1、數控技術本課程的目的與要求 通過本課程的學習，使得學生能夠了解數控技術在現代制造業中的重要地位和發展方向、數控技術的發展歷史、現狀與趨勢；掌握數控技術中幾何運動控制和伺服控制的各種基本理論，比較全面的學習數控系統、伺服系統的原理和應會的技術。 本課程定位原理與應用 原理為主元件與系統 通過元件掌握系統定性與定量 重在定性，但建立必要的 概念掌握與了解 局部掌握，整體了解第一章 緒 論第一節 概 述一、基本概念什么是數控 即數字控制（Numerical Control )簡稱，是指利用數字化信息進行 控制，其控制對象可以是各種生成過程。什么是機床數控技術 用數字化信息對機床運動及其加工過程進行控

2、制的一種技術。什么是數控機床 (Numerical Control MachineTools) 第一節 概 述 數控機床是一個裝有數字控制系統的機床，該系統能夠處理加工程序，控制機床自動完成各種加工運動和輔助運動。二、數控機床的加工原理 數控機床組成及加工過程如下圖所示。第一節 概 述(1) 程序載體人和數控機床聯系的媒介物。 (也稱控制介質、輸入介質、信息載體)穿孔紙帶、盒式磁帶、軟磁盤或其他可以儲存代碼的載體 ，USB接口，有些直接集成在CAD/CAM中或連接上級計算機的DNC(直接數控)輸入 。程序格式（編碼標準）：EIA & ISO (2) 數控裝置數控機床的核心部分，也是區別于普通機

3、床最重要的特征之一。數控裝置完成加工程序的輸入、編輯及修改，實現信息存儲、數據轉換、代碼交換、插補運算以及各第一節 概 述 種控制功能。大多數具有網絡通信功能，可以實現加工程序的高速、可靠傳輸和加工狀態的實時反饋，以保證加工資源和加工信息的共享。(3) 伺服系統作用是把來自數控裝置的脈沖信號轉換成機床移動部件的運動，包括信號放大和驅動元件。幾個進給軸實現聯動可以完成點位、直線、平面曲線，甚至具有空間曲線特征的復雜零件加工。伺服驅動系統性能好壞直接決定加工精度、表面質量和生產率。第一節 概 述脈沖當量 相對于每個脈沖信號，機床移動部件的位移，常見的有：0.01mm，0.005mm，0.001mm

4、(4) 機床本體包括床身、主軸、進給機構、刀架及自動換刀裝置等，是自動地完成各種切削加工的機械部分。與傳統的機床相比，數控機床本體設計的特點： 采用具有高剛度、高抗震性及較小熱變形的機床新結構。廣泛采用高性能的主軸伺服驅動和進給伺服驅動裝置。第一節 概 述 采用高傳動效率、高精度、無間隙的傳動裝置和運動部件 第一節 概 述(5) 輔助裝置保證充分發揮數控機床功能所必需的配套裝置。包括氣動、液壓裝置，排屑裝置，冷卻、潤滑裝置，回轉工作臺和數控分度頭，防護，照明等各種輔助裝置。(6) 測量裝置位置和速度測量裝置，以實現進給伺服系統的閉環控制。保證靈敏、準確地跟蹤CNC裝置指令： 進給運動指令：實現

5、零件加工的成形運動 主軸運動指令，實現零件加工的切削運動 第一節 概 述三、零件的數控加工過程第二節 數控機床的特點和分類第二節 數控機床的特點和分類一、數控機床的特點加工精度高：目前數控裝置的脈沖當量（一般為0.001mm，高精度的數控系統可達0.1um。 而切削進給傳動鏈的反向間隙與絲杠螺距誤差等均可由數控裝置進行補償，因此，數控機床能達到比較高的加工精度，一般可達0.0050.1mm。對于中、小型數控機床，定位精度普遍可達到0.03mm，重復定位精度為0.01mm。(2)能完成復雜零件的加工：由于具有多軸聯動功能。第二節 數控機床的特點和分類(3)生產效率高：與普通機床相比可提高生產效率

