（数控加工）数控技术和数控机床在实际生产中的应用

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1、 数控技术和数控机床在实际生产中的应用 数控机加工实例 前言： 第一节：数控机床的产生和发展 1949 年，美国帕森斯公司（Parsons）和麻省理工学院（MIT）开始合作， 并于 1952 年 3 月研制成功了世界上第一台数控机床， 它是一台三坐标数控铣床， 用于加工直升飞机叶片轮廓检查用样板。1955 年，该类机床进入实用化阶段， 在复杂曲面的加工中发挥了重要作用。 1958 年，我国开始研制数控车床，并在研制与推广使用数控机床方便取得 了一定成绩。近年来，由于引进了国外的数控系统与伺服系统的制造技术，是我 国的数控机床在品种、数量和质量方面得到了迅速发展。目前，我国已有几十家 机床厂能过

2、生产不同种类的数控机床和加工中心。在数控技术领域中，我国和先 进的工业国家之间还存在着不小差距，但这种差距正在缩小。 数字控制机床（Numerical Control Machine Tool,简称 NC 机床）的产生较好 的解决了复杂、精密、小批多变零件的加工问题，满足了科学技术与社会生产日 益发展的需要。 机床与普通机床、 NC 自动与半自动化机床相比具有突出的优点。 它不仅提高了加工精度和生产效率，同时也减轻了劳动强度，改善了劳动条件， 更重要的是有利于生产管理和产品的更新改型。 计算机数字控制机床（Computer Numerical Control Machine Tool,简称 C

3、NC 机床） ，也称现代数控机床，是 20 世纪 70 年代发展起来的一种新颖的数字控制 系统。它是实现柔性自动化的关键设备和柔性自动生产线的基本单元。现代数控 机床是综合应用了计算机自动控制、电气传动、精密测量、精密机械制造等技术 的最新成果而发展起来的，它采用微处理器作为机床的数控装置，通过编制各种 系统软件来实现不同的控制功能和加工功能。CNC 数控系统又称软线数控，与 早期使用专用计算机的硬线数控即 NC 数控相比，具有以下优点： 柔性好。NC 数控的控制功能是靠硬件电路来实现的。 功能强。CNC 数控利用了计算机的高度计算处理能力，实现许多复杂的 数控功能，如二次曲线插补运算、多轴联

4、动、固定循环加工、坐标偏移、图形显 示、刀具补偿等，使刀具在三维空间中能实现任意轨迹，完成复杂形面的加工过 程。 通用性好。CNC 数控可以编制不同的软件来满足各种机床的不同加工要 求，这样可以用同一种 CNC 控制装置满足多种数控机床的要求，体现出了较强 的通用性。 可靠性搞。NC 数控的零件程序是在加工过程中分段读入、分段加工的， 频繁启动光电阅读机回产生故障，引起零件程序错误，这是 NC 装置可靠性不高 的主要原因。 易于实现机电一体化。CNC 数控采用大规模集成电路和先进印刷排版技 术，采用数块印制电路板即可构成整个控制系统，使其硬件结构尺寸大大缩小， 可以与机床结合在一起，减少占地面

5、积，实现机电一体化。 第二节：数控机床的分类： 按运动轨迹分类 点位控制数控机床。 这类控制系统的特点是只控制刀具相对于工件定位点 的位置精度，不控制点与点之间的运动轨迹，在移动过程中刀具不进行切削。 直线控制数控机床。一些数控机床不仅要求具有准确的定位功能，而且要 求从一点到另一点之间按直线移动，并能控制移动的速度，因为刀具在移动过程 中要进行切削加工。 轮廓控制数控机床。轮廓控制数控机床（或称连续控制机床） ，它的特点 是能够对两个或两个以上的坐标轴方向同时进行连续控制， 并能对位移和速度进 行严格地不间断的控制。 按伺服控制系统分类 开环伺服系统数控机床。 闭环伺服系统控制机床。 半闭环

