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1、CNC系统原理图1-1模块一数控加工技术基础课题1数控技术与数控机床的认识1.1 概述数控技术(Numerical Control,简称NC)是20世纪中期开展起来的机床控制技术。现代 数控技术是综合了计算机、自动控制、电机、电气传动、测量、监控、机械制造等技术学科 领域最新成果而形成的一门边缘科学技术，是现代机械制造业中的高新技术之一。1 .数字控制数字控制是一种自动控制技术，是用数字化信号对机床的运动及其加工过程进行控制的 一种方法。2 ,数控机床数控机床(NC Machine)就是采用了数控技术的机床，或是装备了数控系统的机床。3 ,数控系统数控系统(NC System)就是一种自动控制
2、系统，它能自动完成信息的输入、译码、运算,从而控制机床的运动和加工过程。4 .计算机数控系统计算机数控系统(Computerized Numerical Control System, CNC)由装有 数控系统程序的专用计算机、输入输出设 备、可编程序控制器(PLC)、存储器、主 轴驱动及进给驱动装置等局部组成，如图 1-1所示。目前的数控系统，一般均指计 算机数控系统。5 .开放式数控系统一个开放式系统应保证使开发的应用 软件能在不同厂商提供的不同的软硬件平 台上运行，且能与其它应用软件系统协调 T作开放式CNC系统的以下特征：(1)对用户开放 可以采用先进的图形交互方式支持下的简易编程方法
3、，使得数控机床的操作更加容易。(2)对机床制造商开放 允许机床制造商在开放式CNC系统软件的基础上开发专用的功能模块及用户操作界面。 系统静、动摩擦非线性的控制功能。(5)伺服系统的速度环和位置环均采用软件控制 采用软件控制具有较高的柔性，可 以适应不同类型的机床对不同精度及速度的要求，进行加、减速性能的调整。并能实现复杂 的控制算法，以适应高性能控制的要求。(6)采用高分辨率的位置检测装置 如高分辨率的脉冲编码器，内装微处理器组成的 细分电路，使得分辨率大大提高。增量位置检测为10000p/rev；绝对位置检测为1 OOOOOOp/revo(7)补偿技术得到开展和广泛应用 现代数控机床利用计
4、算机数控系统的软件补偿功 能对伺服系统进行多种补偿，以提高机床的位置精度和动态伺服性能，如轴向运动定点误差 补偿，丝杠螺距误差补偿，齿轮间隙补偿，热变形补偿和空间误差补偿等。(8)高速大功率电主轴的应用 由于在超高速加工中，对机床主轴转速提出了极高的 要求(1000075000r/min)o传统的齿轮变速主传动系统已不能适应其要求。为此，比拟多 地采用了所谓“内装式电机主轴“(Build-in MotorSpindle),简称“电主轴”。它是采用主轴电机 与机床主轴合二为一的结构形式，即采用无外壳电机，将其空心转子直接套装在机床主轴上, 带有冷却套的定子那么安装在主轴单元的壳体内，即机床主轴单
5、元的壳体就是电机座。实现了 变频电机与机床主轴一体化，其主轴电机的轴承需要采用磁浮轴承、液体动静压轴承或陶瓷 滚动轴承等形式，以适应主轴高速运转的要求。(9)超高速切削刀具的应用 目前陶瓷刀具(切削速度可达500800m/min ),和金刚 石涂层刀具(切削速度可高达1200m/min以上)已开始得到应用，适应超高速加工要求。(10)配置高速、强功能的内装式可编程控制器(PLC)新型的PLC具有专用的CPU, 基本指令执行时间可达0.2_us/步(st叩)，可编程步数可扩大到16000步以上。利用PLC的高 速处理功能，使CNC与PLC之间有机地结合起来，即以提高可编程控制器的运行速度，来 满
6、足数控机床高速加工的速度要求和运行中的各种实时控制要求。2 .多功能化(1) 一机多能，最大限度提高设备利用率 配有自动换刀机构(刀库容量可达100把以 上)的各类加工中心，能在同一台机床上同时实现铳削、镜削、钻削、车削、钱孔、扩孔、 攻丝，甚至磨削等多种工序的加工。工件一经装夹，各种工序和不同的工艺加工过程都能集 中到同一台设备上来完成，从而防止了工件屡次装夹所造成的定位误差，确保零件的形位公 差要求，减少工夹具的装夹辅助时间，减少设备台数及其占地面积。为了进一步提高工效， 现代数控机床又采用了多主轴、多面体切削，即同时对一个零件的不同部位进行不同方式的 切削加工，如各类五面体加工中心。另外