6、35倍。對于復雜成型面的加工，生產效率可提高十倍到幾十倍.(4)適應性強：被加工零件改型設計后，在數控機床上只需變換零件的加工程序，調整刀具參數等，生產準備周期大為縮短。(5)有利于實現生產及管理的自動化：如CAD/CAM、CIMS等系統。(1) 按運動軌跡分類點位控制（Point to Point Control ） 或位置控制（Positioning）數控機床 第二節 數控機床的特點和分類這類機床只能控制工作臺或刀具從一個位置精確地移動到另一位置，在移動過程中不進行加工。如數控鏜、鉆、沖，數控點焊機及數控折彎機等。第二節 數控機床的特點和分類直線控制（Straightline Contro

7、l ） 數控機床 這類機床控制工作臺或刀具從一個位置到另一位置間的運動軌跡為直線，并能控制位移的速度，在移動過程中要進行加工。 如數控車、數控銑等。第二節 數控機床的特點和分類輪廓控制Contouring Control數控機床 這類機床能夠同時對兩個或兩個以上坐標軸進行連續控制，具有插補功能。如數控銑、車、磨及加工中心等是典型的輪廓控制數控機床，數控火焰切割機、數控線切割等也都采用輪廓控制系統。坐標聯動加工 第二節 數控機床的特點和分類(2) 按伺服系統控制方式分類開環控制系統 無位置反饋，精度相對閉環系統來講不高，其精度主要取決于伺服驅動系統和機械傳動機構的性能和精度；一般以功率步進電機作

8、為伺服驅動元件；具有結構簡單、工作穩定、調試方便、維修簡單、價格低廉等優點，在精度和速度要求不高、驅動力矩不大的場合得到廣泛應用。一般用于經濟型數控機床。第二節 數控機床的特點和分類閉環控制（Closed Loop Control）系統 從理論上講，可以消除整個驅動和傳動環節的誤差、間隙和失動量。具有很高的位置控制精度。由于位置環內的許多機械傳動環節的摩擦特性、剛性和間隙都是非線性的，故很容易造成系統的不穩定，使閉環系統的設計、安裝和調試都相當困難。該系統主要用于精度要求很高的鏜銑床、超精車床、超精磨床以及較大型的數控機床等。第二節 數控機床的特點和分類半閉環控制（Semi-closed Lo

9、op Control）系統 半閉環環路內不包括或只包括少量機械傳動環節，因此可獲得穩定的控制性能，其系統的穩定性雖不如開環系統，但比閉環要好。由于絲杠的螺距誤差和齒輪間隙引起的運動誤差難以消除。因此，其精度較閉環差，較開環好。但可對這類誤差進行補償，因而仍可獲得滿意的精度。半閉環數控系統結構簡單、調試方便、精度也較高，因而在現代CNC機床中得到了廣泛應用。第二節 數控機床的特點和分類(3) 按功能水平分類 數控裝置的性能指標反映了數控系統的基本性能，是選擇數控系統的主要依據，概括起來如下：1控制軸數和聯動軸數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、進給速度和調節范圍6插

10、補功能 7準備功能（G功能）、輔助功能（M功能）8誤差補償功能 9.自動加減速功能10.通信功能 11.故障診斷功能第二節 數控機床的特點和分類低、中、高檔的界限是相對的，尚沒有一個確切的定義，不同時期的劃分標準有所不同。從目前的發展水平來看，大體可從下面幾個方面來區分(4) 按工藝用途分類切削加工類：數控銑床、數控車床、數控磨床、加工中心、數控齒輪加工機床、FMC等。金屬成型類：數控折彎機、數控彎管機、數控沖壓機等。特種加工類：數控線切割機、火焰切割機、電火花加工機、 激光加工機等。非加工設備類：數控測量機、自動繪圖機、工業機器人等 第三節 數控機床的發展機床的發展概況古代的原始機床1774

