第一章数控技术基础

1、数控技术数控技术第一章第一章 数控技术基础数控技术基础 1前前 言言一、本课程性质一、本课程性质二、为什么要学习本课程二、为什么要学习本课程三、本课程要求三、本课程要求四、本课程内容四、本课程内容2l课程性质：课程性质：本课程是机械类各专业的一门主要专业选修课。本课程是机械类各专业的一门主要专业选修课。它以数控机床为对象，研究数字控制系统的工作原理、组成它以数控机床为对象，研究数字控制系统的工作原理、组成及其在数控机床上的应用。通过本课程的学习，应使学生掌及其在数控机床上的应用。通过本课程的学习，应使学生掌握数控技术的基本原理和基础知识；掌握握数控技术的基本原理和基础知识；掌握CNC数控系统的

2、组数控系统的组成结构和数控加工插补原理；理解并掌握数控机床的伺服驱成结构和数控加工插补原理；理解并掌握数控机床的伺服驱动系统和检测装置的动系统和检测装置的工作工作原理；原理；具备数控具备数控加工工艺的初步分加工工艺的初步分析能力析能力，以及，以及运用数控加工编程知识进行手工编程的能力运用数控加工编程知识进行手工编程的能力。l课程学时：课程学时：56l教材：李恩林主编教材：李恩林主编.数控技术原理及应用数控技术原理及应用，北京：国防工业出，北京：国防工业出版社，版社，2009l授课方式：课堂教学授课方式：课堂教学+实验教学实验教学l考核方式：期末考试（考核方式：期末考试（70%）+平时（平时（3

3、0%）一、本课程性质及考核方式一、本课程性质及考核方式3l是先进制造技术内容之一是先进制造技术内容之一l是制造装备数字化的主要内容是制造装备数字化的主要内容l是柔性自动化的基础是柔性自动化的基础l数控机床是典型的机电一体化产品数控机床是典型的机电一体化产品l数控机床的应用越来越普及数控机床的应用越来越普及l数控机床应用人才需求量大且迫切数控机床应用人才需求量大且迫切l数控技术适用领域广泛数控技术适用领域广泛l是机械工程领域的人才必备的专业知识是机械工程领域的人才必备的专业知识二、为什么要学习本课程？二、为什么要学习本课程？4 蓝领：机床操作蓝领：机床操作银领（灰领）：工艺设计与编程，维修，数控

4、改造银领（灰领）：工艺设计与编程，维修，数控改造金领（白领）：管理金领（白领）：管理金领银领蓝领社会急需的数控加工人才类型：社会急需的数控加工人才类型：5三、本课程要求三、本课程要求l要求不缺课，认真听课，课前预习，课后复习要求不缺课，认真听课，课前预习，课后复习l认真实验，按时独立完成作业，积极参加课堂认真实验，按时独立完成作业，积极参加课堂讨论讨论l有问题及时答疑并反馈信息有问题及时答疑并反馈信息l广泛查阅参考资料广泛查阅参考资料l充分利用实验室的开放条件充分利用实验室的开放条件l真正学到知识和本领。真正学到知识和本领。6四、本课程内容四、本课程内容1.数控技术的概念、发展方向，数控机床的

5、分类，数控技术的概念、发展方向，数控机床的分类，特点及优越性；特点及优越性；2.插补原理插补原理3.数控机床的数控系统及检测装置数控机床的数控系统及检测装置4.数控机床的结构数控机床的结构5.数控机床的加工工艺数控机床的加工工艺6.数控机床编程基础数控机床编程基础7.数控机床编程技术数控机床编程技术8.伺服驱动系统伺服驱动系统7第一章第一章 数控技术基础数控技术基础 第一节第一节 数控机床的系统组成及其基本原理数控机床的系统组成及其基本原理第二节第二节 数控机床的分类数控机床的分类第三节第三节 数控机床的加工对象数控机床的加工对象第四节第四节 数控技术的发展方向数控技术的发展方向8第一节第一节

