第一章数控技术基础和数控机床编程及加工

数控技术第一章数控技术基础前

言一、本课程性质二、为什么要学习本课程三、本课程要求四、本课程内容课程性质：本课程是机械类各专业的一门主要专业选修课。它以数控机床为对象，研究数字控制系统的工作原理、组成及其在数控机床上的应用。通过本课程的学习，应使学生掌握数控技术的基本原理和基础知识；掌握CNC数控系统的组成结构和数控加工插补原理；理解并掌握数控机床的伺服驱动系统和检测装置的工作原理；具备数控加工工艺的初步分析能力，以及运用数控加工编程知识进行手工编程的能力。课程学时：56教材：李恩林主编.数控技术原理及应用，北京：国防工业出版社，2023授课方式：课堂教学+实验教学考核方式：期末考试（70%）+平时（30%）一、本课程性质及考核方式是先进制造技术内容之一是制造装备数字化的主要内容是柔性自动化的基础数控机床是典型的机电一体化产品数控机床的应用越来越普及数控机床应用人才需求量大且迫切数控技术适用领域广泛是机械工程领域的人才必备的专业知识二、为什么要学习本课程？蓝领：机床操作银领（灰领）：工艺设计与编程，维修，数控改造金领（白领）：管理金领银领蓝领社会急需的数控加工人才类型：三、本课程要求要求不缺课，认真听课，课前预习，课后复习认真实验，按时独立完成作业，积极参加课堂讨论有问题及时答疑并反馈信息广泛查阅参考资料充分利用实验室的开放条件真正学到知识和本领。四、本课程内容数控技术的概念、发展方向，数控机床的分类，特点及优越性；插补原理数控机床的数控系统及检测装置数控机床的结构数控机床的加工工艺数控机床编程基础数控机床编程技术伺服驱动系统第一章数控技术基础第一节 数控机床的系统组成及其基本原理第二节 数控机床的分类第三节 数控机床的加工对象第四节 数控技术的发展方向第一节 数控机床的系统组成及其基本原理数控机床的产生

科学技术和社会生产的不断发展，对机械产品的质量和生产率提出了越来越高的要求，迫切需要一种灵活的、通用的、能够适应产品频繁变化的柔性自动化机床。数字控制(Numerical

Control，简称NC或数控)机床，就是在这样的背景下诞生与发展起来的。它极其有效地解决了上述一系列矛盾，为单件、小批生产的精密复杂零件提供了自动化加工手段。数控机床的发展介绍1948年，美国人John

Parsons提出设想;1952年，试制成功世界上第一台数控机床；1952~1959：第一代电子管数控系统；1959~1965：第二代晶体管数控系统；1965~1970：第三代集成电路数控系统；1970~1974：第四代大规模集成电路及小型通用计算机数控系统；1974~ ：第五代微型计算机数控系统；20世纪末~：第六代基于PC的数控系统。第一阶段NC第二阶段CNC体积减小，功能性能提高10NC与CNCNC——简称数控（NC），是采用数字指令信号对机电产品或设备进行控制的一种自动控制技术。早期采用硬件数字电路实现的数控，属于早期数

控系统，数控装置功能由逻辑电路实现，数控系

统通用性、灵活性较差，维修成本高。CNC——现代采用微型计算机实现的数控，称计算机数字控制技术，简称计算机数控（Computer

Numerical

Control，CNC）。以微型计算机或小型计算机为控制单元，数控装置功能几乎全由软件实现，硬件具有通用性。CNC是先进制造技术或生产模式的基础，是现代制造业的基础–柔性自动化（FMS）计算机集成制造（CIM）11数字控制技术（NC）数字控制技术，简称数控（NC）：采用数字指令信号对机电产品或设备进行控制的一种自动控制技术。数控技术与传统的设备自动控制技术的显著区别：坐标控制——采用数字指令信号对设备的运动部件的坐标运动进行控制。数控加工的过程根据加工零件的图样与工艺方案，用规定的代码和程序格式编写程序单，并把它记录在载体上；把程序载体上的程序通过输入装置输入到CNC单元中去；单元将输入的程序经过处理之后，向机床各个坐标的伺服系统发出信号；伺服系统根据CNC单元发出的信号，驱动机床的运动部件，并控制必要的辅助操作；通过机床机械部件带动刀具与工件的相对运动，加工出要求的工件；检测机床的运动，并通过反馈装置反馈给CNC单元，以减小加工误差。数控加工的过程数控系统的工作过程数控技术的基本原理将被控设备末端执行部件的运动（或多个末端执行部件的合成运动）纳入到适当的坐标系中，将所要求的复杂运动分解成各坐标轴的简单直线

