数控机床的基本知识

数控机床的基本知识第1页，共38页，2023年，2月20日，星期五

模块一数控机床的基本知识数控机床认识项目项目一数控机床的产生项目二数控机床特点项目三数控机床的构成与工作原理项目四数控机床的分类数控机床拓展项目项目一数控加工地位项目二数控机床发展方向第2页，共38页，2023年，2月20日，星期五

数控机床认识项目模块一数控机床的基本知识项目一数控机床的产生

1.原因—社会生产发展（军备竞赛的产物）

2.目的—解决单件、中小批量精密复杂零件的加工问题

3.时间—1948195219581959

第3页，共38页，2023年，2月20日，星期五模块一数控机床基本知识－NC机床认识项目项目一数控机床的产生第一台数控机床的研制是为了为美国空军用整块材料而不是将材料铆接或焊接起来制造飞机上的大型零部件

1948年，美国帕森斯公司接受美国空军委托，研制飞机螺旋桨叶片轮廓样板的加工设备。由于样板形状复杂多样，精度要求高，一般加工设备难以适应，于是提出计算机控制机床的设想。

1949年，该公司在美国麻省理工学院伺服机构研究室的协助下，开始数控机床研究，

1952年试制成功第一台由大型立式仿形铣床改装而成的三坐标数控铣床，不久即开始正式生产。

利用传统工艺，如利用模块或模板来加工，不仅耗时，而且成本昂贵，工艺复杂，由于大型零件的外轮廓尺寸容易利用数学函数式来表达，在此基础上开发一套控制系统来加工零件,并保证其精度。1959年第一台加工中心诞生。第4页，共38页，2023年，2月20日，星期五模块一数控机床基本知识－NC机床认识项目项目一数控机床的基本概念NC

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。(2)CNC由于现代数控都采用了计算机进行控制，因此，也可以称为计算机数控（ComputerizedNumericalControl—CNC）。(3)数控系统（NumericalControlSystem）用来实现数字化信息控制的硬件和软件的整体(4)数控装置（NumericalController）数控系统的核心。第5页，共38页，2023年，2月20日，星期五

模块一数控机床的基本知识我国第一台数控机床第6页，共38页，2023年，2月20日，星期五

模块一数控机床的基本知识1.用于复杂零件加工，加工精度和尺寸重复精度高,加工质量稳定性好

2.柔性好，通用性强

3.易于实现多功能、高复杂程度的控制

4.加工生产率高

5.减轻劳动强度,改善劳动条件

6.可靠性高,经济性好

7.有利于向高级制造系统发展

数控机床的不足之处：投资大、使用费用高，维修维护难度大以及对技术人员的技术水平要求较高。项目二数控机床特点及工作原理一、数控机床与普通机床的区别第7页，共38页，2023年，2月20日，星期五

模块一数控机床的基本知识1.批量小而又多次重复生产的零件；多品种小批量生产的零件用通用机床加工时，要求设计制造复杂的专用工装或需很长调整时间。图1-3表示了通用机床、专用机床和数控机床加工批量与成本的关系。从图中可以看出，在多品种、中小批量生产情况下，采用数控机床生产成本更为合理。

2.几何形状复杂的零件；几何形状复杂的零件特别是形状复杂、加工精度要求高或用数学方法定义的复杂曲线、曲面轮廓。从图1-2中可以看出，数控机床非常适合加工形状复杂的零件。

