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机床数控技术课程,数控技术,部分说明：
参考教材：,新编机床数控技术,
北京理工大学出版社，任玉田等编著。
数控部分章节单独排列
2
主要内容第一章 概 述第二章 数控加工程序编制第三章 CNC装置及接口第四章 插补原理与速度控制第五章 伺服驱动系统
3
第一章 概 述第一节 数控机床的基本概念
1.1 数控机床 的组成
1.2 数控机床的特点第二节 数控机床的分类
2.1 按被控对象的运动轨迹分类
2.2 按伺服系统的控制方式分类
2.3 按照加工方式分类第三节 数控机床的产生与发展
3.1 数控机床的出现与发展
3.2 我国数控机床的发展概况
3.3 数控机床的发展趋势第四节 FMC,FMS及 CIMS
4
第一节 数控机床
1.1 数控机床的组成
(一 )数控技术和数控机床的概念数控技术 用数字化信号对运动进行控制的技术。
数控系统 采用数控技术的控制系统。
数控机床 装备了数控系统的机床。
国际信息处理联盟第五技术委员会对数控机床作了如下定义：数控机床是一个装有程序控制系统的机床，该系统能够逻辑地处理使用号码或其它符号编码指令规定的程序。
5
（ 二）数控机床的组成数控系统 +机床结构数控系统是由用户程序、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。
图 1-1 CNC机床框图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
CNC系统第一节 数控机床
1.1 数控机床的组成
6
第一节 数控机床
1.1 数控机床的组成主轴伺服单元数控装置输出设备
P
L
C
进给伺服单元主轴电机进给电机位置检测机床本体接口电路操作面板输入设备
7
数控铣床
XKA714数控床身铣床参数及规格 单位 XK(F)A714
工作台面积 (宽 × 长 ) mm 400× 1100
工作台最大承载重量 Kg 1500
主电机 功率 kw 5.5/7.5
定位精度 mm ± 0.015
重复定位精度 mm ± 0.005
机床净重（约） Kg 3800
8
数控铣床
9
同类型的加工中心与数控铣床的结构布局相似，主要在刀库的结构和位置上有区别，一般由床身、主轴箱、工作台、底座、立柱、横梁、进给机构、自动换刀装置、辅助系统（气液、润滑、冷却）、控制系统等组成。
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FANUC 系列 150i B型数控装置数控装置
11
（三） CNC系统的组成
1,用户程序它是零件加工程序。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。
第一节 数控机床
1.1 数控机床的组成
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（三） CNC系统的组成
3,CNC装置
CNC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。
第一节 数控机床
1.1 数控机床的组成
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（三） CNC系统的组成
4,可编程控制器 (PLC)
数控设备用可编程控制器主要完成数控设备的各种执行机构的逻辑顺序控制，即用 PLC程序代替用继电器控制线路，实现数控设备的辅助功能、主轴转速功能、刀具功能的译码和控制。
数控设备用 PLC有内装型和独立型两种。内装型 PLC从属于 CNC装置,PLC硬件电路可与 CNC装置其它电路制作在同一块印刷板上，也可以作成独立的电路板。独立型 PLC
独立 CNC装置，本身具有完备的硬、软件功能，可以独立完成所规定的控制任务。
第一节 数控机床
1.1 数控机床的组成
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（三） CNC系统的组成
5,伺服系统伺服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
（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。
第一节 数控机床
1.1 数控机床的组成
15
（四）数控机床机械结构（主机）
床身、立柱、工作台、导轨、主轴、刀架特点：高刚度和高抗振性热变形小摩擦小传动结构简单第一节 数控机床
1.1 数控机床的组成
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第一节 数控机床
1.2 数控机床的特点
1 可加工零件多样。
2 生产效率高
3 加工精度高，质量稳定
4 可加工复杂型面
5 可实现工序集中
6 操作者劳动强度低
7 是制造系统柔性化、数字化、信息化、网络化的基础
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1,点位控制数控机床它的特点是刀具相对工件的移动过程中，不进行切削加工，对定位过程中的运动轨迹没有严格要求，
只要求实现从一坐标点到另一坐标点的精确定位。
点位控制数控机床主要有：数控坐标镗床、数控钻床、数控冲床等。
第二节 数控机床的分类
2.1 按刀具与工件间相对运动的轨迹分类
18
点位控制
