數控加工技術概述

數控加工技術概述第1頁，共52頁，2023年，2月20日，星期五參考書田錫天.數控加工技術基礎（講義）.西北工業大學出版社，2009范炳炎.數控加工程序編制（第2版）.航空工業出版社，1995蔡蘭.數控加工工藝學.化學工業出版社，2005王愛玲.現代數控編程技術及應用.國防工業出版社，2002先修課程現代制造工藝基礎（含夾具）切削加工及刀具技術機床概論與設計第2頁，共52頁，2023年，2月20日，星期五內容第一章數控加工技術概述第二章數控加工程序編制基礎第三章數控加工工藝過程設計第四章數控銑床的程序編制第五章加工中心的程序編制第六章數控車床的程序編制第七章CAD/CAM軟件及其應用第3頁，共52頁，2023年，2月20日，星期五

第一章數控加工技術概述本章內容：1.1數控加工的基本概念1.2數控機床1.3數控系統1.4數控機床的發展第4頁，共52頁，2023年，2月20日，星期五1.1數控加工的基本概念1.數字控制NumericalControl，NC

－數字控制，簡稱數控。數字控制是用數字信號對控制對象進行自動控制的一種技術。數字控制的優點：可用不同的字長表示不同精度的信息；

可對數字化信息進行邏輯運算、數學運算等復雜的信息處理工作；可用計算機程序來改變信息處理的方式或過程，而不用改變電路或機械機構，從而使機械設備具有很大的柔性。第5頁，共52頁，2023年，2月20日，星期五1.1數控加工的基本概念2.數控機床數字控制的對象是多種多樣的，但數控機床是最早應用數控技術的控制對象，也是應用最廣泛和最典型的數控設備。

因此，國家標準將數字控制定義為：用數字化信號對機床的運動及其加工過程進行控制的一種方法。數控機床是采用了數控技術的機床，或者說是裝備了數控系統的機床。數控系統是數控機床的控制裝置，其作用是處理輸入到系統中具有特定指令代碼的程序，控制機床的運動，實現零件的加工。第6頁，共52頁，2023年，2月20日，星期五3.數控機床的應用數控機床是一種新型的自動化機床，具有廣泛的通用性和較高的經濟加工精度。適應于單件和中小批量生產的自動化加工。在整個機械加工生產中，中小批量和單件生產的零件品種，占80％以上。一般的自動化機床由于準備工作、調整工作量很大（凸輪，靠模、擋塊、電器、液壓等），在大批量生產中使用才是經濟合理的，而對中小批量、單件生產是不合理的。適應于精密復雜零件的自動化加工。在航空、汽車、造船、兵器等工業中，機械產品日趨精密、復雜，而且改型頻繁，一些普通機床加工手段已不能完全適應，對于一些復雜曲線、曲面零件，手工操作不僅勞動強度大、生產周期長，精度不易保證，有時甚至無法加工。1.1數控加工的基本概念第7頁，共52頁，2023年，2月20日，星期五1.1數控加工的基本概念4.數控加工數控加工是指使用數控機床進行零件加工的方法或技術，它采用數字信息對零件加工過程進行定義（即程序），并控制機床自動運行完成零件的加工。第8頁，共52頁，2023年，2月20日，星期五1.1數控加工的基本概念數控加工過程：(1)數控加工程序編制。首先根據零件設計要求制定數控加工工藝過程，選擇刀具及切削參數，然后按數控機床規定的編程格式編寫零件的數控加工程序。(2)數控加工程序輸入。根據數控機床的程序輸入要求，通過輸入裝置將數控加工程序輸入到數控機床的數控系統中。(3)零件加工。數控系統對輸入的數控加工程序進行必要的處理，生成和發出相應的控制指令，控制機床的各種運動和動作，使刀具與工件嚴格地按照程序規定的順序、刀具路徑和參數運動，從而加工出符合要求的零件。第9頁，共52頁，2023年，2月20日，星期五1.1數控加工的基本概念數控加工程序，簡稱為數控程序或零件程序（PartProgram），是用特定格式的一套指令代碼編寫的控制數控機床執行一個確定的加工任務的一系列指令。數控加工程序編制是指為零件的數控加工編寫加工程序的過程。

