数控操作与编程实训教材、正式A.pdf

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1、数控操作与编程实训教材、正式 A 第一章 数控机床概述 第一节 数控技术的基本概念 数控技术是本世纪中期发展起来的机床控制技术。现代计算机数控技术是综合了计算机、自动控制、电机、电气传动、测量、监控、机械制造等技术学科领域最新成果而形成的一门边缘科学技术。数控技术是柔性制造系统(Flexible Manufacturing System，简称 FMS)、计算机集成制造系统(Computer Integrated Manufacturing System，简称 CIMS)和工厂自动化(Factory Autormation，简称FA)的基础技术之一，是现代机械制造业中的高新技术之一。数控技术包含

2、许多基本概念，了解这些基本概念，对于学习和掌握数控技术和数控机床的操作与编程具有重要意义。一、数控 数字控制(Numerical Control，简称 NC)是一种自动控制技术，是用数字化信号对机床的运动及其加工过程进行控制的一种方法。二、数控机床 数控机床(NC Machine)就是采用了数控技术的机床，或者说是装备了数控系统的机床。国际信息处理联盟(International Federation of Information Processing，简称 IFIP)第五技术委员会对数控机床作了如下定义:数控机床是一种装有程序控制系统的机床，该系统能逻辑地处理具有特定代码和其它符号编码指令规

3、定的程序。三、数控系统 数控系统(NC System)就是上述定义中所指的那种程序控制系统，它能逻辑地处理输入到系统中具有特定代码的程序，并将其译码，从而使机床运动并加工零件。四、计算机控制系统 计算机数控系统(Computerized Numerical Control System)由装有数控系统程序的专用计算机、输入输出设备、可编程序控制器(PLC)、存储器、主轴驱动及进给驱动装置等部分组成，习惯上称为 CNC 系统。目前通常所说的数控系统，一般均指计算机数控系统。五、数控程序 输入数控系统中的、使数控机床执行一个确定的加工任务的、具有特定代码和其他符号编码的一系列指令，称为数控程序(N

4、C Program)或零件程序(Part Program)。六、数控编程 生成用数控机床进行零件加工的数控程序的过程，称为数控编程(NC Program)。七、数控加工 根据零件图样及工艺要求等原始条件编制零件数控加工程序，输入数控系统，控制数控机床中刀具与工件的相对运动，从而完成零件的加工。第二节 数控机床的发展 机电一体化是发展和振兴机械工业的必由之路，数控技术又是机电一体化的核心技术。数 1 控机床既是国民经济的重要基础装备，又是各项支柱产业和基础产业实现生产现代化的重要手段，也是关系到国家战略地位和提高国家综合国力水平的基础产业，其技术水平的高低和拥有量是衡量一个国家工业化的重要标志。

5、由于其重要地位，所以数控技术的发展一直受到世界各国的高度重视，一些工业发达国家在不同的发展阶段竞相制定相应的产业倾斜政策，推动数控机床得以迅速发展。一、数控机床的发展史 采用数字控制技术进行机械加工的思想，最早是在 20 世纪 40 年代初提出的。1949 年，美国帕森斯公司(Parsons Co.)正式接受美国空军委托，在麻省理工学院伺服机构实验室的协助下，开始从事数控机床的研制工作。其目的是为了制造出飞机框架及直升机叶片轮廓等形状复杂、加工精度要求高的零件。经过三年的研究，于 1952 年试制成功世界第一台三坐标连续控制数控铣床，这便是数控机床的第一代。它综合应用了计算机、自动控制、伺服驱

6、动、精密检测与新型机械结构等多方面的技术成果，可以用来加工复杂曲面零件。1953 年，美国空军与麻省理工学院协作，开始从事计算机自动编程的研究，这就是创制 APT 自动编程系统的开始。1955 年，美国空军花费巨资定购了大约 100 台数控机床，此后两年，数控机床在美国进入迅速发展阶段，市场上出现了商品化数控机床。1958 年，美国克耐.杜列克公司在世界上首先研制成功带自动换刀装置的数控机床，称为“加工中心”。1959 年，计算机行业研制出晶体管元器件，因而数控装置中广泛采用晶体管和印制电路板，从而跨入第二代数控时代。其体积较第一代大为减少。同时美国航空协会(AIA)和麻省理工学院发展 APT

7、 程序语言。1960 年以后，点位控制机床在美国得到迅速发展，数控技术不仅在机床上得到了实际应用，而且逐步推广到冲压机、绕线机、焊接机、火焰切割机、包装机和坐标测量机等，在程序编制方面，已由手工编程逐步发展到采用计算机自动编程。除了 APT 数控语言外，又发展了许多自动编程语言。1965 年，出现小规模集成电路。由于体积小、功耗低，使数控系统的可靠性得以进一步提高，数控系统发展等第三代。以上三代，都是采用专用控制计算机的硬件逻辑数控系统。装有这类数控系统的机床为普通数控机床(简称 NC 机床)。1967 年，英国首先把几台数控机床连接成具有柔性的加工系统，这就是最初的柔性制造系统(FMS)。在

