第一章数控机床概论
第一章 数控机床概论
第一章 概论
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（2）模块化、专门化与个性化；智能化；柔性化和集成化 模块化、专门化与个性化：机床结构模块化，数控功能专门 化，机床性能价格比显著提高并加快优化。个性化是近几年 来特别明显的发展趋势。 智能化：智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追 求加工效率和加工质量方面的智能化，如自适应控制，工艺 参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便方面的智能 化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自 动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化， 如智能化的自动编程，智能化的人机界面等； 柔性化和集成化：柔性自动化技术是制造业适应动态市场需 求及产品迅速更新的主要手段，是各国制造业发展的主流趋 势，是先进制造领域的基础技术。
第一章 概论
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3.
按伺服控制方式分类
1. 开环控制数控机床 开环控制系统的特点是不带反馈检测装置。这种数控机床主 要使用步进电机。数控装置经过控制运算发出脉冲信号，每 一脉冲信号使步进电机转动一定的角度，通过滚珠丝杠推动 工作台移动一定的距离。
开环控制系统图
第一章 概论
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2. 闭环控制系统 闭环控制系统是指在机床的运动部件上安装位置测量装置。 是在机床移动部件位置上直接装有直线位置检测装置，将检 测到的实际位移反馈到数控装置的比较器中，与输入的原指 令位移值进行比较，用比较后的差值控制移动部件作补充位 移，直到差值消除时才停止移动，达到精确定
第一章 概论
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1.4.2 数控机床的使用特点
1. 对操作维修人员的技术水平要求较高 2. 对夹具和刀具的要求较高 单件生成时，一般采用通用夹具，成批量生成时，为节省加 工时间，应采用专用夹具，而且夹具应该定位可靠，能自动 夹紧或松开工件，具有良好的排屑、冷却结构。
《概论数控机床》PPT课件
7. 机床 由主传动装置、进给传动装置、床身、工作台 和辅助装置组成。
二、工作原理
加工程序
数控 装置
伺服 系统
零件图
数控系统
图1-2 数控机床的工作原理图
这类数控机床不带位置检测反馈装置。开环
控制的数控机床工作比较稳定，反应快，调试方
便，维修简单，但控制精度低，这类数控机床多
为经济型。
h
14
2. 闭环控制数控机床
指令 位置比 较电路
速度控 制电路
伺服 电动机
工作台
速度检测
位置检测
图1-7 闭环控制框图 这类数控机床带有位置检测反馈装置。位置检测装置 安装在机床工作台上，用以检测机床工作台的实际运行位 置，并与CNC装置的指令位置h进行比较，用差值进行控制15。
4．行程；
5．主轴转速和调节范h围；
2
6．进给速度和调节范围； 7．准备功能（G功能）； 8．辅助功能（M功能）； 9. 自动加减速功能； 10. 开关量接口。 §1.2 数控机床的产生与发展
第一代数控机床：1952年由美国帕森兹公司和麻省理 工学院合作研制成功，使用电子管元件。中国58年生产。
第二代数控机床： 1959年，以美国耐克•杜列
第五代数控机床： 1974年开始出现的以微处 理器为核心的数控系统。中国81年生产。
第六代数控机床： 1990年生产出了基于工控 PC机的通用CNC系统。中国92年生产。
h
4
二、我国数控机床的状况
中档普及型数控机床的功能、性能和可靠性
数控机床概论(讲稿)
数控机床概论第1章绪论1.1 数控机床的产生与发展1.1.1 数控机床的产生目前很多制造企业已经广泛采用了以自动机床、组合机床和专用机床为主体的“刚性”自动生产线，采用多刀、多工位和多面同时加工方法，常年进行着单一产品的高效和高度自动化的生产。
