数控加工概论

数控加工概论数控车床数控铣床加工中心加工中心数控钻床数控车床的主要内部结构FANUC数控系统（显示器及操作面板）FANUC数控系统（显示器及操作面板）西门子系统的显示操作部件、驱动器、可编程控制器1952年世界上第一台数控机床在麻省理工学院研制成功。1954年世界上第一个自动编程语言——APT语言诞生二十世纪六十年代初期，数控机床更广泛地应用于工业生产中，操作更加容易，功能更加强大。1976年，第一台计算机数控（CNC）机床问世，它具有存储功能，响应速度更快。数字控制（简称数控）是指在数控机床上使用数字编码指令（数字或字母）对机床部件进行控制的一种方法。数控发展情况1995年12月，美国SME主席G.Olling提出，“数字制造”（“digitalmanufacturing”）将会是我们的主要工作。什么是“数字制造”呢？简单地说，就是用数字的方式来存储、管理和传递制造过程中的所有信息。在计算机世界里，可以产生各种各样的信息，并把物理过程虚拟化；(DistributedNumericalControl)称为分布式数控可以对CAD/CAPP/CAM以及CNC的程序进行传送和分级管理。DNC技术使CNC与通信网络联系在一起,还可以传送维修数据，使用户与数控生产厂家直接通信；进而把制造厂家联系在一起，构成虚拟制造网络。现在的问题是，如何把这些信息从计算机“下载”到生产线，在生产过程中利用这些信息控制机器，生产出合格产品；这个全过程就是数字制造。数控发展情况数控技术的产生与发展

1952年，电子管控制数控机床 1959年，晶体管控制数控机床，加工中心 60年代，集成电路数控机床 70年代，计算机数控机床 80年代，计算机集成制造系统数控发展情况数控装置伺服系统加工程序什么是机床的数字控制以数字指令方式控制机床各部件的相对运动和动作。

例：N003G90G01X+35.Y+279.3Z-429.7S1000T02F500M07；

将数字代码输入机床的数字控制装置（即控制机床的专用计算机）中去，经过计算机的计算处理、伺服控制、驱动机床各部件运动，完成上述空间直线段的加工。用这种控制技术控制的机床就称为“数控机床”或“NC机床”。（NumericallyControlledMachineTool）数控技术的基本概念1．概念数控加工是用数控装置或计算机代替人工操作机床进行自动化加工的一种方法。2．加工的过程首先设计出零件的图纸，根据零件图进行工艺规程设计，然后编制出数控程序并生成刀位数据文件，经后置处理器进一步处理后，数控指令以穿孔纸带的形式输入机床的数控系统。数控系统对输入的指令进行处理后，把它们转化成输出信号，用来控制各个机床部件，进行数控加工。这样，机床就会在指令的控制下加工出合格的零件。当加工对象改变时，不需要重新调整机床，只要更换一个新的控制介质（如穿孔纸带）就可以加工新的零件。数控加工的特点3．数控加工的特点：1）加工精度高2）生产效率高3）自动化程度高4）工件成本低5）生产准备时间短6）加工范围广7）有利于实现CAD系统、CAPP系统、CAM系统的集成。4．数控加工应用适用于形状比较复杂、中批或中批以下生产类型、要求重复精度高以及在普通机床或自动机床和仿形机床上加工需要复杂工装的零件。对形状比较简单、批量较大的产品，采用数控加工就不合算，应该采用其它自动化机床数控加工的特点1．点对点控制也称为点位控制，通常适用于不关心刀具相对于工件的运动轨迹的场合，比如钻孔、冲压以及直线铣削等。这种方法只强调到达指定点时的坐标精度，至于在指定点之间运动的路径和速度则无关紧要。2．轮廓控制又称连续控制（continuouspath），在这种方法中，刀具相对于被加工工件严格精确的运动轨迹和速度意义重大，而且各方向上的运动、加速或减速必须协调同步，才能加工形状复杂的零件，绝大多数数控车床、数控铣床、数控磨床、焊接机床和加工中心均属此类。数控系统的类型3．自适应控制可以根据切削环境地变化，自动对切削参数作相应的改变，使其更加适应新的环境，自适应一词由此而得。比如，机床可以根据刀具的钝化程度、机床温升以及振动，自动调节切削用量。数控系统的类型点位控制(PointtoPointControl)：严格控制点到点之间的距离，而与所走的路径无关。YXO,PKQR△X△Y

图1.1点位控制G00:P-K-QG01:P-Q数控系统的类型轮廓加工控制(ContouringControl)：

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比率都要行严格控制，以便加工出给定的轨迹。。TL1L2L3L4L5L6L△X△YXY图1.2