8、此之后，美、欧、日也相继进行开发与应用。随着计算机技术的发展，小型计算机的价格急剧下降。小型计算机开始取代专用数控计算机，数控的许多功能由软件程序实现。这样组成的数控系统称为计算机控制系统(NCN)。1970 年，在美国芝加哥国际机床展览会上，首次展出了这种系统，称为第四代数控。而由计算机直接对许多机床进行控制的控制系统，称为直接数控系统(DNC)。1970 年前后，美国英特尔公司开发和使用了微处理器。1974 年，美、日等国首先研制出以微处理器为核心的数控系统。近 20 年来，微处理器数控系统的数控机床得到飞速发展和广泛应 2 用，这就是第五代数控系统(MNC)。20 世纪 80 年代初，国

9、际上又出现了柔性制造单元 FMC。FMC 和 FMS 被认为是实现 CIMS(计算机集成制造系统)的必经阶段和基础。二、中国数控机床发展情况 中国从 1958 年开始研究数控机床，一直到 20 世纪 60 年代中期还处于研制开发时期。当时，一些高等院校、科研单位研制出试验性样机，是从电子管起步的。1965 年，国内开始研制晶体管数控系统。20 世纪 60 年代末至 70 年代初研制成了立式数控铣床、数控非圆齿轮插齿机等。从 20 世纪 70 年代开始，数控技术在车削、铣削、镗削、磨削、齿轮加工和电加工等领域全面展开，数控加工中心在上海、北京研制成功。在这一时期，数控线切割机由于结构简单、使用方

10、便、价格低廉，在模具加工中得到了推广。数控车削加工、点位加工和加工中心及三坐标数控加工的自动编程系统和语言也研制成功，有的已在生产在应用。20 世纪 80 年代，中国从日本发那科公司引进了 3、5、6、7 等系列的数控系统和直流伺服电机，直流主轴电机等制造技术，以及引进美国 GE 公司的 MCI 系统和交流伺服系统，德国西门子 VS 系列可控硅调速装置，并进行了商品化生产。这些系统可靠性高，功能齐全。与此同时，还自行开发了 3、4、5 轴联动的数控系统以及双电机驱动的同步数控系统(用于火焰切割机)和新品种的伺服电机，推动了中国数控机床稳定发展，使中国数控机床在性能和质量上产生了一个质的飞跃。1

11、985 年，中国数控机床的品种有了新的发展。数控机床品种不断增多，规格齐全。许多技术复杂的大型数控机床、重型数控机床都相继研制出来。为了跟踪国外现代制造技术的发展，北京机床研究所研制出了 JCS-FMS-1 型和 JCS-FMS-2 型的柔性制造单元和柔性制造系统。三、数控机床发展的新趋势 数控机床作为高新技术产品，集现代制造技术、计算机、通讯、控制、气液电等新技术为一体，它始终伴随着这些的发展而发展。数控机床无论在提高其单机自动化水平，或以数控机床为核心的系统自动控制方面都呈现出蓬勃发展的势头。作为单机的发展，目前如下几种趋势。1、高精度化 【定位精度】近十年来机床的几何精度已取得明显的提高

12、，普通中等级加工中心的定位精度已由 80 年代初期的?0.012mm/300mm，提高到 80 年代后期的?0.005-0.008mm/全程;90 年代初期又提高到?0.002-0.005mm/全程。国家 公司名称 机床型号 机床性能 定位精度 日本 n=20000r/min 快进为24M/min?3m/全程 Kitamura Sonic-mill-2 美国 Boston Digital Vector 系列 n=10000r/min?2m/双向 日本 三井精机 VG45 加工中心?3m 【加工精度】由于数控机床基础大件结构特性和热稳定性的提高，加上采用各种补尝技术和辅助措施，因而使机床加工精度

13、有很大的提高。机床类型 原来精度 提高精度 3 普通级?10m?5m 和?2m 精密级?5m?1.5m 2、高速度化 【高速主轴的发展】数控加工中心的主轴转速近十年翻了几翻，80 年代中期为 4000-6000r/min，80 年代后期为 8000-12000r/min，90 年代发展到每分钟 1.5万转、2 万转 3 万转、5 万转，现在已达 12 万转/分钟。例如:日本新泻铁工所生产的 VZ40 型加工中心转速为 5 万转/分钟;该公司生产的 VHS10 型加工中心转速为 10万转/分钟;美国生产的 SC40/120 型加工中心转速为 12 万转/分钟。主轴转速的提高可以极大地提高生产率。

