第1章 数控机床简介

数控系统
程
数
伺服驱动 系统 强电控制 系统 检测反馈 系统
机 床 本 体
序
编
控
装 置
组成
制
将电信号放大 并转化 编译、运 算、处理 坐标控制指令 （电信号）
按照加工程序 规定的轨迹和 工艺参数运动
程
序
数
控
伺服驱动 系统
强电控制 系统 检测反馈 系统
机床的位移、速度、力
机 床 本 体
顺序逻辑控制指令
数控系统可靠性进一步提高。
第四代（数控系统采用大规模集成电路及 小型通用计算机实现）

1970年，出现了用小型计算机控制的数控机床 （CNC）。 开创了计算机数控（CNC）时代，并引导了计算机 直接数控（ Direct Numerical Control，DNC）和 柔性制造系统（ Flexible Manufacturing System, FMS ）的发展。
机床的机械与液压 部件的开关量
编
制
装
置
将机床实际位移 反馈到数控装置 与指令位移比较
检测机床实际 位移
第三节
数控机床的分类
3.1 按工艺用途分类
一般数控机床（数控车床、数控铣床、数控钻
床、数控磨床、数控剪板机、数控线切割机床 等） 数控加工中心（镗铣加工中心、车削加工中 心）——带有刀库和自动换刀装置的数控机床
开环控制数控机床； 闭环控制的数控机床； 半闭环控制的数控机床
开环控制数控机床 （Opened Loop Control）
机床工作台
步进电动机
指令脉冲
步进电动机 驱动电路
特点： 构造简单，调试容易，价格低，精度由数控系统和机床 机械机构本身的精度决定。 适用： 负载较小，精度不高的经济型数控机床
i.
若z轴垂直——从刀具主轴向立柱看时，向 右为x轴的正向； ii. 若z轴水平——从主轴后端向工件看时，向 右为x轴的正向； iii. 龙门铣床——从与z轴平行的主轴向左侧立 柱看,向右为x轴的正向。
对于无旋转主轴的机床
x坐标平行于主切削方向，且切削
方向为x轴的正向（如数控刨床）。
+Z
+X +Y
数控机床与编程
前言
机床数控技术是微电子技术、计算机技术、 检测技术、自动控制技术及机械制造技术结合 的典型的机电一体化高新技术。数控技术的发 展为机械制造业带来一次技术革命。 数控技术属先进制造技术，是柔性制造单 元（FMC)，柔性制造系统（FMS），计算机集 成制造系统（CIMS)，智能制造（IM），敏捷 制造（AM），虚拟制造（VM）等先进制造技 术的基础。
坐标系确定原则
1）刀具相对于静止工件运动的原则
2）标准坐标系的规定 标准机床坐标系——右手笛卡儿坐标系 运动方向：增加工件和刀具间距离的方向为正方向
+X
+X’
工件运动正方向 （实际情况）
刀具运动正方向 （假想情况）
通常在命名数控机床坐标系时，总是假 定工件不动，刀具相对于工件运动，则 坐标系用X、Y、Z表示；若刀具不动，工 件相对于刀具运动，则相应的坐标系用X’、 Y’、Z’来表达。两种坐标系中的正运动方 向正好相反。
第五代（微型计算机数控系统）
1974年，研制出了以微处理器为核心的数控 机床（MNC）。 其数控功能主要通过软件来实现，数控系统 档次随着计算机软硬件技术的发展不断升级， 目前应用的数控系统大多数属于这一代产品。

第六代（基于Personal Computer, PC的数控 系统）
采用通用微型计算机系统作为数控系统
的硬件平台，在通用操作系统（如 Windows 98）环境下开发，并在通用 操作系统环境下运行，数控功能全部通 过软件来实现，因此其柔性更大，操作 界面更加宜人，体积更小，成本更低。


我国数控技术起步于1958年——清华大学研 制出了最早的样机； 1966年诞生了用于直线-圆弧插补的晶体管数 控系统； 1970年北京第一机床厂XK5040型数控升降台 铣床小批量生产并推向市场； 1970~1979年间开发出了加工中心，数控钻床， 数控镗床及数控磨床。但由于相关工业基础较 差，尤其是数控系统的支撑工业——电子工业 薄弱，多数机床因系统不过关而未在生产中发 挥应有的作用；
+X
+X`
+Z`
+Y`
刀具旋转
+Y +Z +X
+X +X`
+Y`
+Z`
刀具旋转
+Z
+X +Y
+Z
左侧立柱
+Y
+X`
无旋转主轴
+Z +Y
+X +Z
+X
+Y’
+Z’
+Z +Y
+Z
+X
+Y
+X`
Y坐标的确定
根据已经确定的X、Z坐标及右手笛卡儿坐标系确定
附加坐标
如果在X，Y，Z主要坐标以外还有平行于它们的 坐标，可以指定为U，V，W；或P，Q，R。
本课程内容提要
数控机床概论 数控系统及工作原理 数控机床机械结构 数控加工与编程基础 数控机床程序编制 数控机床的使用与维护

