1、.“藍領層藍領層”數控技術人才：數控技術人才： 承擔數控機床的具體操作及日常簡單維護承擔數控機床的具體操作及日常簡單維護工作的技術工人。工作的技術工人。“灰領層灰領層”數控技術人才：數控技術人才： 承擔數控編程的工藝員和數控機床維護、維承擔數控編程的工藝員和數控機床維護、維修人員。修人員。“金領層金領層”數控技術人才：數控技術人才： 具備并精通數控操作、數控工藝編程和數具備并精通數控操作、數控工藝編程和數控機床維護、維修所需要的綜合知識，積累了控機床維護、維修所需要的綜合知識，積累了大量實際經驗，知識面廣。大量實際經驗，知識面廣。. “ “藍領型藍領型”：以傳統的機械制造技術為基礎，學以傳統的

2、機械制造技術為基礎，學習，掌握習，掌握“數控機床原理及應用基礎數控機床原理及應用基礎”和和“數控加數控加工編程技術工編程技術”，掌握，掌握“CAD/CAM”CAD/CAM”軟件。軟件。 “灰領型灰領型”： 編程工藝員編程工藝員，應具有良好的數學基礎，熟悉產，應具有良好的數學基礎，熟悉產品的三維設計，產品的加工工藝；品的三維設計，產品的加工工藝； 維修人員維修人員，以機、電、光和液（氣）控制技術，以機、電、光和液（氣）控制技術為基礎，掌握數控機床維護與維修的技術和技能。為基礎，掌握數控機床維護與維修的技術和技能。 “金領型金領型”：有較扎實的專業基礎，較全面地掌有較扎實的專業基礎，較全面地掌握數

3、控設備的相關原理與技術，具備數控設備研制握數控設備的相關原理與技術，具備數控設備研制與開發能力，掌握網絡技術，有較高的外語水平。與開發能力，掌握網絡技術，有較高的外語水平。.20.59%18.76%51.00%15.02%數控編程系統維修機床操作以上均能從事.第一章第一章 緒論緒論第一節第一節 數控機床的基本組成及數控機床的基本組成及工作原理工作原理一、數控機床的產生一、數控機床的產生原因原因社會生產發展（軍備競賽的產物）社會生產發展（軍備競賽的產物）目的目的解決單件、中小批量精密復雜零件的加解決單件、中小批量精密復雜零件的加工問題工問題.二、概念：二、概念：數字控制數字控制：是指用數字信息控

4、制機械運動。：是指用數字信息控制機械運動。數控機床數控機床：是一種裝有程序控制系統（數控系統）：是一種裝有程序控制系統（數控系統）的高效自動化機床。它綜合了綜合了計算機、自動的高效自動化機床。它綜合了綜合了計算機、自動控制、精密測量、機床的機構設計與制造等方面的控制、精密測量、機床的機構設計與制造等方面的最新成果。最新成果。數控系統數控系統：數控設備的數據處理和控制電路以及伺：數控設備的數據處理和控制電路以及伺服機構等統稱數控控制系統。它由程序輸入服機構等統稱數控控制系統。它由程序輸入 輸出輸出設備、計算機數字控制裝置、可編程控制器、主軸設備、計算機數字控制裝置、可編程控制器、主軸進給及驅動裝

5、置等組成。進給及驅動裝置等組成。.三、計算機數控的發展三、計算機數控的發展4/13/2022從從19521952年至今，數控機床按數控系統的年至今，數控機床按數控系統的發展經歷了五代。發展經歷了五代。 第一代第一代：19551955年年 數控系統以電子管組成，體積數控系統以電子管組成，體積大，功耗大。大，功耗大。 第二代第二代：19591959年年 數控系統以晶體管組成，廣泛數控系統以晶體管組成，廣泛采用印刷電路板。出現帶自動換刀裝置的數控機采用印刷電路板。出現帶自動換刀裝置的數控機床，稱為加工中心。床，稱為加工中心。第三代第三代：19651965年年 數控系統采用小規模集成電路，數控系統采用

6、小規模集成電路，其特點是體積小，功耗低，可靠性有了提高。其特點是體積小，功耗低，可靠性有了提高。.19701970年采用小型計算機控制的計算機數控系統年采用小型計算機控制的計算機數控系統（簡稱（簡稱 CNCCNC），使數控裝置進入了以小型計算機），使數控裝置進入了以小型計算機化為特征的化為特征的第四代第四代。其部分功能由軟件實現。其部分功能由軟件實現。 19741974年，研制成功使用微處理器和半導體存貯器年，研制成功使用微處理器和半導體存貯器的微型計算機數控裝置（簡稱的微型計算機數控裝置（簡稱 MNCMNC），這是），這是第五第五代代數控系統。使實現真正意義上機電一體化成為數控系統。使實現真

7、正意義上機電一體化成為可能。可能。三、計算機數控的發展（續）三、計算機數控的發展（續）.四、基本結構及工作原理四、基本結構及工作原理.控控制制介介質質輸輸入入裝裝置置數數控控裝裝置置伺服伺服驅動驅動裝置裝置機床機床主運動機構主運動機構進給運動機構進給運動機構輔助動作機構輔助動作機構位置檢測位置檢測數控機床的基本結構數控機床的基本結構輔助輔助控制控制裝置裝置.1、控制介質、控制介質控制介質是記錄零件加工程序的媒介控制介質是記錄零件加工程序的媒介 2、輸入裝置、輸入裝置將所輸入的程序載體上的數控程序變成相應的將所輸入的程序載體上的數控程序變成相應的電脈沖信號，傳送并存入數控裝置內。電脈沖信號，傳送

