第1章数控加工技术概论2课件

数控技术参考教材：1、《数控技术》明兴祖、陈书涵主编，化学工业出版社，2013.1；

参考书：（1）《机床数控原理与系统》王润孝、秦现生编著，西北工业大学出版社，2000.9；（2）《数字控制机床》廖效果、朱启逑编著，华中理工大学出版社，1992.9网站：中国数控网中国机床在线数控学习网数控中国轻松数控网目录1.1基本概念一、数控技术的基本概念二、机床数字控制原理三、数控加工特点1.2数控机床的组成与分类一、数控机床的组成二、数控机床的分类1.3数控机床的主要性能指标一、数控机床的可控轴数与联动轴数二、数控机床的运动性能指标三、数控机床的精度指标1.4数控加工技术的发展一、数控加工技术发展简述二、数控技术在先进制造技术中的应用三、数控加工技术的发展趋势1.1基本概念一、数控技术的基本概念数字控制（NumericalControl，NC），简称数控：就是用数字化的信息对机床的运动及其加工过程进行控制的一种方法。具体来说，数控就是采用计算机或专用计算机装置进行数字计算、分析处理、发出相应指令，对机床的各个动作及加工过程进行自动控制的一门技术。例：N003G90G01X+35.Y+279.3Z-429.7S1000T02F500M07；数控系统（NumericalControlSystem）实现数字控制的装置。以计算机为核心的数控系统称为计算机数控系统（ComputerNumericalControl），即CNC系统数控机床（NumericalControlMachineTools）：就是装备有计算机数控系统的自动化机床。数控机床将加工过程的各种机床动作，由数字化的代码表示，通过某种载体将信息输入数控系统，控制计算机对输入数据进行处理，来控制机床的伺服系统或其他执行元件，使机床加工出所需要的工件。

二、数控机床的工作原理1、数控机床的工作流程（1）数控加工程序的编制（2）输入（3）译码（4）刀具补偿（5）插补（6）位置控制和机床加工图1.1数控加工流程①零件工艺分析②编写零件的加工程序③零件的加工程序输入CNC系统④刀具路径模拟⑤零件加工根据零件加工图样进行工艺分析，确定加工方案、工艺参数和位移数据。按规定的程序代码、格式编写零件加工程序单；或用CAD/CAM生成零件的加工程序。操作面板输入、串行通信（DNC）输入、磁盘输入等。机床空运行、软材料（铝、塑料）或工件材料首件试切，以检验CNC程序的正确性。通过对机床的正确操作，运行程序，完成零件的加工。

2、数控机床的工作原理

机床数字控制原理：将被加工零件图纸上的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，然后将程序输入数控装置，按照程序的要求，经过信息处理，分配，使各坐标以最小位移量为单位移动，其合成运动实现了刀具与工件的相对运动，完成零件的加工。

最小位移量的合成运动是机床数字控制的基本原理，即轨迹控制原理（插补原理）。◆点位控制：严格控制点到点的距离，不严格要求路径，运动中不加工。图1.2点位控制YXO,PKQR△X△YG00:P-K-QG01:P-QZYX

◆轮廓控制：(ContouringControl)：

加工平面曲线、空间曲线、空间曲面时，需要多坐标联动。以平面（两维）的任意曲线L为例，要求刀具Τ沿（逼近）曲线轨迹运动，进行切削加工。

如图1.3所示,将曲线L分割成：l1、l2、l3……、li等线段。用直线（或圆弧）代替（逼近）这些线段，当逼近误差δ相当小时，这些折线段之和就接近了曲线。

轮廓控制也称连续轨迹控制，它的特点是不仅对坐标的移动量进行控制，而且对各坐标的速度及它们之间的比率都要进行严格控制，以便加工出给定的轨迹。1112131516δ△x△y14XYOTL图1.3轮廓控制

