数控加工技术：提高效率、降低强度、优化管理

数控是数字控制（Numerical Control）的简称。数控技术是采用数字信息加工过程的轨迹、速度和精度等进行控制的技术。数控系统是利用数控技术实现的自动控制系统，以数字信息控制机床的运动速度和运动轨迹来完成零件的加工。由于计算机应用技术的发展，现在的数控系统均采用计算机数字控制，简称CNC（Computer Numerical Control），以区别于传统的NC。

（1）数控机床的特点

数控机床是典型的数控设备，它可以把加工的要求、步骤与零件尺寸用代码和数字表示为数控程序，通过信息载体将数控程序输入数控装置。经过数控装置中的计算机处理与计算发出各种控制信号，正确地控制机床运动部件的位移量，按程序加工出图纸上要求的形状与尺寸的零件。在数控机床中使用的是可编程的数字量信号，当被加工零件改变时，只要编写（描写）该零件加工的程序即可。数控机床较好地解决了复杂、精密、多变的零件加工问题，是集计算机应用、自动控制、精密测量、微电子、机械加工等技术于一体的一种具有高效率、高精度、高柔性和高自动化的机电一体化数控装备。概括起来，数控加工具有以下特点：

1）加工精度高

数控机床有较高的加工精度，而且数控机床的加工精度不受零件形状复杂程度的影响。这对于一些用普通机床难以保证精度甚至无法加工的复杂零件来说是非常重要的。另外，用数控机床加工，消除了操作者的人为误差，提高了同批零件加工的一致性，使产品质量稳定。

2）生产效率高

使用数控机床加工时，因对工装夹具的要求降低，又免去了画线工作，可使加工准备工作时间缩短。因为具有高的精度，可以简化检验工作，在加工过程中省去了对工件多次测量，节省了检验时间。在加工零件改变时用改换程序的方法，可节省准备与调整的时间。这些都有效地提高了生产效率。如果使用能自动换刀的数控加工中心机床，则可进行多道工序的连续加工，避免了多次定位误差，缩短了半成品的周转时间，生产效率的提高更为显著。

3）适应性强

数控机床采用数字程序控制，当加工对象改变时，只要重新编制零件加工程序并输入，就能够实现对新零件的自动化加工。因此，在同一台机床上可实现对不同品种及尺寸规格零件的自动加工，无须制造、更换许多工具、夹具和检具，更不需要重新调整机床，这就使得复杂结构的单件、小批量生产以及新产品试制非常方便。

4）降低劳动强度，改善劳动条件

数控机床在输入程序并启动后，就自动地连续加工，直至工件加工完毕，自动停车。这样就简化了工人的操作，也使操作时的紧张程度大为减轻。

5）便于生产管理

用数控机床加工，能准确地计划零件的加工工时，简化检验工作，减轻工夹具、半成品的管理工作，减少了因误操作而出废品及损坏刀具的可能性。这些都有利于管理水平的提高。当然，也需要相应地增加程序的准备与管理工作。

6）适于高级计算机控制与管理方面的发展

数控机床使用数字量信号与标准代码输入，最宜于与数字计算机网链接。所以它是将来计算机控制与管理系统的基础。

（2）数控加工的应用范围

数控机床以其精度高、效率高、能适应小批量复杂零件的加工等特点，在机械加工中得到了日益广泛的应用。目前的数控加工主要应用于以下几个方面：

①常规中小批量零件加工，如二维车削、箱体类镗铣等。常规加工中应用数控技术的目的在于：提高加工效率，避免人为误差，保证产品质量；以柔性加工方式取代高成本的工装设备，缩短产品制造周期，适应市场需求。这类零件一般形状较简单，实现上述目的的关键在于提高机床的柔性自动化程度、高速高精加工能力、加工过程的可靠性与设备的操作性能。