6、 数控机床的系统组成及其基本原理数控机床的系统组成及其基本原理数控机床的产生数控机床的产生 科学技术和社会生产的不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，迫切需要一种灵活的、通用的、能越高的要求，迫切需要一种灵活的、通用的、能够适应产品频繁变化的柔性自动化机床。数字控够适应产品频繁变化的柔性自动化机床。数字控制制(Numerical Control(Numerical Control，简称，简称NCNC或数控或数控) )机床，就机床，就是在这样的背景下诞生与发展起来的。它极其有是在这样的背景下诞生与发展起来的。它极其

7、有效地解决了上述一系列矛盾，为单件、小批生产效地解决了上述一系列矛盾，为单件、小批生产的精密复杂零件提供了自动化加工手段。的精密复杂零件提供了自动化加工手段。9数控机床的发展介绍数控机床的发展介绍10l1948年，美国人年，美国人John Parsons提出设想提出设想;l1952年，年，试制成功世界上第一台数控机床试制成功世界上第一台数控机床 ；l19521959：第一代电子管数控系统；：第一代电子管数控系统；l1959195919651965：第二代晶体管数控系统：第二代晶体管数控系统 ；l1965196519701970：第三代集成电路数控系统：第三代集成电路数控系统 ；l1970197

8、019741974：第四代大规模集成电路及：第四代大规模集成电路及 小型通用计算机数控系统；小型通用计算机数控系统；l19741974 ：第五代微型计算机数控系统第五代微型计算机数控系统 ；l2020世纪末世纪末 ：第六代基于第六代基于PC 的的数控系统。数控系统。第一阶段第一阶段NC第二阶段第二阶段CNC体体积积减减小，小，功功能能性性能能提提高高1011NC与与CNClNCNC简称数控（简称数控（NC），是采用数字指令信号，是采用数字指令信号对机电产品或设备进行控制的一种自动控制技术。对机电产品或设备进行控制的一种自动控制技术。早期采用硬件数字电路实现的数控，早期采用硬件数字电路实现的数控

9、，属于早期数属于早期数控系统，数控装置功能由逻辑电路实现，数控系控系统，数控装置功能由逻辑电路实现，数控系统通用性、灵活性较差，维修成本高。统通用性、灵活性较差，维修成本高。lCNCCNC现代采用微型计算机实现的数控，称计现代采用微型计算机实现的数控，称计算机数字控制技术，简称计算机数控算机数字控制技术，简称计算机数控（Computer Numerical Control，CNC）。）。以以微型计算机或小型计算机为控制单元，数控装置微型计算机或小型计算机为控制单元，数控装置功能几乎全由软件实现，硬件具有通用性。功能几乎全由软件实现，硬件具有通用性。lCNCCNC是先进制造技术或生产模式的基础，

10、是现代是先进制造技术或生产模式的基础，是现代制造业的基础制造业的基础柔性自动化（柔性自动化（FMSFMS） 计算机集成制造（计算机集成制造（CIMCIM）11数字控制技术（数字控制技术（NC）l数字控制技术，简称数数字控制技术，简称数控（控（NC）：采用数字指：采用数字指令信号对机电产品或设令信号对机电产品或设备进行控制的一种自动备进行控制的一种自动控制技术。控制技术。l数控技术与传统的设备数控技术与传统的设备自动控制技术的显著区自动控制技术的显著区别：别：坐标控制坐标控制采用采用数字指令信号对设备的数字指令信号对设备的运动部件的坐标运动进运动部件的坐标运动进行控制。行控制。12数控加工的过程

11、数控加工的过程1.根据加工零件的图样与工艺方案，用规定的代码和程序根据加工零件的图样与工艺方案，用规定的代码和程序格式编写程序单，并把它记录在载体上；格式编写程序单，并把它记录在载体上； 2.把程序载体上的程序通过输入装置输入到把程序载体上的程序通过输入装置输入到CNC单元中去；单元中去；3.CNC单元将输入的程序经过处理之后，向机床各个坐标单元将输入的程序经过处理之后，向机床各个坐标的伺服系统发出信号；的伺服系统发出信号；4.伺服系统根据伺服系统根据CNC单元发出的信号，驱动机床的运动部单元发出的信号，驱动机床的运动部件，并控制必要的辅助操作；件，并控制必要的辅助操作； 5.通过机床机械部件