數控加工技術包括數控加工工藝和數控加工程序編制技術兩大方面。數控機床為數控加工提供了物質基礎，但數控機床是按照事先規定的指令信息——數控加工程序來執行各種運動的。因此，數控加工程序的編制是實現數控加工的重要環節。對于復雜零件的加工，其編程工作顯得尤其重要。第10頁，共52頁，2023年，2月20日，星期五數控機床主要由控制介質、數控系統、伺服系統和機械系統等組成。（圖1-1，圖1-2）一、數控機床的組成1.2數控機床數控系統控制介質伺服系統機械系統測量裝置第11頁，共52頁，2023年，2月20日，星期五圖1-2數控機床的組成1.2數控機床數控程序輸入裝置輸出裝置數控裝置PLC主軸控制主軸電機機床本體位置控制伺服電機測量裝置存儲介質數控系統伺服系統第12頁，共52頁，2023年，2月20日，星期五

1.控制介質/信息載體

2.數控系統

3.伺服系統

4.機械系統一、數控機床的組成1.2數控機床第13頁，共52頁，2023年，2月20日，星期五1.控制介質/信息載體用于記錄零件的數控程序。輸入裝置光電閱讀機磁帶磁帶錄音機磁盤磁盤驅動器網絡傳送穿孔紙帶圖1-31.2數控機床第14頁，共52頁，2023年，2月20日，星期五圖1-3穿孔紙帶第15頁，共52頁，2023年，2月20日，星期五1.控制介質/信息載體

2.數控系統

3.伺服系統

4.機械系統一、數控機床的組成1.2數控機床第16頁，共52頁，2023年，2月20日，星期五2.數控系統/數控裝置/控制機數控系統控制的機床運動和動作主要包括：機床主軸運動，如主軸的啟動、停止、轉向和速度；機床進給運動，如點位、直線、圓弧進給運動，運動方向和進給速度選擇等；刀具選擇、換刀和刀具補償；

其它輔助運動，如工作臺鎖緊和松開、工作臺的旋轉與分度、冷卻液的開和關等各種輔助操作。

數控系統是數控機床的控制系統，是數控機床的核心組成部分。它的功能是輸入數控加工程序，進行計算和處理后，發出相應的指令，傳送給伺服系統，通過伺服系統控制機床的運動和動作。

1.2數控機床第17頁，共52頁，2023年，2月20日，星期五1.控制介質/信息載體

2.數控系統

3.伺服系統

4.機械系統一、數控機床的組成1.2數控機床第18頁，共52頁，2023年，2月20日，星期五3.伺服系統(1)伺服系統的組成伺服系統（或稱驅動系統）是數控系統與機床執行機構的連接環節，是數控機床執行機構的驅動部件。伺服系統的作用是把來自數控系統的脈沖信號，經功率放大和處理后，轉換成機床執行部件的運動，如工作臺的直線運動和主軸的旋轉運動。

根據驅動主軸或進給運動，可以將伺服系統劃分為主軸伺服系統和進給伺服系統。第19頁，共52頁，2023年，2月20日，星期五3.伺服系統(1)伺服系統的組成伺服系統由驅動單元和伺服電動機組成。驅動單元包括位置控制單元和速度控制單元。

數控系統位置控制單元速度控制單元伺服電動機機床測量反饋單元＋—一般情況下，多將位置控制單元與數控系統做在一起，所以通常所說的驅動單元是指速度控制單元。速度控制單元是一個調速系統，由速度調節器、電流調節器、功率驅動放大環節等組成。第20頁，共52頁，2023年，2月20日，星期五3.伺服系統常用的伺服電動機：步進電動機、直流伺服電動機、交流伺服電動機和數字伺服電動機。第21頁，共52頁，2023年，2月20日，星期五3.伺服系統(2)伺服系統的組成—舉例總旋轉角驅動裝置步進電機工作臺脈沖信息脈沖總數滾珠絲杠總位移絲杠回轉時，滾珠相對于螺母在滾動。滾珠絲杠的優點：摩擦小，運動平穩，傳動精度高，預緊后可消除間隙，有可逆性。絲杠和螺母都可作主動件。第22頁，共52頁，2023年，2月20日，星期五(3)伺服系統的作用

