数控技术
第一章
数控机床它是利用数字化的信息对机床运动及加工过程进行控制的一种方法。 《一》它的基本组成包括：
（1）计算机数控系统CNC，它是由微处理器、存储器、各种I/O接口及外围逻辑电路等构成；
（2）可编程逻辑控制器PLC一般采用内装装式和数控系统做成一体，它是机床和数控系统之间连接的桥梁；
（3）数控面板（人机界面），是数控系统的控制面板，主要有显示器和键盘组成通过键盘和显示器实现系统管理和对数控程序及有关数据进行输入和编辑修改。
（4）机床操作面板，用于在手动方式下对机床进行一些必要的操作，以及在自动方式下对机床的运行进行必要的干预，上面布置有各种所需的按钮和开关。
（5）伺服系统，用于实现数控机床的进给伺服控制和主轴伺服控制，它的主要作用是把接受来自数控装置的指令信息转换成机床执行部件的直线位移或角位移运动。
（6）机床主体，它主要包括床身、底座、立柱、工作台、主轴箱等机械部件，它是在数控机床上自动的完成各种切屑加工的机械部分。
{数控机床的组成以上是数控实验指导书上的，课本中的介绍是由程序载体、数控装置、伺服驱动装置、机床主体和其他辅助装置组成。}
《二》数控机床的特点：
1）加工精度高、质量稳定。2）可进行对坐标的联动，能加工形状复杂的零件。3）生产效率高。4）对产品改型设计的适应性强。5）机床自动化程度高，可以减轻劳动力。6）对操作人员的素质要求高、对维修人员的技术要求高。
《三》数控机床的分类：
（1）按运动轨迹分类，为点位控制系统、直线控制系统和轮廓控制系统。
（2）按伺服系统控制方式分类，为 开环伺服系统：这种系统不带位置测量元件，这种控制系统没有来自位置测量元件的反馈信号，对执行机构的动作情况不进行检查，控制精度较低。步进电机伺服系统是典型的开环控制系统。 闭环伺服系统，装在机床工作台上的位置测量元件，测出工作台的实际位移量后，反馈到数控装置的比较器中与指令信号进行比较，并用比较后的差值进行控制。优点是精度高、速度快。 半闭环伺服系统，不是直接测量工作台的位移量，而是通过角位移测量元件，测量伺服机构中电动机或丝杠的转角，来间接测量工作台的位移。装有精密滚珠丝杠螺母副和精密齿轮的半闭环系统被广泛应用。
（3）按功能水平分类，为低档、中档、高档。
（4）按工艺用途分类，有数控的车床、铣床、磨床与齿轮加工机床等。数控加工中心是一种带有自动换刀装置的数控机床，能自动换刀和转位。它以工件为中心，能实现工件在一次装夹后自动的完成多种工序的加工。它的优点是开发新小产品。
《四》机床的分类：（1）按自动化程度分：手动机床、半自动机、全自动机床。（2）按是否用数字控制分：普通机床、数控机床。（3）按机床的工艺范围大小分：通用机床、专门化机床、专用机床。
《五》数控机床和数控系统的发展方向：高速、高精密化；“开放式”；智能化；复合化；高可靠性；多种插补功能；可重构机床及可重构制造系统；人机界面的友好。 《六》应用范围：
1）生产批量小的零件。2）需要多次改型设计的
零件。3）加工精度要求高、结构形状复杂的零件。
4）需要精确复制和尺寸一致性要求高的零件。
《七》三要素原理：
表面成型原理是：一条母线沿一条导线做一定规
律运动形成的轨迹。
牛头刨床上，母线是刀尖的轨迹，由主电机通过
曲柄滑块机构带动滑枕运动的外联系传动链体
现。导线，由滑板导轨体现。
机床误差的定义及特点：影响零件表面形成三要素的机床上的零部件的误差是机床误差。（1）必须是影响零件表面形成三要素；凡不影响零件表面形成三要素的误差就不是机床误差。（2）必须是机床上的零部件：非机床上的零部件的误差就不是机床误差，如刀具误差就是非机床误差。（3）影响零件表面形成三要素计算机硬件或软件的误差也是机床误差，如插补误差影响三要素的准确性，是机床误差。（4）该定义具有充分性、必要性和通用性：凡是影响零件表面形成三要素的机床上的零部件的误差一定是机床误差；凡是机床误差，一定是影响零件表面形成三要素的机床上的零部件的误差，该定义具有通用性，适合于任意机床。 《八》相关练习题：
1．数控机床的核心是（ B ）,有技术含量高的控制程序。