尽管这种生产方式需要巨大的初始投资和很长的生产准备周期，但在大批量的生产条件下，由于分摊在每一个加工零件上的费用很少，因此，经济效益仍然是十分显著的。
不过，在制造业并不是所有的产品都具有很大的需求量，单件与小批量生产的零件一般占机械加工总量的80%左右。
尤其是航空、航天、船舶、机床、重型机械、食品加工机械、包装机械和军工等产品，不仅加工批量少，而且加工零件形状比较复杂，精度要求也很高，还需要经常改型。
如果仍然采用专业化程度很高的自动化机床加工这类产品的零件就显得不尽合理。
而经常改装和调整设备，对于专用生产线来讲，不仅会提高产品的生产成本，有时甚至是无法实现的。
因此，这种“刚性”的自动化生产方式已逐渐显现出了对现代制造业的不适应性。
为了解决上述问题，从而实现多品种、小批量产品零件的自动化生产，一种称之为数控机床（Numerical Control Machine Tools）的现代机床应运而生。
数控机床是数字控制机床的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。
该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，从而驱动机床动作并加工零件。
它很好的解决了刚性自动生产线难以经常改型和调整设备的问题，显示出了适应多品种、小批量产品零件生产的“柔性”。
1.1.2 数控机床的发展从1952年至今，数控机床按照控制机的发展，已经历了六代。
世界上第一台数控机床在美国诞生，是由美国小型飞机工业承包商帕森斯公司和麻省理工学院伺服机构研究所为推进飞机和导弹的研制联合开发的，1955年进入实用阶段，这时数控机床的控制系统（专用电子计算机）采用的是电子管，其体积庞大，功耗高，仅在一些军事部门中承担普通机床难以加工的形状复杂零件，这是第一代数控系统。
第1章机床数控技术概论
第1章机床数控技术概论
1.1数控技术发展概述
数控技术，是利用数据处理用计算机指挥机器工具来进行机械加工的
技术。
它可以将加工工艺、制造要求及加工条件记录在计算机内，提高了
加工的质量、精度和速度。
数控技术是现代制造业的主要技术，广泛应用
于机械、航空航天、汽车、工矿企业等行业，在大规模实现个性化制造，
改变传统制造方式及技术，提高了生产力和产品质量，改善了生产条件，
提高了劳动生产率，实现了精密加工的可能。
从上世纪50年代起，数控技术就开始了研究和发展，形成了工业上
应用最为广泛的数控设备，数控机床。
数控机床目前已经成为机械加工行
业的主要设备，它结合了计算机、机械、检测和测量等技术，具有高精度、高速度、自动化程度高等特点，在机械加工中得到了广泛的应用。
数控技术的发展已经取得较好的成绩，极大地改变和提高了传统机械
加工的工作效率。
无论是加工小件、复杂曲面还是加工特殊材料，数控机
床都可以实现，为实现高精度、高效率的加工提供了有力的保证。
1.2数控机床的通用结构
数控机床一般由主轴系统、工作台系统、进给系统和控制系统组成。
主轴系统由电机、传动装置和主轴组成。
第1章 数控机床-机床概论
数控机床概论
表面成形运动（主运动和进给运动） 辅助运动（实现机床的各种辅助动作）
数控机床概论
2、机床的传动
机床完成各种运动所需的基 本部件：执行件、动力源和传动 装置。 机床的传动链和原理图 内联系传动链（严格传动比 关系） 外联系传动链（联接动力源 与执行件，不要求精确的传动比 比）
数控机床概论
五、数控机床概述 1、组成
任何一种数控机床都是由控制介质、数控装置、伺服 系统、辅助控制系统和机床本体等若干基本部分组成的， 如图所示。
数控机床概论
2、基本概念
数字控制（NC）：用数字化信息对过程进行的控制 数控系统：实现数控技术相关功能的软硬件模块的有机集成 分为 硬件数控系统和计算机数控系统 计算机数控系统（CNC）：以计算机为核心 开放式CNC系统：可保证开发的应用软件能在不同的厂商提 供的平台工作。 数控机床：应用数控技术对其加工过程进行自动控制的机床 柔性制造单元（FMC）：一台数控机床或加工中心装上自动 装卸工件的装置 FMS及CIMS
1948年，美国帕森 （Parsons）公司在研制加工 直升机螺旋桨叶片轮廓用检查 样板的机床时，首先提出计算 机控制机床的设想，在麻省理 工学院（MIT）的协助下，于 1952年研制成功了世界上第一 台三坐标直线插补且连续控制 的立式数控铣床。我国于1958 年由清华大学和北京第一机床 厂合作研制了我国第一台数控 铣床。
