数控技术概述

数控技术概述

数控是数字控制的简称，英文为 Numerical Control，简称NC。目前数控一般是采用通用或专用计算机实现数字程序控制，因此数控也称为计算机数控(Computer Numerical Control )，简称CNC，国外一般都称为CNC，很少再用NC这个概念了。下面详细说明之：

数控(Numerical Control NC 数字控制)是指用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制的技术。它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和与机械能量流向有关的开关量。数控的产生依赖于数据载体和二进制形式数据运算的出现。1908年，穿孔的金属薄片互换式数据载体问世；19世纪末，以纸为数据载体并具有辅助功能的控制系统被发明；1938年，香农在美国麻省理工学院进行了数据快速运算和传输，奠定了现代计算机，包括计算机数字控制系统的基础。数控技术是与机床控制密切结合发展起来的。1952年，第一台数控机床问世，成为世界机械工业史上一件划时代的事件，推动了自动化的发展。

现在，数控技术也叫计算机数控技术(Computer Numerical Control )，目前它是采用计算机实现数字程序控制的技术。这种技术用计算机按事先存贮的控制程序来执行对设备的控制功能。由于采用计算机替代原先用硬件逻辑电路组成的数控装置，使输入数据的存贮、处理、运算、逻辑判断等各种控制机能的实现，均可通过计算机软件来完成。

一、数控技术的发展状况

第一代数控系统：1952年至1959年，采用电子管元件。

第二代数控系统：1959年开始，采用晶体管元件。

第三代数控系统：1965年开始，采用集成电路。

第四代数控系统：1970年开始，采用大规模集成电路及小型通用计算机。

第五代数控系统：1974年开始，采用微处理机和微型计算机。

柔性制造系统(Flexible Manufacturing System-FMS)带有自动换刀装置(Automatic Tool Changer-ATC)的数控加工中心，是柔性制造的硬件基础，是制造系统的基本级别。其后出现的柔性制造单元(Flexible Manufacturing Cell-FMC)，是较之高一级的柔性制造系统，它一般由加工中心机床与自动更换工件(Automated Work-piece Changer-AWC)的随行托盘(pallet)或工业机器人以及自动检测与监控技术装备所组成。由多台和存储，以及必要的工件清洗和尺寸检查设备，并由高一级的计算机对整个系统进行控制和管理。可实现多品种的全部机械加工。

计算机集成制造系统(Computer Integrated Manufacturing System-CIMS):将车间制造过程的自动化,从生产决策、产品设计、市场预测直到销售的整个生产活动的自动化，特别是技术和管理科室工作的自动化的要求综合成一个完整的生产制造系统，即所谓的计算机集成制造系统，它将一个制造工厂的生产活动进行有机的集成，以实现更高效益、更高柔性的智能化生产。这是当今自动化制造技术发展的最高阶段。

小型计算机集成制造系统

二、直接数字控制系统

直接数字控制DNC系统是用一台通用计算机直接控制和管理一群数控机床进行零件加工或装配的系统。

计算机将一组数控机床与储有零件加工程序和机床控制程序的公共存储器相连接，根据加工要求向机床分配数据和指令。在DNC系统保留原来各数控机床的数控系统，并与DNC系统的中央计算机组成计算机网络，实现分级控制管理。中央计算机并不取代各数控装置的常规工作。DNC系统中央计算机房配有自动编程终端，也可在加工现场安装自动编程终端与中央计算机通

信进行现场自动编程和对零件程序进行编辑、修改，使编程与控制相结合，而且中央计算机零件程序存储容量大。此外，DNC系统还具有生产管理、作业调度、工况显示监控和刀具寿命管理等功能。

DNC系统可以分为间接控制型和直接控制型两大类。

1．间接控制型系统

间接控制型DNC系统是由已有的数控机床，配上集中管理和控制的中央计算机，并在中央计算机和数控机床的数控装置之间加上通信接口所组成。

大容量的外存储器:存放每台数控机床所需的零件加工计划和加工程序，适时调至计算机的内存中。计算机顺次查询各台数控机床的状态和请求信号，根据需要计算机向某台数控机床传送所需的加工程序。由于传递一个零件加工程序的时间很短，而机床的加工时间很长，所以一台中央计算机为多台机床服务时，不会发生机床暂停加工等待的现象。