8、并存入數控裝置內。3、數控裝置、數控裝置數控裝置是接受輸入裝置送來的脈沖信號，經過數控裝置是接受輸入裝置送來的脈沖信號，經過編譯、運算和邏輯處理后，輸出指令控制機床的編譯、運算和邏輯處理后，輸出指令控制機床的各個部分，按程序動作的裝置。各個部分，按程序動作的裝置。. 虛線框部分統稱為數控系統，實現對機床主機的加工控制，目前大部分采用計算機數控（即CNC）。下面簡要介紹各部分的功能。 數控裝置 數控裝置是數控系統的核心，是由硬件和軟件兩大部分組成。它接受從機床輸入裝置（軟盤、硬盤、紙帶閱讀機、磁帶機以及網絡或串口傳輸等）輸入的控制信號代碼，經過輸入、緩存、譯碼、寄存、運算、存儲等轉變成控制指令實

9、現直接或通過可編程邏輯控制器（PLC）對伺服驅動系統的控制。圖1-2 數控裝置示意圖.4）伺服驅動/進給裝置 伺服驅動/進給裝置是數控裝置與機床本體之間的連接環節，它是接受數控裝置插補生成的進給脈沖信號，經過信號放大后，驅動機床主機的執行機構，實現機床的運動進給。伺服驅動/進給裝置包括主軸驅動單元（主要控制主軸的速度）、進給驅動單元（主要是進給系統的速度控制和位置控制）、主軸電機和進給電機等。目前常用的有交、直流伺服電機和步進電機等。且交流伺服電機正逐漸取代直流伺服電機。5）測量反饋裝置 測量反饋裝置是通過現代化的測量元件：脈沖編碼器、旋轉變壓器、感應同步器、光柵、磁尺和激光等，將執行元件（如

10、電機、刀架等）或工作臺等的速度和位移量檢測出來，經過相應的電路將所測得信號反饋回伺服驅動裝置或數控裝置，構成半閉環或全閉環系統，補償進給電機的速度或執行機構的運動誤差，以達到提高運動機構精度的目的。6） 機床本體 機床本體就是數控機床的機械結構件，包括床身、箱體、立柱、導軌、工作臺、主軸、進給機構、刀具交換機構等。 此外，為保證數控機床功能的充分發揮，還有一些輔助系統，如冷卻、潤滑、液壓（或氣動）、排屑、防護系統等 .第二節、數控機床的分類第二節、數控機床的分類1 1、按加工工藝分類、按加工工藝分類普通數控機床：普通數控機床： 如：數控車床、數控銑床、數控磨床、數控鉆床等等如：數控車床、數控銑

11、床、數控磨床、數控鉆床等等加工中心：帶刀庫和自動換刀裝置加工中心：帶刀庫和自動換刀裝置 如：車削中心、加工中心如：車削中心、加工中心金屬成型類數控機床金屬成型類數控機床 如：數控折彎機、數控彎管機、數控回轉頭壓力機。如：數控折彎機、數控彎管機、數控回轉頭壓力機。數控特種加工機床數控特種加工機床 如：數控線切割機床、數控電火花加工機床、數控激光如：數控線切割機床、數控電火花加工機床、數控激光切割機床。切割機床。其它：三坐標測量機、機械手（工業機器人）、自動繪圖其它：三坐標測量機、機械手（工業機器人）、自動繪圖機等機等.2 2、按機床運動軌跡分類、按機床運動軌跡分類點位控制數控機床點位控制數控機床

12、為點到點精確定位運動，運動過程中不進行為點到點精確定位運動，運動過程中不進行任何加工。這類機床有數控鉆床、數控坐標任何加工。這類機床有數控鉆床、數控坐標鏜床、數控沖剪床、數控測量機等。鏜床、數控沖剪床、數控測量機等。.數控鉆床點位控制示意圖點位控制系統只是精確地控制刀具相對工件從一點位控制系統只是精確地控制刀具相對工件從一個坐標點移動到另一個坐標點，移動過程中不進行任個坐標點移動到另一個坐標點，移動過程中不進行任何切削加工，點與點之間移動軌跡、速度和路線決定何切削加工，點與點之間移動軌跡、速度和路線決定了生產率的高低。為了提高加工效率，保證定位精度，了生產率的高低。為了提高加工效率，保證定位精

13、度，系統采用系統采用“快速趨近，減速定位快速趨近，減速定位”的方法實現控制。的方法實現控制。這類數控機床有數控鉆床、數控鏜床和數控沖床等。這類數控機床有數控鉆床、數控鏜床和數控沖床等。 .直線控制數控機床直線控制數控機床 除點到點的準確位置之外，還要保證兩點之除點到點的準確位置之外，還要保證兩點之間移動的軌跡是直線，而且對移動的速度也要間移動的軌跡是直線，而且對移動的速度也要進行控制，以便適應隨工藝因素變化的不同需進行控制，以便適應隨工藝因素變化的不同需要。要。 簡易數控車床、數控鏜銑床，一般有簡易數控車床、數控鏜銑床，一般有2 3個個可控坐標軸，但同時控制的坐標軸只有一個。可控坐標軸，但同時

14、控制的坐標軸只有一個。.數控銑床直線控制示意圖直線控制系統不僅要求具有準確的定位功能，而直線控制系統不僅要求具有準確的定位功能，而且要控制兩點之間刀具移動的軌跡是一條直線，且在且要控制兩點之間刀具移動的軌跡是一條直線，且在移動過程中刀具能以給定的進給速度進行切削加工。移動過程中刀具能以給定的進給速度進行切削加工。直線控制系統的刀具運動軌跡一般是平行于各坐直線控制系統的刀具運動軌跡一般是平行于各坐標軸的直線；特殊情況下，如果同時驅動兩套運動部標軸的直線；特殊情況下，如果同時驅動兩套運動部件，其合成運動的軌跡是與坐標軸成一定夾角的斜線。件，其合成運動的軌跡是與坐標軸成一定夾角的斜線。這類數控機床有

