数控加工编程技术概述

1、数数 控控 技技 术术Numerical Control Technology 任课教师：陈从平任课教师：陈从平 HPHP：1368727621813687276218 E-mail E-mail： Add.:M2306 Add.:M2306 考核方式：闭卷（实验成绩考核方式：闭卷（实验成绩10%10%，平时成，平时成绩绩20%20%，卷面成绩，卷面成绩70%70%）12/28/20211教材教材汤双清汤双清，数控技术数控技术，中国电力中国电力出版社出版社，20072007主要参考资料主要参考资料吴祖育等吴祖育等，数控机床（第三版），上海科学出版社，数控机床（第三版），上海科学出版社，2003

2、2003何学明等，数控技术，华中科技大学出版社，何学明等，数控技术，华中科技大学出版社，2008200812/28/20212 主要内容主要内容l第一章第一章 绪论绪论l第二章第二章 数控加工编程技术数控加工编程技术l第三章第三章 数控系统的加工控制原理数控系统的加工控制原理l第四章第四章 数控机床的位置检测与伺服控制数控机床的位置检测与伺服控制l第五章第五章 数控机床的结构特点数控机床的结构特点12/28/20213第一章第一章 绪论绪论第一节：概述第一节：概述第二节：数控机床的分类与应用第二节：数控机床的分类与应用第三节：数控技术的发展作业第三节：数控技术的发展作业12/28/20214第

3、一节第一节 概述概述1 1基本概念基本概念 1 1）数控：）数控： 2 2）数控技术：）数控技术：(Numerical Control,(Numerical Control,简称为简称为NC),NC),是以数是以数字化的信息实现控制。字化的信息实现控制。 (Computer Numerical Control ,(Computer Numerical Control ,简称为简称为CNC)CNC)，是指用计算机实现数，是指用计算机实现数控的功能控的功能 3 3）数控机床）数控机床 采用了数控技术的机床采用了数控技术的机床, ,或者说或者说装备了数控系统的机床装备了数控系统的机床 1.1.1 数

4、控技术与数控机床数控技术与数控机床12/28/20215 普通机床加工普通机床加工: :对机床的控制都是由人工直接控制对机床的控制都是由人工直接控制; ;自动机床、仿形机床加工自动机床、仿形机床加工: :通过设计好的凸轮、靠模和挡块通过设计好的凸轮、靠模和挡块等装置以模拟量的形式来控制，它们虽能加工比较复杂的零等装置以模拟量的形式来控制，它们虽能加工比较复杂的零件，且有一定的灵活性和通用性，但是零件的加工精度受凸件，且有一定的灵活性和通用性，但是零件的加工精度受凸轮、靠模制造精度的影响，而且工序准备时间也很长。轮、靠模制造精度的影响，而且工序准备时间也很长。数控机床加工：数控机床加工：只需要将

5、只需要将零件图形零件图形和和工艺参数工艺参数、加工步骤加工步骤等等以数字信息的形式，编成程序代码输入到机床控制系控制系以数字信息的形式，编成程序代码输入到机床控制系控制系统中，再由其进行运算处理后转成驱动伺服机构的指令信号，统中，再由其进行运算处理后转成驱动伺服机构的指令信号，从而控制机床各部件协调动作，自动地加工出零件来。当更从而控制机床各部件协调动作，自动地加工出零件来。当更换加工对象时，只需要重新编写程序代码，输入给机床，即换加工对象时，只需要重新编写程序代码，输入给机床，即可由数控装置控制加工的全过程可由数控装置控制加工的全过程。2.2.数控机床的产生数控机床的产生12/28/2021

6、6数控机床加工数控机床加工 视频一视频一12/28/20217数控机床加工数控机床加工 视频二视频二12/28/20218n 多品种、小批量生产的零件；多品种、小批量生产的零件；n 形状结构比较复杂的零件；形状结构比较复杂的零件；n 需要频繁改型的零件；需要频繁改型的零件；n 价值昂贵，不允许报废的关键零件；价值昂贵，不允许报废的关键零件；n 需要最短周期的急需零件；需要最短周期的急需零件；n 批量较大、精度要求高的零件；批量较大、精度要求高的零件；3.3.数控机床加工的主要对象数控机床加工的主要对象12/28/202191.1.2 数控机床的组成和工作过程数控机床的组成和工作过程数控机床一般