11、年英國人威爾金森發明了比較精密的炮筒鏜床，用這樣的鏜床鏜出了汽缸，滿足蒸汽機的要求。采用天軸傳動，如奔馳汽車加工車間。1797年英國人莫斯利（機床之父）發明了車床，用絲杠帶動刀架，實現了機動進給。20世紀為了精加工的需要出現了坐標鏜床；為了適應汽車等大批量零件加工的需要，出現了自動機床、仿形機床、組合機床。 第三節 數控機床的發展 半個多世紀以來，數控技術得到了迅猛發展，數控機床發展至今已經歷了三個階段和八代：在體系結構上，數控系統經歷了三個階段：1952-1970：NC（硬線數控）1970- ：CNC(計算機數控)(+高速高精度CNC階段)1994- ：PC-NC（PC數控）從硬件角度看，數

12、控系統經歷了八代發展：NC（以電子管、晶體管和小規模集成電路應用為標志 ）CNC（以小型計算機、微機、超大規模集成電路、32位微機應用于數控系統為標志 ）PC-NC（借助PC機豐富的軟硬件資源 ）第三節 數控機床的發展 自從1952年美國麻省理工學院研制出世界上第一臺三坐標數控銑床以來，幾個發展階段：1. 硬件數控階段（19521970）第一代：1952年 ,電子管控制的第一臺三坐標聯動的銑床;第二代：1959年,出現了晶體管控制的“加工中心”;第三代：1965年,出現了小規模集成電路；以上三代數控系統都是采用專用控制硬件邏輯數控系統,稱為普通數控系統,即NC系統.第三節 數控機床的發展2.

13、計算機數控系統發展和完善階段（19701986)第四代：1970年，小型計算機為核心的計算機數控系統（CNC），原來由硬件實現的功能逐步由軟件完成。第五代：1974年，出現采用微處理器芯片的CNC系統，使數控系統達到了普及的程度。第六代：1980年左右，采用超大規模集成電路、大容量存儲器、CRT的CNC系統，具有了交互式對話編程，圖形顯示功能，柔性化、模塊化結構。第三節 數控機床的發展3. 高速高精度CNC的開發與應用階段（1986）第七代：32位CPU在CNC中得到應用，1986年三菱電機公司率先推出了CPU為86020的32位CNC，并逐漸成為當今數控系統的主流。4. 基于PC的開發式CN

14、C的開發與應用階段（1994 ）第八代：1994年基于PC的CNC控制器在美國首先亮相市場。第三節 數控機床的發展我國數控機床的研制始于1958年，由清華大學研制出了最早的樣機。1966年誕生了第一臺用于直線圓弧插補的晶體管數控系統。1970年北京第一機床廠的XK5040型數控升降臺銑床作為商品，小批量生產并推向市場。但由于相關工業基礎差，尤其是數控系統的支撐工業電子工業薄弱，致使在19701976年間開發出的加工中心、數控鏜床、數控磨床及數控鉆床因系統不過關，多數機床沒有在生產中發揮作用。80年代前期，在引入了日本FANUC數控技術后，我國的數控機床才真正進入小批量生產的商品化時代。如北京機

15、床研究所從日本FANUC公司引進FANUC3、FANUC5、FANUC6、FANUC7系列產品的制造技術。經過“八五”、“九五”的公關，開發出了一批自主版權的中高檔數控系統，如中華I型、航天I型、華中I型等。我國裝備制造業經歷了： 50年代的“蘇聯一邊倒” 60-70年代的自力更生 80年代后全方位引進與研制產品品種達3500種 其中數控及其新技術產品達1500種左右，覆蓋超重型、高精度、納米級超精度、特種加工、五軸聯動數控機床等前沿技術領域。立式數控機床的工作臺可加工直徑16m的工件臥式數控機床可加工直徑4.5m的工件北京機床所研制的納米級數控機床 （機械移動量達5nm）五軸聯動數控龍門銑床

16、第四節 數控機床的發展趨勢1 運行高速化2 加工高精度3 控制智能化4 功能復合化5 交互網絡化6 開放式結構7 并聯機構機床1. 運行高速化進給、主軸、刀具交換、托盤交換等實現高速化，并具有高加（減）速度。 進給率高速化：在分辨率為1m時，Fmax=240m/min，可獲得復雜型面的精確加工；在程序段長度為1mm時，Fmax=30m/min，并且具有1.5g的加減速率；第四節 數控機床的發展趨勢反饋信號：4MHz第四節 數控機床的發展趨勢在高效加工中心上達到90 m/min的快移速度和1g的加速度.直線電機作為高效驅動元件正被廣為應用，尤其在激光切割和高速加工中。直線電機平面電機換刀速度0.

