机床数控技术教学课件：01

1、童景琳Telemail：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11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 数控机床的机械结构数控机床的机械结构 西安交通大学

2、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13日数控技术3主要参考书主要参考书&朱晓春, 数数控技控技术术第第2版版 机械工业出版社 南京2009年&吴祖育，秦鹏飞 数数控机床控机床第三版第三版上海科学技术出版社 上海 2001年&任玉田机床机床计计算机控制技算机控制技术术 北京工业大学出版社 北京 1999年&毕承恩，丁乃健毕承恩，丁乃健现现代代数数控机床控机床 机械工业出版社 北京 1994年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11时18分数控技术4参考资料网址参考资料网址中中国数国数

3、控在控在线线： http:/ http:/ 数数控控论坛论坛： http:/http:/华华中中数数控：控： http:/ http:/ 上海上海开开通通数数控：控： http:/ http:/ 南京南京数数控：控： http:/ http:/ 深深圳圳福斯特福斯特数数控：控：http:/www.first- http:/www.first- 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11时18分数控技术5西西门门子：子： http:/ http:/ 法那克：法那克： http:/ http:/ 中中国国制造制造业业信息化信息化网网：http:

4、/www.e- http:/www.e- 中中国国制造制造协协作作网网： http:/ http:/ 中中国国机械信息机械信息网网： http:/ http:/ 参考资料网址参考资料网址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6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7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8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 1-1 1-1 绪论绪论一、 示例l机床依靠各个部件的

5、相对运动实现各种零件的加工.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普通普通车车床加工床加工在普通在普通车车床按手床按手动动和和机机动两种动两种方式方式进进行控行控制制: :手手动动靠手工靠手工摇动摇动手把手把带动带动机床部件机床部件进进行行运动运动和停止和停止; ;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

6、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12l 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。

7、数控机床（数控机床（Numerical Control Machine ToolsNumerical 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11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13日数控技术1

8、4 数数控加工控加工与传统与传统加工的比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 KS P A C EC T RLIN SC RT A BA L T0S H IF T ZE N D WH OM E TP g Dn OP g Up JR S T E65“432？198:7 YXVU SRPQ NMKL IHFG DCABE S C1 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16050403020100电 源关开1自动方

9、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2010 090增量倍率1000101001坐标轴选择Z YX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

10、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

11、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 1-1 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

12、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19l组成：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

13、、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

14、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与动力工程学院222) PLC (Programmable Logic Controller)2) PLC (Programmable Logic Controller)：用于完成：用于完成与逻辑

15、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

16、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233) 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

17、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

18、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

19、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28l 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

20、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

21、 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

22、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

23、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13日数控技术361.1.按按运动轨运动轨迹分

24、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

25、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

26、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39l 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、nCNC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

27、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

28、合得到广泛应用。一般用于经济型数控机床。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工作台工作台伺服电动机伺服

29、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，其精度较闭环差，较开环好。但可对这类误差进行补偿，因而仍

30、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1-2 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

31、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 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493 按工艺

32、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 50.124

33、24三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52l产生要解决如下问题：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

34、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

35、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)(Parsons)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

36、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

37、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 v19591959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

38、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 Manufacturing 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

39、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 Control，D DNCNC）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

40、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

41、Manufacturing 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

42、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& &自自动动装卸装卸& &自自动检验动检验& &监监控的柔控的柔性制造性制造单单元（元（Flexible Manufacturing CellFlexible Manufacturing Cell，FMCFMC）。）。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

43、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9090年代：出年代：出现现新型的新型的并联并联机床（机床（Parallel Machine ToolsParallel Machine Tools），又，又称并联结构称并联结构机床（机床（Parallel Structured Machine ToolsParallel Structured Machine Tools）、）、虚拟虚拟轴轴机床（机床（Virtual Axis Machine ToolsVirtual Axis Machine Tools），也曾被），也曾被称为称为六六条条腿机床、腿机

44、床、六足虫（六足虫（HexapodsHexapods），），国际国际上一般上一般称为称为（Parallel Kinematic MachiParallel Kinematic Machinene，PKMPKM）。）。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并联并联机床机床 1 1）机床）机床结构结构技技术术上的突破性上的突破性进进展展当属当属2020世世纪纪9090年代中期年代中期问问世的世的并联并联机

