数控专业技术笔记

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1、数控技术参考教材：数控技术，华中科技大学 效果 主编，湖北科学技术出版社杨词慧Email: ncom第1章 数控机床概述一、 数控机床简介（一） 数控机床的产生1、 数控机床，是为了解决单件、小批量，特别是复杂型面零件加工的自动化并保证质量要求而产生的。1952年美国PARSONS公司与麻省理工学院（MIT）合作研制了第一台三坐标数控铣床。（二） 数控机床的特点1、 能适应不同零件的自动加工；2、 生产效率和加工精度高、加工质量稳定；3、 能高效优质完成复杂型面零件的加工，其生产效率比之通用机床加工可提高十几倍甚至几十倍；4、 工序集中，一机多用；5、 柔性好，通用性强；6、 数控机床是一种高

2、技术的设备，有利于向高级制造系统发展。（三） 数控机床的不足之处1、 投资大、维修维护难度大以及对技术人员的技术水平要求较高。二、 数控机床的控制原理和组成（一） 数控机床的控制原理1、 数控，即数字控制（Numerical Control，简称NC），在机床领域是指用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制的一种方法。定义中的“机床”不仅指金属切削机床，还包括其它各类机床，如三坐标测量机等。2、 采用数控技术的控制系统称为数控系统。装备了数控系统的受控设备称为数控设备。数控设备包括机床行业的各种数控机床和其它行业的许多数控设备，如数控火焰切割机、电火花加工机、数控冲剪机等。3、 数控装置是数

3、控机床的控制核心，通常由一台通用或专用的微型计算机构成。数控装置根据输入的指令，进行译码、处理、计算和控制，实现其数控功能。4、 数控机床的控制原理：数控机床是用数字化的信息来实现自动控制的，将与加工零件有关的信息工件与刀具相对运动轨迹的尺寸参数（进给执行部件的进给尺寸），切削加工的工艺参数（主运动与进给运动的速度、切削深度等），以及各种辅助操作（主运动变速、刀具更换、冷却润滑液启停、工件夹紧松开等）等加工信息用规定的文字、数字和符号组成的代码，按一定的格式编写成加工程序单，将加工程序通过控制介质输入到数控装置中，由数控装置经过分析处理后，发出各种与加工程序相对应的信号和指令控制机床进行自动加

4、工。（二） 数控机床的组成程序输入设备计算机数字控制装置（CNC装置）可 编 程 控制器（PLC）主轴控制单元速度控制单元输出设备主轴电机进给电机位置检测器机床1、 数控机床由以下几部分组成。2、 数控系统由用户程序、输入输出设备、计算机数字控制装置（CNC装置）、可编程控制器（PLC）、主轴驱动装置和进给驱动装置等组成。（1）程序编制及程序载体：数控程序是零件加工程序。根据零件图纸，用手工编程或自动编程的方法编制出数控加工程序并存储在一种信息载体上。（2）输入输出设备：CNC系统对数控设备进行自动控制所需的各种外部控制信息及加工数据,都是通过输入设备存入CNC装置的存储器中。输入CNC装置的

5、有零件加工程序、控制参数、补偿数据等。输出设备主要的功能为显示、打印、输出加工程序、控制参数、补偿参数等。（3）数控装置及强电控制装置：数控装置由硬件和软件组成。硬件主要由微处理器、存储器、位置控制、输入/输出接口、可编程控制器、图形控制、电源等模块组成。软件由管理软件和控制软件组成。管理软件系指零件加工程序的输入输出、系统的显示功能和诊断功能。控制软件则包括译码处理、刀具补偿、插补运算、位置控制和速度控制。（4）伺服驱动系统及位置检测装置：伺服驱动系统包括驱动部分和执行机构两大部分。伺服系统主要指数控设备的主轴驱动和进给驱动，是CNC系统的执行部分。伺服系统的作用是把来自CNC装置的各种指令

