数控加工技术概论

数控加工技术概论第一页，共69页。0数控技术在国民经济发展中的重要地位1.1数控加工技术的基本概念一、基本概念二、数控机床的工作原理三、数控加工特点四、数控机床的主要性能指标1.2数控机床的组成与分类一、数控机床的组成二、数控机床的分类1.3数控加工技术的发展一、数控加工技术发展简述二、先进数控加工技术三、数控加工技术的发展趋势第二页，共69页。数控技术在国民经济发展中的重要地位第三页，共69页。制造技术和装备就是的最基本的生产资料，而数控技术又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。当今世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。第四页，共69页。

工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业，而且在“高精尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。

总之，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。第五页，共69页。例：多轴数控机床（“九余度推进器电脑工作母机”）改进核潜艇性能东芝事件"东芝"事件：苏联日本联手打破美国技术封锁

第六页，共69页。第七页，共69页。随着计算机技术的发展，数控技术已经广泛应用于工业控制的各个领域，尤其是机械制造业中，普通机械正逐渐被高效率、高精度、高自动化的数控机械所代替。目前国外机械设备的数控技术化率已达到85%以上，而我国的机械设备的数控化率不足20%。工业化国家经济总产值的50%（日本）至68%（美国）是由制造业创造的，制造业对发展国家经济有决定性的影响，而发展机床业是发展制造业的根本。

数控机床是典型的机电一体化产品，是现代制造业的主流设备，是体现现代机床技术水平、现代机械制造业工艺水平的重要标志，是关系国计民生、国防尖端建设的战略物资。第八页，共69页。一、基本概念数字控制（NumericalControl，NC），简称数控：就是用数字化的信息对机床的运动及其加工过程进行控制的一种方法。具体来说，数控就是采用计算机或专用计算机装置进行数字计算、分析处理、发出相应指令，对机床的各个动作及加工过程进行自动控制的一门技术。例：N003G90G01X+35.Y+279.3Z-429.7S1000T02F500M07；数控系统（NumericalControlSystem）实现数字控制的装置。以计算机为核心的数控系统称为计算机数控系统（ComputerNumericalControl），即CNC系统第九页，共69页。数控机床（NumericalControlMachineTools）：就是装备有计算机数控系统的自动化机床。数控加工：是指在数控机床上进行工件切削加工的一种工艺方法，即将根据工件图样和工艺要求等原始条件编制的工件数控加工程序输入数控系统，控制机床刀具与工件的相对运动，从而实现工件的加工。数控机床将加工过程的各种机床动作，由数字化的代码表示，通过某种载体将信息输入数控系统，控制计算机对输入数据进行处理，来控制机床的伺服系统或其他执行元件，使机床加工出所需要的工件。例如：5轴铣削加工鞋模

叶轮加工第十页，共69页。1、数控机床的工作流程（1）数控加工程序的编制（2）输入（3）译码（4）刀具补偿（5）插补（6）位置控制和机床加工图1.1数控加工流程第十一页，共69页。①零件工艺分析②编写零件的加工程序③零件的加工程序输入CNC系统④刀具路径模拟⑤零件加工根据零件加工图样进行工艺分析，确定加工方案、工艺参数和位移数据。按规定的程序代码、格式编写零件加工程序单；或用CAD/CAM生成零件的加工程序。操作面板输入、串行通信（DNC）输入、磁盘输入等。机床空运行、软材料（铝、塑料）或工件材料首件试切，以检验CNC程序的正确性。通过对机床的正确操作，运行程序，完成零件的加工。数控加工流程第十二页，共69页。

2、数控系统的工作过程（１）数据输入：输入数控系统的有零件程序、控制参数、补偿数据，输入过程中还需完成校检和代码转换等工作。（２）译码处理：以零件程序的一个程序段为单位进行处理，将程序段中的零件轮廓、加工速度以及辅助功能等信息。解释成计算机能够识别的数据形式，并以一定的数据格式存放在指定的内存区间。（３）数据处理：一般包括刀具半径补偿、速度计算以及辅助功能处理。（４）插补运算：在允许的误差范围内，用沿曲线逼近函数的最小单位移动量合成的分段运动（小线段、小圆弧）代替任意曲线运动，以得出所需要的运动轨迹，是数控的基本构思之一。

第十三页，共69页。

◆插补（Interpolation）：是用被加工轨迹的有限信息（如起点和终点），计算插进刀具运动的许多中间点，进行数据点的密化工作，然后用已知线型（如直线、圆弧等）逼近。插补有二层意义：基本线型的形成及如何分段逼近。

