第1章数控技术概论.docx

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第1章数控技术概论

第1章数控技术概论

1.1数控技术的基本概念

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、机械制造等学科领域最新成果而形成的一门边缘科学技术。

在现代机械制造领域中，数控技术已成为核心技术之一，是实现柔性制造（FlexibleManufacturing，FM）、计算机集成制造（ComputerIntegratedManufacturing，CIM）、工厂自动化（FactoryAutomation，FA）的重要基础技术之一。

数控技术较早地应用于机床装备中，本书中的数控技术具体指机床数控技术。

国家标准（GB8129—87）把机床数控技术定义为“用数字化信息对机床运动及其加工过程进行控制的一种方法”，简称数控（NumericalControl，NC）。

数控机床就是采用了数控技术的机床。

国际信息处理联盟（internationalfederationofinformationprocessing）第五技术委员会对数控机床作了如下定义：

“数控机床是一个装有程序控制系统的机床，该系统能够逻辑地处理具有使用代码，或其它符号编码指令规定的程序。

”换言之，数控机床是一种采用计算机，利用数字信息进行控制的高效、能自动化加工的机床，它能够按照机床规定的数字化代码，把各种机械位移量、工艺参数、辅助功能（如刀具交换、冷却液开与关等）表示出来，经过数控系统的逻辑处理与运算，发出各种控制指令，实现要求的机械动作，自动完成零件加工任务。

在被加工零件或加工工序变换时，它只需改变控制的指令程序就可以实现新的加工。

所以，数控机床是一种灵活性很强、技术密集度及自动化程度很高的机电一体化加工设备。

随着自动控制理论、电子技术、计算机技术、精密测量技术和机械制造技术的进一步发展，数控技术正向高速度、高精度、智能化、开放型以及高可靠性等方向迅速发展。

1.2机床数控技术的组成

机床数控技术由机床本体、数控系统和外围技术组成，如图1-1所示。

图1-1数控技术的组成

1.2.1机床本体

机床本体主要由床身、立柱、工作台、导轨等基础件和刀库、刀架等配套件组成。

数控机床由于切削用量大、连续加工发热量大等因素，对加工精度有一定影响。

数控加工是自动控制，不能像普通机床那样由人工进行调整、补偿。

数控机床的主运动、进给运动都由单独的伺服电机驱动，所以传动链短、结构较简单。

为保证数控机床的快速响应特性，数控机床普遍采用精密滚珠丝杠和直线滚动导轨副。

为保证数控机床的高精度、高效率和高自动化加工，机械结构应具有较高的动态特性、动态刚度、抗变形性能、耐磨性。

除此之外，数控机床还配备有冷却、自动排屑、对刀、测量等配套装置，以利于更大地发挥数控机床的功能。

1.2.2数控系统

数控系统是一种程序控制系统，它能逻辑地处理输入到系统中的数控加工程序，控制数控机床运动并加工出零件。

图1-2所示为数控系统的基本组成。

它由输入输出装置、计算机数控（ComputerNumericalControl，CNC）装置、可编程控制器（ProgrammableLogicControl,PLC）、主轴伺服驱动装置和进给伺服驱动装置以及检测装置等组成。

图1-2数控系统组成

1．CNC装置

CNC装置是数控系统的核心。

在一般的数控加工过程中，首先启动CNC装置，在CNC内部控制软件的作用下，通过输入装置或输入接口读入零件的数控加工程序，并存放到CNC装置的程序存储器内。

开始加工时，在控制软件作用下，将数控加工程序从存储器中读出，按程序段进行处理，先进行译码处理，将零件数控加工程序转换成计算机能处理的内部形式，将程序段的内容分成位置数据和控制指令，并存放到相应的存储区域，最后根据数据和指令的性质进行各种流程处理，完成数控加工的各项功能。

CNC装置通过编译和执行内存中的数控加工程序来实现多种功能。

CNC装置一般具有以下基本功能：

坐标控制（XYZAB代码）功能、主轴转速（S代码）功能、准备功能（G代码）、辅助功能（M代码）、刀具（T代码）功能、进给（F代码）功能，以及插补功能、自诊断功能等。

