1、福州大学机械工程及自动化学院福州大学机械工程及自动化学院 Numerical Control TechnologyNumerical Control Technology E_MAIL: nxg E_MAIL: nxg 数数 控控 技技 术术 Copyright：聂 晓 根 学习数控技术课程的要求 一、掌握数控技术中的一些重要概念一、掌握数控技术中的一些重要概念 如：数控、数控编程、插补 、刀具补偿、后置处 理、机床回零点、脉冲当量、伺服系统、柔性制造系 统、动态特性等 二、掌握数控机床中关键元器件的选择计算二、掌握数控机床中关键元器件的选择计算 如：滚珠丝杆、直线导轨、步进电机、伺服电机、
2、伺服驱动器、编码器、光栅尺、运动控制卡及数控系 统等的选择 三、具有的应用能力三、具有的应用能力 1、掌握数控程序编写技能，能手工编写中等复杂程 度零件加工的数控程序。 2、知晓提高数控机床加工精度的基本方法与措施。 3、了解当前数控技术的发展趋势。 4、具有基本的开发专用数控机床的能力。 5、知晓数种国内、外数控系统厂商及其产品特点， 知晓正确选择数控机床的原则和方法。 2020/5/10 教学方式方法 1、知识来源： 书本知识相关文献现场经验 2、教学方法： 教师课堂授课 图形、图像展示与影像播放 学生课堂实践 实验 习题 2020/5/10 出勤率出勤率(10)+作业作业(10)+实验实
3、验(10)+考试考试(70) 免考条件：免考条件： 在本课程学习中有突出表现。在本课程学习中有突出表现。 获奖获奖 创新见解创新见解 考核方式考核方式 2020/5/10 制造业是国民经济的支柱产业，没有制造业的发展，制造业是国民经济的支柱产业，没有制造业的发展， 就没有今天人类的现代物质文明。没有制造能力的民族就没有今天人类的现代物质文明。没有制造能力的民族 是没有竞争力的民族，是不能抵御外来侵略而任人宰割是没有竞争力的民族，是不能抵御外来侵略而任人宰割 的民族，制造业的兴衰关系到国家的国际竞争力和国家的民族，制造业的兴衰关系到国家的国际竞争力和国家 安全。安全。而制造业的兴衰和发展很大程度
4、上取决于制造装而制造业的兴衰和发展很大程度上取决于制造装 备的技术水平和现代化程度，装备技术水平和现代化程备的技术水平和现代化程度，装备技术水平和现代化程 度决定着整个国民经济的水平和现代化程度，是关系到度决定着整个国民经济的水平和现代化程度，是关系到 国家战略地位和体现国家综合国力水平的重要基础性产国家战略地位和体现国家综合国力水平的重要基础性产 业，其水平高低是衡量一个国家制造业现代化程度的核业，其水平高低是衡量一个国家制造业现代化程度的核 心标志。心标志。实现加工机床及生产过程数控化，已经成为当实现加工机床及生产过程数控化，已经成为当 今制造业的发展方向。因此，可以预言今制造业的发展方向
5、。因此，可以预言: : 机械制造的竞机械制造的竞 争，其实质就是数控的竞争！争，其实质就是数控的竞争！ 2020/5/10 数控技术集成了传统的机械制造，当今的先进结构、驱数控技术集成了传统的机械制造，当今的先进结构、驱 动、传动、液压气动、切削、检测、信息处理、网络通讯、动、传动、液压气动、切削、检测、信息处理、网络通讯、 电子、仪表、电控、计算机、光机电、自动控制理论、人工电子、仪表、电控、计算机、光机电、自动控制理论、人工 智能、曲面数学分析等多学科的尖端技术，是现代先进制造智能、曲面数学分析等多学科的尖端技术，是现代先进制造 技术技术(AMT(AMT- -Advanced Manufa
6、cturing Technology)Advanced Manufacturing Technology)的基础和的基础和 核心。核心。它把传统制造业推进到了信息化制造时代，是现代工它把传统制造业推进到了信息化制造时代，是现代工 业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础，是一种知识密业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础，是一种知识密 集型和资金密集型的技术。它不仅是提高产品质量和劳动生集型和资金密集型的技术。它不仅是提高产品质量和劳动生 产率必不可少的物质手段，而且是现代各种新兴技术或尖端产率必不可少的物质手段，而且是现代各种新兴技术或尖端 技术得以存在或发展的技术得以存在或发展的“使能技术使
