数控技术 绪论.docx
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数控技术绪论
第一章绪论
第一节概述
1、什么是数控技术
2、什么是数控机床
3、数控机床加工工件的过程
4、数控机床的组成
5、计算机数控系统
5.1CNC装置
5.2输入输出设备和控制介质
5.3伺服单元、驱动装置和测量装置
6、机床本体
7、数控技术的知识体系
8、数控机床的发展历史
1、什么是数控技术
广义的数控技术：
以计算机技术为核心，结合控制理论所发展起来的所有自动控制领域的一切应用与实践技术。
具体指由计算机代表的控制装置通过指令对某一工作过程自动控制的技术。
计算机是实现手段，控制理论是实现方法。
具体的例子：
温度控制、机器人控制、机床与机械运动的控制、汽车的控制、卫星运动轨迹的控制以及太空探索的控制等等。
现代数控技术已广泛应用于国民经济各行业，如轻工、农业、能源、交通、材料、医疗、环保、信息、国防工业等的生产装备和成套技术装备。
本课程以“机床”为对象来学习数控技术，原因有：
（1）机床是工作母机（制造机器的机器），无论是控制的精度、控制的运动复杂性以及设备本身的复杂性，其要求比其他机械要高，数控技术的应用也最全面；
（2）机床的运动控制要求与一般机械类似，机床控制运用的数控技术具有普遍性；
（3）同学们毕业后主要接触的设备就是数控机床
所以本课程讨论的数控技术其实就是机床数控技术，它指的是利用数字或数字化信息构成的程序对机床工作过程进行自动控制的技术。
2、什么是数控机床
采用数控技术对加工过程进行控制的机床称为数控机床。
数控机床包括有机床和数控系统，所以可以说数控机床是装备了数控系统的机床。
数控机床研发出来的时候，其目的是为了以精确的方式加工具有复杂形状的零件（能实现多轴联动，所以能够加工复杂形状的零件）。
因此，数控装置主要应用于铣床（用铣刀在工件上加工各种表面的机床，可以加工平面、沟槽，也可以加工各种曲面、齿轮、螺纹和花键轴，此外还能加工比较复杂的型面）。
然而，为了提高生产率，应用NC（数控）技术变得流行起来，并且出现了各种具有NC（数控系统）的机床，包括比如车床、加工中心和钻床。
特别地，NC（数控技术）除了在传统机床有所应用之外，它的应用还延伸到了非传统机床，比如线切割机床和激光切割机。
数控机床可分为“金属切削机床”和“非切削加工机床”。
金属切削机床指的用切削、磨削等加工方法加工金属工件，使之获得所要求的几何形状、尺寸精度和表面质量，比如铣床、车床；非切削加工机床通过施加力来改变毛坯的形状，比如冲床（强迫金属进入模具）。
3、数控机床加工工件的过程
（1）首先要根据零件的图样与工艺方案，用规定的格式编写程序；
（2）将编好的程序记录在控制介质上，通过输入装置输入到数控装置；
（3）数控装置将输入的程序经过运算处理后，向机床各个坐标的伺服系统发出速度和位移指令；
（4）伺服系统根据数控装置发出的指令，通过伺服执行机构（如步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机），经传动装置（如滚珠丝杠螺母副等），驱动机床各运动部件，使机床按照程序规定的动作顺序、速度和位移量进行工作，从而加工出符合图样要求的零件。
（进给伺服系统主要由以下几个部分组成：
伺服驱动电路、伺服驱动装置（电机）、位置检测装置、机械传动机构以及执行部件。
进给伺服系统接受数控系统发出的进给位移和速度指令信号，由伺服驱动电路作一定的转换和放大后，经伺服驱动装置和机械传动机构，驱动机床的执行部件进行工作进给和快速进给）。
4、数控机床的组成（数控系统+机床本体）
在数控机床的定义中我们就已经说了，数控机床是装有数控系统的机床，它包括机床本体和数控系统，所以大体上说，数控机床是由数控系统和机床本体组成的。
按照数控机床的功能画了这么个框图。
虚线这块儿我们把它叫做计算机数控系统。
计算机数控系统的重要部分就是数控装置，数控装置是数控系统的大脑。
数控装置采用计算机作为控制部件，通常由其内部的数控系统软件实现部分或全部数控功能，从而对机床运动进行实时控制。
