数控原理课件

1、2022/3/7数控原理l第一章第一章 绪论绪论l第二章第二章 数控加工程序的编制数控加工程序的编制l第三章第三章 计算机数控系统计算机数控系统l第四章第四章 数控机床的机械结构数控机床的机械结构l第五章第五章 数控机床的位置传感器数控机床的位置传感器l第六章第六章 数控机床的电气驱动数控机床的电气驱动l第七章第七章 数控机床进给伺服系统的控制原理数控机床进给伺服系统的控制原理l第八章第八章 数控机床的精度数控机床的精度l第九章第九章 数控机床的故障诊断数控机床的故障诊断2022/3/7数控原理l数控技术是现代制造技术的基础，数控技术水平的高低、数控技术是现代制造技术的基础，数控技术水平的高低

2、、数控设备的拥有量以及数控技术的普及程度，已经成为衡数控设备的拥有量以及数控技术的普及程度，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。量一个国家综合国力和工业现代化水平的重要标志。l数控技术经过几十年的发展（数控技术经过几十年的发展（1952年第一台数控机床问世年第一台数控机床问世），已广泛应用于现代工业的各领域，成为制造业现代化），已广泛应用于现代工业的各领域，成为制造业现代化的基础。数控技术不仅应用于金属切削机床，还应用于其的基础。数控技术不仅应用于金属切削机床，还应用于其他多种设备。如机器人、坐标测量机、数控雕刻机、数控他多种设备。如机器人、坐标测量机、数控雕刻机、数控绘图

3、机、电火花加工机床等。绘图机、电火花加工机床等。l数控技术虽不附属数控机床，但却是伴随数控机床发展起数控技术虽不附属数控机床，但却是伴随数控机床发展起来的。来的。20世纪世纪40年代后期，汽车、飞机和导弹制造业发展年代后期，汽车、飞机和导弹制造业发展迅速，原来的加工设备已无法承担精度要求高、形状复杂迅速，原来的加工设备已无法承担精度要求高、形状复杂的工件的加工任务。数控技术应运而生。的工件的加工任务。数控技术应运而生。2022/3/7数控原理l数控技术，简称数控（数控技术，简称数控（numerical control，NC）以数）以数字或数字代码的形式实现控制的技术。如果一种设备的字或数字代码

4、的形式实现控制的技术。如果一种设备的控制过程是以数字形式来描述，其工作过程在数控程序控制过程是以数字形式来描述，其工作过程在数控程序的控制下自动进行，那么这种设备就称为数控设备。的控制下自动进行，那么这种设备就称为数控设备。l数控设备工作原理数控设备工作原理工作工作要求要求数控数控程序程序数控数控设备设备工作工作结果结果l 数控技术是集计算机、自动控制、精密测量、电工电子数控技术是集计算机、自动控制、精密测量、电工电子、机械制造与信息管理为一体的现代控制技术，广泛应用、机械制造与信息管理为一体的现代控制技术，广泛应用于机械制造领域，是制造业实现自动化、柔性化、集成化于机械制造领域，是制造业实现

5、自动化、柔性化、集成化生产的基础。生产的基础。2022/3/7数控原理1.1 数控技术的产生和特点数控技术的产生和特点 在第一台数控机床问世后，随着微电子技术的迅猛发在第一台数控机床问世后，随着微电子技术的迅猛发展数控系统也不断更新换代，先后经历电子管（展数控系统也不断更新换代，先后经历电子管（1952年）、年）、晶体管（晶体管（1960年）、小规模集成电路（年）、小规模集成电路（1965年）、小型计年）、小型计算机（算机（1970年）、微处理器或微机（年）、微处理器或微机（1974年）和年）和PCNC智能数控系统（智能数控系统（1990年以后）。前年以后）。前3代采用专用的控制计代采用专用的

6、控制计算机硬逻辑数控系统，简称算机硬逻辑数控系统，简称NC（numerical control）。第）。第四代以后采用通用计算机，数控功能由软件实现，提高了四代以后采用通用计算机，数控功能由软件实现，提高了系统的功能特色与可靠性，称为计算机数控系统的功能特色与可靠性，称为计算机数控CNC（computer numerical control）。）。 由于数控系统生产厂家自行设计软硬件，具有多种不由于数控系统生产厂家自行设计软硬件，具有多种不同的软硬件模块、不同编程语言、不同操作系统、非标准同的软硬件模块、不同编程语言、不同操作系统、非标准化接口，给用户带来使用维修的复杂性。第六代数控系统化接口

7、，给用户带来使用维修的复杂性。第六代数控系统利用现有利用现有PC机的软硬件资源，规范设计具有许多优势。机的软硬件资源，规范设计具有许多优势。2022/3/7数控原理1数控加工技术的发展数控加工技术的发展 1948年美国年美国Parson公司与美空军签订合同，与麻省理公司与美空军签订合同，与麻省理工学院合作，工学院合作，1952年麻省理工学院研制成功三坐标数控系年麻省理工学院研制成功三坐标数控系统，可以控制多种机床，并装备三轴控制的数控铣床样机，统，可以控制多种机床，并装备三轴控制的数控铣床样机，取名取名“Numerical Control”。 1953年麻省理工学院开发出只需确定零件轮廓、指定

