《数控加工编程》-第 １ 章绪论

１.１数控机床的产生和发展１.１.１数控机床的诞生与发展数控机床是为了解决复杂、精密、小批量多变换零件的自动化加工的问题而产生的。数控加工是根据被加工零件的图样和工艺要求，编制以数码表示的程序，输入到机床的数控系统中，以控制刀具与工件的相对运动，从而加工出合格零件的方法。该项技术是２０世纪４０年代后期为适应复杂外形零件的精密加工而发展起来的一种自动化加工技术。数控机床从诞生，发展到现在，共经历了两大阶段、六代的发展。下一页返回１.１数控机床的产生和发展１９４８年，美国帕尔森兹公司在制造飞机框架及直升机叶片轮廓样板时，利用全数字电子计算机对轮廓路径进行数字处理，并考虑了刀具直径对加工路径的影响，使得加工精度达到较高的程度。后来，该公司与美国麻省理工学院合作，开始了三坐标铣床数控化的研究工作，１９５２年公开发布了试制成功的世界上第一台数控机床样机。它采用了电子管元件，可实现三坐标联动，可作直线插补。在此基础上，１９５５年，经过改进的数控机床进入实用阶段，在加工复杂的曲面零件时发挥了很大的作用。１９５９年，随着晶体管元件的诞生和在数控系统中的应用，数控机床跨入第二代。１９５９年３月，克耐·杜列克公司发明了带有自动换刀装置的数控机床，称为“加工中心”。从１９６０年开始，德国、日本等工业国家都陆续开发、生产并使用了数控机床。１９６５年，出现了小规模集成电路。它的应用使数控系统的可靠性进一步提高，数控系统发展到第三代。上一页下一页返回１.１数控机床的产生和发展１９７４年，美、日等国首先研制出以微处理器为核心的数控系统，简称微机数控（Ｍｉｃｒｏ⁃ｃｏｍｐｕｔｅｒＮｕｍｅｒｉｃａｌＣｏｎｔｒｏｌ，ＭＮＣ）系统，即第五代数控系统。２０多年来，由微机数控系统控制的数控机床得到了飞速发展和广泛应用。它是构成柔性制造单元（ＦｌｅｘｉｂｌｅＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＣｅｌｌ，ＦＭＣ）、柔性制造系统（ＦｌｅｘｉｂｌｅＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＳｙｓｔｅｍ，ＦＭＳ）、计算机集成制造系统（ＣｏｍｐｕｔｅｒＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＳｙｓｔｅｍ，ＣＩＭＳ）等先进制造单元和先进制造系统的基础。随着个人计算机（ＰｅｒｓｏｎａｌＣｏｍｐｕｔｅｒ，ＰＣ）技术性能和可靠性的不断提高，２０世纪８０年代末期开始出现以ＰＣ为基础的ＣＮＣ系统。由于其具有良好的开放性，发展速度很快。上一页下一页返回１.１数控机床的产生和发展目前，美、日等国均将它作为重要的发展方向，并已从２０世纪９０年代初开始不断推出采用ＰＣ的ＣＮＣ系统新产品。１.１.２我国数控机床的发展概况我国从１９５８年开始研究数控技术，开始也是从电子管着手，有些高校和科研单位有过试验性样机。１９６５年，开始研制晶体管数控系统，２０世纪６０年代末至７０年代初，研制成功数控非圆齿轮插齿机、ＣＪＫ⁃１８型晶体管数控系统及Ｘ５３Ｋ⁃１Ｇ立式数控铣床等。从２０世纪７０年代开始，数控技术在各种类型机床中的应用研究工作得以展开，数控加工中心研制成功，数控线切割机床在模具加工中得到了推广，但由于电子元器件质量和制造工艺水平差，致使数控系统的可靠性、稳定性未能得到解决，因此，数控技术未能得到广泛推广。上一页下一页返回１.１数控机床的产生和发展１.１.３数控机床的发展趋势随着科学技术的发展，机械产品的形状和结构不断改进，对零件加工质量的要求也越来越高。随着社会对产品多样化需求的增强，产品品种增多，产品更新换代加速，这使得数控机床在生产中得到广泛应用，并不断地发展。