第一章 数控技术概述

1、1 济南大学济南大学 机械学院机械学院 数控技术数控技术 2 1.0.1 课程说明课程说明 以掌握数控技术的基本概念和基本原理以掌握数控技术的基本概念和基本原理 为重点，同时结合代表先进数控技术的数控为重点，同时结合代表先进数控技术的数控 设备设备数控机床，通过实验和理论教学相数控机床，通过实验和理论教学相 结合，实现对数控技术的深入学习。结合，实现对数控技术的深入学习。 本课程的先修课程有：微机原理与应用，本课程的先修课程有：微机原理与应用， 微机接口技术，微机控制技术，机电传动控微机接口技术，微机控制技术，机电传动控 制。制。 3 推荐教材及主要参考书推荐教材及主要参考书 数控技术数控技术

2、 张建纲，华中科技出版社张建纲，华中科技出版社 机床数控技术机床数控技术 刘文信，机械工业出版社刘文信，机械工业出版社 微机数控系统微机数控系统 黄大贵，电子科技出版社黄大贵，电子科技出版社 课程考核方案课程考核方案 考试方式考试方式: :闭卷。闭卷。 出勤率、作业和课堂表现占总成绩的出勤率、作业和课堂表现占总成绩的20%20%， 结课考试成绩占总成绩的结课考试成绩占总成绩的80%80%。 1.0.1 课程说明课程说明 4 数控机床的组成及工作原理数控机床的组成及工作原理 零件加工程序的编制零件加工程序的编制 数控装置的插补原理数控装置的插补原理 检测反馈装置检测反馈装置 伺服驱动装置伺服驱动

3、装置 数控装置数控装置 1.0.2 主要内容主要内容 5 通过本课程的教学，了解数控技术在通过本课程的教学，了解数控技术在 机床中的应用，掌握数控机床的工作原理机床中的应用，掌握数控机床的工作原理 ，掌握简单零件的数控编程及加工，掌握，掌握简单零件的数控编程及加工，掌握 数控插补原理，掌握数控机床常用的检测数控插补原理，掌握数控机床常用的检测 、驱动、控制系统，了解数控机床的结构、驱动、控制系统，了解数控机床的结构 特点。特点。 1.0.3 目的要求目的要求 6 第一章第一章 绪绪 论论 7 数字控制数字控制 是一种借助数字、字符或其它符号对某一工作过是一种借助数字、字符或其它符号对某一工作过

4、 程进行可编程控制的自动化方法。程进行可编程控制的自动化方法。 特点：柔性好，可实现复杂控制，可同时控制多路信号特点：柔性好，可实现复杂控制，可同时控制多路信号 数控技术数控技术 采用数字控制的方法对某一工作过程实现自动控采用数字控制的方法对某一工作过程实现自动控 制的技术。制的技术。 数控机床数控机床 是采用数字控制技术对机床的加工过程进行自动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。它是数控技术典型应用的例子。控制的一类机床。它是数控技术典型应用的例子。 数控系统数控系统 （NCNC）实现数字控制的装置。）实现数字控制的装置。 计算机数控系统计算机数控系统(CNC) (C

5、NC) 以计算机为核心的数控系统。以计算机为核心的数控系统。 1.1数控技术与数控机床数控技术与数控机床 1.1.1基本概念基本概念 8 数控技术最早在机床行业中得到应用，技术也数控技术最早在机床行业中得到应用，技术也 最成熟，但它不仅仅局限于机床这个行业，在日最成熟，但它不仅仅局限于机床这个行业，在日 常生活和工业生产的各个领域都得到广泛应用。常生活和工业生产的各个领域都得到广泛应用。 数控技术的典型应用数控技术的典型应用 在物料搬运中的应用在物料搬运中的应用 在机器人中的应用在机器人中的应用 在汽车生产中的应用在汽车生产中的应用 在数控机床中的应用在数控机床中的应用 9 适应性强适应性强