轮廓控制

数控系统的类型原理:在允许的误差范围内,从微观上看,用沿直线（精确地说，沿逼近函数）的各轴最小单位移动量合成的分段运动来代替曲线运动，从而加工出轮廓。基本名词术语：1.点位控制：控制点到点的距离；2.轮廓控制：控制轮廓加工，实时控制位移和速度；3.分辨率：闭环数控机床的最小监测单位，也叫设定单位。它代表了数控系统和数控机床的精度。

脉冲当量：数控系统中，一个指令脉冲代表的位移量(开环)；4.插补:数据密化,用已知线型（已有插补轨迹）代替未知线型。

直线插补：数控机床加工时，刀具运动轨迹是直线的，称为直线插补。

圆弧插补：数控机床加工时，刀具运动轨迹是圆弧的，称为圆弧插补；●机床的数字控制是由数控系统完成的。数控能接收零件图纸加工要求的信息进行插补运算，实时地向各坐标轴发出速度位置控制指令。伺服驱动装置能快速响应数控装置发出的指令，驱动机床各坐标轴运动，同时能提供足够的功率和扭矩。●机床的数字控制包括：轨迹控制和开关量控制。轨迹控制:直线、圆弧及其它各种平面,空间轨迹。由插补指令实现。插补指令越丰富，数控功能越强。开关量控制：为配合数控加工，所需要的开关动作控制，如程序停、冷却液开停、主轴正反转等等。由辅助功能指令实现。数控机床的组成及特点数控机床的组成

1）信息输入：程序、参数、数据等的输入通道。输入设备为穿孔纸带、磁带、磁盘、通讯接口由上位机输入，也可以在MDI方式下，用手动按键输入。2）数控装置：由CPU、存储器、总线、功能部件和相应软件组成的专用计算机。作用为将加工程序译码轨迹计算（速度计算）、插补计算、补偿计算，向各坐标的伺服驱动系统分配速度、位移命令。这一部分是数控机床的核心。

数控机床的组成

1）信息输入：程序、参数、数据等的输入通道。输入设备为穿孔纸带、磁带、磁盘、通讯接口由上位机输入，也可以在MDI方式下，用手动按键输入。2）数控装置：由CPU、存储器、总线、功能部件和相应软件组成的专用计算机。作用为将加工程序译码轨迹计算（速度计算）、插补计算、补偿计算，向各坐标的伺服驱动系统分配速度、位移命令。这一部分是数控机床的核心。

数控机床的组成

1）信息输入：程序、参数、数据等的输入通道。输入设备为穿孔纸带、磁带、磁盘、通讯接口由上位机输入，也可以在MDI方式下，用手动按键输入。2）数控装置：由CPU、存储器、总线、功能部件和相应软件组成的专用计算机。作用为将加工程序译码轨迹计算（速度计算）、插补计算、补偿计算，向各坐标的伺服驱动系统分配速度、位移命令。这一部分是数控机床的核心。

数控机床的组成

1）信息输入：程序、参数、数据等的输入通道。输入设备为穿孔纸带、磁带、磁盘、通讯接口由上位机输入，也可以在MDI方式下，用手动按键输入。2）数控装置：由CPU、存储器、总线、功能部件和相应软件组成的专用计算机。作用为将加工程序译码轨迹计算（速度计算）、插补计算、补偿计算，向各坐标的伺服驱动系统分配速度、位移命令。这一部分是数控机床的核心。

数控机床的组成

1）信息输入：程序、参数、数据等的输入通道。输入设备为穿孔纸带、磁带、磁盘、通讯接口由上位机输入，也可以在MDI方式下，用手动按键输入。2）数控装置：由CPU、存储器、总线、功能部件和相应软件组成的专用计算机。作用为将加工程序译码轨迹计算（速度计算）、插补计算、补偿计算，向各坐标的伺服驱动系统分配速度、位移命令。这一部分是数控机床的核心。

数控机床的组成

1）信息输入：程序、参数、数据等的输入通道。输入设备为穿孔纸带、磁带、磁盘、通讯接口由上位机输入，也可以在MDI方式下，用手动按键输入。2）数控装置：由CPU、存储器、总线、功能部件和相应软件组成的专用计算机。作用为将加工程序译码轨迹计算（速度计算）、插补计算、补偿计算，向各坐标的伺服驱动系统分配速度、位移命令。这一部分是数控机床的核心。

数控机床的组成

1）信息输入：程序、参数、数据等的输入通道。输入设备为穿孔纸带、磁带、磁盘、通讯接口由上位机输入，也可以在MDI方式下，用手动按键输入。2）数控装置：由CPU、存储器、总线、功能部件和相应软件组成的专用计算机。作用为将加工程序译码轨迹计算（速度计算）、插补计算、补偿计算，向各坐标的伺服驱动系统分配速度、位移命令。这一部分是数控机床的核心。