这种在允许的误差范围内，用沿曲线逼近函数的最小单位移动量合成的分段运动（小线段、小圆弧）代替任意曲线运动，以得出所需要的运动轨迹，是数控的基本构思之一。

◆插补（Interpolation）

是用被加工轨迹的有限信息（如起点和终点之间），计算插进刀具运动的许多中间点，进行数据点的密化工作，然后用已知线型（如直线、圆弧等）逼近。

插补有二层意义：基本线型的形成及如何分段逼近。

基本线型：由插补指令完成。如直线插补、圆弧插补、抛物线插补、螺旋线插补、极坐标插补、圆柱插补、样条插补、曲面直接插补、纳米插补、光顺插补等，插补指令越多，越能实现复杂型面的加工。

分段逼近：按允许的误差。弦线逼近、割线逼近、切线逼近。

◆插补分类：基准脉冲插补、数据采样插补（主要方法）。

◆基点和节点

基点：在数控加工图纸中，基本线型的交点；

节点：轮廓轨迹上的插入点（逼近线型与轮廓轨迹的交点）。数控机床的控制包括：开关量控制和轨迹控制。

开关量控制：为配合数控加工，所需要的开关动作控制，如程序停、冷却液开停、主轴正反转等等。由辅助功能指令实现。

轨迹控制:直线、圆弧及其它各种平面和空间轨迹。由插补指令实现,如直线插补、圆弧插补、抛物线插补、螺旋线插补、样条插补、曲面直接插补等。

插补指令越丰富，数控功能越强。

三、数控加工特点（1）数控加工特点

1)广泛的适应性和较大的灵活性；

2)零件加工精度高、产品质量稳定；

3)加工生产率高；

4)较少使用专用工装夹具；

5)可以实现一机多用；

6)有利于生产管理的现代化。（2）数控加工适用范围

1)多品种小批量生产的零件；

2)几何形状复杂的零件；

3)需进行多种工序加工的零件；

4)加工精度高的零件；

5)贵重零件；

6)需要频繁改型的零件；

（3）缺点

1)初次设备投资大；

2)对使用者技术要求高。

1.2数控机床的组成与分类一、数控机床的组成数控装置伺服系统

机床检测反馈装置控制介质图1.4数控机床的组成（1）信息输入：程序、参数、数据等的输入通道。输入方式有穿孔纸带、磁带、磁盘、MDI（手动数据输入）方式等。（2）数控装置：是数控机床的核心。包括CPU、存储器、各种接口电路等硬件和相应的软件。（3）伺服驱动装置：接受数控装置来的指令，将信号进行调解、转换、放大后驱动伺服电机，带动机床执行部件运动。

（4）检测反馈装置：速度、位置检测反馈装置，由检测元件和相应的电路组成。

（5）机床主机：是数控机床的主体，包括主运动部件、进给运动部件、执行部件和基础部件等。

（6）机电接口：M、S、T（PLC）数控装置的主要功能：

①多轴联动。

②多种函数插补：直线、圆弧、抛物线、螺旋线、样条等。

③多种程序输入功能。

④信息转换功能：EIA/ISO、公制/英制、绝对值/增量值、坐标变换等。

⑤补偿功能：刀具长度补偿、刀具半径补偿、间隙、螺距误差补偿等。

⑥多种加工方式选择（平移、镜像、旋转）。

⑦故障自诊断功能。

⑧显示功能：用CRT可以显示字符、轨迹、平面图形、三维动态图形。

⑨通讯和联网功能。二、数控机床的分类1、按工艺方法分类（1）金属切削类数控机床，如：数控车床、数控铣床、加工中心、数控钻床、数控镗床、数控磨床等（2）金属成型类数控机床，如数控折弯机、数控弯管机等（3）数控特种加工机床，如数控电火花加工机床、数控线切割机床、数控激光加工机床等

