數(shù)控加工概論

數(shù)控加工概論數(shù)控車床數(shù)控銑床加工中心加工中心數(shù)控鉆床數(shù)控車床的主要內(nèi)部結(jié)構(gòu)FANUC數(shù)控系統(tǒng)（顯示器及操作面板）FANUC數(shù)控系統(tǒng)（顯示器及操作面板）西門子系統(tǒng)的顯示操作部件、驅(qū)動器、可編程控制器1952年世界上第一臺數(shù)控機床在麻省理工學院研制成功。1954年世界上第一個自動編程語言——APT語言誕生二十世紀六十年代初期，數(shù)控機床更廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，操作更加容易，功能更加強大。1976年，第一臺計算機數(shù)控（CNC）機床問世，它具有存儲功能，響應(yīng)速度更快。數(shù)字控制（簡稱數(shù)控）是指在數(shù)控機床上使用數(shù)字編碼指令（數(shù)字或字母）對機床部件進行控制的一種方法。數(shù)控發(fā)展情況1995年12月，美國SME主席G.Olling提出，“數(shù)字制造”（“digitalmanufacturing”）將會是我們的主要工作。什么是“數(shù)字制造”呢？簡單地說，就是用數(shù)字的方式來存儲、管理和傳遞制造過程中的所有信息。在計算機世界里，可以產(chǎn)生各種各樣的信息，并把物理過程虛擬化；(DistributedNumericalControl)稱為分布式數(shù)控可以對CAD/CAPP/CAM以及CNC的程序進行傳送和分級管理。DNC技術(shù)使CNC與通信網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系在一起,還可以傳送維修數(shù)據(jù)，使用戶與數(shù)控生產(chǎn)廠家直接通信；進而把制造廠家聯(lián)系在一起，構(gòu)成虛擬制造網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)在的問題是，如何把這些信息從計算機“下載”到生產(chǎn)線，在生產(chǎn)過程中利用這些信息控制機器，生產(chǎn)出合格產(chǎn)品；這個全過程就是數(shù)字制造。數(shù)控發(fā)展情況數(shù)控技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展

1952年，電子管控制數(shù)控機床 1959年，晶體管控制數(shù)控機床，加工中心 60年代，集成電路數(shù)控機床 70年代，計算機數(shù)控機床 80年代，計算機集成制造系統(tǒng)數(shù)控發(fā)展情況數(shù)控裝置伺服系統(tǒng)加工程序什么是機床的數(shù)字控制以數(shù)字指令方式控制機床各部件的相對運動和動作。