运动或回转运动，并用一个满足精度要求的基本

长度单位（Basic

Length

Unit，BLU）对各坐标轴进行离散化，由电子控制装置（即数控装置）按数控程序规定的运动控制规律，产生与基本长度单位对应的数字指令脉冲，对各坐标轴的运动进行控制，并通过伺服执行元件加以驱动，从而实现所要求的复杂运动。数控机床的组成数控机床由控制介质、数控系统、伺服系统、反馈装置、辅助装置和机床本体6部分组成。第二节 数控机床的分类按数控装置类型进行分类按伺服控制方式进行分类按数控系统功能水平进行分类按加工工艺及用途进行分类

按硬软件进行分类按数控装置类型进行分类1．点位控制数控机床对于一些孔加工用数控机床，只要求获得精确的孔系坐标定位精度，而不管从一个孔到另外一个孔是按照什么轨迹运动。如图所示点位控制数控钻床加工。按数控装置类型进行分类2．直线控制数控机床某些数控机床不仅要求具有准确定位的功能，而且要求从一点到另一点之间按直线移动，并能控制位移的速度。如图所示直线控制切削加工。3．轮廓控制数控机床更多的数控机床具有轮廓控制的功能，即可以加工具有曲线或者曲面的零件。如图所示轮廓控制铣削示意图。按数控装置类型进行分类二坐标数控机床主要用于加工二维平面轮廓；三坐标数控机床主要用于加工三维立体轮廓；四坐标和五坐标数控机床主要用于加工空间复杂曲面或一些高精度、难加工的特殊型面数控机床相关事情：东芝事件联动坐标轴数1．开环控制数控机床这类机床的数控系统将零件的程序处理后，输出数字指令信号给伺服系统，驱动机床运动，没有来自位置传感器的反馈信号。如图开环控制系统示意图。按伺服控制方式进行分类2．闭环控制数控机床这类机床可以接受插补器的指令，而且随时接受工作台测得的实际位置反馈信号，根据其差值不断进行误差修正。如图闭环控制系统示意图。按伺服控制方式进行分类3．半闭环控制数控机床这种系统的闭环环路内不包括丝杠、螺母副及工作台，因此可以获得稳定的控制特性。如图半闭环控制系统示意图。按伺服控制方式进行分类根据一些功能及指标，可以把数控机床分为低、中、高档三类。经济型数控机床（低档）——mm全功能数控机床（中档）——μm高档型数控机床（高档）——μm按数控系统功能水平进行分类数控机床分类金属切削类数控机床

如数控车床、加工中心、数控钻床、数控磨床、数控镗床等。金属成形类数控机床

如数控折弯机、数控弯管机、数控回转头压力机等。数控特种加工机床

如数控线切割机床、数控电火花加工机床、数控激光切割机等。测量、绘图的类数控机床

如数控三坐标测量机、数控对刀仪、数控绘图仪等。按加工工艺及用途进行分类数控车床数控车削中心数控立式倒置主轴车床数控立式车床立式加工中心机床卧式加工中心机床数控磨床数控冲床数控激光切割机床三维数控激光加工机床数控滚齿机数控折弯机电火花成型机床数控线切割机床三坐标测量机硬件式数控系统（NC系统）

属于早期数控系统，数控装置功能由逻辑电路实现，数控系统通用性、

灵活性较差，维修成本高。软件式数控系统（CNC系统）

以微型计算机或小型计算机为控制单元，数控装置功能几乎全由软件实现，硬件具有通用性。按软硬件进行分类数控机床的优势及特点数控机床的使用范围第三节 数控机床的加工对象可以加工具有复杂型面的工件；加工精度高，尺寸一致性好；生产效率高;可以减轻工人劳动强度；经济效益明显；可以精准计算成本和安排生产进度；数控加工是CAD/CAM技术和先进制造的基础。数控机床的优势及特点多品种、小批量的零件或新产品试制零件；几何形状复杂的零件；须进行多工序的零件;普通机床加工时，需昂贵工装的零件；对精度要求高的零件；需多次修改的零件；不允许报废的昂贵关键零件；需要最短生产周期的零件。数控机床的使用范围第四节 数控机床的发展方向1948年，美国人John

Parsons提出设想；1952年，试制成功世界上第一台数控机床；1952~1959：第一代电子管数控系统；1959~1965：第二代晶体管数控系统；1965~1970：第三代集成电路数控系统；1970~1974：第四代大规模集成电路及小型通用计算机数控系统；1974~ ：第五代微型计算机数控系统；20世纪末~：第六代基于PC的数控系统。第一阶段NC第二阶段CNC体积减小柔，性功自能动性化能提高第一阶段：1958-1979，封闭式发展阶段第二阶段：“六五”、“七五”期间以及“八五”的前期，引进技术，消化吸收，初步建立起国产化体系阶段第三阶段：“八五”后期和“九五”期间，实施产业化的研究，进入市场竞争阶段目前：国产数控机床的国内市场占有率达50％，配置的国产数控系统（普及型）也达到了10％；数控机床的普及率迅速提高，数控机床拥有率目前已接近3%我国数控机床发展的三个阶段高速度化：充分发挥现代刀具材料的性能，大幅度提高加工效率、降低加工成本，提高零件的表面加工质量和精度，适应制造业对高效、优质、低成本生产的广泛需求；目前，电主轴转速可达15,000～100,000