6、精度高，质量稳定精度高，质量稳定 生产效率高生产效率高 能实现复杂的运动能实现复杂的运动 良好的经济效益良好的经济效益 有利于生产管理的现代化有利于生产管理的现代化 1.1.2 1.1.2 数控机床的加工特点数控机床的加工特点 10 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 操作面板 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 键盘 输入输出 设备 1.1.3 1.1.3 数控系统与数控机床的组成数控系统与数控机床的组成 11 各组成部分作用各组成部分作用 操作面板操作面板

7、它是操作人员与数控装置它是操作人员与数控装置 进行信息交流的工具。进行信息交流的工具。 组成组成：按钮站、状态灯、：按钮站、状态灯、 按键阵列（功能与计算机按键阵列（功能与计算机 键盘一样）和显示器。它键盘一样）和显示器。它 是数控机床特有部件。是数控机床特有部件。 12 控制介质与输入输出设备控制介质与输入输出设备 控制介质控制介质是记录零件加工程序的媒介是记录零件加工程序的媒介 输入输出设备输入输出设备是是CNCCNC系统与外部设备进行交互装置。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。交互的信息通常是零件加工程序。 通讯通讯 现代的数控系统除采用输入输出设备进行信息现代

8、的数控系统除采用输入输出设备进行信息 交换外，一般都具有用通讯方式进行信息交换的能力。交换外，一般都具有用通讯方式进行信息交换的能力。 它们是实现它们是实现CAD/CAMCAD/CAM的集成、的集成、FMSFMS和和CIMSCIMS的基本技术。的基本技术。 采用的方式有：串行通讯、网络通讯采用的方式有：串行通讯、网络通讯 （internetinternet， LANLAN）等）等 各组成部分作用各组成部分作用 13 CNCCNC装置装置(CNC(CNC单元单元) ) 组成：组成：计算机系统、位置控制板、计算机系统、位置控制板、PLCPLC接口板，通讯接口板，通讯 接口板、特殊功能模块以及相应的

9、控制软件。接口板、特殊功能模块以及相应的控制软件。 作用：作用：根据输入的零件加工程序进行相应的处理（如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控制命令到相应的执行部件( (伺服单元、驱动装置伺服单元、驱动装置 和和PLCPLC等等) )，所有这些工作是由，所有这些工作是由CNCCNC装置内硬件和软装置内硬件和软 件协调配合，合理组织，使整个系统有条不紊地进件协调配合，合理组织，使整个系统有条不紊地进 行工作的，行工作的，CNCCNC装置是装置是CNCCNC系统的核心。系统的核心

10、。 各组成部分作用各组成部分作用 14 伺服单元、驱动装置和测量装置伺服单元、驱动装置和测量装置 1 1）伺服单元和驱动装置）伺服单元和驱动装置 主轴伺服驱动装置和主轴电机、进给伺服驱动装置和主轴伺服驱动装置和主轴电机、进给伺服驱动装置和 进给电机进给电机 2 2）测量装置）测量装置 位置和速度测量装置，实现进给伺服系统的闭环控制位置和速度测量装置，实现进给伺服系统的闭环控制 作用：保证灵敏、准确地跟踪作用：保证灵敏、准确地跟踪CNCCNC装置指令。装置指令。 各组成部分作用各组成部分作用 15 PLCPLC、机床、机床I/OI/O电路和装置电路和装置 PLC PLC ：用于完成与逻辑运算有关

11、顺序动作的：用于完成与逻辑运算有关顺序动作的I/OI/O控制控制 机床机床I/OI/O电路和装置：实现电路和装置：实现I/OI/O控制的执行部件，由继控制的执行部件，由继 电器、电磁阀、行程开关、接触器等组成的逻辑电路电器、电磁阀、行程开关、接触器等组成的逻辑电路 功能：接受功能：接受CNCCNC的的M M、S S、T T指令，对其进行译码并转换指令，对其进行译码并转换 成对应的控制信号，控制辅助装置完成机床相应的开成对应的控制信号，控制辅助装置完成机床相应的开 关动作；关动作； 接受操作面板和机床侧的接受操作面板和机床侧的I/OI/O信号，送给信号，送给 CNCCNC装置，经其处理后，输出指

