数控加工技术概述

1.1.1 数控机床的产生及发展

随着科技与生产的发展，机械产品日益精密复杂，更新换代日趋频繁，这就要求加工设备具有更高的精度和效率。另外，在产品加工过程中，单件小批量生产的零件占机械加工总量的80%以上，加工这种品种多、批量少、形状复杂的零件也要求通用性和灵活性较高的加工设备。数控机床就是一种灵活、通用、高精度、高效率的“柔性”自动化生产设备，数控机床是为了解决复杂型面零件加工的自动化而产生的。

1946年，诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。它与人类在农业、工业生产中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比，有了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础。

1949年，美国Parson公司与麻省理工学院开始合作，历时三年研制出能进行三轴控制的数控铣床样机，取名Numerical Control。

1953年，麻省理工学院开发出只需确定零件轮廓、指定切削路线，即可生成NC(数控)程序的自动编程语言。

1959年，美国Keaney＆Trecker公司成功开发了带刀库，能自动进行刀具更换，即一次装夹就能进行铣、钻、镗、攻丝等多种加工功能的数控机床，这就是数控机床的新种类——加工中心。

1968年，英国首次将多台数控机床、无人化搬运小车和自动仓库在计算机控制下连接成自动加工系统，这就是柔性制造系统(FMS)。

1974年，微处理器开始用于机床的数控系统中，从此CNC(计算机数控)系统软线数控技术随着计算机技术的发展得以快速发展。

1976年，美国Lockhead公司开始使用图像编程。利用CAD(计算机辅助设计)绘出加工零件的模型，在显示器上“指点”被加工的部位，输入所需的工艺参数，即可由计算机自动计算刀具路径，模拟加工状态，获得NC程序。

DNC(直接数控)技术始于20世纪60年代末期。它是使用一台通用计算机，直接控制和管理一群数控机床及数控加工中心，进行多品种、多工序自动加工的技术。DNC技术是FMS柔性制造技术的基础，现代数控机床上的DNC接口就是机床数控装置与通用计算机之间进行数据传送及通信控制用的，也是数控机床之间实现通信的接口。随着DNC技术的发展，数控机床已成为无人控制工厂的基本组成单元。

20世纪90年代初，出现了包括市场预测、生产决策、产品设计与制造和销售等全过程均由计算机集成管理和控制的计算机集成制造系统(CIMS)。其中，数控是其基本控制单元。

20世纪90年代，基于PC-NC的智能数控系统开始得到发展，它打破了原数控厂家各自为政的封闭式专用系统结构模式，提供开放式基础，使升级换代变得非常容易。充分利用现有PC的软、硬件资源，使远程控制、远程检测诊断能够得以实现。

我国虽然早在1958年就开始研制数控机床，但由于历史原因，一直没有取得实质性成果。20世纪70年代初期，曾掀起研制数控机床的热潮，但当时采用的是分立元件，性能不稳定，可靠性差。1980年北京机床研究所引进日本FANUC 5、FANUC 7、FANUC 3、FANUC 6数控系统，上海机床研究所引进美国GE公司的MTC-1数控系统，辽宁精密仪器厂引进美国Bendix公司的Dynapth LTD10数控系统。在引进、消化、吸收国外先进技术的基础上，北京机床研究所开发出BS03经济型数控系统和BS04全功能数控系统，航天部706所研制出MNC864数控系统。“八五”期间国家又组织近百个单位进行以发展自主知识产权为目标的“数控技术攻关”，为数控技术产业化奠定了基础。20世纪90年代末，华中数控自主开发出基于PC-NC的HNC数控系统，达到了国际先进水平，增强了我国数控机床在国际上的竞争实力。

1.1.2 数控机床的加工原理与特点

1. 数控机床的加工原理

当使用机床加工零件时，通常都需要对机床的各种动作进行控制，一是控制动作的先后次序，二是控制机床各运动部件的位移量。采用普通机床加工时，开车、停车、走刀、换向、主轴变速和开关切削液等操作都是由人工直接控制的。采用自动机床和仿形机床加工时，上述操作和运动参数则是通过设计好的凸轮、靠模和挡块等装置以模拟量的形式来控制的，它们虽能加工比较复杂的零件，且有一定的灵活性和通用性，但是零件的加工精度受凸轮、靠模制造精度的影响，而且工序准备时间也很长。

