数控加工的基本概念

1.1 数控加工的基本概念

数控加工是20世纪40年代后期发展起来的一种自动化加工技术，它综合了计算机、自动控制、电机、电气传动、测量、监控和机械制造等学科的内容。目前在制造业中数控加工已得到了广泛应用，并在制造业中已开始占据主导地位。

数控机床是数控加工的执行单元，它是数字控制机床（Numerically Controlled Machine Tool）的简称，是为了满足单件、小批、多品种自动化生产的需要而研制的一种灵活的、通用的、能够适应产品频繁变化的、以数字化控制为基本特征的柔性自动化机床，具有适应性强、加工精度高、加工质量稳定和生产效率高的优点。

1.1.1 数控与 数控机床

数控（Numerical Control，NC）是以数字化信号对机床运动及加工过程进行控制的一种方法。数控机床是指应用数控技术对加工过程进行控制的机床。数控机床是一种高效的自动化加工设备，它严格按照加工程序，可以自动地对被加工工件进行加工。从数控系统外部输入的直接用于加工的程序称为数控加工程序（简称为数控程序），它是机床数控系统的应用软件。与数控系统应用软件相对应的是数控系统内部的系统软件，系统软件是用于数控系统工作控制的。本书主要介绍数控程序的编制。

1．数控机床的组成与工作原理

数控机床一般包括3个基本组成部分：控制系统、伺服系统及机床主体（如图1.1所示）。控制系统是数控机床的核心，主要作用是对输入的零件加工程序进行数字运算和逻辑运算，然后向伺服系统发出控制信号。控制系统是一种专用的计算机，它由硬件和软件组成，有些数控机床的控制系统就是将PC机配以控制系统软件而构成的。

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图1.1 数控机床的基本组成

伺服系统的主要作用是根据控制系统发出的控制信号驱动执行元件运动。伺服系统由驱动装置和执行元件组成，其中常用的执行元件有步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机3种。

机床主体是加工运动的实际部件，包括主运动部件、进给运动部件（如工作台、刀架）和支撑部件（如床身、立柱）等。有些数控机床还配备了特殊的部件，如刀库、自动换刀装置和托盘自动交换装置等。数控机床本体结构与传统机床相比有很大的变化，普遍采用了滚珠丝杠、滚动导轨，传动效率更高。由于减少了齿轮的使用数量，使传动系统更为简单。

大多数数控机床还具有位置检测装置，用于检测实际的位移量。伺服系统中的位移比较环节就是对控制位移量与实际位移量进行比较，根据比较的差值，调整控制信号，适时控制机床的运动位置。

2．数控机床的分类

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数控机床的分类方法有多种，如果从数控机床应用的角度分类，可分为数控车床、数控铣床、多轴数控铣床和加工中心等。

（1）数控车床。数控车床的机床本体与普通车床在结构布局上相差不大（如图1.2所示）。在普通车床上能够完成的加工内容都可以在数控车床上完成，另外由于具有数控系统和伺服系统，数控车床还能加工各种复杂的回转成形面。

（2）数控铣床。典型的立式数控铣床如图1.3所示。其中主轴带动刀具旋转，且主轴箱可上下移动（Z轴），工作台可沿横向和纵向移动（X、Y轴）。二轴联动的数控铣床可以加工复杂的内外型轮廓和简单的型腔；具有复杂曲面的零件可以在三轴联动的数控铣床上加工。

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图1.3 典型的立式数控铣床结构

（3）多轴数控铣床。如果使数控铣床的工作台和主轴箱实现围绕X、Y、Z坐标轴旋转的运动（分别为A、B、C轴），则就成了多轴（四、五坐标联动）数控铣床。如图l.4所示的A向和B向的转动进给就构成了五轴数控铣床，它可以加工更为复杂的空间曲面。

（4）加工中心。如果给数控铣床配上刀库和自动换刀装置就构成了加工中心，如图1.5所示为立式加工中心。加工中心的刀库可以存放数十把工具，由自动换刀装置进行调用和更换。工件在加工中心上的一次装夹可完成多项加工内容，生产效率与数控铣床相比大大提高。有些高端加工中心，不仅具有回转刀库，还具有交换托盘，当一个工件正在加工时，可以在交换托盘内装夹下一个工件。当前一个工件加工完毕，下一个将要加工的工件会自动移动到工作台上，从而节约了由于工件装夹而用机床的时间，提高了机床的有效加工时间。

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图1.4 典型的多轴数控铣床结构图1.5 立式加工中心的结构

