数控机床编程第2版杜国臣主编第1章xin28220新.ppt

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1、在线教务辅导网：http:/ 更多课程配套课件资源请访问在线教务辅导网 2019/5/192019/5/19 1 1 普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材 教育部高等职业教育示范专业规划教材教育部高等职业教育示范专业规划教材 机械工业出版社精品教材机械工业出版社精品教材 主编主编 杜国臣杜国臣 （第（第2 2版）版） 机械工业出版社机械工业出版社2019/5/19 2019/5/19 2 2 数控机床编程 电子课件（第2版） 主 编：杜国臣 副主编：李传军 李瑞斌 刘秉亮 毕世英 本书第2版是普通高等教育“十一五”国家级规划教材 、机械工业出版社精品教材。本书第

2、2版是在第l版的基础上 ，根据“高等职业教育机械类专业人才培养目标及基本规格 ”的要求，并充分反映近年来数控机床的发展与应用而修订 的。 ISBN 978-7-111-28220-4ISBN 978-7-111-28220-4 机械工业出版社机械工业出版社 杜国臣教授主编的普杜国臣教授主编的普 通高等教育通高等教育“十一五十一五 ”国家级规划教材数国家级规划教材数 控机床编程，自第一控机床编程，自第一 次出版以来，受到广次出版以来，受到广 大师生和企业技术人大师生和企业技术人 员的青睐，先后被百员的青睐，先后被百 余所院校所采用，成余所院校所采用，成 为我国高等职业教育为我国高等职业教育 机械

3、类专业人才培养机械类专业人才培养 的首选教材，并祝贺的首选教材，并祝贺 该教材荣获机械工业该教材荣获机械工业 出版社精品教材出版社精品教材 称称 号！号！ 2019/5/192019/5/19 4 4 目 录 第1章 数控机床概述 第2章 数控加工编程基础 第3章 数控加工工艺与图形的数学处理 第4章 数控车床编程 第5章 数控铣床编程 第6章 加工中心编程 第7章 自动编程 2019/5/192019/5/19 5 5 2019/5/192019/5/19 6 6 1.1 1.1 数控机床的基本概念数控机床的基本概念 本章小结本章小结 1.3 1.3 数控机床的产生与发展及技术水平数控机床的

4、产生与发展及技术水平 1.2 1.2 数控机床的分类数控机床的分类 第第1 1章章 数控机床概述数控机床概述 第第1 1章章 数控机床概述数控机床概述 本章学习目标： 数控机床是典型的机电一体化产品，是现代制造数控机床是典型的机电一体化产品，是现代制造 业的关键设备。本章主要讲述数控机床的基本概念和业的关键设备。本章主要讲述数控机床的基本概念和 工作原理、数控机床的分类以及数控机床的技术与发工作原理、数控机床的分类以及数控机床的技术与发 展水平等。本章要求理解并掌握数控机床的基本概念展水平等。本章要求理解并掌握数控机床的基本概念 和分类，了解数控技术的发展趋势以及以数控机床为和分类，了解数控技

5、术的发展趋势以及以数控机床为 基础的自动化生产系统的发展。基础的自动化生产系统的发展。 本章教学学时：4学时 本章教学要求: 第第1 1章章 数控机床概述数控机床概述 重点重点 CC数控机床的基本概念数控机床的基本概念 ； CC数控机床的分类数控机床的分类 。 难点难点 数控机床的工作过程和技术性能指标数控机床的工作过程和技术性能指标 、数控机床按、数控机床按 运动控制的特点和伺服系统的类型分类运动控制的特点和伺服系统的类型分类 。 1.1 数控机床的基本概念 1.1.1 1.1.1 什么是机床的数字控制什么是机床的数字控制 数控数控，即数字控制（，即数字控制（Numerical Contro

6、lNumerical Control，NCNC），在机床），在机床 领域指用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制的一领域指用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制的一 种方法。用这种控制技术控制的机床就称为种方法。用这种控制技术控制的机床就称为“数控机床数控机床”（ Numerically Controlled Machine ToolNumerically Controlled Machine Tool）或）或“NCNC机床机床”。 例如，要求机床执行如下一条指令程序段 N003 G01 X90 Z-20 F0.2 S1000 T0101 M03 其含义为：第3个程序段，用1号刀具加工

