數控技術根底與應用西安思源學院機電系數控技術教研室2023/9/201數控加工技術實訓1、產生背景從工業化革命以來人們實現機械加工自動化的手段有：自動機床組合機床專用自動生產線它們存在固有的缺點：初始投資大準備周期長柔性差主軸承蓋加工數控組合機床軸承蓋加工自動線1.1數控機床的產生于開展2023/9/202數控加工技術實訓上述方法僅適用批量較大的零件生產。然而，隨著市場競爭的日趨劇烈產品更新換代周期縮短，批量大的產品越來越少，而小批量產品的生產所占的比重越來越大，約占總加工量的80％以上。在航空、航天、重型機床以及國防部門尤其如此。因此，迫切需要一種精度高、柔性好的加工設備來滿足上述需求，這是機床數控技術產生和開展的內在動力。另一方面，電子技術和計算機技術的飛速開展那么為NC機床的進步提供了堅實的技術根底，這是機床NC技術產生和開展的可能性。NC技術正是在這種背景下誕生和開展起來的。它極其有效地滿足了上述要求，為小批量、精密復雜的零件生產提供了自動化加工手段。它的產生給自動化技術帶來了新的概念，推動了加工自動化技術的開展。1.2數控加工的根本知識2023/9/203數控加工技術實訓數控加工與傳統加工的比較工藝分析數控加工程序工序卡傳統加工數控加工圖2傳統加工與數控加工的比較圖第一章數控技術概述2023/9/204數控加工技術實訓1-1數控技術的根本概念與特點二數控技術的特點

提高加工精度提高生產效率改善工作條件有利于生產管理便于實現自動化便于實現網絡化便于實現智能化2023/9/205數控加工技術實訓1.2數控加工的根本知識數字控制：NumericalControl—NC數控技術：用數字信號控制機床的技術。數控機床：裝備了數控系統的機床。2023/9/206數控加工技術實訓1、數字控制〔NumericalControlNC〕是一種借助數字、字符或其它符號對某一工作過程〔如加工、測量、裝配等〕進行可編程控制的自動化方法。2、數控技術〔NumericalControlTechnology〕采用數字控制的方法對某一工作過程實現自動控制的技術。1.2.1數控加工的根本術語2023/9/207數控加工技術實訓3、數控機床〔NumericalControlMachineTools〕是采用數字控制技術對機床的加工過程進行自動控制的一類機床。它數控技術典型應用的例子。4、數控系統〔NumericalControlSystem〕實現數字控制的裝置。5、計算機數控系統〔ComputerNumericalControlCNC〕以計算機為核心的數控系統。1.2.1數控加工的根本術語2023/9/208數控加工技術實訓2、開展沿革1952研制了世界第一臺三坐標立式數控銑床。50-60年代，開展到NC〔硬件數控〕階段。70年代，開展到CNC〔計算機數控〕階段。80年代，出現高速高精度CNC的開發和應用階段。90年代，基于PC的開放式CNC的開發與應用。當代，也主要是基于PC的CNC開放式系統，軟件有所提高。1.2數控加工的根本知識2023/9/209數控加工技術實訓1-2數控技術的產生與開展一、數控技術的產生1948年：麻省理工學院&帕森斯公司研制1952年：世界第一臺三坐標數控銑床誕生1955年：投入實用階段注：該數控機床是在1946年計算機問世的前提下誕生的，數控系統由電子管構成且為硬線數控系統2023/9/2010數控技術*1952年，第一臺數控機床在MIT問世，成為世界機械工業史上一件劃時代的事件，推動了自動化的開展。當時控制程序是記錄在紙帶上的字符和數字，故稱數字控制機床。*1955年，第一臺商業數控機床在美國全國機床展覽會上展出。圖第一臺數控機床2023/9/2011數控加工技術實訓1.4.1數控技術的產生與開展計算機技術的每一點進步都在推動數控技術向前開展?！傲?電子管，1952，ParsonsCorp.,MIT,美空軍后勤司令部合作，第一臺立式銑；

