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数控技术与 CAM. 广州大学机械与电气工程学院. 目 录. 1.1 基本概念 一、数控技术的基本概念 二、机床数字控制原理 三、数控加工特点 1.2 数控机床的组成与分类 一、数控机床的组成 二、数控机床的分类 1.3 数控机床的主要性能指标 一、数控机床的可控轴数与联动轴数 二、数控机床的运动性能指标 三、数控机床的精度指标 1.4 数控加工技术的发展 一、数控加工技术发展简述 二、数控技术在先进制造技术中的应用 三、数控加工技术的发展趋势. 1.1 基本概念.
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数控技术与CAM 广州大学机械与电气工程学院
目 录 1.1 基本概念 一、数控技术的基本概念 二、机床数字控制原理 三、数控加工特点 1.2 数控机床的组成与分类 一、数控机床的组成 二、数控机床的分类 1.3 数控机床的主要性能指标 一、数控机床的可控轴数与联动轴数 二、数控机床的运动性能指标 三、数控机床的精度指标 1.4 数控加工技术的发展 一、数控加工技术发展简述 二、数控技术在先进制造技术中的应用 三、数控加工技术的发展趋势
1.1 基本概念 数字控制（Numerical Control，NC），简称数控：就是用数字化的信息对机床的运动及其加工过程进行控制的一种方法。具体来说，数控就是采用计算机或专用计算机装置进行数字计算、分析处理、发出相应指令，对机床的各个动作及加工过程进行自动控制的一门技术。 例：N003 G90 G01 X+35. Y+279.3 Z-429.7 S1000 T02 F500 M07； 数控系统（Numerical Control System）实现数字控制的装置。以计算机为核心的数控系统称为计算机数控系统（Computer Numerical Control ），即CNC系统 数控机床（Numerical Control Machine Tools） ：就是装备有计算机数控系统的自动化机床。 数控机床将加工过程的各种机床动作，由数字化的代码表示，通过某种载体将信息输入数控系统，控制计算机对输入数据进行处理，来控制机床的伺服系统或其他执行元件，使机床加工出所需要的工件。 例如： 一、数控技术的基本概念 5轴铣削加工鞋模 叶轮加工
二、数控机床的工作原理 • 1、数控机床的工作流程 图1.1 数控加工流程 （1）数控加工程序的编制 （2）输入 （3）译码 （4）刀具补偿 （5）插补 （6）位置控制和机床加工
根据零件加工图样进行工艺分析，确定加工方案、工艺参数和位移数据。根据零件加工图样进行工艺分析，确定加工方案、工艺参数和位移数据。 ① 零件工 艺分析 通过对机床的正确操作，运行程序，完成零件的加工。 按规定的程序代码、格式编写零件加工程序单；或用CAD/CAM生成零件的加工程序。 ⑤零件加工 ②编写零件的加工程序 ③零件的加工程序输入 CNC系统 ④刀具路径模拟 机床空运行、软材料（铝、塑料）或工件材料首件试切，以检验CNC程序的正确性。 操作面板输入、串行通信（DNC）输入、磁盘输入等。
G00:P-K-Q G01:P-Q Y Q K △Y X O,P R △X Z Y 图1.2 点位控制 X 机床数字控制原理：将被加工零件图纸上的几何信息和工艺信息用规定的代码和格式编写成加工程序，然后将程序输入数控装置，按照程序的要求，经过信息处理，分配，使各坐标以最小位移量为单位移动，其合成运动实现了刀具与工件的相对运动，完成零件的加工。 最小位移量的合成运动是机床数字控制的基本原理，即轨迹控制原理（插补原理）。 ◆点位控制：严格控制点到点的距离，不严格要求路径，运动中不加工。 • 2、数控机床的工作原理