有些功能可以根据机床的特点和用途进行选择，如固定循环功能、刀具半径补偿功能、通信功能、特殊的准备功能（G代码）、人机对话编程功能、图形显示功能等。

不同类型、不同档次的数控机床，其CNC装置的功能有很大的不同。

CNC系统制造厂商或供应商会向用户提供详细的CNC功能和各功能的具体说明书。

详细内容将在后续各章介绍。

2．伺服驱动装置

　　伺服驱动装置又称伺服系统，它是CNC装置和机床本体的联系环节，它把来自CNC装置的微弱指令信号通过调解、转换、放大后驱动伺服电机，通过执行部件驱动机床运动，使工作台精确定位或使刀具与工件按规定的轨迹作相对运动，最后加工出符合图纸要求的零件。

数控机床的伺服驱动装置分为主轴驱动单元（主要是转速控制）、进给驱动单元（包括位移和速度控制）、回转工作台和刀库伺服控制装置以及它们相应的伺服电机等。

伺服系统分为步进电机伺服系统、直流伺服系统、交流伺服系统、直线伺服系统。

步进电机伺服系统比较简单，价格又低廉，所以在经济型数控车床、数控铣床、数控线切割中仍有使用；直流伺服系统从20世纪70年代到80年代中期，在数控机床上获得了广泛的应用。

但由于直流伺服系统使用机械（电刷、换向器）换向，维护工作量大。

20世纪80年代后，由于交流伺服电机的材料、结构、控制理论和方法均有突破性的进展，电力电子器件的发展又为控制方法的实现创造了条件，使得交流伺服电机驱动装置发展很快，目前正在取代直流伺服系统。

该系统的最大优点是电机结构简单、不需要维护、适合于在恶劣环境下工作。

此外，交流伺服电机还具有动态响应好、转速高和容量大等优点。

当今，在交流伺服系统中，除了驱动级外，电流环、速度环和位置环可以全部采用数字化控制。

伺服系统的控制模型、数控功能、静动态补偿、前馈控制、最优控制、自学习功能等均由微处理器及其控制软件高速实时地实现，使得其性能更加优越，已达到和超过直流伺服系统。

直线伺服系统是一种新型高速、高精度的伺服机构，已开始在数控机床中使用。

3．测量反馈装置

　　测量反馈装置主要用于闭环和半闭环系统。

检测装置检测出实际的位移量，反馈给CNC装置中的比较器，与CNC装置发出的指令信号比较，如果有差值，就发出运动控制信号，控制数控机床移动部件向消除该差值的方向移动。

不断比较指令信号与反馈信号，然后进行控制，直到差值为0，运动停止。

常用检测装置有旋转变压器、编码器、感应同步器、光栅、磁栅、霍尔检测元件等。

4．可编程控制器

在数控系统中除了进行轮廓轨迹控制和点位控制外，还应控制一些开关量，如主轴的启动与停止、冷却液的开与关、刀具的更换、工作台的夹紧与松开等，主要由可编程控制器来完成。

图1-3数控系统各组成部分的关系

1.2.3外围技术

外围技术主要包括工具系统（主要指刀具系统）、编程技术和管理技术。

1.3数控加工零件的过程

在数控机床上加工零件时，要事先根据零件加工图纸的要求确定零件加工路线、工艺参数和刀具数据，再按数控机床编程手册的有关规定编写零件数控加工程序，然后通过输入装置将数控加工程序输入到数控系统，在数控系统控制软件的支持下，经过处理与计算后，发出相应的控制指令，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。

数控机床加工零件的过程如图1-3所示。

图1-3数控机床的工作过程

在数控机床上加工零件的整个工作过程如下：

1．零件图工艺处理拿到零件加工图纸后，应根据图纸，对工件的形状、尺寸、位置关系、技术要求进行分析，然后确定合理的加工方案、加工路线、装夹方式、刀具及切削参数、对刀点、换刀点，同时还要考虑所用数控机床的指令功能。