只要改变计算机数控系统的控制软件就能实现一种全新的控制方式。
数控系统里面还有一些细节，进给伺服装置这些，我们都统称为计算机数控系统。
右边这块儿就是机床，机床的本体，它由一些关键的功能部件组成。
左边主要是电气这部分，右边主要是机械这部分。
数控机床功能图：
5、计算机数控系统
下面我们来介绍数控系统。
这里面有好几个功能，输入设备、PLC、CNC、机床的I/O（接口电路）、主轴驱动、进给伺服驱动（这两个驱动是有所不同的），这块儿统称为数控系统。
数控系统是我们这门课程介绍的主要内容，是基于计算机技术的控制系统。
数控系统具体的组成有这么几个部分：
CNC装置；输入输出设备和控制介质；伺服单元、驱动装置和测量装置。
5.1CNC装置（硬件—软件—具体作用）
CNC装置由三部分组成，计算机、PLC和接口。
（1）计算机，这个计算机的硬件组成跟我们的计算机是一样的，但是这个计算机装的可不是我们现在玩儿的游戏、word、Excel，我们装的软件是什么呢，管理软件：
；第二部分我们进行控制的软件即控制软件，这是它的核心：
。
硬件这个筐里装的萝卜不一样，那么计算机所表现出来的功能就不一样。
所以这里面硬件是通用的，软件是专用的。
用通用的硬件加上专用的软件就组成了我们机床的数控系统。
当然你这个里面控制软件，你是控制机器人，控制汽车，那可能就成了另外一种数控系统。
我们机床数控系统的软件是根据机床所需要的管理软件和控制软件而设计的。
所以实际上为什么我们讲软件很重要，因为软件是知识的载体。
机床加工的工艺、加工的方法，包括我们机床本身的一些监控都是通过软件的方式来实现的。
（2）PLC，PLC对我们机床在加工过程中的一些逻辑信号（逻辑信号就是指与、或、非及它们的组合的信号如与信号，高电平设为1，低电平设为0.则由“与逻辑”可得1&0=0，输出就是低电平。
其他依次类推）进行处理的装置。
它的英文名字叫做ProgrammableLogicController，可编程逻辑控制器。
它跟我们前面这一个计算机这一块儿所接受处理的任务是不一样的。
PLC这块儿呢没有展开，它的硬件和软件没有展开（计算机硬件、软件各自的作用，只有硬件能否实现功能，只有软件能否实现功能，前几代数控机床好像只有硬件，所以好像只有硬件能实现功能）。
PLC的硬件实际上跟我们计算机里面的硬件很多是类似的。
PLC的硬件要根据工厂的应用需要，在硬件结构上，包括在连线方面有特殊要求，比如联网、输入输出，有一些专用的形态。
但功能是一样的，有CPU、存储器、总线，大部分没有显示。
应用于数控系统的PLC通过一些总线和CNC计算机这块儿通信，获得数据交换。
（3）另外呢就是一些接口。
我们再进一步来讲
（1）计算机主控制系统（CNC装置）
组成：
计算机系统、位置控制板、PLC接口板、通讯接口板、特殊功能模块以及相应的控制软件。
作用：
数据管理（计算机实际上就是做0、1计算的，所有的计算都是通过0和1演变过来的，0和1组成了数据，海量数据，我们面对这些数据，要进行管理，我们对数据要进行存储，要进行交换，要把加工数据比如从CAM软件搬到这儿来，我们画的零件图，我们通过CAM软件把它变成代码，然后我们要跟数控机床交互，那么采取什么方式呢，其实我们计算机主控系统来做，完了以后把它存储起来）、人机界面（人和机械之间怎么来进行对话，怎么让机械懂得人的意思，怎么让机械根据人的意图进行运动，这些是有一个界面的。
好的人机界面使得我们操作起来简单方便）：
根据输入的零件加工程序进行相应的处理（如运动轨迹处理、机床输入输出处理等），位置控制（体现数控机床功能这一块儿，机床运动是有规定的，要求它走到哪儿就得走到哪儿，这些软件我们把它编辑出来它所完成的功能叫做位置控制）：
输出控制命令到相应的执行部件（伺服单元、驱动装置和PLC等），所有这些工作是由CNC装置内硬件和软件协调配合，合理组织，使整个系统有条不紊地进行工作的。
（2）接口
与上位机的通信接口：
串行通信+网络通信（通信有串口、USB口，有网络通信这些）
与各种输入/输出设备接口（我们讲的计算机外设输入输出有光盘、打印机，我们数控机床也一样，我们传统的数控机床还有什么穿孔纸带，我们把G代码通过穿孔纸带弄出来之后保存下来，所以要和周围的输入输出设备进行接口）
