兰州交通大学：《数控技术及编程》课程教学资源（教案讲义）01.doc_大学文库

数控技术及应用教案及讲稿上部分：数控技术及编程二、讲稿第一章数控机床概述第一节数控机床的产生与发展一、数控机床的产生数字控制机床Numerical Control Machine Tools))简称数控机床，这是一种将数字计算技术应用于机床的控制技术。它把机械加工过程中的各种控制信息用代码化的数字表示，通过信息载体输入数控装置。经运算处理由数控装置发出各种控制信号，控制机床的动作，按图纸要求的形状和尺寸，自动地将零件加工出来。数控机床较好地解决了复精密小批量、多品种的零件加工问题，是一种柔性的、高效能的自动化机床，代表了现代机床控制技术的发展方向，是一种典型的机电一体化产品，为单件、小批生产精密复杂零件提供了自动化加工手段。数控机床的工作原理就是将加工过程所需的刀具与工件之间的相对位移量、以及各种操作（如主轴变速、松夹工件、进刀与退刀、开车与停车、选择刀具、供给切削液等）都代码来表示并将数字信息送入专用的或通用的计算机，计机对输入的信息进行处理与运算，发出各种指令来控制机床的伺服系统或其它执行元件，使机床加工出所需要的工件。数控机床与其它自动机床的一个根本区别在于当加工对象改变时，除了重新装夹工件和更换刀具之外，只需要更换加工程序，不需要对机床作任何调整。 1952年美国帕森斯公司(Pa s)和麻省理工学院(MT)合作研制成功世界上第坐标数控铣床，用于加工直升飞机叶片轮廓检查用样板。这是一台采用专用计算机进行运算与控制的直线插补轮廓控制数控铣床，专用计算机采用电子管元件，逻辑运算与控制采用硬件联接的电路。1955年后该类机床进入实用化阶段，在复杂曲面的加工中发挥了重要作用。我国从1958年开始研制数控机床，在研制与推广使用数控机床方面取得了一定成绩近年来，由于引进了国外的数控系统与伺服系统的制造技术，使我国数控机床在品种、数量和质量方面得到了迅速发展。二、计算机数控随若电子技术和计算机技术的不断发展，数控系统经历了逻辑数字控制阶段(NC阶段)和计算机数字 NC阶段) NC阶段数控系统发展经历了电子管时体管时代、小规模集成电路时代。自1970 小型计算机用于数控系统，数控系统发展进入 CNC阶段，这是第四代数控系统。从1974年微处理器用于数控系统，数控系统发展到第五代，经过几年的发展，数控系统从性能到可靠性均得到很大的提高。自20世纪70年代到80 年代，数控系统在全世界得到了大规模的发展和应用。从90年代开始，P℃机的发展日新月异，基于PC平台的数控系统应用而生，数控系统发展进入第六代。目前市场上流行的和企业普遍使用的仍然是第五代数控系统。数控系统中引入了微型计算机（简称微机），使它在质的方面完成了一次飞跃。计算机数控(Com 九性uter Numericl Control,简称CNC)系统有许多优点硬件数控系统的许多功能是靠硬件电路来实现的。若想改变系统的功能，必须重新布线，但计算机数控系统能利用控制软件灵活地增加或改变数控系统的功能，更能适应生产发展的需要。 (2)功能强兰州交通大学机电工程学院

数控技术及应用教案及讲稿上部分：数控技术及编程兰州交通大学机电工程学院 2 二、讲稿第一章数控机床概述第一节数控机床的产生与发展一、数控机床的产生数字控制机床(Numerical Control Machine Tools)简称数控机床，这是一种将数字计算技术应用于机床的控制技术。它把机械加工过程中的各种控制信息用代码化的数字表示，通过信息载体输入数控装置。经运算处理由数控装置发出各种控制信号，控制机床的动作，按图纸要求的形状和尺寸，自动地将零件加工出来。数控机床较好地解决了复杂、精密、小批量、多品种的零件加工问题，是一种柔性的、高效能的自动化机床，代表了现代机床控制技术的发展方向，是一种典型的机电一体化产品，为单件、小批生产精密复杂零件提供了自动化加工手段。数控机床的工作原理就是将加工过程所需的刀具与工件之间的相对位移量、以及各种操作（如主轴变速、松夹工件、进刀与退刀、开车与停车、选择刀具、供给切削液等）都用数字化的信息代码来表示，并将数字信息送入专用的或通用的计算机，计算机对输入的信息进行处理与运算，发出各种指令来控制机床的伺服系统或其它执行元件，使机床自动加工出所需要的工件。数控机床与其它自动机床的一个根本区别在于当加工对象改变时，除了重新装夹工件和更换刀具之外，只需要更换加工程序，不需要对机床作任何调整。 1952年美国帕森斯公司（Parsons）和麻省理工学院（MIT）合作研制成功世界上第一台三坐标数控铣床，用于加工直升飞机叶片轮廓检查用样板。这是一台采用专用计算机进行运算与控制的直线插补轮廓控制数控铣床，专用计算机采用电子管元件，逻辑运算与控制采用硬件联接的电路。1955年后该类机床进入实用化阶段，在复杂曲面的加工中发挥了重要作用。我国从1958年开始研制数控机床，在研制与推广使用数控机床方面取得了一定成绩。近年来，由于引进了国外的数控系统与伺服系统的制造技术，使我国数控机床在品种、数量和质量方面得到了迅速发展。二、计算机数控随着电子技术和计算机技术的不断发展，数控系统经历了逻辑数字控制阶段（NC阶段）和计算机数字控制阶段（CNC阶段）。NC阶段数控系统发展经历了电子管时代、晶体管时代、小规模集成电路时代。自1970年小型计算机用于数控系统，数控系统发展进入 CNC阶段，这是第四代数控系统。从1974年微处理器用于数控系统，数控系统发展到第五代，经过几年的发展，数控系统从性能到可靠性均得到很大的提高。自20世纪70年代到80 年代，数控系统在全世界得到了大规模的发展和应用。从90年代开始，PC机的发展日新月异，基于PC平台的数控系统应用而生，数控系统发展进入第六代。目前市场上流行的和企业普遍使用的仍然是第五代数控系统。数控系统中引入了微型计算机（简称微机），使它在质的方面完成了一次飞跃。计算机数控（Computer Numericl Control，简称CNC）系统有许多优点： (1) 柔性好硬件数控系统的许多功能是靠硬件电路来实现的。若想改变系统的功能，必须重新布线，但计算机数控系统能利用控制软件灵活地增加或改变数控系统的功能 , 更能适应生产发展的需要。 (2) 功能强

