第一章概論第一節(jié)機床數控技術的基本概念一、

數控與數控機床

1．基本概念

數字控制（NC）是以數字化信號對機構的運動過程進行控制的一種方法。簡稱為數控（NC）。。數控加工：泛指在數控機床上進行零件加工的工藝過程。

數控技術，簡稱數控（NC），它是利用數字化的信息對機床運動及加工過程進行控制的一種方法。數控系統(tǒng)（NumericalControlSystem）實現(xiàn)數字控制的裝置。數控機床（NumericalControlMachineTools）指應用數控技術對加工過程進行控制的機床。計算機數控系統(tǒng)（ComputerNumericalControlCNC）以計算機為核心的數控系統(tǒng)。返回課件首頁第一章概論CNC裝置(CNC單元)CNC裝置是CNC系統(tǒng)的核心組成：計算機系統(tǒng)、位置控制板、PLC接口板，通訊接口板、特殊功能模塊以及相應的控制軟件。作用：根據輸入的零件加工程序進行相應的處理（如運動軌跡處理、機床輸入輸出處理等），然后輸出控制命令到相應的執(zhí)行部件(伺服單元、驅動裝置和PLC等)，所有這些工作是由CNC裝置內硬件和軟件協(xié)調配合，合理組織，使整個系統(tǒng)有條不紊地進行工作的。22．用數控機床加工一個零件的過程見圖1-1。

零件圖數控系統(tǒng)機床

數控裝置伺服系統(tǒng)加工程序圖1-1數控機床的加工過程

第一章概論

用數控機床加工工件時，首先由編程人員按照零件的幾何形狀和加工工藝要求將加工過程編成加工程序。數控系統(tǒng)讀入加工程序后，將其翻譯成機器能夠理解的控制指令，再由伺服系統(tǒng)將其變換和放大后驅動機床上的主軸電機和進給伺服電機轉動，并帶動機床的工作臺移動，實現(xiàn)加工過程。數控系統(tǒng)實質上是完成了手工加工中操作者的部分工作。

二、數控機床的特點1．

適應性強2．

加工精度高、質量穩(wěn)定

3．

生產效率高、經濟效益好

4．

減輕操作者的勞動強度、操作簡單5．有利于生產管理的現(xiàn)代化

6.有故障診斷和監(jiān)控能力第一章概論

但另一方面，數控機床在使用中也暴露出一些問題，主要有：

1．造價較高，很多企業(yè)特別是小企業(yè)還無法接受；

2．調試和維修比較復雜，需要專門的技術人員；

3．對編程人員的技術水平要求較高。

三、數控裝置的主要技術指標

數控裝置的性能指標反映了數控系統(tǒng)的基本性能，是選擇數控系統(tǒng)的主要依據，概括起來如下：

1．控制軸數和聯(lián)動軸數

2．脈沖當量（控制分辨率）

3．定位精度和重復精度

4．行程

5．主軸轉速和調節(jié)范圍

6．進給速度和調節(jié)范圍

第一章概論第一章概論7．準備功能（G功能）8．輔助功能（M功能）

9.

自動加減速功能

10.

開關量接口

以上性能指標可以作為選擇數控裝置時參考，隨著數控技術的發(fā)展，數控裝置的性能指標也在不斷地豐富和提高。一般來說，性能越高的數控裝置，價格也越貴，所以對用戶來說并不一定一味地追求高性能，而應該根據自己的實際需要，綜合考慮性能和價格，作出最經濟實用的選擇。第一章概論

第二節(jié)

數控機床的組成與分類一、

數控機床的組成

圖1-2是數控機床的組成框圖。數控機床一般由輸入輸出設備、數控裝置、主軸和進給伺服單元、PLC及其接口電路和機床本體等幾部分組成。除了機床本體以外的部分統(tǒng)稱為數控系統(tǒng)，數控裝置是數控系統(tǒng)的核心。

