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数控加工技术概述
1 数控编程及其开展
数控编程是目前CAD/CAPP/CAM系统中最能明显发挥效益的环节之一，其在实现设计加工自动化、提高加工精度和加工质量、缩短产品研制周期等方面发挥着重要作用。
在诸如航空工业、汽车工业等领域有着大量的应用。
由于生产实际的强烈需求，国内外都对数控编程技术进行了广泛的研究，并取得了丰硕成果。
下面就对数控编程及其开展作一些介绍。
数控编程的根本概念
数控编程是从零件图纸到获得数控加工程序的全过程。
它的主要任务是计算加工走刀中的刀位点〔cutter location point简称CL点〕。
刀位点一般取为刀具轴线与刀具外表的交点，多轴加工中还要给出刀轴矢量。
数控编程技术的开展概况
为了解决数控加工中的程序编制问题，50年代，MIT设计了一种专门用于机械零件数控加工程序编制的语言，称为APT〔Automatically Programmed Tool〕。
其后，APT几经开展，形成了诸如APTII、APTIII〔立体切削用〕、APT〔算法改进
现役几个主要CAD/CAM系统中的NC刀轨生成方法分析
现役CAM的构成及主要功能
目前比较成熟的CAM系统主要以两种形式实现CAD/CAM系统集成：
一体化的CAD/CAM系统〔如：
UGII、Euclid、Pro/ENGINEER等〕和相对独立的CAM系统〔如：
Mastercam、Surfcam等〕。
前者以内部统一的数据格式直接从CAD系统获取产品几何模型，而后者主要通过中性文件从其它CAD系统获取产品几何模型。
然而，无论是哪种形式的CAM系统，都由五个模块组成，即交互工艺参数输入模块、刀具轨迹生成模块、刀具轨迹编辑模块、三维加工动态仿真模块和后置处理模块。
下面仅就一些著名的CAD/CAM系统的NC加工方法进行讨论。
UGII加工方法分析
一般认为UGII是业界中最好，最具代表性的数控软件。
其最具特点的是其功能强大的刀具轨迹生成方法。
包括车削、铣削、线切割等完善的加工方法。
其中铣削主要有以下功能：
Point to Point：
完成各种孔加工；
Panar Mill：
平面铣削。
包括单向行切，双向行切，环切以及轮廓加工等；
Fixed Contour：
固定多轴投影加工。
用投影方法控制刀具在单张曲面上或多张曲面上的移动，控制刀具移动的可以是已生成的刀具轨迹，一系列点或一组曲线；
Variable Contour：
可变轴投影加工；
Parameter line：
等参数线加工。
可对单张曲面或多张曲面连续加工；
Zig-Zag Surface：
裁剪面加工；
Rough to Depth：
粗加工。
将毛坯粗加工到指定深度；
Cavity Mill：
多级深度型腔加工。
特别适用于凸模和凹模的粗加工；
Sequential Surface：
曲面交加工。
按照零件面、导动面和检查面的思路对刀具的移动提供最大程度的控制。
EDS Unigraphics还包括大量的其它方面的功能，这里就不一一列举了。
STRATA加工方法分析
STRATA是一个数控编程系统开发环境，它是建立在ACIS几何建模平台上的。
它为用户提供两种编程开发环境，即NC命令语言接口和NC操作C++类库。
它可支持三轴铣削，车削和线切割NC加工，并可支持线框、曲面和实体几何建模。
其NC刀具轨迹生成方法是基于实体模型。
STRATA基于实体的NC刀具轨迹生成类库提供的加工方法包括：
Profile Toolpath：
轮廓加工；
AreaClear Toolpath：
平面区域加工；
SolidProfile Toolpath：
实体轮廓加工；
SolidAreaClear Toolpath：
实体平面区域加工；