7、，现代数控系统的控制轴数也在不断增加，有的多 达15轴，其同时联动的轴数已达6轴。(2)前台加工、后台编辑的前后台功能 现代数控系统由于采用了多CPU结构和分级 中断控制方式，即可在一台机床上同时进行零件加工和程序编制，实现所谓的“前台加工，后 台编辑L也就是说操作者可在机床进入自动循环加工的空余期间，同时利用数控系统的键盘 和CRT进行零件程序的编制，并利用CRT进行动态图形模拟显示其所编程序的加工轨迹，进 行零件程序的调试和修改，充分提高其工作效益和机床利用率。(3)具有更强的通信功能 为了适应FMC、FMS以及进一步联网组成CIMS的要求， 一般的数控系统都具有RS-232c和RS-42
8、2高速远距离串行接口。可以按照用户级的格式要求, 同上一级计算机进行多种数据交换。高档的数控系统应具有DNC接口，可以实现几台数控机 床之间的数据通信，也可以直接对几台数控机床进行控制。现代数控机床，为了适应自动化技术的进一步开展，满足工厂自动化规模越来越大的要 求，满足不同厂家及不同类型数控机床联网的需要，已采用了 MAP工业控制网络，现在已经 实现了 MAP3.0版本，为现代数控机床进入FMS及CIMS创造了条件。3 .智能化(1)引进自适应控制技术 自适应控制的目的是要求在随机变化的加工过程中，通过自 动调节加工过程中所测得的工作状态、特性，按照给定的评价指标自动校正自身的工作参数, 以
9、到达或接近最正确工作状态。由于在实际加工过程中，大约有30余种变量直接或间接影响加 工效果。如工件毛坯余量不匀、材料硬度不一致、刀具磨损、工件变形、机床热变形及切削 液的粘度等因素。这些变量事先难以预知，编制加工程序时只能依据经验数据，以至在实际 加工时，很难用最正确参数进行切削。而自适应控制系统那么能根据切削条件的变化，自动调节 工作参数，如伺服进给参数、切削用量等，使加工过程能保持最正确工作状态，从而得到较高 的加工精度和外表粗糙度，同时也能提高刀具的使用寿命和设备的生产效率。(2)故障自诊断、自修复功能 这主要是指利用CNC系统的内装程序实现在线诊断， 即在整个工作过程中，系统随时对CN
10、C系统本身以及与其相连的各种设备进行自动诊断、检 查。一旦由现故障，立即采用停机等措施，并通过CRT进行故障报警，提示发生故障的部位、 原因等。并利用“冗余”技术，自动使故障模块脱机，而接通备用模块，以确保无人化工作环 境的要求。为实现更高的故障诊断要求，最新又提出了人工智能专家诊断系统。它主要由知识库、 推理机和人机控制器三局部组成。(3)刀具寿命自动检测更换 利用红外、声发射、激光等各种检测手段，对刀具和工件 进行监测。发现工件超差、刀具磨损、破损，及时进行报警、自动补偿或更换备用刀具，以 保证产品质量。(4)引进模式识别技术 应用图象识别和声控技术，使机器自己识别图样，按照自然语 音命令
11、进行加工。4 .数控系统小型化数控系统体积小型化便于将机、电装置揉合为一体。目前主要采用超大规模集成元件、 多层印刷电路板，采用三维安装方法，使电子元器件得以高密度地安装，较大地缩小了系统 的占有空间。此外，用新型的TFT彩色液晶薄型显示器，替代传统的阴极射线管CRT,可使 数控操作系统进一步小型化。5 .数控编程自动化由于微处理机的应用，使数控编程从脱机（离线）编程开展到在线编程，实现了人机对 话，给程序编辑、调试、修改带来了极大的方便。另外也出现了实物示教编程等。随着计算 机应用技术的开展，目前CAD/CAM图形交互式自动编程已得到较多的应用，即利用CAD绘 制的零件加工图纸，再经计算机内
12、的刀具轨迹数据计算和后置处理，自动生成NC零件加工 程序，以实现CAD与CAM的集成。6 .更高的可靠性数控机床的可靠性一直是用户最关注的主要指标，它主要取决于数控系统和各伺服驱动 单元的可靠性，为提高可靠性，目前主要在以下几个方面采取措施：（1）提高系统硬件质量 采用更高集成度的电路芯片，利用大规模或超大规模的专用及 混合式集成电路，以减少元器件的数量，精简外部连线和降低功耗，对元器件进行严格筛选, 采用高质量的多层印制电路板，实行三维高密度安装工艺，并经过必要的老化、振动等有关 考机试验。（2）模块化、标准化和通用化 通过硬件功能软件化，以适应各种控制功能的要求，同 时采用硬件结构模块化、
