数控机床分类.docx
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数控机床分类
什么是数控技术？
数控技术，简称数控（NumericalControl）即采用数字控制的方法对某一工作过程实现自动控制的技术。
它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和与机械能量流向有关的开关量。
数控的产生依赖于数据载体和二进制形式数据运算的出现
。
现在,数控技术也叫计算机数控技术（ComputerizedNumericalControl简称：
CNC），它是采用计算机实现数字程序控制的技术。
这种技术用计算机按事先存贮的控制程序来执行对设备的控制功能。
由于采用计算机替代原先用硬件逻辑电路组成的数控装置，使输入数据的存贮、处理、运算、逻辑判断等各种控制机能的实现，均可以通过计算机软件来完成。
数控技术是制造业信息化的重要组成部分。
1908年，穿孔的金属薄片互换式数据载体问世；19世纪末，以纸为数据载体并具有辅助功能的控制系统被发明；1938年，香农在美国麻省理工学院进行了数据快速运算和传输，奠定了现代计算机，包括计算机数字控制系统的基础。
数控技术是与机床控制密切结合发展起来的。
1952年，第一台数控机床问世，成为世界机械工业史上一件划时代的事件，推动了自动化的发展。
数控技术的发展趋势
数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的一些重要行业（IT、汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。
从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，其主要研究热点有以下几个方面。
1.高速、高精加工技术及装备的新趋势
效率、质量是先进制造技术的主体。
高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。
在轿车工业领域，年产30万辆的生产节拍是40秒/辆，而且多品种加工是轿车装备必须解决的重点问题之一；在航空和宇航工业领域，其加工的零部件多为薄壁和薄筋，刚度很差，材料为铝或铝合金，只有在高切削速度和切削力很小的情况下，才能对这些筋、壁进行加工。
近来采用大型整体铝合金坯料“掏空”的方法来制造机翼、机身等大型零件来替代多个零件通过众多的铆钉、螺钉和其他联结方式拼装，使构件的强度、刚度和可靠性得到提高。
这些都对加工装备提出了高速、高精和高柔性的要求。
从EMO2001展会情况来看，高速加工中心进给速度可达80m/min，甚至更高，空运行速度可达100m/min左右。
目前世界上许多汽车厂，包括我国的上海通用汽车公司，已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。
美国CINCINNATI公司的HyperMach机床进给速度最大达60m/min，快速为100m/min，加速度达2g，主轴转速已达60000r/min。
加工一薄壁飞机零件，只用30min，而同样的零件在一般高速铣床加工需3h，在普通铣床加工需8h；德国DMG公司的双主轴车床的主轴速度及加速度分别达12*!
000r/mm和1g。
在加工精度方面，近10年来，普通级数控机床的加工精度已由10μm提高到5μm，精密级加工中心则从3～5μm，提高到1～1.5μm，并且超精密加工精度已开始进入纳米级（0.01μm）。
在可靠性方面，国外数控装置的MTBF值已达6000h以上，伺服系统的MTBF值达到30000h以上，表现出非常高的可靠性。
为了实现高速、高精加工，与之配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展，应用领域进一步扩大。
2.五轴联动加工和复合加工机床快速发展
采用5轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。
一般认为，1台5轴联动机床的效率可以等于2台3轴联动机床，特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬硬钢零件时，5轴联动加工可比3轴联动加工发挥更高的效益。
但过去因5轴联动数控系统、主机结构复杂等原因，其价格要比3轴联动数控机床高出数倍，加之编程技术难度较大，制约了5轴联动机床的发展。
