第 1 章 概 述

《数控技术》课件

课件制作： 陈继刚，胡占齐，杨莉，王加春等授课对象： 机械类本科生适用教材：《机床数控技术》（第二版） 胡占齐 杨莉编著

第 1 章 概 述

目 录

第一章 概述

第二章 数控加工程序的编制

第三章 数控系统的加工控制原理

第四章 数控装置

第五章 位置检测装置

第六章 数控机床的伺服系统

第七章 机床的数控化改造

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数控机床是当代机械制造业的主流装备。

数控技术范围复盖很多领域：(1) 机械制造技术；(2) 信息处理、加工、传输技术：

(3) 自动控制技术；(4) 伺服驱动技术；(5) 传感器技术：(6) 软件技术等 。

前 言

图 数控铣床 XKA714 （床身）

课程的性质：院级平台课

课程的特点：实用性、综合性

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1.1 数字控制与数控机床

1.1.1 基本概念

数字控制（ NC ， numerical control ） GB8129-87, 用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制 的一种方法。 数控系统（ NC system ） ：实现数控技术的机电控制设备；　数控机床：装备了数控系统的机床。

*1952 年，第一台数控机床在 MIT 问世，成为世界机械工业史上一件划时代的事件，推动了自动化的发展。当时控制程序是记录在纸带上的字符和数字，故称数字控制机床。 *1955 年，第一台商业数控机床在美国全国机床展览会上展出。

The first successful N/C machine, funded by the Air Force, was demonstrated by the Massachusetts Institute of Technology in 1952. It was a "retrofitted" Cincinnati milling machine (Figure 1.15). It had the ability to coordinate the axis motions to machine a complex surface. The first "commercial" N/C machines were shown at the 1955 National Machine Tool Show.

图 第一台数控机床

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数控机床加工过程

数控装置

伺服系统

加工

程序

首先由编程人员按照零件的几何形状和加工工艺要求将加工过程编成加工程序。数控系统读入加工程序后，将其翻译成机器能够理解的控制指令，再由伺服系统将其变换和放大后驱动机床上的主轴电机和进给伺服电机转动，并带动机床的工作台移动，实现加工过程。数控系统实质上是完成了手工加工中操作者的部分工作。

零件图 数控系统 机床

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计算机数控 CNC

一种控制系统，它自动读入载体上的数字信息，经过译码，控制机床运动。整个系统包括信息输入、运算和控制、进给伺服驱动和主轴驱动以及机电接口等。其中运算和控制部分，是数控系统的核心 , 称为数控装置 NCU 。以计算机系统为主构成的数控系统，运算和控制部分是一个专用的计算机，也称为计算机数控 CNC 。数控装置有时也简称为数控系统。

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主轴伺服单元

数

控

装

置输出设备

PLC

进给伺服单元

主 轴 电机

进 给 电机

位 置 检测

机

床

本

体

接口电路操作面板

输入设备

图 1-2 数控机床的逻辑组成

1.1.2 数控机床的组成 图 1-2 是数控机床的组成框图。除了机床本体以外的部分统称为数控系统，数控装置是数控系统的核心。1． 输入 /输出设备2． 数控装置3． 伺服单元4． PLC 及接口5． 机床本体6． 测量装置

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图 数控机床物理结构

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1.1.3 数控机床的特点

优点1． 适应性强； 2． 加工精度高、质量稳定；3． 生产效率高、经济效益好； 4． 减轻操作者的劳动强度、操作简单；5． 有利于生产管理的现代化；6. 具有故障诊断和监控能力；问题：

1．造价较高；2．调试和维修比较复杂，需要专门的技术人员；3．对编程人员的技术水平要求较高。

  

从不同的角度对数控机床进行分类，常见的有以下几种分类方法：

1.2 数控机床的分类

1.2.1 按运动控制轨迹分类

1. 点位控制数控机床 2. 直线控制数控机床 3. 轮廓控制数控机床

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1.2.2 按伺服系统的类型分类

1． 开环控制数控机床

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2． 闭环控制

数控机床

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3． 半闭环控制 数控机床

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性能类别

CPU位数

联动轴数 分辨率(μm)

进给速度(m/min)

其它

高级型 32 5 =< 0.1 >= 24,(1μm) ；

>=10,(0.1μm)

三维动态，MAP,数字交流伺服

普及型 16 <5, 3 >0.1,<10 < 24,(1μm) ；< 10,(0.1μm)

字符 /图形交流伺服

经济型 8/16 <3 <10 <8 字符 ,步进电机

表 数控系统的功能分类

1.2.3 按功能水平分类

1. 高级型数控系统 2. 普及型数控系统 3. 经济型数控系统

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1.3.1 机床类型的选择

1.3 数控机床的选型

图 1-7 3 种机床的适用范围

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**以上性能指标可以作为选择数控装置时参考，用户应该根据实际需要，综合考虑性能和价格，作出最经济实用的选择。

