数控机床的基本组成教学内容
数控机床的基本组成及加工原理
第1章绪论1.1 数控机床的基本组成及加工原理1.1.1 数控机床的产生1、产生原因·机械产品日趋精密、复杂，改型也日益频繁，对机床的性能、精度、自动化程度等提出了越来越高的要求。
·在机械制造工业中，单件、小批量生产的零件约占机械加工总量的70％～80％。
为满足多品种、小批量，特别是结构复杂、精度要求高的零件的自动化生产，迫切需要一种灵活的、通用的、能够适于产品频繁变化的“柔性”自动化机床。
2、产生过程·1947年美国帕森斯公司（Parsons）首先提出利用脉冲信号控制机床运动的的概念·1949年美国空军资助，帕森斯公司（Parsons）和麻省理工学院(MIT)合作开始研制。
·1952年研制成功了世界上第一台以数字计算机为基础的数字控制(numerical control，简称NC)3坐标直线插补铣床，从而使机械制造业进入了一个新阶段。
1.1.2 计算机数控的概念与发展1.计算机数控的概念（1）数控的概念GB8129—1997中对NC的定义为：用数值数据的控制装置，在运行过程中不断的引入数值数据，从而对某一生产过程实现自动控制。
（2）数控机床（NC machine tools）若机床的操作命令以数值数据的地式描述，工作还在改照规定的程序自动地进行，则这种机床称为数控机床。
（3）数控系统数控系统是指计算机数字控制装置、可编程序控制器、进给驱动与主轴驱动装置等相关设备的总称。
为区别起见将其中的计算机数字控制装置称为数控装置。
2．计算机数控的发展先后经历了电子管（1952年）晶体管（1959年）、小规模集成电路（1965年）、大规模集成电路及小型计算机（1970年）和微处理机或微型计算机（1974年）等五代数控系统。
前三代属于采用专用控制计算机的硬接线（硬件）数控装置，一般称为NC数控装置。
，第四代数控系统出现了采用小型计算机代替专用硬件控制计算机，这种数控系统称为计算机数控系统（omputerized numrical control，即CNC）。
数控机床的组成及基本工作原理
数控机床的组成及基本工作原理数控机床是一种利用数字编程控制工作的机床。
它由三个基本部分组成：机械系统、传动系统和控制系统。
下面将详细介绍数控机床的组成和基本工作原理。
一、机械系统机械系统是数控机床的基础，它由床身、主轴箱、伺服系统等组成。
1.床身：床身是数控机床的基础，主要承载着机床其他部件。
床身通常由铸铁或钢板焊接而成，具有较高的强度和刚性，以保证机床的稳定性。
2.主轴箱：主轴箱包含了主轴系统和进给系统，主轴通过驱动系统将切削工具与工件连接，实现切削加工。
进给系统控制工件在X、Y、Z三个方向上的运动，使切削工具能沿指定路线精确地切削工件。
3.伺服系统：伺服系统负责控制切削工具和工件的相对运动。
它由伺服电机、伺服控制系统、逆变器和编码器等组成。
伺服电机通过接受数控系统发送的控制信号，精确控制机床的位置和速度，从而实现精确的切削加工。
二、传动系统传动系统负责传递电能和运动，将数控机床的控制信号传递给各个运动部件。
主要由电源、变频器、伺服电机、传感器等组成。
1.电源：电源为数控机床提供所需的电能。
通常使用三相交流电源。
2.变频器：变频器将交流电源转换为直流电源，以满足数控机床的要求。
3.伺服电机：伺服电机是数控机床的关键部件，它负责实现机床的精准运动。
伺服电机通常由电动机、编码器和速度控制器组成。
4.传感器：传感器用于检测机床各个部件的状态，将检测到的信号转换为电信号，反馈给数控系统。
三、控制系统控制系统是数控机床的大脑，它由数控装置、软件系统、输入输出设备等组成。
1.数控装置：数控装置是数控机床的核心，主要负责数控程序的编写和生成。
它接收操作员输入的加工参数和控制命令，经过处理之后发送给伺服系统。
3.输入输出设备：输入输出设备用于与数控装置进行交互。