7、能技术”。以它为基础的相关产。以它为基础的相关产 业是关系到国家战略地位和体现国家综合国力水平的重要基业是关系到国家战略地位和体现国家综合国力水平的重要基 础性产业，其技术水平高低已成为衡量一个国家工业现代化础性产业，其技术水平高低已成为衡量一个国家工业现代化 水平的重要标志。水平的重要标志。 当今，几乎所有的国家都把先进制造技术看成是科技发当今，几乎所有的国家都把先进制造技术看成是科技发 展最活跃的领域，是国际间科技经济竞争的主战场，是国展最活跃的领域，是国际间科技经济竞争的主战场，是国 家经济获得成功的关键技术。世界各国，特别是各工业大家经济获得成功的关键技术。世界各国，特别是各工业大 国
8、国( (如美国、日本、西欧等如美国、日本、西欧等) )竞相发展先进制造技术，以占竞相发展先进制造技术，以占 据机械制造业的霸主地位。我们国家也将其列入当今重点据机械制造业的霸主地位。我们国家也将其列入当今重点 发展的前沿技术。发展的前沿技术。 作者：聂晓根 福州大学机械工程及自动化学院福州大学机械工程及自动化学院 Numerical Control TechnologyNumerical Control Technology E_MAIL: nxg E_MAIL: nxg 第一章第一章 数控技术基础数控技术基础 2020/5/10 本本 章章 内内 容容 学习目的与要求学习目的与要求 第一节第
9、一节 数控机床的基本概念数控机床的基本概念 第二节第二节 数控机床的分类与应用数控机床的分类与应用 第三节第三节 数控机床的发展数控机床的发展 小结小结 2020/5/10 本章主要学习和掌握数控机床的组成、基 本工作原理、数控机床的产生、分类、数控机 床的特点及应用范围和数控机床的发展等方面 的知识和概念。 学习目的与要求： 2020/5/10 第一节 数控机床的基本概念 一、数控机床的基本概念 二、数控机床的产生 三、数控机床的组成和工作原理 四、数控机床涉及的基本技术 2020/5/10 一、数控机床的基本概念 数字控制(Numerical Control简称NC)：是近代发展起来的用
10、数字化信号（数字指令方式）对机床运动及其加工过程进行控制 的一种自动控制技术。 1、数字控制 (简称数控) 早期数控产品主要由硬件来实现插补等运算功能，数控(NC) 现已发展为CNC (Computer Numerical Control 计算机数控)： CNC一般采用通用或专用计算机（软件）实现数字程序控制 。 N003 G90 G01 X+35. Y+279.3 Z-429.7 S1000 T02 F500 M07； 如：如： NC已成为数控加工的专用术语。 数字控制包括运动（轨迹）控制运动（轨迹）控制和和逻辑（开关量）控制。逻辑（开关量）控制。 运动控制:运动控制是数控系统最核心的任务，
11、主要有轨 迹插补、刀具补偿、速度处理、位置控制、限位急停等，位置 控制实时响应为1-2毫秒；运动轨迹由插补指令实现。插补指 令越丰富，数控功能越强。 开关量控制：是为配合数控加工所需的开关动作提高控制 ，如程序停、冷却液开停、主轴正反转等等。由辅助功能指令 实现。 2020/5/10 数控系统(NC System) ：采用了数控技术的控制系统。 2、数控系统 数控系统的本质：位置调节系统。 它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和与机械能 量流向有关的开关量。 核心：数控装置。 包括系统配置与重构、参数设置、加工程 序输入与编辑、故障诊断、加工信息等显示以及与外 部通讯等任务，这类任务实时性
12、要求不高。 数控系统任务： 两大类 控制 管理 运动（轨迹）控制 逻辑（开关量）控制 数控装置 2020/5/10 主要应用于：主要应用于：机床、自动线、机器人、火炮、雷机床、自动线、机器人、火炮、雷 达跟踪等自动化设备。达跟踪等自动化设备。 数控单元数控单元 伺服驱动伺服驱动 电器控制电器控制 数控系统数控系统 1.1 数控机床的基本概念数控机床的基本概念 2020/5/10 数控技术在制造装备中的的应用数控技术在制造装备中的的应用 简化机械结构简化机械结构 缩短制造周期缩短制造周期 提高制造精度提高制造精度 提升装备性能提升装备性能 1.1 数控机床的基本概念数控机床的基本概念 2020/