例：N003G90G01X+35.Y+279.3Z-429.7S1000T02F500M07；

將數(shù)字代碼輸入機床的數(shù)字控制裝置（即控制機床的專用計算機）中去，經(jīng)過計算機的計算處理、伺服控制、驅(qū)動機床各部件運動，完成上述空間直線段的加工。用這種控制技術(shù)控制的機床就稱為“數(shù)控機床”或“NC機床”。（NumericallyControlledMachineTool）數(shù)控技術(shù)的基本概念1．概念數(shù)控加工是用數(shù)控裝置或計算機代替人工操作機床進行自動化加工的一種方法。2．加工的過程首先設(shè)計出零件的圖紙，根據(jù)零件圖進行工藝規(guī)程設(shè)計，然后編制出數(shù)控程序并生成刀位數(shù)據(jù)文件，經(jīng)后置處理器進一步處理后，數(shù)控指令以穿孔紙帶的形式輸入機床的數(shù)控系統(tǒng)。數(shù)控系統(tǒng)對輸入的指令進行處理后，把它們轉(zhuǎn)化成輸出信號，用來控制各個機床部件，進行數(shù)控加工。這樣，機床就會在指令的控制下加工出合格的零件。當加工對象改變時，不需要重新調(diào)整機床，只要更換一個新的控制介質(zhì)（如穿孔紙帶）就可以加工新的零件。數(shù)控加工的特點3．數(shù)控加工的特點：1）加工精度高2）生產(chǎn)效率高3）自動化程度高4）工件成本低5）生產(chǎn)準備時間短6）加工范圍廣7）有利于實現(xiàn)CAD系統(tǒng)、CAPP系統(tǒng)、CAM系統(tǒng)的集成。4．數(shù)控加工應(yīng)用適用于形狀比較復雜、中批或中批以下生產(chǎn)類型、要求重復精度高以及在普通機床或自動機床和仿形機床上加工需要復雜工裝的零件。對形狀比較簡單、批量較大的產(chǎn)品，采用數(shù)控加工就不合算，應(yīng)該采用其它自動化機床數(shù)控加工的特點1．點對點控制也稱為點位控制，通常適用于不關(guān)心刀具相對于工件的運動軌跡的場合，比如鉆孔、沖壓以及直線銑削等。這種方法只強調(diào)到達指定點時的坐標精度，至于在指定點之間運動的路徑和速度則無關(guān)緊要。2．輪廓控制又稱連續(xù)控制（continuouspath），在這種方法中，刀具相對于被加工工件嚴格精確的運動軌跡和速度意義重大，而且各方向上的運動、加速或減速必須協(xié)調(diào)同步，才能加工形狀復雜的零件，絕大多數(shù)數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控磨床、焊接機床和加工中心均屬此類。數(shù)控系統(tǒng)的類型3．自適應(yīng)控制可以根據(jù)切削環(huán)境地變化，自動對切削參數(shù)作相應(yīng)的改變，使其更加適應(yīng)新的環(huán)境，自適應(yīng)一詞由此而得。比如，機床可以根據(jù)刀具的鈍化程度、機床溫升以及振動，自動調(diào)節(jié)切削用量。數(shù)控系統(tǒng)的類型點位控制(PointtoPointControl)：嚴格控制點到點之間的距離，而與所走的路徑無關(guān)。YXO,PKQR△X△Y

圖1.1點位控制G00:P-K-QG01:P-Q數(shù)控系統(tǒng)的類型輪廓加工控制(ContouringControl)：

不僅對坐標的移動量進行控制，而且對各坐標的速度及它們之間比率都要行嚴格控制，以便加工出給定的軌跡。。TL1L2L3L4L5L6L△X△YXY圖1.2

輪廓控制

數(shù)控系統(tǒng)的類型原理:在允許的誤差范圍內(nèi),從微觀上看,用沿直線（精確地說，沿逼近函數(shù)）的各軸最小單位移動量合成的分段運動來代替曲線運動，從而加工出輪廓。基本名詞術(shù)語：1.點位控制：控制點到點的距離；2.輪廓控制：控制輪廓加工，實時控制位移和速度；3.分辨率：閉環(huán)數(shù)控機床的最小監(jiān)測單位，也叫設(shè)定單位。它代表了數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控機床的精度。

脈沖當量：數(shù)控系統(tǒng)中，一個指令脈沖代表的位移量(開環(huán))；4.插補:數(shù)據(jù)密化,用已知線型（已有插補軌跡）代替未知線型。

直線插補：數(shù)控機床加工時，刀具運動軌跡是直線的，稱為直線插補。

圓弧插補：數(shù)控機床加工時，刀具運動軌跡是圓弧的，稱為圓弧插補；●機床的數(shù)字控制是由數(shù)控系統(tǒng)完成的。數(shù)控能接收零件圖紙加工要求的信息進行插補運算，實時地向各坐標軸發(fā)出速度位置控制指令。伺服驅(qū)動裝置能快速響應(yīng)數(shù)控裝置發(fā)出的指令，驅(qū)動機床各坐標軸運動，同時能提供足夠的功率和扭矩。●機床的數(shù)字控制包括：軌跡控制和開關(guān)量控制。軌跡控制:直線、圓弧及其它各種平面,空間軌跡。由插補指令實現(xiàn)。插補指令越豐富，數(shù)控功能越強。開關(guān)量控制：為配合數(shù)控加工，所需要的開關(guān)動作控制，如程序停、冷卻液開停、主軸正反轉(zhuǎn)等等。由輔助功能指令實現(xiàn)。數(shù)控機床的組成及特點數(shù)控機床的組成