1.1.2 插补原理与控制系统

1．插补原理

无论是简单的零件形状（由直线、圆弧等构成）还是包含复杂的曲线、曲面的零件，都需要在给定的误差范围内离散成直线、圆弧等，才能实现数控加工。在数控机床上加工直线或圆弧等，实际上是数控装置根据有关的信息指令进行的“数据密化”工作。例如加工如图1.6所示的一段圆弧，已知条件仅是该圆弧的起点A和终点B的坐标以及圆心O的坐标和半径R，如果要把该圆弧光滑地描绘出来，就必须在预定的插补误差范围内将圆弧段AB之间各点的坐标计算出来，再把这些点填补到A、B之间，这种“数据密化”工作就是插补，计算插补点的运算称为插补运算，实现插补运算的装置称为插补器。

由于数控装置具有插补运算的功能，所以只需记录有限的信息指令，如加工直线只需记录直线的起点和终点的坐标信息；加工圆弧只需记录圆弧半径、起点和终点坐标、顺时针和逆时针加工等信息，数控装置就能利用控制介质上的这些有限的信息指令进行插补运算，将直线和圆弧的各插补点坐标计算出来，并根据脉冲当量换算成脉冲数，然后发送相应的脉冲信号，通过伺服机构控制并加工出直线和圆弧。

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在数控系统中，常用的插补方法有逐点比较法、数字积分法、时间分割法等。现将数控系统中用得最多的方法——逐点比较法的插补过程和直线圆弧插补运算方法简介如下。

逐点比较法的插补原理可概括为“逐点比较，步步逼近”，分为以下4个步骤：

（1）偏差判别：根据偏差值判断刀具当前位置与理想线段的相对位置，以确定下一步的走向。

（2）坐标进给：根据判别结果，使刀具向X或Y方向移动一步。

（3）偏差计算：当刀具移到新位置时，再计算与理想线段间的偏差以确定下一步的走向。

（4）终点判别：判断刀具是否到达终点。未到终点，则继续进行插补。若已达终点，则插补结束。

图1.7是应用逐点比较法插补原理进行直线插补的情形。机床在某一程序中要加工一条与X轴夹角为a的OA直线，在数控机床上加工时，刀具的运动轨迹并不是严格地走OA直线，而是一步一步地走阶梯折线，折线与直线的最大偏差不超过插补精度允许的范围，因此这些折线可以近似地认为是OA直线。当加工点在OA直线上方或在OA直线上，该点的偏差值图片.png ，若在OA直线的下方，则偏差值，机床数控装置的逻辑功能，就是能够根据偏差值自动判别走步。当时朝+X方向进给一步，当时，朝+Y方向进给一步，每走一步自动比较一下，边判别边走刀，刀具依次以折线O-1-2-3-4……A逼近OA直线。就这样，从O点起逐点插补进给一直加工到A点为止，这种具有沿平滑直线分配脉冲的功能称为直线插补，实现这种插补运算的装置称为直线插补器。数控机床中，相对于每一个脉冲信号，机床移动部件产生的位移量称为脉冲当量。在插补运算中，进给一步的移动量即一个脉冲当量，它是机床移动的最小移动量。有一些数控系统直接用脉冲当量数作为坐标计算单位。例如，当脉冲当量是0.001mm/脉冲时，要求向X轴正方向移动7.75mm，向Y方向移动14.89mm，用X7750Y14890表示。

应用逐点比较法插补原理进行圆弧插补的情形如图1.8所示。机床在某一程序中要加工半径为R的AB圆弧，在数控机床上加工时，刀具的运动轨迹也是一步一步地走阶梯折线，折线与圆弧的最大偏差不超过插补精度允许的范围，因此这些折线可以近似地认为是AB圆弧。当加工点在AB圆弧外侧或在AB圆弧上，偏差值（该点到原点O的距离与半径R的比值）图片.png ；若该点在圆弧的内侧即偏差值。加工时，当时，朝-X方向进给一步；当时，朝+Y方向进给一步，刀具沿折线A-1-2-3-4……B依次逼近圆弧，从起点A逐点穿插进给一直加工到B点为止。这种沿圆弧分配脉冲的功能称为圆弧插补，实现这种插补运算的装置称为圆弧插补器。

一般的数控装置都具有直线和圆弧插补功能，一些高档的数控系统还具有样条和NURBS插补功能，样条和NURBS插补特别适应高速数控加工。

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图1.7 直线插补图1.8 圆弧插补

2．控制系统

随着电子技术的发展，数控（Numerical Control，NC）系统有了较大的发展，从硬件数控发展成计算机数控（Computer Numerical Control，CNC）。CNC与NC系统的主要区别在于：CNC机床采用专用的或通用的计算机控制，系统软件安装于内存中，只要改变计算机的控制软件，就能实现一种新的控制方式。

计算机数控系统（CNC）是采用计算机元件与结构，并配备必要的输入/输出部件构成的。采用控制软件来实现加工程序存储、译码、插补运算、辅助动作逻辑联锁以及其他复杂功能。