7、由以下几部分组成，其中数控机床一般由以下几部分组成，其中数控装置数控装置是数是数控系统的核心。控系统的核心。u程序载体程序载体 ；输入装置输入装置 ； 数控装置；数控装置； 强电控制装强电控制装置；置； 机床本体；机床本体； 伺服控制装置；伺服控制装置； 其他辅助控制装置其他辅助控制装置1.1.数控机床的组成数控机床的组成12/28/202110u程序载体程序载体穿孔带、磁带、磁盘等，更多的是手工直接输入。穿孔带、磁带、磁盘等，更多的是手工直接输入。 u输入装置输入装置 将程序载体（信息载体）上的数控代码传递并存入将程序载体（信息载体）上的数控代码传递并存入数控系统内。零件加工程序输入过程有两

8、种方式：一种数控系统内。零件加工程序输入过程有两种方式：一种是边读入边加工（数控系统内存较小时），另一种是一是边读入边加工（数控系统内存较小时），另一种是一次将零件加工程序全部读入数控装置内部的存储器，加次将零件加工程序全部读入数控装置内部的存储器，加工时再从內部存储器中逐段逐段调出进行加工。工时再从內部存储器中逐段逐段调出进行加工。 数控装置即数控装置即CNCCNC装置是装置是CNCCNC系统的核心，主要由计算机系统的核心，主要由计算机（包括硬件与软件）及接口组成。（包括硬件与软件）及接口组成。 u数控装置数控装置12/28/202111u强电控制装置强电控制装置数控机床的机电接口。数控机床

9、的机电接口。 u机床本体机床本体 机床本体包括机床的主运动部件、进给运动部件、执行机床本体包括机床的主运动部件、进给运动部件、执行部件和基础部件，如底座、立柱、滑鞍、工作台（刀架）、部件和基础部件，如底座、立柱、滑鞍、工作台（刀架）、导轨等导轨等 。u伺服控制装置伺服控制装置 伺服控制装置接受来自数控装置的位置控制信息，将其伺服控制装置接受来自数控装置的位置控制信息，将其转换成相应坐标轴的进给运动和精确定位运动。转换成相应坐标轴的进给运动和精确定位运动。 常用的伺服驱动器件有功率步进电动机、直流伺服电动常用的伺服驱动器件有功率步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机等（包括相应的驱动电路）。

10、机和交流伺服电动机等（包括相应的驱动电路）。 组成：组成：伺服驱动单元伺服驱动单元+ +伺服电机伺服电机+ +机械传动环节。机械传动环节。12/28/2021122 2 数控机床的工作过程数控机床的工作过程数控数控装置装置伺服伺服系统系统加工程序加工程序数控机床的加工过程数控机床的加工过程12/28/2021131.1.3 数控机床涉及到的基本技术数控机床涉及到的基本技术1 1 精密机械技术精密机械技术2 2 计算机及信息处理技术计算机及信息处理技术3 3 自动控制理论和伺服驱动技术自动控制理论和伺服驱动技术4 4 精密检测和传感技术精密检测和传感技术5 5 网络和通信技术网络和通信技术12/

11、28/202114 数控机床与普通机床加工零件的区别在于，数控机床与普通机床加工零件的区别在于，数控数控机床是按照程序自动加工零件，而普通机床由工人机床是按照程序自动加工零件，而普通机床由工人手工操作来加工零件。手工操作来加工零件。由于数控加工是一种程序控由于数控加工是一种程序控制过程，从而形成了数控机床的如下几条特点。制过程，从而形成了数控机床的如下几条特点。 1 1）数控机床是一种高度自动化、高效率、高精度）数控机床是一种高度自动化、高效率、高精度的机床。的机床。 2 2）数控机床加工零件的一致性好，加工精度高，）数控机床加工零件的一致性好，加工精度高，加工质量稳定。加工质量稳定。1.1.