13、标准化和通用化，既可提高硬件生产批量，又便于组织生产和质量 把关。（3）增强故障自诊断、自恢复和保护功能 通过自动运行启动诊断、在线诊断、离线诊 断等多种自诊断程序，实现对系统内硬件、软件和各外部设备进行故障诊断和报警，利用报 警提示，以便及时排除故障。1.3数控机床的基本认识数控机床的组成及其各局部功能数控机床一般由控制介质、数控装置、伺服系统、测量反应装置和机床本体组成，如图 1-5所不。图1-5数控机床的组成1 .控制介质控制介质又称信息载体，是人与数控机床之间联系的中间媒介，反映了数控加工的全部 信息。2 .数控装置数控装置是数控机床的核心，现代数控机床都采用计算机数控装置，即CNC（
14、Computerized Numerical Control）装置。它包括微型计算机的电路、各种接口电路、CRT显 示器、键盘等硬件以及相应的软件。数控装置能完成信息的输入、存储、变换、插补运算以 及实现各种控制功能。它具备的主要功能如下：(1)多坐标控制(多轴联动)。(2)实现多种函数的插补(直线、圆弧、抛物线等)。(3)多种程序输入功能(人机对话、手动数据输入、由上级计算机及其他计算机输入设备 的程序输入)，以及编辑和修改功能。(4)信息转换功能，即EIA/ISO代码转换、英制/公制转换、坐标转换、绝对值/增量值转 换、计数制转换等。(5)补偿功能，即刀具半径补偿、刀具长度补偿、传动间隙补
15、偿、螺距误差补偿等。(6)多种加工方式选择。可以实现各种加工循环、重复加工、凹凸模加工和镜像加工等。(7)故障自诊断功能。(8)显示功能，用CRT可以显示字符、轨迹、平面图形和动态三维图形。(9)通讯和联网功能。3 .伺服系统伺服系统是数控系统和机床本体之间的电传动联系环节。主要由伺服电动机、驱动控制 系统和位置检测与反应装置等组成。伺服电动机是系统的执行元件，驱动控制系统那么是伺服 电动机的动力源。数控系统发出的指令信号与位置反应信号比拟后作为位移指令，再经过驱 动系统的功率放大后，驱动电动机运转，通过机械传动装置拖开工作台或刀架运动。4 .测量反应装置该装置可以包括在伺服系统中，它由检测元
16、件和相应的电路组成，其作用是检测速度和 位移，并将信息反应回来，构成闭环控制。没有测量反应装置的系统称为开环系统。常用的 测量元件有脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、光栅和磁尺等。5 .机床本体数控机床的本体指其机械结构实体，它与传统的普通机床相比拟，同样由主传动系统、 进给传动机构、工作台、床身以及立柱等局部组成，但数控机床的整体布局、外观造型、传 动机构、工具系统及操作机构等方面都发生了很大变化。这种变化的目的是为了满足数控技 术的要求和充分发挥数控机床的特点。主要有以下几点：(1)采用高性能主传动及主轴部件。具有传递功率大、刚度高、抗振性好及热变形小等 优点。(2)进给传动采用高效传动
17、件。具有传动链短、结构简单、传动精度高等特点，一般采 用滚珠丝杠副、直线滚动导轨副等。(3)有较完善的刀具自动交换和管理系统。工件在加工中心类机床上一次安装后，能自 动地完成或者接近完成工件各面的加工工序。(4)有工件自动交换、工件夹紧与放松机构。如在加工中心类机床上采用工作台自动交换机构。(5)床身机架具有很高的动、静刚度。(6)采用全封闭罩壳。由于数控机床是自动完成加工，为了操作平安等，一般采用移门 结构的全封闭罩壳，对机床的加工部位进行全封闭。1.3.2 数控机床加工特点及适用范围1 .数控机床的加工特点(1)适应性强，适合加工单件或小批量复杂工件 数控机床的刀具运动轨迹是由加工程 序决
18、定的，因此只要能编制出程序，无论工件的型面多么复杂都能加工。这就为复杂结构的 单件、小批量生产及试制新产品提供了极大的便利。如采用五轴联动的数控机床能加工螺旋 桨的复杂空间曲面。(2)加工精度高，产品质量稳定 数控机床本身的精度都比拟高，一般数控机床的定位 精度为0.01mm,重复定位精度为0.005mm,在加工过程中操作人员不参与操作，工件的加 工精度全部由机床保证，消除了操作者的人为误差。因而加工出来的工件精度高、尺寸一致 性好、质量稳定。(3)生产效率高 数控机床的主轴转速、进给速度和快速定位速度高，通过合理选择切 削参数，充分发挥刀具的切削性能，减少切削时间，不仅能保证高精度，而且加工