7、一条直线段，起点为刀具当前点或 上一程序段指令点，终点为程序段中给定的点（X90，Z-20）；坐标值的计算以 坐标原点为基准；还指明机床主轴需正转且转速为1000 r/min，刀具的进给量为 0.2 mm/r。 1.1 数控机床的基本概念 从上面的程序段可以看出，它由数字09，字母X、 Z、S、F、T、M，符号“+”、“-”、“.”等组成， 而这些都要转换成“二进制”数字代码输入机床的数字 控制装置（即控制机床的专用计算机）中去，经过计算 机的计算处理、伺服控制、驱动机床各部件运动，完成 上述直线段的加工。由于指令运动过程是以二进制数字 代码进行的，所以称这种控制为数字控制。数字控制是 与机床

8、控制密切结合而发展起来的，因此，人们习惯把 “机床数控”简称为“数控”或“NC”， N003 G01 X90 Z-20 F0.2 S1000 T0101 M03 1.1 数控机床的基本概念 数控机床是一种高效、新型的自动化机床，具有广泛的 应用前景。它与普通机床相比具有以下特点： 1适应性、灵活性好； 2精度高、质量稳定； 3生产效率高； 4劳动强度低、劳动条件好； 5有利于现代化生产与管理； 分布式数字控制（Distributed Numerical Control，DNC） 柔性制造系统（Flexible Manufacturing System，FMS） 计算机集成制造系统（Comput

9、er Integrated Manufacturing System，CIMS） 6使用、维护技术要求高。 1.1 数控机床的基本概念 1.1.2 1.1.2 数控机床的组成数控机床的组成 数控机床的种类很多，但任何一种数控机床主要由控制介质、数控机床的种类很多，但任何一种数控机床主要由控制介质、 数控系统、伺服系统和机床主体四部分组成，如图数控系统、伺服系统和机床主体四部分组成，如图1-11-1所示。此外数所示。此外数 控机床还有许多辅助装置。控机床还有许多辅助装置。 图1-1 数控机床的基本组成 （1 1）控制介质）控制介质 指将零件加工信息传送到控制装置中指将零件加工信息传送到控制装置中

10、 去的程序载体。常用的有磁带、磁盘和去的程序载体。常用的有磁带、磁盘和U U盘等。此外，有的盘等。此外，有的 数控机床还采用穿孔带。如果程序简单，可通过编程面板直数控机床还采用穿孔带。如果程序简单，可通过编程面板直 接将程序输入到系统内部。随着接将程序输入到系统内部。随着CAD/CAMCAD/CAM技术的发展，现在技术的发展，现在 大多数控机床都采用大多数控机床都采用CAD/CAMCAD/CAM软件先在个人计算机上进行编软件先在个人计算机上进行编 程，然后通过计算机与数控系统的程，然后通过计算机与数控系统的RS232CRS232C接口进行通信，将接口进行通信，将 程序直接传送给数控装置。程序直

11、接传送给数控装置。 1.1 数控机床的基本概念 磁带、磁盘磁带、磁盘U U 盘盘CF CF 卡卡 穿孔带穿孔带机床传输线机床传输线 1.1 数控机床的基本概念 穿孔带穿孔带 ISOISO标准代码孔标准代码孔 （2）数控系统 数控系统数控机床的核心。现代数控系统由输入装置、 控制运算器和输出装置构成。它将输入装置输入的数字化信 息，经过控制软件或逻辑电路进行编译、运算插补和逻辑处 理后，输出各种信号和指令控制机床的各个部分，进行规定 的、有序的动作。 1.1 数控机床的基本概念 （3）伺服系统 是CNC装置和机床本体的联系环节，它 把来自CNC装置的微弱指令信号通过调解、转换、放大后驱 动伺服电

12、机，通过执行部件驱动机床运动。数控机床的伺服 驱动装置包括主轴控制单元、进给控制单元、可编程控制器 （Programmable Logic Control, PLC）、主轴与进给伺服 电机和测量反馈装置等。 1.1 数控机床的基本概念 面板控制单元 主轴 电机 进给伺服 电机 电子手轮 I/O模块 机床 控制面板 CNC键盘 驱动 系统 直线式光栅传感器直线式光栅传感器 1.1 数控机床的基本概念 AC伺服电机及其驱动器旋转编码器(增值型) 交流直线电机及其驱动器 步进电机及其驱动器 1.1 数控机床的基本概念 （4）机床主体 也称主机，它包括机床的主运动部 件、进给运动部件、执行部件和基础部