12、带动刀具与工件的相对运动，加工出通过机床机械部件带动刀具与工件的相对运动，加工出要求的工件；要求的工件； 6.检测机床的运动，并通过反馈装置反馈给检测机床的运动，并通过反馈装置反馈给CNC单元，以单元，以减小加工误差。减小加工误差。13数控加工的过程数控加工的过程14数控系统的工作过程数控系统的工作过程15数控技术的基本原理数控技术的基本原理 将被控设备末端执行部件的运动（或多个末将被控设备末端执行部件的运动（或多个末端执行部件的合成运动）端执行部件的合成运动）纳入纳入到适当的坐标系中，到适当的坐标系中，将所要求的复杂运动将所要求的复杂运动分解分解成各坐标轴的简单直线成各坐标轴的简单直线运动或

13、回转运动，并用一个满足精度要求的运动或回转运动，并用一个满足精度要求的基本基本长度单位（长度单位（Basic Length Unit，BLU）对各坐标对各坐标轴进行轴进行离散离散化，由电子控制装置（即数控装置）化，由电子控制装置（即数控装置）按数控程序规定的运动控制规律，产生与基本长按数控程序规定的运动控制规律，产生与基本长度单位对应的数字指令度单位对应的数字指令脉冲，脉冲，对各坐标轴的运动对各坐标轴的运动进行控制，并通过伺服执行元件加以进行控制，并通过伺服执行元件加以驱动驱动，从而，从而实现所要求的复杂运动。实现所要求的复杂运动。16数控机床的组成数控机床的组成 数控机床由控制介质、数控系统

14、、伺服系统、数控机床由控制介质、数控系统、伺服系统、反馈装置、辅助装置和机床本体反馈装置、辅助装置和机床本体6部分组成。部分组成。17第二节第二节 数控机床的分类数控机床的分类l按数控装置类型进行分类按数控装置类型进行分类l按伺服控制方式进行分类按伺服控制方式进行分类l按数控系统功能水平进行分类按数控系统功能水平进行分类l按加工工艺及用途进行分类按加工工艺及用途进行分类l按硬软件进行分类按硬软件进行分类18按数控装置类型进行分类按数控装置类型进行分类1点位控制数控机床点位控制数控机床 对于对于一些孔加工用数控机床，只要求获得精确的孔一些孔加工用数控机床，只要求获得精确的孔系坐标定位系坐标定位精

15、度，精度，而不管从一个孔到另外一个孔是按而不管从一个孔到另外一个孔是按照什么轨迹运动照什么轨迹运动。如图所示点位控制数控钻床加工。如图所示点位控制数控钻床加工。19按数控装置类型进行分类按数控装置类型进行分类2直线控制数控机床直线控制数控机床某些数控机床不仅要求具有准确定位的功能，而某些数控机床不仅要求具有准确定位的功能，而且要求从一点到另一点之间按直线移动，并能控制位且要求从一点到另一点之间按直线移动，并能控制位移的速度。如图所示直线控制切削加工。移的速度。如图所示直线控制切削加工。203轮廓控制数控机床轮廓控制数控机床更多的数控机床具有轮廓控制的功能，即可以加更多的数控机床具有轮廓控制的功

16、能，即可以加工具有曲线或者曲面的零件。如图所示轮廓控制铣削工具有曲线或者曲面的零件。如图所示轮廓控制铣削示意图。示意图。按数控装置类型进行分类按数控装置类型进行分类21l二坐标数控机床主要用于加工二维平面轮廓；二坐标数控机床主要用于加工二维平面轮廓；l三坐标数控机床主要用于加工三维立体轮廓；三坐标数控机床主要用于加工三维立体轮廓；l四坐标和五坐标数控机床主要用于加工空间复杂曲四坐标和五坐标数控机床主要用于加工空间复杂曲面或一些高精度、难加工的特殊型面面或一些高精度、难加工的特殊型面联动坐标轴数联动坐标轴数22数控机床相关事情：数控机床相关事情：东芝事件东芝事件1开环控制数控机床开环控制数控机床

