数控编程及操作

1、2021-10-171主讲教师：主讲教师：2021-10-17吉林工程技术师范学院 机电学院2021-10-17吉林工程技术师范学院 机电学院 数控技术的基本概念数控技术的基本概念 数控系统的工作过程数控系统的工作过程 数控机床的分类方法数控机床的分类方法 数控技术的产生与发展数控技术的产生与发展2021-10-17吉林工程技术师范学院 机电学院 数控技术是现代先进制造技术的基础，其技术水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。因此，的重要标志。因此， 2121世纪机械制造业的竟争，其世纪

2、机械制造业的竟争，其实质是数控技术的竞争。实质是数控技术的竞争。 数控技术覆盖领域：数控技术覆盖领域：(1)(1)机械制造技术；机械制造技术；(2)(2)信息信息处理、加工、传输技术；处理、加工、传输技术；(3)(3)自动控制技术；自动控制技术；(4)(4)伺服伺服驱动技术；驱动技术；(5)(5)传感器技术；传感器技术；(6)(6)软件技术软件技术2021-10-17吉林工程技术师范学院 机电学院第一章 概论1.1 1.1 数控技术的基本概念数控技术的基本概念1.1.1 1.1.1 什么是机床的数字控制什么是机床的数字控制 数字控制（数字控制（Numerical ControlNumerica

3、l Control缩写为缩写为NCNC）：）：简称数控就是简称数控就是用数字化的信息即数字指令（数字量及其字符）对机床各部件的用数字化的信息即数字指令（数字量及其字符）对机床各部件的相对运动及加工过程进行控制的一种技术。控制的量可以是位移、相对运动及加工过程进行控制的一种技术。控制的量可以是位移、角度、速度；也可以是温度、压力、流量等等。角度、速度；也可以是温度、压力、流量等等。（举例说明）（举例说明）数数字控制是与机床控制密切结合而发展起来的，因此，习惯上把字控制是与机床控制密切结合而发展起来的，因此，习惯上把“机床数控机床数控”简称为简称为“数控数控”或或“NC”NC”。 数控机床（数控机

4、床（Numerically Controlled MachineNumerically Controlled Machine或或NCNC机床）：机床）：简单地说是用数字控制技术来实现加工控制的机床。简单地说是用数字控制技术来实现加工控制的机床。2021-10-17吉林工程技术师范学院 机电学院 具体地说就是将加工过程所需的各种具体地说就是将加工过程所需的各种操作操作（主轴变速、（主轴变速、松夹工件、进刀与退刀、开车与停车、选择刀具、冷却液的松夹工件、进刀与退刀、开车与停车、选择刀具、冷却液的供给等）和供给等）和步骤步骤以及刀具和工件之间的相对以及刀具和工件之间的相对位移量位移量都都用数字用数字

5、化的代码表示化的代码表示。其实质上就是一个编程的过程。其实质上就是一个编程的过程。 通过控制介质（穿孔纸带或磁带）将数字信息送入通用通过控制介质（穿孔纸带或磁带）将数字信息送入通用或专用的计算机，计算机对输入的信息进行处理和运算，发或专用的计算机，计算机对输入的信息进行处理和运算，发出各种指令来控制机床的伺服系统和其它的执行元件，使机出各种指令来控制机床的伺服系统和其它的执行元件，使机床自动加工出所需的零件。由此完成了：床自动加工出所需的零件。由此完成了：形（图形）形（图形） 数数（代码）（代码） 形（零件）形（零件）的转换。的转换。 数控技术体现在机床的设备装置上即数控技术体现在机床的设备装

6、置上即数控系统（数控系统（NC NC SystemSystem），），所以也可以说装备了数控系统的机床，称为数控所以也可以说装备了数控系统的机床，称为数控机床。机床。2021-10-17吉林工程技术师范学院 机电学院1.1.21.1.2数控技术的相关术语数控技术的相关术语1.1.计算机数控（计算机数控（computer numerical controlcomputer numerical control）2.2.直接数字控制（直接数字控制（direct numerical controldirect numerical control）3.3.闭环数控系统（闭环数控系统（closed loo

7、p numerical control system）4.4.开环数控系统开环数控系统（open loop numerical control system）5.5.伺服系统（伺服系统（servo system）6.6.自动换刀装置（自动换刀装置（automatic tool changer）7.7.代码（代码（code）8.8.命令（命令（command）9.9.指令脉冲（指令脉冲（command pulse）10.10.脉冲当量（脉冲当量（least input increment）11.11.ISO代码（代码（ISO code）2021-10-17吉林工程技术师范学院 机电学院1.2 1

8、.2 数控系统的工作过程数控系统的工作过程 数数 控控 装装 置置伺伺服服系系统统加加工工程程序序零件图零件图 数控系统数控系统 机床机床 图一：数控机床的加工过程图一：数控机床的加工过程 a a 根据加工零件的图纸与工艺方案，用规定的代码和程根据加工零件的图纸与工艺方案，用规定的代码和程序格式编写程序单。序格式编写程序单。 b b 根据程序单，制作穿孔带（现在用磁盘、磁带）。根据程序单，制作穿孔带（现在用磁盘、磁带）。 c c 通过阅读装置将穿孔带的代码逐段输入到数控装置。通过阅读装置将穿孔带的代码逐段输入到数控装置。2021-10-17吉林工程技术师范学院 机电学院 d d 数控装置（是中

