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1、天津机电职业技术学院教师备课纸第一章绪论数控机床是集机械、电气、液压、气动、微电子和信息处理等多项技术为一体的典型应用。微机控制的数控机床的高精度、高速度、高效率、高度柔性化及适合加工复杂零部件的性能，满足当今市场快速多变、竞争激烈和工艺发展的需要。可以说，微机控制技术的应用是机械制造行业现代化的标志，在很大程度上决定了企业在市场竞争中的成败。第一节机床数字控制的基本概念一、数字控制技术数字控制（NumericalControl)，简称NC，是近代发展起来的一种自动控制技术。数字控制是相对于模拟控制而言的。数字控制系统中的控制信息是数字量，而模拟控制系统中的控制信息是模拟量。数字控制系统特点：
2、l）2）3）数字控制系统的硬件基础是数字逻辑电路。早期的数控系统是由数字逻辑电路构成的，因而被称之为硬件数控系统。随着微型计算机的发展，硬件数控系统已被淘汰，取而代之的是计算机数控系统（ComputerNumericalcontrol)，简称CNC。简而言之，用数字化信息进行控制的自动控制技术称为数字控制技术，简称数控；采用数控技术控制的机床，或者说装备了数控系统的机床，称之为数控机床。二、数控机床的组成和加工特点数控机床由机床和数控系统两大部分组成，如图1一1所示。机床一般由床身、立柱、主轴、进给机构及辅助装置等部分组成；数控系统主要包括：输人设备、通信设备、显示输出设备、计算机控制装置、主
3、轴驱动、伺服进给驱动及逻辑控制单元（PLC）等部分。数控机床进行加工，首先必须将工件的几何信息和工艺信息数字化，按规定的代码和格式编制数控加工程序，并用适当的方式将此加工程序的信息输人数控系统。数控系统根据输人的加工程序信息进行处理，计算出理想轨迹和运动速度（计算轨迹的过程称为插补），然后将处理的结果输出到机床的执行部件，控制机床执行部件按预定的轨迹和速度运动。数控机床加工的过程如图1一2所示。其中信息输人、信息处理和伺服执行是数控系统工作的三个基本过程。加工一个零件所需的数据及操作命令构成零件加工程序。信息处理是数控的核心任务，由计算机来完成。它的作用是识别输人介质中每个程序段的加工数据和操
4、作命令，并对其进行换算和插补计算。伺服驱动部分的作用是将插补输出的位移（或位置）信息转换成机床的进给运动。与传统的加工方法相比，数控机床有以下优点：l）可以加工复杂、异形的零件。2）加工的零件精度高、一致性好、装配容易，无需再“修配”。3）具有柔性化的特点，不仅能适应中小批量，也适合大批量生产。4）提高了加工精度和效率，缩短生产周期。5）具有远程监控、补偿、诊断和自动报警等多种功能，降低了劳动强度。6）机床结构简化，易于调整，与普通机床相比，所需的调整时间较少。需要指出的是，数控机床也有以下缺点：1）造价相对较高。2）维护比较复杂，需要专门的维护人员。3）需要高度熟练和经过培训的编程人员。第二
5、节数控系统的分类机床数控系统的分类可按以下几种方式来划分：l）按被控机床运动轨迹来划分，有点位控制、直线控制与轮廓切削（连续轨迹）控制。2）按控制器的结构来划分，有硬件数控和计算机数控。计算机数控（当前主要是指微机数控）又可分为单微机系统和多微机系统。3）按伺服系统控制环路来划分，可分为开环、闭环和半闭环系统。4）按功能水平来划分，可分为高、中、低档三类。一、点位、直线与轮廓切削控制（一）点位控制系统点位控制系统常用于数控钻床、数控幢床、数控冲床和其他需定位控制的机械中。（二）直线控制系统常用于简易数控车床、数控锉铣床等。（三）轮廓切削控制系统按同时控制的轴数（即联动轴数）分，可分为2轴联动、