尤其是随着柔性制造系统的迅猛发展和计算机集成制造系统的兴起和不断成熟，对机床ＣＮＣ系统提出更高的要求。现代数控系统正在向更高速度、更高精度、更高可靠性及更完善的功能方向发展。上一页下一页返回１.１数控机床的产生和发展１.向高速度、高精度发展２.可靠性的提高３.实现长时间、连续自动加工４.采用自动编程技术５.具有更高的通信功能上一页返回１.２数控机床的组成与加工原理１.２.１数控机床的加工原理数控机床的加工原理如图１－１所示。在数控机床上加工零件时，要先根据零件加工图样的要求确定零件加工的工艺过程、工艺参数和刀具参数，再按规定编写零件数控加工程序，然后采用手动数据输入（ＭＤＩ）方式或与计算机通信等方式将数控加工程序送到数控装置内，在数控系统控制软件的支持下，经过分析处理与数据计算后发出相应的指令，通过伺服系统使机床按预定的轨迹运动，从而控制机床进行零件的自动加工。下面通过具体介绍数控机床的组成来说明其加工原理。下一页返回１.２数控机床的组成与加工原理１.２.２数控机床的基本组成数控机床组成框图如图１－２所示，一般由输入／输出设备、计算机数控（ＣＮＣ）装置、ＰＬＣ及其接口电路、主轴和进给伺服系统、测量装置和机床本体（组成机床的各机械部件）等几部分组成。除了机床本体以外的部分统称为数控系统（图中虚线框所示），其中数控装置是数控系统的核心。１.输入／输出设备数控机床加工前，必须读入操作人员编好的零件加工程序。在加工过程中，又要显示各种加工状态，包括刀具的位置、各种报警信息等，以便操作人员了解机床的工作情况，及时解决加工中出现的各种问题。这就是输入／输出设备的作用。最常用的输入设备是键盘，操作人员可以通过键盘输入、编辑和修改零件加工程序或输入控制指令。上一页下一页返回１.２数控机床的组成与加工原理最常用的输出设备是显示器和各种信号指示灯，用以显示机床当前的加工参数、状态。串行输入／输出接口也是输入／输出设备，其作用是以串行通信的方式与上级计算机或其他数控机床进行加工程序的传递。随着计算机技术的发展，一些计算机通用技术逐渐融入数控系统，计算机的所有输入／输出手段都将出现在数控系统中。２.计算机数控（ＣＮＣ）装置ＣＮＣ数控装置是数控系统的核心，数控装置由硬件和软件两大部分组成。现代数控系统普遍采用通用计算机作为数控装置的主要硬件，包括了微机系统的基本组成部分：ＣＰＵ、存储器、局部总线以及输入／输出接口等；软件部分就是通常所说的数控系统软件。数控装置的基本功能是读入零件加工程序，根据输入的加工程序进行相应的处理（如运动轨迹处理、机床输入／输出处理等），然后输出控制命令到相应的执行部件（伺服单元、驱动装置和ＰＬＣ等）。上一页下一页返回１.２数控机床的组成与加工原理３.ＰＬＣ辅助控制装置可编程逻辑控制器（ＰＬＣ）和数控装置配合共同完成数控机床的控制。数控装置主要完成与数字运算和管理等有关的功能，如零件程序的编辑、译码、插补运算、位置控制等。ＰＬＣ主要完成与逻辑运算有关的动作，它将零件加工程序中的Ｍ代码、Ｓ代码、Ｔ代码等顺序动作信息译码后转换成对应的控制信号，控制辅助装置完成机床的相关动作，如工件的装夹、刀具的更换、切削液的开关等一些辅助功能。ＰＬＣ接收机床操作面板和来自数控装置的指令，一方面通过接口电路直接控制机床的动作；另一方面通过伺服单元控制主轴电动机的转动。上一页下一页返回１.２数控机床的组成与加工原理４.伺服驱动系统伺服驱动系统由伺服驱动单元（伺服控制电路、功率放大电路）和驱动装置（伺服电动机）组成。伺服系统包括主轴伺服系统和进给伺服系统两部分。主轴伺服系统接收来自ＰＬＣ的转向和转速指令，经过功率放大后驱动主轴电动机转动。