A．伺服系统 B. 数控系统 C. 反馈系统 D. 传动系统
2. 数控加工中心机床是指( 2 )。
① 多台数控机床组成的能完成零件所有工序加工的工艺设备
② 能自动换刀和转位,完成零件多个表面粗精加工数控工艺设备
③ 计算机群控 ④能完成零件CAD/CAPP/CAM一体化的数控机床及工装
3. 经济型数控机床是指( 2 )。
① 功能单一，只对特定零件加工 ② 具备常规加工用的精度和功能，价格便宜 ③ 功能复杂，价格昂贵 ④ 功能单一，价格较低
4. 数控机床加工零件在（ 4 ）时，更显示出优越性。
（1）大批大量生产 （2）工件简单且大批大量生产
（3）生产批量小且工件简单 （4）工件复杂，批量小
5. 数控机床在自动化程度上是( 4 )。
① 全自动机床 ② 半自动机床 ③ 手动机床 ④ 全自动机床或半自动机床
6．数控机床按伺服系统分类，分哪几类？
7．CAM是( 计算机辅助制造 )。
8．开环控制系统用于（ A ）数控机床上。
A. 经济型 B. 中、高档 C. 精密
9．数控机床加工零件时是由（ A ）来控制的。
A．数控系统 B. 操作者 C. 伺服系统
10．数控车床与普通车床相比在结构上差别最大的部件是（ C ）。 A．主轴箱 B. 床身
C.进给传动 D.刀架
11.加工中心通常以主轴与工作台相对位置分类，分为卧式、立式和万能加工中心。
(1)卧式加工中心：是指主轴轴线与工作台平行设置的加工中心，主要适用于加工箱体类零件。
(2)立式加工中心：是指主轴轴线与工作台垂直设置的加工中心，主要适用于加工板类、盘类、模具及小型壳体类复杂零件。
(3)万能加工中心(又称多轴联动型加工中心)：是指通过加工主轴轴线与工作台回转轴线的角度可控制联动变化，完成复杂空间曲面加工的加工中心。适用于具有复杂空间曲面的叶轮转子、模具、刃具等工件的加工。
第二章
1．下图为用计算机控制三相交流电机的接口电路原理图，回答如下问题：
①说明上图使电机运转的计算机控制原理。
解：并行输入输出卡（计算机）向D1位发出高电平，发光二级管发光使光敏三极管导通，24伏电压加在了R2上，R2上端高电位使普通三极管导通，24伏电压加在了J上，J得电，相应的中间继电器线圈得电，中间继电器得电，交流接触器线圈得电，从而其常开触点闭合，使电机得电，电机从而正转。
②该方案又能分出哪两个控制电机正转、反转、停转的方案？画图论述这两个方案的原理，优缺点。
答：持续信号方案如下图2-1；脉冲信号方案如下图2-2。
③在ISO代码中M03为主轴正转指令，M05为主轴停转指令，说明对上图M03，M05的意义。答：计算机向D1发出高电位时，电机的电，正转M03。当计算机向D1发出低电平时，电机停转M05。
④ 在ISO代码中M04为主轴反转指令，用上图接口电路的同一个口地址的D1为能否实现电机翻转？
答：不能实现。经分析知，上图只能实现电机的正转和停转。
⑤ 中间继电器线圈的额定电压多大？
答：24伏。
⑥ 二极管D的作用是什么？简要论述之。
答：J通断电时产生自感电动势，自感电动势在续流二极管D中流放，变成热能。 ⑦ 上图TLP521的作用是什么？TLP521与三极管、电阻R2的作用常用什么芯片代替？ 答：避免强电对弱电产生干扰。
⑧ 如果出现电机不运转了，试说明检查分析故障源的思路。
答：?检测J两端电压，若为0伏说明并行输入输出卡坏了，换一个新的，通电若电机还是不运转，再从后往前一次检查各个电器，并排除故障。 ?检测J两端电压，若为24伏，则说明计算机输入没坏，则从后往前一次检查各电器，排除故障。
2.1） 光电耦合器的作用是( 避免强电对弱电产生干扰 ?)。
2） 光电耦合器隔离是( ① )。
① 避免强电对计算机弱电产生干扰 ② 避免弱电对强电产生干扰
③ 避免强电与若电互相产生干扰 ④ 以上说法都不对
3） 当强电对弱电产生干扰时( ① )。
① 数控系统的计算机就不能正常工作 ② 数控系统控制的步进电机的输出特性变坏，在空载时仍能正常工作 ③ 数控系统的计算机仍能工作，只是加工效率降低 ④以上说法都不对