数控机床的组成

1）信息输入：程序、参数、数据等的输入通道。输入设备为穿孔纸带、磁带、磁盘、通讯接口由上位机输入，也可以在MDI方式下，用手动按键输入。2）数控装置：由CPU、存储器、总线、功能部件和相应软件组成的专用计算机。作用为将加工程序译码轨迹计算（速度计算）、插补计算、补偿计算，向各坐标的伺服驱动系统分配速度、位移命令。这一部分是数控机床的核心。

控制介质数控装置伺服系统

机床检测反馈装置控制介质数控装置伺服系统控制介质数控装置伺服系统控制介质数控装置伺服系统控制介质数控装置伺服系统控制介质数控装置伺服系统控制介质数控装置伺服系统控制介质数控装置伺服系统控制介质数控装置伺服系统数控机床的组成

1）信息输入：程序、参数、数据等的输入通道。输入设备为穿孔纸带、磁带、磁盘、通讯接口由上位机输入，也可以在MDI方式下，用手动按键输入。2）数控装置：由CPU、存储器、总线、功能部件和相应软件组成的专用计算机。作用为将加工程序译码轨迹计算（速度计算）、插补计算、补偿计算，向各坐标的伺服驱动系统分配速度、位移命令。这一部分是数控机床的核心。主要功能如下：

①多轴联动、多坐标控制。②多种函数插补：直线、圆弧、抛物线、螺旋线、样条等。③多种程序输入功能。④信息转换功能：EIA/ISO、公制/英制、绝对值/增量值、坐标变换等。⑤补偿功能：刀具长度补偿、刀具半径补偿、间隙、螺距误差补偿等。⑥多种加工方式选择。⑦故障自诊断功能。⑧显示功能：字符、轨迹、平面图形、三维动态图形。⑨通讯和联网功能。3）伺服驱动装置：接受数控装置来的指令，将信号进行调解、转换、放大后驱动伺服电机，带动机床执行部件运动。4）检测反馈装置：电流、速度、位置检测反馈装置。5）机床本体：主运动部件、进给运动部件、执行部件和基础部件。特点：①传动链短，结构简单。②刚度高、阻尼小、耐磨、热变形性宁好。③无机变速。④高效传动件：直线滚动导轨、滚珠丝杠螺母副等。⑤新结构：刀库机械手、自动主轴、动力刀架、交换工作台、高性能的排屑冷却防护机构等等。数控机床的分类按运动控制的特点分类按伺服系统的类型分类

按工艺方法分类按功能水平分类

高档中档低档

金属切削类数控机床金属成型类及特种加工类数控机床开环控制的数控机床闭环控制的数控机床半闭环控制的数控机床点位控制数控机床直线控制数控机床轮廓控制的数控机床开环数控系统的结构图1．开环控制数控机床数控机床的伺服系统分类闭环数控系统的结构图2．闭环控制数控机床

数控机床的伺服系统分类图1-10半闭环数控系统结构图3．半闭环控制数控机床数控机床的伺服系统分类中国数控机床发展水平及数字统计

2002年中国金属加工机床进口、出口贸易统计进口出口数量(千台)金额(百万$)与上年比较(%)数量(千台)金额(百万$)与上年比较(%)数量金额数量金额金属切削机床合计75.962074.724.2926.605506.58263.922.2213.85其中数控机床18.281453.738.3731.633.1034.641.16-3.242002年世界机床生产前十名

（百万美元）国家(地区)2002年2001年同比德国67377732-17%日本63799390-30%意大利37753794-5%中国3025262415%美国19132853-33%中国台湾1754163510%瑞士17162047-20%西班牙863886-8%韩国8338044%法国812814-5%国家(地区)2002年2001年同比中国5696474020%德国48155712-20%日本34415254-32%美国33255231-36%意大利29323080-10%韩国12231324-8%法国11651516-27%中国台湾9771118-10%西班牙819881-12%英国690897-26%2002年世界机床消费前十名

（百万美元）国家(地区)2002年2001年同比中国3151240631%美国23273411-32%德国19602269-14%意大利9571227-22%韩国790931-15%法国7811188-34%加拿大704739-5%中国台湾661845-22%英国612781-22%日本495660-25%2002年世界机床进口前十名

（百万美元）2002年世界机床出口前十名

（百万美元）国家(地区)2002年2001年同比德国38824288-14%日本34434797-26%意大利18011942-12%瑞士14761756-20%中国台湾143813638%美国9151034-11%英国514708-28%西班牙5014765%法国429486-16%比利时414564-30%数控加工与工艺技术的新发展随着计算机技术突飞猛进的发展，数控技术正不断采用计算机、控制理论等领域的最新技术成就，使其朝着高速化、高精化、复合化、智能化、高柔性化及信息网络化等方向发展。整体数控加工技术向着CIMS（计算机集成制造系统）方向发展。