19、过程稳 定。不需要在加工过程中进行中间测量，就能连续完成整个加工过程。(4)自动化程度高，劳动强度低 一般数控机床加工出第一个合格工件后，工人只需要 进行工件的装夹和启动机床，因此减轻了工人的劳动强度。现在的数控机床可靠性高，保护 功能齐全，并且数控系统有自诊断和自停机功能，因此当一个工件的加工时间超出工件的装 夹时间时，就能实现一人多机操作。(5)良好的经济效益 虽然数控机床一次投资及日常维护保养费用较普通机床高，但是 如能充分发挥数控机床的能力，将会带来很高的经济效益。不仅使生产效率高，加工质量好, 废品少，使用数控机床还能带来减少工装和量刃具，缩短生产周期，缩短新产品试制周期等 优势，从
20、而为企业产生明显的经济效益。(6)有利于生产管理的现代化 在数控机床上，加工所需要的时间是可以预计的，并且 相同工件所用时间基本一致，因而工时和工时费用可以精确估计。有利于精确编制生产进度 表和均衡生产。2 .数控机床的适用范围数控机床和普通机床都有各自的应用范围，如图1-6所示。图中横轴是工件的复杂程度, 纵轴是每批的生产件数。由图可以看出：数控机床的适用范围很广。图1-7所示为在各种机床上加工零件时加工批量和综合费用的关系。图1-6各种机床的使用范围图1-7各种机床的加工批量与综合费用的关系由此可见，最适合于数控加工的零件包括：(1)多品种、小批量生产的零件或新产品试制中的零件。(2)几何
21、形状复杂的零件。(3)加工过程中必须进行多工序加工的零件。(4)用普通机床加工时，需要昂贵工装设备(工具、夹具和模具)的零件。(5)必须严格控制公差，对精度要求高的零件。(6)工艺设计需屡次改型的零件。(7)价格昂贵，加工中不允许报废的关键零件。(8)需要最短生产周期的零件。1.3.3 数控机床的分类数控机床的品种规格繁多，分类方法不一。根据数控机床的功能和结构，一般可以按下 面三种方法来进行分类。L按机床运动的控制轨迹分类1)点位控制数控机床其特点是只要求控制机床移动部件从一点移动 到另一点的准确定位，至于点与点之间移动的轨迹 (路径和方向)并不严格要求，各坐标轴之间的运 动是不相关的，如图
22、1-8所示，起点到终点的运动轨 迹可以是图中或、中的任意一种， 并且在移动过程中不进行加工。为了实现既快又精 确的定位，两点间位置的移动一般先以最快速度移 动，到即将接近终点时再通过13级降速，使之慢速趋近定位点，以保证其定位精度。图1一8点位运动这类机床主要有数控钻床、数控像床、数控冲床等。其相应的数控系统称为点位控制数 控系统。2)直线控制数控机床也称为平行控制，其特点是除了控制点与点之间的准确定位外，还要控制两相关点之间 的移动速度和路线（即轨迹），但其路线只是与机床坐标轴平行的直线，也就是说同时控制的 坐标轴只有一个（即数控系统内不必具有插补运算功能），在移位的过程中刀具能以指定的进
23、给速度进行切削，一般只能加工矩形，台阶形零件。这类机床主要有数控车床、数控铳床、数控磨床等，其相应的数控系统称为直线控制数 控系统。3）轮廓控制数控机床也称为连续控制，其控制特点是能够对两个或两个以上运动坐标的位移和速度同时进行 连续相关的控制。为了满足刀具沿工件轮廓的相对运动轨迹符合工件加工轮廓的外表要求， 必须将各坐标运动的位移控制和速度控制按照规定的比例关系精确地协调起来。因此在这类 控制方式中，要求数控装置具有插补运算的功能，即根据程序输入的基本数据（如直线的终 点坐标，圆弧的终点坐标和圆心坐标或半径），通过数控系统内插补运算器的数学处理，把直 线或曲线的形状描述出来。并一边运算，一边
24、根据计算结果向各坐标轴控制器分配 脉冲，从而控制各坐标轴的联动位移量与所要求轮廓相符。在运动过程中刀具对工件外表连 续进行切削，可以进行各种斜线、圆弧、曲线的加工。这类机床主要有数控车床、数控铳床、数控线切割机、加工中心等。它按所控制的联动 坐标轴数不同，又可分为下面几种主要形式：图1-9不同形面铳削的联动轴数a）二轴联动b）二轴半联动c）三轴联动（1）二轴联动 主要用于数控车床加工曲线旋转面或数控铳床等加工曲线柱面（如图 l-9a所示）。（2）二轴半联动 主要用于三轴以上控制的机床，其中二个轴互为联动，而另一个轴 作周期进给，如在数控铳床上用球头铳刀采用行切法加工三维空间曲面（见图l-9b）