13、件，如主轴、滚 动导轨、滚珠丝杠、工作台（或刀架）、底座、立柱、 滑鞍等。 1.1 数控机床的基本概念 数数 控控 车车 床床 斜斜 置置 床床 身身 数控车床正置床身数控车床正置床身 数控机床的 床身、立柱 1.1 数控机床的基本概念 卧式加工中心的框架式立柱卧式加工中心的框架式立柱 1.1 数控机床的基本概念 立式加工中心立柱立式加工中心立柱 数控机床的滚珠丝杠 1.1 数控机床的基本概念 滚珠丝杠螺母副的外循环方式滚珠丝杠螺母副的外循环方式 1弯管；2压板；3丝杠；4 滚环；5螺纹管道 1.1 数控机床的基本概念 滚动导轨块的结构滚动导轨块的结构 直线滚动导轨直线滚动导轨 静静 压压 导

14、导 轨轨 工工 作作 原原 理理 1.1 数控机床的基本概念 （5）辅助装置 1）液压和气动装置； 2）自动换刀装置（Automatic Tool Changer， ATC）； 3）自动工作台交换装置（Automatic Pallet Changer，APC） 4）自动对刀仪 5）自动排屑装置 6）电、液、气、冷却、润滑、防护装置等 1.1 数控机床的基本概念 数控车床自动换刀装置数控车床自动换刀装置 双刀架双刀架 带动力头卧式回转刀架带动力头卧式回转刀架 卧式回转刀架卧式回转刀架 立式回转方刀架立式回转方刀架 1.1 数控机床的基本概念 斗笠式刀库斗笠式刀库 链式刀库链式刀库 盘式刀库盘式刀

15、库 加工中心自动换刀装置加工中心自动换刀装置 1.1 数控机床的基本概念 加工中心刀具测量、工件测量系统加工中心刀具测量、工件测量系统 加工中心刀具预调仪加工中心刀具预调仪 1.1 数控机床的基本概念 车床用光学对刀仪车床用光学对刀仪 车床用车床用HPAHPA （High Precision ArmHigh Precision Arm） 刀具测量系统刀具测量系统 1.1.3 1.1.3 数控机床的工作过程数控机床的工作过程 如图1-2所示，数控机床的加工，首先要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，然后将加 工程序输入到数控系统，在数控系统控制软件的支持下，

16、经过处理与 计算后，发出相应的控制指令，通过伺服系统使机床按预定的轨迹运 动，从而完成零件的加工。 1.1 数控机床的基本概念 图1-2 数控机床的工作原理 1.1 数控机床的基本概念 （1）零件图工艺处理 工件的形状、尺寸、位置关系、 技术要求等进行分析;确定合理的加工方案、加工路线、装夹 方式、刀具及切削参数，同时还要考虑所用数控机床的指令 功能。 （2）数学处理 主要是计算出轮廓轨迹上的坐标值。 （3）数控编程 编写数控加工程序、程序仿真。 （4）程序输入 目前采用的输入方法主要有键盘、软驱 、USB接口、RS232C接口、DNC接口、网络接口等。数控系统 一般有两种不同的输入工作方式：

17、一种是边输入边加工，DNC 即属于此类工作方式；另一种是一次将零件数控加工程序输 入到计算机内部的存储器，加工时再由存储器一段一段地往 外读出，软驱、USB接口即属于此类工作方式。 （5）译码 数控系统按一个程序段为单位，按照一定 的语法规则把数控程序解释、翻译成计算机内部能识别的数 据格式，并以一定的数据格式存放在指定的内存内。同时还 完成对程序段的语法检查。 1.1 数控机床的基本概念 （6）数据处理 一般包括刀具补偿、速度计算以及辅 助功能的处理程序。刀具补偿有刀具半径补偿和刀具长度补 偿。刀具半径补偿的任务是根据刀具半径补偿值和零件轮廓 轨迹计算出刀具中心轨迹。刀具长度补偿的任务是根据

18、刀具 长度补偿值和程序值计算出刀具轴向实际移动值。速度计算 是根据程序中所给的合成进给速度计算出各坐标轴运动方向 的分速度。辅助功能的处理主要完成指令的识别、存储、设 标志等。 （7）插补 数控系统运用一定的算法，完成在轮廓起点 和终点之间的中间点的坐标值计算，即数据点的密化工作。 通常把数控机床上刀具运动轨迹是直线的加工，称为直线插补。如图a所示。 刀具运动轨迹是圆弧的加工，称为圆弧插补。如图b所示。数控系统一般都具有直 线和圆弧插补功能。目前普遍应用的插补算法可分为两大类：一类是基准脉冲插补 ；另一类是数据采样插补。 a）直线插补 1.1 数控机床的基本概念 b）圆弧插补 （8）伺服控制与

