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數(shù)控加工的基本概念
閱讀：1489 發(fā)布時(shí)間：2020-8-101.1 數(shù)控加工的基本概念
數(shù)控加工是20世紀(jì)40年代后期發(fā)展起來的一種自動(dòng)化加工技術(shù)，它綜合了計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、電機(jī)、電氣傳動(dòng)、測(cè)量、監(jiān)控和機(jī)械制造等學(xué)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(yīng)用，并在制造業(yè)中已開始占據(jù)主導(dǎo)地位。
數(shù)控機(jī)床是數(shù)控加工的執(zhí)行單元，它是數(shù)字控制機(jī)床（Numerically Controlled Machine Tool）的簡稱，是為了滿足單件、小批、多品種自動(dòng)化生產(chǎn)的需要而研制的一種靈活的、通用的、能夠適應(yīng)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(dòng)化機(jī)床，具有適應(yīng)性強(qiáng)、加工精度高、加工質(zhì)量穩(wěn)定和生產(chǎn)效率高的優(yōu)點(diǎn)。
1.1.1 數(shù)控與數(shù)控機(jī)床
數(shù)控（Numerical Control，NC）是以數(shù)字化信號(hào)對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)及加工過程進(jìn)行控制的一種方法。數(shù)控機(jī)床是指應(yīng)用數(shù)控技術(shù)對(duì)加工過程進(jìn)行控制的機(jī)床。數(shù)控機(jī)床是一種高效的自動(dòng)化加工設(shè)備，它嚴(yán)格按照加工程序，可以自動(dòng)地對(duì)被加工工件進(jìn)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(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用軟件。與數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用軟件相對(duì)應(yīng)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．?dāng)?shù)控機(jī)床的組成與工作原理
數(shù)控機(jī)床一般包括3個(gè)基本組成部分：控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)及機(jī)床主體（如圖1.1所示）。控制系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的核心，主要作用是對(duì)輸入的零件加工程序進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算和邏輯運(yùn)算，然后向伺服系統(tǒng)發(fā)出控制信號(hào)。控制系統(tǒng)是一種的計(jì)算機(jī)，它由硬件和軟件組成，有些數(shù)控機(jī)床的控制系統(tǒng)就是將PC機(jī)配以控制系統(tǒng)軟件而構(gòu)成的。
圖1.1 數(shù)控機(jī)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(hào)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)。伺服系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)裝置和執(zhí)行元件組成，其中常用的執(zhí)行元件有步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)3種。
機(jī)床主體是加工運(yùn)動(dòng)的實(shí)際部件，包括主運(yùn)動(dòng)部件、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)部件（如工作臺(tái)、刀架）和支撐部件（如床身、立柱）等。有些數(shù)控機(jī)床還配備了特殊的部件，如刀庫、自動(dòng)換刀裝置和托盤自動(dòng)交換裝置等。數(shù)控機(jī)床本體結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)機(jī)床相比有很大的變化，普遍采用了滾珠絲杠、滾動(dòng)導(dǎo)軌，傳動(dòng)效率更高。由于減少了齒輪的使用數(shù)量，使傳動(dòng)系統(tǒng)更為 簡單。
大多數(shù)數(shù)控機(jī)床還具有位置檢測(cè)裝置，用于檢測(cè)實(shí)際的位移量。伺服系統(tǒng)中的位移比較環(huán)節(jié)就是對(duì)控制位移量與實(shí)際位移量進(jìn)行比較，根據(jù)比較的差值，調(diào)整控制信號(hào)，適時(shí)控制機(jī)床的運(yùn)動(dòng)位置。
2．?dāng)?shù)控機(jī)床的分類
數(shù)控機(jī)床的分類方法有多種，如果從數(shù)控機(jī)床應(yīng)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(jī)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(fù)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(dòng)刀具旋轉(zhuǎn)，且主軸箱可上下移動(dòng)（Z軸），工作臺(tái)可沿橫向和縱向移動(dòng)（X、Y軸）。二軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控銑床可以加工復(fù)雜的內(nèi)外型輪廓和簡單的型腔；具有復(fù)雜曲面的零件可以在三軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控銑床上加工。
