第一章概述1

CNC装置：由计算机、PLC、接口组成。 ①计算机 硬件+软件 ②可编程控制器PLC
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、电磁阀、 行程开关、接触器等组 成的逻辑控制线路，其 功能是：接受CNC的M、S、T指令，对其进行 译码并转换成对应的控制信号，控制辅助装置 完成机床相应的开关动作，并且接受操作面板 和机床的I/O信号，送给CNC装置处理。
能同时控制2~5个坐标轴(坐标联动) ，使刀具和工 件按平面、曲面或空间曲面轮廓的规律进行相对运动， 加工出复杂的零件。
运动轨迹是任意斜率的直线、圆弧、螺旋线等。
能够对两个或两个以上运动坐标的位移及速度进 行连续相关的控制，因而可进行曲线或曲面的加 工。 适用范围：数控车床、数控铣床、加工中心等用 于加工曲线和曲面的机床。现代的数控机床基本 上都是装备的这种数控系统。
想要用数控机床加工出符
合要求的零件轮廓，就需 要控制刀具与工件的相对 位置。 怎样实现？
要求数控装置具有插补功能
一、数控机床的组成
计算机数控系统（CNC系统） + 机床本体及辅助装置
计算机数控系统（CNC系统）
加 工 程 序
输 入 输 出 装 置
数 控 装 置
CNC
主驱 轴动 伺系 服统
机床
数控铣床
数控铣床
数控车床
数控车床
数控加工中心
锥度电火花线切割机床
二、按控制刀具与工件间相对运动的 轨迹分类（按机床运动轨迹分类） 1）点位控制系统（Positioning Control）
只控制刀具相对于工件定位点的位置，不控制点 与点之间的运动轨迹，移动过程中不进行切削加工。
适用范围：这类机床有数控钻床、数控坐标镗床、数控 冲剪床等。
内容提要：
本章主要介绍数控技术、数控机床的
基本概念、体系结构、工作原理及分类； 数控机床的应用范围及产生与发展。
第一节
基本概念
– 数控即数字控制（Numerical Control,简称NC）。 – 数控技术即NC技术，是指用数字 化信息发出指令并实现自动控制 的技术。 – 计算机数控（ Computer Numerical Control ，简称CNC)是 指用计算机实现部分或全部的数 控功能。
伺服驱动装置：包括主轴驱动单元， 进给驱动单元、主轴电机及进给电 机等。 主轴驱动装置 用于控制主轴的旋转 运动。主轴驱动对速度控制以及恒 功率调速范围和主轴定位控制有较 高的要求；它要求实现宽范围内的 速度连续可调，并能提供足够的切 削功率。电机为直流或交流主轴电 机。
进给驱动装置 用于控制各坐标轴的 切削进给。进给驱动对位置精度、 快速响应特性、调速范围等有较高 的要求。它可提供合适的切削速度， 再配以位置控制系统，可实现工作 台（或刀具）位置的精确控制。电 机一般为功率步进电机、电液脉冲 马达或交、直流伺服电机。
4 辅助装置
主要包括：刀具自动交换系统、工件 自动交换系统 ，还有冷却、排屑、润滑、 转位部件等辅助装置 。
二、数控机床特点
优点 高精度、高生产率 能胜任异型复杂零件加工 加工稳定可靠，易于保证加工质量，一致性好 高柔性,适应性强，是发展柔性生产和计算机 辅助制造的基础。 工序集中，一机多用，多机看管。 它具有故障诊断的能力，监控功能强，能减轻 操作者的劳动强度、实现加工自动化和操作简 单化。 有利于生产管理的现代化，可实现精确的成本 计算和生产进度安排。
3 机床本体
主要包括：主运动部件，进给运动执行部件（工 作台、拖板以及相应的传动机构） 、支承部件 （立柱、床身等）。 对数控机床的要求： ①大功率 ②高精度③高可靠性④高速度 普通机床的机械结构已不能满足要求，数控机 床的机械结构主要在以下几方面进行了改进： ①提高静刚度和固有频率； ②减小热变形，增加热位移补偿； ③努力实现无间隙、低摩擦提高效率； ④简化机械传动结构。
2轴控制，同时控制两个坐标
3轴联动，(3轴控制)
4轴联动，（4轴控制）
5轴联动加工
多轴联动数控加工示意图
三、按伺服驱动系统的控制方式分类
– 按数控系统的进给伺服子系统有无位 置测量装置可分为开环数控系统和闭
环数控系统，在闭环数控系统中根据
位置测量装置安装的位置又可分为全
闭环和半闭环两种。
1）开环控制系统（Open Loop Control）
传统机床的加工过程：零件图纸、手工改变刀具与工件
数控机床的加工过程：是将加工过程所需的各个操作步 骤(如机床的启动或停止、主轴的变速、工件的夹紧或 松开、刀具的选择和交换、切削液的开或关等)以及零 件的尺寸、形状和刀具与工件之间的相对位移，以及 进给速度等都用数字化的代码来表示，按规定编写成 零件加工程序并送入数控系统，经分析处理与计算后 发出相应的指令控制机床的伺服系统或其他执行元件， 使机床自动加工出所需要的工件。
主 运 动 机 构 进 给 运 动 机 构 辅 助 动 作 机 构
进驱 给动 伺系 服统
数控机床的组成框图