45、床。机床。并联并联机床是机器人机床是机器人技技术术、机床、机床结构结构技技术术、现现代伺服代伺服驱动驱动技技术术和和数数控技控技术术相相结结合的合的产产物，被物，被称为称为“ “2121世世纪纪的机床的机床” 传统机床基本上都遵循笛卡尔直角坐标系的运动原理被传统机床基本上都遵循笛卡尔直角坐标系的运动原理被设计制造出来，其结构为串联结构，存在悬臂部件，承受设计制造出来，其结构为串联结构，存在悬臂部件，承受很大弯矩和扭矩，不容易获得高的结构刚度。另外，传统很大弯矩和扭矩，不容易获得高的结构刚度。另外，传统机床组成环节多、结构复杂，形成误差迭加，限制了加工机床组成环节多、结构复杂，形成误差迭加，限制

46、了加工精度和速度的提高。精度和速度的提高。1-3 数控机床的产生和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2021年10月13日数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术62 驱动并联驱动并联化化l并联加工中心（又称并联加工中心（又称6 6条腿数控机床、虚条腿数控机床、虚轴机床）是数控机床轴机床）是数控机床在结构上取得的重大在结构上取得的重大突破。突破。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 并联机床结构示意图1-3 数控机床的产生和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

47、动力工程学院第一章数控技术概述1-3 数控机床的产生和发展2 2）我国自主研发的并联机床样机）我国自主研发的并联机床样机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1-3 数控机床的产生和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2021年10月13日数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术65Swiss Federal Institute of Technology (5-axis)1-4 数控机床的产生和发展西安交通大学机械工程学学院 河南理工大学河南理

48、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2021年10月13日数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术66“6-DOF Parallel Machine Tools” Invention Patent No. ZL 99 1 22349.7.1-4 数控机床的产生和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1

49、.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3.3.我国数控机床的发展现状我国数控机床的发展现状 我我国数国数控技控技术术的的发发展起步于展起步于2020世世纪纪5050年代，通年代，通过过“ “六五六五” ”期期间间引引进数进数控技控技术术，“ “七五七五” ”期期间组织间组织消化吸收消化吸收“ “科技攻科技攻关关” ”，我我国数国数控技控技术术和和数数控控产业产业取得了相取得了相当当大的成大的成绩绩。 图图1-4 1-4 我我国国第一台第一台电电子管子管数数控机床控机床 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1.3 数控机床的产生

50、和发展过程数控机床的产生和发展过程3.3.我国数控机床的发展现状我国数控机床的发展现状 2009 2009年月日，北京第一机床年月日，北京第一机床厂研厂研制生制生产产的的 XKA28105300 XKA28105300 数数控控桥桥式式龙门车铣复龙门车铣复合机床，在哈尔合机床，在哈尔滨滨汽汽轮轮机机厂厂有限有限责责任公司正式交任公司正式交付使用。付使用。这这代表着目前世界跨度最大的重型代表着目前世界跨度最大的重型数数控机床在北京控机床在北京诞诞生，也生，也是是国产国产机床在高机床在高档数档数控机床和超重型制造水平上的一次突破和提升。控机床和超重型制造水平上的一次突破和提升。 该该 XKA281

51、05300 XKA28105300 数数控控桥桥式式动动梁梁龙门铣龙门铣床，在床，在 2009 2009 年初被列年初被列为为国国家高家高档数档数控机床及装控机床及装备备重大重大专项专项。机床。机床总宽总宽 22 22 米，高度米，高度 15 15 米，米，总长总长 39 39 米，米，总总重重约约 900 900 吨吨。龙门龙门最大通最大通过宽过宽度度达达10.510.5米，可完成米，可完成复复杂杂曲面的五坐曲面的五坐标联动标联动加工和加工和车铣复车铣复合加工，是目前合加工，是目前国内龙门国内龙门通通过宽过宽度度最大的超重型最大的超重型数数控控龙门龙门移移动动式式动动梁五梁五轴联动车铣复轴联

52、动车铣复合机床，也是目前合机床，也是目前世界最大世界最大规规格的格的龙门龙门机床之一。机床之一。 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XKA28105300 XKA28105300 数数控控桥桥式式龙门车铣复龙门车铣复合机床合机床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 我我国国自主自主研发研发的的“ “螺旋螺旋桨桨用重型七用重型七轴轴五五联动车铣复联动车铣复合加工机床合加工机床” ” 20112011年年4 4月月2828日正式通日正式通过过科技成果科技成果鉴鉴定。定。这项这项由武由武汉汉重型

53、机床集重型机床集团团有限公司承担，有限公司承担，华华中科技大中科技大学学、镇镇江中船瓦江中船瓦锡兰锡兰螺旋螺旋桨桨有限公司共同完成的新技有限公司共同完成的新技术术，将实将实现现几代中几代中国舰国舰船人船人让让螺旋螺旋桨桨安安静静工作、工作、让舰让舰船船静静远静静远航的航的梦梦想。想。 鉴鉴定定专专家家认为认为，这这一一国国家家“ “863863计划计划” ”项项目目研研制的制的车铣复车铣复合机床，合机床，达达到了到了国际国际先先进进水平，打破了西方水平，打破了西方发达国发达国家家对对此此类类机床的限制和封机床的限制和封锁锁，进进一步提一步提升了我升了我国国重型机床的技重型机床的技术术水平和水平