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2,轮廓控制数控机床这类数控机床的特点是能同时控制两个或两个以上的坐标轴，控制刀具与工件按照工件的轮廓相对运动，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。
第二节 数控机床的分类
2.1 按刀具与工件间相对运动的轨迹分类
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直线与轮廓控制
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1,开环控制数控机床这类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。开环控制的数控机床工作比较稳定，反应快，调试方便，维修简单，但控制精度低，这类数控机床多为经济型。
指令脉冲步进电机驱动电路步进电机工作台开环控制系统框图第二节 数控机床的分类
2.2 按伺服系统的控制方式分类
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2,闭环控制系统这类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，其控制框图如下图所示。
控制脉冲比 较环 节速度控制单元机 床工作台伺 服电 机位置检测元件控 制元 件位置反馈电流反馈速度反馈第二节 数控机床的分类
2.2 按伺服系统的控制方式 分类
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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。
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3,半闭环控制系统这类数控机床带有位置检测反馈装置。测元件安装在电机或丝杠端头上。
由于闭环环路内不包括丝杠、螺母副等机械传动机构，
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，因此广泛应用于中小型的
CNC机床。
控制脉冲比 较环 节速度控制单元机 床工作台伺 服电 机位置检测元件速度检测元件位置反馈电流反馈速度反馈第二节 数控机床的分类
2.2 按伺服系统的控制方式分类
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1 金属切削类
2 金属成型类
3 电加工类
4 其他类第二节 数控机床的分类
2.3 按加工方式分类
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按照数控机床的功能水平对数控机床进行分类，一般可以把数控机床分为 高、中、低档三类 。
1,分辨率和进给速度分辨率为 10?m,进给速度在 8～ 15 m/min为低档；
分辨率为 1?m,进给速度在 15～ 24 m/min为中档；分辨率为 0.1?m，进给速度在 15～ 100 m/min为高档。
2,伺服进给类型采用开环、步进电机进给系统为低档；中高档则采用半闭环或闭环的直流伺服系统或交流伺服系统。
第二节 数控机床的分类
2.4 按 CNC装置的功能水平分类
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3,联动轴数值低档数控机床最多联动轴数为 2～ 3轴，而中、高档则为 3～ 5轴以上。
4,通信功能低档数控机床一般无通信功能。中档可以有 RS— 232
或 DNC（ direct numerical control )接口。高档的还可以有 MAP（ manufacturing automation protocol ）通信接口，具有联网功能。
5,显示功能低档的数控机床一般只有简单的数码管显示或简单的 CRT字符显示。而中档数控机床则具有较齐全的 CRT显示，不仅有字符显示，而且有图形显示，人机对话功能，
自诊断等功能。高档数控机床还有三维图形显示。
第二节 数控机床的分类
2.4 按 CNC装置的功能水平分类
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6,内置 PLC
低档数控机床一般无内置 PLC，中高档都有内置
PLC。高档数控机床具有强功能的内置 PLC，具有轴控制的扩展功能。
7,主 CPU
低档数控一般采用 8位 CPU,中档及高档已经逐步由 16位 CPU向 32位 CPU过渡 。 外国的一些新的数控系统已经选用了 64位 CPU,并选用具有精简指令集的 RISC中央 处 理 单 元,以 提 高 系 统 的 运 算 速 度 。
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第三节 数控技术的产生与发展
3.1 数控机床的出现与发展数控技术是机械技术和计算机控制技术的结合的产物，因此计算机技术的每一点进步都在推动数控技术向前发展。,六代,
1 电子管,1952,Parsons Corp.,MIT,美空军后勤司令部合作，第一台立式铣；
2 晶体管、印刷电路,1959，晶体管元件的出现使电子设备的体积大大减小，数控系统中广泛采用晶体管和印刷电路板,K&T开发第一台加工中心
MILWAUKEE-MATIC。
3 小规模集成电路,1965,由于它体积小、功耗低，，使数控系统的可靠性得以进一步提高，这是第三代数控系统。 1967英国最初的 FMS.
