第一章 概 述返回课件首页返回课件首页

随着科学技术的飞速发展，社会对机械产品的结构、性能、精度、效率和品种的要求越来越高，单件与中小批量产品的比重越来越大（目前已占到 70% 以上），传统的通用、 专用机床和工艺装备已经不能很好地适应高质量、高效率、多样化加工的要求，因而，以微电子技术和计算机技术为基础的数控技术，将机械技术、现代控制技术、传感检测技术、信息处理技术、网络通信技术和成组技术等有机地结合在一起，使机器制造行业的生产方式和机器制造技术发生了深刻的、革命性的变化。数控机床是电子信息技术和传统机械加工技术结合的产物，它集现代精密机械、计算机、通讯、液压气动、光电等多学科技术为一体，具有高效率、高精度、高自动化和高柔性的特点，是当代机械制造业的主流装备。数控机床大大提高了机械加工的性能（可以精确加工传统机床无法处理的复杂零件）。有效提高了加工质量和效率，实现了柔性自动化（相对于传统技术基础上的大批量生产的刚性自动化），并向智能化、集成化方向发展。 数控机床是以数控系统为代表的新技术对传统机械制造产业的渗透形成的机电一体化产品；其技术范围复盖很多领域： (1) 机械制造技术； (2) 信息处理、加工、传输技术： (3) 自动控制技术； (4) 伺服驱动技术； (5) 传感器技术： (6) 软件技术等

前 言

第一章 概 述

第一节 数控技术的基本概念

一、 数控与数控机床 1 ．基本概念 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。 1952 年，第一台数控机床在 MIT 问世，成为世界机械工业史上一件划时代的事件，推动了自动化的发展。当时控制程序是记录在纸带上的字符和数字，故称数字控制机床。 1955 年，第一台商业数控机床在美国全国机床展览会上展出。

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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. The first "commercial" N/C machines were shown at the 1955 National Machine Tool Show.

第一章 概 述

2 ．用数控机床加工一个零件的过程见图 1-1 。

零件图 数控系统 机床

数控装置

伺服系统

加工

程序

用数控机床加工工件时，首先由编程人员按照零件的几何形状和加工工艺要求将加工过程编成加工程序。数控系统读入加工程序后，将其翻译成机器能够理解的控制指令，再由伺服系统将其变换和放大后驱动机床上的主轴电机和进给伺服电机转动，并带动机床的工作台移动，实现加工过程。数控系统实质上是完成了手工加工中操作者的部分工作。

第一章 概 述 基本概念： 数控系统（ NC system ）； 数控装置 NCU ； 计算机数控 CNC ，

一种控制系统，它自动读入载体上的数字信息，经过译码，控制机床运动。整个系统包括信息输入、运算和控制、进给伺服驱动和主轴驱动以及机电接口等。其中运算和控制部分，是数控系统的核心 , 称为数控装置 NCU 。以计算机系统为主构成的数控系统，运算和控制部分是一个专用的计算机，也称为计算机数控 CNC 。数控装置有时也简称为数控系统。

第一章 概 述

二、数控机床的特点优点1 ． 适应性强，能够加工复杂曲面； 2 ． 加工精度高、质量稳定；3 ． 生产效率高（减少辅助时间）； 4 ． 减轻操作者的劳动强度、操作简单；5 ． 有利于生产管理的现代化（工时计算准确）；6. 有故障诊断和监控能力；7. 对操作者技术水平要求低。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。

本课程的目的：1 ．选择机床；2 ．使用数控机床；3 ．设计数控机床。

第一章 概 述

三、数控装置的主要技术指标 （一）什么时候选择数控机床？

第一章 概 述

（二）选择什么样的数控机床？ 数控装置的性能指标反映了数控系统的基本性能，是选择数控系

统的主要依据，概括起来如下 1 ．控制轴数和联动轴数

2 ．脉冲当量（控制分辨率）3 ．定位精度和重复精度

4 ．行程5 ．主轴转速和调节范围6 ．进给速度和调节范围7 ．准备功能（ G 功能）

8 ．辅助功能（ M 功能）9. 自动加减速功能

10. 开关量接口

第一章 概 述

以上性能指标可以作为选择数控装置时参考，随着数控技术的发展，数控装置的性能指标也在不断地丰富和提高。一般来说，性能越高的数控装置，价格也越贵，所以对用户来说并不一定一味地追求高性能，而应该根据自己的实际需要，综合考虑性能和价格，作出最经济实用的选择。