进给伺服系统在每个插补周期内接收数控装置的位移指令，经过功率放大后驱动进给电动机转动，同时完成速度控制和反馈控制功能。根据所选电动机的不同，伺服单元的控制对象可以是步进电动机、直流伺服电动机或交流伺服电动机，每种伺服电动机的性能和工作原理都不同。步进电动机是最简单的伺服电动机。随着交流电动机调速技术的发展，数字式交流伺服系统的应用越来越普遍。上一页下一页返回１.２数控机床的组成与加工原理５.测量装置测量装置也称反馈元件，通常安装在机床的工作台上或丝杠上。其作用是通过检测机床移动的实际位置、速度参数，将其转换成电信号，并反馈到ＣＮＣ装置中，使ＣＮＣ装置能随时判断机床的实际位置、速度是否与指令一致，并发出相应控制信号，纠正所产生的误差。ＣＮＣ系统按有无测量装置，可分为闭环和开环系统；而按测量装置安装的位置不同，可分为全闭环与半闭环数控系统。开环数控系统无测量装置，其控制精度取决于步进电机和丝杠的传动精度。闭环数控系统的精度取决于测量装置的精度。因此，测量装置是高性能数控机床的重要组成部分。上一页下一页返回１.２数控机床的组成与加工原理６.机床本体数控机床的机械部件包括：主运动部件，进给运动执行部件（如工作台、拖板及其传动部件），床身、立柱等支承部件，还有冷却、润滑、转位和夹紧等辅助部件。对于加工中心类的数控机床，还有存放刀具的刀库、交换刀具的机械手等部件。数控机床是高精度和高生产率的自动化加工机床。与普通机床相比，数控机床的机械机构具有以下特点：（１）数控机床的切削用量通常较普通机床大，所以要求机械部分有更大的刚度；（２）数控机床的导轨要采取防爬行措施，如采用滚动导轨或塑料涂层导轨；上一页下一页返回１.２数控机床的组成与加工原理（３）数控机床的机械传动链要尽量的短，齿轮传动副和丝杠螺母副要采取消隙措施，一般采用滚动丝杠以获得较好的动态性能；（４）对加工精度要求较高的数控机床还应采取减小热变形、提高精度的措施。上一页返回１.３数控加工的特点及应用１.３.１数控加工的优点（１）加工对象改型的适应性强。利用数控机床加工改型零件，只需要重新编制程序就能实现对零件的加工。它不同于传统的机床，不需要制造、更换许多工具、夹具和量具，更不需要重新调整机床。因此，数控机床可以快速地从加工一种零件转变为加工另一种零件，这就为单件、小批量以及试制新产品提供了极大的便利。它不仅缩短了生产准备周期，而且节省了大量工艺装备费用，柔性好。（２）加工精度高。数控机床是以数字形式给出指令进行加工的，由于目前数控装置的脉冲当量，即每输出一个脉冲后数控机床移动部件相应的移动量，一般达到了０.００１ｍｍ（即１μｍ），而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，因此，数控机床能达到比较高的加工精度和质量稳定性。这是由数控机床结构设计采用了必要的措施以及具有机电结合的特点决定的。下一页返回１.３数控加工的特点及应用（３）生产效率高。零件加工所需要的时间包括在线加工时间与辅助时间两部分。数控机床主轴转速和进给量的范围比普通机床的范围大，每一道工序都能选用最有利的切削用量，良好的结构刚性允许数控机床进行大切削用量的强力切削，有效地节省了在线加工时间。数控机床移动部件的快速移动和定位均采用了加减速措施，由于选用了很高的空行程运动速度，因而消耗在快进、快退和定位的时间要比一般机床少得多。所以数控机床能够有效地减少在线加工时间与辅助时间，加工生产率比一般机床高得多。（４）自动化程度高。数控机床对零件的加工是按事先编好的程序自动完成的。除了操作面板、装卸零件、关键工序的中间测量以及观察机床的运行之外，其他的机床动作直至加工完毕都是自动连续完成，不需要操作者进行繁重的重复性手工操作，劳动强度与紧张程度大大减轻，劳动条件也得到相应改善。