r/min、进给运动部件快移速度达60～120m/min，切削进给速度达60

m/min。高精度化：近10多年来，普通级数控机床的加工精度已由±10

μm提高到±5

μm，精密级加工中心的加工精度则从±3～5

μm提高到±1～1.5

μm，超精密数控机床加工精度已开始进入纳米级(0.01μm)。数控技术发展趋势数控技术发展趋势多功能化：工序高度集中，减少工序间转换时间；

5轴联动5面加工数控机床是典型的多功能化数控

机床；数控五面加工龙门铣床，可使生产周期缩

短至非数控机床的16%，使切削时间比率由17%增

至70%，大大提高了机床的利用率；具有通信、网络功能。智能化：与人工智能相结合；模糊控制、学习控制、自适应控制、运动参数动态补偿、自动识别负载并自动优化调整参数、自诊断和故障监控专家系统；更好地实现对人类智力的延伸。高可靠性：基于硬件质量提高；硬件结构采取模块化、标准化、通用化，使数控系统具有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性；通过计算机网络系统提供故障诊断、维修、保护等服务。全自动编程：由CAD/CAM图形交互式自动编程发展至CAD/CAPP/CAM方式，直接从系统内的CAPP数据库获得编程数据，实现自动编程。数控技术发展趋势何谓数控？何谓数控机床？何谓CNC？试述点位控制、直线控制和轮廓控制的区别？何谓开环控制、半闭环控制、闭环控制？三者有何区别？数控机床按用途分为哪几类？思考结束数控机床编程及加工机械工程实验教学中心实验目的

通过数控机床的加工程序编制，掌握编程的方法及技巧；

将在计算机上用

OpenSoftCNC软件模拟显示加工过程校验程序，然后在数控机床上对工件进行加工；

结合机械加工工艺，实现最优化编程，提高加工质量和生产效率。机械工程实验教学中心数控编程的基本原理数控编程的目的；数控编程的内容；编程步骤。机械工程实验教学中心图形尺寸、工艺过程、工艺参数、机床的运动以及刀具位移等内容，按照数控机床的编程格式和能识别的语言记录在程序单上的全过程。这样编制的程序还必须按规定把程序单制备成控制介质如程序纸带、磁带等，变成数控系统能读懂的信息，再送入数控机床，数控机床的CNC装置对程序经过处理之后，向机床各坐标的伺服系统发出指令信息，驱动机床完成相应的运动。数控编程的基本所原谓理编程，就是把零件的机械工程实验教学中心数控编程的目的①分析零件图纸，确定加工工艺过程；②计算走刀轨迹，得出刀位数据；③编写零件加工程序；④制作控制介质；⑤校对程序及首件试加工。数数控控编程编的程内容的基本原理机械工程实验教学中心数数控控编程编的程步骤的基本原理机械工程实验教学中心零件图纸

数控机床分析零件图制纸定工艺规程数学处编理写程序文制件作控制介程质序校验及试切OpenSoftCNC软件包

括数控车床模拟仿真和数控铣床模拟仿真系统，由软件+标准硬件系统构成，不要求专用硬件或运动控制卡，所有数控功能和逻辑控制功能均由软件完成，操作界面由系统操作和机

床控制两大部分组成。OpenSoftCNC软件介绍机械工程实验教学中心OpenSoftCNC软件介绍机械工程实验教学中心件提供下列指令：1组别指令功能编程格式模态G00快速线性移动G00

X(U)_Z(W)_√G01

直线插补

G01

X(U)_Z(W)_G02顺时针圆弧插补G02I_K_X(U)_Z(W)_逆时针圆弧插补√√√√√G03G32G33G27G28恒螺距公制螺纹插补恒螺距英制螺纹插补

X轴返回程序零点Z轴返回程序零点G03

I_K_X(U)_Z(W)_G32

X(U)_Z(W)_K_I_HG33

X(U)_Z(W)_K_I_HG27G28G92定义绝对坐标系G92

X_Z_√2G04延时G04

E_3M00M02暂停程序结束M00M024M03M04主轴正转主轴反转M03M04√√M05主轴停M05√床模拟仿真系统（

OpenSof5

tCNC0M018T）M09开冷却液关冷却液M08M09√√6M97M98程序跳转子程序调用M97

P_M98

P_L_M99子程序返回M997M20自定义开关1有效M20√M21自定义开关1无效M21√8M22自定义开关2有效M22√M23自定义开关2无效M23√9S主轴转速控制S00～S07；S0000～S9999√10