2晶體管、印刷電路，1959，晶體管元件的出現使電子設備的體積大大減小，數控系統中廣泛采用晶體管和印刷電路板，K&T開發第一臺加工中心

MILWAUKEE-MATIC。3小規模集成電路,1965,由于它體積小、功耗低，，使數控系統的可靠性得以進一步提高。1967英國最初的FMS.4通用小型計算機,1970，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，特征為許多數控功能由軟件完成。5微處理器，1974，開始出現的以微處理器為核心的數控系統被人們譽為第五代數控系統，近30年來，裝備微處理機數控系統的數控機床得到飛速開展和廣泛應用。6基于PC〔PC-BASED〕的數控,20世紀80年代，基于PC開發式數控系統。1.4數控技術的開展2023/9/2012數控加工技術實訓1-2數控技術的產生與開展二、數控技術的開展從NC開展到CNCMC〔加工中心〕的開展DNC〔直接數字控制〕的開展FMC〔柔性制造單元〕的開展FMS〔柔性制造系統〕的開展CIMS〔計算機集成制造系統〕的開展IMS〔智能制造系統〕的開展2023/9/2013數控加工技術實訓1-2數控技術的產生與開展“六五〞〔1981~1985年〕引進國外技術“七五〞〔1986~1990年〕消化吸收“八五〞〔1991~1995年〕科技攻關“九五〞〔1996~2000年〕產業化攻關三、我國數控技術的開展1958年：開始進行數控機床研制〔JCS-018〕富有成效的研制四階段2023/9/2014數控加工技術實訓1-2數控技術的產生與開展所取得的成果〔到達當時世界先進水平〕“華中Ⅰ型〞數控系統〔華中科技大學〕“中華Ⅰ型〞數控系統〔珠峰數控公司〕“藍天Ⅰ型〞數控系統“航天Ⅰ型〞數控系統2023/9/2015數控加工技術實訓1.4.2數控技術開展趨勢1．高速高精度機床向高速化方向開展，可充分發揮現代刀具材料的性能，可大幅度提高加工效率、降低加工本錢，提高零件的外表加工質量和精度。

上世紀90年代以來，高速主軸單元〔電主軸，轉速15000－100000r/min〕、高速且高加/減速度的進給運動部件〔快移速度60~120m/min，切削進給速度高達60m/min〕、高性能伺服系統以及工具系統都出現了新的突破。圖切削速度的開展2023/9/2016數控加工技術實訓現代科學技術的開展，對機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，到達5微米；精密加工精度提高了兩個數量級，超精密加工精度進入納米級〔0.001微米〕，主軸回轉精度要求到達0.01~0.05微米，加工圓度為0.1微米，加工外表粗糙度Ra=0.003微米等。近10多年來，普通級數控機床的加工精度已由±10μm提高到±5μm，精密級加工中心的加工精度那么從±3~5μm，提高到±1~1.5μmRaδVFVC250.10100002500200.0880002000150.06

60001500100.044000100050.0220005000RaδVfVC19931994199519961997年度Ra——外表粗糙度〔um〕，δ——加工誤差〔um〕，Vf——進給速度〔mm/min〕，Vc——切削速度〔m/min〕圖1-8數控機床的高速化對加工質量的影響1.2數控技術開展趨勢2023/9/2017數控加工技術實訓工藝分析數控加工程序工序卡傳統加工數控加工傳統加工與數控加工的比較圖1.4數控機床的工作原理及組成2023/9/2018數控加工技術實訓數控加工過程示意圖1.4數控機床的工作原理及組成2023/9/2019數控加工技術實訓數控機床加工零件的工作過程分以下幾個步驟：根據被加工零件的圖樣與工藝方案，用規定的代碼和程序格式編寫加工程序所編寫程序指令輸入數控裝置數控裝置將程序(代碼)進行譯碼、運算之后，向機床各個坐標的伺服機構和輔助控制裝置發出信號，以驅動機床的各運動部件，并控制所需要的輔助動作，最后加工出合格的零件

1.4數控機床的工作原理及組成2023/9/2020數控加工技術實訓1-3數控機床的工作原理與數控系統的分類數控機床的組成與工作原理2023/9/2021數控加工技術實訓操作面板它是操作人員與數控裝置進行信息交流的工具。組成：按鈕站、狀態燈、按鍵陣列〔功能與計算機鍵盤一樣〕和顯示器；。它是數控機床特有部件。1-3數控機床的工作原理與數控系統的分類2023/9/2022數控加工技術實訓控制介質與輸入輸出設備控制介質是記錄零件加工程序的媒介輸入輸出設備是CNC系統與外部設備進行交互裝置。交互的信息通常是零件加工程序。即將編制好的記錄在控制介質上的零件加工程序輸入CNC系統或將調試好了的零件加工程序通過輸出設備存放或記錄在相應的控制介質上。數控機床常用的控制介質和輸入輸出設備見表1：1-3數控機床的工作原理與數控系統的分類2023/9/2023數控加工技術實訓表1控制介質和輸入輸出設備表1-3數控機床的工作原理與數控系統的分類2023/9/2024數控加工技術實訓通訊現代的數控系統除采用輸入輸出設備進行信息交換外，一般都具有用通訊方式進行信息交換的能力。它們是實現CAD/CAM的集成、FMS和CIMS的根本技術。采用的方式有：串行通訊〔RS-232等串口〕、自動控制專用接口和標準〔DNC方式，MAP協議等〕網絡技術〔internet，LAN等〕。1-3數控機床的工作原理與數控系統的分類2023/9/2025數控加工技術實訓CNC裝置(CNC單元)組成：計算機系統、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調配合，合理組織，使整個系統有條不紊地進行工作的。CNC裝置是CNC系統的核心1-3數控機床的工作原理與數控系統的分類2023/9/2026數控加工技術實訓伺服單元、驅動裝置和測量裝置伺服單元和驅動裝置主軸伺服驅動裝置和主軸電機進給伺服驅動裝置和進給電機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。作用保證靈敏、準確地跟蹤CNC裝置指令：進給運動指令：實現零件加工的成形運動〔速度和位置控制〕。主軸運動指令，實現零件加工的切削運動〔速度控制〕1-3數控機床的工作原理與數控系統的分類2023/9/2027數控加工技術實訓

