数控机床及编程：1.1绪论

1、1 绪论1.1 数控机床的产生与发展1.1.1 数控机床的产生（why，when，where，what，how）数控机床的诞生是内因、外因共同作用的结果。内在动力：零件加工的复杂程度迫切需要一种精度高、柔性好的加工设备；随着科学技术和社会生产的迅速发展，机械产品日趋复杂，社会对机械产品的质量和生产率提出了越来越高的要求。尤其是在航空航天、造船、军工和计算机等工业中，零件精度高、形状复杂、批量小、品种多、加工困难、劳动强度大，传统的机械加工方法已难以保证质量、难以保证零件的同一性。为解决这一系列的问题，数控机床应运而生。外在的技术基础：电子技术、计算机技术、控制技术的发展。1948年美国空军部门

2、为制造飞机复杂零件，提供设备研经费，由Parsons公司与MIT（麻省理工学院MIT，Massachusettes Institute of Technology）合作研究四年，1952年，合作研制成功世界上第一台数控机（铣）床，用它来加工直升飞机叶片轮廓检查用样板，这台铣床可做直线插补。研制成功后立即生产100台交付军工使用。在成果上显示了它是社会需求、科技水平、人员素质三者的结晶；在技术上则显示出机电一体化机床在控制方面的巨大创新。数控机床为多品种、单件、小批量生产的精密复杂零件提供了自动化加工手段。随着数控机床的普及，数控机床的适用范围也愈来愈广泛，对一些形状不太复杂而重复工作量很大的零

3、件，如印刷电路板的钻孔加工等，由于数控机床生产率高，也已大量使用。另外，需要频繁改型的零件、价格昂贵、不允许报废的零件、需要最短生产周期的急需零件也要用数控机床来加工，以提高效率。1.1.2 数控机床的基本概念（what）虽然国外早已改称为计算机数控（即CNC）了，而我国仍习惯称数控（NC）。所以我们日常讲的数控，实质上是指“计算机数控”。数字控制技术，简称数控（Numerical Control ，NC），是采用数字化信息实现加工自动化的控制技术。数字控制已被广泛用于机械运动的轨迹控制和机械系统的开关量控制，如机器人、机床、流水线等的控制。数字控制的对象是多种多样的，但数控机床是最早应用数控

4、技术的控制对象，也是最典型的数控化设备。NC机床：用数字化信号对机床的运动及其加工过程进行控制的机床。CNC机床：采用微处理器或专用微机作为数控系统，由系统程序来实现对机床的运动及其加工过程进行控制的机床。数控机床就是将加工过程所需的各种操作（如主轴变速、松夹刀具、进刀退刀、自动关停冷却液、程序的启停等等）、步骤和工件的形状尺寸用数字化代码表示，然后通过控制介质（磁盘、串口、网络）送入数控装置，数控装置对输入的信息进行处理与运算，发出相应的控制信号，控制机床的伺服系统或其它驱动元件，使机床自动加工出所需要的工件。1.1.3 数控机床的特点1、适应性强，具有高柔性 适应性即所谓的柔性，是指数控机

5、床随生产对象变化而变化的适应能力。在数控机床上改变加工零件时，只需重新编制程序，输入新的程序后就能实现对新的零件的加工；而不需改变机械部分和控制部分的硬件，且生产过程是自动完成的。这就为复杂结构零件的单件、小批量生产以及试制新产品提供了极大的方便。适应性强是数控机床最突出的优点，也是数控机床得以生产和迅速发展的主要原因。2、加工精度高，产品质量稳定 数控机床是按数字形式给出的指令进行加工的，一般情况下工作过程不 需要人工干预，这就消除了操作者人为产生的误差。在设计制造数控机床时，采取了许多措施，使数控机床的机械部分达到了较高的精度和刚度。数控机床工作台的移动当量普遍达到了0.0001mm 0.