SolidFace ToolPath：
实体外表加工；
SolidSlice ToolPath：
实体截平面加工；
Language-based Toolpath：
基于语言的刀具轨迹生成。
其它的CAD/CAM软件，如Euclid, Cimitron, CV,CATIA等的NC功能各有千秋，但其根本内容大同小异，没有本质区别。
现役CAM系统刀轨生成方法的主要问题
按照传统的CAD/CAM系统和CNC系统的工作方式，CAM系统以直接或间接〔通过中性文件〕的方式从CAD系统获取产品的几何数据模型。
CAM系统以三维几何模型中的点、线、面、或实体为驱动对象，生成加工刀具轨迹，并以刀具定位文件的形式经后置处理，以NC代码的形式提供给CNC机床，在整个CAD /CAM及CNC系统的运行过程中存在以下几方面的问题：
CAM系统只能从CAD系统获取产品的低层几何信息，无法自动捕捉产品的几何形状信息和产品高层的功能和语义信息。
因此，整个CAM过程必须在经验丰富的制造工程师的参与下，通过图形交互来完成。
如：
制造工程师必须选择加工对象〔点、线、面或实体〕、约束条件〔装夹、干预和碰撞等〕、刀具、加工参数〔切削方向、切深、进给量、进给速度等〕。
整个系统的自动化程度较低。
在CAM系统生成的刀具轨迹中，同样也只包含低层的几何信息〔直线和圆弧的几何定位信息〕，以及少量的过程控制信息〔如进给率、主轴转速、换刀等〕。
因此，下游的CNC系统既无法获取更高层的设计要求〔如公差、外表光洁度等〕，也无法得到与生成刀具轨迹有关的加工工艺参数。
CAM系统各个模块之间的产品数据不统一，各模块相对独立。
例如刀具定位文件只记录刀具轨迹而不记录相应的加工工艺参数，三维动态仿真只记录刀具轨迹的干预与碰撞，而不记录与其发生干预和碰撞的加工对象及相关的加工工艺参数。
CAM系统是一个独立的系统。
CAD系统与CAM系统之间没有统一的产品数据模型，即使是在一体化的集成CAD/CAM系统中，信息的共享也只是单向的和单一的。
CAM系统不能充分理解和利用CAD系统有关产品的全部信息，尤其是与加工有关的特征信息，同样CAD系统也无法获取CAM系统产生的加工数据信息。
这就给并行工程的实施带来了困难。
3 数控仿真技术
计算机仿真的概念及应用
从工程的角度来看，仿真就是通过对系统模型的实验去研究一个已有的或设计中的系统。
分析复杂的动态对象，仿真是一种有效的方法，可以减少风险，缩短设计和制造的周期，并节约投资。
计算机仿真就是借助计算机，利用系统模型对实际系统进行实验研究的过程。
它随着计算机技术的开展而迅速地开展，在仿真中占有越来越重要的地位。
计算机仿真的过程可通过要素间的三个根本活动来描述：
建模活动是通过对实际系统的观测或检测，在忽略次要因素及不可检测变量的根底上，用物理或数学的方法进行描述，从而获得实际系统的简化近似模型。
这里的模型同实际系统的功能与参数之间应具有相似性和对应性。
仿真模型是对系统的数学模型〔简化模型〕进行一定的算法处理，使其成为适宜的形式〔如将数值积分变为迭代运算模型〕之后，成为能被计算机接受的“可计算模型〞。
仿真模型对实际系统来讲是一个二次简化的模型。
仿真实验是指将系统的仿真模型在计算机上运行的过程。
仿真是通过实验来研究实际系统的一种技术，通过仿真技术可以弄清系统内在结构变量和环境条件的影响。
计算机仿真技术的开展趋势主要表现在两个方面：
应用领域的扩大和仿真计算机的智能化。
计算机仿真技术不仅在传统的工程技术领域〔航空、航天、化工等方面〕继续开展，而且扩大到社会经济、生物等许多非工程领域，此外，并行处理、人工智能、知识库和专家系统等技术的开展正影响着仿真计算机的开展。
数控加工仿真利用计算机来模拟实际的加工过程，是验证数控加工程序的可靠性和预测切削过程的有力工具，以减少工件的试切，提高生产效率。