②复杂形状零件加工，如模具型腔、涡轮叶片等。这类零件型面复杂，用常规加工方法难以实现，它不仅促使了数控加工技术的产生，而且也一直是数控加工技术主要研究及应用的对象。由于零件型面复杂，在加工技术方面，除要求数控机床具有较强的运动控制能力（如多轴联动）外，更重要的是如何有效地获得高效优质的数控加工程序，并从加工过程整体上提高生产效率。

③需要频繁改型的产品。

④要求生产周期很短的急件。

（3）数控机床的发展

数控机床是在机械制造技术和控制技术基础上发展起来的。第一台电子计算机叫作电子数字积分计算机（Electronic Numerical Integrate and Computer），它于1946年2月15日在美国宣告诞生。计算机的研制成功为产品制造由刚性自动化朝着柔性自动化方向发展奠定了基础。

1）数控技术与数控机床的产生与发展

自20世纪40年代以来，航空航天技术的发展对各种飞行器的加工提出了更高的要求，这类零件形状复杂，材料多为难加工合金。为了提高强度、减轻质量，通常将整体材料铣成蜂窝式结构，用传统的机床和工艺方法加工不能保证精度，也很难提高生产率。

1948年，美国帕森斯公司为了解决飞机框架和直升机叶片加工过程中所用样板的制造问题，提出了数控机床的初始设想。后来，受美国空军的委托，与麻省理工学院合作，在1952年研制成功了世界上第一台三坐标数控铣床，它的控制装置大约由2 000个电子管组成，体积约一间普通实验室那么大。尽管现在看来这套控制系统体积庞大、功能简单，但它在制造技术的发展史上却有着划时代的意义，这是世界上第一台数控机床，标志着数字控制时代的开始。

1959年，晶体管元件的出现使得电子设备的体积大大减小，数控系统中广泛采用晶体管和印制电路板，数控技术的发展进入第二代。1959年3月，克耐·杜列克公司发明了带有自动换刀装置的数控机床，称之为“加工中心”。从1960年开始，数控技术进入了实用阶段，工业发达国家（如美国、德国、日本等）开始开发、生产和使用数控机床。

1965年，出现了小规模集成电路。由于其体积小、功耗低，使数控系统的可靠性得以进一步提高，这是第三代数控系统。1967年，英国首先把几台数控机床连接成具有柔性的加工系统，这就是最初的FMS（Flexible Manufacturing System），即柔性制造系统。在这之后，美国、日本和欧洲也相继进行了柔性制造系统方面的研究。在这以前的数控系统中，所有功能都是靠硬件实现的，现在称为普通数控。

1970年，在美国芝加哥国际机床展览会上，首次展出了一台以通用小型计算机作为数控装置的数控系统，被人们称为第四代数控系统，这种数控系统的最大特征是许多数控功能可以由软件来实现，系统变得灵活、通用性好，价格也低很多。这就是我们现在说的计算机数控系统。

1974年，开始出现了以微处理器为核心的数控系统，被人们誉为第五代数控系统，近50年来，装备微处理机数控系统的数控机床得到飞速发展和广泛应用。

数控技术经过50多年的发展，从控制单机到生产线以至整个车间、整个工厂。目前数控系统的故障率已下降到0.01次／月台。无故障时间已达到100个月，大大提高了数控系统的性能。以FANUC公司为例，1991年开发的FS220系统与1971年开发的FS15系统相比，体积减小了90%，加工精度提高了10倍，加工效率提高了20倍，可靠性提高了30倍以上。

数控技术的发展推动了数控机床的发展，目前全世界约有100万台数控机床，占所有机床总数的7%。数控技术的水平和机床的数控化率已成为衡量一个国家制造业水平的标志，数控技术已成为先进制造技术的基础和关键技术。与此同时，人们已经在构思和开发下一代数控技术产品。