δ Y 15 16 14 △y 13 △x 12 L T 11 X O 图1.3 轮廓控制 ◆轮廓控制：(Contouring Control)： 加工平面曲线、空间曲线、空间曲面时，需要多坐标联动。 以平面（两维）的任意曲线L为例，要求刀具Τ沿（逼近）曲线 轨迹运动，进行切削加工。 如图1.3所示,将曲线L分割成：l1、l2、l3……、li等线段。用直线（或圆弧）代替（逼近）这些线段，当逼近误差δ相当小时，这些折线段之和就接近了曲线。轮廓控制也称连续轨迹控制，它的特点是不仅对坐标的移动量进行控制，而且对各坐标的速度及它们之间的比率都要进行严格控制，以便加工出给定的轨迹。
这种在允许的误差范围内，用沿曲线逼近函数的最小单位移动量合成的分段运动（小线段、小圆弧）代替任意曲线运动，以得出所需要的运动轨迹，是数控的基本构思之一。◆插补（Interpolation）是用被加工轨迹的有限信息（如起点和终点之间），计算插进刀具运动的许多中间点，进行数据点的密化工作，然后用已知线型（如直线、圆弧等）逼近。插补有二层意义：基本线型的形成及如何分段逼近。基本线型：由插补指令完成。如直线插补、圆弧插补、抛物线插补、螺旋线插补、极坐标插补、圆柱插补、样条插补、曲面直接插补、纳米插补、光顺插补等，插补指令越多，越能实现复杂型面的加工。分段逼近：按允许的误差。弦线逼近、割线逼近、切线逼近。◆插补分类：基准脉冲插补、数据采样插补（主要方法）。◆基点和节点基点：在数控加工图纸中，基本线型的交点；节点：轮廓轨迹上的插入点（逼近线型与轮廓轨迹的交点）。这种在允许的误差范围内，用沿曲线逼近函数的最小单位移动量合成的分段运动（小线段、小圆弧）代替任意曲线运动，以得出所需要的运动轨迹，是数控的基本构思之一。◆插补（Interpolation）是用被加工轨迹的有限信息（如起点和终点之间），计算插进刀具运动的许多中间点，进行数据点的密化工作，然后用已知线型（如直线、圆弧等）逼近。插补有二层意义：基本线型的形成及如何分段逼近。基本线型：由插补指令完成。如直线插补、圆弧插补、抛物线插补、螺旋线插补、极坐标插补、圆柱插补、样条插补、曲面直接插补、纳米插补、光顺插补等，插补指令越多，越能实现复杂型面的加工。分段逼近：按允许的误差。弦线逼近、割线逼近、切线逼近。◆插补分类：基准脉冲插补、数据采样插补（主要方法）。◆基点和节点基点：在数控加工图纸中，基本线型的交点；节点：轮廓轨迹上的插入点（逼近线型与轮廓轨迹的交点）。
课堂讨论：◆为什么不用数学函数直接插补？ ①计算费时间，不能满足实时控制的要求； ② 有的被加工轮廓用列表点表示的，没用数学公式； ③ 数控加工时运动不能突变，要满足加速度的要求。
数控机床的控制包括：开关量控制和轨迹控制。开关量控制：为配合数控加工，所需要的开关动作控制，如程序停、冷却液开停、主轴正反转等等。由辅助功能指令实现。轨迹控制:直线、圆弧及其它各种平面和空间轨迹。由插补指令实现,如直线插补、圆弧插补、抛物线插补、螺旋线插补、样条插补、曲面直接插补等。插补指令越丰富，数控功能越强。 数控机床的控制包括：开关量控制和轨迹控制。开关量控制：为配合数控加工，所需要的开关动作控制，如程序停、冷却液开停、主轴正反转等等。由辅助功能指令实现。轨迹控制:直线、圆弧及其它各种平面和空间轨迹。由插补指令实现,如直线插补、圆弧插补、抛物线插补、螺旋线插补、样条插补、曲面直接插补等。插补指令越丰富，数控功能越强。
（1）数控加工特点1)广泛的适应性和较大的灵活性；2)零件加工精度高、产品质量稳定；3)加工生产率高；4)较少使用专用工装夹具； （1）数控加工特点1)广泛的适应性和较大的灵活性；2)零件加工精度高、产品质量稳定；3)加工生产率高；4)较少使用专用工装夹具； 5)可以实现一机多用；6)有利于生产管理的现代化。 （2）数控加工适用范围 1)多品种小批量生产的零件；2)几何形状复杂的零件；3)需进行多种工序加工的零件；4)加工精度高的零件； 5)贵重零件； 6)需要频繁改型的零件；（3）缺点1)初次设备投资大；2)对使用者技术要求高。 三、数控加工特点