8、年麻省理工学院开发出只需确定零件轮廓、指定切削路线，即可生成切削路线，即可生成NC程序的自动编程语言。程序的自动编程语言。 1959年美国年美国Keaney&Trecker公司开发成功了带刀库，公司开发成功了带刀库，能自动进行刀具交换，一次装夹中即能进行铣、钻、镗、能自动进行刀具交换，一次装夹中即能进行铣、钻、镗、攻丝等多种加工功能的数控机床，这就是数控机床的新种攻丝等多种加工功能的数控机床，这就是数控机床的新种类类加工中心。加工中心。2022/3/7数控原理 1968年英国首次将多台数控机床、无人化搬运小车和年英国首次将多台数控机床、无人化搬运小车和自动仓库在计算机控制下连接成自动加

9、工系统，这就是柔自动仓库在计算机控制下连接成自动加工系统，这就是柔性制造系统性制造系统FMS。 1974年微处理器开始用于机床的数控系统中，从此年微处理器开始用于机床的数控系统中，从此CNC(计算机数控系统计算机数控系统)软线数控技术随着计算机技术的发软线数控技术随着计算机技术的发展得以快速发展。展得以快速发展。 1976年美国年美国Lockhead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(计算机辅助设计计算机辅助设计)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”被加工的部位，输入所需的工艺参数，即可由计被加工的部位，输入所需的工艺参数，即可由计算

10、机自动计算刀具路径，模拟加工状态，获得算机自动计算刀具路径，模拟加工状态，获得NC程序。程序。2022/3/7数控原理 DNC(直接数控直接数控)技术始于技术始于20世纪世纪60年代末期。它是年代末期。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，进行多品种、多工序的自动加工。各台数控加工中心，进行多品种、多工序的自动加工。各台数控机床只配置机床控制器用于数据传送、驱动控制和数控机床只配置机床控制器用于数据传送、驱动控制和手动操作。手动操作。 DNC群控技术是群控技术是FMS柔性制造技术的基础，现代数柔性制造技术的基础，现代数

11、控机床上的控机床上的DNC接口就是机床数控装置与通用计算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，也是数控机床之间之间进行数据传送及通讯控制用的，也是数控机床之间实现通讯用的接口。实现通讯用的接口。DNC具有生产管理、作业调度、具有生产管理、作业调度、工况监控、刀具管理等功能。实现分级管理，随着工况监控、刀具管理等功能。实现分级管理，随着DNC数控技术的发展，数控机床已成为无人控制工厂数控技术的发展，数控机床已成为无人控制工厂的基本组成单元。的基本组成单元。2022/3/7数控原理 20世纪世纪90年代，出现了包括市场预测、生产决策、产品年代，出现了包括市场预测、生产决

12、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集成制造系统机集成制造系统CIMS。其中，数控是其基本控制单元。其中，数控是其基本控制单元。 20世纪世纪90年代，基于年代，基于PC-NC的智能数控系统开始得到发展，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PC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

13、程控制、远程检测诊断能够得以实现。 由于数控机床的优越性和国防工业的需要，国际竞争日益由于数控机床的优越性和国防工业的需要，国际竞争日益激烈，各国都致力于开发和生产各种数控机床。激烈，各国都致力于开发和生产各种数控机床。2022/3/7数控原理 我国早在我国早在1958年就开始研制数控机床，但由于历史原因年就开始研制数控机床，但由于历史原因及工业基础较差，一直没有取得实质性成果。及工业基础较差，一直没有取得实质性成果。 20世纪世纪60年代末年代末70年代初，我国曾掀起研制数控机床的年代初，我国曾掀起研制数控机床的热潮，主要有数控线切割机、数控铣床等，采用晶体管分立热潮，主要有数控线切割机、数

14、控铣床等，采用晶体管分立元件或小规模集成电路，性能不稳定，可靠性较差。我校数元件或小规模集成电路，性能不稳定，可靠性较差。我校数学系与校仪器厂在学系与校仪器厂在1970年研制出晶体管的数控线切割机，年研制出晶体管的数控线切割机，73年为龙岩风动厂研制出小规模集成电路数控铣床。年为龙岩风动厂研制出小规模集成电路数控铣床。 改革开放以来，通过技术引进、科学攻关和技术改造，改革开放以来，通过技术引进、科学攻关和技术改造，我国的数控技术有了较大的进步，逐步形成产业。我国的数控技术有了较大的进步，逐步形成产业。 1980年北年北京机床研究所引进日本京机床研究所引进日本FANUC5、7、3、6数控系统，上

15、海数控系统，上海机床研究所引进美国机床研究所引进美国GE公司的公司的MTC1数控系统，辽宁精密数控系统，辽宁精密仪器厂引进美国仪器厂引进美国Bendix公司的公司的Dynapth LTD10数控系统。数控系统。2022/3/7数控原理 在引进、消化、吸收国外先进技术的基础上，北京机在引进、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床研究所又开发出BS03经济型数控和经济型数控和BS04全功能数控系统，全功能数控系统，航天部航天部706所研制出所研制出MNC864数控系统。数控系统。 “八五八五”期间国家又组织近百个单位进行以发展自主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

16、版权为目标的“数控技术攻关数控技术攻关”，从而为数控技术产业化，从而为数控技术产业化建立了基础。建立了基础。20世纪世纪90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-NC的的HNC数控系统，达到了国际先进水平，加大了我数控系统，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。目前我国数控机床生产国数控机床在国际上的竞争力度。目前我国数控机床生产企业有企业有200多家，品种满足率达多家，品种满足率达80，在有些企业实施了柔，在有些企业实施了柔性制造系统性制造系统FMS和计算机集成制造系统和计算机集成制造系统CIMS。2022/3/7数控原理2. 数控技术的特点数