4） 数控机床电气控制常用固态继电器，是否有光电隔离？与5题方案相比，有何优点？
5）设计电路，用3题图所示光电式传感器和固态继电器，控制交流220V灯亮的电路，有物体靠近传感器时灯亮；没有物体靠近时灯灭。
一 . 计算机持续信号、脉冲信号控制强电原理、测试与故障维修
图2-1
（1）如图2-1所示为主电路、控制电路和计算机接口电路图，计算机向D1、D2引脚发出低电平，再向D0引脚发出高电平，则直流继电器线圈J1带电，J2、J3不带电，常开触点J2、J3断开，J1闭合，交流接触器KM1线圈带电，其常开触点闭合，电机M正转。
（2）计算机向D0、D2引脚发出低电平，再向D1引脚发出高电平，则直流继电器线圈J1和J3不带电，常开触点J1断开，而线圈J2带电，常开触点J2闭合，交流接触器KM2线圈带电，其常开触点闭合，电机M反转。
（3）计算机向D0、D1发出低电平，向D2发出高电平，则直流继电器线圈J1、J2不带电，J3带电，常开触点J1、J2均断开，交流接触器KM1和KM2线圈均不带电，其常开触点断开，电机M停转。
持续信号控制若仅仅为了控制电机通断电，J3就没有必要接，若还有其他互锁等控制，就接上J3,数控系统设计上充分为用户提供多功能需求。
按上述三种情况计算机向D0、D1发出信号后，一直保持不变才能保证电机运行状态不变，即叫持续信号控制方案。
数控机床上计算机用持续信号控制主轴电机正转指令M03、反转指令M04、停转指令M05，其原理就是如图2-1所述的原理。
二. 计算机脉冲信号控制强电方案
（1）主电路如图2-1（a），控制电路和计算机接口电路如图2-2(a)(b)所示，计算机向D1、D2引脚发出低电平后，再向D0引脚发出高电平，则直流继电器线圈J2、J3不带电，而J1带电，常开触点J1闭合，交流接触器KM1线圈带电，其辅助常开触点自锁，主触点KM1闭合，电机M正转，这时再向D0位发出低电平，芯片和J1均不带电，但因自锁电机一直正转。
（2）计算机向D0、D1位发出低电平，再向D2位发出高电平，则直流继电器线圈J1、J2不带电，而J3带电，常闭触点J3断开，交流接触器KM1、KM2线圈不带电，电机M停转。
（3）计算机向D2、D0发出低电平，向D1位发出高电平，常闭触点J3和常开触点J2闭合，交流接触器KM2线圈带电，辅助常开触点KM2自锁，电机M反转，计算机再向D2位发出低电平，芯片和线圈J2均失电，但因自锁电机一直反转。
J1和J2互锁，控制程序又互锁，按上述三种情况计算机向D0、D1、D2位发出高电平后，电机运转又发低电平并且时间很短，电机运行状态不变，即叫脉冲信号控制方案。
1.光电式传感器信号采用分压法读入计算机见下图
图2-11
如图2-11所示，将负载设置为两个电阻R1=1.4K、R2=2K，有物体靠近传感器时，R1电压5V、R2电压7V,当没有物体靠近传感器时，R1、、R2电压均为0V。注：假设R1两端要分担5伏电压，则R1
R2?5
12?5。
2.光电式传感器信号采用光电隔离法读入计算机
如图2-12为用TLP521光电隔离器做接口电路的G18-3A10NA型光电式接近开关信号读入CPU接口电路图，其他同分压法完全一样。注：有物体靠近时，D0为0伏，当没有物体靠近时，D0为5伏。
3.霍尔传感器信号采用分压法和光电隔离法读入计算机见图2-13、
2-14
第三章
《一》基本概念：
（1）拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或通电状态用M表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例：有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB，拍数为
4.；四相八拍运行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A,拍
数为8。 步距角a：每通电一次转子转过的角度。??360?