25、。（3）三轴联动 一般分为两类，一类就是x、y、z三个直线坐标轴联动，比拟多地用 于数控铳床、加工中心等，如用球头铳刀铳切三维空间曲面（见图l-9c）o另一类是除了同时 控制x、y、z其中两个直线坐标轴联动外，还同时控制围绕其中某一直线坐标轴旋转的旋转 坐标轴。如车削加工中心，它除了纵向（Z轴）、横向（X轴）两个直线坐标轴联动外，还需 同时控制围绕z轴旋转的主轴（C轴）联动。图1-10四轴联动的数控机床（4）四轴联动 即同时控制x、y、z三个直线坐标轴与某 一旋转坐标轴联动，如图1-10为同时控制x、y、z三个直线坐标 轴与一个工作台回转轴联动的数控机床。（5）五轴联动除了同时控制x、y、 z
26、三个直线坐标轴联动外，还同时控制围绕匚二 这些直线坐标轴旋转的A、B、C坐标轴中 的两个坐标。这时刀具可以被定在空间的任a）意方向，如图1-11所示。比方控制切削刀图W1五轴联动的数控加工具同时绕着X轴和Y轴两个方向摆动，使得刀具在其切削点上始终保持与被加工的轮廓曲面成法线方向，以保证被加工曲面的圆滑性, 提高其加工精度和降低外表粗糙度等。2.按伺服控制方式分类指令脉冲图1-12开环控制系统框图1）开环控制数控机床这类机床的进给伺服驱动是开环的，即没有检测反应装置。其驱动电机只能采用步进电 动机，主要特征是控制电路每变换一次指令脉冲信号，电机就转动一个步距角。驱动控制系 统的结构框图见图1.1
27、2,数控系统输出的进给指令信号通过环形分配器来控制驱动电路，它 以变换脉冲的个数来控制坐标位移量，以变换脉冲的频率来控制位移速度，以变换脉冲的分 配顺序来控制位移方向。因此该控制方式的最大特点是控制方便，结构简单和价格廉价。数 控系统发出的位移指令信号流是单向的，所以不存在稳定性问题。但由于机械传动误差不经 过反应校正，位移精度一般不高。早期的数控机床均采用该控制方式。但目前由于驱动电路 的改进，仍有较多地被采用，尤其在我国，一类经济型数控机床或旧设备数控改造中均被广 泛地采用。该类控制方式所配的数控装置也多由单片机或单板机构成，使得整个控制系统的 价格较低。2）闭环控制数控机床这类机床的进给
28、伺服驱动是按闭环反应控制方式工作的。其驱动电机可采用直流或交流 两种伺服电动机，需同时配有速度反应和位置反应。在加工中随时检测移动部件的实际位移 量，并及时反应给数控系统中的比拟器，它与插补运算所得的指令信号进行比拟，其差值又 作为伺服驱动的控制信号，进而带动位移部件以消除位移误差。按位置反应检测元件的安装部位不同，又分为全闭环和半闭环两种控制方式。图1-13全闭环控制系统框图（1）全闭环控制 如图M3所示，其位置反应采用直线位移检测元件，安装在机床拖 板部位上，即直接检测机床坐标的直线位移量，通过反应可以消除从电动机到机床拖板整个 机械传动链中的传动误差，即可得到很高的机床静态定位精度。但是
29、，由于在整个控制环内, 许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙均为非线性，并且整个机械传动链的动态响应时 间（与电气响应时间相比）又非常大。使整个闭环系统的稳定性校正带来很大困难，系统的 设计和调整也都相当复杂。这种控制方式主要用于精度要求很高的数控坐标锋床、数控精密 磨床等。（2）半闭环控制 如图1-14所示，其位置反应采用转角检测元件，直接安装在伺服电 动机或丝杠端部。由于大局部机械传动环节未包括在系统闭环环路内，因此可获得较稳定的 控制特性。不过丝杠等机械传动误差不能通过反应来随时校正，但是可采用软件定值补偿的 方法来适当提高其精度。目前，大局部数控机床采用该半闭环控制方式。图1-14半
30、闭环控制系统框图3）混合控制数控机床即将上述控制方式的特点有选择的集中，可以组成混合控制的方案。如前所述，由于开 环控制方式稳定性好、本钱低、精度差，而全闭环稳定性差，所以为了互为弥补，以满足某 些机床的控制要求，宜采用下述两种混合控制方式：（1）开环补偿型 图1-15为开环补偿型控制方式。其特点是基本控制选用步进电动机 的开环伺服机构，附加一个位置校正电路，通过装在工作台上直线位移测量元件的反应信号 来校正机械传动误差。（2）半闭环补偿型 图1-16为半闭环补偿型控制方式。其特点是用半闭环进行基本驱 动以取得稳定的高速响应特性，再用装在工作台上的直线位移测量元件实现全闭环，然后用 全闭环和半
