数 控 技 术

1.3 数控机床的发展 1.3.1 数控机床的产生和发展 发展的基础——普通机床 发展的原始动力——军事工业需求 发展的动力——民用工业对高精度、高效率、柔性化及批量生产的要求 发展的技术基础——电子技术和计算机技术的飞速发展

促进发展的动力——二战后的军备竞赛（国外数控机床的发生和发展）。 1948年，美国帕森（Parsons）公司在研制加工直升机螺旋桨叶片轮廓用检查样板的机床时，首先提出计算机控制机床的设想。 1949年在麻省理工学院（MIT）的协助下开始数控机床的研究； 1952年研制成了第一台三坐标直线插补立式数控铣床（第I代NC机床诞生）。

这是第一代数控系统，即电子管时代。 标志着数控机床的产生。 1959年，数控技术的发展进入第二代—晶体管时代。 1959年，美国克耐·杜列克公司成功开发了带有自动换刀装置的数控机床，称为“加工中心” 。

1960年开始，美国、德国、日本等开始开发、生产和使用数控机床，数控技术进入实用阶段 。 1965年，数控系统从而发展到第三代——集成电路时代。 以上三代数控机床的控制系统都是靠硬件实现的，是数控系统发展的第一阶段，称之为普通数控系统（NC）。

1967年英国首先开发了FMS(Flexible Manufacturing System,柔性制造系统)，从此出现了计算机控制系统CNC 1970年前后美国英特尔公司开发和使用了微处理器 1974年微处理器开始用于数控系统，数控系统发展到第五代，即微型机数控（MNC）系统。

从90年代开始，基于个人计算机（PC）平台的数控系统应运而生，数控系统的发展进入第六代。 二、 我国数控机床的发展概况 1958年，由清华大学和北京第一机床厂合作研制了我国第一台数控铣床。 1966年研制成功晶体管并用于数控系统； 1972年研制成功集成电路数控系统，出现了线切割机、数控铣床等产品。

但由于历史的原因，一直没有取得实质性成果。数控机床的品质和数量都很少，稳定性和可靠性也比较差，只在一些复杂的、特殊的零件加工中使用。 20世纪80年代初，国内先后从日本、德国、美国等国引进了一些CNC装置及主轴、伺服系统的生产技术，这些数控系统性能比较完善，稳定性和可靠性都比较好，在数控机床上采用后，得到了用户的认可，从而结束了数控机床发展徘徊不前的局面，推动了数控机床的发展。

到20世纪90年代初，国内的数控机床及数控系统的生产具有了一定的规模。2003年开始，中国已成为全球最大的机床消费国，也是世界上最大的数控机床进口国。 1.国产数控机床与国际先进水平差距逐渐缩小 国产数控机床的发展经历了30年跌宕起伏，已经由成长期进入了成熟期，覆盖超重型机床、高精度机床、特种加工机床、锻压设备、前沿高技术机床等领域，产品种类可与日、德、意、美等国并驾齐驱。

特别是在五轴联动数控机床、超重型数控机床、立式和卧式加工中心、数控车床、数控齿轮加工机床领域，部分技术已经达到世界先进水平。 2．国产数控机床存在的问题 由于国内技术水平和工业基础还比较落后，数控机床的性能、水平和可靠性与工业发达国家相比，差距还是很大，尤其是数控系统的控制可靠性还较差，数控产业尚未真正形成，核心技术严重缺乏。

数控机床的核心技术—数控系统，包括显示器、伺服控制器、伺服电机和各种开关、传感器，90%需要国外进口。国内能做的中、高端数控机床，更多处于组装和制造环节，普遍未掌握核心技术。国产数控机床的关键零部件和关键技术主要依赖进口，国内真正大而强的企业并不多。 目前世界最大的3 家厂商是：日本发那科、德国西门子、日本三菱；其余还有法国扭姆、西班牙凡高等。国内有华中数控、航天数控、广州数控等。

