数控机床概述课件

数控机床概述数控机床概述第一章数控机床概述产生背景从工业化革命以来人们实现机械加工自动化的手段有：自动机床；组合机床；专用自动生产线。第一章数控机床概述Date2现代数控技术第一章数控机床概述产生背景第一章数控机第一章数控机床概述这些设备的使用大大地提高了机械加工自动化地程度，提高了劳动生产率，促进了制造业地发展。但它也存在固有的缺点：初始投资大；准备周期长；柔性差。第一章数控机床概述Date3现代数控技术第一章数控机床概述第一章数控机床概述Dat第一章数控机床概述数控技术产生和发展的内在动力：市场竞争日趋激烈，产品更新换代加快，大批量产品越来越少，小批量产品生产的比重越来越大，迫切需要一种精度高、柔性好加工设备来满足上述需求。数控技术产生和发展的技术基础：电子技术和计算机技术的飞速发展则为NC机床的进步提供了坚实的技术基础。数控技术正是在这种背景下诞生和发展起来的。它的产生给自动化技术带来了新的概念，推动了加工自动化技术的发展。第一章数控机床概述Date4现代数控技术第一章数控机床概述数控技术产生和发展的内在动力：第第一章数控机床概述发展沿革1952年，Parsons公司和M.I.T合作研制了世界上第一台三座标数控机床。1955年，第一台工业用数控机床由美国Bendix公司生产出来。从1952年至今，NC机床按NC系统的发展经历的五代。第一章数控机床概述Date5现代数控技术第一章数控机床概述发展沿革第一章数控机床概第一章数控机床概述第一代：1955年NC系统以电子管组成，体积大，功耗大。第二代：1959年NC系统以晶体管组成，广泛采用印刷电路板。第三代：1965年NC系统采用小规模集成电路作为硬件，其特点是体积小，功耗低，可靠性进一步提高。以上三代NC系统，由于其数控功能均由硬件实现，故历史上又称其为“硬线NC”Date6现代数控技术第一章数控机床概述第一代：1955年NC系统以第一章数控机床概述第四代：1970年NC系统采用小型计算机取代专用计算机，其部分功能由软件实现，它具有价格低，可靠性高和功能多等特点。第五代：1974年NC系统以微处理器为核心，不仅价格进一步降低，体积进一步缩小，使实现真正意义上的机电一体化成为可能。这一代又可分为六个发展阶段：1979年：系统采用CRT显示，VLIC，大容量磁泡存储器，可编程接口和遥控接口等。1974年：系统以位片微处理器为核心，有字符显示，自诊断功能。Date7现代数控技术第一章数控机床概述第四代：1970年NC系统采第一章数控机床概述1981年：具有人机对话、动态图形显示、实时精度补偿功能。1986年：数字伺服控制诞生，大惯量的交直流电机进入实用阶段。1988年：采用高性能32位机为主机的主从结构系统。1994年：基于PC的NC系统诞生，使NC系统的研发进入了开放型、柔性化的新时代，新型NC系统的开发周期日益缩短。它是数控技术发展的又一个里程碑。第一章数控机床概述Date8现代数控技术第一章数控机床概述1981年：具有人机对话、动态图第一节数控技术与数控机床自从20世纪中叶数控技术创立以来，它给机械制造业带来了革命性的变化。现在数控技术已成为制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础技术，现代的CAD/CAM，FMS和CIMS、敏捷制造和智能制造等，都是建立在数控技术之上；第一章数控机床概述Date9现代数控技术第一节数控技术与数控机床自从20世纪中叶数控技术创立以来第一节数控技术与数控机床数控技术是提高产品质量、提高劳动生产率必不可少的物质手段；是国家的战略技术：基于它的相关产业是体现国家综合国力水平的重要基础性产业；专家们预言:二十一世纪机械制造业的竞争，其实质是数控技术的竞争。第一章数控机床概述Date10现代数控技术第一节数控技术与数控机床数控技术是提高产品质量、提高劳动数控技术定义数字控制与数控技术数字控制（NumericalControlNC）是一种借助数字、字符或其它符号对某一工作过程（如加工、测量、装配等）进行可编程控制的自动化方法。数控技术（NumericalControlTechnology）采用数字控制的方法对某一工作过程实现自动控制的技术。第一章数控机床概述Date11现代数控技术数控技术定义数字控制与数控技术第一章数控机床概述D数控机床与数控系统数控机床（NumericalControlMachineTools）是采用数字控制技术对机床的加工过程进行自动控制的一类机床。它数控技术典型应用的例子。数控系统（NumericalControlSystem）实现数字控制的装置。计算机数控系统（ComputerNumericalControlCNC）以计算机为核心的数控系统。第一章数控机床概述Date12现代数控技术数控机床与数控系统数控机床（NumericalContro

数控系统与数控机床的组成第一章数控机床概述Date13现代数控技术

数控系统与数控机床的组成第一章数控机床概述Date第一节数控技术与数控机床操作面板它是操作人员与数控装置进行信息交流的工具。组成：按钮站、状态灯、按键阵列（功能与计算机键盘一样）和显示器；。它是数控机床特有部件。第一章数控机床概述Date14现代数控技术第一节数控技术与数控机床操作面板第一章数控机床概Date15现代数控技术Date15现代数控技术控制介质与输入输出设备

程序的存储介质是记录零件加工程序的媒介，如：纸带（八单位标准穿孔纸带）、磁带或磁盘。输入、输出设备是CNC系统与外部设备进行交互装置。交互的信息通常是零件加工程序。即将编制好的记录在控制介质上的零件加工程序输入CNC系统或将调试好了的零件加工程序通过输出设备存放或记录在相应的控制介质上。第一章数控机床概述Date16现代数控技术控制介质与输入输出设备第一章数控机床概述Date第一节数控技术与数控机床通讯现代的数控系统除采用输入输出设备进行信息交换外，一般都具有用通讯方式进行信息交换的能力。它们是实现CAD/CAM的集成、FMS和CIMS的基本技术。采用的方式有：串行通讯（RS-232等串口）、自动控制专用接口和规范(DNC方式，MAP协议等)网络技术（internet，LAN等）。第一章数控机床概述Date17现代数控技术第一节数控技术与数控机床通讯现代的数控系统除采用输入第一节数控技术与数控机床CNC装置(CNC单元)组成：计算机系统、位置控制板、PLC接口板，通讯接口板、特殊功能模块以及相应的控制软件。作用：根据输入的零件加工程序进行相应的处理（如运动轨迹处理、机床输入输出处理等），然后输出控制命令到相应的执行部件(伺服单元、驱动装置和PLC等)，所有这些工作是由CNC装置内硬件和软件协调配合，合理组织，使整个系统有条不紊地进行工作的。CNC装置是CNC系统的核心第一章数控机床概述Date18现代数控技术第一节数控技术与数控机床CNC装置(CNC单元)第一第一节数控技术与数控机床伺服单元、驱动装置和测量装置伺服单元和驱动装置主轴伺服驱动装置和主轴电机进给伺服驱动装置和进给电机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。作用保证灵敏、准确地跟踪CNC装置指令：进给运动指令：实现零件加工的成形运动（速度和位置控制）。主轴运动指令，实现零件加工的切削运动（速度控制）第一章数控机床概述Date19现代数控技术第一节数控技术与数控机床伺服单元、驱动装置和测量装置计算机数控系统

