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第3节数控加工技术的应用与发展
1.3.1数控机床的产生（了解）
1.3.2数控技术现状
典型数控系统（了解）
1.3.3数控技术的发展
数字控制系统（DNC）（了解）
柔性制造系统（FMS）（了解）
柔性制造单元（FMC）（了解）
三、新课内容：
1.1.1数控机床的组成
1.数控机床的概念
数控即数字控制（NumericalControl，简称NC）。
数控技术即NC技术，是指用数字化信息发出指令并实现自动控制的技术。
数控机床具有特点：
柔性化和灵活性、可以采用较高的切削速度和进给量、 加工精度高，质量稳定。
2．数控机床的组成
1）程序编制及程序载体
2）输入装置
3）数控装置
4）强电控制装置
5）伺服控制装置
6）机床的机械部件
1.1.2数控机床的工作原理
1.工作原理
数控加工原理框图
2．插补
1）插补的概念
在数控机床中，刀具的运动轨迹是折线，因此刀具不能严格地沿着所加工的曲线运动，只能用折线以一定的精度要求逼近被加工曲线，当逼近误差相当小时，这些折线之和就接近曲线了。
数控机床是以脉冲当量为单位，计算轮廓起点与终点之间的坐标值，进行有限分段，以折代直，以弦代弧，以直代曲，分段逼近，相连成轨迹的。
CNC装置每发出一个脉冲，机床执行部件的最小位移量称为脉冲当量。
常用机床的脉冲当量为0.01～0.001mm/脉冲，脉冲当量越小，数控机床精度越高。
各种斜线、圆弧、曲线均可由以脉冲当量为单位的微小直线段拟合而成。
2）插补方法的分类
目前常用的插补方法大致分为两类：
脉冲增量插补和数字增量插补。
插补运算可有硬件插补（插补器）和软件插补两种实现方式。
按插补计算方法又可细分为逐点比较法、数字积分法、时间分割法和样条插补法等多种。
下面仅以逐点比较法为例简单介绍一下插补运算的原理。
逐点比较法是以区域判别为特征，每走一步都要将加工点的瞬时坐标与相应给定的图形上的点相比较，判别一下偏差，然后决定下一步的走向。
如果加工点走到图形外面去了，那么下一步就要向图形里面走；
如果加工点已在图形里面，则下一步就要向图形外面走，以缩小偏差，这样就能得到一个接近给定图形的轨迹，其最大偏差不超过一个脉冲当量（一个进给脉冲驱动下工作台所走过的距离）。
如图所示的直线OA，取起点O为坐标原点，终点为A（Xe，Ye）。
已知M（Xm，Ym）点为动态加工点，若m点正好在OA直线上，则有：
即
XeYm−XmYe=0
可取Fm=XeYm−XmYe作为直线插补的偏差判别式。
若Fm=0，表明m点正好在直线上；
若Fm＞0，表明m点在直线的上方；
若Fm＜0，表明m点在直线下方。
对于第一象限的直线，从起点（原点）出发：
当Fm≥0时，应沿+X方向走一步；
当Fm＜0时，则应沿+Y方向走一步；
当两个方向所走的步数和终点坐标（Xe,Ye）值相等时，发出终点到达信号，停止插补。
由于Fm的计算式中同时有乘法和减法，计算处理较为复杂，因此实际应用中常采用迭代法或递推法进一步推算。
若某处有Fm≥0，应沿+X方向走一步到达新点m+1（Xm+1,Ym），则新偏差为：
Fm+1=XeYm−Xm+1Ye
= XeYm−（Xm+1）Ye
=Fm−Ye
若某处有Fm＜0，应沿+Y方向走一步到达新点m+1（Xm,Ym+1），则新偏差为：
Fm+1=XeYm+1−XmYe
=Xe（Ym+1）−XmYe
=Fm+Xe
这样偏差计算式中只需要进行加、减运算，只要将前一点的偏差值与已知的终点坐标值相加或相减，即可求得新的偏差值。
对于其他三个象限的直线插补运算，可用相同的原理获得。
圆弧的插补运算与直线插补运算法类似，只是其偏差判别式有所不同。
圆弧的偏差判别式为：