1）信息輸入：程序、參數(shù)、數(shù)據(jù)等的輸入通道。輸入設(shè)備為穿孔紙帶、磁帶、磁盤、通訊接口由上位機輸入，也可以在MDI方式下，用手動按鍵輸入。2）數(shù)控裝置：由CPU、存儲器、總線、功能部件和相應(yīng)軟件組成的專用計算機。作用為將加工程序譯碼軌跡計算（速度計算）、插補計算、補償計算，向各坐標的伺服驅(qū)動系統(tǒng)分配速度、位移命令。這一部分是數(shù)控機床的核心。

數(shù)控機床的組成

1）信息輸入：程序、參數(shù)、數(shù)據(jù)等的輸入通道。輸入設(shè)備為穿孔紙帶、磁帶、磁盤、通訊接口由上位機輸入，也可以在MDI方式下，用手動按鍵輸入。2）數(shù)控裝置：由CPU、存儲器、總線、功能部件和相應(yīng)軟件組成的專用計算機。作用為將加工程序譯碼軌跡計算（速度計算）、插補計算、補償計算，向各坐標的伺服驅(qū)動系統(tǒng)分配速度、位移命令。這一部分是數(shù)控機床的核心。

數(shù)控機床的組成

1）信息輸入：程序、參數(shù)、數(shù)據(jù)等的輸入通道。輸入設(shè)備為穿孔紙帶、磁帶、磁盤、通訊接口由上位機輸入，也可以在MDI方式下，用手動按鍵輸入。2）數(shù)控裝置：由CPU、存儲器、總線、功能部件和相應(yīng)軟件組成的專用計算機。作用為將加工程序譯碼軌跡計算（速度計算）、插補計算、補償計算，向各坐標的伺服驅(qū)動系統(tǒng)分配速度、位移命令。這一部分是數(shù)控機床的核心。

數(shù)控機床的組成

1）信息輸入：程序、參數(shù)、數(shù)據(jù)等的輸入通道。輸入設(shè)備為穿孔紙帶、磁帶、磁盤、通訊接口由上位機輸入，也可以在MDI方式下，用手動按鍵輸入。2）數(shù)控裝置：由CPU、存儲器、總線、功能部件和相應(yīng)軟件組成的專用計算機。作用為將加工程序譯碼軌跡計算（速度計算）、插補計算、補償計算，向各坐標的伺服驅(qū)動系統(tǒng)分配速度、位移命令。這一部分是數(shù)控機床的核心。

數(shù)控機床的組成

1）信息輸入：程序、參數(shù)、數(shù)據(jù)等的輸入通道。輸入設(shè)備為穿孔紙帶、磁帶、磁盤、通訊接口由上位機輸入，也可以在MDI方式下，用手動按鍵輸入。2）數(shù)控裝置：由CPU、存儲器、總線、功能部件和相應(yīng)軟件組成的專用計算機。作用為將加工程序譯碼軌跡計算（速度計算）、插補計算、補償計算，向各坐標的伺服驅(qū)動系統(tǒng)分配速度、位移命令。這一部分是數(shù)控機床的核心。

數(shù)控機床的組成

1）信息輸入：程序、參數(shù)、數(shù)據(jù)等的輸入通道。輸入設(shè)備為穿孔紙帶、磁帶、磁盤、通訊接口由上位機輸入，也可以在MDI方式下，用手動按鍵輸入。2）數(shù)控裝置：由CPU、存儲器、總線、功能部件和相應(yīng)軟件組成的專用計算機。作用為將加工程序譯碼軌跡計算（速度計算）、插補計算、補償計算，向各坐標的伺服驅(qū)動系統(tǒng)分配速度、位移命令。這一部分是數(shù)控機床的核心。

數(shù)控機床的組成

1）信息輸入：程序、參數(shù)、數(shù)據(jù)等的輸入通道。輸入設(shè)備為穿孔紙帶、磁帶、磁盤、通訊接口由上位機輸入，也可以在MDI方式下，用手動按鍵輸入。2）數(shù)控裝置：由CPU、存儲器、總線、功能部件和相應(yīng)軟件組成的專用計算機。作用為將加工程序譯碼軌跡計算（速度計算）、插補計算、補償計算，向各坐標的伺服驅(qū)動系統(tǒng)分配速度、位移命令。這一部分是數(shù)控機床的核心。

