第1章 数控绪论

1、数数 控控 技技 术术机械与电子工程学院机械与电子工程学院主讲：冯 涛二零零九年二月v 数控技术是用数字程序控制数控机械实现自动工作的技术。v 它是现代制造技术的基础，它的广泛应用，使普通机械被数控机械所代替，全球制造业发生了根本性的变化。v 因此，数控技术的水准、拥有和普及程度，已经成为衡量一个国家综合国力和工业现代化水平的重要标志。 一、一、数控技术和数控机床数控技术和数控机床1、数控技术数控技术 数控技术数控技术，是一种采用计算机对机械加工过程中各种控制信息进行数字化处理、运算、并通过高性能的驱动单元对机械执行构件进行自动化控制的高新技术。 国标定义为国标定义为：“用数字化信号（数字、字

2、母和符号）对机床运动及其加工过程进行控制的一种方法”。简称数控（NC）。 数字控制是与机床控制密切结合而发展起来的，因此人们习惯上说的数控指机床数控。2 2、数控机床数控机床 就是采用了数控技术的机床。 国际信息处理联盟委员会国际信息处理联盟委员会定义定义如下：“数控机床是一个装有程序控制系统的机床，该系统能够逻辑地处理具有使用代码或其他符号编码指令规定的程序”。 数控系统数控系统：是指实现数控技术相关功能的软、硬件模块的有机集成系统，它是数控技术的载体，即是数控装置和伺服控制部分的统称。计算机数控系统计算机数控系统：是指以计算机为核心的数控系统。数控加工技术数控加工技术：应用装备了数控系统的

3、机械加工设备进行加工的技术。二、机床数字控制的原理机床数字控制的原理( (即数控加工的原理）即数控加工的原理） 是将加工过程所需的各种操作步骤以及工件的形状尺寸（即零件的几何信息和工艺信息）用程序-数字化的代码来表示（称为数字信息），再由计算机的数控装置对这些输入的信息进行处理和运算。把刀具与工件的运动坐标分割成一些最小单位量，即最小位移量，然后由数控系统按照零件程序的要求控制机床伺服驱动系统，使坐标移动若干个最小位移量，从而实现工件与刀具之间的相对运动，以完成零件的加工。 当被加工工件改变时，除了重新装夹工件和更换刀具外，只需更换程序。 在数控加工中，使数控机床动作的是数控装置给数控机床传递

4、运动命令的脉冲群，每个脉冲对应于机床的单位位移量。 图图1.11.1是点位控制、轮廓控制加工直线和曲线的原理示意图。 基本构思基本构思：用沿曲线（逼近函数）的最小位移量合成的分段运动代替任意曲线运动，以得出所需的运动。 在进行曲线加工时，可以用一给定的数字函数来模拟线段L，即知道了一条曲线的种类、起点、终点以及速度后，根据给定的数字函数，在理想的轨迹或轮廓上的已知点之间，进行数据点的密化，确定一些中间点，这种方法称之为“插补插补”，处理这些插补的算法称之为插补运算插补运算。 由此可见，要实现数控加工，则必须有一台能达到下述要求的数控设备： （1）数控装置，即能接受零件图样加工要求的信息，并按照

5、一定的数字模型进行插补运动，实时地向各坐标轴发出速度控制指令及切削用量的数字控制计算机。 （2）具有快速响应，并且有足够功率的伺服驱动装置。 （3）必须有满足上述加工方式要求的机床主机，刀具、辅助设备以及各种加工所需的辅助功能，如：主轴启停，刀具更换，冷却液的开关，各种运动的互锁、连锁，运动行程的限位等，这些均属于开关量控制，一般由可编程控制器PLC来完成。三、数控机床的组成数控机床的组成 下图是一台三坐标数控铣床的组成图。控制介质数控装置检测装置机床伺服系统 数控机床一般由信息输入、数控装置、伺服驱动系统、机床本体、机电接口、辅助程编机及其它一些附属设备组成。1信息输入信息输入 数控机床要进

