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1.1 數(shù)控加工的基本概念

數(shù)控加工是20世紀40年代后期發(fā)展起來的一種自動化加工技術，它綜合了計算機、自動控制、電機、電氣傳動、測量、監(jiān)控和機械制造等學科的內(nèi)容。目前在制造業(yè)中數(shù)控加工已得到了廣泛應用，并在制造業(yè)中已開始占據(jù)主導地位。

數(shù)控機床是數(shù)控加工的執(zhí)行單元，它是數(shù)字控制機床（Numerically Controlled Machine Tool）的簡稱，是為了滿足單件、小批、多品種自動化生產(chǎn)的需要而研制的一種靈活的、通用的、能夠適應產(chǎn)品頻繁變化的、以數(shù)字化控制為基本特征的柔性自動化機床，具有適應性強、加工精度高、加工質(zhì)量穩(wěn)定和生產(chǎn)效率高的優(yōu)點。

1.1.1 數(shù)控與數(shù)控機床

數(shù)控（Numerical Control，NC）是以數(shù)字化信號對機床運動及加工過程進行控制的一種方法。數(shù)控機床是指應用數(shù)控技術對加工過程進行控制的機床。數(shù)控機床是一種高效的自動化加工設備，它嚴格按照加工程序，可以自動地對被加工工件進行加工。從數(shù)控系統(tǒng)外部輸入的直接用于加工的程序稱為數(shù)控加工程序（簡稱為數(shù)控程序），它是機床數(shù)控系統(tǒng)的應用軟件。與數(shù)控系統(tǒng)應用軟件相對應的是數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部的系統(tǒng)軟件，系統(tǒng)軟件是用于數(shù)控系統(tǒng)工作控制的。本書主要介紹數(shù)控程序的編制。

1．數(shù)控機床的組成與工作原理

數(shù)控機床一般包括3個基本組成部分：控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)及機床主體（如圖1.1所示）?？刂葡到y(tǒng)是數(shù)控機床的核心，主要作用是對輸入的零件加工程序進行數(shù)字運算和邏輯運算，然后向伺服系統(tǒng)發(fā)出控制信號?？刂葡到y(tǒng)是一種專用的計算機，它由硬件和軟件組成，有些數(shù)控機床的控制系統(tǒng)就是將PC機配以控制系統(tǒng)軟件而構(gòu)成的。

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圖1.1 數(shù)控機床的基本組成

伺服系統(tǒng)的主要作用是根據(jù)控制系統(tǒng)發(fā)出的控制信號驅(qū)動執(zhí)行元件運動。伺服系統(tǒng)由驅(qū)動裝置和執(zhí)行元件組成，其中常用的執(zhí)行元件有步進電機、直流伺服電機和交流伺服電機3種。

機床主體是加工運動的實際部件，包括主運動部件、進給運動部件（如工作臺、刀架）和支撐部件（如床身、立柱）等。有些數(shù)控機床還配備了特殊的部件，如刀庫、自動換刀裝置和托盤自動交換裝置等。數(shù)控機床本體結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)機床相比有很大的變化，普遍采用了滾珠絲杠、滾動導軌，傳動效率更高。由于減少了齒輪的使用數(shù)量，使傳動系統(tǒng)更為簡單。

大多數(shù)數(shù)控機床還具有位置檢測裝置，用于檢測實際的位移量。伺服系統(tǒng)中的位移比較環(huán)節(jié)就是對控制位移量與實際位移量進行比較，根據(jù)比較的差值，調(diào)整控制信號，適時控制機床的運動位置。

2．數(shù)控機床的分類

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數(shù)控機床的分類方法有多種，如果從數(shù)控機床應用的角度分類，可分為數(shù)控車床、數(shù)控銑床、多軸數(shù)控銑床和加工中心等。

（1）數(shù)控車床。數(shù)控車床的機床本體與普通車床在結(jié)構(gòu)布局上相差不大（如圖1.2所示）。在普通車床上能夠完成的加工內(nèi)容都可以在數(shù)控車床上完成，另外由于具有數(shù)控系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)，數(shù)控車床還能加工各種復雜的回轉(zhuǎn)成形面。

（2）數(shù)控銑床。典型的立式數(shù)控銑床如圖1.3所示。其中主軸帶動刀具旋轉(zhuǎn)，且主軸箱可上下移動（Z軸），工作臺可沿橫向和縱向移動（X、Y軸）。二軸聯(lián)動的數(shù)控銑床可以加工復雜的內(nèi)外型輪廓和簡單的型腔；具有復雜曲面的零件可以在三軸聯(lián)動的數(shù)控銑床上加工。