17、控技术的特点l提高加工精度和同一批工件的重复精度，保证了加工提高加工精度和同一批工件的重复精度，保证了加工质量的稳定性。质量的稳定性。l具有较高的生产率，是普通机床的具有较高的生产率，是普通机床的23倍。倍。l增加设备的柔性，适应不同品种、规格、批量的工件增加设备的柔性，适应不同品种、规格、批量的工件的加工。的加工。l减少劳动强度。减少劳动强度。l具有较高的经济效益。具有较高的经济效益。l加工普通机床无法加工的复杂工件。加工普通机床无法加工的复杂工件。l可向更高级的制造系统发展。可向更高级的制造系统发展。问题：问题：l提高投资提高投资l增加电子设备维护增加电子设备维护l人员的技术水平要求较高人

18、员的技术水平要求较高2022/3/7数控原理l3. 计算机数控计算机数控 随着电子技术、计算机技术的发展，数控系统经历了电随着电子技术、计算机技术的发展，数控系统经历了电子管、晶体管、集成电路的过程。将计算机引入数控系统子管、晶体管、集成电路的过程。将计算机引入数控系统称为计算机数控（称为计算机数控（Computer Numerical Control）简称）简称CNC，具有如下优点：，具有如下优点：（1）柔性好：以往数控系统功能由硬件实现，一旦设计成功）柔性好：以往数控系统功能由硬件实现，一旦设计成功则不能改变。则不能改变。CNC可由软件灵活改变系统功能。可由软件灵活改变系统功能。（2）功能

19、强：可利用计算机技术及外围设备，增强系统功能）功能强：可利用计算机技术及外围设备，增强系统功能。如图形功能、网络功能、纠错功能等。如图形功能、网络功能、纠错功能等。（3）可靠性高：利用计算机的输入、存储设备（如硬盘）避）可靠性高：利用计算机的输入、存储设备（如硬盘）避免原来的光电机、纸带机出错率高的问题。减少了硬件电免原来的光电机、纸带机出错率高的问题。减少了硬件电路即减少焊点、接插件、外部连线，提高可靠性。路即减少焊点、接插件、外部连线，提高可靠性。（4）易于实现机电一体化：由于采用大规模集成电路和印刷）易于实现机电一体化：由于采用大规模集成电路和印刷电路版技术，将数控系统装在机床上，实现机

20、电一体化。电路版技术，将数控系统装在机床上，实现机电一体化。（5）经济性好：采用）经济性好：采用CNC，使系统性价比大为提高。，使系统性价比大为提高。 2022/3/7数控原理l1.2 数控机床的组成和作用数控机床的组成和作用1、数控机床的组成：、数控机床的组成： 反馈信号反馈信号 辅助信号辅助信号（1）程序载体、输入装置：）程序载体、输入装置： 数控机床按程序加工，加工程序存放的硬件。如数控机床按程序加工，加工程序存放的硬件。如U盘盘硬盘、加工程序清单等。通过输入装置读入硬盘、加工程序清单等。通过输入装置读入CNC。输入。输入装置包括数控系统的面板按钮、键盘、或上位机、网络装置包括数控系统的

21、面板按钮、键盘、或上位机、网络通信方式将加工程序输入通信方式将加工程序输入CNC系统。系统。 （2）CNC系统：由输入、处理、输出三部分组成。加工程系统：由输入、处理、输出三部分组成。加工程序送序送CNC后，由解析程序解释为计算机信息，由控制程后，由解析程序解释为计算机信息，由控制程 程序载体程序载体输入装置输入装置CNC系统系统伺服系统伺服系统机机 床床2022/3/7数控原理l序按系统规定逐步存储处理，将处理结果通过输出部分发序按系统规定逐步存储处理，将处理结果通过输出部分发出位置、速度指令给伺服系统和主运动控制部分。出位置、速度指令给伺服系统和主运动控制部分。l数控机床的辅助工作，如刀具

22、的选择与更换、切削液的启数控机床的辅助工作，如刀具的选择与更换、切削液的启停等都采用可编程控制器（停等都采用可编程控制器（PLC）进行控制。）进行控制。（3）伺服系统：由伺服电机以及伺服驱动控制装置和相关）伺服系统：由伺服电机以及伺服驱动控制装置和相关软件组成。它和机床的进给运动部件组成伺服系统。软件组成。它和机床的进给运动部件组成伺服系统。（4）位置反馈系统：将机床运动的实际位置，通过传感器）位置反馈系统：将机床运动的实际位置，通过传感器将角位移或直线位移转换成电信号，反馈给将角位移或直线位移转换成电信号，反馈给CNC，与指令，与指令位置进行比较，由位置进行比较，由CNC纠正产生的误差。纠正

23、产生的误差。（5）机床：包括主运动系统、辅助部分（液压、气动、冷）机床：包括主运动系统、辅助部分（液压、气动、冷却、润滑部分等），刀库、自动换刀装置，自动托盘交换却、润滑部分等），刀库、自动换刀装置，自动托盘交换装置等。数控机床的刚度要求更高，传动装置间隙要小，装置等。数控机床的刚度要求更高，传动装置间隙要小，摩擦系数要小且要有恰当的阻尼。摩擦系数要小且要有恰当的阻尼。2022/3/7数控原理l1.3.1 数控系统的组成和分类数控系统的组成和分类（1）数控系统：）数控系统： 是一种能控制机器运动的装置。加工程序输入系统是一种能控制机器运动的装置。加工程序输入系统后能够自动解释指令，进行运算，并

