项目1 数控加工认知

任务1.1 认识数控加工技术

【学习目标】

1.知识目标

•了解数控机床的概念和分类。

•了解数控技术的发展历程和发展趋势。

•了解数控机床加工的特点和适用范围。

•理解数控加工原理。

2.技能目标

•能够根据数控机床加工的特点和适用范围正确选择设备。

3.素养目标

•具有高度的责任心，爱岗敬业、团结协作。

•培养勇于开拓创新的精神。

【知识学习】

1.数控机床概述

（1）基本概念 数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，该技术覆盖很多领域：机械制造技术，信息处理、加工、传输技术，自动控制技术，伺服驱动技术，传感器技术，软件技术等。

1）数控（NC）——数字控制（Numerical Control）。它是指用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制的一种方法。

2）数控系统（NC System）。数控设备的数据处理和控制电路以及伺服机构等构成的系统称为数控系统。它能逻辑地处理输入到系统中具有特定代码的程序，并将其译码，从而使机床运动并加工零件，它由程序输入与输出设备、计算机数字控制装置、可编程序控制器、主轴进给及驱动装置等组成。

3）计算机数控（Computer Numerical Control，CNC）系统。由装有数控系统程序的专用计算机、输入与输出设备、计算机数字控制装置（CNC装置）、可编程序控制器（PLC）、主轴驱动装置和进给驱动装置等部分组成，如图1-1所示。

4）数控程序（NC Program）。数控程序是指输入数控系统中的，使数控机床执行一个确定加工任务的，具有特定代码和其他符号编码的一系列指令。

5）数控编程。数控编程即将零件的加工信息编制成数控机床能识别的代码。

在数控机床上加工零件时，要把加工零件的全部工艺过程、工艺参数和位移数据，以信息的形式记录在控制介质上，用控制介质上的信息来控制机床，实现零件的全部加工过程。从分析零件图样到获得数控机床所需控制介质的全部过程称为数控编程。

6）数控机床（NC Machine）。数控机床是一种装有数控系统的高效自动化机床。它综合了计算机、自动控制、精密测量、机床机构设计与制造等方面的最新成果。具体地说，凡是将数控程序经过数控系统的数字运算、处理，并通过高性能的驱动单元控制机床的刀具与工件的相对运动，加工出所需工件的一类机床即为数控机床。

世界上第一台数控机床是1952年美国帕森斯（Parsons）公司和麻省理工学院（MIT）合作研制成功的三坐标数控铣床，它用来加工直升机叶片轮廓检查用样板。数控机床的产生使机械制造业的发展进入了一个新的阶段。

与普通机床相比，数控机床取代了手工操作，可由数控系统在程序控制下自动完成，国家数控机床的拥有量反映了这个国家的经济能力和国防实力。

（2）数控机床的分类 通常，数控机床可根据工艺方式、伺服控制方式、机床运动轨迹、数控系统的功能水平进行分类。

1）按工艺方式分类。

①金属切削类数控机床。这类数控机床有数控车床、数控铣床、数控磨床、数控钻床、数控齿轮加工机床、加工中心等。

②金属成形类数控机床。这类数控机床有数控折弯机、数控弯管机、数控压力机等。

③数控特种加工及其他类型机床。这类数控机床有数控线切割机床、数控火焰切割机、数控三坐标测量机、数控电火花加工机床等。

2）按伺服控制方式分类。

①开环数控机床。这类数控机床采用开环伺服系统。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，因此步进电动机的步距角误差、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。

这类机床通常为经济型、中小型机床，具有结构简单、价格低廉、调试方便等优点，但通常输出的转矩值大小受到限制，而且当输入的频率较高时，容易产生失步，难以实现运动部件的控制，因此已不能满足数控机床日益提高的功率、运动速度和加工精度的控制要求，如图1-2所示。

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端的执行部件上，当数控系统发出位移指令后，经过伺服电动机、机械传动装置驱动移动部件，直线位置检测装置把检测到的位移量反馈到位置比较环节，与输入信号进行比较，将误差补偿到控制指令中再去控制伺服电动机。

由图1-3可以看出，系统的精度在很大程度上取决于位置检测装置的精度，因此闭环伺服系统精度高。但是，由于机械传动装置的刚度、摩擦阻尼特性、反向间隙等非线性因素对稳定性有很大影响，造成闭环伺服系统的安装调试比较复杂。再者，直线位置检测装置的价格比较高，因此闭环伺服系统多用于高精度数控机床和大型数控机床。

③半闭环数控机床。这类机床的检测元件装在驱动电动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。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伺服系统，如图1-4所示。

3）按机床运动轨迹分类。

①点位控制数控机床。刀具从某一位置向另一位置移动时，不管中间的轨迹如何，只要刀具最后能正确到达目标位置的控制方式，称为点位控制，又称为点到点控制。在从点到点的移动过程中，只做快速空程的定位运动，因此不能用于加工过程的控制。这类机床有数控钻床、数控坐标镗床、数控压力机等。

