【也说数控机床的学习】数控基础教程

诸位：
     数控机床的学问很大，本人犹豫了再三，还是决定发上一个基础贴。因为它包含的知识和技能太多，我不懂得也太多。今天先说一下数控的基本概念吧：

一.概述
1．数控机床的产生和发展
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，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约占机械加工总量的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。1948年，美国PARSONS公司在研制加工直升飞机叶片轮廓用检查样板的机床时，首先提出了数控机床的设想，在麻省理工学院的协助下，于1952年试制成功世界上第一台数控机床样机。后又经过三年时间的改进和自动程序编制的研究，数控机床进入实用阶段，市场上出现了商品化数控机床。1958年，美国KEANEY & TRECKER公司在世界上首先研制成功带有自动换刀装置的加工中心。
数控机床共经历了五代：

现今的数控机床就是在上世纪70年代发展起来的一种新型数控技术。
2.我国数控机床发展概况
我国于1958年开始研制数控机床，到60年代末和70年代初，简易的数控机床已在生产中广泛使用。它们以单板机作为控制核心，多以数码管作为显示器，用步进电动机作为执行元件。80年代初，由于引进了国外先进的数控技术，使我国的数控机床在质量和性能上都有了很大的提高。它们具有完备的手动操作面板和友好的人机界面，可以配直流或交流伺服驱动，实现半闭环或闭环的控制，能对2～4轴进行联动控制，具有刀库管理功能和丰富的逻辑控制功能。90年代起，我国向高档数控机床方向发展。一些高档数控攻关项目通过国家鉴定并陆续在工程上得到应用。 航天I型、 华中Ⅰ型、华中-2000型等高性能数控系统，实现了高速、高精度和高效经济的加工效果，能完成高复杂度的五坐标曲面实时插补控制，加工出高复杂度的整体叶轮及复杂刀具。
3. 数控技术的基本概念
a)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。计算机数控技术称为CNC。
b)数控系统： 采用数控技术的控制系统。包括：数控装置、可编程序控制器、主轴驱动及进给装置等。
c)数控机床： 用数字技术实施加工控制的机床。
d)数控设备： 用数控技术实施加工控制的设备。如：数控机床，数控线切割机，数控绘图仪，数控刻字机。
e)数控技术涉及技术： 计算机控制技术、自动控制、电气传动、精密测量、机械加工、伺服驱动、管理信息。
二．数控机床的工作流程
1．程序的编制
在数控机床上加工零件，首先要根据零件图样，按规定的代码及程序格式将零件加工的全部工艺过程、工艺参数、位移数据和方向以及操作步骤等以数字信息的形式记录在控制介质上。这种从零件图样到制成控制介质的全部过程就是数控加工的程序编制。
2．输入
其任务是把零件程序、控制参数和补偿数据输入到数控装置中去。
输入方法有：纸带阅读机输入、键盘输入、磁带和磁盘输入、及通信方式输入。
输入工作方式有：边输入边加工、整个加工程序一次性输入到数控装置的内部存储器中。
3．译码
将程序段的加工信息和其它辅助信息翻译成计算机能识别的数据形式并存在指定的内存专用区域。译码过程中还要对程序段进行语法检查。
4．刀具补偿
其作用是把零件轮廓轨迹转换成刀具中心轨迹，运动加工出所要求的零件轮廓。
刀具补偿包括刀具半径补偿和刀具长度补偿。
5．插补
根据给定速度和给定轮廓线型的要求，在轮廓已知点之间，确定一些中间点的方法，即数据密化的过程。




6．位置控制和机床加工
   在每个采样周期内，将插补计算出的指令位置与实际反馈位置相比较，用其差值去控制伺服电动机，电动机使机床的运动部件带动刀具相对于工件按规定的轨迹和速度进行加工。

