数控关键技术概述(图)
数控机床进给传动系统课件
高速、高精度、高可靠性发展趋势
高速化
随着制造业的飞速发展，对加工效率的要求也越来越高。为了满足这一需求，数控机床进 给传动系统正朝着高速化的方向发展。通过优化结构设计、提高驱动元件性能、降低传动 链的摩擦和惯量等方法，可以实现更高的进给速度，从而提高加工效率。
各种传动装置的特点和适用场景。
传动精度保障
阐述如何通过制造工艺和装配技 术，确保传动装置的高精度和稳 定性，以满足机床的加工精度要
求。
高效传动设计
分析如何提高传动装置的运动效 率，降低能耗，提高机床的整体
性能。
数控技术及其在进给传动系统中的应用
数控技术概述
01
简要介绍数控技术的发展历程、基本原理和核心技术。
控制系统升级
引入高精度磨削控制算法，优 化磨削过程中的进给速度和切 削深度。
传动改造
更换磨损严重的滚珠丝杠副、 导轨等传动元件，选用高精度 轴承和联轴器。
效果验证
采用标准试件进行磨削试验， 利用表面粗糙度仪、三坐标测 量机等设备对磨削效果进行评估。
案例三
维护内容
定期对传动元件进行检查、清洁、润滑和紧固，更换磨损 严重的零部件。
轨滑块上移动。
3. 通过控制系统调节伺服电 机的旋转速度，实现工作台的
匀速、变速等运动模式。
数控机床进给传动系统的分类和特点
分类 开环进给传动系统：结构简单，成本低，但精度较低。
闭环进给传动系统：精度高，稳定性好，但成本较高。
数控机床进给传动系统的分类和特点
特点 高精度：数控机床进给传动系统具有较高的定位精度和重复定位精度。 高刚度：系统具备较高的刚度，能够承受切削力，保证加工精度。
数控编程与操作-概述
1.1 数控加工技术概况
数控加工的应用范围（续）
较适应类
在通用机床上加工时极易受人为因素（如：情绪波动、体力强弱、 技术水平高低等）干扰，零件价值又高，一旦质量失控便造成重大 经济损失的零件； 在通用机床上加工时必须制造复杂专用工装的零件 需要多次更改设计后才能定型的零件； 在通用机床上加工需要作长时间调整的零件； 用通用机床加工时，生产率很低或体力劳动强度很大的零件。
100 1000
进给保持
X
空运行 急停 任选程序段
机床锁定
Z 轴锁定
MST 锁定
坐标轴选择
增量倍率
+JOG
快进
-JOG
主轴正转 主轴停 主轴反转
10 20
0
90
数控加 工程序
手摇脉冲发生器
数控加工
1.1 数控加工技术概况
数控加工的特点
具有复杂形状加工能力
数控加工运动的任意可控性使其能够完成复杂形状零件的加工。
数控编程的主要过程
包括：分析零件图样、工艺处理、数学处理、编写程序单、输入 数控系统及程序检验。
1.2 数控编程技术概况
数控编程的主要过程(续)
分析零件图样和工艺处理：
对零件图样进行分析以明确加工的内容及要求、确定加工方案、
选择合适的数控机床、设计夹具、选择刀具、确定合理的走刀路 线及选择合理的切削用量。
PowerMill
Starrag-Heckert
1.2 数控编程技术概况
国内的多轴联动数控加工工艺和编程市场被国外产品价 格垄断和技术封锁
=
法拉利Ts85叶片专用工艺编程软 法拉利叶片专用数控机 床 件 约200万人民币 约200万人民币 意大利 “C.B.Ferrari”(法拉利)公司 叶片专用数控机床+工艺编 程软件 约400万人民币
有关数控系统的一些基本概念
2023-11-06CATALOGUE目录•数控系统概述•数控系统的组成•数控系统的基本原理•数控系统的分类•数控系统的发展趋势和挑战•数控系统的应用实例01数控系统概述数控系统是一种采用数字控制方法的计算机控制系统。
它通过接收输入的程序信息，对信息进行计算、比较、处理等操作，控制各种机械运动，实现自动化加工。