17、9秒（刀到刀）2.8秒（切削到切削）工作臺（托盤）交換速度 6.3秒。主軸高速化：采用電主軸(內裝式主軸電機)，主軸電機的轉子軸就是主軸部件。主軸最高轉速達200000r/min。主軸轉速的最高加（減）速為1.0g ，即僅需1.8秒即可從0提速到15000r/min。第四節 數控機床的發展趨勢Spindle Motor 2. 加工高精化 提高機械的制造和裝配精度；提高數控系統的控制精度；采用誤差補償技術。IC制造裝備、納米控制。 提高CNC系統控制精度：采用高速插補技術，以微小程序段實現連續進給，使CNC控制單位精細化；采用高分辨率位置檢測裝置，提高位置檢測精度（日本交流伺服電機已有裝上106

18、 脈沖/轉的內藏位置檢測器，其位置檢測精度能達到0.01m/脈沖）位置伺服系統采用前饋控制與非線性控制等方法。第四節 數控機床的發展趨勢采用誤差補償技術：采用反向間隙補償、絲桿螺距誤差補償和刀具誤差補償等技術;設備的熱變形誤差補償和空間誤差的綜合補償技術。研究表明，綜合誤差補償技術的應用可將加工誤差減少6080。三井精機的JidicH5D型超精密臥式加工中心的定位精度為0.1m。第四節 數控機床的發展趨勢3. 控制智能化 隨著人工智能技術的不斷發展，為滿足制造業生產柔性化、制造自動化發展需求，數控技術智能化程度不斷提高，體現在：第四節 數控機床的發展趨勢 加工過程自適應控制技術：通過監測主軸和

19、進給電機的功率、電流、電壓等信息，辯識出刀具的受力、磨損以及破損狀態，機床加工的穩定性狀態；并實時修調加工參數（主軸轉速，進給速度）和加工指令，使設備處于最佳運行狀態，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。加工參數的智能優化:將零件加工的一般規律、特殊工藝經驗，用現代智能方法，構造基于專家系統或基于模型的“加工參數的智能優化與選擇器”，獲得優化的加工參數，使加工系統始終處于較合理和較經濟的工作狀態。第四節 數控機床的發展趨勢目前已開發出自學習功能的神經網絡電火花加工系統。日本大隈公司的7000系列數控系統具有人工智能自動編程功能。 智能化交流伺服驅動裝置：自動識別負載、自動調

20、整控制參數,包括智能主軸和智能化進給伺服裝置，使驅動系統獲得最佳運行。 智能故障診斷與自修復技術 智能故障診斷技術：根據已有的故障信息，應用現代智能方法，實現故障快速準確定位。智能故障自修復技術：根據診斷故障原因和部位，以自動排除故障或指導故障的排除技術。集故障自診斷、自排除、自恢復、自調節于一體，貫穿于全生命周期。智能故障診斷技術在有些數控系統中已有應用，智能化自修復技術還在研究之中。第四節 數控機床的發展趨勢4. 功能復合化復合化：在一臺設備上實現多種工藝步驟的加工，縮短加工鏈車銑復合車削中心（ATC，動力刀頭）；鏜銑鉆復合加工中心（ATC）、五面加工中心（ATC，主軸立臥轉換）；銑鏜鉆車

21、復合復合加工中心；可更換主軸箱的數控機床組合加工中心；集車削和激光加工于一體的機床；測量/制造復合，在加工后對工件進行在線測量第四節 數控機床的發展趨勢數字化測量與數控仿形技術 盡管CAD/CAM技術和數控機床已得到廣泛應用，起于20世紀60年代的機械-電氣仿形加工仍是一種復雜零件加工的重要手段?，F已被簡潔可靠的數字控制方式取代。 數字仿形加工系統，不僅可復制出與實物模型形狀尺寸完全相同的零件，而且可以采集反映模型輪廓表面的點集，建立描述該實物模型幾何形體的完整的數據庫。利用所采集的數據，編制數控加工指令，提供給數控機床，即可加工出原實物模型的復復制品。數字化仿形加工，測量是關鍵環節，三坐標測

