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Kairry

2015.3.1

机电设备安装与维修

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2

课程简介-数控技术与数控机床

现场实体

操作

仿真模拟

训练

实践认知

训练

综合性

课程

数控

技术

课程教学设计

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数控技术与数控机床

内容提要：

主要了解

数控技术及其发展历程

数控系统的基本概念

数控机床的应用范围及发展动向

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数控技术的重要性

自从20世纪中叶数控技术创立以来，它给机械

制造业带来了革命性的变化。

现在数控技术已成为制造业实现自动化、柔

性化、集成化生产的基础技术，现代的

CAD/CAM，FMS和CIMS、敏捷制造和智能制造

等，都是建立在数控技术之上；

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数控技术的重要性

数控技术是提高产品质量、提高劳动生产率必

不可少的物质手段；

是国家的战略技术：东芝事件、考克斯报告！

基于它的相关产业是体现国家综合国力水平的

重要基础性产业；

专家们预言: 二十一世纪机械制造业的竞争，

其实质是数控技术的竞争。

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数控技术的重要性

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数控机床广泛应用于制造业的各个领域

IC装备

•

船舶制造装备

纺织印染装备

汽车

制造装备

军工

制造装备

数控技术的典型应用产品——数控机床是制造装备的主流装备

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数控技术的重要性

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“汉秀”剧场的舞台设计、宏大工程规模和复杂控制技术

汉秀“红灯笼”的建筑 巨型机械臂

巨型舞台屏幕

单点吊机和飞行小车

隐藏在座椅台下的表演水池

舞台上三块巨型屏幕，每块面积超过70平方米，重约8吨，在巨型机械臂的控制下可以灵活舞动。与表演的内容相配合，三块屏幕可以在舞台上的各个位置实现各种翻转角度——

落地背景墙、悬空屏、天花板，而且能够快速协同运动。每套机械臂有6个关节，共由12个电机和两个液压缸的14个机械轴驱动。三个屏幕协同运动的背后是42个轴的协调配合。

在舞台上方，西门子运动控制器和驱动系统操控60多台单点吊机和12辆飞行小车，飞行小车在总长310米的高空轨道上运动，让观众欣赏到跨度数十米、速度高达6米每秒的空中飞人表演。

在舞台对面，是世界最大的室内移动观众座椅台。演出进行到一定阶段时，有2000个座

席的观众座椅台会拆分、旋转、升降，从影院式观众席变成从三面围抱原本隐藏在座椅台下的水池，水上表演随后展开。座椅台的升降由8个行程为6米多的大型液压缸驱动。

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数控技术基本概念

数字控制与数控技术

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。

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。

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数控技术基本概念

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。它是数控技术典型应用的例子。

数控系统（Numerical Control System）实现数字控制的装置。

计算机数控系统（Computer Numerical Control CNC ）以计算机为核心的数控系统。

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数控机床的发展动向

数控技术产生和发展的内在动力：市场竞争日趋激

烈，产品更新换代加快，大批量产品越来越少，小

批量产品生产的比重越来越大，迫切需要一种精度

高、柔性好加工设备来满足上述需求。

数控技术产生和发展的技术基础：电子技术和计算

机技术的飞速发展则为NC机床的进步提供了坚实的

技术基础。

数控技术正是在这种背景下诞生和发展起来的。它

的产生给自动化技术带来了新的概念，推动了加工

自动化技术的发展。

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数控机床的发展动向

发展历程

1952年，Parsons公司和M.I.T合作研制了世

界上第一台三座标数控机床。

1955年，第一台工业用数控机床由美国

Bendix公司生产出来。

从1952年至今，NC机床按NC系统的发展经历

的五代。

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数控机床的发展动向

第一代：1955年 NC系统以电子管组成，体积大，功耗大。

第二代：1959年 NC系统以晶体管组成，广泛采用印刷电路板。

第三代：1965年 NC系统采用小规模集成电路作为硬件，其特点是体积小，功耗低，可靠性进一步提高。

以上三代NC系统，由于其数控功能均由硬件实现，故历史上又称其为“硬线NC”

