兰州交通大学：《数控技术及编程》课程教学资源（教案讲义）01.doc

数控技术及应用教案及讲稿上部分：数控技术及编程二、讲稿第一章数控机床概述第一节数控机床的产生与发展一、数控机床的产生数字控制机床Numerical Control Machine Tools))简称数控机床，这是一种将数字计算技术应用于机床的控制技术。它把机械加工过程中的各种控制信息用代码化的数字表示，通过信息载体输入数控装置。经运算处理由数控装置发出各种控制信号，控制机床的动作，按图纸要求的形状和尺寸，自动地将零件加工出来。数控机床较好地解决了复精密小批量、多品种的零件加工问题，是一种柔性的、高效能的自动化机床，代表了现代机床控制技术的发展方向，是一种典型的机电一体化产品，为单件、小批生产精密复杂零件提供了自动化加工手段。数控机床的工作原理就是将加工过程所需的刀具与工件之间的相对位移量、以及各种操作（如主轴变速、松夹工件、进刀与退刀、开车与停车、选择刀具、供给切削液等）都代码来表示并将数字信息送入专用的或通用的计算机，计机对输入的信息进行处理与运算，发出各种指令来控制机床的伺服系统或其它执行元件，使机床加工出所需要的工件。数控机床与其它自动机床的一个根本区别在于当加工对象改变时，除了重新装夹工件和更换刀具之外，只需要更换加工程序，不需要对机床作任何调整。 1952年美国帕森斯公司(Pa s)和麻省理工学院(MT)合作研制成功世界上第坐标数控铣床，用于加工直升飞机叶片轮廓检查用样板。这是一台采用专用计算机进行运算与控制的直线插补轮廓控制数控铣床，专用计算机采用电子管元件，逻辑运算与控制采用硬件联接的电路。1955年后该类机床进入实用化阶段，在复杂曲面的加工中发挥了重要作用。我国从1958年开始研制数控机床，在研制与推广使用数控机床方面取得了一定成绩近年来，由于引进了国外的数控系统与伺服系统的制造技术，使我国数控机床在品种、数量和质量方面得到了迅速发展。二、计算机数控随若电子技术和计算机技术的不断发展，数控系统经历了逻辑数字控制阶段(NC阶段)和计算机数字 NC阶段) NC阶段数控系统发展经历了电子管时体管时代、小规模集成电路时代。自1970 小型计算机用于数控系统，数控系统发展进入 CNC阶段，这是第四代数控系统。从1974年微处理器用于数控系统，数控系统发展到第五代，经过几年的发展，数控系统从性能到可靠性均得到很大的提高。自20世纪70年代到80 年代，数控系统在全世界得到了大规模的发展和应用。从90年代开始，P℃机的发展日新月异，基于PC平台的数控系统应用而生，数控系统发展进入第六代。目前市场上流行的和企业普遍使用的仍然是第五代数控系统。数控系统中引入了微型计算机（简称微机），使它在质的方面完成了一次飞跃。计算机数控(Com 九性uter Numericl Control,简称CNC)系统有许多优点硬件数控系统的许多功能是靠硬件电路来实现的。若想改变系统的功能，必须重新布线，但计算机数控系统能利用控制软件灵活地增加或改变数控系统的功能，更能适应生产发展的需要。 (2)功能强兰州交通大学机电工程学院