常用的输入设备有键盘、鼠标和触摸屏；输出设备有显示器、打印机和数控机床本身。
基本工作原理：1.数控编程：操作员使用数控装置进行编程，编写出所需的加工程序。
数控机床的组成与基本工作原理
1．2 数控机床的组成及基本工作原理一、数控机床组成数控机床由：程序、输人/输出装置、CNC单元、伺服系统、位置反馈系统、机床本体组成。
1、程序的存储介质，又称程序载体1)穿孔纸带（过时、淘汰）；2)盒式磁带（过时、淘汰）；3)软盘、磁盘、U盘；4)通信。
2、输人/输出装置1)对于穿孔纸带，配用光电阅读机；（过时、淘汰）；2)对于盒式磁带，配用录放机；（过时、淘汰）；3)对于软磁盘，配用软盘驱动器和驱动卡；4)现代数控机床，还可以通过手动方式(MDI方式)；5)DNC网络通讯、RS232串口通讯。
3、CNC单元CNC单元是数控机床的核心，CNC单元由信息的输入、处理和输出三个部分组成。
CNC单元接受数字化信息，经过数控装置的控制软件和逻辑电路进行译码、插补、逻辑处理后，将各种指令信息输出给伺服系统，伺服系统驱动执行部件作进给运动。
其它的还有主运动部件的变速、换向和启停信号；选择和交换刀具的刀具指令信号，冷却、润滑的启停、工件和机床部件松开、夹紧、分度台转位等辅助指令信号等。
准备功能：G00,G01,G02,G03,辅助功能：M03，M04刀具、进给速度、主轴：T，F，S4、伺服系统由驱动器、驱动电机组成，并与机床上的执行部件和机械传动部件组成数控机床的进给系统。
它的作用是把来自数控装置的脉冲信号转换成机床移动部件的运动。
对于步进电机来说，每一个脉冲信号使电机转过一个角度，进而带动机床移动部件移动一个微小距离。
每个进给运动的执行部件都有相应的伺服驱动系统，整个机床的性能主要取决于伺服系统。
如三轴联动的机床就有三套驱动系统。
脉冲当量：每一个脉冲信号使机床移动部件移动的位移量。
常用的脉冲当量为0.001mm/脉冲。
5、位置反馈系统（检测反馈系统）伺服电动机的转角位移的反馈、数控机床执行机构(工作台)的位移反馈。
包括光栅、旋转编码器、激光测距仪、磁栅等。
（作业：让同学们网上查找反馈元件，下节课用5分钟自述所查容）反馈装置把检测结果转化为电信号反馈给数控装置，通过比较，计算实际位置与指令位置之间的偏差，并发出偏差指令控制执行部件的进给运动。
数控系统基本组成课件
求信号以获取所需要的数据，从而完成某一辅助功能，
该结构称为主从结构，也可归为单机结构。
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多微处理器系统的组成
多微处理器系统的CNC装置中有两个或两个 以上带CPU的功能部件可对系统资源（存储器、 总线）有控制权和使用权。它们又分为多主结 构和分布式结构。多主结构是指带CPU的功能 部件之间采用紧耦合方式联结, 有集中的操作 系统用总线仲裁器解决总线争用通过公共存储 器交换系统信息。
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手摇脉冲发生 器
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⑶通信接口
通常数控系统均具有标准的RS232C串行
通信接口, 因此与外设以及上级计算机连
接很方便。
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⑷进给轴控制接口
实现进给轴的位置控制包括三方面 的内容: 进给速度控制、插补运算和 位置闭环控制。插补方法分为基准脉 冲法与数据采式提供给位置控制单元，这种插 补方法进给速度与控制精度较低，主
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⑶速度控制程序
