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数控机床编程与操作 第一章：绪论
- 作者：和兴火花机
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- Tag:数控机床编程与操作
第一章 绪论
1.1 数控机床概述*
1.2 数控机床加工概述*
1.3 思考与练习题*
本章知识
数控机床的基本概念
数控机床的组成及分类
数控机床的加工特点
数控系统的主要功能
1948年，美国帕森斯公司受美国空军委托与麻省理工学院伺服机构研究所（MIT）合作进行数控机床的研制工作。1952年，第一台三坐标立式数控铣床试制成功，但第一台工业用数控机床直到1954年11月才生产出来。
我国数控机床的研制是从1958年起步的，由清华大学研制出了最早的样机，如图1.1所示。*
早期的数控机床控制系统采用电子管，其体积大、功耗高，只在军事部门应用。直到在微处理机用于数控机床后，才使数控机床得到了普及。
1.数控机床的基本概念
（1）数控 数字控制（NC）是一种自动控制技术，是用数字化信号对机床的运动及其加工过程进行控制的一种方法。
（2）数控机床 采用了数控技术的机床，或者说是装备了数控系统的机床。
国际信息处理联盟（IFIP）第五技术委员会对数控机床作了如下定义：数控机床是装有程序控制系统的机床，该系统能够逻辑地处理具有特定编码和其他符号编码指令规定的程序。
（3）数控系统 上述定义中所指的那种程序控制系统，它能逻辑地处理输入到系统中具有特定代码的程序，并将其译码，从而使机床运动并加工零件。
（4）数控程序 输入数控系统中的、使数控机床执行一个确定的加工任务的、具有特定代码和其他符号编码的一系列指令，称为数控程序。
（5）数控编程 生成用数控机床进行零件加工的数控程序的过程，称为数控编程。
#p#数控机床的组成#e#
数控机床加工零件的工作过程可分：
① 根据被加工零件的图样与工艺方案，用规定的代码和程序格式编写加工程序；
② 将所编程序指令输入机床数控装置。
③ 数控装置将程序（代码）进行译码、运算之后，向机床各个坐标的伺服机构和辅助控制装置发出信号，以驱动机床的各运动部件，并控制所需要的辅助动作，最后加工出合格的零件。
（1）加工程序 加工程序上存储着加工零件所需的全部操作信息和刀具相对工件的位移信息等。加工程序可存储的控制介质有穿孔纸带、穿孔卡片、磁带和磁盘等。
（2）输入装置 作用是将控制介质上的数控代码变成相应的电脉冲信号，传递并存入数控系统内。还可以通过手动方式（MDI方式），用数控系统的操作面板上的按键将工件加工程序，直接键入数控系统，或者用与上级机通信方式直接将加工程序传输到数控系统中。
（3）数控系统 是数控机床的核心，它由输入/输出接口线路、控制器、运算器和存储器4大部分组成，称为硬件数控。采用通用小型计算机或微型计算机作为数控装置，称计算机数控系统或软件数控。
（4）伺服系统 是数控系统的执行部分，用于完成坐标轴的驱动。它接受来自数控装置的指令信息，经功率放大后，严格按照指令信息的要求驱动机床的运动部件，完成指令规定的运动。伺服系统由伺服电动机和驱动控制单元组成。
（5）辅助控制装置 作用是接受数控装置输出的主运动换向、变速、启停、刀具的选择和交换，以及其他辅助装置动作等指令信号，经过必要的编译、逻辑判别和运算，经功率放大后直接驱动相应的电器执行元件，带动机床机械部件、液压气动等辅助装置完成指令规定的动作。
可编程序控制器（PLC）具有响应快、性能可靠、易于使用、编程和修改，并可直接驱动机床电器，现已广泛作为数控机床的辅助控制装置。
（6）机床本体
除了主运动系统、进给系统以及辅助部分外，还有如储备刀具的刀库、自动换刀装置（ATC）、自动托盘交换装置等。
除了主运动系统、进给系统以及辅助部分外，还有如储备刀具的刀库、自动换刀装置（ATC）、自动托盘交换装置等。
MOV36 ATC
MOV37 主轴换刀
MOV38 托盘交换系统
#p#数控机床的分类#e#
(1)按工艺用途分
◆金属切削类数控机床:包括数控车床、数控铣床、数控镗床、数控钻床、数控磨床、数控齿轮加工机床以及各类加工中心等。