1.3.2 数控机床性能参数及其选择

数控装置的性能指标反映了数控系统的基本性能，是选择数控系统的主要依据，概括起来如下

1 ．控制轴数和联动轴数

2. 插补功能

3 ．脉冲当量（控制分辨率）

4 ．定位精度和重复精度

5 ．行程

6 ．主轴转速和进给速度及其调节范围

7 ．机床数控功能

8 ．程序的编辑、管理和控制

9 ．误差补偿功能

10. 加减速控制功能

11. 逻辑控制功能

12. 通信方式

13. 故障诊断功能

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1.4.1 数控技术的产生与发展

计算机技术的每一点进步都在推动数控技术向前发展。 “六代” 1 电子管， 1952 ， Parsons Corp.,MIT, 美空军后勤司令部合作，第一台立式铣； 2 晶体管、印刷电路， 1959 ，晶体管元件的出现使电子设备的体积大大减小，数控系统中广泛采用晶体管和印刷电路板， K&T开发第一台加工中心MILWAUKEE-MATIC 。 3 小规模集成电路 ,1965, 由于它体积小、功耗低，，使数控系统的可靠性得以进一步提高。 1967英国最初的 FMS. 4 通用小型计算机 ,1970，在美国芝加哥国际机床展览会上，首次展出了一台以通用小型计算机作为数控装置的数控系统，特征为许多数控功能由软件完成。 5 微处理器， 1974 ，开始出现的以微处理器为核心的数控系统被人们誉为第五代数控系统，近 30年来，装备微处理机数控系统的数控机床得到飞速发展和广泛应用。 6 基于PC （ PC-BASED）的数控 ,20世纪 80年代，基于PC开发式数控系统。

1.4 数控技术的发展

第 1 章 概 述1.4.2 数控技术发展趋势1． 高速高精度

机床向高速化方向发展，可充分发挥现代刀具材料的性能，可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。　　上世纪 90年代以来，高速主轴单元（电主轴，转速 15000 － 100000r/min ）、高速且高加 / 减速度的进给运动部件（快移速度 60~120m/min ，切削进给速度高达 60m/min ）、高性能伺服系统以及工具系统都出现了新的突破。

图 切削速度的发展

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现代科学技术的发展，对机械加工高精度的提出了新的要求：普通的加工精度提高了一倍，达到 5微米；精密加工精度提高了两个数量级，超精密加工精度进入纳米级（ 0.001微米），主轴回转精度要求达到 0.01~0.05微米，加工圆度为 0.1微米，加工表面粗糙度Ra=0.003微米等。近 10多年来，普通级数控机床的加工精度已由±10μm提高到±5μm ，精密级加工中心的加工精度则从±3~5μm ，提高到±1~1.5μm

Ra δ

VF VC

25 0.10 10000 2500

20 0.08 8000 2000

15 0.06 6000 1500

10 0.04 4000 1000

5 0.02 2000 5000

Ra δ Vf VC

1993 1994 1995 1996 1997 年度Ra——表面粗糙度（ um ）， δ——加工误差（ um ），

Vf——进给速度（ mm/min ）， Vc——切削速度（ m/min ）

图 1-8 数控机床的高速化对加工质量的影响

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2． 智能化数控系统的智能化主要体现在以下几个方面：（ 1 ） 智能化适应控制技术

图 智能化适应控制下的进给速率

（ 2 ） 自动编程技术

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（ 3 ） 具有故障自动诊断功能

（ 4 ） 智能寻位加工

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3 开放式数控系统 传统的数控系统都是专门、具有不同的编程语言、非标准人机接口、多种实时操作系统、非标准的硬件接口等特征，造成了数控系统使用和维护的不便，也限制了数控技术的进一步发展。为了解决这些问题，人们提出了“开放式数控系统”的概念。概念最早见于 1987 年美国的 NGC(Next Generation Controller) 计划， NGC 控制技术通过实现基于相互操作和分级式的软件模块的“开放式系统体系结构标准规范（ SOSAS）”找到解决问题的办法。一个开放式的系统体系结构能够使供应商为实现专门的最佳方案去定制控制系统。

4 网络化数控技术 －－外部网络化管理与控制 －－内部网络化功能模块的网络化

5 提高数控系统的可靠性 数控系统平均无故障时间大于 10000-30000 （小时） 电子与电气元件高集成、抗干扰，零部件制造专业化标准化

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6. 实现数控装备的复合化

数字制造就是用数字的方式来存储、管理和传递制造过程中的所有信息。在计算机世界里，可以产生各种各样的信息，并把物理过程虚拟化； DNC还可以对 CAD/CAPP/CAM以及 CNC 的程序进行传送和分级管理。 DNC 技术使 CNC与通信网络联系在一起 , 还可以传送维修数据，使用户与数控生产厂家直接通信；进而把制造厂家联系在一起，构成虚拟制造网络。现在的问题是，如何把这些信息从计算机“下载”到生产线，在生产过程中利用这些信息控制机器，生产出合格产品；这个全过程就是数字制造。

7. CAD/CAM/CNC 一体化，实现数字化制造

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图 数字化工厂