机床I/O电路和装置

测量装置

主轴驱动装置

进给驱动装置

主轴伺服单元

进给伺服单元

计算机数

控

装

置

操作面板

PLC

计算机数控系统

机

床

辅助控制机构

进给传动机构

主运动机构

键盘

输入输出

设备

Date20现代数控技术计算机数控系统机床I/O电路和装置测量装置主轴第一节数控技术与数控机床 PLC、机床I/O电路和装置PLC(ProgrammableLogicController)：用于完成与逻辑运算有关顺序动作的I/O控制，它由硬件和软件组成；机床I/O电路和装置：实现I/O控制的执行部件(由继电器、电磁阀、行程开关、接触器等组成的逻辑电路；功能：接受CNC的M、S、T指令，对其进行译码并转换成对应的控制信号，控制辅助装置完成机床相应的开关动作接受操作面板和机床侧的I/O信号，送给CNC装置，经其处理后，输出指令控制CNC系统的工作状态和机床的动作。第一章数控机床概述Date21现代数控技术第一节数控技术与数控机床 PLC、机床I/O电路和装置第电控柜内部结构西门子接触器低压断路器步进电机驱动单元空气开关开门断电开关继电器Date22现代数控技术电控柜内部结构西门子接触器低压断路器步进电机驱动单元空气开关电控柜内部结构开门断电开关NC板空气开关步进驱动单元西门子接触器低压断路器继电器Date23现代数控技术电控柜内部结构开门断电开关NC板空气开关步进驱动单元西门子接计算机数控系统

机床I/O电路和装置

测量装置

主轴驱动装置

进给驱动装置

主轴伺服单元

进给伺服单元

计算机数

控

装

置

操作面板

PLC

计算机数控系统

机

床

辅助控制机构

进给传动机构

主运动机构

键盘

输入输出

设备

Date24现代数控技术计算机数控系统机床I/O电路和装置测量装置主轴第一节数控技术与数控机床机床本体机床：数控机床的主体，是实现制造加工的执行部件。组成：由主运动部件、进给运动部件（工作台、拖板以及相应的传动机构）、支承件（立柱、床身等）以及特殊装置（刀具自动交换系统工件自动交换系统）和辅助装置（如排屑装置等）。第一章数控机床概述Date25现代数控技术第一节数控技术与数控机床机床本体第一章数控机计算机数控系统

机床I/O电路和装置

测量装置

主轴驱动装置

进给驱动装置

主轴伺服单元

进给伺服单元

计算机数

控

装

置

操作面板

PLC

计算机数控系统

机

床

辅助控制机构

进给传动机构

主运动机构

键盘

输入输出

设备

Date26现代数控技术计算机数控系统

机床I/O电路和装置测量装置主第二节数控机床的分类数控机床的种类很多，从不同角度对其进行考查，就有不同的分类方法，通常有以下几种不同的分类方法：第一章数控机床概述Date27现代数控技术第二节数控机床的分类数控机床的种类很多，从不同角度对其进第二节数控机床的分类按工艺用途分类切削加工类：数控镗铣床、数控车床、数控磨床、加工中心、数控齿轮加工机床、FMC等。成型加工类：数控折弯机、数控弯管机等。特种加工类：数控线切割机、电火花加工机、激光加工机等。其它类型：数控装配机、数控测量机、机器人等。第一章数控机床概述Date28现代数控技术第二节数控机床的分类按工艺用途分类第一章数控机铣床Date29现代数控技术铣床Date29现代数控技术数控车床Date30现代数控技术数控车床Date30现代数控技术数控车床Date31现代数控技术数控车床Date31现代数控技术数控加工中心Date32现代数控技术数控加工中心Date32现代数控技术锥度电火花线切割机床Date33现代数控技术锥度电火花线切割机床Date33现代数控技术第二节数控机床的分类按控制功能分类点位控制数控系统仅能实现刀具相对于工件从一点到另一点的精确定位运动；对轨迹不作控制要求；运动过程中不进行任何加工。适用范围：数控钻床、数控镗床、数控冲床和数控测量机。第一章数控机床概述Date34现代数控技术第二节数控机床的分类按控制功能分类第一章数控机床第二节数控机床的分类直线控制数控机床除点到点的准确位置之外，还要保证两点之间移动的轨迹是直线，而且对移动的速度也要进行控制，以便适应随工艺因素变化的不同需要。简易数控车床、数控镗铣床，一般有23个可控坐标轴，但同时控制的坐标轴只有一个。Date35现代数控技术第二节数控机床的分类直线控制数控机床Date35现代数控第二节数控机床的分类图1-4直线控制的加工原理图Date36现代数控技术第二节数控机床的分类图1-4直线控制的加工原理图Dat第二节数控机床的分类轮廓控制数控系统轮廓控制(连续控制)系统：具有控制几个进给轴同时谐调运动(坐标联动)，使工件相对于刀具按程序规定的轨迹和速度运动，在运动过程中进行连续切削加工的数控系统。适用范围：数控车床、数控铣床、加工中心等用于加工曲线和曲面的机床。现代的数控机床基本上都是装备的这种数控系统。第一章数控机床概述Date37现代数控技术第二节数控机床的分类轮廓控制数控系统第一章数控机第二节数控机床的分类图1-52轴控制，同时控制两个坐标Date38现代数控技术第二节数控机床的分类图1-52轴控制，同时控制两个坐标第二节数控机床的分类按联动轴数分，2轴联动（平面曲线）3轴联动（空间曲面，球头刀）4轴联动（空间曲面）5轴联动及6轴联动（空间曲面）。联动轴数越多数控系统的控制算法就越复杂。第一章数控机床概述Date39现代数控技术第二节数控机床的分类按联动轴数分，第一章数控3轴联动，(3轴控制)4轴控制