12、令控制装置，经其处理后，输出指令控制CNCCNC系统的工作系统的工作 状态和机床的动作。状态和机床的动作。 各组成部分作用各组成部分作用 16 机床机床 机床：数控机床的主体，是实现制造加工的执行部件机床：数控机床的主体，是实现制造加工的执行部件 组成：由主运动部件、进给运动部件（工作台、拖板组成：由主运动部件、进给运动部件（工作台、拖板 以及相应的传动机构）、支承件（立柱、床身等）以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）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）。和辅助装置（如排屑装置等）。 各组成部

13、分作用各组成部分作用 17 1.1.4 1.1.4 数控机床的分类数控机床的分类 1 1、按工艺用途分类、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、工中心、数控齿轮加工机床、FMCFMC等。等。 成型加工类：成型加工类：数控折弯机、数控弯管机等。数控折弯机、数控弯管机等。 特种加工类：特种加工类：数控线切割机、电火花加工机、激光加数控线切割机、电火花加工机、激光加 工机等。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。数控装配机、数控测量机、机器人等。 18 1.1.4 1.1.4

14、数控机床的分类数控机床的分类 2 2、按控制功能分类、按控制功能分类 1 1）点位控制数控系统）点位控制数控系统 特点：仅能实现刀具相对于工件从一点到另一点的精特点：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，对轨迹不作控制要求，运动过程中不进确定位运动，对轨迹不作控制要求，运动过程中不进 行任何加工。适用：数控钻床、数控镗床、数控冲床行任何加工。适用：数控钻床、数控镗床、数控冲床 和数控测量机。和数控测量机。 19 2 2）轮廓控制数控系统）轮廓控制数控系统 轮廓控制轮廓控制( (连续控制连续控制) )系统：具有控制几个进给轴同时系统：具有控制几个进给轴同时 谐调运动谐调运动( (

15、坐标联动坐标联动) )，使工件相对于刀具按程序规定，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。的数控系统。 适用范围：数控车床、数控铣床、加工中心等用于加适用范围：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。备的这种数控系统。 1.1.4 1.1.4 数控机床的分类数控机床的分类 20 3 3、按联动轴数分类、按联动轴数分类 2 2轴联动（平面曲线）轴联动（平面曲线） 3 3轴联动（空间曲面，球头刀

16、）轴联动（空间曲面，球头刀） 4 4轴联动（空间曲面）轴联动（空间曲面） 5 5轴联动及轴联动及6 6轴联动（空间曲面）轴联动（空间曲面） 联动轴数越多数控系统的控制算法就越复杂。联动轴数越多数控系统的控制算法就越复杂。 1.1.4 1.1.4 数控机床的分类数控机床的分类 21 4 4、按进给伺服系统的类型分类、按进给伺服系统的类型分类 按进给伺服子系统有无位置测量装置可分为按进给伺服子系统有无位置测量装置可分为开环开环 数控系统数控系统和和闭环数控系统闭环数控系统，在闭环数控系统中根，在闭环数控系统中根 据位置测量装置安装的位置又可分为全闭环和半据位置测量装置安装的位置又可分为全闭环和半

17、闭环两种。闭环两种。 1.1.4 1.1.4 数控机床的分类数控机床的分类 22 没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置没有位置测量装置，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。步进电机作为伺服驱动元件。 特点：结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、特点：结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、 价格低廉等优点

18、，一般用于经济型数控机床。价格低廉等优点，一般用于经济型数控机床。 1.1.4 1.1.4 数控机床的分类数控机床的分类 f、n 电机 机械执行部件 A相、B相 C相， CNC 插补指令 脉冲频率f 脉冲个数n 换算 脉冲环形分 配变换 功率放 大 1 1）开环数控系统）开环数控系统 23 环路内不包括或只包括少量机械传动环节，因此可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。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由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差