6、01 mm，而且进给传动链的反向间隙与丝杠螺距误差等均可由数控装置进行补偿，高 档数控机床采用光栅尺进行工作台移动的闭环控制。数控机床的加工精度由过去的0.01 mm提高到0.005mm甚至更高。定位精度九十年代初中期已达到0.002mm0.005mm。此外，数控机床的传动系统与机床结构都具有很高的刚度和热稳定性。通过补偿技术，数控机床可获得比本身精度更高的加工精度。尤其提高了同一批零件生产的一致性，产品合格率高，加工质量稳定。3、自动化程度高，劳动强度低（改善劳动条件） 数控机床加工前经调整好后，输入程序并启动，机床就能自动连续地进行加工，直至加工结束。操作者主要是程序的输入、编辑、装卸零件

7、、刀具准备、加工状态的观测，零件的检验等工作，劳动强度极大降低，机床操作者的劳动趋于智力型工作。另外，机床一般是封闭式加工，既清洁、又安全。4、生产效率高，减少辅助时间和机动时间零件加工所需的时间主要包括机动时间和辅助时间两部分。数控机床主轴的转速和进给量的变化范围比普通机床大，因此数控机床每一道工序都可选用最有利的切削用量。由于数控机床结构刚性好，因此允许进行大切削用量的强力切削，这就提高了数控机床的切削效率，节省了机动时间。数控机床的移动部件空行程运动速度快，工件装夹时间短，刀具可自动更换，辅助时间比一般机床大为减少。数控机床更换被加工零件时几乎不需要重新调整机床，节省了零件安装调整时间。

8、数控机床加工质量稳定，一般只作首件检验和工序间关键尺寸的抽样检验，因此节省了停机检验时间。在加工中心机床上加工时，一台机床实现了多道工序的连续加工，生产效率的提高更为显著。5、 良好的经济效益数控机床虽然设备昂贵，加工时分摊到每个零件上的设备折旧费较高。但在单件、小批量生产的情况下，使用数控机床加工可节省划线工时，减少调整、加工和检验时间，节省直接生产费用。数控机床加工零件一般不需制作专用夹具，节省了工艺装备费用。数控机床加工精度稳定，减少了废品率，使生产成本进一步下降。此外，数控机床可实现一机多用，节省厂房面积和建厂投资。因此使用数控机床可获得良好的经济效益。6、有利于生产管理的现代化数控机

9、床使用数字信息与标准代码处理、传递信息，特别是在数控机床上使用计算机控制，为计算机辅助设计、制造以及管理一体化奠定了基础。1.1.4 数控机床的使用特点1、数控机床对操作维修人员的要求数控机床采用计算机控制，驱动系统具有较高的技术复杂性，机械部分的精度要求也比较高。因此，要求数控机床的操作、维修及管理人员具有较高的文化水平和综合技术素质。数控机床的加工是根据程序进行的，零件形状简单时可采用手工编制程序。当零件形状比较复杂时，编程工作量大，手工编程较困难且往往易出错，因此必须采用计算机自动编程。所以，数控机床的操作人员除了应具有一定的工艺知识和普通机床的操作经验之外，还应对数控机床的结构特点、工

10、作原理非常了解，具有熟练操作计算机的能力，须在程序编制方面进行专门的培训，考核合格才能上机操作。正确的维护和有效的维修也是使用数控机床中的一个重要问题。数控机床的维修人员应有较高的理论知识和维修技术，要了解数控机床的机械结构，懂得数控机床的电气原理及电子电路，还应有比较宽的机、电、气、液专业知识，这样才能综合分析，判断故障的根源，正确的进行维修，保证数控机床的良好运行状况。因此，数控机床维修人员和操作人员一样，必须进行专门的培训。2、数控机床对夹具和刀具的要求数控机床对夹具的要求比较简单，单件生产时一般采用通用夹具。当批量生产时，为了节省加工工时，应使用专用夹具。数控机床的夹具应定位可靠，可自

