本文整理《数控技术绪论与机床基础》一讲。内容包括课程定位与考核要求、数控技术与数控机床的基本概念、从 NC 到 CNC 的发展历程、传统加工与数控加工的区别重点讲清数控加工的六个工作步骤程序编制→程序输入→译码→刀具补偿→插补→伺服控制与加工执行尤其是难点刀具补偿和插补随后讲数控机床的五大组成部分输入输出装置、数控装置、伺服系统、机床本体、测量反馈装置以及两种最重要的分类——按运动轨迹分为点位、直线、轮廓控制按伺服系统控制原理分为开环、半闭环、闭环控制含三者精度、成本、维护与适用场合对比。文末附流程与组成类比、典型例题、术语表、待核对清单和主动回忆题含答案要点适合绪论复习、期末梳理和后续编程学习打底。一、核心结论本课程是机械专业核心课共24 学时12 次出勤重点讲前五章以数控编程为核心闭卷考试成绩由期末考试、平时作业约占20%和课堂表现构成课程结束有课程设计要求能编写中等复杂零件的控制程序。数控NC数字控制用数字化信息数字信号对设备的运动及其生产加工过程进行控制的技术对象不限于机床还包括芯片设备、医疗设备等。机床数控技术用数字化信息对机床的运动及其加工过程进行控制数控机床装有数控系统的机床普通机床加装数控装置后也可称为数控机床二者根本区别在于有没有数控系统。发展历程与计算机相似电子管→晶体管→小规模集成电路这三阶段只有硬件逻辑、没有计算机统称NC数字控制小型计算机出现后进入CNC计算机数字控制第一个 C 是 Computer时代再发展到微处理器、个人计算机控制。传统加工靠工人按工序卡手动操作手摇进给、肉眼看、卡尺量数控加工由编程员编好程序、经 U 盘/WiFi 输入机床自动加工显著降低劳动强度一人可看多台但要求保证首件合格、会对刀找正。数控加工六步流程①程序编制 → ②程序输入 → ③译码 → ④刀具补偿 → ⑤插补 → ⑥位置控制与加工执行伺服驱动。刀具补偿编程按零件轮廓实际切削由刀具完成必须把零件轮廓换算成刀具中心刀位点的实际轨迹分刀具半径补偿和长度补偿如 G41 为刀具半径左补偿。插补系统只知道起点、终点和轮廓类型而机床只能走直线插补对曲线进行数据点密化把曲线分成许多微小直线段、逐段发给伺服系统去逼近曲线点越密轮廓精度越高点太少圆会变成多边形。数控机床五大组成输入输出装置、数控装置核心/大脑、伺服系统驱动执行、机床本体机械执行部件、测量反馈装置检测实际位移并回传。按运动轨迹分三类复杂度递增点位控制只保证点坐标准确、移动中不切削如钻/镗/冲、直线控制只能沿坐标轴方向或特定角度直线切削应用少、轮廓控制多轴联动走任意曲线曲面最复杂、应用最广加工中心多属此类。按伺服系统控制原理分三类开环无测量反馈、信号单向多用步进电机不能修正误差结构简单成本低但精度差闭环测量装置光栅尺等直接测最终执行部件工作台/刀架位移并反馈比较、消除偏差精度最高但测量件受环境影响大、系统易不稳定、调试维护难、成本高半闭环测量装置编码器等装在电机轴/丝杠端测转角间接推算位移丝杠螺距误差和间隙不能完全消除、精度略低于闭环但稳定、结构简单、维护方便、成本较低现代数控机床应用最广。数控框架输入—控制—驱动—执行—反馈具有普遍性换成空调、流水线、打印机等设备同样成立只是元件名称不同。二、知识结构数控技术概论课程定位24 学时、前五章、闭卷、作业 20%、课程设计基本概念数控 / 机床数控技术 / 数控机床NC→CNC 发展史加工流程传统加工 vs 数控加工六步编程 → 输入 → 译码 → 刀具补偿 → 插补 → 伺服执行难点刀具补偿半径/长度、插补数据密化、微直线逼近机床五大组成输入输出 / 数控装置 / 伺服系统 / 机床本体 / 测量反馈分类按运动轨迹点位 / 直线 / 轮廓按伺服原理开环 / 半闭环 / 闭环按功能、按工艺用途了解特点、适用范围与发展趋势智能化、多轴联动三、详细笔记3.1 课程定位、考核与学习目标课程性质机械专业或并入机械的原数控专业核心课共24 学时、约 12 次出勤。章节较多受学时限制重点讲前五章核心是数控编程机床结构、故障诊断等 69 章视时间再作介绍。考核方式闭卷、一张试卷成绩由**期末考试成绩平时作业约占 20%课堂表现出勤等**构成。学习目标四类重点在第 2 类熟悉数控机床的结构、工作原理和机械部件的技术要求一般性了解因机床种类、厂家繁多具体设备到岗位再深入重点熟悉典型数控机床的自动编程系统与工作原理掌握编程基础理论能编写功能中等复杂零件的加工程序并尽量具备加工能力——在没有真机的校区可用仿真软件验证程序并练习对刀、找正等操作了解数控系统的基本组成具备查阅技术资料编程手册、代码表的能力——很多 G、M 代码记不住要会查手册。课程设计课程结束后安排要求具备编写中等复杂零件控制程序的能力因本课程未涵盖 CAD绘图环节手绘意义不大将根据是否学过 CAD 再作调整。上课需自备教材学校未订可自行网购保证手头有书。3.2 数控技术与数控机床的基本概念数控数字控制Numerical Control凡是用数字化的信号/信息去控制一台机器的运动或生产过程都可称为数控其控制对象很广除机床外还包括芯片制造设备上的电机、医疗设备等。机床数控技术把数控应用到机床上即用数字化信息对机床的运动和加工过程进行控制的技术。数控系统一般包含数控装置、可编程控制器PLC、主轴驱动、进给装置等。数控机床装备安装了数控系统、并由该系统完成加工运动和辅助运动的机床。老式普通机床只要改装、加装数控装置也能成为数控机床。数控机床与普通机床的根本区别就在于是否装有数控系统。为什么课程以机床为数控的典型对象机床是工作母机其他许多设备都靠机床加工制造机床的控制精度、运动控制的复杂性、设备本身的复杂程度都高于一般机械机床独立运动的坐标轴数量多三轴、四轴、五轴联动最具代表性机械行业无论做结构、仿真还是嵌入式几乎都会接触机床学机床数控的普适性最强。3.3 数控技术的发展历程NC → CNC数控技术的发展与计算机技术的发展历程相似至今约 70 多年大致经历电子管数控晶体管数控小规模集成电路数控。以上三个阶段使用固定接线的硬件逻辑实现控制、内部没有计算机统称为NC数字控制早期设备自由度不高约三个坐标。小型计算机出现后用计算机存储的控制程序实现数字控制进入CNC计算机数字控制Computerized Numerical Control时代此后又发展到用微处理器、个人计算机进行控制。