速度控制程序根据给定的速度值控制插补 运算的频率, 以保预定的进给速度。在速度变 化较大时, 需要进行自动加减速控制, 以避免因 速度突变而造成驱动系统失步。
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⑷管理程序
管理程序负责对数据输入、数据处理、插补运算 等为加工过程服务的各种程序进行调度管理。管理程 序还要对面板命令、时钟信号、故障信号等引起的中 断进行处理。
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3. 多微处理机CNC装置的典型结构
（1）共享总线结构 （2）共享存储器结构
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数控软件的特点及关键技术
1.多任务与并行处理技术
（1）. 数控装置的多任务性
图4-11 数控装置的任务及分类框图
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这些任务中有些可以顺序执行，有些必须同时执行，如: （1） 显示和控制任务必须同时执行，以便操作人员及时了解
数控机床的组成及基本原理
数控机床的组成及基本原理数控机床是指采用数字计算机控制系统控制的机床。
它具有高度自动化、精度高、柔性化加工等特点，广泛应用于航空航天、汽车制造、模具制造、机械加工等领域。
下面将介绍数控机床的组成和基本原理。
一、数控机床的组成数控机床主要由数控系统、工作台和运动系统等组成。
1.数控系统：数控系统是整个数控机床的核心部分，它由硬件和软件两部分组成。
硬件部分包括操作面板、中央处理器、驱动器等，软件部分包括数控编程软件、运动控制软件等。
数控系统接收操作者输入的加工程序，进行解析和处理，然后将指令发送给运动系统，控制机床运动。
2.工作台：工作台是数控机床上进行加工的平台，可以固定和夹持工件。
通常有立式工作台和卧式工作台两种形式，可以根据加工需要进行选择。
3.运动系统：运动系统由伺服驱动器和伺服电机组成，用于控制机床各个轴线（如X轴、Y轴、Z轴）的运动。
伺服驱动器接收数控系统发出的脉冲信号，通过控制伺服电机的转速和方向，使机床实现定位、定位速度和加工进给。
二、数控机床的基本原理1.数学模型：数控机床的运动控制是通过坐标系来实现的，其中最常用的是直角坐标系。
在直角坐标系中，将工件的加工轨迹抽象为函数或曲线，通过数学模型来描述。
根据加工要求，可以将工件的几何图形抽象为线段、圆弧、椭圆等数学模型。
2.几何模型：在数控编程中，几何模型是描述加工要求的重要依据。
几何模型包括点、直线、圆弧等基本图形，它们可以通过坐标方式或向量方式描述。
通过几何模型，机床可以控制各个轴线的运动，实现工件在空间中的加工。
3.程序和指令：数控机床的加工程序由一系列指令组成，这些指令可以通过编程软件进行编写。
在加工程序中，可以定义初始状态、加工轨迹、进给速度、刀具位置等。
数控机床的数控系统解析和处理这些指令，将其转化为机床运动的控制信号。
4.运动控制：数控机床通过数控系统将指令传递给伺服驱动器和伺服电机，控制各个轴线的运动。
伺服驱动器根据接收到的脉冲信号，控制伺服电机的转速和方向，实现机床的定位和进给。
数控车床的基本组成和工作原理
数控车床的基本组成和工作原理数控车床是一种通过计算机程序控制刀具移动和工件旋转等运动的机床，能够精确加工各类轴对称的零部件。
它是现代制造业中重要的加工设备，具有高精度、高效率、灵活性强等优点。
下面将介绍数控车床的基本组成和工作原理。
一、基本组成1.床身：数控车床的床身是整个机床的基础架构，承载整个机床的各个部件和组件。
床身一般由铸铁制成，具有高强度和抗振性能。
2.主轴箱：主轴箱安装在床身上，负责驱动工件的旋转运动。