11、动夹紧或松开工件。夹具还应具有良好的排屑、冷却性能。数控机床的刀具应该具有以下特点：（1）具有较高的精度、耐用度，几何尺寸稳定、变化小。（2）刀具能实现机外预调和快速换刀，加工高精度孔时要经试切削确定其尺寸。（3）刀具的柄部应满足柄部标准的规定。（4）很好地控制切屑的折断和排出。（5）具有良好的可冷却性能。1.1.5 数控机床的主要性能指标1、规格指标指数控机床的基本能力指标，主要包括：1) 行程范围：X762mm；Y406mm；Z508mm2) 工作台面尺寸： 914356mm3） 承载能力：680kg4) 刀库：刀库容量、刀柄锥度号、换刀时间等5) 控制轴数和联动轴数：控制轴数：机床数控装

12、置能够控制的进给轴数目联动轴数：数控装置同时控制的进给轴数目,如2轴、2.5轴、3轴、4轴、5轴控制等2.5轴联动：两个轴是同时、连续控制，第三轴是间歇控制3轴联动：三个坐标轴X、Y、Z是同时插补，是三维连续控制5轴联动：三个坐标轴X、Y、Z，与工作台的回转、刀具的摆动同时联动（或是与两轴的数控转台联动，或刀具做两个方向的摆动）2、精度指标1) 定位精度：机床的移动部件沿某一坐标轴运动时实际值与给定值的接近程度；（）2) 重复定位精度：同一台数控机床上应用相同程序、相同代码加工一批零件所得到结果的一致性；（）3) 分度精度：分度工作台在分度时指令要求回转的角度值和实际回转的角度值的差值。3、性

13、能指标1) 最大主轴转速：主轴所能达到的最高转速，是影响零件表面加工质量、生产率、刀具寿命的主要因素。（12000rpm）2) 主轴的最大转矩、最大额定功率。3) 最高快移速度：指进给轴在非加工状态下的最高移动速度。(35.6m/min)4) 最高进给速度：指进给轴在加工状态下的最高移动速度。（21.2m/min）5) 各进给电机的最大额定功率，最大额定推力。（3.73kw,8874N）数值来源：HAAS超高速立式加工中心。1.1.6 数控机床的发展趋势1、继续向开放式、基于PC的第六代发展基于PC所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。至

14、少采用PC机作为它的前端机，来处理人机界面、编程、联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。PC机所具有的友好的人机界面，将普及到所有的数控系统。远程通讯，远程诊断和维修将更加普遍。2、向高速化和高精度化发展 这是适应机床向高速和高精度方向发展的需要。目前世界机床精度在迅速提高，并向纳米级进军。日本掀起了发展纳米技术的热潮。世界加工中心定位精度已普遍超过5m，有的达3m、2m、1m，而中国的同类产品定位精度却在8m以下。机床精度的提高全靠硬功夫，依靠的是高素质的人才和高精度的设备。（全靠我们这一代了，树立自信心，使命感）1） 机械方面l 机床主轴要高速化：高速铣削，目前，电主轴最高转速达10

15、0000r/min。l 提高主轴和机床机械结构的动、静态刚度，提高机床的稳定性。l 采用能承受高速的机械零件，如陶瓷球轴承等。l 缩短自动换刀和自动交换工作台时间，目前数控车床刀架的转位时间可达0.4-0.6s， 加工中心自动换刀时间可达3s，最快达1s以内。自动交换工作台时间可达 6-10s，个别可达到2.5s。2）数控系统方面l CPU 16位 32位 64位l 提高主机频率由5MHz到20一33MHzl 插补器专用芯片，以提高插补速度l 多CPU系统，提高控制速度3）伺服系统方面l 采用数字伺服系统l 采用现代控制理论提高跟随精度l 采用高分辨率的位置编码器l 1993年后逐步推广用直线

