机床按DNC的控制方式构的控制方式构成。成。系统中的机床，有互补和互替两种配置原则：系统中的机床，有互补和互替两种配置原则：互补是指在系统中配置有完成不同工序的机床；互补是指在系统中配置有完成不同工序的机床；互替是指在系统中配置有相同功能的机床。互替是指在系统中配置有相同功能的机床。2:2419物流系统包括工件和刀具两个子系统。物流系统包括工件和刀具两个子系统。刀具系统设有中央刀库，由机器人在中央刀具系统设有中央刀库，由机器人在中央和各机床的刀库之间进行输送和交
12、换刀具。和各机床的刀库之间进行输送和交换刀具。工件系统包括工件、夹具的输送、装卸以工件系统包括工件、夹具的输送、装卸以及仓储等装置。及仓储等装置。2:24202:2421信息流系统包括作业计划，加工系统和信息流系统包括作业计划，加工系统和物流系统的调度与自动控制，在线状态物流系统的调度与自动控制，在线状态监控及其数据和信息处理，以及故障在监控及其数据和信息处理，以及故障在线检测和处理等。线检测和处理等。2:24224、计算机集成制造系统计算机集成制造系统 CIMS采用现代计算机技术将制造工厂全部生产活采用现代计算机技术将制造工厂全部生产活动所需的各种分散的自动化系统有机地集成动所需的各种分散的
13、自动化系统有机地集成起来起来。CIMS将计算机辅助设计（将计算机辅助设计（CAD）、计算机）、计算机辅助制造辅助制造(CAM)、计算机辅助管理集成在一、计算机辅助管理集成在一起起。2:24231-3 数控机床的工作原理和组成数控机床的工作原理和组成一、组成一、组成2:2424程序编制程序编制输入装置输入装置数控装置数控装置CNC伺服驱动及伺服驱动及位置检测位置检测辅助控制辅助控制即强电控制装置即强电控制装置机床机床主运动机构主运动机构进给运动机构进给运动机构辅助动作机辅助动作机构构图图1-1 数控机床的组成框图数控机床的组成框图2:24252:2426（一）程序编制及程序载体（一）程序编制及程
14、序载体 数控程序数控程序是数控机床自动加工零件的工作指令。是数控机床自动加工零件的工作指令。即把加工零件的所有运动、尺寸、工艺参数等加工即把加工零件的所有运动、尺寸、工艺参数等加工信息，按规定的方法、格式和代码，所编制的程序。信息，按规定的方法、格式和代码，所编制的程序。程序载体存放程序以便输入到数控装置的装置。程序载体存放程序以便输入到数控装置的装置。（二）输入装置（二）输入装置 将所输入的程序载体上的数控程序变成相应的将所输入的程序载体上的数控程序变成相应的电脉冲信号，传送并存入数控装置内。电脉冲信号，传送并存入数控装置内。（三）数控装置及强电控制装置（三）数控装置及强电控制装置 数控装置
15、是接受输入装置送来的脉冲信号，经数控装置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，输出指令控制机床的过编译、运算和逻辑处理后，输出指令控制机床的各个部分，按程序动作的装置。各个部分，按程序动作的装置。2:2427 （四）伺服驱动系统及位置监测装置（四）伺服驱动系统及位置监测装置（五）机床的机械部件（五）机床的机械部件 强电控制装置是介于数控装置和机床机械、强电控制装置是介于数控装置和机床机械、液压部件之间的控制系统。其主要作用是编译、液压部件之间的控制系统。其主要作用是编译、判断和功率放大。判断和功率放大。伺服驱动系统由伺服驱动电路和伺服驱动装置伺服驱动系统由伺服驱动电路和伺服
16、驱动装置组成，并与机床的执行部件和机械传动部件组成数组成，并与机床的执行部件和机械传动部件组成数控机床的进给系统。控机床的进给系统。机械部件包括主运动部件、进给运动执行部件、机械部件包括主运动部件、进给运动执行部件、床身、冷却、定位夹紧装置等。床身、冷却、定位夹紧装置等。2:2428二、工作原理二、工作原理编程手册数控机床的工作原理图机床 数控装置输入装置穿孔带随动进给系统穿孔机编程卡片加工图样图图1-2 数控机床的工作原理图数控机床的工作原理图编程手册编程手册加工图样加工图样编程机编程机穿孔机或存储装置穿孔机或存储装置穿孔带、磁盘等穿孔带、磁盘等输入装置输入装置数控装置数控装置随动进给系统随
17、动进给系统 机床机床2:2429 1-4 数控机床的分类数控机床的分类 一、一、按机床运动轨迹分类按机床运动轨迹分类 1.点位控制数控机床点位控制数控机床 为点到点控制，只要刀具从某一位置向另一为点到点控制，只要刀具从某一位置向另一位置移动时，不管中间的轨迹如何，只要刀具最位置移动时，不管中间的轨迹如何，只要刀具最后能正确到达目标位置的控制方式，称为后能正确到达目标位置的控制方式，称为点位控点位控制制。这类机床有数控钻床、数控坐标镗床、数控。这类机床有数控钻床、数控坐标镗床、数控冲剪床等。冲剪床等。2:2430图图1-3 点位控制加工原理图点位控制加工原理图2:2431 2.直线控制数控机床直
