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数控机床概述涪陵职业教育中心
《数控机床应用基础》教案
总学时：
36学时
课题§1-1数控机床的产生和发展§1-2数控机床的工作原理及组成教学时数2学时
【教学目标】
1、了解数控机床的产生及发展过程
2、掌握数控机床的组成及各部分功能
3、掌握数控机床的工作原理
4、掌握数控机床的特点及适用场合
【重点、难点】
重点：
1、数控、数控机床的概念
2、数控装置、伺服系统、位置检测反馈装置的作用
3、数控机床的工作原理及组成
【教具、参考书】
【时间分配】1、数控机床的产生和发展（50分钟）
2、特点及适用场合（40分钟）
3、小结、布置作业（10分钟）
【教学过程】
第一章数控机床概述
§1-1数控机床的产生和发展
一、概念
1、数控（NC）机床：
采用数字化信号对机床的运动及加工过程进行控制的机床，称为数控机床。
2、计算机数控（CNC）：
采用存储程序的专用计算机来实现部分或全部基本数控功能，则称为计算机数控。
二、数控机床的产生和发展
1、产生
①机械产品的自身要求
②单件、多品种小批量零件约占80%以上
2、发展
1952年美国Parsons公司和MIT三坐标数控立铣床
1955年数控机床进入实用化阶段-复杂曲面加工
数控系统采用电子管元件-电子管时代
1959年采用晶体管和印制板电路-第二代数控系统
1965年出现小规模集成电路-第三代数控系统
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年以微处理为核心的数控系统
——第五代数控系统（MNC系统）
3、我国
1958年起步
20世纪60年代末70年代初—研制出一些晶体管式数控系统
20世纪80年代初
1985年进入实用阶段
1986—1990年数控机床大发展时期
1991年300多种
§1-2数控机床的工作原理及组成
一、数控机床的工作原理
数控机床零件加工的步骤：
1、分析零件图，确定加工方案，用规定代码编程
2、输入数控装置
3、数控装置对程序进行译码、运算，向机床各伺服机构和辅助控制装置发信号—驱动—执引—加工零件
二、数控机床的组成
1、程序载体
程序—包括加工零件所需的全部信息和刀具相对工件的位移信息。
载体—穿孔纸带、磁带、磁盘（软盘、硬盘、内存RAM）
2、输入装置
作用：
将程序载体内有关加工的信息读入CNC装置
穿孔纸带—光电阅读机
磁带—录放机
磁盘—驱动器和驱动卡
MDI—手动输入
3、CNC装置
作用：
接收输入装置输入的加工信息，完成数值计算、逻辑判断、输入输出控制等功能。
4、伺服系统
作用：
将数控装置发来的各种动作指令，转化成机床移动部件的运动。
5、位置反馈系统
6、机床本体
①主运动系统②进给运动系统③辅助部分（液压、气动、冷却、润滑）
三、数控机床的特点和适用场合
1、数控机床的特点
1）适合加工复杂零件
由于数控装置具有高超的运算能力
2）适应性和灵活性强
3）加工精度高、加工质量稳定
闭环控制可提高精度，自动加工可避免人为误差
4）生产效率高
零件加工时间=机动时间+辅助时间
5）自动化程度高
自动换刀、检测、装卸工件
6）经济效益好
7）价格较贵
8）调试和维修较复杂
【作业】
P221、3、5
课题§1-3数控机床分类§1-4数控技术发展趋势教学时数2学时
【教学目标】
1、掌握按运动方式、控制方式分类的情况
2、掌握数控技术的发展趋势
3、了解数控机床按工艺用途、数控系统功能水平及联动轴数的分类
【重点、难点】
重点：
1、点位、直线、轮廓控制数控机床的特点
2、开环、闭环、半闭环控制数控机床的特点
1有无检测之件②检测之件安装位置
3、“柔性”概念及FMC、FMS、CIMS的含义
【教具、参考书】
【时间分配】1、复习旧课要点（10分钟）
2、数控机床分类（40分钟）
3、发展趋势（40分钟）
4、小结布置作业（10分钟）
【教学过程】
§1-3数控机床分类
数控机床可以根据不同的方法进行分类，常用的分类方法有按数控机床加工原理分类、按数控机床运动轨迹分类和按进给伺服系统控制方式分类。
一、按数控机床加工原理分类
按数控机床加工原理可把数控机床分为普通数控机床和特种加工数控机床。
1）普通数控机床如数控车床、数控铣床、加工中心、车削中心等各种普通数控机床，其加工原理是用切削刀具对零件进行切削加工。
2）特种加工数控机床如线切割数控机床，对硬度很高的工件进行切割加工；如电火花成型加工数控机床，采用电火花原理对工件的形腔进行加工。
二、按数控机床运动轨迹分类
数控机床运动轨迹主要有三种形式：
点位控制运动、直线控制运动和连续控制运动。
