数控技术：第一章 绪 论

1、数控技术本课程的目的与要求 通过本课程的学习，使得学生能够了解数控技术在现代制造业中的重要地位和发展方向、数控技术的发展历史、现状与趋势；掌握数控技术中几何运动控制和伺服控制的各种基本理论，比较全面的学习数控系统、伺服系统的原理和应会的技术。 本课程定位原理与应用 原理为主元件与系统 通过元件掌握系统定性与定量 重在定性，但建立必要的 概念掌握与了解 局部掌握，整体了解第一章 绪 论第一节 概 述一、基本概念什么是数控 即数字控制（Numerical Control )简称，是指利用数字化信息进行 控制，其控制对象可以是各种生成过程。什么是机床数控技术 用数字化信息对机床运动及其加工过程进行控

2、制的一种技术。什么是数控机床 (Numerical Control MachineTools) 第一节 概 述 数控机床是一个装有数字控制系统的机床，该系统能够处理加工程序，控制机床自动完成各种加工运动和辅助运动。二、数控机床的加工原理 数控机床组成及加工过程如下图所示。第一节 概 述(1) 程序载体人和数控机床联系的媒介物。 (也称控制介质、输入介质、信息载体)穿孔纸带、盒式磁带、软磁盘或其他可以储存代码的载体 ，USB接口，有些直接集成在CAD/CAM中或连接上级计算机的DNC(直接数控)输入 。程序格式（编码标准）：EIA & ISO (2) 数控装置数控机床的核心部分，也是区别于普通机

3、床最重要的特征之一。数控装置完成加工程序的输入、编辑及修改，实现信息存储、数据转换、代码交换、插补运算以及各第一节 概 述 种控制功能。大多数具有网络通信功能，可以实现加工程序的高速、可靠传输和加工状态的实时反馈，以保证加工资源和加工信息的共享。(3) 伺服系统作用是把来自数控装置的脉冲信号转换成机床移动部件的运动，包括信号放大和驱动元件。几个进给轴实现联动可以完成点位、直线、平面曲线，甚至具有空间曲线特征的复杂零件加工。伺服驱动系统性能好坏直接决定加工精度、表面质量和生产率。第一节 概 述脉冲当量 相对于每个脉冲信号，机床移动部件的位移，常见的有：0.01mm，0.005mm，0.001mm

4、(4) 机床本体包括床身、主轴、进给机构、刀架及自动换刀装置等，是自动地完成各种切削加工的机械部分。与传统的机床相比，数控机床本体设计的特点： 采用具有高刚度、高抗震性及较小热变形的机床新结构。广泛采用高性能的主轴伺服驱动和进给伺服驱动装置。第一节 概 述 采用高传动效率、高精度、无间隙的传动装置和运动部件 第一节 概 述(5) 辅助装置保证充分发挥数控机床功能所必需的配套装置。包括气动、液压装置，排屑装置，冷却、润滑装置，回转工作台和数控分度头，防护，照明等各种辅助装置。(6) 测量装置位置和速度测量装置，以实现进给伺服系统的闭环控制。保证灵敏、准确地跟踪CNC装置指令： 进給运动指令：实现

5、零件加工的成形运动 主轴运动指令，实现零件加工的切削运动 第一节 概 述三、零件的数控加工过程第二节 数控机床的特点和分类第二节 数控机床的特点和分类一、数控机床的特点加工精度高：目前数控装置的脉冲当量（一般为0.001mm，高精度的数控系统可达0.1um。 而切削进给传动链的反向间隙与丝杠螺距误差等均可由数控装置进行补偿，因此，数控机床能达到比较高的加工精度，一般可达0.0050.1mm。对于中、小型数控机床，定位精度普遍可达到0.03mm，重复定位精度为0.01mm。(2)能完成复杂零件的加工：由于具有多轴联动功能。第二节 数控机床的特点和分类(3)生产效率高：与普通机床相比可提高生产效率