18、线控制数控机床图图1-4 直线控制的加工原理图直线控制的加工原理图 除点到点的准确位置之外，还要保证两点之除点到点的准确位置之外，还要保证两点之间移动的轨迹是直线，而且对移动的速度也要进间移动的轨迹是直线，而且对移动的速度也要进行控制，以便适应随工艺因素变化的不同需要。行控制，以便适应随工艺因素变化的不同需要。简易数控车床、数控镗铣床，一般有简易数控车床、数控镗铣床，一般有2 3个可个可控坐标轴，但同时控制的坐标轴只有一个。控坐标轴，但同时控制的坐标轴只有一个。2:2432 3.轮廓控制的数控机床轮廓控制的数控机床 能够对两个或两个以上运动坐标的位移及速能够对两个或两个以上运动坐标的位移及速度
19、进行连续相关的控制，因而可进行曲线或曲面度进行连续相关的控制，因而可进行曲线或曲面的加工。的加工。图图1-5 2轴控制，同时控制两个坐标轴控制，同时控制两个坐标2:2433 3轴联动，轴联动，(3轴控制轴控制)4轴控制轴控制 图图1-6 多轴联动数控加工的原理图多轴联动数控加工的原理图 5轴联动加工轴联动加工 5轴联动加工轴联动加工2:2434 二二、按伺服系统分类、按伺服系统分类1.开环伺服数控机床开环伺服数控机床 开环控制系统是指不带反馈的控制系开环控制系统是指不带反馈的控制系统统.其特点其特点:开环控制具有结构简单、系统稳开环控制具有结构简单、系统稳定、容易调试、成本低等优点。但是系统定
20、、容易调试、成本低等优点。但是系统对移动部件的误差没有补偿和校正，所以对移动部件的误差没有补偿和校正，所以精度低。一般适用于经济型数控机床和旧精度低。一般适用于经济型数控机床和旧机床数控化改造。机床数控化改造。2:2435图图1-7开环控制系统开环控制系统2:24362.闭环控制数控机床闭环控制数控机床2:2437图图1-8闭环控制系统闭环控制系统2:2438 1 1）半闭环控制系统是在开环系统的丝杠上装有角位移测量装）半闭环控制系统是在开环系统的丝杠上装有角位移测量装置，通过检测丝杠的转角间接地检测移动部件的位移，反馈置，通过检测丝杠的转角间接地检测移动部件的位移，反馈到数控系统中，由于惯性
21、较大的机床移动部件不包括在检测到数控系统中，由于惯性较大的机床移动部件不包括在检测范围之内，因而称作半闭环控制系统，如图范围之内，因而称作半闭环控制系统，如图1 1-7-7所示。所示。2 2）系统闭环环路内不包括机械传动环节，可获得稳定的控制）系统闭环环路内不包括机械传动环节，可获得稳定的控制特性。机械传动环节的误差，可用补偿的办法消除，可获得特性。机械传动环节的误差，可用补偿的办法消除，可获得满意的精度。中档数控机床广泛采用半闭环数控系统。满意的精度。中档数控机床广泛采用半闭环数控系统。3.半闭环控制数控机床半闭环控制数控机床 2:2439图图1-9半闭环控制系统半闭环控制系统2:2440
22、三、三、按加工工艺类型的分类按加工工艺类型的分类 1.普通数控机床普通数控机床 2.数控加工中心数控加工中心 3 金属成型类数控机床金属成型类数控机床 这类数控机床和传统的通用机床一样，有车、这类数控机床和传统的通用机床一样，有车、铣铣、钻、镗、磨床等，与通用机床不同的是他能、钻、镗、磨床等，与通用机床不同的是他能加工具有复杂形状的零件。加工具有复杂形状的零件。这是一种在普通数控机床上加装一个刀具库这是一种在普通数控机床上加装一个刀具库和自动换刀装置而构成的数控机床。和自动换刀装置而构成的数控机床。数控折弯机、数控弯管机、数控回转头压力机。数控折弯机、数控弯管机、数控回转头压力机。2:2441
23、 4.数控特种加工机床数控特种加工机床 数控线切割机床、数控电火花加工机床、数数控线切割机床、数控电火花加工机床、数控激光切割机床。控激光切割机床。2:2442四、四、按用数控装置的类型分类按用数控装置的类型分类 1、硬件式数控机床、硬件式数控机床 2、软件式数控机床、软件式数控机床使用硬件式数控装置。改变或增、减控制、使用硬件式数控装置。改变或增、减控制、运算功能时，需要改变数控装置的硬件电运算功能时，需要改变数控装置的硬件电路。通用性、灵活性差，制造周期长，成路。通用性、灵活性差，制造周期长，成本高。本高。使用计算机数控装置。主要功能由系统使用计算机数控装置。主要功能由系统软件来完成。无需改变系统硬件，只需软件来完成。无需改变系统硬件，只需改变系统软件，即可改变系统功能。改变系统软件，即可改变系统功能。2:2443五、五、按用数控装置的功能水平分按用数控装置的功能水平分类类可以根据一些功能和指标将数控机床分可以根据一些功能和指标将数控机床分为低、中、高档三类。其中中、高档称为低、中、高档三类。其中中、高档称为全功能数控或标准数控。经济型数控为全功能数控或标准数控。经济型数控属于低档数控，由单板机、单片机和步属于低档数控，由单板机、单片机和步进电机组成数控系统，功能简单，价格进电机组成数控系统，功能简单，价格低。低。2:2444