（一）计算机数控系统（CNC系统）
CNC系统由：程序、输入输出设备、数 控装置（CNC装置）及主轴和进给驱动 装置组成。其中核心为CNC装置。 1 数控装置（ NC装置、CNC装置） (机 床的“大脑”) 数控装置是数控机床的核心，它将 接收的数字化信息（主要是零件加工程 序）经过插补处理转换成各种指令信息， 实时输出给伺服系统，使设备按规定的 动作执行。
缺点
投资大，使用费用高 生产准备工作复杂 维修困难
数控机床的适用范围
批量小而又多次重复生产的零件；
几何形状复杂的零件；
贵重零件加工；
需要全部检验的零件；
第二节 数控机床的分类 一、按加工方式分类
切削加工类：
1）数控车床（NC Lathe）。 2）数控铣床（NC Milling Machine）。 3）加工中心（Machine Center）。 4）数控钻床（NC Drilling Machine）。 5）数控镗床（NC Boring Machine）。 6）数控齿轮加工机床（NC Gear Holling Machine）。 7）数控平面磨床（ NC Surface Grinding Machine）。 8 ） 数 控 外 圆 磨 床 （ NC External Cylindrical Grinding Machine）。 9）数控轮廓磨床（NC Contour Grinding Machine）。 10）数控工具磨床（NC Tool Grinding Machine）。 11）数控坐标磨床（NC Jig Grinding Machine）。 12）数控冲床（NC Punching Press） 。
位置控制单元
CNC 插补 指令 + 位置控制调节 器
速度控制单元
+
-
速度控制 调节与驱动
机械执行部件
实际 位置 反馈
实际 速度 反馈
电机
检测与反馈单元
指令
位置比 较电路
速度控 制电路
伺服 电动机
工作台
速度检测 角度检测
半闭环控制框图
4）开环补偿型控制（Open Loop Control with Compensation ） 在开环基础上加以补偿校正环节 解决丟步或过冲问题。
2) 直线控制系统（Straight-line
Control）
控制刀具或机床工作台以给定速度,沿平行于某一 坐标轴方向，由一个位置到另一个位置的精确移动并 进行切削加工。
适用范围：简易数控车床、数控镗铣床，一般有23个可 控坐标轴，但同时控制的坐标轴只有一个。
直线加工举例
3）轮廓控制系统（Contour Control）
成型加工类：
1）数控折弯机 2）数控弯管机等。
特种加工类：
1）数控电火花加工机床 （NC Diesinking Electric Discharge Machine）。 2 ） 数 控 线 切 割 机 床 （ NC Wire Electric Discharge Machine）。 3）数控激光加工机床（NC Laser Beam Machine）。 4）数控超声波加工机床（NC Ultrasonic Machine）。 其它类型：数控装配机、三坐标测量机等。
2）闭环控制系统（Closed Loop Control）
在机床移动部件上装有位置检测装置 ，用 偏差进行控制，使移动部件按照实际的要求运 动，最终实现精确定位。精度主要取决于测量 元件的精度,而与传动链的误差无关 。但系统 易受机床固有频率的影响而不稳定 。 特点：精度高、速度快。 主要用于：该系统主要用于精度要求很高 的镗铣床、超精车床、超精磨床以及较大型的 数控机床等。
③接口 a 与上位机通讯的接口EIA RS232C等 b 与各种输入输出设备（键盘、磁盘驱动 器纸带阅读器等）的通讯。 c 与机床侧信号往来的I/O接口。
2 伺服系统（机床的“四肢”） 伺服系统：是一种以机械位置或角度作为控制 对象的自动控制系统。 伺服电机：使用在伺服系统中的驱动电机。伺 服电机基本工作原理和普通的交直流电动机基 本相同。 伺服驱动单元：也称伺服驱动器，是伺服电机 的专用驱动单元，是根据系统指令驱动电机运 转并回收电机编码器数据的单元。 伺服系统把来自数控装置的位置进给脉冲信号 或进给速度指令，经变换和放大后转化为伺服 电机（步进或交、直流伺服电机）的转动，从 而带动机床运动部件的运动，它应具有快速响 应能力和足够的功率。
没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装 置→进给系统），故系统稳定性好。
指令
驱动电路
步进电机
工作台
开环控制框图
– 无位置反馈，精度相对闭环系统来讲不高， 其精度主要取决于伺服驱动系统和机械传动 机构的性能和精度。 – 一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。 –特点：系统结构简单，调试维修方便，工作 稳定，成本较低 ，但控制精度较低 。一般用 于精度和速度要求不高、驱动力矩不大的经 济型数控机床。