Fm=Xm2+Ym2−R2。
逐点比较法能实现直线、圆弧和非圆二次曲线的插补，插补精度较高，在我国和日本数控机床中多用逐点比较法；
在欧美则多用数字积分法；
而对于闭环控制的机床中，则多采用时间分割法。
现代大部分数控机床都具有直线和圆弧插补功能。
也就是说，现代数控机床大都能加工由直线和圆弧所组成的任意轨迹图形。
当需要加工非圆二次曲线轨迹时，大都是在编程计算时先采用拟合逼近方法将曲线转化为直线或圆弧后再进行加工的。
1．按工艺方式分类
1）金属切削类数控机床
2）金属成型类数控机床
3）数控特种加工及其他类型机床
2．按控制系统运动方式分类
按控制方式分，最常用的数控机床可分为以下三类：
1）开环数控机床
这类数控机床采用开环进给伺服系统。
其数控装置发出的指令信号是单向的，没有检测反馈装置对运动部件的实际位移量进行检测，不能进行运动误差的校正，因此步进电机的步距角误差、齿轮和丝杠组成的传动链误差都将直接影响加工零件的精度。
图1-1是开环控制的系统框图。
图1-1开环控制的系统框图
2）闭环数控机床
这类机床的位置检测装置安装在进给系统末段端的执行部件上，该位置检测装置可实测进给系统的位移量或位置。
数控装置将位移指令与工作台端测得的实际位置反馈信号进行比较，根据其差值不断控制运动，使运动部件严格按照实际需要的位移量运动；
还可利用测速元器件随时测得驱动电机的转速，将速度反馈信号与速度指令信号相比较，对驱动电机的转速随时进行修正。
这类机床的运动精度主要取决于检测装置的精度，与机械传动链的误差无关，因此可以消除由于传动部件制造过程中存在的精度误差给工件加工带来的影响。
图1-2是闭环控制的系统框图。
图1-2闭环控制的系统框图
3）半闭环数控机床
这类机床的检测元件装在驱动电机或传动丝杠的端部，可间接测量执行部件的实际位置或位移。
这种系统的闭环环路内不包括机械传动环节，控制系统的调试十分方便，因此可以获得稳定的控制特性。
由于采用高分辨率的测量元件，如脉冲编码器，因此可以获得比较满意的精度与速度。
半闭环数控机床可以获得比开环系统更高的精度，但由于机械传动链的误差无法得到消除或校正，因此它的位移精度比闭环系统的要低。
大多数数控机床采用半闭环控制系统。
图1-3是半闭环控制的系统框图。
图1-3半闭环控制的系统框图
3．按控制系统功能水平分
按控制系统的功能水平，可以把数控机床分为经济型、普及型、高级型三类，主要由技术参数、功能指标、关键部件的功能水平来决定。
这些指标具体包括CPU性能、分辨率、进给速度、伺服性能、通信功能、联动轴数等。
1）经济型数控机床
2）普及型数控机床
3）高级型数控机床
按控制系统功能水平分类可分为低、中、高三个档次
（1）控制系统CPU的档次：
8位低16、32位中64位高
（2）分辨率和进给速度：
分辨率进给速度
10µ
m8-10m/min低
1µ
m10－20m/min中
0.1µ
m15－20m/min高
（3）坐标联动功能
2轴联动、3轴联动、3轴2联动、4轴联动、5轴联动
（4）通信功能
低档数控系统一般无通信功能；
中档有RS232C或可供DNC（直接数控）的通信接口；
高档系统有RS422A或支持MAP（自动化协议）的高性能通信接口，具有联网功能。
（5）低中高档的数控机床的显示功能也不一样
低：
发光二极管LED显示器，单色液晶LCD显示
仅有字符显示功能的CRT（阴极射线管）显示器
中高档：
CRT或LCD显示器具有彩色图形或图形动态显示功能。
4.按控制系统功能特点分类
有：
点位控制机床、直线控制机床、轮廓控制机床。
按加工控制路线分类
（a）点位控制；
（b）直线控制；
（c）轮廓控制
（1）点位控制机床。
它如图（a）所示，只控制刀具从一点向另一点移动，而不管其中间行走轨迹的控制方式。