图1-5所示的钻孔工作为点位运动，刀具可按①、②、③、④、⑤中的任意一条轨迹运动。点位控制数控机床的运动轨迹如图1-6a所示。

②直线控制数控机床。也称为直线切削控制或平行切削控制机床。如图1-6b所示，除点到点的准确位置之外，还要保证两点之间移动的轨迹是直线，而且对移动的速度也要进行控制，以便适应随工艺因素变化的不同需要。

直线控制数控机床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°的斜线方向做直线轨迹的加工。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45°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用于机床上。简易数控车床与数控镗铣床一般有2～3个可控坐标轴，但同时控制的坐标轴只有一个。

③轮廓控制数控机床。能够对两个或两个以上运动坐标的位移及速度进行连续相关的控制，因而可进行曲线或曲面的加工，如图1-6c所示。可控制刀具相对于工件做连续轨迹的运动，能加工任意斜率的直线与任意大小的圆弧，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、数控电加工机床等。

数控机床加工时的横向、纵向等进给量都是以坐标数据来进行控制的。像数控车床、数控线切割机床等是属于两坐标轴控制，数控铣床则是三坐标轴控制，还有四坐标轴、五坐标轴甚至更多的坐标轴控制的加工中心等。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、空间螺旋线等复杂加工轨迹的能力。当然也有一些早期的数控机床尽管具有三个坐标轴，但能够同时进行联动控制的可能只是其中两个坐标轴，那就属于两坐标轴联动的三坐标轴机床。像这类机床就不能获得空间直线、空间螺旋线等复杂的加工轨迹。要想加工复杂的曲面，只能采用在某平面内进行联动控制，第三轴做单独周期性进给的“两维半”加工方式。

对于一台数控机床，所谓的几坐标机床是指有几个运动采用了数字控制的机床。例如，两坐标数控车床是两个方向的运动采用了数字控制的数控车床，而三坐标数控铣床是指三个方向的运动采用了数字控制的数控铣床。

数控机床的加工方式根据联动坐标轴的数量不同可分为两轴联动加工、两轴半联动加工、三轴联动加工、四轴联动加工与五轴联动加工等。

两轴联动加工：只能控制任意两坐标轴联动，实现两坐标轴联动加工。

两轴半联动加工：某两坐标轴联动，另一坐标轴周期进给，将立体型面转化为平面轮廓加工，即两坐标轴联动的三坐标机床加工，如图1-7所示。

三轴联动加工：指同时控制X、Y、Z三个坐标轴，实现三坐标轴联动加工，刀具在空间的任意方向都可移动，如图1-8所示。

四轴联动加工：指同时控制四个坐标轴，即在三个移动坐标轴之外，再加一个旋转坐标轴，如图1-9所示。

五轴联动加工：指同时控制五个坐标轴的连续进给运动，即在三个移动坐标轴之外，再加两个旋转坐标轴。

4）按数控系统的功能水平分类。按数控系统的功能水平不同，数控机床可分为低、中、高三档。低、中、高档的界线是相对的，不同时期的划分标准有所不同。就目前的发展水平来看，数控系统可以根据表1-1所列的一些功能和指标进行区分。其中，中、高档一般称为全功能数控系统或标准型数控系统。在我国还有经济型数控系统的说法。经济型数控系统属于低档数控系统，是由单片机和步进电动机组成的数控系统，或是其他功能简单、价格低的数控系统。经济型数控系统主要用于车床、线切割机床以及旧机床数控化改造等。

2.数控加工概述

（1）数控加工的工作过程 使用数控机床加工零件时，首先要将零件图样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，并输入到数控系统中；数控系统经过处理运算，向机床各坐标的伺服系统及辅助装置发出指令，驱动机床有序地动作与操作，实现刀具与工件的相对运动，加工出所要求的零件，如图1-10所示。

（2）数控加工的特点 与普通机床相比，数控机床加工具有如下特点：

1）适合于复杂零件的加工。数控机床可以完成普通机床难以完成或根本不能加工的复杂零件的加工，因此在航空航天、造船、模具等行业中得到广泛应用。

2）加工精度高，加工稳定可靠。数控机床的传动装置与床身结构具有很高的刚度和热稳定性，而且在传动机构中采取了减小误差的措施，并由控制系统进行补偿，所以数控机床本身的定位精度和重复定位精度都很高，因而具有较高的加工精度；另外，数控机床采用计算机控制，排除了人为误差，零件的加工一致性好，质量稳定可靠。

3）柔性高。加工对象改变时，一般只需要更改数控程序，体现出很好的适应性，可大大节省生产准备时间。在数控机床的基础上，可以组成具有更高柔性的自动化制造系统（FMS）。

4）生产效率高。数控机床本身精度高、刚性大，常常采用大进给量高速强力切削，自动化程度高，装夹定位和过程检验少，因而提高了生产率，一般为普通机床的3～5倍，对某些复杂零件的加工，生产效率可以提高十几倍甚至几十倍。

5）自动化程度高，劳动条件好。数控机床的加工过程是按输入程序自动完成的，一般情况下，操作者只要做装卸工件、更换刀具、关键工序的中间检测以及观察机床运行状况等工作，因此操作人员劳动强度大大降低，工作环境较好。