基本线型：由插补指令完成。如直线插补、圆弧插补、抛物线插补、螺旋线插补、极坐标插补、圆柱插补、样条插补、曲面直接插补、纳米插补、光顺插补等，插补指令越多，越能实现复杂型面的加工。

分段逼近：按允许的误差。弦线逼近、割线逼近、切线逼近。

◆插补分类：基准脉冲插补、数据采样插补

◆基点和节点

基点：在数控加工图纸中，基本线型的交点；

节点：轮廓轨迹上的插入点（逼近线型与轮廓轨迹的交点）。第十四页，共69页。

（５）位置控制：可由软件或由硬件实现，其主要任务是在每个采样周期内，将插补计算的理论位置与实际反馈位置相比较，用其差值去控制进给电动机，进而控制机床工作台（或刀具）的位移，这样机床就自动地按照零件加工程序的要求进行切削加工。３、伺服系统的工作原理在数控机床中，伺服系统接收来自数控系统的指令信息，经功率放大、整形处理后，转换成机床执行部件的直线位移或角位移运动，实现数控机床的进给伺服控制和主轴伺服控制。第十五页，共69页。

数控机床的工作原理

机床数字控制原理：将被加工零件图纸上的几何信息和工艺信息用规定的代码和格式编写成加工程序，然后将程序输入数控装置，按照程序的要求，经过信息处理，分配，使各坐标以最小位移量为单位移动，其合成运动实现了刀具与工件的相对运动，完成零件的加工。

最小位移量的合成运动是机床数字控制的基本原理，即轨迹控制原理（插补原理）。第十六页，共69页。第十七页，共69页。

三、数控加工特点（1）数控加工特点

1)自动化程度高，减轻工人的劳动强度和改善劳动条件；

2)零件加工精度高、产品质量稳定；

3)加工生产率高；

4)良好的经济效益；

5)复杂产品加工能力强；

6)适应性强，适合加工单件或小批量复杂工件；

7）有利于生产管理的现代化。（2）数控加工适用范围

1)多品种小批量生产的零件；

2)几何形状复杂的零件；

3)需进行多种工序加工的零件；

4)加工精度高的零件；

5)贵重零件；

6)需要频繁改型的零件；

（3）缺点

1)初次设备投资大；

2)对使用者技术要求高。第十八页，共69页。四、数控机床的主要性能指标表1.1数控机床的主要性能指标

类别项目含义作用坐标轴可控轴数（国外24轴我国6轴）机床数控装置能够控制的坐标数目（与数控装置的运算处理能力、运算速度及内存容量等有关）影响机床功能，加工适应性和工艺范围联动轴数机床数控装置控制的坐标轴同时达到空间某一点的坐标数目精度指标定位精度数控机床工作台等移动部件在确定的终点所达到的实际位置的精度(伺服、检测、进给及移动部件的几何误差等)直接影响加工零件的位置精度重复定位精度在同一条件下，用相同的方法，重复进行同一动作时，控制对象位置的一致程度（受伺服系统特性、进给系统的间隙与刚性及摩擦特性等因素的影响。一般情况下,重复定位精度是成正态分布的偶然性误差）影响一批零件的加工一致性，质量稳定性分度的精度分度工作台在分度时，理论要求回转的角度值和实际回转的角度值的差值影响零件加工部位的空间位置及孔系加工的同轴度等第十九页，共69页。续表类别项目含义作用精度指标分辨率数控机床对两个相邻的分散细节之间可以分辨的最小间隔，即认识识别最小单位的能力。测量系统，是可以测量的最小增量；控制系统，是可以控制的最小位移增量决定数控机床的加工精度和表面质量脉冲当量数控装置发出的每个脉冲信号，机床移动部件的位移量（普通精度级数控机床0.001mm/p，简易数控机床0.01mm/p）运动性能指标主轴转速机床主轴转动速度（目前数控机床主轴转速已普遍达到5000～10000r/min，甚至更高）可加工小孔和提高零件表面质量进给速度机床进给线速度（国内10～15m/min，国外15～30m/min）影响零件加工质量、生产效率、刀具寿命坐标行程数控机床坐标轴的空间运动范围影响加工零件的大小摆角范围具有摆角坐标的数控机床，其摆角坐标的转角大小影响加工零件的空间大小及机床刚度刀库容量刀库能存放加工所需要的刀具数量（中小型加工中心16～60把，大型加工中心达100把）影响加工适应性及加工资源换刀时间带有自动交换刀装置的数控机床，将主轴上的刀具与刀库中的下一工序用刀具进行交换所需要的时间（国内10～20s国外4～5s）影响加工效率加工能力金属切除率单位时间内去除金属余量的体积影响加工效率第二十页，共69页。图1.3五坐标联动加工