图1-6多轴联动数控加工的原理图5轴联动加工5轴联动加工Date40现代数控技术3轴联动，(3轴控制)4轴控制图1-6多轴联第二节数控机床的分类按进给伺服系统的类型分类按数控系统的进给伺服子系统有无位置测量装置可分为开环数控系统和闭环数控系统，在闭环数控系统中根据位置测量装置安装的位置又可分为全闭环和半闭环两种。第一章数控机床概述Date41现代数控技术第二节数控机床的分类按进给伺服系统的类型分类第一章第二节数控机床的分类开环数控系统没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置→进给系统），故系统稳定性好。第一章数控机床概述电机机械执行部件A相、B相C相、…f、nCNC插补指令脉冲频率f脉冲个数n换算脉冲环形分配变换功率放大Date42现代数控技术第二节数控机床的分类开环数控系统第一章数控机床概第二节数控机床的分类开环系统无位置反馈，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为伺服驱动元件。这类系统具有结构简单、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。第一章数控机床概述Date43现代数控技术第二节数控机床的分类开环系统无位置反馈，精度相对闭环系统第二节数控机床的分类半闭环数控系统半闭环数控系统的位置采样点如图所示，是从驱动装置(常用伺服电机)或丝杠引出，采样旋转角度进行检测，不是直接检测运动部件的实际位置。位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元++--电机机械执行部件CNC插补指令实际位置反馈实际速度反馈Date44现代数控技术第二节数控机床的分类半闭环数控系统位置控制调节器速度控第二节数控机床的分类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。第一章数控机床概述Date45现代数控技术第二节数控机床的分类半闭环环路内不包括或只包括少量机械传第二节数控机床的分类全闭环数控系统全闭环数控系统的位置采样点如图的虚线所示，直接对运动部件的实际位置进行检测。位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元++--电机机械执行部件CNC插补指令实际位置反馈实际速度反馈Date46现代数控技术第二节数控机床的分类全闭环数控系统位置控制调节器速度控第二节数控机床的分类从理论上讲，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。Date47现代数控技术第二节数控机床的分类从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环按机构运动方式分串连数控机床（传统数控机床）并联数控机床混联数控机床Date48现代数控技术按机构运动方式分Date48现代数控技术北京理工大学研制的并联机床机床加工过程Date49现代数控技术北京理工大学研制的并联机床机床加工过程Date49现代数控技Date50现代数控技术Date50现代数控技术第三节数控加工原理数控加工中数据转换过程图3数控加工中数据转换过程第一章数控机床概述译码刀补处理插补处理PLC控制进给伺服系统切削运动、机床I/O装置成形运动加工程序Date51现代数控技术第三节数控加工原理数控加工中数据转换过程图3数第三节数控加工原理译码(解释)译码程序的主要功能是将用文本格式（通常用ASCII码）表达的零件加工程序，以程序段为单位转换成刀补处理程序所要求的数据结构（格式）。该数据结构用来描述一个程序段解释后的数据信息。它主要包括：X、Y、Z等坐标值；进给速度；主轴转速；G代码；M代码；刀具号；子程序处理和循环调用处理等数据或标志的存放顺序和格式。第一章数控机床概述Date52现代数控技术第三节数控加工原理译码(解释)第一章数控机床第三节数控加工原理刀补处理(计算刀具中心轨迹)用户零件加工程序通常是按零件轮廓编制的，而数控机床在加工过程中控制的是刀具中心轨迹，因此在加工前必须将零件轮廓变换成刀具中心的轨迹。刀补处理就是完成这种转换的程序。第一章数控机床概述Date53现代数控技术第三节数控加工原理刀补处理(计算刀具中心轨迹)第一章第三节数控加工原理插补计算本模块以系统规定的插补周期△t定时运行，它将由各种线形（直线，园弧等）组成的零件轮廓，按程序给定的进给速度F，实时计算出各个进给轴在△t内位移指令（△X1、△Y1、…），并送给进给伺服系统，实现成形运动。这个过程将在下面进一步叙述。第一章数控机床概述Date54现代数控技术第三节数控加工原理插补计算第一章数控机床概第三节数控加工原理PLC控制PLC控制是对机床动作的“顺序控制”。即以CNC内部和机床各行程开关、传感器、按钮、继电器等开关量信号状态为条件，并按预先规定的逻辑顺序对诸如主轴的起停、换向，刀具的更换，工件的夹紧、松开，冷却、润滑系统等的运行等进行的控制。第一章数控机床概述Date55现代数控技术第三节数控加工原理PLC控制第一章数控机床数控加工轨迹控制原理逼近处理图为欲加工的圆弧轨迹L，起点为P0，终点为Pe。CNC装置首先对圆弧进行逼近处理。第三节

数控加工原理XLY△Li△Xi△YiT0δP0Pe数控加工原理图第一章数控机床概述Date56现代数控技术数控加工轨迹控制原理第三节数控加工原理XLY△Li△第三节

数控加工原理系统按插补时间⊿t和进给速度F的要求，将L分割成若干短直线⊿L1，⊿L2，…，⊿Li，…，这里：⊿Li=F⊿t（i=1，2，…）

F：用户给定的进给速度⊿t：数控系统插补周期XLY△Li△Xi△YiT0δP0Pe数控加工原理图Date57现代数控技术第三节数控加工原理系统按插补时间⊿t和进给速度F的要求第三节

数控加工原理用直线⊿Li逼近圆弧存在着逼近误差δ，但只要δ足够小（⊿Li足够短），总能满足零件的加工要求。当F为常数时，而⊿t对数控系统而言恒为常数，则⊿Li的长度也为常数⊿L，只是其斜率与其在L上的位置有关。XLY△Li△Xi△YiT0δP0Pe数控加工原理图Date58现代数控技术第三节数控加工原理用直线⊿Li逼近圆弧存在着逼近误差δ第三节数控加工原理插补运算将⊿Li分解为X轴及Y轴移动分量Xi和Yi（在ti时间内），要求满足：

且有：Fx=Xi/ti

Fy=Yi

/ti⊿Li的斜率和F的分量Fx、Fy以及比值Fx/Fy都在不断变化。XLY△Li△Xi△YiT0δP0Pe数控加工原理图Date59现代数控技术第三节数控加工原理插补运算XLY△Li△Xi△YiT第三节数控加工原理指令输出将计算出△ti在时间内的和作为指令输出给Y轴，以控制它们联动。即：