14、日本新泻铁工所加工一个 NAC55 钢模具，在普通机床上加工需要 9 小时，用 VZ40 型加工中心加工只要 12,13 分钟。【进给速度的发展】据统计表明，在加工中心上，纯切削时间约为总工作时间的 55,，所以加快进给速度和减少辅助时间也是提高生产率的重要途径。现在各坐标轴的快速移动已从十年前的 8,12m/min 提高到 30-40m/min。美国福特(FORD)公司与机床巨头 Ingersoll 公司合作，经过 8 年的努力，研制的 HVM800 型卧式加工中心，其进给速度高达 76.2m/min，机床工作起来已不象切削，而象跑空行程一样，瞬间即走完一个行程，达到了惊人的高速。【辅助时间

15、的缩短】在加工中的辅助时间主要指换刀与工作台交换的时间。以“刀,10 秒减少到 2.5 秒以内;以“切削,切削”的换刀时间来考核，刀”的时间而言，从原先的 5 也可以控制在 6 秒以内。使辅助时间大大缩短。3、高柔性化 “柔性化”是指机床适应加工对象变化的能力。在数控机床发展中，一个主导思想就是“柔性”。因此，体现柔性化的柔性制造单元(FMC)和柔性制造系统(FMS)的拥有量的发展更为迅速，美国 FMC 的安装平均增长率达到 73,，日本 FMS 的安装平均增长率达到 24,，全世界 FMS 的安装平均增长率达到 29,。4、高自动化 这里指的自动化是包括物料流和信息流的自动化。数控机床的自动

16、化除进一步提高其自动编程、自动换刀、自动上下料、自动加工等自动化程度外，在自动检测、自动监控、自动诊断、自动对刀、自动传输、自动调度、自动管理等方面也进一步得到发展，现已达到 72 小时以上“无人化”管理正常生产的目的。自适应控制系统的发展也是提高自动化水平的具体表现。所谓自适应控制系统就是能对机床加工过程中的各种随机变量(毛坯余量的变化、工件与刀具材质的变化、切削温度的变化、电机磨损等)连续地进行监控，并对机床主轴转速、进给速度、刀具补偿等参数进行及时的调控，使切削过程总是处于最佳状态之下。这就是自适应控制系统(Adaptive Control System)的概念。简称为 AC 系统。上面

17、所述的最佳状态是指:最佳表面质量、最大生产率或最低生产成本等。5、复合化 复合化包括工序复合化和功能复合化。数控加工中心是目前发展的一个趋势。所谓数控加工中心，就是将多种数控机床(一般是数控铣床、数控车床、数控钻床)的功能组合起来，再 4 附加一个自动换刀装置和一个有一定容量的刀库，对零件可以进行多道工序连续加工的复合数控机床。继加工中心之后又相继出现了车铣镗钻复合机床，或车铣镗磨复合机床，还有把冲孔、成型与激光切割复合，或将等离子加工与冲压复合等。这些多功能复合机床，打破了传统的工序界限，使工序高度集中，可进一步提高生产率。6、高可靠性 数控机床的可靠性是一项关键指标。衡量可靠性的量化指标是

18、平均无故障工作时间，简称为 MTBF。数控系统的 MTBF:在 70 年代大于 3000 小时，80 年代是大于10000 小时，90 年代是大于 30000 小时，日本 Fanuc 公司的 CNC 系统达到 125 个月。整机的 MTBF:80 年代初是 100,200 小时，目前一般是 500,800 小时。7、宜人化 宜人化是将功能设计与美学设计有机地结合起来。目前，国外机床生产厂家普遍采用计算机辅助工艺造型设计系统(CAID)，使机床的品类、造型、色彩发生了日新月异的变化。8、设计 CAD/CAM 化 随着计算机应用的普及和软件技术的发展，CAD/CAM 技术得到广泛的应用。它不仅可以

19、替代人工绘图，更重要的是采用 CAD/CAM 技术进行设计方案选择和对大件整机进行的静动态特性的分析、计算预测和优化设计，并对整机各工作部件进行仿真，使机床的设计达到一个更高的水平。CAD/CAM 市场也异常活跃。具有关报道，1982 年全世界 CAD/CAM 产品销售额为 12 亿美元，1985 年为 52.5 亿美元，1989 年为 118 亿美元，1990 年为 150 亿美元，1993 年为 168 亿美元，年平均增长率为37.1,。四、开放式数控系统简介 1、数控系统的发展现状 随着现代制造业生产方式的发展，生产设备正朝着灵活、多功能、网络化的方向发展，它希望控制器的功能重新配置、修