今天所说的 CNC 操作员、数控编程都是针对计算机控制的机床。历史背景了解细节以教材为准20 世纪 40 年代美国军方为加工直升机螺旋桨叶片等复杂精密零件由 Parsons帕森斯公司提出设想、与麻省理工学院MIT合作约在1952 年研制出第一台三坐标数控铣床此后日本、德国在数控机床和加工中心方面发展迅速。我国现状了解高端五轴联动机床、加工中心仍较多采用德国、日本的数控系统和部件国产高端数控有差距但在持续进步相关人才紧缺。3.4 传统加工与数控加工的区别以加工一个圆饼类零件为例传统普通机床加工路径技术人员根据图纸的形状、尺寸、材料、技术要求做工艺分析用什么设备、分几道工序、走几次刀、每次切多深、何时测量填写工序卡例如工序一车端面第一次走刀切 2 mm、第二次走刀切 1 mm然后测量端面尺寸操作工拿着工序卡在普通机床上手动操作——手摇刀架进给、靠眼睛观察、用卡尺等量具测量最终做出产品。数控加工路径同样先做工艺分析由编程员编写加工程序简单零件手工编程复杂零件可用 CAM 软件自动生成程序文件存入 U 盘或通过 WiFi/通信输入数控装置早期也有纸带或在线输入操作工完成装夹、对刀、首件确认后机床即按程序自动运行。区别与影响数控加工把人从持续的手动操作中解放出来显著降低劳动强度一个工人可同时照看十几台机床主要负责上下料、对刀和保证首件合格加工一致性和复杂形状能力大幅提高。3.5 数控加工的六个工作步骤重点从拿到图纸到加工出产品数控加工信息处理与执行分为六步数控加工程序的编制根据加工图纸上零件的形状、尺寸、材料和技术要求确定工艺过程、工艺参数、刀具和切削用量等把零件轮廓做数学处理如把直线、点位换算成坐标 X、Y、Z 数值再用规定的代码和程序段格式G、M、S、F、T 等编写程序进行路径规划/分段以确保正确生成程序文件存储U 盘等。简单件由人工编写复杂件可由 CAM 软件生成。程序的输入把加工程序、控制参数和补偿参数通过输入装置送入数控装置常见方式是把存了程序的 U 盘插到机床 USB 口也可用机床键盘直接键入或通过通信/WiFi 传输。译码解码数控装置本质是一台专用计算机不能直接执行程序段文本需要按语法规则把程序段翻译成计算机能识别的数据格式其中包含零件轮廓、起点终点、进给速度、切削液开关等信息译码同时进行语法检查程序写错会报错提示。刀具补偿见 3.6。插补见 3.6。位置控制与加工执行插补输出的脉冲/位移指令送给伺服系统伺服电机按脉冲的数量、频率、方向转动经联轴器、滚珠丝杠螺母副等把旋转变成工作台/刀架的直线移动并驱动主轴转动、刀具切削最终把毛坯加工成产品有反馈的系统在此过程中不断检测、比较、修正。岗位对应前三步及补偿量的设定主要由编程员技术岗完成译码、刀补运算、插补由数控装置内部自动完成一线操作员负责装夹、对刀、上下料、首件检验和看护设备。小厂设备少时常一人兼任大厂则分工明确。3.6 难点详解刀具补偿与插补3.6.1 刀具补偿为什么要补偿编程时是按图纸上的零件轮廓例如一个圆编写坐标的但真正切削的是刀具刀具总有一定的半径和长度刀位点刀具中心/刀尖基准点并不在零件轮廓上。刀头可能偏左、偏右刀具有长有短、刀尖方向各异因此同一零件轮廓对应的刀具中心实际运动轨迹并不相同必须经过补偿计算把零件轮廓轨迹换算成刀具中心轨迹。两类补偿刀具半径补偿和刀具长度补偿后续编程章详讲。举例G41 表示刀具半径左补偿——沿刀具前进方向看让刀具中心向零件轮廓左侧偏移一个刀具半径与 G41 对应的还有右补偿 G42、取消补偿 G40。3.6.2 插补问题编程时一般只给出轮廓的起点、终点和轮廓类型直线/圆弧等而机床的执行部件本质上只能沿坐标轴做微小直线运动并不能直接画出一条任意曲线。插补的本质数控系统根据输入的轮廓边计算边在已知点之间插入一系列中间点即对轮廓进行数据点密化把曲线划分成许许多多微小的线段每两个相邻点之间走一段微小直线用大量微小直线段去逼近曲线轮廓可理解为插值。精度关系插补出的中间点越密逼近误差越小、轮廓越光滑点太少加工圆时就会明显变成多边形精度很差。插补运算在数控装置中实时完成结果以脉冲形式不断送给伺服系统常见有直线插补、圆弧插补等程序中G01 为直线插补。3.6.3 一个程序行示例仅建立概念第二章详讲N5 G01 G41 X100.0 Y100.0 F100 M08示意具体格式以教材/系统为准N5程序第 5 行的行号顺序号只用于标识不产生动作G01直线插补刀具走直线G41建立刀具半径左补偿X100.0 Y100.0本程序段目标点坐标100100F100进给速度具体单位随系统设定M08打开切削液冷却泵开。这类代码逻辑简单、不涉及复杂算法记不住时查编程手册即可关键是不要写错格式。3.7 数控机床的五大组成部分数控机床一般由以下五部分组成可与电脑打印机、空调、流水线类比记忆输入输出装置输入/输出设备操作面板、键盘、显示器、USB 及通信接口等。用于输入和显示、修改、存储程序设定参数、对刀操作必要时打印。相当于普通电脑的鼠标、键盘、显示器。数控装置CNC 装置核心相当于大脑/主机由硬件微处理器、存储器、接口等和软件组成负责读入程序、译码、刀具补偿运算、插补运算并向伺服系统输出控制信号还具备信息处理、辅助控制和程序错误报警功能。伺服系统驱动与执行的桥梁相当于手/肌肉接收数控装置发来的微弱指令并进行功率放大驱动运动部件一般包括控制电路、功率放大电路和伺服电机进给伺服电机、主轴电机。若暂时不理解电路可先简单把它理解为受控的电机驱动。电机轴通常经齿轮、联轴器、滚珠丝杠螺母副带动工作台、刀架运动。机床本体受控的机械主体完成实际切削的机械部分包括主运动部件主轴、进给运动部件工作台、导轨、滚珠丝杠、齿轮传动床身、立柱、底座等支撑框架把各部件有机连成整体辅助装置冷却系统冷却液箱、排屑装置、润滑、液压气动、防护罩、油箱等简单件、发热量小的加工可不用冷却液故部分辅助装置可视情况配置。测量反馈装置相当于眼睛用测量元件检测执行部件或电机轴实际的位移、速度、方向并转换为信号反馈给数控装置与指令比较后修正。常用测量元件有光栅尺直线位移、光电编码器角位移、旋转变压器、感应同步器等。类比流水线靠红外传感器输入→处理器数控装置→电机伺服→导轨机构本体但流水线对多走 1 mm 少走 1 mm 不敏感常没有测量反馈精密机床必须有测量反馈。