15、數控車床、數控鏜銑床等。這類數控機床有數控車床、數控鏜銑床等。 .輪廓控制的數控機床輪廓控制的數控機床能夠對兩個或兩個以上運動坐標的位移及速能夠對兩個或兩個以上運動坐標的位移及速度進行連續相關的控制，因而可進行曲線或度進行連續相關的控制，因而可進行曲線或曲面的加工。曲面的加工。.數控線切割機床加工示意圖輪廓控制系統能同時控制兩個或兩個以上坐標軸，輪廓控制系統能同時控制兩個或兩個以上坐標軸，需要進行復雜的插補運算，即根據給定的運動代碼指需要進行復雜的插補運算，即根據給定的運動代碼指令和進給速度，計算刀具相對工件的運動軌跡，實現令和進給速度，計算刀具相對工件的運動軌跡，實現連續控制。這類數控機床有

16、數控車床、數控銑床、數連續控制。這類數控機床有數控車床、數控銑床、數控線切割機床、數控加工中心等控線切割機床、數控加工中心等 。.3 3、按驅動裝置的類型分類、按驅動裝置的類型分類開環控制數控機床開環控制數控機床特點：結構簡單，步進驅動、步進電機，特點：結構簡單，步進驅動、步進電機，無位置速度反饋無位置速度反饋.2）半閉環控制系統數控機床.半閉環控制數控機床半閉環控制數控機床特點：精度較高，采用交流或直流伺服驅動及伺特點：精度較高，采用交流或直流伺服驅動及伺服電機，有角位移、角速度檢測裝置，結構緊湊服電機，有角位移、角速度檢測裝置，結構緊湊.閉環控制數控機床閉環控制數控機床特點：精度高，采用交

17、流或直流伺服驅動及伺服特點：精度高，采用交流或直流伺服驅動及伺服電機，有直線位移、速度檢測裝置，價格貴，調電機，有直線位移、速度檢測裝置，價格貴，調試困難試困難.3）閉環控制系統數控機床.混合控制數控機床混合控制數控機床開環補償型開環補償型半閉環補償型半閉環補償型.第三節 數控機床的特點及應用范圍 數控機床特點數控機床特點 1.復雜零件加工復雜零件加工 2.高精度高精度 3.加工穩定可靠加工穩定可靠 4.高柔性高柔性 5.高生產率高生產率 6.勞動條件好勞動條件好 7.有利于管理現代化有利于管理現代化 8.投資大，使用費用高投資大，使用費用高 9.生產準備工作復雜生產準備工作復雜 10.維修困

18、難維修困難.數控機床的應用范圍數控機床的應用范圍1、多品種小批量生產的零件、多品種小批量生產的零件2、結構比較復雜的零件、結構比較復雜的零件3、需要頻繁改型的零件、需要頻繁改型的零件4、價值昂貴，不允許報廢的關鍵零件、價值昂貴，不允許報廢的關鍵零件5、需要最短生產周期的急需零件、需要最短生產周期的急需零件.第二節 數控編程常用的指令及其格式數控程序由一系列程序段和程序塊構成。每一程序段用于描述準備功能、刀具坐標位置、工藝參數和輔助功能等。國際標準化組織（ISO）對數控機床的數控程序的編碼字符和程序段格式、準備功能和輔助功能等制定了若干標準和規范。.第二節 數控編程常用的指令及其格式2.1 程序

19、的結構與格式（1） 程序的結構程序的組成：刀具T01程序名：O2000 程 序 段N01 G91 G17 G00 G42 T01 X85 Y-25N02 Z-15 S400 M03 M08 N03 G01 X85 F300 N04 G03 Y50 I25 N05 G01 X-75 N06 Y-60 N07 G00 Z15 M05 M09 N08 G40 X75 Y35 M02 .第二節 數控編程常用的指令及其格式 上面是一個完整的零件加工程序，它主要由程序名和若干程序段組成。程序名程序名是該加工程序的標識；程序段程序段是一個完整的加工工步單元，它以N（程序段號）指令開頭，LF指令結尾； M02

20、作為整個程序結束的指令，有些數控系統可能還規定了一個特定的程序開頭和結束的符號，如% 、EM等.第二節 數控編程常用的指令及其格式由上面的程序可知：加工程序加工程序由程序名和若干程序段有序組成的指令集。程序程序是由若干程序段組成程序段程序段是由干指令字組成。指令字指令字是由字母（地址符）和其后所帶的數字一起組成。.第二節 數控編程常用的指令及其格式（2） 程序段的格式程序段的格式程序段的格式，是指一個程序段中指令字的排列順序和書寫規則，不同的數控系統往往有不同的程序段格式，格式不符合規定，數控系統就不能接受。 目前廣泛采用的是地址符可變程序段格式（或者稱字地址程序段格式）， 格式：N_ G_

21、X_ Y_ Z_ F_ S_ T_ M_ LF 這種格式的特點： 程序段中的每個指令字均以字母（地址符）開始，其后再跟符號和數字。指令字在程序段中的順序沒有嚴格的規定，即可以任意順序的書寫 。不需要的指令字或者與上段相同的續效代碼可以省略不寫。 因此，這種格式具有程序簡單、可讀性強，易于檢查等優點。.程序中的信息字和程序格式 2程序段格式 程序段格式就是指信息字的特定排列方式。目前廣泛使用地址字程序段格式。 例如： N001 G01 X70.0 Z-40.0 F140 S300 T0101 M03 LF. 數控編程常用的指令及其格式常用地址碼的含義如表所示機能地址碼意義程序號順序號 準備機能

22、ONG 程序編號順序編號機床動作方式指令坐標指令X.Y.Z A.B.C.U.V.W R I.J.K 坐標軸移動指令附加軸移動指令圓弧半徑 圓弧中心坐標 進給機能主軸機能 刀具機能 FS T 進給速度指令主軸轉速指令刀具編號指令 輔助機能 MB 接通、斷開、啟動、停止指令工作臺分度指令 補償暫停子程序調用重復 參數 H.DP.X I P.Q.R 刀具補償指令暫停時間指令子程序號指定固定循環重復次數固定循環參數.第二節 數控編程常用的指令及其格式2.2 程序編制中的基本指令（1）G指令準備功能指令 是使CNC機床準備好某種運動方式的指令 分為模態指令和非模態指令。模態指令表示在程序中一經被應用，直