数控系统主要由输入、输出装置、计算机数控装置（CNC装置）、伺服驱动装置、检测装置等组成。
数控系统的定义数控系统的特点数控系统具有高精度的控制能力，能够实现精确的加工和测量。
高精度高效性灵活性可靠性数控系统能够实现自动化加工，提高生产效率，降低人工成本。
数控系统具有多种控制模式和编程语言，可以根据不同的加工需求进行定制和调整。
数控系统具有稳定的性能和可靠性，能够保证长时间连续工作的稳定性和安全性。
数控系统的应用范围数控系统广泛应用于机床、刀具、夹具等制造设备的控制，能够实现高效、高精度的加工和测量。
机械制造业数控系统用于半导体制造、电子组装等领域的控制和监测，能够实现精密的加工和检测。
电子制造业数控系统用于飞机、火箭等航空器的制造和维修，能够实现高精度、高效率的加工和检测。
航空航天业数控系统还广泛应用于汽车制造、医疗器械、食品加工等领域，能够实现自动化、智能化的生产和加工。
其他领域02数控系统的组成数控装置是数控系统的核心，也称为CNC装置或NC装置。
它由计算机、输入/输出设备、可编程控制器等组成，负责处理各种加工数据，如零件的几何尺寸、工艺参数、加工轨迹等，并将其转化为控制机床运动的指令。
数控装置一般采用高性能的微处理器和计算机硬件，具备强大的计算和控制能力，能够实现高精度、高效率的加工控制。
数控装置伺服系统是数控系统的重要组成部分，负责将数控装置的电信号转换为机床的运动。
它由伺服驱动器、伺服电机和反馈装置组成。
伺服驱动器根据数控装置发出的指令，驱动伺服电机转动，实现机床的移动和转动。
反馈装置将机床的实际运动状态反馈给数控装置，形成闭环控制系统。
数控基本资料
4. 试运转前的准备
机床几何精度检验合格后，需要对整机进行清理。用浸有清洗剂的棉布或绸布，不得用棉纱或纱布。清洗掉机床出厂时为保护导轨面和加工面而涂的防锈油或防锈漆。清洗机床外表面上的灰尘。在各滑动面及工作面涂以机床规定使滑油。 仔细检查机床各部位是否按要求加了油，冷却箱中是否加足冷却液。机床液压站、自动间润滑装置的油是否到油位批示器规定的部位。 检查电气控制箱中各开关及元器件是否正常，各插装集成电路板是否到位。 通电启动集中润滑装轩，使各润滑部位及润滑油路中充满润滑油。做好机床各部件动作前的一切准备。
编辑本段数控车床调试与验收
数控车床的验收应按国家颁布实行的《数控卧式车床制造与验收技术要求》进行，在验收过程中，如发生争执，应以国家有关标准为依据，通过协商解决。
一. 开箱验收
按随机装箱单和合同中特定附件清单对箱内物品逐一核对检查。并做检查记录。有如下内容： 包装箱是否完好，机床外观有无明显损坏，是锈蚀、脱漆； 有无技术资料，是否齐全； 附件品种、规格、数量； 备件品种、规格、数量； 工具品种、规格、数量； 刀具〈刀片〉品种、规格、数量； 安装附件； 电气元器件品种、规格、数量；
数控基本资料
数控（英文名字：Numerical Control 简称:NC）技术是指用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制的技术。数控一般是采用通用或专用计算机实现数字程序控制，因此数控也称为计算机数控(Computerized Numerical Control )，简称CNC，国外一般都称为CNC，很少再用NC这个概念了。 数控机床
数控技术的概念
数控技术的概念及关键概念1. 概念定义数控技术（Numerical Control，简称NC）是一种基于数字化技术和计算机控制的自动化加工技术，通过预先编程的方式，将加工工艺参数转换为机床运动轨迹和操作指令，实现对工件进行精确、高效的加工。
2. 关键概念2.1 数控系统数控系统是数控技术的核心。
它由硬件和软件两部分组成。
