数 控 原 理
Numerical Control Principle
主讲教师 蔡芸
Tel,62825315 E-mail,yuncai@126.com
武汉科技大学机械自动化学院学习目的与要求先修课程 课程目的 课程任务金属切削原理金属切削机床微机原理单片机接口技术机械设计机械制造工艺学机械控制工程基础
掌握数控机床的组成和数控系统的基本原理 。
掌握数控加工的基础知识和基本概念 。
熟悉数控加工机床的编程,特别是数控车,
铣床的编程 。
能规范,正确地实施典型零件的数控加工工艺 。
能拟定一般零件的数控加工工艺规程 。
1.掌握数控机床的基本原理和基础知识 ；
2.熟悉数控机床的基本结构和工作机理；
3.具备数控加工手工编程能力和正确使用数控设备的能力 ；
4.培养选用或设计数控机床的数控系统的能力 。
学习要求掌握数控机床伺服系统的执行元件、
速度控制和位置控制。
掌握数控机床中常用的检测传感器原理和应用掌握数控机床有关的基本概念、
基本原理和基本知识。
阶段 1 阶段 2 阶段 3
教材及参考书
1,何雪明等,数控技术,华中科技大学出版社,2006年
2,王润孝,机床数控原理与系统,西北工业大学出版社,2004年
3,毕承恩，丁乃健,现代数控机床,机械工业出版社,2002年
4,吴祖育，秦鹏飞,数控机床,上海科学技术出版社,2001年参考网址
– 中国数控在线,http://www.cncol.com
– 数控论坛,http://www.cnc.cq.cn
– 华中数控,http://www.huazhongcnc.com
– 上海开通数控,http://www.capitalnc.com
– 南京数控,http://www.njcncmt.com
– 深圳福斯特数控,http://www.first-cnc.com
– 西门子,http://www.siemens.com.cn
– 法那克,http://www.fanuc.com.cn
– 中国制造业信息化网,http://www.e-works.net.cn
– 中国制造协作网,http://www.cmc.gov.cn
– 中国机械信息网,http://www.machineinfo.com
参考网址学生和教师一样对教学过程负有责任。学生应在教师指导下，积极思考、回答提问、完成作业 。
学习方法
Hear,课堂认真听讲，勤笔记、练习
See,现场录像仔细观察，勤动脑
Do,作业细心，勤动手
Ask,多问、多交流
Practice is
everything.
学生是教学责任人之一开卷考试总成绩＝ 20％平时成绩＋ 80％期末考试成绩第一章 绪论 4学时第二章 数控加工技术 8学时第三章 数控机床的程序编制 12学时第四章 数控机床的工作原理 8学时第五章 计算机数控装置 4学时第六章 位置检测装置 6学时第七章 数控机床的伺服系统第八章 自动编程软件和数控仿真软件
10学时
2学时共 54学时学时分配及考核方式本章内容
1,数控技术的产生及特点
2,数控系统的组成和分类
3,数控技术的发展第一章 绪 论
1.1 数控技术的产生及特点
1.1.1 数控技术的基本概念及其产生数字控制 （ NC,numerical control） GB8129-87,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计算机数控系统 （ Computer Numerical Control CNC ） 以计算机为控制核心的数字控制系统数控技术的基本概念数控技术 （ Numerical Control Technology） 采用数字控制的方法对某一工作过程实现自动控制的技术数控系统 （ Numerical Control System） 实现数控技术的软硬件整体数控机床 装备了数控系统的机床
NC,CNC含义 1 技术 2 系统实体 3 数控装置数控机床的产生
The first successful N/C machine,
funded by the Air Force,was
demonstrated by the Massachusetts
Institute of Technology in 1952,It
was a "retrofitted" Cincinnati milling
machine (Figure 1.15),It had the
ability to coordinate the axis motions
to machine a complex surface.
数控机床的产生
The first "commercial" N/C machines were shown at the 1955 National
Machine Tool Show.
