数控机床的编程及操作
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�位置伺服系统采用前馈控制与非线性控制等方法。
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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；
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数控机床的编程及操作
5. 1959年，美国的卡尼—特雷克（Kechua&Treckre）公司研制成功了具有刀库、 刀具交换装置、回转工作台，可以在一次装夹中对工件的多个面进行钻、孔、攻 丝、镗削加工、铣削加工等多种加工的数控机床，命名为 “Machining Center”， 即加工中心 。 6. 加工中心将钻、镗、铣等多种机床的功能集于一身，不但节省了工件的反复搬运、 安装找正、换刀等辅助时间，而且减少了装夹误差，使加工精度大大提高。由于 它的诸多优点，逐步成数控机床中的主力军。 7. 数控机床发展到不但有刀具自动交换装置，而且具有工件自动供给、装卸、刀具 寿命检测、自动测量、排屑等各种辅助附加装置，可长时间的无人运转工作。 8. 数控技术不仅在机床上得到了实际应用，例如数控车床、数控铣床、数控冲床、 数控磨床、数控齿轮加工机床、数控电火花、线切割、数控激光加工机床等，而 且逐步推广到其它行业，如焊接、火焰切割、热处理、测量、工业电器、家用电 器、医疗、纺织器械等，使数控技术不断地扩展应用范围。 9. 我国数控机床的研究工作是从1958年开始的，经历了近50年的发展历程，目前数 控技术已在车、铣、钻、镗、磨、齿轮加工、电加工等多个领域全面展开，品种 已达200多个，年产量达10000多台。不仅可生产制造各类数控机床，还可生产 各种加工中心、车削中心、柔性制造单元、柔性制造系统。
五轴轴轴 轴联联联 联动动动 动龙 门铣 床 五五五 龙龙龙门门门 铣铣铣床床床
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工业业业 业机机机 机器器器 器人 工工工 人人人
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数控机床的编程及操作
12. 数控技术是提高产品质量、提高劳动生产率必不可少的物质手段，是国家战略 技术和体现国家综合国力水平重要标志。专家们预言 : 二十一世纪机械制造业 的竞争，其实质是数控技术的竞争。 13. 自从上世纪中叶数控技术创立以来，它给机械制造业带来了革命性的变化。现 在数控技术已成为制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础技术，现代 的CAD/CAM，FMS（Flexible Manufacturing System）柔性制造系统和 CIMS（Computer Integrated Manufacturing System）计算机集成制造系 统 、FA（Factory Automation ）工厂自动化、敏捷制造和智能制造等，都 是建立在数控技术之上。由多台加工中心、物流系统、工业机器人及相应的信 息流和中央控制系统所组成的柔性制造系统（FMS）与办公自动化（OA-Office Automation）集成，实现了工厂自动化（FA），改变了传统的制造模 式，走向一种崭新的生产模式，即计算机集成制造系统（ CIMS）。 14. 进入九十年代以来，随着国际上计算机技术突飞猛进的发展，数控技术不断采 用计算机、控制理论等领域的最新技术成就，使其朝着下述方向发展：
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数控机床的编程及操作
�
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：
�加工过程自适应控制技术：通过监测加工过程中的切削力、主轴和进给电机
的功率、电流、电压等信息，利用传统的或现代的算法进行识别，以辩识出 刀具的受力、磨损以及破损状态，机床加工的稳定性状态；并根据这些状态 实时修调加工参数（主轴转速，进给速度）和加工指令，使设备处于最佳运 行状态，以提高加工精度、降低工件表面粗糙度以及设备运行的安全性。
数控机床 的编程及操作
湖北江山重工有限责任公司 制造部 黄汉生
数控机床的编程及操作
第一章 数控机床概述