国内的数控系统刚刚开始产业化、水平质量一般，高档次的系统全都是进口。 数控功能部件是另外一个薄弱环节。国产数控机床的主要故障大多出在功能部件上，它是影响国产数控机床使用的主要根源。 特别是数控刀具滞后现象反映相当强烈。国产数控刀具在寿命、可靠性等方面差距明显，无论在品种、性能和质量上都远远不能满足用户要求。

三、数控机床的发展水平及趋势 数控技术主要体现在五个方面：数控装置、伺服驱动系统、程序编程、机床主机、监测监控系统 （一）数控装置 技术发展情况： 1、数控装置的微处理器由8位CPU过渡到16、32位CPU，乃至更多位，频率由原来的5MHZ提高到16MHZ、20MHZ、32MHZ，乃至更高，并且开始采用精简指令集运算芯片RISC作为主CPU，进一步提高了运算速度。采用大规模和超大规模集成电路和多个微处理器，使结构模块化、标准化和通用化，使其数控功能根据用户需要进行任意组合和扩展。

2、具有强功能的内装式机床可编程控制器，用梯形语言、C语言或Pascal语言进行编程。在CNC和PC之间有高速窗口，它们有机地结合起来。除能完成开关量的逻辑控制功能外，还有监控功能和轴控制功能。 3、配备多种遥控接口和智能接口。 4、具有很好的操作性能。 5、数控系统的可靠性大大提高。

（二）伺服驱动系统 1、前馈控制技术。 2、机械静止摩擦的非线性控制技术。 3、伺服系统的位置环和速度环，均采用软件控制。 4、采用高分辨率的位置检测装置。 5、补偿技术得到发展和广泛应用。

（三）程序编制 1、脱机编制发展到在线编制。 2、具有机械加工技术中的特殊工艺方法和组合工艺方法的程序编制功能。 3、程序系统由只能处理几何信息发展到几何信息和工艺信息同时处理新阶段。

（四）机床主机 1、采用机电一体化的总体布局； 2、采用自动换刀装置、自动更换工件机构、“数控夹盘”、“数控夹具”； 3、伺服系统和机床主机进行了很好的机电匹配； 4、主机进行了优化设计。

（五）数控机床的监测和监督 1、发现工件超差、刀具磨损、破损，都能及时报警，并给予补偿，或对刀具进行调换，保证了产品质量； 2、具有良好的故障自诊断功能及保护功能； 3、软件限位和自动返回功能避免了加工过程中出现的特殊情况造成工件报废和事故。

（六）适应控制(Adaptive Control) 由检测单一或少数参数（如功率、力矩或力等）进行调整的“约束适应控制”(Adaptive Control Constraint，简称ACC)发展到检测调控多参数的“最佳适应控制”(Adaptive Control Optimization，简称ACO)和学习“适应控制”（Trainable Adaptive Control Optimization，简称TAC）。

第二章 数控机床的程序编制

2.1 概述 程序编制：从零件图纸到获得数控机床所需控制介质的全部过程，称为程序编制。 数控机床程序编程的主要内容：分析零件图纸、工艺处理、数学处理、编写程序、制备控制介质，程序检验。

具体步骤： 1） 分析零件图纸 几何形状和尺寸 加工精度 表面质量 使用材料和热处理 2） 工艺处理 确定加工方案 选择工件坐标原点 确定机床对刀点或换刀点 选择合理的进给路线

① 确定加工方案 选择适合的数控机床 选择或设计夹具及工件装卡方法 合理选择刀具及切削用量 ② 正确选择工件坐标原点 就是建立工件坐标系，确定工件坐标系与机床坐标系的相对尺寸，便于刀具轨迹和有关几何尺寸的计算，并且要考虑零件形位公差的要求，避免产生累积误差等。

③ 确定机床的对刀点和换刀点 对刀点是在数控机床上加工零件时，刀具相对于工件运动的起点。 对刀点的选择原则： a.便于用数字处理和简化程序编制； b.在机床上找正容易，加工中便于检查； c.引起的加工误差小。 对刀点可选在工件上，也可选在工件外面（如选在夹具或机床上），但必须与零件的定位基准有一定的尺寸关系。