数控技术及应用教案及讲稿上部分：数控技术及编程兰州交通大学机电工程学院 2 二、讲稿第一章数控机床概述第一节数控机床的产生与发展一、数控机床的产生数字控制机床(Numerical Control Machine Tools)简称数控机床，这是一种将数字计算技术应用于机床的控制技术。它把机械加工过程中的各种控制信息用代码化的数字表示，通过信息载体输入数控装置。经运算处理由数控装置发出各种控制信号，控制机床的动作，按图纸要求的形状和尺寸，自动地将零件加工出来。数控机床较好地解决了复杂、精密、小批量、多品种的零件加工问题，是一种柔性的、高效能的自动化机床，代表了现代机床控制技术的发展方向，是一种典型的机电一体化产品，为单件、小批生产精密复杂零件提供了自动化加工手段。数控机床的工作原理就是将加工过程所需的刀具与工件之间的相对位移量、以及各种操作（如主轴变速、松夹工件、进刀与退刀、开车与停车、选择刀具、供给切削液等）都用数字化的信息代码来表示，并将数字信息送入专用的或通用的计算机，计算机对输入的信息进行处理与运算，发出各种指令来控制机床的伺服系统或其它执行元件，使机床自动加工出所需要的工件。数控机床与其它自动机床的一个根本区别在于当加工对象改变时，除了重新装夹工件和更换刀具之外，只需要更换加工程序，不需要对机床作任何调整。 1952年美国帕森斯公司（Parsons）和麻省理工学院（MIT）合作研制成功世界上第一台三坐标数控铣床，用于加工直升飞机叶片轮廓检查用样板。这是一台采用专用计算机进行运算与控制的直线插补轮廓控制数控铣床，专用计算机采用电子管元件，逻辑运算与控制采用硬件联接的电路。1955年后该类机床进入实用化阶段，在复杂曲面的加工中发挥了重要作用。我国从1958年开始研制数控机床，在研制与推广使用数控机床方面取得了一定成绩。近年来，由于引进了国外的数控系统与伺服系统的制造技术，使我国数控机床在品种、数量和质量方面得到了迅速发展。二、计算机数控随着电子技术和计算机技术的不断发展，数控系统经历了逻辑数字控制阶段（NC阶段）和计算机数字控制阶段（CNC阶段）。NC阶段数控系统发展经历了电子管时代、晶体管时代、小规模集成电路时代。自1970年小型计算机用于数控系统，数控系统发展进入 CNC阶段，这是第四代数控系统。从1974年微处理器用于数控系统，数控系统发展到第五代，经过几年的发展，数控系统从性能到可靠性均得到很大的提高。自20世纪70年代到80 年代，数控系统在全世界得到了大规模的发展和应用。从90年代开始，PC机的发展日新月异，基于PC平台的数控系统应用而生，数控系统发展进入第六代。目前市场上流行的和企业普遍使用的仍然是第五代数控系统。数控系统中引入了微型计算机（简称微机），使它在质的方面完成了一次飞跃。计算机数控（Computer Numericl Control，简称CNC）系统有许多优点： (1) 柔性好硬件数控系统的许多功能是靠硬件电路来实现的。若想改变系统的功能，必须重新布线，但计算机数控系统能利用控制软件灵活地增加或改变数控系统的功能 , 更能适应生产发展的需要。 (2) 功能强

数控技术及应用教案及讲稿上部分：数控技术及编程可利用计算机技术及其外围设备，增强数控系统及数控机床的功能。例如，利用计算机图形显示功能，检查编程的刀具轨迹，纠正编程错误，还可检查刀具与机床、夹具碰撞的可能性等：利用计算机网络通信的功能，便于数控机床组成生产线等 (3)可靠性高计算机数控系统可使用磁带、软盘和网络等许多输入装置，避免了以往数控机床由于频繁地开启光电阅读机而造成的信息出错的缺点。与硬件数控相比，计算机数控尽量减少硬件电路，显著地减少了焊点、接插件和外部联线，提高了可靠性。计算机数控系统一般都具备自诊断功能，可及时指出故障原因，便于维修或预防操作失误，减少停机时间。这一切使得现代数控系统的无故障运行时间大为提高。 (4)易于实现机电一体化由干计算机由路板上采用大规植住成由路和先讲的印制由路排版技术，只要采用粉印制电路板即可构成整个控制系统而将数控装置连同操作面板装入个不大的数控箱内，可于机未结合在一起，减少占地面积，有利于实现机电一体化。 (⑤)经济性好采用微机数控系统后，系统的性能价格比大为提高。现在不但大型企业，就是中小型企业也逐渐采用CNC数控机床了数控机床和空系统的发展现代数控机床及其数控系统，目前大致向以下几个方面发展。高速、高精度化要提高机械加工的生产率，其中最主要的方法是提高速度，但是这样做会降低加工精度。现代数控机床在提高加工速度的同时，也在进行高精度化。目前己可在0.1 m的最小设定单位时，进给速度达24mmin。要做到这一点，就对机械和数控系统提出了更高的要求】 1.机械方而例如机床主轴要高速化，就要提高主轴和机床机械结构的动、静态刚度：采用能承受高速的机械零件，如采用陶瓷滚珠轴承等。 2.数控系统方面主要是提高计算机的运算速度。现代数控系统已从16位的CPU,发展到普遍采用32 位的CPU,并向64位的CPU发展。主机频率由5MHz提高到20-33MHz。有的系统还制造了插补器的专用芯片，以提高插补速度：有的采用多CPU系统，减轻主CPU负担，进一步提高控制速度 3.伺服系统方面 (I)采用数字伺服系统使伺服电动机的位置环、速度环的控制都实现数字化。FANUCI5系列开发出专用的数字信号处理器，位置指令输入后，它与从脉冲编码器检测来的位置信息，以及从电动机测速装置检测来的速度信息一起，在专用的微处理器芯片内，进行控制位置、速度控制等运算，最后向功率放大器发出指令，以达到对电动机的高速、高精度控制。 (2)采用现代控制理论提高跟随精度当数控系发出位置指今后，由干机部分不能很快响应而会产生滞后现象，影响了加工精度。现代控制理论中有各种算法能够实现高速和高精度的伺服控制 ,但是，由于们的计算方法太复杂，以往的计算机运算速度不够，很难实现。现在计算机的运算速度和存储容量都加大很多，有时还可采用专用芯片的办法，使复杂的计算能够在线实现，使得滞后量减少很多，从而提高了跟随精度。 (3)采用高分辨率的位置编码器般交流伺服电动机轴上装有回转编码器（脉冲发生器）用来检测电动机的角位移。兰州交通大学机电工程学院 3

数控技术及应用教案及讲稿上部分：数控技术及编程兰州交通大学机电工程学院 3 可利用计算机技术及其外围设备，增强数控系统及数控机床的功能。例如，利用计算机图形显示功能，检查编程的刀具轨迹，纠正编程错误，还可检查刀具与机床、夹具碰撞的可能性等；利用计算机网络通信的功能，便于数控机床组成生产线等。 (3) 可靠性高计算机数控系统可使用磁带、软盘和网络等许多输入装置，避免了以往数控机床由于频繁地开启光电阅读机而造成的信息出错的缺点。与硬件数控相比，计算机数控尽量减少硬件电路，显著地减少了焊点、接插件和外部联线，提高了可靠性。此外，计算机数控系统一般都具备自诊断功能，可及时指出故障原因，便于维修或预防操作失误，减少停机时间。这一切使得现代数控系统的无故障运行时间大为提高。 (4) 易于实现机电一体化由于计算机电路板上采用大规模集成电路和先进的印制电路排版技术，只要采用数块印制电路板即可构成整个控制系统，而将数控装置连同操作面板装入一个不大的数控箱内，可于机床结合在一起，减少占地面积，有利于实现机电一体化。 (5) 经济性好采用微机数控系统后，系统的性能价格比大为提高。现在不但大型企业，就是中小型企业也逐渐采用CNC数控机床了。三、数控机床和数控系统的发展现代数控机床及其数控系统，目前大致向以下几个方面发展。 ( 一 )、高速、高精度化要提高机械加工的生产率，其中最主要的方法是提高速度，但是这样做会降低加工精度。