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圖1.3 典型的立式數(shù)控銑床結(jié)構(gòu)

（3）多軸數(shù)控銑床。如果使數(shù)控銑床的工作臺和主軸箱實現(xiàn)圍繞X、Y、Z坐標軸旋轉(zhuǎn)的運動（分別為A、B、C軸），則就成了多軸（四、五坐標聯(lián)動）數(shù)控銑床。如圖l.4所示的A向和B向的轉(zhuǎn)動進給就構(gòu)成了五軸數(shù)控銑床，它可以加工更為復雜的空間曲面。

（4）加工中心。如果給數(shù)控銑床配上刀庫和自動換刀裝置就構(gòu)成了加工中心，如圖1.5所示為立式加工中心。加工中心的刀庫可以存放數(shù)十把工具，由自動換刀裝置進行調(diào)用和更換。工件在加工中心上的一次裝夾可完成多項加工內(nèi)容，生產(chǎn)效率與數(shù)控銑床相比大大提高。有些高端加工中心，不僅具有回轉(zhuǎn)刀庫，還具有交換托盤，當一個工件正在加工時，可以在交換托盤內(nèi)裝夾下一個工件。當前一個工件加工完畢，下一個將要加工的工件會自動移動到工作臺上，從而節(jié)約了由于工件裝夾而用機床的時間，提高了機床的有效加工時間。

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圖1.4 典型的多軸數(shù)控銑床結(jié)構(gòu) 圖1.5 立式加工中心的結(jié)構(gòu)

1.1.2 插補原理與控制系統(tǒng)

1．插補原理

無論是簡單的零件形狀（由直線、圓弧等構(gòu)成）還是包含復雜的曲線、曲面的零件，都需要在給定的誤差范圍內(nèi)離散成直線、圓弧等，才能實現(xiàn)數(shù)控加工。在數(shù)控機床上加工直線或圓弧等，實際上是數(shù)控裝置根據(jù)有關的信息指令進行的“數(shù)據(jù)密化”工作。例如加工如圖1.6所示的一段圓弧，已知條件僅是該圓弧的起點A和終點B的坐標以及圓心O的坐標和半徑R，如果要把該圓弧光滑地描繪出來，就必須在預定的插補誤差范圍內(nèi)將圓弧段AB之間各點的坐標計算出來，再把這些點填補到A、B之間，這種“數(shù)據(jù)密化”工作就是插補，計算插補點的運算稱為插補運算，實現(xiàn)插補運算的裝置稱為插補器。

由于數(shù)控裝置具有插補運算的功能，所以只需記錄有限的信息指令，如加工直線只需記錄直線的起點和終點的坐標信息；加工圓弧只需記錄圓弧半徑、起點和終點坐標、順時針和逆時針加工等信息，數(shù)控裝置就能利用控制介質(zhì)上的這些有限的信息指令進行插補運算，將直線和圓弧的各插補點坐標計算出來，并根據(jù)脈沖當量換算成脈沖數(shù)，然后發(fā)送相應的脈沖信號，通過伺服機構(gòu)控制并加工出直線和圓弧。

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在數(shù)控系統(tǒng)中，常用的插補方法有逐點比較法、數(shù)字積分法、時間分割法等?，F(xiàn)將數(shù)控系統(tǒng)中用得最多的方法——逐點比較法的插補過程和直線圓弧插補運算方法簡介如下。