9、的）将代码进行译码、寄数控装置（是中的）将代码进行译码、寄存、运算之后，向机床伺服机构发出讯号，以驱动机床的各存、运算之后，向机床伺服机构发出讯号，以驱动机床的各个运动部件，并控制其它必要的辅助操作，如变速、松夹工个运动部件，并控制其它必要的辅助操作，如变速、松夹工件、开关冷却液、刀具转位等，最后加工出合格的零件。件、开关冷却液、刀具转位等，最后加工出合格的零件。 由此可知，数控机床通常由以下几部分组成：由此可知，数控机床通常由以下几部分组成：加工程序输入装置数控系统机床伺服系统辅助控制装置反馈系统图二：数控机床组成图二：数控机床组成2021-10-17吉林工程技术师范学院 机电学院程序载体：

10、程序载体：人对数控机床进行控制，必须在人与机床之人对数控机床进行控制，必须在人与机床之间建立某种联系，这种联系的中间媒介物即是程序载体间建立某种联系，这种联系的中间媒介物即是程序载体（又称为控制介质）。（又称为控制介质）。常用的控制介质有：穿孔带、穿孔卡、磁带、盘。常用的控制介质有：穿孔带、穿孔卡、磁带、盘。穿孔带使用最多的是八单位标准穿孔带，有穿孔带使用最多的是八单位标准穿孔带，有ISOISO、EIAEIA两两种标准，它上面有信息孔和同步孔等。种标准，它上面有信息孔和同步孔等。n输入装置：输入装置：输入装置的作用就是将程序载体上的代码信输入装置的作用就是将程序载体上的代码信息转换为相应的电脉

11、冲信号传送至数控装置的内存储器。息转换为相应的电脉冲信号传送至数控装置的内存储器。输入装置最早使用的是光电阅读机阅读穿孔带。以后大输入装置最早使用的是光电阅读机阅读穿孔带。以后大量使用磁记录原理的磁带机和软盘驱动器。输入装置的形量使用磁记录原理的磁带机和软盘驱动器。输入装置的形式取决于程序载体的类型。式取决于程序载体的类型。还有通过数控装置控制面板上的输入键，按工作的程序还有通过数控装置控制面板上的输入键，按工作的程序清单用手工方式直接输入内存储器。这种方式也叫清单用手工方式直接输入内存储器。这种方式也叫MDIMDI方式方式或手动输入方式或手动输入方式。2021-10-17吉林工程技术师范学院

12、 机电学院另外也可用通信方式由计算机直接传送给数控装置。另外也可用通信方式由计算机直接传送给数控装置。阅读装置分光电式和机械式两种，光电阅读机的原理是用阅读装置分光电式和机械式两种，光电阅读机的原理是用红外光敏元件识别穿孔带上每排孔的代码，将孔的排列图案红外光敏元件识别穿孔带上每排孔的代码，将孔的排列图案转换为电信号传送给数控装置。机械式与光电式的区别就是转换为电信号传送给数控装置。机械式与光电式的区别就是孔的阅读方式是不一样的。孔的阅读方式是不一样的。数控装置（数控装置（Numerical Control UnitNumerical Control Unit简称简称NCUNCU）：）：是数控

13、是数控机床的中心环节。机床的中心环节。程序程序载体载体输入输入装置装置输入输入装置装置伺服伺服系统系统输出输出装置装置运算运算 器器控制器控制器数 控 装数 控 装置置图三：数控装置图三：数控装置2021-10-17吉林工程技术师范学院 机电学院n输入装置：输入装置：接受由阅读装置（光电阅读机等）输出的代接受由阅读装置（光电阅读机等）输出的代码，经过识别与译码后分别输入到相应的寄存器，这些指码，经过识别与译码后分别输入到相应的寄存器，这些指令与数据将作为运算器与控制器的原始数据。令与数据将作为运算器与控制器的原始数据。n控制器控制器（Programmable Control Programma

14、ble Control 简称简称PCPC，也称为可编，也称为可编程逻辑控制器程逻辑控制器PLCPLC；又称为可编程机床控制器；又称为可编程机床控制器PMCPMC）：接受）：接受输入装置的指令，根据指令控制运算器和输出装置，以实输入装置的指令，根据指令控制运算器和输出装置，以实现对机床的各种操作，如：主轴变速、冷却液的开关等，现对机床的各种操作，如：主轴变速、冷却液的开关等，以及控制整机的工作循环。它属于一种以及控制整机的工作循环。它属于一种开关量开关量的控制，仅的控制，仅有有“0”0”和和“1”1”两种状态。两种状态。n运算器：运算器：接受控制器的指令将输入装置送来的数据进行接受控制器的指令将

15、输入装置送来的数据进行某种运算，并不断地向输出装置送出运算结果，使伺服系某种运算，并不断地向输出装置送出运算结果，使伺服系统执行所要求的运动。统执行所要求的运动。n输出装置：输出装置：接受控制器的指令将运算器送来的计算结果接受控制器的指令将运算器送来的计算结果输送到伺服系统，经过功率的放大，驱动相应的坐标轴，输送到伺服系统，经过功率的放大，驱动相应的坐标轴，使机床完成刀具相对工件的运动。使机床完成刀具相对工件的运动。2021-10-17吉林工程技术师范学院 机电学院nE:E:伺服系统：伺服系统：是数控机床的最后环节。它接受来是数控机床的最后环节。它接受来自数控装置的指令信息，严格按照指令信息的