16、电动机直接驱动的新技术，使加工中心的快移速度比用滚珠丝杠副驱动时又提高了一倍。 l 实现多种补偿功能,数控系统能实现多种补偿功能，提高数控机床的加工精度和动态特性。数控系统的补偿功能主要用来补偿机械系统带来的误差。例如：直线度的补偿、采用丝杠导程误差补偿方法、丝杠、齿轮间隙补偿、热变形误差补偿、刀具长度、半径等补偿。3、向智能化方向发展 随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程度将不断提高。 1）应用自适应控制技术数控系统能检测过程中一些重要信息，并自动调整系统的有关参数，达到改进系统运行状态的目的。2）引入专家系统指导加工将熟练工人和专家的经验，加工的一般规律和特殊规律存

17、入系统中，以工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统。3）引入故障诊断专家系统4）智能化数字伺服驱动装置可以通过自动识别负载，而自动调整参数，使驱动系统获得最佳的运行。4、提高数控系统的可靠性l 大规模集成电路l 超大规模集成电路l 专用芯片l 表面封装技术l 人工智能(AI)故障诊断系统CNC系统如何与人工智能技术相结合，尚待发展。除了上述在故障诊断和编程方面的应用外，还有更大的领域留待我们去探索。5、具有更高的通信功能，网络化，远程故障诊断l DNC(Direct Numerical Control)系统。l RS232和RS485串口通讯l MAP(制造自动化协议)接口，现在己实

18、现MAP3.0版本1.1.7 机械制造系统的发展随着数控机床自动化程度的不断提高，以数控机床为基础的自动化制造系统已成为各工业化国家机械制造自动化的研制发展重点。1、 柔性制造的理解“柔性”是相对于“刚性”而言的，传统的“刚性”自动化生产线主要实现单一品种的大批量生产。其优点是生产率很高，由于设备是固定的，所以设备利用率也很高，单件产品的成本低。但生产线的价格相当昂贵，且只能加工一个或几个相类似的零件，难以应付多品种中小批量的生产。随着批量生产时代正逐渐被适应市场动态变化的生产所替换，一个制造自动化系统的生存能力和竞争能力在很大程度上取决于它是否能在很短的开发周期内，生产出较低成本、较高质量的

19、不同品种产品的能力。柔性已占有相当重要的位置。柔性可以表述为两个方面：1） 是系统适应外部环境变化的能力，可用系统满足新产品要求的程度来衡2） 是系统适应内部变化的能力，可用在有干扰(如机器出现故障)情况下， 系统的生产率与无干扰情况下的生产率期望值之比来衡量。柔性主要包括：1)机器柔性当要求生产一系列不同类型的产品时，机器随产品变化而加工不同零件的难易程度。2)工艺柔性一是工艺流程不变时自身适应产品或原材料变化的能力；二是制造系统内为适应产品或原材料变化而改变相应工艺的难易程度。3)产品柔性一是产品更新或完全转向后，系统能够非常经济和迅速地生产出新产品的能力；二是产品更新后，对老产品有用特性

20、的继承能力和兼容能力。4)维护柔性采用多种方式查询、处理故障，保障生产正常进行的能力。5)生产能力柔性当生产量改变、系统也能经济地运行的能力。对于根据订货而组织生产的制造系统，这一点尤为重要。6)扩展柔性当生产需要的时候，可以很容易地扩展系统结构，增加模块，构成一个更大系统的能力。7)运行柔性利用不同的机器、材料、工艺流程来生产一系列产品的能力和同样的产品，换用不同工序加工的能力。为什么能够实现柔性加工呢？因为FMS的工艺基础是成组技术，它按照成组的加工对象确定工艺过程，选择相适应的数控加工设备和工件、工具等物料的储运系统，并由计算机进行控制，故能自动调整并实现一定范围内多种工件的成批高效生产

21、(即具有“柔性”)，并能及时地改变产品以满足市场需求。采用FMS的主要技术经济效果是：能按装配作业配套需要，及时安排所需零件的加工，实现及时生产，从而减少毛坯和在制品的库存量，及相应的流动资金占用量，缩短生产周期；提高设备的利用率，减少设备数量和厂房面积；减少直接劳动力，在少人看管条件下可实现昼夜24小时的连续“无人化生产”；提高产品质量的一致性。2、 柔性制造的分类1） 柔性制造单元(FMC) FMC是规模最小的FMS，是FMS向廉价化及小型化方向发展的一种产物。可由一台或少数几台加工中心、工业机器人、数控机床及物料运送存贮设备组成。FMC具有独立自动加工的功能，又部分具有自动传送和监控管理