逐點比較法的插補原理可概括為“逐點比較，步步逼近”，分為以下4個步驟：

（1）偏差判別：根據(jù)偏差值判斷刀具當前位置與理想線段的相對位置，以確定下一步的走向。

（2）坐標進給：根據(jù)判別結(jié)果，使刀具向X或Y方向移動一步。

（3）偏差計算：當?shù)毒咭频叫挛恢脮r，再計算與理想線段間的偏差以確定下一步的走向。

（4）終點判別：判斷刀具是否到達終點。未到終點，則繼續(xù)進行插補。若已達終點，則插補結(jié)束。

圖1.7是應用逐點比較法插補原理進行直線插補的情形。機床在某一程序中要加工一條與X軸夾角為a的OA直線，在數(shù)控機床上加工時，刀具的運動軌跡并不是嚴格地走OA直線，而是一步一步地走階梯折線，折線與直線的最大偏差不超過插補精度允許的范圍，因此這些折線可以近似地認為是OA直線。當加工點在OA直線上方或在OA直線上，該點的偏差值圖片.png ，若在OA直線的下方，則偏差值，機床數(shù)控裝置的邏輯功能，就是能夠根據(jù)偏差值自動判別走步。當時朝+X方向進給一步，當時，朝+Y方向進給一步，每走一步自動比較一下，邊判別邊走刀，刀具依次以折線O-1-2-3-4……A逼近OA直線。就這樣，從O點起逐點插補進給一直加工到A點為止，這種具有沿平滑直線分配脈沖的功能稱為直線插補，實現(xiàn)這種插補運算的裝置稱為直線插補器。數(shù)控機床中，相對于每一個脈沖信號，機床移動部件產(chǎn)生的位移量稱為脈沖當量。在插補運算中，進給一步的移動量即一個脈沖當量，它是機床移動的最小移動量。有一些數(shù)控系統(tǒng)直接用脈沖當量數(shù)作為坐標計算單位。例如，當脈沖當量是0.001mm/脈沖時，要求向X軸正方向移動7.75mm，向Y方向移動14.89mm，用X7750Y14890表示。

應用逐點比較法插補原理進行圓弧插補的情形如圖1.8所示。機床在某一程序中要加工半徑為R的AB圓弧，在數(shù)控機床上加工時，刀具的運動軌跡也是一步一步地走階梯折線，折線與圓弧的最大偏差不超過插補精度允許的范圍，因此這些折線可以近似地認為是AB圓弧。當加工點在AB圓弧外側(cè)或在AB圓弧上，偏差值（該點到原點O的距離與半徑R的比值）圖片.png ；若該點在圓弧的內(nèi)側(cè)即偏差值。加工時，當時，朝-X方向進給一步；當時，朝+Y方向進給一步，刀具沿折線A-1-2-3-4……B依次逼近圓弧，從起點A逐點穿插進給一直加工到B點為止。這種沿圓弧分配脈沖的功能稱為圓弧插補，實現(xiàn)這種插補運算的裝置稱為圓弧插補器。

一般的數(shù)控裝置都具有直線和圓弧插補功能，一些高檔的數(shù)控系統(tǒng)還具有樣條和NURBS插補功能，樣條和NURBS插補特別適應高速數(shù)控加工。

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圖1.7 直線插補圖1.8 圓弧插補

2．控制系統(tǒng)

隨著電子技術的發(fā)展，數(shù)控（Numerical Control，NC）系統(tǒng)有了較大的發(fā)展，從硬件數(shù)控發(fā)展成計算機數(shù)控（Computer Numerical Control，CNC）。CNC與NC系統(tǒng)的主要區(qū)別在于：CNC機床采用專用的或通用的計算機控制，系統(tǒng)軟件安裝于內(nèi)存中，只要改變計算機的控制軟件，就能實現(xiàn)一種新的控制方式。

計算機數(shù)控系統(tǒng)（CNC）是采用計算機元件與結(jié)構(gòu)，并配備必要的輸入/輸出部件構(gòu)成的。采用控制軟件來實現(xiàn)加工程序存儲、譯碼、插補運算、輔助動作邏輯聯(lián)鎖以及其他復雜功能。

完整的CNC系統(tǒng)分為PC部分與NC部分。PC部分稱為可編程控制器，它主要接收程序中輔助功能指令或操作控制面板的操作指令，控制各種輔助動作及其聯(lián)鎖等，并顯示各種控制信號狀態(tài)。NC部分稱為數(shù)控部分，是CNC系統(tǒng)的核心，主要控制機床主運動和進給運動，它又可分為計算機部分、位置控制部分和數(shù)據(jù)輸入/輸出接口及外部設備等。

與通用計算機一樣，NC的計算機部分由中央處理器（CPU）及存儲數(shù)據(jù)與程序的存儲器等組成。存儲器分為系統(tǒng)控制軟件存儲器（ROM）、加工程序存儲器及工作區(qū)存儲器（RAM）。ROM中的系統(tǒng)控制軟件程序是由數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家寫入的，用來完成CNC系統(tǒng)的各項功能。數(shù)控機床操作者將各自的加工程序存儲在RAM中，以供數(shù)控系統(tǒng)用來控制機床加工工件。工作區(qū)存儲器是系統(tǒng)程序執(zhí)行過程中的活動場所，用于堆棧、參數(shù)保存、中間運算結(jié)果保存等。CPU執(zhí)行系統(tǒng)程序，讀取加工程序，經(jīng)過加工程序段譯碼、預處理計算，然后根據(jù)加工程序段指令，進行實時插補與機床位置伺服控制，同時將輔助動作指令通過計算機送往機床，并接受通過計算機返回機床的各部分信息，以確定下一步操作。