MZ
例如：某步进电机转子齿数Z=80，三相六拍工作方式，则??360?
80?6?0.75? 图3-1
（2）失步（丢步）：电机运转时运转的实际步数，少于理论上的步数，这是由于惯性引起的。
（3）超步：电机运转时运转的实际步数，多余理论上的步数，这是由于惯性引起的。
???（4）转动脉冲当量：步进电机每转一个步距角，最终执行机构转过的角度??，????
z2
z1
（5）直线脉冲当量：步进电机每转一个步距角，最终执行机构运动的直线位移?。
???T
360????T
360?Z2
Z1??,例如，某数控车床步进电机，步距角??0.75?，要求
??0.01mm,T?6mm，设计传动系统，画出传动原理图和结构原理图。由公式?得：Z2
Z1????T
360???0.75??6
360??0.01?25
20,结构原理图 ：
(6) 步进电机惯性负载的验算: 步进电机轴上总当量负载转动惯量Jd与电机轴自身转动惯量Jm的比值应控制一定范围内，取：
1
4?J
Jdm?1
如果比值太大，相当于Jd太大，Jm太小，则伺服系统的动态性能取决于负载，由于工作条
件变化，如刹车，受力大小变化等，引起负载的阻尼，质量，刚度等变化，电机左右不了（把
握不了）负载的动态变化，会使伺服系统不稳定，影响寿命，也产生误差。如果比值太小，
相当于Jd太小，Jm太大，则电机选择不合理，能力过剩，或传动系统不足，伺服系统的动
态性能取决于电机。所以验算后，若不合理，修改机械传动部分的参数。
《二》练习题：
1．数控系统所规定的最小设定单位就是（ C ）。
A.数控机床的运动精度 B. 机床的加工精度 C. 脉冲当量 D. 数控机床的传动精度
2．步进电机的转速是通过改变电机的（ A ）而实现。
A.脉冲频率 B.脉冲速度 C.通电顺序
3. 开环控制系统用于（ A ）数控机床上。 A. 经济型 B. 中、高档 C. 精密
4. 加工中心与数控铣床的主要区别是（ Ｃ ）。
A. 数控系统复杂程度不同 B. 机床精度不同 C. 有无自动换刀系统
5. 步进电机的起动频率比运行频率( ① )。
①高 ②低 ③相等 ④无法确定
6. 在步进电机性能中,矩频特性( ① )。 ① 频率越高力矩越小 ② 力矩与频率无关
③ 频率越高力矩越大 ④ 不同步进电机有不同矩频特性,但频率与力矩无法确定 《三》作业题
1：某加工中心机床转动坐标用步进电机有96个齿, 采用5相10拍方式驱动, 要求实现
转动脉冲当量0.025度,求：?步进电机的步矩角。?试设计此传动系统,并画出结构原理。?
若工作台转动角速度为360度/分,求计算机发脉冲的频率。
提示： Z2?0.375??????15??0.375? Z1
f?
360?/min
0.375???0.025??960次/min
2：某数控机床的步进电机驱动系统，已知步进电机转子的齿数为80，三相六拍工作方式。
丝杠的导程值为6mm，脉冲当量为0.01mm。求：?步进电机的步距角；?步进电机每转所
需脉冲数；?若驱动步进电机的脉冲频率f=2400次/s, 此时步进电机的转速，工作台运行的
速度；?设计该传动系统，画出传动结构原理图。
提示：???0.75? ?
