数控编程是从零件图纸到获得数控加工程序的全过程。它的主要任务是计算加工走刀中的刀位点（cutter location
point简称CL点）。刀位点一般取为刀具轴线与刀具表面的交点，多轴加工中还要给出刀轴矢量。
数控加工技术的发展历程
点击: 364, 文章入库日期: 2008-08-11 17:57:41, 来源: https://www.doczj.com/doc/6c17691564.html,
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1．数控加工技术的发展历程
1949年美国Parson公司与麻省理工学院开始合作，历时三年研制出能进行三轴控制的数控铣床样机，取名“Numerical Control”。
1953年麻省理工学院开发出只需确定零件轮廓、指定切削路线，即可生成NC程序的自动编程语言。
1959年美国Keaney&Trecker公司开发成功了带刀库，能自动进行刀具交换，一次装夹中即能进行铣、钻、镗、攻丝等多种加工功能的数控机床，这就是数控机床的新种类——加工中心。
1968年英国首次将多台数控机床、无人化搬运小车和自动仓库在计算机控制下连接成自动加工系统，这就是柔性制造系统FMS。
1974年微处理器开始用于机床的数控系统中，从此CNC(计算机数控系统)软线数控技术随着计算机技术的发展得以快速发展。
1976年美国Lockhead公司开始使用图像编程。利用CAD(计算机辅助设计)绘出加工零件的模型，在显示器上“指点”被加工的部位，输入所需的工艺参数，即可由计算机自动计算刀具路径，模拟加工状态，获得NC程序。
DNC(直接数控)技术始于20世纪60年代末期。它是使用一台通用计算机，直接控制和管理一群数控机床及数控加工中心，进行多品种、多工序的自动加工。DNC群控技术是
FMS柔性制造技术的基础，现代数控机床上的DNC接口就是机床数控装置与通用计算机之间进行数据传送及通讯控制用的，也是数控机床之间实现通讯用的接口。随着DNC数控技术的发展，数控机床已成为无人控制工厂的基本组成单元。
20世纪90年代，出现了包括市场预测、生产决策、产品设计与制造和销售等全过程均由计算机集成管理和控制的计算机集成制造系统CIMS。其中，数控是其基本控制单元。
20世纪90年代，基于PC-NC的智能数控系统开始得到发展，它打破了原数控厂家各自为政的封闭式专用系统结构模式，提供开放式基础，使升级换代变得非常容易。充分利用现有PC机的软硬件资源，使远程控制、远程检测诊断能够得以实现。
我国虽然早在1958年就开始研制数控机床，但由于历史原因，一直没有取得实质性成果。20世纪70年代初期，曾掀起研制数控机床的热潮，但当时是采用分立元件，性
能不稳定，可靠性差。1980年北京机床研究所引进日本FANUC5、7、3、6数控系统，上海机床研究所引进美国GE公司的MTC－1数控系统，辽宁精密仪器厂引进美国Bendix公司的Dynapth LTD10数控系统。在引进、消化、吸收国外先进技术的基础上，北京机床研究所又开发出BS03经济型数控和BS04全功能数控系统，航天部706所研制出MNC864数控系统。“八五”期间国家又组织近百个单位进行以发展自主版权为目标的“数控技术攻关”，从而为数控技术产业化建立了基础。20世纪90年代末，华中数控自主开发出基于PC-NC的HNC数控系统，达到了国际先进水平，加大了我国数控机床在国际上的竞争力度。
据1997年不完全统计，全国共拥有数控机床12万台。目前，我国数控机床生产企业有100多家，年产量增加到1万多台，品种满足率达80%，并在有些企业实施了FMS和CIMS工程，数控机床及其加工技术进入了实用阶段。
2．数控加工技术的发展方向
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。
高主轴转速可减少切削力，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低，排屑加快，热变形减小，加工精度和表面质量得到显著改善。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，一般是通过减少数控系统误差，提高数控机床基础大件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0.1 μm，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0.01 μm)
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，正努力向单元柔性和系统柔性化发展。