间接型DNC系统中，各数控机床的数控装置仍然承担着原来的控制功能，中央计算机与数控机床接口，只起了原有数控机床的纸带阅读机的作用。这样的控制功能，称之为读带机旁路控制(Behind the Tape Reader-BTR)。间接型DNC系统比较容易建立，并且当中央计算机出了故障时，数控机床仍可用原有的纸带阅读机工作，但由于机床的数控装置并未简化，故硬件成本较高。

2．直接控制型系统

组成直接控制型DNC系统的数控机床不再配置普通的数控装置。原来由数控装置完成的插补运算功能全部或部分由中央计算机集中完成，各台数控机床只需配置一个简单的机床控制器(Machine Control Unit-MCU)用于数据传递，驱动控制和手动操作。

一般来说：将插补分成粗、精插补，由中央计算机完成粗插补，由接口电路或MCU完成精插补，这种方案综合考虑了运算速度与硬件成本。

直接控制型DNC系统的数控机床，其控制功能主要由计算机软件执行，所以灵活性较大，适应性较强，可靠性也较高，但是一次性投资比较大。

三、柔性制造单元和柔性制造系统

1．柔性制造单

柔性制造单元(FMC)是由中心控制计算机、加工中心与自动交换工件(AWC，APC)装置所组成。

工件一次装夹后可在柔性制造单元中的加工中心上加工，使得加工的柔性(可编程性)、加工精度和生产效率更高。在柔性制造单元中，中心控制计算机负责作业调度、自动检测与工况自动监控等功能；

工件装在自动交换工件装置(工作台)上在中心控制计算机控制下传送到加工中心上加工；加工中心接收中心控制计算机传送来的数控程序进行加工，并将工况数据送中心控制计算机处理，如工件尺寸自动检测和补偿，刀具损坏和寿命监控等。

组成:它由加工中心、环形工件交换工作台、工件托盘及托盘交换装置组成环形工作台是一个独立的通用部件，与加工中心并不直接相连，装有工件的托盘在环形工作台的导轨上由环形链条驱动进行回转，每个托盘上有地址编码。当一个工件加工完毕后，托盘交换装置将加工完的工件连同托盘一起拖回至环形工作台的空位；然后，按指令将下一个加工的托盘与工件转到交换位置，由托盘交换装置将它送到机床工作台上，定位夹紧以待加工。已加工好的工件连同托盘转至工件的装卸工位，由人工卸下，并装上待加工的工件。托盘搬运的方式多用于箱体类零件或大型零件。托盘上可装夹几个相同的零件，也可装夹数个不同的零件。

对于车削或磨削中心等机床，可以使用工业机器人进行工件的交换。由于机器人的抓重能力及同一规格的抓取手爪对工件形状与尺寸的限制，这种搬运方式主要适用于小件或回转件的搬运。柔性制造单元可以作为组成柔性制造系统的基础，也可以作独立的自动化加工设备。由于柔性制造单元自成体系，占地面积小，成本低而且功能完善，加工适应范围广，故有廉价小型柔性制造系统之称。

2．柔性制造系统

柔性制造系统(FMS)公认的特征：由一个物料运输系统将所有设备连接起来，这些设备不限于切削加工设备，也可以是电加工、激光加工、热处理、冲压剪切设备以及装配、检验等设备；可以进行没有固定加工顺序和无节拍的随机自动制造。

柔性制造系统的组成：一般认为FMS应由加工、物流、信息流三个子系统组成，每一个子系统还可以有分系统。

加工系统多数是由CNC机床按DNC的控制方式构成。系统中的机床，有互补和互替两种配置原则：互补是指在系统中配置有完成不同工序的机床，彼此互相补充而不能代替，一个工件顺次通过这些机床进行加工；互替是指在系统中配置有相同的机床，一台机床有故障则另一台机床可以代替加工，以免整个系统停工等待。当然，一个系统的机床设备也可以按这两种方式混合配置，这要根据预期生产性质来确定。