4 通用小型计算机,1970，在美国芝加哥国际机床展览会上，首次展出了一台以通用小型计算机作为数控装置的数控系统，特征为许多数控功能由软件完成,被人们成为第四代数控系统，
5 微处理器,1974，开始出现的以微处理器为核心的数控系统被人们誉为第五代数控系统，近 30年来，装备微处理机数控系统的数控机床得到飞速发展和广泛应用。
6 基于 PC（ PC-BASED）,1990,基于 PC开发式数控系统。
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第三节 数控技术的产生与发展
3.2 我国数控机床的发展概况
1958,1966,1972、
现达到 1500多个品种,年生产能力 40000
1,2000年的统计数据数控机床厂家,100
数控系统厂家,50
数控机床配套厂家,300
年产量,14053台数控机床品种,1300
产量数控化率,8%（ 95年 3.6%）
2,2003年产量 36000台,产值 295亿元 。
3,2003年 1－ 9月,海关统计机床进口 297482.6万美元,
出口 26630.8万美元
4,2004年 9月,国产数控机床国内占有率 27％
31
7 十五目标数控机床年增长率,>18%
到 2005年产量,25000~30000台 品种,2000种 数控化率,20%，
5。北京一机床 五坐标数控螺旋桨铣床，加工直径达 6米，可加工 10万吨级远洋海轮用螺旋桨叶轮面；
武汉重型机床厂 数控立车，可加工 30万 KW水轮机，直径达 16米，精度 0.02mm。
常州机床厂 五轴联动机床；秦川机床厂 六轴五联动全数控螺旋齿锥齿轮切齿机。
北京机电院 定位精度 +-3um 立式加工中心；宁江机床厂
+-8um卧式加工中心。
6 国产数控系统有 中国东方数控公司；中国科偌达，航天数控，珠峰数控,北大方正,兰州电机厂,南京四开,华中等开发的华中 Ⅰ,中华 Ⅰ,航天 Ⅰ 和蓝天 Ⅰ ；上海开通数控技术有限公司 KT；北京凯恩帝的 KND系列数控系统、广州数控设备厂的 GSK系列数控系统。
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1,高速高精度高速主轴单元（电主轴，转速 15000－ 100000r/min）
高速且高加 /减速度的进给运动部件（快移速度 60～
200m/min，在分辨率为 1微米时，在 100米 /分（有的到 200米 /分）
以上，在分辨率为 0.1微米时，在 24米 /分以上；切削进给速度高达 60m/min，自动换刀速度在 1秒以内； ）、
关键技术：
超高速切削机理，超硬耐磨长寿命刀具材料和磨料磨具，
切削速度已达到 5000米～ 8000米 /分以上大功率高速电主轴高加 /减速度直线电机驱动第三节 数控技术的产生与发展
3.3 数控设备和数控系统的发展趋势
33
当前，机械加工精度要求：
普通加工,5微米；
精密加工,1微米，
超精密加工：（ 0.001微米）
加工圆度为 0.1微米加工表面粗糙度 Ra=0.003微米主轴回转精度要求,0.01～ 0.05微米近 10多年来，普通级数控机床的加工精度已由 ± 10μm 提高到 ± 5μm,精密级加工中心的加工精度则从 ± 3～ 5μm,提高到 ± 1～ 1.5μm
2 高可靠性当前国外数控装置的 MTBF值已达 6000小时以上，驱动装置达
30000小时以上。
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3 自动编程技术
4 通信功能
5 智能化主要体现在以下几个方面：
（ 1） 应用自适应控制技术
（ 2） 故障诊断智能化
（ 3） 刀具监测智能化
6 数控系统的开放化
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瑞士米克朗 HSM 600U5轴联动高速加工中心 (图文 )
(2003-4-22) HSM600U是 5轴采用门架式设计的立式高速机加工中心。在高速状态下,HSM 600U允许高精度 5轴同时进行的刀具和模具制造、制造电极或进行小型到中型尺寸元件的精密制造。但是由于其结构坚固，电机轴转矩大，所以也适用于加工粗糙的工件以及进行抛光处理。因此 HSM 600U可通过 5轴同时对工件进行五面的抛光处理。这型机床最突出的特点就是具有高速的直接驱动式转盘。即使是 5轴同时运行时，对于对角线尺寸达 630mm?、重量 120kg以上的工件也可进行高速机加工。
可选的工件托盘转换器能够实现自动运行。工件托盘转换由机床的控制系统 (iTNC)直接控制。
操作优势真正的 5轴高速铣削加速度 (旋转）达 2100 o/秒加速度 达 40 m/分高范围的大功率电机轴速 36000 /分最佳的切削速度适合于加工大型工件循环周期限定自动控制系统工件托盘转换器为可选件可加工各种材料
+62 HRC以上的硬度钢
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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。
数控技术领域 发展趋势硬 件 开放式数控系统,PC集成技术,系统模块化系统软件 开放式数控系统,标准操作系统,实时数据库
CNC核心功能 三维刀具补偿,样条插补编程功能 三维图形模拟,WOP编程,在线编程伺服系统 采用现代控制理论提高跟随精度监控和诊断 自适应技术,智能诊断技术通 信 串行通信，现场总线，网络等用户界面 用户可设计的界面第三节 数控技术的产生与发展
3.3 数控设备和数控系统的发展趋势
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1） 信息技术,管理技术与工艺技术紧密结合