图1.2可控6轴加工中心示意图

第二十一页，共69页。表1.2

VMC650m高速五轴加工中心技术参数序号项目参数单位1工作台最大承重800kg2工作台直径400mm3B轴摆动角度±120°4C轴转动角度n×360°5B轴摆动速度20rpm6C轴转动速度25rpm7摆动/转动精度±5arcsec8工作台行程（X×Y×Z）600×560×450mm9X,Y,Z轴加速度10m/s210X,Y,Z轴快移速度40m/min11定位精度X/Y/Z轴0.008mm12重复定位精度X/Y/Z轴0.005mm13主轴形式电主轴第二十二页，共69页。续表序号项目参数单位14主轴最大速度max.24000rpm15主轴最大功率(100%/60%)29/32kW16主轴最大扭矩(100%/60%)67/75Nm17主轴锥孔型号HSK63A18数控系统HeidenhainiTNC53019Pick-up刀库容量2020刀具锥柄形式HSK63A21刀具直径(满刀/邻位空刀)75/120mm22最大刀具长度250mm23最大刀具重量824换刀时间T-T/C-C4-6s25外形尺寸（长×宽×高）3560×2394×3000mm第二十三页，共69页。

一、数控机床的组成

数控装置伺服系统

机床检测反馈装置控制介质图1.4数控机床的组成（1）信息输入：程序、参数、数据等的输入通道。输入方式有穿孔纸带、磁带、磁盘、MDI（手动数据输入）方式等。（2）数控装置：是数控机床的核心。包括CPU、存储器、各种接口电路等硬件和相应的软件。第二十四页，共69页。第二十五页，共69页。

（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：速度、位置检测反馈装置，由检测元件和相应的电路组成。

（5）机床主机：是数控机床的主体，包括主运动部件、进给运动部件、执行部件和基础部件等。

（6）机电接口：M、S、T（PLC）第二十六页，共69页。1、按工艺方法分类（1）金属切削类数控机床，如：数控车床、数控铣床、加工中心、数控钻床、数控镗床、数控磨床等（2）金属成型类数控机床，如数控折弯机、数控弯管机等（3）数控特种加工机床，如数控电火花加工机床、数控线切割机床、数控激光加工机床等（4）其它类型数控机床，如三坐标测量机等第二十七页，共69页。2、按运动控制的特点分类

1、点位控制数控机床

2、直线控制数控机床

3、轮廓控制的数控机床◆点位控制：对于一些加工孔用的数控机床，需严格控制点到点的距离，不严格要求路径，运动中不加工。典型的机床有数控钻床、数控镗床、数控冲床等。图1.5点位控制YXO,PKQR△X△YG00:P-K-QG01:P-QZYX第二十八页，共69页。图1.6直线控制◆直线控制：

特点：（1）控制两相关点的位置，还要控制两相关点之间的移动速度和路线

（2）路线由与各个轴线平行的直线段组成

（3）使用于数控车床、数控镗铣床、加工中心等第二十九页，共69页。

1112131516δ△x△y14XYOTL图1.7轮廓控制第三十页，共69页。

3、按伺服系统的类型分类（1）开环控制的数控机床

没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置→进给系统），故系统稳定性好。

数控装置驱动电路步进电机工作台指令脉冲齿轮箱图1.8开环数控机床开环伺服系统的执行元件：步进电机（适于轻载、负荷变动不大）第三十一页，共69页。无位置反馈，精度相对闭环系统来讲不高，其精度主要取决于伺服驱动系统和机械传动机构的性能和精度。一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。这类系统具有结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉等优点，在精度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合得到广泛应用。一般用于经济型数控机床。第三十二页，共69页。

（2）闭环控制的数控机床

检测工作台直线位移（检测元件：感应同步器、光栅）

工作台检测元件数控装置位置比较电路

指令脉冲齿轮箱速度控制电路

测量装置测速元件伺服电机图1.9闭环数控机床第三十三页，共69页。

从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节的误差、间隙和失动量。具有很高的位置控制精度。由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的，故很容易造成系统的不稳定，使闭环系统的设计、安装和调试都相当困难。该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精磨床以及较大型的数控机床等。第三十四页，共69页。

相对于开环式伺服系统而言，闭环伺服系统具有工作可靠、抗干扰性强，以及伺服精度高等优点，因此现代数控机床中常常采用闭环伺服系统。但由于闭环伺服系统增加了位置检测、反馈、比较等环节，因而，它的结构比较复杂，调试、使用与维护也相对更困难些。