采用数控机床加工零件时，只需要将零件图形和工艺参数、加工步骤等以数字信息的形式，编成程序代码输入到机床控制系统中，再由其进行运算处理后转成伺服驱动机构的指令信号，即可控制机床各部件协调动作，自动地加工出零件来。当更换加工对象时，只需要重新编写程序代码，即可完成由数控装置自动控制加工的全过程，制造出任意复杂的零件。数控加工过程总体上可分为数控程序编制和机床加工控制两大部分。数控机床工作原理如图1-1所示。

数控机床的控制系统一般都能按照NC程序指令控制机床实现主轴自动启停、换向和变速;能自动控制进给速度、方向和加工路线，进行加工;能选择刀具并根据刀具尺寸调整吃刀量及行走轨迹;能完成加工中所需要的各种辅助动作。

图1-1 数控机床工作原理

2. 数控机床的加工特点

1) 自动化程度高，具有很高的生产效率

除手工装夹毛坯外，其余全部加工过程都可由数控机床自动完成。若配合自动装卸手段，则成为无人控制工厂的基本组成环节。数控加工减轻了操作者的劳动强度，改善了劳动条件，省去了划线、多次装夹定位、检测等工序及其辅助操作，有效地提高了生产效率。

2) 对加工对象的适应性强

改变加工对象时，除了更换刀具和解决毛坯装夹方式外，只需重新编程即可，不需要做其他任何复杂的调整，从而缩短了生产准备周期。

3) 加工精度高，质量稳定

加工尺寸精度在0.005～0.01mm之间，不受零件复杂程度的影响。由于大部分操作都由机器自动完成，因而消除了人为误差，提高了批量零件尺寸的一致性，同时精密控制的机床上还采用了位置检测装置，提高了数控加工的精度。

4) 易于建立与计算机间的通信联络，容易实现群控

由于机床采用数字信息控制，易于与计算机辅助设计系统连接，形成CAD/CAM一体化系统，并且可以建立各机床间的联系，容易实现群控。

5) 具有良好的经济效益

数控机床虽然设备昂贵，加工时分摊到每个零件上的设备折旧费较高，但在单件小批量生产的情况下，数控机床可节省划线工时，减少调整、加工和检验时间，节省直接生产费用。数控机床加工精度稳定，降低了废品率，使生产成本下降。此外，数控机床可实现一机多用，节省厂房面积和建厂投资。因此使用数控机床可获得良好的经济效益。

1.1.3 数控加工常用术语及典型数控系统

1. 数控加工常用术语

数字控制(numerical control)技术:简称数控(NC)技术，指用数字化的信息对机床运动及加工过程进行控制的一种方法技术。计算机数控技术称为CNC技术。

数控机床(numerical control machine tool):数控机床是采用数字控制技术的机械设备，是一种以数字量作为指令信息形式，通过专用的或通用的电子计算机控制的机床。数控机床是一种具有高质、高效、高度自动化、高度灵活性，适合加工精度要求高、形状复杂的零件的工具。现在，制造业已广泛采用数控机床，几乎所有的加工机械都已数控化。

数控系统(numerically controlled system):采用数控技术的控制系统，包括数控装置、可编程控制器、主轴驱动及进给装置等。

数控程序(NC program):输入NC或CNC机床，执行一个确定的加工任务的一系列指令，称为数控程序或零件程序，编写指令的过程称为数控编程(NC programming)。

数控加工工艺:数控加工工艺是采用数控机床加工零件时运用各种方法和技术手段的总和。数控加工工艺应用于整个数控加工的全过程。

数控加工(NC machining):根据零件图样及工艺要求等原始条件编制零件NC程序，输入数控系统，控制数控机床中刀具与工件的相对运动，从而完成对零件的加工。数控加工是制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础。数控加工技术是将金属切削加工(包括机床、刀具、切削、工艺等相关知识)、数控编程、数控加工、数控加工工艺、CAM等技术综合在一起的先进加工技术。

