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1、第一章第一章数控技术及数控机床数控技术及数控机床教学时数：教学时数：2学时学时教学目的与要求：要求学生了解数控教学目的与要求：要求学生了解数控机床的产生、发展，掌握数控机床的组成机床的产生、发展，掌握数控机床的组成和工作原理。和工作原理。教学重点：数控机床的发展情况，数教学重点：数控机床的发展情况，数控机床的工作原理，数控机床的组成及分控机床的工作原理，数控机床的组成及分类。类。教学难点：如何讲清数控机床的工作教学难点：如何讲清数控机床的工作原理。原理。21世纪机械制造业的竟争，其世纪机械制造业的竟争，其实质是数控技术的竟争。实质是数控技术的竟争。覆盖领域：覆盖领域：(1)机械制造技术；机械制
2、造技术；(2)信信息处理、加工、传输技术；息处理、加工、传输技术；(3)自动控制自动控制技术；技术；(4)伺服驱动技术；伺服驱动技术；(5)传感器技术；传感器技术；(6)软件技术软件技术 工业化国家经济总产值的工业化国家经济总产值的50%50%（日本）至（日本）至68%68%（美国）（美国）是由制造业创造的，制造业对发展国家经济有决定性的影响，是由制造业创造的，制造业对发展国家经济有决定性的影响，而发展机床业是发展制造业的根本。而发展机床业是发展制造业的根本。数控机床是典型的机电一体化产品，是现代制造业的主数控机床是典型的机电一体化产品，是现代制造业的主流设备，是体现现代机床技术水平、现代机械
3、制造业工艺水流设备，是体现现代机床技术水平、现代机械制造业工艺水平的重要标志，是关系国计民生、国防尖端建设的战略物资。平的重要标志，是关系国计民生、国防尖端建设的战略物资。当年的当年的“东芝事件东芝事件”和和“考克斯报告考克斯报告”都与此有关。都与此有关。20022002年，我国机床市场消费额达年，我国机床市场消费额达5959亿美元，成为世界第亿美元，成为世界第一。一。我国数控机床总量供给能力不凡，产品品种无重要缺门我国数控机床总量供给能力不凡，产品品种无重要缺门空白，数控机床进入成熟期。但与先进国家相比尚有空白，数控机床进入成熟期。但与先进国家相比尚有30-5030-50年的差距。年的差距。
4、机床数控化率机床数控化率10%10%，数控机床应用水平较低。，数控机床应用水平较低。随着社会生产和科学技术的不断进步，随着社会生产和科学技术的不断进步，各类工业新产品层出不穷。机械制造产业各类工业新产品层出不穷。机械制造产业作为国民工业的基础，其产品更是日趋精作为国民工业的基础，其产品更是日趋精密复杂，特别是在宇航、航海、军事等领密复杂，特别是在宇航、航海、军事等领域所需的机械零件，精度要求更高，形状域所需的机械零件，精度要求更高，形状更为复杂且往往批量较小，加工这类产品更为复杂且往往批量较小，加工这类产品需要经常改装或调整设备。需要经常改装或调整设备。普通机床或专业化程度高的自动化机普通机床
5、或专业化程度高的自动化机床显然无法适应这些要求。同时，随着市床显然无法适应这些要求。同时，随着市场竞争的日益加剧，企业生产也迫切需要场竞争的日益加剧，企业生产也迫切需要进一步提高其生产效率，提高产品质量及进一步提高其生产效率，提高产品质量及降低生产成本。降低生产成本。一种新型的生产设备一种新型的生产设备数控机床就数控机床就应运而生了应运而生了。帕森斯公司正式接受委托，与麻省理帕森斯公司正式接受委托，与麻省理工学院伺服机构实验室（工学院伺服机构实验室（Servo Mechanism Laboratory of the Massachusetts Institute of Technology）合
