第一章 数控加工技术概述

第一章数控加工技术概述1.1数控机床概述1.1.1数控机床的组成用数控机床加工零件，是按照事先编制好的加工程序自动地对零件进行加工。

它是把零件的加工工艺路线、刀具运动轨迹、切削参数等，按照数控机床规定的指令代码及程序格式编写成加工程序单，再把程序单的内容输入到数控机床的数控装置中，从而控制机床加工零件。

数控加工的过程见图1.1。

图1.1 数控加工过程数控机床由数控系统和机床本体两大部分组成，而数控系统又由输入输出设备、数控装置、伺服系统、辅助控制装置等部分组成。

图1.2所示为数控机床的组成示意图。

图1.2 数控机床的组成1．输入输出设备输入输出设备的作用是输入程序，显示命令与图形，打印数据等。

数控程序的输入是通过控制介质来实现的，目前采用较多的方法有软盘、通信接口和MDI方式。

MDI即手动输入方式，它是利用数控机床控制面板上的键盘，将编写好的程序直接输入到数控系统中，并可通过显示器显示有关内容。

随着计算机辅助设计与制造（CAD／CAM）技术的发展，有些数控机床可利用CAD／CAM软件在通用计算机上编程，然后通过计算机与数控机床之间的通信，将程序与数据直接传送给数控装置。

2．数控装置数控装置是数控机床的“指挥中心”。

它的功能是接受外部输入的加工程序和各种控制命令，识别这些程序和命令并进行运算处理，然后输出控制命令。

在这些控制指令中，除了送给伺服系统的速度和位移指令外，还有送给辅助控制装置的机床辅助动作指令。

现在的数控机床一般都采用微型计算机作为数控装置，这种数控装置称为计算机数控(CNC)装置。

3．伺服系统数控机床的伺服驱动系统分主轴伺服驱动系统和进给伺服驱动系统。

主轴伺服驱动系统用于控制机床主轴的旋转运动，并为机床主轴提供驱动功率和所需的切削力。

进给伺服驱动系统是用于机床工作台或刀架坐标的控制系统，控制机床各坐标轴的切削进给运动，并提供切削过程所需的转矩。

每—坐标轴方向的进给运动部件配备一套进给伺服驱动系统。

相对于数控装置发出的每个脉冲信号，机床的进给运动部件都有一个相应的位移量，此位移量称为脉冲当量，也称为最小设定单位，其值越小，加工精度越高。

4，辅助控制装置数控机床除对各坐标轴方向的进给运动部件进行速度和位置控制外，还要完成程序中的辅助功能所规定的动作，如主轴电机的启停和变速、刀具的选择和交换、冷却泵的开关、工件的装夹、分度工作台的转位等。

由于可编程序控制器（PLC）具有响应快、性能可靠、易于编程和修改等优点，并可直接驱动机床电器，因此，目前辅助控制装置普遍采用PLC控制。

5．机床本体机床本体即为数控机床的机械部分，主要包括主传动装置、进给传动装置、床身、工作台等。

与普通机床相比，数控机床的传动装置简单，而机床的刚度和传动精度较高。

1.1.2数控机床的分类1．按工艺用途分类（1）金属切削类这类数控机床包括数控车床、数控铣床、数控磨床和加工中心等。

加工中心是带有刀库和自动换刀装置的数控机床，它将铣、镗、钻、攻螺纹等功能集中在一台设备上，使其具有多种工艺手段。

在加工过程中由程序自动选用和更换刀具。

大大提高了生产效率和加工精度。

（2）金属成型类这类数控机床包括数控板料折弯机、数控弯管机、数控冲床等。

（3）特种加工类这类数控机床包括数控线切割机床、数控电火花成型机床、数控激光切割机床等。

2．按可控制轴数与联动轴数分类可控制轴数是指数控系统最多可以控制的坐标轴数目，联动轴数是指数控系统按加工要求控制同时运动的坐标轴数目。

目前有2轴联动、3轴联动、4轴联动、5轴联动等。

3轴联动的数控机床可以加工空间复杂曲面，4轴、5轴联动的数控机床可以加工更加复杂的零件。

如果可控制轴数为3轴，联动轴数为2轴，则称为2轴半数控机床。

3．按伺服系统的类型分类（1）开环控制开环控制伺服系统的特点是不带反馈装置，通常使用步进电机作为伺服执行元件。

数控装置发出的指令脉冲，输送到伺服系统中的环行分配器和功率放大器，使步进电机转过相应的角度，然后通过减速齿轮和丝杠螺母机构，带动工作台和刀架移动。

图1．3所示为开环控制伺服系统的示意图。

图1．3 开环控制伺服系统示意图开环控制伺服系统对机械部件的传动误差没有补偿和校正，工作台的位移精度完全取决于步进电机的步距角精度、机械传动机构的传动精度，所以控制精度较低。

同时受步进电机性能的影响，其速度也受到一定的限制。

但这种系统结构简单、运行平稳、调试容易、成本低廉，因此适用于经济型数控机床或旧机床的数控化改造。

（2）闭环控制闭环控制伺服系统是在移动部件上直接装有直线位移检测装置，将测得的实际位移值反馈到输入端，与输入信号作比较，用比较后的差值进行补偿，实现移动部件的精确定位。

