数控机床培训课件

第1章绪论1.1概述1.2数控机床的基本组成和工作原理1.3数控机床的分类1.4数控机床的特点本章要点图库下页返回1.1概述下页上页返回数控技术的基本概念

数控技术、数控系统与数控机床

数控技术，简称数控（NumericalControl—NC）是利用数字化信息对机械运动及加工过程进行控制的一种方法。由于现代数控都采用了计算机进行控制，因此，也可以称为计算机数控（ComputerizedNumericalControl—CNC）。

为了对机械运动及加工过程进行数字化信息控制，必须具备相应的硬件和软件。用来实现数字化信息控制的硬件和软件的整体称为数控系统（NumericalControlSystem），数控系统的核心是数控装置（NumericalController）。

图库1.1概述由于数控系统、数控装置的英文缩写亦采用NC（或CNC），因此，在实际应用中，在不同场合NC（或CNC）具有三种不同含义，即：既可以在广义上代表一种控制技术，又可以在狭义上代表一种控制系统的实体，此外还可以代表一种具体的控制装置——数控装置。数控系统和计算机技术的发展始终保持同步，至今已经历了从电子管、晶体管、集成电路、计算机到微处理机的演变，系统功能的日益增强，应用领域的日益扩大，发展异常迅速，更新换代十分频繁。下页上页返回图库附：机床发展的历史回顾1.1概述

采用数控技术进行控制的机床，称为数控机床（NC机床）。它是一种综合应用了计算机技术、自动控制技术、精密测量技术和机床设计等先进技术的典型机电一体化产品，是现代制造技术的基础。机床控制也是数控技术应用最早、最广泛的领域，数控机床的水平代表了当前的数控技术的性能、水平和发展方向，因此，本书将以数控机床为主线，介绍数控技术的有关内容。

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NC机床、加工中心、FMC、FMS与CIMS

数控机床种类繁多，有钻铣镗类、车削类、磨削类、电加工类、锻压类、激光加工类和其他特殊用途的专用数控机床等等，凡是采用了数控技术进行控制的机床统称NC机床。

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带有自动刀具交换装置（AutomaticToolChanger—ATC）的数控机床（带有回转刀架的数控车床除外）称为加工中心（MachineCenter—MC）。它通过刀具的自动交换，可以一次装夹完成多工序的加工，实现了工序的集中和工艺的复合，从而缩短了辅助加工时间，提高了机床的效率，减少了零件的安装、安装次数，提高了加工精度。加工中心是目前数控机床中产量最大、应用最广的数控机床。下页上页返回图库1.1概述

在加工中心的基础上，通过增加多工作台（托盘）自动交换装置（AutoPalletChanger—APC）以及其他相关装置，组成的加工单元称为柔性加工单元（FlexibleManufacturingCell—FMC）。FMC不仅实现了工序的集中和工艺的复合，而且通过工作台（托盘）的自动交换和较完善的自动检测、监控功能，可以进行一定时间的无人化加工，从而进一步提高了设备的加工效率。FMC既是柔性制造系统的基础，又可以作为独立的自动化加工设备使用，因此，其发展速度较快。下页上页返回图库1.1概述

在FMC和加工中心的基础上，通过增加物流系统、工业机器人以及相关设备，并由中央控制系统进行集中、统一控制和管理，这样的制造系统称为柔性制造系统（FlexibleManufacturingSystem－FMS）。FMS不仅可以进行长时间的无人化，而且可以实现多品种零件的全部加工或部件装配，实现了车间制造过程的自动化，它是一种高度自动化的先进制造系统。下页上页返回图库1.1概述

随着科学技术的发展，为了适应市场需求多变的形势，对现代制造业来说，不仅需要发展车间制造过程的自动化，而且是实现从市场预测、生产决策、产品设计、产品制造直到产品销售的全面自动化。将这些要求综合，构成的完整的生产制造系统，称为计算机集成制造系统（ComputerIntegratedManufacturingSystem－CIMS）。CIMS将一个工厂的生产、经营活动进行了有机的集成，实现了更高效益、更高柔性的智能化生产，是当今自动化制造技术发展的最高阶段。下页上页返回图库1.1概述