13、5/10 数字控制机床(Numerically Controlled Machine Tool)：简 称数控机床，用数字化的信息实现控制的机床，或指装备了 数控系统的机床。 3、数字控制机床 数控机床就是将加工过程所需的各种操作(如主轴变速、 松夹工件、进刀与退刀、开车与停车、自动关停冷却液等)和 步骤以及工件的形状尺寸用数字化的代码表示，通过控制介质 (如穿孔纸带或磁盘等)将数字信息送入数控装置，数控装置对 输入的信息进行处理与运算，发出各种控制信号，控制机床的 伺服系统或其他驱动元件，使机床自动加工出所需要的工件。 数控 装置 伺服 系统 加工程序 工件 数控机床是一种综合应用了微电子技术
14、、计算机技术、自 动控制、精密测量和机床结构等方面的最新成就而发展起来的 高效自动化精密机床，是一种典型机、电、液、气、光高度一 体化的产品。它集高效率、高精度和高稳定性于一身，代表了 机床的主要发展方向。它是机械加工自动化的核心设备。 数控机床的诞生与发展，有效地解决了一系列生产上的矛 盾，为单件、小批量精密复杂零件的加工提供了自动化加工手 段。 数控技术是现代先进制造技术的基础，其技术水平和普数控技术是现代先进制造技术的基础，其技术水平和普 及程度是衡量国家综合国力和工业现代化程度的重要标志。及程度是衡量国家综合国力和工业现代化程度的重要标志。 2020/5/10 数控机床的技术水平是制造
15、业持续发展的保证数控机床的技术水平是制造业持续发展的保证 数控系统是数控机床的核心数控系统是数控机床的核心; ; 数控机床整体水平和拥有量，将体现一数控机床整体水平和拥有量，将体现一 个国家工业现代化的水平个国家工业现代化的水平; ; 高档数控机床是国家的战略物资，是一高档数控机床是国家的战略物资，是一 个国家综合国力与实力的重要体现。个国家综合国力与实力的重要体现。 1.1 数控机床的基本概念数控机床的基本概念 2020/5/10 高档数控机床是西方对我国封锁与限制的重点高档数控机床是西方对我国封锁与限制的重点 中国不能没有自己的数控技术中国不能没有自己的数控技术 东芝事件东芝事件 考克斯报
16、告考克斯报告 1.1 数控机床的基本概念数控机床的基本概念 2020/5/10 数控机床是制造装备的主流装备数控机床是制造装备的主流装备 数控机床广泛应用于制造业的各个领域数控机床广泛应用于制造业的各个领域 IC装备装备 船舶制造装备 纺织印染装备纺织印染装备 汽车制汽车制 造装备造装备 军工军工 制造装备制造装备 1.1 数控机床的基本概念数控机床的基本概念 我国第一台数控机床 2020/5/10 数控车床 2020/5/10 现代数控车床 2020/5/10 立式立式 数控数控 车床车床 2020/5/10 数控加工中心 2020/5/10 加工中心加工中心 2020/5/10 大型数控磨
17、床 2020/5/10 电火花线切割机床 2020/5/10 数控电火花成型加工机床 2020/5/10 德国DS Technologie公司推 出的Ecospeed大型5坐标卧 式加工中心，用于加工飞机 机身的结构件 并联机床并联机床 2020/5/10 CIMS系统系统 2020/5/10 加工过程和刀 具交换自动化 主要特点： 信息化的车铣加工中心 日本Mazake 410H型车铣复合加工中心 进行零件的完 整加工 配备了计算机 、手机、数码 相机，能够实 现语音、图形 、视像和文本 的通信功能。 能与MES、 SCM和CRM 联网，及时反 映工作地的状 态、加工进度 、物料和刀具 需求
18、 手机查询定单 完成情况 发生故障时及 时报警 MES Manufacturing Execution System 制造执行系统 SCM Supply Chain Management 供应链管理 CRM Customer Relationship Management 客户关系管理 2020/5/10 数控机床的构成 2020/5/10 4、数控机床的特点 1.复杂零件加工 2.高精度 3.加工稳定可靠 4.高柔性、适应性强 5.高生产率 6.劳动条件好、操作简单、减轻操作者的劳动强度 7.有故障诊断和监控能力 8.有利于管理现代化 9.投资大，使用费用高 10.生产准备工作复杂、维修困难