与机床侧信号往来的I/O接口（I/O信号，也包括模拟量的信号，模拟量信号比如温度信号、振动信号，转换的话可以把它转换成数字量，通过这个接口来跟数控系统进行交互）。
（可分为模拟信号和数字信号两种，其波形如图1所示。
这些模拟信号和数字信号再细分，又可分为直流信号、交流信号、频率调制信号、脉宽调制信号和串行数据信号）
（3）PLC
实际上有专门的课程对它进行介绍，这里简单介绍，应用于数控系统的PLC跟普通的PLC有很多类似的地方，但有不同的地方。
应用于数控系统的PLC主要是跟数控系统进行通信。
用于完成与逻辑运算有关顺序动作的I/O控制：
a）接收CNC的M、S、T指令，对其进行译码并转换成对应的控制信号，控制辅助装置完成机床相应的开关动作
b）接受操作面板和机床侧的I/O信号，送给CNC装置，经其处理后，输出指令控制CNC系统的工作状态和机床的动作
c）梯形图：
机床开发用户（机床开发用户进行编制的，我们根据我们开发的数控机床的不同，我们编制的梯形图不同。
比如铣床，铣床编制的梯形图和车床编制的梯形图是不一样的，根据自己的需要来编制这些控制的程序，实现对MST以及机床侧信号的处理）
5.2输入/输出设备和控制介质
输入设备是对我们加工的零件的程序进行读写，CAM软件所编出来的代码通过输入设备读到数控装置中。
另外对一个零件加工完之后，我们如果有些数据需要保存下来，我们需要把它输出，通过接口跟输出设备进行相连。
比如说加工箱体、叶片，如果箱体叶片通过各种验证加工完了发现这些程序是对的，我们要把它保存下来，这个时候就要从机床里面拿出来，否则哪天万一这个数控机床坏了，编制的程序就没办法读出来利用。
叶片复杂的G代码如何编写，没有这方面的技术人员。
⏹控制介质是记录零件加工程序的媒介
⏹输入输出设备是CNC系统与外部设备进行交互的装置。
交互的信息通常是零件加工程序。
即将编制好的记录在控制介质上的零件加工程序输入CNC系统或将调试好了的零件加工程序通过输出设备存放或记录在相应的控制介质上。
⏹数控机床常用的控制介质和输入输出设备见下表：
5.3伺服单元（亦称伺服放大器、驱动器）、驱动装置和测量装置
计算机数控系统里面还有主轴驱动单元和伺服进给单元。
这些都是执行元件。
伺服单元根据数控装置发过来的指令来对主轴进行驱动的这么一个功能模块。
我们把驱动的位置的结果我们把它实际测量出来以后返回给数控装置。
这是我们在数控系统里面核心的一个内容。
（1）伺服单元和驱动装置
主轴伺服驱动装置和主轴电机（主轴是动力装置，产生切削力）
进给伺服驱动装置和进给电机
（2）测量装置
位置和速度测量装置，（它实现进给伺服驱动到达指定位置的监测元件）以实现进给伺服系统的闭环控制
（3）作用
保证灵敏、准确地跟踪CNC装置指令：
进给运动指令，实现零件加工的成形运动（速度和位置控制）
主轴运动指令，实现零件加工的切削运动（速度控制）
6、机床本体
机床本体包括进给的机构以及主轴传动的机构这些机械的本体。
最后执行起来是用机械来获得最终的运动结果的。
电气只是提供一个旋转运动，机床本体还包括把旋转运动变成直线运动的转换机构，包括为了实现刀具安装、零件安装、零件运动，这些能够实现动力传输的这么一个机械本体。
这是机床里面机械的内容。
机床：
数控机床的主体，是实现制造加工的执行部件
组成：
由主运动部件、进给运动部件（工作台、拖板以及相应的传动机构）、支承件（立柱、床身等）以及特殊装置（刀具自动变换系统、工件自动交换系统）和辅助装置（如排屑装置等）。
对于数控机床机械结构的要求是非常严格的。
实际上我们现在很多机床厂家真正干的活就是数控机床的机械部分，做数控系统的，像法那克、西门子是做控制部分的，这是两种不同的公司在干的活，分工不同。
数控机床机械结构的特点：
（1）简化的机械传动结构：
高效率、无间隙、低摩擦传动
数控机床的结构和传统机床的结构有不同的地方，数控机床的传动结构非常简单。
我们过去的机床要实现速度的变化，用很多齿轮。