NC机床与程控机床

NC机床与程控机床是两种不同含义的机床，它们的控制要求和控制对象有本质的不同。一般来说，机床自动控制主要包括三方面内容：1)机床动作顺序的程序控制，典型的有组合机床、自动生产线等的流程与工步控制。其主要控制要求是根据机床的动作顺序表（如电磁阀等执行元件的动作表）。按规定的顺序通过执行原件依次动作，完成机床的动作流程。

下页上页返回图库1.1概述述NC机床与程程控机床2)主电机与与辅助电机的的启动、停止止、变速、冷冷却、润滑、、排屑、自动动换刀等辅助助机能的控制制。这些控制制有的是实现现机械加工必必须的，有的的是机床特殊殊动作和功能能方面的需要要。它可以通通过继电器、、接触器、变变频器、调速速器等进行控控制。对于于只只需需要要上上述述1））、、2））两两方方面面控控制制的的加加工工设设备备，，称称为为程程序序控控制制机机床床，，简简称称程程控控机机床床。。如如：：组组合合机机床床、、自自动动生生产产线线等等。。可可编编程程控控制制器器（（ProgrammableController）），，是是实实现现以以上上控控制制的的最最佳佳选选择择。。下页上页返回图库1.1概概述述NC机机床床与与程程控控机机床床3)刀刀具具（（或或坐坐标标轴轴））移移动动轨轨迹迹控控制制。。对对刀刀具具运运动动轨轨迹迹进进行行控控制制，，使使加加工工轮轮廓廓的的必必要要条条件件，，它它包包括括移移动动速速度度控控制制、、移移动动位位置置控控制制、、移移动动轨轨迹迹控控制制等等几几个个方方面面的的基基本本要要求求，，必必须须通通过过采采用用数数控控技技术术才才能能实实现现。。在数数控控机机床床上上，，对对于于运运动动部部件件的的位位移移量量控控制制，，一一般般需需要要通通过过档档铁铁、、行行程程开开关关等等检检测测元元件件的的发发信信和和对对执执行行元元件件的的通通断断控控制制实实现现。。即即便便采采用用了了侍侍服服驱驱动动装装置置的的程程控控机机床床，，一一般般也也只只能能对对各各运运动动部部件件的的移移动动速速度度、、移移动动位位置置进进行行单单独独的的控控制制和和调调整整，，因因此此，，程程控控机机床床能能够够实实现现点点位位控控制制，，但但不不能能实实现现各各部部件件间间的的““联联动动””，，任任意意改改变变坐坐标标轴轴（（或或刀刀具具））在在平平面面或或空空间间的的移移动动轨轨迹迹，，故故不不能能成成为为数数控控机机床床。。下页上页返回图库1.1概概述NC机床与与程控机床床在数控机床床上，通过过数控系统统的“插补补”运算，，实现了坐坐标轴的联联动功能。。它不仅可可以控制移移动部件的的起点与终终点坐标，，而且还能能同时控制制各运动部部件每一时时刻的速度度和位移，，以及各运运动部件间间的相互关关系，从而而可以将工工件加工要要求的轮廓廓形状。这这是数控机机床与其他他机床的本本质区别，，也是机床床采取数控控技术的根根本原因。。下页上页返回图库1.1概概述下页上页返回数控系统及及其组成机床数控系系统的基本本组成数控系统是是所有数控控设备的核核心。数控控系统的主主要控制对对象是坐标标轴的位移移（包括移移动速度、、方向、和和位置等）），其控制制信息主要要来源于数数控加工或或运动控制制程序。因因此，作为为数控系统统最基本的的组成应该该包括：程程序的输入入/输出装装置、数控控装置、伺伺服驱动这这三部分。。图库1.1概概述下页上页返回数控系统及及其组成机床数控系系统的基本本组成（1）输入入/输出装装置输入/输出出装置的主主要作用是是进行数控控加工或运运动控制程程序、加工工与控制数数据、机床床参数以及及坐标轴位位置、检测测开关的状状态等数据据的输入、、输出。