第5章-数控技术基础

数控技术基础数字控制（ＮｕｍｅｒｉｃａｌＣｏｎｔｒｏｌ）技术，简称数控技术，是一种自动控制技术，它利用数字化的信息对机床运动及加工过程进行控制。

采用数控技术的控制系统称为数控系统。

采用通用计算机硬件结构，利用控制软件来实现数控功能的数控系统称为计算机数控（ＣｏｍｐｕｔｅｒＮｕｍｅｒｉｃａｌＣｏｎｔｒｏｌ）系统。

数控系统包括：数控装置、可编程控制器、主轴驱动及进给装置等部分。

用数控技术实现加工控制的机床，或者说装备了数控系统的机床称为数控（ＮＣ）机床。

５．１机床数控技术的基本概念５．１．１数控机床的组成数控机床是根据存储的工作程序，由数控装置控制设备的执行机构完成生产过程的。

数控机床由控制介质、输入装置、数控装置、伺服系统和机床等部分组成，如图５．１．１所示。

１．控制介质要对数控机床进行控制，就必须在人与机床之间建立某种联系，这种联系的媒介物即称为控制介质。

把零件加工程序存储在一种介质上，如穿孔纸带、录音磁带、软磁盘或硬盘等，通过数控机床的输入装置，将程序信息输入到数控装置内。

２．输入装置输入装置的作用是将程序载体内有关加工的程序输入数控装置。

根据程序载体的不同，输入装置可以是光电阅读机、录音机或软盘驱动器等。

现代数控机床可以不用任何程序载体，将零件加工程序通过数控装置上的键盘，用手工方式（ＭＤＩ）输入，或将存储在计算机硬盘上的加工程序用通信方式传送到数控装置。

３．数控装置数控装置是数控设备的控制核心。

初期的数控装置是由各种记忆元件、逻辑元件等组成的分立元件逻辑电路，采用固定接线的硬件结构，系统由硬件接收、处理信息。

随着科学技术的发展，数控装置开始采用微处理器和小型计算机，并由软件来实现部分或全部的数控功能，因而称其为计算机数控装置。

４．伺服系统伺服系统包括伺服控制线路、功率放大线路、伺服电机等执行装置，如图５．１．２所示。

它接收数控装置送来的各种动作命令，驱动数控机床进给传动系统运动。

它的伺服精度和动态响应是影响数控机床加工精度、表面质量和生产率的重要因素之一。

５．机床机床主要包括：主传动系统、进给传动系统以及辅助装置。

对于加工中心，还有存放刀具的刀库、自动换刀装置（ＡＴＣ）和自动托盘交换装置等。

５．１．２数控机床的工作原理数控机床在加工零件时，首先应编制零件的数控程序（数控机床的工作指令），然后将数控程序输入到数控装置，再由数控装置控制机床主运动的变速、起停、进给运动方向、速度和位移的大小，以及其他诸如刀具选择交换、工件夹紧松开、路程和参数进行工作，从而加工出形状、尺寸与精度符合要求的零件。

数控机床的工作原理如图５．１．３所示。

５．１．３数控机床的分类１．按工艺用途分类（１）普通数控机床普通数控机床有车、铣、钻、镗、磨床等。

这类机床的工艺性能和通用机床相似，但它能加工具有复杂形状的零件。

普通数控车床如图５．１．４所示。

（２）加工中心机床这种数控机床是在普通数控机床上加装一个刀库和自动换刀装置。

工件经一次装夹后，数控系统自动更换刀具，连续地对工件各加工面进行铣、车、镗、钻、铰及攻螺纹等多工序的加工。

立式铣削加工中心如图５．１．５所示。

（３）多坐标数控机床多坐标数控机床能加工某些形状复杂的零件，如螺旋桨、飞机机翼曲面等。

它的特点是数控系统控制的轴数较多，机床结构复杂，坐标轴数多少通常取决于加工零件的复杂程度和工艺要求。

现在常用的有四、五、六坐标的数控机床，五坐标的数控机床如图５．１．６所示。

（４）数控特种加工机床如数控线切割机床、数控电火花成形机床、数控激光切割机床等。

数控线切割机床如图５．１．７所示。

２．按运动方式分类（１）点位控制数控机床数控系统控制刀具或机床工作台以适当速度，沿着平行于某一坐标轴方向或与坐标轴成４５°的斜线进行加工，但不能沿任意斜率的直线进行加工。