上一页下一页返回１.３数控加工的特点及应用（５）良好的经济效益。使用数控机床加工零件时，分摊在每个零件上的设备费用是较昂贵的。但在单件、小批量生产情况下，可以节省工艺装备费用、辅助生产工时、生产管理费用等，并能降低废品率，因此能够获得良好的经济效益。（６）有利于生产管理的现代化。用数控机床加工零件，能准确地计算零件的加工工时，并有效地简化了检验和工夹具、半成品的管理工作。这些特点都有利于使生产管理现代化。１.３.２数控加工的不足之处（１）初始投资较大。这是由数控机床设备费用高，首次加工准备周期较长，维修成本高等因素造成。上一页下一页返回１.３数控加工的特点及应用（２）维修要求高。数控机床是技术密集型的机电一体化典型产品，需要维修人员既要懂机械，又要懂电气维修，同时还要配备较好的维修装备。（３）技术水平要求高。数控机床自动加工过程中难以人工调整，因此对工艺、编程、操作人员的技术水平要求较高。１.３.３数控加工应用对象根据数控机床加工的特点可以看出，数控加工适合应用于以下零件：（１）多品种、小批量生产的零件或新产品试制中的零件；（２）几何形状复杂的零件；（３）加工过程中必须进行多工序加工的零件；（４）用普通机床加工时，需要昂贵工装设备（工具、夹具和模具）的零件；上一页下一页返回１.３数控加工的特点及应用（５）必须严格控制公差、对精度要求高的零件；（６）工艺设计需多次改型的零件；（７）价格昂贵、加工中不允许报废的关键零件；（８）需要最短生产周期的零件。上一页返回１.４数控机床的分类目前数控机床的种类很多，通常按机床运动方式、伺服系统类型和工艺用途三种方式进行分类。１.４.１按机床运动方式分类１.点位控制系统点位控制系统是指数控系统只控制刀具或机床工作台从一点准确地移动到另一点，而点与点之间运动的轨迹不需要严格控制。为了减少移动部件的运动与定位时间，一般先快速移动到终点附近位置，然后低速准确移动到终点定位位置，以保证良好的定位精度。移动过程中刀具不进行切削。使用这类控制系统的主要有数控坐标镗床、数控钻床、数控冲床等。图１－４是点位控制钻孔加工示意图。下一页返回１.４数控机床的分类２.点位直线控制系统点位直线控制系统是指数控系统不仅控制刀具或工作台从一个点准确地移动到下一个点，而且保证在两点之间的运动轨迹是一条平行于坐标轴的直线。刀具移动过程进行单轴直线切削。应用这类控制系统的有数控车床、数控铣床等。图１－５是点位直线控制切削加工示意图。３.轮廓控制系统轮廓控制系统也称连续切削控制系统，是指数控系统能够对两个或两个以上的坐标轴同时进行连续控制，实现多轴联动切削加工。它不仅能控制移动部件从一个点准确地移动到另一个点，而且还能控制整个加工过程每一点的速度与位移量，将零件加工成一定的轮廓形状。应用这类控制系统的有数控车床、数控铣床、数控线切割机床和加工中心等。图１－６是轮廓控制铣削加工示意图。上一页下一页返回１.４数控机床的分类１.４.２按伺服系统类型分类１.开环控制数控机床典型的开环数控系统如图１－７所示。开环控制系统的特征是系统中没有检测反馈装置，指令信息单方向传送，并且指令发出后不再反馈回来，故称开环控制。受步进电动机的步距精度和工作频率以及传动机构的传动精度影响，开环系统的速度和精度都较低。但由于开环控制系统结构简单、调试方便、容易维修、成本较低，因此仍被广泛应用于经济型数控机床上。上一页下一页返回１.４数控机床的分类２.闭环控制数控机床闭环控制系统框图如图１－８所示。闭环控制系统的工作原理是：利用安装在工作台上的检测元件将工作台实际位移量检测出来，并反馈到计算机中，与所要求的位置指令进行比较，用比较的差值控制工作台向着差值减小的方向移动，直到差值消除为止。可见