数控技术的基本知识和现代数控的发展方向

数控技术的基本知识
和现代数控的发展方向
第一部分数控技术的基本概念
1.1 数控与数控机床 1.概念
◆数控: 数字控制（NC — Numerical Control）,以数字化信
息对机床运动及加工过程进行控制的一种方法。

NC已成为数控加工的专用术语。

◆数控技术：用数控机床（数控设备）进行自动化加工的一
种技术，它综合应用了多种学科的知识。

◆数控机床：是实现柔性自动化的关键设备，是柔性自动生
产系统的基本单元。

●数控技术是现代先进制造技术的基础，其技术水平和普及
程度是衡量国家综合国和工业现代化程度的重要标志。

●CNC与CAD/CAM/CAPP /关系: 通讯
▼CAD :计算机辅助设计(Computer Aided Design)
▼CAM:计算机辅助制造(Computer Aided Maunfacturng) ▼CAE :计算机辅助工程(Computer Aided Engineering)
1.2 数控机床的工作原理
将被加工零件图纸上的几何信息和工艺信息用规定的代码和格式编写成加工程序，然后将程序输入数控装置，按照程序的要求，经过信息处理，分配，使各坐标以最小位移量为单位移动，其合成运动实现了刀具与工件的相对运动，完成零件的加工。

最小位移量的合成运动是机床数字控制的基本原理，即轨
迹控制原理（插补原理）。

◆点位控制：严格控制点到点的距离，不严格要求路径，运
动中不加工。

◆轮廓控制：
加工平面曲线、空间曲线、空间曲面时，需要多坐标联动。

以平面（两维）的任意曲线L为例，要求刀具Τ沿（逼近）曲线轨迹运动，进行切削加工。

如图1.2所示。

将曲线L分割成：l0、l1、l2¡-¡-、l i等线段。

用直线（或圆弧）代替（逼近）这些线段，当逼近误差δ相当
小时，这些折线段之和就接近了曲线。

轮廓控制也称连续轨迹控制，它的特点是不仅对坐标的移动量进行控制，而且对各坐标的速度及它们之间的比率都要进行严格控制，以便加工出给定的轨迹
这种在允许的误差范围内，用沿曲线逼近函数的最小单位移动量
合成的分段运动（小线段、小圆弧）代替任意曲线运动，以得出所需要的运动轨迹，是数控的基本构思之一。

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2.数控机床的控制
●轨迹控制
●开关量控制
1.3 数控机床的组成及分类
1.数控机床的组成
●数控系统：I/0接口、CNC装置、伺服系统、PLC
●机械主机：主运动机构、进给运动机构、辅助机
构、床身等
2 .数控机床的应用
1）多品种变批量、单件小批量的自动化
2）柔性加工和柔性自动化
◆小批量而又轮番生产的零件；
◆几何形状复杂的零件；
◆在加工过程中必须进行多种工序加工的零件；
◆切削余量大的零件；
◆必须严格控制公差（公差带范围很小）的零件；
◆工艺设计会经常变化的零件；
◆贵重零件；
◆需全部检测的零件，等等。

3 .数控机床的分类
1）按控制运动的轨迹特点分类
◆点位控制数控机床
◆直线控制数控机床(单轴数控)
◆轮廓控制的数控机床：分为两坐标联动，2.5坐标联动，三坐
标联动，四坐标联动，五坐标联动等数控机床。

五坐标联动是关键技术。

2）按伺服系统的控制类型分类
◆开环控制的数控机床
◆全闭环控制的数控机床
◆半闭环控制的数控机床
3）按工艺方法分类
◆金属切削类数控机床：
数控车床，数控铣床、数控钻床、数控磨床、数控镗床以及加工中心等。

◆金属成型类及特种加工类数控机床
4）按功能水平分类：
◆高、中、低档（亦称经济型）
5）按驱动方式分类
◆步进式
◆直流伺服
◆交流伺服（交流模拟、交流数字）
6）按组成和功能
◆开放式数控
◆智能数控
第二部分数控机床控制系统（CNC）
2.1 CNC系统的组成
CNC系统由¡°数控装置¡±、¡°伺服系统¡±和系统程序组成。

●数控装置（专用计算机）：硬件和软件组成。

●伺服系统：检测装置、驱动装置和伺服电机组成。

2.1.1 数控装置的硬件组成及功能
1.数控装置的硬件包括：
微机基本系统：CPU、总线、存储器、I/O设备等
数控接口组件：进给轴位置控制接口组件、主轴控制接口组件
手摇脉冲发生器接口组件等。