數(shù)控機床的組成

1）信息輸入：程序、參數(shù)、數(shù)據(jù)等的輸入通道。輸入設(shè)備為穿孔紙帶、磁帶、磁盤、通訊接口由上位機輸入，也可以在MDI方式下，用手動按鍵輸入。2）數(shù)控裝置：由CPU、存儲器、總線、功能部件和相應(yīng)軟件組成的專用計算機。作用為將加工程序譯碼軌跡計算（速度計算）、插補計算、補償計算，向各坐標的伺服驅(qū)動系統(tǒng)分配速度、位移命令。這一部分是數(shù)控機床的核心。

控制介質(zhì)數(shù)控裝置伺服系統(tǒng)

機床檢測反饋裝置控制介質(zhì)數(shù)控裝置伺服系統(tǒng)控制介質(zhì)數(shù)控裝置伺服系統(tǒng)控制介質(zhì)數(shù)控裝置伺服系統(tǒng)控制介質(zhì)數(shù)控裝置伺服系統(tǒng)控制介質(zhì)數(shù)控裝置伺服系統(tǒng)控制介質(zhì)數(shù)控裝置伺服系統(tǒng)控制介質(zhì)數(shù)控裝置伺服系統(tǒng)控制介質(zhì)數(shù)控裝置伺服系統(tǒng)數(shù)控機床的組成

1）信息輸入：程序、參數(shù)、數(shù)據(jù)等的輸入通道。輸入設(shè)備為穿孔紙帶、磁帶、磁盤、通訊接口由上位機輸入，也可以在MDI方式下，用手動按鍵輸入。2）數(shù)控裝置：由CPU、存儲器、總線、功能部件和相應(yīng)軟件組成的專用計算機。作用為將加工程序譯碼軌跡計算（速度計算）、插補計算、補償計算，向各坐標的伺服驅(qū)動系統(tǒng)分配速度、位移命令。這一部分是數(shù)控機床的核心。主要功能如下：

①多軸聯(lián)動、多坐標控制。②多種函數(shù)插補：直線、圓弧、拋物線、螺旋線、樣條等。③多種程序輸入功能。④信息轉(zhuǎn)換功能：EIA/ISO、公制/英制、絕對值/增量值、坐標變換等。⑤補償功能：刀具長度補償、刀具半徑補償、間隙、螺距誤差補償?shù)取＂薅喾N加工方式選擇。⑦故障自診斷功能。⑧顯示功能：字符、軌跡、平面圖形、三維動態(tài)圖形。⑨通訊和聯(lián)網(wǎng)功能。3）伺服驅(qū)動裝置：接受數(shù)控裝置來的指令，將信號進行調(diào)解、轉(zhuǎn)換、放大后驅(qū)動伺服電機，帶動機床執(zhí)行部件運動。4）檢測反饋裝置：電流、速度、位置檢測反饋裝置。5）機床本體：主運動部件、進給運動部件、執(zhí)行部件和基礎(chǔ)部件。特點：①傳動鏈短，結(jié)構(gòu)簡單。②剛度高、阻尼小、耐磨、熱變形性寧好。③無機變速。④高效傳動件：直線滾動導軌、滾珠絲杠螺母副等。⑤新結(jié)構(gòu)：刀庫機械手、自動主軸、動力刀架、交換工作臺、高性能的排屑冷卻防護機構(gòu)等等。數(shù)控機床的分類按運動控制的特點分類按伺服系統(tǒng)的類型分類

按工藝方法分類按功能水平分類

高檔中檔低檔

金屬切削類數(shù)控機床金屬成型類及特種加工類數(shù)控機床開環(huán)控制的數(shù)控機床閉環(huán)控制的數(shù)控機床半閉環(huán)控制的數(shù)控機床點位控制數(shù)控機床直線控制數(shù)控機床輪廓控制的數(shù)控機床開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖1．開環(huán)控制數(shù)控機床數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)分類閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖2．閉環(huán)控制數(shù)控機床

數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)分類圖1-10半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3．半閉環(huán)控制數(shù)控機床數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)分類中國數(shù)控機床發(fā)展水平及數(shù)字統(tǒng)計