控制介质 数控装置 伺服系统 机 床 检测反馈装置 1.2 数控机床的组成与分类 （1）信息输入：程序、参数、数据等的输入通道。输入方式有穿孔纸带、磁带、磁盘、MDI（手动数据输入）方式等。 （2）数控装置：是数控机床的核心。包括CPU、存储器、各种接口电路等硬件和相应的软件。 （3）伺服驱动装置：接受数控装置来的指令，将信号进行调解、转换、放大后驱动伺服电机，带动机床执行部件运动。 （4）检测反馈装置：速度、位置检测反馈装置，由检测元件和相应的电路组成。（5）机床主机：是数控机床的主体，包括主运动部件、进给运动部件、执行部件和基础部件等。 （6）机电接口：M、S、T（PLC） 一、数控机床的组成 图1.4 数控机床的组成
数控装置的主要功能：①多轴联动。 ②多种函数插补：直线、圆弧、抛物线、螺旋线、样条等。 ③多种程序输入功能。 ④信息转换功能：EIA/ISO、公制/英制、绝对值/增量值、坐标变换等。 ⑤补偿功能：刀具长度补偿、刀具半径补偿、间隙、螺距误差补偿等。 ⑥多种加工方式选择（平移、镜像、旋转）。 ⑦故障自诊断功能。 ⑧显示功能：用CRT可以显示字符、轨迹、平面图形、三维动态图形。 ⑨通讯和联网功能。数控装置的主要功能：①多轴联动。 ②多种函数插补：直线、圆弧、抛物线、螺旋线、样条等。 ③多种程序输入功能。 ④信息转换功能：EIA/ISO、公制/英制、绝对值/增量值、坐标变换等。 ⑤补偿功能：刀具长度补偿、刀具半径补偿、间隙、螺距误差补偿等。 ⑥多种加工方式选择（平移、镜像、旋转）。 ⑦故障自诊断功能。 ⑧显示功能：用CRT可以显示字符、轨迹、平面图形、三维动态图形。 ⑨通讯和联网功能。
二、数控机床的分类 • 1、按工艺方法分类 （1）金属切削类数控机床，如：数控车床、数控铣床、加工中心、数控钻床、数控镗床、数控磨床等 （2）金属成型类数控机床，如数控折弯机、数控弯管机等 （3）数控特种加工机床，如数控电火花加工机床、数控线切割机床、数控激光加工机床等 4、其它类型数控机床，如三坐标测量机等 • 2、按运动控制的特点分类 1、点位控制数控机床 2、直线控制数控机床 3、轮廓控制的数控机床 ◆点位控制：对于一些加工孔用的数控机床，需严格控制点到点的距离，不严格要求路径，运动中不加工。典型的机床有数控钻床、数控镗床、数控冲床等。
图1.4 直线控制 ◆ 直线控制：特点： （1）控制两相关点的位置，还要控制两相关点之间的移动速度和路线（2）路线由与各个轴线平行的直线段组成（3）使用于数控车床、数控镗铣床、加工中心等◆ 轮廓控制：特点是能够同时对两个或两个以上的坐标轴进行连续控制，不仅对坐标的移动量进行控制，而且对各坐标的速度及它们之间的比率都要进行严格控制，以便加工出给定的轨迹。典型机床有数控车床、数控铣床、加工中心等。
工作台 齿轮箱 指令脉冲 步进电机 数控装置 驱动电路 工作台 检测元件 齿轮箱 指令脉冲 伺服电机 速度控制电路 位置比较电路 数控装置 测速元件 测量装置 （1）开环控制的数控机床 没有检测反馈装置 • 3、按伺服系统的类型分类 图1.5 开环数控机床 （2）闭环控制的数控机床检测工作台直线位移（检测元件：感应同步器、光栅） 图1.6 闭环数控机床
工作台 齿轮箱 指令脉冲 伺服电动机 速度控制电路 位置比较电路 数控装置 检测元件 测速元件 测量装置 （3）半闭环控制的数控机床检测丝杠或电动机轴旋转角位移（角位移检测元件：旋转变压器、脉冲编码器、圆光栅等） 图1.7 半闭环数控机床