完整的CNC系统分为PC部分与NC部分。PC部分称为可编程控制器，它主要接收程序中辅助功能指令或操作控制面板的操作指令，控制各种辅助动作及其联锁等，并显示各种控制信号状态。NC部分称为数控部分，是CNC系统的核心，主要控制机床主运动和进给运动，它又可分为计算机部分、位置控制部分和数据输入/输出接口及外部设备等。

与通用计算机一样，NC的计算机部分由中央处理器（CPU）及存储数据与程序的存储器等组成。存储器分为系统控制软件存储器（ROM）、加工程序存储器及工作区存储器（RAM）。ROM中的系统控制软件程序是由数控系统生产厂家写入的，用来完成CNC系统的各项功能。数控机床操作者将各自的加工程序存储在RAM中，以供数控系统用来控制机床加工工件。工作区存储器是系统程序执行过程中的活动场所，用于堆栈、参数保存、中间运算结果保存等。CPU执行系统程序，读取加工程序，经过加工程序段译码、预处理计算，然后根据加工程序段指令，进行实时插补与机床位置伺服控制，同时将辅助动作指令通过计算机送往机床，并接受通过计算机返回机床的各部分信息，以确定下一步操作。

位置控制部分有两种，一种是进给位置控制，另一种是主轴位置伺服控制。两者均由位置控制单元、速度控制单元和进给或主轴伺服电动机组成。主轴位置伺服只用于主轴多点定向和螺纹切削。在一般切削时不需要位置控制，仅用速度控制就可以了。

数据输入/输出接口和外部设备用来实现数控系统与操作者之间的信息交换。操作者通过光电阅读器、磁盘驱动器、手动数据输入装置（键盘）、DNC（Direct Numerical Control，直接数字控制）以及以太网等将加工程序等输入数控系统，并通过显示器（CRT）显示已输入的加工程序以及其他信息，也可以将存储在数控系统的、经过修改并经实际加工检验的加工程序复制在磁盘或穿孔纸带上。

数控系统是数控技术的关键。目前，数控系统正在发生根本性变革。在集成化方面，数控系统实现了超薄型、超小型化；在智能化方面，综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多种学科技术，实现了高速、高精度、高效控制，加工过程中可以自动修正、调节和补偿各种参数以及在线诊断和智能化故障处理；在网络化方面，CAD/CAM与数控系统集成一体，机床联网，实现了中央集中控制的群控加工。

1.1.3 数控加工的特点

所谓数控加工就是用数控机床按照程序指令加工零件的方法，是伴随数控机床的产生、发展而逐步完善起来的一种应用技术，数控加工的主要内容包括：

在数控机床加工前，首先考虑操作内容和动作，如工步的划分和顺序、走刀路线、位移量和切削参数等，按规定的代码形式编排程序，再将程序输入到数控机床的数控系统中，使数控机床按所编程序运动，从而自动加工出所要求的零件轮廓。

数控加工与普通机床加工相比具有以下特点：

³ 加工的零件精度高、一致性好。数控机床在整体设计中考虑了整机刚度和零件的制造精度，又采用高精度的滚珠丝杠传动副，机床的定位精度和重复定位精度都很高。特别是有的数控机床具有加工过程自动监测和误差补偿等功能，因而能可靠地保证加工精度和尺寸的稳定性。同时由于数控加工消除了操作者的主观误差，从而保证了零件加工的一致性，确保加工质量的稳定。

³ 生产效率高。数控加工零件的装夹次数较少，一次装夹可加工出很多表面，省去了画线找正和检测等许多中间环节。据统计，普通机床的净切削时间一般占总切削时间的15%～20%，而数控机床可达65%～70%，可实现自动换刀的带刀库数控机床甚至可达75%～80%，加工复杂工件时，效率可提高5～10倍。有交换托盘的数控机床，几乎可以实现“零时间”装夹。

³ 特别适合加工复杂的轮廓表面。如在航空、汽车等行业普遍存在的复杂自由曲面等。

³ 数控机床是柔性制造系统的基础单元，有利于实现计算机辅助制造。目前在制造业领域中，CAD/CAM已经被广泛应用，数控机床及其加工技术正是计算机辅助制造系统的基础。数控机床是柔性制造系统（Flexible Manufacturing System）的基础单元，它使用数字信息，可以方便地与计算机辅助设计系统以及其他流水线、自动控制系统联结，构成柔性制造系统。

³ 初始投资大，加工成本高。数控机床的价格一般是普通机床的若干倍，机床备件的价格也高；另外加工首件需要进行编程、调试程序和试加工，时间较长，从而使零件的加工成本高于普通机床。