12、4 数控机床的特点数控机床的特点12/28/2021153 3）数控机床能够加工很多普通机床难以完成或者根本）数控机床能够加工很多普通机床难以完成或者根本无法实现的复杂曲面零件。无法实现的复杂曲面零件。4 4）数控机床的生产率高。）数控机床的生产率高。5 5）一机多用，工序向度集中。）一机多用，工序向度集中。6 6）数控机床是一种高新技术设备，它不仅价格较高，）数控机床是一种高新技术设备，它不仅价格较高，而且要求具有较高技术水平的人员来操作和维修，而且要求具有较高技术水平的人员来操作和维修，以利于充分发挥数控机床的优势。以利于充分发挥数控机床的优势。 12/28/2021161 金属切削类数控

13、机床金属切削类数控机床 金属切削类数控系统有数控车床、数控铣床、数控金属切削类数控系统有数控车床、数控铣床、数控钻床、数控镗床、数控磨床、数控镗铣床和数控齿轮加工钻床、数控镗床、数控磨床、数控镗铣床和数控齿轮加工机床等机床等。2 金属成形类数控机床金属成形类数控机床 金属成型类数控机床有数控折弯机、数控弯管机、数金属成型类数控机床有数控折弯机、数控弯管机、数控压力机等。控压力机等。3 数控特种加工机床数控特种加工机床 数控特种加工机床有数控线切割机床、数控电火花加数控特种加工机床有数控线切割机床、数控电火花加工机床和数控激光加工机等。工机床和数控激光加工机等。 第二节第二节 数控机床的分类与应

14、用数控机床的分类与应用1.2.1 按工艺用途分类按工艺用途分类12/28/2021171 点位控制数控机床点位控制数控机床 点位控制点位控制数控机床的特点位控制数控机床的特点是机床的运动部件只点是机床的运动部件只能够实现从一个位置到能够实现从一个位置到另一个位置的精确运动，另一个位置的精确运动，在运动和定位过程中不在运动和定位过程中不进行任何加工工序。进行任何加工工序。1.2.2 按运动动方式分类按运动动方式分类12/28/2021182 点位直线控制数控机床点位直线控制数控机床点位直线控制的切削加工点位直线控制的特点：机床的运动部件不仅要实现一个坐标位置到另一个点位直线控制的特点：机床的运动

15、部件不仅要实现一个坐标位置到另一个坐标位置的精确移动和定位，而且能实现平行于坐标轴的直线进给运动或坐标位置的精确移动和定位，而且能实现平行于坐标轴的直线进给运动或控制两个坐标轴实现斜线的进给运动。控制两个坐标轴实现斜线的进给运动。 ab12/28/2021193 3 轮廓控制轮廓控制轮廓控制轮廓控制（又称连续控轮廓控制（又称连续控制）数控机床的特点是制）数控机床的特点是机床的运动部件能够实机床的运动部件能够实现两个或两个以上的坐现两个或两个以上的坐标轴同时进行联动控制。标轴同时进行联动控制。12/28/2021201 1 开环控制数控机床开环控制数控机床开环数控系统的结构图开环数控系统的结构图

16、特点：不带位置反馈装置特点：不带位置反馈装置1.2.3 按控制方式分类按控制方式分类12/28/2021212 2 半闭环控制数控机床半闭环控制数控机床半闭环数控系统的结构图半闭环数控系统的结构图特点：在伺服电机轴上装有角位移检测装置，通过检测伺服电动机的转特点：在伺服电机轴上装有角位移检测装置，通过检测伺服电动机的转角间接地检测出运动部件的位移（或角位移）反馈给数控装置的比较器，角间接地检测出运动部件的位移（或角位移）反馈给数控装置的比较器，与输入指令进行比较，用差值控制运动部件。与输入指令进行比较，用差值控制运动部件。12/28/2021223 3 闭环控制机床闭环控制机床闭环数控系统的结