31、闭环的差进行控制，以获得高精度。位置测量图1-15开环补偿型3.按数控系统功能和机床用途分类图1-16半闭环补偿控制系统框图按数控系统的功能水平通常把数控系统分为低、中、高三类。低、中、高三档的界限是 相对的，不同时期，划分标准也会不同。就目前的开展水平来看，可以根据表1-2的一些功 能及指标，将各种类型的数控系统分为低、中、高档三类。其中中、高档一般称为全功能数 控或标准型数控。在我国还有经济型数控的提法，它属于低档数控，指由单片机和步进电动 机组成的数控系统，或其它功能简单、价格低的数控系统。经济型数控主要用于车床、线切 割机床以及旧机床改造等。随着数控技术的开展，目前国内外对大局部普通机
32、床几乎都已开发了相应的数控机床， 并且还扩展了一些特殊类型的数控机床。其加工用途、功能特点多种多样。据不完全统计， 目前数控机床的品种规格已达500多种。但按其基本工艺用途又可以划分为以下四大类：1)金属切削类即指采用车、铳、链、钱、钻、磨、刨等各种切削工艺的数控机床。它又可被分为两类:(1)普通型数控机床 如数控车床、数控铳床、数控磨床等。(2)加工中心 其主要特点是具有自动换刀机构的刀库，工件经一次装夹后，通过自动 更换各种刀具，在同一台机床上对工件各加工面连续进行铳、镖、钻、较、攻螺纹等多工序 的加工。如(链铳类)加工中心、车削中心、钻削中心等。表12数控系统不同档次的功能及指标表（3）
33、对硬件选择开放 一个开放式CNC系统应能在不同的硬件平台上运行。功能低档中 档高档系统分辨率10pml|im0.1 |imG00速度3 8m/min10 24m/min24 100m/min（4）对主轴及进给驱动系统开放 能控制不同厂商提供的主轴及进给驱动系统。（5）对数据传输及交换等开放系统结构简单，用户操作命令接近自然语言，适用于人 机对话编程，易与计算机网络系统互联，易与CAD/CAM系统集成。正因为开放式CNC系统具有以上优点，很多CNC系统厂商都在这一领域积极开展研究 与开发。近年来人们致力于开发基于WEB的CNC系统（远程CNC系统）、智能、CAD/CAM 集成CNC系统。1.2数
34、控技术的开展.2.1国内外数字控制技术的开展1 .国外数控技术的开展概况1947年，美国的Parsons公司在生产直升机机翼检验样板时，为了提高精度和效率，提 出了用穿孔卡片来控制机床的方案，这一方案迎合了美国空军为开发航天及导弹产品的需要, 于是得到了美国空军的经费支持，开始研究以脉冲方式控制机床各轴的运动，进行复杂轮廓 加工的装置。1949年与麻省理工学院（MIT）的伺服机构研究所开始共同研究，到1952年， 完成了能进行三轴控制的铳床样机，取名为“Numerical Control，这就是第一台数控机床，并 立即生产了 100台。美国Keaney&Treckre公司在1959年开发成功了
35、具有刀库、换刀装置和 回转工作台的数控铳床。数控机床的开展大至经历了以下六个阶段：第一阶段，1952年由Parson公司和麻省理工学院联合研究开发的第一台电子管数控系统。第二阶段，1960年，出现了晶体管和印刷电路板的数控系统。第三阶段，1965年，出现了小规模集成电路的数控系统。第四阶段，1970年，出现了小型计算机数控系统的硬件，并以软件形式实现数控功能的 数控系统。第五阶段，1974年，出现微处理器或微型计算机数控系统。第六阶段，20世纪90年代后期，出现了 PC+CNC智能数控系统。以PC机为控制系统 的硬件局部，WindowsNT为PC机的操作系统平台，在PC机上安装NC软件系统，即
36、为加工 中心的控制系统。德国Roeders公司生产的RFM600型加工中心就是典型的PC+CNC系统， 其优点有：（1）与PC硬件的完全通用，使数控系统能随着PC技术的升级而升级，系统维护方便。（2）充分共享PC丰富的软件资源。（3）由于PC机有标准化的接口，方便地联入局域网及Internet,易于实现网络化制造。20世纪80年代以来，随着数控技术的开展，形成了一批著名的专业生产厂，如德国的西门子、Bosh、Reoders,日本的三菱电机、FANUC,法国的NUM,西班牙的FAGOR等。2 我国数控技术开展概况伺服类型开环及步进电动机半闭环及直、交流伺服闭环及直、交流伺服联动釉数23轴24轴5