一、数控机床简介 数控是数字控制（Numerical Control NC）的简称，是一种用数字、字符或其 它符号组成的数字信息对某一工作过程（如加工、测量、装配等）进行可编程控制的 自动化方法。 数控技术（Numerical Control Technology）是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。 数控机床是数字控制机床（Numerical Control Machine Tool）简称，亦称NC 机床，是采用数字控制技术对机床的加工过程进行自动控制的一类机床。 与普通机床靠工人手工操作手柄进行加工，加工的精度与效率在很大程度上取决 于操作者的技术水平和熟练程度相对应，数控机床的运动是由加工指令信息来进行自 动控制的，对于普通机床难于加工的复杂的二维、三维形状，数控机床可利用 2轴、2 轴半、3轴、4轴或是5轴同时进行控制，高精度的进行加工。而对于不同的零件，只 需改变加工指令信息（即加工程序）即可，使之与以往的非数控的高效自动化机床相 比具有更高的“柔性”，因此，数控机床是为了满足单件、小批量、多品种自动化生产 的需要而研制的一种灵活的、通用的能够适应产品频繁变化的柔性自动化机床，具有 适应性强、加工精度高、加工质量稳定和生产效率高的优点。
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数控机床的编程及操作
综合上述，数控机床与其他加工方法比有以下特点： 优点：①适应能力强，适用于多品种单、小批量或中批量的生产（即具有充分的 柔性，只需编制零件程序就能加工新零件）；②加工精度高，可以加工复杂形状的零 件，质量稳定；③生产效率高；④自动化程度高，便于实现计算机辅助制造；⑤易于 调整机床，与其他加工方法比（如自动机床、自动生产线）比，所需调整时间少；⑥ 减轻操作工人的劳动强度，操作者有空闲时间，可同时照料其它加工操作； 缺点：①加工成本较高；②维护比较复杂，需专业的维护人员；③需要高度熟练 和经过培训的编程人员；④ 加工中难以调整 。 数控机床可以在加工的同时进行装夹、调整、编程等工作，达到提高效率、减轻 操作工人的劳动强度的效果。 数控机床综合应用了电子计算机、自动控制、伺服驱动、精密测量的新型机械结 构等多方面的技术成果。 随着数控技术的迅速发展，数控机床在机械制造业中的地位 越来越重要。
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）。
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数控机床的编程及操作
三、数控机床的结构和工作原理 数控机床主要由控制介质、数控装置、 伺服驱动装置、机床本体和其它装置组成。 1. 控制介质 它是用于记录各种加工指令信息（加工程序），以控制机床的运动，以实现 零件的加工。常用的控制介质有标准的穿孔纸带、磁带、磁盘等，随着微机技术 的不断发展，新的控制介质不断的出现，如CF存储卡等，为了满足大容量的加工 程序，控制介质的存储容量也越来越大，甚至可以外接硬盘 。 控制介质上的加工信息要经过输入装置传送到数控装置。常用的输入装置有 光电纸带输入机、磁带录音机、磁盘驱动器等。现今数控机床大多属于微机控制 的，随着微机技术的不断发展，新的输入装置不断的出现，更方便了加工信息的 输入。另外加工程序也可以通过操作面板或外接键盘直接输入，由于是人工进行 加工信息的输入，因此只能对简单的加工程序进行输入。对于大容量的加工程 序，必须通过磁盘或外部电脑进行输入。当数控装置的存储容量太小时，也可通 过DNC连线方式进行在线加工。
�加工参数的智能优化与选择：将工艺专家或技工的经验、零件加工的一般与
特殊规律，用现代智能ห้องสมุดไป่ตู้法，构造基于专家系统或基于模型的 “加工参数的智 能优化与选择器”，利用它获得优化的加工参数，从而达到提高编程效率和加 工工艺水平，缩短生产准备时间的目的。采用经过优化的加工参数编制的加 工程序，可使加工系统始终处于较合理和较经济的工作状态。
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
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速度和精度是数控设备的两个重要指标，它们是数控技术永恒追求的目标。因 为它直接关系到加工效率和产品质量。新一代数控设备在运行高速化、加工高精化等 方面都有了更高的要求。 �
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
动平台 主轴电机 伺服电机
机架
主轴
驱动杆
刀具
工件 静平台
柔性夹具
图1-1 并联机床结构示意图
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交互网络化：支持网络通讯协议，既满足单机需要，又能满足FMC、
FMS、CIMS对基层设备集成要求的数控系统，该系统是形成“全球制造”的基 础单元。
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10. 五轴加工中心和工业机器人的 相继研制成功，标志着我国综 合国力水平迈上一个新的台阶。 11. 五坐标联动数控技术是我国国 防、军工、船舶工业急需的高 档关键设备，国外至今仍将其 列入技术封锁和控制出口之列。 “华中数控”开发的华中2000型 数控系统是具有自主知识产权 的高性能数控系统，配备在桂 林机床股份有限公司生产的五 坐标联动龙门铣床XK2136/35X，引起国内外注目。德国西 门子公司的亚洲总裁看后，非 常震惊，专门向该国政府打报 告，要求放松对中国五坐标数 控系统的限制，否则会失去中 国市场。