因為數控系統發出的信號—脈沖信息是不連續的數字量，而機床工作臺的位移是一種連續的模擬量，中間需要一個轉換環節—伺服系統。作用：接受來自數控系統的指令信息，通過步進電機、直流伺服電機或交流伺服電機及減速齒輪、滾珠絲杠等傳動機構驅動機床的移動部件運動。脈沖信息功率放大模擬量（如轉角等）傳動機構工作臺轉換第23頁，共52頁，2023年，2月20日，星期五(4)脈沖當量

脈沖當量是指當數控系統發送一個脈沖時工作臺或刀具移動的距離。如：0.01mm/脈沖，0.001mm/脈沖。總位移量＝脈沖總數×脈沖當量當數控裝置輸出指令脈沖信號給伺服系統時，伺服系統就使機床上的移動部件作相應的移動，并對定位精度和速度加以控制。伺服系統的性能將直接影響數控機床部件的運動精度和速度，因此是影響數控機床加工精度和加工效率的主要因素之一。

第24頁，共52頁，2023年，2月20日，星期五1.控制介質/信息載體

2.數控系統

3.伺服系統

4.機械系統一、數控機床的組成1.1數控機床概述第25頁，共52頁，2023年，2月20日，星期五4.機械系統與普通機床相比，數控機床在外部造型、整體布局、傳動系統、刀具部件系統的結構、操作機構等方面具有特色。機械系統組成：機床基礎件：包括床身、底座、立柱、橫梁、滑座、工作臺等，它是整臺機床的的基礎和框架。主軸部件：包括主軸伺服電動機和主軸傳動系統。進給系統：包括進給伺服電動機和進給傳動系統。實現工件回轉、定位的裝置和附件。實現某些部件動作和輔助功能的系統和裝置，如液壓、氣動、潤滑、防護等裝置。刀庫和自動換刀裝置。

自動托盤交換裝置。

第26頁，共52頁，2023年，2月20日，星期五4.機械系統數控機床的機械系統的主要特點：大多數數控機床采用高性能的主軸及伺服傳動系統，因此，數控機床的機械傳動機構得到了簡化，傳動鏈較短。為了適應數控機床的連續自動化加工，數控機床具有較高的剛度、精度及耐磨性，熱變形較小。采用高效、高精度、無間隙傳動部件，如滾珠絲杠螺母副、直線滾動導軌、靜壓導軌等。

一些數控機床還采用了刀庫和自動換刀裝置以提高機床工作效率。第27頁，共52頁，2023年，2月20日，星期五零件圖程序編制穿孔制帶數控系統伺服系統機床加工零件成品1.2數控機床二、數控機床的工作過程第28頁，共52頁，2023年，2月20日，星期五1.2數控機床數控機床按其加工工藝方式一般可分為金屬切削數控機床、金屬成型數控機床和特種加工數控機床等。金屬切削數控機床中根據其自動化程度的高低，又可分為數控機床、加工中心和柔性制造單元。數控機床可分為數控車床、數控銑床、數控鉆床、數控磨床、數控齒輪加工機床、數控沖床、數控剪床等，這類數控機床的工藝特點和相應的通用機床相似，但它們具有復雜形狀零件的加工能力。加工中心可分為鏜銑類加工中心和車削加工中心，它們是在相應的數控機床的基礎上加裝刀庫和自動換刀裝置而構成的。柔性制造單元由加工中心、搬運機器人和（或）自動化小車等自動物料儲運系統組成。

三、數控機床的分類第29頁，共52頁，2023年，2月20日，星期五1.2數控機床1、按運動方式區分，有三種控制方式：點位控制直線運動控制輪廓控制四、數控機床的控制方式第30頁，共52頁，2023年，2月20日，星期五點位控制：刀具從某一位置向另一位置移動時，只控制機床移動部件的終點位置，而不管移動軌跡如何，并且在移動過程中不進行切削。數控鉆床、數控沖床等是典型的點位控制機床。