1．輸入/輸出設備：實現(xiàn)程序編制、程序和數據的輸入及顯示、存儲打印

2．數控裝置：多坐標控制、插補功能、程序輸入、編輯和修改，故障診斷、補償、信息轉換、加工方式、顯示、通訊聯(lián)網。

3、伺服單元：驅動機床執(zhí)行機構的驅動部件。

4．機床本體:完成切削加工的機械部分

5．測量裝置：檢測位移和速度，并將信息反饋給數控裝置數控機床組成圖1-2數控機床組成框圖輸入裝置數控裝置伺服驅動系統(tǒng)機床本體車床主機數控系統(tǒng)伺服驅動系統(tǒng)輔助裝置

圖1-3是數控機床的組成主軸伺服單元數控裝置輸出設備PLC進給伺服單元主軸電機進給電機位置檢測機床本體接口電路操作面板輸入設備圖1-4數控機床的邏輯組成第一章

概論二、數控機床的分類

目前，數控機床的品種齊全，規(guī)格繁多。為了研究的方便起見，可以從不同的角度對數控機床進行分類，常見的有以下幾種分類方法：（一）按控制軌跡的特點分類

1.點位控制數控機床

2.直線控制數控機床

3.輪廓控制數控機床第一章

概論第一章

概論

1、點位控制數控系統(tǒng)僅能實現(xiàn)刀具相對于工件從一點到另一點的精確定位運動；對軌跡不作控制要求；運動過程中不進行任何加工。適用范圍：數控鉆床、數控鏜床、數控沖床和數控測量機。圖1-5直線控制圖1-6輪廓控制第一章概論3、輪廓控制數控系統(tǒng)輪廓控制(連續(xù)控制)系統(tǒng)：具有控制幾個進給軸同時諧調運動(坐標聯(lián)動)，使工件相對于刀具按程序規(guī)定的軌跡和速度運動，在運動過程中進行連續(xù)切削加工的數控系統(tǒng)。適用范圍：數控車床、數控銑床、加工中心等用于加工曲線和曲面的機床。現(xiàn)代的數控機床基本上都是裝備的這種數控系統(tǒng)。圖1-6開環(huán)數控系統(tǒng)的結構圖（二）按伺服系統(tǒng)的類型分類

1．開環(huán)控制數控機床第一章概論圖1-7閉環(huán)數控系統(tǒng)的結構圖2．

閉環(huán)控制數控機床

第一章概論

圖1-8半閉環(huán)數控系統(tǒng)結構圖3．半閉環(huán)控制數控機床第一章概論第一章概論（三）按功能水平分類

1.高級型數控系統(tǒng)

2.普及型數控系統(tǒng)

3.經濟型數控系統(tǒng)（四）工藝用途分類切削加工類：數控鏜銑床、數控車床、數控磨床、加工中心、數控齒輪加工機床、FMC等。成型加工類：數控折彎機、數控彎管機等。特種加工類：數控線切割機、電火花加工機、激光加工機等。其它類型：數控裝配機、數控測量機、機器人等

性能類別CPU位數聯(lián)動軸數分辨率(um)進給速度(m/min)顯示高級型325<0.1>24三維動態(tài)普及型2630.1~1010~24字符/圖形經濟型8<3<10<10字符表1.1數控系統(tǒng)的功能分類第一章概論數控車床銑床銑床數控刀具轉塔刀架第一章概論第三節(jié)數控機床的加工原理數控加工與傳統(tǒng)加工的比較工藝分析工序卡數控加工程序傳統(tǒng)加工數控加工圖1-9傳統(tǒng)加工與數控加工的比較圖第一章概論數控加工中數據轉換過程譯碼刀補處理插補處理PLC控制進給伺服系統(tǒng)切削運動、機床I/O裝置成形運動加工程序編制和輸入圖數控加工中數據轉換過程第一章概論譯碼(解釋)譯碼程序的主要功能是將用文本格式（通常用ASCII碼）表達的零件加工程序，以程序段為單位轉換成刀補處理程序所要求的數據結構（格式）。該數據結構用來描述一個程序段解釋后的數據信息。它主要包括：X、Y、Z等坐標值；進給速度；主軸轉速；G代碼；M代碼；刀具號；子程序處理和循環(huán)調用處理等數據或標志的存放順序和格式。第一章概論刀補處理(計算刀具中心軌跡)用戶零件加工程序通常是按零件輪廓編制的，而數控機床在加工過程中控制的是刀具中心軌跡，因此在加工前必須將零件輪廓變換成刀具中心的軌跡。刀補處理就是完成這種轉換的程序。第一章概論插補計算本模塊以系統(tǒng)規(guī)定的插補周期△t定時運行，它將由各種線形（直線，園弧等）組成的零件輪廓，按程序給定的進給速度F，實時計算出各個進給軸在△t內位移指令（△X1、△Y1、…），并送給進給伺服系統(tǒng)，實現(xiàn)成形運動。這個過程將在下面進一步敘述。第一章概論數控加工軌跡控制原理逼近處理圖為欲加工的圓弧軌跡L，起點為P0，終點為Pe。CNC裝置首先對圓弧進行逼近處理。XLY△Li△Xi△YiT0δP0Pe數控加工原理圖第一章概論用直線⊿Li逼近圓弧存在著逼近誤差δ，但只要δ足夠?。èSLi足夠短），總能滿足零件的加工要求。當F為常數時，而⊿t對數控系統(tǒng)而言恒為常數，則⊿Li的長度也為常數⊿L，只是其斜率與其在L上的位置有關。XLY△Li△Xi△YiT0δP0Pe數控加工原理圖第一章概論插補運算將⊿Li分解為X軸及Y軸移動分量Xi和Yi（在ti時間內），要求滿足：且有：Fx=Xi/ti