闭环伺服系统的执行元件伺服电动机为数控伺服系统的重要组成部分，是速度和轨迹控制的执行元件。数控机床中常用的伺服电机：

直流伺服电机（调速性能良好）交流伺服电机（主要使用的电机）直线电机（高速、高精度）第三十五页，共69页。

工作台检测元件数控装置位置比较电路

指令脉冲齿轮箱速度控制电路

测量装置测速元件伺服电动机图1.10半闭环数控机床第三十六页，共69页。

半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，因此可获得稳定的控制性能，其系统的稳定性虽不如开环系统，但比闭环要好。由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难以消除。因此，其精度较闭环差，较开环好。但可对这类误差进行补偿，因而仍可获得满意的精度。半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度也较高，因而在现代CNC机床中得到了广泛应用。第三十七页，共69页。

（1）高档（2）中档（3）低档

经济型数控：在我国指由单板机、单片机和步进电动机组成数控系统和其它功能简单、价格低的数控系统。图1.11经济型数控4、按功能水平分类第三十八页，共69页。一、数控加工技术发展简述汽车拖拉机家用电器自动机床组合机床专用自动生产线大批量生产企业1、数控机床的产生随着科学技术和社会生产的不断发展，对机械产品的质量和生产率提出了越来越高的要求。机械加工工艺过程的自动化是实现上述要求的最重要措施之一。第三十九页，共69页。自动机床、组合机床与专业自动生产线第四十页，共69页。在机械制造业中，80％以上属单件与小批生产。尤其是在造船、航天、航空、机床、重型机械以及国防部门，其生产特点是批量小、改型频繁、零件形状复杂、精度要求高。即使是大批量生产,也改变了产品长期不变的做法。仿形加工机床部分地解决了小批量、复杂零件的加工。但制造靠模和调整机床费时，加工零件的精度较低。为解决上述问题，一种灵活、通用、能适应产品频繁变化的柔性自动化机床—数控机床应运而生。第四十一页，共69页。

1948年，美国帕森斯公司在研制加工直升飞机叶片轮廓样板时，提出了用电子计算机控制机床来加工样板曲线的设想。1949年，受美国空军委托，与麻省理工学院伺服机构研究所合作进行研制工作。1952年试制成功世界上第一台三坐标立式数控铣床。并于1955年进入实用阶段。德国、英国、日本等国家相继开始研制数控机床。世界著名的数控系统厂家主要有日本的FANUC公司、德国的SIEMENS、美国的A-B公司等。

1958年我国开始研制数控机床。第四十二页，共69页。2、数控机床的发展■1952年，第一代电子管数控系统;■1959年，第二代晶体管数控系统。随之出现刀库，机械手、加工中心；■1965年，第三代集成电路数控系统以上三代，都是采用专用控制计算机的硬逻辑数控系统（称为NC）；■1970年，出现小型计算机代替专用硬接线装置-第四代数控系统（CNC系统）；■1974年，以微处理器为核心的数控系统-第五代数控系统（MNC系统）；■随着微电子和计算机技术的发展，先后出现NC、FMC、FMS、CIMS；第四十三页，共69页。

读带机通用计算机接口电路数控装置1机床1数控装置2数控装置m机床2机床m存储装置CRT显示及打印机二、先进数控加工技术第四十四页，共69页。

2、柔性制造系统：柔性制造系统（FlexibleManufacturingSystem，FMS）也叫做计算机群控自动线，它是将一群数控机床用自动传送系统连接起来，并置于一台计算机的统一控制之下，形成一个用于制造的整体。柔性制造单元（FMC）柔性制造系统（FMS）第四十五页，共69页。FMS的功能结构自动仓库工厂计算机中央计算机物流控制计算机信息传输网络加工单元1加工单元2加工单元n运输小车工夹具站第四十六页，共69页。

美国的M.E.Merchant提出计算机集成制造的概念(1969)3、计算机集成制造系统：计算机集成制造系统（Computer-IntegratedManufacturingSystem，CIMS），是指用计算机网络和数据库技术将从定货、设计、工艺、制造到销售的全过程集成为一个整体，以保证企业信息的共享性、可靠性和及时性，实现生产的自动化和柔性化。第四十七页，共69页。1958年:起步20世纪50年代末60年代中：研制、开发时期1965年开始研制晶体管式数控系统。1968年研制成了CJK-18晶体管式数控系统和X53K-1G立式数控机床。20世纪70年代初：数控加工中心相继在上海、北京研制成功。20世纪80年代初：从日本、美国等国引进数控装置及伺服系统技术。1985年：进入实用阶段1985年以后：在引进、消化的基础上，进行了大量的开发工作，我国数控机床进入稳定发展时期。我国数控机床的发展第四十八页，共69页。市场占有率5年翻一番，现