数控技术及应用教案及讲稿上部分：数控技术及编程可利用计算机技术及其外围设备，增强数控系统及数控机床的功能。例如，利用计算机图形显示功能，检查编程的刀具轨迹，纠正编程错误，还可检查刀具与机床、夹具碰撞的可能性等：利用计算机网络通信的功能，便于数控机床组成生产线等 (3)可靠性高计算机数控系统可使用磁带、软盘和网络等许多输入装置，避免了以往数控机床由于频繁地开启光电阅读机而造成的信息出错的缺点。与硬件数控相比，计算机数控尽量减少硬件电路，显著地减少了焊点、接插件和外部联线，提高了可靠性。计算机数控系统一般都具备自诊断功能，可及时指出故障原因，便于维修或预防操作失误，减少停机时间。这一切使得现代数控系统的无故障运行时间大为提高。 (4)易于实现机电一体化由干计算机由路板上采用大规植住成由路和先讲的印制由路排版技术，只要采用粉印制电路板即可构成整个控制系统而将数控装置连同操作面板装入个不大的数控箱内，可于机未结合在一起，减少占地面积，有利于实现机电一体化。 (⑤)经济性好采用微机数控系统后，系统的性能价格比大为提高。现在不但大型企业，就是中小型企业也逐渐采用CNC数控机床了数控机床和空系统的发展现代数控机床及其数控系统，目前大致向以下几个方面发展。高速、高精度化要提高机械加工的生产率，其中最主要的方法是提高速度，但是这样做会降低加工精度。现代数控机床在提高加工速度的同时，也在进行高精度化。目前己可在0.1 m的最小设定单位时，进给速度达24mmin。要做到这一点，就对机械和数控系统提出了更高的要求】 1.机械方而例如机床主轴要高速化，就要提高主轴和机床机械结构的动、静态刚度：采用能承受高速的机械零件，如采用陶瓷滚珠轴承等。 2.数控系统方面主要是提高计算机的运算速度。现代数控系统已从16位的CPU,发展到普遍采用32 位的CPU,并向64位的CPU发展。主机频率由5MHz提高到20-33MHz。有的系统还制造了插补器的专用芯片，以提高插补速度：有的采用多CPU系统，减轻主CPU负担，进一步提高控制速度 3.伺服系统方面 (I)采用数字伺服系统使伺服电动机的位置环、速度环的控制都实现数字化。FANUCI5系列开发出专用的数字信号处理器，位置指令输入后，它与从脉冲编码器检测来的位置信息，以及从电动机测速装置检测来的速度信息一起，在专用的微处理器芯片内，进行控制位置、速度控制等运算，最后向功率放大器发出指令，以达到对电动机的高速、高精度控制。 (2)采用现代控制理论提高跟随精度当数控系发出位置指今后，由干机部分不能很快响应而会产生滞后现象，影响了加工精度。现代控制理论中有各种算法能够实现高速和高精度的伺服控制 ,但是，由于们的计算方法太复杂，以往的计算机运算速度不够，很难实现。现在计算机的运算速度和存储容量都加大很多，有时还可采用专用芯片的办法，使复杂的计算能够在线实现，使得滞后量减少很多，从而提高了跟随精度。 (3)采用高分辨率的位置编码器般交流伺服电动机轴上装有回转编码器（脉冲发生器）用来检测电动机的角位移。兰州交通大学机电工程学院 3