在从点到点的移动过程中，只作快速空程的定位运动，因此不能用于加工过程的控制。
属于点位控制的典型机床有数控钻床、数控镗床和数控冲床等。
这类机床的数控功能主要用于控制加工部位的相对位置精度，而其加工切削过程还得靠手工控制机械运动来进行。
（2）点位直线控制机床。
它如图（b）所示，可控制刀具相对于工作台以适当的进给速度，沿着平行于某一坐标轴方向或与坐标轴成45°
的斜线方向作直线轨迹的加工。
这种方式是一次同时只有某一轴在运动，或让两轴以相同的速度同时运动以形成45º
的斜线，所以其控制难度不大，系统结构比较简单。
一般地，都是将点位与直线控制方式结合起来，组成点位直线控制系统而用于机床上。
这种形式的典型机床有车阶梯轴的数控车床、数控镗铣床和简单加工中心等。
（3）轮廓控制机床。
它又称连续控制机床。
如图（c）所示，可控制刀具相对于工件作连续轨迹的运动，能加工任意斜率的直线，任意大小的圆弧，配以自动编程计算，可加工任意形状的曲线和曲面。
典型的轮廓控制型机床有数控铣床、功能完善的数控车床、数控磨床和数控电加工机床等。
1.2.2常见数控机床
1．数控车床
对数控车床可以采用不同的分类方法进行分类。
1）按主轴配置形式分
2）按刀架数量分
3）按数控车床控制系统和机械结构的档次分
2．数控铣床与加工中心
1）三坐标数控铣床与加工中心
坐标联动加工是指数控机床的几个坐标轴能够同时进行移动，从而获得平面直线、平面圆弧、空间直线和空间螺旋线等复杂加工轨迹的能力。
2）四坐标数控铣床与加工中心
四坐标是指在X、Y、Z三个平动坐标轴基础上增加一个转动坐标轴，且四个轴一般可以联动。
3）五坐标数控铣床与加工中心
五坐标数控铣床与加工中心具有两个回转坐标，相对于静止的工件来说，其合成运动可使刀具轴线的方向在一定的空间内任意控制，可获得比四坐标加工更好的工艺范围和加工效果，特别适宜于三维曲面零件的高质量加工以及异型复杂零件的加工。
3．复合机床
1）车削为主型
以车削加工为主的复合加工机是车削复合中心（车铣中心）。
2）铣削为主型
铣削为主型主要指加工中心的复合化和加工中心的多轴化。
3）磨削为主型
磨床的多轴化，原来只在无心磨床上可见，多数是以装卸作业自动化为目的，现在，开发了在一台机床上能完成内圆、外圆、端面磨削的复合加工机。
4）不同工种加工的复合化
使用复合机床加工，可以大大缩短工件的生产周期及提高工件加工精度。
1.3.1数控机床的产生
为解决单件、小批量、复杂型面零件加工的自动化并保证质量，一种用计算机以数字指令控制的数字控制机床便应运而生，成为一种灵活、通用、能够适应产品频繁改型的“柔性”自动化机床。
数控机床最大的特点就是，当改变加工零件时，只需要向数控系统输入新的加工程序，而不需要对机床进行人工的调整和直接参与操作，就可以完成整个加工过程，而且生产效率和加工精度高、加工质量稳定，能高效优质地完成复杂型面零件的加工。
1．数控装置
数控装置的发展是数控技术和数控机床发展的关键。
典型数控系统
1.日本FANUC系列数控系统
2.德国的SIEMENS公司的SINUMERIK系列数控系统
3.华中数控系统HNC
2．软件伺服驱动技术
3．编程技术
4．数控机床的工况检测、监控及故障诊断
5．机床的主机
1．数控技术的发展史
前三代数控系统主要由电路的硬件和连线组成，称为硬线数控系统，具有很多硬件和连线特点，电路复杂，可靠性不高。
装有这类数控系统的机床称为普通数控机床（NC）。
第四、五代数控系统主要由计算机硬件和软件组成，通常称为计算机数控系统（CNC）；
又由于其利用存储在存储器里的软件控制系统工作，因此也称为软件数控系统。
这种系统容易扩大功能，柔性好，可靠性高。
2．数控机床和数控系统的发展趋势
1）高速化
2）高精度化