17、构图闭环数控系统的结构图 特点：在机床最终的运动部件的相应位置直接安装检测装置，将测量值特点：在机床最终的运动部件的相应位置直接安装检测装置，将测量值反馈到数控装置的比较器中与输入指令位移量进行比较，用差值控制运动反馈到数控装置的比较器中与输入指令位移量进行比较，用差值控制运动部件，使运动部件严格按实际需要的位移量运动。部件，使运动部件严格按实际需要的位移量运动。12/28/2021231.2.4 按功能水平分类按功能水平分类1. 1. 高级型数控系统高级型数控系统2. 2. 普及型数控系统普及型数控系统3. 3. 经济型数控系统经济型数控系统 性能性能类别类别CPUCPU位数位数联动轴数联动

18、轴数分辨率分辨率(um)(um)进给速度进给速度(m/min)(m/min)显示显示高级型高级型32524三维动态普及型普及型2630.1101024字符/图形经济型经济型831010字符表1.1 数控系统的功能分类12/28/202124第四节第四节 数控技术的发展状况数控技术的发展状况 数控技术是机械技术和计算机控制技术的结合的产物。数控技术是机械技术和计算机控制技术的结合的产物。自从美国帕森公司自从美国帕森公司(Parsons Co)(Parsons Co)和麻省理工学院和麻省理工学院(MIT)(MIT)于于19521952年合作研制成的第一代三坐标数控铣床以来，数控系年合作研制成的第一

19、代三坐标数控铣床以来，数控系统的发展已经历了采用统的发展已经历了采用电子管和继电器电子管和继电器、晶体管分立元件晶体管分立元件、集成电路集成电路、小型机数控小型机数控、微处理器数控微处理器数控到到19901990年基于年基于工控工控PCPC机机的通用型的通用型CNCCNC系统的第六代。随着计算机技术、信息系统的第六代。随着计算机技术、信息技术、网络技术以及系统工程学的发展，为单机数控化向技术、网络技术以及系统工程学的发展，为单机数控化向计算机控制的多机制造系统自动化发展奠定了基础。相继计算机控制的多机制造系统自动化发展奠定了基础。相继出现了直接数字控制系统出现了直接数字控制系统(DNC)(DN

20、C)、柔性制造系统、柔性制造系统(FMS)(FMS)和计和计算机集成制造系统算机集成制造系统(CIMS)(CIMS)。 一、数控技术与数控机床的产生与发展一、数控技术与数控机床的产生与发展12/28/2021253.3.计算机集成控制系统（）计算机集成控制系统（）Flexible Manufacturing System，它是由统一，它是由统一的的信息信息控制系统、物料储运系统和一组数字控控制系统、物料储运系统和一组数字控制加工设备组成，能适应加工对象变换的自动制加工设备组成，能适应加工对象变换的自动化机械制造系统化机械制造系统 1.1.直接数字控制系统直接数字控制系统(Direct NC (

21、Direct NC ，DNC)DNC) 2.2.柔性制造系统（柔性制造系统（FSMFSM）Computer Integrated Manufacture System，其基本思想是通过计算机，其基本思想是通过计算机网络将企业的各个生产和管理环节的网络将企业的各个生产和管理环节的数据集成管理，从而达到降低库存、数据集成管理，从而达到降低库存、提高生产效率和管理水平提高生产效率和管理水平 。12/28/2021264加工中心加工中心铣削加工中心12/28/202127 从第一台数控机床诞生起，已经历过以下几代变化。从第一台数控机床诞生起，已经历过以下几代变化。 第一代数控：第一代数控：195219

22、5919521959年采用电子管构成的专用数控系统年采用电子管构成的专用数控系统（NCNC）。）。 第二代数控：从第二代数控：从19591959年开始采用晶体管电路的年开始采用晶体管电路的NCNC系统。系统。 第三代数控：从第三代数控：从19651965年开始采用小、中规模集成电路的年开始采用小、中规模集成电路的NCNC系系统。统。 第四代数控：从第四代数控：从19701970年开始采用大规模集成电路的小型通用年开始采用大规模集成电路的小型通用电子计算机控制的系统电子计算机控制的系统(CNC)(CNC)。 第五代数控：从第五代数控：从19741974年开始采用微型电子计算机控制的系统年开始采用