当前由于电主轴的出现，使得实现5轴联动加工的复合主轴头结构大为简化，其制造难度和成本大幅度降低，数控系统的价格差距缩小。
因此促进了复合主轴头类型5轴联动机床和复合加工机床（含5面加工机床）的发展。
在EMO2001展会上，新日本工机的5面加工机床采用复合主轴头，可实现4个垂直平面的加工和任意角度的加工，使得5面加工和5轴加工可在同一台机床上实现，还可实现倾斜面和倒锥孔的加工。
德国DMG公司展出DMUVoution系列加工中心，可在一次装夹下5面加工和5轴联动加工，可由CNC系统控制或CAD/CAM直接或间接控制。
3.智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势
21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：
为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。
网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。
数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。
国内外一些著名数控机床和数控系统制造公司都在近两年推出了相关的新概念和样机，如在EMO2001展中，日本山崎马扎克（Mazak）公司展出的“CyberProductionCenter”（智能生产控制中心，简称CPC）；日本大隈（Okuma）机床公司展出“ITplaza”（信息技术广场，简称IT广场）；德国西门子（Siemens）公司展出的OpenManufacturingEnvironment（开放制造环境，简称OME）等，反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。
4.重视新技术标准、规范的建立
（1）关于数控系统设计开发规范
如前所述，开放式数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，美国、欧共体和日本等国纷纷实施战略发展计划，并进行开放式体系结构数控系统规范（OMAC、OSACA、OSEC）的研究和制定，世界3个最大的经济体在短期内进行了几乎相同的科学计划和规范的制定，预示了数控技术的一个新的变革时期的来临。
我国在2000年也开始进行中国的ONC数控系统的规范框架的研究和制定。
（2）关于数控标准
数控标准是制造业信息化发展的一种趋势。
数控技术诞生后的50年间的信息交换都是基于ISO6983标准，即采用G，M代码描述如何（how）加工，其本质特征是面向加工过程，显然，他已越来越不能满足现代数控技术高速发展的需要。
为此，国际上正在研究和制定一种新的CNC系统标准ISO14649（STEP－NC），其目的是提供一种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期内的统一数据模型，从而实现整个制造过程，乃至各个工业领域产品信息的标准化。
STEP-NC的出现可能是数控技术领域的一次革命，对于数控技术的发展乃至整个制造业，将产生深远的影响。
首先，STEP-NC提出一种崭新的制造理念，传统的制造理念中，NC加工程序都集中在单个计算机上。
而在新标准下，NC程序可以分散在互联网上，这正是数控技术开放式、网络化发展的方向。
其次，STEP-NC数控系统还可大大减少加工图纸（约75％）、加工程序编制时间（约35％）和加工时间（约50％）。
目前，欧美国家非常重视STEP-NC的研究，欧洲发起了STEP-NC的IMS计划（1999.1.1～2001.12.31）。
参加这项计划的有来自欧洲和日本的20个CAD/CAM/CAPP/CNC用户、厂商和学术机构。
美国的STEPTools公司是全球范围内制造业数据交换软件的开发者，他已经开发了用作数控机床加工信息交换的超级模型（SuperModel），其目标是用统一的规范描述所有加工过程。
目前这种新的数据交换格式已经在配备了SIEMENS、FIDIA以及欧洲OSACA-NC数控系统的原型样机上进行了验证。
数控机床的分类
一般传统上不按照控制方式分类。
按以下分类方法。
一、按加工工艺方法分类
1．金属切削类数控机床
与传统的车、铣、钻、磨、齿轮加工相对应的数控机床有数控车床、数控铣床、数控钻床、数控磨床、数控齿轮加工机床等。
尽管这些数控机床在加工工艺方法上存在很大差别，具体的控制方式也各不相同，但机床的动作和运动都是数字化控制的，具有较高的生产率和自动化程度。
在普通数控机床加装一个刀库和换刀装置就成为数控加工中心机床。