20、改、扩充和改装甚至重新生成，这样就对控制器产生了“开放”的要求。控制器制造商希望开放式控制器具有更高的性能价格比，具有较高的产品竞争力。制造信息的集成化、生产系统的分散化也促进了控制器的开放。日新月异的互联网技术为控制器的开放奠定了物质基础。开放式体系结构 CNC 的研究始于 1987 年美国政府资助下的 NGC(Next Generation Controller)项目。其目的是实现基于互操作和分级式软件模块的“开放体系结构的标准规范”SOSAS(Specification for an Open System Architecture Standard)。1994 年由美国 Chrysle

21、r Corp、Ford Motor 和 General Motor Powertrain Group 三大汽车公司提出了 OMAC(Open Modular Architecture Controllers)计划，其目的是降低控制器的投资成本和维护费用，提高机床利用率，提供软硬件模块的“即插即用”和高效的控制器重构机制，缩短产品开发周期。从而使系统易于更新换代，尽快跟上新技术的发展，并适应需求的变化。欧盟在 1992 年组织了 OSACA(Open System Architecture for Control within Automation Systems)项目，其研究目标是自动化系统中

22、的开放式控制系统体系结构。该项目由德国斯图加特大学的 ISW 研究所主持，联合德国、意大利、瑞士、英国、西班牙等 11 个国家的有关研究机构、大学和制造商，投资 1140 万欧元，历时 4 年，于1996 年结束。OSACA 模型的理想是在标准平台上建立由可自由组合的模块组成的系统，它是诸多开放式控制器研究计划中最万理 5 想的模型。现在，欧洲主要的数控制造商如:SIEMENS、BOSCH、NUM、FAGOR等都在开发符合 OSACA 标准规范的开放式数控系统。日本在 1995 年由机床制造商和信息、电子产品企业组建了 OSE 协会，开展名为 OSEC(Open system Environm

23、ent for Controller Architecture)的研究。项目分两步进行，第一步是“OSEC,II 设计”的研究，议论的中心问题是开放式控制器的意义和方向，提出了 FADL 语言，其实质是建立一种有多家公司支持的中性语言，以这种中性语言作为用户与控制器的交互界面。第二步是“OSECII 设计”的研究，目标是达到能实际安装的完成度高的体系结构。在 OSEC,II 中，FADL 语言进一步发展为 OSEL 语言，它将终端用户和机械厂家积累的生产技术做成软件包的形式，是一种具有可重复利用特性的新的 NC 语言。这些研究项目的主要任务是要制定开放式数控系统的体系结构标准规范，以便在这种标

24、准的支持下，各个开发商能开发出具有互换性和互操作性的构成要素模块，通过标准化接口，可将不同制造商提供的要素模块组合成所需要的数控系统。2、开放式数控系统的概念 国际电器电子工程师协会(IEEE)是这样定义开放式数控系统的:“符合系统规范的应用系统可以运行在多个销售商的不同平台上，可以与其它系统的应用进行互操作，并且具有一致风格的用户交互界面。”通俗地说，就是数控系统提供给用户(机床或机械制造商)一个平台，使他们能够在这个平台上，根据设备所需的特定功能，开发与之相应的软件和硬件，并与系统软件集成为一个新的应用系统，使该设备具有较高的性价比，并大大缩短开发周期。目前，世界上各系统制造商推出或正在研

25、究的具有开放特点的数控系统产品大致可以分为如下三个层次:第一层次的开放是人机界面的开放。它只开放了非实时的人机界面部分，允许用户自己设计控制系统的界面和编程语言。第二层次的开放是控制系统在明确固定的拓扑结构下允许替换内核中的特定模块以满足用户的特殊需要。例如，用户可以替换控制系统核心的插补算法等。第三层次的开放是拓扑结构完全可变的“完全开放”的控制系统。OSACA 追求的就是这种理想的控制器产品。在 OSACA 计划中，各种功能模块的地位是平等的，它们之间的拓扑关系是由系统内部的配置系统确定的。功能模块之间的信息传递是由系统内部的通信机制保证的。3、开放式数控系统的特点 现在国际公认的开放式体

26、系结构应具有是个特点:相互操作性、可移植性、可缩放性、可互换性。、相互操作性(Interoperability)相互操作性指不同应用程序模块通过标准化的应用程序接口运行于系统平台上，相互之间保持平等的相互操能力，协调工作。这一特性要求提供标准化接口、通讯和交互模型。随着制造技术的不断发展，CNC 也正朝着信息集成的方向发展。CNC 系统不但应能和不同系统彼此互联，实施正确有效的信息互通，同时应在信息互通的基础上，能信息互用，完成应用处理的协同工作，因此要求不同的应用模块能相互操作，协调工作。、可移植性(Portability)可移植性指不同的应用程序模块可以运行于不同供应商提供的不同的平台之上

