.1数控机床概论

第一章 概论数控技术的基本概念什么是机床的数字控制机床运动部件的控制方式普通机床的控制方式： 手动和机动自动机床的控制方式： 凸轮和样板数控机床的控制方式：以数字指令方式控制机床各部件的相对运动和动作12）如何利用数字指令方式控制机床各部件的相对运动和动作例如：要求机床执行如下一条指令程序段N003

G90

G01

X+35.Y+279.3

Z-429.7

S1000

T02F500

M07；指令程序的含义：指令程序的组成：数字，文字，符号等组成数字，文字，符号等转换成“二进制”数字代码“二进制”数字代码输入机床的数字控制装置，经过计算机的计算处理、伺服控制、驱动机床各部件运动，完成上述空间直线段的加工，由于指令运动过程是以“二进制”“数字”代码进行的，所以称这种控制为数字控制（Numerical

Control

缩写为NC）。23）什么数控机床3数字控制是与机床控制密切结合而发展起来的，因此，人们习惯把“机床数控”简称为“数控”或“NC”，用这种控制技术控制的机床就称为“数控机床”（Numerically

Controlled

Machine

Tool）或“NC机床”。数控装置和伺服控制部分统称为“数控系统”。机床的数字控制是近代发展起来的一种自动控制技术，是用数字化信息实现机床控制一种方法。1.1.2

机床数字控制的原理41）数控机床的加工过程将被加工零件图纸上的几何信息和工艺信息用规定的代码和格式编写成加工程序，然后将加工程序输入数控装置，按照程序的要求，经过数控系统信息处理，分配，使

各坐标移动若干个最小位移量，实

现刀具与工件的相对运动，完成零件的加工点位控制

(PointtoPointControl)： 严格控制点到点之间的距离，而与所走的路径无关轮廓加工控制 (Contouring

Control)连续轨迹控制

（Continuous

Path

Control）不仅对坐标的移动量进行控制，而且对各坐标的速度及它们之间的比率都要进行严格控制，以便加工出给定的轨迹54）插补（Interpolation）6是指在被加工轨迹的起点和终点之间，插进许多中间点，进行数据点的密化工作，然后用已知线型（如直线、圆弧等）逼近直线插补：通常把数控机床上刀具运动轨迹是直 线的加工，称为直线插补圆弧插补：刀具运动轨迹是圆弧的加工称为圆弧 插补一般的数控系统都具有直线、圆弧插补，随着科学技术的迅速发展，许多生产数控系统的厂家，逐渐推出了具有抛物线插补，螺旋线插补、极坐标插补、样条曲线插补、曲面直接插等丰富功能的数控系统，以满足用户的不同需要。控机床的加工过程5）数控的过程7机床的数字控制是由数控系统完成的。数控能接收零件图纸加工要求的信息，进行插补运算，实时地向各坐标轴发出速度控制指令。伺服驱动装置能快速响应数控装置发出的指令，驱动机床各坐标轴运动，同时能提供足够的功率和扭矩6）数控的控制方式关断控制：

是将指令值与实测值在关断电路的比较器中进行比较，相等后发出信号，控制结束。这种方式用于点位控制。调节控制：

是数控装置发出运动的指令信号，伺服驱动装置快速响应跟踪指令信号。检测装置将坐标位移的实际值检测出来，反馈给数控装置的调节电路中的比较器，有差值就发出运动控制信号，从而实现偏差控制；不断比较指令值与反馈的实际值、不断发出信号，直到差值为零，运动结束。这种方式适用于连续轨迹控制。8数控机床的组成框图框图人机交互设备键盘/显示器外部PC控制介质程序存储器PLCCNC计算机数控装置辅助控制装置SP主轴驱动系统SV进给伺服驱动位置反馈系统适应控制机床