装有刀库和自动换刀机械手，在一次装夹后，可以进行多种工序加工的数控机床，称为加工中心。
◆金属成型类数控机床:包括数控折弯机、数控弯管机、数控冲床、数控压力机等。
◆特种加工及其它类型数控机床：包括数控线切割机床、数控电火花加工机床、数控激光切割机床、数控激光板材成型机床、数控等离子切割机床、数控火焰切割机、数控三坐标测量机等。
（2）按控制系统的特点分
◆点位控制数控机床：只要求精确地控制刀具相对于工件从一个坐标点到另一个坐标点的定位精度，而与轨迹运动无关。
◆点位直线控制数控机床：不仅要求具有准确的定位功能，而且要求从一点到另一点按直线运动进行切削加工。
◆轮廓切削控制数控机床：能够对两个或两个以上坐标轴同时进行切削加工控制，它不仅能控制机床移动部件的起点与终点坐标，而且能按需要严格控制刀具移动轨迹。
（3）按伺服系统的类型分
◆开环控制数控机床：不带位置检测反馈装置，通常使用功率步进电动机作为伺服驱动元件。如图1.3所示。
◆闭环控制数控机床：装有位置测量反馈装置，直接安装在移动部件的最终端。通常使用交流或直流伺服电动机作为伺服驱动元件。如图1.4所示。
控制精度最高，由于系统增加了检测、比较和反馈装置，所以结构比较复杂，调试维修比较困难。
（4）按数控机床的功能水平分
#p#数控机床的主要技术参数#e#
（1）主要规格尺寸
◆数控车床：最大回转直径、最大车削长度、最大车削直径等。
◆数控铣床：工作台尺寸、工作台T形槽、工作台行程等规格尺寸。
（2）运动参数
◆主轴转速：5000~10000r/min。
◆进给速度： 10~30m/min。
（3）精度参数
◆脉冲当量（分辨率）：简易的0.01mm，普通的0.001mm，精密或超精密的0.0001mm。
◆定位精度：±0.01mm。
◆重复定位精度：±0.005mm。
（4）刀具系统
数控车床包括刀架工位数、刀具孔直径、刀杆尺寸、换刀时间等内容。
加工中心的刀库容量为16~60把，大型加工中心可达100把以上。换刀时间一般为5~20s。
（5）其他技术参数
◆冷却系统：有冷却箱容量、冷却泵输出量等。
◆尾座：对数控车床有尾座套筒直径、行程等。
◆外形尺寸：表示长×宽×高。
◆质量
◆电气：有主电动机、伺服电动机功率等。
#p#数控系统的主要功能 #e#
（1）控制轴数和联动轴数
数控机床按联动轴数可分为以下4类：
◆两坐标数控机床：数控车床，加工曲面回转体；某些数控铣床，两联动铣斜面。
◆三坐标数控机床：一般的数控铣床、加工中心，三轴联动可加工曲面零件。
◆ 坐标数控机床：又称二轴半。实为二坐标联动，第三轴作周期性等距运动。
◆多坐标数控机床：四轴及四轴以上联动称为多轴联动。
（2）插补功能
数控系统中插补功能可分为粗插补和精插补，软件每次插补一个小线段称为粗插补；根据插补的结果，将小线段分为单个脉冲输出称为精插补。
（3）进给功能
数控系统的进给功能包括快速进给、切削进给、手动连续进给、点动进给、进给率修调（倍率）、自动加减速功能。
（4）主轴功能
包括恒转速控制、恒线速控制、主轴定向停止及主轴转速修调（倍率）等。
（5）刀具功能
包括能选取刀具的数量和种类、刀具的编码方式、自动换刀方式。
（6）刀具补偿
加工过程中由于刀具磨损或更换刀具，以及机械传动中的丝杠螺距误差和反向间隙，会导致实际加工尺寸与程序规定的尺寸不一致，造成加工误差。
（7）机械误差补偿
指系统可自动补偿机械传动部件因间隙产生的误差。
（8）操作功能
数控机床通常有单段执行、跳段执行、试运行、图形模拟、机床锁住、暂停和急停功能，有的还有软件操作功能。
（9）程序管理功能
指对加工程序的检索、编制、修改、插入、删除、更名、锁住、在线编辑即后台编辑以及程序的存储通信等。
（10）字符图形显示功能
可以显示程序、参数、各种补偿量、坐标显示、故障信息、人机对话编程菜单、零件图形、刀具轨迹仿真等。
（11）辅助编程功能
数控系统通常还具有固定循环、镜像、图形缩放、子程序、宏程序、坐标系旋转、极坐标等功能。
（12）自诊断报警功能
具有人工智能功能的故障诊断系统，可用来实现对整个加工过程的监视，诊断数控系统及机床的故障，并及时报警。
（13）通信功能