27、。可移植性 6 应用于 CNC 系统，其目的是为了解决软件公用问题。要使系统提供可移植特性，基本要求是设备无关性，即通过统一的应用程序接口，完成对设备的控制;要求各部件具有统一的数据格式、行为模型、通讯方式和交换机制。具备可移植特性的系统，可使用户具有更大的软件选择余地，通过选购适应多种系统的软件，费用可以显著降低。同时在应用软件的开发过程中，重复投入费用也可降低。可移植性也包括对用户的适应性，要求 CNC 系统具有统一风格的交互界面，使用户适应一种控制器的操作，即可适应一类控制器的操作，而无需对该控制器的使用重新进行费时费力的培训。、可缩放性(Scalability)可缩放性指增添和减少系统

28、的功能仅仅表现为特定模块单元的装载与卸载。不是所有的场合都需要 CNC 系统具备复杂且完善的数控功能，在这种情况下，厂家没有必要购买不适于加工产品的复杂数控系统。因为可缩放性使得 CNC 系统的功能和规模变得极其灵活，既可以增加配件或软件以构成功能更加强大的系统，也可以裁减其功能来适应简单加工场合。同时，同一软件既可以在该系统的低档硬件配置上运行，也可以在该系统的高档硬件配置上应用。可缩放性使得用户可以灵活改变CNC 系统的应用场合，一台控制器可以使用于多种类加工设备的控制上。、可互换性(Interchangeability)可互换性指不同性能和不同功能的单元可以相互替代，而不影响系统的协调运

29、行。有了可互换性，构成开放式体系结构的数控系统就不受唯一供应商所控制，也无需为此付出昂贵的版权使用费。相反，只需支付合理的或较少的费用，即可获得系统的各组成部件，并且可以有多个来源。第三节 数控机床的组成 数控机床一般由 CNC 系统、伺服系统和机械系统三大部分组成。图 1-1 是数控机床的组成框图。图 1-1 数控机床的组成 7 一、CNC 系统 这是数控机床的核心，主要功能如下:1、多坐标控制(多轴联动)同时控制数控机床的各坐标轴的进给运动。2、准备功能(G 功能)用来指定机床的运动方式。、多种函数的插补(直线、圆弧、抛物线及螺旋线插补等)用于刀具进给运动轨迹插补。3 4、可编程偏置设定

30、用于设置程序原点、刀具长度和刀具半径补偿值。5、代码转换 包括 EIA/ISO 代码转换、英制/公制转换、二,十进制转换、绝对坐标/相对坐标(增量坐标)转换等。6、固定循环加工 将一些典型的循环加工过程，如钻孔、攻螺纹、镗孔、切螺纹等，预先编制好程序并存放在存储器中，用 G 代码进行指定，从而简化零件的加工编程。7、进给功能 指定进给速度或进给率。8、主轴功能 指定主轴转速。9、辅助功能 规定主轴的启动、停止、转向及冷却液的打开和关闭等。10、刀具功能 选择刀具和换刀。11、辅助编程功能 包括图形缩放和平移、坐标旋转、极坐标、镜像等功能，减少了手工编程的工作量和难度。、各种补偿功能 包括刀具半

31、径、刀具长度、传动间隙、螺距误差的补偿。12 13、子程序功能 调用子程序，使编程灵活，并简化编程。14、宏程序功能 通过编辑子程序中的变量来改变刀具路径与刀具位置。15、人机对话编程功能 包括数据及加工程序的输入、编辑及修改。16、字符图形显示功能 在 CRT 上显示数控程序、各种参数、各种补偿值、坐标位置、故障信息、人机对话编程菜单、零件图形、动态刀具运动轨迹等。17、故障的自诊断功能 设置各种诊断程序，防止故障的发生及扩大。18、通信及联网功能 用于实现程序的传输、计算机直接数控(DNC:Directed NC)、分布式(Distributed)计算机数控和制造自动化协议(Manufac

32、turing Automation Protocol，简称 MAP)。二、伺服系统 数控机床的伺服系统(或称驱动系统)是数控机床的重要组成部分，用于实现数控机床的进给伺服控制和主轴伺服控制。1、进给伺服系统 是数控机床的进给运动执行部分，包括位置控制单元、速度控制单元、执行电动机、测量反馈单元等部分，它接受计算机发来的各种动作命令，驱动执行电动机运动。执行电动机可以是步进电动机、电液马达、直流伺服电动机或交流伺服电动机。进给伺服系统的组成如图 1,1 所示，其性能的好坏将直接影响数控机床加工精度和生产效率。2、主轴伺服系统 是数控机床主轴运动的控制部分，包括主轴控制单元、主轴电动机、测量反馈单