17、这类机床的数控系统将零件的程序处理后，输出这类机床的数控系统将零件的程序处理后，输出数字指令信号给伺服系统，驱动机床运动，没有来自数字指令信号给伺服系统，驱动机床运动，没有来自位置传感器的反馈信号。如图开环控制系统示意图。位置传感器的反馈信号。如图开环控制系统示意图。按伺服控制方式进行分类按伺服控制方式进行分类232闭环控制数控机床闭环控制数控机床这类机床可以接受插补器的指令，而且随时接受这类机床可以接受插补器的指令，而且随时接受工作台测得的实际位置反馈信号，根据其差值不断进工作台测得的实际位置反馈信号，根据其差值不断进行误差修正。如图闭环控制系统示意图。行误差修正。如图闭环控制系统示意图。按

18、伺服控制方式进行分类按伺服控制方式进行分类243半闭环控制数控机床半闭环控制数控机床这种系统的闭环环路内不包括丝杠、螺母副及工这种系统的闭环环路内不包括丝杠、螺母副及工作台，因此可以获得稳定的控制特性。如图半闭环控作台，因此可以获得稳定的控制特性。如图半闭环控制系统示意图。制系统示意图。按伺服控制方式进行分类按伺服控制方式进行分类25根据一些功能及指标，可以把数控机床分为低、中、根据一些功能及指标，可以把数控机床分为低、中、高档三类。高档三类。按数控系统功能水平进行分类按数控系统功能水平进行分类l经济型数控机床（低档）经济型数控机床（低档）简易数控，简易数控，脉冲当量：脉冲当量：0.001-0

19、.010.001-0.01mmmml 全功能数控机床（中档）全功能数控机床（中档） 普及型数普及型数控机床，脉冲当量：控机床，脉冲当量： 0.1-1 0.1-1mml 高档型数控机床（高档）高档型数控机床（高档）五轴以上五轴以上联动控制、高度柔性、超高速、超精密联动控制、高度柔性、超高速、超精密, ,脉冲当量：脉冲当量： 0.1 0.1 mm26数控机床分类数控机床分类27l1.金属切削类数控机床金属切削类数控机床如数控车床、加工中心、如数控车床、加工中心、数控钻床、数控磨床、数控镗床等。数控钻床、数控磨床、数控镗床等。l2.金属成形类数控机床金属成形类数控机床如数控折弯机、数控弯管如数控折弯

20、机、数控弯管机、数控回转头压力机等。机、数控回转头压力机等。l3.数控特种加工机床数控特种加工机床如数控线切割机床、数控电如数控线切割机床、数控电火花加工机床、数控激光切割机等。火花加工机床、数控激光切割机等。l4.测量、绘图的类数控机床测量、绘图的类数控机床如数控三坐标测量机、如数控三坐标测量机、数控对刀仪、数控绘图仪等。数控对刀仪、数控绘图仪等。按加工工艺及用途进行分类按加工工艺及用途进行分类28数控车床数控车床数控车削中心数控车削中心29数控立式倒置主轴车床数控立式倒置主轴车床数控立式车床数控立式车床30立式加工中心机床立式加工中心机床卧式加工中心机床卧式加工中心机床31数控磨床数控磨床

21、数控冲床数控冲床32数控激光切割机床数控激光切割机床三维数控三维数控激光加工机床激光加工机床33数控滚齿机数控滚齿机数控折弯机数控折弯机34电火花成型机床电火花成型机床数控线切割机床数控线切割机床35 三坐标测量机三坐标测量机36l1.硬件式数控系统（硬件式数控系统（NC系统）系统）属于早期数控系统，属于早期数控系统，数控装置功能由逻辑电路实现，数控系统通用性、数控装置功能由逻辑电路实现，数控系统通用性、灵活性较差，维修成本高。灵活性较差，维修成本高。l2.软件式数控系统（软件式数控系统（CNC系统）系统）以微型计算机或以微型计算机或小型计算机为控制单元，数控装置功能几乎全由软小型计算机为控制

22、单元，数控装置功能几乎全由软件实现，硬件具有通用性。件实现，硬件具有通用性。按软硬件进行分类按软硬件进行分类37l1.数控机床的优势及特点数控机床的优势及特点l2.数控机床的使用范围数控机床的使用范围第三节第三节 数控机床的加工对象数控机床的加工对象38l1.可以加工具有复杂型面的工件；可以加工具有复杂型面的工件；l2.加工精度高，尺寸一致性好；加工精度高，尺寸一致性好；l3.生产效率高生产效率高;l4.可以减轻工人劳动强度；可以减轻工人劳动强度；l5.经济效益明显；经济效益明显；l6.可以精准计算成本和安排生产进度；可以精准计算成本和安排生产进度；l7.数控加工是数控加工是CAD/CAM技术