位置控制部分有兩種，一種是進給位置控制，另一種是主軸位置伺服控制。兩者均由位置控制單元、速度控制單元和進給或主軸伺服電動機組成。主軸位置伺服只用于主軸多點定向和螺紋切削。在一般切削時不需要位置控制，僅用速度控制就可以了。

數(shù)據(jù)輸入/輸出接口和外部設備用來實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)與操作者之間的信息交換。操作者通過光電閱讀器、磁盤驅(qū)動器、手動數(shù)據(jù)輸入裝置（鍵盤）、DNC（Direct Numerical Control，直接數(shù)字控制）以及以太網(wǎng)等將加工程序等輸入數(shù)控系統(tǒng)，并通過顯示器（CRT）顯示已輸入的加工程序以及其他信息，也可以將存儲在數(shù)控系統(tǒng)的、經(jīng)過修改并經(jīng)實際加工檢驗的加工程序復制在磁盤或穿孔紙帶上。

數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控技術的關鍵。目前，數(shù)控系統(tǒng)正在發(fā)生根本性變革。在集成化方面，數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)了超薄型、超小型化；在智能化方面，綜合了計算機、多媒體、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡等多種學科技術，實現(xiàn)了高速、高精度、高效控制，加工過程中可以自動修正、調(diào)節(jié)和補償各種參數(shù)以及在線診斷和智能化故障處理；在網(wǎng)絡化方面，CAD/CAM與數(shù)控系統(tǒng)集成一體，機床聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)了中央集中控制的群控加工。

1.1.3 數(shù)控加工的特點

所謂數(shù)控加工就是用數(shù)控機床按照程序指令加工零件的方法，是伴隨數(shù)控機床的產(chǎn)生、發(fā)展而逐步完善起來的一種應用技術，數(shù)控加工的主要內(nèi)容包括：

在數(shù)控機床加工前，首先考慮操作內(nèi)容和動作，如工步的劃分和順序、走刀路線、位移量和切削參數(shù)等，按規(guī)定的代碼形式編排程序，再將程序輸入到數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)中，使數(shù)控機床按所編程序運動，從而自動加工出所要求的零件輪廓。

數(shù)控加工與普通機床加工相比具有以下特點：

3 加工的零件精度高、一致性好。數(shù)控機床在整體設計中考慮了整機剛度和零件的制造精度，又采用高精度的滾珠絲杠傳動副，機床的定位精度和重復定位精度都很高。特別是有的數(shù)控機床具有加工過程自動監(jiān)測和誤差補償?shù)裙δ?，因而能可靠地保證加工精度和尺寸的穩(wěn)定性。同時由于數(shù)控加工消除了操作者的主觀誤差，從而保證了零件加工的一致性，確保加工質(zhì)量的穩(wěn)定。

3 生產(chǎn)效率高。數(shù)控加工零件的裝夾次數(shù)較少，一次裝夾可加工出很多表面，省去了畫線找正和檢測等許多中間環(huán)節(jié)。據(jù)統(tǒng)計，普通機床的凈切削時間一般占總切削時間的15%～20%，而數(shù)控機床可達65%～70%，可實現(xiàn)自動換刀的帶刀庫數(shù)控機床甚至可達75%～80%，加工復雜工件時，效率可提高5～10倍。有交換托盤的數(shù)控機床，幾乎可以實現(xiàn)“零時間”裝夾。

3 特別適合加工復雜的輪廓表面。如在航空、汽車等行業(yè)普遍存在的復雜自由曲面等。

3 數(shù)控機床是柔性制造系統(tǒng)的基礎單元，有利于實現(xiàn)計算機輔助制造。目前在制造業(yè)領域中，CAD/CAM已經(jīng)被廣泛應用，數(shù)控機床及其加工技術正是計算機輔助制造系統(tǒng)的基礎。數(shù)控機床是柔性制造系統(tǒng)（Flexible Manufacturing System）的基礎單元，它使用數(shù)字信息，可以方便地與計算機輔助設計系統(tǒng)以及其他流水線、自動控制系統(tǒng)聯(lián)結(jié)，構(gòu)成柔性制造系統(tǒng)。

3 初始投資大，加工成本高。數(shù)控機床的價格一般是普通機床的若干倍，機床備件的價格也高；另外加工首件需要進行編程、調(diào)試程序和試加工，時間較長，從而使零件的加工成本高于普通機床。

數(shù)控加工的基本概念

1.1 數(shù)控加工的基本概念

1.1.1 數(shù)控與數(shù)控機床

1．數(shù)控機床的組成與工作原理

2．數(shù)控機床的分類

1.1.2 插補原理與控制系統(tǒng)

1．插補原理

2．控制系統(tǒng)

1.1.3 數(shù)控加工的特點

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