硬件包括数控设备、伺服驱动系统、传感器等；软件包括编程系统、操作界面、运动控制算法等。
数控系统负责接收用户输入的加工要求和参数，并将其转化为机床运动轨迹和指令发送给执行部件。
2.2 数控编程数控编程是将加工要求和参数转化为机床能够识别和执行的指令序列的过程。
传统的数控编程使用G代码（国际通用标准）或M代码（机床厂商定义）进行描述。
随着计算机技术的发展，现代数控编程已经实现了CAD/CAM集成，可以通过图形界面进行可视化编程。
2.3 数控加工数控加工是指利用数控技术对工件进行切削、成形等加工操作的过程。
相比传统的手工操作或传统机械加工，数控加工具有高精度、高效率、重复性好等优点。
常见的数控加工包括铣削、钻孔、车削、镗削等。
2.4 数控机床数控机床是实现数控加工的关键设备。
它由运动系统和执行系统组成。
运动系统包括主轴、进给轴等，负责实现机床的运动；执行系统包括伺服驱动器、电机等，负责将指令转化为实际的运动。
2.5 自动化与智能化数控技术作为一种自动化加工技术，可以大大减少人力投入，提高生产效率和产品质量。
随着人工智能技术的发展，数控技术也逐渐向智能化方向发展，如自适应切削、自学习优化算法等。
3. 重要性及应用3.1 提高生产效率相比传统机械加工，数控技术具有高效率的优点。
数控机床可以实现多轴协同运动、高速切削等功能，大大提高了加工效率，缩短了加工周期。
3.2 提高产品质量数控技术能够实现高精度的加工，保证产品的尺寸精度和表面质量。
通过数控编程和仿真，可以在加工前模拟和优化加工过程，减少误差，并提前发现潜在问题。
智能集成计算机数控关键技术
116自动化控制Automatic Control电子技术与软件工程Electronic Technology & Software Engineering在当前阶段的数控机床中，将智能集成数控关键技术全面应用进来，不但可以使零部件生产的效率和质量全面提升上来，还可以使零部件生产工艺的水平进一步提高上来。
随着社会经济的不断发展，计算机技术的进一步发展，就以往的数控机床技术而言，其已经无法满足时代的发展要求，而在现阶段以及未来阶段，最为主流的发展趋势就是智能集成计算机数控关键技术，将其广泛的应用于数控机床的零件加工和生产中来，使我国的数控事业得到更大程度的发展。
1 智能集成计算机数控关键技术中的智能要素在现阶段的新型数控系统之中，智能集成计算机数控关键技术已经将以往的数控技术中存在的一些不足之处全部突破，将很多智能化的要素添加了进来，使数控机床的生产效率提高上来的同时，还使数控机床的生产工艺进一步提升了上来。
1.1 任务规划的智能化所谓任务智能化，其就是指，数控机床在实际工作的过程中，会将其自身接受到的任务，进一步进行转化，其转化的过程中，就是以实际环境的变化作为主要的依据，进而对相应的目标任务进行不断地调整。
基于此，数控机床在对零部件进行加工的过程中，可以以自身的相关性能作为主要的依据，进而进行随时随地的改变，进而使零部件的生产工艺得以全面有效提升的目的，使不合格率进一步降低，使其实际的生产性能进一步提高上来。
1.2 自适应的人机界面数控机床在实际应用并生产的过程中，将智能集成化的数控关键技术应用进来，不但可以使其自身的自主性和自动性进一步提升上来，还能使其实际的生产和管理模式得到进一步优化，进而达到机床运作效率全面提高的目的，使机床运作水平全面提高上来的同时，还能进一步使其自身的运作能力全面提升上来。
特别使在当前阶段，基于智能化的主导因素，将数控关键技术应用进来，不但可以使机床作业的人机互动性进一步提升上来，还能对不同的工作人员进行自动智能化的识别，以不同工作人员的不同使用习惯和方法作为主要的依据，进而使自身的自我适应得以达成，最终使数控机床的整体运作水平和实力全面提升上来。