1.2數控機床第31頁，共52頁，2023年，2月20日，星期五直線運動控制：除了控制運動的起點與終點的準確位置外，還要求刀具運動軌跡為一條直線，并能控制刀具按照給定的進給速度進行切削加工。數控車床、數控銑床、加工中心等一般都具有直線運動控制功能。

1.2數控機床第32頁，共52頁，2023年，2月20日，星期五輪廓控制：又稱連續軌跡控制，能夠對刀具與工件的相對移動軌跡和速度進行連續控制，并在移動時進行切削加工，可以加工任意斜率的直線、圓弧和曲線。即能夠控制刀具在每個位置的坐標、切削方向和進給速度。大多數數控銑床、數控車床、數控磨床、加工中心等都具有輪廓控制功能。1.2數控機床第33頁，共52頁，2023年，2月20日，星期五1.按運動方式區分，有三種控制方式：點位控制直線運動控制輪廓控制2.按伺服系統控制方式區分，有三種控制方式：開環控制方式閉環控制方式半閉環控制方式四、數控機床的控制方式1.2數控機床第34頁，共52頁，2023年，2月20日，星期五開環控制是一種不帶位置測量反饋裝置的控制方式。數控系統處理數控加工程序，并向伺服系統發出位移指令信號，驅動機床運動，進行加工。最典型的開環伺服系統就是采用步進電機的伺服系統1.2數控機床第35頁，共52頁，2023年，2月20日，星期五閉環控制是一種在機床移動部件上直接安裝有位置測量反饋裝置的控制方式。位置測量裝置（光柵、感應同步器等）檢測工作臺的實際位置并反饋給數控系統；數控系統將實際位置與數控加工程序中規定的位置相比較，以其差值來控制伺服電機驅動工作臺向減少誤差的方向移動，直到差值等于零為止。這類伺服系統因為把機床工作臺納入位置控制環，故稱為閉環控制。主要用于精度要求高的數控機床。

1.2數控機床第36頁，共52頁，2023年，2月20日，星期五半閉環控制用安裝在伺服電機或絲杠的角位移測量元件（如旋轉變壓器、脈沖編碼器、光柵等）來代替安裝在機床工作臺上的直線測量元件，用測量電動機的旋轉角位移來代替測量工作臺的直線位移

。這種系統未將絲杠螺母副、齒輪傳動副等傳動裝置包含在閉環反饋系統中，因而稱之為半閉環控制方式。其控制精度介于開環控制系統和閉環控制系統之間。1.2數控機床第37頁，共52頁，2023年，2月20日，星期五1.自動化程度高：除了手工裝卸工件及對刀外，全部加工過程都可由機床自動完成。2.進給傳動機構簡單：數控機床的進給傳動機構一般為滾珠絲杠幅，伺服電機與滾珠絲杠直接連接或通過同步帶連接。3.具有加工復雜形狀零件的能力：數控加工能夠完成常規加工方法難以完成或者無法完成的復雜型面加工。4.具有高度的柔性：當加工對象改變后，只需改變數控加工程序、調整刀具參數等，并且很少需要專用夾具。5.加工精度高、質量穩定：無人為操作誤差的影響。6.加工效率高：數控機床的加工效率一般比普通機床高2～3倍，在加工復雜零件時，加工效率可提高十幾倍甚至幾十倍。

五、數控機床的特點1.2數控機床第38頁，共52頁，2023年，2月20日，星期五一、數控系統的組成數控裝置是數控系統的核心，它有兩種類型：NC裝置：完全由硬件邏輯電路構成的專用硬件數控裝置（專用計算機）。CNC裝置：由計算機硬件和軟件組成的計算機數控裝置（通用的微型計算機。