数控系统在21世纪将具有最大限度的柔性，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，视需要系统的组成可大可小；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。
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
实现多种通讯协议，既满足单机需要，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，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，可便于形成“全球制造”。
6) 智能化
21世纪的CNC系统将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，可使用自然语言编程；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
（一）对位置检测装置的要求
闭环伺服系统和半闭环伺服系统均装有位置检测装置，常用的有旋转变压器、光栅、感应同步器、编码盘等。位置检测装置的主要作用是检测位移量，并将检测的反馈信号和数控装置发出的指令信号相比较，若有偏差，经放大后控制执行部件，使其向着消除偏差的方向运动，直到偏差为零。
数控机床对位置检测装置的要求如下：
（1）工作可靠，抗干扰性强
（2）满足精度和速度的要求
（3）便于安装和维护
（4）成本低、寿命长。
（二）常用的位置检测装置
1．旋转变压器
（1）旋转变压器的结构和工作原理
它是一种电磁式传感器，又称同步分解器。它是一种测量角度用的小型交流电动机，由定子和转子组成。其中定子绕组作为变压器的原边，接受励磁电压，励磁频率通常用400、500、3000及5000Hz等。转子绕组作为变压器的副边，通过电磁耦合得到感应电压。旋转变压器的工作原理和普通变压器基本相似，区别在于普通变压器的原边、副边绕组是相对固定的，所以输出电压和输入电压之比是常数，而旋转变压器的原边、副边绕组则随转子的角位移发生相对位置的改变，因而其输出电压的大小随转子角位移而发生变化。
旋转变压器一般有两极绕组和四极绕组两种结构形式。两极绕组旋转变压器的定子和转子各有一对磁极，四极绕组则各有两对磁极，主要用于高精度的检测系统。除此之外，还有多极式旋转变压器，用于高精度绝对式检测系统。
（2）旋转变压器的应用
由于旋转变压器具有结构简单、动作灵敏、工作可靠、对环境条件要求低、输出信号幅度大、抗干扰能力强和测量精度一般等特点，所以在连续控制系统中得到普遍应用，一般用于精度要求不高的数控机床上。
2．感应同步器
感应同步器也是一种非接触电磁式测量装置，它可以测量角位移或直线位移。
感应同
步器的特点是：感应同步器有许多极，其输出电压是许多极感应电压的平均值，因此检测装置本身微小的制造误差由于取平均值而得到补偿，其测量精度较高；测量距离长，感应同步器可以采用拼接的方法，增大测量尺寸；对环境的适应性较强，因其利用电磁感应原理产生信号，所以抗油、水和灰尘的能力较强；结构简单，使用寿命长且维护简单。
（1）感应同步器的结构和工作原理
感应同步器是由旋转变压器演变而来，即相当于一个展开的旋转变压器，它是利用两个保持均匀气隙的平面形印制电路绕组的互感，随着它们的位置变化而变化的原理进行工作的。感应同步器测量装置分为直线式和旋转式两种。
直线式感应同步器由定尺和滑尺两部分组成，如图2-21所示。定尺上制有单向的均匀感应绕组，尺长一般为250mm，绕组节距（两个单元绕组之间的距离）为2τ（通常为2mm）。滑尺上有两组励磁绕组，一组是正弦绕组，另一组是余弦绕组，两绕组节距与定尺绕组节距相同，并且相互错开1/4节距。当正弦绕组和定尺绕组对准时，余弦绕组和定尺绕组相差τ/2的距离（即1/4节距），一个节距相当于旋转变压器的一转（即360o），这样两励磁绕组的相位差为90°。
感应同步器的定尺和滑尺是通过定尺尺座和滑尺尺座分别安装在机床上两个相对移动的部件上（如工作台和床身），两者平行放置，保持0.15～0.35mm的气隙，并在测量全程范围内气隙的允许变化量为±0.05mm。
当给滑尺的正弦、余弦绕组加上交流励磁电压时，则在滑尺绕组中产生励磁电流，绕组周围产生按正弦规律变化的磁场，由于电磁感应的原因，则在定尺绕组上产生感应电压。当滑尺与定尺之间产生相对位移时，由于电磁耦合的变化，使定尺绕组上的感应电压随滑尺的位移变化而变化。
图2-22表示了定尺绕组感应电压与定尺、滑尺之间相对位置的关系。如果滑尺处于A点位置，即滑尺绕组与定尺绕组完全重合，定尺绕组中穿入的磁通最多，此时为最大耦合，则定尺绕组上感应电压为最大。随着滑尺相对定尺向右作平行移动，穿入定尺绕组中的磁通逐渐减少，感应电压慢慢减小；当滑尺相对定尺刚好右移1/4节距时（即表中B点），定尺绕组中穿入穿出的磁通相等，则感应电压为0；当滑尺继续向右移动至1/2节距位置（即表中C点），定尺绕组中穿出的磁通最多，而穿入的磁通为零，此时定尺绕组中的感应电压达到与A点位置极性相反的最大感应电压，即最大负值电压。滑尺再右移至3/4节距位置时（即表中D点），感应电压又变为0。当滑尺移动至一个节距时（即表中E点），又恢复