数控技术及应用教案及讲稿上部分：数控技术及编程兰州交通大学机电工程学院 3 可利用计算机技术及其外围设备，增强数控系统及数控机床的功能。例如，利用计算机图形显示功能，检查编程的刀具轨迹，纠正编程错误，还可检查刀具与机床、夹具碰撞的可能性等；利用计算机网络通信的功能，便于数控机床组成生产线等。 (3) 可靠性高计算机数控系统可使用磁带、软盘和网络等许多输入装置，避免了以往数控机床由于频繁地开启光电阅读机而造成的信息出错的缺点。与硬件数控相比，计算机数控尽量减少硬件电路，显著地减少了焊点、接插件和外部联线，提高了可靠性。此外，计算机数控系统一般都具备自诊断功能，可及时指出故障原因，便于维修或预防操作失误，减少停机时间。这一切使得现代数控系统的无故障运行时间大为提高。 (4) 易于实现机电一体化由于计算机电路板上采用大规模集成电路和先进的印制电路排版技术，只要采用数块印制电路板即可构成整个控制系统，而将数控装置连同操作面板装入一个不大的数控箱内，可于机床结合在一起，减少占地面积，有利于实现机电一体化。 (5) 经济性好采用微机数控系统后，系统的性能价格比大为提高。现在不但大型企业，就是中小型企业也逐渐采用CNC数控机床了。三、数控机床和数控系统的发展现代数控机床及其数控系统，目前大致向以下几个方面发展。 ( 一 )、高速、高精度化要提高机械加工的生产率，其中最主要的方法是提高速度，但是这样做会降低加工精度。现代数控机床在提高加工速度的同时，也在进行高精度化。目前已可在 0.1μm的最小设定单位时，进给速度达24m/min 。要做到这一点，就对机械和数控系统提出了更高的要求。 1. 机械方面例如机床主轴要高速化，就要提高主轴和机床机械结构的动、静态刚度；采用能承受高速的机械零件，如采用陶瓷滚珠轴承等。 2. 数控系统方面主要是提高计算机的运算速度。现代数控系统已从16位的CPU，发展到普遍采用32 位的CPU，并向64位的CPU发展。主机频率由5MHz提高到20~33MHz。有的系统还制造了插补器的专用芯片，以提高插补速度；有的采用多CPU系统，减轻主CPU负担，进一步提高控制速度。 3. 伺服系统方面 (1) 采用数字伺服系统使伺服电动机的位置环、速度环的控制都实现数字化。FANUCl5系列开发出专用的数字信号处理器，位置指令输入后，它与从脉冲编码器检测来的位置信息，以及从电动机测速装置检测来的速度信息一起，在专用的微处理器芯片内，进行控制位置、速度控制等运算，最后向功率放大器发出指令，以达到对电动机的高速、高精度控制。 (2 ) 采用现代控制理论提高跟随精度当数控系统发出位置指令后，由于机械部分不能很快响应而会产生滞后现象，影响了加工精度。现代控制理论中有各种算法能够实现高速和高精度的伺服控制，但是，由于它们的计算方法太复杂，以往的计算机运算速度不够，很难实现。现在计算机的运算速度和存储容量都加大很多，有时还可采用专用芯片的办法，使复杂的计算能够在线实现，使得滞后量减少很多，从而提高了跟随精度。 (3 ) 采用高分辨率的位置编码器一般交流伺服电动机轴上装有回转编码器（脉冲发生器）用来检测电动机的角位移

数控技术及应用数案及讲癌上部分：数控技术及编程显然，编码器的分辨率越高，则电动机转动角位移就越精确。现代高分辨率位置编码器绝对位置的测量可达163840脉冲转。 (4)实现多种补偿功能数控系统能实现多种补偿功能，提高数控机床的加工精度和动态特性。数控系统的补偿功能主要用来补偿机械系统带来的误差。例如： 1)直线度的补偿。随着某一轴的运动，对另一轴加以补偿，提高工作台运动的直线度： 2)采用新的丝杠导程误差补偿方法。用几条近似线表示导程误差，仅对其中几个点进行补偿。此法可减少补偿数据的设定点数，使补偿方法大为简化： 3)丝杠、齿轮间隙补偿： 4)热变形误差补偿，用来补偿由于机床热变形而产生机床几何位置变化引起的加工误差： 5)刀具长度、半径等补偿： 6)存储型补偿。这种补偿方法，可根据机床使用时的实际情况（如机床零件的磨损情况等)适时地修订补偿值。提高数控系统的可靠性，可大大降低数控机床的故障率。新型数控系统大量使用大规模和超大规模集成电路，还采用专用芯片提高集成度以及使用表面封装技术等方法，减少了元器件数量和它们之间的连线和焊点数目，从而大幅度降低系统的故障率。此外，现代数控系统还具有人工智能(AI)故障诊断系统，用它来诊断数控系统及机床的故障，把专家们所掌握的对于各种故障原因及其处置方法作为知识库储存到计算机的存储器中，以知识库为依据来开发软件，分析查找故障原因只要通过回答显示器提出的简单问题，就能和专家一样诊断出机床的故障原因以及提出排除故障的方法。由于CNC系统使用的计算机容量越来越大，运算速度越米越快，使得CNC系统不仅能完成机床的数字控制功能，而且还可以充分利用软件技术，使系统智能化，给使用者以更大的帮助。例如将迄今为止必须由编程员决定的零件的加工部位、加工工序、加工顺序等也可由CNC系统自动地决定。操作者只要将加工形状和必要的毛坯形状输进CNC系统，就能自动生成加工程序。这样数控加工的编程时间将大为缩短，即使经验不足的操作者也能进行操作。CNC系统如何与人工智能技术相结合，尚待研究开发。除了上述在故障今新和馆程方面的应用外，还有更大的领域留待我们去探索越来越多的工厂希望将多台数控机床组成各种类型的生产线或者DNC(Direc Numerical Control直接数字控制)系统。这就要求CNC系统提高联网能力。般CNC系统都具有RS232远距离串行接口，可以按照用户的格式要求，与同一级计算机进行多种数据交换。为了满足不同厂家、不同类型数控机床联网功能要求，现代数控系统大都具有 MAP(制造自动化协议)接口，现在己实现了MAP3.0版本，并采用光缆通信，以提高数据传送速度和可靠性。第二节数控机床的组成和工作原理一、数控机床的组成兰州交通大学机电工程学院