2. 典型数控系统

数控系统由数控装置、伺服系统和反馈系统组成。在数控机床中，数控系统采用数字代码形式的信息指令控制机床运动部件的速度和轨迹，以实现对零件给定形状的加工。

数控机床配置的数控系统不同，其功能和性能有很大差异。目前，数控系统应用较多的有国外的FANUC(日本)、SIEMENS(德国)、FAGOR(西班牙)，以及国内的华中数控、广州数控、航天数控等系统。

1) 日本FANUC系列数控系统

FANUC公司是生产数控系统和工业机器人的著名厂家，该公司自20世纪60年代生产数控系统以来，已经开发出40多种的系列产品。

1979年，FANUC公司研制出数控系统FANUC 6，它是具备一般功能和部分高级功能的中档CNC系统，FANUC 6M适合于铣床和加工中心，FANUC 6T适合于车床。与过去机型比较，该系统使用了大容量磁盘存储器，专用于大规模集成电路，元件总数减少了30%。它还备有用户自己制作的特有变量型子程序的用户宏程序。

1980年，在系统FANUC 6的基础上同时向低档和高档两个方向发展，研制了系统FANUC 3和系统FANUC 9。系统FANUC 3是在系统FANUC 6的基础上简化而形成的，体积小，成本低，容易组成机电一体化系统，适用于小型、廉价的机床。系统FANUC 9是在系统FANUC 6的基础上强化而形成的具备高级性能的可变软件型CNC系统。通过变换软件可适应任何不同用途，尤其适合加工复杂而昂贵的航空部件及要求高度可靠的多轴联动重型数控机床等。

1984年，FANUC又推出新型系列产品:数控系统FANUC 10、系统FANUC 11和系统FANUC 12。该系列产品在硬件方面做了较大改进，凡是能够集成的都做成了大规模集成电路，其中包含了8000个门电路的专用大规模集成电路芯片有3种，其引出脚竟多达179个;其他的专用大规模集成电路芯片有4种，厚膜电路芯片22种;还有32位的高速处理器、4MB的磁泡存储器等，元件数比前期同类产品又减少30%。该系列采用了光导纤维技术，使过去在数控装置与机床以及控制面板之间的几百根电缆大幅度减少，提高了抗干扰性和可靠性。该系统在DNC方面能够实现主计算机与机床、工作台、机械手、搬运车等之间的各类数据的双向传送。它的PLC装置使用了独特的无触点、无极性输出和大电流、高电压输出电路，能促使强电柜的半导体化。此外，PLC的编程不仅可以使用梯形图语言，还可以使用PASCAL语言，便于用户自己开发软件。数控系统FANUC 10、FANUC 11、FANUC 12还充实了专用宏功能、自动计划功能、自动刀具补偿功能、刀具寿命管理、彩色图形显示CRT等。

1985年，FANUC推出了数控系统FANUC 0，它的目标是体积小、价格低，适用于机电一体化的小型机床，因此它与适用于中、大型的系统FANUC 10、FANUC 11、FANUC 12一起组成了这一时期的全新系列产品。在硬件组成上，以最少的元件数量发挥最高的效能为宗旨，采用了最新型高速高集成度处理器，共有专用大规模集成电路芯片6种，其中4种为低功耗CMOS专用大规模集成电路，专用的厚膜电路有3种。三轴控制系统的主控制电路包括I/O接口、PMC(programmable machine control)和CRT电路等都在一块大型印制电路板上，与操作面板CRT组成一体。系统FANUC 0的主要特点:彩色图形显示、会话菜单式编程、专用宏功能、多种语言(汉、德、法)显示、目录返回功能等。FANUC自推出数控系统FANUC 0以来，得到了各国用户的高度评价，成为世界范围内使用用户最多的数控系统之一。

1987年，FANUC成功研制出数控系统FANUC 15，被称为划时代的人工智能型数控系统，它应用了MMC(man machine control)、CNC、PMC的新概念。系统FANUC 15采用了高速度、高精度、高效率加工的数字伺服单元，数字主轴单元和纯电子式绝对位置检出器，还增加了MAP(manufacturing automatic protocol)、窗口功能等。