v?5r/s?20
25(为Z1
Z2f?360?0.75??480 ?n?2400?0.75?360??5r/min?25
20、 )?6mm/r?24mm/s 、传动比???T
360???0.75??6
360??0.01
结构原理图如图3-1。
第四章
1.逐点比较法的基本原理是被控对象在按要求的轨迹运动时，每走一步，都要与规定的轨迹进
行比较，有此结果决定下一步移动的方向。包括直线插补和圆弧插补。
直线插补全过程：◎偏差判别：判别刀具当前位置相对于给定轮廓的偏离情况，以此决定刀具
移动方向。◎进给：根据偏差判别结果，控制刀具相对与工件轮廓向X正或Y正进给一步。 ◎
偏差计算：刀具进给后，重新计算出刀具当前位置的新偏差。◎ 终点判断：判别刀具是否加
工轮廓线段的终点，若达到，停止；否则继续插补。
例：欲加工第一象限直线OE，终点坐标为（6、2），试用逐点比较法差不该直线。并画出插补路线图。
解：总步数n=2+6=8
开始时刀具在直线起点，即在直线上，故F=0。直线插补运算过程如下表：
2.
?圆弧自动过象限是指圆弧的起点和终点不在同一象限内。
?刀具半径补偿：在轮廓加工中，由于刀具总有一定的半径，刀具中心的运动轨迹并不等于所要加工零件的实际轮廓，因此，在进行外轮廓加工时，刀具中心需要偏移零件的外廓面有一个半径值。这种偏移就叫刀具半径补
偿。当刀具中心轨迹在编程轨迹（零件轮廓）前进方向右边时，称为右刀具补偿（G42）反之为左刀具补偿（G41），G40为不需要进行刀具补偿。刀具补偿有刀具半径补偿和刀具长度补偿两部分计算。
?插补是指数据密化的过程，在对数控系统输入有限点的情况下，计算机根据线段的特征， 运用一定的算法，自动的在有限坐标点之间生成一系列的坐标数据，从而自动的对各坐标轴进行脉冲分配，完成整个线段的轨迹运行，是机床加工出所要求的轮廓曲线。 3.在插补计算中，坐标的单位为（ ）；逐点比较法直线插补原理适用于两坐标成( )的曲线插补。
第五章
快速点定位
G01:直线插补 G02：顺圆弧插补 G03：逆圆弧插补
G40:刀具补偿/刀具编置取消 G41: 左刀具补偿 G42：右刀具补偿 G26：回参考点 G90:绝对坐标编程 G91：相对坐标编程 G92：建立绝对坐标系 F:进给速度
是圆心相对起程序结束
点的Z坐标；U_M03:主轴正转
是圆弧终点相对起M04:主轴反转
点的X坐标，用直M05:主轴停转
径值表示；W_是圆顺圆：
弧终点相对于起点G02 X_Z_I_K_F_
的Z坐标。 G02 X_Z_R_F_
判断顺圆逆圆方法：用笛
G02 U_W_I_K_F_
卡尔坐标系判断出垂直
G02 U_W_R_F_
于平面的y坐标的方向，
注意：X_Z_是圆弧终点坐标，
沿Y轴的正向看到的X_用直径值；I_是圆心相对起
顺圆就是顺圆。逆点的X坐标，用直径表示，
圆就是逆圆。
利用绝对坐标编程： %0010
N0010 G90
N0020 G92 X120 Z115 建立绝对坐标系 N0030 G00 X25 Z85 N0040 G01 X0F110 N0050 X18 N0060 X20 Z83 N0070 Z50
N0080 G02 X30 Z45 R5F90
N0090 G01 Z25 F110
N0100 X60
N0110 G26
N0120 M02
利用相对坐标编程： %0020 N0010 G91
N0020 G00 U-90 W-30 N0030 G01 U-30 F110 N0040 U16 N0050 U4 W-2 N0060 W-33
N0070 G02 U10 W-5 R5 F90 N0080 G01 W-20 F110 N0090 U30 N0100 G26 N0110 M02
第六章
（1）闭环控制的数控机床的加工精度主要取决与检测系统的精度。 旋转编码器：
（2）线数：也叫规格，是码盘基片有的长条孔数目。如果单独用A相或B相，机械轴每转一圈发出的脉冲数与线数相等。如果某旋转编码器基片有的长条孔数为100.，则编码器线数就是100，那么不管单独接A相或B相测量脉冲数，机械轴转一圈，输出脉冲数都是100个脉冲。
（3）如果用A相和B相联合测量机械周转过的角度，A、B相的宽度m取节距t的一半，计数脉冲取法如下：A、B相同时为1，A、B相反时为0，机械轴每转一圈，即输出脉冲这样输出脉冲就是线数的2倍。 在旋转编码器输出上，采用硬件或软件，使得机械轴转一圈输出脉冲数为编码器的线数的P倍，则叫P倍频。
（4）分辨率：是指机械轴旋转一圈，获得输出脉冲的个数（脉冲数/转），用f表示：
f=线数n x倍频p
（5）旋转编码器用于直流或交流伺服电机，通常坐在电机内部，测量轴的角位移。若其分辨率为f，则：步距角??360?