高速切削

高速加工技术是自上个世纪80年代发展起来的一项高新技术，其研究应用的一个重要目标是缩短加工时的切削与非切削时间，对于复杂形状和难加工材料及高硬度材料减少加工工序，最大限度地实现产品的高精度和高质量。由于不同加工工艺和工件材料有不同的切削速度范围，因而很难就高速加工给出一个确切的定义。目前，一般的理解为切削速度达到普通加工切削速度的5～10倍即可认为是高速加工。TOSHIBA四轴高速加工镗铣床FIDIA五轴高速铣床

高速切削

高速加工与传统的数控加工方法相比没有什么本质的区别，两者牵涉到同样的工艺参数，但其加工效果相对于传统的数控加工有着无可比拟的优越性：简化了传统加工工艺；经济效益显著提高。有利于提高生产率；有利于改善工件的加工精度和表面质量；有利于延长刀具的使用寿命和应用直径较小的刀具；有利于加工薄壁零件和脆性材料；

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。主要表现在：数控机床主轴高转速工作台高快速移动和高进给速度

高速切削

目前，高速加工涉及到的新技术主要有：高速加工是通过大幅度提高主轴转速和加工进给速度来实现的，为了适应这种高速切削加工，主轴设计采用了先进的主轴轴承、润滑和散热等新技术；高速主轴

高速切削

五轴高速铣削头

高速切削

高速伺服进给系统高速加工通常要求在高主轴转速下，使用在很大范围内变化的高速进给。高速进给的需求已引起机床结构设计上的重大变化：采用直线伺服电机来代替传统的电机丝杠驱动；

高速切削

适于高速加工的数控系统高速加工数控系统需要具备更短的伺服周期和更高的分辨率，同时具有待加工轨迹监控功能和曲线插补功能，以保证在高速切削时，特别是在4-5轴坐标联动加工复杂曲面轮廓时仍具有良好的加工性能。

高速切削

刀具技术刀具性能和质量对高速切削加工具有重大影响，新型刀具材料的采用，使切削加工速度大大提高，从而提高了生产率，延长了刀具寿命。

高速切削

高速加工作为一种新的技术，其优点是显而易见的，它给传统的数控加工带来了一种革命性的变化，但是，目前既便是在加工机床水平先进的瑞士、德国、日本、美国，对这一崭新技术的研究也还处在不断的摸索研究中。有许多问题有待于解决：如高速机床的动态、热态特性；刀具材料、几何角度和耐用度问题；机床与刀具间的接口技术（刀具的公平衡、扭矩传输）；冷却润滑液的选择；CAD/CAM的程序后处理问题；高速加工时刀具轨迹的优化问题等等。国内在这一方面的研究采尚处于起步阶段，要赶上并尽快缩小与国外同行业间的差距，还有许多路要走。

高速切削

高精加工是高速加工技术与数控机床的广泛应用结果。以前汽车零件的加工精度要求在0.01mm数量级，现在随着计算机硬盘、高精度液压轴承等精密零件的增多，精整加工所需精度已提高到0.1μm，加工精度进入了亚微米世界。

高精加工提高机械设备的制造精度和装配精度减小数控系统的控制误差提高数控系统的分辨率以微小程序段实现连续进给使CNC控制单位精细化提高位置检测精度位置伺服系统采用前馈控制与非线性控制采用补偿技术齿隙补偿丝杆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高精加工机床的复合化加工是通过增加机床的功能，减少工件加工过程中的多次装夹、重新定位、对刀等辅助工艺时间，来提高机床利用率。复合化加工复合化加工的两重含义：一台装夹可完成多工种、多工序企业向复合型发展，为用户提供成套服务工序和工艺的集中工艺的成套即即复合化加工

数控技术智能化程度不断提高，体现在以下几个方面：控制智能化加工过程自适应控制技术加工参数的智能优化与选择故障自诊断功能智能化交流伺服驱动装置

智能CAD把工程数据库及其管理系统、知识库及其专家系统、拟人化用户接口管理系统集于一体。

控制智能化

智能制造技术包括专家系统、模糊推理和人工神经网络三大部分。控制智能化

网络功能正逐渐成为现代数控机床、数控系统的特征之一。诸如现代数控机床的远程故障诊断、远程状态监控、远程加工信息共享、远程操作（危险环境的加工）、远程培训等都是以网络功能为基础的。互联网络化美国波音公司利用数字文件作为制造载体，首次利用网络功能实现了无图纸制造波音777新型客机。