24、由系统的输出装置后能够自动解释指令，进行运算，并由系统的输出装置向机床的执行机构发出指令，完成规定的运动或动作。向机床的执行机构发出指令，完成规定的运动或动作。（2）数控系统的类型：）数控系统的类型： 根据伺服系统的控制原理，可分为开环控制系统和闭根据伺服系统的控制原理，可分为开环控制系统和闭环控制系统、半闭环控制系统。环控制系统、半闭环控制系统。 根据控制运动方式，可分为点位控制系统和连续控制根据控制运动方式，可分为点位控制系统和连续控制系统。系统。 按数控系统的功能分类，可分为经济型数控系统、普按数控系统的功能分类，可分为经济型数控系统、普及型数控系统、高档型数控系统。及型数控系统、高档型

25、数控系统。2022/3/7数控原理1)开环控制系统开环控制系统(Open Loop Control System) 开环控制系统多采用步进电机，步进电机驱动单元接收到开环控制系统多采用步进电机，步进电机驱动单元接收到一个脉冲相应旋转一个角度，称为步距角，通过机床传动部件，一个脉冲相应旋转一个角度，称为步距角，通过机床传动部件，使工作台相应产生一个位移量。使工作台相应产生一个位移量。 开环控制系统没有反馈装置，不能消除步进电机失步产生开环控制系统没有反馈装置，不能消除步进电机失步产生的误差。因此开环控制系统一般用于运动速度较低和加工精度的误差。因此开环控制系统一般用于运动速度较低和加工精度不高的

26、机床。不高的机床。2022/3/7数控原理2)闭环控制系统闭环控制系统(Closed Loop Control System)闭环控制系统在机床运动方向上增加测量工作台实际闭环控制系统在机床运动方向上增加测量工作台实际位移的传感器，将工作台实际位置的信息反馈给位移的传感器，将工作台实际位置的信息反馈给CNC的比较器，如有误差，由的比较器，如有误差，由CNC发指令，使工作台运动发指令，使工作台运动直至误差消失。直至误差消失。采用闭环控制系统的机床的位置精度大大提高。采用闭环控制系统的机床的位置精度大大提高。2022/3/7数控原理3)半闭环控制系统半闭环控制系统(Semi-closed Loop

27、 Control System)半闭环控制系统与闭环控制系统相类似，主要区别在电机轴半闭环控制系统与闭环控制系统相类似，主要区别在电机轴上装有表示角位移的编码器，可控制电机做精确的角位移，上装有表示角位移的编码器，可控制电机做精确的角位移，不能纠正机床运动部件产生的误差。采用半闭环控制系统的不能纠正机床运动部件产生的误差。采用半闭环控制系统的机床的结构较简单，控制方便，价格便宜又有较高的精度，机床的结构较简单，控制方便，价格便宜又有较高的精度，在数控机床上得到广泛应用。在数控机床上得到广泛应用。2022/3/7数控原理l1、点位控制系统仅控制刀具相对工件的位置，刀具或、点位控制系统仅控制刀具相

28、对工件的位置，刀具或工件在移动过程不进行切削，要保证点间相对位置的工件在移动过程不进行切削，要保证点间相对位置的准确，移动速度要快速。多用于孔加工的数控机床。准确，移动速度要快速。多用于孔加工的数控机床。l2、连续控制系统，又称为轮廓控制系统。可实现复杂、连续控制系统，又称为轮廓控制系统。可实现复杂轮廓型状的加工。同时运动轨迹和速度要进行控制。轮廓型状的加工。同时运动轨迹和速度要进行控制。（1）插补运算原理：）插补运算原理： 使刀具与工件相对运动的轨迹为线或园弧，系统不能使刀具与工件相对运动的轨迹为线或园弧，系统不能将坐标无限细分，只能按最小设定单位（脉冲当量）将坐标无限细分，只能按最小设定单

29、位（脉冲当量）移动。不同形状的工件轮廓都可以直线或圆弧来逼近移动。不同形状的工件轮廓都可以直线或圆弧来逼近，一般的数控系统都具有直线和圆弧的插补功能。有，一般的数控系统都具有直线和圆弧的插补功能。有的系统还有抛物线、螺旋线、渐开线等插补功能。的系统还有抛物线、螺旋线、渐开线等插补功能。（2）连续控制系统的特点：）连续控制系统的特点：2022/3/7数控原理直线插补运算直线插补运算圆弧插补运算圆弧插补运算2022/3/7数控原理 连续控制系统的插补功能由插补器来实现，根据输连续控制系统的插补功能由插补器来实现，根据输入的指令进行数学运算，根据运算结果，对各坐标轴入的指令进行数学运算，根据运算结果

30、，对各坐标轴进行脉冲分配，伺服系统驱动机床工作台完成规定运进行脉冲分配，伺服系统驱动机床工作台完成规定运动，加工出工件轮廓。动，加工出工件轮廓。 连续控制系统必须精确控制两个以上坐标运动，一连续控制系统必须精确控制两个以上坐标运动，一般最小设定单位为般最小设定单位为1m。所以连续控制系统数据处理。所以连续控制系统数据处理的速度要高。的速度要高。1.3.5 适应控制系统适应控制系统 系统在实际加工过程，加工量的不一致、材质的不系统在实际加工过程，加工量的不一致、材质的不均匀、切削力的变化、刀具的磨损等都将影响加工过均匀、切削力的变化、刀具的磨损等都将影响加工过程。加工过程不是处于最佳状态。为提高

31、切削效率和程。加工过程不是处于最佳状态。为提高切削效率和加工精度，控制系统要能根据实际加工情况，随时改加工精度，控制系统要能根据实际加工情况，随时改变机床的切削量，适应瞬时发生的加工情况。变机床的切削量，适应瞬时发生的加工情况。 2022/3/7数控原理l适应控制系统：适应控制系统： 位置速度反馈位置速度反馈输入指令输入指令 位置速度指令位置速度指令 校正指令校正指令 过程参数过程参数 通过装在机床上各部位的传感器，将检测到的加工参数（如切削通过装在机床上各部位的传感器，将检测到的加工参数（如切削负载、刀具磨损量、位移量等变化信息送适应控制器，与设定信息比负载、刀具磨损量、位移量等变化信息送适