加工中心机床进一步提高了普通数控机床的自动化程度和生产效率。
例如铣、镗、钻加工中心，它是在数控铣床基础上增加了一个容量较大的刀库和自动换刀装置形成的，工件一次装夹后，可以对箱体零件的四面甚至五面大部分加工工序进行铣、镗、钻、扩、铰以及攻螺纹等多工序加工，特别适合箱体类零件的加工。
加工中心机床可以有效地避免由于工件多次安装造成的定位误差，减少了机床的台数和占地面积，缩短了辅助时间，大大提高了生产效率和加工质量。
数控车床
数控立式铣床
数控钻床
数控磨床
2．特种加工类数控机床
除了切削加工数控机床以外，数控技术也大量用于数控电火花线切割机床、数控电火花成型机床、数控等离子弧切割机床、数控火焰切割机床以及数控激光加工机床等。
数控线切割
数控电火花穿孔机
数控激光加工机床
激光加工中
3．板材加工类数控机床
常见的应用于金属板材加工的数控机床有数控压力机、数控剪板机和数控折弯机等。
近年来，其它机械设备中也大量采用了数控技术，如数控多坐标测量机、自动绘图机及工业机器人等。
数控多坐标测量仪
工业机器人
数控机床的优缺点
优点：
1、加工对象改型的适应性强可以快速地从加工一种零件转变为加工另一种零件，这就为单件、小批以及试制新产品提供了极大的便利。
节约时间，资金。
2、加工精度高首先结构上引入滚珠丝杆其次采用软件精度补偿技术最后是加工全程由程序控制加工，减少人为因素对加工精度的影响。
能加工结构很复杂的工件，如螺旋浆。
3、生产效率高
4、自动化程度高
5、良好的经济效益
6、有利于生产管理的现代化
缺点：
1、由于费用高昂，加工大批量零件不利。
2、操作人员要求素质高，工资成本高。
3、系统复杂，维护费用高。
二、按控制运动轨迹分类
1．点位控制数控机床
点位控制数控机床的特点是机床移动部件只能实现由一个位置到另一个位置的精确定位，在移动和定位过程中不进行任何加工。
机床数控系统只控制行程终点的坐标值，不控制点与点之间的运动轨迹，因此几个坐标轴之间的运动无任何联系。
可以几个坐标同时向目标点运动，也可以各个坐标单独依次运动。
这类数控机床主要有数控坐标镗床、数控钻床、数控冲床、数控点焊机等。
点位控制数控机床的数控装置称为点位数控装置。
2．直线控制数控机床
直线控制数控机床可控制刀具或工作台以适当的进给速度，沿着平行于坐标轴的方向进行直线移动和切削加工，进给速度根据切削条件可在一定范围内变化。
直线控制的简易数控车床，只有两个坐标轴，可加工阶梯轴。
直线控制的数控铣床，有三个坐标轴，可用于平面的铣削加工。
现代组合机床采用数控进给伺服系统，驱动动力头带有多轴箱的轴向进给进行钻镗加工，它也可算是一种直线控制数控机床。
数控镗铣床、加工中心等机床，它的各个坐标方向的进给运动的速度能在一定范围内进行调整，兼有点位和直线控制加工的功能，这类机床应该称为点位/直线控制的数控机床。
3．轮廓控制数控机床
轮廓控制数控机床能够对两个或两个以上运动的位移及速度进行连续相关的控制，使合成的平面或空间的运动轨迹能满足零件轮廓的要求。
它不仅能控制机床移动部件的起点与终点坐标，而且能控制整个加工轮廓每一点的速度和位移，将工件加工成要求的轮廓形状。
常用的数控车床、数控铣床、数控磨床就是典型的轮廓控制数控机床。
数控火焰切割机、电火花加工机床以及数控绘图机等也采用了轮廓控制系统。
轮廓控制系统的结构要比点位/直线控系统更为复杂，在加工过程中需要不断进行插补运算，然后进行相应的速度与位移控制。
现在计算机数控装置的控制功能均由软件实现，增加轮廓控制功能不会带来成本的增加。
因此，除少数专用控制系统外，现代计算机数控装置都具有轮廓控制功能。
三、按驱动装置的特点分类
1．开环控制数控机床
这类控制的数控机床是其控制系统没有位置检测元件，伺服驱动部件通常为反应式步进电动机或混合式伺服步进电动机。
数控系统每发出一个进给指令，经驱动电路功率放大后，驱动步进电机旋转一个角度，再经过齿轮减速装置带动丝杠旋转，通过丝杠螺母机构转换为移动部件的直线位移。
移动部件的移动速度与位移量是由输入脉冲的频率与脉冲数所决定的。
此类数控机床的信息流是单向的，即进给脉冲发出去后，实际移动值不再反馈回来，所以称为开环控制数控机床。
开环控制系统的数控机床结构简单，成本较低。
但是，系统对移动部件的实际位移量不进行监测，也不能进行误差校正。
因此，步进电动机的失步、步距角误差、齿轮与丝杠等传动误差都将影响被加工零件的精度。
开环控制系统仅适用于加工精度要求不很高的中小型数控机床，特别是简易经济型数控机床。
2．闭环控制数控机床