33、元等部分。三、机械系统 根据加工工艺进行分类，可将数控机床分为数控车床、数控铣床、数控镗床、数控磨床、数控冲压机床、数控电加工机床、数控测量机床等，这种分类方法主要是针对数控机床的机械结构进行的。8 近 20 年来，由于进给驱动、主轴驱动和数控技术的发展，数控机床的机械结构已从初期对普通机床局部结构的改进，逐步发展到形成数控机床的独特机械结构。尽管如此，普通机床的构成模式仍适用于现代数控机床，其零部件的设计方法仍基于普通机床设计的理论和计算方法，但数控机床零部件的性能指标要求较高。数控机床的机械系统，除机械基础件以外，由下列各部分组成:1、主轴部分:包括主轴电动机和主轴传动系统。2、进给系统:

34、包括进给执行电动机和进给传动系统。3、实现工件回转、定位的装置和附件。4、实现某些部件动作和辅助功能的系统和装置。如液压、气动、润滑、冷却等系统和排屑、防护等装置。5、刀库和自动换刀装置(Automatic Tools Changer 简称 ATC)。6、自动托盘交换装置(Automatic Pallet Changer，简称 APT)。机床基础件或称机床大件，通常是指床身(或底座)、立柱、横梁、滑台和工作台等，它是整台机床的基础和框架。机床的其它零、部件，或者固定在基础件上，或者工作时在它的导轨上运动。其它机械结构组成则按机床的功能需要选用。如一般的数控机床除基础件以外，还有主轴部件、进给系

35、统以及液压、润滑、冷却等辅助装置，这是数控机床机械系统的基本构成。加工中心则至少还应有 ATC，有的还有双工位 APC 等。柔性制造单元除 ATC 外还带有工位数较多的 APC，有的甚至还配有用于上下料的工业机器人。数控机床还可根据自动化程度、可靠性要求和特殊功能需要，选用各种类型的刀具破损监控、机床和工件精度检测、补偿装置和附件等。有些特种加工数控机床，如电加工数控机床和激光切割机，其主轴部件不同于一般数控金属切削机床，但采用伺服电动机驱动机床运动部件实现进给运动，则是所有数控机床的共同特性。与普通机床不同的是，数控机床的机械结构具有如下特点:1、由于大多数数控机床采用了高性能的主轴部件及进

36、给伺服驱动系统，因此，数控机床的机械传动结构大大简化，传动链较短。2、为了适应数控机床连续地自动化加工，数控机床的机械结构具有较高的动态刚度、阻尼精度及耐磨性，热变形较小。3、更多地采用高效、高精度传动部件，如滚珠丝杆副、直线滚动导轨等。第四节 数控机床的分类 数控机床可以根据不同的方法进行分类，常用的分类方法有按数控机床运动轨迹进行分类、按进给伺服系统控制方式进行分类、按加工工艺类型分类、按数控系统功能水平进行分类。一、按数控机床运动轨迹进行分类 1、点位控制数控机床 点位控制(Positioning Control)又称为点到点控制(Point to Point Control)。刀具从某

37、一位置向另一位置移动时，不管中间的移动轨迹如何，只要刀具最后能正确到达目标位置的控制方式，称为点位控制。这类控制在移动过程中不进行加工，对两点间的移动速度及运动轨迹没有严格要求，可以先沿一个坐标移动完毕，再沿另一个坐标移动，也可以沿多个坐标同时移动。这类 9 数控机床主要有数控钻床、数控坐标镗床和数控冲床等，相应的数控系统称为点位数控系统。2、直线控制数控机床 直线切削控制(Straight Cut Control)又称为平行切削控制(Parallel Cut Control)。这类数控机床除了控制点对点的准确位置之外，还要保证两点之间移动的轨迹是一条直线，而且对移动的速度也要进行控制，因为这

38、一类数控机床在两点之间移动时要进行切削加工。这一类数控机床包括简易数控车床、数控镗铣床等。一般情况下，这些数控机床有 2,3 个可控坐标轴，但同时控制的坐标轴只有一个。为了能在刀具磨损或更换刀具后，仍可得到合格的零件，这类机床的数控系统常常具有刀具半径补偿、刀具长度补偿和主轴转速控制功能。3、轮廓控制的数控机床 轮廓控制又称连续轨迹控制。这类数控机床能够对两个或两个以上运动坐标的位移及速度进行连续相关的控制，因而可以进行曲线或曲面的切削加工。这类机床有两坐标及两坐标以上的数控镗铣床、加工中心等。现代数控机床绝大多数具有两坐标及两坐标以上联动的功能，而且具有刀具半径补偿、丝杆和齿轮的间隙补偿等功

