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數控加工的基本概念
閱讀：1516 發布時間：2020-8-101.1 數控加工的基本概念
數控加工是20世紀40年代后期發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、監控和機械制造等學科的內容。目前在制造業中數控加工已得到了廣泛應用，并在制造業中已開始占據主導地位。
數控機床是數控加工的執行單元，它是數字控制機床（Numerically Controlled Machine Tool）的簡稱，是為了滿足單件、小批、多品種自動化生產的需要而研制的一種靈活的、通用的、能夠適應產品頻繁變化的、以數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、加工質量穩定和生產效率高的優點。
1.1.1 數控與數控機床
數控（Numerical Control，NC）是以數字化信號對機床運動及加工過程進行控制的一種方法。數控機床是指應用數控技術對加工過程進行控制的機床。數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。從數控系統外部輸入的直接用于加工的程序稱為數控加工程序（簡稱為數控程序），它是機床數控系統的應用軟件。與數控系統應用軟件相對應的是數控系統內部的系統軟件，系統軟件是用于數控系統工作控制的。本書主要介紹數控程序的編制。
1．數控機床的組成與工作原理
數控機床一般包括3個基本組成部分：控制系統、伺服系統及機床主體（如圖1.1所示）。控制系統是數控機床的核心，主要作用是對輸入的零件加工程序進行數字運算和邏輯運算，然后向伺服系統發出控制信號。控制系統是一種的計算機，它由硬件和軟件組成，有些數控機床的控制系統就是將PC機配以控制系統軟件而構成的。
圖1.1 數控機床的基本組成
伺服系統的主要作用是根據控制系統發出的控制信號驅動執行元件運動。伺服系統由驅動裝置和執行元件組成，其中常用的執行元件有步進電機、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。數控機床本體結構與傳統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量，使傳動系統更為 簡單。
大多數數控機床還具有位置檢測裝置，用于檢測實際的位移量。伺服系統中的位移比較環節就是對控制位移量與實際位移量進行比較，根據比較的差值，調整控制信號，適時控制機床的運動位置。
2．數控機床的分類
數控機床的分類方法有多種，如果從數控機床應用的角度分類，可分為數控車床、數控銑床、多軸數控銑床和加工中心等。
（1）數控車床。數控車床的機床本體與普通車床在結構布局上相差不大（如圖1.2所示）。在普通車床上能夠完成的加工內容都可以在數控車床上完成，另外由于具有數控系統和伺服系統，數控車床還能加工各種復雜的回轉成形面。
（2）數控銑床。典型的立式數控銑床如圖1.3所示。其中主軸帶動刀具旋轉，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）。二軸聯動的數控銑床可以加工復雜的內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動的數控銑床上加工。
圖1.3 典型的立式數控銑床結構
（3）多軸數控銑床。如果使數控銑床的工作臺和主軸箱實現圍繞X、Y、Z坐標軸旋轉的運動（分別為A、B、C軸），則就成了多軸（四、五坐標聯動）數控銑床。如 圖l.4所示的A向和B向的轉動進給就構成了五軸數控銑床，它可以加工更為復雜的空間曲面。
（4）加工中心。如果給數控銑床配上刀庫和自動換刀裝置就構成了加工中心，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十把工具，由自動換刀裝置進行調用和更換。工件在加工中心上的一次裝夾可完成多項加工內容，生產效率與數控銑床相比大大提高。有些加工中心，不僅具有回轉刀庫，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。
圖1.4 典型的多軸數控銑床結構 圖1.5 立式加工中心的結構
1.1.2 插補原理與控制系統
1．插補原理
無論是簡單的零件形狀（由直線、圓弧等構成）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離散成直線、圓弧等，才能實現數控加工。在數控機床上加工直線或圓弧等，實際上是數控裝置根據有關的信息指令進行的“數據密化"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將圓弧段AB之間各點的坐標計算出來，再把這些點*到A、B之間，這種“數據密化"工作就是插補，計算插補點的運算稱為插補運算，實現插補運算的裝置稱為插補器。
由于數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，數控裝置就能利用控制介質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，并根據脈沖當量換算成脈沖數，然后發送相應的脈沖信號，通過伺服機構控制并加工出直線和圓弧。
在數控系統中，常用的插補方法有逐點比較法、數字積分法、時間分割法等。現將數控系統中用得多的方法——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：根據判別結果，使刀具向X或Y方向移動一步。
（3）偏差計算：當刀具移到新位置時，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，則繼續進行插補。若已達終點，則插補結束。