我国第一台数控机床普通车床的操作普通车床加工为达到预定的工艺要求，需要脑与手的配合，对机床进行人工控制数控车床加工
QT200全功能数控车床
8位转塔刀台 /8位
数控机床的一般工作形式为：
并联运动机构数控加工数控车床数控铣床加工中心数控钻床数控雕刻机床 三座标测量机数控电火花成型机 快速成型设备数控多工位冲床数控弯管机 数控卷簧机
1.1.2数控加工的特点加工复杂型面精度高质量稳 生产率高改善劳动条件利于生产管理现代化数控加工的特点
CAD/CAM
先进制造技术基础问题：
1．造价较高；
2．调试和维修比较复杂，需要专门的技术人员；
3．对编程人员的技术水平要求较高。
（ 与普通机床的区别 ）
演示 1
演示 2
数控加工的主要对象（ 适用范围 ）
数控加工的主要对象几何形状复杂的工件原材料特别贵重的工件（如人体亲和材料钛合金）
需要多道工序的工件多品种、小批量生产的零件,新产品的工件精度及表面粗糙度要求高的工件普通机床加工时，需要昂贵工装设备的零件
1.2 数控系统的组成及分类
1.2.2 数控系统的组成信息载体键盘如步进电机等工作台如编码器和光栅数控系统的组成及分类数控机床一般由控制介质,数控装置,伺服系统,测量装置和机床本体组成 。
1,控制介质人和数控机床联系的媒介物 。 (也称程序介质,输入介质,信息载体 )
控制介质可以是穿孔带,也可以是穿孔卡,磁带,
磁盘或其他可以储存代码的载体,有些直接集成在
CAD/CAM中 。
数控系统的组成及分类数控机床的零件加工程序,可通过拨码盘,键盘,穿孔纸带,磁带及磁盘等介质输入到数控装置中 。 常用的标准穿孔纸带有五单位 （ 五列孔,宽 17.5mm） 和八单位 （ 八列孔,宽 25.4mm） 两种 。
数控系统的组成及分类目前广泛应用的八单位穿孔纸带的代码标准有两种：
EIA（ Electronic Industries Association,美国电子工业协会 ） 标准
ISO（ International Standard Organization,国际标准化组织 ） 标准 。 ISO标准又被称为 ASCII（ American Standard Code for Information Interchange,美国信息交换标准码 ） 标准,如表 1-1所示 。
数控系统的组成及分类
2,数控装置数控装置是数控机床的中枢,在普通数控机床中一般由输入装置,存储器,控制器,运算器和输出装置组成 。 数控装置接收输入介质的信息,并将其代码加以识别,储存,运算,输出相应的指令脉冲以驱动伺服系统,进而控制机床动作 。 在计算机数控机床中,由于计算机本身即含有运算器,控制器等上述单元,因此其数控装置的作用由一台计算机来完成 。
数控系统的组成及分类
3,伺服系统其作用是把来自数控装置的脉冲 信号转换成机床移动部件的运动,包括信号放大和驱动元件 。 其性能好坏直接决定加工精度,表面质量和生产率 。
脉冲当量 δ —— 相对于每个脉冲信号,机床移动部件的位移,常见的有,0.01mm，
0.005mm,0.001mm
步进电机交流伺服电机直流伺服电机常用的伺服元件常用的检测元件编码盘磁珊光栅数控系统的组成及分类数控系统的组成及分类
4,机床早期采用通用车床,现在采用了新的加强刚性,减小热变形,提高精度等方面的技术使其发生了很大的变化 。 目前已模块化生产,
分为六大块数控系统数控刀架和转台刀库和机械手 高速防护罩滚动部件主轴单元数控机床设计特点
（ 1） 采用了高性能的主轴及伺服传动系统,机械结构得到简化,传动链较短；
（ 2） 为了使连续性自动化加工,机械结构具有较高的动态刚度及耐磨性,热变形小；
（ 3） 更多的采用高效率,高精度的传动部件,如滚珠丝杠,直线滚动导轨等；
（ 4） 加工中心带有刀库,自动换刀装置
（ 5） 采用辅助装置：冷却,排屑,防护,润滑,储运等装置
1.2.3 数控基本原理数控机床加工零件,首先要将被加工零件的图样及工艺信息数字化,用规定的代码和程序格式编写加工程序,然后将所编写的程序指令输入到机床的数控装置中,数控装置再将程序 (代码 )进行译码,运算,向机床各个坐标的伺服机构和辅助控制装置发出信号,
驱动机床各运动部件,控制所需要的运动,最后加工出合格零件 。
1.2.4 数控系统的分类数控装置 运动方式 控制方式 功能水平硬件式软件式点位控制点位直线控制轮廓控制开环控制半闭环控制闭环控制高档中档低档用途金属切削类金属成型类数控特种加工数控系统的分类点位控制数控机床：点 —— 点位置精确控制,
保证的是定位精度,以慢 ~快 ~慢的运动方式如：钻床,冲床,测量机等如图点位直线控制数控机床：位置控制 +速度和路线控制,只能沿某个坐标轴方向 （ 平行或
45° ） 切削加工轮廓控制数控机床：每点的位置 +速度 +路线控制,可对 2坐标或 2坐标以上坐标轴进行控制点位控制钻孔加工工件刀具
A
B