这类数控机床主要有数控钻床、数控坐标镗床、数控冲剪床等。

（２）轮廓控制数控机床数控系统能对两个或两个以上运动坐标的位移及速度进行连续地相关控制，使合成的平面或空间运动轨迹能满足轮廓曲线和曲面加工的要求。

由于需要精确地同时控制两个或更多的坐标运动，数据处理的速度比点位控制系统可能高出１０００倍，所以机床的计算机要求具有较高速度的数学运算和信息处理能力。

这类数控机床主要有数控铣床、数控车床等。

３．按伺服系统的控制方式分类（１）开环控制系统数控机床开环控制系统数控机床通常不带位置检测元件，而是使用功率步进电机作为执行元件。

数控装置每发出一个指令脉冲，经驱动电路功率放大后，就驱动步进电机旋转一个角度，再由传动机构带动工作台移动。

（２）闭环控制系统数控机床闭环控制系统数控机床是按闭环控制原理工作的。

数控装置将位移指令与位置检测元件测得的工作台实际位置反馈信号随时进行比较，根据其差值及指令进给速度的要求，按一定的规律进行转换后，得到伺服系统的进给速度指令。

此外，还利用与伺服电机同轴刚性连接的测速元器件，随时实测驱动电动机的转速，得到速度反馈信号，将它与速度指令信号相比较，得到速度误差信号，对驱动电动机的转速随时进行校正。

利用上述的位置控制和速度控制的两个回路，可以获得比开环伺服系统精度更高、速度更快、驱动功率更大的特性指标。

（３）半闭环控制系统的数控机床如果将位置检测元件安装在伺服电机的端部，或安装在传动丝杠端部，间接测量执行部件的实际位置或位移量，就是半闭环控制系统。

它可以获得比开环控制系统更高的精度，但它的位移精度比闭环控制系统要低。

由于位置检测元件安装方便、调试容易，现在大多数数控机床都采用半闭环控制系统。

４．按数控装置功能水平分类（１）低档数控机床这类数控机床大多采用开环控制系统，其功能简单、价格便宜，适用于自动化程度要求不高的场合。

（２）中档数控机床这类数控机床功能较全、价格适中、应用较广。

（３）高档型数控机床这类数控机床功能齐全、价格较贵，主要用于加工复杂零件的大中型机床及柔性制造系统、计算机集成制造系统中。

５．１．４数控机床的特点与其他加工设备相比，数控机床具有如下特点：１．加工零件的适应性强，灵活性好数控机床能完成很多普通机床难以胜任，或者根本不可能加工出来的复杂型面的零件。

这是由于数控机床具有多坐标轴联动功能，并可按零件加工的要求变换加工程序。

因此，数控机床首先在航空航天等领域获得应用，在复杂曲面的模具加工、螺旋桨及涡轮叶片的加工中，也得到了广泛的应用。

２．加工精度高，产品质量稳定由于数控机床按照预定的程序自动加工，不受人为因素的影响，其加工精度由机床来保证，还可利用软件来校正和补偿误差。

因此，能获得比机床本身精度还要高的加工精度及重复精度。

３．生产率高数控机床的生产率较普通机床的生产率高２～３倍。

尤其是某些复杂零件的加工，生产率可提高十几倍甚至几十倍。

这是因为数控机床加工能合理选用切削用量，机加工时间短。

又由于其定位精度高，停机检测次数减少，加工准备时间也因采用通用工夹具而大大缩短。

４．减少工人劳动强度数控机床主要是自动加工，能自动换刀、起停切削液、自动变速等，其大部分操作不需人工完成，因而改善了劳动条件。

由于操作失误减少，也降低了废品、次品率。

５．生产管理水平提高图５．１．８数控机床的适用范围在数控机床上加工，能准确地计算零件加工时间，加强了零件的计时性，便于实现生产计划调度，简化和减少了检验、工夹具准备、半成品调度等管理工作。