22、量技術目前已基本解決測量精度問題，現在面臨的問題是復雜形狀零件的自動測量和數據處理，國內外學者在這方面做了大量工作，典型的成就如下： 日本的MAKINO公司的FDNCC系列的立式數控仿形銑床，可實現高效的數控加工和仿形加工。意大利Mandelli公司生產的Mandelli7型數控加工中心，配上英國的RENISHAW三維電感測頭，也構成一個數控仿形測量與加工系統。 這幾種系統的特點是利用數控機床本身的數控坐標系統，進行實物模型仿形測量的同時仿形加工，得到實物模型的數字化模型，然后處理成數控加工指令，加工出實物的復制品。 實物幾何形體的數字化模型還可以用數控三坐標測量機。如上海機床廠生產的PMM系

23、列數控三坐標測量機，使用MECAL測量軟件，實現實物模型的仿形測量，得到數字化模型。 這些實踐蘊含著3M(Measuring、Modeling and Manufacturing)集成化思想。5. 交互網絡化 支持網絡通訊協議，既滿足單機DNC需要，又能滿足FMC、FMS、CIMS、靈捷制造TEAM（technology enabling agile manufacture）對基層設備集成要求的數控系統。網絡資源共享。數控機床的遠程（網絡）控制。數控機床故障的遠程（網絡）診斷。數控機床的遠程（網絡）培訓與教學（網絡數控）第四節 數控機床的發展趨勢數控系統中采用網絡與光纖通訊技術實現運動和I/O

24、的控制是數控技術的發展方向。數控中：德國Intrtamat的SERCOS、美國DELTATAU的Mcro-Link、日本FANUC的SERVO-Link、日本三菱的Tro-Link等。由于技術封鎖等原因，各系統中光纖通訊采用的協議沒有兼容性和互換性，要求伺服驅動器以及I/O模塊必須具有相應協議的光纖通訊接口，這樣的系統軟硬件開放性較差，而且系統的成本也較高。另外的網絡通訊協議：ARCNET、CAN Bus、Profibus、USB、IEEE1394 。第四節 數控機床的發展趨勢第四節 數控機床的發展趨勢IEEE1394的前身即FireWire，是1986年由蘋果電腦公司針對高速數據傳輸所開發的

25、一種串行數據傳輸協議，并于1995年獲得美國電機電子工程師協會認可成為正式新標準?，F在大家看到的IEEE1394、FireWire和i.LINK其實指的都是這個標準，通常，在PC個人計算機領域將它稱為IEEE1394，在電子消費品領域則更多的將它稱為i.LINK。IEEE1394（FireWire）：高速串行數據傳輸的開放式技術標準，通訊速度最高達400MHz；第四節 數控機床的發展趨勢目前IEEE1394技術使用最廣的是數字成像領域，支持的產品包括數字相機或攝像機等。IEEE1394可以采用光纖進行信息的傳輸，大大地提高了系統的通訊速度和數據傳輸距離以及數據傳輸的可靠性。PC光纖通訊卡Fir

26、e Wire ）系統既具有了PMAC與SERCOS控制卡兩者的優勢，又在工藝性和配套性方面取得了新進展?；贔ire Wire的數控系統硬件結構圖 用戶對控制器的要求開放性：可重構性、可維護性、允許用戶進行二次開發模塊化：具有平臺無關性接口協議：可傳遞性、可移植性 可進化性：智能化NC語言統一化：中性語言NML： FADL、OSEL競爭性：經濟性、可靠性適應計算機技術發展的生產系統的開放化第四節 數控機床的發展趨勢第四節 數控機床的發展趨勢6. 開放式數控系統特征模塊間接口協議描述精確，允許各模塊獨立開發；允許體系結構本身能被擴展；系統構件（軟件和硬件）具有標準化(Standardizatio