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数控机床的发展动向

第四代：1970年 NC系统采用小型计算机取代专用

计算机，其部分功能由软件实现，它具有价格低，

可靠性高和功能多等特点。

第五代：1974年 NC系统以微处理器为核心，不仅

价格进一步降低，体积进一步缩小，使实现真正意

义上的机电一体化成为可能。这一代又可分为六个

发展阶段：

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数控机床的发展动向

1974年：系统以位片微处理器为核心，有字符显示，自诊断功能。

1979年：系统采用CRT显示，VLIC，大容量磁泡存储器，可编程接口和遥控接口等。

1981年：具有人机对话、动态图形显示、实时精度补偿功能。

1986年：数字伺服控制诞生，大惯量的交直流电机进入实用阶段。

1988年：采用高性能32位机为主机的主从结构系统。

1994年：基于PC的NC系统诞生，使NC系统的研发进入了开放型、柔性化的新时代，新型NC系统的开发周期日益缩短。它是数控技术发展的又一个里程碑。

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数控机床的发展动向

我国数控技术的发展历程

“六五”：引进技术、“七五”：消化吸收、“八五”：自主开发

中华I型、华中I型、航天I型、蓝天I型

“九五”、“十五”：产业化攻关，建立了一批中低档数控系统和数控机床的研发和生产基地。

（广数、华兴、大方、开通、凯恩帝、凯奇、大连大森、华中数控）

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数控机床的发展动向

在五轴联动、复合加工、高

速加工等一批关键技术上取得了

突破，自主开发了包括大型、五

轴联动数控加工机床、精密及超

精密数控机床。

加工大型水泵叶片

加工大型汽轮机叶片 加工大型水轮机叶片

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数控机床的发展动向

发展趋势

进入九十年代以来，随着国际上计算机技术突飞猛

进的发展，数控技术不断采用计算机、控制理论等

领域的最新技术成就，使其朝着下述方向发展 • 运行高速化

• 加工高精化

• 功能复合化

• 控制智能化

• 体系开放化

• 驱动并联化

• 交互网络化

向智能、开放、网络方向发展

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数控机床的发展动向

运行高速化、加工高精化

速度和精度是数控设备的两个重要指标，它们

是数控技术永恒追求的目标。因为它直接关系到加

工效率和产品质量。新一代数控设备在运行高速化、

加工高精化等方面都有了更高的要求。

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数控机床的发展动向

运行高速化：使进给率、主轴转速、刀具交

换速度、托盘交换速度实现高速化，并且具

有高加（减）速率。

进给率高速化：

50年代：普通滚珠丝杠，速度20~30m/min，加速(0.2~0.3)g

90年代初，大导程和数字伺服，速度达60m/min，接近极限

93年后，直线电机，实现“零传动”，快移速度提高了3倍

目前高达240m/min，切削进给速度达100m/min，加速度达8g。

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数控机床的发展动向

进给速度达240米/分的NSK滚珠丝杆和滚动导轨

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数控机床的发展动向

直线电机特点:

机床进给系统采用直线电机直接驱动，与原旋转电机传动方式的最大区别是：

取消了从电机到工作台（拖板）之间的机械中间传动环节，即把机床进给传动链的长度缩短为零，

故这种传动方式称为“直接驱动”，也称“零传动”。

直接驱动避免了丝杠传动中的反向间隙、惯性、摩擦力和刚性不足等缺点。

定子(初级)

笼形转子(次级)

初级次级

转子

定子磁场

次级

初级

次级

初级

N

S

N

S

N S N S SN

SNSNSN

旋转电机演变为圆筒型直线电机的过程

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数控机床的发展动向

移动的初级绕组及冷却系统

固定永磁次级

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数控机床的发展动向

主轴高速化：采用电主轴（内装式主轴电机），即主轴

电机的转子轴就是主轴部件。

主轴最高转速达200000r/min。

主轴转速的最高加（减）速为1.0g ，即仅需1.8秒即可从0提

速到15000r/min。

换刀速度

0.9秒（刀到刀）

2.8秒（切削到切削）

工作台（托盘）交换速度6.3秒。

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数控机床的发展动向

电主轴:主轴与电机制成一体，使主轴驱动机构简化。

电主轴组成:空心轴转子、带绕组的定子、速度检测元件。

空心轴转子，既是电机的转子，也是主轴。

主轴电机直接驱动

电动机绕组

电动机转子

电主轴是主轴部件、驱动电动机和刀具自动夹紧机构

的集成，结构比较复杂。不仅要借助精密的零部件保

持较高的回转精度和刚度，还要发热少、热变形小，

润滑和冷却以及热变形补偿是关键技术。

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数控机床的发展动向

加工高精化：提高机械设备的制造和装配精度；

提高数控系统的控制精度；采用误差补偿技术。

提高CNC系统控制精度：

采用高速插补技术，以微小程序段实现连续进给，使CNC控制单

位精细化，

采用高分辨率位置检测装置，提高位置检测精度（日本交流伺服

电机已有装上106 脉冲/转的内藏位置检测器，其位置检测精度

能达到0.01m/脉冲）；

位置伺服系统采用前馈控制与非线性控制等方法。

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数控机床的发展动向

采用误差补偿技术：

采用反向间隙补偿、丝杆螺距误差补偿和刀具误差补偿等技

术;