2） 计算机辅助设计,辅助制造,辅助工程分析
(CAD／ CAM／ CAE)
3） 加工制造技术向着超精密,超高速以及发展新一代制造装备的方向发展
4） 工艺研究由,经验,走向,定量分析,
5） 虚拟现实技术在制造业中获得越来越多的应用第四节 数控技术与先进制造系统的关系
4.1 制造技术的发展趋势
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（一） 柔性制造单元 (FMC) 中的 CNC
（二） 柔性制造系统 (FMS)中的 CNC
（ 三 ） 计算机集成制造系统 (CIMS)中的 CNC
第四节 数控技术与先进制造系统的关系
4.2 数控技术与 FMC,FMS及 CIMS
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（一）柔性制造单元（ FMC）
1,FMC的概念柔性制造单元（ Flexible Manufacturing Cell，简称 FMC）由一台或多台数控设备，自动化物流存储、传输和交换装置，及一台单元控制计算机组成。单元控制计算机协调和控制单元内各设备的运行并与上级计算机通信。
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。下图就是一个 FMC的控制结构框图。
40
图 一个 FMC的控制结构框图
41
3,FMC的特点
⑴ 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；
⑵在单元计算机控制下，可以组成柔性制造系统并进行通信；
⑶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；
⑷在机床加工过程中可实现加工过程监控；
42
43
44
（二）柔性制造系统（ FMS）
1,FMS的定义柔性制造系统（ Flexible Manufacturing System，
简称 FMS）的定义是：柔性制造系统是由数控加工设备、
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。
2,FMS的基本组成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。
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。
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；物料的运输和存储是自动完成的；能解决多机条件下零件的混合比，
且无需额外增加费用。
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3,FMS的效益由于 FMS是自动化系统,，应用 FMS可以获得明显的效益，主要由于以下几方面的因素：
(1)主要设备利用率高。
(2)降低主要设备成本。
(3)降低直接人工成本。
(4)减少在制品库存量及生产周期。
(5)生产具有柔性、能适应市场需求的变化。
(6)具有自诊断和维护生产的能力。
(7)产品质量高。
(8)占地面积减少。
46
47
48
（三）计算机集成制造系统 (CIMS)
计算机集成制造 (CIM)是一种制造模式哲理。,CIM”
运用系统工程整体优化的观点，将生产全过程 (市场分析、
产品设计、加工制造、经营管理到售后服务 )的各个工作系统通过信息技术集成为一整体，以便有效地提高企业对市场需求的响应能力，提高生产率，从而保持企业的生存和发展。
CIMS是指将 CIM具体应用到一个企业，按照集成思想构成的一个具体的系统。它从企业的经营战略目标出发，综合考虑企业中人、技术和管理的作用，用各种先进的技术手段，包括计算机硬、软件，实现企业生产经营全过程中信息流和物流的集成，并在产品质量、生产成本、生产周期诸方面达到总体优化，为企业带来更大的经济效益。
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CAD
GT
工 程设 计
CAE
CAM
CAPP
网 络数 据 库经 营管 理信息集成数 据 库网络数 据 库网 络
FMS
FMC
CNC
PLC
物 流
CAT
RC
MIS
MRP
PM
MP
BM
FM
QC
加 工制 造原 料 输 入产 品 输 出
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生 产 过 程 信 息经 营 管 理
M I S
产 品 开 发
C A E
设 计 管 理
C A D
生 产 技 术
C A M
产 品 管 理
M R P
市 场 信 息
M K T
M I S
数 据 库
C A E
数 据 库
C A M
数 据 库
C A D
数 据 库
M R P
数 据 库
M K T
数 据 库自 动仓 库自 动搬 运加 工机 床自 动搬 运自 动装 配自 动检 验输 送机搬 运 车机 器 人
N C
N C
搬 运 车机 器 人机 器人
C A T
计 算 机 集 成 制 造 系 统
（
CIMS
）
工 厂 自 动 化 （
AF
）
办 公 自 动 化 （
OA
）
F M S
毛 坯产 品
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习 题
⒈ 什么是数控？什么是数控机床？什么是数控系统？
⒉ 数控系统主要由那几部分组成？
⒊ 简述 CNC系统的工作流程
⒋ CNC机床有哪些特点？
⒌ 数控机床按伺服系统的控制方式可以分为哪几类？
⒍ 数控机床按控制系统的特点可以分为哪几类？
⒎ 什么是 FMC？它由哪几部分组成？
