第一讲 数控机床的概述

1.6.2 数控技术的基本概念
机床的数控系统主要包括：计算机数值控制系统和伺服系统
数值控制技术（NC）简称数控技术，是用数字化信 号对机床运动及其加工过程进行自动控制的一种方法； 数控技术综合了计算机、自动控制、电机、电气传动、 测量、监控、机械制造等学科领域最新成果而形成的一 门交叉科学技术。 数控系统对机床的控制包括顺序控制和数字控制两个方面 它的基本组成包括控制器和驱动装置。 顺序控制是指对刀具交换、主轴调速、冷却液开关、 工作台的极限位置等一系列的开关量的控制；数字控制 是指对机床进给运动的控制，用于实现对工作台或刀架 的位移和速度等这一类数字的控制。计算机数值控制系 统（CNC）是数控系统的核心。
PLC在数控机床中的应用： PLC和NC的关系
NC的功能：实现刀具相对于工件各坐标轴几何运动规
律的数字控制（即是实现机床运动轨迹的控制、实现零件 的轮廓控制）。
PLC（PMC）的功能：实现机床辅助设备的控
制(包括冷却系统、照明系统、操作面板、换刀系统等等）
PLC和机床外围电路的关系
进入PLC的必须要转换成弱电信号，用于控制外 围电路的必须要把PLC输出的弱电信号转换成强 电信号。
⑵ 伺服系统
伺服系统是CNC系统和机床本体的联系环节，通常 包括伺服驱动器（单元）和伺服电动机（驱动装置）。 工作原理：它把来自CNC系统的微弱指令信号经过 调节放大后驱动伺服电动机，通过执行部件驱动机床运 动，使工作台精确定位或使刀具与零件按规定的轨迹作 相对运动，最后加工出符合图纸要求的零件。 数控机床的伺服系统主要有完成主轴转速控制的主 轴伺服系统、完成位移和速度控制的进给伺服系统和回 转工作台和刀库控制的伺服系统。 伺服系统分为步进电机伺服系统、直流伺服系统、 交流伺服、直线伺服系统。

1.2 数控机床的时代


1952年，第一台数控机床诞生（麻省理工大学与帕森斯公司

合作） 1959年，第一台数控加工中心诞生（美国克耐· 杜列克公司） 第1代数控机床：1952年～1959年采用电子管元件构成的专用数控 装置（NC）。 第2代数控机床：从1959-1965年开始采用晶体管电路的NC系统。 第3代数控机床：从1965-1970年开始采用小、中规模集成电路的 NC系统。 第4代数控机床：从1970-1974年开始采用大规模集成电路的小型通 用电子计算机控制的系统（CNC）。 第5代数控机床：从1974-现在开始采用微型计算机控制的系统 （MNC）。 1958年开始并试制成功第一台电子管数控机床(中国)。1965年开始 研制晶体管数控系统，直到20世纪60年代末至70年代初成功。从20 世纪80年代开始，先后从日本、美国、德国等国家引进先进的数控 技术。如北京机床研究所从日本FANUC公司引进FANUC3、 FANUC5、FANUC6、FANUC7系列产品的制造技术；上海机床研 究所引进美国GE公司的
附件：驱动装置