物流系统包括工件和刀具两个物流系统。

刀具系统设有中央刀库，由机器人在中央和各机床的刀库之间进行输送和交换刀具。而刀具的备制和预调一般都不包括在自动监控的范围之内。刀具的数目要少，必须采用标准化、系列化，并有较长的刀具寿命。系统应有监控刀具寿命和刀具故障的功能。对刀具寿命的监控，目前多采用定时换刀的方法，即记录每一把刀具的使用时间，达到预定的使用寿命后即强行更换。还有一种直接检测刀具磨损情况更换刀具的方法，由于这一技术不成熟，还没有在生产中得到应用。

工件系统包括有工件、夹具的输送、装卸以及仓储等装置。在FMS中工件和夹具的存储仓库多用立体仓库，由仓库计算机进行控制和管理。其控制功能有：记录在库货物的名称、货位、数量、重量以及入库时间等内容；接受中央计算机的出、入库指令，控制堆垛机和输送车的运动；监督异常情况和故障报警等。各设备之间的输送路线以直线往复方式居多，输送设备中使用最多的是有轨小车和使用灵活的无轨小车。无轨小车又称自动引导小车(Automated Guide Vcbicle-AGV)。小车上有托盘交换台，工件放在托盘上，托盘由交换台推上机床的工作台，对工件进行加工；加工好的工件连同托盘拉回到小车上的交换台上，送装卸工位，由人工卸下并装上新的待加工件。小车的行走路线常用电缆或光电引导。信息流系统包括作业计划，加工系统和物流系统的调度与自动控制，在线状态监控及其数据和信息处理，以及故障在线检测和处理等。此外，在FMS中排屑、去毛刺、清洗等工作设备都要纳入系统的管理与自动控制范围之内。

四、计算机集成制造系统简述

计算机集成制造系统(CIMS)是采用现代计算机技术将制造工厂全部生产活动所需的各种

分散的自动化系统有机地集成起来随着科学技术的进步和生产的发展，产品多样化，中小批量产品

比重日益增加，产品交货期和更新换代周期越来越短。目前中小批零件品种占整个机加工零件品种的50％以上。CIMS将计算机辅助设计、计算机辅助制造、计算机辅助管理集成在一起，将制造过程中的物料流和信息流组成一个协调平衡的运动系统，实现总体的优化来适应市场竞争的需要。

CIMS将计算机辅助设计、计算机辅助制造、计算机辅助管理集成在一起，将制造过程中的物料流和信息流组成一个协调平衡的运动系统，实现总体的优化来适应市场竞争的需要。

目前CIMS技术得到广泛的重视。美国把CIMS看作是今后60年科技方向；欧共体将CIMS 列为信息技术研究三个重大项目之一；日本在80年代初就提出了立国和面向21世纪的科技发展战略，对开发CIMS有关的各种新技术都作了巨额投资。我国在1986年制定了国家科技研究发展计划(即“863"计划)，将CIMS确定为自动化研究领域的主题之一。

数控加工中心（Mach数控机床）配备有装载多把刀具的刀具库，有自动更换刀具的功能，一次装夹中可以完成钻、镗、铣、铰等工序，特别适用于箱体类零件的多面、多工序加工。它能完成车削加工的同时，兼有铣、镗、钻孔、攻丝等功能。加工中心机床的出现，加之CAD技术、信息技术、网络控制技术以及系统工程学的发展，为单机数控自动化向计算机控制的多机制造系统自动化方向发展，创造了必要的条件.计算机群控系统即直接数控(Direct NC-DNC)系统，就是这一发展趋向的具体体现。DNC系统使用一台较大的计算机，控制与管理多台数控机床和数控加工中心，能进行多品种、多工序的加工。