19、 2020/5/10 二、数控机床的产生 推动推动 数控机床的产生数控机床的产生 1.原因原因社会生产发展（军备竞赛的产物）社会生产发展（军备竞赛的产物） 2.目的目的解决单件、中小批量精密复杂零件的加工问题解决单件、中小批量精密复杂零件的加工问题 社会需要与技术进步社会需要与技术进步 当时的生产状况当时的生产状况 机械加工的发展过程机械加工的发展过程 3.时间时间1952 1959 1965 电子管、晶体管、小规模集成电路 2020/5/10 随着科学技术和社会生产的迅速发展，机械产品日趋复 杂，社会对机械产品的质量和生产率提出了越来越高的要求 。 1、社会需要与技术进步、社会需要与技术进步
20、 微电子技术、计算机技术、自动控制、精密测量等技 术得到了空前发展。 2020/5/10 2、当前的生产状况、当前的生产状况 单件与小批生产占机械加工总量的80、改型频繁、品种 多、形状复杂，外观多样性、精度要求高。 为解决上述这些问题，一种以数字指令方式控制的、灵活、 通用、高精度、高效率的“柔性”自动化生产设备数控机床 在这种情况下应运而生，并得到了惊人的发展。 数控机床较好地满足了这种生产需要 。 如:在航空航天、造船、军工和模具等工业中，零件精度 高、形状复杂、批量小、经常改动、加工困难、生产效率低、 劳动强度大，质量难以保证。 2020/5/10 3、机械加工的发展过程： 通用机床：
21、单件小批量、适应加工各种零件，效益低。 自动机床：如专用机床、仿型机床等，应用范围窄。 组合机床：大批量、生产率最高，只能专用，不易转产。 生产线：流水线(通用与组合机床)、自动生产线(组合机床)， 专用，不能转产。 柔性制造系统：由数控机床与机器人等构成，适应性强。 机械加工的发展过程反映了科学技术的发展促进了先进 加工技术的发展，也满足了社会对生产新产品、保证产品质 量和提高生产效益的需求，降低了生产成本。 2020/5/10 三、数控机床的组成和工作原理 数控机床的组成：由图中7个部分组成。 程序载体 输入装置 数控装置 伺服系统 强电控制 装置 检测装置 机床 数控机床的逻辑组成 20
22、20/5/10 主轴伺 服单元 数 控 装 置 输出设 备 P L C 进给伺 服单元 主 轴 电机 进 给 电机 位 置 检测 机 床 本 体 接口电路 操作面 板 输入设 备 数控机床的逻辑组成 2020/5/10 1、程序载体 程序载体是存贮工件加工程序的载体。它是联系人与机床的 中间媒介物（或称控制介质）。常有穿孔带、磁带、磁盘等， 或键盘直接输入。 程序载体程序载体 输入装置 数控装置 伺服系统 强电控制 装置 检测装置 机床 加工程序包含加工零件的几何和工艺信息；刀具与工件相对 运动的坐标参数；工艺路线和顺序；主运动和进给运动的工 艺参数以及各种辅助操作。 程序用规定的格式编制，可
23、手工编程或计算机编程。 2020/5/10 穿孔带穿孔带：是早期的程序载体，常为八单位标准穿孔带，有各种 颜色的纸带、塑料带或金属带。每行有九个孔，其中小孔为同步 孔。 信息按规定的格式存贮在穿孔带上，是一种二进制代码，每行代 表一个十进制数字、字母或符号。我国使用ISO代码。 同步孔的作用 避免误读代码 由于穿孔带一 行表示一个代 码，要求瞬时 被读入，通过 孔径略小的同 步孔发“读入 ”信号，可实 现高速读取代 码而不出错。 2020/5/10 2、输入装置 输入装置是从程序载体中读入工件加工程序的装置。将程序载 体上的数控代码信息转换成相应的电脉冲信号传送到数控装置 的内存贮器中。 程序
24、载体 输入装置输入装置 数控装置 伺服系统 强电控制 装置 检测装置 机床 输入装置最早使用光电阅读机对穿孔带进行阅读，以后使用磁 带机、软盘驱动器，或手工方式（MDI）直接从键盘输入内存 贮器，以及用通信方式由计算机直接传送给数控装置。 2020/5/10 光电阅读机：光电阅读机：主动轮4始终匀速旋转。开始时，当电磁铁6 吸合，穿孔带被带动从光源1、聚集镜2和9只光敏元件7之间 通过，将穿孔带上的代码转换成相应的电脉冲信号，经放大 整形，输入数控装置译码和寄存。 结束时，制动电磁铁 5吸合，启动电磁铁6 复位，将穿孔带压向 制动柱3，实现快速 制动。可避免电机的 惯性。 2020/5/10