闭环控制数控机床是在机床移动部件上直接安装直线位移检测装置，直接对工作台的实际位移进行检测，将测量的实际位移值反馈到数控装置中，与输入的指令位移值进行比较，用差值对机床进行控制，使移动部件按照实际需要的位移量运动，最终实现移动部件的精确运动和定位。
从理论上讲，闭环系统的运动精度主要取决于检测装置的检测精度，也与传动链的误差无关，因此其控制精度高。
图1-3所示的为闭环控制数控机床的系统框图。
图中A为速度传感器、C为直线位移传感器。
当位移指令值发送到位置比较电路时，若工作台没有移动，则没有反馈量，指令值使得伺服电动机转动，通过A将速度反馈信号送到速度控制电路，通过C将工作台实际位移量反馈回去，在位置比较电路中与位移指令值相比较，用比较后得到的差值进行位置控制，直至差值为零时为止。
这类控制的数控机床，因把机床工作台纳入了控制环节，故称为闭环控制数控机床。
闭环控制数控机床的定位精度高，但调试和维修都较困难，系统复杂，成本高。
3．半闭环控制数控机床
半闭环控制数控机床是在伺服电动机的轴或数控机床的传动丝杠上装有角位移电流检测装置（如光电编码器等），通过检测丝杠的转角间接地检测移动部件的实际位移，然后反馈到数控装置中去，并对误差进行修正。
通过测速元件A和光电编码盘B可间接检测出伺服电动机的转速，从而推算出工作台的实际位移量，将此值与指令值进行比较，用差值来实现控制。
由于工作台没有包括在控制回路中，因而称为半闭环控制数控机床。
半闭环控制数控系统的调试比较方便，并且具有很好的稳定性。
目前大多将角度检测装置和伺服电动机设计成一体，这样，使结构更加紧凑。
4．混合控制数控机床
将以上三类数控机床的特点结合起来，就形成了混合控制数控机床。
混合控制数控机床特别适用于大型或重型数控机床，因为大型或重型数控机床需要较高的进给速度与相当高的精度，其传动链惯量与力矩大，如果只采用全闭环控制，机床传动链和工作台全部置于控制闭环中，闭环调试比较复杂。
混合控制系统又分为两种形式：
（1）开环补偿型。
它的基本控制选用步进电动机的开环伺服机构，另外附加一个校正电路。
用装在工作台的直线位移测量元件的反馈信号校正机械系统的误差。
（2）半闭环补偿型。
它是用半闭环控制方式取得高精度控制，再用装在工作台上的直线位移测量元件实现全闭环修正，以获得高速度与高精度的统一。
其中A是速度测量元件（如测速发电机），B是角度测量元件，C是直线位移测量元件。
三、按数控系统功能水平分类
1.经济型数控系统：
又称简易数控系统，通常仅能满足一般精度要求的加工，能加工形状较简单的直线、斜线、圆弧及带螺纹类的零件，采用的微机系统为单板机或单片机系统，如：
经济型数控线切割机床，数控钻床，数控车床，数控铣床及数控磨床等。
经济型数控车
2.普及型数控系统：
通常称之为全功能数控系统，这类数控系统功能较多，但不追求过多，以实用为准。
普及型数控机床
3.高档型数控系统：
指加工复杂形状工件的多轴控制数控系统，且其工序集中、自动化程度高、功能强、具有高度柔性。
用于具有5轴以上的数控铣床，大、中型数控机床、五面加工中心，车削中心和柔性加工单元等。
高档数控机床
培养目标
培养掌握数控原理、数控编程和数控加工等方面的专业知识及操作技能，从事数控程序编制、数控设备的操作、调试、维修和技术管理的高级技术应用性专门人才.
培养要求
本专业是为培养学生从事数控加工、机械产品设计与制造、生产技术管理等方面的高等工程技术应用型人才，是具有实用技能特点的特色专业。
要求学生能在生产现场从事产品制造、开发工作，或在技术部门从事工艺、管理工作。
主要培养学生数控编程、加工及数控车床、数控铣床、数控加工中心及其它数控设备的操作维修、维护方面的理论知识和专业知识。
核心能力
数控机床加工程序的编制、数控机床的操作、调试和维修，数控设备管理。
就业前景
人才需求
在发达国家中，数控机床已经大量普遍使用。
我国制造业与国际先进工业国家相比存在着很大的差距，机床数控化率还不到2%对于我国现有的有限数量的数控机床（大部分为进口产品）也未能充分利用。
原因是多方面的，数控人才的匾乏无疑是主要原因之一、由于数控技术是最典型的、应用最广泛的机电一体化综合技术，我国迫切需要大量的从研究开发到使用维修的各个层次的技术人才。
区域就业
数控人才的需求主要集中在以下的企业和地区
国有大中型企业，特别是经济效益较好的军工企业和国家重大装备制造企业。
军工制造业是我国数控技术的主要应用对象。
比如杭州发电设备厂用6000元月薪招不到数控操作工。
随着民营经济的飞速发展，我国沿海经济发达地区（如广东，浙江、江苏、山东），数控人才更是供不应求，主要集中在模具制造企业和汽车零部件制造企业。