6、（脉冲信号），转换成数控设备移动部件的运动。在数控机床的伺服驱动机构中，常用的驱动元件有功率步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机，后二者都带有感应同步器、编码器等位置检测元件。（5）数控机床的机械部件。（三） 数控机床的主要工作过程1、 正常工作前的准备工作：在接通电源后，CNC装置将对数控系统及数控机床的各组成部分的工作状态进行检查和诊断，并设置初始状态。2、 零件加工控制信息的输入：CNC系统具备了正常工作条件后，开始输入零件加工程序、刀具长度补偿数值、刀具半径补偿数值以及工件坐标系原点相对机床原点的坐标值。3、 数控加工程序的译码和预处理：加工控制信息输入后，启动加工运行，此时CNC装置

7、在系统控制程序的作用下，对数控程序进行预处理，即进行译码和预计算（刀补计算、坐标变换等）。4、 插补计算：一个程序段的加工控制信息预处理完毕后进行插补处理。所谓“插补”就是指在一条已知起点和终点的曲线上进行数据点的密化。插补的任务就是根据进给速度的要求，在一段零件轮廓的起点和终点之间，计算出若干个中间点，分别向各个坐标轴发出方向、大小和速度都确定的运动序列指令。5、 位置控制：各个坐标轴的伺服系统将插补结果作为各个坐标轴位置调节器的指令值，机床上位置检测元件测得的位移作为实际位置值。位置调节器将两者进行比较，经过调节，输出相应的位置和速度控制信号，控制各轴伺服系统驱动机床坐标轴运动。通过各个坐

8、标轴运动的合成，产生数控加工程序所要求的工件轮廓尺寸。三、 数控机床的分类（一） 按数控机床的加工功能分类1、 点位控制数控机床：用于加工平面内的孔系，它控制在加工平面内的两个坐标轴带动刀具与工件相对运动，从一个坐标位置快速移动到下一个坐标位置，然后控制第三个坐标轴进行钻镗切削加工，它要求坐标位置具有较高的定位精度。点位控制数控机床主要有：数控镗床、数控钻床、数控冲床、三坐标测量机等。2、 直线控制数控机床：可控制刀具或工作台以适当的进给速度，沿着平行于坐标轴的方向进行直线移动或切削加工，进给速度根据切削条件可在一定范围内调变。一般情况下这些数控机床有两到三个可控轴，但同时控制轴数只有一个。数

9、控镗铣床、加工中心属于点位/直线控制的数控机床。直线控制数控机床主要有：数控镗铣床、数控车床、加工中心等。3、 轮廓控制数控机床：特点是能同时控制两个或两个以上的坐标轴，可以加工曲线或曲面的零件。轮廓控制数控机床主要有：数控车床、数控铣床、数控磨床、加工中心、数控电加工机床等。两坐标联动控制：用计算所得的两个位移分量分别指令两个坐标轴同时运动的控制方式。4、 轮廓控制数控机床有两种：平面轮廓加工的数控机床、空间轮廓加工的数控机床。（1）平面轮廓加工的数控机床：零件的轮廓可以是由直线、圆弧或任意平面曲线组成。（2）空间轮廓加工，根据轮廓形状和所用刀具形状的不同有以下几种方法：A、在三坐标控制两坐

10、标联动的机床上，用“行切法”进行加工，即以X、Y、Z三轴中任意两轴作插补运动，第三轴作周期性进给，刀具采用球头铣刀；B、三坐标联动加工；C、四坐标联动加工；D、五坐标联动加工。点位控制数控机床直线控制数控机床轮廓控制数控机床5、 从控制轴数和联动轴数考虑，上述各类机床可分为：两轴联动数控机床、三轴控制两轴联动数控机床、三轴联动数控机床、五轴联动数控机床等。6、 按所用进给伺服系统的类型分类指令脉冲步进电机驱动电路步进电机工作台7、 开环数控机床：不带位置检测反馈装置。CNC装置输出的指令脉冲经驱动电路的功率放大，驱动步进电机转动，再经传动机构带动工作台移动，其控制框图如下图所示。开环控制的数控