2．数学处理在工艺处理后，应根据加工路线、图纸上的几何尺寸，计算刀具中心运动轨迹，获得刀位数据。

如果数控系统有刀具补偿功能，则需要计算出轮廓轨迹上的坐标值。

3．数控编程根据加工路线、工艺参数、刀位数据及数控系统规定的功能指令代码及程序段格式，编写数控加工程序。

程序编完后，可存放在控制介质（如软盘、磁带）上。

4．程序输入数控加工程序通过输入装置输入到数控系统。

目前采用的输入方法主要有软驱、USB接口、RS232C接口、MDI手动输入、分布式数字控制（DirectNumericalControl，DNC）接口、网络接口等。

数控系统一般有两种不同的输入工作方式：

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数控加工程序输入到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，软驱、USB接口即属于此类工作方式。

5．译码输入的程序中含有零件的轮廓信息（如直线的起点和终点坐标；圆弧的起点、终点、圆心坐标；孔的中心坐标、孔的深度等）、切削用量（进给速度、主轴转速）、辅助信息（换刀、冷却液开与关、主轴顺转与逆转等）。

数控系统按一个程序段为单位，按照一定的语法规则把数控程序解释、翻译成计算机内部能识别的数据格式，并以一定的数据格式存放在指定的内存区内。

在译码的同时还完成对程序段的语法检查。

一旦有错，立即给出报警信息。

6．数据处理数据处理程序一般包括刀具补偿、速度计算以及辅助功能的处理程序。

刀具补偿有刀具半径补偿和刀具长度补偿。

刀具半径补偿的任务是根据刀具半径补偿值和零件轮廓轨迹计算出刀具中心轨迹。

刀具长度补偿的任务是根据刀具长度补偿值和程序值计算出刀具轴向实际移动值。

速度计算是根据程序中所给的合成进给速度计算出各坐标轴运动方向的分速度。

辅助功能的处理主要完成指令的识别、存储、设标志，这些指令大都是开关量信号，现代数控机床可由PLC控制。

7．插补数控加工程序提供了刀具运动的起点、终点和运动轨迹，而刀具从起点沿直线或圆弧运动轨迹走向终点的过程则要通过数控系统的插补软件来控制。

插补的任务就是通过插补计算程序，根据程序规定的进给速度要求，完成在轮廓起点和终点之间的中间点的坐标值计算，也即数据点的密化工作。

8．伺服控制与加工伺服系统接受插补运算后的脉冲指令信号或插补周期内的位置增量信号，经放大后驱动伺服电机，带动机床的执行部件运动，从而加工出零件。

1.4数控机床的特点与分类

1.4.1数控机床的特点

数控机床是一种高效、新型的自动化机床，具有广泛的应用前景。

它与普通机床相比具有以下特点：

1．适应性、灵活性好数控机床由于采用数控加工程序控制，当加工零件改变时，只要改变数控加工程序，便可实现对新零件的自动化加工，因此能适应当前市场竞争中对产品不断更新换代的要求，解决了多品种、单件小批量生产的自动化问题。

满足飞机、汽车、造船、动力设备、国防军工等制造部门复杂形状零件和型面零件的加工需要。

2．精度高、质量稳定数控机床是按照预定的程序自动加工，不需要人工干预，这就消除了操作者人为产生的失误或误差；数控机床本身的刚度高、精度好，并且精度保持性较好，这更有利于零件加工质量的稳定；还可以利用软件进行误差补偿和校正，也使数控加工具有较高的精度。

3．生产效率高数控机床的进给运动和多数主运动都采用无级调速，且调速范围大，可选择合理的切削速度和进给速度；可以进行在线检测，避免数控机床加工中的停机时间；可采用自动换刀、自动交换工作台，减少了换刀时间；加工同时可以进行工件装卸，并且一次装夹可实现多面和多工序加工，减少工件装夹、对刀等辅助时间；数控加工工序集中，可减少零件周转时间。