19、加工 伺服系统接受插补运算后的脉冲指 令信号或插补周期内的位置增量信号，经放大后驱动伺服电机， 带动机床的执行部件运动。 1.1 数控机床的基本概念 逐点比较法直线插补逐点比较法圆弧插补 数字积分法直线插补 数字积分法圆弧插补 1.1.4 1.1.4 数控机床的技术性能指标数控机床的技术性能指标 1 1数控机床的精度指标数控机床的精度指标 （1 1）定位精度和重复定位精度）定位精度和重复定位精度 定位精度定位精度是指数控机床工作台等移动部件在确定的终点所达到的实是指数控机床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。因此移动部件实际位置与理想位置之间的误差称为定位际位置的精度。因此移

20、动部件实际位置与理想位置之间的误差称为定位 误差。定位误差包括伺服系统、检测系统、进给系统、移动部件导轨的误差。定位误差包括伺服系统、检测系统、进给系统、移动部件导轨的 几何误差等误差等。定位误差将直接影响零件加工的位置精度。几何误差等误差等。定位误差将直接影响零件加工的位置精度。 重复定位精度重复定位精度是指在同一台数控机床上，应用相同程序相同代码加是指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。重复定位精度受伺服系统工一批零件，所得到的连续结果的一致程度。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。一般重复定特性、进给

21、系统的间隙与刚性以及摩擦特性等因素的影响。一般重复定 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。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。 对于中小型数控机床，定位精度一般对于中小型数控机床，定位精度一般0.015mm,0.015mm,重复定位精度为重复定位精度为 0.003mm0.003mm。 1.1 数控机床的基本概念 （2 2）分度精度）分度精度 分度精度分度精度是指分度工作台在分度时，理论要求回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

22、位在空间的角度位置，也影响孔系加工的同轴度等。位在空间的角度位置，也影响孔系加工的同轴度等。 （3 3）分辨度与脉冲当量）分辨度与脉冲当量 分辨度分辨度是指两个相邻分散细节之间可以是指两个相邻分散细节之间可以 分辨的最小间隔。对测量系统而言，分辨度是可以测量的最小增量；分辨的最小间隔。对测量系统而言，分辨度是可以测量的最小增量； 对控制系统而言，分辨度是可以控制的最小位移增量，即数控装置每对控制系统而言，分辨度是可以控制的最小位移增量，即数控装置每 发出一个脉冲信号，反映到机床移动部件上的移动量，一般称为脉冲发出一个脉冲信号，反映到机床移动部件上的移动量，一般称为脉冲 当量，脉冲当量是设计数控

23、机床的原始数据之一，其数值的大小决定当量，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。目前普通数控机床的脉冲当量一般数控机床的加工精度和表面质量。目前普通数控机床的脉冲当量一般 采用采用0.001mm0.001mm，精密或超精密数控机床的脉冲当量采用精密或超精密数控机床的脉冲当量采用0.10.1（甚至（甚至0.010.01 ）mm 。脉冲当量越小，数控机床的加工精度和加工表面质量越高。脉冲当量越小，数控机床的加工精度和加工表面质量越高。 1.1 数控机床的基本概念 2 2数控机床的可控轴数与联动轴数数控机床的可控轴数与联动轴数 数控机床的可控轴数数控机

24、床的可控轴数是指机床数控装置能够控制的坐标数目。数是指机床数控装置能够控制的坐标数目。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。世界上最高级数控装置的可控轴数已达到三十多轴。有关。世界上最高级数控装置的可控轴数已达到三十多轴。 数控机床的联动轴数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。间某一点的坐标数目。 3 3数控机床的运动性能指标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主轴转速、进给速度、坐标行数控机床的运动性能

25、指标主要包括主轴转速、进给速度、坐标行 程、摆角范围和刀库容量及换刀时间等。程、摆角范围和刀库容量及换刀时间等。 1.1 数控机床的基本概念 4 4数控系统的技术性能指标数控系统的技术性能指标 （1 1）数控系统的）数控系统的CPUCPU （2 2）数控系统的分辨率）数控系统的分辨率 （3 3）控制功能）控制功能 （4 4）伺服驱动系统的性能）伺服驱动系统的性能 （5 5）数控系统内置）数控系统内置PLCPLC功能功能 （6 6）系统的通讯接口功能）系统的通讯接口功能 （7 7）系统的开放性）系统的开放性 （8 8）可靠性和故障自诊断）可靠性和故障自诊断 数控系统的可靠性一般都以平均无故障时间