6）生产准备工作复杂。由于整个加工过程采用程序控制，数控加工的前期准备工作较为复杂，包含工艺确定、程序编制等。

7）有利于实现现代化管理。采用数控机床有利于向计算机控制与管理生产方面发展，为实现生产过程自动化创造了条件。

（3）数控加工的适应范围 从数控机床的加工特点可以看出，数控机床加工的主要对象有：

1）多品种、单件小批量生产的零件或新产品试制中的零件。

2）几何形状复杂的零件。

3）精度及表面粗糙度要求高的零件。

4）加工过程中需要进行多工序加工的零件。

5）用普通机床加工时，需要昂贵的工装设备（刀具、夹具和模具）的零件。

（4）数控加工的发展趋势 现代数控加工正在向高速化、高精度化、高柔性化、高一体化、网络化和智能化等方向发展。

1）高速切削。受高生产率的驱使，高速化已是现代机床技术发展的重要方向之一。高速切削可通过高速运算技术、快速插补运算技术、超高速通信技术和高速主轴等技术来实现。

高主轴转速可减小切削力，减小切削深度，有利于克服机床振动，传入零件中的热量大大减少，排屑加快，热变形减小，加工精度和表面质量得到显著改善。新一代高速数控机床的车削和铣削的切削速度已达到5000～8000m/min，主轴转速在30000r/min以上（有的高达100000r/min），数控机床能在极短时间内实现升速和降速，以保持很高的定位精度；工作台的移动速度，在分辨率为1μm时，可达100m/min以上，在分辨率为0.1μm时，可达240m/min以上；自动换刀时间在1s以内，工作台交换时间在2.5s以内，并且高速化的趋势有增无减。因此，经高速加工的工件一般不需要精加工。

2）高精度控制。高精度化一直是数控机床技术发展追求的目标。它包括机床制造的几何精度和机床使用的加工精度控制两方面。

提高机床的加工精度，一般是通过减小数控系统误差，提高数控机床基础大件的结构特性和热稳定性，采用补偿技术和辅助措施来达到的。目前精整加工精度已提高到0.1μm，并进入了亚微米级，不久超精度加工将进入纳米时代（加工精度达0.01μm）。

3）高柔性化。柔性是指机床适应加工对象变化的能力。目前，在进一步提高单机柔性自动化加工的同时，数控技术正努力向单元柔性和系统柔性化发展。

数控系统在21世纪具有较大限度的柔性，能实现多种用途。具体是指具有开放性体系结构，通过重构和编辑，系统的组成根据需要可大可小；功能可专用也可通用，功能价格比可调；可以集成用户的技术经验，形成专家系统。如数控加工中心配有机械手和刀具库，工件一经装夹，数控系统就能控制机床自动地更换刀具，连续对工件的各个加工面自动地完成铣削、镗削、铰孔、扩孔及攻螺纹等多工序加工，从而避免多次装夹所造成的定位误差。这样便减少了设备台数、工装夹具和操作人员，节省了占地面积和加工辅助时间。为了提高效率，新型数控机床在控制系统和机床结构上也有所改革，如采取多系统混合控制方式，用不同的切削方式（车、钻、铣、攻螺纹等）同时加工零件的不同部位等。现代数控系统控制轴多达15个，同时联动的轴已达到6个。

4）高一体化。CNC系统与加工过程作为一个整体，实现机、电、光、声综合控制，测量造型、加工一体化，加工、实时检测与修正一体化，机床主机设计与数控系统设计一体化。

5）网络化。实现多种通信协议，既能满足单机需要，又能满足FMS（柔性制造系统）、CIMS（计算机集成制造系统）对基层设备的要求。配置网络接口并通过Internet可实现远程监视和控制加工，进行远程检测和诊断，使维修变得简单。建立分布式网络化制造系统，便于形成“全球制造”。

6）智能化。21世纪的CNC系统是一个高度智能化的系统。具体是指系统应在局部或全部实现加工过程的自适应、自诊断和自调整；多媒体人机接口使用户操作简单，智能编程使编程更加直观，编程可使用自然语言；加工数据的自生成及智能数据库；智能监控；采用专家系统以降低对操作者的要求等。新型数控机床还具有故障预报功能、自恢复功能、监控与保护功能。例如，有的系统设有刀具破损检测、行程范围保护和断电保护等功能，以避免损坏机床及报废工件。由于采取了各种有效的可靠性措施，现代数控机床的平均无故障时间MTBF（Mean Time Between Failures）可达到10000～36000h。

【思考与练习】

1.数控技术经过了哪6代的发展？

2.什么是CNC？

3.简述数控加工的工作过程。

4.在互联网上查询资料，列举国内外几种著名的数控系统。

5.数控机床主要由哪几部分组成？数控机床与普通机床相比，有何特点？

6.数控机床是如何进行分类的？

7.简述开环、闭环、半闭环数控机床的区别。

8.数控加工的特点有哪些？适合何种类型零件的加工？

9.简述数控加工技术的发展趋势。