键键盘和显示示器是任何何数控设备备必须的最最基本的输输入输出装装置。此外外，根据数数控系统的的不同，还还可以配光光电阅读机机、磁带机机或软盘驱驱动器等。。作为外围围设备，计计算机是目目前常用的的输入/输输出装置之之一。图库1.1概概述下页上页返回数控系统及及其组成机床数控系系统的基本本组成（2）数控控装置数控装置是是数控系统统的核心。。它由输入入/输出接接口线路、、控制器、、运算器和和存储器等等部分组成成。数控装装置的作用用是将输入入装置输入入的数据，，通过内部部的逻辑电电路或控制制软件进行行编译、运运算和处理理，并输出出各种信息息和指令，，以控制机机床的各部部分进行规规定的动作作。在这些控制制信息和指指令中，最最基本的是是坐标轴的的进给速度度、进给方方向和进给给位移量指指令；它经经插补运算算后生成，，提供给伺伺服驱动，，经驱动器器放大，最最终控制坐坐标轴的位位移。它直直接决定了了刀具或坐坐标轴的移移动轨迹。。图库1.1概概述下页上页返回数控系统及及其组成机床数控系系统的基本本组成此外，根据据系统和设设备的不同同，如：在在数控机床床上，还可可能有主轴轴的转速、、转向和起起、停指令令；刀具的的选择和交交换指令；；冷却、润润滑装置的的起、停指指令；工件件的松开、、夹紧指令令；工作台台的分度等等辅助指令令。在基本本的数控系系统中，它它们是通过过接口，以以信号的形形式提供外外部辅助控控制装置，，由外部辅辅助控制装装置对以上上信号进行行必要的编编译和逻辑辑运算，放放大后驱动动相应的执执行元件，，带动机床床机械部件件、液压气气动等辅助助装置完成成指令规定定的动作。。图库1.1概概述下页上页返回数控系统及及其组成机床数控系系统的基本本组成（3）伺服服驱动伺服驱动通通常由伺服服放大器（（亦称：驱驱动器、伺伺服单元））和执行机机构等部分分组成。在数控机床床上，目前前一般采用用交流伺服服电动机作作为执行机机构；在先先进的高速速加工机床床上，已经经开始使用用直线电动动机。图库1.1概概述数控系统及及组成：NC(CNC)、SV与PC(PLC、PMC)NC(CNC)：：数控（（NumericalControl）的常常用英文缩缩写。由于于现代数控控都采用了了计算机控控制，因此此，可以认认为NC和和CNC的含义义完全等同同。如前所所述，NC(CNC)在广义义上代表一一种控制技技术----数控技技术；在狭狭义上代表表一种控制制系统的实实体----数控系系统；此外外，还可以以代表一一种具体的的控制装置置----数控装置置。下页上页返回图库1.1概概述数控系统及及组成：NC(CNC)、SV与PC(PLC、PMC)SV：：伺服驱动动（ServoDrive,简称伺伺服）的常常用英文缩缩写。按日日本JIS标准规定定的术语，，它是“以以物体的位位置、方向向、状态等等作为空置置量，追踪踪目标值的的任意变化化的控制机机构”。简简言之，它它是一种能能够自动跟跟随目标位位置等物理理量的控制制装置。在数控机床床上，伺服服驱动的作作用主要有有两个方面面：一是按按照数控装装置给定的的速度运行行；二是按按照数控装装置给定的的位置定位位。因此，，伺服驱动动的精度和和动态响应应性能是影影响数控机机床的加工工进度、表表面质量和和生产率的的重要因素素之一。下页上页返回图库1.1概概述数控系统及及组成：NC(CNC)、SV与PC(PLC、PMC)PC：：可编程序序控制器（（ProgrammableController））的英文缩缩写。