步进电机:是一种将电脉冲信号转换成相应的角 位移的执行器。结构简单，工作可靠，运行频率 高。仅用在经济性的开环数控机床。 直流伺服电机：具有良好的启动、制动和调速特 性，可方便地在宽范围内实现平滑无级调速。 （70年代） 交流伺服电机：转子惯量小、动态相应好、质量 小、转速高，具有良好的调速性能。 （80年代 后）
本低；
⑷ 可编程控制器（PLC）
定义：PLC用于数控机床通常称之为可编程序机床
控制器；称之为PMC
功能：代替传统机床的继电器逻辑控制来实现各种开关
控制； 分类： ① 内装性PLC 进行机床顺序控制 ② 独立型PLC 控制机床的参数和功能
量的控制，主要是用于机床的外围、辅助电气的
PLC控制包括主轴的启动与停止、冷却液的 开与关、刀具的更换、工作台的夹紧与松开……
永 磁 交 流 伺 服 电 机 横 截 面
⑶ 反馈测量系统（测量装置）
反馈测量装置主要用于半闭环和闭环系统 工作原理： 检测反馈装置可以将工作台的位移量转换成电信 号，并且反馈给CNC系统。CNC系统可将反馈 值与指令值进行比较------如果两者之间的误差超过某一个预先设定的数 值，就会驱动工作台向消除误差的方向移动。 在移动的同时，检测反馈装置又向CNC系统发 出新的反馈信号，CNC系统再进行信号的比较， 直到误差值小于设定值为止。
伺服系统的组成：
双闭环系统，内环是速度环，外环是位置环
开环伺服系统
开环伺服系统无位置反馈装置，是数控机床中最简单的伺服系统
闭环伺服系统
闭环伺服系统是误差控制随动系统。主要应用于位置反馈测试，测量精度高
半闭环伺服系统
测量精度不是很高，主要应用于速度反馈测量
⑵ 伺服系统
进给伺服系统是由伺服控制电路、功 率放大电路和伺服电动机组成，进给伺服 系统的性能，是决定数控机床加工精度和 生产效率的主要因素之一。 主轴伺服系统保证主轴有恒线速度的切 削功能和角度控制功能。现代数控机床绝 大部分主轴驱动系统采用交流主轴驱动系 统，有可编程控制器控制。
精加工时，切削液的主要作用是减小工件表面粗糙度和提高加工精度。对 一般钢件加工时，切削液应具有良好的渗透性、润滑性和一定的冷却性。 在较低速度 (6.0～30m/min）时，为减小刀具与工件间的摩擦和粘结，抑 制积屑瘤，以减小加工粗糙度，宜选用极压切削油或 10%～12%极压乳化 液或离子型切削液。
⑶ 反馈测量系统（测量装置）
数控机床对检测元件的要求： ①寿命长，可靠性高，抗干扰能力强； ②满足精度和速度要求； ③使用维护方便，适合机床运行环境； ④成本低； ⑤便于与计算机联接。
常用的反馈测量装置主要有旋转变压器、编码器、 感应同步器、光栅、磁栅等
光栅传感器：是一种将机械位移或模拟量转变为数
缺点： ① 液压传动有一定泄漏现象，易造成环境污染、
资源浪费。 ② 对油温和负载的变化比较敏感，不易在高温或 低温工作。 ③ 要求元件制造精度高，且易受油液的污染度影 响。
（6）数控机床的冷却、润滑系统 冷却系统：包含机床电控系统和工件切削两种冷
却
机床的电控系统：在一些较高档的数控机床上一般
采用专门的电控箱冷气机进行电控系统的温湿度调节。
第一讲 数控机床的概述
① 何为数控机床？ ② 数控机床有哪些特点？ ③ 数控机床是如何进行工作？
第一章 数控机床与数控技术
1.1数控机床的产生
①世界机械制造产业格局发生了变化， 主要表现在：生产产品日趋精密复杂，加 工精度要求越来越高，批量较小，加工这 类产品需要经常改装或调整设备， ②世界各大机械加工生产企业迫切需要 进一步提高其生产效率，提高产品质量及 降低生产成本。 因此，高智能化、全自动 化的数控机床应运而生。
（5）数控机床气、液压系统
液、气压系统在数控机床中常用来完成如下 的辅助功能： ① 自动换刀所需动作； ② 数控机床中运动部件的平衡； ③ 数控机床运动部件的制动、离合器的控制、齿 轮拨叉挂挡的实现等； ④ 数控机床防护罩、板、门的自动打开与关闭； ⑤ 工作台的松开与夹紧，交换台的自动交换动作； ⑥ 夹具的自动松开与夹紧； ⑦ 定位面的自动吹屑清理等。
1.3 数控机床结构
立式数控铣 床组成 1—主轴箱； 2—工作台； 3—立柱； 4—床身； 5—机床的电 气控制系统
数控机床举例
1.4 数控机床的特点
数控机床是一种高效、自动化机床，与普通机床相比具有以下特点：
① 适应性、灵活性好 ② 质量稳定、精度高 ③ 生产效率高 ④ 劳动强度低、劳动条件好 ⑤ 有利于现代化生产管理 ⑥具有监控功能和故障诊断能力 ⑦使用、维护技术要求高
切削普通结构钢等塑性材料时，要采用切削液，加工 铸铁等脆性材料时，可以不用切削液。 高速钢刀具粗加工时，应选用以冷却作用为主的切削液， 主要目的是降低切削温度；硬质合金刀具粗加工时，可以 不用切削液 粗加工时，要求降低切削温度，应选用冷却性能为主的切削液 低速切削时，刀具以机械磨损为主，宜选用以润滑性能为主的 切削油