22、功能，可实现某些种类的多品种小批量的加工。有些FMC还可实现24h无人运转。更适用于财力有限的中小型企业,目前国外众多厂家将FMC列为发展之重。2） 柔性制造系统(FMS)我国国家军用标准定义为“柔性制造系统是由数控加工设备、物料运储装置和计算机控制系统组成的自动化制造系统,它包括多个柔性制造单元,能根据制造任务或生产环境的变化迅速进行调整,适用于多品种、中小批量生产。” 简单地说，FMS是由若干数控设备、物料运贮装置和计算机控制系统组成的并能根据制造任务和生产品种变化而迅速进行调整的自动化制造系统。 目前常见的组成通常包括4台或更多台全自动数控机床(加工中心与车削中心等)，由集中的控制系统及

23、物料搬运系统连接起来，可在不停机的情况下实现多品种、中小批量的加工及管理。3)柔性制造线(FML) 它是处于单一或少品种大批量非柔性自动线与中小批量多品种FMS之间的生产线。其加工设备可以是通用的加工中心、CNC机床；亦可采用专用机床或NC专用机床，对物料搬运系统柔性的要求低于FMS，但生产率更高(多品种大批量的生产企业如汽车及拖拉机等工厂对FML的需求引起了FMS制造厂的极大关注，采用价格低廉的专用数控机床替代通用的加工中心将是FML的发展趋势)。它是以离散型生产中的柔性制造系统和连续生过程中的分散型控制系统(DCS)为代表，其特点是实现生产线柔性化及自动化，其技术已日臻成熟，迄今已进入实用

24、化阶段。4)柔性制造工厂(FMF) FMF是将多条FMS连接起来，配以自动化立体仓库，用计算机系统进行联系，采用从订货、设计、加工、装配、检验、运送至发货的完整FMS。它包括了CAD/CAM，并使计算机集成制造系统(CIMS)投入实际，实现生产系统柔性化及自动化，进而实现全厂范围的生产管理、产品加工及物料贮运进程的全盘化。FMF是自动化生产的最高水平，反映出世界上最先进的自动化应用技术。是实现CIMS的基础。 由单纯加工型FMS进一步开发以焊接、装配、检验及钣材加工乃至铸、锻等制造工序兼具的多种功能FMS。 3、 柔性制造系统的组成典型的柔性制造系统由数控加工系统、物料储运系统和信息控制系统组

25、成。1) 数控加工系统加工系统中的自动化加工设备通常由510台数控机床和加工中心组成。按照加工需要分为加工箱体类和板类零件FMS，加工轴类和盘类零件FMS。2) 物料储运系统u输送方式 机床与搬运系统的相互关系可分为直线型、循环型、网络型和单元型。加工工件品种少、柔性要求小的制造系统多采用直线布局，虽然加工顺序不能改变，但管理容易；单元型具有较大柔性，易于扩展，但调度作业的程序设计比较复杂。u输送设备 有输送带、有轨输送车、无轨输送车、堆装起重机、行走机器人、托盘等。对于较大的工件常利用托盘自动交换装置(简称APC)来传送，也可采用在轨道上行走的机器人，同时完成工件的传送和装卸。磨损了的刀具可

26、以逐个从刀库中取出更换，也可由备用的子刀库取代装满待换刀具的刀库。车床卡盘的卡爪、特种夹具和专用加工中心的主轴箱也可以自动更换。切屑运送和处理系统是保证 FMS连续正常工作的必要条件，一般根据切屑的形状、排除量和处理要求来选择经济的结构方案。u输送系统结构 一般情况下，单元内部使用的机器人，单元间是采用输送带。u 输送物料 有毛坯、工件、刀具、夹具、检具和切屑等；储存物料的方法有平面布置的托盘库，也有储存量较大的桁道式立体仓库。毛坯一般先由工人装入托盘上的夹具中，并储存在自动仓库中的特定区域内，然后由自动搬运系统根据物料管理计算机的指令送到指定的工位。固定轨道式台车和传送滚道适用于按工艺顺序排