25、3、数控装置 程序载体 输入装置 数控装置数控装置 伺服系统 强电控制 装置 检测装置 机床 数控装置（CNC装置)：是数控机床关键的环节。是由CPU、 存储器、总线、功能部件和相应软件组成的专用计算机。 其功能是接受输入装置和反馈装置送来的信号，进行运 算、处理后，输出各种信号和指令，控制机床可部分按程序 的要求实现操作或运动。 2020/5/10 数控装置主要功能如下： 多轴联动、多坐标控制。多轴联动、多坐标控制。 多种函数插补：直线、圆弧、抛物线、螺旋线、样条等。多种函数插补：直线、圆弧、抛物线、螺旋线、样条等。 多种程序输入功能。多种程序输入功能。 信息转换功能：信息转换功能：EIA/
26、ISOEIA/ISO、公制、公制/ /英制、绝对值英制、绝对值/ /增量值、坐标增量值、坐标 变换等。变换等。 补偿功能：刀具长度补偿、刀具半径补偿、间隙、螺距误差补偿功能：刀具长度补偿、刀具半径补偿、间隙、螺距误差 补偿等。补偿等。 多种加工方式选择。多种加工方式选择。 故障自诊断功能。故障自诊断功能。 显示功能：字符、轨迹、平面图形、三维动态图形。显示功能：字符、轨迹、平面图形、三维动态图形。 通讯和联网功能。通讯和联网功能。 2020/5/10 数控装置的主要技术指标 数控装置的性能指标反映了数控系统的基本性能，是选择数 控系统的主要依据，概括起来如下： 1.控制轴数和联动轴数 2.脉冲
27、当量（控制分辨率） 3.定位精度和重复精度 4.行程 5.主轴转速和调节范围 6.进给速度和调节范围 7.准备功能（G功能） 8.辅助功能（M功能） 9.自动加减速功能 10.开关量接口 以上性能指标可以作为选择数控装置时参考，随着数控技 术的发展，数控装置的性能指标也在不断地丰富和提高。一般 来说，性能越高的数控装置，价格也越贵，所以对用户来说并 不一定一味地追求高性能，而应该根据自己的实际需要，综合 考虑性能和价格，作出最经济实用的选择。 2020/5/10 4、伺服系统 程序载体 输入装置 数控装置 伺服系统伺服系统 强电控制 装置 检测装置 机床 伺服系统由电动机和驱动电路构成。电动机
28、有功率步进电 动机、直流伺服电动机、交流伺服电动机和直线电机等。 伺服系统：接受数控装置来的指令，将信号进行调解、转 换、放大后驱动伺服电机，带动机床执行部件运动。 2020/5/10 5、强电控制装置 强电控制装置：控制除进给运动之外其它辅助操作的装置。 程序载体 输入装置 数控装置 伺服系统 强电控制强电控制 装置装置 检测装置 机床 功能：接受数控装置的指令信号，通过可编程控制器 （PLC）控制主轴变速、换向、启动或停止，刀具的选择和更 换，分度工作台的转位和锁紧，工件的夹紧或松夹，切削液的 开或关等辅助操作。 2020/5/10 6、检测装置 位置检测装置：将机床运动部件的实际位置信息
29、反馈给数控装置。 程序载体 输入装置 数控装置 伺服系统 强电控制 装置 检测装置检测装置 机床 运动部分通过传感器将角位移或直线位移转换成电信号送给 CNC装置，与指令位置相比较，并由CNC装置发出指令，纠正所产 生的误差。 位置反馈信息 转角位移(伺服电动机的) 直线位移（执行机构工作台） 包括：电流、速度、位置检测反馈装置 2020/5/10 7、机床 程序载体 输入装置 数控装置 伺服系统 强电控制 装置 检测装置 机床机床 机床 ：是数控机床的机械部分。 主运动部件 进给运动部件 执行部件（如：刀架、工作台） 基础部件（如：主轴、导轨、床身、立柱） 包括： 2020/5/10 1.精
30、密机械技术 2. 计算机及信息处理技术 3.自动控制理论和伺服驱动技术 4.精密检测和传感技术 5.网络和通信技术 四、数控机床涉及的基本技术 2020/5/10 发展各种新的设计计算方法和新型结构，采用新型材料和 新工艺，提高数控机床的高精度、高速度和高可靠性、减 小体积和质量、降低价格和使维修方便等。 1、精密机械技术 精密机械技术包括精密机械设计和精密机械加工两大方面。 标准组件：出现了如滚珠丝杠、滚动导轨、变速箱和联轴器 等由专业厂商生产的标准组件。 2020/5/10 2. 计算机及信息处理技术 计算机技术包括计算机软件、硬件、数据库和网络通信技 术； 数控系统中计算机指挥和管理整个