11、机床工作比较稳定，反应快，调试方便，维修简单，但速度及精度都较低，这类数控机床多为经济型。8、 闭环数控机床：带有位置检测反馈装置。位置检测装置安装在机床工作台上，用以检测机床工作台的实际运行位置，并与CNC装置的指令位置进行比较，用差值进行控制。闭环控制系统的特点是：精度高、速度快、技术上要求高，成本较高。闭环控制系统的调试和维修比较复杂，其关键是系统的稳定性，系统调试不好容易产生振荡，所以在设计时必须对稳定性给予足够的重视。闭环控制系统主要应用于一些精度要求较高的超精车床、镗铣床、超精铣床和精密加工中心等。9、 半闭环数控机床：将检测元件安装在电机或丝杠端头上，检测角位移，其控制框图如下图

12、所示。由于闭环环路内不包括丝杠、螺母副及工作台，所以可以获得比较稳定的控制特性。其控制精度虽不如闭环控制系统，但调试比较方便，现在大多数数控机床都广泛采用这种半半环进给伺服系统。10、 按所用数控装置类型分类11、 硬线数控机床（NC）：使用硬线数控装置，它的输入处理、插补运算和控制功能，都由专用的固定组合逻辑电路来实现，不同功能的机床，其组合逻辑电路也不相同。12、 计算机数控机床（CNC）：即软线数控装置。这种数控装置的硬件电路是由小型或微型计算机再加上通用或专用的大规模集成电路制成，数控机床的主要功能几乎全部由系统软件来实现，所以不同功能的机床其系统软件也就不同。现在几乎所有的数控机床都

13、采用了计算机数控装置。四、 数控技术及数控机床的发展及其技术水平（一） 概述1、 数控系统发展的主要目标：降低价格、提高可靠性、拓宽功能、提高操作舒适性、提高集成度、提高系统的柔性和开放性。2、 数控技术和数控机床的发展表现在以下几方面：（1）数控装置；（2）进给伺服驱动系统；（3）程序编制；（4）数控机床的工况检测、监控和故障诊断；（5）采用功能很强的可编程控制器；（6）机床的主机。（二） 直接数字控制系统1、 直接数字控制系统（DNC）：是用一台通用计算机直接控制和管理一群数控机床进行零件加工或装配的系统。2、 DNC系统可以分为两大类：间接控制型系统、直接控制型系统。3、 间接控制型DN

14、C系统：是由已有的数控机床，配上集中管理和控制的中央计算机，并在中央计算机和数控机床的数控装置之间加上通信接口所组成。中央计算机与接口只起了原有数控机床的纸带阅读机的作用。4、 直接控制型DNC系统：不再配置普通的数控装置，原来由数控装置完成的插补运算功能全部或部分由中央计算机集中完成，各台数控机床只需配置一个简单的机床控制器（Machine Control Unit - MCU）用于数据传递、驱动控制和手动操作。（三） 柔性制造单元和柔性制造系统1、 柔性制造单元（FMC）是由加工中心（MC）与自动交换工件（AW，APC）的装置所组成，同时数控系统还增加了自动检测与工况自动监控等功能。FMC

15、可以作为组成柔性制造系统的基础，也可用作独立的自动化加工设备。2、 FMC的组成：一般情况下，FMC中存在着信息流、物流和加工三个子系统。信息流子系统包括FMC控制系统、监视系统、控制与管理软件；物流子系统包括工件流和刀具流的装卸、搬运和存储。3、 FMC的特点：在单元计算机控制下，可在不同或同一机床上进行不同零件的加工；在单元计算机控制下，可以组成柔性制造系统并进行通信；在机床加工过程中可自动进行刀具的更换和工件的自动传输；在机床加工过程中可实现加工过程监控；4、 柔性制造系统（FMS，Flexible Manufacturing System）：是由数控加工设备、物料运储装置和计算机控制系统等组成的自动化制造系统。它包括多个柔性制造单元，能根据制造任务或生产环境的变化迅速进行调整，适用于多品种、小批量生产。5、 FMS的组成：（1）从硬件的形式看有三部分组成：多个加工设备、一套自动的物料储运系统以及一套计算机控制系统。（2）从软件内容看主要包括：运行控制软件、质量控制软件以及数据管理和通信软件。（3）从功能上看应该有：能自动进行零件的批量生产；改变软件，便能制造出某一零件族的任何零件；物料的运输和存