数控仿真技术的研究现状
数控机床加工零件是靠数控指令程序控制完成的。
为确保数控程序的正确性，防止加工过程中干预和碰撞的发生，在实际生产中，常采用试切的方法进行检验。
但这种方法费工费料，代价昂贵，使生产本钱上升，增加了产品加工时间和生产周期。
后来又采用轨迹显示法，即以划针或笔代替刀具，以着色板或纸代替工件来仿真刀具运动轨迹的二维图形〔也可以显示二维半的加工轨迹〕，有相当大的局限性。
对于工件的三维和多维加工，也有用易切削的材料代替工件〔如，石蜡、木料、改性树脂和塑料等〕来检验加工的切削轨迹。
但是，试切要占用数控机床和加工现场。
为此，人们一直在研究能逐步代替试切的计算机仿真方法，并在试切环境的模型化、仿真计算和图形显示等方面取得了重要的进展，目前正向提高模型的精确度、仿真计算实时化和改善图形显示的真实感等方向开展。
从试切环境的模型特点来看，目前NC切削过程仿真分几何仿真和力学仿真两个方面。
几何仿真不考虑切削参数、切削力及其它物理因素的影响，只仿真刀具-工件几何体的运动，以验证NC程序的正确性。
它可以减少或消除因程序错误而导致的机床损伤、夹具破坏或刀具折断、零件报废等问题；同时可以减少从产品设计到制造的时间，降低生产本钱。
切削过程的力学仿真属于物理仿真范畴，它通过仿真切削过程的动态力学特性来预测刀具破损、刀具振动、控制切削参数，从而到达优化切削过程的目的。
几何仿真技术的开展是随着几何建模技术的开展而开展的，包括定性图形显示和定量干预验证两方面。
目前常用的方法有直接实体造型法，基于图像空间的方法和离散矢量求交法。
直接实体造型法
这种方法是指工件体与刀具运动所形成的包络体进行实体布尔差运算，工件体的三维模型随着切削过程被不断更新。
Sungurtekin和Velcker开发了一个铣床的模拟系统。
该系统采用CSG法来记录毛坯的三维模型，利用一些根本图元如长方体、圆柱体、圆锥体等，和集合运算，特别是并运算，将毛坯和一系列刀具扫描过的区域记录下来，然后应用集合差运算从毛坯中顺序除去扫描过的区域。
所谓被扫过的区域是指切削刀具沿某一轨迹运动时所走过的区域。
在扫描了每段NC代码后显示变化了的毛坯形状。
Kawashima等的接合树法将毛坯和切削区域用接合树〔graftree〕表示，即除了空和满两种结点，边界结点也作为八叉树〔oct-tree〕的叶结点，接合树的数据结构如图2。
边界结点包含半空间，结点物体利用在这些半空间上的CSG操作来表示。
接合树细分的层次由边界结点允许的半空间个数决定。
逐步的切削仿真利用毛坯和切削区域的差运算来实现。
毛坯的显示采用了深度缓冲区算法，将毛坯划分为多边形实现毛坯的可视化。
用基于实体造型的方法实现连续更新的毛坯的实时可视化，耗时太长，于是一些基于观察的方法被提出来。
基于图像空间的方法
这种方法用图像空间的消隐算法来实现实体布尔运算。
Van Hook采用图象空间离散法实现了加工过程的动态图形仿真。
他使用类似图形消隐的z_buffer思想，沿视线方向将毛坯和刀具离散，在每个屏幕象素上毛坯和刀具表示为沿z轴的一个长方体，称为Dexel结构。
刀具切削毛坯的过程简化为沿视线方向上的一维布尔运算，切削过程就变成两者Dexel结构的比较：
CASE 1：
只有毛坯，显示毛坯，break；
CASE 2：
毛坯完全在刀具之后，显示刀具，break；
CASE 3：
刀具切削毛坯前部，更新毛坯的dexel结构，显示刀具，break；
CASE 4：
刀具切削毛坯内部，删除毛坯的dexel结构，显示刀具，break；
CASE 5：
刀具切削毛坯内部，创立新的毛坯dexel结构，显示毛坯，break；
CASE 6：
刀具切削毛坯后部，更新毛坯的dexel结构，显示毛坯，break；
CASE 7：
刀具完全在毛坯之后，显示毛坯，break；