2002年中國金屬加工機床進口、出口貿(mào)易統(tǒng)計進口出口數(shù)量(千臺)金額(百萬$)與上年比較(%)數(shù)量(千臺)金額(百萬$)與上年比較(%)數(shù)量金額數(shù)量金額金屬切削機床合計75.962074.724.2926.605506.58263.922.2213.85其中數(shù)控機床18.281453.738.3731.633.1034.641.16-3.242002年世界機床生產(chǎn)前十名

（百萬美元）國家(地區(qū))2002年2001年同比德國67377732-17%日本63799390-30%意大利37753794-5%中國3025262415%美國19132853-33%中國臺灣1754163510%瑞士17162047-20%西班牙863886-8%韓國8338044%法國812814-5%國家(地區(qū))2002年2001年同比中國5696474020%德國48155712-20%日本34415254-32%美國33255231-36%意大利29323080-10%韓國12231324-8%法國11651516-27%中國臺灣9771118-10%西班牙819881-12%英國690897-26%2002年世界機床消費前十名

（百萬美元）國家(地區(qū))2002年2001年同比中國3151240631%美國23273411-32%德國19602269-14%意大利9571227-22%韓國790931-15%法國7811188-34%加拿大704739-5%中國臺灣661845-22%英國612781-22%日本495660-25%2002年世界機床進口前十名

（百萬美元）2002年世界機床出口前十名

（百萬美元）國家(地區(qū))2002年2001年同比德國38824288-14%日本34434797-26%意大利18011942-12%瑞士14761756-20%中國臺灣143813638%美國9151034-11%英國514708-28%西班牙5014765%法國429486-16%比利時414564-30%數(shù)控加工與工藝技術(shù)的新發(fā)展隨著計算機技術(shù)突飛猛進的發(fā)展，數(shù)控技術(shù)正不斷采用計算機、控制理論等領(lǐng)域的最新技術(shù)成就，使其朝著高速化、高精化、復合化、智能化、高柔性化及信息網(wǎng)絡(luò)化等方向發(fā)展。整體數(shù)控加工技術(shù)向著CIMS（計算機集成制造系統(tǒng)）方向發(fā)展。

高速切削

高速加工技術(shù)是自上個世紀80年代發(fā)展起來的一項高新技術(shù)，其研究應(yīng)用的一個重要目標是縮短加工時的切削與非切削時間，對于復雜形狀和難加工材料及高硬度材料減少加工工序，最大限度地實現(xiàn)產(chǎn)品的高精度和高質(zhì)量。由于不同加工工藝和工件材料有不同的切削速度范圍，因而很難就高速加工給出一個確切的定義。目前，一般的理解為切削速度達到普通加工切削速度的5～10倍即可認為是高速加工。TOSHIBA四軸高速加工鏜銑床FIDIA五軸高速銑床

高速切削

高速加工與傳統(tǒng)的數(shù)控加工方法相比沒有什么本質(zhì)的區(qū)別，兩者牽涉到同樣的工藝參數(shù)，但其加工效果相對于傳統(tǒng)的數(shù)控加工有著無可比擬的優(yōu)越性：簡化了傳統(tǒng)加工工藝；經(jīng)濟效益顯著提高。有利于提高生產(chǎn)率；有利于改善工件的加工精度和表面質(zhì)量；有利于延長刀具的使用壽命和應(yīng)用直徑較小的刀具；有利于加工薄壁零件和脆性材料；

高速切削

受高生產(chǎn)率的驅(qū)使，高速化已是現(xiàn)代機床技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。主要表現(xiàn)在：數(shù)控機床主軸高轉(zhuǎn)速工作臺高快速移動和高進給速度

高速切削

目前，高速加工涉及到的新技術(shù)主要有：高速加工是通過大幅度提高主軸轉(zhuǎn)速和加工進給速度來實現(xiàn)的，為了適應(yīng)這種高速切削加工，主軸設(shè)計采用了先進的主軸軸承、潤滑和散熱等新技術(shù)；高速主軸