54、和国际竞争国际竞争力，力，将为将为我我国国的船舶工的船舶工业业及其他及其他相相关关行行业关键业关键零件加工提供先零件加工提供先进进的的国产国产装装备备。 据了解，据了解，这这一一车车床可床可实现对实现对螺旋螺旋桨桨叶面重叶面重叠叠部分、非重部分、非重叠叠部分、部分、桨桨叶叶轮轮廓以及廓以及桨毂桨毂中孔等加工中孔等加工区区域的全面精密域的全面精密铣铣削加工，削加工，还还能利用能利用车铣复车铣复合的特合的特点，点，进进行一次装行一次装夹夹多平面的加工，大大提高了整体螺旋多平面的加工，大大提高了整体螺旋桨桨型面加工精度和型面加工精度和加工效率，解加工效率，解决决了大型整体螺旋了大型整体螺旋桨桨加工的

55、加工的难题难题。 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3.3.我国数控机床的发展现状我国数控机床的发展现状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3.3.我国数控机床的发展现状我国数控机床的发展现状螺旋螺旋桨桨用重型七用重型七轴轴五五联动车铣复联动车铣复合加工机床合加工机床 潜艇大潜艇大侧侧斜斜7 7叶螺旋叶螺旋桨桨 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741 1） 数数控系控系统统的的发发展展趋势趋势l1 高速高精度（

56、1 1）高速）高速CPUCPU芯片；采用全数字交流伺服芯片；采用全数字交流伺服（3 3）采用高速插补技术，以微小程序段实现连续）采用高速插补技术，以微小程序段实现连续 进给，使进给，使CNCCNC控制单位精细化控制单位精细化l2 智能化：l（1） 应用自适应控制技术l（2） 自动编程技术l（3） 具有故障自动诊断功能l（4） 应用模式识别技术l3 开放式数控系统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754 基于网络的数控系统u 数控系统内部的CNC装置与数字伺服间的 通信，主要通过SERC

57、OS链式网络传送数字伺服控制信息；u 数控系统与上级主计算机间的通信；u 与车间现场设备及I/O装置的通信，主要通过现场总线，如PROFIBUS等进行通讯；u 通过因特网与服务中心的通信，传递维修数据；u 通过因特网与另一个工厂交换制造数据。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762 2） 数数控机床的控机床的发发展展趋势趋势采用开放式结构：进线、联网、专用要求。向智能化发展向智能化发展 自动编程、模糊控制、学习控制、自适应控制、工艺参数自动生成、三维刀具补偿、运动参数动态补偿，人机界面

58、极为友好，有故障专家诊断系统。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771-3 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78运行高速化：使进给率、主轴转速、刀具交换速度、托盘交换速度实现高速化，并且具有高加（减）速率。l 进给率高速化：进给率高速化：在分辨率为1m时，Fmax=240m/min。在Fmax下可获得复杂型面的精确加工；在程序段长度为1mm时，Fmax=30m/min，并且具有1.5

59、g的加减速率；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79l主轴高速化：主轴高速化：采用电主轴（内装式主轴电机），即主轴电机的转子轴就是主轴部件。主轴最高转速达200000r/min。主轴转速的最高加（减）速为1.0g ，即仅需1.8秒即可从0提速到15000r/min。l换刀速度换刀速度 0.9秒（刀到刀）2.8秒（切削到切削）l工作台（托盘）交换速度工作台（托盘）交换速度 6.3秒。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

60、学机械与动力工程学院机械与动力工程学院80加工高精化：提高机械设备的制造和装配精度；提高数控系统的控制精度；采用误差补偿技术。l 提高提高CNCCNC系统控制精度：系统控制精度：采用高速插补技术，以微小程序段实现连续进给，使CNC控制单位精细化采用高分辨率位置检测装置，提高位置检测精度（日本交流伺服电机已有装上106 脉冲/转的内藏位置检测器，其位置检测精度能达到0.01m/脉冲）位置伺服系统采用前馈控制前馈控制与非线性控制等方法。1-3 1-3 数数控机床的控机床的产产生生与发与发展展l采用误差补偿技术：采用误差补偿技术：采用反向间隙补偿、丝杆螺距误差补偿和刀具误差补偿等技术采用反向间隙补偿