23、到出現同組其它任一G指令時才失效。否則該指令繼續有效，直到被同組指令取代為止。非模態指令只在本程序段中有效。 組成：G后帶二位數字組成，從G00到G99共100種.第二節 數控編程常用的指令及其格式（2）M指令輔助功能指令作用：用于控制CNC機床開關量，如主軸正反轉、冷卻液的開停、工件的夾緊松開等。組成：M后帶二位數字組成。（3）F指令進給速度指令續效代碼，一般直接指定，即F后跟的數字就是進給速度的大小，如F100表示進給速度為100mm/min在程序啟動第一個G01或G02或G03功能時，必須同時驅動F功能。.第二節 數控編程常用的指令及其格式（4）S指令主軸速度功能指令 S代碼后的數值為主

24、軸轉速，要求為整數 在零件加工之前一定要啟動主軸運轉（M03或M04）（5）T指令刀具功能指令 Tnn代碼用于選擇刀具庫中的刀具，nn表示刀號.地址字程序段格式的特點： 1)在程序段中功能字排列順序并不嚴格，沒有必要的功能字可以省去； 2)有一些功能字屬模態指令。所謂模態指令就是由前面程序段指定的某些G功能和M、S、T功能，若本程序段仍然有效，可以省略； 3)要取消模態指令功能，必須重新設定相關指令。 4)對于坐標字后面的數字只要求寫有效數字，不要求坐標字后的數字寫滿固定位數。 .第二章第二章 數控機床的程序編制數控機床的程序編制 第一節 程序編制的基本知識 采用數控機床加工零件時，只需要將零

25、件圖形和工藝參數、加工步驟等以數字信息的形式，編成程序代碼輸入到機床控制系統中，再由其進行運算處理后轉成驅動伺服機構的指令信號，從而控制機床各部件協調動作，自動地加工出零件來.一、程序編制的內容 為了理解數控機床加工過程和加工程序之間的關系，首先討論在立式數控銑床上加工一個簡單工件的實例。教材圖21a是工件圖，要求在立式數控銑床上加工溝槽，溝槽的寬度是1Omm，深度是5mm，故選用直徑1Omm的立銑刀，刀具的位置和加工時刀具中心移動軌跡如教材圖21b所示，采用增量值編程方式，Z坐標軸方向同主軸一致，主軸向上移動為Z軸的正方向，加工程序如下： .程序:N001 G91G00 X18.0 Y15.

26、0 ； 由由O點移至點移至P。點。點。N002 S500 M03 ；主軸正轉、轉速；主軸正轉、轉速500rmin。N003 M08 ；冷卻泵起動。；冷卻泵起動。N004 Z-270 ；由；由P0快速下移快速下移27mm。N005 G01 Z80F140 ；140mmmin速度下移至槽底速度下移至槽底P1 點。點。N006 X1600 ；由；由Pl點加工至點加工至P2點。點。N007 Y460 ；由；由P2點加工至點加工至P3點。點。N008 G02X350Y350R350 ；加工順時針圓弧；加工順時針圓弧P3點至點至P4點。點。N009 G0l X900 ；由；由P4點加工至點加工至P5點。點

27、。N010 G03 X350Y350R350 ；加工逆時針圓弧；加工逆時針圓弧P5點至點至P6點。點。N011 G01 Y460 ；由；由P6點加工至點加工至Pl點。點。N012 G00Z350 ；由；由P1點快速上升至點快速上升至P。點。點。N013 M09 ；關冷卻液。；關冷卻液。N014 M05 ；主軸停止轉動。；主軸停止轉動。N015 X180Y150 ；快速反回起始點。；快速反回起始點。N016 M02 ；程序結束。；程序結束。. 根據以上實例，可以歸納出程序編制的流程圖如下 ：.程序編制的一般內容和過程 1)首先分析加工工件圖 2)在編制程序前還要進行運動軌跡坐標值計算，這些坐標值

28、就是編制程序時所需要的輸人數據 3)根據計算出的運動軌跡坐標值和已確定的運動順序、刀具號、切削參數以及輔助動作等，按照數控機床規定使用的功能代碼及程序格式，逐段編寫加工程序清單 4)程序清單只是程序設計的文字記錄，還必須將程序清單的內容記錄在輸入介質上，再輸入至數控裝置 5)程序清單所制作的輸入介質必須經過調試和實際切削運行后，才可以使用或保存 。.二、程序編制方法 1手工編程 手工編程是指編制工件加工程序的各個步驟，即從工件圖樣分析、工藝處理、確定加工 路線和工藝參數、計算程序中所需的數據、編寫加工程序清單直到程序的檢驗，均由人工來完成。 .二、程序編制方法 2自動編程 自動編程又稱計算機輔

29、助編程。自動編程在自動編程系統上進行，它是由一臺通用計算機配上打印機、自動穿孔機和自動繪圖機等組成，可以完成手工編程的大部分工作。 .三、數字控制標準與穿孔帶代碼 為了設計、制造、維修和使用的方便，在輸入代碼、坐標系統、加工指令、輔助功能及程序格式等方面逐漸形成了兩種國際通用數字控制標準。 ISO(International StandardOrganization)國際標準化組織標準。EIA(ElectroniclndustriesAssociation)美國電子工業協會標準。我國也已頒布了相關的數字控制標準JB320883。由于各類機床使用的代碼、指令其含意不一定完全相同，因此，編程人員還

30、必須按照數控機床使用手冊的具體規定進行程序編制。 .ISO代碼中地址字符及其含義. 3主程序和子程序 .五、數控機床的坐標系和運動方向的 規定 標準坐標系采用右手直角笛卡兒坐標，規定空間直角坐標系 X、Y、Z三者的關系及其方向由右手定則判定，X、Y、Z各軸的回轉運動及其正方向+A、+B、+C分別用右手螺旋法則判定。工件固定，刀具移動時采用上面規定的法則；如果工件移動，刀具固定時，工件移動的正方向與+X、+Y、+C相反，其正方向用帶“”的+Y、+X、C表示。 .五、數控機床的坐標系和運動方向的 規定坐標系和方向確定 .在使用和判別坐標系時，作如下規定： 1)編寫程序時，采用工件固定不動、刀具相對