数控技术及应用教案及讲稿上部分：数控技术及编程兰州交通大学机电工程学院 4 显然，编码器的分辨率越高 , 则电动机转动角位移就越精确。现代高分辨率位置编码器绝对位置的测量可达163840 脉冲/转。 (4 ) 实现多种补偿功能数控系统能实现多种补偿功能，提高数控机床的加工精度和动态特性。数控系统的补偿功能主要用来补偿机械系统带来的误差。例如： 1）直线度的补偿。随着某一轴的运动，对另一轴加以补偿，提高工作台运动的直线度； 2）采用新的丝杠导程误差补偿方法。用几条近似线表示导程误差，仅对其中几个点进行补偿。此法可减少补偿数据的设定点数，使补偿方法大为简化； 3）丝杠、齿轮间隙补偿； 4）热变形误差补偿，用来补偿由于机床热变形而产生机床几何位置变化引起的加工误差； 5) 刀具长度、半径等补偿； 6）存储型补偿。这种补偿方法，可根据机床使用时的实际情况（如机床零件的磨损情况等）适时地修订补偿值。提高数控系统的可靠性，可大大降低数控机床的故障率。新型数控系统大量使用大规模和超大规模集成电路，还采用专用芯片提高集成度以及使用表面封装技术等方法，减少了元器件数量和它们之间的连线和焊点数目，从而大幅度降低系统的故障率。此外，现代数控系统还具有人工智能（AI）故障诊断系统，用它来诊断数控系统及机床的故障，把专家们所掌握的对于各种故障原因及其处置方法作为知识库储存到计算机的存储器中，以知识库为依据来开发软件，分析查找故障原因。只要通过回答显示器提出的简单问题，就能和专家一样诊断出机床的故障原因以及提出排除故障的方法。由于CNC系统使用的计算机容量越来越大，运算速度越来越快，使得CNC系统不仅能完成机床的数字控制功能，而且还可以充分利用软件技术，使系统智能化，给使用者以更大的帮助。例如，将迄今为止必须由编程员决定的零件的加工部位、加工工序、加工顺序等也可由CNC系统自动地决定。操作者只要将加工形状和必要的毛坯形状输进CNC系统，就能自动生成加工程序。这样数控加工的编程时间将大为缩短，即使经验不足的操作者也能进行操作。CNC系统如何与人工智能技术相结合，尚待研究开发。除了上述在故障诊断和编程方面的应用外，还有更大的领域留待我们去探索。越来越多的工厂希望将多台数控机床组成各种类型的生产线或者DNC（Direct Numerical Control 直接数字控制）系统。这就要求CNC系统提高联网能力。一般CNC系统都具有RS232远距离串行接口，可以按照用户的格式要求，与同一级计算机进行多种数据交换。为了满足不同厂家、不同类型数控机床联网功能要求，现代数控系统大都具有 MAP（制造自动化协议）接口，现在已实现了MAP3.0 版本，并采用光缆通信，以提高数据传送速度和可靠性。第二节数控机床的组成和工作原理一、数控机床的组成

数控技术及应用教案及讲癌上部分：数控技术及编程一定的格式和代码，存储在一种载体上，如早期用穿孔纸带、盒式磁带，现在用软磁盘、 U盘等，通过数控机床的输入装置，将程序信息输人到CNC单元内。 2.输入装置输入装置的作用是将程序载体内有关加工的信息读人CNC单元。根据程序载体的不同，相应有不同的输入装置。例如，对于穿孔纸带，配用光电阅读机：对于盒式磁带，配用录放机：对于软磁盘，配用软盘驱动器和驱动卡。有时为了用户方便，数控机床可以同时具备两种入装置现代数控机床，还可以通过手动方式(MDI方式)，将零件加工程序，用数控系统的操作面板上的按键，直接键入CNC单元：或者采用与上级机通信方式直接将加工程序输入CNC单元 3CNC单元 CNC单元由信息的输入、处理和输出三个部分组成。程序载体通过输入装置将加工信息传给CNC单元，编译成计算机能识别的信息，由信息处理部分按照控制程序的规定，逐步存储并进行处理后，通过输出单元发出位置和速度控制指令给伺服系统和主运动控制部分。数控机床的辅助动作，如刀具的选择与更换、切削液的启停等能够用可编程序控制器 PLC)进行控制。现代数控系统中，一般备有P1 C附加电路材 ,这种结构形式可省去CNG 与PLC之间的联线，结构紧凑，可靠性好，操作方便，无论从技术上或经济上都是有利的。 4.伺服系统伺服系统是数控机床的一个重要组成部分。它和一般机床进给系统的根本区别是：般进给系统只能稳定地传递所需的力和速度，但不能接受随机的输入信息不能控制执行部件的位移和轨迹：而伺服系统则不然，它能将数控装置送来的指令信息加以放大，经功率放大后，通过机床进给传动元件（如滚珠丝杠螺母副等），去驱动机床移动部件（工作台或刀架)，以便精确定位或按照规定的轨迹和速度运动，使机床加工出符合图祥要求的零件。同服系统直接影向数控机床加工的速度、位置、结度、表面粗特度等，它是数控机床的关键部件。同服系统中常用的驱动装置，随控制系统的不同而不同。开环伺服系统常用步进电动机，闭环伺服系统常用脉宽调速直流电动机和交流伺服电机等。 5.位置反馈系统位置反馈分为同服由动机的转角位移反馈和数控机床执行机构（工作台）的位移反馈两种，运动部分通过传感器将上述角位移或直线位移转换成电信号，输送给CNC单元，与指令位置信号进行比较，并由CNC单元发出指令，补偿所产生的误差。 6.机床的机械部件数控机床的机械结构，除了主运动系统、进给系统以及辅助部分如液压、气动、冷却和淘相滑部分等一般部件外，尚有些特殊部件，如储各刀且的刀库、白动换刀转置(ATC) 自动托盘交换装置等。与普通机床相比数控机床的传动系统更为简单但机床的静态和动态刚度要求更高，传动装置的间隙要尽可能小，滑动面的摩擦系数要小，并要有合适的阻尼，以适应对数控机床高定位精度和良好控制性能的要求。三、数控系统的主要工作过程数控系统的主要任务是进行刀具和工件之间相对运动的控制，图15初步描绘了数控系统的主要工作过程。在接通电源后，微机数控装置和可编程控制器都将对数控系统各组成部分的工作状态进行检查和诊断，并设置初态。当数控系统具备了正常工作的条件时，开始进行加工控制信息的输入。工件在数控机床上的加工过程由数控加工程序来描述。按管理形式不同，编程工作可以在专门的编程场所进行，也可在机床前进行。对前一种情况，数控加工程序在加工准备兰州交通大学机电工程学院 6