另外，近些年，FANUC成功研制出了具有网络功能的超小型、超薄型CNC16i/18i/21i系列数控系统及高性能的运动控制器PM系列。

2) 德国SIEMENS公司的SINUMERIK系列数控系统

SIEMENS公司凭借在数控系统及驱动产品方面的专业思考与深厚积累，不断制造出机床产品的典范之作，为自动化应用提供了日趋完美的技术支持。SINUMERIK不仅仅意味着一系列数控产品，其目标在于生产一种适于各种控制领域不同控制需求的数控系统，其构成只需很少的部件。它具有高度的模块化、开放性及规范化的结构，适于操作、编程和监控。

SINUMERIK 802D——NCK、PLC、HMI 集成一体。通过 PROFIBUS 连接各部件SIMODRIVE611U数字驱动系统。可控制四个进给轴、一个数字或模拟主轴;集成大量CNC功能;提供编程模拟及图形循环支持功能，PC卡备份数据，可实现一次编程批量安装。

SINUMERIK 810D——性能优越，操作简单。SINUMERIK 810D是一个全数字化构造的控制器，高集成数字化数控系统，它的出现给车床、铣床和磨床带来了一次真正意义上的革新，使操作更简单，编程更直观。它可将CNC和驱动系统集成在一块板子上;可控制五轴或四个进给轴和一个主轴;可实现四轴线性插补;有RS-232通信接口，编程可采用固定循环及自动子程序等。

SINUMERIK 840D——数字 NC 系统，是 SIEMENS 公司数控产品的杰出代表。SINUMERIK 840D是德国SIEMENS公司20世纪90年代推出的一种数控系统。840D系统的特点是计算机化、驱动的模块化及控制与驱动接口的数字化。它与以往数控系统的不同点是伺服与驱动的接口信号是数字量的，它的人机界面建立在Flex Os基础上，更易操作，更易掌握，MMCl02和MMC103带有硬盘，可储存大量的数据。另外，它的硬件结构更加简单、紧凑、模块化;软件内容更加丰富，功能更强大。

SINUMERIK 802S/C——经济型方案的最佳选择。该系统用于车床、铣床等，可控制三个进给轴和一个主轴。802S适用于步进电动机驱动，802C适用于伺服电动机驱动，都具有数字I/O接口。

3) 华中数控系统HNC

华中“世纪星”系列数控系统包括世纪星HNC-18i、HNC-19i、HNC-21和HNC-22四个系列产品，均采用工业微机(IPC)作为硬件平台的开放式体系结构的创新技术路线，充分利用PC软、硬件的丰富资源，通过软件技术的创新，实现数控技术的突破，通过工业IPC的先进技术和低成本保证数控系统的高性价比和可靠性。同时还充分利用通用PC已有软、硬件资源和分享计算机领域的最新成果，如大容量存储器、高分辨率彩色显示器、多媒体信息交换、联网通信等技术，使数控系统可以伴随PC技术的发展而发展，从而长期保持技术上的优势。

4) 广州数控系统

广州数控设备有限公司(GSK)成立于1991年，拥有国内最大的数控系统研发生产基地。其产品主要有GSK980TB/TB1系列车床数控系统、GSKTD1系列车床数控系统、GSK218M系列加工中心数控系统和GSK983M-S/V系列加工中心数控系统等。

1.1.4 数控加工技术的发展趋势

1. 数控加工技术的发展趋势

现代数控加工正在向高速化、高精度化、高柔性化、高一体化、网络化和智能化等方向发展。

1) 高速切削

受高生产率的驱使，高速化已是现代数控机床技术发展的重要方向之一。高速化首先要求计算机系统读入加工指令数据后，能高速处理并计算出伺服系统的移动量，并要求伺服系统能高速做出反应。高速切削可通过高速运算技术、快速插补运算技术、超高速通信技术和高速主轴等技术来实现。高主轴转速可减少切削力，减小切削深度，有利于克服机床振动，传入零件中的热量大大减低，排屑加快，热变形减小，加工精度和表面质量得到显著改善。因此，经高速切削加工的工件一般不需要再进行精加工。

2) 高精度控制

高精度化一直是数控机床技术发展追求的目标。它包括机床制造的几何精度和机床使用的加工精度控制两方面。提高机床的加工精度，一般是通过减小数控系统误差，提高数控机床基础大件结构特性和热稳定性，采用补偿技术和辅助措施来达到的。目前精整加工精度已提高到0.1μm，并进入了亚微米级，不久以后超精度加工将进入纳米时代(加工精度达0.01μm)。