换刀点： 指刀架转位换刀时的位置 换刀点应设在工件或夹具的外部，以刀架转位时不碰工件及其他部件为准。 ④ 选择合理的进给路线 所谓进给路线就是整个加工过程中刀具相对工件的运动路径，包括切削加工路径和刀具切入切出时的空行程路径。

尽量缩短进给路线，减少空行程，提高生产率 选择进给路线原则： 尽量缩短进给路线，减少空行程，提高生产率 保证加工零件的精度和表面粗糙度要求 有利于简化数值计算、减少程序段数目和编程工作量 ⑤确定切削用量 切削用量即切削深度和宽度，主轴转速及进给速度等。 切削用量的具体数值应根据数控机床使用说明书的规定、被加工零件材料、加工工序以及其它加工工艺要求，并结合实际经验来确定。

3） 数学处理 根据零件图的几何尺寸，按已确定的坐标系和进给路线，计算零件粗、精加工各运动轨迹，得到刀位数据。 对于点定位控制的数控机床（如数控冲床），一般不需要计算；

对于形状比较简单的零件（如直线和圆弧组成的零件）的轮廓加工，需要计算出几何元素的起点、终点、圆弧的圆心、两几何元素的交点或切点的坐标值，有的还计算刀具中心的运动轨迹坐标值； 对于形状比较复杂的零件（如非圆曲线、曲面组成的零件），需要用直线段或圆弧段逼近，根据要求的精度计算出其节点坐标值。这种情况一般要用计算机来完成数值计算的工作。

4） 编制加工程序清单 利用进给路线的计算数据和已确定的切削用量，便可根据CNC系统的加工指令代码和程序段格式，逐段编写出零件加工程序清单。 多数CNC系统的基本数控加工指令和程序段格式尚未作到完全标准化，因此编写具体CNC系统的加工程序时，必须严格参照有关编程说明书进行，不允许有丝毫的差错。 5） 程序的输入、校验与首件试切

因此，作为编程人员，不但要熟悉数控机床的结构、数控系统的功能及标准，而且还必须是一名好的工艺人员，要熟悉零件的加工工艺、装卡方法、刀具、切削用量的选择等方面的知识。 二．数控编制的方法 数控编程的方法目前有两种，即手工编程与自动编程。

（一） 手工编程 指编程人员根据加工图样和工艺，采用数控程序指令和指定格式进行程序编写，然后输入数控系统内，再进行调试、修改等。 对于形状简单的零件，计算比较简单，程序不多，采用手工编程较容易完成，而且经济、及时。 因此在点定位加工及由直线与圆弧组成的轮廓加工中，手工编程应用广泛。

对于形状复杂的零件，特别是具有非圆曲线、列表曲线及曲面的零件，无法手工编出程序，必须进行自动编程。 （二） 自动编程 又称计算机辅助编程，是利用计算机进行辅助编制数控加工程序的过程。 由计算机系统完成大量的数字处理运算、逻辑判断与检测仿真，提高编程效率和质量。

数控语言：是一套规定好的基本符号和由这些符号构造输入计算机的“零件源程序”的规则。 零件源程序：编程人员用数控语言来描述零件图纸上的几何元素、工艺参数、切削加工时刀具和工件的相对运动轨迹和加工过程等形成“零件源程序”。 自动编程优点：减轻了编程人员的劳动强度，缩短编程时间，提高编程质量，同时解决了手工编程无法解决的许多复杂零件的编程难题。 输入方式：语言输入方式、图形输入方式、语音输入方式。 自动编程分类：离线程序编程、在线程序编程

对于复杂型面的加工，若需要三、四、五个坐标轴联动加工，其坐标运动计算十分复杂，必须采用计算机辅助编程方法。 目前使用最多的计算机辅助编程方法是人机交互图形编程。