点位控制直线控制和轮廓控制数控机床数控机床概论3数控机床的特点适应性强加工精度高产品质量稳定生产效率高减轻劳动强度改善劳动条件经济效益好有利于生产管理的现代化数控机床概论4规格行程范围和摆角范围工作台面尺寸承载能力主轴功率和进给轴扭矩控制轴数和联动轴数刀具系统数控机床概论5性能指标分辨率和脉冲当量最高主轴转速和最大加速度定位精度和重复定位精度最高快移速度和最高进给速度电气冷却系统外形尺寸机床重量数控机床概论6发展趋势高速高效高精度和高可靠性模块化智能化柔性化集成化开放性新一代数控加工工艺及装置
数控机床概论
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１.１ 数控机床的产生和发展
• 软件式数控系统的通用性很强, 几乎只需要改变软件, 就可以适应不同 类型机床的控制要求, 具有很大的柔性, 因而数控系统的性能大大提高 , 而价格却有了大幅度的下降。 同时, 可靠性和自动化程度有了大幅 度的提高, 数控机床也得到了飞速发展。 目前, ＣＮＣ 数控系统几乎 完全取代了以往的ＮＣ 数控系统。
• 我国的数控技术与国际先进水平相比, 还存在一定的差距, 其主要表现 在以下两个方面。
• ( １) 数控系统和数控机床的稳定性差, 两者与国外产品的比较见表１ －１。
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１.１ 数控机床的产生和发展
• (２) 我国数控系统成套性差, 数控装置、驱动、电动机不配套, 伺服驱 动、主轴驱动的性能和可靠性比国外产品的性能和可靠性低, 高精度 、高速度及重型设备数控系统的性能、功能比国外产品的性能和功能 差。
• 近年来, 随着微电子和计算机技术的飞速发展及数控机床的广泛应用, 加工技术跨入一个新的里程, 并建立起一种全新的生产模式, 在日本、 美国、德国、意大利等发达国家已出现了以数控机床为基础的自动化 生产系统。
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１.１ 数控机床的产生和发展
• １.１.３ 我国数控机床的发展简介
• 我国于１９５８ 年研制出了首台数控机床(见图１ － １), 但是, 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, 致使其发展速度一直缓慢。 直到２０ 世纪７０年代初期, 我国才掀起 研制数控机床的热潮。 但由于当时的控制系统主要是采用分立电子 元器件, 性能不稳定, 可靠性差, 且机、液、气配套基础元器件不过关, 因此多数机床在生产中并没有发挥出明显的作用。 ２０ 世纪８０ 年 代以来, 在消化吸收国外先进技术的基础上, 我国的数控技术有了新的 发展, 数控机床才真正进入小批量生产的商品化时代。
数控机床概论
1-5 数控机床的产生与发展
1.5.1 机床的发展概况：
（1）最原始的机床：木质，用于加工木料、石料和陶瓷制品的泥坯（人力或 畜力驱动）。
（2）18世纪中叶，发展起来了用于加工金属零件的机床。 （3）18世纪末到19世纪，蒸汽机的出现，出现了各种类型的机床（车、钻、 镗、刨、拉、铣、磨以及齿轮加工机床等）。 （4）20世纪，齿轮变速箱的出现，使得机床的结构和性能发生了根本性的 变化，电气控制、液压控制等科技的应用，出现了通用机床和专用机床。 （5）近年来，电子技术、计算机技术、信息技术、激光技术的发展，并在机 床领域得到广泛应用，出现了数控机床。 这个阶段又历经三代: 1952年的第一代—电子管计算机组成的数控系统； 1959年的第二代—晶体管计算机组成的数控系统； 1965年的第三代—小规模的集成电路计算机组成的数控系统。 计算机数控阶段也经历了三代:
1.3.1 数控机床的工作原理
数控机床与普通机床相比较，其工作原理的不同之处就在于数控机床是按 数字形式给出的指令进行加工的。数控机床加工零件，首先要将被加工零件的 图样及工艺信息数字化，用规定的代码和程序格式编写加工程序，然后将所编 写的指令输入到机床的数控装置中，数控装置再将程序进行翻译、运算后，向 机床的各个坐标的伺服机构和辅助控制装置发出信号，驱动机床的各个运动部 件完成所需的辅助运动，最后加工出合格零件。数控系统实质上是完成了手工 加工中操作者的部分工作。