6、）合作，于作，于1952年试制成功世界上第一台数控年试制成功世界上第一台数控机床试验性样机。机床试验性样机。1959年，美国克耐年，美国克耐杜杜列克公司（列克公司（Keaney&Trecker）首次成功）首次成功开发了加工中心（开发了加工中心（Machining Center）。第第1代数控机床：代数控机床：1952年年1959年采年采用电子管元件构成的专用数控装置用电子管元件构成的专用数控装置（NC）。）。第第2代数控机床：从代数控机床：从1959年开始采用年开始采用晶体管电路的晶体管电路的NC系统。系统。第第3代数控机床：从代数控机床：从1965年开始采用年开始采用小、中规模集成电路的小、
7、中规模集成电路的NC系统。系统。第第4代数控机床：从代数控机床：从1970年开始采用年开始采用大规模集成电路的小型通用电子计算机控大规模集成电路的小型通用电子计算机控制的系统（制的系统（CNC）。）。第第5代数控机床：从代数控机床：从1974年开始采用年开始采用微型计算机控制的系统（微型计算机控制的系统（MNC）。）。1958年开始并试制成功第一台电子管数控年开始并试制成功第一台电子管数控机床。机床。1965年开始研制晶体管数控系统，直到年开始研制晶体管数控系统，直到20世纪世纪60年代末至年代末至70年代初成功。从年代初成功。从20世纪世纪80年代年代开始，先后从日本、美国、德国等国家引进先
8、进开始，先后从日本、美国、德国等国家引进先进的数控技术。如北京机床研究所从日本的数控技术。如北京机床研究所从日本FANUC公司引进公司引进FANUC3、FANUC5、FANUC6、FANUC7系列产品的制造技术；上海机床研究所系列产品的制造技术；上海机床研究所引进美国引进美国GE公司的公司的MTC-1数控系统等。数控系统等。数控系统功用：接受数控装置送来的脉冲信号,经过数控系统的逻辑电路或系统软件进行编译、运算和逻辑处理后，输出各种信息和指令，控制机床各部分进行规定的动作。1.1.4 数控加工技术的发展趋势从数控机床技术水平看，高精度、高速度、高性能、从数控机床技术水平看，高精度、高速度、高性
9、能、高可靠性和集成化是数控机床的重要发展趋势。高可靠性和集成化是数控机床的重要发展趋势。数控系统都采用了数控系统都采用了16位和位和32位微处理器，标准总线位微处理器，标准总线及软件模块和硬件模块结构，内存容量扩大到及软件模块和硬件模块结构，内存容量扩大到1MB以上，以上，机床分辨率可达机床分辨率可达0.1 m，高速进给可达，高速进给可达100m/min，控制，控制轴数可达轴数可达16个。个。1.数控装置方面数控装置方面 4.程序编制技术方面程序编制技术方面2.伺服系统方面伺服系统方面 5.CAD/CAM、FMC、FMS、3.机床主体方面机床主体方面 CIMS所谓计算机直接数控（所谓计算机直接
10、数控（Direct Numerical Control，DNC）系统，即使用）系统，即使用一台计算机为数台数控机床进行自动编程，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编程结果直接通过数据线输送到各台数控机床的控制箱。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）也叫做计算机群控自动线，它是将一群数控机床用算机群控自动线，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机的统一控制之下，形成一个用于制造的整体
11、。整体。计算机集成制造系统（计算机集成制造系统（Computer-Integrated Manufacturing System，CIMS），是指用最先进的计算机技术，），是指用最先进的计算机技术，控制从定货、设计、工艺、制造到销售的控制从定货、设计、工艺、制造到销售的全过程，以实现信息系统一体化的高效率全过程，以实现信息系统一体化的高效率的柔性集成制造系统。的柔性集成制造系统。一、数控机床与普通机床的区别对夹具和刀具的要求较高）数控机床对刀具的要求:精度较高、寿命高、尺寸稳 定、变化小；快速换刀；刀柄应为标准系列；能很好地控制切屑的折 断、卷曲和排出；具有很好的可冷却性能。二、数控机床的适用