具有数控知识的模具技工的年薪已开到了30万元，超过了“博士”。
数控机床程序编制
一.数控机床编程的方法
数控机床程序编制的方法有三种：
即手工编程、自动编程和CAD/CAM。
1.手工编程
由人工完成零件图样分析、工艺处理、数值计算、书写程序清单直到程序的输入和检验。
适用于点位加工或几何形状不太复杂的零件，但是，非常费时，且编制复杂零件时，容易出错。
2.自动编程
使用计算机或程编机，完成零件程序的编制的过程，对于复杂的零件很方便。
3.CAD/CAM
利用CAD/CAM软件，实现造型及图象自动编程。
最为典型的软件是MasterCAM，其可以完成铣削二坐标、三坐标、四坐标和五坐标、车削、线切割的编程，此类软件虽然功能单一，但简单易学，价格较低，仍是目前中小企业的选择。
二.数控机床程序编制的内容和步骤
1.数控机床编程的主要内容
分析零件图样、确定加工工艺过程、进行数学处理、编写程序清单、制作控制介质、进行程序检查、输入程序以及工件试切。
2.数控机床的步骤
1）分析零件图样和工艺处理
根据图样对零件的几何形状尺寸，技术要求进行分析，明确加工的内容及要求，决定加工方案、确定加工顺序、设计夹具、选择刀具、确定合理的走刀路线及选择合理的切削用量等。
同时还应发挥数控系统的功能和数控机床本身的能力，正确选择对刀点，切入方式，尽量减少诸如换刀、转位等辅助时间。
2）数学处理
编程前，根据零件的几何特征，先建立一个工件坐标系，根据零件图纸的要求，制定加工路，在建立的工件坐标系上，首先计算出刀具的运动轨迹。
对于形状比较简单的零件（如直线和圆弧组成的零件），只需计算出几何元素的起点、终点、圆弧的圆心、两几何元素的交点或切点的坐标值。
3）编写零件程序清单
加工路线和工艺参数确定以后，根据数控系统规定的指定代码及程序段格式，编写零件程序清单。
4）程序输入
5）程序校验与首件试切
三.数控加工程序的结构
1.程序的构成：
由多个程序段组成。
O0001；O（FANUC-O,AB8400-P,SINUMERIK8M-%）机能指定程序号，每个程序号对应一个加工零件。
N010G92X0Y0；分号表示程序段结束
N020G90G00X50Y60；
...；可以调用子程序。
N150M05；
N160M02；
2.程序段格式：
1）字地址格式：
如N020G90G00X50Y60；
最常用的格式，现代数控机床都采用它。
地址N为程序段号，地址G和数字90构成字地址为准备功能，...。
2）可变程序段格式：
如B2000B3000BB6000；
使用分割符B各开各个字，若没有数据，分割符不能省去。
常见于数控线切割机床，另外，还有3B编程等格式。
3）固定顺序程序段格式：
如00701+02500-134********；
比较少见。
其中的数据严格按照顺序和长度排列，不得有误，上面程序段的意思是：
N007G01X+02500Y-13400F15S30M02；
零件图的数学处理
零件图的数学处理主要是计算零件加工轨迹的尺寸，即计算零件加工轮廓的基点和节点的坐标，或刀具中心轮廓的基点和节点的坐标，以便编制加工程序。
一．基点坐标的计算
一般数控机床只有直线和圆弧插补功能。
对于由直线和圆弧组成的平面轮廓，编程时数值计算的主要任务是求各基点的坐标。
1.基点的含义
构成零件轮廓的不同几何素线的交点或切点称为基点。
基点可以直接作为其运动轨迹的起点或终点。
2.直接计算的内容
根据填写加工程序单的要求，基点直接计算的内容有：
每条运动轨迹的起点和终点在选定坐标系中的坐标，圆弧运动轨迹的圆心坐标值。
基点直接计算的方法比较简单，一般可根据零件图样所给的已知条件用人工完成。
即依据零件图样上给定的尺寸运用代数、三角、几何或解析几何的有关知识，直接计算出数值。
在计算时，要注意小数点后的位数要留够，以保证足够的精度。
二．节点坐标的计算
对于一些平面轮廓是非圆方程曲线Y=F（X）组成，如渐开线、阿基米德螺线等，只能用能够加工的直线和圆弧去逼近它们。
这时数值计算的任务就是计算节点的坐标。
1.节点的定义
当采用不具备非圆曲线插补功能的数控机床加工非圆曲线轮廓的零件时，在加工程序的编制工作中，常用多个直线段或圆弧去近似代替非圆曲线，这称为拟合处理。
拟合线段的交点或切点称为节点。
2.节点坐标的计算
节点坐标的计算难度和工作量都较大，故常通过计算机完成，必要时也可由人工计算,常用的有直线逼近法（等间距法、等步长法、和等误差法）和圆弧逼近法。
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