27、n)與多樣化( Diversification)和互換性(Interchangeability)的特征允許通過對構件的增減來構造系統，實現系統“積木式”的集成。構造應該是可移植的和透明的；開放式體系結構（IEEE）：具有在不同的工作平臺上均能實現系統功能、且可以與其他的系統應用進行互操作的系統。第四節 數控機床的發展趨勢開放式體系結構數控的優點數控系統廠品種減少、批量增加，易于滿足用戶要求；開放式的標準框架，促進各行業的軟件廠商參與；軟件開發效率提高，產品更新加快。機床廠可使整機具有個性化，降低開發成本。減少對系統廠的依賴，保護自己專有技術。最終用戶方面購買機床時的初期成本透明化；機械設備變更

28、時，而降低壽命周期成本；能實現用戶自身獨特的的FA系統設計；用戶界面的一致性，易于使用和培訓； 1987年，美國提出了下一代控制器計劃NGG(Next Generation Workstation/Machine Controller)和開放式系統體系結構標準SOSAS(Standards of Open System Architecture for Automatic Systems)，首次提出了開放式體系結構的概念。 1992年，歐共體開始實施自動化系統控制裝置的開放系統體系結構計劃OSACA。經過十多年的發展，開放性一詞已經深入人心，并且體現在相關產品中。開放式數控系統成為CNC發展的

29、潮流。 一般來說，對于開放式數控系統都強調五個方面的性能特征： 即插即用(plug&play):數控功能采用模塊化的結構且各模塊具有即插即用的能力，以滿足具體控制功能要求。 可移植性(portability):功能模塊可運行于不同的控制系統內。 可擴展性(expandability):功能相似、接口相同的模塊之間可相互替換，有隨技術進步而更新硬軟件的可能。 可縮放性(scalability):控制系統的大?。K的數量與實現）可根據具體的應用增減，成為規模化系列產品。 互操作性(interoperability):模塊之間能相互協作(交換數據)，容易實現和其他自動化設備互連。 因此，一個完全開

30、放的數控系統應該是：以分布式控制原則，采用系統、子系統和模塊分級式的控制結構，其構造應該是可移植的和透明的。利用現有PC機的軟硬件規范設計開放式數控系統，從研究進展及實現技術上看，主要有以下三種：1）數控專用模板嵌入通用PC機構成的數控系統 以國內具有開放式系統特點的華中I型數控系統為例，該系統采用了以PC機為硬件平臺,DOS,Windows操作系統及其豐富支持軟件為軟件平臺的開放式體系結構，如圖1所示。與傳統CNC系統相比，這種系統具有軟硬件資源的通用性、豐富性、透明性、軟件的可再生性；便于引入新技術進行升級、換代的優點。 串口并口鍵盤軟驅硬盤顯卡網卡顯示器主CPU及主板NC模板主軸主軸編碼

31、器 開關量輸入（操作按鈕機床檢測輸入）開關量輸出（按鈕顯示燈，機床繼電器控制）伺服電機多功能板輸入板輸出板位置控制圖1 數控專用模板嵌入PC機結構ISA總線 這種數控系統在PC機上嵌入的數控專用模板有:內裝式PLC單元，由光電隔離開關量輸入板,光電隔離開關量輸出板及多功能板.系統的位置單元接口可根據使用伺服單元的不同而有不同的具體實現方法:當伺服單元為數字式交流伺服時,位置單元接口采用串口通訊板;當伺服 單元為模擬式交流伺服時,位置單元接口采用位置環板.系統帶RS232C接口,可直接CAD/CAM連接,帶網絡卡可連入工廠網絡。2）通用PC機與開放式可編程運動控制器構成的數控系統 機床運動控制,邏輯控制功能由獨立的運動控制器完成,運動控制器通常由以PC硬件插件的形式構成系統。數控上層軟件(數控程序編輯,人機界面等)以PC為平臺,是Windows等主流操作系統上的標準應用,并支持用戶定制。 以美國DELTA TAU公司九十年代推出的PMAC (progra -mmable mult