26、（数控系统的可靠性一般都以平均无故障时间（Mean Time Between Mean Time Between FailureFailure，MTBFMTBF）来衡量，它是指一台数控机床在使用中两次故障的平均时）来衡量，它是指一台数控机床在使用中两次故障的平均时 间，即数控机床在寿命范围内总工作时间和总故障次数之比，即：间，即数控机床在寿命范围内总工作时间和总故障次数之比，即： MTBF= 1.1 数控机床的基本概念 1.2 数控机床的分类 1.2.1 1.2.1 按运动控制的特点分类按运动控制的特点分类 1 1点位控制数控机床点位控制数控机床 1.2 数控机床的分类 对于一些加工孔用的数控

27、机对于一些加工孔用的数控机 床，如数控钻床，数控镗床，数床，如数控钻床，数控镗床，数 控冲床，三坐标测量机，印刷电控冲床，三坐标测量机，印刷电 路板钻床等。它们只要求获得精路板钻床等。它们只要求获得精 确的孔隙坐标定位精度，而不管确的孔隙坐标定位精度，而不管 从一个孔到另一个孔是按照什么从一个孔到另一个孔是按照什么 轨迹运动，在刀具运动过程中，轨迹运动，在刀具运动过程中， 不进行切削加工。如图不进行切削加工。如图1-21-2所示。所示。 2 2直线控制数控机床直线控制数控机床 1.2 数控机床的分类 直线控制数控机床不仅要求控制直线控制数控机床不仅要求控制 点到点的精确定位，而且要求机床工点到

28、点的精确定位，而且要求机床工 作台或刀具（刀架）以给定的进给速作台或刀具（刀架）以给定的进给速 度，沿平行于坐标轴的方向或与坐标度，沿平行于坐标轴的方向或与坐标 轴成轴成4545角的方向进行直线移动和切角的方向进行直线移动和切 削加工。目前具有这种运动控制的数削加工。目前具有这种运动控制的数 控机床很少。现代组合机床采用数控控机床很少。现代组合机床采用数控 技术，驱动各种动力头、多轴箱轴向技术，驱动各种动力头、多轴箱轴向 进给钻、镗、铣等加工，也算是一种进给钻、镗、铣等加工，也算是一种 直线控制数控机床。直线控制也称为直线控制数控机床。直线控制也称为 单轴数控。单轴数控。 3 3轮廓控制的数控

29、机床轮廓控制的数控机床 1.2 数控机床的分类 可以加工斜线、曲线、曲面的数可以加工斜线、曲线、曲面的数 控的机床。如数控车床、数控铣床、控的机床。如数控车床、数控铣床、 加工中心等，它们都具有同时控制两加工中心等，它们都具有同时控制两 个、或两个以上坐标进行联动（即进个、或两个以上坐标进行联动（即进 行插补）的数控机床。该类机床在加行插补）的数控机床。该类机床在加 工过程中，每时每刻都对各坐标的位工过程中，每时每刻都对各坐标的位 移和速度进行严格的不间断的控制，移和速度进行严格的不间断的控制， 故称具有这种控制功能的机床为轮廓故称具有这种控制功能的机床为轮廓 控制数控机床。现代数控机床绝大部

30、控制数控机床。现代数控机床绝大部 分都具有这种控制功能。分都具有这种控制功能。 1.2.2 1.2.2 按伺服系统的类型分类按伺服系统的类型分类 1 1开环控制的数控机床开环控制的数控机床 这类数控机床没有位置检测反馈装置，数控装置发出的指令信号流这类数控机床没有位置检测反馈装置，数控装置发出的指令信号流 程是单向的，其精度主要决定于驱动元器件和电动机（步进电动机）的程是单向的，其精度主要决定于驱动元器件和电动机（步进电动机）的 性能。这种数控机床调试简单，系统也较容易稳定，精度较低，成本低性能。这种数控机床调试简单，系统也较容易稳定，精度较低，成本低 廉，多见于经济型的中小型数控机床和旧设备

31、的技术改造中。图廉，多见于经济型的中小型数控机床和旧设备的技术改造中。图1-71-7所所 示开环控制系统框图。示开环控制系统框图。 图图1-7 1-7 开环控制系统框图开环控制系统框图 1.2 数控机床的分类 2 2闭环控制的数控机床闭环控制的数控机床 该类机床数控装置中插补器发出的位置指令信号与工作台（或刀该类机床数控装置中插补器发出的位置指令信号与工作台（或刀 架）上检测到的实际位置反馈信号进行比较，根据其差值不断控制运架）上检测到的实际位置反馈信号进行比较，根据其差值不断控制运 动，进行误差修正，直至差值为零停止运动。这种具有反馈控制的系动，进行误差修正，直至差值为零停止运动。这种具有反