4、其它类型数控机床，如三坐标测量机等2、按运动控制的特点分类

1、点位控制数控机床

2、直线控制数控机床

3、轮廓控制的数控机床◆点位控制：对于一些加工孔用的数控机床，需严格控制点到点的距离，不严格要求路径，运动中不加工。典型的机床有数控钻床、数控镗床、数控冲床等。

◆直线控制：

特点：

（1）控制两相关点的位置，还要控制两相关点之间的移动速度和路线

（2）路线由与各个轴线平行的直线段组成

（3）使用于数控车床、数控镗铣床、加工中心等

◆轮廓控制：特点是能够同时对两个或两个以上的坐标轴进行连续控制，不仅对坐标的移动量进行控制，而且对各坐标的速度及它们之间的比率都要进行严格控制，以便加工出给定的轨迹。典型机床有数控车床、数控铣床、加工中心等。图1.4直线控制

3、按伺服系统的类型分类（1）开环控制的数控机床没有检测反馈装置

数控装置驱动电路步进电机工作台指令脉冲齿轮箱图1.5开环数控机床（2）闭环控制的数控机床

检测工作台直线位移（检测元件：感应同步器、光栅）

工作台检测元件数控装置位置比较电路

指令脉冲齿轮箱速度控制电路

测量装置测速元件伺服电机图1.6闭环数控机床

工作台检测元件数控装置位置比较电路

指令脉冲齿轮箱速度控制电路

测量装置测速元件伺服电动机（3）半闭环控制的数控机床

检测丝杠或电动机轴旋转角位移（角位移检测元件：旋转变压器、脉冲编码器、圆光栅等）图1.7半闭环数控机床

（1）高档（2）中档（3）低档

经济型数控：在我国指由单板机、单片机和步进电动机组成数控系统和其它功能简单、价格低的数控系统。图1.8经济型数控4、按功能水平分类1.3数控机床的主要性能指标一、数控机床的可控轴数与联动轴数

数控机床的可控轴数是指机床数控装置能够控制的坐标数目，即数控机床有几个运动方向采用了数字控制。数控机床可控轴数和数控装置的运算处理能力、运算速度及内存容量等有关。国外最高级数控装置的可控轴数已达到24轴，我国目前最高级数控装置的可控轴数为6轴。图1.9所示为6轴加工中心的示意图。

图1.9可控6轴加工中心示意图

数控机床的联动轴数，是指机床数控装置控制的坐标轴同时达到空间某一点的坐标数目。目前有两轴联动、3轴联动、4轴联动、5轴联动等。3轴联动数控机床可以加工空间复杂曲面，4轴联动、5轴联动数控机床可以加工飞行器叶轮、螺旋桨等零件（如图1.10）。图1.10五坐标联动加工

二、数控机床的运动性能指标数控机床的运动性能指标主要包括：

(1)主轴转速（5000～10000r/min，甚至更高）直流或交流调速主轴电机驱动，高速精密轴承支承，主轴具有较宽的调速范围和足够高的回转精度、刚度及抗振性。对各种小孔加工以及提高零件加工质量和表面质量都极为有利。

(2)进给速度数控机床的进给速度是影响零件加工质量、生产效率以及刀具寿命的主要因素。它受数控装置的运算速度、机床动特性及工艺系统刚度等因素的限制。目前国内数控机床的进给速度可达10～15m/min，国外数控机床的进给速度一般可达15～30m/min。

(3)坐标行程数控机床坐标轴X、Y、Z的行程大小，构成数控机床的空间加工范围，即加工零件的大小。坐标行程是直接体现机床加工能力的指标参数。

(4)摆角范围具有摆角坐标的数控机床，其转角大小也直接影响到加工零件空间部位的能力。但转角太大又造成机床的刚度下降，因此给机床设计带来许多困难。

(5)刀库容量和换刀时间刀库容量和换刀时间对数控机床的生产率有直接影响。刀库容量是指刀库能存放加工所需要的刀具数量，目前常见的中小型数控加工中心多为16～60把刀具，大型数控加工中心达100把刀具。换刀时间指带有自动交换刀具系统的数控机床，将主轴上使用的刀具与装在刀库上的下一工序需用的刀具进行交换所需要的时间，目前国内数控机床均在10～20s内完成换刀，国外不少数控机床的换刀时间仅为4～5s。三、数控机床的精度指标