16、要求自数控装置的指令信息，严格按照指令信息的要求带动机床的移动部件，加工出符合图纸要求的零件。带动机床的移动部件，加工出符合图纸要求的零件。伺服系统包括伺服系统包括驱动装置、执行部件驱动装置、执行部件两大系统。常两大系统。常用的伺服系统有：功率步进电机、直流伺服电机、用的伺服系统有：功率步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机等，现在最热门的是交流伺服电机。交流伺服电机等，现在最热门的是交流伺服电机。伺服控制按其工作原理可分为两种控制方式：关伺服控制按其工作原理可分为两种控制方式：关断控制和调节控制断控制和调节控制。关断控制是将指令值与实测值。关断控制是将指令值与实测值在在关断电路的比较器关断电路

17、的比较器中进行比较。这种方式中进行比较。这种方式适用于适用于点位控制点位控制。 2021-10-17吉林工程技术师范学院 机电学院调节控制是调节控制是偏差控制偏差控制，不断比较指令值与反馈的实际值、不，不断比较指令值与反馈的实际值、不断发出信号，直到差值为零。这种方式断发出信号，直到差值为零。这种方式适用于连续轨迹控制适用于连续轨迹控制。n机床：机床：与传统的机床相比，数控机床的外部造型、整体布局、传动与传统的机床相比，数控机床的外部造型、整体布局、传动系统、支撑系统、排屑系统与刀具系统的部件结构以及操作机构系统、支撑系统、排屑系统与刀具系统的部件结构以及操作机构等方面已经发生了很大变化。对数

18、控机床设计而言在机床的精度、等方面已经发生了很大变化。对数控机床设计而言在机床的精度、静刚度、动刚度、热刚度等方面提出了更高的要求，而传动链则静刚度、动刚度、热刚度等方面提出了更高的要求，而传动链则要求尽可能简单。要求尽可能简单。简而言之，数控机床的工作原理就是将被加工零件图纸上几简而言之，数控机床的工作原理就是将被加工零件图纸上几何信息和工艺信息用规定的代码和格式编写成加工程序，并将程何信息和工艺信息用规定的代码和格式编写成加工程序，并将程序输入到机床的数控装置，数控装置对所输入的指令信息进行译序输入到机床的数控装置，数控装置对所输入的指令信息进行译码、计算处理、分配，经伺服系统驱动机床各坐

19、标轴移动，从而码、计算处理、分配，经伺服系统驱动机床各坐标轴移动，从而实现机床上刀具与工件的相对运动及其它各部件的协调动作，完实现机床上刀具与工件的相对运动及其它各部件的协调动作，完成零件的加工。成零件的加工。2021-10-17吉林工程技术师范学院 机电学院1.3 1.3 数控机床的分类方法数控机床的分类方法1.3.1 1.3.1 按工艺用途分类按工艺用途分类 1 1 金属切削类数控机床：金属切削类数控机床：数控车、铣、钻、磨、镗和数控齿轮数控车、铣、钻、磨、镗和数控齿轮加工机等。它们都适用于单件、小批量和多品种的零件加工，具有加工机等。它们都适用于单件、小批量和多品种的零件加工，具有很好的

20、加工尺寸的一致性、很高的生产率和自动化程度。很好的加工尺寸的一致性、很高的生产率和自动化程度。 2 2 金属成型类数控机床：金属成型类数控机床：数控冲床、压力机、折弯机、弯管机数控冲床、压力机、折弯机、弯管机. . 3 3 特种加工类数控机床：特种加工类数控机床：数控线切割机、数控电火花成形机、数控线切割机、数控电火花成形机、激光、火焰切割机。激光、火焰切割机。 4 4 其他类型的数控机床：其他类型的数控机床：不对材料进行处理，只对零件进行测不对材料进行处理，只对零件进行测量或装配等。数控自动装配机、多坐标测量机、自动绘图机、工业量或装配等。数控自动装配机、多坐标测量机、自动绘图机、工业机器人

21、等。机器人等。 加工中心机床是带有刀库和自动换刀装置的数控机床。它的出加工中心机床是带有刀库和自动换刀装置的数控机床。它的出现打破了一台机床只能进行一种加工的传统观念。由于有效地避免现打破了一台机床只能进行一种加工的传统观念。由于有效地避免了多次装夹造成的定位误差，且减少了机床的台数和占地面积，从了多次装夹造成的定位误差，且减少了机床的台数和占地面积，从而极大地提高了生产率和加工自动化程度。而极大地提高了生产率和加工自动化程度。2021-10-17吉林工程技术师范学院 机电学院 五面体加工中心机床可以在一次装夹中完成除安装面以外的五面体加工中心机床可以在一次装夹中完成除安装面以外的箱体类所有表

22、面的加工。车削加工中心可以在一次装夹中完成回箱体类所有表面的加工。车削加工中心可以在一次装夹中完成回转体零件的所有加工工序（包括车削内外表面、铣平面、铣槽、转体零件的所有加工工序（包括车削内外表面、铣平面、铣槽、钻孔和攻螺纹等工序）。钻孔和攻螺纹等工序）。1.3.2 1.3.2 按运动控制的特点分类按运动控制的特点分类 1 1 点位控制数控机床（点位控制数控机床（Point to Point ControlPoint to Point Control）：）：图四：点位控制 钻孔加工示意图工件刀具图五：点位直线控制 切削加工2021-10-17吉林工程技术师范学院 机电学院 特点：特点：机床的移