空调的面板I/O→单片机/处理器→压缩机执行→空调本体→测温反馈也是同一框架。3.8 数控机床的分类一按运动控制轨迹按刀具相对工件的运动轨迹复杂程度递增分为三类类型控制要求运动中是否切削典型设备/用途点位控制只保证刀具从一点精确定位到目标点坐标不控制两点间路径走直线、S 形、绕圈均可定位移动过程中不切削到位后才加工数控钻床、镗床、冲床、点焊机、坐标测量钻、镗、铰、冲、弹簧加工等直线控制除定位外还能沿**平行于坐标轴方向或与坐标轴成特定角度如 30°/45°/60°**做直线进给切削移动中切削车台阶、铣平面/台阶等规整机件应用较少较鸡肋不能加工曲面轮廓控制连续轨迹控制对两个及以上坐标轴同时、连续、协调控制多轴联动走出任意斜率直线、圆弧和空间曲线/曲面连续切削加工复杂曲面、叶轮、叶片、模具功能最强、最复杂、应用最广现代加工中心多属此类点位控制最简单但仍广泛用于孔加工直线控制只能走坐标轴方向或特殊角度加工圆/曲面时多边形感明显、使用很少轮廓控制最复杂是现代数控机床的主流。3.9 数控机床的分类二按伺服系统控制原理重点辨析3.9.1 开环控制系统结构数控装置→伺服驱动→步进电机→执行部件没有测量反馈装置信号流单向。工作步进电机按指令脉冲的数量、频率、方向转动但系统不知道执行件实际走了多少、是否到位无法检测和修正误差。特点结构简单、成本低、容易维护、工作稳定但精度差、抗干扰能力弱丢步、误差无法纠正。适用精度要求不高、负载较轻的经济型/小型/老旧设备现代成批生产、精度要求较高的机床很少采用。3.9.2 闭环控制系统结构在执行部件工作台、刀架等床身运动件上直接安装测量装置如光栅尺实时直接测量执行件的实际位移、速度、方向并反馈到数控装置。工作数控装置把指令位移与反馈的实际位移进行比较含 PID 运算得出偏差再令伺服电机驱动执行件减小并消除偏差直到达到规定位置。特点优点因为直接测量最终运动部件理论上可以把整个驱动、传动链联轴器、滚珠丝杠螺母副的误差、反向间隙、失动量都包含在反馈环内加以补偿消除位置精度最高缺点测量装置直接暴露在加工现场易受油液、气体、温度、粉尘、铁屑影响而失真机械传动的摩擦、刚性、间隙多为非线性容易造成系统不稳定、甚至振荡设计、安装、调试、维护都比较困难成本高。适用精度要求很高的中大型、精密数控机床。3.9.3 半闭环控制系统结构把测量反馈装置常用光电编码器安装在伺服电机轴端或丝杠端部而不是工作台/刀架上。工作测量电机轴丝杠的转角和转速利用丝杠螺距等传动关系间接推算工作台/刀架的直线位移再与指令比较、修正。特点测量元件在电机端、环境好、不易受加工现场干扰系统稳定性好结构简单、调试维护方便、成本较低但反馈环不包含或只包含少量机械传动环节滚珠丝杠的螺距误差、反向间隙引起的位移误差无法被完全消除精度略低于闭环不过可通过误差补偿保持较高精度。适用兼顾精度、稳定性与成本现代数控机床中应用最广泛。生活中的血压、水位恒值控制也常采用类似半闭环的反馈思想。3.9.4 三者对比小结项目开环半闭环闭环有无测量反馈无有测电机/丝杠转角间接有直接测工作台/刀架位移常用元件步进电机伺服电机编码器伺服电机光栅尺等能否修正误差不能能环外机械误差不能完全消除能可消除传动链误差、间隙精度低较高可补偿最高稳定性/维护稳定、维护易稳定、维护较易、成本适中易受干扰、易振荡、调试维护难、成本高应用经济型、低精度小设备现代机床应用最广高精度、大型精密机床一句话判别开环无反馈闭环直接测最终执行件半闭环测电机端、间接推算执行件。3.10 数控机床的其他分类、特点与发展趋势了解按功能水平可分经济型、普通型、高档高级型按工艺用途可分数控车床、铣床、钻床、镗床、磨床、齿轮加工机床、加工中心以及金属成型、激光切割、电火花等特种加工数控机床。数控加工的总体特点加工精度高、一致性好、质量稳定柔性好换产品主要改程序、生产率高能完成复杂曲面、多轴联动加工大大减轻体力劳动、对操作者编程与工艺知识要求提高设备较贵、维护要求高。发展趋势向高精度、高速度、高可靠性、复合化、多轴五轴联动、智能化自适应加工、故障诊断、网络化物联网、工业 4.0、智能产线方向发展。四、例题、案例或类比4.1 流程排序数控加工六步题目把伺服加工、程序编制、插补、程序输入、刀具补偿、译码按数控加工顺序排列。答案程序编制 → 程序输入 → 译码 → 刀具补偿 → 插补 → 位置控制与加工执行伺服加工。4.2 刀具补偿与插补判断问编程坐标是按零件轮廓写的为什么机床还要做刀具补偿答实际切削由有半径、长度的刀具完成刀位点不在轮廓上必须经半径/长度补偿把零件轮廓换算成刀具中心的实际轨迹否则加工尺寸会偏。问为什么说机床不能直接加工曲线插补怎样加工出圆答机床只能沿坐标走微小直线插补把圆密化成许多中间点相邻点之间走微小直线段去逼近圆点越密越接近圆点太少就成了多边形。4.3 五大组成类比以打印机/空调为例打印机鼠标键盘/操作输入输出→电脑主机处理数控装置→打印机执行机构伺服系统→打印机本体机床本体普通打印一般不检测打偏没有故没有测量反馈而精密机床必须有。空调面板按键与显示I/O→单片机/控制板数控装置→压缩机驱动伺服→空调整机本体→温度传感器测量反馈。4.4 点位、直线、轮廓的区分数控钻床在两个坐标位置各钻一个孔孔间怎么走都行——点位控制只能沿水平/竖直或 45°方向铣出规整台阶——直线控制加工航空发动机叶片、模具型面等空间曲面需多坐标同时联动——轮廓控制。4.5 开环/半闭环/闭环辨析问开环与闭环最根本的区别是什么答开环没有测量反馈装置、信号单向、不能修正误差闭环和半闭环都有反馈、能比较并消除偏差。问既然闭环精度最高为什么现代大多数数控机床用半闭环答闭环把光栅尺直接装在工作台上易受切削环境干扰、机械非线性易使系统振荡调试维护难、成本高半闭环在电机端测转角间接推算稳定、易维护、成本低再用误差补偿即可满足多数精度要求性价比最高、应用最广。