化，并且具有高加（减）速率。 进给率高速化： 在分辨率为1µm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=30m/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： 随机换刀0.9秒（即刀对刀）；定点换刀 2.8秒（刀对库）。 工作台（托盘）交换速度：6.3秒。
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二、数控机床的发展 企业的产品发展，促进了机械制造业的发展， 推动了设备生产业的发展，尤其是数控设备的发展与完善。 1. 1947年，美国的帕森斯（Parsons）公司在生产直升飞机机翼的检查样板时，为 了提高精度和效率，提出了用穿孔卡片来控制机床的方案。这一方案正好迎合了 美国空军为了开发航空航天产品，需要加工复杂零件要求，于是得到了空军的经 费支持，1949年开始与麻省理工大学（MIT）的伺服研究所共同研究。 2. 历时三年的研究，于1952年3月研制成功了第一台能够进行三轴控制的数控铣 床，取名为“Numerical Control”，即NC 机床，这是一台能够进行直线插补的三 坐标立式铣床，其数控系统全部采用电子管，也就是第一代数控系统。 3. 经过三年的试用、改进、提高和对自动编程的研究， 1955年，数控技术进入实用 性阶段，一直到20世纪50年代末，由于晶体管的出现，数控系统提高了可靠性且 价格开始下降，很多民用厂家也开展了数控机床的研制开发和生产，其中多为数 控钻床、数控冲床等的点位控制机床。 4. 1955年，第一台民用工业用数控机床由美国邦迪克斯（ Bendix）公司生产出来 。
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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。
�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0.01µm/脉冲）；
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� 体系开放化：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。 � 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。 如图1-1所示。
�
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；
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5. 1959年，美国的卡尼—特雷克（Kechua&Treckre）公司研制成功了具有刀库、 刀具交换装置、回转工作台，可以在一次装夹中对工件的多个面进行钻、孔、攻 丝、镗削加工、铣削加工等多种加工的数控机床，命名为 “Machining Center”， 即加工中心 。 6. 加工中心将钻、镗、铣等多种机床的功能集于一身，不但节省了工件的反复搬运、 安装找正、换刀等辅助时间，而且减少了装夹误差，使加工精度大大提高。由于 它的诸多优点，逐步成数控机床中的主力军。 7. 数控机床发展到不但有刀具自动交换装置，而且具有工件自动供给、装卸、刀具 寿命检测、自动测量、排屑等各种辅助附加装置，可长时间的无人运转工作。 8. 数控技术不仅在机床上得到了实际应用，例如数控车床、数控铣床、数控冲床、 数控磨床、数控齿轮加工机床、数控电火花、线切割、数控激光加工机床等，而 且逐步推广到其它行业，如焊接、火焰切割、热处理、测量、工业电器、家用电 器、医疗、纺织器械等，使数控技术不断地扩展应用范围。 9. 我国数控机床的研究工作是从1958年开始的，经历了近50年的发展历程，目前数 控技术已在车、铣、钻、镗、磨、齿轮加工、电加工等多个领域全面展开，品种 已达200多个，年产量达10000多台。不仅可生产制造各类数控机床，还可生产 各种加工中心、车削中心、柔性制造单元、柔性制造系统。
五轴轴轴 轴联联联 联动动动 动龙 门铣 床 五五五 龙龙龙门门门 铣铣铣床床床
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工业业业 业机机机 机器器器 器人 工工工 人人人
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数控机床的编程及操作