19、难 以消除。因此，其精度较闭环差，较开环好。但可以消除。因此，其精度较闭环差，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。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，半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度也较高， 因而在现代因而在现代CNCCNC机床中得到了广泛应用。机床中得到了广泛应用。 位置控制调节 器 速度控制 调节与驱动 检测与反馈单 元 位置控制单元速度控制单元 + + - - 电机 机械执行部件 实际位 置反馈 实际速 度反馈 CNC插补 指令 2 2）半闭环数控系统）半闭环数控系统 1.1.4 1.1.4 数控机床的

20、分类数控机床的分类 24 从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节的误差、从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节的误差、 间隙和失动量。具有很高的位置控制精度。间隙和失动量。具有很高的位置控制精度。 由于由于 位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和 间隙都是非线性的，故很容易造成系统的不稳定，间隙都是非线性的，故很容易造成系统的不稳定， 使闭环系统的设计、安装和调试都相当困难。使闭环系统的设计、安装和调试都相当困难。 该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、 超精磨床以及较大型的数控机床等。超精

21、磨床以及较大型的数控机床等。 1.1.4 1.1.4 数控机床的分类数控机床的分类 3）全闭环数控系统）全闭环数控系统 位置控制调节器 速度控制 调节与驱动 检测与反馈单元 位置控制单元速度控制单元 + + - - 电机 机械执行部件 CNC插补 指令 实际位置 反馈 实际速度 反馈 25 1.2 数控机床工作原理数控机床工作原理 进给伺服进给伺服 系统系统 成形运动成形运动 译译 码码 刀补处理刀补处理 插补处理插补处理 PLC控制控制切削运动、机切削运动、机 床床I/O装置装置 加工程序加工程序 首先，首先，将被加工零件图纸上的几何信息和工艺信息用规定将被加工零件图纸上的几何信息和工艺信息

22、用规定 的代码和格式编写成加工程序，的代码和格式编写成加工程序，然后然后将加工程序输入数控将加工程序输入数控 装置，按照程序的要求，经过数控系统信息处理，分配，装置，按照程序的要求，经过数控系统信息处理，分配， 使各坐标移动若干个最小位移量，实现刀具与工件的相对使各坐标移动若干个最小位移量，实现刀具与工件的相对 运动，完成零件的加工。运动，完成零件的加工。 26 译码程序的主要功能是将用文本格式（通常用译码程序的主要功能是将用文本格式（通常用 ASCIIASCII码）表达的零件加工程序，以程序段为单位转码）表达的零件加工程序，以程序段为单位转 换成刀补处理程序所要求的数据结构（格式）。该数换成

23、刀补处理程序所要求的数据结构（格式）。该数 据结构用来描述一个程序段解释后的数据信息。它主据结构用来描述一个程序段解释后的数据信息。它主 要包括：要包括：X X、Y Y、Z Z等坐标值；进给速度；主轴转速；等坐标值；进给速度；主轴转速；G G 代码；代码；M M代码；刀具号；子程序处理和循环调用处理代码；刀具号；子程序处理和循环调用处理 等数据或标志的存放顺序和格式。等数据或标志的存放顺序和格式。 1 1、译码、译码( (解释解释) ) 27 用户零件加工程序通常是按零件轮廓用户零件加工程序通常是按零件轮廓 编制的，而数控机床在加工过程中控制编制的，而数控机床在加工过程中控制 的是刀具中心轨迹

24、，因此在加工前必须的是刀具中心轨迹，因此在加工前必须 将零件轮廓变换成刀具中心的轨迹。刀将零件轮廓变换成刀具中心的轨迹。刀 补处理就是完成这种转换的程序。补处理就是完成这种转换的程序。 2 2、刀补处理、刀补处理( (计算刀具中心轨迹计算刀具中心轨迹) ) 28 本模块以系统规定的插补周期本模块以系统规定的插补周期t t定定 时运行，它将由各种线形（直线，园弧时运行，它将由各种线形（直线，园弧 等）组成的零件轮廓，按程序给定的进等）组成的零件轮廓，按程序给定的进 给速度给速度F F，实时计算出各个进给轴在，实时计算出各个进给轴在t t 内位移指令（内位移指令（X1X1、Y1Y1、），并送），并