数控机床设计实例
实现复杂曲面的加工，提高加工效率和表面质量。
智能控制技术
利用人工智能、机器学习等技术，实现自适应加工和智能故障诊断。
智能制造与数字化转型的机遇与挑战
数字化工厂
通过物联网、大数据等技 术，实现生产过程的实时 监控和优化。
定制化生产
满足个性化需求，提高生 产效率和灵活性。
工业互联网
实现设备间的互联互通， 提升生产协同效率。
数控机床适用于大规模生产、加工复杂零件等领域，是现代制造业的核心设备之一。
数控机床的分类与用途
01
02
03
按加工工艺分类
数控车床、数控铣床、数 控磨床等。
按控制轴数分类
三轴、四轴、五轴等数控 机床。
按运动方式分类
点位控制、直线控制、轮 廓控制等数控机床。
数控机床的发展历程与趋势
数控机床的发展经历了多个阶段，从 早期的NC机床到现代的CNC机床， 再到智能数控机床。
数控车床设计实例二
该数控车床主要应用于汽车零部件的加工，具有高刚度、高 稳定性的特点。其设计注重了热对称性，避免了热变形对加 工精度的影响。同时，该数控车床采用了大功率主轴和大容 量冷却系统，满足了高效加工的需求。
数控铣床设计实例
数控铣床设计实例一
该数控铣床主要用于加工模具和复杂零件，具有高精度、高效率的特点。其设计采用了五轴联动技术，实现了复 杂零件的加工。同时，该数控铣床采用了模块化设计，方便了生产和维修。
数控机床设计实例
contents
目录
• 数控机床概述 • 数控机床设计实例介绍 • 数控机床设计流程 • 数控机床关键技术解析 • 数控机床应用案例分析 • 数控机床的未来发展与挑战
01
智能化数控机床关键技术
智能机床的特征
智能机床至少应具备以下特征： （1）知晓自身的加工能力/条件，并且能与操 作人员交流，共享这些信息。 （2）能够自动监测和优化自身的运行状况。 （3）可以评定产品/输出的质量。 （4）具备自学习与提高的能力。 （5）符合通用的标准，机器之间能够无障碍 地进行交流。 与普通数控机床或加工中心的主要区别在于， 智能机床除了具有数控加工功能外，还具有感知、 推理、测系统中的传感器主 要用于拾取切削过程中发出的各种信号，如切削 力、振动、功率、声发射及电流信号等。③是数据 采集与处理，把传感器获取的信号进行采集、A/D 转换、放大、滤波及消除噪声等预处理，然后在时 域、频域、幅域等用不同方法进行分析。④是诊断 决策，利用人工智能技术建立信号特征和刀具磨损 之间的数学模型，实现对刀具状态的分类或刀具磨 损量的精确计算。
T 专题技术
opical Technology
智能化数控机床的关键技术研究
沈阳机床（集团）有限责任公司设计研究院 （辽宁 110142） 张明洋 化春雷 徐兆成
智能化数控机床就是对制造过程能够做出决定 的数控机床，其可以计算出所使用的切削刀具、主 轴、轴承和导轨的剩余寿命，让使用者清楚其剩余 使用时间和替换时间。此外，智能化数控机床可以 了解制造的整个过程，能够监控、诊断和修正在生 产过程中出现的各类偏差，并且能为生产的最优化 提供方案。 中，各种热源的影响常会产生复杂的变形，破坏了 机床各系统间的相对位置精度，造成了加工误差。 据统计，在某些精密加工中，由于热变形引起的加 工误差约占总加工误差的40%～70%。热变形不仅 降低了系统的加工精度，而且还影响了加工效率 的提高。因此，高精度机床要求在规定的恒温条件 下使用，普通环境下使用的数控机床为保证较高定 位精度和加工精度，须使用温度补偿功能来消除附 加误差，温度补偿控制器需具备热测量、热变形建 模、补偿与反馈功能。各种热变形主要包括：机床 热变形、工件热变形以及刀具热变形。 （2）热变形误差补偿的实现方法 在机床靠 近丝杠处安装Pt100 型热电阻传感器，型号为WZP －035，测量范围0～300℃，完全符合机床使用温 度在 5～45℃ 区间的要求，以此进行机床温度的 测量，在PLC上外扩一个双通道的12位A/D转换模 块，将热传感器输入的模拟热信号转换成数字信号 后送至NC－PLC接口。PLC定时采样此温度值，计 算出温度补偿系数，然后送到系统的NCK中刷新温 度补偿参数实现温度误差的实时补偿功能。具体的 硬件连接图如图1所示。