(1)定位精度工作台等移动部件在确定的终点所达到的实际位置的精度，即实际位置与指令位置的一致程度，不一致量表现为误差，因此移动部件实际位置与指令位置之间的误差称为定位误差。被控制的机床坐标的误差(即定位误差)，包括驱动此坐标的控制系统(伺服系统、检测系统、进给系统等)的误差在内，也包括移动部件导轨的几何误差等。定位误差将直接影响零件加工的位置精度。

(2)重复定位精度是指在同一条件下，用相同的方法，重复进行同一动作时，控制对象位置的一致程度。即在同一台数控机床上，应用相同程序相同代码加工一批零件，所得到的连续结果的一致程度，也称为精密度。重复定位精度受伺服系统特性、进给系统的间隙与刚性以及摩擦特性等因素的影响。一般情况下,重复定位精度是成正态分布的偶然性误差，它影响一批零件加工的一致性，是一项非常重要的性能指标。

(3)分度精度是指分度工作台在分度时，理论要求回转的角度值和实际回转的角度值的差值。分度精度既影响零件加工部位在空间的角度位置，也影响孔系加工的同轴度等。

(4)分辨率与脉冲当量分辨率是指两个相邻的分散细节之间可以分辨的最小间隔。对测量系统而言，分辨率是可以测量的最小增量;对控制系统而言，分辨率是可以控制的最小位移增量。数控装置发出的每个脉冲信号，机床移动部件的位移量叫做脉冲当量。坐标计算单位是一个脉冲当量，它标志着数控机床的精度分辨率。脉冲当量是设计数控机床的原始数据之一，其数值的大小决定数控机床的加工精度和表面质量。目前普通精度级的数控机床的脉冲当量一般采用0.001mm/p，简易数控机床的脉冲当量一般采用0.01mm/p，精密或超精密数控机床的脉冲当量一般采用0.0001mm/p.

1．CPU的性能：8、16、32、64位，主频十多GHz,精减指令集芯片（RISC）,提供高的速度和丰富的软硬件资源；2．系统具有高分辨率：保证高精度、超精密加工。进给系统100万脉冲/每转、1600万脉冲/每转（FANUC0i）,分辨率

为0.001mm，速度最高可达到100m～240m/min。超精密加工时分辨率0.1μm（甚至0.01μm）,速度为24m/min,或更高。3．系统的控制功能：

1)多轴联动、多坐标控制

2)多种函数的插补

3)多种程序输入功能

4)信息转换功能

5)补偿功能

6)多种加工方式选择

7)具有故障自诊断功能

8)显示功能

一、数控加工技术发展简述汽车拖拉机家用电器自动机床组合机床专用自动生产线大批量生产企业1、数控机床的产生随着科学技术和社会生产的不断发展，对机械产品的质量和生产率提出了越来越高的要求。机械加工工艺过程的自动化是实现上述要求的最重要措施之一。自动机床、组合机床与专业自动生产线在机械制造业中，80％以上属单件与小批生产。尤其是在造船、航天、航空、机床、重型机械以及国防部门，其生产特点是批量小、改型频繁、零件形状复杂、精度要求高。即使是大批量生产,也改变了产品长期不变的做法。仿形加工机床部分地解决了小批量、复杂零件的加工。但制造靠模和调整机床费时，加工零件的精度较低。为解决上述问题，一种灵活、通用、能适应产品频繁变化的柔性自动化机床—数控机床应运而生。

1948年，美国帕森斯公司在研制加工直升飞机叶片轮廓样板时，提出了用电子计算机控制机床来加工样板曲线的设想。1949年，受美国空军委托，与麻省理工学院伺服机构研究所合作进行研制工作。1952年试制成功世界上第一台三坐标立式数控铣床。并于1955年进入实用阶段。德国、英国、日本等国家相继开始研制数控机床。世界著名的数控系统厂家主要有日本的FANUC公司、德国的SIEMENS、美国的A-B公司等。