五、术语、符号或关键表达术语/符号含义NC数字控制电子管/晶体管/集成电路硬件逻辑阶段无计算机CNC计算机数字控制用计算机/微处理器存储程序实现控制数控技术用数字化信息控制设备运动与生产过程的技术数控机床装有数控系统、由其完成加工与辅助运动的机床六步流程编程→输入→译码→刀具补偿→插补→伺服控制与加工译码把程序段翻译成数控装置能识别的数据格式并做语法检查报错刀具补偿把零件轮廓换算成刀具中心轨迹分半径补偿、长度补偿G41/G42/G40刀具半径左补偿/右补偿/取消补偿G01直线插补N 为程序段号F 为进给速度M08 开切削液插补数据点密化用微小直线段实时逼近轮廓直线/圆弧插补五大组成输入输出装置、数控装置、伺服系统、机床本体、测量反馈装置点位/直线/轮廓只控点定位/沿坐标轴方向直线切削/多轴联动走任意曲面开环无反馈、步进电机、精度低、成本低半闭环编码器测电机/丝杠转角间接推算稳定、应用最广闭环光栅尺等直接测执行件位移精度最高、维护难成本高测量元件光栅尺、光电编码器、旋转变压器、感应同步器等六、课堂任务与复习安排绪论对应教材第 1 章要求说清数控、机床数控技术、数控机床三个概念能区分 NC 与 CNC能按顺序复述数控加工六步流程并重点讲明白刀具补偿和插补在做什么熟记数控机床五大组成及其作用能把该框架迁移到其他机电设备能区分点位、直线、轮廓控制机床的特点和用途能从有无反馈、反馈取在哪里、精度/稳定性/成本/应用四方面辨析开环、半闭环、闭环。准备教材、关注签到后续前五章以编程为重点将结合仿真软件练习程序编写、对刀与验证课程结束有课程设计需具备中等复杂零件编程能力。七、待核对与疑问问题原因建议核对方式第一台数控机床的年份、研制单位约 1952 年 MIT 与 Parsons 合作的三坐标数控铣床录音对人名、年份转写含糊查教材数控技术发展史一节成绩构成中期末与平时表现的具体比例作业约 20%课堂只明确作业占 20%以课程大纲/老师公布为准G/M 代码G01、G41、G42、G40、M08、F、N的完整格式本课仅举例建立概念以后续编程章和所用系统编程手册为准测量元件名称与归类光栅、编码器、旋转变压器、感应同步器课堂列举较快对照教材伺服与检测装置章节直线控制机床的具体典型机型老师也说现场少见、以教材为例以教材表述为准半闭环/闭环的精度、安装位置图示本课为口述视频复习教材伺服系统控制方式框图八、复习与主动回忆复习清单用 2 分钟说出课程学时、重点章节、考核与成绩构成、课程设计要求。用 3 分钟区分数控、机床数控技术、数控机床说明 NC 与 CNC 的差别和发展阶段。用 2 分钟对比传统加工与数控加工的路径和人员分工。用 5 分钟按顺序复述六步流程并重点解释译码、刀具补偿、插补各做什么。用 3 分钟说出机床五大组成及作用并举空调/打印机的对应部件。用 3 分钟比较点位、直线、轮廓控制机床。用 5 分钟从反馈有无、测量位置、精度、稳定性、成本、应用六方面比较开环、半闭环、闭环。主动回忆题什么是数控技术什么是数控机床普通机床加装什么后也可称为数控机床NC 和 CNC 有什么区别数控技术发展经历了哪些主要阶段与传统加工相比数控加工在工艺准备和人员操作上有什么不同编程员和操作员各负责什么按顺序写出数控加工的六个工作步骤。什么是译码程序有语法错误时系统会怎样什么是刀具补偿为什么必须进行刀具补偿刀具补偿分哪两种G41 表示什么什么是插补为什么机床能用一段段微小直线加工出曲线插补点的疏密对精度有什么影响数控机床由哪五大部分组成各起什么作用分别可类比为计算机/人体的什么点位控制、直线控制、轮廓控制机床在轨迹要求和用途上有何不同钻床、加工中心各属于哪一类开环、半闭环、闭环伺服系统的根本区别是什么为什么闭环精度最高却最难维护为什么半闭环应用最广答案要点数控技术是用数字化信息数字信号对设备运动和生产过程进行控制的技术对象不限于机床机床数控技术是用数字化信息控制机床运动和加工过程数控机床是装有数控系统、由其完成加工运动和辅助运动的机床普通机床加装数控装置数控系统后也可称为数控机床有无数控系统是它与普通机床的根本区别。NC数字控制采用电子管、晶体管、小规模集成电路等固定硬件逻辑实现控制内部没有计算机、靠硬件接线CNC计算机数字控制用计算机/微处理器按存储的程序实现控制功能强、柔性好。发展阶段为电子管→晶体管→小规模集成电路统称 NC→小型计算机/微处理器/个人计算机控制CNC。传统加工由工人按工序卡在普通机床上手动摇刀、观察、测量完成数控加工由编程员先做工艺分析并编好程序、输入机床操作工装夹对刀后机床自动加工一人可看多台、劳动强度低、一致性好。编程员负责工艺、编程和补偿量设定操作员负责装夹、对刀、上下料、首件检验和设备看护。程序编制 → 程序输入 → 译码 → 刀具补偿 → 插补 → 位置控制与加工执行伺服驱动加工。译码是把人编写的程序段按语法规则翻译成数控装置计算机能识别的数据格式提取轮廓、起终点、进给速度、辅助功能等信息译码时进行语法检查程序写错会报错、报警提示。编程按零件轮廓而实际由有半径和长度的刀具切削刀位点不在轮廓上所以必须把零件轮廓换算成刀具中心刀位点的实际运动轨迹即刀具补偿分刀具半径补偿和刀具长度补偿G41 是刀具半径左补偿沿刀具前进方向刀心向左偏一个半径。机床只能沿坐标走微小直线不能直接走任意曲线插补在起终点和轮廓类型已知的情况下实时计算并插入大量中间点数据密化相邻点之间走微小直线段去逼近曲线中间点越密逼近误差越小、轮廓越光滑点太少曲线会明显变成多边形。①输入输出装置键盘、面板、显示器、接口类比鼠标键盘显示器②数控装置译码、刀补、插补、发指令类比大脑/主机③伺服系统放大指令、驱动伺服电机类比手/肌肉④机床本体主轴、工作台、导轨、丝杠、床身、冷却排屑等机械执行部分类比躯干四肢⑤测量反馈装置光栅、编码器等检测实际位移回传类比眼睛。点位控制只保证刀具精确定位到目标点坐标、两点间路径不限且移动中不切削用于钻、镗、冲等直线控制只能沿平行坐标轴方向或特定角度做直线切削只能加工台阶等规整机件、应用少轮廓控制能多坐标联动连续走出任意直线、圆弧和空间曲面用于叶轮、模具等复杂零件最复杂、应用最广。数控钻床属点位控制现代加工中心多属轮廓控制。根本区别在测量反馈开环无反馈、信号单向多用步进电机不能修正误差、精度最低闭环把光栅尺等直接装在工作台/刀架上测最终位移并反馈能把传动链误差和间隙都纳入环内消除精度最高但测量件受油气温尘铁屑影响、机械非线性易引起振荡调试维护难、成本高半闭环把编码器装在电机/丝杠端测转角间接推算位移反馈环不含全部机械传动、精度略低但环境好、系统稳定、结构简单、维护方便、成本较低并可用补偿保证较高精度故综合性价比最高、现代机床应用最广。 