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1. 高速化技术
要实现数控设备高速化，首先要求数控系统能对由微小程序段构成的加工程序进行高速处理，以计算出伺服电机的移动量，同时要求伺服电机能高速
度地作出反应。
采用32位微处理器，是提高数控系统高速处理能力的有效手段。
在数控设备高速化中，提高主轴转速占有重要地位。
主轴高速化的手段是直接把电机与主轴连接成一体，从而可将主轴转速大大提高。
采用直线电机技术来替代目前机床传动中常用的滚珠丝杠技术，在提高轮廓加工速率的同时，提高了加速度。
除不断采用新型功能部件外，还需在以下几个方面进行深入研究：
1) 高速加工动力学建模及控制
高速运动下的对象已经不能用纯静态的方法处理，数控问题也不再能归结为几何问题或静力学问题。
作为一个动态对象，它并不是“亦步亦趋”地跟
随所施加的控制，而力图表现出它的“个性”；另一方面，所施加的控制必须
充分顾及被控制对象的动态特性，才能得到预期的控制效果。
因此，已经不能
像传统的数控系统那样，可以将控制系统与被控制对象分开来研究和制造，而
必须作为一个整体来处理，研究其在高速状态下的动力学问题，以及超高速运
动控制条件下光、电信号的时滞影响及其消除的问题。
在高速情况下，必须研
究集数控系统与控制对象为一体的整体动力学建模、基于整体动力学模型的非
线性控制策略、智能化控制方法等。
2) 机电特性参数的辨识、分析与控制优化
高速控制的核心在于实现高加速度，为此需要使伺服机构处于最佳工作状态，从而获得系统最大运动加速度。
因此，基于系统整体建模的加速度控制
曲线选择、伺服机电参数的辨识优化、多轴增益的协调控制等是当前研究的热点。
3) 高速、高精插补运算和控制算法
高速、高精插补是将复杂轨迹按控制规律分解成伺服控制指令。
轮廓加工时，加工程序由巨量微小线段构成，高速加工除需保证微段程序连续执行外，还需根据轨迹变化及时预测各轴状态，实现高加速度运行要求。
这就要求对微
段程序的高速、高精插补、高速预处理，微段程序的加减速控制，超前G代码
预测(Look ahead)，复杂轨迹的直接插补以及高速数据传输等进行深入的研究。
4) 面向高速高精加工的数控编程原理及方法
传统的数控编程解决了中低速加工中的刀位轨迹生成问题，但是高速加工却对数控编程从原理与方法上提出了更高的要求。
为此,必须在研究高速加工工艺机理的基础上，研究适用于高速高精加工的数控编程原理及方法。
在这方面，高速加工工艺机理、高速加工工艺参数知识库、基于高速加工非线性运动
误差补偿的刀位轨迹规划、加工程序平滑过渡、高速加工中进给速度优化、基
于STEP标准、面向加工特征的高级NC代码语言等都是需要研究的内容。
2. 高精度化技术
提高数控机床的加工精度，一般可通过减少数控系统的误差和采用机床误差补偿技术来实现。
在减少CNC系统控制误差方面，通常采取提高数控系统的分辨率，提高位置检测精度的方法。
然而在高速、高精加工的情况下，在线动态测量和补偿
存在着高精度与大量程几何量之间的矛盾，是传统检测方法难以完成的。
因此，需要研究新的测量和补偿机理，即进行高精度、大量程几何量的在线动态检测
原理研究，以及控制误差的在线和实时检测、预报和补偿方法等研究，在位置