6、35倍。对于复杂成型面的加工，生产效率可提高十倍到几十倍.(4)适应性强：被加工零件改型设计后，在数控机床上只需变换零件的加工程序，调整刀具参数等，生产准备周期大为缩短。(5)有利于实现生产及管理的自动化：如CAD/CAM、CIMS等系统。(1) 按运动轨迹分类点位控制（Point to Point Control ） 或位置控制（Positioning）数控机床 第二节 数控机床的特点和分类这类机床只能控制工作台或刀具从一个位置精确地移动到另一位置，在移动过程中不进行加工。如数控镗、钻、冲，数控点焊机及数控折弯机等。第二节 数控机床的特点和分类直线控制（Straightline Contro

7、l ） 数控机床 这类机床控制工作台或刀具从一个位置到另一位置间的运动轨迹为直线，并能控制位移的速度，在移动过程中要进行加工。 如数控车、数控铣等。第二节 数控机床的特点和分类轮廓控制Contouring Control数控机床 这类机床能够同时对两个或两个以上坐标轴进行连续控制，具有插补功能。如数控铣、车、磨及加工中心等是典型的轮廓控制数控机床，数控火焰切割机、数控线切割等也都采用轮廓控制系统。坐标联动加工 第二节 数控机床的特点和分类(2) 按伺服系统控制方式分类开环控制系统 无位置反馈，精度相对闭环系统来讲不高，其精度主要取决于伺服驱动系统和机械传动机构的性能和精度；一般以功率步进电机作

8、为伺服驱动元件；具有结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉等优点，在精度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合得到广泛应用。一般用于经济型数控机床。第二节 数控机床的特点和分类闭环控制（Closed Loop Control）系统 从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节的误差、间隙和失动量。具有很高的位置控制精度。由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的，故很容易造成系统的不稳定，使闭环系统的设计、安装和调试都相当困难。该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精磨床以及较大型的数控机床等。第二节 数控机床的特点和分类半闭环控制（Semi-closed Lo

9、op Control）系统 半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，因此可获得稳定的控制性能，其系统的稳定性虽不如开环系统，但比闭环要好。由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难以消除。因此，其精度较闭环差，较开环好。但可对这类误差进行补偿，因而仍可获得满意的精度。半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度也较高，因而在现代CNC机床中得到了广泛应用。第二节 数控机床的特点和分类(3) 按功能水平分类 数控装置的性能指标反映了数控系统的基本性能，是选择数控系统的主要依据，概括起来如下：1控制轴数和联动轴数2脉冲当量（控制分辨率）3定位精度和重复精度 4行程5主轴转速、进给速度和调节范围6插

10、补功能 7准备功能（G功能）、辅助功能（M功能）8误差补偿功能 9.自动加减速功能10.通信功能 11.故障诊断功能第二节 数控机床的特点和分类低、中、高档的界限是相对的，尚没有一个确切的定义，不同时期的划分标准有所不同。从目前的发展水平来看，大体可从下面几个方面来区分(4) 按工艺用途分类切削加工类：数控铣床、数控车床、数控磨床、加工中心、数控齿轮加工机床、FMC等。金属成型类：数控折弯机、数控弯管机、数控冲压机等。特种加工类：数控线切割机、火焰切割机、电火花加工机、 激光加工机等。非加工设备类：数控测量机、自动绘图机、工业机器人等 第三节 数控机床的发展机床的发展概况古代的原始机床1774

11、年英国人威尔金森发明了比较精密的炮筒镗床，用这样的镗床镗出了汽缸，满足蒸汽机的要求。采用天轴传动，如奔驰汽车加工车间。1797年英国人莫斯利（机床之父）发明了车床，用丝杠带动刀架，实现了机动进给。20世纪为了精加工的需要出现了坐标镗床；为了适应汽车等大批量零件加工的需要，出现了自动机床、仿形机床、组合机床。 第三节 数控机床的发展 半个多世纪以来，数控技术得到了迅猛发展，数控机床发展至今已经历了三个阶段和八代：在体系结构上，数控系统经历了三个阶段：1952-1970：NC（硬线数控）1970- ：CNC(计算机数控)(+高速高精度CNC阶段)1994- ：PC-NC（PC数控）从硬件角度看，数