1958年我国开始研制数控机床。2、数控机床的发展■1952年，第一代电子管数控系统;■1959年，第二代晶体管数控系统。随之出现刀库，机械手、加工中心；■1965年，第三代集成电路数控系统以上三代，都是采用专用控制计算机的硬逻辑数控系统（称为NC）；■1970年，出现小型计算机代替专用硬接线装置-第四代数控系统（CNC系统）；■1974年，以微处理器为核心的数控系统-第五代数控系统（MNC系统）；■随着微电子和计算机技术的发展，先后出现DNC、FMC、FMS、CIMS；计算机直接数控系统（计算机群控）：

所谓计算机直接数控（DirectNumericalControl，DNC）系统，即使用一台计算机为数台数控机床进行自动编程，编程结果直接通过数据线输送到各台数控机床的控制箱。

读带机通用计算机接口电路数控装置1机床1数控装置2数控装置m机床2机床m存储装置CRT显示及打印机

柔性制造系统：柔性制造系统（FlexibleManufacturingSystem，FMS）也叫做计算机群控自动线，它是将一群数控机床用自动传送系统连接起来，并置于一台计算机的统一控制之下，形成一个用于制造的整体。柔性制造单元（FMC）柔性制造系统（FMS）FMS的功能结构自动仓库工厂计算机中央计算机物流控制计算机信息传输网络加工单元1加工单元2加工单元n运输小车工夹具站

美国的M.E.Merchant提出计算机集成制造的概念(1969)计算机集成制造系统：计算机集成制造系统（Computer-IntegratedManufacturingSystem，CIMS），是指用计算机网络和数据库技术将从定货、设计、工艺、制造到销售的全过程集成为一个整体，以保证企业信息的共享性、可靠性和及时性，实现生产的自动化和柔性化。1958年:起步20世纪50年代末60年代中：研制、开发时期1965年开始研制晶体管式数控系统。1968年研制成了CJK-18晶体管式数控系统和X53K-1G立式数控机床。20世纪70年代初：数控加工中心相继在上海、北京研制成功。20世纪80年代初：从日本、美国等国引进数控装置及伺服系统技术。1985年：进入实用阶段1985年以后：在引进、消化的基础上，进行了大量的开发工作，我国数控机床进入稳定发展时期。我国数控机床的发展市场占有率5年翻一番，现在国产数控机床国内市场占有率从5年前的不足15%跃升到了30%。国产数控机床：突出重围，打造出自主品牌新天地。国产数控机床：自主创新支撑中国制造。大连大森数控公司、大连机床集团：集成创新，抢占技术制高点。齐重数控、华中数控：用“中国大脑”装备“中国制造”。沈阳机床、广州数控：自主创新，提升企业核心竞争力。国产数控机床产品获众多客户青睐。我国的数控机床无论从产品种类、技术水平、质量和产量上都取得高速发展，在一些关键技术方面也取得重大突破。2010年我国数控机床产量达到23.6万台，同比增长62.2%，中国可供市场的数控机床有1500种，几乎覆盖了整个金属切削机床的品种类别和主要的锻压机械。2014年我国数控机床产量达到39.1万台。2014年我国机床电子市场规模为425亿元。2014年中国机床电子市场中，数控系统市场规模约为246.5亿元，占比58.0%;伺服系统市场规模为65.5亿元，占比15.4%;控制电器市场规模54.0亿元，占比12.7%;主轴系统市场规模约为20.8亿元，占比4.9%;供电系统市场规模22.5亿元，占比5.3%;还余3.7%为其他机床电子元器件。

2010-2014年中国机床进口统计

中国数控机床的高档数控系统和功能部件仍然主要依靠进口。2014年国内高档系统的自给率不到10%，约90%依赖进口，其中日本是主要的进口来源国，约占三分之一。■数控技术是衡量一个国家经济发展的重