3）多功能化
4）智能化
5）高柔性化
6）可靠性最大化
此外，数控机床也在朝着模块化、专门化、个性化方向发展。
数控机床结构模块化，以适应数控机床多品种、小批量加工零件的特点；
数控功能专门化，以使机床性能价格比显著提高；
个性化也是近几年来数控机床特别明显的发展趋势。
1.3.4先进制造系统简介
1．数字控制系统
数字控制系统（DNC系统）是用一台计算机直接控制多台机床进行零件加工或装备的系统，又称群控系统，它在20世纪60年代末开始出现。
在DNC系统中，基本保留了原来各数控机床的CNC系统，并与DNC系统的中央计算机组成计算机网络，实现了分级控制管理。
1）间接型DNC系统
间接型DNC系统配有集中管理和控制的中央计算机，并在中央计算机和数控机床的数控装置之间加有通信接口，如图1-4所示。
2）直接型DNC系统
在直接型DNC系统中，数控机床不再配备数控装置，只需配置一个简单的机床控制器（MachineControlUnit，MCU），用于数据传输、驱动控制和手工操作，原来由数控装置完成的插补运算由中央计算机或接口电路完成，如图1-5所示。
图1-4间接型DNC系统
图1-5直接型DNC系统
2．柔性制造系统
柔性制造系统（FMS）是一个以网络为基础、面向车间的开放式集成制造系统，它具有多台制造设备，由一个物料运输系统将所有设备连接起来，由计算机进行高度自动的多级管理与控制，对一定范围内的多品种、中小批量的零件进行制造。
一个柔性制造系统的加工对象的品种为5～300种，其中30种以下的居多。
一般认为FMS应由加工、物流、信息流三个子系统组成。
1）加工系统
2）物流系统
3）信息流系统
柔性制造系统由于解决了零部件的存放、运输以及等待时间，生产效率大大提高；
由于装夹、测量、工况监控、质量控制等功能的采用，使机床的利用率由单机的50%提高到80%，而且加工质量稳定。
使用柔性制造系统的行业主要集中在汽车、飞机、机床、拖拉机以及某些家用电器行业。
由于FMS的加工对象、生产规模以及系统物流与功能的不同，其总体结构形式的差异很大。
3．柔性制造单元
1）托盘交换式
托盘交换式FMC适用于非回转体零件或箱体零件的加工。
图1-6所示为托盘交换式FMC的示意图。
图1-6托盘交换式FMC示意图
2）工业机器人搬运式
对于回转体零件，通常采用工业机器人搬运的FMC组成形式。
工业机器人在车削或磨削加工中心和缓冲储料装置之间进行工件的自动交换。
由于工业机器人的抓取重量和抓取尺寸范围的限制，工业机器人搬运式主要适合于小件或回转体零件。
授课中要结合生产实际，用实物、图表直观教学，
理论讲授
对比教学
结合生产实际，用实物、图表直观教学，
举例说明
四、新课小结：
1、
数控机床与普通机床相比具有如下特点：
柔性化和灵活性、可以采用较高的切削速度和进给量、加工精度高，质量稳定。
当改变加工零件时，只需要向数控系统输入新的加工程序，而不需要对机床进行人工的调整和直接参与操作，就可以完成整个加工过程，而且生产效率和加工精度高、加工质量稳定，能高效优质地完成复杂型面零件的加工。
数控机床在现代化的工厂中应用越来越广泛，所以学好数控加工技术为以后走上工作岗位打下良好的基础。
2、明白掌握数控加工技术的重要性。
五、作业：
1、比较数控机床与普通机床加工的过程，有什么区别？
2、数控系统主要组成部分有哪些？
3、说说NC与CNC的区别。
4、什么是插补？
试由直线的逐点比较工作节拍说明其插补过程。
六、教学后记：
本次课主要是让学生了解数控加工的一些基本概念，工作原理及数控技术的反展状况，采取多媒体教学方式，进行边演示边讲解的教学方式。
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