一. 数控机床的组成
数控机床一般由输入输出设备、数控装置、伺服系统、测量反馈装置和机床本体组成。
1. 输入输出设备
输入输出设备主要实现程序编制、程序和数据的输入以及显示、存储和打印。
2. 数控装置
数控装置是由一台专用计算机或通用计算机与输入输出接口板以及机床控制器所组成的控制装置。数控装置的功能有：1.多坐标控制；2.插补功能3.程序输入、编辑和修改功能；4.故障自诊断功能；5.补偿功能；6.信息转换功能；7.多种加工方式选择；8.辅助功能；9.显示功能；10.通信和联网功能。
3. 伺服系统
伺服系统是连接数控系统(CNC)和数控机床(主机)的关键部分，它接受来自数控系统的指令，经过放大和转换，驱动数控机床上的执行件(工作台或刀架)实现预期的运动。并将运动结果反馈回去与输入指令相比较，直至与输入指令之差为零，机床精确地运动到所要求的位置。
4. 测量反馈装置
用来测量速度和位移，并将信息反馈给数控装置，构成闭环控制系统。
5. 机床本体
机床本体指用于完成各种切削加工的机械部分，包括床身、立柱、主轴、进给机构等。
二. 数控机床的分类
1.按机械加工的运动轨迹分类
1.点位控制数控机床
此系统刀具从某一位置移到下一个位置的过程中，不考虑其运动轨迹，只要求刀具能最终准确到达目标位置。
特点：运动过程中不切削。通常采用快速驱近，减速定位的方法。
   典型机床：NC钻床，NC镗床，NC冲床。
2.直线控制数控机床
此系统不仅要保证点与点之间的准确定位，而且要控制两相关点之间的位移速度和路线，其路线一般是由平行于各坐标轴或与坐标轴成45度夹角的直线组成。
特点：运动过程中要切削，需具备刀具半径补偿功能和刀具长度补偿功能及主轴转速控制功能。
   典型机床：简易NC车床，简易NC铣床。
3.轮廓控制数控机床
数控系统能同时控制两个或两个以上的轴，对位置及速度进行严格的不间断控制。
特点：具有直线和圆弧插补功能、刀具补偿功能、机床轴向运动误差补偿、丝杠的螺距误差和齿轮的反向间隙误差补偿功能。
   典型机床：NC车床，NC铣床，加工中心。
2.按伺服系统的控制原理分类
1.开环控制数控机床


开环控制数控机床不带位置检测装置，也不将位移的实际值反馈回去与指令值进行比较修正，控制信号的流程是单向的。
使用功率步进电动机作为执行元件。数控装置每发出一个指令脉冲，经驱动电路功率放大后，就驱动步进电动机旋转一个角度，再由传动机构带动工作台移动。
该系统精度取决于：步进电机的步距精度和工作频率以及传动机构的传动精度，难于实现高精度加工。
优点：结构简单、成本较低，调试维修方便。
适用范围：对精度、速度要求不十分高的经济型、中小型数控系统。

2.闭环控制数控机床
这种系统带有位置检测装置，是将位移的实际值反馈回去与指令值比较，用比较后的差值去控制，直至差值消除时才停止修正动作的系统。
安装在工作台上的位置检测装置把工作台的实际位移量转变为电量，反馈到控制器与指令信号相比较，得到的差值经过放大和变换，最后驱动工作台向减少误差的方向移动，直到差值为零，工作台才静止。
该系统精度取决于：理论上仅取决于测量装置的精度，消除了放大和传动部分的误差，间隙误差等的直接影响。
缺点：系统较复杂，调试和维修较困难，对检测元件要求较高，且有一定的保护措施、成本高。
适用范围：大型或比较精密的数控设备。
3.半闭环控制系统的数控机床
半闭环控制系统与闭环系统的不同之处仅在将检测元件装在传动链的旋转部位，它所检测得到的不是工作台的实际位移量，而是与位移量有关的旋转轴的转角量。（图1—5）
特点：精度比闭环差，但系统结构简单，便于调整，检测元件价格低，系统稳定性能好。
适用范围：广泛应用于中小型数控机床。

数控机床应用的特点
一．数控机床应用的特点
1. 加工精度高，产品质量稳定
精度可达到0.005～0.1mm。加工精度不受产品形状及其复杂程度的影响；自动化加工消除了人为误差，使同批产品加工质量更稳定。
2. 劳动生产率高
工序安排可相对集中，辅助设备比较简单，节省了生产准备时间，可缩短产品改型生产周期。节省检验时间；加工不同零件时，只需更换控制载体，节省了设备调整时间。
3. 加工零件的适应性强，灵活性好
   数控机床具有多坐标轴联动功能，能加工形状复杂的零件，并可按零件加工的要求变换加工程序，不必对加工设备作复杂的调整即可变更加工任务。
4. 减轻工人劳动强度




数控机床对零件的加工是按事先编好的程序自动完成的，操作者除了操作键盘、装卸零件、安装刀具、完成关键工序的中间测量以及观察机床的运行之外，不需要进行繁重的重复性手工操作，劳动强度与紧张程度均可大为减轻，劳动条件也得到相应的改善。
5. 生产管理水平提高
用数控机床加工零件，能准确地计算零件的加工工时。并有效地简化了检验和工夹具、半成品的管理工作。这些特点都有利于使生产管理现代化，便于实现计算机辅助制造。
二．数控机床适用范围
数控机床适用于品种变换频繁、批量较小，加工方法区别大且复杂程度较高的零件。