23、动部件只能实现从一个位置到另一个机床的移动部件只能实现从一个位置到另一个位置的位置的精确移动精确移动，在移动和定位过程中不进行任何加工在移动和定位过程中不进行任何加工，机床移动部件机床移动部件的运动路线并不影响加工的孔距精度。的运动路线并不影响加工的孔距精度。 最典型的点位控制机床有：数控钻、数控坐标镗、数控点焊最典型的点位控制机床有：数控钻、数控坐标镗、数控点焊机、数控弯管机。机、数控弯管机。 2 2 直线控制数控机床：直线控制数控机床： 也称点位直线控制数控机床，是指控制机床工作台或刀具也称点位直线控制数控机床，是指控制机床工作台或刀具（刀架）以要求的进给速度，沿着（刀架）以要求的进给速度

24、，沿着平行于坐标轴平行于坐标轴的方向进行直线的方向进行直线移动和切削加工（一般还包括移动和切削加工（一般还包括4545斜线）的机床。这类机床有数斜线）的机床。这类机床有数控车、某些数控镗铣床和加工中心等。控车、某些数控镗铣床和加工中心等。 特点：特点：能够对两个或两个以上的坐标轴进行控制，它不仅能够对两个或两个以上的坐标轴进行控制，它不仅能控制机床移动部件的起点和终点坐标，能控制机床移动部件的起点和终点坐标，准确定位准确定位，而且要，而且要控制控制整个加工过程每一点的速度与位移量。整个加工过程每一点的速度与位移量。这类机床的缺点是这类机床的缺点是只能做只能做单坐标的切削运动单坐标的切削运动，不

25、能加工复杂轮廓的工件。，不能加工复杂轮廓的工件。 由于只能做简单的直线运动，因此不能实现任意的轨迹轮由于只能做简单的直线运动，因此不能实现任意的轨迹轮廓加工。一般情况下，这类机床有廓加工。一般情况下，这类机床有两个到三个可控制的轴两个到三个可控制的轴，但，但同同时控制的轴数只有一个时控制的轴数只有一个，因此直线控制机床也称为，因此直线控制机床也称为单轴数控单轴数控。2021-10-17吉林工程技术师范学院 机电学院 3 3 轮廓控制轮廓控制(Contouring Control):(Contouring Control):又称连续控制数控机床又称连续控制数控机床(Continuous Path

26、 Control) (Continuous Path Control) 特点：特点：能够能够对两个或两个以上的坐标轴同时进行控制对两个或两个以上的坐标轴同时进行控制，它不，它不仅能控制机床移动部件的起点和终点坐标，准确定位，而且要控仅能控制机床移动部件的起点和终点坐标，准确定位，而且要控制整个加工过程每一点的速度以及它们之间的比率与位移量，即制整个加工过程每一点的速度以及它们之间的比率与位移量，即要要控制移动轨迹控制移动轨迹，将工件加工成一定的轮廓形状。，将工件加工成一定的轮廓形状。可以加工斜线、可以加工斜线、曲线、曲面曲线、曲面，如：数控车、铣、加工中心等。，如：数控车、铣、加工中心等。 轮

27、廓控制需要在加工过程中不断进行多坐标之间的插补运算，轮廓控制需要在加工过程中不断进行多坐标之间的插补运算，实现相应的速度和位移控制。轮廓控制包含了点位和点位直线控实现相应的速度和位移控制。轮廓控制包含了点位和点位直线控制。制。 按照可联动（同时控制）轴数，可分为两坐标联动控制、按照可联动（同时控制）轴数，可分为两坐标联动控制、2.52.5坐标联动控制、三坐标联动控制、四、五、六坐标联动控制坐标联动控制、三坐标联动控制、四、五、六坐标联动控制等。等。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2021-10-17吉林工程技术师范学院 机电学院n两坐标联动加工两坐标

28、联动加工 用数控车床可进行两坐标联动加用数控车床可进行两坐标联动加工手柄零件，工件做回转运动，刀具工手柄零件，工件做回转运动，刀具做平面轮廓加工。如右图所示。做平面轮廓加工。如右图所示。n两轴半联动加工两轴半联动加工 n 用两轴半联动数控铣床可进行两用两轴半联动数控铣床可进行两轴半联动加工平面凸轮。其中轴半联动加工平面凸轮。其中X X轴、轴、Y Y轴联动；轴联动；Z Z轴单独控制，作周期进给；轴单独控制，作周期进给；采用平底圆柱铣刀进行周边铣削；是采用平底圆柱铣刀进行周边铣削；是一种平面轮廓加工。一种平面轮廓加工。n 也可用两轴半联动数控铣床，球也可用两轴半联动数控铣床，球头铣刀进行两轴半联动

29、加工空间轮廓头铣刀进行两轴半联动加工空间轮廓曲面。其中曲面。其中X X轴、轴、Z Z轴联动；轴联动；Y Y轴单独轴单独控制，作周期进给；称为控制，作周期进给；称为“行切法行切法”加工。加工。YY取值根据零件表面光洁度取值根据零件表面光洁度要求和铣刀的刀头半径。要求和铣刀的刀头半径。 2021-10-17吉林工程技术师范学院 机电学院n三坐标联动加工三坐标联动加工n 用三坐标联动数控铣床可进行用三坐标联动数控铣床可进行三坐标联动加工内循环滚珠螺母反三坐标联动加工内循环滚珠螺母反向器的滚道母线向器的滚道母线SS。滚道母线是一。滚道母线是一空间曲线，在加工时，要把把空间空间曲线，在加工时，要把把空间