32、馈控制的系 统，在电气上称为闭环控制系统，如图统，在电气上称为闭环控制系统，如图1-81-8所示闭环控制系统框图。所示闭环控制系统框图。 图图1-8 1-8 闭环控制系统框图闭环控制系统框图 1.2 数控机床的分类 3 3半闭环控制的数控机床半闭环控制的数控机床 大多数数控机床采用半闭环控制系统，它的检测元件装在电动机大多数数控机床采用半闭环控制系统，它的检测元件装在电动机 轴或丝杠轴的端部，这种系统的闭环控制环内不包括机械传动环节，轴或丝杠轴的端部，这种系统的闭环控制环内不包括机械传动环节， 因此可以获得稳定的控制特性，该系统反馈的只是进给传动系统的部因此可以获得稳定的控制特性，该系统反馈的

33、只是进给传动系统的部 分误差；一般是电动机轴或丝杠轴的角位移、角速度，还要经过转换分误差；一般是电动机轴或丝杠轴的角位移、角速度，还要经过转换 处理才是工作台（或刀架）的实际位移。处理才是工作台（或刀架）的实际位移。 图图1-9 1-9 半闭环控制系统框图半闭环控制系统框图 1.2 数控机床的分类 1.2.3 1.2.3 按工艺方法分类按工艺方法分类 1 1金属切削类数控机床金属切削类数控机床 如：数控车床、数控铣床、数控钻床、数控磨床、带有刀库和能如：数控车床、数控铣床、数控钻床、数控磨床、带有刀库和能 实现多工序加工的镗铣加工中心和车削中心等。实现多工序加工的镗铣加工中心和车削中心等。 2

34、 2金属成型类及特种加工类数控机床金属成型类及特种加工类数控机床 金属成形数控机床指使用挤、冲、压、拉等成形工艺的数控机床金属成形数控机床指使用挤、冲、压、拉等成形工艺的数控机床 ，如数控冲床、数控压力机、数控折弯机、数控弯管机、数控旋压机，如数控冲床、数控压力机、数控折弯机、数控弯管机、数控旋压机 等。等。 3 3特种加工数控机床特种加工数控机床 特种加工数控机床主要指数控线切割机、数控电火花成形机床、数特种加工数控机床主要指数控线切割机、数控电火花成形机床、数 控激光切割机床、数控火焰切割机、数控三坐标测量机等。控激光切割机床、数控火焰切割机、数控三坐标测量机等。 1.2 数控机床的分类

35、1.2.4 1.2.4 按功能水平分类按功能水平分类 通常把数控机床分为高、中、低档三类。数控机床水平的高低主通常把数控机床分为高、中、低档三类。数控机床水平的高低主 要指它们的主要技术参数，功能指标和关键部件的功能水平等内涵。要指它们的主要技术参数，功能指标和关键部件的功能水平等内涵。 另一种分法是将数控机床分为经济型（简易）、普及型（全功能）另一种分法是将数控机床分为经济型（简易）、普及型（全功能） 和高档型数控机床。和高档型数控机床。 1.2.5 1.2.5 按加工方式分类按加工方式分类 数控机床和加工中心（带刀库的数控机床）数控机床和加工中心（带刀库的数控机床） 。 1.2 数控机床的

36、分类 CPU分辨率进给速度多轴联动显示通讯 高档数控 32或64位 0.1m或 更小 24100 m/min或 更高 35轴联动 或更多 三维动态图 形显示 MAP和联网 中档数控 16位 1m 1224m/min 35轴联动 或更多 较齐全的 CRT显示。 RS232C或 DNC 低挡数控 8位 10m 615 m/min 23轴 数码显示或 简单的CRT 字符显示 无通讯功能 1.2 数控机床的分类 1.3.1 1.3.1 数控机床的产生与发展数控机床的产生与发展 1. 1948年美国北密支安的一个小型飞机工业承包商帕森斯 公司(Parsons Co)与美国麻省理工学院(MIT)合作，于

37、1952年研制出第一台三坐标数控铣床。1954年底，美国 本迪克斯公司(Bendix Co)在帕森斯专利的基础上生产出 了第一台工业用的数控机床。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 状复杂的零件。这是第一代数控系统。 1.3 1.3 数控机床的产生与发展及技术水平数控机床的产生与发展及技术水平 2.1959年晶体管出现，电子计算机应用晶体管元件和 印刷 电路板，从而使机床数控系统跨入了第二代。而且1959 年克耐杜列克公司（Keaney & Trecker Co简称K&T公司 ）在数控机床上设置刀库，并在刀