3.贵重的、不允许报废的关键零件；

4.必须严格控制公差的零件。

5.需要全部检验的零件；

6.试制件。（也可采用快速成形机）二、数控机床的适用范围

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模块一数控机床的基本知识三、数控机床加工的不足之处

数控加工的不足之处

（1）数控机床价格较贵，加工成本高，提高了起始阶段的投资。

（2）技术复杂，增加了电子设备的维护，维修困难。

（3）对工艺和编程要求较高，加工中难以调整，对操作人员的技术水平要求较高。第9页，共38页，2023年，2月20日，星期五

模块一数控机床的基本知识

图1-2各种机床的使用范围

图1-3各种机床的加工批量与成本的关系

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模块一数控机床基本知识－构成与工作原理

项目三数控机床的工作原理及构成零件加工程序程序载体输入装置数控装置伺服驱动装置辅助控制装置检测反馈装置机床本体加工图纸注：机床本体：机床主运动，进给运动，辅助运动加工零件第11页，共38页，2023年，2月20日，星期五

模块一数控机床基本知识－构成与工作原理

第12页，共38页，2023年，2月20日，星期五

模块一数控机床基本知识－构成与工作原理

在数控机床上加工零件时，要事先根据零件加工图样的要求确定零件加工的工艺过程、工艺参数和刀具参数，再按规定编写零件数控加工程序，然后通过手动数据输入（MDI）方式或与计算机通讯等方式将数控加工程序送到数控系统，在数控系统控制软件的支持下，经过分析处理与计算后发出相应的指令，通过伺服系统使机床按预定的轨迹运动，从而控制机床进行零件的自动加工。下面通过介绍数控机床的组成对这一过程进行说明。第13页，共38页，2023年，2月20日，星期五

模块一数控机床基本知识－构成与工作原理项目三数控机床的构成操作面板2.控制介质与输入输出设备3.通讯4.CNC装置(CNC单元)5.伺服单元、驱动装置和测量装置6.PLC(ProgrammableLogicController)、机床I/O电路和装置7.机床第14页，共38页，2023年，2月20日，星期五

模块一数控机床的基本知识－分类

一、按加工工艺分

二、按控制刀具与工件相对运动方式分

三、按伺服装置的功能水平分类

四、按联动轴数分

五、按控制系统的功能水平分类项目四数控机床的分类第15页，共38页，2023年，2月20日，星期五

模块一数控机床的基本知识－分类（一）

第16页，共38页，2023年，2月20日，星期五

模块一数控机床的基本知识－分类（一）

立式综合切削中心机

卧式综合切削中心机

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模块一数控机床的基本知识－分类（一）

盘型刀具库链条型刀具库有臂式的换刀臂第18页，共38页，2023年，2月20日，星期五

模块一数控机床的基本知识－分类（一）

第19页，共38页，2023年，2月20日，星期五问题1、NC、CNC含义如何？2、按加工工艺分数控机床分为哪几类？第20页，共38页，2023年，2月20日，星期五

模块一数控机床的基本知识－分类（二）

二、按控制刀具与工件相对运动方式分1.点位控制的数控机床2.点位-直线控制的数控机床3.轮廓控制的数控机床第21页，共38页，2023年，2月20日，星期五

模块一数控机床的基本知识－分类（二）

1.点位控制数控系统（PositioningControl）

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22页，共38页，2023年，2月20日，星期五

模块一数控机床的基本知识－分类（二）

2.点位-直线控制的数控机床（Straight-lineControl）不但要求实现刀具相对于工件从一点到另一点的精确定位运动；控制刀具或机床工作台以给定速度,沿平行于某一坐标轴方向，或沿着与坐标轴成一定角度的斜线方向，由一个位置到另一个位置的精确移动并进行切削加工。适用范围：数控镗铣床、数控车床、加工中心等。一般情况下这些数控机床有两到三个可控轴，但同时控制轴数只有一个。第23页，共38页，2023年，2月20日，星期五

模块一数控机床的基本知识－分类（二）

3.轮廓控制的数控机床（ContourControl）

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。运动轨迹是任意斜率的直线、圆弧、螺旋线等。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零件的机床。现代的数控机床基本上都是装备的这种数控系统。第24页，共38页，2023年，2月20日，星期五