设备的热变形误差补偿和空间误差的综合补偿技术。研究结

果表明，综合误差补偿技术的应用可将加工误差减少60％～

80％。三井精机的JidicH5D型超精密卧式加工中心的定位精

度为±0.1m。

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由于计算机技术的不断进步，促进了

数控技术水平的提高，数控装置、进给伺

服驱动装置和主轴伺服驱动装置的性能也

随之提高，使得现代的数控设备在新的技

术水平下，可同时具备运行高速化、加工

高精化的性能。

数控机床的发展动向

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数控机床的发展动向

功能复合化

复合化是指在一台设备能实现多种工艺手段加工的方法。

镗铣钻复合—加工中心（ATC）、五面加工中心（ATC，主轴立卧转换）；

车铣复合—车削中心（ATC，动力刀头）；

铣镗钻车复合—复合加工中心（ATC，可自动装卸车刀架）；

铣镗钻磨复合—复合加工中心（ATC，动力磨头）；

可更换主轴箱的数控机床—组合加工中心；

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数控机床的发展动向

D

M

G

的车铣复合数控机床

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数控机床的发展动向

控制智能化

随着人工智能技术的不断发展，并为

满足制造业生产柔性化、制造自动化发展需

求，数控技术智能化程度不断提高，具体体

现在以下几个方面：

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数控机床的发展动向

加工过程自适应控制技术

• 加工过程的智能感知与控制技术；

• 作业规划智能化技术；

• 智能化操作，编程技术；

• 各种几何与物理补偿；

• 专有、复合加工工艺专家系统在数控系统中集成

如：恒切削力自适应控制加工、机床热变形的补偿等。

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数控机床的发展动向

加工参数的智能优化与选择

将工艺专家或技工的经验、零件加工的一般与特殊规律，

用现代智能方法，构造基于专家系统或基于模型的“加工参

数的智能优化与选择器”，利用它获得优化的加工参数，从

而达到提高编程效率和加工工艺水平，缩短生产准备时间的

目的。采用经过优化的加工参数编制的加工程序，可使加工

系统始终处于较合理和较经济的工作状态。

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数控机床的发展动向

智能故障诊断与自修复技术

智能故障诊断技术：根据已有的故障信息，应用现代智能方法（AI、

ES、ANN等），实现故障快速准确定位的技术。

智能故障自修复技术：指能根据诊断确定故障原因和部位，以自动

排除故障或指导故障的排除技术。智能自修复技术集故障自诊断、

故障自排除、自恢复、自调节于一体，并贯穿于加工过程的整个生

命周期。

智能故障诊断技术在有些日本、美国公司生产的数控系统中已有应

用，基本上都是应用专家系统实现的。

智能化自修复技术还在研究之中。

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数控机床的发展动向

智能化交流伺服驱动装置

目前已开始研究能自动识别负载，并自动调整参数的智能

化伺服系统，包括智能主轴交流驱动装置和智能化进给伺服

装置。这种驱动装置能自动识别电机及负载的转动惯量，并

自动对控制系统参数进行优化和调整，使驱动系统获得最佳

运行。

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数控机床的发展动向

体系开放化

定义（IEEE）：具有在不同的工作平台上均能实现系

统功能、且可以与其他的系统应用进行互操作的系统。

开放式数控系统特点：

系统构件（软件和硬件）具有标准化(Standardization)与

多样化( Diversification)和互换性(Interchangeability)

的特征

允许通过对构件的增减来构造系统，实现系统“积木式”

的集成。构造应该是可移植的和透明的； 具有可移植性和可扩展性；

具有可维护性和可升级性；

具有与企业制造信息系统的可集成性；

具有特殊工艺软件的可开发性；

具有使用操作的简易性。

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数控机床的发展动向

驱动并联化

并联加工中心（又称6

条腿数控机床、虚轴机

床）是数控机床在结构

上取得的重大突破。

驱动杆

机架

动平台 主轴电机 伺服电机

主轴

刀具

柔性夹具

工件

静平台

图 并联机床结构示意图

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数控机床的发展动向

电滚珠丝杆 电滚珠丝杆

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电滚珠丝杆

滚珠丝杆是使机床移动部件在床身、立柱上实现直线位移的主要部件。

传统的结构是：伺服电动机通过连轴节与滚珠丝杆连接，降低了传动精度，特别是在高速运转时发热量较大，产生热变形。

电滚珠丝杆是伺服电动机与滚珠丝杆的集成，提高了传动精度和明显减少热变形，保证机床部件的高速移动性能。

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数控机床的发展动向

特点

并联结构机床是现代机器人与传统加工技术相结合的产物；

由于它没有传统机床所必需的床身、立柱、导轨等制约机床性能

提高的结构，

具有现代机器人的模块化程度高、重量轻和速度快等优点。

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数控机床的发展动向

交互网络化

支持网络通讯协议，既满足单机需要，又能

满足FMC、FMS、CIMS对基层设备集成要求的数控系

统，该系统是形成“全球制造”的基础单元。

网络资源共享。

数控机床的远程（网络）监视、控制。

数控机床的远程（网络）培训与教学（网络数控）

数控装备的数字化服务（数控机床故障的远程（网络）诊断、

远程维护、电子商务等）。

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CAD/CAM

服务器 NT网

Internet 5公里

CAD中心

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阅读报告

请在下列的专题中选择一项，查阅相关资料并写出阅读报告： 数控系统发展趋势；

有关FMC/FMS、CIMS的信息

国内外最新数控系统或机床介绍、比较（至少2种）

要求： 至少 阅读1篇2000年以后的文献资料，并在上交时附上

相应的参考文献出处或网址。

阅读报告的字数不得少于500字。

上交时间：一星期