数控机床的组成和工作原理

一、程序编制及程序载体

数控程序是数控机床自动加工零件的工作指令。在对加工零件进行工艺分析的基础上，确定零件坐标系在机床坐标系上的相对位置，即零件在机床上的安装位置；刀具与零件相对运动的尺寸参数；零件加工的工艺路线、切削加工的工艺参数以及辅助装置的动作等。得到零件的所有运动、尺寸、工艺参数等加工信息后，用由文字、数字和符号组成的标准数控代码，按规定的方法和格式，编制零件加工的数控程序单。编制程序的工作可由人工进行；对于形状复杂的零件，则要在专用的编程机或通用计算机上进行自动编程（APT）或CAD/CAM设计。

编好的数控程序，存放在便于输入到数控装置的一种存储载体上，它可以是穿孔纸带、磁带和磁盘等，采用哪一种存储载体，取决于数控装置的设计类型。

数控机床的基本结构

二、输入装置

输入装置的作用是将程序载体（信息载体）上的数控代码传递并存入数控系统内。根据控制存储介质的不同，输入装置可以是光电阅读机、磁带机或软盘驱动器等。数控机床加工程序也可通过键盘用手工方式直接输入数控系统；数控加工程序还可由编程计算机用RS232C或采用网络通信方式传送到数控系统中。

零件加工程序输入过程有两种不同的方式：一种是边读入边加工（数控系统内存较小时），另一种是一次将零件加工程序全部读入数控装置内部的存储器，加工时再从內部存储器中逐段逐段调出进行加工。

三、数控装置

数控装置是数控机床的核心。数控装置从内部存储器中取出或接受输入装置送来的一段或几段数控加工程序，经过数控装置的逻辑电路或系统软件进行编译、运算和逻辑处理后，输出各种控制信息和指令，控制机床各部分的工作，使其进行规定的有序运动和动作。

零件的轮廓图形往往由直线、圆弧或其他非圆弧曲线组成，刀具在加工过程中必须按零件形状和尺寸的要求进行运动，即按图形轨迹移动。但输入的零件加工程序只能是各线段轨迹的起点和终点坐标值等数据，不能满足要求，因此要进行轨迹插补，也就是在线段的起点和终点坐标值之间进行“数据点的密化”，求出一系列中间点的坐标值，并向相应坐标输出脉冲信号，控制各坐标轴（即进给运动的各执行元件）的进给速度、进给方向和进给位移量等。

四、驱动装置和位置检测装置

驱动装置接受来自数控装置的指令信息，经功率放大后，严格按照指令信息的要求驱动机床移动部件，以加工出符合图样要求的零件。因此，它的伺服精度和动态响应性能是影响数控机床加工精度、表面质量和生产率的重要因素之一。驱动装置包括控制器（含功率放大器）和执行机构两大部分。目前大都采用直流或交流伺服电动机作为执行机构。

位置检测装置将数控机床各坐标轴的实际位移量检测出来，经反馈系统输入到机床的数控装置之后，数控装置将反馈回来的实际位移量值与设定值进行比较，控制驱动装置按照指令设定值运动。

五、辅助控制装置

辅助控制装置的主要作用是接收数控装置输出的开关量指令信号，经过编译、逻辑判别和运动，再经功率放大后驱动相应的电器，带动机床的机械、液压、气动等辅助装置完成指令规定的开关量动作。这些控制包括主轴运动部件的变速、换向和启停指令，刀具的选择和交换指令，冷却、润滑装置的启动停止，工件和机床部件的松开、夹紧，分度工作台转位分度等开关辅助动作。

由于可编程逻辑控制器（PLC）具有响应快，性能可靠，易于使用、编程和修改程序并可直接启动机床开关等特点，现已广泛用作数控机床的辅助控制装置。

六、机床本体

数控机床的机床本体与传统机床相似，由主轴传动装置、进给传动装置、床身、工作台以及辅助运动装置、液压气动系统、润滑系统、冷却装置等组成。但数控机床在整体布局、外观造型、传动系统、刀具系统的结构以及操作机构等方面都已发生了很大的变化。这种变化的目的是为了满足数控机床的要求和充分发挥数控机床的特点。