数控技术及应用教案及讲稿上部分：数控技术及编程兰州交通大学机电工程学院 6 一定的格式和代码，存储在一种载体上，如早期用穿孔纸带、盒式磁带，现在用软磁盘、 U盘等，通过数控机床的输入装置，将程序信息输人到CNC单元内。 2. 输入装置输入装置的作用是将程序载体内有关加工的信息读人CNC单元。根据程序载体的不同，相应有不同的输入装置。例如，对于穿孔纸带，配用光电阅读机；对于盒式磁带，配用录放机；对于软磁盘，配用软盘驱动器和驱动卡。有时为了用户方便，数控机床可以同时具备两种输入装置。现代数控机床，还可以通过手动方式（MDI 方式），将零件加工程序，用数控系统的操作面板上的按键，直接键入CNC单元；或者采用与上级机通信方式直接将加工程序输入 CNC单元。 3. CNC 单元 CNC单元由信息的输入、处理和输出三个部分组成。程序载体通过输入装置将加工信息传给CNC单元，编译成计算机能识别的信息，由信息处理部分按照控制程序的规定，逐步存储并进行处理后，通过输出单元发出位置和速度控制指令给伺服系统和主运动控制部分。数控机床的辅助动作，如刀具的选择与更换、切削液的启停等能够用可编程序控制器（PLC）进行控制。现代数控系统中，一般备有PLC附加电路板，这种结构形式可省去CNC 与PLC之间的联线，结构紧凑，可靠性好，操作方便，无论从技术上或经济上都是有利的。 4. 伺服系统伺服系统是数控机床的一个重要组成部分。它和一般机床进给系统的根本区别是：一般进给系统只能稳定地传递所需的力和速度，但不能接受随机的输入信息，不能控制执行部件的位移和轨迹；而伺服系统则不然，它能将数控装置送来的指令信息加以放大，经功率放大后，通过机床进给传动元件（如滚珠丝杠螺母副等），去驱动机床移动部件（工作台或刀架），以便精确定位或按照规定的轨迹和速度运动，使机床加工出符合图祥要求的零件。伺服系统直接影响数控机床加工的速度、位置、精度、表面粗糙度等，它是数控机床的关键部件。伺服系统中常用的驱动装置，随控制系统的不同而不同。开环伺服系统常用步进电动机，闭环伺服系统常用脉宽调速直流电动机和交流伺服电机等。 5. 位置反馈系统位置反馈分为伺服电动机的转角位移反馈和数控机床执行机构（工作台）的位移反馈两种，运动部分通过传感器将上述角位移或直线位移转换成电信号，输送给CNC单元，与指令位置信号进行比较，并由CNC单元发出指令，补偿所产生的误差。 6. 机床的机械部件数控机床的机械结构，除了主运动系统、进给系统以及辅助部分如液压、气动、冷却和润滑部分等一般部件外，尚有些特殊部件，如储备刀具的刀库、自动换刀装置（ATC）、自动托盘交换装置等。与普通机床相比 , 数控机床的传动系统更为简单 , 但机床的静态和动态刚度要求更高，传动装置的间隙要尽可能小，滑动面的摩擦系数要小，并要有合适的阻尼，以适应对数控机床高定位精度和良好控制性能的要求。三、数控系统的主要工作过程数控系统的主要任务是进行刀具和工件之间相对运动的控制，图l-5初步描绘了数控系统的主要工作过程。在接通电源后，微机数控装置和可编程控制器都将对数控系统各组成部分的工作状态进行检查和诊断，并设置初态。当数控系统具备了正常工作的条件时，开始进行加工控制信息的输入。工件在数控机床上的加工过程由数控加工程序来描述。按管理形式不同，编程工作可以在专门的编程场所进行，也可在机床前进行。对前一种情况，数控加工程序在加工准备

数控技术及应用教案及讲稿上部分：数控技术及编程阶段利用专门的编程系统产生，保存到控制介质上，再输入数控装置，或者采用通信方式直接传输到数控装置，操作员可按需要，通过数控面板对读入的数控加工程序进行修改：对后种情况，操作员直接利用数控装置本身的编辑器进行数控加工程序的编写和修输入给数控装置的加工程序是按工件坐标系来编程的，而机床刀具相对于工件是按机床坐标系运动的，同时加工所使用的刀具参数也各不一样，因此在加工前还要输入使用刀具的刀具参数，及工件编程原点相对机床原点的坐标位置。数据喻人内部程序编器磁算算资是然臀数控加工程序 777V772 刀具交换、切削液开/关等数控把程膏译码调节器反馈位置处理 X 环 :是密餐器图15数控系统的主要工作过程加工控制信息输入后，可选择一种加工方式（手动方式或自动方式的单段方式和连续方式)，启动加工运行，此时，数控装置在系统控制程序的作用下，对输入的加工控制信息进行预处理，即进行译码和刀具半径补偿和刀具长度补偿计 ,系统进行数控加工程厅译码（或解释）时，将其区分成几何的、工艺的数据和开关功能。几何数据是刀具相对工件的运动路径数据，如有关G功能和坐标指定等，利用这些数据可加工出要求的工件几何形状：工艺数据是主轴转速和讲给速度率功能，即F、S功能和部分G功能：开关功能是对机床电器的开关命令，例如主轴启停、刀具选择和交换、冷却液的启停、润滑液的启停等辅助M功能指令等由于在编写数控加工程序时，一般不考虑刀具的实际几何数据，所以，数控装置根据工件几何数据和在加工前输入的实际刀具参数，要进行相应的刀具补偿计算，简称刀补计算。在数控系统中存在着多种坐标系，根据输入的实际工件原点，加工过程所采用的各种坐标系等几何信息，数控装置还要进行相应的坐标变换数控装置对加工控制信息预处理完毕后。开始逐段运行数控加工程序。要产生的运动轨迹在几何数据中由各曲线段起、终点及其连接方式（如直线和圆孤等）等主要几何数据给出，数控装置中的插补器能根据已知的几何数据计算出刀具一系列的加工点、完成所谓的数据“密化”工作，即完成所谓的插补处理。插补后的位置信号与检测到的位置信号进行位置处理，处理后的信号控制伺服装置，由伺服装置驱动电机运动，从而带动机床运动件运动。由数控装置发出的开关命令在系统程序的控制下，在各加工程序段插补处理开始前或完成后，适时输出给机床控制器。在机床控制器中，开关命令和由机床反馈的回答信号兰州交通大学机电丁程学院