32、应控制器，与设定信息比较发出指令自动调整相关参数，使机床具备自适应加工的能力。较发出指令自动调整相关参数，使机床具备自适应加工的能力。 切削量适应控制用于提高机床的性能和生产率，尺寸参数用于提切削量适应控制用于提高机床的性能和生产率，尺寸参数用于提高机床的加工精度和光洁度。高机床的加工精度和光洁度。 如铣床，可利用传感器检测主轴电机的电流、扭矩或轴相推力作如铣床，可利用传感器检测主轴电机的电流、扭矩或轴相推力作为过程参数，将信号送适应控制器，改变机床的切削量。为过程参数，将信号送适应控制器，改变机床的切削量。CNC系统系统适应控制器适应控制器加工过程加工过程数控机床数控机床2022/3/7数控

33、原理l又称为群控系统，将几台数控机床的数据用一台计算又称为群控系统，将几台数控机床的数据用一台计算机集中管理，加工数据也可由该机计算后输入各数控机集中管理，加工数据也可由该机计算后输入各数控机床。机床。l其特点：可实现非实时分配数据，便于实现车间的监其特点：可实现非实时分配数据，便于实现车间的监控和管理。采用局域网技术，成为开发式系统，可向控和管理。采用局域网技术，成为开发式系统，可向上级机和下级设备扩展。可采集机床的工作状态，在上级机和下级设备扩展。可采集机床的工作状态，在线检测数据，对加工质量和状态进行实时控制。线检测数据，对加工质量和状态进行实时控制。DNC系统即可独立使用，也可作为计算

34、机集成制造系统的系统即可独立使用，也可作为计算机集成制造系统的一个层次。一个层次。（1）数控数据的通信功能：）数控数据的通信功能：（2）数控数据的存储功能：）数控数据的存储功能：（3）数控数据的管理功能：调度、生产计划）数控数据的管理功能：调度、生产计划（4）无人运转功能：）无人运转功能：2022/3/7数控原理l1. 数控技术在金属切削机床的应用数控技术在金属切削机床的应用（1）普通机床）普通机床l数控车床：用于轴类、盘类回旋体的加工数控车床：用于轴类、盘类回旋体的加工l数控铣床：用于较复杂的平面、曲面、壳体工件的加工数控铣床：用于较复杂的平面、曲面、壳体工件的加工l数控钻床：用于钻孔为主的

35、工序加工数控钻床：用于钻孔为主的工序加工l数控磨床：数控外园磨床、数控平面磨床、数控坐标磨床数控磨床：数控外园磨床、数控平面磨床、数控坐标磨床l数控齿轮机床：数控插齿机、数控滚齿机、数控磨齿机数控齿轮机床：数控插齿机、数控滚齿机、数控磨齿机（2）加工中心）加工中心 复杂工件，工序较多，希望一次装夹后完成所有工序复杂工件，工序较多，希望一次装夹后完成所有工序，以保证工件的相对位置的准确性，这类工件适合在加工，以保证工件的相对位置的准确性，这类工件适合在加工中心上进行加工。中心上进行加工。 加工中心有两类：加工中心有两类：2022/3/7数控原理 铣削加工中心：在镗铣床基础上发展起来的。又分铣削加

36、工中心：在镗铣床基础上发展起来的。又分为卧式加工中心和立式加工中心。为卧式加工中心和立式加工中心。CNC系统能实现系统能实现35个坐标轴的联动。个坐标轴的联动。 铣削加工中心：在车床基础上发展起来的。铣削加工中心：在车床基础上发展起来的。 加工中心一般配置有自动换刀的刀库，一般可使用加工中心一般配置有自动换刀的刀库，一般可使用机械手上下料。具有各种补偿功能以减少加工误差。具机械手上下料。具有各种补偿功能以减少加工误差。具有自动编程系统，提高加工效率。有自动编程系统，提高加工效率。2. 数控技术在电加工机床中的应用数控技术在电加工机床中的应用 电加工机床是利用电极间的脉冲火花放电的电腐蚀作电加工

37、机床是利用电极间的脉冲火花放电的电腐蚀作用来加工工件，火花放电时，通道中产生一万多度的高用来加工工件，火花放电时，通道中产生一万多度的高温，足以使电极表面的金属局部融化（汽化），达到加温，足以使电极表面的金属局部融化（汽化），达到加工形状、尺寸精度、表面粗糙和生产率的要求。火花放工形状、尺寸精度、表面粗糙和生产率的要求。火花放电有一个特性，产生的电腐蚀，仅腐蚀阳极，不腐蚀阴电有一个特性，产生的电腐蚀，仅腐蚀阳极，不腐蚀阴极。电加工机床主要用来加工模具和难于加工的材料。极。电加工机床主要用来加工模具和难于加工的材料。2022/3/7数控原理（1）数控电火花成形机床）数控电火花成形机床 工件固定在

38、工作台上，工具电极固定在主轴头上。工件固定在工作台上，工具电极固定在主轴头上。在数控系统伺服控制下，使工具电极与工件保持可持续在数控系统伺服控制下，使工具电极与工件保持可持续火花放电的间隙。脉冲电源发出频率较高的单向脉冲以火花放电的间隙。脉冲电源发出频率较高的单向脉冲以产生电火花，通过电腐蚀作用，对加工过程进行适应控产生电火花，通过电腐蚀作用，对加工过程进行适应控制，在工件上加工出工具电极的形状。制，在工件上加工出工具电极的形状。（2）数控线切割机床）数控线切割机床 工件固定在工作台上，与高频脉冲电源正极连接，工件固定在工作台上，与高频脉冲电源正极连接，钼丝与负极连接。工作台由数控系统伺服控制