数控机床具有的通信接口，可实现计算机之间的联接，组成工业局部网络，采用制造自动化协议（ＭＡＰ）规范，实现生产过程的计算机管理与控制。

５．１．５数控机床的适用范围在机械加工中，大批量零件的生产宜采用专用机床或自动生产线。

对于小批量产品的生产由于生产过程中产品品种的变换频繁、批量小、加工方法的区别大，宜采用数控机床。

数控机床的适用范围如图５．１．８所示。

图５．１．８所示为随零件复杂程度和零件批量的变化，通用机床、普通机床和数控机床的运用情况。

当零件不太复杂，生产批量较小时，宜采用通用机床；当生产批量较大时，宜采用专用机床；而当零件复杂程度较高时，宜采用数控机床。

５．２数控机床程序编制数控机床是由计算机控制的，而计算机又必须通过程序控制机床。

零件加工程序是控制机床运动的源程序，它提供编程零件加工时机床各种运动和操作的全部信息。

主要有加工工序各坐标的运动行程、速度、联动状态、主轴的转速和转向、刀具的更换、切削液的打开和关断以及排屑等。

数控机床程序编制的方法有两种：即手工编程和自动编程。

５．２．１数控机床程序编制的内容和步骤数控机床编程的主要内容有：分析零件图样、确定加工工艺过程、进行数学处理、编写程序清单、制作控制介质、进行程序检查、输入程序以及工件试切。

数控机床编程的步骤一般如图５．２．１所示。

１．分析零件图样和工艺处理首先根据图样对零件的几何形状尺寸、技术要求进行分析，明确加工的内容及要求，决定加工方案、确定加工顺序、设计夹具、选择刀具、确定合理的走刀路线及选择合理的切削用量等。

同时还应发挥数控系统的功能和数控机床本身的能力，正确选择对刀点，切入方式，尽量减少诸如换刀、转位等辅助时间。

２．数学处理编程前，根据零件的几何特征，先建立一个工件坐标系，根据零件图纸的要求，制定加工路线，在建立的工件坐标系上，首先计算出刀具的运动轨迹。

对于形状比较简单的零件（如直线和圆弧组成的零件），只需计算出几何元素的起点、终点、圆弧的圆心、两几何元素的交点或切点的坐标值。

但对于形状比较复杂的零件（如非圆曲线、曲面组成的零件）数控系统的插补功能不能满足零件的几何形状时，就需要计算出曲面或曲线上很多离散点，在点与点之间用直线段或圆弧段逼近，根据要求的精度计算出其节点间的距离，这种情况一般要用计算机来完成数值计算的工作。

３．编写零件程序清单加工路线和工艺参数确定以后，根据数控系统规定的指令代码及程序段格式，逐段编写零件程序清单。

此外，还应填写有关的工艺文件，如数控加工工序卡片、数控刀具明细表、工件安装和零点设定卡片、数控加工程序单等。

４．程序输入以前，数控机床上使用的控制介质一般为穿孔纸带，穿孔纸带是按照国际标准化组织（ＩＳＯ）或美国电子工业学会（ＥＩＡ）标准代码制成。

穿孔纸带上的程序代码，通过纸带阅读装置送入数控系统。

现代数控机床，多用键盘把程序直接输入到计算机中。

在通信控制的数控机床中，程序可以由计算机接口传送。

如果需要保留程序，可拷贝到磁盘或录制到磁带上。

５．程序校验与首件试切程序清单必须经过校验和试切才能正式使用。

校验的方法是将程序内容输入到数控装置中，让机床空切运转，若是平面工件，还可以用笔代刀，以坐标纸代替工件，画出加工路线，以检查机床的运动轨迹是否正确。

在有图形显示功能的数控机床上，用模拟刀具切削过程的方法进行检验。

但这些方法只能检验出运动是否正确，不能查出被加工零件的加工精度。