CASE 8：
只有刀具，显示刀具，break。
这种方法将实体布尔运算和图形显示过程合为一体，使仿真图形显示有很好的实时性。
Hsu和Yang提出了一种有效的三轴铣削的实时仿真方法。
他们使用z_map作为根本数据结构，记录一个二维网格的每个方块处的毛坯高度，即z向值。
这种数据结构只适用于刀轴z向的三轴铣削仿真。
对每个铣削操作通过改变刀具运动每一点的深度值，很容易更新z_map值，并更新工件的图形显示。
离散矢量求交法
由于现有的实体造型技术未涉及公差和曲面的偏置表示，而像素空间布尔运算并不精确，使仿真验证有很大的局限性。
为此Chappel提出了一种基于曲面技术的“点-矢量〞〔point-vector〕法。
这种方法将曲面按一定精度离散，用这些离散点来表示该曲面。
以每个离散点的法矢为该点的矢量方向，延长与工件的外外表相交。
通过仿真刀具的切削过程，计算各个离散点沿法矢到刀具的距离s。
设sg和sm分别为曲面加工的内、外偏差，如果sgsm那么漏切。
该方法分为被切削曲面的离散〔discretization〕、检测点的定位〔location〕和离散点矢量与工件实体的求交〔intersection〕三个过程。
采用图像映射的方法显示加工误差图形；零件外表的加工误差可以精确地描写出来。
总体来说，基于实体造型的方法中几何模型的表达与实际加工过程相一致，使得仿真的最终结果与设计产品间的精确比较成为可能；但实体造型的技术要求高，计算量大，在目前的计算机实用环境下较难应用于实时检测和动态模拟。
基于图像空间的方法速度快得多，能够实现实时仿真，但由于原始数据都已转化为像素值，不易进行精确的检测。
离散矢量求交法基于零件的外表处理，能精确描述零件面的加工误差，主要用于曲面加工的误差检测。
数字控制机床是用数字代码形式的信息〔程序指令〕，控制刀具按给定的工作程序、运动速度和轨迹进行自动加工的机床，简称数控机床。
数控机床具有广泛的适应性，加工对象改变时只需要改变输入的程序指令；加工性能比一般自动机床高，可以精确加工复杂型面，因而适合于加工中小批量、改型频繁、精度要求高、形状又较复杂的工件，并能获得良好的经济效果。
随着数控技术的开展，采用数控系统的机床品种日益增多，有车床、铣床、镗床、钻床、磨床、齿轮加工机床和电火花加工机床等。
此外还有能自动换刀、一次装卡进行多工序加工的加工中心、车削中心等。
1948年，美国帕森斯公司接受美国空军委托，研制飞机螺旋桨叶片轮廓样板的加工设备。
由于样板形状复杂多样，精度要求高，一般加工设备难以适应，于是提出计算机控制机床的设想。
1949年，该公司在美国麻省理工学院伺服机构研究室的协助下，开始数控机床研究，并于1952年试制成功第一台由大型立式仿形铣床改装而成的三坐标数控铣床，不久即开始正式生产。
当时的数控装置采用电子管元件，体积庞大，价格昂贵，只在航空工业等少数有特殊需要的部门用来加工复杂型面零件；1959年，制成了晶体管元件和印刷电路板，使数控装置进入了第二代，体积缩小，本钱有所下降；1960年以后，较为简单和经济的点位控制数控钻床，和直线控制数控铣床得到较快开展，使数控机床在机械制造业各部门逐步获得推广。
1965年，出现了第三代的集成电路数控装置，不仅体积小，功率消耗少，且可靠性提高，价格进一步下降，促进了数控机床品种和产量的开展。
60年代末，先后出现了由一台计算机直接控制多台机床的直接数控系统〔简称DNC〕，又称群控系统；采用小型计算机控制的计算机数控系统〔简称CNC〕,使数控装置进入了以小型计算机化为特征的第四代。
1974年，研制成功使用微处理器和半导体存贮器的微型计算机数控装置〔简称MNC〕，这是第五代数控系统。
第五代与第三代相比，数控装置的功能扩大了一倍，而体积那么缩小为原来的1/20，价格降低了3/4，可靠性也得到极大的提高。