12、控系统经历了八代发展：NC（以电子管、晶体管和小规模集成电路应用为标志 ）CNC（以小型计算机、微机、超大规模集成电路、32位微机应用于数控系统为标志 ）PC-NC（借助PC机丰富的软硬件资源 ）第三节 数控机床的发展 自从1952年美国麻省理工学院研制出世界上第一台三坐标数控铣床以来，几个发展阶段：1. 硬件数控阶段（19521970）第一代：1952年 ,电子管控制的第一台三坐标联动的铣床;第二代：1959年,出现了晶体管控制的“加工中心”;第三代：1965年,出现了小规模集成电路；以上三代数控系统都是采用专用控制硬件逻辑数控系统,称为普通数控系统,即NC系统.第三节 数控机床的发展2.

13、计算机数控系统发展和完善阶段（19701986)第四代：1970年，小型计算机为核心的计算机数控系统（CNC），原来由硬件实现的功能逐步由软件完成。第五代：1974年，出现采用微处理器芯片的CNC系统，使数控系统达到了普及的程度。第六代：1980年左右，采用超大规模集成电路、大容量存储器、CRT的CNC系统，具有了交互式对话编程，图形显示功能，柔性化、模块化结构。第三节 数控机床的发展3. 高速高精度CNC的开发与应用阶段（1986）第七代：32位CPU在CNC中得到应用，1986年三菱电机公司率先推出了CPU为86020的32位CNC，并逐渐成为当今数控系统的主流。4. 基于PC的开发式CN

14、C的开发与应用阶段（1994 ）第八代：1994年基于PC的CNC控制器在美国首先亮相市场。第三节 数控机床的发展我国数控机床的研制始于1958年，由清华大学研制出了最早的样机。1966年诞生了第一台用于直线圆弧插补的晶体管数控系统。1970年北京第一机床厂的XK5040型数控升降台铣床作为商品，小批量生产并推向市场。但由于相关工业基础差，尤其是数控系统的支撑工业电子工业薄弱，致使在19701976年间开发出的加工中心、数控镗床、数控磨床及数控钻床因系统不过关，多数机床没有在生产中发挥作用。80年代前期，在引入了日本FANUC数控技术后，我国的数控机床才真正进入小批量生产的商品化时代。如北京机

15、床研究所从日本FANUC公司引进FANUC3、FANUC5、FANUC6、FANUC7系列产品的制造技术。经过“八五”、“九五”的公关，开发出了一批自主版权的中高档数控系统，如中华I型、航天I型、华中I型等。我国装备制造业经历了： 50年代的“苏联一边倒” 60-70年代的自力更生 80年代后全方位引进与研制产品品种达3500种 其中数控及其新技术产品达1500种左右，覆盖超重型、高精度、纳米级超精度、特种加工、五轴联动数控机床等前沿技术领域。立式数控机床的工作台可加工直径16m的工件卧式数控机床可加工直径4.5m的工件北京机床所研制的纳米级数控机床 （机械移动量达5nm）五轴联动数控龙门铣床

16、第四节 数控机床的发展趋势1 运行高速化2 加工高精度3 控制智能化4 功能复合化5 交互网络化6 开放式结构7 并联机构机床1. 运行高速化进给、主轴、刀具交换、托盘交换等实现高速化，并具有高加（减）速度。 进给率高速化：在分辨率为1m时，Fmax=240m/min，可获得复杂型面的精确加工；在程序段长度为1mm时，Fmax=30m/min，并且具有1.5g的加减速率；第四节 数控机床的发展趋势反馈信号：4MHz第四节 数控机床的发展趋势在高效加工中心上达到90 m/min的快移速度和1g的加速度.直线电机作为高效驱动元件正被广为应用，尤其在激光切割和高速加工中。直线电机平面电机换刀速度0.