25、送 给进给伺服系统，实现成形运动。给进给伺服系统，实现成形运动。 这个这个 过程将在第三章详细叙述。过程将在第三章详细叙述。 3 3、插补计算、插补计算 29 PLC PLC控制是对机床动作的控制是对机床动作的“顺序控制顺序控制 ”。即以。即以CNCCNC内部和机床各行程开关、传内部和机床各行程开关、传 感器、按钮、继电器等开关量信号状态感器、按钮、继电器等开关量信号状态 为条件，并按预先规定的逻辑顺序对诸为条件，并按预先规定的逻辑顺序对诸 如主轴的起停、换向，刀具的更换，工如主轴的起停、换向，刀具的更换，工 件的夹紧、松开，冷却、润滑系统等的件的夹紧、松开，冷却、润滑系统等的 运行等进行的控

26、制。运行等进行的控制。 4 4、PLCPLC控制控制 30 从工业化革命以来人们实现机械加工自动化的手段从工业化革命以来人们实现机械加工自动化的手段 有：自动机床、组合机床、专用自动生产线。这些设备有：自动机床、组合机床、专用自动生产线。这些设备 的使用提高了机械加工自动化程度，提高了生产率。但的使用提高了机械加工自动化程度，提高了生产率。但 也存在固有的缺点：也存在固有的缺点： 初始投资大；准备周期长；柔性初始投资大；准备周期长；柔性 差。差。 市场竞争激烈，产品更新换代快，大批量产品越来越市场竞争激烈，产品更新换代快，大批量产品越来越 少，小批量产品生产的比重越来越大，迫切需要一种精少，小

27、批量产品生产的比重越来越大，迫切需要一种精 度高、柔性好加工设备。电子技术和计算机技术的发展度高、柔性好加工设备。电子技术和计算机技术的发展 为为NCNC机床的进步提供了技术基础。数控技术正是在这种机床的进步提供了技术基础。数控技术正是在这种 背景下诞生和发展起来的。背景下诞生和发展起来的。 1.3 数控技术的发展状况数控技术的发展状况 1.3.1 产生背景产生背景 31 第一代：第一代：19551955年年 NC NC系统以电子管组成，体积大，功耗系统以电子管组成，体积大，功耗 大。大。 第二代：第二代：19591959年年 NC NC系统以晶体管组成，广泛采用印系统以晶体管组成，广泛采用印

28、 刷电路板。刷电路板。 第三代：第三代：19651965年年 NC NC系统采用小规模集成电路作为硬系统采用小规模集成电路作为硬 件，其特点是体积小，功耗低，可靠性进一步提高。件，其特点是体积小，功耗低，可靠性进一步提高。 以上三代以上三代NCNC系统，由于其数控功能均由硬件实现，故系统，由于其数控功能均由硬件实现，故 历史上又称其为历史上又称其为“硬线硬线NC”NC” 1.3.2 数控技术发展历史数控技术发展历史 32 第四代：第四代：19701970年年 NC NC系统采用小型计算机取代系统采用小型计算机取代 专用计算机，其部分功能由软件实现，它具有专用计算机，其部分功能由软件实现，它具有 价格低，可靠性高和功能多等特点。价格低，可靠性高和功能多等特点。 第五代：第五代：19741974年年 NC NC系统以微处理器为核心，系统以微处理器为核心， 不仅价格进一步降低，体积进一步缩小，使实不仅价格进一步降低，体积进一步缩小，使实 现真正意义上的机电一体化成为可能。现真正意义上的机电一体化成为可能。 33 （1 1）19521952研制了世界第一台三坐标立式数控铣床。研制了世界第一台三坐标立式数控铣床。 （2 2）50-6050-60年代，发展到年代，发展到NCNC（硬件数控）阶段。