第一章 概 述第二节 数控机床的组成与分类

一、 数控机床的组成 图 1-2 是数控机床的组成框图。数控机床一般由输入输出设备、数控装置、主轴和进给伺服单元、 PLC 及其接口电路和机床本体等几部分组成。除了机床本体以外的部分统称为数控系统，数控装置是数控系统的核心。1 ． 输入 / 输出设备2 ． 数控装置3 ． 伺服单元4 ． 可编程逻辑控制器 (PLC)5 ． 机床本体6 ． 测量装置

第一章 概 述

主轴伺服单元

数

控

装

置输出设备

PLC

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

图 1-3 数控机床的逻辑组成

第一章 概 述

主轴伺服单元数

控装置输出设备

PLC

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 数控机床物理结构与逻辑结构比较

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，如图所示。

第一章 概 述

右： SIEMENS802D->

下： FANUC 系列 150i M

  

第一章 概述

二、数控机床的分类 目前，数控机床的品种齐全，规格繁多。为了研究的方便起见，可以从不同的角度对数控机床进行分类，常见的有以下几种分类方法：

第一章 概 述

（一）按控制轨迹的特点分类1. 点位控制数控机床 2. 直线控制数控机床 3. 轮廓控制数控机床

第一章 概 述

图 1-6 点位控制

第一章 概 述

图 1-7 直线与轮廓控制

第一章 概 述

（二）按伺服系统的类型分类1 ． 开环控制数控机床

第一章 概 述

2 ． 闭环控制 数控机床

第一章 概 述

3 ． 半闭环控制 数控机床

第一章 概 述

性能类别

CPU 位数

联动轴数 分辨率 (um) 进给速度(m/min)

显示

高级型 32 5 <0.1 >24 三维动态

普及型 26 3 0.1~10 10~24 字符 / 图形

经济型 8 <3 <10 <10 字符

表 1.1 数控系统的功能分类

（三）按功能水平分类1. 高级型数控系统

2. 普及型数控系统 3. 经济型数控系统

第一章 概 述

一、 数控技术与数控机床的产生与发展 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。

第三节   数控技术的发展

第一章 概 述

二、中国的数控技术与数控机床 1958 、 1966 、 1972 、 现达到 1500 多个品种，年生产能力 400001. 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 ％

第一章 概 述

2. 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。

第一章 概 述三、数控技术的发展趋势1 ． 高速高精度机床向高速化方向发展，可充分发挥现代刀具材料的性能，不但可大幅度提高加工效率、降低加工成本，而且还可提高零件的表面加工质量和精度。超高速加工技术对制造业实现高效、优质、低成本生产有广泛的适用性。

　　 90 年代以来，欧、美、日各国争相开发应用新一代高速数控机床，加快机床高速化发展步伐。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 60~120m/min ，切削进给速度高达 60m/min ）、高性能数控和伺服系统以及数控工具系统都出现了新的突破，达到了新的技术水平。随着超高速切削机理、超硬耐磨长寿命刀具材料和磨料磨具，大功率高速电主轴、高加 / 减速度直线电机驱动进给部件以及高性能控制系统（含监控系统）和防护装置等一系列技术领域中关键技术的解决，应不失时机地开发应用新一代高速数控机床。

　　依靠快速、准确的数字量传递技术对高性能的机床执行部件进行高精密度、高响应速度的实时处理，由于采用了新型刀具，车削和铣削的切削速度已达到 5000 米 ~8000 米 /分以上；主轴转数在 30000 转 /分 ( 有的高达 10 万转 /分 ) 以上；工作台的移动速度：（进给速度），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；自动换刀速度在 1秒以内；小线段插补进给速度达到 12 米 /分。根据高效率、大批量生产需求和电子驱动技术的飞速发展，高速直线电机的推广应用，开发出一批高速、高效的高速响应的数控机床以满足汽车、农机等行业的需求。

第一章 概 述

随着现代科学技术的发展，对超精密加工技术不断提出了新的要求。新材料及新零件的出现，更高精度要求的提出等都需要超精密加工工艺，发展新型超精密加工机床，完善现代超精密加工技术，以适应现代科技的发展。

　　当前，机械加工高精度的要求如下：普通的加工精度提高了一倍，达到 5微米；精密加工精度提高了两个数量级，超精密加工精度进入纳米级（ 0.001微米），主轴回转精度要求达到 0.01~0.05 微米，加工圆度为 0.1 微米，加工表面粗糙度 Ra=0.003 微米等。

　　精密化是为了适应高新技术发展的需要，也是为了提高普通机电产品的性能、质量和可靠性，减少其装配时的工作量从而提高装配效率的需要。随着高新技术的发展和对机电产品性能与质量要求的提高，机床用户对机床加工精度的要求也越来越高。为了满足用户的需要，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