PLC、機床I/O電路和裝置PLC(ProgrammableLogicController)：用于完成與邏輯運算有關順序動作的I/O控制，它由硬件和軟件組成；機床I/O電路和裝置：實現I/O控制的執行部件(由繼電器、電磁閥、行程開關、接觸器等組成的邏輯電路；功能：接受CNC的M、S、T指令，對其進行譯碼并轉換成對應的控制信號，控制輔助裝置完成機床相應的開關動作接受操作面板和機床側的I/O信號，送給CNC裝置，經其處理后，輸出指令控制CNC系統的工作狀態和機床的動作。1-3數控機床的工作原理與數控系統的分類2023/9/2028數控加工技術實訓機床機床：數控機床的主體，是實現制造加工的執行部件。組成：由主運動部件、進給運動部件〔工作臺、拖板以及相應的傳動機構〕、支承件〔立柱、床身等〕以及特殊裝置〔刀具自動交換系統工件自動交換系統〕和輔助裝置〔如排屑裝置等〕。1-3數控機床的工作原理與數控系統的分類2023/9/2029數控加工技術實訓

按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、數控沖裁機等。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。數控機床的分類1-3數控機床的工作原理與數控系統的分類2023/9/2030數控加工技術實訓一、按加工工藝方法分類1、一般數控機床切削加工類：捷克托斯數控鏜床CKA6150數控車床哈挺數控磨床1.3數控機床的分類2023/9/2031數控加工技術實訓成型加工類：數控折彎機數控彎管機數控型材彎弧機1.3數控機床的分類內容講解2023/9/2032數控加工技術實訓特種加工類：火花成型線切割機火花小孔激光加工1.3數控機床的分類2023/9/2033數控加工技術實訓其它類型：三坐標測量機CNC影像儀1.3數控機床的分類2023/9/2034數控加工技術實訓德馬吉立式加工中心2、帶自動換刀裝置的數控機床〔加工中心〕臥式加工中心德馬吉萬能車削中心1.3數控機床的分類2023/9/2035數控加工技術實訓點位控制數控系統僅能實現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。二、按控制系統功能特點分類1.3數控機床的分類2023/9/2036數控加工技術實訓2023/9/2037數控加工技術實訓點位直線控制數控系統點位直線控制數控機床的特點是機床移動部件不僅要實現由一個位置到另一個位置的精確移動定位，而且能夠實現平行坐標軸方向的直線切削加工運動。