随着着个人计算算机的日益益普及，为为了避免和和个人计算算机（亦称称：PC机机）混淆，，现在一般般都将可编编程序控制制器称为可可编程序逻逻辑控制器器（ProgrammableLogicController----PLC）或可可编程序机机床控制器器（ProgrammableMachineController----PMC））。因此，，在数控机机床上，PC、PLC、PMC具有完完全相同的的含义。下页上页返回图库1.2数控控机床的基基本组成和和工作原理理数控机床的的基本组成成在数控机床床上，为了了进行零件件的加工，，可以通过过如下步骤骤进行：1）根据被被加工零件件的图样与与工艺方案案，用规定定的代码和和程序格式式，将刀具具的移动轨轨迹、加工工工艺过程程、工艺参参数、切削削用量等编编写成数控控系统能够够识别的指指令形式。。2）将所编编写的加工工程序输入入数控装置置。3）数控装装置对输入入的程序（（代码）进进行译码、、运算处理理，并向各各坐标轴的的伺服驱动动装置和辅辅助机能控控制装置发发出响应的的控制信号号，以控制制机床的各各部件的运运动。下页上页图库返回1.2数控控机床的基基本组成和和工作原理理数控机床的的基本组成成4）在运动动过程中，，数控系统统需要随时时检测机床床的坐标轴轴位置、行行程开关的的状态等，，并与程序序的要求相相比较，以以决定下一一步动作，，直到加工工出合格的的零件。5）操作者者可以随时时对机床的的加工情况况、工作状状态进行观观察、检查查，必要时时还需要对对机床动作作和加工程程序进行调调整，以保保证机床安安全、可靠靠地运行。。由此可知，，作为数控控机床的基基本组成，，它应包括括：输入/输出装置置、数控装装置、伺服服驱动和反反馈装置、、辅助控制制装置以及及机床本体体等部分。（见图1-1））数控机机床的基本本组成下页上页图库返回1.2数控控机床的基基本组成和和工作原理理数控机床的的基本组成成图1-1中中的输入/输出装置置、数控装装置、伺服服驱动和反反馈装置构构成了机床床数控系统统，其作用用见前述。。测量装置置的作用是是检测数控控机床坐标标轴的实际际位置和移移动速度，，检测信号号被反馈输输入到机床床的数控装装置或伺服服驱动中，，数控装置置或伺服驱驱动对反馈馈的实际位位置和速度度与给定值值进行比较较，并向机机床输出新新的位移、、速度指令令。检测装装置的安装装、检测信信号反馈的的位置，决决定于数控控系统的结结构形式。。下页上页图库返回1.2数控控机床的基基本组成和和工作原理理数控机床的的基本组成成数控装置发发出的一个个进给脉冲冲所对应的的机床坐标标轴的位移移量，称为为数控机床床的最小移移动单位，，亦称脉冲冲当量。根根据机床精精度的不同同，常用的的脉冲当量量有0.01mm、、0.005mm、、0.001mm等等，在高精精度数控机机床上，可可以达到0.0005mm、、0.0001mm甚至更小小。下页上页图库返回1.2数控控机床的基基本组成和和工作原理理数控机床的的基本组成成辅助控制装装置的主要要作用是根根据数控装装置输出的的主轴转速速、转向和和启停指令令；刀具的的选择和交交换指令；；冷却、润润滑装置的的启停指令令；工件和和机床部件件的松开、、夹紧与工工作台转位位等辅助指指令所提供供的信号，，以及机床床上检测开开关的状态态等信号，，经过必要要的编译和和逻辑运算算，经放大大后驱动相相应执行的的元件，带带动机床机机械部件、、液压气动动等辅助装装置完成规规定的动作作。辅助控控制装置通通常由PLC和强电电控制回路路构成。下页上页图库返回1.2数控控机床的基基本组成和和工作原理理数控机床的的基本组成成机床本体与与传统的机机床基本相相同，它也也是由主传传动系统、、进给传动动系统、床床身、工作作台以及辅辅助运动装装置、液压压气动系统统、润滑系系统、冷却却装置等部部分组成。。