（1）高档 （2）中档 （3）低档 • 4、按功能水平分类 图1.8 经济型数控 经济型数控：在我国指由单板机、单片机和步进电动机组成数控系统和其它功能简单、价格低的数控系统。
1.3 数控机床的主要性能指标 一、数控机床的可控轴数与联动轴数 数控机床的可控轴数是指机床数控装置能够控制的坐标数目，即数控机床有几个运动方向采用了数字控制。 数控机床可控轴数和数控装置的运算处理能力、运算速度及内存容量等有关。国外最高级数控装置的可控轴数已达到24轴，我国目前最高级数控装置的可控轴数为6轴。图1.9所示为6轴加工中心的示意图。 图1.9可控6轴加工中心示意图
数控机床的联动轴数，是指机床数控装置控制的坐标轴同时达到空间某一点的坐标数目。目前有两轴联动、3轴联动、4轴联动、5轴联动等。3轴联动数控机床可以加工空间复杂曲面，4轴联动、5轴联动数控机床可以加工飞行器叶轮、螺旋桨等零件（如图1.10）。 数控机床的联动轴数，是指机床数控装置控制的坐标轴同时达到空间某一点的坐标数目。目前有两轴联动、3轴联动、4轴联动、5轴联动等。3轴联动数控机床可以加工空间复杂曲面，4轴联动、5轴联动数控机床可以加工飞行器叶轮、螺旋桨等零件（如图1.10）。 图1.10 五坐标联动加工
二、数控机床的运动性能指标 数控机床的运动性能指标主要包括： (1)主轴转速（5000～10000r/min，甚至更高） 直流或交流调速主轴电机驱动，高速精密轴承支承，主轴具有较宽的调速范围和足够高的回转精度、刚度及抗振性。对各种小孔加工以及提高零件加工质量和表面质量都极为有利。 (2)进给速度 数控机床的进给速度是影响零件加工质量、生产效率以及刀具寿命的主要因素。它受数控装置的运算速度、机床动特性及工艺系统刚度等因素的限制。目前国内数控机床的进给速度可达10～15m/min，国外数控机床的进给速度一般可达15～30m/min。 (3)坐标行程 数控机床坐标轴X、Y、Z的行程大小，构成数控机床的空间加工范围，即加工零件的大小。坐标行程是直接体现机床加工能力的指标参数。 (4)摆角范围 具有摆角坐标的数控机床，其转角大小也直接影响到加工零件空间部位的能力。但转角太大又造成机床的刚度下降，因此给机床设计带来许多困难。
三、数控机床的精度指标 (1)定位精度 工作台等移动部件在确定的终点所达到的实际位置的精度，即实际位置与指令位置的一致程度，不一致量表现为误差，因此移动部件实际位置与指令位置之间的误差称为定位误差。被控制的机床坐标的误差(即定位误差)，包括驱动此坐标的控制系统(伺服系统、检测系统、进给系统等)的误差在内，也包括移动部件导轨的几何误差等。定位误差将直接影响零件加工的位置精度。 (2)重复定位精度是指在同一条件下，用相同的方法，重复进行同一动作时，控制对象位置的一致程度。即在同一台数控机床上，应用相同程序相同代码加工一批零件，所得到的连续结果的一致程度，也称为精密度。重复定位精度受伺服系统特性、进给系统的间隙与刚性以及摩擦特性等因素的影响。一般情况下,重复定位精度是成正态分布的偶然性误差，它影响一批零件加工的一致性，是一项非常重要的性能指标。
(3)分度精度 是指分度工作台在分度时，理论要求回转的角度值和实际回转的角度值的差值。分度精度既影响零件加工部位在空间的角度位置，也影响孔系加工的同轴度等。(3)分度精度 是指分度工作台在分度时，理论要求回转的角度值和实际回转的角度值的差值。分度精度既影响零件加工部位在空间的角度位置，也影响孔系加工的同轴度等。 (4)分辨率与脉冲当量 分辨率是指两个相邻的分散细节之间可以分辨的最小间隔。对测量系统而言，分辨率是可以测量的最小增量;对控制系统而言，分辨率是可以控制的最小位移增量。数控装置发出的每个脉冲信号，机床移动部件的位移量叫做脉冲当量。坐标计算单位是一个脉冲当量，它标志着数控机床的精度分辨率。脉冲当量是设计数控机床的原始数据之一，其数值的大小决定数控机床的加工精度和表面质量。目前普通精度级的数控机床的脉冲当量一般采用0.001mm/p，简易数控机床的脉冲当量一般采用0.01mm/p，精密或超精密数控机