数控技术及应用教案及讲稿上部分：数控技术及编程兰州交通大学机电工程学院 7 阶段利用专门的编程系统产生，保存到控制介质上，再输入数控装置，或者采用通信方式直接传输到数控装置，操作员可按需要，通过数控面板对读入的数控加工程序进行修改；对后一种情况，操作员直接利用数控装置本身的编辑器进行数控加工程序的编写和修改。输入给数控装置的加工程序是按工件坐标系来编程的，而机床刀具相对于工件是按机床坐标系运动的，同时加工所使用的刀具参数也各不一样，因此在加工前还要输入使用刀具的刀具参数，及工件编程原点相对机床原点的坐标位置。图1-5 数控系统的主要工作过程加工控制信息输入后，可选择一种加工方式（手动方式或自动方式的单段方式和连续方式），启动加工运行，此时，数控装置在系统控制程序的作用下，对输入的加工控制信息进行预处理，即进行译码和刀具半径补偿和刀具长度补偿计算，系统进行数控加工程序译码（或解释）时，将其区分成几何的、工艺的数据和开关功能。几何数据是刀具相对工件的运动路径数据，如有关 G 功能和坐标指定等，利用这些数据可加工出要求的工件几何形状；工艺数据是主轴转速和进给速度等功能，即F、S功能和部分G功能；开关功能是对机床电器的开关命令，例如主轴启/停、刀具选择和交换、冷却液的启/停、润滑液的启 /停等辅助M功能指令等。由于在编写数控加工程序时，一般不考虑刀具的实际几何数据，所以，数控装置根据工件几何数据和在加工前输入的实际刀具参数，要进行相应的刀具补偿计算，简称刀补计算。在数控系统中存在着多种坐标系，根据输入的实际工件原点，加工过程所采用的各种坐标系等几何信息，数控装置还要进行相应的坐标变换。数控装置对加工控制信息预处理完毕后。开始逐段运行数控加工程序。要产生的运动轨迹在几何数据中由各曲线段起、终点及其连接方式（如直线和圆孤等）等主要几何数据给出，数控装置中的插补器能根据已知的几何数据计算出刀具一系列的加工点、完成所谓的数据“密化”工作，即完成所谓的插补处理。插补后的位置信号与检测到的位置信号进行位置处理，处理后的信号控制伺服装置，由伺服装置驱动电机运动，从而带动机床运动件运动。由数控装置发出的开关命令在系统程序的控制下，在各加工程序段插补处理开始前或完成后，适时输出给机床控制器。在机床控制器中，开关命令和由机床反馈的回答信号一

数控技术及应用数案及讲癌上部分：数控技术及编程起被处理和转换为对机床开关设备的控制命令。在现代的数控系统中，大多数机床控制电路都用PLC中可靠的开关功能来实现在机床的运行过程中，数控系统要随时监视数控机床的工作状态通过显示部件及时向操作者提供系统工作状态和故障情况。此外，数控系统还要对机床操作面板进行监控，因为机床操作面板的开关状态可以影响加工状态，需及时处理有关信号。第三节数控机床的分类目前，为了研究数控机床，可从不同的角度对数控机床进行分类。、按控制系统的特点分类 1.点位控制数控机床些孔加工用数控机床 ,只要求获得精确的孔系坐标定位精度（图16）、而不管从一个孔到另外一个孔是按照什么轨迹运动，如坐标钻床，坐标铣床以及冲床等，就可以采用简单而价格低廉的点位控制系统。这种点位控制系统，为了确保准确的定位，系统在高速运行后，一般采用3级减速，以减小定位误差。但是由于移动件本身存在惯性，而且在低速运动时，摩擦力有可能变化所以即使系统关断后，工作台并不立即停止，成定位误差，而且这个值有一定的分散性。图1-6数控机床的点位加工图1-7数控机床的直线加工 2直线控制数控机末某些数控机床不仅要求具有准确定位的功能，而且要求从一点到另一点之间按直线移动，并能控制位移的速度（图17）。因为这一类型的数控机床在两点间移动时，要进行切削加工。所以对于不同的刀具和工件，需要选用不同的切削用量及进给速度这一类的数控机床包括经济型数控镗铣床、数控车床等。一般情况下，这些数控机床有2-3个可控轴，但可同时控制轴只有一个。为了能在刀具磨损或更换刀具后，仍得到合格的零件，这类机床的数控系统常常具有刀具半径补偿功能、刀具长度补偿功能和主轴转速控制的功能。图1-8数控机床轮廓加工图1-92.5轴数控机床加工空间曲面 3.轮廓控制的数控机床更多的数控机床具有轮廓控制的功能（图1-8），即可以加工具有曲线或者曲面的零兰州交通大学机电工程学院 8