第一节 数控技术的基本概念

数控技术，即数字控制技术 （Numerical control，NC）——采 用数字指令信号对机电设备进行控 制的一种自动控制技术
X
回到控制 方式分类
轮廓控制数控机床（连续控制数控机床）
（Contouring Control） ——同时对两个或两个以上的坐标轴进行连续控制。
Y
零件
X
刀具
既要控制终点的坐标位置，又要控制 起点和终点之间的运动轨迹，能够在 移动的过程中加工。 如数控车床、数控铣床、加工中心等
车 刀
3.3 按伺服系统控制方式分类
刀具为研究对象
回到原则
X
Y Z
Y
X
Z
+Y
+B
+C
+X
+A
+Z
X、Y、Z——平行机床主要导轨 A、B、C——对应X、Y、Z旋转
机床坐标系



机床上固有的坐标系，设有固定的坐标原点，称机床 零点； 该坐标系由机床制造厂家提供，用户不能轻易修改； 是数控机床的基准，机床每次开机后，应首先使运动 部件返回机床零点，对机床坐标系进行校准。
第六节
数控机床的发展
6.1
数控机床的产生
1947年，在研制加工直升飞机叶片轮廓检 查用样板的机床时，为提高精度和效率， 美国人帕森斯（John Parsons）提出了数 控机床的初始设想。 1949年，在美国空军的支持下，以帕森斯 为经理的美国帕森斯公司和麻省理工学院 开始研究。 1952年，试制成功了第一台数控机床。
采用8位CPU；
进给速度4~15m/min； 联动轴数不超过3轴； 伺服系统多采用开环控制方式； 脉冲当量δ=0.001~0.01mm。
3.4 按数控功能水平分类
全功能数15~24m/min； 联动轴数为3~5轴； 伺服系统采用闭环或半闭环控制方式； 脉冲当量δ=0.1~1μm。
3.2 按数控机床运动轨迹控制方式分类


点位控制数控机床 轮廓控制数控机床
点位控制数控机床 （Point to Point Control）

B
B A A
控制机床移动部件从起点精确地移动到终点，
而不控制起点和终点之间的运动轨迹，且在运 动过程中不作任何加工。 Z 如数控钻床、数控镗床、数控冲床等 Y
+Z
+Z
+Z’
Z坐标确定
+Z
+Z’
+Z
工件装夹表面
X坐标的确定
对于工件旋转的的机床
x方向在工件的径向上，垂直于主轴
轴线且平行于横向滑座。刀具远离 工件旋转中心的方向为x轴的正向。
+Z
+X
前 置 刀 架
+Z +X
+X
+Z
后 置 刀 架
+X +Z
对于刀具旋转的机床，有以下几种情况：
Z
X’
Z Y
X
Y Z X’
Y X Z
Z
X’
X
Z
Y
第五节 数控机床的特点及应用范围
数控机床的特点



自动化程度高； 加工精度高，质量稳定； 生产率高； 对零件的适应性强； 有利于现代化的生产管理； 减轻劳动强度，改善劳动条件； 始投资费用高
数控机床的应用范围




精度要求高的零件的加工； 形状复杂的零件的加工； 产品更新频繁，生产周期要求短的零件的加工； 单件、中小批量生产零件的加工； 价格昂贵的零件的加工

早期数控功能是采用硬件数字电路实现的； 现代数控功能采用微型计算机实现，因此也 称为计算机数字控制技术，简称计算机数控 （Computer Numerical Control，CNC ）
数控技术的应用

1. 2. 3. 4.
5.
数控技术广泛应用于机电产品或设备的控制： 数控机床（CNC Machine Tools） 三坐标测量机（Coordinate Measuring Machine， CMM） 工业机器人（Industrial Robots，IR） 绘图机（Drawing Machine） 激光快速成型机（Rapid Prototyping Machine， RPM）