39、，实现所钼丝与负极连接。工作台由数控系统伺服控制，实现所需的运动轨迹。电极和工件间保持适当的间隙保证脉冲需的运动轨迹。电极和工件间保持适当的间隙保证脉冲电源产生电火花，温度可高达电源产生电火花，温度可高达1万万1.2万度，火花放电万度，火花放电产生的电腐蚀，仅腐蚀正极，不腐蚀负极，在电腐蚀的产生的电腐蚀，仅腐蚀正极，不腐蚀负极，在电腐蚀的作用下，加工出各种形状的工件。数控系统对工作台进作用下，加工出各种形状的工件。数控系统对工作台进行控制，对电极丝进行自动校正、自动对位、电极丝张行控制，对电极丝进行自动校正、自动对位、电极丝张力、脉冲电源参数进行适应控制，达到最佳加工状态。力、脉冲电源参数进行

40、适应控制，达到最佳加工状态。2022/3/7数控原理计计算算机机数数控控系系统统高高频频脉脉冲冲电电源源伺服控制伺服控制伺服伺服主主轴轴头头2022/3/7数控原理计计算算机机数数控控系系统统脉脉冲冲电电源源伺伺服服系系统统伺服驱动伺服驱动变频电路变频电路数控线切割机床数控线切割机床钼丝钼丝工件工件冷却液冷却液工作台工作台步进电机步进电机步进电机步进电机滚筒滚筒导轮导轮2022/3/7数控原理2022/3/7数控原理l工业机器人中是一种能模拟人的手，按规定的运动轨迹工业机器人中是一种能模拟人的手，按规定的运动轨迹和动作要求实现操纵工具或实现工件搬运的自动化装置和动作要求实现操纵工具或实现工件搬

41、运的自动化装置，可以在改善劳动条件、保证生产安全，提高产品质量，可以在改善劳动条件、保证生产安全，提高产品质量和生产率方面发挥重要作用。主要用于生产线上装卸、和生产率方面发挥重要作用。主要用于生产线上装卸、装配以及喷漆、喷沙、焊接等恶劣劳动环境下的工作，装配以及喷漆、喷沙、焊接等恶劣劳动环境下的工作，甚至在人类无法进入的环境工作，如深水作业、放射性甚至在人类无法进入的环境工作，如深水作业、放射性物资、太空作业等。物资、太空作业等。l工业机器人中由执行机构、动力部分和控制部分组成。工业机器人中由执行机构、动力部分和控制部分组成。高级机器人还包括检测传感系统、感觉系统。高级机器人还包括检测传感系统

42、、感觉系统。l执行机构：由机械结构、驱动装置等组成，能模仿人的执行机构：由机械结构、驱动装置等组成，能模仿人的手臂的动作。可以自动移动。手臂的动作。可以自动移动。l动力部分：为执行机构驱动部分提供动力。动力部分：为执行机构驱动部分提供动力。2022/3/7数控原理l控制部分：由微机数控系统组成，控制机器人按程序做控制部分：由微机数控系统组成，控制机器人按程序做规定的动作，包括动作顺序、运动轨迹、运动速度等。规定的动作，包括动作顺序、运动轨迹、运动速度等。并且可对工业机器人的动作进行监视，出错或故障及时并且可对工业机器人的动作进行监视，出错或故障及时报警。报警。l检测传感系统：检测机器人执行机构

43、的运动位置和状态检测传感系统：检测机器人执行机构的运动位置和状态并将信息反馈给控制部分，控制部分对反馈信息进行比并将信息反馈给控制部分，控制部分对反馈信息进行比较，发出纠正信号，使执行机构达到预定位置和状态。较，发出纠正信号，使执行机构达到预定位置和状态。l感觉系统：赋予机器人五官功能，实现机器人对工作的感觉系统：赋予机器人五官功能，实现机器人对工作的自动识别和适应操作。自动识别和适应操作。l工业机器人所用控制方法、执行元件和检测元件等与数工业机器人所用控制方法、执行元件和检测元件等与数控机床类似，但机械机构、运动方式和用途不同形式上控机床类似，但机械机构、运动方式和用途不同形式上有所区别，机

44、器人具有更高级的人工智能系统。有所区别，机器人具有更高级的人工智能系统。2022/3/7数控原理lCNC三坐标测量机三坐标测量机 三坐标测量机是用来检测箱体、工件、模具以及其他三坐标测量机是用来检测箱体、工件、模具以及其他形状复杂的物体。在汽车、机床、飞机等行业用的较多如形状复杂的物体。在汽车、机床、飞机等行业用的较多如与数控机床配套，测量机床上加工工件的位置、尺寸和形与数控机床配套，测量机床上加工工件的位置、尺寸和形状精度。状精度。 测量时当测量头碰到工件上各个测量点时，计算机发测量时当测量头碰到工件上各个测量点时，计算机发出采样信号，此时的坐标值由传感器送给微机，经处理后出采样信号，此时的