38、库中装有丝锥、钻头 、铰刀等刀具，根据穿孔带的指令自动选择刀具，并通 过机械手将刀具装在主轴上，以缩短刀具的装卸时间和 减少零件的定位装卡时间。人们把这种带自动交换刀具 的数控机床称为加工中心（Machining Center，MC）。 3. 20世纪60年代，出现了集成电路，数控系统发展到第三 代。以上三代都属于硬件逻辑数控系统（称为NC）。 1.3 数控机床的产生与发展及技术水平 4.随着计算机技术的发展，小型计算机应用于数控机床中 ，由此组成的数控系统称为计算机数控（CNC），数控 系统进入第四代。 5.20世纪70年代初、微处理机出现，美、日、德等国都迅 速推出了以微处理机为核心的数控

39、系统，这样组成的数 控系统，称为第五代数控系统（MNC，通称为CNC）。 6.1974年美国约瑟夫哈林顿（Joseph Harrington）博士在 Computer Integrated Manufacturing一书中首先提出了计 算机集成制造（CIM）的概念，由此组成的系统称为计 算机集成制造系统（CIMS）。 1.3 数控机床的产生与发展及技术水平 7.进入80年代，微处理机升档更加迅速，故极大地促进了 数控机床向柔性制造单元（Flexible Manufacturing Cell即 FMC）、柔性制造系统（Flexible Manufacturing System 即FMS）方向发展

40、。并奠定了向规模更大、层次更高的 生产自动化系统，如：计算机集成制造系统（CIMS）、 自动化工厂（FA）方向发展的坚实基础 。 8.20世纪80年代末期，又出现了以提高综合效益为目的， 以人为主体，以计算机技术为支柱，综合应用信息、材 料、能源、环境等高新技术以及现代系统管理技术，研 究并改造传统制造过程作用于产品整个生命周期的所有 适用技术通称为先进制造技术。 1.3 数控机床的产生与发展及技术水平 我国从1958年开始研制数控机床，一些高等院校、科 研单位、企业从采用电子管着手，到20世纪60年代曾研究 出部分样机，1965年开始研制晶体管数控系统，到20世纪 70年代初曾研究出数控立铣

41、床、数控车床、数控镗床、数 控磨床和加工中心等。这一时期国产数控系统的稳定性、 可靠性尚未得到很好地解决，因而也限制了国产数控机床 的发展。而数控线切割机床由于其结构简单，价格低廉， 使用方便，得到了较快的发展，据资料统计，19731979 年期间，我国共生产数控机床4180台，而其中数控线切割 机床占86%左右。 1.3 数控机床的产生与发展及技术水平 20世纪80年代初随着改革开放政策的实施，我国开发 了立式、卧式加工中心，立式、卧式数控车床，数控铣床 ，数控钻镗床，数控磨床等。同时还在立式、卧式加工中 心基础上，开发了柔性制造单元FMC和柔性制造系统FMS。 20世纪80年代末期，我国还

42、在一定范围内探索实施CIMS， 且取得了一些有益的经验和教益。20世纪90年代我国还加 强了自主知识产权数控系统的研制工作，而且取得一定的 成效，如中国珠峰公司的中华型、北京航天机床数控系 统集团公司的航天型、华中数控公司的华中型、沈阳 高档数控国家工程研究中心的蓝天型、上海开通数控技 术有限公司KT系统、北京凯恩帝的KND系统和广州数控设 备厂的GSK系列等数控系统。 1.3 数控机床的产生与发展及技术水平 1.3.2 1.3.2 数控技术的发展趋势数控技术的发展趋势 1. 1. 高速化高速化 二十年前，德国切削物理学二十年前，德国切削物理学 家萨洛蒙（家萨洛蒙（SalomonSalomon

43、）提提 出高速加工的概念并对高速出高速加工的概念并对高速 加工进行了深入的研究。其加工进行了深入的研究。其 研究成果表明：随着切削线研究成果表明：随着切削线 速度的增加，温度及刀具磨速度的增加，温度及刀具磨 损会剧烈增加，当切削线速损会剧烈增加，当切削线速 度达到超过某临界值时，切度达到超过某临界值时，切 削温度及切削力会减小，然削温度及切削力会减小，然 后又随着切削速度的增加而后又随着切削速度的增加而 急剧增加急剧增加 。 1.3 数控机床的产生与发展及技术水平 加工中心的主轴转速现已达到800012000r/min， 最高的可达100000r/min以上，磨床的砂轮线速度提高到 10020