31、系统的有序运行,计算机 技术的发展极大地促进了数控机床的发展； 信息处理技术包括信息的存取、运算、判断、决策和交换 技术； 目前，数控系统还引入了人工智能、专家系统、模糊控制、 人工神经网络和仿真等技术。并为柔性制造系统（Flexible Manufacturing Sytem,简称FMS）提供了技术保证。 2020/5/10 3.自动控制理论和伺服驱动技术 自动控制理论和伺服驱动技术对数控机床的功能、动态特 性和控制品质具有决定性的影响。 在伺服速度环中采用前馈控制，使传统的位置环偏差 控制的跟踪滞后现象得到很大的改善，而且增加了系 统的稳定性和伺服精度。 为了适应不同类型数控机床复杂的控制
32、算法，伺服系统 的位置环和速度环都采用软件控制。伺服驱动技术已经 历了好几代的发展，目前交流伺服电动机驱动已逐步取 代其它的伺服驱动，而且向智能化的数字伺服技术发展。 2020/5/10 4.精密检测和传感技术 精密检测和传感技术是闭环和半闭环控制系统中的关键技术， 是实现自动控制的关键环节之一，在精度补偿方面发挥重要 作用。 精密检测的关键器件是传感器，数控系统要求传感器能快速、 精确地获取信息，并能在各种各样的工作环境下可靠运行。 带智能的传感装置本身就具有部分“决策”功能。 目前，编码器的精度达：2500至25000刻线； 总体上说，与计算机技术的发展相比，传感与检测技术的发 展相对滞后
33、，难以满足相关技术的需要，必须给予更多的关 注。 2020/5/10 5、网络和通信技术 是实现柔性制造单元（Flexible Manufacturing Cell，简称 FMC）、柔性制造系统（FMS）乃至计算机集成制造系统 （Computer Integrated Manufacturing System，简称CIMS）不 可缺少的基础技术。 实现无纸化的远程管理和监控、产品的异地加工、装配 和调试，远程故障诊断等。 2020/5/10 第二节 数控机床的分类与应用 三、按控制方式分类 一、按工艺用途分类 二、按运动方式分类 普通数控机床 加工中心 金属成型机床 特种加工机床等 点位控制
34、点位直线控制 轮廓控制（又称连续控制） 开环控制 半闭环控制 闭环控制 四、其它 如按功能水平、联动轴数、数控装置的构成等。 金属切削 数控机床 2020/5/10 分分 类类 方方 法法 数控机床类型数控机床类型 按运动控制按运动控制 方式方式 点位点位控制控制 数控机床数控机床 直线直线控制控制 数控机床数控机床 轮廓轮廓控制控制 数控机床数控机床 按伺服系统按伺服系统 开环开环数控数控 数控机床数控机床 半闭环半闭环控制控制 数控机床数控机床 闭环闭环控制控制 数控机床数控机床 按功能水平按功能水平 经济型经济型 数控机床数控机床 中档型中档型 数控机床数控机床 高档型高档型 数控机床数
35、控机床 按工艺方法按工艺方法 金属切削金属切削 数控机床数控机床 金属成形金属成形 数控机床数控机床 特种加工特种加工 数控机床数控机床 按联动轴数按联动轴数 2 2轴联动轴联动 数控机床数控机床 3 3轴联动轴联动 数控机床数控机床 4 4、5 5轴联动轴联动 数控机床数控机床 数控机床组成与分类数控机床组成与分类 2020/5/10 一、按工艺用途分类 1、普通数控机床：钻、车、铣、镗、磨和齿轮加工等。具 有较高的加工精度和生产率。 2、加工中心：带有刀库（一般可容纳4120把各类刀具）和 自动换刀装置。可一次装夹后，完成多道工序的加工，避免 由于多次装夹造成的定位误差，提高了加工精度和生
36、产率。 3、金属成型机床：有数控冲床、压力机、弯管机、折弯机 等。 4、特种加工机床：数控线切割机床、焊接机、火焰切割机、 等离子切割机、激光切割机和高压水切割机等。 5、其它：自动装配机、多坐标测量机、自动绘图机和工业 机器人等。 2020/5/10 二、按运动方式分类 1、点位控制 2、点位直线控制 3、轮廓控制（又称连续控制） 2020/5/10 （1）点位控制 (Point to Point Control ) 点位控制严格控制点到点之间的距离，而与所走的路径无 关 。即：只控制从一个位置到另一个位置的精确运动和定 位，在运动和定位过程中不进行任何加工。 如数控钻床、数控坐标镗 床、数