45、坐标值由传感器送给微机，经处理后，得到误差值，打印输出。，得到误差值，打印输出。 计算机的处理大致为选定基准，运动控制、根据规定计算机的处理大致为选定基准，运动控制、根据规定程序对各个检测点的数据进行计算机处理并打印输出。三程序对各个检测点的数据进行计算机处理并打印输出。三坐标测量机配置许多相应的软件针对不同的测量对象，如坐标测量机配置许多相应的软件针对不同的测量对象，如曲线测量程序、凸轮测量程序、表面测量程序等。曲线测量程序、凸轮测量程序、表面测量程序等。2022/3/7数控原理接口接口操作面板操作面板微机微机打印机打印机绘图仪绘图仪信号发生器信号发生器反馈单元反馈单元电机驱动电机驱动测头测

46、头位置传感器位置传感器伺服电机伺服电机测量机测量机主体主体坐标测量机控制系统坐标测量机控制系统2022/3/7数控原理1.5 数控技术的发展与机械加工自动化数控技术的发展与机械加工自动化 我国与世界发达国家一样，都把发展数控技术作为制造我国与世界发达国家一样，都把发展数控技术作为制造业发展的战略重点，将数控技术发展列入科技发展的重要内业发展的战略重点，将数控技术发展列入科技发展的重要内容。把握现代数控技术的发展趋势具有重要意义。容。把握现代数控技术的发展趋势具有重要意义。 现代数控加工正在向高速化、高精度化、高柔性化、高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

47、向发展。一体化、网络化和智能化等方向发展。1、高速化与高精度化、高速化与高精度化 受高生产率的驱使，高速化已是现代机床技术发展的重受高生产率的驱使，高速化已是现代机床技术发展的重要方向之一。首先要求计算机高速数据处理，伺服、检测系要方向之一。首先要求计算机高速数据处理，伺服、检测系统能高速作出反映。高速切削可通过高速运算技术、快速插统能高速作出反映。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技术来实现。补运算技术、超高速通信技术和高速主轴等技术来实现。 采用采用64位或更高，主频达数位或更高，主频达数GHz的的CPU，提高，提高CNC速度。速度。将滚珠丝杆由直线电

48、机技术替代，在保持将滚珠丝杆由直线电机技术替代，在保持35m的加工精的加工精度下，达到度下，达到3750070000mm/min的加工速度。的加工速度。2022/3/7数控原理 高主轴转速可减少切削力，减小切削深度，有利于克服高主轴转速可减少切削力，减小切削深度，有利于克服机床振动，传入零件中的热量大大减低，排屑加快，热变形机床振动，传入零件中的热量大大减低，排屑加快，热变形减小，加工精度和表面质量得到显著改善。减小，加工精度和表面质量得到显著改善。 高精度化一直是数控机床技术发展追求的目标。它包括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加工精度控制两方面

49、。机床制造的几何精度和机床使用的加工精度控制两方面。 提高机床的加工精度，一般是通过减少数控系统误差，提高机床的加工精度，一般是通过减少数控系统误差，采用补偿技术来达到。提高数控系统的分辨率，以微小程序采用补偿技术来达到。提高数控系统的分辨率，以微小程序实现连续进给，控制单元精细化。交流伺服电机已有每转可实现连续进给，控制单元精细化。交流伺服电机已有每转可产生产生100万个脉冲的编码器，其检测精度达万个脉冲的编码器，其检测精度达0.01 m 。采用补。采用补偿技术和辅助措施来达到加工精度，如齿隙补偿、丝杆螺距偿技术和辅助措施来达到加工精度，如齿隙补偿、丝杆螺距补偿、刀具补偿等技术。提高数控机床

50、基础大件结构特性和补偿、刀具补偿等技术。提高数控机床基础大件结构特性和热稳定性，目前热变形误差补偿和空间误差的综合补偿技术热稳定性，目前热变形误差补偿和空间误差的综合补偿技术已成为研究的热门。目前精整加工精度已提高到已成为研究的热门。目前精整加工精度已提高到0.1 m，并，并进入了亚微米级，不久超精度加工将进入纳米时代。进入了亚微米级，不久超精度加工将进入纳米时代。(加工精加工精度达度达0.01 m)2022/3/7数控原理 2 2、复合化复合化 在一台数控设备上完成多工序切削加工（如车、铣、镗、在一台数控设备上完成多工序切削加工（如车、铣、镗、钻等）的加工中心，替代多台机床加工，减少工件的装

51、卸、搬钻等）的加工中心，替代多台机床加工，减少工件的装卸、搬运时间，减少半成品库存量，又能提高形位精度。运时间，减少半成品库存量，又能提高形位精度。 3 3、智能化智能化 随着人工智能技术的不断发展，为适应制造业高度柔性化、随着人工智能技术的不断发展，为适应制造业高度柔性化、自动化的需求，数控设备智能化的程度不断提高。自动化的需求，数控设备智能化的程度不断提高。 具体是指系统应在局部或全部实现加工过程的自适应、自具体是指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，达到改进系统运行状态的目的。如通过监控切诊断和自调整，达到改进系统运行状态的目的。如通过监控切削过程的刀具磨损、切削形态

52、、切削力等实现自适应调节，提削过程的刀具磨损、切削形态、切削力等实现自适应调节，提高加工精度，降低表面粗糙度。高加工精度，降低表面粗糙度。2022/3/7数控原理 采用专家系统，加工数据的自生成及智能数据库、智能监采用专家系统，加工数据的自生成及智能数据库、智能监控，可提供经过优化的切削参数，使系统始终处于最优、最经控，可提供经过优化的切削参数，使系统始终处于最优、最经济的加工状态，以降低对操作者的技术要求等。多媒体人机接济的加工状态，以降低对操作者的技术要求等。多媒体人机接口使用户操作更简单，智能编程，可使用自然语言编程，使编口使用户操作更简单，智能编程，可使用自然语言编程，使编程更加直观方