6、行切削加工, 必须有各种加工信息,信息载体（即控制介质）上存储着加工零件所需的全部操作信息和刀具相对于工件的位移信息.信息载体有纸带、磁带、磁盘，加工零件的程序和各种参数、数据通过输入设备送入计算机系统（数控装置），输入方式较多，如纸带、磁盘、磁带、手摇脉冲发生器、通讯接口、CRT/MDI。2、计算机数控装置（计算机数控装置（CNCCNC） 控制系统的主要作用是对输入的零件加工程序进行数字运算和逻辑运算，然后向伺服系统发出控制信号。 它是数控机床的核心部分。是由CPU、存储器、总线和相应的软件构成的专用计算机，它完成加工程序的输入、编辑及修改，实现信息存储、数据变换、代码转换、插补运算以及各种

7、控制功能。 主要功能如下： 多轴联动，多坐标控制。 实现多种函数的插补。 多种程序输入功能，编辑和修改功能。 信息转换功能。 补偿功能。 多种加工方式选择。 具有故障自诊断功能。 显示功能。 通讯和联网功能。3、伺服驱动装置和检测反馈装置。伺服驱动装置和检测反馈装置。 伺服驱动装置又称为伺服系统，它接受计算机运算处理结果的信号，经过驱动电路将信号进行转换、放大以后去驱动各个坐标的伺服电动机，并且随时检测运动末端件（伺服电动机或工作台）的实际运动情况，进行严格的速度和位置反馈控制。这一部分影响数控机床的动态特性和轮廓加工精度。4、机床本体机床本体 包括机床的主运动部件、进给运动部件和其他相关的底

8、座、立柱、滑鞍、工作台（或刀架）、床身、导轨等。要求基础件的刚度好，精度保持性好，运动精度高。 机床主体是加工运动的实际部件。特点：（1）主轴功率大，床身刚度高、抗震性好、热变形小。（2）采用高效传动件。传动灵活，传动精度高。（3）有刀具自动交换系统和管理系统。（4）有工件自动交换系统以及液压夹紧放松机构。（5）有全封闭或半封闭的安全防护设施。5、机电接口机电接口 数控机床除了实现加工零件轮廓轨迹控制外，还有其它许多动作，如刀具的更换，工件的松夹，冷却液的开停，各坐标的行程限位，各个运动的互锁、连锁，机床的急停，程序停止，以及各种离合器的开合，电磁铁的通断等等，这些属于开关量控制，一般采用可编

9、程控制器（PLC）来实现。 PLC处理的是数字信息“0”和“1”。四、数控机床的特点数控机床的特点 数控机床是实现柔性自动化的关键设备，是柔性自动化生产线的基本单元，它具有以下优势： 1、能加工一般机床所不能加工或难以加工的复杂型面，如复杂模具，发电机叶片、整体涡轮等复杂零件。 2、采用数控机床加工可以达到更高的精度和稳定的质量。 数控机床是按预定的程序自动加工，且加工精度还可以用软件进行校正补偿。 数控机床在整体设计中考虑了整机刚度和零件的制造精度，又采用高精度的滚珠丝杠传动副，机床的定位精度和重复定位精度都很高。特别是有的数控机床具有加工过程自动监测和误差补偿等功能，因而能可靠地保证加工精

10、度和尺寸的稳定性。 3、具有高生产率。 采用较大切削用量，自动换刀，自动变换工件，自动变速，因此与普通机床相比，可提高生产率23倍。 数控机床在加工中零件的装夹次数少，一次装夹可加工出很多表面，省去了划线找正和检测等许多中间环节。据统计，普通机床的净切削时间一般占总切削时间的15%-20%，而数控机床可达65%-70%，可实现自动换刀的带刀库数控机床甚至可达75%-80%。加工复杂工件时，效率可提高5-10倍。 4、具有较大的灵活性和广泛的适应性。 可以适应不同品种尺寸规格零件，一般借用通用夹具，只需更换程序，即可适应不同零件的加工。 5、一机多用。 加工中心在一次装夹后几乎能完成零件的全部加