12. 数控技术是提高产品质量、提高劳动生产率必不可少的物质手段，是国家战略 技术和体现国家综合国力水平重要标志。专家们预言 : 二十一世纪机械制造业 的竞争，其实质是数控技术的竞争。 13. 自从上世纪中叶数控技术创立以来，它给机械制造业带来了革命性的变化。现 在数控技术已成为制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础技术，现代 的CAD/CAM，FMS（Flexible Manufacturing System）柔性制造系统和 CIMS（Computer Integrated Manufacturing System）计算机集成制造系 统 、FA（Factory Automation ）工厂自动化、敏捷制造和智能制造等，都 是建立在数控技术之上。由多台加工中心、物流系统、工业机器人及相应的信 息流和中央控制系统所组成的柔性制造系统（FMS）与办公自动化（OA-Office Automation）集成，实现了工厂自动化（FA），改变了传统的制造模 式，走向一种崭新的生产模式，即计算机集成制造系统（ CIMS）。 14. 进入九十年代以来，随着国际上计算机技术突飞猛进的发展，数控技术不断采 用计算机、控制理论等领域的最新技术成就，使其朝着下述方向发展：
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数控机床的编程及操作
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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：
�加工过程自适应控制技术：通过监测加工过程中的切削力、主轴和进给电机
的功率、电流、电压等信息，利用传统的或现代的算法进行识别，以辩识出 刀具的受力、磨损以及破损状态，机床加工的稳定性状态；并根据这些状态 实时修调加工参数（主轴转速，进给速度）和加工指令，使设备处于最佳运 行状态，以提高加工精度、降低工件表面粗糙度以及设备运行的安全性。
数控机床 的编程及操作
湖北江山重工有限责任公司 制造部 黄汉生
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第一章 数控机床概述
一、数控机床简介 数控是数字控制（Numerical Control NC）的简称，是一种用数字、字符或其 它符号组成的数字信息对某一工作过程（如加工、测量、装配等）进行可编程控制的 自动化方法。 数控技术（Numerical Control Technology）是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。 数控机床是数字控制机床（Numerical Control Machine Tool）简称，亦称NC 机床，是采用数字控制技术对机床的加工过程进行自动控制的一类机床。 与普通机床靠工人手工操作手柄进行加工，加工的精度与效率在很大程度上取决 于操作者的技术水平和熟练程度相对应，数控机床的运动是由加工指令信息来进行自 动控制的，对于普通机床难于加工的复杂的二维、三维形状，数控机床可利用 2轴、2 轴半、3轴、4轴或是5轴同时进行控制，高精度的进行加工。而对于不同的零件，只 需改变加工指令信息（即加工程序）即可，使之与以往的非数控的高效自动化机床相 比具有更高的“柔性”，因此，数控机床是为了满足单件、小批量、多品种自动化生产 的需要而研制的一种灵活的、通用的能够适应产品频繁变化的柔性自动化机床，具有 适应性强、加工精度高、加工质量稳定和生产效率高的优点。
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综合上述，数控机床与其他加工方法比有以下特点： 优点：①适应能力强，适用于多品种单、小批量或中批量的生产（即具有充分的 柔性，只需编制零件程序就能加工新零件）；②加工精度高，可以加工复杂形状的零 件，质量稳定；③生产效率高；④自动化程度高，便于实现计算机辅助制造；⑤易于 调整机床，与其他加工方法比（如自动机床、自动生产线）比，所需调整时间少；⑥ 减轻操作工人的劳动强度，操作者有空闲时间，可同时照料其它加工操作； 缺点：①加工成本较高；②维护比较复杂，需专业的维护人员；③需要高度熟练 和经过培训的编程人员；④ 加工中难以调整 。 数控机床可以在加工的同时进行装夹、调整、编程等工作，达到提高效率、减轻 操作工人的劳动强度的效果。 数控机床综合应用了电子计算机、自动控制、伺服驱动、精密测量的新型机械结 构等多方面的技术成果。 随着数控技术的迅速发展，数控机床在机械制造业中的地位 越来越重要。
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）。
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三、数控机床的结构和工作原理 数控机床主要由控制介质、数控装置、 伺服驱动装置、机床本体和其它装置组成。 1. 控制介质 它是用于记录各种加工指令信息（加工程序），以控制机床的运动，以实现 零件的加工。常用的控制介质有标准的穿孔纸带、磁带、磁盘等，随着微机技术 的不断发展，新的控制介质不断的出现，如CF存储卡等，为了满足大容量的加工 程序，控制介质的存储容量也越来越大，甚至可以外接硬盘 。 控制介质上的加工信息要经过输入装置传送到数控装置。常用的输入装置有 光电纸带输入机、磁带录音机、磁盘驱动器等。现今数控机床大多属于微机控制 的，随着微机技术的不断发展，新的输入装置不断的出现，更方便了加工信息的 输入。另外加工程序也可以通过操作面板或外接键盘直接输入，由于是人工进行 加工信息的输入，因此只能对简单的加工程序进行输入。对于大容量的加工程 序，必须通过磁盘或外部电脑进行输入。当数控装置的存储容量太小时，也可通 过DNC连线方式进行在线加工。