Fy=Yi

/ti⊿Li的斜率和F的分量Fx、Fy以及比值Fx/Fy都在不斷變化。XLY△Li△Xi△YiT0δP0Pe數控加工原理圖第一章概論指令輸出將計算出△ti

在時間內的和作為指令輸出給X、Y軸，以控制它們聯(lián)動。即：

Xi

X

軸；YiY

軸只要能連續(xù)自動地控制X，Y

兩個進給軸在△ti時間內移動量，就可以實現(xiàn)曲線輪廓零件的加工。第一章概論第四節(jié)數控機床的應用范圍數控加工的適應性根據數控加工的優(yōu)缺點及國內外大量應用實踐，一般可按適應程度將零件分為下列三類：最適應類形狀復雜：加工精度要求高，用通用機床無法加工或雖然能加工但很難保證產品質量的零件；用數學模型描述的復雜曲線或曲面輪廓零件；第一章概論3、具有難測量、難控制進給、難控制尺寸的不開敞內腔的殼體或盒型零件；4、必須在一次裝夾中合并完成銑、鏜、锪、鉸或攻絲等多工序的零件。較適應類1、在通用機床上加工時極易受人為因素（如：情緒波動、體力強弱、技術水平高低等）干擾，零件價值又高，一旦質量失控便造成重大經濟損失的零件；第一章概論2.在通用機床上加工時必須制造復雜專用工裝的零件；3.需要多次更改設計后才能定型的零件；4.在通用機床上加工需要作長時間調整的零件；5.用通用機床加工時，生產率很低或體力勞動強度很大的零件。不適應類下述一類零件采用數控加工后，在生產效率與經濟性方面一般無明顯改善，還可能弄巧成拙或得不償失，故此類零件一般不應作為數控加工的選擇對象。

第一章概論裝夾困難或完全靠找正定位來保證加工精度的零件；加工余量很不穩(wěn)定，且數控機床上無在線檢測系統(tǒng)可自動調整零件坐標位置的；生產批量大的零件（當然不排除其中個別工序用數控機床加工）；必須用特定的工藝裝備協(xié)調加工的零件簡單地說：零件不太復雜，生產批量較小時宜采用普通機床；生產批量較大時宜采用專用機床；而當零件復雜程度較高，品種變換頻繁，批量小時采用數控機床。第五節(jié)

