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数控技术的基本知识
教学目的：1.了解数控机床的产生背景、发展趋势及先进的制造技术。
2．熟悉数控机床加工特点和加工对象。
3．掌握数控机床的组成及种类。
重 点：数控机床的结构、组成及应用
难 点：数控机床的加工特点和加工对象
一、 数控机床的产生与发展
（一）、数控机床的产生
1952年，美国帕森斯公司和麻省理工学院研制成功了世界上第一台数控机床。半个世纪以来，数控技术得到了迅猛的发展，加工精度和生产效率不断提高。数控机床的发展至今已经历了两个阶段和六代。
1952年的第一代——电子管数控机床
1959年的第二代——晶体管数控机床
1965年的第三代——集成电路数控机床
1970年的第四代——小型计算机数控机床
1974年的第五代——微型计算机数控系统
1990年的第六代——基于PC的数控机床。
（二）、数控机床的发展趋势
1、高速度高精度化
速度和精度是数控机床的两个重要指标，直接关系到加工效率和产品的质量，为实现更高速度，更高精度的指标，目前主要从以下几点采取措施进行研究。
· 数控系统：采用位数，频率更高的微处理器，以提高系统的基本运算速度。目前程序中断处理时间小于1MS/1K指令。
· 伺服驱动系统：全数字伺服交流系统，大大提高了系统的空位粘度，进给速度。所谓数字伺服系统，指的是伺服系统中的控制信息用数字来处理它一般具有以下特征：
a) 采用现代控制理论，通过计算机软件实现最佳最优的控制。
b) 数字伺服系统是一种离散系统，它是由采样器和保持器两个基本环节组成的，位置，速度，电流构成的反馈全部数字化，PID软件化。
c) 数字伺服系统具有较高的动静精度，有很强的抗干扰能力。
d) 系统一般配有SERCOS（串行实时通信系统）板，可实现大信息量数据的高速，无声的传输。
· 机床静动摩擦的线形补偿控制技术：
机械动静磨擦的线形会导致机床的爬行。
· 高速大功率电主轴的应用：
在超高速加工中，对机床主轴转速提出了极高的要求（10000-75000R/MIN）传统的齿轮变速主传动系统已不能适应其要求。
· 配备高速，功能强的内装式可编控制器PLC：
提高可编程控制器的进行速度，来满足数控机床高速加工的速度要求。
（2）多功能化、智能化、小型化
· 数控机床采用一机多能，以最大限度地提高设备的利用率。
· 前台加工，后台编辑的前后台功能，以充分提高其工作效率和机床利用率。
· 具有更高的通讯功能，现代数控机床除具有通信口，DNC功能外，还具有 网络功能。
· 引进自式应控制技术：自适应控制AC技术的目的是要求在随机变化的加工过程中，通过自动调节加工过程中所测得的工作状态，特性。按照给安的评价指标自动修正工作参数。
· 采用故障自诊断、自修复功能：利用CNC系统的内装程序实现故障诊断，一旦出现故障时，立即采取停机等措施，自动使故障块脱机，接通备用模块并通过CRT进行故障报警。
· 刀具寿命自动检测和自动换刀功能：利用各种检测手段，对刀具和工件进行检测，发现工件超差，刀具磨损，破损等，进行及时报警，自动补偿或更换备用刀具，以保证产品质量。
· 引进模块识别技术：应用图象识别和声控技术，使机器自己辩识图样，按照自然语言命令进行加工。
（3）高可靠性
数控机床的可靠性一直似是用户最关心的主要指标，它取决于数控系统和各伺服系统驱动单元，为提高可靠性，目前主要采取以下几方面措施。
· 提高系统硬件质量。
· 采取硬件结构模块化、标准化、通用化方式。
· 增强故障自诊断、自恢复和保护功能。
二 、数控机床的概念
（1） 数字控制（Numerical Control NC）是一种借助数字、字符或其它符号对某一工作过程（如加工、测量、装配等）进行可编程控制的自动化方法。
（2） 数控技术（Numerical Control Technology）采用数字控制的方法对某一工作过程实现自动控制的技术。
（3） 数控机床（Numerical Control Machine Tools） 是采用数字控制技术对机床的加工过程进行自动控制的一类机床。它数控技术典型应用的例子。
（4） 数控系统（Numerical Control System）实现数字控制的装置。
（5） 计算机数控系统（Computer Numerical Control CNC ）以计算机为核心的数控系统。
（6）加工中心MC：数控机床配有刀具库和自动换刀装置就构成加工中心，它可以一次装夹并进行多工序加工。
（7）并联机床：新一代机床的发展趋势，进一步满足超精密，超高速。激光和细微加工等新工艺的高性能和高集成度的要求。以软代硬，以电代机，部件重新利用，组建机床和组合夹具一样。
三、 先进制造技术
1．快速原型法（又称快速成形法）
2．虚拟制造技术
3．柔性制造系统(FMS)
4．柔性制造单元（FMC）
5．计算机集成制造系统(CIMS)
四、数控机床的基本组成和工作原理
1．数控加工的过程：
· 零件工艺分析：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。
· 编写零件的加工程序：用规定的程序代码和格式编写零件加工程序单，或用自动编程软件进行CAD/CAM工作，直接生产零件的加工程序文件。
· 向CNC系统输入零件的加工程序文件：程序的输入或输出，手工编写的程序通过MDI，软件自动生成的程序通过RS232串行通信接口直接传输到数控机床的数控单元。
· 程序调试，刀具路径模拟：将输入到数控单元大加工程序进行试运行，、空运行，进行刀具路径模拟，检验程序能否加工合格工件。
· 零件加工：CNC系统依代码向伺服系统发出指令，控制机床完成零件的加工。
零件工艺分析
确定零件的加工要素
编写零件的加工程序
加工零件
换刀装置