31、移動的原則編程，編程人員不需要考慮數控機床的實際運動形式；2)確定數控機床的標準坐標系統時，若工件固定不動、刀具移動，坐標系正方向字母不帶“ ”；若刀具固定不動、工件移動，坐標系正方向字母帶“ ”表示；.在使用和判別坐標系時，作如下規定： 3)數控機床各坐標軸的確定方法如下： Z坐標軸與傳送切削動力的主軸方向一致，使工件和刀具之間的距離增大的方向是Z坐標軸的正方向+Z，刀具進入工件的方向是Z坐標的負方向。 X坐標軸一般是水平線，與工件裝夾面平行，且垂直Z坐標軸。對于工件旋轉的機床，例如數控車床，取平行刀具移動面的工件徑向射線作為X坐標軸，刀具離開主軸中心線方向是X坐標軸的正方向+X。對于刀具旋

32、轉的數控機床：當Z坐標軸處在水平面上時，從刀具主軸后端看工件，十X方向指向右向；當Z坐標軸處在垂直面上時，面對刀具主軸看立柱，+X方向指向右向。Y坐標軸的方向可以根據Z和X方向由右手定則判別。 .在使用和判別坐標系時，作如下規定： 4)與主坐標系平行的坐標系稱為輔助坐標系， 分別用U、v、w表示，如果還有第二輔助坐標系，則用P、Q、R表示。 工藝與編程人員在編程時只考慮不帶“”的運動，即在編寫程序時采用工件固定不動、刀具相對移動的原則編寫程序；機床設計者在設計時還要考慮帶”“的運動。 .數控車床坐標系 .數控銑床坐標系 .數控鏜銑床坐標系 . CNC系統軟件可分為管理軟件和控制軟件兩部分。管理

33、軟件包括零件程序的輸入、輸出、顯示、診斷和通信功能軟件；控制軟件包括譯碼、刀具補償、速度處理、插補運算和位置控制等功能軟件。下面是幾個主要程序。 1、輸入程序 CNC系統中零件的加工程序,一般是通過鍵盤、磁盤等方式輸入的。 .2、譯碼程序 輸入的零件加工程序，在計算機插補運算與操作控制之前，必須翻譯成計算機內部所能識別的語言。譯碼程序的功能就是把程序段中的各個數據，根據其前后的文字地址送到相應的緩沖寄存器中。3、數據處理程序 數據處理程序有三個任務，即刀具半徑補償、速度計算以及輔助功能的處理等。4、插補計算程序 插補計算是CNC系統中最重要的計算工作之一，是在理想的軌跡或輪廓上的已知點之間確定

34、一些中間點的計算。5、伺服（位置）控制程序 伺服（位置）控制程序的主要功能是對插補值進行處理，計算出位置的指令值，同時讀一次實際的反饋值，然后計算出指令值與反饋值之間的差值（稱為位置跟隨誤差），在經過換算得到速度指令值。6、輸出程序 輸出程序的主要功能如下： 1）伺服控制 2）反向間隙補償 3）絲杠的螺距誤差補償 4）M、S、T輔助功能的輸出7、管理程序.7、管理程序 管理程序是實現計算機數控裝置協調工作的主體軟件。8、診斷程序 計算機數控系統由硬件和軟件兩大部分組成。硬件和軟件兩者缺一不可，硬件為軟件的運行提供了支持環境；沒有軟件，硬件便無法工作。 硬件處理速度快，但造價高，線路復雜，故障率

35、也高；軟件設計靈活，適應性強，但處理速度慢。因此在系統中，軟、硬件的分工是由性能價格比決定的。 現代CNC系統中，軟件和硬件的界面關系是不確定的。.2. 3 數控系統插補原理與計算2.3.1 插補的基本概念 數控系統的主要任務之一是控制執行機構按預定的軌跡運動。一般已知運動軌跡的起點坐標、終點坐標和軌跡的曲線方程，由數控系統計算出各個中間點的坐標，“插補”、“補上”運動軌跡中間點的坐標值，通常把這個過程稱為“插補”。換言之，就是沿著規定的輪廓，在輪廓的起點和終點之間按一定的算法進行數據點的密化。插補結果輸出運動軌跡中間點的坐標值，機床伺復系統根據此坐標值控制各坐標軸協調運動，走出預定軌跡。 需

36、要指出的是刀具的運動軌跡是折線，而不是光滑曲線。刀具不能嚴格地沿著要求的曲線運動，只能沿折線逼近所要加工的曲線。2.3.2 常用插補方法 1、基準脈沖插補法 在插補過程中不斷地向各個坐標軸發出進給脈沖，驅動各坐標軸的伺服電動機轉動。每發出一個脈沖，工作臺就移動一個基本長度單位，即脈沖當量。脈沖當量的大小決定了加工精度，發送給各坐標軸的脈沖數目決定了相對運動距離，而脈沖的頻率代表了坐標軸的速度。基本脈沖插補的實現方法比較簡單，既可以用硬件來實現，也可以用軟件來實現。基準脈沖插補有多種方法，最常見的是逐點比較插值法和數字積分插補法。適用開環系統。.2.3.3 逐點比較插補法 2、數據采樣插補法 數