数控机床导轨

1．对导轨的基本要求

机床导轨的功用是起导向及支承作用，它的精度、刚度及结构形式等对机床的加工精度和承载能力有直接影响。为了保证数控机床具有较高的加工精度和较大的承载能力，要求其导轨具有较高的导向精度、足够的刚度、良好的耐磨性、良好的低速运动平稳性，同时应尽量使导轨结构简单，便于制造、调整和维护。数控机床常用的导轨按其接触面间摩擦性质的不同可分为滑动导轨和滚动导轨。

2．滑动导轨

在数控机床上常用的滑动导轨有液体静压导轨、气体静压导轨和贴塑导轨。

1）液体静压导轨：在两导轨工作面间通入具有一定压力的润滑油，形成静压油膜，使导轨工作面间处于纯液态摩擦状态，摩擦系数极低，多用于进给运动导轨。

2）气体静压导轨：在两导轨工作面间通入具有恒定压力的气体，使两导轨面形成均匀分离，以得到高精度的运动。这种导轨摩擦系数小，不易引起发热变形，但会随空气压力波动而使空气膜发生变化，且承载能力小，故常用于负荷不大的场合。

3）贴塑导轨：在动导轨的摩擦表面上贴上一层由塑料等其它化学材料组成的塑料薄膜软带，其优点是导轨面的摩擦系数低，且动静摩擦系数接近，不易产生爬行现象；塑料的阻尼性能好，具有吸收振动能力，可减小振动和噪声；耐磨性、化学稳定性、可加工性能好；工艺简单、成本低。

滚动导轨的最大优点是摩擦系数很小，一般为0.0025～0.005，比贴塑料导轨还小很多，且动、静摩擦系数很接近，因而运动轻便灵活，在很低的运动速度下都不出现爬行，低速运动平稳性好，位移精度和定位精度高。滚动导轨的缺点是抗振性差，结构比较复杂，制造成本较高。近年来数控机床愈来愈多地采用由专业厂家生产的直线滚动导轨副或滚动导轨块。这种导轨组件本身制造精度很高，对机床的安装基面要求不高，安装、调整都非常方便。直线滚动导轨副结构在第六章已介绍过，这里简要介绍一下滚动导轨块结构。

什么是数控机床？

数字控制机床(Numerical Control Machine Tools)简称数控机床，这是一种将数字计算技术应用于机床的控制技术。它把机械加工过程中的各种控制信息用代码化的数字表示，通过信息载体输入数控装置。经运算处理由数控装置发出各种控制信号，控制机床的动作，按图纸要求的形状和尺寸，自动地将零件加工出来。数控机床较好地解决了复杂、精密、小批量、多品种的零件加工问题，是一种柔性的、高效能的自动化机床，代表了现代机床控制技术的发展方向，是一种典型的机电一体化产品。

一、数控机床的组成:

数控机床的基本组成包括加工程序载体、数控装置、伺服驱动装置、机床主体和其他辅助装置。下面分别对各组成部分的基本工作原理进行概要说明。

1．加工程序载体

数控机床工作时，不需要工人直接去操作机床，要对数控机床进行控制，必须编制加工程序。零件加工程序中，包括机床上刀具和工件的相对运动轨迹、工艺参数（进给量主轴转速等）和辅助运动等。将零件加工程序用一定的格式和代码，存储在一种程序载体上，如穿孔纸带、盒式磁带、软磁盘等，通过数控机床的输入装置，将程序信息输入到CNC单元。

2．数控装置

数控装置是数控机床的核心。现代数控装置均采用CNC(Computer Numerical Control)形式，这种CNC装置一般使用多个微处理器，以程序化的软件形式实现数控功能，因此又称软件数控(Software NC)。CNC系统是一种位置控制系统，它是根据输入数据插补出理想的运动轨迹，然后输出到执行部件加工出所需要的零件。因此，数控装置主要由输入、处理和输出三个基本部分构成。而所有这些工作都由计算机的系统程序进行合理地组织，使整个系统协调地进行工作。

（1）输入装置将数控指令输入给数控装置，根据程序载体的不同，相应有不同的输入装置。目前主要有键盘输入、磁盘输入、CAD/CAM系统直接通信方式输入和连接上级计算机的DNC(直接数控)输入，现仍有不少系统还保留有光电阅读机的纸带输入形式。