Xi

X轴；YiY轴只要能连续自动地控制X，Y两个进给轴在△ti时间内移动量，就可以实现曲线轮廓零件的加工。第一章数控机床概述Date60现代数控技术第三节数控加工原理指令输出第一章数控机床概述D第四节数控机床的应用范围数控机床的确具有普通机床所不具备的许多优点。而且它的应用范围还在不断扩大，但是在目前还不能完全取代普通机床，也就是说，它不能以最经济的方式来解决加工制造中所有问题。为了更好地说明这个问题，有必要先初步了解一下采用数控机床加工的优缺点。Date61现代数控技术第四节数控机床的应用范围数控机床的确具有普通第四节数控机床的应用范围数控加工的优点自动化程度高，可以减轻工人的体力劳动强度加工的零件一致性好，质量稳定生产效率较高便于产品研制便于实现计算机辅助制造。第一章数控机床概述Date62现代数控技术第四节数控机床的应用范围数控加工的优点第一章第四节数控机床的应用范围数控加工的缺点任何事物都是两重性。数控加工虽有上述各种优点，同时在某些方面也存在不足之处：单位加工成本较高。只适宜于多品种小批量或中批量生产（占机械加工总量70%~80%）加工中的调整相对复杂维修难度大第一章数控机床概述Date63现代数控技术第四节数控机床的应用范围数控加工的缺点第一章第四节数控机床的应用范围数控加工的适应性根据数控加工的优缺点及国内外大量应用实践，一般可按适应程度将零件分为下列三类：最适应类对于下述零件，首先应考虑能不能把它们加工出来，即要着重考虑可能性问题。只要有可能，可先不要过多地去考虑生产率与经济上是否合理，都应把对其进行数控加工作为优选方案。第一章数控机床概述Date64现代数控技术第四节数控机床的应用范围数控加工的适应性第一章形状复杂：加工精度要求高，用通用机床无法加工或虽然能加工但很难保证产品质量的零件；用数学模型描述的复杂曲线或曲面轮廓零件；具有难测量、难控制进给、难控制尺寸的不开敞内腔的壳体或盒型零件；必须在一次装夹中合并完成铣、镗、锪、铰或攻丝等多工序的零件。Date65现代数控技术形状复杂：加工精度要求高，用通用机床无法加第四节数控机床的应用范围较适应类这类零件在分析其可加工性以后，还要在提高生产率及经济效益方面作全面衡量，一般可把它们作为数控加工的主要选择对象。1在通用机床上加工时极易受人为因素（如：情绪波动、体力强弱、技术水平高低等）干扰，零件价值又高，一旦质量失控便造成重大经济损失的零件；第一章数控机床概述Date66现代数控技术第四节数控机床的应用范围较适应类第一章数控机第四节数控机床的应用范围2.在通用机床上加工时必须制造复杂专用工装的零件；3.需要多次更改设计后才能定型的零件；4.在通用机床上加工需要作长时间调整的零件；5.用通用机床加工时，生产率很低或体力劳动强度很大的零件。第一章数控机床概述Date67现代数控技术第四节数控机床的应用范围2.在通用机床上加工时必须制造复第四节数控机床的应用范围不适应类下述一类零件采用数控加工后，在生产效率与经济性方面一般无明显改善，还可能弄巧成拙或得不偿失，故此类零件一般不应作为数控加工的选择对象。第一章数控机床概述Date68现代数控技术第四节数控机床的应用范围不适应类第一章数控机第四节数控机床的应用范围装夹困难或完全靠找正定位来保证加工精度的零件；加工余量很不稳定，且数控机床上无在线检测系统可自动调整零件坐标位置的；生产批量大的零件（当然不排除其中个别工序用数控机床加工）；必须用特定的工艺装备协调加工的零件。第一章数控机床概述Date69现代数控技术第四节数控机床的应用范围装夹困难或完全靠找正定位来保证根据上述数控加工的适应性，我们就可以根据所拥有的数控机床来选择加工对象，或根据零件类型来考虑哪些应该先安排数控加工，或从技术改造角度考虑，是否要投资添置数控机床。第四节数控机床的应用范围第一章数控机床概述Date70现代数控技术根据上述数控加工的适应性，我们就可以根据所拥有的第五节数控机床的发展动向发展趋势进入九十年代以来，随着国际上计算机技术突飞猛进的发展，数控技术不断采用计算机、控制理论等领域的最新技术成就，使其朝着下述方向发展运行高速化加工高精化功能复合化控制智能化体系开放化驱动并联化交互网络化第一章数控机床概述Date71现代数控技术第五节数控机床的发展动向发展趋势运行高速化第一章第五节数控机床的发展动向运行高速化、加工高精化速度和精度是数控设备的两个重要指标，它们是数控技术永恒追求的目标。因为它直接关系到加工效率和产品质量。新一代数控设备在运行高速化、加工高精化等方面都有了更高的要求。第一章数控机床概述Date72现代数控技术第五节数控机床的发展动向运行高速化、加工高精化第一第五节数控机床的发展动向运行高速化：使进给率、主轴转速、刀具交换速度、托盘交换速度实现高速化，并且具有高加（减）速率。

进给率高速化：在分辨率为1m时，Fmax=240m/min。在Fmax下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；第一章数控机床概述Date73现代数控技术第五节数控机床的发展动向运行高速化：使进给率、主轴转速、第五节数控机床的发展动向主轴高速化：采用电主轴（内装式主轴电机），即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。换刀速度

0.9秒（刀到刀）2.8秒（切削到切削）工作台（托盘）交换速度6.3秒。第一章数控机床概述Date74现代数控技术第五节数控机床的发展动向主轴高速化：采用电主轴（内装式主第五节数控机床的发展动向加工高精化：提高机械设备的制造和装配精度；提高数控系统的控制精度；采用误差补偿技术。