数控系统一般都配有RS232C或RS422远距离串行接口，有的还具有制造自动化协议（MAP）接口，并采用光缆通信，提高数据传送速度和可靠性。
#p#数控机床加工特点#e#
（1）加工精度高
数控机床的刀具或工作台最小移动量（脉冲当量）普遍达到了0.001mm，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系统进行补偿，因此，数控机床能达到很高的加工精度。
（2）生产效率高
（5）自动化程度高
可大大减轻工人的劳动强度，减少操作人员的人数。
（6）便于生产管理的现代化
除能够完成常规的数控功能外，还能够完成零件加工时间的准确计算及零件半成品的管理工作，根据需要还可将统计结果通过数控系统的网络接口向更高一级管理计算机发送，便于管理层能随时准确地获得生产第一线资讯。
2.数控机床加工的适应性
数控机床最适合加工具有以下特点的零件：
（1）多品种、小批量生产零件；
（2）结构较复杂、精度要求较高或必须用数字方法决定的复杂曲线、曲面轮廓的零件；
（3）需频繁改型的零件或试制的零件；
（4）价格昂贵，不允许报废的关键零件；
（5）需要最小生产周期的急需零件；
（6）批量较大、精度要求高的零件。
#p#数控机床的发展#e#
（1）数控系统的发展
自1952年以来，数控系统经历了5代：
◆发展初期所用的电子器件为电子管；
◆1959年以后，采用晶体管和印刷电路板；
◆1965年以后，采用小规模集成电路，数控系统的可靠性得到进一步提高；
◆1970年以后采用的小型计算机，许多功能可以通过软件实现，称为计算机数控系统（CNC）；
◆第五代系统，是采用微处理机技术的计算机数控系统（MNC）。
由于数控技术的迅速发展，现代的数控系统更进一步向高精度、高速和多功能方向发展。不仅控制的轴数大为增加，而且其功能也远远超出控制刀具轨迹与机床动作的范畴，并能实现自动编程、自动测量、自诊断与通信联络等功能。数控系统与可编程控制器的结合，进一步提高了系统的可靠性，并使机床的强电控制逻辑柔性化。
（2）伺服系统的发展
◆前馈控制技术
是在原来的控制系统上加上速度指令的控制，这样使得跟踪滞后误差大大减小。
◆机械静、动摩擦的非线性控制技术
非线性会导致爬行现象。除采取降低静摩擦外，新型数控伺服系统还具有自动补偿机械系统静、动摩擦非线性的控制功能。
◆伺服系统的速度环和位置环均采用软件控制
更具有柔性、并能实现复杂的算法，以适应高性能的要求。
◆采用高分辨率的位置检测装置
脉冲编码器，内装微处理器组成的细分电路，使分辨率大大提高。
◆补偿技术得到发展和广泛应用
轴向运动误差补偿、丝杆螺距误差补偿、齿轮间隙补偿、热补偿和空间误差补偿等。
（3）数控机床的发展趋势
◆工序集中
使工序集中在一台机床上完成，减少了由于工序分散、工件多次装夹引起的定位误差，提高了加工精度，同时也减少了机床的台数与占地面积，压缩了工序间的辅助时间，提高生产率和经济效益。
◆高速
提高切削速度可以减少机动时间。
◆高效
①缩短换刀时间；
②采用新的刀库和换刀机械手，快速可靠；
③采用各种形式的交换工作台，同时缩短工作台交换时间；
④广泛采用脱机编程、图形模拟等技术，缩短新的加工程序在机调试时间；
⑤采用快换夹具、刀具装置以及实现对工件原点快速确定等措施，缩短机床调整时间。
◆高精度
提高机床的动态、静态刚度；减少热变形，提高其热稳定性；克服爬行和提高传动精度。
◆方便使用、提高可靠性
①加工编程方便；
②使用方便；
③诊断功能不断发展完善；
④可靠性不断提高。
（4）柔性制造技术的发展
◆柔性制造单元（FMC）
一台数控机床或加工中心装上自动装卸工件的装置，即可构成柔性制造单元。
◆柔性制造系统（FMS）
若干个FMC可组成一个FMS。FMS必须包含三个基本部分，即加工系统、传输系统和控制系统，其区别仅在于各个子系统的功能和规模。
◆计算机集成制造系统（CIMS）
CIMS包括制造工厂的生产、经营的全部活动，具有经营管理、工程设计和加工制造等主要功能。
因此，CIMS可由管理信息系统、工程设计自动化系统、制造自动化系统、质量保证系统以及计算机网络和数据库系统等6个分系统组成。
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