37、轴或5轴以上通信功能无RS-232C 或 DNCRS-232C、DNC、MAP显示功能数码管显示CRT：图形、人机对话CRT：三维图形、自诊断内装PLC无有强功能内装PLC主CPU8 位、16 位 CPU16 位、32 位 CPU32 位、64 位 CPU结构单片机或单板机单微处理机或多微处理机分布式多微处理机2）金属成形类即指采用挤、冲、压、拉等成形工艺的数控机床，常用的有数控压力机、数控折弯机、 数控弯管机、数控旋压机等。3）特种加工类主要有数控电火花线切割机、数控电火花成形机、数控火焰切割机、数控激光加工机等。4）测量、绘图类主要有三坐标测量仪、数控对刀仪、数控绘图仪等。1.4本课实训实
38、训目的了解数控机床的产生背景，开展趋势及先进的制造技术，熟悉数控机床的加工特点和加 工对象，掌握数控技术的基本概念，数控机床的组成及分类。1.4.1 实训内容工程一：数控车床的认识实训1 .技能要求了解数控车床的机械结构的特点和坐标系统，理解并掌握数控车床的工作原理及组成， 对数控车床操作加工步骤有基本认识。2 .训练内容1）数控车床的工作原理。2）数控车床的组成及作用。3）数控车床的坐标系统。4）数控车床操作开机关机。5）手动操作数控车床的方法。3 .训练步骤1）数控车床开机。2）讲解数控车床的组成、作用和坐标系统。3）讲解数控车床的操作方法。4）以简单轴类工件为例，通过示范“工艺分析“编制
39、程序“程序输入 和调试” T “装夹工件” T “对刀” T ”启动程序试加工” T “工件检验”，进一步 讲解数控车床工作原理和加工步骤全过程。工程二：数控加工中心认识实训.技能要求了解加工中心的机械结构的特点和坐标系统，理解并掌握加工中心的工作原理及组成， 对加工中心操作加工步骤有基本认识。1 .训练内容1）加工中心的工作原理。2）加工中心的组成及作用。3）加工中心的坐标系统。4）加工中心操作开机关机。5）加工中心手动操作的方法。2 .训练步骤1）加工中心开机。2）讲解加工中心的组成、作用和坐标系统。3）讲解加工中心的操作方法。4）以简单平面类工件为例，通过示范“工艺分析” T “编制程序
40、” T “程序输 入和调试” f “装夹工件”一“对刀”“启动程序试加工” f “工件检验”，进一 步讲解加工中心工作原理和加工步骤全过程。实训自测题一、填空题1 .数控机床一般由、和 组成。2 .数控机床的本体指其，它与传统的普通机床相比拟，同样由、以及 等局部组成。3 .数控系统（NC System ）就是一种,它能自动完成信息 的、，从而控制机床的运动和加工过程。4 .伺服系统是 和 之间的电传动联系环节。主要由、和 等组成。5 .柔性制造单元是由和装置所组成，同时数控系统还增加了与 等功能。6 . 一般的数控系统都具有 和 高速远距离串行接口。可以按照用户级的格式要求，同上一级计算机进
41、行多种数据交换。高档的数控系统应具有 o7 .数控机床按伺服类型分类，有 数控机床 数控机床和数控机床O.点位控制数控机床的特点是控制 或 等移动部件的 位置，即控制移动部件由 准确地移动到，而 与 之间的 没有严格要求。二、选择题.第一台工业用数控机床在（）生产出来。A. 1948 年 B. 1952 年 C. 1954 年 D. 1958 年.点位控制机床可以是（）oA.数控车床B.数控铳床C.数控冲床D.数控加工中心.只有间接测量机床工作台的位移量的伺服系统是（）。A.开环伺服系统B.半闭环伺服系统C.闭环伺服系统D.混合环伺服系统数控机床1 .中档数控机床的分辨率一般为（ ）oA. 0
42、. 1 mm B. 0. 01 mm C. 0. 001 mm D. 0. 000 1 mm2 .进给伺服系统对（）不产生影响。A.进给速度B.运动位置C.加工精度D.主轴转速.直线控制的数控车床可以加工（ ）oA.圆柱面 B.圆弧面C.圆锥面D.螺纹.（）伺服系统的控制精度最高。A.开环伺服系统B.半闭环伺服系统C.闭环伺服系统D.混合环伺服系统数控机床3 .第四代是()以后采用小型计算机的计算机数控系统(CNC)。A. 1952 年 B. 1965 年 C. 1980 年 D. 1970 年.高档数控机床的联动轴数一般为()。A. 2轴 B. 3轴 C. 4轴D. 5轴.()不属于数控机床