数控技术及应用教案及讲稿上部分：数控技术及编程兰州交通大学机电工程学院 8 起被处理和转换为对机床开关设备的控制命令。在现代的数控系统中，大多数机床控制电路都用PLC中可靠的开关功能来实现。在机床的运行过程中，数控系统要随时监视数控机床的工作状态，通过显示部件及时向操作者提供系统工作状态和故障情况。此外，数控系统还要对机床操作面板进行监控，因为机床操作面板的开关状态可以影响加工状态，需及时处理有关信号。第三节数控机床的分类目前，为了研究数控机床，可从不同的角度对数控机床进行分类。一、按控制系统的特点分类 1. 点位控制数控机床对于一些孔加工用数控机床，只要求获得精确的孔系坐标定位精度（图 1-6）、而不管从一个孔到另外一个孔是按照什么轨迹运动，如坐标钻床，坐标铣床以及冲床等，就可以采用简单而价格低廉的点位控制系统。这种点位控制系统，为了确保准确的定位，系统在高速运行后，一般采用 3 级减速，以减小定位误差。但是由于移动件本身存在惯性，而且在低速运动时，摩擦力有可能变化，所以即使系统关断后，工作台并不立即停止，成定位误差，而且这个值有一定的分散性。图1-6 数控机床的点位加工图1-7 数控机床的直线加工 2. 直线控制数控机床某些数控机床不仅要求具有准确定位的功能，而且要求从一点到另一点之间按直线移动，并能控制位移的速度（图1-7）。因为这一类型的数控机床在两点间移动时，要进行切削加工。所以对于不同的刀具和工件，需要选用不同的切削用量及进给速度。这一类的数控机床包括经济型数控镗铣床、数控车床等。一般情况下，这些数控机床有2-3个可控轴，但可同时控制轴只有一个。为了能在刀具磨损或更换刀具后，仍得到合格的零件，这类机床的数控系统常常具有刀具半径补偿功能、刀具长度补偿功能和主轴转速控制的功能。图1-8 数控机床轮廓加工图1-9 2.5轴数控机床加工空间曲面 3. 轮廓控制的数控机床更多的数控机床具有轮廓控制的功能（图1-8），即可以加工具有曲线或者曲面的零

数控技术及应用教案及讲稿上部分：数控技术及编程件。这类机床有两坐标及两坐标以上的数控铣床，加工中心等。这类数控机床应能同时控制两个或两个以上的轴进行插补运算，对位移和速度进行严格的不间断控制。现代数控机床绝大多数都具有两或两标以上联动的功能：仅有刀具半径补偿、刀具长度补偿还有机床轴向运动误差补偿、丝杠、齿轮的间隙误差补偿等一系列功能。按照可联动（同时控制)轴数，可以有2轴控制、2.5轴控制、3轴控制、4轴控制、5轴控制等。 2.5轴控制（两个轴是连续控制，第三轴是点位或直线控制）的原理，实现了三个主要轴X、Y、Z内的两维控制（图1-9）。 3轴控制是三个坐标轴X、Y、Z都同时插补，是三维连续控制（图1-10）。 5轴连续控制是一种很重要的加工形式（图1-11），这时三个坐标轴X、Y、Z与工作台的回转、刀具的摆动同时联动（也可以是与两轴的数控转台联动，或刀具做两个方向的摆动)。由于刀尖可以按数学规律导向，使之垂直于任何双倍曲线平面，因此特别适合加工透平叶片、机翼等。图1-10三坐标数控机床曲面加工图1-11五轴联动数控机床加工二、按执行机构的同服系统类型分类 1开环同服系统数机这是比较原始的一种数控机床，这类机床的数控系统将零件的程序处理后，输出数字指令信号给伺服系统，驱动机床运动，没有来自位置传感器的反馈信号，如图12所示。最典型的系统就是采用步进电动机的伺服系统。这类机床较为经济，但是速度及精度都较低。因此，目前在国内，仍作为一种经济型数控机床，多用于旧机床改造。指令进给脉冲一驱动电路步进电机传动机构工作台图112开环伺服系统框图 2.闭环伺服系统数控机床这类机床可以接受插补器的指令，而且随时接受工作台测得的实际位置反馈信号，根据其差值不断进行误差修正，如图1-13所示，这类数控机床可以消除由于传动部件制造中存在的精度误差给工件加工带来的影响。速度测量装置位置测量装置兰州交通大学机电工程学院