图1．4是闭环控制伺服系统示意图。

图]．4 闭环控制伺服系统示意图闭环控制伺服系统具有位置反馈装置，可以补偿机械传动机构中的各种误差，因而可达到很高的控制精度，一般应用在高精度的数控机床中。

由于系统增加了检测、比较和反馈装置，所以结构比较复杂，调试维修比较困难。

（3）半闭环控制半闭环控制伺服系统是在伺服系统中装有角位移检测装置（如感应同步器或光电编码器），通过检测角位移间接检测移动部件的直线位移，然后将角位移反馈到数控装置。

图1．5所示为半闭环控制伺服系统示意图。

图1．5 半闭环控制伺服系统示意图半闭环控制伺服系统没有将丝杠螺母机构、齿轮机构等传动机构包括在闭环中，所以这些传动机构的传动误差仍会影响移动部件的位移精度。

但由于将惯性较大的工作台安排在闭环以外，使这种系统调试较容易，稳定性也好。

1.1.3 数控系统的主要功能1．插补功能所谓插补，就是在工件轮廓的起始点和终点坐标之间进行“数据密化”，求取中间点的过程。

由于直线和圆弧是构成零件的基本几何元素，所以大多数数控系统都具有直线和圆弧的插补功能。

而椭圆、抛物线、螺旋线等复杂曲线的插补，只有高档次的数控系统或特殊需要的数控系统中才具备。

2．进给功能数控系统的进给功能包括快速进给、切削进给、手动连续进给、点动进给、进给倍率修调、自动加减速等功能。

3．主轴功能数控系统的主轴功能包括恒转速控制、恒线速控制、主轴定向停止等。

恒线速控制即主轴自动变速，使刀具相对切削点的线速度保持不变。

4．刀具补偿功能刀具补偿功能包括刀具位置补偿、刀具半径补偿和刀具长度补偿。

位置补偿是对车刀刀尖位置变化的补偿；半径补偿是对车刀刀尖圆弧半径、铣刀半径的补偿；长度补偿是指沿加工深度方向对刀具长度变化的补偿。

5．操作功能数控机床通常有单程序段执行、跳段执行、图形模拟、暂停和急停等功能。

6．辅助编程功能除基本的编程功能外，数控系统还有固定循环、镜像、子程序等编程功能。

除上述主要功能外，数控机床还具有图形显示、故障诊断报警、与外部设备的联网及通讯等功能。

1.2 数控加工概述1.2.1 数控加工的特点1. 具有高柔性化与普通机床相比，在数控机床上加工零件，不必制造、更换许多工具、夹具，不需要经常调整机床。

因此，数控机床适用于零件频繁更换的场合。

2. 加工精度高数控机床加工精度，一般可达0.005-0.1mm之间。

数控机床是按数字信号形式控制的，数控装置每输出一个脉冲信号，机床移动部件就移动一个脉冲当量（一般为0.001mm），而且机床进给传动链的反向间隙与丝杠螺距平均误差可由数控装置进行补偿，因此，数控机床定位精度比较高。

3. 生产率高数控机床可有效地减少零件的加工时间和辅助时间。

数控机床的主轴转速和进给量的范围大，允许机床进行大切削量的强力切削，数控机床目前正进入高速加工时代，数控机床移动部件的快速移动和定位及高速切削加工，极大地提高了生产率，另外配合加工中心的刀库使用，实现了在一台机床上进行多道工序的连续加工，提高了生产率。

4. 改善劳动条件在数控机床上加工零件，操作者主要是程序的输入、装卸零件、刀具准备、零件的检验等工作，劳动强度极大降低，机床操作者的劳动趋于智力型工作。

5. 利于生产管理现代化数控机床的加工，可预先精确估计加工时间，所使用的刀具、夹具可进行规范化、现代化管理。

数控机床使用数字信号与标准代码为控制信息，易于实现加工信息的标准化，目前已与计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）有机结合起来，是现代集成制造技术的基础。

1.2.2 数控加工的应用对象（1）小批量生产的复杂零件；（2）形状复杂、精度要求较高的零件；（3）需要多次更改设计后才能定型的零件；（4）价格昂贵，不可以报废的零件；（5）钻、镗、铰、攻螺纹及铣削加工联合进行的零件。

1.2.3 数控加工技术的发展现代数控技术的发展趋势主要是高速化、高精度化、多功能和智能化。

目前，柔性制造技术的发展也相当迅速。

柔性制造技术主要有柔性制造单元（FMC），柔性制造系统（FMS），计算机集成制造系统（CIMS）。

FMC可由—台或多台数控设备组成，既具有独立的自动加工的功能，又部分具有自动传送和监控管理功能。

FMC有两大类，一类是数控机床配上机器人，另一类是加工中心配上工作台交换系统。

若干个FMC可组成一个FMS。

FMS是—个由中央计算机控制的自动化制造系统。

它是由一个传输系统联系起来的一些数控机床和加工中心。

传输装置将工件放在托盘或其他连接设备上，送到加工设备，使工件加工能够准确、迅速和自动地进行。

CIMS就是利用计算机进行信息集成，从而实现现代化的生产制造，以求得企业的总体效益。

CIMS是建立在多项先进技术基础上的高技术制造系统，它综合利用了CAD／CAM，FMS，FMC及工厂自动化系统，是面向21世纪的生产制造技术。