⒏ 什么是 FMS？它由哪几部分组成？
⒐ FMS的效益体现在哪几方面？
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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。
第一节 数控机床的基本概念
1.3 CNC系统的工作过程
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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）。
第一节 数控机床的基本概念
1.3 CNC系统的工作过程
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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,伺服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。
第一节 数控机床的基本概念
1.3 CNC系统的工作过程
机床数控技术课程,数控技术,部分说明：
参考教材：,新编机床数控技术,
北京理工大学出版社，任玉田等编著。
数控部分章节单独排列
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主要内容第一章 概 述第二章 数控加工程序编制第三章 CNC装置及接口第四章 插补原理与速度控制第五章 伺服驱动系统
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第一章 概 述第一节 数控机床的基本概念
1.1 数控机床 的组成
1.2 数控机床的特点第二节 数控机床的分类
2.1 按被控对象的运动轨迹分类
2.2 按伺服系统的控制方式分类
2.3 按照加工方式分类第三节 数控机床的产生与发展
3.1 数控机床的出现与发展
3.2 我国数控机床的发展概况
3.3 数控机床的发展趋势第四节 FMC,FMS及 CIMS
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第一节 数控机床
1.1 数控机床的组成
(一 )数控技术和数控机床的概念数控技术 用数字化信号对运动进行控制的技术。
数控系统 采用数控技术的控制系统。
数控机床 装备了数控系统的机床。
国际信息处理联盟第五技术委员会对数控机床作了如下定义：数控机床是一个装有程序控制系统的机床，该系统能够逻辑地处理使用号码或其它符号编码指令规定的程序。
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（ 二）数控机床的组成数控系统 +机床结构数控系统是由用户程序、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。
图 1-1 CNC机床框图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
CNC系统第一节 数控机床
1.1 数控机床的组成
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第一节 数控机床
1.1 数控机床的组成主轴伺服单元数控装置输出设备
P
L
C
进给伺服单元主轴电机进给电机位置检测机床本体接口电路操作面板输入设备
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数控铣床
XKA714数控床身铣床参数及规格 单位 XK(F)A714
工作台面积 (宽 × 长 ) mm 400× 1100
工作台最大承载重量 Kg 1500
主电机 功率 kw 5.5/7.5
定位精度 mm ± 0.015
重复定位精度 mm ± 0.005
机床净重（约） Kg 3800
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数控铣床
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同类型的加工中心与数控铣床的结构布局相似，主要在刀库的结构和位置上有区别，一般由床身、主轴箱、工作台、底座、立柱、横梁、进给机构、自动换刀装置、辅助系统（气液、润滑、冷却）、控制系统等组成。
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FANUC 系列 150i B型数控装置数控装置
11
（三） CNC系统的组成
1,用户程序它是零件加工程序。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。
第一节 数控机床
1.1 数控机床的组成
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（三） CNC系统的组成
3,CNC装置
CNC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。
第一节 数控机床
1.1 数控机床的组成
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（三） CNC系统的组成
4,可编程控制器 (PLC)
数控设备用可编程控制器主要完成数控设备的各种执行机构的逻辑顺序控制，即用 PLC程序代替用继电器控制线路，实现数控设备的辅助功能、主轴转速功能、刀具功能的译码和控制。
数控设备用 PLC有内装型和独立型两种。内装型 PLC从属于 CNC装置,PLC硬件电路可与 CNC装置其它电路制作在同一块印刷板上，也可以作成独立的电路板。独立型 PLC
