数控加工技术 第一章 概述

数控技术福建工程学院

贾敏忠教育科学“十五”国家规划课题研究成果第1章数控机床的基础知识数控技术概述数控机床分类数控机床的发展趋势1.1数控机床概述

1.1.1、数控技术基本概念1、数控技术、数控系统与数控机床

数控技术，简称数控（NumericalControl----NC）是利用数字化信息对机械运动及加工过程进行控制的一种方法。

数控系统（NumericalControlSystem）：用来实现数字化信息控制的硬件与软件的整体称为数控系统。其核心是数控装置（NumericalController）.

数控机床：采用数控技术进行控制的机床。第一节数控机床概述

一、数控技术基本概念2、NC机床与程控机床

机床的自动控制包括三方面：1）机床动作顺序的程序控制（PLC控制）2）主电机和辅助电动机的起动停止、变速、冷却、润滑、排屑、自动换刀等辅助机能的控制。3）刀具（或坐标）移动轨迹的控制。

控制方式控制对象控制方法顺序控制组合机床或生产流程的顺序早期由传统的继电器现在一般由PLC控制------主要位置（开关量）控制辅助功能控制机械加工必须的动作或机床特殊功能（动作）轨迹控制加工过程的轨迹数控技术总结:1.1.1、数控技术基本概念几个名称NC机床加工中心FMCFMSCIMS二、数控系统及其组成1、数控机床的组成普通机床演变为数控机床普通机床到数控机床数控机床的组成二、数控系统及其组成2、数控系统的基本组成

数控系统的主要控制对象是坐标轴的位移，控制信息主要来源于数控加工或运动控制程序。

基本组成：程序输入/输出装置、数控装置、伺服驱动。数控机床的组成

数控机床由信息输入、信息运算及控制、伺服驱动和位置检测反馈、机床本体、机电接口等五大部分组成。脉冲当量的概念：一个脉冲机械部件对应的位移量。第二节数控机床的分类一、按运动控制的特点分类二、按坐标轴数数目分类三、按伺服系统的类型分类四、按工艺方法分类五、按功能水平分类：高档、中档、低档（经济型）一、按运动控制的特点分类

点位控制数控机床:

直线控制数控机床：

轮廓控制的数控机床：

二、按坐标轴数数目分类两坐标数控机床两个半坐标数控机床三坐标数控机床多坐标数控机床

三、按伺服系统的类型分类

开环控制的数控机床

闭环控制的数控机床

半闭环控制系统控制

只能用步进电机四、按工艺方法分类

金属切削类数控机床金属成型类及特种加工类数控机床

金属切削类数控机床包括数控车床、数控钻床、数控铣床、数控磨床、数控镗床以及加工中心。

金属成型类数控机床包括数控折弯机、数控组合冲床和数控回转头压力机等。

数控特种加工机床如数控线（电极）切割机床、数控电火花加工机床、火焰切割机和数控激光切割机床等。五、按功能水平分类：高档、中档、低档（经济型）

项目低档中档高档分辨率/um1010.1进给速度8-15m/min15-24m/min15-100m/min联动轴数2～3轴2～4轴3～5轴以上主CPU8-16位32位或32位以上的CPU伺服系统步进电机开环直流及交流闭环伺服系统内装PC无有有强功能的ＰＬＣ显示功能LED或简单的CRT较齐全的CRT显示三维图形显示通信功能无DNC接口（或ＲＳ２３２接口）MAP接口有联网功能第三节数控机床的技术指标1.规格指标:指数控机床的基本能力指标，主要包括行程范围:工作台面尺寸:承载能力:控制轴数和联动轴数:机床能加工零件的最大重量机床安装工件的最大范围

机床允许的加工空间控制轴数:机床数控装置能够控制的进给轴数目联动轴数:机床数控装置同时控制的进给轴数目：如2轴、2.5轴、3轴、4轴、5轴控制等第三节数控机床的技术指标2.精度指标:机床的移动部件沿某一坐标轴运动时实际值与给定值的接近程度同一台数控机床上应用相同程序、相同代码加工一批零件所得到结果的一致性分度工作台在分度时指令要求回转的角度值和实际回转的角度值的差值定位精度:重复定位精度:分度精度:机床移动部件位置精度第三节数控机床的技术指标3.性能指标:最大主轴转速:最高快移速度和最高进给速度:最高快移速度指进给轴在非加工状态下的最高移动速度主轴所能达到的最高转速，是影响零件表面加工质量、生产率、刀具寿命的主要因素最高进给速度指进给轴在加工状态下的最高移动速度第三节数控机床的技术指标可以测量的最小增量（对测量系统而言）可以控制的最小位移增量（对控制系统而言）脉冲当量：

分辨率：

数控装置每发出一个脉冲信号，反映到机床移动部件上的移动量。例：0.001mm脉冲当量越小，数控机床的加工精度和加工表面质量越高分辨率（Resolution）与脉冲当量:0.01mm、0.001mm、0.1μm、0.01μm；第五节数控机床的发展趋势

随着计算机技术的发展，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。运行高速化和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造型宜人化1、趋势——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；LinearMotor在高效加工中心上达到90m/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。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。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。SpindleMotor高速加工：控制、伺服驱动、主轴、刀具、轴承、导轨、丝杠、卡盘、夹具、冷却2、趋势——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。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。高精加工：控制、伺服驱动、主轴、刀具、传感器、轴承、导轨、丝杠、夹具、冷却3、趋势——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：

加工过程自适应控制技术：通过监测主轴和进给电机的功率、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，提高编程效率和加工工艺水平，缩短生产准备时间。使加工系统始终处于较合理和较经济的工作状态。智能化交流伺服驱动装置：自动识别负载、自动调整控制参数，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。4、趋势——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多功能复合化机床消除了车床、铣床、磨床、激光设备等之间的传统差异。CAD、CAM、CNC三者关系图

CAD/CAM/CNC

智能4M数控系统：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、快速制造、快速检测和快速响应。5、趋势——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（technologyenablingagilemanufacture）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）数控系统中采用网络与光纤通讯技术实现运动和I/O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、CANBus、Profibus、USB、IEEE1394。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；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。在下