点位直线控制切削加工工件刀具轮廓控制加工
（ 1）开环控制数控机床
（ 2）半闭环控制数控机床
（ 3）闭环控制数控机床
1.3 数控技术的发展
1.3.1 数控技术的发展历史硬、软件数控软件数控第五代：微处理器数控 (1974)
第六代,基于 PC的数控机床 (1990)
第四代：小型机数控 (1970)
硬件数控第三代：集成电路式 (1965)
第二代：晶体管分立元件式 (1959)
第一代：电子管、继电器式 (1952)
数控技术的发展历史我国发展数控的过程,
1958年开始研究数控技术 （ 电子管 ）
1965年开始研究晶体管数控系统
70年代研制成功数控非园齿轮插齿机及立式数控铣床
80年代以来,引进技术与自行研制相结合,我国的数控技术得到明显的进步 （ FANUC系统比较流行 ） 。
现在我国多家机床厂均能生产 5坐标联动的数控机床
（ 沈阳机床厂是一典范 ） 。
我国数控技术与先进国家的差距正在缩小 。
1.3.2 数控技术的发展趋势运行高速化加工高精化功能复合化控制智能化体系开放化驱动并联化交互网络化运行高速化,使进给率,主轴转速,刀具交换速度,托盘交换速度实现高速化,并且具有高加 （ 减 ） 速率 。
进给率高速化：
– 在分辨率为 1?m时,Fmax=240m/min； 在 Fmax下可获得复杂型面的精确加工；在程序段长度为 1mm时,Fmax=60m/min,并且具有 1.5g的加减速率；
主轴高速化：采用电主轴 （ 内装式主轴电机 ）,即主轴电机的转子轴就是主轴部件 。
– 主轴最高转速达 200000r/min。 主轴转速的最高加 （ 减 ） 速为
1.0g,即仅需 1.8秒即可从 0提速到 15000r/min。
换刀速度
– 0.6秒 （ 刀到刀 ） ； 2.8秒 （ 切削到切削 ）
工作台 （ 托盘 ） 交换速度 4.3秒 。
加工高精化,提高机械设备的制造和装配精度；提高数控系统的控制精度；采用误差补偿技术 。
提高 CNC系统控制精度：
– 采用高速插补技术,以微小程序段实现连续进给,使 CNC控制单位精细化；
– 采用高分辨率位置检测装置,提高位置检测精度 （ 日本交流伺服电机已有装上 106 脉冲 /转的内藏位置检测器,其位置检测精度能达到 0.01?m/脉冲 ） ；
– 位置伺服系统采用前馈控制与非线性控制等方法 。
采用误差补偿技术：
– 采用反向间隙补偿,丝杆螺距误差补偿和刀具误差补偿等技术 ;
– 设备的热变形误差补偿和空间误差的综合补偿技术 。 研究结果表明,综合误差补偿技术的应用可将加工误差减少 60％ ～ 80％ 。
三井精机的 JidicH5D型超精密卧式加工中心的定位精度为
± 0.1?m。
功能复合化复合化是指在一台设备能实现多种工艺手段加工的方法 。
镗铣钻复合 — 加工中心 （ ATC）,五面加工中心 （ ATC,主轴立卧转换 ） ；
车铣复合 — 车削中心 （ ATC,动力刀头 ） ；
铣镗钻车复合 — 复合加工中心 （ ATC,可自动装卸车刀架 ） ；
铣镗钻磨复合 — 复合加工中心 （ ATC,动力磨头 ） ；
可更换主轴箱的数控机床 — 组合加工中心；
控制智能化随着人工智能技术的不断发展,并为满足制造业生产柔性化,
制造自动化发展需求,数控技术智能化程度不断提高,具体体现在以下几个方面：
– 加工过程自律控制技术
– 加工参数的智能优化与选择
– 智能故障诊断与自修复技术
– 智能化交流伺服驱动装置硬件配置单元软件配置单元标准计算机硬件数控系统基本硬件数控功能应用程序
DOS(WINDOWS)
实时多任务操作系统 RTM
应用程序接口
NC构件库体系开放化定义 （ IEEE）,具有在不同的工作平台上均能实现系统功能,且可以与其他的系统应用进行互操作的系统 。
开放式数控装置的概念结构开放式数控系统特点：
– 系统构件 （ 软件和硬件 ） 具有标准化 (Standardization)
与多样化 ( Diversification)和互换性 (Interchangeability)
的特征
– 允许通过对构件的增减来构造系统,实现系统,积木式,的集成 。 构造应该是可移植的和透明的；
开放体系结构 CNC的优点：
数控系统厂
品种减少,批量增加,易于满足用户要求；
开放式的标准框架,促进各行业的软件厂商参与；
软件开发效率提高,产品更新加快 。
机床厂
可使整机具有个性化,降低开发成本 。
减少对系统厂的依赖,保护自己专有技术 。
最终用户
购买机床时的初期成本透明化；
能实现用户自身独特的 FA系统设计；
用户界面的一致性,易于使用和培训；
开放式数控研究状况美国在 20世纪 90年代初提出了开发下一代控制器的计划
NGC(Next Generation Controller),以后又提出了 OMAC（ Open
Modular Architecture Control） 计划,重点开发以 PC为平台的开放式模块化控制器 。