30、曲线分成很多小曲线段，每一个小曲线分成很多小曲线段，每一个小曲线段用空间直线来逼近；用三坐曲线段用空间直线来逼近；用三坐标联动方式加工。标联动方式加工。n四坐标联动加工四坐标联动加工n 用四坐标联动数控机床可进行用四坐标联动数控机床可进行四坐标联动加工飞机大梁侧面。飞四坐标联动加工飞机大梁侧面。飞机大梁侧面是直纹扭曲面；采用圆机大梁侧面是直纹扭曲面；采用圆柱铣刀进行周边铣削时，为了使刀柱铣刀进行周边铣削时，为了使刀具与工件型面在全长上始终贴合，具与工件型面在全长上始终贴合，必须要必须要X 、Y、Z三个直线进给轴联三个直线进给轴联动，还要随时控制刀具绕旋转坐标动，还要随时控制刀具绕旋转坐标轴轴A

31、轴摆动；即四坐标联动控制。轴摆动；即四坐标联动控制。加工效率高，零件光洁度好。加工效率高，零件光洁度好。 2021-10-17吉林工程技术师范学院 机电学院n五坐标联动加工五坐标联动加工 用五坐标联动数控机床可进行五坐标联动加工大型的曲面轮廓；例如很大的球面零件加工时，为保证加工效率和零件光洁度，采用端铣刀和五坐标联动机床；加工时，对于工件轮廓上任意一个切削点，刀具的端面和切削点处的切平面相重合；即刀具的轴线和工件轮廓在切削点处的法线n相平行；当切削点变化时，由于切削点的坐标和工件轮廓在切削点处的法线n变化，刀具刀位点坐标和刀具的轴线方向也要相应变化；刀具刀位点坐标变化由X 、Y、Z三个直线进

32、给轴联动实现，刀具的轴线方向变化则由两个绕旋转坐标轴联动实现，因此要五个坐标联动控制；其加工程序的编制也相当复杂。2021-10-17吉林工程技术师范学院 机电学院1.3.3 1.3.3 按伺服系统的类型分类按伺服系统的类型分类 按数控系统的进给伺服子系统有无位置测量装置可分为按数控系统的进给伺服子系统有无位置测量装置可分为开开环数控系统环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据位置测，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量装置安装的位置又可分为全闭环全闭环和和半闭环半闭环两种。两种。 1 1 开环控制的数控机床开环控制的数控机床 开环数控机床采用开环伺服系统开

33、环数控机床采用开环伺服系统, ,系统中没有反馈装置系统中没有反馈装置，信，信号流是单向的（数控装置号流是单向的（数控装置进给系统），故系统稳定性好。进给系统），故系统稳定性好。开环数控机床的特点：工作稳定、结构简单、维修方便、成开环数控机床的特点：工作稳定、结构简单、维修方便、成本低、但由于系统无位置反馈，故精度低。本低、但由于系统无位置反馈，故精度低。指令脉冲步进电动机驱动线路步 进电动机工作台工作台图六图六 开环控制数控机床的系统框图开环控制数控机床的系统框图2021-10-17吉林工程技术师范学院 机电学院 2 2半闭环控制的数控机床半闭环控制的数控机床 检测元件装在电机轴或丝杠轴的端部

34、，这种系统的控制环内检测元件装在电机轴或丝杠轴的端部，这种系统的控制环内不包括机械传动环节不包括机械传动环节，反馈的只是进给传动系统的，反馈的只是进给传动系统的部分误差部分误差，一，一般是电机轴或丝杠轴的角位移、角速度，还要经过转换处理才是般是电机轴或丝杠轴的角位移、角速度，还要经过转换处理才是工作台（或刀架）的实际位移，不是直接检测最终运动部件的实工作台（或刀架）的实际位移，不是直接检测最终运动部件的实际位置。际位置。 因此称这种控制系统为半闭环。因此称这种控制系统为半闭环。 半闭环数控机床的特点：可以获得较满意的精度、减少了误半闭环数控机床的特点：可以获得较满意的精度、减少了误差、结构比较

35、复杂、成本较高、不能消除反馈电路后的误差影响。差、结构比较复杂、成本较高、不能消除反馈电路后的误差影响。指令脉冲速度反馈位置反馈位置比较电路速度控制电路AB伺服电动机+-工作台图七图七 半闭环控制数控机床的系统框图半闭环控制数控机床的系统框图2021-10-17吉林工程技术师范学院 机电学院 3 3 闭环控制的数控机床闭环控制的数控机床 位置检测信号取自机床工作台或刀架（整个传动链的最末端位置检测信号取自机床工作台或刀架（整个传动链的最末端执行元件）执行元件），所以包含了整个传动系统的，所以包含了整个传动系统的全部误差全部误差，故称全闭，故称全闭环系统。环系统。从理论上讲，可以消除整个驱动和传

36、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。由于位置环内的许间隙和失动量。具有很高的位置控制精度。由于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，使闭环系统的设计、安装和调试都相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。该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、当困难。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。超精磨床以及较大型的数控机床等。 全闭环数控机床的特点：精度高、误差小、结构

37、更加复杂、全闭环数控机床的特点：精度高、误差小、结构更加复杂、成本更高。成本更高。C指令脉冲速度反馈位置反馈位置比较电路速度控制电路伺 服电动机A位置检测图八图八 闭环控制数控机床的系统框图闭环控制数控机床的系统框图2021-10-17吉林工程技术师范学院 机电学院1.3.4 1.3.4 按按功能水平功能水平分类分类 按此方法可将数控机床分为：高、中、低档三类。其中低档按此方法可将数控机床分为：高、中、低档三类。其中低档数控机床又称为经济型数控。数控机床水平的高低主要指它们的数控机床又称为经济型数控。数控机床水平的高低主要指它们的主要技术参数、功能指标和关键部件的功能水平等。主要技术参数、功能