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。

第一章 概 述

2 ． 智能化数控系统的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 ） 自动编程技术

（ 3 ） 具有故障自动诊断功能

（ 4 ） 应用模式识别技术

第一章 概 述

3 ． 开放式数控系统 随着数控技术的发展，数控系统变得越来越复杂，暴露出许多自身固有的缺陷。最大的问题是，这些数控系统都是专门设计的，它们具有不同的编程语言、非标准的人机接口、多种实时操作系统、非标准的硬件接口等，这些缺陷造成了数控系统使用和维护的不便，也限制了数控技术的进一步发展。为了解决这些问题，人们提出了“开放式数控系统”的概念。这个概念最早见于 1987 年美国的 NGC(Next Generation Controller) 计划， NGC 控制技术通过实现基于相互操作和分级式的软件模块的“开放式系统体系结构标准规范（ SOSAS ）”找到解决问题的办法。一个开放式的系统体系结构能够使供应商为实现专门的最佳方案去定制控制系统。由于这样一个富有哲理的概念作为 NGC 计划的奠基石， NGC 代表了下一代控制技术。

第一章 概 述

1996 年，美国 HP 公司在东京日本国际机床展览会上展出了开放式数控系统 OAC500 ； HP 公司对开放式数控系统提出了 12 个方面的判别准则：（ 1 ） 是否基于工业标准硬件平台和总线结构；（ 2 ） 运动控制软件是否采用工业标准的开放操 作系统；（ 3 ） 能否采用流行的硬件和软件与工厂的网络 相连接；（ 4 ） 能否运行流行的软件而不降低机床的性能；（ 5 ） 能否安装从不同商家得到的流行硬件；

第一章 概 述

（ 6 ）设计或第三方开发者能否应用标准工具和文件格式、编程接口建立用户实时的应用；

（ 7 ）能否修改所有级别的控制软件；（ 8 ）控制商家能否提供文件格式的开发工具，允许访

问系统的所有级别？（ 9 ）对于 I/O接口，控制器是否使用了标准的现场总线？

（ 10 ） 是否可以把控制器与不同厂家的伺服装置相连接？

（ 11 ）控制器是否可以与多用户控制的网络相连接？（ 12 ）所有的编程（ GUI 、运动、 PLC ）是否采用了标准的流行的编程工具？

第一章 概 述

4 ． 基于网络的数控系统 网络的任务主要是进行通讯，共享信息。数控机床作为车间的基本设备，它的通讯范围是：（ 1 ）数控系统内部的 CNC 装置与数字伺服间的 通信，主要通过 SERCOS链式网络传送数字伺服控制信息；（ 2 ）数控系统与上级主计算机间的通信；（ 3 ）与车间现场设备及 I/O装置的通信，主要通过现场总线，如PROFIBUS 等进行通讯；（ 4 ）通过因特网与服务中心的通信，传递维修数据；（ 5 ）通过因特网与另一个工厂交换制造数据。

第一章 概 述

5 ． 提高数控系统的可靠性 可靠性是数控机床用户最为关注的问题，提高可靠性通常可采取下列一些措施：（ 1 ） 提高线路的集成度。采用大规模集成电路、专用芯片及混合式集成电路，以减少元器件数量，精简外部连线和降低功耗。（ 2 ） 建立由设计、试制到生产的完整质量保证体系。例如采取防电源干扰，输入输出隔离；使数控系统模块化、通用化及标准化，以便组织批量生产和维修；在安装制造时注意严格筛选元器件；对系统可靠性进行全面检查考核等。

第一章 概 述

（ 3 ） 增强故障自诊断功能和保护功能。由于元器件失效、编程及人为操作失误等原因，数控系统完全可能出现故障。数控系统一般具有故障预报和自恢复功能。此外，应注意增强监控和保护功能，例如有的系统设有刀具破损检测、行程范围保护和断电保护等功能，以避免损坏机床或报废工件。由于采用了各种有效的增强可靠性的措施，现代数控系统的平均无故障时间可达到 MTBF=10000~36000 小时。

第一章 概 述

6 ． 数字制造 1995 年 12 月，美国 SME 主席 G.Olling 提出，“数字制造”（“ digital manufacturing” ）将会是我们的主要工作。什么是“数字制造”呢？简单地说，就是用数字的方式来存储、管理和传递制造过程中的所有信息。在计算机世界里，可以产生各种各样的信息，并把物理过程虚拟化； DNC还可以对 CAD/CAPP/CAM以及 CNC的程序进行传送和分级管理。 DNC 技术使 CNC 与通信网络联系在一起 , 还可以传送维修数据，使用户与数控生产厂家直接通信；进而把制造厂家联系在一起，构成虚拟制造网络。现在的问题是，如何把这些信息从计算机“下载”到生产线，在生产过程中利用这些信息控制机器，生产出合格产品；这个全过程就是数字制造。

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