第1章 数控绪论

数控技术机械与电子工程学院主讲：冯涛二零零九年二月数控技术是用数字程序控制数控机械实现自动工作的技术。它是现代制造技术的基础，它的广泛应用，使普通机械被数控机械所代替，全球制造业发生了根本性的变化。因此，数控技术的水准、拥有和普及程度，已经成为衡量一个国家综合国力和工业现代化水平的重要标志。数控技术数控技术1

绪论1.1数控技术的基本概念1.2数控机床的分类1.3数控技术的产生、发展和技术水平

1绪论1.1数控技术的基本概念一、数控技术和数控机床

1、数控技术数控技术，是一种采用计算机对机械加工过程中各种控制信息进行数字化处理、运算、并通过高性能的驱动单元对机械执行构件进行自动化控制的高新技术。

国标定义为：“用数字化信号（数字、字母和符号）对机床运动及其加工过程进行控制的一种方法”。简称数控（NC）。数字控制是与机床控制密切结合而发展起来的，因此人们习惯上说的数控指机床数控。1.1数控技术的基本概念2、数控机床

就是采用了数控技术的机床。

国际信息处理联盟委员会定义如下：“数控机床是一个装有程序控制系统的机床，该系统能够逻辑地处理具有使用代码或其他符号编码指令规定的程序”。1.1数控技术的基本概念数控系统：是指实现数控技术相关功能的软、硬件模块的有机集成系统，它是数控技术的载体，即是数控装置和伺服控制部分的统称。

计算机数控系统：是指以计算机为核心的数控系统。

数控加工技术：应用装备了数控系统的机械加工设备进行加工的技术。1.1数控技术的基本概念二、机床数字控制的原理(即数控加工的原理）

是将加工过程所需的各种操作步骤以及工件的形状尺寸（即零件的几何信息和工艺信息）用程序----数字化的代码来表示（称为数字信息），再由计算机的数控装置对这些输入的信息进行处理和运算。把刀具与工件的运动坐标分割成一些最小单位量，即最小位移量，然后由数控系统按照零件程序的要求控制机床伺服驱动系统，使坐标移动若干个最小位移量，从而实现工件与刀具之间的相对运动，以完成零件的加工。1.1数控技术的基本概念当被加工工件改变时，除了重新装夹工件和更换刀具外，只需更换程序。在数控加工中，使数控机床动作的是数控装置给数控机床传递运动命令的脉冲群，每个脉冲对应于机床的单位位移量。1.1数控技术的基本概念图1.1是点位控制、轮廓控制加工直线和曲线的原理示意图。1.1数控技术的基本概念基本构思：用沿曲线（逼近函数）的最小位移量合成的分段运动代替任意曲线运动，以得出所需的运动。在进行曲线加工时，可以用一给定的数字函数来模拟线段ΔL，即知道了一条曲线的种类、起点、终点以及速度后，根据给定的数字函数，在理想的轨迹或轮廓上的已知点之间，进行数据点的密化，确定一些中间点，这种方法称之为“插补”，处理这些插补的算法称之为插补运算。1.1数控技术的基本概念由此可见，要实现数控加工，则必须有一台能达到下述要求的数控设备：

（1）数控装置，即能接受零件图样加工要求的信息，并按照一定的数字模型进行插补运动，实时地向各坐标轴发出速度控制指令及切削用量的数字控制计算机。（2）具有快速响应，并且有足够功率的伺服驱动装置。（3）必须有满足上述加工方式要求的机床主机，刀具、辅助设备以及各种加工所需的辅助功能，如：主轴启停，刀具更换，冷却液的开关，各种运动的互锁、连锁，运动行程的限位等，这些均属于开关量控制，一般由可编程控制器PLC来完成。1.1数控技术的基本概念三、数控机床的组成下图是一台三坐标数控铣床的组成图。1.1数控技术的基本概念控制介质数控装置检测装置机床伺服系统数控机床一般由信息输入、数控装置、伺服驱动系统、机床本体、机电接口、辅助程编机及其它一些附属设备组成。1.1数控技术的基本概念1．信息输入数控机床要进行切削加工,必须有各种加工信息,信息载体（即控制介质）上存储着加工零件所需的全部操作信息和刀具相对于工件的位移信息.信息载体有纸带、磁带、磁盘，加工零件的程序和各种参数、数据通过输入设备送入计算机系统（数控装置），输入方式较多，如纸带、磁盘、磁带、手摇脉冲发生器、通讯接口、CRT/MDI。1.1数控技术的基本概念2、计算机数控装置（CNC）控制系统的主要作用是对输入的零件加工程序进行数字运算和逻辑运算，然后向伺服系统发出控制信号。它是数控机床的核心部分。是由CPU、存储器、总线和相应的软件构成的专用计算机，它完成加工程序的输入、编辑及修改，实现信息存储、数据变换、代码转换、插补运算以及各种控制功能。1.1数控技术的基本概念主要功能如下：①多轴联动，多坐标控制。②实现多种函数的插补。③多种程序输入功能，编辑和修改功能。④信息转换功能。⑤补偿功能。⑥多种加工方式选择。⑦具有故障自诊断功能。⑧显示功能。⑨通讯和联网功能。1.1数控技术的基本概念3、伺服驱动装置和检测反馈装置。