3) 高柔性化

柔性是指机床适应加工对象变化的能力。目前，在进一步提高单机柔性自动化加工的同时，正努力向单元柔性化和系统柔性化方向发展。数控系统在21世纪将具有最大限度的柔性，能实现多种用途，具体是指具有开放性体系结构，通过重构和编辑，视需要系统的组成可大可小;功能可专用也可通用，功能价格比可调;可以集成用户的技术经验，形成专家系统。

4) 高复合化

高复合化包括工序复合化和功能复合化等两方面。工件在一台设备上一次装夹后，通过自动换刀等各种措施，来完成多种工序和表面的加工。在一台数控设备上能完成多工序切削加工的加工中心，可替代多个机床的加工能力，减少半成品库存量，又能保证和提高形位精度，从而打破了传统的工序界限和分开加工的工序规程。

5) 网络化

实现多种通信协议，既满足单机需要，又能满足FMS(柔性制造系统)、CIMS(计算机集成制造系统)对基层设备的要求。配置网络接口，通过Internet可实现远程监视和控制加工，进行远程检测和诊断，使维修变得简单。建立分布式网络化制造系统，可便于形成“全球制造”。

6) 智能化

21世纪的CNC系统将是一个高度智能化的系统。具体是指系统应在局部或全部实现加工过程的自适应、自诊断和自调整;多媒体人机接口使用户操作简单，智能编程使编程更加直观，可使用自然语言编程;加工数据的自动生成及带有智能数据库;智能监控;采用专家系统以降低对操作者的要求等。

2. 先进制造技术简介

加工中心、网络控制技术、信息技术的发展，为单机数控向计算机控制的多机控制系统发展创造了必要的条件。已经出现的计算机直接数控系统(DNC)、柔性制造系统(FMS)及计算机集成制造系统(CIMS)，就是以数控机床为基础的自动化生产系统。

1) 计算机直接数控系统(DNC)

计算机直接数控系统:用一台中央计算机直接控制和管理一群数控设备进行零件加工或装配的系统，因此，也称为计算机群控系统。在DNC系统中，各台数控机床都各自有独立的数控系统，并与中央计算机组成计算机网络，实现分级控制管理。中央计算机不仅用于编制零件的程序以控制数控机床的加工过程，而且能控制工件与刀具的输送，同时还具有生产管理、工况监控及刀具寿命管理等能力，形成了一条由计算机控制的数控机床自动生产线。

2) 柔性制造单元(FMC)和柔性制造系统(FMS)

FMC主要由加工中心(MC)与工件自动交换装置(AWC)组成，同时，数控系统还增加了自动检测与工况自动监控等功能，如工件尺寸测量补偿、刀具损坏和寿命监控等。FMC既可作为组成柔性制造系统的基础，也可用作独立的自动化加工设备，如图1-2所示。

图1-2 柔性制造单元

FMS是在计算机直接数控系统基础上发展起来的一种高度自动化加工生产线，由数控机床、物料和工具自动搬运设备、产品零件自动传输设备、自动检测和试验设备等组成。这些设备及控制分别组成了加工系统、物流系统和中央管理系统。FMS的构成如图1-3所示。

图1-3 FMS的构成

FMS是当前机械制造技术发展的方向，它能解决机械加工中高度自动化和高度柔性化的矛盾，使两者有机地结合于一体。

3) 计算机集成制造系统(CIMS)

CIMS是一个公用的数据库，对信息资源进行存储与管理，并与各个计算机系统进行通信。在此基础上，需要有三个计算机系统，一是进行产品设计与工艺设计的计算机辅助设计与计算机辅助制造系统，即CAD/CAM系统;二是计算机辅助生产计划与计算机生产控制系统，即CAPP/CAC系统，此系统对加工过程进行计划、调度与控制，FMS是这个系统的主体;三是计算机工厂自动系统，它可以实现产品的自动装配与测试、材料的自动运输与处理等。在上述三个计算机系统外围，还需要利用计算机进行市场预测、编制产品发展规划、分析财政状况和进行生产管理与人员管理。虽然CIMS涉及的领域相当广泛，但数控机床仍然是CIMS不可缺少的基本工作单元。