80年代初，随着计算机软、硬件技术的开展，出现了能进行人机对话式自动编制程序的数控装置；数控装置愈趋小型化，可以直接安装在机床上；数控机床的自动化程度进一步提高，具有自动监控刀具破损和自动检测工件等功能。
数控机床主要由数控装置、伺服机构和机床主体组成。
输入数控装置的程序指令记录在信息载体上，由程序读入装置接收，或由数控装置的键盘直接手动输入。
数控装置包括程序读入装置和由电子线路组成的输入局部、运算局部、控制局部和输出局部等。
数控装置按所能实现的控制功能分为点位控制、直线控制、连续轨迹控制三类。
点位控制是只控制刀具或工作台从一点移至另一点的准确定位，然后进行定点加工，而点与点之间的路径不需控制。
采用这类控制的有数控钻床、数控镗床和数控坐标镗床等。
直线控制是除控制直线轨迹的起点和终点的准确定位外，还要控制在这两点之间以指定的进给速度进行直线切削。
采用这类控制的有平面铣削用的数控铣床，以及阶梯轴车削和磨削用的数控车床和数控磨床等。
连续轨迹控制〔或称轮廓控制〕能够连续控制两个或两个以上坐标方向的联合运动。
为了使刀具按规定的轨迹加工工件的曲线轮廓，数控装置具有插补运算的功能，使刀具的运动轨迹以最小的误差逼近规定的轮廓曲线，并协调各坐标方向的运动速度，以便在切削过程中始终保持规定的进给速度。
采用这类控制的有能加工曲面用的数控铣床、数控车床、数控磨床和加工中心等。
伺服机构分为开环、半闭环和闭环三种类型。
开环伺服机构是由步进电机驱动线路，和步进电机组成。
每一脉冲信号使步进电机转动一定的角度，通过滚珠丝杠推开工作台移动一定的距离。
这种伺服机构比较简单，工作稳定，容易掌握使用，但精度和速度的提高受到限制。
半闭环伺服机构是由比较线路、伺服放大线路、伺服马达、速度检测器和位置检测器组成。
位置检测器装在丝杠或伺服马达的端部，利用丝杠的回转角度间接测出工作台的位置。
常用的伺服马达有宽调速直流电动机、宽调速交流电动机和电液伺服马达。
位置检测器有旋转变压器、光电式脉冲发生器和圆光栅等。
这种伺服机构所能到达的精度、速度和动态特性优于开环伺服机构，为大多数中小型数控机床所采用。
闭环伺服机构的工作原理和组成与半闭环伺服机构相同，只是位置检测器安装在工作台上，可直接测出工作台的实际位置，故反响精度高于半闭环控制，但掌握调试的难度较大，常用于高精度和大型数控机床。
闭环伺服机构所用伺服马达与半闭环相同，位置检测器那么用长光栅、长感应同步器或长磁栅。
为了保证机床具有很大的工艺适应性能和连续稳定工作的能力，数控机床结构设计的特点是具有足够的刚度、精度、抗振性、热稳定性和精度保持性。
进给系统的机械传动链采用滚珠丝杠、静压丝杠和无间隙齿轮副等，以尽量减小反向间隙。
机床采用塑料减摩导轨、滚动导轨或静压导轨，以提高运动的平稳性并使低速运动时不出现爬行现象。
由于采用了宽调速的进给伺服电动机和宽调速的主轴电动机，可以不用或少用齿轮传动和齿轮变速，这就简化了机床的传动机构。
机床布局便于排屑和工件装卸，局部数控机床带有自动排屑器和自开工件交换装置。
大局部数控机床采用具有微处理器的可编程序控制器，以代替强电柜中大量的继电器，提高了机床强电控制的可靠性和灵活性。
随着微电子技术、计算机技术和软件技术的迅速开展，数控机床的控制系统日益趋向于小型化和多功能化，具备完善的自诊断功能；可靠性也大大提高；数控系统本身将普遍实现自动编程。
未来数控机床的类型将更加多样化，多工序集中加工的数控机床品种越来越多；激光加工等技术将应用在切削加工机床上，从而扩大多工序集中的工艺范围；数控机床的自动化程度更加提高，并具有多种监控功能，从而形成一个柔性制造单元，更加便于纳入高度自动化的柔性制造系统中。
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