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(tái)和主軸箱實(shí)現(xiàn)圍繞X、Y、Z坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)（分別為A、B、C軸），則就成了多軸（四、五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)）數(shù)控銑床。如 圖l.4所示的A向和B向的轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)給就構(gòu)成了五軸數(shù)控銑床，它可以加工更為復(fù)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(dòng)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(dòng)換刀裝置進(jìn)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(xiàng)加工內(nèi)容，生產(chǎn)效率與數(shù)控銑床相比大大提高。有些加工中心，不僅具有回轉(zhuǎn)刀庫，還具有交換托盤，當(dāng)一個(gè)工件正在加工時(shí)，可以在交換托盤內(nèi)裝夾下一個(gè)工件。當(dāng)前一個(gè)工件加工完畢，下一個(gè)將要加工的工件會(huì)自動(dòng)移動(dòng)到工作臺(tái)上，從而節(jié)約了由于工件裝夾而用機(jī)床的時(shí)間，提高了機(jī)床的有效加工時(shí)間。
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(bǔ)原理與控制系統(tǒng)
1．插補(bǔ)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(fù)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(shí)現(xiàn)數(shù)控加工。在數(shù)控機(jī)床上加工直線或圓弧等，實(shí)際上是數(shù)控裝置根據(jù)有關(guān)的信息指令進(jìn)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(diǎn)A和終點(diǎn)B的坐標(biāo)以及圓心O的坐標(biāo)和半徑R，如果要把該圓弧光滑地描繪出來，就必須在預(yù)定的插補(bǔ)誤差范圍內(nèi)將圓弧段AB之間各點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算出來，再把這些點(diǎn)*到A、B之間，這種“數(shù)據(jù)密化"工作就是插補(bǔ)，計(jì)算插補(bǔ)點(diǎn)的運(yùn)算稱為插補(bǔ)運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)運(yùn)算的裝置稱為插補(bǔ)器。
由于數(shù)控裝置具有插補(bǔ)運(yùn)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(diǎn)和終點(diǎn)的坐標(biāo)信息；加工圓弧只需記錄圓弧半徑、起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)、順時(shí)針和逆時(shí)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(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，將直線和圓弧的各插補(bǔ)點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算出來，并根據(jù)脈沖當(dāng)量換算成脈沖數(shù)，然后發(fā)送相應(yīng)的脈沖信號(hào)，通過伺服機(jī)構(gòu)控制并加工出直線和圓弧。
在數(shù)控系統(tǒng)中，常用的插補(bǔ)方法有逐點(diǎn)比較法、數(shù)字積分法、時(shí)間分割法等。現(xiàn)將數(shù)控系統(tǒng)中用得多的方法——逐點(diǎn)比較法的插補(bǔ)過程和直線圓弧插補(bǔ)運(yùn)算方法簡介如下。
逐點(diǎn)比較法的插補(bǔ)原理可概括為“逐點(diǎn)比較，步步逼近"，分為以下4個(gè)步驟：
（1）偏差判別：根據(jù)偏差值判斷刀具當(dāng)前位置與理想線段的相對(duì)位置，以確定下一步的走向。
（2）坐標(biāo)進(jìn)給：根據(jù)判別結(jié)果，使刀具向X或Y方向移動(dòng)一步。
（3）偏差計(jì)算：當(dāng)?shù)毒咭频叫挛恢脮r(shí)，再計(jì)算與理想線段間的偏差以確定下一步的 走向。
（4）終點(diǎn)判別：判斷刀具是否到達(dá)終點(diǎn)。未到終點(diǎn)，則繼續(xù)進(jìn)行插補(bǔ)。若已達(dá)終點(diǎn)，則插補(bǔ)結(jié)束。