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。第一章数控机床概述Date75现代数控技术第五节数控机床的发展动向加工高精化：提高机械设备的制造和第五节数控机床的发展动向采用误差补偿技术：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。研究结果表明，综合误差补偿技术的应用可将加工误差减少60％～80％。三井精机的JidicH5D型超精密卧式加工中心的定位精度为±0.1m。Date76现代数控技术第五节数控机床的发展动向采用误差补偿技术：Date76现由于计算机技术的不断进步，促进了数控技术水平的提高，数控装置、进给伺服驱动装置和主轴伺服驱动装置的性能也随之提高，使得现代的数控设备在新的技术水平下，可同时具备运行高速化、加工高精化的性能。第五节数控机床的发展动向第一章数控机床概述Date77现代数控技术由于计算机技术的不断进步，促进了数控技术水平的第五节数控机床的发展动向功能复合化复合化是指在一台设备能实现多种工艺手段加工的方法。镗铣钻复合—加工中心（ATC）、五面加工中心（ATC，主轴立卧转换）；车铣复合—车削中心（ATC，动力刀头）；铣镗钻车复合—复合加工中心（ATC，可自动装卸车刀架）；铣镗钻磨复合—复合加工中心（ATC，动力磨头）；可更换主轴箱的数控机床—组合加工中心；Date78现代数控技术第五节数控机床的发展动向功能复合化Date78现代数控技第五节数控机床的发展动向控制智能化随着人工智能技术的不断发展，并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，具体体现在以下几个方面：第一章数控机床概述Date79现代数控技术第五节数控机床的发展动向控制智能化第一章数控机第五节数控机床的发展动向加工过程自适应控制技术通过监测加工过程中的切削力、主轴和进给电机的功率、电流、电压等信息，利用传统的或现代的算法进行识别，以辩识出刀具的受力、磨损以及破损状态，机床加工的稳定性状态；并根据这些状态实时修调加工参数（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。Date80现代数控技术第五节数控机床的发展动向加工过程自适应控制技术Da第五节数控机床的发展动向MitsubishiElectric公司的用于数控电火花成型机床的“MiracleFuzzy”基于模糊逻辑的自适应控制器，可自动控制和优化加工参数；日本牧野在电火花NC系统Makino_Mce20中，用专家系统代替人进行加工过程监控。以色列的外置式力自适应控制器意大利Mandelli公司数控系统的可编程功率自适应控制功能。Date81现代数控技术第五节数控机床的发展动向MitsubishiElectr第五节数控机床的发展动向加工参数的智能优化与选择

将工艺专家或技工的经验、零件加工的一般与特殊规律，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”，利用它获得优化的加工参数，从而达到提高编程效率和加工工艺水平，缩短生产准备时间的目的。采用经过优化的加工参数编制的加工程序，可使加工系统始终处于较合理和较经济的工作状态。Date82现代数控技术第五节数控机床的发展动向加工参数的智能优化与选择Da第五节数控机床的发展动向目前已开发出带自学习功能的神经网络电火花加工专家系统。日本大隈公司的7000系列数控系统带有人工智能式自动编程功能。国内清华在加工参数的智能优化与选择及CAPP方面的研究也取得了一些成果。但有待进行实用化开发。第一章数控机床概述Date83现代数控技术第五节数控机床的发展动向目前已开发出带自学习功能的神经网第五节数控机床的发展动向

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（AI、ES、ANN等），实现故障快速准确定位的技术。智能故障自修复技术：指能根据诊断确定故障原因和部位，以自动排除故障或指导故障的排除技术。智能自修复技术集故障自诊断、故障自排除、自恢复、自调节于一体，并贯穿于加工过程的整个生命周期。智能故障诊断技术在有些日本、美国公司生产的数控系统中已有应用，基本上都是应用专家系统实现的。智能化自修复技术还在研究之中。Date84现代数控技术第五节数控机床的发展动向智能故障诊断与自修复技术第五节数控机床的发展动向

智能化交流伺服驱动装置

目前已开始研究能自动识别负载，并自动调整参数的智能化伺服系统，包括智能主轴交流驱动装置和智能化进给伺服装置。这种驱动装置能自动识别电机及负载的转动惯量，并自动对控制系统参数进行优化和调整，使驱动系统获得最佳运行。Date85现代数控技术第五节数控机床的发展动向智能化交流伺服驱动装置第五节数控机床的发展动向智能4M数控系统在制造过程中，加工、检测一体化是实现快速制造、快速检测和快速响应的有效途径，将测量(Measurement)、建模(Modelling)、加工(Manufacturing)、机器操作(Manipulator)四者（即4M）融合在一个系统中，实现信息共享，促进测量、建模、加工、装夹、操作一体化的4M智能系统。Date86现代数控技术第五节数控机床的发展动向智能4M数控系统Date第五节数控机床的发展动向体系开放化定义（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。开放式数控系统特点：系统构件（软件和硬件）具有标准化(Standardization)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；Date87现代数控技术第五节数控机床的发展动向体系开放化Date87现代数控第五节数控机床的发展动向开放体系结构CNC的优点向未来技术开放：由于软硬件接口都遵循公认的标准协议，只需少量的重新设计和调整，新一代的通用软硬件资源就可能被现有系统所采纳、吸收和兼容，这就意味着系统的开发费用将大大降低而系统性能与可靠性将不断改善并处于长生命周期；标准化的人机界面：标准化的编程语言，方便用户使用，降低了和操作效率直接有关的劳动消耗；Date88现代数控技术第五节数控机床的发展动向开放体系结构CNC的优点Date8第五节数控机床的发展动向向用户特殊要求开放：更新产品、扩充能力、提供可供选择的硬软件产品的各种组合以满足特殊应用要求，给用户提供一个方法，从低级控制器开始，逐步提高，直到达到所要求的性能为止。另外用户自身的技术诀窍能方便地融入，创造出自己的名牌产品；可减少产品品种，便于批量生产、提高可靠性和降低成本，增强市场供应能力和竞争能力。Date89现代数控技术第五节数控机床的发展动向向用户特殊要求开放：更新产品、扩第五节数控机床的发展动向开放式数控装置的概念结构硬件配置单元软件配置单元标准计算机硬件数控系统基本硬件数控功能应用程序DOS(WINDOWS)实时多任务操作系统RTM应用程序接口NC构件库Date90现代数控技术第五节数控机床的发展动向开放式数控装置的概念结构硬件配置第五节数控机床的发展动向

国内外开放式数控系统的研究进展美国：NGC(TheNextGenerationWork-station/MachineController)和OMAC(OpenModularArchitectureController)计划欧共体：OSACA（OpenSystemArchitectureforControlwithinAutomationSystems)计划日本：OSEC(OpenSystemEnvironmentforController)计划华中I型——基于IPC的CNC开放体系结构航天I型CNC系统——基于PC的多机CNC开放体系结构Date91现代数控技术第五节数控机床的发展动向国内外开放式数控系统的研究第五节数控机床的发展动向

驱动并联化并联加工中心（又称6条腿数控机床、虚轴机床）是数控机床在结构上取得的重大突破。驱动杆机架

动平台主轴电机伺服电机主轴刀具柔性夹具工件静平台图

并联机床结构示意图Date92现代数控技术第五节数控机床的发展动向驱动并联化驱动杆机架动Date93现代数控技术Date93现代数控技术Date94现代数控技术Date94现代数控技术第五节数控机床的发展动向特点并联结构机床是现代机器人与传统加工技术相结合的产物；由于它没有传统机床所必需的床身、立柱、导轨等制约机床性能提高的结构，具有现代机器人的模块化程度高、重量轻和速度快等优点。第一章数控机床概述Date95现代数控技术第五节数控机床的发展动向特点第一章数控机