独立 CNC装置，本身具有完备的硬、软件功能，可以独立完成所规定的控制任务。
第一节 数控机床
1.1 数控机床的组成
14
（三） CNC系统的组成
5,伺服系统伺服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
（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。
第一节 数控机床
1.1 数控机床的组成
15
（四）数控机床机械结构（主机）
床身、立柱、工作台、导轨、主轴、刀架特点：高刚度和高抗振性热变形小摩擦小传动结构简单第一节 数控机床
1.1 数控机床的组成
16
第一节 数控机床
1.2 数控机床的特点
1 可加工零件多样。
2 生产效率高
3 加工精度高，质量稳定
4 可加工复杂型面
5 可实现工序集中
6 操作者劳动强度低
7 是制造系统柔性化、数字化、信息化、网络化的基础
17
1,点位控制数控机床它的特点是刀具相对工件的移动过程中，不进行切削加工，对定位过程中的运动轨迹没有严格要求，
只要求实现从一坐标点到另一坐标点的精确定位。
点位控制数控机床主要有：数控坐标镗床、数控钻床、数控冲床等。
第二节 数控机床的分类
2.1 按刀具与工件间相对运动的轨迹分类
18
点位控制
19
2,轮廓控制数控机床这类数控机床的特点是能同时控制两个或两个以上的坐标轴，控制刀具与工件按照工件的轮廓相对运动，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。
第二节 数控机床的分类
2.1 按刀具与工件间相对运动的轨迹分类
20
直线与轮廓控制
21
1,开环控制数控机床这类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。开环控制的数控机床工作比较稳定，反应快，调试方便，维修简单，但控制精度低，这类数控机床多为经济型。
指令脉冲步进电机驱动电路步进电机工作台开环控制系统框图第二节 数控机床的分类
2.2 按伺服系统的控制方式分类
22
2,闭环控制系统这类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，其控制框图如下图所示。
控制脉冲比 较环 节速度控制单元机 床工作台伺 服电 机位置检测元件控 制元 件位置反馈电流反馈速度反馈第二节 数控机床的分类
2.2 按伺服系统的控制方式 分类
23
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。
24
3,半闭环控制系统这类数控机床带有位置检测反馈装置。测元件安装在电机或丝杠端头上。
由于闭环环路内不包括丝杠、螺母副等机械传动机构，
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，因此广泛应用于中小型的
CNC机床。
控制脉冲比 较环 节速度控制单元机 床工作台伺 服电 机位置检测元件速度检测元件位置反馈电流反馈速度反馈第二节 数控机床的分类
2.2 按伺服系统的控制方式分类
25
1 金属切削类
2 金属成型类
3 电加工类
4 其他类第二节 数控机床的分类
2.3 按加工方式分类
26
按照数控机床的功能水平对数控机床进行分类，一般可以把数控机床分为 高、中、低档三类 。
1,分辨率和进给速度分辨率为 10?m,进给速度在 8～ 15 m/min为低档；
分辨率为 1?m,进给速度在 15～ 24 m/min为中档；分辨率为 0.1?m，进给速度在 15～ 100 m/min为高档。
2,伺服进给类型采用开环、步进电机进给系统为低档；中高档则采用半闭环或闭环的直流伺服系统或交流伺服系统。
第二节 数控机床的分类
2.4 按 CNC装置的功能水平分类
27
3,联动轴数值低档数控机床最多联动轴数为 2～ 3轴，而中、高档则为 3～ 5轴以上。
4,通信功能低档数控机床一般无通信功能。中档可以有 RS— 232
或 DNC（ direct numerical control )接口。高档的还可以有 MAP（ manufacturing automation protocol ）通信接口，具有联网功能。
5,显示功能低档的数控机床一般只有简单的数码管显示或简单的 CRT字符显示。而中档数控机床则具有较齐全的 CRT显示，不仅有字符显示，而且有图形显示，人机对话功能，
自诊断等功能。高档数控机床还有三维图形显示。
第二节 数控机床的分类
2.4 按 CNC装置的功能水平分类
28
6,内置 PLC
低档数控机床一般无内置 PLC，中高档都有内置
PLC。高档数控机床具有强功能的内置 PLC，具有轴控制的扩展功能。
7,主 CPU
低档数控一般采用 8位 CPU,中档及高档已经逐步由 16位 CPU向 32位 CPU过渡 。 外国的一些新的数控系统已经选用了 64位 CPU,并选用具有精简指令集的 RISC中央 处 理 单 元,以 提 高 系 统 的 运 算 速 度 。
29
第三节 数控技术的产生与发展
3.1 数控机床的出现与发展数控技术是机械技术和计算机控制技术的结合的产物，因此计算机技术的每一点进步都在推动数控技术向前发展。,六代,
1 电子管,1952,Parsons Corp.,MIT,美空军后勤司令部合作，第一台立式铣；
2 晶体管、印刷电路,1959，晶体管元件的出现使电子设备的体积大大减小，数控系统中广泛采用晶体管和印刷电路板,K&T开发第一台加工中心
MILWAUKEE-MATIC。
3 小规模集成电路,1965,由于它体积小、功耗低，，使数控系统的可靠性得以进一步提高，这是第三代数控系统。 1967英国最初的 FMS.