主轴由电机驱动，在主轴箱内通过轴承支撑和转动。
3.刀架：刀架负责调节和控制刀具的位置和运动。
数控车床一般配备多个刀架，用于安装不同类型和规格的刀具。
刀架配有电动或液压驱动装置，可以实现刀具的快速切换和自动换刀。
4.工作台：工作台是放置和夹持工件的平台。
数控车床的工作台可以实现不同方向的移动和旋转，以便于刀具的切削和工件的加工。
5.伺服系统：伺服系统由数控装置、伺服电机和测量装置等组成，用于控制刀具和工件的运动。
数控装置是数控车床的大脑，根据预先编写的切削程序计算和控制刀具运动轨迹、进给速度和加工参数等。
6.冷却系统：冷却系统用于为数控车床提供冷却液，以冷却工件和刀具，减少摩擦和热量的产生，保护工件和刀具不受损坏。
二、工作原理1.切削程序编写：在进行切削之前，需要先编写切削程序。
切削程序是指通过计算机软件编写的程序，包含了刀具运动轨迹、进给速度、切削深度等加工参数的信息。
2.加工设备准备：在进行数控加工之前，需要进行刀具的安装和工件夹持。
安装刀具时，需要选择合适的刀具规格和类型，并进行刀具刀柄的装夹。
工件夹持时，需要使用合适的夹具将工件固定在工作台上。
3.参数设置：设置数控装置的各项参数，包括切削深度、进给速度、切削速度、加工路径等。
这些参数的设置根据切削程序和工件的要求进行调整。
4.启动加工：当设置完成后，启动数控装置，数控装置根据切削程序的要求，计算刀具的运动轨迹和运动速度，控制伺服系统的动作。
任务认识数控机床教案
任务认识数控机床教案
一、数控机床简介
数控机床是指通过数据输入控制机床进行加工的一种机床。
它是一种具有高效率、节省材料、提高产品质量的机床，已经成为现代机械加工的主导。
数控机床包括数控机床主机以及其附件，主机由主轴、工作桌、基座三部分组成，附有配件有夹头、直流电机、传动装置、油缸及液压站等，控制单元主要有电脑控制系统、伺服控制系统、PLC控制系统等，使数控机床可以根据控制系统的程序自动完成加工。
二、数控机床加工原理
数控机床是将车加工程序、运动控制程序以及加工参数等计算机控制程序进行控制的机床，数控机床的加工过程可以分为四个步骤：
1、机床加工程序编写。
首先分析加工零件、确定工件坐标系、指定刀具等，然后编写加工程序，根据加工要求编写CRT程序或G码程序。
2、数据输入。
加工程序编写完毕后，将程序以及相关数据输入至控制系统，如：刀具尺寸、加工深度、切削参数等。
3、系统控制。
控制系统根据输入程序或数据，控制机床主轴的驱动电机，实现机床自动运动，完成加工要求。
4、质量管理和安全保护。
数控机床教学大纲
《数控机床》教学大纲一、说明1．课程性质和内容本课程是一门传授数控数控机械系统相关理论和技能知识的专业课。
主要内容包括：零件与部件、机构与夹具、液压、气压传动控制、数控机床机械结构相关知识，数控机床主传动及进给传动系统、数控机床自动换刀装置及其他装置的结构介绍以及数控机床的安装调试及验收等方面的知识。
2．课程任务和要求本课程的任务是对学生进行数控机床机械结构及其维护与维修知识的介绍，使学生掌握数控机床机械部件结构，了解相关部件工作原理，熟练掌握各机械部件的知识点。
通过本课程的学习达到以一下几个方面要求：(1)掌握各零件与部件的种类、布局、机械结构特点与组成，了解机构与夹具。
(2)掌握数控机床主传动与进给传动的结构、特点与组成。
(3)掌握数控机床自动换刀装置的种类与结构、特点与组成。
(4)熟练掌握数控机床的安装，调试及验收。
3．教学中应注意的问题(1)在教学中注意理论联系实际，采用启发式教学，加强基础知识的教学和基本技能的训练。
注重培养学生分析问题、解决问题的能力，全面提高学生的素质。
(2)本课程是一门理论和实践结合紧密的专业课，因而适宜采用一体化教学模式。
在教学中要充分采用实物示教、演示实验等直观的教学方法，重视现场教学，以提高教学效果。