长河君 · 2026/10/19 3:52:07 · 阅读 1.2k 数控技术概论笔记：数控与数控机床概念、加工六步流程、机床五大组成与开环/半闭环/闭环分类（含考点）
本文整理《数控技术绪论与机床基础》一讲。内容包括课程定位与考核要求、数控技术与数控机床的基本概念、从 NC 到 CNC 的发展历程、传统加工与数控加工的区别重点讲清数控加工的六个工作步骤程序编制→程序输入→译码→刀具补偿→插补→伺服控制与加工执行尤其是难点刀具补偿和插补随后讲数控机床的五大组成部分输入输出装置、数控装置、伺服系统、机床本体、测量反馈装置以及两种最重要的分类——按运动轨迹分为点位、直线、轮廓控制按伺服系统控制原理分为开环、半闭环、闭环控制含三者精度、成本、维护与适用场合对比。文末附流程与组成类比、典型例题、术语表、待核对清单和主动回忆题含答案要点适合绪论复习、期末梳理和后续编程学习打底。一、核心结论本课程是机械专业核心课共24 学时12 次出勤重点讲前五章以数控编程为核心闭卷考试成绩由期末考试、平时作业约占20%和课堂表现构成课程结束有课程设计要求能编写中等复杂零件的控制程序。数控NC数字控制用数字化信息数字信号对设备的运动及其生产加工过程进行控制的技术对象不限于机床还包括芯片设备、医疗设备等。机床数控技术用数字化信息对机床的运动及其加工过程进行控制数控机床装有数控系统的机床普通机床加装数控装置后也可称为数控机床二者根本区别在于有没有数控系统。发展历程与计算机相似电子管→晶体管→小规模集成电路这三阶段只有硬件逻辑、没有计算机统称NC数字控制小型计算机出现后进入CNC计算机数字控制第一个 C 是 Computer时代再发展到微处理器、个人计算机控制。传统加工靠工人按工序卡手动操作手摇进给、肉眼看、卡尺量数控加工由编程员编好程序、经 U 盘/WiFi 输入机床自动加工显著降低劳动强度一人可看多台但要求保证首件合格、会对刀找正。数控加工六步流程①程序编制 → ②程序输入 → ③译码 → ④刀具补偿 → ⑤插补 → ⑥位置控制与加工执行伺服驱动。刀具补偿编程按零件轮廓实际切削由刀具完成必须把零件轮廓换算成刀具中心刀位点的实际轨迹分刀具半径补偿和长度补偿如 G41 为刀具半径左补偿。插补系统只知道起点、终点和轮廓类型而机床只能走直线插补对曲线进行数据点密化把曲线分成许多微小直线段、逐段发给伺服系统去逼近曲线点越密轮廓精度越高点太少圆会变成多边形。数控机床五大组成输入输出装置、数控装置核心/大脑、伺服系统驱动执行、机床本体机械执行部件、测量反馈装置检测实际位移并回传。按运动轨迹分三类复杂度递增点位控制只保证点坐标准确、移动中不切削如钻/镗/冲、直线控制只能沿坐标轴方向或特定角度直线切削应用少、轮廓控制多轴联动走任意曲线曲面最复杂、应用最广加工中心多属此类。按伺服系统控制原理分三类开环无测量反馈、信号单向多用步进电机不能修正误差结构简单成本低但精度差闭环测量装置光栅尺等直接测最终执行部件工作台/刀架位移并反馈比较、消除偏差精度最高但测量件受环境影响大、系统易不稳定、调试维护难、成本高半闭环测量装置编码器等装在电机轴/丝杠端测转角间接推算位移丝杠螺距误差和间隙不能完全消除、精度略低于闭环但稳定、结构简单、维护方便、成本较低现代数控机床应用最广。数控框架输入—控制—驱动—执行—反馈具有普遍性换成空调、流水线、打印机等设备同样成立只是元件名称不同。二、知识结构数控技术概论课程定位24 学时、前五章、闭卷、作业 20%、课程设计基本概念数控 / 机床数控技术 / 数控机床NC→CNC 发展史加工流程传统加工 vs 数控加工六步编程 → 输入 → 译码 → 刀具补偿 → 插补 → 伺服执行难点刀具补偿半径/长度、插补数据密化、微直线逼近机床五大组成输入输出 / 数控装置 / 伺服系统 / 机床本体 / 测量反馈分类按运动轨迹点位 / 直线 / 轮廓按伺服原理开环 / 半闭环 / 闭环按功能、按工艺用途了解特点、适用范围与发展趋势智能化、多轴联动三、详细笔记3.1 课程定位、考核与学习目标课程性质机械专业或并入机械的原数控专业核心课共24 学时、约 12 次出勤。章节较多受学时限制重点讲前五章核心是数控编程机床结构、故障诊断等 69 章视时间再作介绍。考核方式闭卷、一张试卷成绩由**期末考试成绩平时作业约占 20%课堂表现出勤等**构成。学习目标四类重点在第 2 类熟悉数控机床的结构、工作原理和机械部件的技术要求一般性了解因机床种类、厂家繁多具体设备到岗位再深入重点熟悉典型数控机床的自动编程系统与工作原理掌握编程基础理论能编写功能中等复杂零件的加工程序并尽量具备加工能力——在没有真机的校区可用仿真软件验证程序并练习对刀、找正等操作了解数控系统的基本组成具备查阅技术资料编程手册、代码表的能力——很多 G、M 代码记不住要会查手册。课程设计课程结束后安排要求具备编写中等复杂零件控制程序的能力因本课程未涵盖 CAD绘图环节手绘意义不大将根据是否学过 CAD 再作调整。上课需自备教材学校未订可自行网购保证手头有书。3.2 数控技术与数控机床的基本概念数控数字控制Numerical Control凡是用数字化的信号/信息去控制一台机器的运动或生产过程都可称为数控其控制对象很广除机床外还包括芯片制造设备上的电机、医疗设备等。机床数控技术把数控应用到机床上即用数字化信息对机床的运动和加工过程进行控制的技术。数控系统一般包含数控装置、可编程控制器PLC、主轴驱动、进给装置等。数控机床装备安装了数控系统、并由该系统完成加工运动和辅助运动的机床。老式普通机床只要改装、加装数控装置也能成为数控机床。数控机床与普通机床的根本区别就在于是否装有数控系统。为什么课程以机床为数控的典型对象机床是工作母机其他许多设备都靠机床加工制造机床的控制精度、运动控制的复杂性、设备本身的复杂程度都高于一般机械机床独立运动的坐标轴数量多三轴、四轴、五轴联动最具代表性机械行业无论做结构、仿真还是嵌入式几乎都会接触机床学机床数控的普适性最强。3.3 数控技术的发展历程NC → CNC数控技术的发展与计算机技术的发展历程相似至今约 70 多年大致经历电子管数控晶体管数控小规模集成电路数控。以上三个阶段使用固定接线的硬件逻辑实现控制、内部没有计算机统称为NC数字控制早期设备自由度不高约三个坐标。