第一章数控技术绪论

数控技术胡天亮博士讲师

山东大学数控技术研究中心办公地点：千佛山校区主楼916办公电话：92700-806Email:tianliang.hu@Cell于我教学研究单位：机械电子工程研究所实验室：山东大学数控技术研究中心研究领域：机电集成，数控技术，智能制造学习工作经历：教材和参考书教材：赵玉刚，宋现春《数控技术》机械工业出版社北京，2003年参考书：廖效果，朱启逑《数字控制机床》华中理工大学出版社武汉，1992毕承恩，丁乃健《现代数控机床》机械工业出版社北京，1994教学方法与考核方式教学方法课堂教学实验教学自学考核方式考试（80%）平时成绩（15%）实验报告（5%）第一章数控机床概述内容提要：本章主要介绍制造业重要性、数控技术、数控机床的基本概念、体系结构、工作原理及分类；数控技术及数控机床的发展动向。第一节制造业与数控机床贡献工业产值的25%机械产品出口占出口总值14%占GDP比重逐年提升第一节制造业与数控机床世界向中国装备产业转移态势第一节制造业与数控机床1995年中国制造业只占世界的5%，到2007这个比重上升到了15%，与日本的大约14%相当，不及美国的大约25%，却远超过德国7%和昔日世界工厂英国的3%，2007年，有172类产品产量居世界第一，世界70%的DVD和玩具，50%的电话和鞋，超过1/3的电视和箱包产自中国。中国高技术产品出口额占国际市场份额已近20%。日本吸收的外资占国内固定资本投资的比例仅1.1%，比世界平均水平16.3%低得多。而在中国，外企出口占额占总出口额的比重从1996的40.7%上升到2001的50%，因此中国只是世界的加工厂。过去日本主要依靠引进技术，然后自主的进行吸收、改良、创新，形成了一号机引进、二号机国产，三号机出口的模式，而中国企业由于缺乏有效的管理和创新能力，出现了“一号机引进，二号机引进，三号机还引进”的局面第一节制造业与数控机床中国在国际制造业的分工处于价值链的末端。美国加州大学的研究人员对iPod的成本分析发现，其299美元的零售价中，中国工人的贡献不到3美元，创造其真正价值的是概念和设计。中国制造企业至今尚无一家进入世界一流工业企业行业，日本在全球最大500家工业企业中占29%，而美国为31%。一亿条牛仔裤换一架空客，8000万衬衫换一架波音科技进步在经济增长中的贡献率，日本超过70%，中国只有39%.研发投入占GPD的比重日本3.5%，而中国仅1.3%各国生产一吨粗钢需要的煤炭量相差很大：中国1.5吨，美国1吨，日本0.6吨。1吨粗钢生产成品钢材的成品率日本为0.98，美国为0.8，中国为0.6.日本为生产一个单位GDP所需的能源消耗仅为中国的1/9.第一节制造业与数控机床制造业的发展离不开先进制造装备装备制造业的水平，决定一个国家的制造业在国际分工中的地位在西方发达国家，装备制造业在制造业中所占的比重非常高第一节制造业与数控机床

数控机床是工作母机，是制造装备的装备

我国已成为数控机床世界第一大消费国和进口国世界机床产量的1/5用于中国市场国产数控机床产量占有率基本稳定在60％左右，但产值占有率逐年下滑高附加值的高档数控机床基本依赖进口，例2005年我国机床总产值约为50亿美元，出口机床为8亿美元，而进口机床则达到67亿美元。第一节制造业与数控机床

据2008年中国数控机床市场分析及投资咨询报告：“十五”期间，中国数控机床行业实现了超高速发展。金切机床数控化率37.8%第一节制造业与数控机床2006年中国数控系统市场态势：葫芦形：95％：5％经济型：60％普及型：38％高档型：2％约66000台约42000台约2000台：17％：87％：0.5％：99.5％第一节制造业与数控机床2010年中国数控系统市场态势预测：橄榄形总需求：15万台经济型：30％普及型：60％高档型：10％约45000台约90000台约15000台经济型：60％普及型：38％高档型：2％约66000台约42000台约2000台2007年2010年第一节制造业与数控机床数控系统是机床和各种机械装备的大脑，是核心技术IC装备