37、據采樣插補法是軟件插補法，用于閉環伺服系統中，其輸出的結果不是脈沖，而是數據。計算機定時地對反饋回路采樣，得到的采樣數據與插補產生的指令數據相比較，用誤差信號驅動伺服電動機。采樣周期各系統不盡相同，一般10毫秒左右。采樣周期太短計算機來不及處理，太長會損失信息影響伺服精度。這種方法所產生的最大速度不受計算機最大運算速度的限制，但插補程序比較復雜。適用半閉環或閉環系統。 所謂逐點比較插補法，就是每進給一步都要將加工點的瞬時坐標與規定的軌跡相比較，判斷其偏差，然后決定下一步的進給方向。 一、逐點比較法直線插補.第 三章 數控機床伺服系統 3.1.1 伺服系統的組成 數控機床伺服系統是以機床移動部件

38、的位置和速度為控制量的系統，又稱隨動系統，簡稱伺服系統。它接收插補生成的指令，并將其變換為機床工作臺的位移。伺服系統作為數控機床的重要組成部分，其本身的性能直接影響著整個數控系統的精度和速度等技術指標。 按有無檢測反饋裝置，伺服系統可分為開環和閉環兩大類；按檢測元件安裝的位置和檢測方式的不同，閉環系統又可分為半閉環系統和全閉環系統。1、開環控制系統指令脈沖步進電機驅動電路（a）開環進給伺服系統功率步進電機機床工作臺. 上圖所示為一開環控制系統原理圖。它主要由驅動電路和執行元件兩部分組成。驅動電路的作用是將指令脈沖信號轉換為執行元件所需的信號，并滿足執行元件的工作特性要求。執行元件的作用是將驅動

39、電路輸出的電信號轉換成位移信號，帶動機床工作臺移動。開環控制系統中常用的執行元件為步進電動機，它將指令脈沖變換為機械轉動角，在經過齒輪副和絲杠螺母帶動機床工作臺移動。 開環控制系統結構簡單，成本較低。但系統對移動部件的實際位移量不進行檢測，也不能進行誤差校正，因此其精度較低。2、閉環系統 . 上圖所示為一閉環控制系統原理圖。它主要由位置檢測器、比較線路、伺服放大線路和執行元件四大部分組成。位置檢測器的作用是檢測工作臺的實際位置并轉換成電信號反饋給比較線路；比較線路的作用是將指令信號和反饋信號進行比較，把兩者的差值作為伺服系統的跟隨誤差經伺服放大線路和執行元件帶動工作臺移動，直至跟隨誤差為零；伺

40、服放大線路的作用是將比較環節輸出的信號進行整形、濾波、電壓放大和功率放大，然后驅動執行元件帶動工作臺移動；閉環控制系統的執行元件為伺服電動機，其作用是根據來自比較環節的跟隨誤差信號，將表示位移量的電信號轉化成為機械位移。 閉環控制系統是位置反饋控制，位置檢測元件的精度很高，系統傳動鏈的誤差、環內各元件的誤差及運動中造成的誤差，均可以得到補償，因此系統的精度較高。該系統主要用于高精度或大型數控機床。 全閉環控制系統是在機床工作臺上安裝位置檢測元件，檢測工作臺的直線位移，要求檢測元件的測量范圍與工作臺移動范圍相等。而制造較長的位置檢測元件比較困難，價格高且安裝調整都比較復雜。相比之下，測量轉角要容

41、易得多。因此大部分數控機床是將位置位置檢測元件安裝在伺服電動機軸或數控機床的傳動絲杠上，這就是所謂的半閉環控制系統。由于絲杠和工作臺存在的傳動誤差得不到補償，所以半閉環控制系統要比閉環控制系統的精度低。.3.1.2 數控機床對伺服系統的要求 伺服系統作為數控系統的執行裝置，其性能直接影響機床的加工特性、生產率和加工精度。因此數控機床對伺服系統有如下要求：1、精度高。 滿足數控加工精度的要求，關鍵是保證數控機床的定位精度和進給跟蹤精度，也是伺服系統靜態特性與動態特性的具體表現。2、響應快。 為了提高生產率和保證加工質量，對伺服系統的動態性能提出兩方面的要求。一方面在頻繁地啟動、制動、加減速等動態

42、過程中，要求縮短伺服系統的過度時間，減小輪廓過渡誤差。另一方面，當負載突變時，過渡恢復時間要求短且無振蕩，才能得到光滑的加工表面。3、調速范圍寬。 為適應不同的加工條件，要求進給速度能在很寬的范圍內變化。而且在低速時，電動機能平穩運行，輸出較大的轉矩，滿足低速進給切削的要求。.3. 2 步進電動機控制系統3.2.1 步進電動機的工作原理 在開環伺服系統中，一般采用步進電動機作為執行元件，而在閉環和半閉環系統中，目前大都采用直流或交流伺服電動機作為執行元件。 步進電機是一種能將數控裝置輸入的進給脈沖轉化成角位移的特殊電機，每接受一個進給脈沖步進電機就走一步，轉過一定的角度。這個角度稱為步距角，用

43、表示。 只要控制輸入脈沖的數量，便可控制步進電機位移量大小。而控制輸入脈沖的頻率，便可控制步進電機的速度。以反應式功率步進電機為例講解其動作原理。 所謂反應式就是電機轉子上無繞組，步進運行靠定子繞組通入激磁電流產生反應力矩而實現的。 此種通電方式在A相斷電B相尚未接通時轉子齒不受磁場控制，轉子轉動不平穩。 在電機的定子上有三相繞組，故稱三相步進電機。. 首先,向A相繞組通以直流電時，A相產生磁場，吸引在A相附近的1、3齒與A相對齊，電機轉子逆時針旋轉30后停止。然后A相斷電，B相通電。則A相磁場消失，而B相產生磁場，此時，在B相磁場的作用下又吸引了最靠近B相的2 、 4齒。2 、 4齒與B相對