小型计算机出现后用计算机存储的控制程序实现数字控制进入CNC计算机数字控制Computerized Numerical Control时代此后又发展到用微处理器、个人计算机进行控制。今天所说的 CNC 操作员、数控编程都是针对计算机控制的机床。历史背景了解细节以教材为准20 世纪 40 年代美国军方为加工直升机螺旋桨叶片等复杂精密零件由 Parsons帕森斯公司提出设想、与麻省理工学院MIT合作约在1952 年研制出第一台三坐标数控铣床此后日本、德国在数控机床和加工中心方面发展迅速。我国现状了解高端五轴联动机床、加工中心仍较多采用德国、日本的数控系统和部件国产高端数控有差距但在持续进步相关人才紧缺。3.4 传统加工与数控加工的区别以加工一个圆饼类零件为例传统普通机床加工路径技术人员根据图纸的形状、尺寸、材料、技术要求做工艺分析用什么设备、分几道工序、走几次刀、每次切多深、何时测量填写工序卡例如工序一车端面第一次走刀切 2 mm、第二次走刀切 1 mm然后测量端面尺寸操作工拿着工序卡在普通机床上手动操作——手摇刀架进给、靠眼睛观察、用卡尺等量具测量最终做出产品。数控加工路径同样先做工艺分析由编程员编写加工程序简单零件手工编程复杂零件可用 CAM 软件自动生成程序文件存入 U 盘或通过 WiFi/通信输入数控装置早期也有纸带或在线输入操作工完成装夹、对刀、首件确认后机床即按程序自动运行。区别与影响数控加工把人从持续的手动操作中解放出来显著降低劳动强度一个工人可同时照看十几台机床主要负责上下料、对刀和保证首件合格加工一致性和复杂形状能力大幅提高。3.5 数控加工的六个工作步骤重点从拿到图纸到加工出产品数控加工信息处理与执行分为六步数控加工程序的编制根据加工图纸上零件的形状、尺寸、材料和技术要求确定工艺过程、工艺参数、刀具和切削用量等把零件轮廓做数学处理如把直线、点位换算成坐标 X、Y、Z 数值再用规定的代码和程序段格式G、M、S、F、T 等编写程序进行路径规划/分段以确保正确生成程序文件存储U 盘等。简单件由人工编写复杂件可由 CAM 软件生成。程序的输入把加工程序、控制参数和补偿参数通过输入装置送入数控装置常见方式是把存了程序的 U 盘插到机床 USB 口也可用机床键盘直接键入或通过通信/WiFi 传输。译码解码数控装置本质是一台专用计算机不能直接执行程序段文本需要按语法规则把程序段翻译成计算机能识别的数据格式其中包含零件轮廓、起点终点、进给速度、切削液开关等信息译码同时进行语法检查程序写错会报错提示。刀具补偿见 3.6。插补见 3.6。位置控制与加工执行插补输出的脉冲/位移指令送给伺服系统伺服电机按脉冲的数量、频率、方向转动经联轴器、滚珠丝杠螺母副等把旋转变成工作台/刀架的直线移动并驱动主轴转动、刀具切削最终把毛坯加工成产品有反馈的系统在此过程中不断检测、比较、修正。岗位对应前三步及补偿量的设定主要由编程员技术岗完成译码、刀补运算、插补由数控装置内部自动完成一线操作员负责装夹、对刀、上下料、首件检验和看护设备。小厂设备少时常一人兼任大厂则分工明确。3.6 难点详解刀具补偿与插补3.6.1 刀具补偿为什么要补偿编程时是按图纸上的零件轮廓例如一个圆编写坐标的但真正切削的是刀具刀具总有一定的半径和长度刀位点刀具中心/刀尖基准点并不在零件轮廓上。刀头可能偏左、偏右刀具有长有短、刀尖方向各异因此同一零件轮廓对应的刀具中心实际运动轨迹并不相同必须经过补偿计算把零件轮廓轨迹换算成刀具中心轨迹。两类补偿刀具半径补偿和刀具长度补偿后续编程章详讲。举例G41 表示刀具半径左补偿——沿刀具前进方向看让刀具中心向零件轮廓左侧偏移一个刀具半径与 G41 对应的还有右补偿 G42、取消补偿 G40。3.6.2 插补问题编程时一般只给出轮廓的起点、终点和轮廓类型直线/圆弧等而机床的执行部件本质上只能沿坐标轴做微小直线运动并不能直接画出一条任意曲线。插补的本质数控系统根据输入的轮廓边计算边在已知点之间插入一系列中间点即对轮廓进行数据点密化把曲线划分成许许多多微小的线段每两个相邻点之间走一段微小直线用大量微小直线段去逼近曲线轮廓可理解为插值。精度关系插补出的中间点越密逼近误差越小、轮廓越光滑点太少加工圆时就会明显变成多边形精度很差。插补运算在数控装置中实时完成结果以脉冲形式不断送给伺服系统常见有直线插补、圆弧插补等程序中G01 为直线插补。3.6.3 一个程序行示例仅建立概念第二章详讲N5 G01 G41 X100.0 Y100.0 F100 M08示意具体格式以教材/系统为准N5程序第 5 行的行号顺序号只用于标识不产生动作G01直线插补刀具走直线G41建立刀具半径左补偿X100.0 Y100.0本程序段目标点坐标100100F100进给速度具体单位随系统设定M08打开切削液冷却泵开。这类代码逻辑简单、不涉及复杂算法记不住时查编程手册即可关键是不要写错格式。3.7 数控机床的五大组成部分数控机床一般由以下五部分组成可与电脑打印机、空调、流水线类比记忆输入输出装置输入/输出设备操作面板、键盘、显示器、USB 及通信接口等。用于输入和显示、修改、存储程序设定参数、对刀操作必要时打印。相当于普通电脑的鼠标、键盘、显示器。数控装置CNC 装置核心相当于大脑/主机由硬件微处理器、存储器、接口等和软件组成负责读入程序、译码、刀具补偿运算、插补运算并向伺服系统输出控制信号还具备信息处理、辅助控制和程序错误报警功能。伺服系统驱动与执行的桥梁相当于手/肌肉接收数控装置发来的微弱指令并进行功率放大驱动运动部件一般包括控制电路、功率放大电路和伺服电机进给伺服电机、主轴电机。若暂时不理解电路可先简单把它理解为受控的电机驱动。电机轴通常经齿轮、联轴器、滚珠丝杠螺母副带动工作台、刀架运动。机床本体受控的机械主体完成实际切削的机械部分包括主运动部件主轴、进给运动部件工作台、导轨、滚珠丝杠、齿轮传动床身、立柱、底座等支撑框架把各部件有机连成整体辅助装置冷却系统冷却液箱、排屑装置、润滑、液压气动、防护罩、油箱等简单件、发热量小的加工可不用冷却液故部分辅助装置可视情况配置。测量反馈装置相当于眼睛用测量元件检测执行部件或电机轴实际的位移、速度、方向并转换为信号反馈给数控装置与指令比较后修正。常用测量元件有光栅尺直线位移、光电编码器角位移、旋转变压器、感应同步器等。类比流水线靠红外传感器输入→处理器数控装置→电机伺服→导轨机构本体但流水线对多走 1 mm 少走 1 mm 不敏感常没有测量反馈精密机床必须有测量反馈。