39、能。按同时控制且相互独立的轴数，可以有 2、3、4、5 轴控制等。二、按伺服系统类型进行分类 1、开环伺服系统数控机床 这是一种比较原始的数控机床。这类机床的数控系统将零件的程序处理后，输出数据指令给伺服系统，驱动机床运动，没有来自位置传感器的反馈信号。最典型的系统就是采用步进电动机的伺服系统，如图 1,4 所示。它一般由步进电动机驱动器、步进电动机、配速齿轮和丝杆螺母传动副等组成。数控系统每发出一个指令脉冲，经驱动器功率放大后，驱动步进电动机旋转一个固定角度(即步距角)，再经传动机构带动工作台移动。这类系统的信息流是单向的，即进给脉冲发出去以后，实际移动值不再反馈回来，所以称为开环控制。这类

40、机床较为经济，但加工速度和加工精度较低。图 1-3 开环控制数控机床的工作原理 2、闭环伺服系统数控机床 这类机床带有检测装置，直接对工作台的移动量进行检测，其原理如图 1,4 所示。当数控系统发出位移指令脉冲，经电动机和机械传动装置使机床工作台移动时，安装在工作台上的位 10 置检测器把机械位移变换成电信号，反馈到输入端与输入信号进行比较，得到的差值经过放大和变换，最后驱动工作台向减少误差的方向移动，直到差值等于零为止。这类控制系统，因为把机床工作台纳入了位置控制环，故称为闭环控制系统。该系统可以消除包括工作台传动链在内的运动误差，因而定位精度高、调节速度快。但由于该系统受进给丝杆的拉压刚度

41、、摩擦阻尼特性和间隙等非线性因素的影响，给调试工作造成较大的困难。如果各种参数匹配不当，将会引起系统振荡，造成不稳定，影响定位精度。由于闭环伺服系统复杂和成本高，故适应于精度要求很高的数控机床，如精密数控镗铣床、超精密数控车床等。A速度传感器 C直线位移传感器 图 1-4 闭环控制数控机床的工作原理图 3、半闭环伺服系统数控机床 大多数数控机床是半闭环伺服系统，这类系统用安装在进给电动机轴端的角位移测量元件(如旋转变压器、脉冲编码器、圆光栅等)来代替安装在机床工作台上的直线测量元件，用测量电动机轴的旋转角位移来代替测量工作台直线位移，其原理如图所示。因这种系统未将丝杆螺母副、齿轮传动副等传动装

42、置包含在闭环反馈系统中，因而称之为半闭环控制系统，它不能补偿传动装置的传动误差，但却得以获得稳定的控制特性。这类系统介于开环与闭环之间，精度没有闭环高，调试却比闭环方便，因而得到了广泛应用。A 速度传感器 B角度传感器 图 1-5 半闭环控制数控机床的工作原理图 三、按加工类型进行分类 11 1、普通数控机床 这类数控机床和传统的通用机床一样，有车、铣、钻、镗、磨床等，而且每一类又包含很多品种，例如数控铣床中就有立铣、卧铣、工具铣等，这类机床的工艺性能和通用机床相似。2、加工中心机床 这是一种在普通数控机床上加装一个刀具库和自动换刀装置而构成的数控机床。它和普通数控机床的区别是:工件一次装夹后

43、，数控系统能控制机床自动地更换刀具，自动连续地对工件各加工面进行铣(车)、镗、钻、铰、攻螺纹等多工序加工。3、金属成型类数控机床 数控冲床、数控折弯机、数控回转头压力机等。4、数控特种加工机床 如数控线切割机床、数控电火花加工机床、数控激光切割机床等。5、其他类型的数控机床 如数控火焰切割机、数控三坐标测量机等，四、按数控系统功能水平进行分类 数控机床按数控系统的功能水平可分为低、中、高三档。这种分类方式，在我国用得很多。低、中、高三档的界线是相对的，不同时期的划分标准有所不同。就目前的发展水平来看，大体可以从以下几个方面区分:1、分辨率和进给速度 分辨率为 10m、进给速度在 8,15m/m

44、in 的为低档;分辨率为 1m、进给速度在 15,24m/min 的为中档;分辨率为 0.1m、进给速度在15,100m/min 的为高档。2、伺服进给类型 采用开环、步进电动机进给系统为低档;中、高档的则采用半闭环或闭环的直流伺服系统或交流伺服系统。3、联动轴数 低档数控机床联动轴数一般不超过 2 轴;中、高档的则为 3,5轴。4、通信能力 低档数控系统一般无通信能力;中档的可以有 RS-232C 或直接数控(Direct Numerical Control，简称 DNC)接口;高档的还可以有制造自动化协议(Manufacturing Automation Protocol，简称 MAP)通