38、指标和关键部件的功能水平等。功能功能低档低档中档中档高档高档分辨率（分辨率（mm）10101 10.10.1进给速度进给速度（m/minm/min）8 81515151524241515100100驱动进给类型驱动进给类型开环开环半闭环或闭环的直流或交流伺服系统半闭环或闭环的直流或交流伺服系统联动轴数（轴）联动轴数（轴）2 23 32 24 43 35 5以上以上通信功能通信功能一般无一般无RS-232RS-232或或DNCDNC接口接口可有可有MAPMAP通信接口通信接口，有联，有联网能力网能力显示功能显示功能LEDLED或简单的或简单的CRTCRT较齐全的较齐全的CRTCRT显示显示还有三

39、维图形显示还有三维图形显示内装内装PLCPLC无无有有有强功能的有强功能的PLCPLC主主CPUCPU8 8位、位、1616位位3232位以上或位以上或3232位以上的多位以上的多CPUCPU注注: :MAPManufacturing Automation ProtocolMAPManufacturing Automation Protocol制造自动化协议制造自动化协议较齐全的较齐全的CRTCRT显示是指具有字符、图形、人机对话、自诊断等功能的显示。显示是指具有字符、图形、人机对话、自诊断等功能的显示。2021-10-17吉林工程技术师范学院 机电学院1.4 1.4 数控技术的产生与发展数控

40、技术的产生与发展 1.4.1 1.4.1 数控技术的产生与现状数控技术的产生与现状 数控机床是与计算机的产生发展紧密相连的，计算机最早是数控机床是与计算机的产生发展紧密相连的，计算机最早是在在19461946年投入商业运用的，数控机床是在计算机出现以后发展起年投入商业运用的，数控机床是在计算机出现以后发展起来的，是工业化发展到一定程度的必然产物，工业化最早发生于来的，是工业化发展到一定程度的必然产物，工业化最早发生于蒸汽时代，那时生产率低、质量差，随着人们对生产率、质量要蒸汽时代，那时生产率低、质量差，随着人们对生产率、质量要求的提高，出现了机械加工工艺过程的自动化，即出现了适于大求的提高，出

41、现了机械加工工艺过程的自动化，即出现了适于大批量生产的刚性自动化生产线，它缺点是很不容易调整，从而导批量生产的刚性自动化生产线，它缺点是很不容易调整，从而导致生产周期延长，生产效率低，进而产生了适于小批量生产的柔致生产周期延长，生产效率低，进而产生了适于小批量生产的柔性自动化生产线，这样灵活通用的，能适应产品频繁变化的数字性自动化生产线，这样灵活通用的，能适应产品频繁变化的数字控制机床就产生了。因此说数控机床是科学技术随着社会生产而控制机床就产生了。因此说数控机床是科学技术随着社会生产而发展起来的必然产物。发展起来的必然产物。2021-10-17吉林工程技术师范学院 机电学院科学技术 发展 质

42、量 对产品 要求越来越高 解决的重要措施之一社会生产 生产率自动机床、组合机床、专用自动线等刚性自动化机床 机械加工工艺过程的自动化 设备 不能满足个性化生产要求 不容易调整，灵活性差大批量生产，采用“刚性”自动化设备 小批量生产，采用“柔性”自动化设备 设备数字控制机床等灵活多用的、能适应产品频繁变化的“柔性”自动化机床 由此看来，市场竞争日趋激烈，产品更新换代加快，大批量由此看来，市场竞争日趋激烈，产品更新换代加快，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，迫切需要一种精度高、柔性好加工设备来满足上述需求等状况，是数控技种精度高

43、、柔性好加工设备来满足上述需求等状况，是数控技术产生和发展的内在动力术产生和发展的内在动力 电子技术和计算机技术的飞速发展则为电子技术和计算机技术的飞速发展则为NCNC机床的发展进步提机床的发展进步提供了坚实的技术基础。供了坚实的技术基础。 数控技术正是在这种背景下诞生和数控技术正是在这种背景下诞生和发展起来的。它的产生给自动化技术带来了新的概念，推动了发展起来的。它的产生给自动化技术带来了新的概念，推动了加工自动化技术的发展。加工自动化技术的发展。2021-10-17吉林工程技术师范学院 机电学院数控技术发展的几个主要阶段数控技术发展的几个主要阶段 发展沿革发展沿革 19521952年，年，

44、ParsonsParsons公司和公司和M.I.TM.I.T合作研制了世界上第一台三座标合作研制了世界上第一台三座标数控机床。数控机床。 19551955年，第一台工业用数控机床由美国年，第一台工业用数控机床由美国BendixBendix公司生产出来。公司生产出来。 从从19521952年至今，年至今，NCNC机床按机床按NCNC系统的发展经历的五代。系统的发展经历的五代。第一代：第一代：19551955年年 NCNC系统以系统以电子管电子管组成，体积大，功耗大。组成，体积大，功耗大。第二代：第二代：19591959年年 NCNC系统以系统以晶体管晶体管组成，广泛采用印刷电路板。组成，广泛采用

45、印刷电路板。第三代：第三代：19651965年年 NCNC系统采用系统采用小规模集成电路小规模集成电路作为硬件，其特点作为硬件，其特点是体积小，功耗低，可靠性进一步提高。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，故历史上又称系统，由于其数控功能均由硬件实现，故历史上又称其为其为“硬线硬线NCNC”2021-10-17吉林工程技术师范学院 机电学院 第四代：第四代：19701970年年 NCNC系统采用系统采用小型计算机小型计算机取代专用计算机，其部取代专用计算机，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。分功能由软件实现，它