空调的面板I/O→单片机/处理器→压缩机执行→空调本体→测温反馈也是同一框架。3.8 数控机床的分类一按运动控制轨迹按刀具相对工件的运动轨迹复杂程度递增分为三类类型控制要求运动中是否切削典型设备/用途点位控制只保证刀具从一点精确定位到目标点坐标不控制两点间路径走直线、S 形、绕圈均可定位移动过程中不切削到位后才加工数控钻床、镗床、冲床、点焊机、坐标测量钻、镗、铰、冲、弹簧加工等直线控制除定位外还能沿**平行于坐标轴方向或与坐标轴成特定角度如 30°/45°/60°**做直线进给切削移动中切削车台阶、铣平面/台阶等规整机件应用较少较鸡肋不能加工曲面轮廓控制连续轨迹控制对两个及以上坐标轴同时、连续、协调控制多轴联动走出任意斜率直线、圆弧和空间曲线/曲面连续切削加工复杂曲面、叶轮、叶片、模具功能最强、最复杂、应用最广现代加工中心多属此类点位控制最简单但仍广泛用于孔加工直线控制只能走坐标轴方向或特殊角度加工圆/曲面时多边形感明显、使用很少轮廓控制最复杂是现代数控机床的主流。3.9 数控机床的分类二按伺服系统控制原理重点辨析3.9.1 开环控制系统结构数控装置→伺服驱动→步进电机→执行部件没有测量反馈装置信号流单向。工作步进电机按指令脉冲的数量、频率、方向转动但系统不知道执行件实际走了多少、是否到位无法检测和修正误差。特点结构简单、成本低、容易维护、工作稳定但精度差、抗干扰能力弱丢步、误差无法纠正。适用精度要求不高、负载较轻的经济型/小型/老旧设备现代成批生产、精度要求较高的机床很少采用。3.9.2 闭环控制系统结构在执行部件工作台、刀架等床身运动件上直接安装测量装置如光栅尺实时直接测量执行件的实际位移、速度、方向并反馈到数控装置。工作数控装置把指令位移与反馈的实际位移进行比较含 PID 运算得出偏差再令伺服电机驱动执行件减小并消除偏差直到达到规定位置。特点优点因为直接测量最终运动部件理论上可以把整个驱动、传动链联轴器、滚珠丝杠螺母副的误差、反向间隙、失动量都包含在反馈环内加以补偿消除位置精度最高缺点测量装置直接暴露在加工现场易受油液、气体、温度、粉尘、铁屑影响而失真机械传动的摩擦、刚性、间隙多为非线性容易造成系统不稳定、甚至振荡设计、安装、调试、维护都比较困难成本高。适用精度要求很高的中大型、精密数控机床。3.9.3 半闭环控制系统结构把测量反馈装置常用光电编码器安装在伺服电机轴端或丝杠端部而不是工作台/刀架上。工作测量电机轴丝杠的转角和转速利用丝杠螺距等传动关系间接推算工作台/刀架的直线位移再与指令比较、修正。特点测量元件在电机端、环境好、不易受加工现场干扰系统稳定性好结构简单、调试维护方便、成本较低但反馈环不包含或只包含少量机械传动环节滚珠丝杠的螺距误差、反向间隙引起的位移误差无法被完全消除精度略低于闭环不过可通过误差补偿保持较高精度。适用兼顾精度、稳定性与成本现代数控机床中应用最广泛。生活中的血压、水位恒值控制也常采用类似半闭环的反馈思想。3.9.4 三者对比小结项目开环半闭环闭环有无测量反馈无有测电机/丝杠转角间接有直接测工作台/刀架位移常用元件步进电机伺服电机编码器伺服电机光栅尺等能否修正误差不能能环外机械误差不能完全消除能可消除传动链误差、间隙精度低较高可补偿最高稳定性/维护稳定、维护易稳定、维护较易、成本适中易受干扰、易振荡、调试维护难、成本高应用经济型、低精度小设备现代机床应用最广高精度、大型精密机床一句话判别开环无反馈闭环直接测最终执行件半闭环测电机端、间接推算执行件。3.10 数控机床的其他分类、特点与发展趋势了解按功能水平可分经济型、普通型、高档高级型按工艺用途可分数控车床、铣床、钻床、镗床、磨床、齿轮加工机床、加工中心以及金属成型、激光切割、电火花等特种加工数控机床。数控加工的总体特点加工精度高、一致性好、质量稳定柔性好换产品主要改程序、生产率高能完成复杂曲面、多轴联动加工大大减轻体力劳动、对操作者编程与工艺知识要求提高设备较贵、维护要求高。发展趋势向高精度、高速度、高可靠性、复合化、多轴五轴联动、智能化自适应加工、故障诊断、网络化物联网、工业 4.0、智能产线方向发展。四、例题、案例或类比4.1 流程排序数控加工六步题目把伺服加工、程序编制、插补、程序输入、刀具补偿、译码按数控加工顺序排列。答案程序编制 → 程序输入 → 译码 → 刀具补偿 → 插补 → 位置控制与加工执行伺服加工。4.2 刀具补偿与插补判断问编程坐标是按零件轮廓写的为什么机床还要做刀具补偿答实际切削由有半径、长度的刀具完成刀位点不在轮廓上必须经半径/长度补偿把零件轮廓换算成刀具中心的实际轨迹否则加工尺寸会偏。问为什么说机床不能直接加工曲线插补怎样加工出圆答机床只能沿坐标走微小直线插补把圆密化成许多中间点相邻点之间走微小直线段去逼近圆点越密越接近圆点太少就成了多边形。4.3 五大组成类比以打印机/空调为例打印机鼠标键盘/操作输入输出→电脑主机处理数控装置→打印机执行机构伺服系统→打印机本体机床本体普通打印一般不检测打偏没有故没有测量反馈而精密机床必须有。空调面板按键与显示I/O→单片机/控制板数控装置→压缩机驱动伺服→空调整机本体→温度传感器测量反馈。4.4 点位、直线、轮廓的区分数控钻床在两个坐标位置各钻一个孔孔间怎么走都行——点位控制只能沿水平/竖直或 45°方向铣出规整台阶——直线控制加工航空发动机叶片、模具型面等空间曲面需多坐标同时联动——轮廓控制。4.5 开环/半闭环/闭环辨析问开环与闭环最根本的区别是什么答开环没有测量反馈装置、信号单向、不能修正误差闭环和半闭环都有反馈、能比较并消除偏差。问既然闭环精度最高为什么现代大多数数控机床用半闭环答闭环把光栅尺直接装在工作台上易受切削环境干扰、机械非线性易使系统振荡调试维护难、成本高半闭环在电机端测转角间接推算稳定、易维护、成本低再用误差补偿即可满足多数精度要求性价比最高、应用最广。