数控技术及应用教案及讲稿上部分：数控技术及编程兰州交通大学机电工程学院 9 件。这类机床有两坐标及两坐标以上的数控铣床，加工中心等。这类数控机床应能同时控制两个或两个以上的轴进行插补运算，对位移和速度进行严格的不间断控制。现代数控机床绝大多数都具有两坐标或两坐标以上联动的功能；不仅有刀具半径补偿、刀具长度补偿，还有机床轴向运动误差补偿、丝杠、齿轮的间隙误差补偿等一系列功能。按照可联动（同时控制）轴数，可以有2轴控制、2.5轴控制、3轴控制、4轴控制、5轴控制等。 2.5轴控制（两个轴是连续控制，第三轴是点位或直线控制）的原理，实现了三个主要轴X、Y、Z内的两维控制（图1-9）。 3轴控制是三个坐标轴X、Y、Z 都同时插补，是三维连续控制（图1-10）。 5轴连续控制是一种很重要的加工形式（图1-11），这时三个坐标轴X 、Y、Z与工作台的回转、刀具的摆动同时联动（也可以是与两轴的数控转台联动，或刀具做两个方向的摆动）。由于刀尖可以按数学规律导向，使之垂直于任何双倍曲线平面，因此特别适合于加工透平叶片、机翼等。图1-10 三坐标数控机床曲面加工图1-11 五轴联动数控机床加工二、按执行机构的伺服系统类型分类 1. 开环伺服系统数控机床这是比较原始的一种数控机床，这类机床的数控系统将零件的程序处理后，输出数字指令信号给伺服系统，驱动机床运动，没有来自位置传感器的反馈信号，如图1-12所示。最典型的系统就是采用步进电动机的伺服系统。这类机床较为经济，但是速度及精度都较低。因此，目前在国内，仍作为一种经济型数控机床，多用于旧机床改造。图1-12 开环伺服系统框图 2. 闭环伺服系统数控机床这类机床可以接受插补器的指令，而且随时接受工作台测得的实际位置反馈信号，根据其差值不断进行误差修正，如图l-13所示，这类数控机床可以消除由于传动部件制造中存在的精度误差给工件加工带来的影响。指令进給脉冲驱动电路步进电机传动机构工作台指令位置工作台伺服电动机位置调节位置测量装置速度测量装置速度调节伺服放大传动机构

数控技术及应用教案及讲稿上部分：数控技术及编程图1-13闭环伺服系统框图采用闭环伺服系统的数控机床，可以得到很高的加工精度，但是由于很多的机械传动环节，如丝杠副、工作台等都包含在反馈环节内，而各种机械传动环节，包括丝杠与螺母、工作台与导轨的摩擦特性，各部件的刚度，以及位移检测元件安装的间隙等等，都是可变的，将直接影响伺服系统的调节参数，而且有一些是非线性的参数。因此闭环系统设计与调整有较大的难度，设计与调整不好，很容易形成系统的不稳定。所以，闭环伺服系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精铣床等。 3.半闭环伺服系统数控机床大多数数控机床是半闭环伺服系统，将测量元件从工作台移到电动机端头或丝杠端头。这种系统的闭环环路内不包括丝杠、螺母副及工作台，因此可以获得稳定的控制特性如图1-14所示。而且由于采用了高分辨率的测量元件，可以获得比较满意的精度及速度指令位置速度检测装置位置检测装置图1-14半闭环伺服系统框图三、按加工方式分类 1)金属切削类数控机床如数控车床、加工中心、数控钻床、数控磨床、数控镗床等。 (2)金属成型类数控机床如数控折弯机、数控弯管机、数控回转头压力机等。 (3)数控特种加工机床如数控线切割机床、数控电火花加工机床、数控激光切割机等 (4)其它类型的数控机床如火焰切割机、数控三坐标测量机等。四、按照功能水平分类表1一1数控机床分类表档次低档数控机床中档数控机床高档数控机床功能讲给当品和讲给速用进给当量10μm 进进给当量1μm,进给遍进给当量0.1μm, 进给速度在815m/mim 度在15-24mmin 给速度在 15-100m/min 伺服进给系统开环、布进电动机半闭环直流或交流伺闭环伺服系统、电主服系统轴、直线电动机联动轴 3轴 34轴三轴以上通信功能 RS232或DNC接口 RS232、RS485、DN0 MAP接口兰州交通大学机电工程学院 o

数控技术及应用教案及讲稿上部分：数控技术及编程兰州交通大学机电工程学院 10 图1-13 闭环伺服系统框图采用闭环伺服系统的数控机床，可以得到很高的加工精度，但是由于很多的机械传动环节，如丝杠副、工作台等都包含在反馈环节内，而各种机械传动环节，包括丝杠与螺母、工作台与导轨的摩擦特性，各部件的刚度，以及位移检测元件安装的间隙等等，都是可变的，将直接影响伺服系统的调节参数，而且有一些是非线性的参数。因此闭环系统设计与调整有较大的难度，设计与调整不好，很容易形成系统的不稳定。所以，闭环伺服系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精铣床等。 3.半闭环伺服系统数控机床大多数数控机床是半闭环伺服系统，将测量元件从工作台移到电动机端头或丝杠端头。这种系统的闭环环路内不包括丝杠、螺母副及工作台，因此可以获得稳定的控制特性，如图1- 14所示。而且由于采用了高分辨率的测量元件，可以获得比较满意的精度及速度。图1-14 半闭环伺服系统框图三、按加工方式分类 (1 ) 金属切削类数控机床如数控车床、加工中心、数控钻床、数控磨床、数控镗床等。 (2) 金属成型类数控机床如数控折弯机、数控弯管机、数控回转头压力机等。 (3) 数控特种加工机床如数控线切割机床、数控电火花加工机床、数控激光切割机等。 (4) 其它类型的数控机床如火焰切割机、数控三坐标测量机等。四、按照功能水平分类表1—1 数控机床分类表档次功能低档数控机床中档数控机床高档数控机床进给当量和进给速度进给当量10μm，进给速度在8~15m/min 进给当量1μm，进给速度在15~24m/min 进给当量0.1μm，进给速度在 15~100m/min 伺服进给系统开环、布进电动机半闭环直流或交流伺服系统闭环伺服系统、电主轴、直线电动机联动轴数 2~3轴 3~4轴三轴以上通信功能无 RS232 或DNC接口 RS232、RS485、DNC、 MAP接口指令位置工作台位置检测装置速度检测装置位置调节速度调节伺服放大伺服电动机传动机构