我们加工的时候，随着工艺的不同，我们切削的速度要求不同，比如我们要实现强力切削，这个时候我们切削的速度很低，进给量大，但是如果我们要进行精加工，这个时候我们速度要求高速，进给量小，这个时候我们换另外一种齿轮。
车床里面主要就是齿轮箱，通过齿轮的对数来实现它的变速，但是我们利用数控机床，用数控的方式来实现变速的话，用电机，传动非常简单。
这种简化的机械结构就获得了高效率、无间隙、低摩擦这些我们在控制里面所需要的这些结果，还有无级变速，我们用控制的方式可以获得无级变速，我们想获得哪种速度就获得哪种速度。
（2）高刚度、轻质量：
抗振性
我们在机床机械结构设计的时候希望刚度好，质量要轻，这个目的是干什么呢，就是为了增加我们的抗振性，这个抗振性的目的就是为了实现精度，实现高精度，所以往往这个高刚度、轻质量，我们机床有一种叫做机床的拓扑结构，我们要把机床一些没有用的东西，没有用的质量我们要把它抠掉，抠掉之后同时呢还不影响机床的刚度
（3）机床热、力对称：
变形小
热和力这两个物理量造成的变形，我们对它希望能够降低到最小，所以在力和热的设计方面呢，我们要有些对称性，我们希望通过机床结构的布置，因为我们发热和受力的变形对我们加工的影响最小
7、数控技术的知识体系
数控技术是一个综合交叉的技术，实际上是一个应用的技术，我们是把我们过去的，以计算机技术为基础，以自动控制理论为方法的这样的一个技术。
根据数控技术的需要，我这个知识体系大概有哪些。
（1）自动控制原理
控制的关键要素：
控制装置
执行机构→控制目标
反馈装置
（2）自动控制在机床数控技术中的实现
伺服放大伺服电机。
伺服电机对我们的控制系统的指令进行放大的一个转换机构，因为我们这里边都是弱电信号，弱电信号怎么把它变成强电，中间要放大。
一个弱电信号，我们怎么把它放大成能够驱动机床本体高速运动，这个里面显然要有一个放大机构，把弱电信号放大成能够驱动机床本体的这么一个机构。
知识体系：
1进给系统
如果我们细分起来呢，自动控制原理这个体系里面又有两部分，一个是进给机构，它是实现机床的轨迹运动的核心。
程序编制和插补算法实质上是使得我们多个运动轴能够实际协调地运动的这么一个指令。
比如，怎么让机器人的两个腿能够协调地运动，保持我的重心不会因为我这个运动的过程改变而翻倒，那么各个腿各个电机之间它就要有协调的运动，而不能说我的电机走我的，你的电机走你的，这个中间没有任何协调，所以这是一个关键核心。
我们数控机床也是一样，我们要加工一个叶片，我们各个运动轴它之间的运动需要协调一致地进行，否则走出来的轨迹，刀具和工件相对运动的关系，我们得不到我们所希望的目标值，所以呢这个里面（数控装置）需要一些算法。
机器人是一样的，它每个关节上的电机，比如说有六个，有八个，八个电机中间怎么来协调地运动，这个就是一种算法，这个算法基于机器人的重心不至于跌倒，不至于翻转，而且有一定速度能够运动。
机床里面也是一样的，刀具与工件有相对运动的关系，而这个运动关系是我们所期望的，怎么让两个电机、三个电机、四个电机之间运动呢，中间的协调关系什么样子呢，这个里面就是我们讲的插补算法，所以机床的这几个电机不能瞎转，你转你的，我转我的，中间毫无联系，数控系统的一个目的，它的核心的内容就是怎么来协调其他电机各个之间的内在关系，这个内在关系是通过我们计算，数学建模，然后把数学建模变成我们的软件，软件我们再通过计算机输出出一些信号，有数字量信号，有模拟量信号，模拟量信号经过D/A转换，数字信号直接放到下一步去。
最后我们把插补，各个轴之间的协调运动关系我们通过计算出来以后呢给这些伺服放大，然后再对被控对象进行处理，然后我们把进给机构所走的位置以及速度我们把它测量出来以后再返回到我们数控装置里边，是这么一个过程。
知识体系：
2主轴系统
主轴也是要进行控制的。
根据我们工艺的目标的不同，我们需要控制的主轴电机的速度要按照我们的要求去运动。
所以主轴的速度怎么去控制，它的这个思想，它的这个方式跟刚才那个非常类似。
当然有一点在哪里呢，它的控制目标是主轴的速度，主轴我们所期望的速度，以及我们所期望的输出的功率，跟刚才我们那个控制目标不一样，刚才我们的控制目标是希望达到的位置与它的速度，而这个里面我们主要是它的主轴的运动速度。