鉴于并联机床具有许多传统机床所无法比拟的卓越性能，它作为一种新型的加工设备，已成为当前机床技术的一个重要研究方向。近年来，受到了国际机床行业的高度重视。在近几年的国际知名机床博览会上，一些世界著名的机床厂商都展出了他们研制的并联机床，得到了行家们的高度评价，被认为是“自发明数控技术以来在机床行业中最有意义的进步”，“21世纪新一代数控加工设备”。第五节数控机床的发展动向Date96现代数控技术鉴于并联机床具有许多传统机床所无法比拟的卓越性能数控机床概述数控机床概述第一章数控机床概述产生背景从工业化革命以来人们实现机械加工自动化的手段有：自动机床；组合机床；专用自动生产线。第一章数控机床概述Date98现代数控技术第一章数控机床概述产生背景第一章数控机第一章数控机床概述这些设备的使用大大地提高了机械加工自动化地程度，提高了劳动生产率，促进了制造业地发展。但它也存在固有的缺点：初始投资大；准备周期长；柔性差。第一章数控机床概述Date99现代数控技术第一章数控机床概述第一章数控机床概述Dat第一章数控机床概述数控技术产生和发展的内在动力：市场竞争日趋激烈，产品更新换代加快，大批量产品越来越少，小批量产品生产的比重越来越大，迫切需要一种精度高、柔性好加工设备来满足上述需求。数控技术产生和发展的技术基础：电子技术和计算机技术的飞速发展则为NC机床的进步提供了坚实的技术基础。数控技术正是在这种背景下诞生和发展起来的。它的产生给自动化技术带来了新的概念，推动了加工自动化技术的发展。第一章数控机床概述Date100现代数控技术第一章数控机床概述数控技术产生和发展的内在动力：第第一章数控机床概述发展沿革1952年，Parsons公司和M.I.T合作研制了世界上第一台三座标数控机床。1955年，第一台工业用数控机床由美国Bendix公司生产出来。从1952年至今，NC机床按NC系统的发展经历的五代。第一章数控机床概述Date101现代数控技术第一章数控机床概述发展沿革第一章数控机床概第一章数控机床概述第一代：1955年NC系统以电子管组成，体积大，功耗大。第二代：1959年NC系统以晶体管组成，广泛采用印刷电路板。第三代：1965年NC系统采用小规模集成电路作为硬件，其特点是体积小，功耗低，可靠性进一步提高。以上三代NC系统，由于其数控功能均由硬件实现，故历史上又称其为“硬线NC”Date102现代数控技术第一章数控机床概述第一代：1955年NC系统以第一章数控机床概述第四代：1970年NC系统采用小型计算机取代专用计算机，其部分功能由软件实现，它具有价格低，可靠性高和功能多等特点。第五代：1974年NC系统以微处理器为核心，不仅价格进一步降低，体积进一步缩小，使实现真正意义上的机电一体化成为可能。这一代又可分为六个发展阶段：1979年：系统采用CRT显示，VLIC，大容量磁泡存储器，可编程接口和遥控接口等。1974年：系统以位片微处理器为核心，有字符显示，自诊断功能。Date103现代数控技术第一章数控机床概述第四代：1970年NC系统采第一章数控机床概述1981年：具有人机对话、动态图形显示、实时精度补偿功能。1986年：数字伺服控制诞生，大惯量的交直流电机进入实用阶段。1988年：采用高性能32位机为主机的主从结构系统。1994年：基于PC的NC系统诞生，使NC系统的研发进入了开放型、柔性化的新时代，新型NC系统的开发周期日益缩短。它是数控技术发展的又一个里程碑。第一章数控机床概述Date104现代数控技术第一章数控机床概述1981年：具有人机对话、动态图第一节数控技术与数控机床自从20世纪中叶数控技术创立以来，它给机械制造业带来了革命性的变化。现在数控技术已成为制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础技术，现代的CAD/CAM，FMS和CIMS、敏捷制造和智能制造等，都是建立在数控技术之上；第一章数控机床概述Date105现代数控技术第一节数控技术与数控机床自从20世纪中叶数控技术创立以来第一节数控技术与数控机床数控技术是提高产品质量、提高劳动生产率必不可少的物质手段；是国家的战略技术：基于它的相关产业是体现国家综合国力水平的重要基础性产业；专家们预言:二十一世纪机械制造业的竞争，其实质是数控技术的竞争。第一章数控机床概述Date106现代数控技术第一节数控技术与数控机床数控技术是提高产品质量、提高劳动数控技术定义数字控制与数控技术数字控制（NumericalControlNC）是一种借助数字、字符或其它符号对某一工作过程（如加工、测量、装配等）进行可编程控制的自动化方法。数控技术（NumericalControlTechnology）采用数字控制的方法对某一工作过程实现自动控制的技术。第一章数控机床概述Date107现代数控技术数控技术定义数字控制与数控技术第一章数控机床概述D数控机床与数控系统数控机床（NumericalControlMachineTools）是采用数字控制技术对机床的加工过程进行自动控制的一类机床。它数控技术典型应用的例子。数控系统（NumericalControlSystem）实现数字控制的装置。计算机数控系统（ComputerNumericalControlCNC）以计算机为核心的数控系统。第一章数控机床概述Date108现代数控技术数控机床与数控系统数控机床（NumericalContro

数控系统与数控机床的组成第一章数控机床概述Date109现代数控技术

数控系统与数控机床的组成第一章数控机床概述Date第一节数控技术与数控机床操作面板它是操作人员与数控装置进行信息交流的工具。组成：按钮站、状态灯、按键阵列（功能与计算机键盘一样）和显示器；。它是数控机床特有部件。第一章数控机床概述Date110现代数控技术第一节数控技术与数控机床操作面板第一章数控机床概Date111现代数控技术Date15现代数控技术控制介质与输入输出设备