欧洲也在 20世纪 90年代初开始 OSACA
(Open System Architecture for Controls within Automation system)
计划,目标是研制出开放式控制系统的体系结构 。
由于技术等方面的限制,要在短期内完全实现这种理想的开放式数控系统,还有不少困难 。
目前开放式数控的一个具体表现就是发展基于 PC的数控系统 。 数控系统的 PC化正成为开放式数控系统一个潮流,代表了 CNC发展的主要方向 。
基于 PC的开放式数控系统基本有 3种结构形式：
ＰＣ嵌入ＣＮＣ型
CNC嵌入ＰＣ型全软件 CNC型驱动并联化并联加工中心 （ 又称 6条腿数控机床,虚轴机床 ） 是数控机床在结构上取得的重大突破 。 传统机床基本上都遵循笛卡尔直角坐标系的运动原理被设计制造出来,
其结构为串联结构,存在悬臂部件,承受很大弯矩和扭矩,不容易获得高的结构刚度 。 另外,传统机床组成环节多,结构复杂,
形成误差迭加,限制了加工精度和速度的提高 。
我国自主研发的并联机床样机并联机床的优,缺点及发展热点：
优点：
进给速度快 ； 精度高 ； 刚性好 ；
加速度高 ； 安装,维修方便 。
局限：
工作空间小 ； 姿态能力差 ；
运动特性和力特性非线性 。
目前研究热点：
混联机床 。
交互网络化数控系统网络化是先进制造模式的要求,数控机床作为网络中的一个节点,有助于解决自动化孤岛问题 。
支持网络通讯协议,既满足单机 DNC需要,又能满足 FMC,FMS、
CIMS,敏捷制造对基层设备集成要求 。
网络资源共享 。
数控机床的远程 （ 网络 ） 控制 。
数控机床故障的远程 （ 网络 ） 诊断 。
数控机床的远程 （ 网络 ） 培训与教学 （ 网络数控 ）
数控系统中采用网络与光纤通讯技术实现运动和 I/O的控制是数控技术的发展方向 。
由于技术封锁等原因,各系统中光纤通讯采用的协议没有兼容性和互换性,
要求伺服驱动器以及 I/O模块必须具有相应协议的光纤通讯接口,这样的系统软硬件开放性较差,而且系统的成本也较高 。
网络通讯协议：德国 Intrtamat的 SERCOS,美国 DELTATAU的 Mcro-
Link,日本 FANUC 的 SERVO-Link,日本 三菱的 Tro-Link,还有
ARCNET,CAN Bus,Profibus,USB,IEEE1394 。
先进制造技术简介
1,计算机直接数控系统 (DNC)
计算机直接数控系统：用一台中央计算机直接控制和管理一群数控设备进行零件加工或装配的系统,因此,也称它为计算机群控系统 。 在 DNC系统中,各台数控机床都各自有独立的数控系统,并与中央计算机组成计算机网络,实现分级控制管理 。 中央计算机不仅用于编制零件的程序以控制数控机床的加工过程,
而且能控制工件与刀具的输送,同时还具有生产管理,工况监控及刀具寿命管理等能力,形成了一条由计算机控制的数控机床自动生产线 。
2,柔性制造单元 (FMC)和柔性制造系统 (FMS)
FMC,由加工中心 (MC)与工件自动交换装置 (AWC)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,如工件尺寸测量补偿,刀具损坏和寿命监控等 。 柔性制造单元既可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 。
FMS是在 DNC基础上发展起来的一种高度自动化加工生产线,由数控机床,物料和工具自动搬运设备,产品零件自动传输设备,
自动检测和试验设备等组成 。 这些设备及控制分别组成了加工系统,物流系统和中央管理系统 。
柔性制造系统是当前机械制造技术发展的方向,能解决机械加工中高度自动化和高度柔性化的矛盾,使两者有机地结合于一体 。
3,计算机集成制造系统 (CIMS)
CIMS,其核心是一个公用的数据库,对信息资源进行存储与管理,并与各个计算机系统进行通信 。 在此基础上,需要有三个计算机系统,一是进行产品设计与工艺设计的计算机辅助设计与计算机辅助制造系统,即 CAD/CAM； 二是计算机辅助生产计划与计算机生产控制系统,即 CAP／ CAC,此系统对加工过程进行计划,调度与控制,FMS是这个系统的主体：三是计算机工厂自动系统,它可以实现产品的自动装配与测试,材料的自动运输与处理等 。 在上述三个计算机系统外围,还需要利用计算机进行市场预测,编制产品发展规划,分析财政状况和进行生产管理与人员管理 。 虽然 CIMS涉及的领域相当广泛,但数控机床仍然是 CIMS不可缺少的基本工作单元 。
习题与思考题
1,名词解释：
点位控制系统,轮廓控制系统,开环伺服系统,闭环伺服系统,半闭环伺服系统
2,试从控制精度,系统稳定性及经济性三方面,比较开环,闭环,半闭环系统的优劣？