11、工部位的加工，节省了设备，时间等。 6、在制品少，从而加速了流动资金的周转，提高了经济效益。 7、可以改善生产环境，减轻了操作者的劳动强度。 8、可以实现较精确的成本核算和 生产安排。 综上分析，最适合在数控机床上加工的零件可归纳如下：（1）轮廓形状复杂，加工精度较高的零件。（2）用普通机床加工时，需要制作复杂的工艺装备的零件。（3）用普通机床加工时，工艺路线过长，工装过多的零件。（4）多品种、小批量生产的零件。（5）新产品的试制零件。（6）价值昂贵，加工中不允许报废的零件。（7）生产周期短的零件。（8）集多种工序于一体的箱体零件。一、按运动控制的特点分类按运动控制的特点分类1、点位控制数控机

12、床点位控制数控机床 这种机床只要求获得精确的孔系坐标定位精度，而不控制从一个孔到另一个孔的运动轨迹，在坐标运动过程中，不进行切削加工。2、直线控制数控机床直线控制数控机床 是指控制机床工作台或刀具以要求的进给速度，沿着平行于坐标轴的方向进行直线移动和切削加工的机床。这类机床有准确的定位功能，而且还要控制位移的速度。一般情况下这类机床有两到三个可控制的轴，但同时只能控制一个。直线控制也称单轴数控。3、轮廓控制的数控机床轮廓控制的数控机床 该类机床在加工过程中，时刻都对各坐标轴的位移和速度进行严格的连续的控制，是具有同时控制两个或两个以上坐标进行联动（即插补）的数控机床。可以加工曲线或曲面的零件。

13、 按照联动轴数，可以分为两坐标联动控制，2.5坐标联动控制，三坐标、四坐标、五坐标等联动控制。轮廓加工的实例如图1.4所示。二、按伺服系统的类型分类按伺服系统的类型分类1、开环系统控制的数控机床开环系统控制的数控机床 这类机床没有位置检测反馈装置，其精度主要取决于驱动元器件和电机（步进电动机）的性能。特点：调试简单，系统易稳定，精度低，价廉。指令脉冲2、闭环系统的数控机床闭环系统的数控机床 该类机床数控装置中插补器发出的位置指令信号与工作台（或刀架）上检测到的实际位置反馈信号进行比较，根据其差值不断控制运动，进行误差修正，直到差值为零停止运动。 指令指令 特点：系统的设计、调整难度大，加工精度

14、高，机床工作精度主要取决于测量元件的精度。可消除系统中的机械传动部件制造误差对加工精度带来的影响。3、半闭环控制的数控机床半闭环控制的数控机床 这类机床的检测元件装在电机轴或丝杠轴的端部，这种系统的闭环控制环内不包括机械传动环节，该系统反馈的是进给传动系统的部分误差，由于采用了高分辨率的反馈检测元件，以及传动部分有补偿，可获得较满意的精度和速度。三、按工艺方法分类按工艺方法分类1、金属切削类数控机床金属切削类数控机床 其中加工中心是带有自动换刀装置的能进行铣、钻、镗加工的复合型的数控机床，适合于箱体零件的加工。2、金属成型类或特种加工类数控机床金属成型类或特种加工类数控机床。四、按功能水平分类

15、按功能水平分类 通常分为高、中、低档（亦称经济型）三类。数控机床水平的高低主要指它们的主要技术参数、功能指标和关键功能部件的功能水平等。如下表：项目高中低CPU32位或64位16位8位分辨率0.1m1m10m进给速度24100m/min1524m/min815m/min多轴联动35轴或更多3523显示功能CRT显示、字符、三维动态图显、诊断 较齐全的CRT显示、字符、图形、诊断数码显示通讯功能MAP、有联网功能RS232或DNC无一、数控技术的产生与发展数控技术的产生与发展 技术基础：电子技术，控制技术和计算机技术的飞速发展。 1952年，美国parsons公司和麻省理工学院，合作研制了世界上