23、微型电子计算机控制的系统(Microcomputer Numerical ControlMNC)(Microcomputer Numerical ControlMNC)。 19761976年美国年美国LockheadLockhead公司开始使用图像编程。利用公司开始使用图像编程。利用CAD(CAD(计算计算机辅助设计机辅助设计) )绘出加工零件的模型，在显示器上绘出加工零件的模型，在显示器上“指点指点”被加被加工的部位，输入所需的工艺参数，即可由计算机自动计算刀工的部位，输入所需的工艺参数，即可由计算机自动计算刀具路径，模拟加工状态，获得具路径，模拟加工状态，获得NCNC程序。程序。二、数控机

24、床的发展二、数控机床的发展历程历程12/28/202128 DNC(DNC(直接数控直接数控) )技术始于技术始于2020世纪世纪6060年代末期。它是使用一台通年代末期。它是使用一台通用计算机，直接控制和管理一群数控机床及数控加工中心，用计算机，直接控制和管理一群数控机床及数控加工中心，进行多品种、多工序的自动加工。进行多品种、多工序的自动加工。DNCDNC群控技术是群控技术是 FMSFMS柔性制造技术的基础，现代数控机床上的柔性制造技术的基础，现代数控机床上的DNCDNC接口就是机接口就是机床数控装置与通用计算机之间进行数据传送及通讯控制用的，床数控装置与通用计算机之间进行数据传送及通讯控

25、制用的，也是数控机床之间实现通讯用的接口。随着也是数控机床之间实现通讯用的接口。随着DNCDNC数控技术的发数控技术的发展，数控机床已成为无人控制工厂的基本组成单元。展，数控机床已成为无人控制工厂的基本组成单元。 2020世纪世纪9090年代，出现了包括市场预测、生产决策、产品设计年代，出现了包括市场预测、生产决策、产品设计与制造和销售等全过程均由计算机集成管理和控制的计算机与制造和销售等全过程均由计算机集成管理和控制的计算机集成制造系统集成制造系统CIMSCIMS。其中，数控是其基本控制单元。其中，数控是其基本控制单元。 2020世纪世纪9090年代，基于年代，基于PC-NCPC-NC的智能

26、数控系统开始得到发展，它的智能数控系统开始得到发展，它打破了原数控厂家各自为政的封闭式专用系统结构模式，提打破了原数控厂家各自为政的封闭式专用系统结构模式，提供开放式基础，使升级换代变得非常容易。充分利用现有供开放式基础，使升级换代变得非常容易。充分利用现有PCPC机的软硬件资源，使远程控制、远程检测诊断能够得以实现。机的软硬件资源，使远程控制、远程检测诊断能够得以实现。12/28/202129中国的数控技术与数控机床中国的数控技术与数控机床 我国虽然早在我国虽然早在19581958年就开始研制数控机床，但由于历史年就开始研制数控机床，但由于历史原因，一直没有取得实质性成果。原因，一直没有取得

27、实质性成果。2020世纪世纪7070年代初期，曾掀起年代初期，曾掀起研制数控机床的热潮，但当时是采用分立元件，性能不稳定，研制数控机床的热潮，但当时是采用分立元件，性能不稳定，可靠性差。可靠性差。19801980年北京机床研究所引进日本年北京机床研究所引进日本FANUC5FANUC5、7 7、3 3、6 6数控系统，上海机床研究所引进美国数控系统，上海机床研究所引进美国GEGE公司的公司的MTCMTC1 1数控系统，数控系统，辽宁精密仪器厂引进美国辽宁精密仪器厂引进美国BendixBendix公司的公司的DynapthDynapth LTD10 LTD10数控系数控系统。在引进、消化、吸收国外

28、先进技术的基础上，北京机床研统。在引进、消化、吸收国外先进技术的基础上，北京机床研究所又开发出究所又开发出BS03BS03经济型数控和经济型数控和BS04BS04全功能数控系统，航天部全功能数控系统，航天部706706所研制出所研制出MNC864MNC864数控系统。数控系统。“八五八五”期间国家又组织近百期间国家又组织近百个单位进行以发展自主版权为目标的个单位进行以发展自主版权为目标的“数控技术攻关数控技术攻关”，从而，从而为数控技术产业化建立了基础为数控技术产业化建立了基础。12/28/202130 2020世纪世纪9090年代末，华中数控自主开发出基于年代末，华中数控自主开发出基于PC-