但为了满满足数控的的要求，充充分发挥机机床性能，，它在总体体布局、外外观造型、、传动系统统结构、刀刀具系统以以及操作性性能方面都都已发生了了很大的变变化。下页上页图库返回1.2数控控机床的基基本组成和和工作原理理数控机床的的工作原理理在传统的金金属切削机机床上，零零件加工是是由操作者者根据图样样的要求，，通过不断断改变刀具具的运动轨轨迹和运动动速度等参参数，使刀刀具对工件件进行切削削加工，最最终加工出出合格零件件。下页上页图库返回1.2数控控机床的基基本组成和和工作原理理数控机床的的工作原理理数控机床的的加工，其其实质是应应用了“微微分”原理理。其工作作原理与过过程如下（（如图1-2所示））：1）数控装装置根据加加工程序要要求的刀具具轨迹，将将轨迹按机机床对应的的坐标轴，，以最小移移动量（脉脉冲当量））进行微分分（图1-2中的△△X、△Y），并计计算出各轴轴需要移动动的脉冲数数。2）通过数数控装置的的插补软件件或插补运运算器，把把要求的轨轨迹用以““最小移动动单位”为为单位的等等效折线进进行拟合，，并找出最最接近理论论轨迹的拟拟合折线。。3）数控装装置根据拟拟合折线的的轨迹，给给相应的坐坐标轴连续续不断地分分配进给脉脉冲，并通通过伺服驱驱动使机床床坐标轴按按分配的脉脉冲运动。。下页上页图库返回1.2数控控机床的基基本组成和和工作原理理数控机床的的工作原理理由上可见：：第一、只只要数控机机床的最小小移动量（（脉冲当量量）足够小小，所用的的拟合折线线就安全可可以等效代代替理论曲曲线；第二二、只要改改变坐标轴轴的脉冲分分配方式，，既可以改改变拟合折折线的形状状，从而达达到改变加加工轨迹的的目的；第第三、只要要改变分配配脉冲的频频率，既可可以改变坐坐标轴（刀刀具）的运运动速度。。这样就实实现了数控控机床控制制刀具移动动轨迹的根根本目的。。以上根据据给定的数数学函数，，在理想轨轨迹（轮廓廓）的已知知点之间，，通过数据据点的变化化，确定一一些中间点点的方法，，称为插补补。显然，，当数控机机床的联动动轴数越多多，机床加加工轮廓的的性能就越越强。因此此，联动轴轴的数量是是衡量数控控机床性能能的重要技技术指标之之一。下页上页图库返回1.3数数控控机机床床的的分分类类数控控机机床床品品种种规规格格繁繁多多，，对对数数控控机机床床的的分分类类方方法法较较多多，，但但定定义义明明确确、、分分类类较较为为确确切切的的一一般般有有下下面面几几种种分分类类方方法法。。下页上页图库返回按加加工工工工艺艺方方法法分分类类按伺伺服服驱驱动动的的特特点点分分类类其他他分分类类1.3数数控控机机床床的的分分类类下页上页图库返回1.3数数控控机机床床的的分分类类下页上页图库返回锥度度电电火火花花线线切切割割机机床床1.3数数控控机机床床的的分分类类下页上页图库返回数控控车车床床1.3数数控控机机床床的的分分类类按加加工工工工艺艺方方法法分分类类：：普通通数数控控机机床床:普通通数数控控机机床床是是指指加加工工用用途途、、加加工工工工艺艺相相对对单单一一的的数数控控机机床床。。加工工中中心心:在普普通通数数控控机机床床增增加加自自动动换换刀刀装装置置（（ATC））可可以以成成为为加加工工中中心心下页上页图库返回1.3数数控控机机床床的的分分类类按伺伺服服驱驱动动的的特特点点分分类类：：开环环控控制制数数控控机机床床半闭闭环环控控制制数数控控机机床床闭环环控控制制数数控控机机床床下页上页图库返回1.3数数控控机机床床的的分分类类按伺伺服服驱驱动动的的特特点点分分类类：：开环环控控制制数数控控机机床床下页上页图库返回无位位置置反反馈馈装装置置的的数数控控机机床床称称为为开开环环控控制制数数控控机机床床。。