16、第一台三坐标数控铣床，它是由电子管组成的控制系统。 1955年，在parsons专利的基础上，第一台工业用NC机床由美国Bendix公司生产出来，这是一台实用化的NC机床。 从1952年至今， NC机床按NC系统的发展经历了五代： 第一代，1955年，NC系统以电子管组成，体积大，功耗大。 第二代，1959年，NC系统由晶体管组成，广泛采用印刷电路板。加工中心。 第三代，1965年，NC系统采用小规模集成电路作为硬件，其特点是体积小，功耗小，可靠性提高。 第四代，1970年，NC系统采用了小型计算机替代了专用计算机，其部分功能由软件实现，具有价值低，可靠性高和功能多等特点。CNC系统。 第五代

17、，1974年，NC系统以微处理器为核心，价格进一步降低，体积更小，系统性能随CPU的不断升级而不断提高。MNC系统。 前三代均属于硬逻辑数控系统，称为NC。后两代统称为CNC。 二、现代数控技术的发展趋势：现代数控技术的发展趋势： 随着计算机技术、网络技术的发展，计算机技术、信息技术与传统控制技术相结合，为数控技术的发展和进步提供了新的条件，其发展趋势是：向运行高速化，加工高精度化，高效化，多功能化，复合化和控制智能化方向发展。主要发展动向是研制开放式全功能通用数控系统。现代数控技术的发展主要体现在以下几个方面：（一）数控系统数控系统 1、数控系统的数控系统的PCPC化化 发展基于PC平台CN

18、C的推动力量主要来自PC中丰富的软硬件资源。 使用pc为基础的CNC具有以下优点：（1）成本低。（2）标准化。（3）可靠性高。pc的生产批量大，有利于质量的控制。（4）软件资源丰富。 （5）便于联网。 存在的问题： a）pc机的硬件结构上为用户提供的中断少。 b）实现实时控制机制问题。 PC化的数控系统可以分为三类： （1）NC板插入PC 中。这种数控系统是将数控的核心功能插卡化，并将其插入PC中。PC将实现用户接口，文件管理及通信等功能，NC插卡将全面负责机床的运动控制和开关量控制。 （2）PC板嵌入CNC中。 （3）软件CNC。软件CNC可以理解为用PC技术的概念和手段实现CNC的功能。这

19、种CNC装置的主体是PC机。 2、数控系统的智能化数控系统的智能化 智能制造的通俗理解是应用人工智能技术控制制造过程，包括制造过程的建模、监控、决策等。数控系统是智能制造的重要物质基础。计算机软硬件技术和人工智能技术的发展，使机床控制器具备了应用人工智能技术的条件。智能化主要体现在以下几个方面： （1）数控程序编制的智能化。高档数控系统大多可以通过会话自动编程系统来自动选择刀具，生成工艺路线等，实现切削仿真，大大提高了编程的效率。 （2）加工过程智能化监控。通过对影响加工精度和效率的物理量进行测量、建模，提取特征来感知系统的运行状态，快速做出实现最佳目标的决策，对进给速度和主轴转速进行实时的控

20、制和调整，使整个加工过程处于合理状态。如刀具的磨损和破损的监控等。 （3）故障诊断的智能化。在系统中内置实时诊断系统，当机床出现故障时，可以进行诊断并进行指导对故障的排除。 3、数控系统的开放化数控系统的开放化 当今机床正朝着灵活，多功能，网络化的方向发展，控制器也必须跟上这一步伐，这就要求控制器能够重新配置、修改、扩充和改装，甚至要求控制器能够重新生成，完成这一任务的有效途径就是“开放”。数控系统为了能方便的和PC机兼容或联网，且能利用第三方的软件实现CAD/CAM集成这就要求制造设备的开放化。（二）、伺服系统伺服系统 直流伺服系统被交流数字伺服系统所取代，伺服电机的位置、速度及电流环都实现了数字化。（三）、机械结构机械结构三、数控机床的发展数控机床的发展 1 运行高速化，加工高精度化。 2 功能复合化。 3 控制智能化。 4 驱动并联化。并联加工中心，其典型结构由动平台、静平台和6个可伸缩运动的杆件组成，它能实现六个自由度的空间运动。这种机床没有导轨和滑板，是现代机器人与传统加工技术相结合的产物。四、以数控机床为基础的生产自动化技术四、以数控机床为基础的生产自动化技术 1、DNC-D