因此，数控加工生产率较高，一般零件可以高出3~4倍，复杂零件可提高十几倍甚至几十倍。

4．劳动强度低、劳动条件好数控机床的操作者一般只需装卸零件、更换刀具、利用操作面板控制机床的自动加工，不需要进行繁杂的重复性手工操作，因此劳动强度可大为减轻。

此外，数控机床一般都具有较好的安全防护、自动排屑、自动冷却和自动润滑装置，操作者的劳动条件可得到很大改善。

5．有利于现代化生产与管理采用数控机床加工能方便、精确计算零件的加工时间，能精确计算生产和加工费用，有利于生产过程的科学管理和信息化管理。

数控机床是DNC、FMS、CIMS等先进制造系统的基础，便于制造系统的集成。

6．使用、维护技术要求高

数控机床是综合多学科、新技术的产物，机床价格高，设备一次性投资大，相应地，机床的操作和维护要求较高。

因此，为保证数控加工的综合经济效益，要求机床的使用者和维修人员应具有较高的专业素质。

1.4.2数控机床的分类

数控机床的品种规格繁多，分类方法不一。

根据数控机床的功能、结构、组成不同，可从控制方式、伺服系统类型、功能水平、工艺方法几个方面进行分类，如表1-1所示。

表1-1数控机床的分类

分类方法

数控机床类型

按运动控制方式分类

点位控制数控机床

直线控制数控机床

轮廓控制数控机床

按伺服系统类型分类

开环数控系统

半闭环数控系统

闭环数控系统

按功能水平分类

经济型数控机床

中档型数控机床

高档型数控机床

按工艺方法分类

金属切削数控机床

金属成形数控机床

特种加工数控机床

1．按运动控制方式分类

根据数控机床运动控制方式的不同，可将数控机床分成点位控制、直线控制和轮廓控制三种类型，如图1-4所示。

（1）点位控制数控机床

一些孔加工数控机床，如数控钻床、数控冲床等，数控系统只控制刀具从一点到另一点的准确定位，从一个孔到另一个孔的移动轨迹则无严格要求。

在机床移动部件的移动过程中，不进行切削加工。

具有这种运动控制的机床称为点位控制数控机床。

（2）直线控制数控机床

直线控制数控机床不仅要求控制点到点的精确定位，而且要求机床工作台或刀具（刀架）以给定的进给速度，沿平行于坐标轴的方向或与坐标轴成45°角的方向进行直线移动和切削加工。

目前具有这种运动控制的数控机床很少。

（3）轮廓控制数控机床

对一些数控机床，如数控铣床、加工中心等，要求能够对两个或两个以上运动坐标的位移和速度同时进行连续相关的控制，使刀具与工件间的相对运动符合工件加工轮廓要求。

具有这种运动控制的机床称为轮廓控制数控机床。

该类机床在加工过程中，每时每刻都对各坐标的位移和速度进行严格的不间断的控制。

对于轮廓控制数控机床，根据同时控制坐标轴的数目可分为两轴联动、两轴半联动、三轴联动、四轴和五轴联动。

两轴联动同时控制两个坐标轴实现二维直线、圆弧、曲线的轨迹控制。

两轴半联动除了控制两个坐标轴联动外，还同时控制第三坐标轴作周期性进给运动，可以实现简单曲面的轨迹控制。

三轴联动同时控制X、Y、Z三个直线坐标轴联动，实现曲面的轨迹控制。

四轴或五轴联动除了控制X、Y、Z三个直线坐标轴外，还能同时控制一个或两个回转坐标轴，如工作台的旋转、刀具的摆动等，从而实现复杂曲面的轨迹控制。

图1-5所示为2~5坐标联动加工示意图。

由于加工中心同时具有点位和轮廓控制功能，直线控制的数控机床又很少，因此按上述运动控制方式的分类方法在目前的数控机床之间很难给出明确的界限。

图1-52-5坐标加工示意图

2．按伺服系统类型分类

根据数控机床伺服驱动控制方式的不同，可将数控机床分成开环控制、闭环控制和半闭环控制三种类型，如图1-6所示。

（a）开环控制

（b）半闭环控制

（c）闭环控制

图1-6伺服系统控制方式

（1）开环控制数控机床

没有位移检测反馈装置的数控机床称为开环控制数控机床。

数控装置发出的控制指令直接通过驱动装置控制步进电机的运转，然后通过机械传动系统转化成刀架或工作台的位移。

开环控制数控机床结构简单，制造成本较低，价格便宜，在我国有广泛的应用。

但是，由于这种控制系统没有检测反馈，无法通过反馈自动进行误差检测和校正，因此位移精度一般不高。

（2）闭环控制数控机床

闭环控制数控机床带有位置检测装置，而且检测装置安装在机床刀架或工作台等执行部件上，用以随时检测这些执行部件的实际位置。

插补得到的指令位置值与反馈的实际位置值相比较，根据差值控制电机的转速，进行误差修正，直到位置误差消除为止。

这种闭环控制方式可以消除由于机械传动部件误差给加工精度带来的影响，因此可得到很高的加工精度，但由于它将丝杠螺母副及工作台导轨副这些大惯量环节放在闭环之内，系统稳定性受到影响，调试困难，且结构复杂、价格昂贵。