1-3 数控机床的工作原理及分类
1.3.2 数控机床的分类 按照伺服驱动系统的控制方式分类
开环控制系统
有无检测装置
半闭环控制系统
闭环控制系统（检测装置安装位置） 全闭环控制系统
1-3 数控机床的工作原理及分类
1.3.2 数控机床的分类
第一章数控机床概论
数控技术及应用上局部：数控技术第一章数控机床概论1．简述数控机床、数控技术的底子概念2．简述数控机床的发生历程以及数控技术的开展趋势3．与传统机床比拟,数控机床有何特点？4．数控机床有哪几局部组成各局部的作用是什么？5．简述数控机床的加工道理、使用范围6．按控制系统的特点数控机床分哪几类？7．按伺服系统的控制道理数控机床分哪几类？8．什么是点位控制、直线控制、轮廓控制数控机床？第二章计算机数控系统1．CNC系统主要由哪几局部组成？CNC装置主要由哪几局部组成？2．试述CNC装置的工作过程。
3．单微处置器布局的CNC装置与多微处置器布局的CNC装置有何区别？多微处置器布局的CNC装置有哪些底子功能模块？4．共享总线布局的CNC装置与共享存储器布局的CNC装置各有何特点？5．试阐发现代CNC装置的硬件布局的特点？6．CNC装置中常用的CPU有哪几类？其特点如何？7．CNC装置中常用的存储器有哪几类？其特点如何？8．CNC装置与机床电气设备之间的接口按功能分为哪几类？各传送什么信息？9．CNC装置的I/O接口电路中常用哪些抗干扰技术？10．CNC装置的软件布局可分为哪两类？各有何特点？11．中断型布局的软件中，各中断效劳程序的优先级是如何安排的？12．CNC装置常用的输入输出设备有哪些？13．CNC装置常用的通信接口有哪些？各有什么特点？14．现代CNC装置的诊断技术有哪些开展标的目的15．CNC装置的主要技术指标有哪些？16．简述我国使用较多的几种典型CNC装置的功能和特点？17．何谓刀具长度抵偿、刀具半径抵偿？其执行过程如何？18．B功能刀具半径抵偿与C功能刀具半径抵偿的区别在何处？19．什么叫插补？目前应用较多的插补算法有哪些？20．试述逐点比较法插补的四个节拍，并推导第Ⅱ象限直线插补公式。
21．设欲加工第一象限直线OE、起点坐标为O〔0，0〕，终点坐标为E〔11，8〕，脉冲当量δ＝1，试用逐点比较法插补之并画出插补轨迹。
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指用数字量及字符发出指令来对某一工作过程实
床
现自动控制的技术。
概
论
第二节 基本概念
采用数控技术的控制系统称为数控系统
（Numerical Control System）－实现
第
数字控制的装置。
一 装备了数控系统的的机床称为数控机床
章
（Numerical Control Machine Tools）
第一章 数控机床概论
掌握数控机床和数控技术的基本概念
目
了解数控系统类型及数控机床组成
了解数控加工原理
标 了解数控机床的发展历程和趋势
第一章 数控机床概论
本章内容基本概念较多，学生在学习
建
过程中要认真领会和掌握，了解数控
机床和数控技术的发展过程和趋势，
议
了解数控加工原理，应阅读有关的书
籍和资料作为本章内容的补充。
❖ 数控机床采用数控装置或计算机来全部
或部分取代通用机床在加工零件时对机床
第 一
的各种动作：启动、加工顺序、改变切削
章 用量、主轴变速、选择刀具、冷却液开停
以及停车等人工控制。
数 ❖ 加工对象改变时，除重新调整工件的装
控 机 床
夹和更换刀具外，只需更换加工程序，就 能实现另一种零件的加工，不需对机床作
❖ 加工过程中重复精度高，节省了对零
数 控
件的检验时间；
机 床 的
❖ 零件改型时只需要更换程序，节省了 准备和调整时间。
特
点
4.操作简单,减轻工人劳动强度
❖ 数控机床的动作由程序上的信息直接控
制，输入后就自动连续加工，直至加工完
毕后自动停车。简化了工人的操作，对工
数 人的技术水平要求降低了，
控 机❖
第 间长，但分摊在每个工件上的费用很少，经济效
一 章
益仍很显著。
❖ 但由于市场竞争，企业不仅要提高产品质量，
而且要不断地改型，增加产品变化的需要。即使
数 是大批量生产的产品，也不是长期不变——刚性
控 机 床
的自动化设备，在大批量生产中也日益暴露其缺 点。
概
轮
为了解决上述问题，满足多品种，