�加工参数的智能优化与选择：将工艺专家或技工的经验、零件加工的一般与
特殊规律，用现代智能ห้องสมุดไป่ตู้法，构造基于专家系统或基于模型的 “加工参数的智 能优化与选择器”，利用它获得优化的加工参数，从而达到提高编程效率和加 工工艺水平，缩短生产准备时间的目的。采用经过优化的加工参数编制的加 工程序，可使加工系统始终处于较合理和较经济的工作状态。
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
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数控机床的编程及操作
速度和精度是数控设备的两个重要指标，它们是数控技术永恒追求的目标。因 为它直接关系到加工效率和产品质量。新一代数控设备在运行高速化、加工高精化等 方面都有了更高的要求。 �
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
动平台 主轴电机 伺服电机
机架
主轴
驱动杆
刀具
工件 静平台
柔性夹具
图1-1 并联机床结构示意图
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数控机床的编程及操作
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交互网络化：支持网络通讯协议，既满足单机需要，又能满足FMC、
FMS、CIMS对基层设备集成要求的数控系统，该系统是形成“全球制造”的基 础单元。
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10. 五轴加工中心和工业机器人的 相继研制成功，标志着我国综 合国力水平迈上一个新的台阶。 11. 五坐标联动数控技术是我国国 防、军工、船舶工业急需的高 档关键设备，国外至今仍将其 列入技术封锁和控制出口之列。 “华中数控”开发的华中2000型 数控系统是具有自主知识产权 的高性能数控系统，配备在桂 林机床股份有限公司生产的五 坐标联动龙门铣床XK2136/35X，引起国内外注目。德国西 门子公司的亚洲总裁看后，非 常震惊，专门向该国政府打报 告，要求放松对中国五坐标数 控系统的限制，否则会失去中 国市场。
化，并且具有高加（减）速率。 进给率高速化： 在分辨率为1µm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=30m/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： 随机换刀0.9秒（即刀对刀）；定点换刀 2.8秒（刀对库）。 工作台（托盘）交换速度：6.3秒。
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二、数控机床的发展 企业的产品发展，促进了机械制造业的发展， 推动了设备生产业的发展，尤其是数控设备的发展与完善。 1. 1947年，美国的帕森斯（Parsons）公司在生产直升飞机机翼的检查样板时，为 了提高精度和效率，提出了用穿孔卡片来控制机床的方案。这一方案正好迎合了 美国空军为了开发航空航天产品，需要加工复杂零件要求，于是得到了空军的经 费支持，1949年开始与麻省理工大学（MIT）的伺服研究所共同研究。 2. 历时三年的研究，于1952年3月研制成功了第一台能够进行三轴控制的数控铣 床，取名为“Numerical Control”，即NC 机床，这是一台能够进行直线插补的三 坐标立式铣床，其数控系统全部采用电子管，也就是第一代数控系统。 3. 经过三年的试用、改进、提高和对自动编程的研究， 1955年，数控技术进入实用 性阶段，一直到20世纪50年代末，由于晶体管的出现，数控系统提高了可靠性且 价格开始下降，很多民用厂家也开展了数控机床的研制开发和生产，其中多为数 控钻床、数控冲床等的点位控制机床。 4. 1955年，第一台民用工业用数控机床由美国邦迪克斯（ Bendix）公司生产出来 。
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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。
�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0.01µm/脉冲）；
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数控机床的编程及操作
� 体系开放化：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。 � 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。 如图1-1所示。