程序的存储介质是记录零件加工程序的媒介，如：纸带（八单位标准穿孔纸带）、磁带或磁盘。输入、输出设备是CNC系统与外部设备进行交互装置。交互的信息通常是零件加工程序。即将编制好的记录在控制介质上的零件加工程序输入CNC系统或将调试好了的零件加工程序通过输出设备存放或记录在相应的控制介质上。第一章数控机床概述Date112现代数控技术控制介质与输入输出设备第一章数控机床概述Date第一节数控技术与数控机床通讯现代的数控系统除采用输入输出设备进行信息交换外，一般都具有用通讯方式进行信息交换的能力。它们是实现CAD/CAM的集成、FMS和CIMS的基本技术。采用的方式有：串行通讯（RS-232等串口）、自动控制专用接口和规范(DNC方式，MAP协议等)网络技术（internet，LAN等）。第一章数控机床概述Date113现代数控技术第一节数控技术与数控机床通讯现代的数控系统除采用输入第一节数控技术与数控机床CNC装置(CNC单元)组成：计算机系统、位置控制板、PLC接口板，通讯接口板、特殊功能模块以及相应的控制软件。作用：根据输入的零件加工程序进行相应的处理（如运动轨迹处理、机床输入输出处理等），然后输出控制命令到相应的执行部件(伺服单元、驱动装置和PLC等)，所有这些工作是由CNC装置内硬件和软件协调配合，合理组织，使整个系统有条不紊地进行工作的。CNC装置是CNC系统的核心第一章数控机床概述Date114现代数控技术第一节数控技术与数控机床CNC装置(CNC单元)第一第一节数控技术与数控机床伺服单元、驱动装置和测量装置伺服单元和驱动装置主轴伺服驱动装置和主轴电机进给伺服驱动装置和进给电机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。作用保证灵敏、准确地跟踪CNC装置指令：进给运动指令：实现零件加工的成形运动（速度和位置控制）。主轴运动指令，实现零件加工的切削运动（速度控制）第一章数控机床概述Date115现代数控技术第一节数控技术与数控机床伺服单元、驱动装置和测量装置计算机数控系统

机床I/O电路和装置

测量装置

主轴驱动装置

进给驱动装置

主轴伺服单元

进给伺服单元

计算机数

控

装

置

操作面板

PLC

计算机数控系统

机

床

辅助控制机构

进给传动机构

主运动机构

键盘

输入输出

设备

Date116现代数控技术计算机数控系统机床I/O电路和装置测量装置主轴第一节数控技术与数控机床 PLC、机床I/O电路和装置PLC(ProgrammableLogicController)：用于完成与逻辑运算有关顺序动作的I/O控制，它由硬件和软件组成；机床I/O电路和装置：实现I/O控制的执行部件(由继电器、电磁阀、行程开关、接触器等组成的逻辑电路；功能：接受CNC的M、S、T指令，对其进行译码并转换成对应的控制信号，控制辅助装置完成机床相应的开关动作接受操作面板和机床侧的I/O信号，送给CNC装置，经其处理后，输出指令控制CNC系统的工作状态和机床的动作。第一章数控机床概述Date117现代数控技术第一节数控技术与数控机床 PLC、机床I/O电路和装置第电控柜内部结构西门子接触器低压断路器步进电机驱动单元空气开关开门断电开关继电器Date118现代数控技术电控柜内部结构西门子接触器低压断路器步进电机驱动单元空气开关电控柜内部结构开门断电开关NC板空气开关步进驱动单元西门子接触器低压断路器继电器Date119现代数控技术电控柜内部结构开门断电开关NC板空气开关步进驱动单元西门子接计算机数控系统

机床I/O电路和装置

测量装置

主轴驱动装置

进给驱动装置

主轴伺服单元

进给伺服单元

计算机数

控

装

置

操作面板

PLC

计算机数控系统

机

床

辅助控制机构

进给传动机构

主运动机构

键盘

输入输出

设备

Date120现代数控技术计算机数控系统机床I/O电路和装置测量装置主轴第一节数控技术与数控机床机床本体机床：数控机床的主体，是实现制造加工的执行部件。组成：由主运动部件、进给运动部件（工作台、拖板以及相应的传动机构）、支承件（立柱、床身等）以及特殊装置（刀具自动交换系统工件自动交换系统）和辅助装置（如排屑装置等）。第一章数控机床概述Date121现代数控技术第一节数控技术与数控机床机床本体第一章数控机计算机数控系统

机床I/O电路和装置

测量装置

主轴驱动装置

进给驱动装置

主轴伺服单元

进给伺服单元

计算机数

控

装

置

操作面板

PLC

计算机数控系统

机

床

辅助控制机构

进给传动机构

主运动机构

键盘

输入输出

设备

Date122现代数控技术计算机数控系统

机床I/O电路和装置测量装置主第二节数控机床的分类数控机床的种类很多，从不同角度对其进行考查，就有不同的分类方法，通常有以下几种不同的分类方法：第一章数控机床概述Date123现代数控技术第二节数控机床的分类数控机床的种类很多，从不同角度对其进第二节数控机床的分类按工艺用途分类切削加工类：数控镗铣床、数控车床、数控磨床、加工中心、数控齿轮加工机床、FMC等。成型加工类：数控折弯机、数控弯管机等。特种加工类：数控线切割机、电火花加工机、激光加工机等。其它类型：数控装配机、数控测量机、机器人等。第一章数控机床概述Date124现代数控技术第二节数控机床的分类按工艺用途分类第一章数控机铣床Date125现代数控技术铣床Date29现代数控技术数控车床Date126现代数控技术数控车床Date30现代数控技术数控车床Date127现代数控技术数控车床Date31现代数控技术数控加工中心Date128现代数控技术数控加工中心Date32现代数控技术锥度电火花线切割机床Date129现代数控技术锥度电火花线切割机床Date33现代数控技术第二节数控机床的分类按控制功能分类点位控制数控系统仅能实现刀具相对于工件从一点到另一点的精确定位运动；对轨迹不作控制要求；运动过程中不进行任何加工。适用范围：数控钻床、数控镗床、数控冲床和数控测量机。第一章数控机床概述Date130现代数控技术第二节数控机床的分类按控制功能分类第一章数控机床第二节数控机床的分类直线控制数控机床除点到点的准确位置之外，还要保证两点之间移动的轨迹是直线，而且对移动的速度也要进行控制，以便适应随工艺因素变化的不同需要。简易数控车床、数控镗铣床，一般有23个可控坐标轴，但同时控制的坐标轴只有一个。Date131现代数控技术第二节数控机床的分类直线控制数控机床Date35现代数控第二节数控机床的分类图1-4直线控制的加工原理图Date132现代数控技术第二节数控机床的分类图1-4直线控制的加工原理图Dat第二节数控机床的分类轮廓控制数控系统轮廓控制(连续控制)系统：具有控制几个进给轴同时谐调运动(坐标联动)，使工件相对于刀具按程序规定的轨迹和速度运动，在运动过程中进行连续切削加工的数控系统。适用范围：数控车床、数控铣床、加工中心等用于加工曲线和曲面的机床。现代的数控机床基本上都是装备的这种数控系统。第一章数控机床概述Date133现代数控技术第二节数控机床的分类轮廓控制数控系统第一章数控机第二节数控机床的分类图1-52轴控制，同时控制两个坐标Date134现代数控技术第二节数控机床的分类图1-52轴控制，同时控制两个坐标第二节数控机床的分类按联动轴数分，2轴联动（平面曲线）3轴联动（空间曲面，球头刀）4轴联动（空间曲面）5轴联动及6轴联动（空间曲面）。联动轴数越多数控系统的控制算法就越复杂。第一章数控机床概述Date135现代数控技术第二节数控机床的分类按联动轴数分，第一章数控3轴联动，(3轴控制)4轴控制