數控系統一般由輸入/輸出裝置、數控裝置、邏輯控制裝置三部分組成。

常見的輸入裝置有紙帶閱讀機、磁盤驅動器、串行通信接口、鍵盤和操作面板等；輸出裝置有顯示器。1.3數控系統第39頁，共52頁，2023年，2月20日，星期五一、數控系統的組成由于NC裝置本身所存在的缺點以及計算機技術的迅猛發展，目前NC裝置已被CNC裝置所取代。采用CNC裝置的數控系統稱為計算機數控系統（CNC系統）。下面主要介紹CNC系統。NC裝置是數控技術發展早期的產品，其控制功能由邏輯電路實現，所以稱為硬件數控。顯然，要想增加或改變某種功能，就必須改動NC裝置內部的邏輯電路，因此NC裝置的專用性很強，靈活性差，功能有限，現已逐漸被淘汰。

1.3數控系統第40頁，共52頁，2023年，2月20日，星期五一、數控系統的組成CNC系統由硬件和軟件共同完成數控任務。由于采用軟件，CNC系統可以實現硬件NC裝置所不能完成的許多功能，如圖形顯示、系統診斷、各種復雜的軌跡控制算法和補償算法、智能控制、通信及連網功能等。1.3數控系統輸入裝置輸出裝置通信接口CNC裝置可編程控制器主軸控制單元主軸電動機機床進給電動機位置檢測器程序CAM系統上位機驅動控制單元第41頁，共52頁，2023年，2月20日，星期五一、數控系統的組成PLC可位于數控單元之外，稱為獨立型PLC；也可以與數控裝置合為一體，稱為內裝型PLC。現代CNC系統采用可編程控制器（PLC）取代傳統的機床電器邏輯控制裝置（即繼電器控制線路），用PLC控制程序實現數控機床的各種邏輯控制。1.3數控系統第42頁，共52頁，2023年，2月20日，星期五一、數控系統的組成CNC系統的數控裝置是一臺通用微型計算機，與NC裝置相比，具有以下優點：輸入信息的存儲、數據處理、插補運算以及各種控制功能都通過軟件來完成，并能增加很多用邏輯電路難以實現的功能。只要改變控制軟件就可改變控制功能，因此靈活性和通用性強。

具有存儲能力，零件程序可以一次性輸入，從而可減少NC裝置由于光電閱讀機啟動頻繁和長期運行而造成的差錯。程序的編輯，修改方便。

計算機和機床之間采用標準接口聯接。

1.3數控系統第43頁，共52頁，2023年，2月20日，星期五二、數控系統的硬件組成數控系統本質上是一臺計算機。在硬件方面，它經歷了電子管、晶體管、小規模集成電路、微處理機到當前基于PC的結構等五代的發展。在體系結構上，它經歷了NC（硬線數控）、CNC到目前的基于PC的NC三個階段。

1.3數控系統第44頁，共52頁，2023年，2月20日，星期五三、數控系統的軟件數控系統軟件主要完成如下基本任務：系統管理；

操作指令處理；零件程序的輸入與編輯；零件程序的處理與執行；系統狀態顯示；MDI（手工數據輸入）；故障報警和診斷。1.3數控系統第45頁，共52頁，2023年，2月20日，星期五三、數控系統的軟件數控系統軟件的功能組成：

1.3數控系統系統軟件管理軟件控制軟件程序編輯顯示診斷譯碼刀具補償速度控制插補運算位置控制程序輸入第46頁，共52頁，2023年，2月20日，星期五三、數控系統的軟件零件程序處理與執行是數控系統的核心任務，其工作過程如下：1.3數控系統零件程序在輸入數控系統后，經過譯碼、數據處理、插補和位置控制計算，輸出控制指令由伺服系統執行，驅動機床完成工件加工。

程序存儲機床反饋零件程序譯碼數據處理插補運算位置控制伺服驅動第47頁，共52頁，2023年，2月20日，星期五四、CNC系統的插補原理軌跡插補：零件程序中的運動軌跡或經過刀具補償處理后的運動軌跡只給出了軌跡類型和起點、終點等信息，還不能用來控制刀具的運動。軌跡插補是按照給定的運動規律和運動速度，實時計算機床各坐標軸的運動量，控制各運動軸協調地按照給