伺服驱动装置又称为伺服系统，它接受计算机运算处理结果的信号，经过驱动电路将信号进行转换、放大以后去驱动各个坐标的伺服电动机，并且随时检测运动末端件（伺服电动机或工作台）的实际运动情况，进行严格的速度和位置反馈控制。这一部分影响数控机床的动态特性和轮廓加工精度。1.1数控技术的基本概念4、机床本体包括机床的主运动部件、进给运动部件和其他相关的底座、立柱、滑鞍、工作台（或刀架）、床身、导轨等。要求基础件的刚度好，精度保持性好，运动精度高。机床主体是加工运动的实际部件。特点：（1）主轴功率大，床身刚度高、抗震性好、热变形小。（2）采用高效传动件。传动灵活，传动精度高。（3）有刀具自动交换系统和管理系统。（4）有工件自动交换系统以及液压夹紧放松机构。（5）有全封闭或半封闭的安全防护设施。1.1数控技术的基本概念5、机电接口

数控机床除了实现加工零件轮廓轨迹控制外，还有其它许多动作，如刀具的更换，工件的松夹，冷却液的开停，各坐标的行程限位，各个运动的互锁、连锁，机床的急停，程序停止，以及各种离合器的开合，电磁铁的通断等等，这些属于开关量控制，一般采用可编程控制器（PLC）来实现。PLC处理的是数字信息“0”和“1”。1.1数控技术的基本概念四、数控机床的特点数控机床是实现柔性自动化的关键设备，是柔性自动化生产线的基本单元，它具有以下优势：1、能加工一般机床所不能加工或难以加工的复杂型面，如复杂模具，发电机叶片、整体涡轮等复杂零件。1.1数控技术的基本概念2、采用数控机床加工可以达到更高的精度和稳定的质量。数控机床是按预定的程序自动加工，且加工精度还可以用软件进行校正补偿。数控机床在整体设计中考虑了整机刚度和零件的制造精度，又采用高精度的滚珠丝杠传动副，机床的定位精度和重复定位精度都很高。特别是有的数控机床具有加工过程自动监测和误差补偿等功能，因而能可靠地保证加工精度和尺寸的稳定性。

1.1数控技术的基本概念3、具有高生产率。采用较大切削用量，自动换刀，自动变换工件，自动变速，因此与普通机床相比，可提高生产率2～3倍。数控机床在加工中零件的装夹次数少，一次装夹可加工出很多表面，省去了划线找正和检测等许多中间环节。据统计，普通机床的净切削时间一般占总切削时间的15%--20%，而数控机床可达65%--70%，可实现自动换刀的带刀库数控机床甚至可达75%--80%。加工复杂工件时，效率可提高5--10倍。1.1数控技术的基本概念

4、具有较大的灵活性和广泛的适应性。可以适应不同品种尺寸规格零件，一般借用通用夹具，只需更换程序，即可适应不同零件的加工。

5、一机多用。加工中心在一次装夹后几乎能完成零件的全部加工部位的加工，节省了设备，时间等。

6、在制品少，从而加速了流动资金的周转，提高了经济效益。7、可以改善生产环境，减轻了操作者的劳动强度。8、可以实现较精确的成本核算和生产安排。

1.1数控技术的基本概念综上分析，最适合在数控机床上加工的零件可归纳如下：（1）轮廓形状复杂，加工精度较高的零件。（2）用普通机床加工时，需要制作复杂的工艺装备的零件。（3）用普通机床加工时，工艺路线过长，工装过多的零件。（4）多品种、小批量生产的零件。（5）新产品的试制零件。（6）价值昂贵，加工中不允许报废的零件。（7）生产周期短的零件。（8）集多种工序于一体的箱体零件。1.1数控技术的基本概念一、按运动控制的特点分类1、点位控制数控机床这种机床只要求获得精确的孔系坐标定位精度，而不控制从一个孔到另一个孔的运动轨迹，在坐标运动过程中，不进行切削加工。1.2数控机床的分类2、直线控制数控机床是指控制机床工作台或刀具以要求的进给速度，沿着平行于坐标轴的方向进行直线移动和切削加工的机床。这类机床有准确的定位功能，而且还要控制位移的速度。一般情况下这类机床有两到三个可控制的轴，但同时只能控制一个。直线控制也称单轴数控。1.2数控机床的分类3、轮廓控制的数控机床该类机床在加工过程中，时刻都对各坐标轴的位移和速度进行严格的连续的控制，是具有同时控制两个或两个以上坐标进行联动（即插补）的数控机床。可以加工曲线或曲面的零件。按照联动轴数，可以分为两坐标联动控制，2.5坐标联动控制，三坐标、四坐标、五坐标等联动控制。轮廓加工的实例如图1.4所示。1.2数控机床的分类1.2数控机床的分类二、按伺服系统的类型分类1、开环系统控制的数控机床

这类机床没有位置检测反馈装置，其精度主要取决于驱动元器件和电机（步进电动机）的性能。特点：调试简单，系统易稳定，精度低，价廉。指令脉冲1.2数控机床的分类2、闭环系统的数控机床该类机床数控装置中插补器发出的位置指令信号与工作台（或刀架）上检测到的实际位置反馈信号进行比较，根据其差值不断控制运动，进行误差修正，直到差值为零停止运动。指令1.2数控机床的分类特点：系统的设计、调整难度大，加工精度高，机床工作精度主要取决于测量元件的精度。可消除系统中的机械传动部件制造误差对加工精度带来的影响。1.2数控机床的分类3、半闭环控制的数控机床

这类机床的检测元件装在电机轴或丝杠轴的端部，这种系统的闭环控制环内不包括机械传动环节，该系统反馈的是进给传动系统的部分误差，由于采用了高分辨率的