（3）半闭环控制数控机床

半闭环控制数控机床也带有位置检测装置，它的检测装置安装在伺服电机上或丝杠的端部，通过检测伺服电机或丝杠的角位移间接计算出机床工作台等执行部件的实际位置值，然后与指令位置值进行比较，进行差值控制。

这种机床的闭环控制环内不包括丝杠螺母副及机床工作台导轨副等大惯量环节，因此可以获得稳定的控制特性，而且调试比较方便，价格也较全闭环系统便宜。

3．按功能水平分类

按照数控系统的功能水平分，数控机床可以分为经济型、中挡型和高档型三种类型。

这种分类方法目前并无明确的定义和确切的分类界限，不同国家分类的含义也不同，不同时期的含义也在不断发展变化。

（1）经济型数控机床

这类机床的伺服进给驱动一般是由步进电机实现的开环驱动，功能比较简单、价格比较低廉、精度中等，能满足加工形状比较简单的直线、圆弧及螺纹加工。

一般控制轴数在3轴以下，脉冲当量（分辨率）多为10m，快速进给速度在10m／min以下。

（2）中档型数控机床

中档型数控机床也称标准型数控机床，采用交流或直流伺服电机实现半闭环驱动，能实现4轴或4轴以下联动控制，脉冲当量为1m，进给速度为15~24m／min，一般采用16位或32位处理器，具有RS232C通信接口、DNC接口和内装PLC，具有图形显示功能及面向用户的宏程序功能。

（3）高档型数控机床

高档型数控机床指加工复杂形状的多轴联动数控机床或加工中心，功能强、工序集中、自动化程度高、柔性高。

一般采用32位以上微处理器，形成多CPU结构。

采用数字化交流伺服电机形成闭环驱动，并开始使用直线伺服电机，具有主轴伺服功能，能实现5轴以上联动，脉冲当量（分辨率）为0.1~1m，进给速度可达100m／min以上。

具有宜人的图形用户界面，有三维动画功能，能进行加工仿真检验。

同时还具有多功能智能监控系统和面向用户的宏程序功能，还有很强的智能诊断和智能工艺数据库，能实现加工条件的自动设定，且具有制造自动化协议（ManufacturingAutomationProtocol，MAP）等高性能通信接口，能实现计算机联网和通信。

4．按工艺方法分类

按工艺方法分，数控机床可分为：

金属切削数控机床、金属成形数控机床、特种加工数控机床。

也可分成普通数控机床（指加工用途、加工工艺单一的机床）和加工中心（指带有自动换刀装置、能进行多工序加工的机床）。

（1）金属切削数控机床

金属切削数控机床和普通机床品种一样，有数控车床、数控铣床、数控钻床、数控磨床、带有刀库和能实现多工序加工的铣镗加工中心和车削中心。

铣镗加工中心主要完成铣、镗、钻、攻丝等工序的加工；车削中心以完成各种车削加工为主，也能完成铣平面、铣键槽及钻横孔等工序。

（2）金属成形数控机床

金属成形数控机床指使用挤、冲、压、拉等成形工艺的数控机床，如数控压力机、折弯机、弯管机、旋压机等。

（3）特种加工数控机床

特种加工数控机床主要指数控线切割机、电火花成形机、火焰切割机、激光加工机等。

1.5数控技术的发展趋势

数控机床最早诞生于美国。

1948年，美国帕森斯公司在研制加工直升机叶片轮廓检查用样板的机床时，提出了数控机床的设想，后受美国空军委托与麻省理工学院合作，于1952年试制了世界上第一台三坐标数控立式铣床，其数控系统采用电子管。

