第一章数控机床概述

现代数控技术1现代数控技术机械工程学院现代数控技术2教学方法与考核方式

教学方法课堂教学自学

考核方式考试（60-80%）平时成绩（20-40%）现代数控技术3第一章数控机床概述内容提要：

本章主要介绍数控技术、数控机床的基本概念、体系结构、工作原理及分类；数控机床的应用范围及发展动向。第一章数控机床概述*现代数控技术4第一节数控技术与数控机床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*现代数控技术5第一节数控技术与数控机床数控机床（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。它是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*现代数控技术6第一节数控技术与数控机床第一章数控机床概述

机床数字控制的原理*现代数控技术7第一节数控技术与数控机床第一章数控机床概述

数控系统与数控机床的组成*现代数控技术8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、旋钮、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*现代数控技术9第一节数控技术与数控机床

控制介质与输入输出设备控制介质是记录零件加工程序的媒介输入输出设备是CNC系统与外部设备进行交互的装置。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*现代数控技术10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、操作面板、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*现代数控技术11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*现代数控技术12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*现代数控技术13第一节数控技术与数控机床机床机床：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*现代数控技术14第二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。第一章数控机床概述*现代数控技术15第二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*现代数控技术16第二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，但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*现代数控技术17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*现代数控技术18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*现代数控技术19第二节数控机床的分类按控制功能分类直线控制数控系统不仅要求具有准确的定位功能，而且还要控制位移速度；运动过程中进行切削加工。适用范围：现代组合机床，多采用各种动力头、多轴箱进行钻、镗、铣等加工。第一章数控机床概述*现代数控技术20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*现代数控技术21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*现代数控技术22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*现代数控技术23第二节数控机床的分类无位置反馈，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*现代数控技术24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第一章数控机床概述*现代数控技术25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现代数控技术26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。第一章数控机床概述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*现代数控技术27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。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。第一章数控机床概述*现代数控技术28第二节数控机床的分类按工艺用途分类金属切削类：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。金属成型类：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*现代数控技术29第二节数控机床的分类按功能水平用途分类通常把数控机床分为高、中、低（亦成经济型）三类。1.中央处理单元CPU：低档一般是8位，中、高档由16位升为32位或64位。2.分辨率和进给速度3.多轴联动4.显示功能5.通讯功能第一章数控机床概述*现代数控技术30第三节数控机床的发展动向第一代：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”第一章数控机床概述*现代数控技术31第三节数控机床的发展动向第四代：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：第一章数控机床概述*现代数控技术32第三节数控机床的发展动向1974年：系统以位片微处理器为核心，有字符显示，自诊断功能。1979年：系统采用CRT显示，超大规模集成电路(VLIC)，大容量磁泡存储器，可编程接口和遥控接口等。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*现代数控技术33第三节数控机床的发展动向发展趋势

进入二十世纪九十年代以来，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*现代数控技术34第三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*现代数控技术35第三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*现代数控技术36第三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*现代数控技术37第三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*现代数控技术38第三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。第一章数控机床概述*现代数控技术39

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。第三节数控机床的发展动向第一章数控机床概述*现代数控技术40第三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、五面加工中心，主轴立卧转换）；车铣复合