伺服系统中采用前馈控制与非线性控制等方法。
为解决在高速、高精加工中的
小步长与大行程之间的矛盾，需要研究新的高速驱动原理及机构。
在机床误差补偿技术方面，除采用齿隙补偿、丝杠螺距误差补偿和刀具补偿等技术外，近年来对设备热变形误差补偿和空间误差综合补偿技术的研究
已成为世界范围的研究课题。
3. 智能化技术
模糊数学、神经网络、数据库、知识库、以范例和模型为基础的决策系统、专家系统等理论与技术的发展及其在制造业中的成功运用，为数控设备智
能化水平的提高建立了可靠的技术基础。
智能化正成为数控设备研究及发展的
热点，目前采取的主要技术措施包括：
1) 自适应控制技术
提高加工效率是制造加工技术发展永恒追求的目标。
现在的数控机床对加工过程的控制还是开环控制，即它们只能忠实地执行人们预先为它编好的加
工程序，而对加工过程中工况的变化，缺乏相应的识别能力和足够的自律控制
能力。
因此，零件的加工质量和加工效率强烈地依赖于工艺人员的经验和知识。
此外，加工状况复杂多变，工艺人员为了确保安全往往选择较保守的加工参数，使加工效率和质量的提高受到限制。
同时，加工状况(如刀具状况、加工中的振
动等)将直接影响设备加工的效率、质量和安全，这种情况在铣削加工大型零件(如加工大型水轮机叶片)时更是如此。
因此，加工过程的自适应控制技术，对
提高大型零件加工的效率，保障加工设备安全可靠运行是十分重要的。
加工过程的自适应控制技术是指数控装备能检测对自己有影响的信息，并自动连续调整系统的有关参数，达到改进系统运行状态的目的。
如通过监控
切削过程中的刀具磨损、破损、切屑形态、切削力及零件的加工质量等，向数
控系统反馈信息，通过将过程控制、过程监控、过程优化结合在一起，实现自
适应调节，以提高加工精度和降低工件表面粗糙度，并保证加工设备安全。
有
资料表明，应用该技术在铣削加工时其效率可以提高30％左右。
2) 专家系统技术
将专家的经验和切削加工的一般规律与特殊规律存人计算机中，以加工工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统，提供经过优化的切削
参数，使加工系统始终处于最优和最经济的工作状态，从而达到提高编程效率
和降低对操作人员的技术要求，大大缩短生产准备时间的目的。
3) 故障自诊断技术
故障诊断专家系统是诊断装置发展的最新动向，它为数控设备提供了一
个包括二次监测、故障诊断、安全保障和经济策略等方面在内的智能诊断及维护决策信息集成系统。
4) 智能化交流伺服驱动技术
目前已开始研究能自动识别负载，并自动调整参数的智能化伺服系统，包括智能主轴交流驱动装置和智能化进给伺服装置，使驱动系统获得最佳运行参数。
4. 网络化技术
数控设备的网络化技术是指能支持远程监视、诊断和控制，支持网络制造资源共享、支持装备参与网络化环境下制造系统集成的技术。
其主要技术内容有：
1) 网络环境下的数控装备的集成技术
研究网络环境下的数控装备网络互连技术(包括装备间的互连技术和装备内部的互连技术)，网络环境下的数字化制造装备分布式协同处理技术和异构设备网络集成技术等。
2) 远程操作、监控与远程诊断技术
研究实时监测数据的特征提取、识别和融合，诊断知识的组织以及推理算法，实时可靠的通信协议及数据的共享标准等；网络环境下数控装备运行状态的智能检测、监控和诊断技术；数控装备的网络全局调度技术、远程设计编程技术及远程操作技术等。
3) 网络管理技术的研究
在网络制造环境下，网络除了用于传输加工程序、实现网络操作和控制和远程诊断外，更为重要的是进一步提高机床的生产率。
为此需要研究网络管理技术，即网络生产管理系统，网络CAD／CAM系统，面向网络化制造环境的数控装备的网络安全机制与防范技术等。