數控技術的發(fā)展一、

數控技術與數控機床的產生與發(fā)展數控技術是機械技術和計算機控制技術的結合的產物，因此計算機技術的每一點進步都在推動數控技術向前發(fā)展。

1952年美國麻省理工學院研究出世界上第一臺三坐標聯(lián)動的數控銑床，采用電子管元件

1959年，晶體管元件的出現(xiàn)使電子設備的體積大大減小，數控系統(tǒng)中廣泛采用晶體管和印刷電路板。

1965年，出現(xiàn)了小規(guī)模集成電路。由于它體積小、功耗低，，使數控系統(tǒng)的可靠性得以進一步提高，這是第三代數控系統(tǒng)。

1970年，在美國芝加哥國際機床展覽會上，首次展出了一臺以通用小型計算機作為數控裝置的數控系統(tǒng)，被人們成為第四代數控系統(tǒng)，

第一章概論第一章概論1974年開始出現(xiàn)的以微處理器為核心的數控系統(tǒng)被人們譽為第五代數控系統(tǒng)，。1981年：具有人機對話、動態(tài)圖形顯示、實時精度補償功能。1986年：數字伺服控制誕生，大慣量的交直流電機進入實用階段。1988年：采用高性能32位機為主機的主從結構系統(tǒng)。1994年：基于PC的NC系統(tǒng)誕生，使NC系統(tǒng)的研發(fā)進入了開放型、柔性化的新時代，新型NC系統(tǒng)的開發(fā)周期日益縮短。它是數控技術發(fā)展的又一個里程碑。近40年來，裝備微處理機數控系統(tǒng)的數控機床得到飛速發(fā)展和廣泛應用二、中國的數控技術與數控機床2000年的統(tǒng)計數據數控機床廠家：100

數控系統(tǒng)廠家：50

數控機床配套廠家：300

年產量：14053臺數控機床品種：1300

產量數控化率：8%（95年3.6%）2.十五目標數控機床年增長率:>18%到2005年產量:25000-30000臺品種:2000種，數控化率:20%第一章概論第一章概論三、數控技術的發(fā)展趨勢進入九十年代以來，隨著國際上計算機技術突飛猛進的發(fā)展，數控技術不斷采用計算機、控制理論等領域的最新技術成就，使其朝著下述方向發(fā)展運行高速化加工高精化功能復合化控制智能化體系開放化驅動并聯(lián)化交互網絡化第一章概論運行高速化、加工高精化速度和精度是數控設備的兩個重要指標，它們是數控技術永恒追求的目標。因為它直接關系到加工效率和產品質量。新一代數控設備在運行高速化、加工高精化等方面都有了更高的要求。第一章概論加工高精化：提高機械設備的制造和裝配精度；提高數控系統(tǒng)的控制精度；采用誤差補償技術。提高CNC系統(tǒng)控制精度：采用高速插補技術，以微小程序段實現(xiàn)連續(xù)進給，使CNC控制單位精細化，由于計算機技術的不斷進步，促進了數控技術水平的提高，數控裝置、進給伺服驅動裝置和主軸伺服驅動裝置的性能也隨之提高，使得現(xiàn)代的數控設備在新的技術水平下，可同時具備運行高速化、加工高精化的性能第一章概論功能復合化

復合化是指在一臺設備能實現(xiàn)多種工藝手段加工的方法控制智能化隨著人工智能技術的不斷發(fā)展，并為滿足制造業(yè)生產柔性化、制造自動化發(fā)展需求，數控技術智能化程度不斷提高，具體體現(xiàn)在以下幾個方面：第一章概論（1）加工過程自適應控制技術通過監(jiān)測加工過程中的切削力、主軸和進給電機的功率、電流、電壓等信息，利用傳統(tǒng)的或現(xiàn)代的算法進行識別，以辯識出刀具的受力、磨損以及破損狀態(tài)，機床加工的穩(wěn)定性狀態(tài)；并根據這些狀態(tài)實時修調加工參數（主軸轉速，進給速度）和加工指令，使設備處于最佳運行狀態(tài)，以提高加工精度、降低工件表面粗糙度以及設備運行的安全性。第一章概論（2）加工參數的智能優(yōu)化與選擇

將工藝專家或技工的經驗、零件加工的一般與特殊規(guī)律，用現(xiàn)代智能方法，構造基于專家系統(tǒng)或基于模型的“加工參數的智能優(yōu)化與選擇器”，利用它獲得優(yōu)化的加工參數，從而達到提高編程效率和加工工藝水平，縮短生產準備時間的目的。采用經過優(yōu)化的加工參數編制的加工程序，可使加工系統(tǒng)始終處于較合理和較經濟的工作狀態(tài)。第一章概論（3）智