6、3轴两联动、3轴联动、4轴联动和多轴联动等数控机床。其中3轴两联动是指3个坐标轴（x,Y,Z）中任一时刻只能控制任意2轴联动，另一轴则是点位或直线控制。轮廓控制系统一般都有点位和直线控制功能。二、硬件数控和计算机数控早期的数控系统是由数字逻辑电路来处理数字信息的，也就是硬件数控，习惯上称之为NC系统，于20世纪60年代投入使用。随着微处理器价格的降低，常采用多个微处理器在一个数控系统中，这样可以并行完成单微处理器难以完成的复杂功能，而且速度快，有较高的性能价格比。基于功能、价格等因素权衡，多微处理器的数控系统得到了迅速发展。微机数控系统根据一个系统中微处理器的多少，可分为单微机数控系统和多微机
7、数控系统。三、开环数控系统和闭环数控系统（一）开环数控系统这类数控系统的伺服系统是开环的，没有检测反馈装置，数控装置发出的指令信号流是单向的，所以不存在稳定性问题。开环数控系统具有工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉等优点。（二）闭环数控系统闭环数控系统装有检测反馈装置，在加工中随时检测移动部件的实际位置。能得到很高的加工精度。但是闭环系统设计和调整都相当困难。目前这种全闭环系统主要用于精度要求较高的镗铣床、精密车床、精密磨床和加工中心等。（三）半闭环数控系统半闭环数控系统的检测元件安装在伺服电动机或丝杠的端部，也就是说反馈信号取自电动机轴而不是机床的最终运动部件，没有将运动部件包含在闭环系
8、统中，因而称为半闭环数控系统。可获得稳定的控制特性。仍可得到满意的加工精度。四、按功能水平分类按照数控系统的功能水平可以把数控系统分为高、中、低三档。低档（经济型）、中档（普及型）、高档（标准型或全功能型）。（一）分辨率和进给速度（二）坐标联动功能（三）显示功能（四）通信功能（五）主CPU档次（六）内装PLC此外，进给伺服系统的技术水平也是衡量数控系统档次的条件之一。我国现阶段所谓的经济型数控系统，大多指开环数控系统而言，多由步进电机驱动，一般不具有通信功能。这类机床结构简单，精度要求不高，但价格低廉，在我国目前应用较广泛。区别于经济型数控，把功能较齐全的数控系统称为全功能数控系统，或称标准型
9、数控系统。这类数控系统功能较多，进给驱动采用直流或交流数字伺服系统，能实现多轴联动，分辨率高，具有三维动态图形显示和高性能网络通信接口，可进行计算机联网通信。装备这类系统的数控机床功能齐全，加工精度高，但价格较昂贵。如：全功能数控车床、车削中心、多面加工中心及柔性制造单元等。第三节数控机床的有关功能规定数控机床的核心是数控系统。而数控系统的核心是执行信息处理功能的计算机（通常是指微机），它是指挥机床进行自动加工的司令部。反过来，数控系统的控制功能又是为机床加工过程服务的。一、数控机床程序编制的有关规定零件加工程序正确性有两个方面的含义：一是语法正确，即数控系统能识别；二是语义正确，即根据程序所
10、表达的信息，数控机床能加工出符合图样要求的零件来。数控系统的程序输人手段有多种型式，主要分为手动和自动两种方式。手动输人一般是通过键盘输人，也称为手动数据输人方式（MDI）。自动输人可用纸带、磁带、磁盘等信息载体输人，也可以用通信方式输人。当前纸带、磁带输人方式已极少见到。零件加工程序就是一篇用数控语言描述零件加工过程的文章，它由若干个程序段（句子）组成，程序段由若干指令代码（单词）组成，指令代码又是由字母和数字组成，这些字母和数字相当于文章中的字。即字母和数字组成指令代码，指令代码组成程序段，程序段组成程序。数控机床常用的功能指令代码可以分为两大类。一类是准备功能代码，即G代码；另一类是辅助