数控系统的技术性能指标 • 1．CPU的性能：8、16、32、64位，主频十多GHz, 精减指令集芯片（RISC）,提供高的速度和丰富的软硬件资源； • 2．系统具有高分辨率：保证高精度、超精密加工。进给系统100万脉冲/每转、1600万脉冲/每转（FANUC 0i）,分辨率为0.001mm，速度最高可达到100 m ～240m/min。超精密加工时分辨率0.1μm（甚至0.01μm）,速度为24m/min,或更高。 • 3．系统的控制功能：1)多轴联动、多坐标控制2)多种函数的插补 3)多种程序输入功能 4)信息转换功能 5)补偿功能 6)多种加工方式选择 7)具有故障自诊断功能 8)显示功能
4．伺服驱动系统的性能 5．数控系统内PLC功能 6．系统的通讯和联网功能7．系统的开放性8．可靠性与故障自诊断
汽车 拖拉机 家用电器 自动机床 组合机床 专用自动生产线 大批量生产企业 1.4 数控加工技术的发展 一、数控加工技术发展简述 1、数控机床的产生 随着科学技术和社会生产的不断发展，对机械产品的质量和生产率提出了越来越高的要求。 机械加工工艺过程的自动化是实现上述要求的最重要措施之一。
在机械制造业中， 80％以上属单件与小批生产。 • 尤其是在造船、航天、航空、机床、重型机械以及国防部门，其生产特点是批量小、改型频繁、零件形状复杂、精度要求高。 • 即使是大批量生产,也改变了产品长期不变的做法。 • 仿形加工机床部分地解决了小批量、复杂零件的加工。但制造靠模和调整机床费时，加工零件的精度较低。 • 为解决上述问题，一种灵活、通用、能适应产品频繁变化的柔性自动化机床—数控机床应运而生。
1948年，美国帕森斯公司在研制加工直升飞机叶片轮廓样板时，提出了用电子计算机控制机床来加工样板曲线的设想。1949年，受美国空军委托， 与麻省理工学院伺服机构研究所合作进行研制工作。1952年试制成功世界上第一台三坐标立式数控铣床。并于1955年进入实用阶段。 德国、英国、日本等国家相继开始研制数控机床。 世界著名的数控系统厂家主要有日本的FANUC公司、德国的SIEMENS、美国的A-B公司等。 1958年我国开始研制数控机床。
■1952年，第一代电子管数控系统; ■1959年，第二代晶体管数控系统。随之出现刀库，机械手、加工中心； ■1965年，第三代集成电路数控系统以上三代，都是采用专用控制计算机的硬逻辑数控系统（称为NC）； ■1970年，出现小型计算机代替专用硬接线装置-第四代数控系统（CNC系统）； ■1974年，以微处理器为核心的数控系统-第五代数控系统（MNC系统）； ■ 随着微电子和计算机技术的发展，先后出现NC、FMC、FMS、CIMS； • 2、数控机床的发展
读带机 接口电路 通用计算机 数控装置1 机床1 数控装置2 机床2 存储装置 CRT显示及打印机 数控装置m 机床m 计算机直接数控系统（计算机群控）：所谓计算机直接数控（Direct Numerical Control，DNC）系统，即使用一台计算机为数台数控机床进行自动编程，编程结果直接通过数据线输送到各台数控机床的控制箱。
柔性制造系统： • 柔性制造系统（Flexible Manufacturing System，FMS）也叫做计算机群控自动线，它是将一群数控机床用自动传送系统连接起来，并置于一台计算机的统一控制之下，形成一个用于制造的整体。 柔性制造单元（FMC） 柔性制造系统（FMS）
工厂计算机 中央计算机 物流控制计算机 自动仓库 信 息 传 输 网 络 工夹具站 加工单元1 加工单元2 加工单元n 运输小车 FMS的功能结构