速度反馈系统97）

数控系统的组成数控系统包括：数控装置，伺服驱动装置、可编程控制器和检测装置等数控装置数控装置能接收零件图纸加工要求的信息，进行插补运算，实时地向各坐标轴发出速度控制指令●数控装置是由中央处理单元（CPU）、存储器、总线和相应的软件构成的专用计算机，它接收到输入信息后，经过译码、轨迹计算（速度计算）、插补运算和补偿计算，再给各个坐标的伺服驱动系统分配速度、位移指令10动态存储器

DRAM模块FROM/SRAM模块系统ROM制模块½轴控PMC控制模块系统主CPU显示控制模块¾轴控制模块1

系统主CPU（安装在系统主板上）为32位/64位微处理器，新系统为奔腾CPU。2

动态存储器DRAM模块系统运行时用来装载系统文件和用户文件。主轴控

3

FROM/SRAM模块闪存FROM用来存储系统文件和用户文件（系统梯形图和宏控制程序）。静态存储器SRAM用来存储用户文件。4

系统ROM用来装载系统引导文件。5

PMC控制模块制模块

6

显示控制模块实现显示装置的视频信号和文字信息显示控制。7

主轴控制模块实现模拟量主轴和串行数字主轴控制。8

½轴、3/4轴控制模块11CNC硬件框图CPU输入接口输出接口RS232接口MDI/CRT接口位置控制PC接口外部输入设备MDI/CRT速度控制EPROMRAM电机12检测元件图1-2用来存放CNC系统、启动软件存放机床数据、加工程序及需要修改的数据主轴控制CNC系统软件框图CNC系统软件控制软件管理软件1输入7I/O处理8显示9诊断2译码3刀具补偿4速度控制5插补6位置控制13伺服驱动装置能快速响应数控装置发出的指令，驱动机床各坐标轴运动，同时能提供足够的功率和扭矩14模拟量主轴放大器（变频器）主

轴

放

大

器串行主轴放大器15带传动（经过一级降速）经过一级齿轮的带传动16主

轴

传

动

机

构检测装置检测装置将坐标位移的实际值检测出来，反馈给数控装置的调节电路中的比较器，有差值就发出运动控制信号，从而实现偏差控制；不断比较指令值与反馈的实际值、不断发出信号，直到差值为零，运动结束。这种方式适用于连续轨迹控制。17可编程控制器数控机床其它动作，如：主轴的启停、刀具更换、冷却液开关、电磁铁的吸合、电磁阀启闭、离合器的开合、各种运动的互锁、连锁，运动行程的限位、急停、报警、进给保持、循环启动、程序停止、复位等等。这些都属于开关量控制，一般由可编程控制器（Programmable

Controller简称PC，也称为可编程逻辑控制器PLC，又称为可编程机床制器PMC，下文均称为PLC）来完成，开关量仅有“0”和“1”两种状态，显然可以很方便地融入机床数控系统中，实现对机床各种运动协调的数字控制。181）数控机床的组成19信息输入装置：是数控机床的信息输入通道，加工零件的程序和各种参数、数据通过输入设备送进计算机系统（数控装置）8.4”彩色LCD/MDI9”单色CRT/MDI分离型10.4”彩色LCD(新)分离型全键盘MDI(新)系统显示装置与MDI键盘7.2寸黑白LCD20FANUC系统标准机床操作面板数控机床厂家机床操作面板数控机床操作面板21伺服驱动装置及检测反馈装置：接受计算机运算处理后分配来的信号，经过调解、转换、放大以后驱动伺服电机，带动机床的执行部件运动。反馈装置包括速度、位移检测元件及相应电路，该部分能及时将信息反馈回来，构成闭环控制机床本体：机床本体也称主机，它包括机床的主运动部件，进给运动部件、执行部件和基础部件等222）数控装置的功能23••多轴联动、多坐标控制