现代数控机床在提高加工速度的同时，也在进行高精度化。目前已可在 0.1μm的最小设定单位时，进给速度达24m/min 。要做到这一点，就对机械和数控系统提出了更高的要求。 1. 机械方面例如机床主轴要高速化，就要提高主轴和机床机械结构的动、静态刚度；采用能承受高速的机械零件，如采用陶瓷滚珠轴承等。 2. 数控系统方面主要是提高计算机的运算速度。现代数控系统已从16位的CPU，发展到普遍采用32 位的CPU，并向64位的CPU发展。主机频率由5MHz提高到20~33MHz。有的系统还制造了插补器的专用芯片，以提高插补速度；有的采用多CPU系统，减轻主CPU负担，进一步提高控制速度。 3. 伺服系统方面 (1) 采用数字伺服系统使伺服电动机的位置环、速度环的控制都实现数字化。FANUCl5系列开发出专用的数字信号处理器，位置指令输入后，它与从脉冲编码器检测来的位置信息，以及从电动机测速装置检测来的速度信息一起，在专用的微处理器芯片内，进行控制位置、速度控制等运算，最后向功率放大器发出指令，以达到对电动机的高速、高精度控制。 (2 ) 采用现代控制理论提高跟随精度当数控系统发出位置指令后，由于机械部分不能很快响应而会产生滞后现象，影响了加工精度。现代控制理论中有各种算法能够实现高速和高精度的伺服控制，但是，由于它们的计算方法太复杂，以往的计算机运算速度不够，很难实现。现在计算机的运算速度和存储容量都加大很多，有时还可采用专用芯片的办法，使复杂的计算能够在线实现，使得滞后量减少很多，从而提高了跟随精度。 (3 ) 采用高分辨率的位置编码器一般交流伺服电动机轴上装有回转编码器（脉冲发生器）用来检测电动机的角位移

数控技术及应用数案及讲癌上部分：数控技术及编程显然，编码器的分辨率越高，则电动机转动角位移就越精确。现代高分辨率位置编码器绝对位置的测量可达163840脉冲转。 (4)实现多种补偿功能数控系统能实现多种补偿功能，提高数控机床的加工精度和动态特性。数控系统的补偿功能主要用来补偿机械系统带来的误差。例如： 1)直线度的补偿。随着某一轴的运动，对另一轴加以补偿，提高工作台运动的直线度： 2)采用新的丝杠导程误差补偿方法。用几条近似线表示导程误差，仅对其中几个点进行补偿。此法可减少补偿数据的设定点数，使补偿方法大为简化： 3)丝杠、齿轮间隙补偿： 4)热变形误差补偿，用来补偿由于机床热变形而产生机床几何位置变化引起的加工误差： 5)刀具长度、半径等补偿： 6)存储型补偿。这种补偿方法，可根据机床使用时的实际情况（如机床零件的磨损情况等)适时地修订补偿值。提高数控系统的可靠性，可大大降低数控机床的故障率。新型数控系统大量使用大规模和超大规模集成电路，还采用专用芯片提高集成度以及使用表面封装技术等方法，减少了元器件数量和它们之间的连线和焊点数目，从而大幅度降低系统的故障率。此外，现代数控系统还具有人工智能(AI)故障诊断系统，用它来诊断数控系统及机床的故障，把专家们所掌握的对于各种故障原因及其处置方法作为知识库储存到计算机的存储器中，以知识库为依据来开发软件，分析查找故障原因只要通过回答显示器提出的简单问题，就能和专家一样诊断出机床的故障原因以及提出排除故障的方法。由于CNC系统使用的计算机容量越来越大，运算速度越米越快，使得CNC系统不仅能完成机床的数字控制功能，而且还可以充分利用软件技术，使系统智能化，给使用者以更大的帮助。例如将迄今为止必须由编程员决定的零件的加工部位、加工工序、加工顺序等也可由CNC系统自动地决定。操作者只要将加工形状和必要的毛坯形状输进CNC系统，就能自动生成加工程序。