NC机床
显示刀具路径
机床控制单元（MCU）

图1-1 数控加工的过程
2．数控机床的组成及各部分的功能 ：
计算机数控机床由输入输出装置、计算机数控装置、伺服系统和机床本体等部分组成，其组成框图如图1-2所示，

图1-2 数控机床的基本组成
· 加工程序：数控机床与普通机床的最大区别是数控机床不需要工作人员去直接操作机床，而是按输入工件的加工件的相对运动轨迹、工艺参数（进给量，主轴转速等）和负责4运行加工所需的全部信息。
· 输入装置：输入装置的作用是将控制介质上有关加工信息传递并存人控制系统内。如对应穿孔带，有光电阅读机；对应磁带，有录方机，对应磁盘，有磁盘驱动器等。
· 数控系统：是机床实现自动化的核心，是整个数控机床的灵魂所在。主要有输入装置、监视器、主控制系统、可编程控制器、各类输入/输出接口等组成。
· 伺服系统 （相当于操作人员的两只手）：是数控系统和机床本体之间的电传动联系环节，主要由伺服电动机、伺服驱动控制器组成。
· 反馈装置（相当于人的眼睛）：主要包括光电脉冲编码器。光栅位置传感器、直线感应同步器等装置。主要用来测试机床当前运动的位置
· 辅助装置：主要包括自动换刀装置、自动交换工作台机构。工作夹紧放松机构、回转工作台液压控制系统、润滑装置、切削液装置、排屑装置、过载和保护装置等。
· 机床本体：数控机床的本体指其机械结构实体。与普通机床相比，它的整体布局、外观造型、传动机构、工具系统及操作机构等方面都发生了很大的变化。
3．数控机床的工作原理：
数控机床加工零件，首先要将被加工的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，然后将所编程序指令输入到机床的数控系统中，数控系统在将程序进行译码、运算后，将机床的各个坐标的伺服机构和辅助控制装置发生信号，驱动机床各运动部件，控制所需要的辅助运动，最后加工出合格零件。
五 、数控机床的种类与应用
1． 按机床运动的控制轨迹分类
（1）点位控制数控机床
1)点位控制只要求控制机床的移动部件从某一位置移动到另一位置的准确定位，对于两位置之间的运动轨迹不作严格要求，在移动过程中刀具不进行切削加工，如图1-3所示。