3,从 NC系统,联动轴数,伺服系统,机床来看,NC机床各分为几类,它们各用于什么场合？
本章结束 ！
请各位同学认真复习本章内容！
Numerical Control Principle
主讲教师 蔡芸
Tel,62825315 E-mail,yuncai@126.com
武汉科技大学机械自动化学院学习目的与要求先修课程 课程目的 课程任务金属切削原理金属切削机床微机原理单片机接口技术机械设计机械制造工艺学机械控制工程基础
掌握数控机床的组成和数控系统的基本原理 。
掌握数控加工的基础知识和基本概念 。
熟悉数控加工机床的编程,特别是数控车,
铣床的编程 。
能规范,正确地实施典型零件的数控加工工艺 。
能拟定一般零件的数控加工工艺规程 。
1.掌握数控机床的基本原理和基础知识 ；
2.熟悉数控机床的基本结构和工作机理；
3.具备数控加工手工编程能力和正确使用数控设备的能力 ；
4.培养选用或设计数控机床的数控系统的能力 。
学习要求掌握数控机床伺服系统的执行元件、
速度控制和位置控制。
掌握数控机床中常用的检测传感器原理和应用掌握数控机床有关的基本概念、
基本原理和基本知识。
阶段 1 阶段 2 阶段 3
教材及参考书
1,何雪明等,数控技术,华中科技大学出版社,2006年
2,王润孝,机床数控原理与系统,西北工业大学出版社,2004年
3,毕承恩，丁乃健,现代数控机床,机械工业出版社,2002年
4,吴祖育，秦鹏飞,数控机床,上海科学技术出版社,2001年参考网址
– 中国数控在线,http://www.cncol.com
– 数控论坛,http://www.cnc.cq.cn
– 华中数控,http://www.huazhongcnc.com
– 上海开通数控,http://www.capitalnc.com
– 南京数控,http://www.njcncmt.com
– 深圳福斯特数控,http://www.first-cnc.com
– 西门子,http://www.siemens.com.cn
– 法那克,http://www.fanuc.com.cn
– 中国制造业信息化网,http://www.e-works.net.cn
– 中国制造协作网,http://www.cmc.gov.cn
– 中国机械信息网,http://www.machineinfo.com
参考网址学生和教师一样对教学过程负有责任。学生应在教师指导下，积极思考、回答提问、完成作业 。
学习方法
Hear,课堂认真听讲，勤笔记、练习
See,现场录像仔细观察，勤动脑
Do,作业细心，勤动手
Ask,多问、多交流
Practice is
everything.
学生是教学责任人之一开卷考试总成绩＝ 20％平时成绩＋ 80％期末考试成绩第一章 绪论 4学时第二章 数控加工技术 8学时第三章 数控机床的程序编制 12学时第四章 数控机床的工作原理 8学时第五章 计算机数控装置 4学时第六章 位置检测装置 6学时第七章 数控机床的伺服系统第八章 自动编程软件和数控仿真软件
10学时
2学时共 54学时学时分配及考核方式本章内容
1,数控技术的产生及特点
2,数控系统的组成和分类
3,数控技术的发展第一章 绪 论
1.1 数控技术的产生及特点
1.1.1 数控技术的基本概念及其产生数字控制 （ NC,numerical control） GB8129-87,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计算机数控系统 （ Computer Numerical Control CNC ） 以计算机为控制核心的数字控制系统数控技术的基本概念数控技术 （ Numerical Control Technology） 采用数字控制的方法对某一工作过程实现自动控制的技术数控系统 （ Numerical Control System） 实现数控技术的软硬件整体数控机床 装备了数控系统的机床
NC,CNC含义 1 技术 2 系统实体 3 数控装置数控机床的产生
The first successful N/C machine,
funded by the Air Force,was
demonstrated by the Massachusetts
Institute of Technology in 1952,It
was a "retrofitted" Cincinnati milling
machine (Figure 1.15),It had the
ability to coordinate the axis motions
to machine a complex surface.
数控机床的产生
The first "commercial" N/C machines were shown at the 1955 National
Machine Tool Show.