11、功能代码，即M代码。G代码和M代码是数控加工程序中描述零件加工工艺过程的各种操作和运行特征的基本单元，是程序的基础。国际上广泛采用的ISO10561975E标准规定了G代码和M代码。我国原机械工业部根据ISO标准制定了JB32081983数控机床穿孔带程序段格式中的准备功能G代码和辅助功能M代码标准，如表1一1和表1一2所示。G代码是使数控机床准备好某种运动方式的指令，故称之为准备功能。M代码主要用于数控机床的开关量控制。F代码用于指令切削进给速度，F字母后的数字代表了切削进给速度值，单位是mm/min。T代码用于指令加工用刀具号、刀具长度及刀具补偿功能等。二、数控机床的坐标系和运动方向的规定
12、在数控机床中，机床直线运动的坐标轴X、Y、Z按照ISO和我国的JB30511982标准，规定为右手直角笛卡尔坐标系。基本坐标轴为X、Y、Z直角坐标，围绕X、Y、Z三个轴的旋转运动轴为A、B、C，如图15所示。X、Y、Z的正方向是使工件尺寸增加的方向，即增大工件和刀具的距离的方向。通常以平行于主轴的轴线为Z轴（即Z坐标运动由传递切削动力的主轴所规定），若机床有多个主轴，应选尽可能垂直于工件装卡面的主要轴为Z轴并规定增大工件和刀具距离的方向作为Z轴的正方向。X、Y、Z为主坐标系或称为第一坐标系。若有平行于X、Y、Z的第二组坐标系和第三组坐标系，则分别指定为U、V、W和P、Q、R靠近主轴的直线运动为
13、第一坐标系，稍远的为第二坐标系。第四节机床数控技术的发展一、数控机床的产生和数控技术的发展过程采用数字控制技术进行机械加工的思想，最早是在20世纪40年代初提出的。1952年，美国麻省理工学院将计算机技术应用到机床控制上，成功地研制出一台三坐标联动的数控铣床。这是公认的世界上第一台数控机床。1959年，美国的卡尼一特雷克公司成功地开发了称为“MILWAUKEE一MATIC”的加工中心。我们将晶体管数控装置称为第二代数控系统。1965年，数控装置开始采用小规模集成电路，使数控系统的体积减小、功耗降低、可靠性提高。称之为第三代集成电路数控系统。1967年，美国首先把几台数控机床连接成具有柔性的加工
14、系统，这就是最初的FMS（柔性制造系统）。1970年，在美国芝加哥国际机床展览会上，首次展出了第四代数控系统用小型计算机控制的数控机床。这是第一台用计算机控制的机床，简称CNC。1971年，美国INTEL公司第一次将计算机的核心部件运算器和控制器集成在一块大规模集成电路芯片上，称之为微处理器。到了1974年，微处理器直接用于数控系统，微处理器的应用使数控系统进人到第五代。20世纪80年代初，国际上出现了柔性制造单元FMC。1990年，数控系统进入到基于PC的时代，称之为第六代数控系统。二、我国数控机床发展情况我国从1958年开始研究数控技术，一直到20世纪60年代中期仍处于研制、开发阶段。19
15、65年，国内开始研制晶体管数控系统。从20世纪70年代开始，数控技术在车、铣、钻、铿、磨、齿轮加工和电加工等领域全面展开，数控加工中心也先后在北京、上海研制成功。20世纪80年代，我国先后从日本、美国等国家引进了部分数控装置和伺服系统技术，在北京、上海和辽宁等地，开始小批量试制和生产数控系统。近几年，我国有关技术主管部门已明确了发展以PC为平台的数控系统，较好地解决了多坐标联动的数控技术难题。目前，我国已经可以供应网络化、集成化、柔性化的数控机床，从整体上，我国已跨人了数控技术领域世界先进行列中。三、机床数控技术的发展趋势随着高速切削和精密加工等先进制造技术的发展，对数控装置的性能提出了更高的要求。目前，数控技术正由专用型封闭式控制模式向通用型开放式控制模式转换。数控系统朝着高速度、高精度、智能化、环保型、网络型和高可靠性的方向迅猛发展。1 数控系统的发展目前，数控系统多采用位数、频率更高的微处理器、超大规模集成电路和多微处理器体系结构，主要用以提高系统的插补运算速度和精度。因此，高性能数控系统可以同时控制几个轴，甚至几十个轴（包括坐标轴、主轴及辅助轴），有多个控制通道，并且，前台的加工控制和后台的程序编辑，可以同时进行。当今世界上开放式数控系统