为初始状态（即与A点位置完全相同），此时定尺绕组上感应电压为最大。这样，滑尺在移动一个节距的过程中，定尺绕组感应电压的幅值变化规律就是一个周期性的余弦曲线。
（2）感应同步器的工作方式
根据滑尺励磁绕组供电方式的不同，感应同步器的工作状态可分为相位工作方式和幅值工作方式两种情况。
3．光栅
光栅是用于数控机床的精密检测装置，是一种非接触式测量。它是利用光学原理进行工作，按形状可分为圆光栅和长光栅。圆光栅用于角位移的检测，长光栅用于直线位移的检测。
光栅是利用光的透射、衍射现象制成的光电检测元件，它主要由光栅尺（包括标尺光栅和指示光栅）和光栅读数头两部分组成。
光栅尺是用真空镀膜的方法光刻上均匀密集线纹的透明玻璃片或长条形金属镜面。对于长光栅，这些线纹相互平行，各线纹之间的距离相等，称此距离为栅距。对于圆光栅，这些线纹是等栅距角的向心条纹。栅距和栅距角是决定光栅光学性质的基本参数。常见的长光栅的线纹密度为25，50，100，250条/mm。对于圆光栅，若直径为70mm，一周内刻线100～768条；若直径为110mm，一周内刻线达600～1024条，甚至更高。同一个光栅元件，其标尺光栅和指示光栅的线纹密度必须相同。
光栅读数头由光源、透镜、指示光栅、光敏元件和驱动线路组成，如图2-23所示。读数头的光源一般采用白炽灯泡。白炽灯泡发出的辐射光线，经过透镜后变成平行光束，照射在光栅尺上。光敏元件是一种将光强信号转换为电信号的光电转换元件，它接收透过光栅尺的光强信号，并将其转换成与之成比例的电压信号。由于光敏元件产生的电压信号一般比较微弱，在长距离传递时很容易被各种干扰信号所淹没、覆盖，造成传送失真。为了保证光敏元件输出的信号在传送中不失真，应首先将该电压信号进行功率和电压放大，然后再进行传送。驱动线路就是实现对光敏元件输出信号进行功率和电压放大的线路。
由于玻璃光栅容易受外界气温的影响，灰尘、切屑、油、水等污物浸入，使光学系统受到污染。所以光栅系统的安装、维护保养都很重要。当光栅受污后，必须及时清洗。
常见光栅的工作原理是根据物理上莫尔条纹的形成原理进行工作的，这里不再详述。
光栅具有如下特点：
（1）响应速度快、量程宽、测量精度高。测直线位移，精度可达0.5～3μm（300mm范围内），分辨率可达0.1μm；测角位移，精度可达0.15″，分辨率可达0.1″，甚至更高。
（2）可实现动态测量，易于实现测量及数据处理的自动化。
（3）具有较强的抗干扰能力。
（4）怕振动、怕油污，高精度光栅的制作成本高。
4．磁栅
磁栅是一种采用电磁方法记录磁波数目的位置检测装置，其录磁和拾磁原理与普通磁带相似。在检磁过程中，磁头读取磁性标尺上的磁化信号并把它转换成电信号，然后通过检测电路将磁头相对于磁性标尺的位置送入计算机或数显装置。
磁栅按磁性标尺基体的形状可分为平面实体型磁栅、带状磁栅、线状磁栅和圆型磁栅，前三种用于直线位移测量，后一种用于角位移测量。
如图2-24所示为磁栅结构框图，它由磁性标尺、拾磁磁头和检测电路组成。
（1）磁性标尺 它常采用不导磁材料做基体，在上面镀上一层10－30μm厚的高导磁材料，形成均匀磁膜；再用录磁磁头在尺上记录相等节距的周期性磁化信号，用以作为测量基准，信号可为正弦波、方波等，节距通常为0.05、0.1、0.2μm、1mm等几种；最后在磁尺表面还要涂上一层1—2μm厚的保护层，以防磁头与磁尺频繁接触而形成磁膜磨损。
（2）拾磁磁头 它是一种磁电转换器，用来把磁尺上的磁化信号检测出来变成电信号送给检测电路。拾磁磁头可分为动态磁头与静态磁头。
动态磁头又称为速度响应型磁头，它只有一组输出绕组，所以只有当磁头和磁尺有一定相对速度时才能读取磁化信号，并有电压信号输出。这种磁头用于录音机、磁带机的拾磁磁头，不能用来测量位移。
由于用于位置检测用的磁栅要求当磁尺与磁头相对运动速度很低或处于静止时亦能测量位移或位置，所以应采用静态磁头。静态磁头又称磁通响应型磁头，它在普通动态磁头上加有带励磁线圈的可饱和铁芯，从而利用了可饱和铁芯的磁性调制的原理。静态磁头可分为单磁头、双磁头和多磁头。
磁栅与光栅相比，测量精度略低一些，但它有如下特点：
（1）制作简单，安装、调整方便，成本低。磁栅上的磁化信号录制完，若发现不符合要求，可抹去重录。亦可安装在机床上再录磁，避免安装误差。
（2）磁尺的长度可任意选择，亦可录制任意节距的磁信号。
（3）耐油污、灰尘等，对使用环境要求较低。
（4）但反应速度受到限制；因磁头与磁尺有接触的相对运动产生磨损，对磁栅的使用寿命产生影响。