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1 前言
1.1 数控技术的发展概况
20世纪人类社会最伟大的科技成果是计算机的发明与应用，计算机及控制技术在机械制造设备中的应用是世纪内制造业发展的最重大的技术进步。自从1952年美国第1台数控铣床问世至今已经历了进60年。它经历60年的2个阶段和6代的发展历程：
第1阶段是硬件数控（NC）,第1代---1952年的电子管；第2代---1959年晶体管分离元件；第3代---1965年的小规模集成电路；
第2阶段是软件数控（CNC），第4代---1970年的小型计算机；第5代---1974年的微处理器；第6代---1990年基于个人PC机（PC-BASEO）。
第6代的系统优点主要有：
（1）元器件集成度高，可靠性好，性能高，可靠性已达到5万小时以上； （2）基于PC平台,技术进步快，升级换代容易；
（3）提供了开放式基础，可供利用的软、硬件资源丰富，使数控功能扩展到很宽的领域（如CAD、CAM、CAPP，连接网卡、声卡、打印机、摄像机等）；
（4）对数控系统生产厂来说，提供了优良的开发环境，简化了硬件。
1.2 数控技术性能发展方向
（1）高速、高精、高效化
速度、精度和效率是制造技术的关键性能指标。由于采用了高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU控制系统和带高分辨率绝对式检测元件的交流数字伺服系统，同时采取了改善机床动态、静态特性等有效措施，机床的高速、高精、高效化已大大提高。
（2）柔性化
柔性化包含两方面：数控系统本身的柔性，数控系统采用模块化设计，功能覆盖面大，可裁剪性强，便于满足不同用户的要求;群控系统的柔性，同一群控系统能依据不同生产流程的要求，使物料流和信息流自动进行动态调整，从而最大限度地发挥群控系统的效能。
（3）工艺复合性和多轴化
多轴化是以减少工序及辅助时间为主要目的的复合加工，正朝着多轴、多系列控制功能方向发展。数控机床的工艺复合化是指工件在一台机床上装夹后，通过自动换刀、旋转主轴头或转台等各种措施，完成多工序、多表面的复合加工。
（4）实时智能化
在数控技术领域，实时智能控制的研究和应用正沿着几个主要分支发展：自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制、学习控制、前馈控制等。
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1.3 数控技术功能发展方向
（1）用户界面图形化
用户界面是CNC系统与使用者之间的对话接口。由于不同用户对界面的要求不同，因而开发用户界面的工作量很大，用户界面成为计算机软件研制中最困难的部件之一。图形用户界面极大地方便了非专业用户的使用，人们可以通过窗口和菜单进行操作，便于蓝图编辑和快速编辑、三维彩色立体动态图形显示、图形模拟、图形动态跟踪和仿真、不同方向的视图和局部显示比例缩放功能的实现。
（2）科学计算可视化
科学计算可视化可用于高效处理数据和解释数据，使信息交流不再局限于文字和语言表达，而可以直接使用图示、图像、动画等科室信息。在数控技术领域，可视化技术可用于CAD/CAM,如自动编程设计、参数自动设定、刀具补偿和刀具管理数据的动态处理和显示以及加工过程的可视化仿真演示等。
(3)插补和补偿方式的多样化
插补方式有多种多样，如直线插补、圆弧插补、圆柱插补、空间椭圆曲面插补、螺纹插补、极坐标插补、螺旋插补、NANO插补、NURBS插补（非均匀有理B样条插补）、样条插补、多项式插补等。多种补偿功能，如间隙补偿、垂直度补偿、象限误差补偿、温度补偿等。
（4）内装高性能PLC
在CNC系统内装高性能PLC控制模块，可直接用提醒图或高级语言编程，具有直观的在线帮助功能。
（5）多媒体技术应用
在数控技术领域，应用多媒体技术可以做到信息处理综合化、智能化，在实时监控系统和生产现场设备的故障诊断、生产过程参数检测等方面有着重大的应用价值。
1.4数控机床的应用
（1）数控机床的适用范围
数控机床是一种可编程的通用加工设备，但因设备投资费用较高，还不能用数控机床完全替代其他类型的设备。因此，数控机床选用有其一定的适用范围。数控机床最适用加工结构比较复杂、精度要求高的零件以及产品更新频繁、生产周期要求短的多品种小批量零件的生产。
（2）数控机床的特点
数控机床与通用机床相比 ，它具有以下特点： ①提高加工零件的精度，稳定产品的质量。
②能完成普通机床难完成或更本不能加工的复杂零件加工。 ③生产率高。
④对产品改型设计的实用性强。 2 - -
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⑤有利于制造技术向综合自动化方向发展，数控机床是机械加工自动化的基本设备，是新一代生产技术柔性制造单元、柔性制造系统、计算机集成制造系统的基本工作单元?1?。
1.5中国数控机床的发展
中国数控机床制造业在20世纪80年代曾有过高速发展的阶段，许多机床厂从传统产品实现向数控化产品的转型并有许多厂家生产经济型微型数控机床。但总体来说，技术水品不是很高，质量不佳，所以在20世纪90年代初期，面临国家经济由计划经济向市场经济转移调整，经历了几年最困难的萧条时期，那时生产能力下降50%。 当今世界工业国家数控机床的拥有量反映了这个国家的经济能力和国防实力。中国的数控化低，已有数控机床利用率低、开动率低，这是发展中国21世纪制造业必须首先解决的最主要问题。
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2 总体设计方案
要设计数控车床，首先要对数控机床进行分类
2.1数控机床的分类
由于设计的要求，数控机床在本设计中只对伺服系统的类型进行分类。数控装置发出的指令信号（脉冲或电压），通过伺服驱动机床部件运动，按照控制方式不同，伺服系统分为三类： 2.1.1开环系统
开环进给系统为无位置检测系统。如图2.1所示系统的驱动元件主要是步进电机或电液压马达。该系统的特点是，只按照数控系统的指令进行工作，而对执行的结果，即移动部件的实际移动，不进行监测和反馈。
开环系统结构简单，调试、维修、使用都很方便，工作可靠，成本低廉。但精度差，低速不平稳，高速扭矩小。一般用于轻载、负载变化不大的或经济型数控车床上。
图2.1 开环伺服系统
2.1.2闭环系统
闭环伺服系统是误差控制随动系统。如图2.2所示系统是由位置比较环节、伺服驱动放大器、伺服电动机、机械传动装置和位移监测装置组成。
闭环伺服系统的工作原理是，当数控系统发出唯一指令后，经过伺服电机、机械传动装置驱动移动部件移动，直线位置检测装置把检测到的位移量反馈到位置比较环节，与输入信号进行比较，将误差补偿到控制指令中，再去控制伺服电机。
图2.2 闭环伺服系统
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