43、。A.加工中心B.车削中心C.组合机床D.计算机绘图仪三、简答题1 .什么是数控技术？什么是计算机数控技术？2 .数控技术的基本原理是什么？何谓数控系统？3 .数控机床由哪几个局部组成？简述各组成局部的主要功能。4 .与传统机床相比，数控机床有何特点？5 .数控机床如何分类？可分成哪些类型？6 .数控机床的开展趋势如何？我国于1958年研制出了首台NC机床，到1979年为止，由于缺乏技术基础，总体设计 实力差，各种机、电、液、气配套基础元件、NC系统不过关，NC机床无法正式生产，也无 法在生产中正式使用。从1980年起，先后引进日、德、美、西班牙的CNC系统，各种NC 机床，各类机、电、液、气
44、基础元件等进行合作生产，提高了产品的质量，解决了可靠性问 题，由此NC机床开始在我国批量生产，并正式用于生产制造。1980年，我国NC机床产量 为692台，至1999年，产量达9007台，2000年超万台，各类NC金属切削机床、成形机床、 激光加工机床等在品种上已经系列化。但对于中、高档次的数控机床还得依靠进口。目前，我国的数控技术与国际先进水平相比，存在的差距主要表现在两个方面。其一， 数控系统和数控机床的稳定性差，两者与国外产品比拟见表1-1。其二，我国数控系统成套性 差，数控装置、驱动、电机不配套，伺服驱动、主轴驱动的性能和可靠性比国外产品低，高 精度、高速度及重型设备数控系统性能、功能
45、比国外产品差。表国内、外数控系统数控机床平均无故障时间/h国内国外数控系统数控机床数控系统数控机床10000-2000030070000-1000005001 .2.2数控机床的开展2 .数控机床结构的开展为适应数控技术的开展，数控机床的机械结构发生了很大的变化。为缩小体积，减少占 地面积而更多地采用机电一体化结构，如带有立、卧自动转换的工作台、自动交换刀具；为 了提高自动化程度，采用高速电主轴，主轴带C轴控制，万能回转铳头，以及数控“动力刀架” 和“刀库”等数控机床典型的机械结构。(1)电主轴 内装式电主轴单元将电机和高精度主轴结合在一起，使主轴单元的高速、 高效、高精度加工成为可能，内装式
46、电主轴单元是数控机床的核心功能部件，简化了机床结 构，同时消除了由机械传动产生的振动噪声。(2)直接驱动 分旋转直接驱动、直线直接驱动。旋转直接驱动采用力矩电机，具有 低速大扭矩特性。直线直接驱动采用直线电机，己解决漏磁和发热问题，加速度可达3g。(3)滚动部件 采用滚珠丝杠副、直线滚动导轨自润滑滚珠丝杠，加速度可达2g。(4)数控刀架 数控刀架的控制和驱动采用伺服电动机或液压系统，回转180的时间 安已缩短到0.5s。刀架品种繁多，可作为各种数控车床、车削加工中心配套件。(5)铳头 数控铳床、加工中心、车铳中心等配套的铳头各式各样。车铳中心用的B 轴铳头，可在210。范围内摆角进行高精度铳切
47、加工；数控铳床、加工中心用的二坐标铳头能 A、B轴(立、卧二用)摆角，可加工任意空间曲面。(6)数控转台 采用二坐标数控转台。具有双耳轴，平台能倾转，转台上配备交换工作台接收装置。(7)数控刀库 采用大容量、刀位不动的“货架式”刀库，刀具用工业机器人取放。如德 国产“圆柱形立体刀库”可容纳500把刀，圆柱中心的工业机器人按程序预选、取放、并传递 给机床主轴；瑞士产“框架式刀库”的每个模块可容纳96把刀具，模块外形1.8x1x2.25m,可 以层层叠加扩展容量。刀库内机械手按程序抓放刀后，先传递给一个作为“二传手”的接刀模 块，再对机床换刀。除上述机械结构与普通机床不同外，数控机床的运动分配和运动设计也已经打破传统的 金属切削机床分类。不管是工件旋转还是刀具旋转为主运动，只要工件和刀具之间有相对运 动就行，并要求这种布置为最正确。机床的动力头在同一台机床上有时作传统意义上的主轴使 用，有时又作动力刀具的旋转轴使用。在同一次装夹的情况下，上一工步工件旋转作为主运 动，下一步那么是工件的进给运动。以“完全加工”的理念进行工序复合和功能复合。3 .伺服系统执行机构的开展最早的数控机床采用步进电动机和液压扭矩放大器。功率型步进电动机的问世，开始直 接用它驱动机床。由于开环系统的应用日趋减少，步进电动机在数控机床上的应用也受到了 限制。如今主要用在精度