37、控点焊机等。 数控系统只需要控制行程 的起点和终点的坐标值， 而不控制运动部件的运动 速度和运动轨迹。 2020/5/10 Y X O,P K Q R X X Y Y 点位控制点位控制 G00:PG00:P- -K K- -Q Q G01:PG01:P- -Q Q 2020/5/10 2、点位直线控制 点位直线控制：实现一个坐标位置到另一个坐标位置的精 确移动的定位。 数控镗床上使用点位直线 控制可扩大工艺范围，可 在一次安装中对工件的平 面与台阶进行镗削加工， 然后再进行钻孔、镗孔等 加工。 特例：实现平行于坐标轴的直线进给运动（加工）或 两个坐标轴同步（45斜线）的进给运动。 2020/5
38、/10 3、轮廓控制 (Contouring Control)： 轮廓控制（又称连续控制）：能够实现两个或两个以上的 坐标轴同时进行联动控制。既控制机床的起点与终点坐标， 又控制运动速度和轨迹。可加工直线、曲线或曲面。 T L1 L2 L L3 L4 L5 L6 L X X Y Y X Y 轮廓控制轮廓控制 2020/5/10 轮廓控制要作插补运算来实现多坐标轴联动。插补是数是数 控加工的基本构思之一控加工的基本构思之一。 直线插补：数控机床加工时，刀具运动轨迹是直线的，称 为直线插补。 圆弧插补：数控机床加工时，刀具运动轨迹是圆弧的，称 为圆弧插补； 插补（Interpolation）：是用
39、被 加工轨迹的有限信息（如起点 和终点），计算刀具运动的许 多中间点，进行数据点的密化 工作，然后用已知线型（如直 线、圆弧等）逼近任意线型。 2020/5/10 基本线型：由插补指令完成。如直线插补、圆弧插补、抛 物线插补、螺旋线插补、极坐标插补、圆柱插补、样条插补、 曲面直接插补、NURBS插补、光顺插补等，插补指令越多，越 能实现复杂型面的加工。 分段逼近：按允许的误差。弦线逼近、切线逼近。 插补有二层意义：基本线型的形成及如何分段逼近。 插补分类： 基准脉冲插补（精插补） 数据采样插补（粗插补，为主要方法） 精插补是在允许的误差范围内，用沿曲线逼近函数的最小 单位（基准脉冲）移动量合成
40、的分段运动小线段代替任意曲线 运动，以得出所需要的运动轨迹。 基点和节点 基点：在数控加工图纸中，基本线型的交点。 节点：轮廓轨迹上的插入点。 粗插补是在允许的误差范围内，用沿曲线逼近函数的（小 线段、小圆弧等）代替任意曲线运动，以得出所需要的运动轨 迹。 为什么不用数学函数直接插补？为什么不用数学函数直接插补？ 计算费时间计算费时间 ，不能满足实时控制的要求；，不能满足实时控制的要求； 有的被加工轮廓用列表点表示的，没用数学公式；有的被加工轮廓用列表点表示的，没用数学公式； 数控加工时运动不能突变，要满足加速度的要求。需进行过数控加工时运动不能突变，要满足加速度的要求。需进行过 渡处理。渡处
41、理。 2020/5/10 1、开环控制 2、半闭环控制 3、闭环控制 三、按控制方式分类 2020/5/10 1、开环控制 开环控制是指不带位置反馈装置的控制方式。常为功率步进 电动机驱动方式。步进式运动部件的速度与位移量是由输入 脉冲的频率和脉冲数决定。 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 脉冲当量（最小设定单位）：一个脉冲使数控机床工作台所 产生的位移量。=0.010.005mm/脉冲。 特点：结构简单、价格低廉，当输入
42、较高的脉冲频率时，容 易产生失步，功率、速度和加工精度都较低。在微电子生产 设备中仍有独特优势。 2020/5/10 2、半闭环控制 半闭环控制：只从电机轴或滚珠丝杠处测量角位移并反馈。 通过检测伺服电动机的转角，间接地检测出运动部件的位 移（或角位移）反馈给数控装置的比较器，与输入指令进 行比较，用差值控制运动部件。 位置控制调节位置控制调节 器器 速度控制速度控制 调节与驱动调节与驱动 检测与反馈单检测与反馈单 元元 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 实际实际 位置位置 反馈反馈 实际实际 速