6、伺服系统数控机床。 按功能水平分类 按数控系统的功能水平，通常把数控系统分为低、中、高三类。这种分类方 式，在中国用的较多。 按工艺方法分类： 数控机床按不同工艺用途分类有数控的车床、 铣床、 磨床和齿轮加工机床等。 在数控金属成型机床中，有数控的冲压机、弯管机、裁剪机等。在特种加工机床 中有数控的电火花切割机，火焰切割机、电焊机，激光加工机等。 第三节：数控机床的应用及发展： 高速度、高精度化 现代机床 CNC 系统多采用 32 位 CPU，并向 64 位 CPU 发展，并且采用多 微处理器并行技术，使运算速度和数据处理能力得到很大提高。 由于新型 CNC 系统和伺服驱动系统系统的采用，使数

7、控机床的进给速度和 分辨率得到很大提高。在 100240m/min 的进给速度下其位移分辨率可达 1btm, 在 24m/min 的进给速度下其位移分辨率可达 0.1 btm，在 2.4m/min 的进给速度下 其位移分辨率可达 0.01 btm。 现代数控机床还充分利用 CNC 系统的补偿功能 （如 反向间隙补偿功能、螺距误差补偿功能及热补偿功能等）来提高其加工精度和动 态性能。 高可靠性 由于现代机床 CNC 系统的模块化、标准化、通用化和系列化，使其便于组 织批量生产，有利于保证产品质量。现代 CNC 系统大量采用大规模或超大规模 集成电路， 采用专用芯片及混合式集成电路， 提高了集成度

8、， 减少了元器件数量， 降低了功耗，从而提高了可靠性。 更完善的自动编程技术 由于多微处理器并行技术的采用，使数控编程从离线编程发展到在线编程， 即所谓的“前台加工，后台编程” 。通过会话自动编程系统，不仅实现了在线零 件加工程序的编制，还可以根据机床性能、工件材料及零件加工要求自动选择刀 具及最佳切削用量，生成工艺路线，并实现切削仿真，大大提高了对复杂型面编 程的效率。 更高的通信功能 为了适应自动化技术的不断发展，适应工厂自动化规模越来越大的要求，为 了使数控机床更易于进入柔性制造系统和计算机集成制造系统的控制网络中， 机 床数控系统的接口数据交换能力和通信能力在不断加强。 智能化 计算机

9、软、硬件技术的发展，人工智能技术的发展促进了机床数控系统智能 化的进程。 机床数控系统的智能化主要体现在： 将适应控制应用于数控系统中，构成适应数控系统（AC-NC System） 。在 适应数控系统中，把精细的程序控制和连续的适应调节结合起来，使系统的运行 达到最优。其主要的追求目标是：保护刀具和工件，适应材料的变化；改善尺寸 控制，提高加工精度，保持稳定的质量；寻求最高的生产率和最低的成本消耗； 简化零件程序编制，降低对操作人员经验和熟练程度的要求等。 故障诊断的智能化，即数控系统内置实时诊断软件，在数控机床整个工作 过程中进行故障诊断并指导故障的排除。一旦发生故障，除采用停机措施，利用

10、CRT 进行故障报警，提示故障发生的部位和原因外，还可以利用“冗余”技术， 自动使故障模块脱机，接通备用模块，以满足无人化工作环境的要求。在故障诊 断中，除了使用专家系统外，还将模糊数学、神经网络应用其中，取得了良好的 效果。 刀具寿命自动监控检测的运用。即利用红外、声发射（AE） 、激光等检测 手段，对刀具和工件进行监控。发现工件超差，刀具损坏，及时报警、自动进行 补偿或更换备用刀具，以确保产品质量。 数控系统的开放化 随着技术、市场、生产组织结构诸方面的快速发展，对数控机床，特别是数 控系统提出许多更新、更高的要求： 为了适应不断出现的新加工需求，数控系统应具有更强的软、硬件重构能 力，而

11、且重构成本要低，重构周期要短。 为了适应未来车间面向任务和订单的生产组织模式， 使底层生产控制系统 的集成更为简便、有效，必须改变数控系统封闭型的设计模式。 为了适应机床制造厂家的不同需要，数控系统应该具有高度的模块化，可 重新配置、修改、扩充和改装，机床制造厂家和用户可以方便地将自己的成熟技 术集成到数控系统中。 加强数控系统设计的规范化和标准化，大幅度降低数控系统开发、维护、 培训的成本和周期。 第四节：数控机床结构组成： 现代数控机床由普通机床、 机床演变而来， NC 它采用计算机数字控制方式， 用单独的伺服电动机驱动实现各个坐标方向的运动。数控机床由信息输入、数控 装置、伺服驱动及检测