17、9秒（刀到刀）2.8秒（切削到切削）工作台（托盘）交换速度 6.3秒。主轴高速化：采用电主轴(内装式主轴电机)，主轴电机的转子轴就是主轴部件。主轴最高转速达200000r/min。主轴转速的最高加（减）速为1.0g ，即仅需1.8秒即可从0提速到15000r/min。第四节 数控机床的发展趋势Spindle Motor 2. 加工高精化 提高机械的制造和装配精度；提高数控系统的控制精度；采用误差补偿技术。IC制造装备、纳米控制。 提高CNC系统控制精度：采用高速插补技术，以微小程序段实现连续进给，使CNC控制单位精细化；采用高分辨率位置检测装置，提高位置检测精度（日本交流伺服电机已有装上106

18、 脉冲/转的内藏位置检测器，其位置检测精度能达到0.01m/脉冲）位置伺服系统采用前馈控制与非线性控制等方法。第四节 数控机床的发展趋势采用误差补偿技术：采用反向间隙补偿、丝杆螺距误差补偿和刀具误差补偿等技术;设备的热变形误差补偿和空间误差的综合补偿技术。研究表明，综合误差补偿技术的应用可将加工误差减少6080。三井精机的JidicH5D型超精密卧式加工中心的定位精度为0.1m。第四节 数控机床的发展趋势3. 控制智能化 随着人工智能技术的不断发展，为满足制造业生产柔性化、制造自动化发展需求，数控技术智能化程度不断提高，体现在：第四节 数控机床的发展趋势 加工过程自适应控制技术：通过监测主轴和

19、进给电机的功率、电流、电压等信息，辩识出刀具的受力、磨损以及破损状态，机床加工的稳定性状态；并实时修调加工参数（主轴转速，进给速度）和加工指令，使设备处于最佳运行状态，以提高加工精度、降低工件表面粗糙度以及设备运行的安全性。加工参数的智能优化:将零件加工的一般规律、特殊工艺经验，用现代智能方法，构造基于专家系统或基于模型的“加工参数的智能优化与选择器”，获得优化的加工参数，使加工系统始终处于较合理和较经济的工作状态。第四节 数控机床的发展趋势目前已开发出自学习功能的神经网络电火花加工系统。日本大隈公司的7000系列数控系统具有人工智能自动编程功能。 智能化交流伺服驱动装置：自动识别负载、自动调

20、整控制参数,包括智能主轴和智能化进给伺服装置，使驱动系统获得最佳运行。 智能故障诊断与自修复技术 智能故障诊断技术：根据已有的故障信息，应用现代智能方法，实现故障快速准确定位。智能故障自修复技术：根据诊断故障原因和部位，以自动排除故障或指导故障的排除技术。集故障自诊断、自排除、自恢复、自调节于一体，贯穿于全生命周期。智能故障诊断技术在有些数控系统中已有应用，智能化自修复技术还在研究之中。第四节 数控机床的发展趋势4. 功能复合化复合化：在一台设备上实现多种工艺步骤的加工，缩短加工链车铣复合车削中心（ATC，动力刀头）；镗铣钻复合加工中心（ATC）、五面加工中心（ATC，主轴立卧转换）；铣镗钻车

21、复合复合加工中心；可更换主轴箱的数控机床组合加工中心；集车削和激光加工于一体的机床；测量/制造复合，在加工后对工件进行在线测量第四节 数控机床的发展趋势数字化测量与数控仿形技术 尽管CAD/CAM技术和数控机床已得到广泛应用，起于20世纪60年代的机械-电气仿形加工仍是一种复杂零件加工的重要手段。现已被简洁可靠的数字控制方式取代。 数字仿形加工系统，不仅可复制出与实物模型形状尺寸完全相同的零件，而且可以采集反映模型轮廓表面的点集，建立描述该实物模型几何形体的完整的数据库。利用所采集的数据，编制数控加工指令，提供给数控机床，即可加工出原实物模型的复复制品。数字化仿形加工，测量是关键环节，三坐标测