小批量自动化生产，迫切需要一种灵
第一章 数控机床概论
第一章 数控机床概论
•本章主要介绍数控机床和数控技术的基本概念，
提
数控系统的类型，数控机床的组成和数控加工原理， 数控机床的发展历程和趋势。
•要点：数控技术及数控机床的基本概念、数控机
床的组成及类型，数控加工原理。
要
•难点：数控系统的类型，数控机床的组成和数控
加工原理。
•学时：4学时
❖ 数控机床所需加工条件（进给速度、主轴转速、容
数 控 机
差指定、刀具选择等）都由控制介质的指令代码事 先规定好，加工自动完成，人为造成的加工误差很
床 小。
的 特 点
❖ 进给传动链的换向间隙与丝杠传动误差等均可由 数控装置进行补偿。
3.加工生产率高，经济效益好
❖ 对工夹具要求低，又无需划线，大大 缩短加工准备时间；
必不可少的物质手段；
第 一 国家战略技术和体现国家综合国力水平重要 章
标志；
数 控
专家们预言: 二十一世纪机械制造业的竞争，
机 床
其实质是数控技的原因
❖ 大批量生产企业为提高产品质量和生产率，多
采用自动机床、组合机床和和专用自动线等自动
化设备，尽管这类设备初次投资大，生产准备时
论
第二节 基本概念
❖ 数字控制与数控技术
数字控制（Numerical Control：NC）是一种
第
借助数字、字符或其它符号对某一工作过程（如
一 章
加工、测量、装配等）进行可编程控制的自动化
方法，简称数控（NC）技术。
数 数控技术（Numerical Control Technology）是
控 机
概 任何调整或制造专用夹具。
论
数控机床与其它机床的比较
指标 通用机 专用机 数控机
第 一 章
床 劳动强 高
床
床
较低 低
度
数 工时 多
控 机
生产周 长
床期
概 加工精 低 论度
较多 少 较长 短 较高 高
1. 适应性强
用数控机床加工零件，当产品改型时只需重
新制作信息载体或重新编制手动输入程序，
就能实现对新零件的加工。它不同于传统机
第 一
活通用的，能适应产品频繁变化的柔 性高度自动化机床。这种背景导致了
章 数控机床的诞生和发展。为单件，小
批量生产精密复杂零件的加工自动化
数 控
提供了广阔前景。
机
床
概
轮
第 一 章
零件图
数 控 机 床 概 论
加工程序
数控 装置
伺服 系统
数控系统
机床
图1-1 数控机床的加工过程
数控机床与其它机床的差别
床，不需要制作、更换工夹具和模具，更不
数 控
需要重新调整机床。为单件、小批量生产以
机 及试制新产品提供了极大的方便。因而生产
床 的
准备时间短，灵活性强。
特
点
2.加工精度高，质量好
❖ 中、小型数控机床定位精度可达0.005mm，重复 定位精度为0.002mm。加工精度不受零件复杂程度 和操作者技术水平影响，同批零件加工一致性较好。
工人只需装卸零件和更换刀具并监督机
床 的
床的运行，减轻了操作者劳动强度。
特
点
5. 有利于生产管理的现代化
❖ 用数控机床加工零件，能准确计算出零件
的加工工时，并有效地简化了检验、工装和
半成品的管理工作，减少因误操作造成废品
数 和损坏刀具的可能性。
控 机❖
有利于使生产管理水平的提高，实现生产
床 的
管理的现代化。
第一节 数控机床简介
自从本世纪中叶数控技术创立以来，它给机械制造
第
业带来了革命性的变化。
一
章 现在数控技术已成为制造业实现自动化、柔性化、
数
集成化生产的基础技术，现代的CAD/CAM，FMS
控 机
和CIMS、AM和IM等，都是建立在数控技术之上。
床
概
论
第一节 数控机床简介
数控技术是提高产品质量、提高劳动生产率
的 特
试和维修都较困难。
点
数控机床的应用范围
第 一
数控机床是一种高效自动化机床，具有 一般机床不具备的特点，所以数控技术
章 的应用范围不断扩大，但其技术复杂，
成本较高，从最经济有效的角度出发，
数 数控机床最适用下列特点的零件加工。
控 机 床 概 论
第 一 章
数
控
机
床
图1-2 数控机床的应用范围
概
特 点
❖
增加相应的管理工作。
6. 数控机床价格高，维修较难
❖ 数控机床配有数控装置或计算机，机床加
工精度受切削用量大、连续加工发热多的影
响，使其设计要求比通用机床更严格，制造
要求更精密，因此制造成本较高。
数 控 机
❖ 数控机床的数控系统较复杂，一些元件、 部件的精度较高，以及一些进口机床的技术
床
开发受到条件的限制，因此，数控机床的调