點位直線數控機床雖然擴大了點位控制數控機床的工藝范圍，但它的應用仍然受到了很大的限制

運動過程中不進行任何加工。適用范圍：簡易數控車床、數控銑鏜床。1.3數控機床的分類2023/9/2038數控加工技術實訓輪廓控制數控系統輪廓控制(連續控制)系統：具有控制幾個進給軸同時諧調運動(坐標聯動)，使工件相對于刀具按程序規定的軌跡和速度運動，在運動過程中進行連續切削加工的數控系統。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。現代的數控機床根本上都是裝備的這種數控系統。1.3數控機床的分類2023/9/2039數控加工技術實訓2023/9/2040數控加工技術實訓三、按伺服系統的特點分類按數控系統的進給伺服子系統有無位置測量裝置可分為開環數控系統和閉環數控系統，在閉環數控系統中根據位置測量裝置安裝的位置又可分為全閉環和半閉環兩種。1.3數控機床的分類2023/9/2041數控加工技術實訓開環數控系統沒有位置測量裝置，信號流是單向的〔數控裝置→進給系統〕，故系統穩定性好。電機機械執行部件A相、B相C相、…f、nCNC插補指令脈沖頻率f脈沖個數n換算脈沖環形分配變換功率放大1.3數控機床的分類2023/9/2042數控加工技術實訓無位置反響，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為伺服驅動元件。這類系統具有結構簡單、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。1.3數控機床的分類2023/9/2043數控加工技術實訓半閉環數控系統半閉環數控系統的位置采樣點如下圖，是從驅動裝置(常用伺服電機)或絲杠引出，采樣旋轉角度進行檢測，不是直接檢測運動部件的實際位置。位置控制調節器速度控制調節與驅動檢測與反響單元位置控制單元速度控制單元++--電機機械執行部件CNC插補指令實際位置反響實際速度反響1.3數控機床的分類2023/9/2044數控加工技術實訓1.3數控機床的分類2023/9/2045數控加工技術實訓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。1.3數控機床的分類2023/9/2046數控加工技術實訓全閉環數控系統全閉環數控系統的位置采樣點如圖的虛線所示，直接對運動部件的實際位置進行檢測。位置控制調節器速度控制調節與驅動檢測與反饋單元位置控制單元速度控制單元++--電機機械執行部件CNC插補指令實際位置反饋實際速度反饋1.3數控機床的分類2023/9/2047數控加工技術實訓1.3數控機床的分類2023/9/2048數控加工技術實訓從理論上講，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。1.3數控機床的分類2023/9/2049數控加工技術實訓按聯動軸數分2軸聯動〔平面曲線〕3軸聯動〔空間曲面，球頭刀〕4軸聯動〔空間曲面〕5軸聯動及6軸聯動〔空間曲面〕。聯動軸數越多數控系統的控制算法就越復雜。四、按控制系統的功能水平分類1.3數控機床的分類2023/9/2050數控加工技術實訓圖不同聯動軸數所能加工的型面(a)二軸聯動；(b)二軸半聯動；(c)三軸聯動1.3數控機床的分類2023/9/2051數控加工技術實訓圖五軸聯動銑削曲面零件1.3數控機床的分類2023/9/2052數控加工技術實訓圖六軸加工中心坐標示意圖1.3數控機床的分類2023/9/2053數控加工技術實訓按數控系統類型分類經濟型數控系統〔又稱簡易數控系統〕這一檔次的數控機床僅能滿足一般精度要求的加工，能加工形狀較簡單的直線、斜線、圓弧及帶螺紋的零件，采用的微機系統為單板機或單片機系統，具有數碼顯示，CRT字符顯示功能，機床進給由步進電動機實現開環驅動，控制的軸數和聯動軸數在3軸或3軸以下。1.3數控機床的分類2023/9/2054數控加工技術實訓普及型數控系統〔通常稱之為全功能數控系統〕這類數控系統功能較多，除了具有一般數控系統的功能以外，還具有一定的圖形顯示功能及面向用戶的宏程序功能等，采用的微機系統為16位或32位微處理機，具有RS-232C通信接口，機床的進給多用交流或直流伺服驅動，一般系統能實現4軸或4軸以下聯動控制。1.3數控機床的分類2023/9/2055數控加工技術實訓高檔數控系統

采用的微機系統為32位以上微處理機系統，機床的進給大多采用交流伺服驅動，除了具有一般數控系統的功能以外，應該至少能實現5軸或5軸以上的聯動控制。具有三維動畫圖形功能和宜人的圖形用戶界面，同時還具有豐富的刀具管理功能、寬調速主軸系統、多功能智能化監控系統和面向用戶的宏程序功能，還有很強的智能診斷和智能工藝數據庫，能實現加工條件的自動設定，且能實現與計算機的聯網和通信。1.3數控機床的分類2023/9/2056數控加工技術實訓基于PC的開放式數控系統

用通用微機技術開發數控系統可以得到強有力的硬件與軟件支持，這些軟件和硬件的技術是開放式的，此時的通用微機除了具備本身的功能外，還具備了全功能數控系統的所有功能。

1.3數控機床的分類2023/9/2057數控加工技術實訓工藝分析數控加工程序工序卡傳統加工數控加工傳統加工與數控加工的比較圖1.4數控機床的工作原理及組成2023/9/2058數控加工技術實訓數控加工過程示意圖1.4數控機床的工作原理及組成2023/9/2059數控加工技術實訓數控機床加工零件的工作過程分以下幾個步驟：根據被加工零件的圖樣與工藝方案，用規定的代碼和程序格式編寫加工程序所編寫程序指令輸入數控裝置數控裝置將程序(代碼)進行譯碼、運算之后，向機床各個坐標的伺服機構和輔助控制裝置發出信號，以驅動機床的各運動部件，并控制所需要的輔助動作，最后加工出合格的零件