22、量技术目前已基本解决测量精度问题，现在面临的问题是复杂形状零件的自动测量和数据处理，国内外学者在这方面做了大量工作，典型的成就如下： 日本的MAKINO公司的FDNCC系列的立式数控仿形铣床，可实现高效的数控加工和仿形加工。意大利Mandelli公司生产的Mandelli7型数控加工中心，配上英国的RENISHAW三维电感测头，也构成一个数控仿形测量与加工系统。 这几种系统的特点是利用数控机床本身的数控坐标系统，进行实物模型仿形测量的同时仿形加工，得到实物模型的数字化模型，然后处理成数控加工指令，加工出实物的复制品。 实物几何形体的数字化模型还可以用数控三坐标测量机。如上海机床厂生产的PMM系

23、列数控三坐标测量机，使用MECAL测量软件，实现实物模型的仿形测量，得到数字化模型。 这些实践蕴含着3M(Measuring、Modeling and Manufacturing)集成化思想。5. 交互网络化 支持网络通讯协议，既满足单机DNC需要，又能满足FMC、FMS、CIMS、灵捷制造TEAM（technology enabling agile manufacture）对基层设备集成要求的数控系统。网络资源共享。数控机床的远程（网络）控制。数控机床故障的远程（网络）诊断。数控机床的远程（网络）培训与教学（网络数控）第四节 数控机床的发展趋势数控系统中采用网络与光纤通讯技术实现运动和I/O

24、的控制是数控技术的发展方向。数控中：德国Intrtamat的SERCOS、美国DELTATAU的Mcro-Link、日本FANUC的SERVO-Link、日本三菱的Tro-Link等。由于技术封锁等原因，各系统中光纤通讯采用的协议没有兼容性和互换性，要求伺服驱动器以及I/O模块必须具有相应协议的光纤通讯接口，这样的系统软硬件开放性较差，而且系统的成本也较高。另外的网络通讯协议：ARCNET、CAN Bus、Profibus、USB、IEEE1394 。第四节 数控机床的发展趋势第四节 数控机床的发展趋势IEEE1394的前身即FireWire，是1986年由苹果电脑公司针对高速数据传输所开发的

25、一种串行数据传输协议，并于1995年获得美国电机电子工程师协会认可成为正式新标准。现在大家看到的IEEE1394、FireWire和i.LINK其实指的都是这个标准，通常，在PC个人计算机领域将它称为IEEE1394，在电子消费品领域则更多的将它称为i.LINK。IEEE1394（FireWire）：高速串行数据传输的开放式技术标准，通讯速度最高达400MHz；第四节 数控机床的发展趋势目前IEEE1394技术使用最广的是数字成像领域，支持的产品包括数字相机或摄像机等。IEEE1394可以采用光纤进行信息的传输，大大地提高了系统的通讯速度和数据传输距离以及数据传输的可靠性。PC光纤通讯卡Fir

26、e Wire ）系统既具有了PMAC与SERCOS控制卡两者的优势，又在工艺性和配套性方面取得了新进展。基于Fire Wire的数控系统硬件结构图 用户对控制器的要求开放性：可重构性、可维护性、允许用户进行二次开发模块化：具有平台无关性接口协议：可传递性、可移植性 可进化性：智能化NC语言统一化：中性语言NML： FADL、OSEL竞争性：经济性、可靠性适应计算机技术发展的生产系统的开放化第四节 数控机床的发展趋势第四节 数控机床的发展趋势6. 开放式数控系统特征模块间接口协议描述精确，允许各模块独立开发；允许体系结构本身能被扩展；系统构件（软件和硬件）具有标准化(Standardizatio