实现多种函数的插补（直线、圆弧、抛物线、螺旋

、极坐标、样条等）多种程序输入功能（人机对话、手动数据输入、由上级计算机及其它输入设备的程序输入），以及编辑和修改功能信息转换功能：包括EIA/ISO代码转换，公制/英制转换、坐标转换、绝对值/增量值转换等•24•••补偿功能：刀具半径补偿、刀具长度补偿、传动间隙补偿、螺距误差补偿等多种加工方式选择。可以实现各种加工循环，重复加工，凹凸模加工和镜象加工等具有故障自诊断功能显示功能。用CRT可以显示字符、轨迹、平面图形和动态三维图形通讯和联网功能3）

数控机床的特点25适宜数控机床加工的零件特点：小批量而又轮番生产的零件；几何形状复杂的零件；需进行多种工序加工的零件；切削余量大的零件；加工精度高的零件；工艺设计会经常变化的零件；贵重零件；需全部检测的零件数控机床的优势：a具有广泛的适应性和较大的灵活性，适合对复杂型面零件的加工b加工零件的一致性好，重复精度高，精度保持性好，适合批量生产。可以获得比机床本身精度还要高的加工精度和重复精度c数控机床是一种高度自动化，高效率的机床d加工零件更换时，生产准备相对容易，周期短e

一机多能，工序高度集中，实现在一次零件定位装夹中完成多工位、多面、多刀加工f

应用数控机床可以不断提高企业人员的技术素质，促进企业的文明生产、树立企业的良好形象261.2

数控机床的分类271.2.1

按运动控制的特点分类（点位控制数控机床、直线控制数控机床、轮廓控制的数控机床）1）点位控制数控机床用于加工孔的数控机床,在加工过程中，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一个孔是按照什么轨迹运动，在坐标运动过程中，不进行切削加工。具有这种运动控制的机床称为点

位控制数控机床。在加工过程中，为了提高效率和确保精确的定位精度，首先系统控制进给部件高速运行，接近目标点时，采用分级或连续降速，低速趋近目标点，从而减少运动部件的惯性过冲和因此而引起的定位误差2）直线控制数控机床的控制功能等28直线控制数控机床是指控制机床工件台或刀具（刀架）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（一般还包括45°的斜线）的机床。这一类数控机床不仅要求具有

准确的定位功能，而且还要控制位移的速度。由

于在移动过程中进行切削加工，所以对于不同的

刀具和工件，需要选用不同的切削用量一般情况下这些数控机床有两个到三个可控制的轴，但同时控制轴只有一个为了能在刀具磨损或更换刀具后，仍可加工出合格的零件，这类机床的数控系统常常要求它具有刀具半径和刀具长度补偿功能，以及主轴转速3）轮廓控制的数控机床可以加工斜线、曲线、曲面的数控机床，它们具有同时控制两个、或两个以上坐标进行联动（即进行插补）的数控机床。该类机床在加工过程中，每时每刻都对各坐标的位移和速度进行严格的不间断的控制，故称具有这种控制功能的机床为轮廓控制数控机床。现代数控机床绝大部分都具有两坐标或两坐标以上联动的功能、刀具半径补偿、刀具长度补偿、机床轴向运动误差补偿、丝杠螺距误差补偿，齿侧间隙误差补偿等一系列功能。按照可联动轴数，可以分为两坐标联动控制，2.5坐标联动控制，三坐联动控制，四坐标联动控制五坐标联动控制等。291.2.2

按伺服系统的类型分类30开环控制的数控机床闭环控制数控机床半闭环控制的数控机床1）开环控制的数控机床该类机床没有位置检测反馈装置，数控装置发出的指令信号流程是单向的，其精度主要决定于驱动元器件和电机（步进电机）的性能这类数控机床的特点：调试简单，系统也比较容易稳定，精度较低，成本低廉，多见于经济型的中小型数控机床和旧设备的技术改造中2）闭环控制的数控机床31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，直至差值为零停止运动。这种具有反馈控制的系统，在电气上称为闭环控制系统。该类机床的特点：由于反馈的存在，可以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，从而可获得较高的加工精度。但是由于很多机械传动环节包括在闭环控制的环路内，各部件的摩擦特性，刚性以及间隙等，都是非线性的，直接影响系统的调节参数。所以闭环控制系统的设计调整都有较大的技术难度，如果设计、调整得不好，还很容易造成系统的不稳定。32由于这种位置检测信号取自机床工作台（传动系统的最末端执行件），所以包含了整个传动系统的全部误差，故也称为全闭环系统。闭环控制的数控机床，主要是一些精度 要求很高的镗铣床、超精车床、超精磨 床、大型数控机床等。333）