2)为了实现既快又准的定位，常采用先快速移动，然后慢速趋近定位点位的方法来保证定位精度。

3)主要有数控钻床、数控冲床、数控镗床、数控点焊机等

图1-3点位数控机床加工示意图

（2）直线控制数控机床
1）直线控制数控机床的特点是除了控制点与点之间的准确定位外，还要保证两点之间移动的轨迹是一条与机床坐标轴平行的直线。
2）对移动的速度也要进行控制，因为这类数控机床在两点之间移动时要进行切削加工，如图1-4所示。

图1-4　　直线数控机床加工示意图
（3）轮廓控制数控机床
1）轮廓控制能够对两个或两个以上的运动坐标的位移及速度进行连续相关的控制，因而可以进行曲线或曲面的加工，如图1-5所示。
2）具有轮廓控制功能的数控机床有数控车床、数控铣床、加工中心等

图1-5　轮廓数控机床加工示意图
2． 伺服控制的方式分类
（1）开环控制系统
开环控制系统是指不带反馈的控制系统.
其特点:开环控制具有结构简单、系统稳定、容易调试、成本低等优点。但是系统对移动部件的误差没有补偿和校正，所以精度低。一般适用于经济型数控机床和旧机床数控化改造。
如图1-6,部件的移动速度和位移量是由输入脉冲的频率和脉冲数决定的。

图1-6　　开环控制系统
（2）半闭环控制系统
1）半闭环控制系统是在开环系统的丝杠上装有角位移测量装置，通过检测丝杠的转角间接地检测移动部件的位移，反馈到数控系统中，由于惯性较大的机床移动部件不包括在检测范围之内，因而称作半闭环控制系统，如图1-7所示。
2）系统闭环环路内不包括机械传动环节，可获得稳定的控制特性。机械传动环节的误差，可用补偿的办法消除，可获得满意的精度。中档数控机床广泛采用半闭环数控系统。

图1-7　半闭环控制系统
（3）闭环控制系统
1）在机床移动部件上直接装有位置检测装置，将测量的结果直接反馈到数控装置中，与输入指令进行比较控制，使移动部件按照实际的要求运动，最终实现精确定位，原理如下图所示，因为把机床工作台纳入了位置控制环，故称为闭环控制系统。
2）该系统定位精度高、调节速度快。该系统调试工作困难。系统复杂并且成本高，故适用于精度要求很高的数控机床，如精密数控镗铣床、超精密数控车床等。

图1-8　闭环控制系统
3．按数控系统功能水平分类
数控机床按数控系统的功能水平可分为低、中、高三档。
4．按工艺用途分类
（1）金属切削类数控机床
（2）金属成型类数控机床
（3）数控特种加工机床
（4）其它类型的数控机床
六、数控机床加工的特点及应用
1．数控机床加工的特点
（1）可以加工具有复杂型面的工件
（2）加工精度高，质量稳定
（3）生产率高
（4）改善劳动条件
（5）有利于生产管理现代化
2．数控机床的适用范围
（1）多品种、单件小批量生产的零件或新产品试制中的零件；
（2）几何形状复杂的零件；
（3）精度及表面粗糙度要求高的零件；
（4）加工过程中需要多工序加工的零件；
（5）用普通机床加工时，需要昂贵工装设备（工具、夹具和模具）的零件。

图1-9 各种机床的使用范围
七、现场教学
用0.5天的时间到工厂及数控加工实训室参观各类数控设备的结构及其加工零件的运动过程，并建议到图书馆、阅览室了解机械及数控加工等方面有哪些书籍及杂志，上网查询数控机床的最新动向和技术，写一篇有关数控加工方面的论文
八、课堂小结
通过本次课的教学，学生必须明确什么是数控？什么是数控机床？
通过对普通机床的比较，得出数控机床的特点及加工对象。在理解的基础上牢记数控机床的组成及分类。