五、术语、符号或关键表达术语/符号含义NC数字控制电子管/晶体管/集成电路硬件逻辑阶段无计算机CNC计算机数字控制用计算机/微处理器存储程序实现控制数控技术用数字化信息控制设备运动与生产过程的技术数控机床装有数控系统、由其完成加工与辅助运动的机床六步流程编程→输入→译码→刀具补偿→插补→伺服控制与加工译码把程序段翻译成数控装置能识别的数据格式并做语法检查报错刀具补偿把零件轮廓换算成刀具中心轨迹分半径补偿、长度补偿G41/G42/G40刀具半径左补偿/右补偿/取消补偿G01直线插补N 为程序段号F 为进给速度M08 开切削液插补数据点密化用微小直线段实时逼近轮廓直线/圆弧插补五大组成输入输出装置、数控装置、伺服系统、机床本体、测量反馈装置点位/直线/轮廓只控点定位/沿坐标轴方向直线切削/多轴联动走任意曲面开环无反馈、步进电机、精度低、成本低半闭环编码器测电机/丝杠转角间接推算稳定、应用最广闭环光栅尺等直接测执行件位移精度最高、维护难成本高测量元件光栅尺、光电编码器、旋转变压器、感应同步器等六、课堂任务与复习安排绪论对应教材第 1 章要求说清数控、机床数控技术、数控机床三个概念能区分 NC 与 CNC能按顺序复述数控加工六步流程并重点讲明白刀具补偿和插补在做什么熟记数控机床五大组成及其作用能把该框架迁移到其他机电设备能区分点位、直线、轮廓控制机床的特点和用途能从有无反馈、反馈取在哪里、精度/稳定性/成本/应用四方面辨析开环、半闭环、闭环。准备教材、关注签到后续前五章以编程为重点将结合仿真软件练习程序编写、对刀与验证课程结束有课程设计需具备中等复杂零件编程能力。七、待核对与疑问问题原因建议核对方式第一台数控机床的年份、研制单位约 1952 年 MIT 与 Parsons 合作的三坐标数控铣床录音对人名、年份转写含糊查教材数控技术发展史一节成绩构成中期末与平时表现的具体比例作业约 20%课堂只明确作业占 20%以课程大纲/老师公布为准G/M 代码G01、G41、G42、G40、M08、F、N的完整格式本课仅举例建立概念以后续编程章和所用系统编程手册为准测量元件名称与归类光栅、编码器、旋转变压器、感应同步器课堂列举较快对照教材伺服与检测装置章节直线控制机床的具体典型机型老师也说现场少见、以教材为例以教材表述为准半闭环/闭环的精度、安装位置图示本课为口述视频复习教材伺服系统控制方式框图八、复习与主动回忆复习清单用 2 分钟说出课程学时、重点章节、考核与成绩构成、课程设计要求。用 3 分钟区分数控、机床数控技术、数控机床说明 NC 与 CNC 的差别和发展阶段。用 2 分钟对比传统加工与数控加工的路径和人员分工。用 5 分钟按顺序复述六步流程并重点解释译码、刀具补偿、插补各做什么。用 3 分钟说出机床五大组成及作用并举空调/打印机的对应部件。用 3 分钟比较点位、直线、轮廓控制机床。用 5 分钟从反馈有无、测量位置、精度、稳定性、成本、应用六方面比较开环、半闭环、闭环。主动回忆题什么是数控技术什么是数控机床普通机床加装什么后也可称为数控机床NC 和 CNC 有什么区别数控技术发展经历了哪些主要阶段与传统加工相比数控加工在工艺准备和人员操作上有什么不同编程员和操作员各负责什么按顺序写出数控加工的六个工作步骤。什么是译码程序有语法错误时系统会怎样什么是刀具补偿为什么必须进行刀具补偿刀具补偿分哪两种G41 表示什么什么是插补为什么机床能用一段段微小直线加工出曲线插补点的疏密对精度有什么影响数控机床由哪五大部分组成各起什么作用分别可类比为计算机/人体的什么点位控制、直线控制、轮廓控制机床在轨迹要求和用途上有何不同钻床、加工中心各属于哪一类开环、半闭环、闭环伺服系统的根本区别是什么为什么闭环精度最高却最难维护为什么半闭环应用最广答案要点数控技术是用数字化信息数字信号对设备运动和生产过程进行控制的技术对象不限于机床机床数控技术是用数字化信息控制机床运动和加工过程数控机床是装有数控系统、由其完成加工运动和辅助运动的机床普通机床加装数控装置数控系统后也可称为数控机床有无数控系统是它与普通机床的根本区别。NC数字控制采用电子管、晶体管、小规模集成电路等固定硬件逻辑实现控制内部没有计算机、靠硬件接线CNC计算机数字控制用计算机/微处理器按存储的程序实现控制功能强、柔性好。发展阶段为电子管→晶体管→小规模集成电路统称 NC→小型计算机/微处理器/个人计算机控制CNC。传统加工由工人按工序卡在普通机床上手动摇刀、观察、测量完成数控加工由编程员先做工艺分析并编好程序、输入机床操作工装夹对刀后机床自动加工一人可看多台、劳动强度低、一致性好。编程员负责工艺、编程和补偿量设定操作员负责装夹、对刀、上下料、首件检验和设备看护。程序编制 → 程序输入 → 译码 → 刀具补偿 → 插补 → 位置控制与加工执行伺服驱动加工。译码是把人编写的程序段按语法规则翻译成数控装置计算机能识别的数据格式提取轮廓、起终点、进给速度、辅助功能等信息译码时进行语法检查程序写错会报错、报警提示。编程按零件轮廓而实际由有半径和长度的刀具切削刀位点不在轮廓上所以必须把零件轮廓换算成刀具中心刀位点的实际运动轨迹即刀具补偿分刀具半径补偿和刀具长度补偿G41 是刀具半径左补偿沿刀具前进方向刀心向左偏一个半径。机床只能沿坐标走微小直线不能直接走任意曲线插补在起终点和轮廓类型已知的情况下实时计算并插入大量中间点数据密化相邻点之间走微小直线段去逼近曲线中间点越密逼近误差越小、轮廓越光滑点太少曲线会明显变成多边形。①输入输出装置键盘、面板、显示器、接口类比鼠标键盘显示器②数控装置译码、刀补、插补、发指令类比大脑/主机③伺服系统放大指令、驱动伺服电机类比手/肌肉④机床本体主轴、工作台、导轨、丝杠、床身、冷却排屑等机械执行部分类比躯干四肢⑤测量反馈装置光栅、编码器等检测实际位移回传类比眼睛。点位控制只保证刀具精确定位到目标点坐标、两点间路径不限且移动中不切削用于钻、镗、冲等直线控制只能沿平行坐标轴方向或特定角度做直线切削只能加工台阶等规整机件、应用少轮廓控制能多坐标联动连续走出任意直线、圆弧和空间曲面用于叶轮、模具等复杂零件最复杂、应用最广。数控钻床属点位控制现代加工中心多属轮廓控制。根本区别在测量反馈开环无反馈、信号单向多用步进电机不能修正误差、精度最低闭环把光栅尺等直接装在工作台/刀架上测最终位移并反馈能把传动链误差和间隙都纳入环内消除精度最高但测量件受油气温尘铁屑影响、机械非线性易引起振荡调试维护难、成本高半闭环把编码器装在电机/丝杠端测转角间接推算位移反馈环不含全部机械传动、精度略低但环境好、系统稳定、结构简单、维护方便、成本较低并可用补偿保证较高精度故综合性价比最高、现代机床应用最广。