半闭环控制的数控机床34机床的检测元件装在电机轴或丝杠轴的端部，系统的闭环控制环内不包括机械传动环节，因此可以获得稳定的控制特性该系统反馈的只是进给传动系统的部分误差；一般是电机轴或丝杠轴的角位移、角速度，还要经过转换处理才是工作台（或刀架）的实际位移由于采用高分辨率的反馈检测元件，又可以获得比较满意的精度与速度。所以，目前大多数中、小型数控机床都采用这种控制方式。1.2.3

按工艺方法分类351）金属切削类数控机床包括数控车床，数控铣床、数控钻床、数控

磨床、数控镗床以及加工中心等。加工中心是一种带有自动换刀装置（刀库和自动交换刀具的机械手）能进行铣削、钻削、镗削加工的复合型数控机床，特别是箱体类零件2）金属成型类及特种加工类数控机床36指金属切削类以外的数控机床，如数控弯管机，数控线切割机床，数控电火花成形机床，数控激光切割机床，数控冲床、数控火焰切割机，数控三坐标测量机等。1.2.3

按功能水平分类37通常把数控机床分为高、中、低档三类数控机床水平的高低主要指它们的主要技术参数，功能指标和关键部件的功能水平等如：1.

中央处理单元（CPU）低档数控：8位CPU中档、高档数控：由16位CPU，发展到32位或64位CPU，并用具有精简指令集的（RISC）CPU。2.分辨率和进给速度低档数控分辨率为10μm，进给速度为8-15m/min；中档数控分辨率为1μm，进给速度为15-24m/min；高档数控分辨率为0.1μm或更小，进给速度为24-100m/min，或更高。383.多轴联动功能39低档数控机床多为2-3轴联动中、高档机床3-5轴联动，或更多。4.显示功能40低档数控数码显示或简单的CRT字符显示中档数控有较齐全的CRT显示：不仅有字符、而且还有图形、人机对话、自诊断等功能显示高档数控除还有三维动态图形显示5.通讯功能41低档数控无通讯功能中档数控有RS232或DNC（直接数控/群控）等接口。高档数控有

MAP（制造自动化协议）等高性能通讯接口，且具有联网功能1.3

数控技术的产生发展及技术水平421.3.1

数控技术的产生与发展1952年，电子管控制数控机床1959年，晶体管控制数控机床加工中心60年代，集成电路数控机床70年代，计算机数控机床80年代，计算机集成制造系统1.3.2

数控技术的发展趋势43数控装置向高速度、高精度方向发展

向基于个人计算机（PC）的开放式数控系统发展配置多种遥控接口和智能接口。具有很好的操作性能数控系统的可靠性大大提高。2.

伺服系统44伺服驱动技术是数控技术的重要组成部分。与数控装置相配合，伺服系统的静态和动态特性直接影响机床的位移速度，定位精度和加工精度。现在，直流伺服系统被交流数字伺服系统所取代；伺服电机的位置

，速度及电流环都实现了数字化；并采用了新的控制理论，实现了不受机械负荷变动影响的高速响应系统。伺服系统主要新发展的技术有：45前馈控制技术机械静止摩擦的非线性控制技术

伺服系统的位置环和速度环（包括电流环）均采用软件控制，如数字调解和矢量控制等。为适应不同类型的机床，不同精度和不同速度要术，预先调整加、减速性能采用高分辨的位置检测装置补偿技术得到了发展和应用3.