45、信接口，具有联网功能。5、显示功能 低档数控系统一般只有简单的数码管显示或单色 CRT 字符显示;中档的则具有较齐全的 CRT 显示，不仅有字符，而且有二维图形、人机对话、状态和自诊断功能等;高档的还可以有三维图形显示、图形编程等功能。6、内装 PLC 低档数控系统一般无 PLC，中、高档的都有内装 PLC。7、主 CPU 低档数控系统一般采用 8bitCPU，中、高档的已经逐步由 16bitCPU向 32bitCPU 过渡，国外一些新的数控系统甚至已选用了 64bitCPU。在我国还有经济型数控的提法。所谓经济型数控，一般均属低档数控系统，是指由单板机、单片机和步进电动机组成的数控系统以及其

46、他功能简单、价格低的数控系统。它主要用于车床、线切割机床以及旧机床的改造等。第五节 数控机床的工作原理与工作方式 一、工作原理 数控机床的工作原理如图 1,2 所示。在数控机床上加工零件时，要事先根据零件加工图样的要求确定零件加工的工艺过程、工艺参数和刀具数据，再按编程手册的有关规定编写零件数控加工程序，然后通过 MDI 方式或 DNC 方式将数控加工程序送到数控系统，在数控系统控制软件的支持下，经过处理与计算后，发出相应的指令，通过伺服系统使机床按预定的轨迹运动，从而进行零件的切削加工。12 图 1-2 数控机床的工作原理 数控系统除了计算机以外，其外围设备主要包括键盘、CRT、操作面板、机

47、床接口等。键盘主要用于输入操作命令及编辑、修改程序，亦可以输入零件加工程序。CRT 供显示及监控用。操作面板可供操作员改变操作方式、输入数据、起停加工等。机床接口是计算机和机床之间联系的桥梁，包括伺服驱动接口及 DNC 输入/输出接口。系统程序储存于计算机内存中。所有的数控功能基本上都依靠该程序完成，例如输入、译码、数据处理、插补、伺服输出等。整个数控系统的活动均由系统程序来指挥。二、工作过程 数控机床加工零件时，先要编制程序，然后输入到数控装置，经译码、数据处理、插补等步骤，给伺服系统发出指令，驱动执行部件实现机床的运动。1、加工程序的输入 大量的零件加工程序一般通过 DNC 从上一级计算机

48、输入而来。数控系统一般有两种不同的输入方式:一种是边输入边加工，DNC 即属于此类工作方式;另一种是一次将零件加工程序输入计算机内部的存储器，加工时再由存储器一段一段地往外读出。2、译码 输入的程序段含有零件的轮廓信息(起点、终点、直线、圆弧等)、要求的加工速度以及其他的辅助信息(换刀、进给速度、冷却液等)。计算机依靠译码程序来识别这些指令符号，译码程序将零件加工程序翻译成计算机内部能识别的语言。3、数据处理 数据处理程序一般包括刀具半径补偿、速度计算以及辅助功能的处理。刀具半径补偿是根据刀具半径值把零件轮廓轨迹转化为刀具中心轨迹。速度计算是解决该工程序段以什么样的速度运动的问题。加工速度的确

49、定是一个工艺问题。数控系统仅仅是保证这个编程速度的可靠实现。另外，辅助功能如换刀、冷却液等亦在这个程序中处理。4、插补 在机床的实际加工中，被加工工件的轮廓形状千差万别。严格说来，为了满足几何尺寸精度的要求，刀具中心轨迹应该准确地依照工件的轮廓形状生成。对于简单的曲线，数控系统易于实现，但对于较复杂的形状，若直接生成刀具中心轨迹，势必会使计算方法变得复杂，计算工作量也相应地大大增加。因此，在实际应用中，常常采用一小段直线或圆弧去逼近(或称为拟合)，有些场合也可以采用抛物线、椭圆、双曲线和其他高次曲线去逼近曲线。所谓插补，是在已知一条曲线的种类、起点、终点以及进给速度后，在起点和终点之间进行数据

50、点的密化。13 计算机数控系统将加工时间划分为一个一个的插补周期，在每个插补周期通过插补运算形成一个微小的数据段。若干次插补周期后完成一个曲线段的加工，即从曲线段的起点走动终点。CNC 系统是一边进行插补计算，一边进行加工的。本次插补周期内程序的作用是计算下一个插补周期的位置增量。一个数据段正式插补加工前，必须先完成诸如换刀、进给速度、冷却液等功能，即只有辅助功能完成后才能进行插补。5、伺服控制 插补的结果是产生一个或多个插补周期内的位置增量。该位置增量在上一个插补周期内已计算出来。伺服控制程序的功能是完成本次插补周期的位置伺服计算，并将结果发送到伺服驱动接口中去。6、管理程序 当一个曲线段开