53、便。程更加直观方便。 故障自诊断，为数控设备提供二次监控、故障诊断、安全故障自诊断，为数控设备提供二次监控、故障诊断、安全保障和经济策略方面的决策系统。保障和经济策略方面的决策系统。 智能化交流伺服驱动系统，能自动识别电机及负载的转动智能化交流伺服驱动系统，能自动识别电机及负载的转动惯量，并自动对控制参数进行调整和优化。惯量，并自动对控制参数进行调整和优化。 以模糊数学、神经网络、数据库、知识库为基础的决策系以模糊数学、神经网络、数据库、知识库为基础的决策系统为新一代数控设备智能化提供了可靠的技术基础，智能化正统为新一代数控设备智能化提供了可靠的技术基础，智能化正成为数控设备研究和发展的方向。

54、成为数控设备研究和发展的方向。2022/3/7数控原理4、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。目前，在进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，正努力向单元柔性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。和系统柔性化发展。 数控系统将具有最大限度的柔性，能实现多种用途。数控系统将具有最大限度的柔性，能实现多种用途。具体是指具有开放性体系结构，通过重构和编辑，视需要具体是指具有开放性体系结构，通过重构和编辑，视需要系统的组成可大可小；功能可专用也可通用，功能价格比系统的组成可大可小；功能可专用也可通用，功能价格比

55、可调；可以集成用户的技术经验，形成专家系统。可调；可以集成用户的技术经验，形成专家系统。 如在数控机床上增加不同容量的刀具库和自动换刀机如在数控机床上增加不同容量的刀具库和自动换刀机械手，增加第二主轴和交换工作台装置，配以工业机器人械手，增加第二主轴和交换工作台装置，配以工业机器人和自动运输小车，以组成新的加工中心。和自动运输小车，以组成新的加工中心。2022/3/7数控原理5、小型化、小型化 蓬勃发展的机电一体化技术对蓬勃发展的机电一体化技术对CNC系统提出小型化系统提出小型化的要求，采用超大规模集成电路，新型的要求，采用超大规模集成电路，新型TFT彩色液晶薄彩色液晶薄型显示器。型显示器。C

56、NC系统与加工过程作为一个整体，实现机系统与加工过程作为一个整体，实现机电光声综合控制，测量造型、加工一体化，加工、实时电光声综合控制，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检测与修正一体化，机床主机设计与数控系统设计一体化。化。6、开放式体系结构、开放式体系结构 新一代数控系统体系结构向开放式系统方向发展，新一代数控系统体系结构向开放式系统方向发展，国际上主要数控系统和数控设备生产厂商都瞄准国际上主要数控系统和数控设备生产厂商都瞄准PC机机所具有的开放性、可靠性、低成本、软硬件资源丰富等所具有的开放性、可靠性、低成本、软硬件资源丰富等特点，自特点，自

57、80年代末以来竞相开发基于年代末以来竞相开发基于PC机的机的CNC系统系统，并提出开放式，并提出开放式CNC体系结构的概念。体系结构的概念。 开放式开放式CNC大致可分为四类，大致可分为四类，PC连接型、连接型、PC内装内装型、型、CNC内装型、纯软件型。内装型、纯软件型。2022/3/7数控原理 目前工业级的目前工业级的PC机已在工业控制领域得到广泛应用机已在工业控制领域得到广泛应用，并逐渐成为主流，其技术上的成熟使其可靠性大大超，并逐渐成为主流，其技术上的成熟使其可靠性大大超过以往的过以往的CNC硬件。还为用户提供强大的联网能力。除硬件。还为用户提供强大的联网能力。除了了RS232接口、接

58、口、USB接口、接口、DNC接口（直接数控）、接口（直接数控）、MAP、Ethernet 以太网接口，以太网接口，实现多种通讯协议，既满实现多种通讯协议，既满足单机需要，又能满足足单机需要，又能满足FMS(柔性制造系统柔性制造系统)、CIMS(计计算机集成制造系统算机集成制造系统)对基层设备的要求。配置网络接口，对基层设备的要求。配置网络接口，通过通过Internet可实现远程监视和控制加工，进行远程检测可实现远程监视和控制加工，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，可便于形成“全球制造全球制造”。2022/3

59、/7数控原理1. 5.2 先进制造技术简介先进制造技术简介1、计算机直接数控系统（、计算机直接数控系统（direct numerical control，DNC） 使用一台通用计算机直接控制和管理一群数控机床进行使用一台通用计算机直接控制和管理一群数控机床进行加工或装配的系统，也称为计算机群控系统。加工或装配的系统，也称为计算机群控系统。 现代现代DNC系统中，各台数控机床的系统中，各台数控机床的CNC与中央计算机与中央计算机联网，实现分级控制管理。中央计算机不取代各联网，实现分级控制管理。中央计算机不取代各CNC的常的常规工作。具有计算机集中处理和分级控制的能力。具有现场规工作。具有计算机集

60、中处理和分级控制的能力。具有现场自动编程和对程序进行编辑修改的能力。现代自动编程和对程序进行编辑修改的能力。现代DNC具有生具有生产管理、作业调度、工况显示、监控、刀具管理等能力，为产管理、作业调度、工况显示、监控、刀具管理等能力，为柔性制造系统（柔性制造系统（FMS）的发展提供了基础。）的发展提供了基础。2、柔性制造系统（、柔性制造系统（ flexible manufacturing system ，FMS） 2022/3/7数控原理一般由加工中心与自动更换工件托盘或工业机器人硬件自一般由加工中心与自动更换工件托盘或工业机器人硬件自动检测与监控装置组成，在多台加工中心机床或柔性制造动检测与监控装置组