船舶制造装备纺织印染装备汽车制造装备军工制造装备第一节制造业与数控机床数控技术关系到我国的经济安全、产业安全和国防安全1983年，东芝事件1995年，考克斯报告高档数控系统是西方对我国封锁与限制的重点我国宣布大飞机计划后，西方国家又开始新一轮技术封锁中国必须拥有自主的数控系统核心技术和产品第二节数控机床简介自从本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。1952年美国PARSONS和MIT合作研究第一台三坐标数控铣床。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；第二节数控机床简介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；国家战略技术和体现国家综合国力水平重要标志。－－东芝事件、制造业信息化专家们预言:二十一世纪机械制造业的竞争，其实质是数控技术的竞争。第二节数控机床简介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。它包括过程控制和运动控制。第二节数控机床简介数控机床（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。第二节数控机床简介第二节数控机床简介数控系统与数控机床的组成第二节数控机床简介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、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。BACKSPACECTRLINSCRTABALT0SHIFT畗

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源关开1自动方式选择回零手摇点动步进单段驱

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器NC机床电源XYZA主轴超程报警-+手摇脉冲发生器2010090增量倍率1000101001坐标轴选择Z

YX第二节数控机床简介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。数控机床的控制介质和输入输出设备第二节数控机床简介通信：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－Directnumericalcontrol方式，MAP-manufacturingautomationprotocol协议等）网络技术（internet，LAN等）第二节数控机床简介

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系统的核心第二节数控机床简介伺服单元、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）第二节数控机床简介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。第二节数控机床简介机床数控机床的主体，是实现制造加工的执行部件。组成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）特殊装置（刀具自动交换系统工件自动交换系统）辅助装置（如排屑装置等）。第三节数控加工原理数控加工与传统加工的比较工艺分析数控加工程序工序卡传统加工数控加工图2传统加工与数控加工的比较图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第三节数控加工原理译码译码程序的主要功能将用文本格式（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；Yi->Y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。第四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四节数控机床的分类按工艺用途分类切削加工类：如数控铣床、数控车床、数控磨床、加工中心、数控齿轮加工机床、FMC等。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。第四节数控机床的分类按运动轨迹来分点位控制系统直线控制数控系统轮廓控制系统第四节数控机床的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。直线控制数控系统能实现点位控制数控系统的功能能实现沿平行某个坐标轴（如X、Y、Z）或两轴等速的方向进行加工；适用范围：数控镗铣床、数控组合机床等。第四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。第四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。第四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。第四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。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第四节数控机床的分类开环数控系统无位置反馈，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。第四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。45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四节数控机床的分类半闭环数控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。第四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第四节数控机床的分类全闭环数控系统从理论上讲，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五节数控机床的发展动向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。第五节数控机床的发展动向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。第五节数控机床的发展动向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五节数控机床的发展动向发展沿革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。第五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”第五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：第五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，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。第五节数控机床的发展动向硬件结构封闭结构PC+运动控制卡现场总线平台工业以太网总线平台如：早期数控系统如：PMAC卡等Profibus,SERCOSII,CAN…EtherCAT,ProfinetPowerLink,SercosIII…第五节数控机床的发展动向软件结构封闭式基于PC的开放式分布式跨平台软件基于专有硬件利用PC标准资源模块化，组件化，跨平台第五节数控机床的发展动向四代运动控制设备第一代，50年代,纯机械驱动系统如：从一个电机通过轴、凸轮、齿轮传到各个运动部件.第二代，70年代，机械、伺服混合系统；第三代，当前，单个独立伺服为中心取代传统的齿轮、凸轮、带传动等，通过电联系建立各运动轴的关系；第四代“软件机械”，指软件占设备成本构成的大部分.据预测，到2010,软件占机器总成本的60%，而机械和电气大约各占20%.对比第三代机械，软件约占40%,电气20%，机械40%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。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（4m/s--p=4M)。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=60m/min，并且具有1.5g的加减速率；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0.6秒（刀到刀）2.8秒（切削到切削）工作台（托盘）交换速度4.3秒。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。第五节数控机床的发展动向提高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0.01um/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±0.1um。第五节数控机床的发展动向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－automatictoolchanger）、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；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。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。国内清华和华中数控的自适应控制技术的研究已取得成果。正在进行商品化开发。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。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。国内清华和华中数控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