圖1.7是應(yīng)用逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)原理進(jìn)行直線插補(bǔ)的情形。機(jī)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(jī)床上加工時(shí)，刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡并不是嚴(yán)格地走OA直線，而是一步一步地走階梯折線，折線與直線的大偏差不超過插補(bǔ)精度允許的范圍，因此這些折線可以近似地認(rèn)為是OA直線。當(dāng)加工點(diǎn)在OA直線上方或在OA直線上，該點(diǎn)的偏差值
，若在OA直線的下方，則偏差值
，機(jī)床數(shù)控裝置的邏輯功能，就是能夠根據(jù)偏差值自動(dòng)判別走步。當(dāng)
時(shí)朝+X方向進(jìn)給一步，當(dāng)
時(shí)，朝+Y方向進(jìn)給一步，每走一步自動(dòng)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(diǎn)起逐點(diǎn)插補(bǔ)進(jìn)給一直加工到A點(diǎn)為止，這種具有沿平滑直線分配脈沖的功能稱為直線插補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)這種插補(bǔ)運(yùn)算的裝置稱為直線插補(bǔ)器。數(shù)控機(jī)床中，相對(duì)于每一個(gè)脈沖信號(hào)，機(jī)床移動(dòng)部件產(chǎn)生的位移量稱為脈沖當(dāng)量。在插補(bǔ)運(yùn)算中，進(jìn)給一步的移動(dòng)量即一個(gè)脈沖當(dāng)量，它是機(jī)床移動(dòng)的小移動(dòng)量。有一些數(shù)控系統(tǒng)直接用脈沖當(dāng)量數(shù)作為坐標(biāo)計(jì)算單位。例如，當(dāng)脈沖當(dāng)量是0.001mm/脈沖時(shí)，要求向X軸正方向移動(dòng)7.75mm，向Y方向移動(dòng)14.89mm，用X7750Y14890表示。
應(yīng)用逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)原理進(jìn)行圓弧插補(bǔ)的情形如圖1.8所示。機(jī)床在某一程序中要加工半徑為R的AB圓弧，在數(shù)控機(jī)床上加工時(shí)，刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡也是一步一步地走階梯折線，折線與圓弧的大偏差不超過插補(bǔ)精度允許的范圍，因此這些折線可以近似地認(rèn)為是AB圓弧。當(dāng)加工點(diǎn)在AB圓弧外側(cè)或在AB圓弧上，偏差值（該點(diǎn)到原點(diǎn)O的距離與半徑R的比值）
；若該點(diǎn)在圓弧的內(nèi)側(cè)即偏差值
。加工時(shí)，當(dāng)
時(shí)，朝-X方向進(jìn)給一步；當(dāng)
時(shí)，朝+Y方向進(jìn)給一步，刀具沿折線A-1-2-3-4……B依次逼近圓弧，從起點(diǎn)A逐點(diǎn)穿插進(jìn)給一直加工到B點(diǎn)為止。這種沿圓弧分配脈沖的功能稱為圓弧插補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)這種插補(bǔ)運(yùn)算的裝置稱為圓弧插補(bǔ)器。
一般的數(shù)控裝置都具有直線和圓弧插補(bǔ)功能，一些高檔的數(shù)控系統(tǒng)還具有樣條和NURBS插補(bǔ)功能，樣條和NURBS插補(bǔ)特別適應(yīng)高速數(shù)控加工。
圖1.7 直線插補(bǔ) 圖1.8 圓弧插補(bǔ)
2．控制系統(tǒng)
隨著電子技術(shù)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(jì)算機(jī)數(shù)控（Computer Numerical Control，CNC）。CNC與NC系統(tǒng)的主要區(qū)別在于：CNC機(jī)床采用的或通用的計(jì)算機(jī)控制，系統(tǒng)軟件安裝于內(nèi)存中，只要改變計(jì)算機(jī)的控制軟件，就能實(shí)現(xiàn)一種新的控制方式。
計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)（CNC）是采用計(jì)算機(jī)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(shí)現(xiàn)加工程序存儲(chǔ)、譯碼、插補(bǔ)運(yùn)算、輔助動(dòng)作邏輯聯(lián)鎖以及其他復(fù)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(dòng)作及其聯(lián)鎖等，并顯示各種控制信號(hào)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(jī)床主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，它又可分為計(jì)算機(jī)部分、位置控制部分和數(shù)據(jù)輸入/輸出接口及外部設(shè) 備等。