高速切削

五軸高速銑削頭

高速切削

高速伺服進給系統(tǒng)高速加工通常要求在高主軸轉(zhuǎn)速下，使用在很大范圍內(nèi)變化的高速進給。高速進給的需求已引起機床結(jié)構(gòu)設(shè)計上的重大變化：采用直線伺服電機來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電機絲杠驅(qū)動；

高速切削

適于高速加工的數(shù)控系統(tǒng)高速加工數(shù)控系統(tǒng)需要具備更短的伺服周期和更高的分辨率，同時具有待加工軌跡監(jiān)控功能和曲線插補功能，以保證在高速切削時，特別是在4-5軸坐標聯(lián)動加工復雜曲面輪廓時仍具有良好的加工性能。

高速切削

刀具技術(shù)刀具性能和質(zhì)量對高速切削加工具有重大影響，新型刀具材料的采用，使切削加工速度大大提高，從而提高了生產(chǎn)率，延長了刀具壽命。

高速切削

高速加工作為一種新的技術(shù)，其優(yōu)點是顯而易見的，它給傳統(tǒng)的數(shù)控加工帶來了一種革命性的變化，但是，目前既便是在加工機床水平先進的瑞士、德國、日本、美國，對這一嶄新技術(shù)的研究也還處在不斷的摸索研究中。有許多問題有待于解決：如高速機床的動態(tài)、熱態(tài)特性；刀具材料、幾何角度和耐用度問題；機床與刀具間的接口技術(shù)（刀具的公平衡、扭矩傳輸）；冷卻潤滑液的選擇；CAD/CAM的程序后處理問題；高速加工時刀具軌跡的優(yōu)化問題等等。國內(nèi)在這一方面的研究采尚處于起步階段，要趕上并盡快縮小與國外同行業(yè)間的差距，還有許多路要走。

高速切削

高精加工是高速加工技術(shù)與數(shù)控機床的廣泛應(yīng)用結(jié)果。以前汽車零件的加工精度要求在0.01mm數(shù)量級，現(xiàn)在隨著計算機硬盤、高精度液壓軸承等精密零件的增多，精整加工所需精度已提高到0.1μm，加工精度進入了亞微米世界。

高精加工提高機械設(shè)備的制造精度和裝配精度減小數(shù)控系統(tǒng)的控制誤差提高數(shù)控系統(tǒng)的分辨率以微小程序段實現(xiàn)連續(xù)進給使CNC控制單位精細化提高位置檢測精度位置伺服系統(tǒng)采用前饋控制與非線性控制采用補償技術(shù)齒隙補償絲桿螺距誤差補償?shù)毒哒`差補償熱變形誤差補償空間誤差綜合補償高精加工機床的復合化加工是通過增加機床的功能，減少工件加工過程中的多次裝夾、重新定位、對刀等輔助工藝時間，來提高機床利用率。復合化加工復合化加工的兩重含義：一臺裝夾可完成多工種、多工序企業(yè)向復合型發(fā)展，為用戶提供成套服務(wù)工序和工藝的集中工藝的成套即即復合化加工

數(shù)控技術(shù)智能化程度不斷提高，體現(xiàn)在以下幾個方面：控制智能化加工過程自適應(yīng)控制技術(shù)加工參數(shù)的智能優(yōu)化與選擇故障自診斷功能智能化交流伺服驅(qū)動裝置

智能CAD把工程數(shù)據(jù)庫及其管理系統(tǒng)、知識庫及其專家系統(tǒng)、擬人化用戶接口管理系統(tǒng)集于一體。

控制智能化

智能制造技術(shù)包括專家系統(tǒng)、模糊推理和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)三大部分。控制智能化

網(wǎng)絡(luò)功能正逐漸成為現(xiàn)代數(shù)控機床、數(shù)控系統(tǒng)的特征之一。諸如現(xiàn)代數(shù)控機床的遠程故障診斷、遠程狀態(tài)監(jiān)控、遠程加工信息共享、遠程操作（危險環(huán)境的加工）、遠程培訓等都是以網(wǎng)絡(luò)功能為基礎(chǔ)的。互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)化美國波音公司利用數(shù)字文件作為制造載體，首次利用網(wǎng)絡(luò)功能實現(xiàn)了無圖紙制造波音777新型客機。