我国第一台数控机床普通车床的操作普通车床加工为达到预定的工艺要求，需要脑与手的配合，对机床进行人工控制数控车床加工
QT200全功能数控车床
8位转塔刀台 /8位
数控机床的一般工作形式为：
并联运动机构数控加工数控车床数控铣床加工中心数控钻床数控雕刻机床 三座标测量机数控电火花成型机 快速成型设备数控多工位冲床数控弯管机 数控卷簧机
1.1.2数控加工的特点加工复杂型面精度高质量稳 生产率高改善劳动条件利于生产管理现代化数控加工的特点
CAD/CAM
先进制造技术基础问题：
1．造价较高；
2．调试和维修比较复杂，需要专门的技术人员；
3．对编程人员的技术水平要求较高。
（ 与普通机床的区别 ）
演示 1
演示 2
数控加工的主要对象（ 适用范围 ）
数控加工的主要对象几何形状复杂的工件原材料特别贵重的工件（如人体亲和材料钛合金）
需要多道工序的工件多品种、小批量生产的零件,新产品的工件精度及表面粗糙度要求高的工件普通机床加工时，需要昂贵工装设备的零件
1.2 数控系统的组成及分类
1.2.2 数控系统的组成信息载体键盘如步进电机等工作台如编码器和光栅数控系统的组成及分类数控机床一般由控制介质,数控装置,伺服系统,测量装置和机床本体组成 。
1,控制介质人和数控机床联系的媒介物 。 (也称程序介质,输入介质,信息载体 )
控制介质可以是穿孔带,也可以是穿孔卡,磁带,
磁盘或其他可以储存代码的载体,有些直接集成在
CAD/CAM中 。
数控系统的组成及分类数控机床的零件加工程序,可通过拨码盘,键盘,穿孔纸带,磁带及磁盘等介质输入到数控装置中 。 常用的标准穿孔纸带有五单位 （ 五列孔,宽 17.5mm） 和八单位 （ 八列孔,宽 25.4mm） 两种 。
数控系统的组成及分类目前广泛应用的八单位穿孔纸带的代码标准有两种：
EIA（ Electronic Industries Association,美国电子工业协会 ） 标准
ISO（ International Standard Organization,国际标准化组织 ） 标准 。 ISO标准又被称为 ASCII（ American Standard Code for Information Interchange,美国信息交换标准码 ） 标准,如表 1-1所示 。
数控系统的组成及分类
2,数控装置数控装置是数控机床的中枢,在普通数控机床中一般由输入装置,存储器,控制器,运算器和输出装置组成 。 数控装置接收输入介质的信息,并将其代码加以识别,储存,运算,输出相应的指令脉冲以驱动伺服系统,进而控制机床动作 。 在计算机数控机床中,由于计算机本身即含有运算器,控制器等上述单元,因此其数控装置的作用由一台计算机来完成 。
数控系统的组成及分类
3,伺服系统其作用是把来自数控装置的脉冲 信号转换成机床移动部件的运动,包括信号放大和驱动元件 。 其性能好坏直接决定加工精度,表面质量和生产率 。
脉冲当量 δ —— 相对于每个脉冲信号,机床移动部件的位移,常见的有,0.01mm，
0.005mm,0.001mm
步进电机交流伺服电机直流伺服电机常用的伺服元件常用的检测元件编码盘磁珊光栅数控系统的组成及分类数控系统的组成及分类
4,机床早期采用通用车床,现在采用了新的加强刚性,减小热变形,提高精度等方面的技术使其发生了很大的变化 。 目前已模块化生产,
分为六大块数控系统数控刀架和转台刀库和机械手 高速防护罩滚动部件主轴单元数控机床设计特点
（ 1） 采用了高性能的主轴及伺服传动系统,机械结构得到简化,传动链较短；
（ 2） 为了使连续性自动化加工,机械结构具有较高的动态刚度及耐磨性,热变形小；
（ 3） 更多的采用高效率,高精度的传动部件,如滚珠丝杠,直线滚动导轨等；
（ 4） 加工中心带有刀库,自动换刀装置
（ 5） 采用辅助装置：冷却,排屑,防护,润滑,储运等装置
1.2.3 数控基本原理数控机床加工零件,首先要将被加工零件的图样及工艺信息数字化,用规定的代码和程序格式编写加工程序,然后将所编写的程序指令输入到机床的数控装置中,数控装置再将程序 (代码 )进行译码,运算,向机床各个坐标的伺服机构和辅助控制装置发出信号,
驱动机床各运动部件,控制所需要的运动,最后加工出合格零件 。
1.2.4 数控系统的分类数控装置 运动方式 控制方式 功能水平硬件式软件式点位控制点位直线控制轮廓控制开环控制半闭环控制闭环控制高档中档低档用途金属切削类金属成型类数控特种加工数控系统的分类点位控制数控机床：点 —— 点位置精确控制,
保证的是定位精度,以慢 ~快 ~慢的运动方式如：钻床,冲床,测量机等如图点位直线控制数控机床：位置控制 +速度和路线控制,只能沿某个坐标轴方向 （ 平行或
45° ） 切削加工轮廓控制数控机床：每点的位置 +速度 +路线控制,可对 2坐标或 2坐标以上坐标轴进行控制点位控制钻孔加工工件刀具
A
B
点位直线控制切削加工工件刀具轮廓控制加工