23、和先进制造的基础。技术和先进制造的基础。数控机床的优势及特点数控机床的优势及特点39l1.多品种、小批量的零件或新产品试制零件；多品种、小批量的零件或新产品试制零件；l2.几何形状复杂的零件；几何形状复杂的零件；l3.须进行多工序的零件须进行多工序的零件;l4.普通机床加工时，需昂贵工装的零件；普通机床加工时，需昂贵工装的零件；l5.对精度要求高的零件；对精度要求高的零件；l6.需多次修改的零件；需多次修改的零件；l7.不允许报废的昂贵关键零件；不允许报废的昂贵关键零件；l8.需要最短生产周期的零件。需要最短生产周期的零件。数控机床的使用范围数控机床的使用范围40第四节第四节 数控机床的发展方

24、向数控机床的发展方向 l1948年，美国人年，美国人John Parsons提出设想；提出设想；l1952年，年，试制成功世界上第一台数控机床试制成功世界上第一台数控机床 ；l19521959：第一代电子管数控系统；：第一代电子管数控系统；l1959195919651965：第二代晶体管数控系统：第二代晶体管数控系统 ；l1965196519701970：第三代集成电路数控系统：第三代集成电路数控系统 ；l1970197019741974：第四代大规模集成电路及：第四代大规模集成电路及 小型通用计算机数控系统；小型通用计算机数控系统；l19741974 ：第五代微型计算机数控系统第五代微型计算

25、机数控系统 ；l2020世纪末世纪末 ：第六代基于第六代基于PC 的的数控系统。数控系统。第一阶段第一阶段NC第二阶段第二阶段CNC柔柔性性自自动动化化体体积积减减小，小，功功能能性性能能提提高高41第一阶段：第一阶段：1958-1979，封闭式发展阶段封闭式发展阶段 第二阶段：第二阶段：“六五六五”、“七五七五”期间以及期间以及“八五八五”的前期的前期，引进技术，消化吸收，初步建立起国产化体系引进技术，消化吸收，初步建立起国产化体系阶段阶段第三阶段：第三阶段：“八五八五”后期和后期和“九五九五”期间期间，实施产业化的研实施产业化的研究，进入市场竞争阶段究，进入市场竞争阶段 目目 前：前：国产

26、数控机床的国内市场占有率达国产数控机床的国内市场占有率达50，配置的，配置的国产数控系统（普及型）也达到了国产数控系统（普及型）也达到了10；数控；数控机床的普及率迅速提高，数控机床拥有率目前机床的普及率迅速提高，数控机床拥有率目前已接近已接近3% 3% 我国数控机床发展的三个阶段我国数控机床发展的三个阶段42l高速度化高速度化 ：充分发挥现代刀具材料的性能，大幅度充分发挥现代刀具材料的性能，大幅度提高加工效率、降低加工成本，提高零件的表面加提高加工效率、降低加工成本，提高零件的表面加工质量和精度，适应制造业对高效、优质、低成本工质量和精度，适应制造业对高效、优质、低成本生产的广泛需求生产的广

27、泛需求；目前，；目前，电主轴转速可达电主轴转速可达15,000100,000 r/min、进给运动部件快移速度达进给运动部件快移速度达60120 m/min，切削进给速度达切削进给速度达60 m/min。 l高精度化：高精度化：近近1010多年来，普通级数控机床的加工精多年来，普通级数控机床的加工精度已由度已由10 10 mm提高到提高到5 5 mm，精密级加工中心精密级加工中心的加工精度则从的加工精度则从3 35 5 mm提高到提高到1 11.5 1.5 mm，超精密数控机床加工精度已开始进入纳米级超精密数控机床加工精度已开始进入纳米级(0.01 (0.01 m)m)。数控技术发展趋势数控技术发展趋势 43数控技术发展趋势数控技术发展趋势 l多功能化：多功能化：工序