模块一数控机床的基本知识－分类（三）

三、按伺服装置的功能水平分类

按数控系统的进给伺服子系统有无位置测量装置可分为1开环数控系统2闭环数控系统：根据位置测量装置安装的位置又可分为（1）全闭环（2）半闭环开环控制的数控机床半闭环控制的数控机床闭环控制的数控机床第25页，共38页，2023年，2月20日，星期五

模块一数控机床的基本知识－分类（三）三、按伺服装置的功能水平分类

1.开环控制系统（OpenLoopControl）

系统没有位置反馈元件，通常用功率步进电机或电液伺服电机作为执行机构。精度主要取决于伺服元件和机床传动元件的精度、刚度和动态特性。特点：系统简单，调试维修方便，工作稳定，成本较低，步进驱动、步进电机，无位置速度反馈，控制精度较低第26页，共38页，2023年，2月20日，星期五

模块一数控机床的基本知识－分类（三）2.闭环控制系统（ClosedLoopControl）

在机床移动部件上装有位置检测装置，用偏差进行控制，使移动部件按照实际的要求运动，最终实现精确定位。精度主要取决于测量元件的精度。

优点：精度高，采用交流或直流伺服驱动及伺服电机，有直线位移、速度检测装置，价格贵，调试困难主要用于：精度要求较高的机床。第27页，共38页，2023年，2月20日，星期五

模块一数控机床的基本知识－分类（三）3.半闭环控制系统（Semi-closedLoopControl）

位置检测装置安装在传动丝杠的端部，间接测量执行部件的实际位置。

特点：精度介于开环与闭环之间，调试方便，稳定性好，应用较广。精度较高，采用交流或直流伺服驱动及伺服电机，有角位移、角速度检测装置，结构紧凑。第28页，共38页，2023年，2月20日，星期五

模块一数控机床的基本知识－分类（四）四、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，端铣刀）。

联动轴数越多数控系统的控制算法就越复杂。

第29页，共38页，2023年，2月20日，星期五

模块一数控机床的基本知识－分类（五）五、按控制系统的功能水平分类控制系统功能高档中档低档（经济型）主轴功能无级变速、C轴功能机械变速分辩率0.1μm1μm10μm进给速度15~100m/min15~24m/min8~15m/min伺服驱动闭环半闭环开环电机交、直流伺服电机步进电机联动轴数2~4轴或2~5轴2~3轴通信功能MAP，联网功能RS232C、RS485无显示功能三维图形彩显CRT图形显示数码或CRT字符内装PLC有有无主CPU32位或64位16位或32位8位第30页，共38页，2023年，2月20日，星期五

模块一数控机床的基本知识数控机床拓展项目工业化国家经济总产值的50%（日本）至68%（美国）是由制造业创造的，制造业对发展国家经济有决定性的影响，而发展机床业是发展制造业的根本。

数控机床是典型的机电一体化产品，是现代制造业的主流设备，是体现现代机床技术水平、现代机械制造业工艺水平的重要标志，是关系国计民生、国防尖端建设的战略物资。当年的“东芝事件”和“考克斯报告”都与此有关。

项目一数控加工地位第31页，共38页，2023年，2月20日，星期五

模块一数控机床的基本知识数控机床拓展项目“东芝事件”（1）东芝赚钱苏联获利（2）苏日联手借道挪威

1987年5月27日，日本警视厅逮捕了日本东芝机械公司铸造部部长林隆二和机床事业部部长谷村弘明。东芝机械公司曾与挪威康士堡公司合谋，非法向前苏联出口大型铣床等高技术产品，林隆二和谷村弘明被指控在这起高科技走私案中负有直接责任。此案引起国际舆论一片哗然，这就是冷战期间对西方国家安全危害最大的军用敏感高科技走私案件之一,克格勃从日本成功走私了一批高科技产品，大大降低了潜艇噪音，使美国海军难以追踪，美国海军第一次丧失对苏联海军舰艇的水声探测优势，直到今天，美国海军仍没有绝对把握去发现新型的俄罗斯潜艇。

数控加工地位