1960年开始，德国、日本、中国等都陆续地开发、生产及使用数控机床，中国于1968年由北京第一机床厂研制出第一台数控机床。

1974年微处理器直接用于数控机床，进一步促进了数控机床的普及应用和飞速发展。

由于微电子和计算机技术的不断发展，数控机床的数控系统一直在不断更新，到目前为止已经历过以下几代变化：

第一代数控（1952~1959年）：

采用电子管构成的硬件数控系统；

第二代数控（1959~1965年）：

采用晶体管电路为主的硬件数控系统；

第三代数控（1965年开始）：

采用小、中规模集成电路的硬件数控系统；

第四代数控（1970年开始）：

采用大规模集成电路的小型通用电子计算机数控系统；

第五代数控（1974年开始）：

采用微型计算机控制的数控系统；

第六代数控（1990年开始）：

采用工控PC机的通用CNC系统。

前三代为第一阶段，数控系统主要是由硬件联结构成，称为硬件数控；后三代称为计算机数控，其功能主要由软件完成。

近20年来，随着科学技术的发展，先进制造技术的兴起和不断成熟，对数控技术提出了更高的要求。

目前数控技术主要朝以下方向发展：

1）向高速度、高精度方向发展

速度和精度是数控机床的两个重要指标，直接关系到产品的质量和档次、产品的生产周期和在市场上的竞争能力。

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（0.001μm）。

加工精度的提高不仅在于采用了滚珠丝杠副、静压导轨、直线滚动导轨、磁浮导轨等部件，提高了CNC系统的控制精度，应用了高分辨率位置检测装置，而且也在于使用了各种误差补偿技术，如丝杠螺距误差补偿、刀具误差补偿、热变形误差补偿、空间误差综合补偿等。

在加工速度方面，高速加工源于20世纪90年代初，以电主轴和直线电机的应用为特征，使主轴转速大大提高，进给速度达60m／min以上，进给加速度和减速度达到1~2g以上，主轴转速达100000r/min以上。

高速进给要求数控系统的运算速度快、采样周期短，还要求数控系统具有足够的超前路径加（减）速优化预处理能力（前瞻处理），有些系统可提前处理5000个程序段。

为保证加工速度，高档数控系统可在每秒内进行2000~10000次进给速度的改变。

高速铣削五坐标高速加工中心---视频

2）向柔性化、功能集成化方向发展

数控机床在提高单机柔性化的同时，朝单元柔性化和系统化方向发展，如出现了数控多轴加工中心、换刀换箱式加工中心等具有柔性的高效加工设备；出现了由多台数控机床组成底层加工设备的柔性制造单元（FlexibleManufacturingCell，FMC）、柔性制造系统（FlexibleManufacturingSystem，FMS）、柔性加工线（FlexibleManufacturingLine，FML）。

在现代数控机床上，自动换刀装置、自动工作台交换装置等已成为基本装置。

随着数控机床向柔性化方向的发展，功能集成化更多地体现在：

工件自动装卸，工件自动定位，刀具自动对刀，工件自动测量与补偿，集钻、车、镗、铣、磨为一体的“万能加工”和集装卸、加工、测量为一体的“完整加工”等。

自动换刀，自动工作台交换装置，自动装夹，完整加工实例---视频

3）向智能化方向发展

随着人工智能在计算机领域不断渗透和发展，数控系统向智能化方向发展。

在新一代的数控系统中，由于采用“进化计算”（EvolutionaryComputation）、“模糊系统”（FuzzySystem）和“神经网络”（NeuralNetwork）等控制机理，性能大大提高，具有加工过程的自适应控制、负载自动识别、工艺参数自生成、运动参数动态补偿、智能诊断、智能监控等功能。

（1）引进自适应控制技术由于在实际加工过程中，影响加工精度因素较多，如工件余量不均匀、材料硬度不均匀、刀具磨损、工件变形、机床热变形等。

这些因素事先难以预知，以致在实际加工中，很难用最佳参数进行切削。

引进自适应控制技术的目的是使加工系统能根据切削条件的变化自动调节切削用量等参数，使加工过程保持最佳工作状态，从而得到较高的加工精度