與通用計(jì)算機(jī)一樣，NC的計(jì)算機(jī)部分由*處理器（CPU）及存儲(chǔ)數(shù)據(jù)與程序的存儲(chǔ)器等組成。存儲(chǔ)器分為系統(tǒng)控制軟件存儲(chǔ)器（ROM）、加工程序存儲(chǔ)器及工作區(qū)存儲(chǔ)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(xiàng)功能。數(shù)控機(jī)床操作者將各自的加工程序存儲(chǔ)在RAM中，以供數(shù)控系統(tǒng)用來控制機(jī)床加工工件。工作區(qū)存儲(chǔ)器是系統(tǒng)程序執(zhí)行過程中的活動(dòng)場所，用于堆棧、參數(shù)保存、中間運(yùn)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(yù)處理計(jì)算，然后根據(jù)加工程序段指令，進(jìn)行實(shí)時(shí)插補(bǔ)與機(jī)床位置伺服控制，同時(shí)將輔助動(dòng)作指令通過計(jì)算機(jī)送往機(jī)床，并接受通過計(jì)算機(jī)返回機(jī)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(jìn)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(jìn)給或主軸伺服電動(dòng)機(jī)組成。主軸位置伺服只用于主軸多點(diǎn)定向和螺紋切削。在一般切削時(shí)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(shè)備用來實(shí)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(dòng)器、手動(dòng)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(chǔ)在數(shù)控系統(tǒng)的、經(jīng)過修改并經(jīng)實(shí)際加工檢驗(yàn)的加工程序復(fù)制在磁盤或穿孔紙帶上。
數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控技術(shù)的關(guān)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(shí)現(xiàn)了超薄型、超小型化；在智能化方面，綜合了計(jì)算機(jī)、多媒體、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等多種學(xué)科技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高速、高精度、高效控制，加工過程中可以自動(dòng)修正、調(diào)節(jié)和補(bǔ)償各種參數(shù)以及在線診斷和智能化故障處理；在網(wǎng)絡(luò)化方面，CAD/CAM與數(shù)控系統(tǒng)集成一體，機(jī)床聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了*集中控制的群控加工。
1.1.3 數(shù)控加工的特點(diǎn)
所謂數(shù)控加工就是用數(shù)控機(jī)床按照程序指令加工零件的方法，是伴隨數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生、發(fā)展而逐步完善起來的一種應(yīng)用技術(shù)，數(shù)控加工的主要內(nèi)容包括：
在數(shù)控機(jī)床加工前，首先考慮操作內(nèi)容和動(dòng)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(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)中，使數(shù)控機(jī)床按所編程序運(yùn)動(dòng)，從而自動(dòng)加工出所要求的零件輪廓。
數(shù)控加工與普通機(jī)床加工相比具有以下特點(diǎn)：
3 加工的零件精度高、一致性好。數(shù)控機(jī)床在整體設(shè)計(jì)中考慮了整機(jī)剛度和零件的制造精度，又采用高精度的滾珠絲杠傳動(dòng)副，機(jī)床的定位精度和重復(fù)定位精度都很高。特別是有的數(shù)控機(jī)床具有加工過程自動(dòng)監(jiān)測(cè)和誤差補(bǔ)償?shù)裙δ埽蚨芸煽康乇ＷC加工精度和尺寸的穩(wěn)定性。同時(shí)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(cè)等許多中間環(huán)節(jié)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，普通機(jī)床的凈切削時(shí)間一般占總切削時(shí)間的15%～20%，而數(shù)控機(jī)床可達(dá)65%～70%，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀的帶刀庫數(shù)控機(jī)床甚至可達(dá)75%～80%，加工復(fù)雜工件時(shí)，效率可提高5～10倍。有交換托盤的數(shù)控機(jī)床，幾乎可以實(shí)現(xiàn)“零時(shí)間"裝夾。
3 特別適合加工復(fù)雜的輪廓表面。如在航空、汽車等行業(yè)普遍存在的復(fù)雜自由曲 面等。
3 數(shù)控機(jī)床是柔性制造系統(tǒng)的基礎(chǔ)單元，有利于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助制造。目前在制造業(yè)領(lǐng)域中，CAD/CAM已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，數(shù)控機(jī)床及其加工技術(shù)正是計(jì)算機(jī)輔助制造系統(tǒng)的基礎(chǔ)。數(shù)控機(jī)床是柔性制造系統(tǒng)（Flexible Manufacturing System）的基礎(chǔ)單元，它使用數(shù)字信息，可以方便地與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)以及其他流水線、自動(dòng)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(jī)床的價(jià)格一般是普通機(jī)床的若干倍，機(jī)床備件的價(jià)格也高；另外加工*需要進(jìn)行編程、調(diào)試程序和試加工，時(shí)間較長，從而使零件的加工成本高于普通機(jī)床。