1）点位控制运动点位控制运动指刀具相对工件的点定位，一般对刀具运动轨迹无特殊要求，为提高生产效率和保证定位精度，机床设定快速进给，临近终点时自动降速，从而减少运动部件因惯性而引起的定位误差。
2）直线控制运动直线控制运动指刀具或工作台以给定的速度按直线运动。
3）连续控制运动连续控制运动也称为轮廓控制运动，指刀具或工作台按工件的轮廓轨迹运动，运动轨迹为任意方向的直线、圆弧、抛物线或其它函数关系的曲线。
这种数控系统有一个轨迹插补器，根据运动轨迹和速度精确计算并控制各个伺服电机沿轨迹运动。
三、按进给伺服系统控制方式分类
由数控装置发出脉冲或电压信号，通过伺服系统控制机床各运动部件运动。
数控机床按进给伺服系统控制方式分类有三种形式：
开环控制系统、闭环控制系统和半闭环控制系统。
1）开环控制系统这种控制系统采用步进电机，无位置测量元件，输入数据经过数控系统运算，输出指令脉冲控制步进电机工作，如图1-1所示，这种控制方式对执行机构不检测，无反馈控制信号，因此称之为开环控制系统。
开环控制系统的设备成本低，调试方便，操作简单，但控制精度低，工作速度受到步进电机的限制。
图1-1开环控制系统
2）闭环控制系统这种控制系统绝大多数采用伺服电机，有位置测量元件和位置比较电路。
如图1-2所示，测量元件安装在工作台上，测出工作台的实际位移值反馈给数控装置。
位置比较电路将测量元件反馈的工作台实际位移值与指令的位移值相比较，用比较的误差值控制伺服电机工作，直至到达实际位置，误差值消除，此称之为闭环控制。
闭环控制系统的控制精度高，但要求机床的刚性好，对机床的加工、装配要求高，调试较复杂，而且设备的成本高。
图1-2闭环控制系统
3）半闭环控制系统（图1-3）这种控制系统的位置测量元件不是测量工作台的实际位置，而是测量伺服电机的转角，经过推算得出工作台位移值，反馈至位置比较电路,与指令中的位移值相比较，用比较的误差值控制伺服电机工作。
这种用推算方法间接测量工作台位移，不能补偿数控机床传动链零件的误差，因此称之为半闭环控制系统。
半闭环控制系统的控制精度高于开环控制系统，调试比闭环控制系统容易，设备的成本介于开环与闭环控制系统之间。
图1-3半闭环控制系统
四、按所用数控装置类型分类
1）硬件式数控机床（NC机床）
组成：
晶体管和集成电路
特点：
通用性、灵活性差，制造周期长、成本高
2）软件式数控机床（CNC机床）
组成：
采用小型或微型计算机，加上通用或专用大规模集成电路
特点：
很高柔性
五、按加工方式分类
1、金属切削类数控机床
1）数控车床（NCLathe）。
2）数控铣床（NCMillingMachine）。
3）加工中心（MachineCenter）。
4）数控钻床（NCDrillingMachine）。
5）数控镗床（NCBoringMachine）。
6）数控齿轮加工机床（NCGearHollingMachine）。
7）数控平面磨床（NCSurfaceGrindingMachine）。
2、金属成型类数控机床
3、数控特种加工机床
1）数控电火花加工机床（NCDiesinkingElectricDischargeMachine）。
2）数控线切割机床（NCWireElectricDischargeMachine）。
3）数控激光加工机床（NCLaserBeamMachine）。
4、其它类型数控机床
六、按功能方式分类
高、中、低档三类
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
§1-4数控技术发展趋势
1、高可靠性
①提高元器件和系统的可靠性
②采用抗干扰技术，提高数控系统对环境的适应能力
③使数控系统模块化、通用化和标准化
④提高自诊断及保护功能
2、高柔性化
柔性：
指机床适应加工对象变化的能力
3、高精度化
①利用数控系统的补偿功能
②采用高分辨率，高响应性的绝对位置传感技术
③提高数控机床机械本体中基础大件的结构刚性和热稳定性
4、高速度化
①机械方面：
提高切削速度和减少辅助时间
②数控系统：
CPU
5、复合化
①工序复合化
②功能复合化
6、制造系统自动化
【作业】
P227、8、11
课题§2-1数控系统插补原理教学时数2学时
【教学目标】
1、掌握坐标系的设定原则及坐标轴的确定方法
2、掌握坐标系的分类及坐标值的读取方法
3、掌握插补概念及逐点比较法的插补原理
【重点、难点】
重点：
1、坐标系的设定原则及其正方向的确定方法
2、坐标的确定及其正方向的判断
3、工件坐标系的确定方法
4、绝对值与增量值的读取方法
5、插补概念及逐点比较法的工作节拍
【教具、参考书】
【时间分配】1、复习旧课（10分钟）
2、坐标系的设定（40分钟）
3、插补原理（40分钟）
4、练习，小结（10分钟）
【教学过程】
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