(3)合理调节教和学中的比例，做到精讲多练，重在应用。
教学中，注意将“讲练结合原则”贯穿于课堂教学的始终，结合学生实际情况，用好思考练习题。
引导学生灵活运用所学知识，认真、独立地完成一定数量的练习题，有助于学生掌握基础知识，提高分析问题、解决问题的能力。
(4)教学中应针对行业动态，时刻注意数控机床及其系统的变化与发展，生产实际现状，使教学不落后于数控技术的发展。
着重培养学生独立分析问题的能力。
二、学时分配表学时分配表(五年制)三、教学要求、内容及建议第一章零件与部件教学要求1.了解轴的种类，应用特点、结构材料；熟悉轴上零件的固定方法；掌握轴径的确定。
2．熟悉带传动的工作原理、传动类型、特点和应用场合。
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4．插补计算
▪ 插补计算是CNC系统中最重要的计算工作
之一。采用数据采样的插补方法，将插补 功能分割成软件插补和硬件插补两部分， 控制软件把刀具轨迹分割成若干段，而硬 件电路再在段的起点和终点之间进行数据 的“密化”，使刀具轨迹控制在允许的误 差之内。即软件实现粗插补，硬件实现细 插补
5．伺服(位置)控制
预置。若某一轴由止向变成负向运动，则 在反向前输出Q个正向脉冲；反之，若由负 向变成正向运动，则在反向前输出Q个负向 脉冲。
▪ (3)进行丝杠螺距误差补偿。 ▪ (4)M，S，T辅助功能的输出
4．驱动装置和检测装置
▪ 驱动装置接受来自数控装置的指令信息，经功率
放大后，严格按照指令信息的要求驱动机床的移 动部件，以加工出符合图样要求的零什。因此， 它的伺服梢度和动态响应性能是机床加工精度、 表面质量和生产率的重要因素之一。驱动装置包 括控制器(含功率放大器)和执行机构两大部分。 目前大都采用自流或交流伺服电动机作为执行机 构。
键盘经相应的缓冲器输入到零件程序存储器，二是将零件 程序从程序存储器取出送入缓冲器。输入程序中均有阅读 机中断处理程序、键盘中断处理程序和输入管理程序。阅 读机中断处理程序将光电阅读机读入的零件加工程序，通 过中导孔产生中断的方式逐行读人缓冲器，经过有效性判 别、纸带垂直奇偶校验和水平奇偶检验、代码转换，在输 入管理程序的配合下将内部代码存入零件程序存储区。如 用键盘输入零件程序(MDI方式)，则每次按键表示向CPU 申请一次中断，调出键盘服务程序，对相应的键盘命令进 行处理。一次中断只读一个字符，而输入管理程序则负责 缓冲器的管理、读入字符的存放等。
数控机床的工作原理
▪ 2．译码 ▪ 译码就是从数控加工程序缓冲器或MDI缓
冲器中逐个读人字符，先识别出其中的文 字码和数字码，然后根据文字码所代表的 功能，将后续数字码送到相应译码结果缓 冲器单元中。译码程序的功能主要包括代 码识别和功能代码的解释两部分。
(1)代码的识别 (2)功能代码的译码
3．数据处理程序
精度、材料及其他技术要求等，确定零件加工的 工艺过程、工艺参数(包括加工顺序、切削用量和 位移数据等)，然后根据编程手册规定的代码和程 序格式编写零件加工程序单。
3．数控装置
▪ 数控装置是数控机床的中枢。数控装置从
内部存储器中取出或接受输入装置送来的 一段或几段数控加工程序，经过数控装置 它的逻辑电路或系统软件进行编译、运算 和逻辑处理后，输出各种控制信息和指令， 控制机床各部分的工作，使其进行规定的 有序运动和动作。
▪ 检测装置将数控机床各坐标轴的实际位移检测出
来，经反馈系统输入到机床的数控装置中。数控 装置将反馈回来的实际位移量值与设定值进行比 较，控制驱动装置按指令设定值运动。
5．辅助控制装置
▪ 辅助控制装置的主要作用是接收数控装置
输出的开关量指令信号，经过编译，逻辑 辨别和运算，再经功率放大后驱动相应的 电器，带动机床的机械、液压、气动等辅 助装置完成指令规定动作。这些控制包括 主轴运动部件的变速、换向和启停指令， 刀具的选择和交换润滑装置的启停，工件 和机床部件的松开、夹紧，分度工作台转 位分度等开关辅助动作。