1）纸带输入方式。可用纸带光电阅读机读入零件程序，直接控制机床运动，也可以将纸带内容读入存储器，用存储器中储存的零件程序控制机床运动。

2）MDI手动数据输入方式。操作者可利用操作面板上的键盘输入加工程序的指令，它适用于比较短的程序。

在控制装置编辑状态(EDIT)下，用软件输入加工程序，并存入控制装置的存储器中，这种输入方法可重复使用程序。一般手工编程均采用这种方法。

在具有会话编程功能的数控装置上，可按照显示器上提示的问题，选择不同的菜单，用人机对话的方法，输入有关的尺寸数字，就可自动生成加工程序。

3）采用DNC直接数控输入方式。把零件程序保存在上级计算机中，CNC系统一边加工一边接收来自计算机的后续程序段。DNC方式多用于采用CAD/CAM软件设计的复杂工件并直接生成零件程序的情况。

（2）信息处理输入装置将加工信息传给CNC单元，编译成计算机能识别的信息，由信息处理部分按照控制程序的规定，逐步存储并进行处理后，通过输出单元发出位置和速度指令给伺服系统和主运动控制部分。CNC系统的输入数据包括：零件的轮廓信息(起点、终点、直线、圆弧等)、加工速度及其他辅助加工信息(如换刀、变速、冷却液开关等) ，数据处理的目的是完成插补运算前的准备工作。数据处理程序还包括刀具半径补偿、速度计算及辅助功能的处理等。

（3）输出装置输出装置与伺服机构相联。输出装置根据控制器的命令接受运算器的输出脉冲，并把它送到各坐标的伺服控制系统，经过功率放大，驱动伺服系统，从而控制机床按规定要求运动。

3．伺服系统和测量反馈系统

伺服系统是数控机床的重要组成部分，用于实现数控机床的进给伺服控制和主轴伺服控制。伺服系统的作用是把接受来自数控装置的指令信息，经功率放大、整形处理后，转换成机床执行部件的直线位移或角位移运动。由于伺服系统是数控机床的最后环节，其性能将直接影响数控机床的精度和速度等技术指标，因此，对数控机床的伺服驱动装置，要求具有良好的快速反应性能，准确而灵敏地跟踪数控装置发出的数字指令信号，并能忠实地执行来自数控装置的指令，提高系统的动态跟随特性和静态跟踪精度。

伺服系统包括驱动装置和执行机构两大部分。驱动装置由主轴驱动单元、进给驱动单元和主轴伺服电动机、进给伺服电动机组成。步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机是常用的驱动装置。

测量元件将数控机床各坐标轴的实际位移值检测出来并经反馈系统输入到机床的数控装置中，数控装置对反馈回来的实际位移值与指令值进行比较，并向伺服系统输出达到设定值所需的位移量指令。

4．机床主体

机床主机是数控机床的主体。它包括床身、底座、立柱、横梁、滑座、工作台、主轴箱、进给机构、刀架及自动换刀装置等机械部件。它是在数控机床上自动地完成各种切削加工的机械部分。与传统的机床相比，数控机床主体具有如下结构特点：

（1）采用具有高刚度、高抗震性及较小热变形的机床新结构。通常用提高结构系统的静刚度、增加阻尼、调整结构件质量和固有频率等方法来提高机床主机的刚度和抗震性，使机床主体能适应数控机床连续自动地进行切削加工的需要。采取改善机床结构布局、减少发热、控制温升及采用热位移补偿等措施，可减少热变形对机床主机的影响。

（2）广泛采用高性能的主轴伺服驱动和进给伺服驱动装置，使数控机床的传动链缩短，简化了机床机械传动系统的结构。

（3）采用高传动效率、高精度、无间隙的传动装置和运动部件，如滚珠丝杠螺母副、塑料滑动导轨、直线滚动导轨、静压导轨等。

5．数控机床的辅助装置

辅助装置是保证充分发挥数控机床功能所必需的配套装置，常用的辅助装置包括：气动、液压装置，排屑装置，冷却、润滑装置，回转工作台和数控分度头，防护，照明等各种辅助装置。