46、具有价格低，可靠性高和功能多等特点。 第五代：第五代：19741974年年 NCNC系统以系统以微处理器微处理器为核心，不仅价格进一步降为核心，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。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。这一代又可分为六个发展阶段：这一代又可分为六个发展阶段： 19791979年：年：系统采用系统采用CRTCRT显示，显示，VLICVLIC，大容量磁泡存储器，可编程，大容量磁泡存储器，可编程接口和遥控接口等。接口和遥控接口等。 19741974年：年：系统以微处理器为核心，有字符显示，自诊断功能。系统以微处理器为核心，有字

47、符显示，自诊断功能。 19811981年：年：具有人机对话、动态图形显示、实时精度补偿功能。具有人机对话、动态图形显示、实时精度补偿功能。 19861986年：年：数字伺服控制诞生，大惯量交直流电机投入使用。数字伺服控制诞生，大惯量交直流电机投入使用。 19881988年：年：采用高性能采用高性能3232位机为主机的主从结构系统。位机为主机的主从结构系统。 19941994年：年：基于基于PCPC的的NCNC系统诞生，使系统诞生，使NCNC系统的研发进入了开放型、系统的研发进入了开放型、柔性化的新时代，新型柔性化的新时代，新型NCNC系统的开发周期日益缩短。它是数控技术系统的开发周期日益缩短。

48、它是数控技术发展的又一个里程碑。发展的又一个里程碑。 从第四代至第五代，人们称之为计算机数控。从第四代至第五代，人们称之为计算机数控。2021-10-17吉林工程技术师范学院 机电学院 数控机床是综合了当今世界上许多领域最新的技术成果。主要数控机床是综合了当今世界上许多领域最新的技术成果。主要包括：精密机械、计算机及信息处理、自动控制及伺服驱动、精密包括：精密机械、计算机及信息处理、自动控制及伺服驱动、精密检测及传感和网络通讯等技术。其核心是微电子技术向精密机械技检测及传感和网络通讯等技术。其核心是微电子技术向精密机械技术渗透所形成的机电一体化技术。它标志着机械制造业进入了数字术渗透所形成的机

49、电一体化技术。它标志着机械制造业进入了数字化的时代。化的时代。 现在数控技术已成为制造业实现自动化、柔性化、集成化生产现在数控技术已成为制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础技术，现代的的基础技术，现代的CAD/CAMCAD/CAM，FMS FMS （ Flexible Manufacturing Flexible Manufacturing SystemSystem柔性制造系统）和柔性制造系统）和CIMSCIMS（计算机集成制造系统（计算机集成制造系统 Computer-Computer-Integrated Manufacturing System Integrated Manufac

50、turing System ），敏捷制造和智能制造等，），敏捷制造和智能制造等，都是建立在数控技术之上；都是建立在数控技术之上； 是国家的战略技术，基于它的相关产业是体现国家综合国力水是国家的战略技术，基于它的相关产业是体现国家综合国力水平的重要基础性产业；平的重要基础性产业； 专家们预言专家们预言: : 二十一世纪机械制造业的竞争，其实质是数控技二十一世纪机械制造业的竞争，其实质是数控技术的竞争。术的竞争。2021-10-17吉林工程技术师范学院 机电学院1.4.2 1.4.2 数控技术发展趋势数控技术发展趋势n发展趋势发展趋势 进入九十年代以来，进入九十年代以来，随着国际上计算机技随着国际

51、上计算机技术突飞猛进的发展，术突飞猛进的发展，数控技术不断采用计数控技术不断采用计算机、控制理论等领算机、控制理论等领域的最新技术成就，域的最新技术成就，使其朝着下述方向发使其朝着下述方向发展。展。2021-10-17吉林工程技术师范学院 机电学院 运行高速化：运行高速化：使进给率、主轴转速、刀具交换速度、托盘使进给率、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。交换速度实现高速化，并且具有高加（减）速率。 进给率高速化：在分辨率为进给率高速化：在分辨率为1 1 m m时，时，F Fmaxmax=240m/min=240m/min。在。在F Fmaxmax下下可获得

52、复杂型面的精确加工；在程序段长度为可获得复杂型面的精确加工；在程序段长度为1mm1mm时，时，F Fmaxmax=30m/min=30m/min，并且具有，并且具有1.5g1.5g的加减速率；的加减速率； 主轴高速化：采用电主轴（内装式主轴电机），即主轴电机主轴高速化：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。主轴最高转速达的转子轴就是主轴部件。主轴最高转速达200000r/min200000r/min。 主轴转速的最高加（减）速为主轴转速的最高加（减）速为1.0g 1.0g ，即仅需，即仅需1.81.8秒即可从秒即可从0 0提提速速15000r/min15000r/min

53、。换刀速度：。换刀速度：0.90.9秒（刀到刀）；秒（刀到刀）；2.82.8秒（切削到切秒（切削到切削）；工作台（托盘）交换速度削）；工作台（托盘）交换速度 6.36.3秒。秒。 加工高精化：加工高精化：提高机械设备的制造和装配精度；提高数控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。系统的控制精度；采用误差补偿技术。 采用高速插补技术，以微小程序段实现连续进给，使采用高速插补技术，以微小程序段实现连续进给，使CNCCNC控制控制单位精细化，采用高分辨率位置检测装置，提高位置检测精度。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。2021-10-17吉林工