1.4數控機床的工作原理及組成2023/9/2060數控加工技術實訓數控機床的根本組成1.4數控機床的工作原理及組成2023/9/2061數控加工技術實訓操作面板它是操作人員與數控裝置進行信息交流的工具。組成：按鈕站、狀態燈、按鍵陣列〔功能與計算機鍵盤一樣〕和顯示器；。它是數控機床特有部件。1.4數控機床的工作原理及組成2023/9/2062數控加工技術實訓控制介質與輸入輸出設備控制介質是記錄零件加工程序的媒介輸入輸出設備是CNC系統與外部設備進行交互裝置。交互的信息通常是零件加工程序。即將編制好的記錄在控制介質上的零件加工程序輸入CNC系統或將調試好了的零件加工程序通過輸出設備存放或記錄在相應的控制介質上。數控機床常用的控制介質和輸入輸出設備見表1：1.4數控機床的工作原理及組成2023/9/2063數控加工技術實訓表1控制介質和輸入輸出設備表1.4數控機床的工作原理及組成2023/9/2064數控加工技術實訓通訊現代的數控系統除采用輸入輸出設備進行信息交換外，一般都具有用通訊方式進行信息交換的能力。它們是實現CAD/CAM的集成、FMS和CIMS的根本技術。采用的方式有：串行通訊〔RS-232等串口〕、自動控制專用接口和標準〔DNC方式，MAP協議等〕網絡技術〔internet，LAN等〕。1.4數控機床的工作原理及組成2023/9/2065數控加工技術實訓CNC裝置(CNC單元)組成：計算機系統、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調配合，合理組織，使整個系統有條不紊地進行工作的。CNC裝置是CNC系統的核心1.4數控機床的工作原理及組成2023/9/2066數控加工技術實訓伺服單元、驅動裝置和測量裝置伺服單元和驅動裝置主軸伺服驅動裝置和主軸電機進給伺服驅動裝置和進給電機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。作用保證靈敏、準確地跟蹤CNC裝置指令：進給運動指令：實現零件加工的成形運動〔速度和位置控制〕。主軸運動指令，實現零件加工的切削運動〔速度控制〕1.4數控機床的工作原理及組成2023/9/2067數控加工技術實訓

PLC、機床I/O電路和裝置PLC(ProgrammableLogicController)：用于完成與邏輯運算有關順序動作的I/O控制，它由硬件和軟件組成；機床I/O電路和裝置：實現I/O控制的執行部件(由繼電器、電磁閥、行程開關、接觸器等組成的邏輯電路；功能：接受CNC的M、S、T指令，對其進行譯碼并轉換成對應的控制信號，控制輔助裝置完成機床相應的開關動作接受操作面板和機床側的I/O信號，送給CNC裝置，經其處理后，輸出指令控制CNC系統的工作狀態和機床的動作。1.4數控機床的工作原理及組成2023/9/2068數控加工技術實訓機床機床：數控機床的主體，是實現制造加工的執行部件。組成：由主運動部件、進給運動部件〔工作臺、拖板以及相應的傳動機構〕、支承件〔立柱、床身等〕以及特殊裝置〔刀具自動交換系統工件自動交換系統〕和輔助裝置〔如排屑裝置等〕。1.4數控機床的工作原理及組成2023/9/2069數控加工技術實訓1、數字控制〔NumericalControlNC〕是一種借助數字、字符或其它符號對某一工作過程〔如加工、測量、裝配等〕進行可編程控制的自動化方法。2、數控技術〔NumericalControlTechnology〕采用數字控制的方法對某一工作過程實現自動控制的技術。1.5數控加工的根本術語2023/9/2070數控加工技術實訓3、數控機床〔NumericalControlMachineTools〕是采用數字控制技術對機床的加工過程進行自動控制的一類機床。它數控技術典型應用的例子。4、數控系統〔NumericalControlSystem〕實現數字控制的裝置。5、計算機數控系統〔ComputerNumericalControlCNC〕以計算機為核心的數控系統。1.5數控加工的根本術語2023/9/2071數控加工技術實訓6、坐標聯動：坐標軸的非獨立運動。即：一個軸的運動要受到其它軸運動的制約。7、坐標聯動加工：數控機床加工時的橫向、縱向等進給量都是以軸坐標數據控制的。如：兩坐標車床、三坐標銑床、五軸加工中心