4 通用小型计算机,1970，在美国芝加哥国际机床展览会上，首次展出了一台以通用小型计算机作为数控装置的数控系统，特征为许多数控功能由软件完成,被人们成为第四代数控系统，
5 微处理器,1974，开始出现的以微处理器为核心的数控系统被人们誉为第五代数控系统，近 30年来，装备微处理机数控系统的数控机床得到飞速发展和广泛应用。
6 基于 PC（ PC-BASED）,1990,基于 PC开发式数控系统。
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第三节 数控技术的产生与发展
3.2 我国数控机床的发展概况
1958,1966,1972、
现达到 1500多个品种,年生产能力 40000
1,2000年的统计数据数控机床厂家,100
数控系统厂家,50
数控机床配套厂家,300
年产量,14053台数控机床品种,1300
产量数控化率,8%（ 95年 3.6%）
2,2003年产量 36000台,产值 295亿元 。
3,2003年 1－ 9月,海关统计机床进口 297482.6万美元,
出口 26630.8万美元
4,2004年 9月,国产数控机床国内占有率 27％
31
7 十五目标数控机床年增长率,>18%
到 2005年产量,25000~30000台 品种,2000种 数控化率,20%，
5。北京一机床 五坐标数控螺旋桨铣床，加工直径达 6米，可加工 10万吨级远洋海轮用螺旋桨叶轮面；
武汉重型机床厂 数控立车，可加工 30万 KW水轮机，直径达 16米，精度 0.02mm。
常州机床厂 五轴联动机床；秦川机床厂 六轴五联动全数控螺旋齿锥齿轮切齿机。
北京机电院 定位精度 +-3um 立式加工中心；宁江机床厂
+-8um卧式加工中心。
6 国产数控系统有 中国东方数控公司；中国科偌达，航天数控，珠峰数控,北大方正,兰州电机厂,南京四开,华中等开发的华中 Ⅰ,中华 Ⅰ,航天 Ⅰ 和蓝天 Ⅰ ；上海开通数控技术有限公司 KT；北京凯恩帝的 KND系列数控系统、广州数控设备厂的 GSK系列数控系统。
32
1,高速高精度高速主轴单元（电主轴，转速 15000－ 100000r/min）
高速且高加 /减速度的进给运动部件（快移速度 60～
200m/min，在分辨率为 1微米时，在 100米 /分（有的到 200米 /分）
以上，在分辨率为 0.1微米时，在 24米 /分以上；切削进给速度高达 60m/min，自动换刀速度在 1秒以内； ）、
关键技术：
超高速切削机理，超硬耐磨长寿命刀具材料和磨料磨具，
切削速度已达到 5000米～ 8000米 /分以上大功率高速电主轴高加 /减速度直线电机驱动第三节 数控技术的产生与发展
3.3 数控设备和数控系统的发展趋势
33
当前，机械加工精度要求：
普通加工,5微米；
精密加工,1微米，
超精密加工：（ 0.001微米）
加工圆度为 0.1微米加工表面粗糙度 Ra=0.003微米主轴回转精度要求,0.01～ 0.05微米近 10多年来，普通级数控机床的加工精度已由 ± 10μm 提高到 ± 5μm,精密级加工中心的加工精度则从 ± 3～ 5μm,提高到 ± 1～ 1.5μm
2 高可靠性当前国外数控装置的 MTBF值已达 6000小时以上，驱动装置达
30000小时以上。
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3 自动编程技术
4 通信功能
5 智能化主要体现在以下几个方面：
（ 1） 应用自适应控制技术
（ 2） 故障诊断智能化
（ 3） 刀具监测智能化
6 数控系统的开放化
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瑞士米克朗 HSM 600U5轴联动高速加工中心 (图文 )
(2003-4-22) HSM600U是 5轴采用门架式设计的立式高速机加工中心。在高速状态下,HSM 600U允许高精度 5轴同时进行的刀具和模具制造、制造电极或进行小型到中型尺寸元件的精密制造。但是由于其结构坚固，电机轴转矩大，所以也适用于加工粗糙的工件以及进行抛光处理。因此 HSM 600U可通过 5轴同时对工件进行五面的抛光处理。这型机床最突出的特点就是具有高速的直接驱动式转盘。即使是 5轴同时运行时，对于对角线尺寸达 630mm?、重量 120kg以上的工件也可进行高速机加工。
可选的工件托盘转换器能够实现自动运行。工件托盘转换由机床的控制系统 (iTNC)直接控制。
操作优势真正的 5轴高速铣削加速度 (旋转）达 2100 o/秒加速度 达 40 m/分高范围的大功率电机轴速 36000 /分最佳的切削速度适合于加工大型工件循环周期限定自动控制系统工件托盘转换器为可选件可加工各种材料
+62 HRC以上的硬度钢
36
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。
数控技术领域 发展趋势硬 件 开放式数控系统,PC集成技术,系统模块化系统软件 开放式数控系统,标准操作系统,实时数据库
CNC核心功能 三维刀具补偿,样条插补编程功能 三维图形模拟,WOP编程,在线编程伺服系统 采用现代控制理论提高跟随精度监控和诊断 自适应技术,智能诊断技术通 信 串行通信，现场总线，网络等用户界面 用户可设计的界面第三节 数控技术的产生与发展
3.3 数控设备和数控系统的发展趋势
37
1） 信息技术,管理技术与工艺技术紧密结合
2） 计算机辅助设计,辅助制造,辅助工程分析
(CAD／ CAM／ CAE)
3） 加工制造技术向着超精密,超高速以及发展新一代制造装备的方向发展
4） 工艺研究由,经验,走向,定量分析,
5） 虚拟现实技术在制造业中获得越来越多的应用第四节 数控技术与先进制造系统的关系
4.1 制造技术的发展趋势
38
（一） 柔性制造单元 (FMC) 中的 CNC
（二） 柔性制造系统 (FMS)中的 CNC