图1-6多轴联动数控加工的原理图5轴联动加工5轴联动加工Date136现代数控技术3轴联动，(3轴控制)4轴控制图1-6多轴联第二节数控机床的分类按进给伺服系统的类型分类按数控系统的进给伺服子系统有无位置测量装置可分为开环数控系统和闭环数控系统，在闭环数控系统中根据位置测量装置安装的位置又可分为全闭环和半闭环两种。第一章数控机床概述Date137现代数控技术第二节数控机床的分类按进给伺服系统的类型分类第一章第二节数控机床的分类开环数控系统没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置→进给系统），故系统稳定性好。第一章数控机床概述电机机械执行部件A相、B相C相、…f、nCNC插补指令脉冲频率f脉冲个数n换算脉冲环形分配变换功率放大Date138现代数控技术第二节数控机床的分类开环数控系统第一章数控机床概第二节数控机床的分类开环系统无位置反馈，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为伺服驱动元件。这类系统具有结构简单、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。第一章数控机床概述Date139现代数控技术第二节数控机床的分类开环系统无位置反馈，精度相对闭环系统第二节数控机床的分类半闭环数控系统半闭环数控系统的位置采样点如图所示，是从驱动装置(常用伺服电机)或丝杠引出，采样旋转角度进行检测，不是直接检测运动部件的实际位置。位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元++--电机机械执行部件CNC插补指令实际位置反馈实际速度反馈Date140现代数控技术第二节数控机床的分类半闭环数控系统位置控制调节器速度控第二节数控机床的分类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。第一章数控机床概述Date141现代数控技术第二节数控机床的分类半闭环环路内不包括或只包括少量机械传第二节数控机床的分类全闭环数控系统全闭环数控系统的位置采样点如图的虚线所示，直接对运动部件的实际位置进行检测。位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元++--电机机械执行部件CNC插补指令实际位置反馈实际速度反馈Date142现代数控技术第二节数控机床的分类全闭环数控系统位置控制调节器速度控第二节数控机床的分类从理论上讲，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。Date143现代数控技术第二节数控机床的分类从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环按机构运动方式分串连数控机床（传统数控机床）并联数控机床混联数控机床Date144现代数控技术按机构运动方式分Date48现代数控技术北京理工大学研制的并联机床机床加工过程Date145现代数控技术北京理工大学研制的并联机床机床加工过程Date49现代数控技Date146现代数控技术Date50现代数控技术第三节数控加工原理数控加工中数据转换过程图3数控加工中数据转换过程第一章数控机床概述译码刀补处理插补处理PLC控制进给伺服系统切削运动、机床I/O装置成形运动加工程序Date147现代数控技术第三节数控加工原理数控加工中数据转换过程图3数第三节数控加工原理译码(解释)译码程序的主要功能是将用文本格式（通常用ASCII码）表达的零件加工程序，以程序段为单位转换成刀补处理程序所要求的数据结构（格式）。该数据结构用来描述一个程序段解释后的数据信息。它主要包括：X、Y、Z等坐标值；进给速度；主轴转速；G代码；M代码；刀具号；子程序处理和循环调用处理等数据或标志的存放顺序和格式。第一章数控机床概述Date148现代数控技术第三节数控加工原理译码(解释)第一章数控机床第三节数控加工原理刀补处理(计算刀具中心轨迹)用户零件加工程序通常是按零件轮廓编制的，而数控机床在加工过程中控制的是刀具中心轨迹，因此在加工前必须将零件轮廓变换成刀具中心的轨迹。刀补处理就是完成这种转换的程序。第一章数控机床概述Date149现代数控技术第三节数控加工原理刀补处理(计算刀具中心轨迹)第一章第三节数控加工原理插补计算本模块以系统规定的插补周期△t定时运行，它将由各种线形（直线，园弧等）组成的零件轮廓，按程序给定的进给速度F，实时计算出各个进给轴在△t内位移指令（△X1、△Y1、…），并送给进给伺服系统，实现成形运动。这个过程将在下面进一步叙述。第一章数控机床概述Date150现代数控技术第三节数控加工原理插补计算第一章数控机床概第三节数控加工原理PLC控制PLC控制是对机床动作的“顺序控制”。即以CNC内部和机床各行程开关、传感器、按钮、继电器等开关量信号状态为条件，并按预先规定的逻辑顺序对诸如主轴的起停、换向，刀具的更换，工件的夹紧、松开，冷却、润滑系统等的运行等进行的控制。第一章数控机床概述Date151现代数控技术第三节数控加工原理PLC控制第一章数控机床数控加工轨迹控制原理逼近处理图为欲加工的圆弧轨迹L，起点为P0，终点为Pe。CNC装置首先对圆弧进行逼近处理。第三节

数控加工原理XLY△Li△Xi△YiT0δP0Pe数控加工原理图第一章数控机床概述Date152现代数控技术数控加工轨迹控制原理第三节数控加工原理XLY△Li△第三节

数控加工原理系统按插补时间⊿t和进给速度F的要求，将L分割成若干短直线⊿L1，⊿L2，…，⊿Li，…，这里：⊿Li=F⊿t（i=1，2，…）

F：用户给定的进给速度⊿t：数控系统插补周期XLY△Li△Xi△YiT0δP0Pe数控加工原理图Date153现代数控技术第三节数控加工原理系统按插补时间⊿t和进给速度F的要求第三节

数控加工原理用直线⊿Li逼近圆弧存在着逼近误差δ，但只要δ足够小（⊿Li足够短），总能满足零件的加工要求。当F为常数时，而⊿t对数控系统而言恒为常数，则⊿Li的长度也为常数⊿L，只是其斜率与其在L上的位置有关。XLY△Li△Xi△YiT0δP0Pe数控加工原理图Date154现代数控技术第三节数控加工原理用直线⊿Li逼近圆弧存在着逼近误差δ第三节数控加工原理