计算机集成制造系统： • 计算机集成制造系统（Computer-Integrated Manufacturing System，CIMS），是指用计算机网络和数据库技术将从定货、设计、工艺、制造到销售的全过程集成为一个整体，以保证企业信息的共享性、可靠性和及时性，实现生产的自动化和柔性化。 美国的M. E. Merchant提出计算机集成制造的概念(1969)
我国数控机床的发展 • 1958年:起步 • 20世纪50年代末60年代中：研制、开发时期 • 1965年开始研制晶体管式数控系统。1968年研制成了CJK-18晶体管式数控系统和X53K-1G立式数控机床。 • 20世纪70年代初：数控加工中心相继在上海、北京研制成功。 • 20世纪80年代初：从日本、美国等国引进数控装置及伺服系统技术。 • 1985年：进入实用阶段 • 1985年以后：在引进、消化的基础上，进行了大量的开发工作，我国数控机床进入稳定发展时期。
中国数控机床发展水平及数字统计2002年中国金属加工机床进口、出口贸易统计中国数控机床发展水平及数字统计2002年中国金属加工机床进口、出口贸易统计
2002年世界机床生产前十名 2002年世界机床消费前十名（百万美元） （百万美元）
2002年世界机床进口前十名 2002年世界机床出口前十名（百万美元） （百万美元）2002年世界机床进口前十名 2002年世界机床出口前十名（百万美元） （百万美元）
近年来，我国数控机床进入了快速发展时期。 • 市场占有率5年翻一番 ，现在国产数控机床国内市场占有率从5年前的不足15%跃升到了30%。 • 国产数控机床：突出重围，打造出自主品牌新天地。 • 国产数控机床：自主创新支撑中国制造。 • 大连大森数控公司、大连机床集团：集成创新，抢占技术制高点。 • 齐重数控、华中数控：用“中国大脑”装备“中国制造” 。 • 沈阳机床、广州数控：自主创新，提升企业核心竞争力。 • 国产数控机床产品获众多客户青睐。
二、数控技术在先进制造技术中的应用 ■ 数控技术是衡量一个国家经济发展的重要标志，使制造一的整体面貌发生重大变化。■ 数控技术是先进制造技术的基础。■ 数控技术使CAD/CAM实用化。■ NC-CNC-CAD-CAPP-CAM-FMS-FML（柔性制造线）-CIMS-FA（工厂生产自动化）。多轴数控机床改进核潜艇性能数控激光切割、焊接、打标激光机器人切割
三、数控技术的发展趋势 • 1、数控装置 （1）向高速、高精度方向发展； （2）向基于个人计算机（PC）的开放式数控系统发展； （3）配置多种遥控接口和智能接口； （4）具有良好的操作性； （5）数控系统的可靠性大大提高。 • 2、伺服系统 （1）前馈控制技术； （2）机械静止摩擦的非线性控制技术； （3）伺服系统的位置环和速度环（包括电流环）均采用软件控制 （4）采用高分辨的位置检测装置； （5）补偿技术得到了发展和应用。
3、机械结构技术 （1）为了提高自动化程度，而采用自动交换刀具，自动交换工件，主轴立、卧自动转换，工作台立、卧自动转换，主轴带C轴控制，万能回转铣头，以及“数控夹盘”，“数控回转工作台”，“动力刀架”和“数控夹具”等； （2）为了提高数控机床的动态特性，伺服系统和机床主机进行很好的机电匹配； （3）主机借助计算机进行模块化、优化设计。 • 4、数控编程技术 （1）脱机编程发展到在线编程； （2）具有机械加工技术中的特殊工艺和组合工艺方法的程序编制功能； （3）编程系统由只能处理几何信息发展到几何信息和工艺信息同时处理的新阶段。 • 5、向智能化方向发展 （1）应用自适应控制（Adaptive Control）技术； （2）引入专家系统指导加工； （3）引入故障诊断专家系统； （4）智能化伺服驱动装置。
美国MIT的Servomechanism Laboratory研制出第一台数控机床(1952)