6．机床本体
▪ 数控机床的机床本体与传统机床相似，由
主轴传动装置，进给传动装置、床身、工 助运动装置、液压气动系统、润滑系统、 冷却装置等组成。但数控机床在整体布局、 动系统、刀具系统的结构以及操作机构等 方面都已发生了很大的变化。
数控机床的工作原理
▪ 1．程序输入 ▪ 输入程序的功能有两种：一是把零件程序从阅读机合成速度算出各轴的分速度)以 及辅助功能的处理等。
▪ 刀具半径补偿是把零件的轮廓轨迹转换成刀具
中心轨迹；速度计算确定加工数据段的运动速度， 开环系统根据给定进给速度F计算出频率f，而闭 环、半闭环系统则根据F算出位移量；辅助功能处 理是指换刀，主轴启动、停止，冷却液开、停等 辅助功能的处理。数据处理是为了减轻插补工作 及速度控制程序的负担，提高系统的实时处理能 力，故也称为预计算。
▪ 伺服位置控制软件的主要功能是对插补值
进行处理(取全值或取其半值)，计算出位臂 的命令值，同时读一次实际的反馈值，然 后计算出命令值与反馈值间的差值(称为位 置跟随误差)，再乘上增益系数，并加上补 偿量从而得到速度命令值。
6．输出程序
▪ (1)进行伺服控制。 ▪ (2)反向间隙补偿处理 反向间隙值由程序
组成
1． 数控机床的产生 随着科学技术的不断发展，机械产品 日趋精密、复杂，改型也日益频繁，对 机床的性能、精度、自动化程度等提出 了越来越高的要求。机械加工工艺过程 自动化是实现上述要求的重要技术措施 之一，不仅能够提高产品质量和生产线， 降低生产成本，还能改善工人的劳动条 件。为此，许多企业采用自动机床、组 合机床和专用机床组成自动或半自动生
产线
▪ 在机械制造工业中，单件、小批量生产的零件约
占机械加工总量的70％-80％。科学技术的进步和 机械产品市场竞争的日趋激烈，致使机械产品不 断改型、更新换代，批量相对减少，质量要求越 来越高。采用专用的自动机床加工这类零件就显 得很不合理，而且调整或改装用的“刚性”自动 生产线投资大、周期长，有时从技术上甚至是不 可能实现的。
▪ 为了解决上述问题，满足多品种、小批量，特
别是结构复杂、精度要求高的零件的自动化生产， 迫切需要一种灵活的、通用的、能够适于产品频 繁变化的“柔性”自动化机床。随计算机科学技 术的发展，1952年，美国帕森斯公司(Parsons) 和麻省理工学院(MIT)合作，研制成功了世界L第 一台以数字计算机为基础的数字控制(numerical control，简称NC)3坐标直线插补铣床，从而使 机械制造业进入了一个新阶段。
的全部操作信息和刀具相对工件的位移信息等。 加工程序可存储在控制介质(也称信息载体)上，常
用的控制介质有穿孔带、磁带和磁盘等。信息是
以代码的形式按规定的格式存储的。代码分别表
示十进制的数字、字母或符号。目前国际上通常 使用EIA代码和ISO代码。 •数控机床加工程序的编制简称数控编程。数控编 程就是根据被加工零件图纸要求的形状、尺寸、
▪
(3)数控系统： 数控系统是指计算机数字控制装置、
可编程序控制器、进给驱动装置等相关设备的总称。有时
则仅指其中的计算机数字控制装置。为区别起见将其中的
计算机数字控制装置称为数控装置。
1．控制介质
▪ 数控机床工作时，不是像传统的机床那样由工人
去操作数控机床。要对数控机床进行控制，必须
编制加工程序。加工程序上存储着加工零件所需
2． 计算机数控的概念与发展
▪ 1．计算机数控的概念
▪ (1)数字控制(数控)的概念
▪ NC的定义为：用数值数据的控制装置，在运行过程中
不断地引人数值数据，从而对某一生产过程实现自动控制。
▪ (2)数控机床：若机床的操作命令以数值数据形式描述，
工作过程按照规定的程序自动地进行，则这种机床称为数 控机床。