27、n)与多样化( Diversification)和互换性(Interchangeability)的特征允许通过对构件的增减来构造系统，实现系统“积木式”的集成。构造应该是可移植的和透明的；开放式体系结构（IEEE）：具有在不同的工作平台上均能实现系统功能、且可以与其他的系统应用进行互操作的系统。第四节 数控机床的发展趋势开放式体系结构数控的优点数控系统厂品种减少、批量增加，易于满足用户要求；开放式的标准框架，促进各行业的软件厂商参与；软件开发效率提高，产品更新加快。机床厂可使整机具有个性化，降低开发成本。减少对系统厂的依赖，保护自己专有技术。最终用户方面购买机床时的初期成本透明化；机械设备变更

28、时，而降低寿命周期成本；能实现用户自身独特的的FA系统设计；用户界面的一致性，易于使用和培训； 1987年，美国提出了下一代控制器计划NGG(Next Generation Workstation/Machine Controller)和开放式系统体系结构标准SOSAS(Standards of Open System Architecture for Automatic Systems)，首次提出了开放式体系结构的概念。 1992年，欧共体开始实施自动化系统控制装置的开放系统体系结构计划OSACA。经过十多年的发展，开放性一词已经深入人心，并且体现在相关产品中。开放式数控系统成为CNC发展的

29、潮流。 一般来说，对于开放式数控系统都强调五个方面的性能特征： 即插即用(plug&play):数控功能采用模块化的结构且各模块具有即插即用的能力，以满足具体控制功能要求。 可移植性(portability):功能模块可运行于不同的控制系统内。 可扩展性(expandability):功能相似、接口相同的模块之间可相互替换，有随技术进步而更新硬软件的可能。 可缩放性(scalability):控制系统的大小（模块的数量与实现）可根据具体的应用增减，成为规模化系列产品。 互操作性(interoperability):模块之间能相互协作(交换数据)，容易实现和其他自动化设备互连。 因此，一个完全开

30、放的数控系统应该是：以分布式控制原则，采用系统、子系统和模块分级式的控制结构，其构造应该是可移植的和透明的。利用现有PC机的软硬件规范设计开放式数控系统，从研究进展及实现技术上看，主要有以下三种：1）数控专用模板嵌入通用PC机构成的数控系统 以国内具有开放式系统特点的华中I型数控系统为例，该系统采用了以PC机为硬件平台,DOS,Windows操作系统及其丰富支持软件为软件平台的开放式体系结构，如图1所示。与传统CNC系统相比，这种系统具有软硬件资源的通用性、丰富性、透明性、软件的可再生性；便于引入新技术进行升级、换代的优点。 串口并口键盘软驱硬盘显卡网卡显示器主CPU及主板NC模板主轴主轴编码

31、器 开关量输入（操作按钮机床检测输入）开关量输出（按钮显示灯，机床继电器控制）伺服电机多功能板输入板输出板位置控制图1 数控专用模板嵌入PC机结构ISA总线 这种数控系统在PC机上嵌入的数控专用模板有:内装式PLC单元，由光电隔离开关量输入板,光电隔离开关量输出板及多功能板.系统的位置单元接口可根据使用伺服单元的不同而有不同的具体实现方法:当伺服单元为数字式交流伺服时,位置单元接口采用串口通讯板;当伺服 单元为模拟式交流伺服时,位置单元接口采用位置环板.系统带RS232C接口,可直接CAD/CAM连接,带网络卡可连入工厂网络。2）通用PC机与开放式可编程运动控制器构成的数控系统 机床运动控制,逻辑控制功能由独立的运动控制器完成,运动控制器通常由以PC硬件插件的形式构成系统。数控上层软件(数控程序编辑,人机界面等)以PC为平台,是Windows等主流操作系统上的标准应用,并支持用户定制。 以美国DELTA TAU公司九十年代推出的PMAC (progra -mmable mult