数控机床的发展趋势
数控机床总的发展趋势是高速化、高精度化、高可靠性、多功能、复合化、智能化和开放式结构。主要发展动向是研制开发软、硬件都具有开发式结构的智能化全功能通用数控装置。
(1) 高速化与高精度化
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。为使在极短的空程内达到高速度和在高行程速度情况下保持高定位精度，必须具有高加（减）速度和高精度的位置检测系统和伺服系统。另外，必须使主轴转速、进给率、刀具交换、托盘交换等各种关键部分实现高速化，并需重新考虑设备的全部特征。
   提高数控设备的加工精度，一般通过减少数控系统的控制误差和采用补偿技术来实现。
(2) 复合化
复合化包括工序复合化和功能复合化。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。
(3) 智能化
随着人工智能技术的不断发展，并为适应制造业生产高度柔性化、自动化的需要，数控设备中引用了以下几种技术：自适应控制技术、专家系统、故障自诊断功能、智能化交流伺服驱动装置。
(4) 高柔性化
柔性指数控设备适应加工对象变化的能力。今天的数控机床对加工对象的变化有很强的适应能力，并在提高单机柔性化的同时，朝着单元柔性化和系统柔性化方向发展。
(5) 小型化
蓬勃发展的机电一体化技术对CNC装置提出了小型化的要求，以便将机、电装置糅合为一体。
(6) 开放式体系结构
新一代的数控系统体系结构向开放式系统方向发展。很多数控系统开发厂家瞄准通用个人计算机所具有的开发性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，开发出基于PC的CNC。
二. 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，也称它为计算机群控系统。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：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。柔性制造单元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。
   FMS是在DNC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。
   柔性制造系统是当前机械制造技术发展的方向，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：其核心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；二是计算机辅助生产计划与计算机生产控制系统，即CAP／CAC，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。

您可要多关注，多支持一下，有了您的指导，我会更快的进步，先谢谢了。

一.程序的结构
1．程序的构成
零件加工程序由程序号和若干个程序段组成。每个程序号由程序号地址码和程序的编号组成；每个程序段又由程序段号和若干个指令字组成，每个指令字由字母、符号、数字组成。每段程序由；结束。
2．程序段格式
程序段的长短、字数和字长都是可变的，字的排列顺序没有严格要求，不需要的字及与上一程序段相同的续效字可以不写。程序段一般格式为：
3．主程序和子程序
二.数控机床的坐标系
1.坐标轴的命名
坐标轴采用右手直角笛卡尔坐标系进行命名

1. 坐标轴的命名规定
(1)坐标系中的各个坐标轴与机床的主要导轨相平行。
(2) A、B、C分别表示绕X、Y、Z的轴线或绕与X、Y、Z轴线相平行的轴的转动。其正方向用右手螺旋定则确定。
(3)加工过程中不论是刀具移动还是工件移动，一律假定工件静止不动，而刀具在移动，并规定刀具远离工件的运动方向为坐标轴的正方向。
(4)如果把刀具看作静止不动，工件移动，那么在坐标轴的字母上加“′”，如 等；加“′”字母表示的工件运动正方向与不加“′”之同一字母表示的刀具运动方向相反。

机床坐标系的确定方法



确定机床坐标轴时，一般先确定Z轴，再确定X轴和Y轴。
(1) Z轴。平行于机床主轴（传递切削动力）的轴线作为Z轴，刀具远离工件的方向为Z轴的正方向。
对于有主轴的机床：如卧式车床和立式升降台铣床等，以机床主轴轴线作为Z轴；
对于没有主轴的机床：如牛头刨床，规定垂直于装夹面的坐标轴为Z轴。
对于有几根主轴的机床：如龙门铣床，选择其中一个与工作台面相垂直的主轴为主要主轴，并以它来确定z轴方向。
(2) X轴。X轴位于水平面内，垂直于Z轴并平行于工件装夹面。
对于工件旋转的机床：如车床，X轴在工件的径向并平行于横向拖板，刀具离开工件旋转中心的方向是X轴的正方向。
对于刀具旋转的机床：若Z轴是水平的，如卧式铣床、镗床等，则从刀具(主轴)后端向工件方向看，X轴的正方向指向右边。若Z轴为垂直的，如立式铣床、钻床等，面对刀具(主轴)向立柱方向看，X轴的正方向指向右边。
对于无主轴的机床：如刨床等，则选定主要切削方向为X轴方向。
(3) Y轴。Y轴方向根据已选定的Z、X轴按右手直角笛卡尔坐标系来确定。
(4) A、B、C的转向。选定X、Y、Z坐标轴后，根据右手螺旋定则来确定A、B、C三个转动的正方向。
(5) 附加坐标。如果机床在基本的直角坐标系X、Y、Z外，另有轴线平行于它们的坐标系，则附加的直角坐标系指定为U、V、W和P、Q、R。