接口：人机界面接口、通讯接口、机电接口
辅助功能（M）控制接口等
2.硬件功能：
与软件一起接收输入信息（程序）、经过译码、轨迹计算（速度计算）、补偿计算、加/减处理和插补运算，给各个坐标的
伺服驱动器分配速度、位移指令，完成数控加工任务。

3.硬件具体组成
微机基本系统
人机界面接口:键盘、显示器、操作面板、手摇脉冲发生器
通讯接口、RS232、RS485串行接口、网络接口
进给轴位置控制接口
主轴控制接口
辅助功能（M 指令）控制接口
2.1.2 数控装置软件的基本组成和功能
软件由控制功能程序、管理功能程序组成
1.控制功能程序--实时性强,用于进给坐标的位置控制，中断完成; 译码;
预处理（刀补和速度处理）；
插补；
位控；
2.管理功能程序--实时性稍差，但要保证控制软件数据的供给传
递，具体见图
3. 伺服系统的位置环和速度环（包括电流环）均采用数
字闭环，软件计算、数字调解等。

为适应不同类型的机床，不同精度和不同速度的要求
，预先调整加、减速性能或自动调整加、减速性能。

4.采用高分辨的位置检测装置。

高分辨率的脉冲编码器，内有微处理器组成的细分电
路，使得分辨率大大提高，增量位置检测为10000p/r
（脉冲数/每转）以上；绝对位置检测为1000000p/r、
16000000以上。

5.补偿技术得到了发展和应用。

现代数控系统都具有补偿功能，可以对伺服系统进行
多种补偿，如丝杠螺距误差补偿，齿侧间隙补偿、轴
向运动误差补偿、空间误差补偿和热变形补偿等。

6.采用光栅尺的全闭环系统
7.矢量控制技术。

激光器有：CO2激光器、固体激光器YAG、准分子激光器（冷切削）。

激光加工工艺方法：激光铣切、激光雕刻铣切、激光焊接、激光表面处理、激光打孔、激光切割等。

激光铣切的进一步发展，有可能取代部分电加工机床。

激光加工范围：“激光束能”（激光束直径Φ0.04MM～0.1MM）几乎对所用材料都能加工，如精密膜具和工件加工、膜型制造、珠宝加工、薄片加工、刀具加工、陶瓷的精细雕刻（这是一般铣削和电火花加工所不能比拟的）。

加工精度：10μm，表面粗糙度：1μm。

4.6.5 成套、成线制造装备。

4.6.6 工业机器人技术融入数控机床，促进成套技术向自动化方
向发展。

●加工对象及加工区域规划；
●加工路线规划；
●加工工艺和加工方法规划
4.7.3.3 加工对象及加工区域规划
⑴加工表面形状差异较大，需要分区域加工;
⑵加工表面不同区域尺寸差异较大，需要分区域加工;
⑶为有效控制加工残留高度，应针对曲面的变化采用
不同刀位轨迹型形式和行间距进行分区加工。

4.7.3.4.加工工艺路线规划
⑴上道工序的加工不能影响下道工序的定位与夹紧。

⑵加工顺序应由粗加工到精加工逐步进行，加工余量由大到小。

⑶先进行内腔加工工序，后进行外型的加工工序。

⑷尽可能采用相同的定位、夹紧方式或同一把刀加工的工序，减
少换刀次数与挪动压紧元件次数。

⑸在同一次安装中进行的多道工序，应先安排对工件刚性破坏较
小的工序。

4.7.3.5 加工工艺和加工方法规划
⑴刀具选择。

为不同的加工区域、加工类型选择合适的刀具。

⑵刀轨形式选择。

针对不同的加工区域、加工类型、加工工序
2.高速加工于80年代进了一个高速发展时期，90年代在制造业
广泛应用。

它是一种先进的金属切削加工技术，由于它大大的提高切削率和加工质量，又称为高性能加工。

多用于铣削加工。

高速加工由航空工业和模具工业的需求而推动的。

现在美国和日本大约有30%的公司已经使用高速加工，在德国这个比例高于40%。

在飞机制造业，高速铣已经普遍用于飞机零件的加工。

3.高速加工需具备的条件：
高速主轴单元，电主轴。

快速进给和高加/减速的驱动系统，直线电机驱动。

高性能的高速CNC控制系统。

配以高速加工的CAD/CAM软件。

超硬的刀具材料（包括涂层工艺及材料）。

目前市场上出现的铣削加工机床主轴转述在20000～60000r/min，最高达到150000 r/min；在x、y、z 进给坐标方向的最大进给速度也提高到24～60m/min。

高速加工的基本出发点是高速低负荷。

在此状态下的切削比低速高负荷状态下切削能更快的切除材料。