43、度速度 反馈反馈 特点：半闭环控制系统调试方便、系统稳定性较好、结构 紧凑。由于机械传动链不包括在闭环之内，机械传动链的 误差无法得到校正或消除。 2020/5/10 3、闭环控制 闭环控制：在机床最终的运动部件上安装位置检测装置，将 测量到的位移或角位移反馈到数控装置的比较器中与输入指 令位移量进行比较，用差值控制运动部件。 位置控制调节位置控制调节 器器 速度控制速度控制 调节与驱动调节与驱动 检测与反馈检测与反馈 单元单元 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 实际实际 位置位置 反馈反馈 实际
44、实际 速度速度 反馈反馈 特点：结构复杂、调试困难、精度高、价格贵。 理论上闭环控制的运动精度取决于检测装置的精度， 而与机械传动链的误差无关。 2020/5/10 4、其它分类方法 按数控装置的构成方式分 硬件数控 软件数控（计算机数控） 按联动轴数 三轴两联动、三轴联动 四轴四联动 五轴五联动等 按功能水平分 高档型数控系统 普及型数控系统 经济型数控系统 2020/5/10 数控系统的按功能分类比较数控系统的按功能分类比较 性能性能 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
45、级型 6464 5 5 24 三维三维 动态动态 普及型普及型 3232/16/16 3 3 0.1 0.1 1010 10 10 2424 字符字符/ / 图形图形 经济型经济型 8 8 33 1010 1010 字符字符 2020/5/10 四、数控机床的精度与应用范围 1、数控机床的精度：指加工精度、定位精度和重复定位精度。 数控机床的脉冲当量=0.010.0005mm/脉冲。 中、小型数控机床的加工精度常为0.10.005mm（约10倍 的脉冲当量） 定位精度通常为0.050.0025mm（1/21/3的加工精度） 重复定位精度常为0.0250.001mm（1/21/3的定位精度） 定
46、位精度：机床进给系统驱动刀具或工件到达的实际位置 与理想位置之间的差距，差距越小，说明精度越高。机床 定位是零件加工精度得以保证的前提。 重复定位精度：往复运动工作台,每次停止的位置之间角度 或长度的差值的最大值。差值越小,精度越高。 大尺寸零件加工注重定位精度，中小型零件注重重复定位精度。 数控机床的自动加工方式避免了操作者人为的误差，因此同 一批加工零件的尺寸一致性非常好，加工质量稳定、产品合格率 高。 2020/5/10 定位精度测量 用一个磁性表座吸紧在拖板上，装上千分表，找一个固 定参照，把千分表指向参照，对零。 移动拖板，看千分表的实际移动误差。多点测量，取最 大误差为定位精度。
47、重复定位精度测量 移动拖板一段距离，然后回零（返回参照）。移动千分 表指向拖板，对零。再移动拖板，再回零，反复多次。取多 次回零中千分表所示误差的最大变化值为重复精度。 2020/5/10 2、数控机床的应用范围 长期以来人们传统的观念认为数控机床只有用于加工多 品种、小批量以及结构形状复杂的零件才能获得良好的经济 效益。然而，目前人们的观念正在改变，一些大批量以及结 构形状不太复杂的零件在使用数控机床以后也同样能获得很 好的效益。如大批量生产的汽车工业，已普遍使用数控机床 和设备进行流水生产 。 随着计算机技术的高速发展，和数控机床的价格不断下 降，数控机床的应用越来越广。 2020/5/1
48、0 第三节 数控机床的发展 一、数控机床发展概述 二、机床结构的发展 三、数控系统的发展 四、伺服系统的发展 五、柔性制造单元 六、 数控机床发展趋势 2020/5/10 一、数控机床发展概述一、数控机床发展概述 数控阶段(NC)阶段（19521970年） 计算机数控(CNC)阶段（1970年现在） 1、数控系统 两 个 阶 段 共 六 代 计算机 数控阶 段 第四代（1970年）小型计算机 第五代（1974年）微处理器 第六代（1994年）基于PC 数控 阶段 第一代（1952年）电子管 第二代（1959年）晶体管 第三代（1965年）小规模集成电路 2020/5/10 NC数控系统主要是由电路的硬件及其连线组成，所以被称为 接线逻辑数控系统或硬数控系统。具有很多硬件电路和连接结点 ，电路复杂，可靠性不高，程序的输入、运算、插补及控制功能 均由硬件完成，功能简单，设计周期较长。 CNC数控系统由微处理器及大规模集成电路组成，具有很强 的程序存储能力和控制能力，容易扩展功能，柔性好，可靠性高 ，数控系统的通用性很强，几乎只需改变软件就可以适应不同类 型的机床控制要求，具有很大的柔性，因此也称软数