（ 1）开环控制数控机床
（ 2）半闭环控制数控机床
（ 3）闭环控制数控机床
1.3 数控技术的发展
1.3.1 数控技术的发展历史硬、软件数控软件数控第五代：微处理器数控 (1974)
第六代,基于 PC的数控机床 (1990)
第四代：小型机数控 (1970)
硬件数控第三代：集成电路式 (1965)
第二代：晶体管分立元件式 (1959)
第一代：电子管、继电器式 (1952)
数控技术的发展历史我国发展数控的过程,
1958年开始研究数控技术 （ 电子管 ）
1965年开始研究晶体管数控系统
70年代研制成功数控非园齿轮插齿机及立式数控铣床
80年代以来,引进技术与自行研制相结合,我国的数控技术得到明显的进步 （ FANUC系统比较流行 ） 。
现在我国多家机床厂均能生产 5坐标联动的数控机床
（ 沈阳机床厂是一典范 ） 。
我国数控技术与先进国家的差距正在缩小 。
1.3.2 数控技术的发展趋势运行高速化加工高精化功能复合化控制智能化体系开放化驱动并联化交互网络化运行高速化,使进给率,主轴转速,刀具交换速度,托盘交换速度实现高速化,并且具有高加 （ 减 ） 速率 。
进给率高速化：
– 在分辨率为 1?m时,Fmax=240m/min； 在 Fmax下可获得复杂型面的精确加工；在程序段长度为 1mm时,Fmax=60m/min,并且具有 1.5g的加减速率；
主轴高速化：采用电主轴 （ 内装式主轴电机 ）,即主轴电机的转子轴就是主轴部件 。
– 主轴最高转速达 200000r/min。 主轴转速的最高加 （ 减 ） 速为
1.0g,即仅需 1.8秒即可从 0提速到 15000r/min。
换刀速度
– 0.6秒 （ 刀到刀 ） ； 2.8秒 （ 切削到切削 ）
工作台 （ 托盘 ） 交换速度 4.3秒 。
加工高精化,提高机械设备的制造和装配精度；提高数控系统的控制精度；采用误差补偿技术 。
提高 CNC系统控制精度：
– 采用高速插补技术,以微小程序段实现连续进给,使 CNC控制单位精细化；
– 采用高分辨率位置检测装置,提高位置检测精度 （ 日本交流伺服电机已有装上 106 脉冲 /转的内藏位置检测器,其位置检测精度能达到 0.01?m/脉冲 ） ；
– 位置伺服系统采用前馈控制与非线性控制等方法 。
采用误差补偿技术：
– 采用反向间隙补偿,丝杆螺距误差补偿和刀具误差补偿等技术 ;
– 设备的热变形误差补偿和空间误差的综合补偿技术 。 研究结果表明,综合误差补偿技术的应用可将加工误差减少 60％ ～ 80％ 。
三井精机的 JidicH5D型超精密卧式加工中心的定位精度为
± 0.1?m。
功能复合化复合化是指在一台设备能实现多种工艺手段加工的方法 。
镗铣钻复合 — 加工中心 （ ATC）,五面加工中心 （ ATC,主轴立卧转换 ） ；
车铣复合 — 车削中心 （ ATC,动力刀头 ） ；
铣镗钻车复合 — 复合加工中心 （ ATC,可自动装卸车刀架 ） ；
铣镗钻磨复合 — 复合加工中心 （ ATC,动力磨头 ） ；
可更换主轴箱的数控机床 — 组合加工中心；
控制智能化随着人工智能技术的不断发展,并为满足制造业生产柔性化,
制造自动化发展需求,数控技术智能化程度不断提高,具体体现在以下几个方面：
– 加工过程自律控制技术
– 加工参数的智能优化与选择
– 智能故障诊断与自修复技术
– 智能化交流伺服驱动装置硬件配置单元软件配置单元标准计算机硬件数控系统基本硬件数控功能应用程序
DOS(WINDOWS)
实时多任务操作系统 RTM
应用程序接口
NC构件库体系开放化定义 （ IEEE）,具有在不同的工作平台上均能实现系统功能,且可以与其他的系统应用进行互操作的系统 。
开放式数控装置的概念结构开放式数控系统特点：
– 系统构件 （ 软件和硬件 ） 具有标准化 (Standardization)
与多样化 ( Diversification)和互换性 (Interchangeability)
的特征
– 允许通过对构件的增减来构造系统,实现系统,积木式,的集成 。 构造应该是可移植的和透明的；
开放体系结构 CNC的优点：
数控系统厂
品种减少,批量增加,易于满足用户要求；
开放式的标准框架,促进各行业的软件厂商参与；
软件开发效率提高,产品更新加快 。
机床厂
可使整机具有个性化,降低开发成本 。
减少对系统厂的依赖,保护自己专有技术 。
最终用户
购买机床时的初期成本透明化；
能实现用户自身独特的 FA系统设计；
用户界面的一致性,易于使用和培训；
开放式数控研究状况美国在 20世纪 90年代初提出了开发下一代控制器的计划
NGC(Next Generation Controller),以后又提出了 OMAC（ Open
Modular Architecture Control） 计划,重点开发以 PC为平台的开放式模块化控制器 。
欧洲也在 20世纪 90年代初开始 OSACA