27、列设备的FMS，自动引导台车搬送物料的顺序则与设备排列位置无关，具有较大灵活性。3) 信息控制系统性能完善的软件是实现FMS功能的基础，除支持计算机工作的系统软件外，更多的是根据使用要求和用户经验所发展的专门应用软件，大体上包括u 控制软件(控制机床、物料储运系统、检验装置和监视系统)、u 计划管理软件(调度管理、质量管理、库存管理、工装管理等)u 数据管理软件(仿真、检索和各种数据库)等。为保证FMS的连续自动运转，必须对刀具和切削过程进行监控，可能采用的方法有：测量机床主轴电机输出的电流功率，或主轴的扭矩；利用传感器拾取刀具破裂的信号；利用接触测头直接测量刀具的刀刃尺寸或工件加工面尺寸的变

28、化；累积计算刀具的切削时间以进行刀具寿命管理。此外，还可利用接触测头来测量机床热变形和工件安装误差，并据此对其进行补偿。4、 计算机集成制造系统(CIMS)1974年每个约瑟夫.哈林顿（Joseph Harrington）博士在Computer Integrated Manufacturing一书中首先指出了计算机集成制造（Computer Integrated Manufacturing）的概念，由计算机集成制造组成的系统称为计算机集成制造系统（CIMS）。计算机集成制造是组织现代化生产的一种哲理，是一种指导思想，计算机集成制造系统是这种哲理的实现。其核心内容是：利用计算机硬件、网络和数据库

29、技术，将企业的经营、管理、计划、产品设计、加工制造、销售及服务等部门和人、财、物集成起来，以便能够高效率、高质量、高柔性地管理企业、提高企业的竞争力。它着重解决产品设计和经营管理中的系统信息集成，将信息技术、管理技术和制造技术相结合，缩短了产品开发、设计和制造周期，更好地适应了市场需求多样化地时代特征。整个生产过程实质是一个数据的采集、传送和加工处理的过程。最终形成的产品可以看作是数据的物质表现。CIMS由四个分系统组成:u 管理信息分系统（MIS）：支持生产计划和控制、销售、采购、仓储、财会等功能，用以处理生产任务方面的信息；u 技术信息分系统（TIS）：产品设计与制造工程设计自动化系统（C

30、AD）、计算机辅助工艺规程编制（CAPP）等子系统，用以支持产品的设计和工艺准备等功能，处理有关产品结构方面的信息；u 制造自动化分系统（MAS）：如各种不同自动化程度的制造系统，如NC机床、柔性制造系统（FMS）以及其他制造单元，用来实现信息对物流的控制和完成物流的转换。它是信息流和物流的结合部，用来支持企业的制造功能；u 计算机质量保证分系统（CAQ）：用来支持生产过程的质量管理和质量保证功能，不仅处理管理信息（如废品率），也处理技术信息（如测量产品性能等）。u 计算机网络和数据库系统CIMS就是用计算机通过信息集成实现现代化的生产制造，以求得企业的总体效益。 CIMS功能示意图如图1-1所示，其中包括：1) 经营管理功能 使企业的经营决策科学化。2) 工程设计自动化 采用CADCAPPCAM提高产品的研制和生产能力。3) 加工制造自动化 采用FMC、FMS等先进技术，提高制造质量，增加制造的柔性。4）质量保证 管理和保证生产过程的质量，降低废品率，提高产品性能。经营管理工程设计加工制造质量保证计算机通信网络分布式数据库原材料产品技术信息市场信息图1-1 CIMS的功能示意图5、 DNC系统 DNC是Direct Numerical Control或Distributed Numerical Control的简称，意为直接数字控制或分布数字控制。DNC最