54、程技术师范学院 机电学院功能复合化功能复合化 复合化是指在一台设备能实现多种工艺手段加工的方法。复合化是指在一台设备能实现多种工艺手段加工的方法。 镗铣钻复合镗铣钻复合加工中心（加工中心（ATCATC）；五面加工中心（）；五面加工中心（ATCATC，主轴，主轴立卧转换）；车铣复合立卧转换）；车铣复合车削中心（车削中心（ATCATC，动力刀头）；铣镗钻，动力刀头）；铣镗钻车复合车复合复合加工中心（复合加工中心（ATCATC，可自动装卸车刀架）；铣镗钻磨，可自动装卸车刀架）；铣镗钻磨复合复合复合加工中心（复合加工中心（ATCATC，动力磨头）；可更换主轴箱的数控，动力磨头）；可更换主轴箱的数控机床

55、机床组合加工中心；组合加工中心；控制智能化控制智能化 数控技术智能化具体体现在以下几个方面：数控技术智能化具体体现在以下几个方面：加工过程自适应加工过程自适应控制技术；加工参数的智能优化与选择控制技术；加工参数的智能优化与选择 ；智能故障诊断与自修；智能故障诊断与自修复技术复技术 ；智能化交流伺服驱动装置；智能；智能化交流伺服驱动装置；智能4M4M数控系统。数控系统。 自适应控制技术：自适应控制技术：通过监测加工过程中的切削力、主轴和进给通过监测加工过程中的切削力、主轴和进给电机的功率、电流、电压等信息，利用传统的或现代的算法进行电机的功率、电流、电压等信息，利用传统的或现代的算法进行识别，以

56、辩识出刀具的受力、磨损以及破损状态，机床加工的稳识别，以辩识出刀具的受力、磨损以及破损状态，机床加工的稳定性状态；并根据这些状态实时修调加工参数（主轴转速，进给定性状态；并根据这些状态实时修调加工参数（主轴转速，进给速度）和加工指令，使设备处于最佳运行状态，以提高加工精度、速度）和加工指令，使设备处于最佳运行状态，以提高加工精度、降低工件表面粗糙度以及设备运行的安全性。降低工件表面粗糙度以及设备运行的安全性。2021-10-17吉林工程技术师范学院 机电学院加工参数的智能优化与选择加工参数的智能优化与选择 将工艺专家或技工的经验、零件加工的一般与特殊规律，用将工艺专家或技工的经验、零件加工的一

57、般与特殊规律，用现代智能方法，构造基于专家系统或基于模型的现代智能方法，构造基于专家系统或基于模型的“加工参数的加工参数的智能优化与选择器智能优化与选择器”，利用它获得优化的加工参数，从而达到，利用它获得优化的加工参数，从而达到提高编程效率和加工工艺水平，缩短生产准备时间的目的。采提高编程效率和加工工艺水平，缩短生产准备时间的目的。采用经过优化的加工参数编制的加工程序，可使加工系统始终处用经过优化的加工参数编制的加工程序，可使加工系统始终处于较合理和较经济的工作状态。于较合理和较经济的工作状态。智能故障诊断与自修复技术智能故障诊断与自修复技术 智能故障诊断技术：根据已有的故障信息，应用现代智能

58、智能故障诊断技术：根据已有的故障信息，应用现代智能方法（方法（AIAI、ESES、ANNANN等），实现故障快速准确定位的技术。等），实现故障快速准确定位的技术。智能故障自修复技术：指能根据诊断确定故障原因和部位，以智能故障自修复技术：指能根据诊断确定故障原因和部位，以自动排除故障或指导故障的排除技术。智能自修复技术集故障自动排除故障或指导故障的排除技术。智能自修复技术集故障自诊断、故障自排除、自恢复、自调节于一体，并贯穿于加工自诊断、故障自排除、自恢复、自调节于一体，并贯穿于加工过程的整个生命周期。过程的整个生命周期。2021-10-17吉林工程技术师范学院 机电学院智能化交流伺服驱动装置智

59、能化交流伺服驱动装置 目前已开始研究能自动识别负载，并自动调整参数的目前已开始研究能自动识别负载，并自动调整参数的智能化伺服系统，包括智能主轴交流驱动装置和智能化智能化伺服系统，包括智能主轴交流驱动装置和智能化进给伺服装置。这种驱动装置能自动识别电机及负载的进给伺服装置。这种驱动装置能自动识别电机及负载的转动惯量，并自动对控制系统参数进行优化和调整，使转动惯量，并自动对控制系统参数进行优化和调整，使驱动系统获得最佳运行。驱动系统获得最佳运行。智能智能4M4M数控系统数控系统 在制造过程中，加工、检测一体化是实现快速制造、在制造过程中，加工、检测一体化是实现快速制造、快速检测和快速响应的有效途径

60、，将测量快速检测和快速响应的有效途径，将测量(Measurement)(Measurement)、建模建模(Modelling)(Modelling)、加工、加工(Manufacturing)(Manufacturing)、机器操作、机器操作(Manipulator)(Manipulator)四者（即四者（即4M4M）融合在一个系统中，实现信）融合在一个系统中，实现信息共享，促进测量、建模、加工、装夹、操作一体化的息共享，促进测量、建模、加工、装夹、操作一体化的4M4M智能系统。智能系统。2021-10-17吉林工程技术师范学院 机电学院体系开放化体系开放化 定义（定义（IEEEIEEE）：具