f，直线脉冲当量???T
360?? 直线光栅尺，线数是指在1
毫米长度光栅上刻纹数目，倍频和分辨率同上，如果其分辨率为f，则直线脉冲当量为：1/f毫米，主要用于全闭环直流或交流伺服电机，
（6）开关型传感器只输出（0）或（1）两值。
第七章
1.齿轮消除间隙的方法：
1）采用双片齿轮错齿法，消除齿轮的反向间隙。
2）采用轴向垫片错齿，消除斜齿轮的反向间隙。
3）采用轴向压簧错齿法，消除斜齿轮的反向间隙。
4）采用锥齿轮轴向垫片消除斜齿轮的反向间隙。
5）采用齿轮齿条啮合齿侧隙消除法。
6）采用偏心套间小齿轮的中心距消除齿轮反向间隙。
2.滚珠丝杠副是一种把旋转运动转化为直线运动的传动机构，在螺旋槽的丝杠螺母间装有滚珠作为中间传动件，以减少摩擦，丝杠与螺母之间基本上为滚动摩擦。为了防止滚珠从螺母中滚出来，在螺母的螺旋槽两端设有反向器使滚珠排成封闭状态，使滚珠能循环流动。 根据反向器结构不同，滚珠丝杠分为内循环和外循环两种结构。
内循环：在整个循环过程中，滚珠始终与丝杠螺纹的各滚切表面滚切和接触。循环滚珠连最短，螺母外径比外循环小，结构紧凑，反向装置刚性好。
外循环：滚珠循环反向时，离开丝杠螺纹滚道，在螺母体内或体外循环运动。循环滚珠链较长，轴向排列紧凑，承载能力较强，径向尺寸较大。
常用的双螺母消除轴向间隙的结构形式：P267
（a）垫片调隙式，通常用螺钉来连接滚珠丝杠两个螺母的凸缘，并在凸缘间加垫片。调整垫片的厚度是螺母产生轴向位移，已达到消除间隙和产生预拉紧力的目的。
（b）螺纹调隙式，其中一个螺母的外端有凸缘而另一个螺母的外端没有凸缘而制有螺纹，它伸出套筒外，并用两个圆螺母固定。旋转圆螺母即可消除间隙，并产生预拉紧力，调整好后再用另一个圆螺母把它锁住。
3.（1）滑动导轨：这种导轨副之间的摩擦为滑动摩擦的导轨，按摩擦状态又分为静压导轨和动压导轨。动压是部件在运动时产生的承载油膜，而静压是利用外界的油压作用在导轨与摩擦副之间产生静压油膜，使活动部件浮起，即导轨与摩擦副之间不产生直接的接触。因此摩擦和磨损都很小。
（2）滚动导轨：这种导轨副之间的摩擦为滚动摩擦的导轨，以减小摩擦力。
4.电主轴又称内装式主轴电机,是将机床主轴与主轴电机融为一体的新技术。电主轴是一套组件，它包括电主轴本身及其附件：电主轴、高频变频装置、油雾润滑器、冷却装置、内置编码器、换刀装置，即主轴与电机转子合为一体，其优点是主轴部件结构紧凑、重量轻、惯量小，可提高启动、停止的响应特性，利于控制振动和噪声。转速高，目前最高可达200000 r/min。其缺点是电机运转产生的振动和热量将直接影响到主轴。