气压传动特点：
优点：① 由于其工作介质为空气，故其来源丰富、方便、
成本低廉。 ② 较好的工作环境适应性。 ③ 空气粘度很小，能量损失较小，节能、高效。 ④ 气压传动反应灵敏、动作迅速、易维护和调节。 ⑤ 气动元件结构简单，制造工艺性较好，制造成本低， 使用寿命长 。
缺点： ① 由于空气具有可压缩性，故在载荷变化时其运
附件：步进电动机
交流伺服系统
交流伺服系统有交流伺服电机驱动
缺点：电刷和换向器易于磨损，需经常维护；换向 时换向器会产生火花， 结构复杂，制造困难。 优点：交流电机的输出功率可比直流电机提高10 ％～70％；交流电机的容量可比直流电机做得大
（1）异步交流伺服电机（IM）
分类
（2）同步交流伺服电机（SM）
工件切削冷却：采用切削液的方式冷却
一般分为分散润滑和集中润滑两种。 润滑系统：
润滑的作用：（1）减小摩擦
（3）降低温度 （5）形成密封
（2）减小磨损 （4）防止锈蚀
水溶液 水溶性切削液 乳化液—水+乳化油 离子型切削液 矿物油+极压添加剂+ 表面活乳化稳定剂+防 锈添加剂+油性剂
极压油—矿物油+极压添加剂+油性添加剂 切削液 非水溶性切削液 切削油 矿物油—轻油、机油等 动植物油—猪油、棉油、菜子油等 复合油—矿物油+极压添加剂 固体润滑剂—二硫化钼
附件：数控系统的组成
计算机数控系统 机床 I/O 电路和装置 操作面板 键盘 输入输出 设备 机 床
PLC
计算机 数 控 装 置
主轴伺服单元
主轴驱动装置
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进给伺服单元 测量装置
进给驱动装置
主进辅 运给助 传控 动 动制 机机机 构构构
⑴ CNC系统
CNC系统就是计算机的数控装置，是数控机床的 中枢，目前绝大多数控机床采用微型计算机控制，CNC 系统由硬件和软件两部分组成。在数控加工过程中，首 先启动CNC系统，先通过输入设备将数控程序录入到数 控系统，并存放在CNC系统的程序存储器内；然后在开 始加工时，CNC从存储器内读出程序进行译码、数据处 理和插补，之后将插补运算后的指令脉冲或者位置增量 信号送给伺服控制单元。 CNC系统的的基本功能：坐标控制（XYZAB）功 能、主轴转速（S代码）功能、准备功能（G代码）、辅 助功能（M代码）、进给（F代码）功能……
动平稳性稍差。 ② 其工作压力不高 。 ③ 具有较大的排气噪声（可达100dB以上）。 ④ 空气无自润滑作用。
液压传动特点：
优点： ① 易于实现无级调速，且可实现大范围调速，一般
可达到100∶1～2000∶1的传动比。 ② 单位功率的传动装置重量轻、体积小、结构紧凑。 ③ 惯性小、反应快、冲击小、工作平稳。 ④ 易控制、易调节、操纵方便，易于与电气控制相 结合。 ⑤ 液压传动具有自润滑、自冷却作用。 ⑥ 液压元器件易于实现“三化”（系列化、标准化、 通用化） 。
字脉冲的测量装置
。
编码器（编码盘）
位置检测装置的应用：
（1）半闭环系统：常应用脉冲编码器作为检测
元件，精度适中，成本适中；
将位置检测元件安放在驱动电机的端部或者传动丝杠的端部（间接）
（2）闭环系统：常应用光栅直接检测，精度高，
成本高
将位置检测元件安放在机床的移动部件上（直接）
（3）开环控制系统：无检测元件，精度低，成
1.5 数控机床的加工范围
① 多品种小批量生产的零件 ② 形状结构比较复杂的零件 ③ 需要频繁改型的零件 ④ 价值昂贵，不允许报费的关键零件 ⑤ 需要最少周期的急需零件 ⑥ 批量较大精度要求高的零件
1.6 数控机床的数控系统
什么是数控机床：简单地说数控机床就是 装备了数控系统的机床。数控系统是数控 机床的关键。 数控系统性能的优劣决定了数控机床加工 效率、成形精度和运行的稳定性。 数控系统可以控制机床实现二轴、三轴或 多轴联动加工 。 加工中心与普通数控机床的区别在于有无 刀库和自动换刀装置。

1.6.1 常见的数控系统
（1）SIEMENS数控系统 SINUMERIK 840D共设置有10个数控通道， 具有同时处理10组加工数据的能力；最多 可控制24个NC轴和6个主轴。标准配备的 以太网接口具有很强的通信功能
（2）FANUC数控系统 FANUC 16/18系列数控系统具有多主轴、 多控制轴控制功能，数控铣床可以构成具 有三轴联动和五轴联动功能的加工中心； 具有与计算机联网组成柔性制造系统的能 力。开发有存储卡在线DNC加工功能。 FANUC数控系统及伺服系统采用3×220V、 50Hz交流电源标准 。