44、齊，轉子又逆時針方向旋轉30后停止。 按ABCAB 的順序連續通電，則步進電機一步一步地沿逆時針方向不停地旋轉。這種通電方式稱為三拍控制。即三相三拍反應式步進電機。若步進電機按ACBACBA的順序通電， 則電機反向旋轉。逆時針30逆時針30 (c)C相通電 (b)B相通電 (a)A相通電3421ABCBAC1324ABCBAC4231CABCBA.磁通4CABCBA1243逆時針15逆時針15 (c)B相通電 (b)AB相通電 (a)A相通電321ABCBAC4231CABCBA 此種通電方式在A相斷電B相尚未接通時，轉子齒不受磁場控制，轉子轉動不平穩。 如果把通電方式改為A相通電后，再AB兩

45、相同時通電.則定子附近轉子上的1-4齒, 同時受到AB兩相磁極的吸引，1-4齒將位于AB兩相磁極之間。當以AABBBCCCAA的順序通電，步進電機每接受一個脈沖逆時針方向旋轉15，這種通電方式稱為六拍控制方式。當步進電機定轉子齒數不變, 控制方式改變時,步距角可以減小一半。 這種通電方式的特點是它在整個通電過程中, 始終有一相處于通電狀態, 轉子齒始終有磁場吸引。.3.2.2 步進電動機的主要特性 1、步距角和步距誤差： 轉子每步轉過的空間機械角度，即步距角為 =360/Z*N 其中 Z-轉子齒數，N-運行拍數。 步進電機每走一步，轉子實際的角位移與設計的步距角存在有步距誤差。連續走若干步時，

46、上述誤差形成累積值。轉子轉過一圈后，回至上一轉的穩定位置，因此步進電機步距的誤差不會長期積累。步進電機步距的積累誤差，是指一轉范圍內步距積累誤差的最大值，步距誤差和積累誤差通常用度、分或者步距角的百分比表示。影響步距誤差和積累誤差的主要因素有: 齒與磁極的分度精度；鐵心迭壓及裝配精度；各相矩角特性之間差別的大小；氣隙的不均勻程度等。2、啟動頻率 啟動頻率是步進電動機由靜止狀態不失步地啟動到穩定速度，所允許的最高輸入脈沖頻率。一般均采用較低的啟動頻率啟動步進電動機，然后再逐漸升高脈沖頻率，最后達到所要求的工作頻率。 . 連續運行距頻特性 ML f 0 （V2） （V1） V1V2 3、步進電機矩

47、頻特性： 矩頻特性是用來描述步進電機連續穩定運行時輸出轉矩與連續運行頻率之間的關系曲線。矩頻特性曲線上每一頻率所對應的轉矩稱為動態轉矩。動態轉矩除了和步進電機結構及材料有關外，還與步進電機繞組連接、驅動電路、驅動電壓有密切的關系。下圖是混合式步進電機連續運行時的典型的矩頻特性曲線。4、工作頻率： 步進電動機能保持正常工作的最高頻率，稱為工作頻率.3.2.3 步進電動機的驅動電路 由步進電動機的工作原理可知，使定子繞組按順序通電，并具有一定功率的電脈沖信號，才能使其正常運轉。步進電動機的驅動電路承擔此項任務。 驅動電路通常由環形分配器和功率放大器組成。1、環形分配器 環形分配器的作用是把來自數控

48、系統的一系列指令脈沖，按一定的規律依次分配給各相功率放大器，使相應的勵磁繞組通電或斷電，以實現步進電動機按確定的工作方式工作。實現脈沖環形分配有硬件和軟件兩種方法。1）硬件脈沖環形分配器 硬件脈沖環形分配器是由門電路和觸發器組成的邏輯電路，通常把它做成專用的集成電路芯片。2）軟件脈沖環形分配器 步進電動機的驅動裝置中沒有環形分配器，脈沖分配由計算機軟件完成，即數控裝置直接控制步進電動機各繞組的通斷電。2、功率放大器 功率放大器的作用是將環形分配器或計算機輸出的電流，放大至幾安培或幾十安培，送至步進電動機的各繞組。.3.3 直流伺服電動機控制系統3.3.1 直流伺服電動機的工作原理 直流伺服電動

49、機由固定磁極（定子）、電樞（轉子）、電刷和換向片等組成。由于電刷和換向片的作用，電樞繞組中任何一根導體，只要一轉過中心線，導體內的電流必定反向，使磁極N、S下的導體內的電流方向始終如一，電流切割磁場，產生電磁轉矩。 電動機的電磁轉矩T由下式確定： T=ktIa 式中 kt轉矩系數； Ia電樞電流。 直流伺服電動機具有調速特性好、啟動力矩較大等優點，尤其是調速特性為一般交流電動機所不及，因此在數控機床上得到了廣泛的應用。.3.3.2 直流伺服電動機的調速方法 由電工知識可知，電動機電樞回路的電壓平衡方程式為： Ua= Ea+ IaRa式中：Ua電樞電壓；Ea電樞繞組的感應電動勢；Ra電樞回路總電

50、阻。 電樞繞組的感應電動勢： Ea=ken式中：ke電動勢常數； 磁通量； n電動機轉速。 由以上各式即可求得直流伺服電動機的轉速公式： n= Ua/（n）-RaT/（ ke kt ） 上式表明了直流伺服電動機的轉速與電磁轉矩的關系，此關系稱為機械特性。當轉矩T一定時，轉速n是電樞電壓Ua和磁通的函數。它表明了電動機的控制特性，就是說，改變Ua或都可以達到調節轉速n的目的。通過調節電樞電壓來控制轉速的方法叫“電樞控制”；通過調節磁通來控制轉速的方法叫“磁場控制”。前者，轉速和電樞電壓之間是線性關系，而后者轉速和電樞電壓之間是非線性關系。因此，在伺服系統中多采用“電樞控制”。.3.3.3 直流伺