使使用用步步进进电电动动机机（（包包括括电电液液脉脉冲冲马马达达））作作为为伺伺服服执执行行元元件件，，是是其其最最明明显显的的特特点点。。在在开开环环控控制制数数控控机机床床中中，，数数控控装装置置输输出出的的脉脉冲冲，，经经过过步步进进驱驱动动器器的的环环形形分分配配器器或或脉脉冲冲分分配配软软件件的的处处理理，，并并通通过过驱驱动动电电路路进进行行功功率率放放大大，，最最终终控控制制了了步步进进电电动动机机的的角角位位移移。。步步进进电电动动机机再再经经过过减减速速装装置置（（或或直直接接联联接接））带带动动了了丝丝杆杆旋旋转转，，通通过过丝丝杆杆将将角角位位移移转转换换为为移移动动部部件件的的直直线线位位移移。。因因此此，，控控制制步步进进电电动动机机的的转转角角与与转转速速，，就就可可以以间间接接控控制制移移动动部部件件的的移移动动速速度度与与位位移移量量。。1.3数数控控机机床床的的分分类类按伺伺服服驱驱动动的的特特点点分分类类：：半闭闭环环控控制制数数控控机机床床下页上页图库返回特点点是是：：机机床床的的转转动动丝丝杆杆或或伺伺服服电电动动机机上上装装有有角角位位移移检检测测装装置置（（如如光光电电编编码码器器等等）），，通通过过它它检检测测丝丝杆杆的的转转角角，，从从而而间间接接地地检检测测了了移移动动部部件件的的位位移移。。角角位位移移信信号号被被反反馈馈到到数数控控装装置置或或伺伺服服驱驱动动中中，，实实现现了了从从数数控控装装置置到到电电动动机机输输出出转转角角间间的的闭闭环环自自动动调调节节。。同同样样，，由由于于伺伺服服电电动动机机和和丝丝杆杆相相连连，，通通过过丝丝杆杆将将旋旋转转活活动动转转换换为为移移动动部部件件的的直直线线位位移移，，因因此此，，间间接接控控制制了了移移动动部部件件的的移移动动速速度度与与位位移移量量。。这这种种结结构构，，只只对对电电动动机机或或丝丝杆杆的的角角位位移移进进行行了了闭闭环环控控制制，，没没有有实实现现对对最最终终输输出出的的直直线线位位移移的的闭闭环环控控制制，，故故称称为为““半半闭闭环环控控制制””。。1.3数数控控机机床床的的分分类类按伺伺服服驱驱动动的的特特点点分分类类：：闭环环控控制制数数控控机机床床下页上页图库返回特点点是是：：机机床床移移动动部部件件上上直直接接安安装装直直线线位位移移检检测测装装置置，，检检测测装装着着检检测测最最终终位位移移输输出出量量。。实实际际位位移移值值被被反反馈馈到到数数控控装装置置或或伺伺服服驱驱动动中中，，它它可可以以直直接接与与输输入入的的指指令令位位移移值值进进行行比比较较，，用用误误差差进进行行控控制制，，最最终终实实现现移移动动部部件件的的精精确确运运动动和和定定位位。。从从理理论论上上说说，，对对于于这这样样的的闭闭环环系系统统，，其其运运动动精精度度仅仅取取决决于于检检测测装装置置的的检检测测精精度度，，它它与与机机械械传传动动的的误误差差无无关关，，显显然然，，其其精精度度将将高高于于半半闭闭环环系系统统。。而而且且，，它它可可以以对对传传动动系系统统的的间间隙隙、、磨磨损损能能自自动动补补偿偿，，其其精精度度保保持持性性要要比比半半闭闭环环系系统统好好得得多多。。1.3数数控机机床的的分类类下页上页图库返回除以上上两种种分类类方法法以外外，数数控机机床还还可以以按照照功能能水平平、功功能特特点等等不同同的分分类方方法分分类，，但这这些分分类方方法的的定义义均不不够确确切，，概念念比较较模糊糊，不不同种种类