12、装置、机床本体、机电接口等五大部分组成。 信息输入 数控装置 伺服驱动及检测装置 机床本体 机电接口 数控机床工作原理： 在数控机床上加工零件时， 要事先根据零件加工图样的要求确定零件的加工 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，然后通过手 动数据输入（MDI,Manual Data Input）方式或与计算机通信等方式将数控加工程 序送到数控系统，在数控系统控制软件的支持下，经过分析处理与计算后发出相 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。 数控加工特点： 与普通机床加工相比，数控加工具有如下特点： 自动化程度高。再数控机床上加

13、工零件时，除了手工装卸工件外，全部加 工过程都可由机床自动完成。再柔性制造系统上，上下料、检测、诊断、对刀、 传输、调度、管理等也都可以由机床自动完成，这样大大减轻了操作者的劳动强 度，改善了劳动条件。 具有加工复杂形状零件的能力。 复杂形状零件在飞机、 汽车、 造船、 模具、 动力设备和国防工业等部门的产品制造中具有十分重要的地位， 其加工质量直接 影响整机产品的性能。 数控加工的任意可控制性使其能完善普通加工方法难以完 成或者无法进行的复杂型面加工。 生产准备周期短。在数控机床上加工新的零件，大部分准备工作是根据零 件图样编制的数控程序，而不是去准备靠模、专用夹具等工艺装备，而且变成工 作

14、可以离线进行。这样大大缩短了生产的准备时间，因此应用数控机床十分有利 于产品的升级换代和新产品的开发。 加工精度高，质量稳定。目前，普通数控加工的尺寸精度通常可达 0.005mm，最高的尺寸精度可达0.01m。 生产效率高。 数控机床的加工效率一般比普通机床高 23 倍， 尤其在加工 复杂零件时，生产率可提高十几倍甚至几十倍。 易于建立计算机通信网络。由于数控机床使用数字信息，易与计算机辅助 设计和制造(CAD/CAM)系统连接，形成计算机辅助设计和制造与数控机床紧密 结合的一体化系统。 第五节：数控机床安全操作规定： 为保证操作人员准确合理地使用数控机床，保证数控机床的正确运转，必须 严格遵

15、守操作规程，数控机床的操作规程一般如下： 操作者必须熟悉机床的性能、结构、传动原理及控制，严禁超性能使用。 操作机床前必须紧束服装，戴好工作帽，检查机床有无异常情况，工作使 严禁戴手套。 工作台不得放置工具或其他无关物件，注意不要使刀具与工作台撞击。机 床通电启动后，先进行机械回零操作，低速运行 35min，查看各部分运转是否 正常。 加工工件前，必须进行加工模拟或试运行，严格检查调整加工原点、刀具 参数、加工参数、运动轨迹。并且要将工件清理干净，特别注意工件是否装夹牢 靠，调整工具是否已经移开。 确认操作面板上进轴的速速及其倍率开关状态， 切削加工要在各轴与主轴 的扭矩和功率范围内使用。 装

16、卸及测量工件时，把刀具移到安全位置，主轴停转。 主轴旋转切削过程中不能用手去除铁屑或触摸工件，消除铁屑时应用刷 子，不能用嘴去吹或用棉纱擦。 工作中发生步正常现象或故障时， 应立即停机排除， 或通知维修人员检测。 工作完毕后，应及时清扫机床，并将机床恢复到原始状态，各开关、手柄 放于非工作位置上。切断电源，认真执行好交接班制度。 第六节：数控机床的日常维护： 每台机床在工作一段时间以后，一些零部件总要陆续损坏，为了延长工作寿 命和正常机械磨损周期，防止意外恶性事故发生，争取机床能在较长时间内正常 工作，就必须对数控机床进行日常的维护。对每一台机床的维护保养要求，在机 床说明书上都有明确规定。第七节：加工工艺 车削加工是在由车床、车刀、车床夹具和工件共同构成的车削工艺系统中 完成的