29、NCPC-NC的的HNCHNC数控系统，达到了国际先进水平，加大了我国数控机床在国数控系统，达到了国际先进水平，加大了我国数控机床在国际上的竞争力度。际上的竞争力度。 据据19971997年不完全统计，全国共拥有数控机床年不完全统计，全国共拥有数控机床1212万台。目万台。目前，我国数控机床生产企业有前，我国数控机床生产企业有100100多家，年产量增加到多家，年产量增加到1 1万多万多台，品种满足率达台，品种满足率达80%80%，并在有些企业实施了，并在有些企业实施了FMSFMS和和CIMSCIMS工程，工程，数控机床及其加工技术进入了实用阶段。数控机床及其加工技术进入了实用阶段。12/28

30、/202131 现代数控加工正在向高速化、高精度化、高柔现代数控加工正在向高速化、高精度化、高柔性化、高一体化、网络化和智能化等方向发展性化、高一体化、网络化和智能化等方向发展。（1 1）高速切削）高速切削 受高生产率的驱使，高速化已是现代机床技术发受高生产率的驱使，高速化已是现代机床技术发展的重要方向之一。高速切削可通过高速运算技术、展的重要方向之一。高速切削可通过高速运算技术、快速插补运算技术、超高速通信技术和高速主轴等快速插补运算技术、超高速通信技术和高速主轴等技术来实现。技术来实现。三、数控加工技术的发展方向三、数控加工技术的发展方向12/28/202132（2 2） 高精度控制高精度

31、控制 高精度化一直是数控机床技术发展追求的目高精度化一直是数控机床技术发展追求的目标。它包括机床制造的几何精度和机床使用的标。它包括机床制造的几何精度和机床使用的加工精度控制两方面。加工精度控制两方面。 （3 3） 高柔性化高柔性化 柔性是指机床适应加工对象变化的能力。目柔性是指机床适应加工对象变化的能力。目前，在进一步提高单机柔性自动化加工的同时，前，在进一步提高单机柔性自动化加工的同时，正努力向单元柔性和系统柔性化发展。正努力向单元柔性和系统柔性化发展。12/28/202133（4 4） 高一体化高一体化 CNCCNC系统与加工过程作为一个整体，实现机电光声综系统与加工过程作为一个整体，实

32、现机电光声综合控制，测量造型、加工一体化，加工、实时检测与修合控制，测量造型、加工一体化，加工、实时检测与修正一体化，机床主机设计与数控系统设计一体化。正一体化，机床主机设计与数控系统设计一体化。（5 5） 网络化网络化 实现多种通讯协议，既满足单机需要，又能满足实现多种通讯协议，既满足单机需要，又能满足FMS(FMS(柔性制造系统柔性制造系统) )、CIMS(CIMS(计算机集成制造系统计算机集成制造系统) )对基层对基层设备的要求。配置网络接口，通过设备的要求。配置网络接口，通过InternetInternet可实现远程可实现远程监视和控制加工，并进行远程检测和诊断，使维修变得监视和控制加

33、工，并进行远程检测和诊断，使维修变得简单。建立分布式网络化制造系统，可便于形成简单。建立分布式网络化制造系统，可便于形成“全球全球制造制造”。12/28/202134（6 6）智能化）智能化 数控系统应在局部或全部实现加工过程的自适应、数控系统应在局部或全部实现加工过程的自适应、自诊断和自调整；多媒体人机接口使用户操作简单，自诊断和自调整；多媒体人机接口使用户操作简单，智能编程使编程更加直观，可使用自然语言编程；加智能编程使编程更加直观，可使用自然语言编程；加工数据的自生成及智能数据库；智能监控；采用专家工数据的自生成及智能数据库；智能监控；采用专家系统以降低对操作者的要求等。系统以降低对操作者的要求等。（7 7）高可靠性）高可靠性 可