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
，若在OA直線的下方，則偏差值
，機床數控裝置的邏輯功能，就是能夠根據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，實現這種插補運算的裝置稱為直線插補器。數控機床中，相對于每一個脈沖信號，機床移動部件產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，它是機床移動的小移動量。有一些數控系統直接用脈沖當量數作為坐標計算單位。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）
；若該點在圓弧的內側即偏差值
。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，實現這種插補運算的裝置稱為圓弧插補器。
一般的數控裝置都具有直線和圓弧插補功能，一些高檔的數控系統還具有樣條和NURBS插補功能，樣條和NURBS插補特別適應高速數控加工。
圖1.7 直線插補 圖1.8 圓弧插補
2．控制系統
隨著電子技術的發展，數控（Numerical Control，NC）系統有了較大的發展，從硬件數控發展成計算機數控（Computer Numerical Control，CNC）。CNC與NC系統的主要區別在于：CNC機床采用的或通用的計算機控制，系統軟件安裝于內存中，只要改變計算機的控制軟件，就能實現一種新的控制方式。
計算機數控系統（CNC）是采用計算機元件與結構，并配備必要的輸入/輸出部件構成的。采用控制軟件來實現加工程序存儲、譯碼、插補運算、輔助動作邏輯聯鎖以及其他復雜功能。
完整的CNC系統分為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鎖等，并顯示各種控制信號狀態。NC部分稱為數控部分，是CNC系統的核心，主要控制機床主運動和進給運動，它又可分為計算機部分、位置控制部分和數據輸入/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*處理器（CPU）及存儲數據與程序的存儲器等組成。存儲器分為系統控制軟件存儲器（ROM）、加工程序存儲器及工作區存儲器（RAM）。ROM中的系統控制軟件程序是由數控系統生產廠家寫入的，用來完成CNC系統的各項功能。數控機床操作者將各自的加工程序存儲在RAM中，以供數控系統用來控制機床加工工件。工作區存儲器是系統程序執行過程中的活動場所，用于堆棧、參數保存、中間運算結果保存等。CPU執行系統程序，讀取加工程序，經過加工程序段譯碼、預處理計算，然后根據加工程序段指令，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。
數據輸入/輸出接口和外部設備用來實現數控系統與操作者之間的信息交換。操作者通過光電閱讀器、磁盤驅動器、手動數據輸入裝置（鍵盤）、DNC（Direct Numerical Control，直接數字控制）以及以太網等將加工程序等輸入數控系統，并通過顯示器（CRT）顯示已輸入的加工程序以及其他信息，也可以將存儲在數控系統的、經過修改并經實際加工檢驗的加工程序復制在磁盤或穿孔紙帶上。
數控系統是數控技術的關鍵。目前，數控系統正在發生根本性變革。在集成化方面，數控系統實現了超薄型、超小型化；在智能化方面，綜合了計算機、多媒體、模糊控制、神經網絡等多種學科技術，實現了高速、高精度、高效控制，加工過程中可以自動修正、調節和補償各種參數以及在線診斷和智能化故障處理；在網絡化方面，CAD/CAM與數控系統集成一體，機床聯網，實現了*集中控制的群控加工。
1.1.3 數控加工的特點
所謂數控加工就是用數控機床按照程序指令加工零件的方法，是伴隨數控機床的產生、發展而逐步完善起來的一種應用技術，數控加工的主要內容包括：
在數控機床加工前，首先考慮操作內容和動作，如工步的劃分和順序、走刀路線、位移量和切削參數等，按規定的代碼形式編排程序，再將程序輸入到數控機床的數控系統中，使數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。特別是有的數控機床具有加工過程自動監測和誤差補償等功能，因而能可靠地保證加工精度和尺寸的穩定性。同時由于數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，確保加工質量的穩定。
3 生產效率高。數控加工零件的裝夾次數較少，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節。據統計，普通機床的凈切削時間一般占總切削時間的15%～20%，而數控機床可達65%～70%，可實現自動換刀的帶刀庫數控機床甚至可達75%～80%，加工復雜工件時，效率可提高5～10倍。有交換托盤的數控機床，幾乎可以實現“零時間"裝夾。
3 特別適合加工復雜的輪廓表面。如在航空、汽車等行業普遍存在的復雜自由曲 面等。
3 數控機床是柔性制造系統的基礎單元，有利于實現計算機輔助制造。目前在制造業領域中，CAD/CAM已經被廣泛應用，數控機床及其加工技術正是計算機輔助制造系統的基礎。數控機床是柔性制造系統（Flexible Manufacturing System）的基礎單元，它使用數字信息，可以方便地與計算機輔助設計系統以及其他流水線、自動控制系統聯結，構成柔性制造系統。
3 初始投資大，加工成本高。數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*需要進行編程、調試程序和試加工，時間較長，從而使零件的加工成本高于普通機床。