主轴运动控制速度它也是通过接口或者D/A转换，然后来进行伺服放大，最后也是来驱动我们这个主轴，最后我们主轴它的位置或者它的反馈速度过来以后呢再进行比较，然后进行矫正。
虽然我们看着框图很类似，但实际上内容是有很大的不同。
这个不同就是我们在于主轴的电机和进给轴的伺服电机呢它的要求是不一样的，前面我们进给轴的运动轨迹的精度要求是非常高的，而我们在主轴的控制里面我们希望速度要求很高，所以这两个目标是不一样的，控制原理和方法是不一样的。
这就是我们数控技术里面主要介绍的两个大内容。
8、数控机床的发展历史
第一代：
1952年，电子管控制的第一台三坐标联动的铣床
世界上第一台数控机床的发明者一般归为Parsons，1942年他的公司在为西科斯基公司制造直升机叶片梁时，该西科斯基公司在给他的梁图纸上作出17点的定义，Parsons则用曲线把这17点连成一个轮廓。
金属切削加工很难加工出这种叶片梁。
Parsons就去莱特机场找旋转的螺旋桨实验室负责人，并聘请了该负责人，该负责人又聘请了三个工程师与他一起工作。
把梁图纸上的17点改成了200点，加工时，一个操作员读取点的X和Y值，另两个则把切削头移动到相应的位置。
基于这一事件，Parsons设想能够建造一台完全自动化的机器，因为如果人操作的话，为了产生足够多的轮廓点，需要花费大量的时间去操控切削头到达指定位置。
如果可以输入指令直接给机器，那可以避免控制切削头沿X轴、Y轴移动的时间。
但当时他没有足够的资金来做这件事情。
直到后来美国空军为了加工飞机上的螺旋桨，委托Parsons和麻省理工，并于1952年制造出世界上第一台数控机床。
这个时候的数控机床的数控装置是采取了电子管控制装置，这个机床的控制装置非常大，比机床本体还大。
因为数控系统很大，不方便使用，可靠性很差，所以对数控系统再进行改进。
第二代：
1959年，出现了晶体管控制的“加工中心”
59年因为晶体管的出现，替代了电子管的控制。
出现了加工中心。
加工中心就是数控机床。
加工中心可以进行不同的工艺的加工。
把钻、铣、镗、车归到一台机床上来，也就是说这台机床可以进行好多种类的切削，我们把这种机床就叫做加工中心。
这个加工中心就要带有能够进行钻、铣、镗，甚至车的刀具，所以就加了个刀库。
晶体管做数控系统还是比较大
第三代：
1965年，出现了小规模集成电路，使数控系统的可靠性得到了进一步提高
65年，随着计算机硬件技术的发展，晶体管又变成了集成电路。
集成电路实质上就是我们把多个控制功能集成到一个小片上去，使得体积变小，可靠性提高
第一代至第三代NC机床是由电子管、晶体管、集成电路构成的，我们将其称作硬件连接的NC（硬件连接的数控机床），它是通过用电线将电气元件连接在一起来执行NC功能的。
第四代：
1967年以小型计算机作为数控系统的控制单元，数控系统进入CNC时代
因为计算机的处理能力更大，功能更强，所以处理数据更多，所以我们把一台机床和其他几台机床连接在一起，甚至把机器人，甚至把对工件进行搬运的物流小车连接在一起，组成了个无人化的机床，就变成了现在的FMS，柔性制造系统。
第五代：
微处理器问世
以微处理器和中大规模集成电路组成的数控系统，体积越来越小，性能和可靠性大大提高，价格大幅度下降，进入广泛应用阶段
第四代与第五代中，NC（数控技术）与计算机技术结合，被称作计算机化的NC（数控）或者CNC（computernumericalcontrol）。
在CNC（计算机数控系统）中，是基于软件而不是电器元件和电路来执行NC功能的。
也就是说，微处理器和存储器出现促进了从硬件连接的NC到CNC的转变。
CNC被称作软件连接的NC。
↓
通过观察NC的发展，我们能够看到的是，NC具有与其组成部分（component）相同的发展历史。
从电子管、晶体管、集成电路、小型计算机到微型计算机，硬件连接的NC基于微处理器、电子技术、软件技术发展成了软件连接的NC机床。
现在，NC和CNC没有区别，NC机床指的就是具有CNC系统的机床。
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