这样数控加工的编程时间将大为缩短，即使经验不足的操作者也能进行操作。CNC系统如何与人工智能技术相结合，尚待研究开发。除了上述在故障今新和馆程方面的应用外，还有更大的领域留待我们去探索越来越多的工厂希望将多台数控机床组成各种类型的生产线或者DNC(Direc Numerical Control直接数字控制)系统。这就要求CNC系统提高联网能力。般CNC系统都具有RS232远距离串行接口，可以按照用户的格式要求，与同一级计算机进行多种数据交换。为了满足不同厂家、不同类型数控机床联网功能要求，现代数控系统大都具有 MAP(制造自动化协议)接口，现在己实现了MAP3.0版本，并采用光缆通信，以提高数据传送速度和可靠性。第二节数控机床的组成和工作原理一、数控机床的组成兰州交通大学机电工程学院

数控技术及应用教案及讲稿上部分：数控技术及编程兰州交通大学机电工程学院 4 显然，编码器的分辨率越高 , 则电动机转动角位移就越精确。现代高分辨率位置编码器绝对位置的测量可达163840 脉冲/转。 (4 ) 实现多种补偿功能数控系统能实现多种补偿功能，提高数控机床的加工精度和动态特性。数控系统的补偿功能主要用来补偿机械系统带来的误差。例如： 1）直线度的补偿。随着某一轴的运动，对另一轴加以补偿，提高工作台运动的直线度； 2）采用新的丝杠导程误差补偿方法。用几条近似线表示导程误差，仅对其中几个点进行补偿。此法可减少补偿数据的设定点数，使补偿方法大为简化； 3）丝杠、齿轮间隙补偿； 4）热变形误差补偿，用来补偿由于机床热变形而产生机床几何位置变化引起的加工误差； 5) 刀具长度、半径等补偿； 6）存储型补偿。这种补偿方法，可根据机床使用时的实际情况（如机床零件的磨损情况等）适时地修订补偿值。提高数控系统的可靠性，可大大降低数控机床的故障率。新型数控系统大量使用大规模和超大规模集成电路，还采用专用芯片提高集成度以及使用表面封装技术等方法，减少了元器件数量和它们之间的连线和焊点数目，从而大幅度降低系统的故障率。此外，现代数控系统还具有人工智能（AI）故障诊断系统，用它来诊断数控系统及机床的故障，把专家们所掌握的对于各种故障原因及其处置方法作为知识库储存到计算机的存储器中，以知识库为依据来开发软件，分析查找故障原因。只要通过回答显示器提出的简单问题，就能和专家一样诊断出机床的故障原因以及提出排除故障的方法。由于CNC系统使用的计算机容量越来越大，运算速度越来越快，使得CNC系统不仅能完成机床的数字控制功能，而且还可以充分利用软件技术，使系统智能化，给使用者以更大的帮助。例如，将迄今为止必须由编程员决定的零件的加工部位、加工工序、加工顺序等也可由CNC系统自动地决定。操作者只要将加工形状和必要的毛坯形状输进CNC系统，就能自动生成加工程序。这样数控加工的编程时间将大为缩短，即使经验不足的操作者也能进行操作。CNC系统如何与人工智能技术相结合，尚待研究开发。除了上述在故障诊断和编程方面的应用外，还有更大的领域留待我们去探索。越来越多的工厂希望将多台数控机床组成各种类型的生产线或者DNC（Direct Numerical Control 直接数字控制）系统。这就要求CNC系统提高联网能力。一般CNC系统都具有RS232远距离串行接口，可以按照用户的格式要求，与同一级计算机进行多种数据交换。为了满足不同厂家、不同类型数控机床联网功能要求，现代数控系统大都具有 MAP（制造自动化协议）接口，现在已实现了MAP3.0 版本，并采用光缆通信，以提高数据传送速度和可靠性。第二节数控机床的组成和工作原理一、数控机床的组成