12、范围 数控机床工作时，不需要操作工人数控机床工作时，不需要操作工人直接操纵机床，但机床又必须执行人的直接操纵机床，但机床又必须执行人的意图，这就需要在人与机床之间建立某意图，这就需要在人与机床之间建立某种联系，这种联系的中间媒介物即称为种联系，这种联系的中间媒介物即称为控制介质。控制介质。数控装置是一种控制系统，是数控机数控装置是一种控制系统，是数控机床的中心环节。它能自动阅读输入载体上床的中心环节。它能自动阅读输入载体上事先给定的数字，并将其译码，从而使机事先给定的数字，并将其译码，从而使机床进给并加工零件，数控系统通常由输入床进给并加工零件，数控系统通常由输入装置、控制器、运算器和输出装置
13、装置、控制器、运算器和输出装置4大部大部分组成分组成。伺服系统由伺服驱动电动机和伺服驱伺服系统由伺服驱动电动机和伺服驱动装置组成，它是数控系统的执行部分。动装置组成，它是数控系统的执行部分。伺服系统接受数控系统的指令信息，并按伺服系统接受数控系统的指令信息，并按照指令信息的要求带动机床的移动部件运照指令信息的要求带动机床的移动部件运动或使执行部分动作，以加工出符合要求动或使执行部分动作，以加工出符合要求的工件。每一个脉冲使机床移动部件产生的工件。每一个脉冲使机床移动部件产生的位移量叫做脉冲当量。目前所使用的数的位移量叫做脉冲当量。目前所使用的数控系统脉冲当量通常为控系统脉冲当量通常为0.001
14、mm/脉冲。脉冲。辅助控制系统是介于数控装置和机床辅助控制系统是介于数控装置和机床机械、液压部件之间的强电控制装置。机械、液压部件之间的强电控制装置。机床本体是数控机床的主体，由机床机床本体是数控机床的主体，由机床的基础大件（如床身、底座）和各运动部的基础大件（如床身、底座）和各运动部件（如工作台、床鞍、主轴等）所组成。件（如工作台、床鞍、主轴等）所组成。1.3.2 数控机床的工作原理数控机床加工零件数控机床加工零件,首先要将被加工零首先要将被加工零件的图样及工艺信息数字化件的图样及工艺信息数字化,用规定的代码用规定的代码和程序式编写加工程序和程序式编写加工程序,然后将所编写程序然后将所编写程
15、序指令输入到机床的数控装置中。数控装置指令输入到机床的数控装置中。数控装置再将程序再将程序(代码代码)进行译码、运算，向机床进行译码、运算，向机床各个坐标的伺服机构和辅助控制装置发出各个坐标的伺服机构和辅助控制装置发出信号，驱动机床各运动部件，控制所需要信号，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。的辅助运动，最后加工出合格零件。数控系统的主要任务之一就是控制执数控系统的主要任务之一就是控制执行机构按预定的轨迹运动。一般情况是已行机构按预定的轨迹运动。一般情况是已知运动轨迹的起点坐标、终点坐标和曲线知运动轨迹的起点坐标、终点坐标和曲线方程，由数控系统实时地算出各个中间点方
16、程，由数控系统实时地算出各个中间点的坐标。即需要的坐标。即需要“插入、补上插入、补上”运动轨迹运动轨迹各个中间点的坐标，通常这个过程就称为各个中间点的坐标，通常这个过程就称为“插补插补”。这类机床主要有这类机床主要有数控坐标镗床、数控坐标镗床、数控钻床、数控数控钻床、数控点焊机和数控折点焊机和数控折弯机等，其相应弯机等，其相应的数控装置称为的数控装置称为点位控制数控装点位控制数控装置。置。图1.2 点位控制钻孔加工示意图工件刀具这类机床主要有数这类机床主要有数控车床、数控磨床控车床、数控磨床和数控镗铣床等，和数控镗铣床等，相应的数控装置称相应的数控装置称为直线控制装置。为直线控制装置。图1.3点位直线控制切削加工属于这类机床的有数属于这类机床的有数控车床、数控铣床、控车床、数控铣床、加工中心等。其相应加工中心等。其相应的数控装置称为轮廓的数控装置称为轮廓控制装置。轮廓数控控制装置。轮廓数控装置比点位、直线控装置比点位、直线控制装置结构复杂得多，制装置结构复杂得多，功能齐全得多。功能齐全得多。工件刀具图1.4轮廓控制数控机床的加工示意图开环进给伺服开环进给伺服系统通常不带系统通常不带有位