51、服電動機的應用特點 數控機床大多采用永磁直流伺服電動機，其定子磁極是永磁體。按電樞慣量可分為小慣量和大慣量電動機兩大類。1、小慣量直流伺服電動機 小慣量直流伺服電動機的主要特征是電動機的轉子細而長，慣性小，響應快，適用于頻繁啟動與制動，要求有快速響應的場合，但由于它過載能力低，自身慣量比機床相應運動部件的慣量小得多，因此限制了它的廣泛應用。2、大慣量直流伺服電動機 大慣量直流伺服電動機又稱寬調速直流伺服電動機，利用提高轉矩的方法來改善調速性能，故在閉環伺服系統中應用更廣泛。其主要特點如下： 1）能承受的峰值電流和過載能力高。 2）具有大的力矩與慣量比。 3）低速時輸出力矩大。 4）調速范圍寬。

52、 5）轉子熱容量大。.3.4 交流伺服電動機控制系統3.4.1 交流伺服電動機的工作原理 當交流伺服電動機定子的三相繞組接通交流電時，產生旋轉磁場，該磁場以轉速ns旋轉。根據異性磁極相互吸引的道理，定子磁極緊緊吸引轉子的永久磁極，使其以同步轉速n（= ns ）與旋轉磁場一起旋轉。 當轉子加上負載轉矩以后，轉子磁極軸線將落后定子磁極軸線一個角，隨著負載增加，角也隨之增大，負載減小時，角也減小，只要不超過限度，轉子始終跟著定子的旋轉磁場以恒定的同步轉速ns旋轉。當負載轉矩超過一定的限度時，電動機就會“失步”，即不再按同步轉速運行甚至停轉。這一最大限度的轉矩稱為最大同步轉矩。因此，使用永磁式同步電動

53、機時，負載轉矩不能大于最大同步轉速。 近年來交流調速有了飛速的發展，它克服了直流伺服電動機結構上存在機械整流子、電刷維護困難、造價高、壽命短、應用環境受到限制等缺點，同時又堅固耐用、經濟可靠及動態響應好等優點。 交流伺服電動機分為同步伺服電動機和異步伺服電動機兩大類。同步交流伺服電動機由變頻電源供電時，可方便地獲得與頻率成正比的可變轉速，得到非常硬的機械特性及較寬的調速范圍。所以在數控伺服系統中多采用永磁式交流同步伺服電動機。.3.4.2 交流伺服電動機的調速方法 如前所述，當同步電動機的定子繞組接通交流電源時，產生一定轉速的旋轉磁場，吸引永磁式轉子磁極同步旋轉，只要負載在允許的范圍內，轉子就

54、會與磁場同步旋轉。同步電機也因此而得名。 永磁式同步電動機轉子的轉速n為 n=60f/p式中：f電源的頻率；p磁極對數。 可見，轉子的轉速只決定于電源的頻率和電機的磁極對數，與負載的大小無關。為實現交流伺服電動機的速度控制，需改變交流伺服電動機的供電頻率。因此變頻器是永磁式交流伺服電動機速度控制的一個關鍵部件。3.4.3 SPWM變頻控制器 SPWM變頻控制器是用脈沖寬度不等的一系列矩形脈沖逼近正弦波電壓或電流信號。中間脈沖寬而兩邊脈沖窄，各個脈沖的面積和與正弦波下的面積成正比，脈寬基本上按正弦分布。這種方法是一種最基本也是應用最廣泛的調制方法。 .3.5 位置控制系統3.5.1 脈沖比較伺服

55、系統 在進給伺服系統中，脈沖比較伺服系統應用比較普遍。該系統結構較為簡單，易于實現數字化的閉環位置控制。目前，脈沖比較伺服系統普遍采用光電編碼器作為位置檢測元件，以半閉環形式構成伺服系統。1、脈沖比較伺服系統的組成 下圖所示是以光電編碼器作為位置檢測元件的脈沖比較伺服系統。它主要由比較器、D/A轉換器、位置檢測元件和執行元件（伺服電動機）組成。1）比較器 完成指令信號與反饋信號的比較。2）D/A轉換器 將比較器輸出的數字信號轉變成伺服電動機模擬控制信號。3）位置檢測元件 將絲杠的轉角檢測出來并反饋給伺服系統。4）執行元件 根據比較器輸出的跟隨誤差信號，將表示位移量的電信號轉化為機械位移。 按有

56、無檢測反饋裝置，伺服系統可分為開環和閉環兩大類；若按工作原理來分，閉環控制系統又可分為脈沖比較伺服系統、相位比較伺服系統和副值比較伺服系統。.2、脈沖比較伺服系統的工作原理 脈沖比較伺服系統中，光電編碼器與伺服電動機軸連接，隨著電動機的轉動產生位置位置反饋脈沖系列輸出，脈沖的頻率將隨著轉速的快慢而升降。 設工作臺處于靜止狀態，指令脈沖F=0，反饋脈沖Pt也為零，兩脈沖信號進入比較，得位置偏差e=F- Pt=0，則伺服電動機速度控制信號為零，工作臺繼續保持靜止不動；隨著指令脈沖的輸出，F0，在工作臺尚未移動之前，反饋脈沖Pt仍然為零，經比較后的位置偏差e0。設F為正，則e=F- Pt0，偏差e經

57、D/A轉換變成模擬電壓，控制伺服電動機驅動工作臺正向進給；隨著電動機的運轉，光電編碼器的反饋脈沖Pt變成零狀態，如e=F- Pt0，繼續運動，不斷反.3.5.2 相位比較伺服系統 相位比較伺服系統是采用相位比較方法實現位置閉環控制的伺服系統，是高性能數控機床所使用的一種伺服系統。它工作可靠，抗干擾能力強，精度高，但結構復雜，調試也較困難。相位比較伺服系統常使用感應同步器和旋轉變壓器作為檢測元件，并以相位方式工作。1、相位比較伺服系統的組成 下圖所示是采用感應同步器作為位置檢測元件的相位比較伺服系統。它主要由基準信號發生器、脈沖調相器、鑒相器、伺服放大器、檢測元件和執行元件等組成。1）基準脈沖發生器 輸出一系列具有一定頻率的脈沖信號，為伺服系統提供一個相位比較的基準。2）脈沖調相器 將數控裝置的進給脈沖信號轉換為相位變化信號。3）鑒相器 將指令信