44、0m/s。正在开发的采用64位CPU的新型数控系统 （目前数控系统多采用32位以上的高速微处理器），可 实现快速进给、高速加工、多轴控制功能，控制轴数最 多可达到31个，同时联动轴数可达36轴，进给速度为 2024m/min，最快可达60m/min。自动换刀和自动交换 工作台时间也大大缩短，现在数控车床刀架的转位时间 可达0.40.6s，加工中心自动交换刀具时间可达3s，最 快能达到1s以内，自动交换工作台时间也可达到610s ，个别可达到2.5s。 1.3 数控机床的产生与发展及技术水平 2. 2. 高精度化高精度化 数控机床的精度主要体现在定位精度和重复定位精度。数控 机床配置了新型、高速

45、、多功能的数控系统，其分辨率可达到 0.1m，有的可达到0.01m，并且超精密加工精度已开始进入纳米 级（0.001m）。伺服系统采用前馈控制技术、高分辨率的位置检 测元件、计算机数控的补偿功能等，保证了数控机床的高加工精 度。目前数控机床的定位精度可达0.001 mm，重复定位精度可达 0.0005mm。 1.3 数控机床的产生与发展及技术水平 1.3 数控机床的产生与发展及技术水平 超精密数控车床超精密数控车床 NAM-800 超精 密数控车床是北京机 床所精密机电有限公 司最新一代的纳米级 加工机床。它是当今 数控技术、伺服技术 及机械制造技术完美 的统一。该机床为我 国最前沿的科技发展

46、 提供了良好的加工手 段，是我国纳米加工 机床的最新成就。 oo精密制造技术包括精密加工和超精密加工技术、微细加工和超微细精密制造技术包括精密加工和超精密加工技术、微细加工和超微细 加工技术、微型机械等。精密加工和超精密加工的主要方法是精密加工技术、微型机械等。精密加工和超精密加工的主要方法是精密 切削和精密磨削技术等。其加工精度已由微米（切削和精密磨削技术等。其加工精度已由微米（ ）向纳米（）向纳米（ .001.001）级发展。）级发展。 oo超精密加工技术是指被加工零件的尺寸精度高于超精密加工技术是指被加工零件的尺寸精度高于0 01m1m，表面粗表面粗 糙度糙度RaRa小于小于0 0025

47、m025m，以及所用机床定位精度的分辨率和重复性以及所用机床定位精度的分辨率和重复性 高于高于0 001m01m的加工技术，亦称之为亚微米级加工技术，的加工技术，亦称之为亚微米级加工技术， oo纳米技术的基本概念是美国物理学家查特纳米技术的基本概念是美国物理学家查特 范曼于范曼于19591959年提出的。年提出的。 现在，梦想正在变成现实，科学家们预言，现在，梦想正在变成现实，科学家们预言，10-1510-15年内纳米技术的年内纳米技术的 开发将成为仅次于芯片制造的世界第二大制造业。目前，已研制成开发将成为仅次于芯片制造的世界第二大制造业。目前，已研制成 功纳米管、极小的微电机系统、微型机器人

48、等。在精密制造技术中功纳米管、极小的微电机系统、微型机器人等。在精密制造技术中 ，纳米技术是目前最先进的技术。它对于，纳米技术是目前最先进的技术。它对于2121世纪科学的发展提供了世纪科学的发展提供了 一个新的技术基础。一个新的技术基础。 oo微细加工和超微细加工是一种特殊的精密加工，不仅精度高，而且微细加工和超微细加工是一种特殊的精密加工，不仅精度高，而且 尺寸十分微小。其主要工艺方法是光刻（蚀）、沉淀、扩散、离子尺寸十分微小。其主要工艺方法是光刻（蚀）、沉淀、扩散、离子 注入等。注入等。 1.3 数控机床的产生与发展及技术水平 我国超精密加工技术获新突破我国超精密加工技术获新突破 2003

49、2003年年5 5月的一天，一块亮如镜面的铝材凸球面车削月的一天，一块亮如镜面的铝材凸球面车削 样件被小心翼翼地从非球面曲面超精密加工机房上卸下，样件被小心翼翼地从非球面曲面超精密加工机房上卸下， 送入国家级光学计量检验中心检验。现场的人们焦急地等送入国家级光学计量检验中心检验。现场的人们焦急地等 待着检验结果。一个多小时以后，检验结果出来了：车削待着检验结果。一个多小时以后，检验结果出来了：车削 加工样件的面形精度加工样件的面形精度PV=0.228mPV=0.228m，表面粗糙度表面粗糙度 Ra=0.0078mRa=0.0078m，这意味着表面粗糙度仅有不到这意味着表面粗糙度仅有不到8 8纳米。纳米。 现场沸腾了，紧张工作了一个多月的人们击掌相庆，有人现场沸腾了，紧张工作了一个多月的人们击掌相庆，有人 甚至流出了激动的泪水。这是三甚至流出