机械结构技术46采用机电一体化结构。自动交换刀具，自动交换工件，主轴立、卧自动转换，工作台立、卧自动转换，主轴带C轴控制，万能回转铣头，以及“数控夹盘”，“数控回转工作台，“动力刀架”和

“数控夹具”等伺服系统和机床主机进行很好的机电匹 配主机借助计算机进行模块化、优化设计4.

数控编程技术47脱机编程发展到在线编程具有机械加工技术中的特殊工艺和组合工艺方法的程序编制功能编程系统由只能处理几何信息发展到几何信息和工艺信息同时处理的新阶段向智能化方向发展应用自适应控制技术引入专家系统指导加工引入故障诊断专家系统智能化伺服驱动装置481.3.3

数控系统的技术性能指标49数控系统的性能在很大程度上取决于系统所采用的CPU从70年代的频率5MHZ的8位机，发展到当前的14GHZ的32位机、64位机、精简指令集（RISC）芯片的数控系统。CPU芯片性能不断改进提高，为采用个人微机作为数控系统平台的开放式数控系统，提供了很高的速度和丰富的软硬件资源2．系统具有高分辨率50

系统分辨率通常都在0.001mm，速度可达

到100000～240000mm/min。超精密加工时分辨率为0.1μm（甚至

0.01μm），度为24000mm/min。3．控制功能51控制轴数和同时控制轴（联动轴）数是数控系统功能的重要指标FANUC-

15可控制2至15根轴Siemens

840D最高可控制31根轴，还具有多主轴控制功能。插补功能除了直线、圆弧插补外，许多数控系统增加了螺旋线插补、极坐标插补、圆柱面插补、抛物线插补、指数函数插补、渐开线插补、样条插补、假想轴插补以及曲面直接插补等功能。4．伺服驱动系统的性能52目前几乎绝大系数数控系统都采用了对位置环、速度环、电流环全部进行数字控制的交流伺服系统；而且许多公司都开发了具有前馈控制、非线性控制、摩擦扭矩补偿以及数字伺服自动调整等新功能的高性能伺服系统5．数控系统内PLC功能新型数控系统的PLC都有单独的CPU，除了逻辑控制外，还具有轴控制功能，PLC的软件除用梯形图（Ladder

diagram）语言编写之外，还可用Pascal、C等语言编写6．系统的通讯接口功能53早期的数控系统仅有RS232C接口，以后又有了DNC、RS

422（RS485）等高速远距离传输接口。FANUC

15、Siemens

840D等系统还具有MAP接口板、可连接到MAP3.0的局域网络（LAN）上，以适应FMS或CIMS的需要。7．系统的开放性目前，以个人微机为平台的开放式数控系统有了很大的发展，数控系统生产厂家都在进行开放式数控系统的研究。8．可靠性与故障自诊断54数控系统的可靠性是一个非常致关重要的指标，一般都以平均无故障时间（MTBF）来衡量。国外有的系统达到10000小时，而国内自主开发的数控系统仅能达到3000～5000小时。数控系统还应尽量缩短修复时间，即维修性能要好，要有自诊断功能，良好的检测方法，快速确定故障的部位，达到及时更换模块的效果。1.3.4数控技术在先进制造技术中的作用552002年中国金属加工机床进口、出口贸易统计进口出口数量(千台)金额(百万美元)与上年比较(%)数量(千台)金额(百万美元)与上年比较(%)数量金额数量金额金属切削机床合计75.96207.4724.2926.605506.5826.3922.2213.85其中数控机床18.28145.3738.3731.633.103.4641.16-3.242002年中国金属加工机床进口、出口贸易统计56进口出口数量(千台)金额(百万美元)与上年比较(%)数量(千台)金额(百万美元)与上年比较(%)数量金额数量金额金属切削机床合计75.96207.4724.2926.605506.5826.3922.2213.85其中数控机床18.28145.