（ 三 ） 计算机集成制造系统 (CIMS)中的 CNC
第四节 数控技术与先进制造系统的关系
4.2 数控技术与 FMC,FMS及 CIMS
39
（一）柔性制造单元（ FMC）
1,FMC的概念柔性制造单元（ Flexible Manufacturing Cell，简称 FMC）由一台或多台数控设备，自动化物流存储、传输和交换装置，及一台单元控制计算机组成。单元控制计算机协调和控制单元内各设备的运行并与上级计算机通信。
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。下图就是一个 FMC的控制结构框图。
40
图 一个 FMC的控制结构框图
41
3,FMC的特点
⑴ 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；
⑵在单元计算机控制下，可以组成柔性制造系统并进行通信；
⑶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；
⑷在机床加工过程中可实现加工过程监控；
42
43
44
（二）柔性制造系统（ FMS）
1,FMS的定义柔性制造系统（ Flexible Manufacturing System，
简称 FMS）的定义是：柔性制造系统是由数控加工设备、
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。
2,FMS的基本组成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。
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。
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；物料的运输和存储是自动完成的；能解决多机条件下零件的混合比，
且无需额外增加费用。
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3,FMS的效益由于 FMS是自动化系统,，应用 FMS可以获得明显的效益，主要由于以下几方面的因素：
(1)主要设备利用率高。
(2)降低主要设备成本。
(3)降低直接人工成本。
(4)减少在制品库存量及生产周期。
(5)生产具有柔性、能适应市场需求的变化。
(6)具有自诊断和维护生产的能力。
(7)产品质量高。
(8)占地面积减少。
46
47
48
（三）计算机集成制造系统 (CIMS)
计算机集成制造 (CIM)是一种制造模式哲理。,CIM”
运用系统工程整体优化的观点，将生产全过程 (市场分析、
产品设计、加工制造、经营管理到售后服务 )的各个工作系统通过信息技术集成为一整体，以便有效地提高企业对市场需求的响应能力，提高生产率，从而保持企业的生存和发展。
CIMS是指将 CIM具体应用到一个企业，按照集成思想构成的一个具体的系统。它从企业的经营战略目标出发，综合考虑企业中人、技术和管理的作用，用各种先进的技术手段，包括计算机硬、软件，实现企业生产经营全过程中信息流和物流的集成，并在产品质量、生产成本、生产周期诸方面达到总体优化，为企业带来更大的经济效益。
49
50
CAD
GT
工 程设 计
CAE
CAM
CAPP
网 络数 据 库经 营管 理信息集成数 据 库网络数 据 库网 络
FMS
FMC
CNC
PLC
物 流
CAT
RC
MIS
MRP
PM
MP
BM
FM
QC
加 工制 造原 料 输 入产 品 输 出
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生 产 过 程 信 息经 营 管 理
M I S
产 品 开 发
C A E
设 计 管 理
C A D
生 产 技 术
C A M
产 品 管 理
M R P
市 场 信 息
M K T
M I S
数 据 库
C A E
数 据 库
C A M
数 据 库
C A D
数 据 库
M R P
数 据 库
M K T
数 据 库自 动仓 库自 动搬 运加 工机 床自 动搬 运自 动装 配自 动检 验输 送机搬 运 车机 器 人
N C
N C
搬 运 车机 器 人机 器人
C A T
计 算 机 集 成 制 造 系 统
（
CIMS
）
工 厂 自 动 化 （
AF
）
办 公 自 动 化 （
OA
）
F M S
毛 坯产 品
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习 题
⒈ 什么是数控？什么是数控机床？什么是数控系统？
⒉ 数控系统主要由那几部分组成？
⒊ 简述 CNC系统的工作流程
⒋ CNC机床有哪些特点？
⒌ 数控机床按伺服系统的控制方式可以分为哪几类？
⒍ 数控机床按控制系统的特点可以分为哪几类？
⒎ 什么是 FMC？它由哪几部分组成？
⒏ 什么是 FMS？它由哪几部分组成？
⒐ FMS的效益体现在哪几方面？
53
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。
第一节 数控机床的基本概念
1.3 CNC系统的工作过程
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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）。
第一节 数控机床的基本概念
1.3 CNC系统的工作过程
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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,伺服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。
第一节 数控机床的基本概念
1.3 CNC系统的工作过程