(Open System Architecture for Controls within Automation system)
计划,目标是研制出开放式控制系统的体系结构 。
由于技术等方面的限制,要在短期内完全实现这种理想的开放式数控系统,还有不少困难 。
目前开放式数控的一个具体表现就是发展基于 PC的数控系统 。 数控系统的 PC化正成为开放式数控系统一个潮流,代表了 CNC发展的主要方向 。
基于 PC的开放式数控系统基本有 3种结构形式：
ＰＣ嵌入ＣＮＣ型
CNC嵌入ＰＣ型全软件 CNC型驱动并联化并联加工中心 （ 又称 6条腿数控机床,虚轴机床 ） 是数控机床在结构上取得的重大突破 。 传统机床基本上都遵循笛卡尔直角坐标系的运动原理被设计制造出来,
其结构为串联结构,存在悬臂部件,承受很大弯矩和扭矩,不容易获得高的结构刚度 。 另外,传统机床组成环节多,结构复杂,
形成误差迭加,限制了加工精度和速度的提高 。
我国自主研发的并联机床样机并联机床的优,缺点及发展热点：
优点：
进给速度快 ； 精度高 ； 刚性好 ；
加速度高 ； 安装,维修方便 。
局限：
工作空间小 ； 姿态能力差 ；
运动特性和力特性非线性 。
目前研究热点：
混联机床 。
交互网络化数控系统网络化是先进制造模式的要求,数控机床作为网络中的一个节点,有助于解决自动化孤岛问题 。
支持网络通讯协议,既满足单机 DNC需要,又能满足 FMC,FMS、
CIMS,敏捷制造对基层设备集成要求 。
网络资源共享 。
数控机床的远程 （ 网络 ） 控制 。
数控机床故障的远程 （ 网络 ） 诊断 。
数控机床的远程 （ 网络 ） 培训与教学 （ 网络数控 ）
数控系统中采用网络与光纤通讯技术实现运动和 I/O的控制是数控技术的发展方向 。
由于技术封锁等原因,各系统中光纤通讯采用的协议没有兼容性和互换性,
要求伺服驱动器以及 I/O模块必须具有相应协议的光纤通讯接口,这样的系统软硬件开放性较差,而且系统的成本也较高 。
网络通讯协议：德国 Intrtamat的 SERCOS,美国 DELTATAU的 Mcro-
Link,日本 FANUC 的 SERVO-Link,日本 三菱的 Tro-Link,还有
ARCNET,CAN Bus,Profibus,USB,IEEE1394 。
先进制造技术简介
1,计算机直接数控系统 (DNC)
计算机直接数控系统：用一台中央计算机直接控制和管理一群数控设备进行零件加工或装配的系统,因此,也称它为计算机群控系统 。 在 DNC系统中,各台数控机床都各自有独立的数控系统,并与中央计算机组成计算机网络,实现分级控制管理 。 中央计算机不仅用于编制零件的程序以控制数控机床的加工过程,
而且能控制工件与刀具的输送,同时还具有生产管理,工况监控及刀具寿命管理等能力,形成了一条由计算机控制的数控机床自动生产线 。
2,柔性制造单元 (FMC)和柔性制造系统 (FMS)
FMC,由加工中心 (MC)与工件自动交换装置 (AWC)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,如工件尺寸测量补偿,刀具损坏和寿命监控等 。 柔性制造单元既可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 。
FMS是在 DNC基础上发展起来的一种高度自动化加工生产线,由数控机床,物料和工具自动搬运设备,产品零件自动传输设备,
自动检测和试验设备等组成 。 这些设备及控制分别组成了加工系统,物流系统和中央管理系统 。
柔性制造系统是当前机械制造技术发展的方向,能解决机械加工中高度自动化和高度柔性化的矛盾,使两者有机地结合于一体 。
3,计算机集成制造系统 (CIMS)
CIMS,其核心是一个公用的数据库,对信息资源进行存储与管理,并与各个计算机系统进行通信 。 在此基础上,需要有三个计算机系统,一是进行产品设计与工艺设计的计算机辅助设计与计算机辅助制造系统,即 CAD/CAM； 二是计算机辅助生产计划与计算机生产控制系统,即 CAP／ CAC,此系统对加工过程进行计划,调度与控制,FMS是这个系统的主体：三是计算机工厂自动系统,它可以实现产品的自动装配与测试,材料的自动运输与处理等 。 在上述三个计算机系统外围,还需要利用计算机进行市场预测,编制产品发展规划,分析财政状况和进行生产管理与人员管理 。 虽然 CIMS涉及的领域相当广泛,但数控机床仍然是 CIMS不可缺少的基本工作单元 。
习题与思考题
1,名词解释：
点位控制系统,轮廓控制系统,开环伺服系统,闭环伺服系统,半闭环伺服系统
2,试从控制精度,系统稳定性及经济性三方面,比较开环,闭环,半闭环系统的优劣？
3,从 NC系统,联动轴数,伺服系统,机床来看,NC机床各分为几类,它们各用于什么场合？
本章结束 ！
请各位同学认真复习本章内容！