2）中国数控技术与数控机床的发展

我国从1958年开始数控技术的研究，1966年研制成功晶体管数控系统，1972年研制成功集成电路数控系统，并出现了线切割机、非圆齿轮插齿机、数控铣床等代表性产品。其中数控线切割机由于模具加工的迫切需要，以其价格低廉、技术简单、使用方便等特点得到了迅速发展，年产量在600～700台。但其他数控机床由于元件、工艺等方面的原因推广很慢。1973—1979年，我国共生产数控机床4 108台，其中数控线切割机占86%。与此同时，我国每年用1亿元从国外进口数控机床，由于技术消化、售后服务跟不上，这些机床也没有得到很好的利用。

20世纪80年代开始，在改革开放方针的指引下，相继引进了日本具有20世纪70年代末期水平的微处理器数控系统和直流伺服驱动技术，并于1981年开始生产，到1988年共生产各种数控系统1 300多套，满足了国内市场的部分需求。1985年又引进了美国GE公司和DUNAPATH公司的数控系统和驱动技术，在上海市机床研究所和辽宁省精密仪器厂组织生产。

1985年开始，我国的数控机床在引进、消化国外技术的基础上，进行了大量的研发工作。到1989年底，我国数控机床可供产品已超过300种，其中车床占40%，加工中心占27%，其他品种有重型机床、镗铣床、电加工机床、磨床、齿轮加工机床等。一些高档次的数控系统，如五坐标联动的数控系统、分辨率为0.025 m的高精度车床用数控系统、数字仿形的数控系统、为柔性制造单元配套的数控系统，也相继开发出来并制造出样机。

（4）数控机床的组成

如图4.15所示，数控机床一般由数控系统、操作面板、进给伺服系统、主轴驱动系统、电气回路、辅助装置和机床本体组成。

图4.15　数控机床的组成

1）数控系统

数控系统是数控机床实现自动加工的核心，主要由计算机数控装置和可编程控制器组成。其主要功能有多坐标控制和多种函数的插补功能，多种程序输入功能以及编辑和修改功能，信息转换功能，补偿功能，多种加工方法选择功能，显示功能，自诊断功能，通信和联网功能。其控制方式分为数据运算处理控制和时序逻辑控制两大类。其中，主控制器内的插补运算模块是通过译码、编译等信息处理，进行相应的刀具轨迹插补运算，并通过与各坐标伺服系统的位置、速度反馈信号比较，控制机床各个坐标轴的位移。时序逻辑控制通常主要由可编程控制器PLC来完成，它根据机床加工过程对各个动作的要求进行协调，并按各检测信号进行逻辑判别，控制机床各个部件有条不紊地工作。

2）操作面板

数控机床的操作是通过操作面板实现的，机床操作面板由数控面板和机床面板组成。(www.xing528.com)

数控系统面板是数控系统的操作面板，由显示器和手动数据输入（Manual Data Input，MDI）键盘组成，又称为MDI面板。显示器的下部常设有菜单选择键，用于选择菜单。键盘除各种符号键、数字键和功能键外，还可设置用户自定义键等。操作人员可以通过键盘和显示器，实现系统管理，对数控程序及有关数据进行输入、存储和编程修改。在加工中，屏幕可以动态地显示系统状态和故障诊断报警等。此外，数控程序及数据还可以通过磁盘或通信接口输入或输出。

机床操作面板主要用于手动方式下对机床的操作，以及自动方式下对机床的操作或干预。面板上有各种按钮与选择开关，用于机床及辅助装置的启停、加工方式选择、速度倍率选择等；还有数码管及信号显示装置等。中、小型数控机床的操作面板常和数控面板做成一个整体，但二者之间有明显界限。数控系统的通信接口，如串行接口，常设置在机床操作面板上。

3）进给伺服系统

进给伺服系统是数控系统的执行部分，主要由伺服电动机、驱动控制系统及位置检测反馈装置等组成，并与机床上的执行部件和机械传动部件组成数控机床的进给系统。它根据数控装置发来的运动指令控制运动部件的进给速度、方向和位移。伺服系统有开环、半闭环和闭环之分。在半闭环和闭环伺服系统中，还要使用位置检测装置去间接或直接测量执行部件的实际进给位移，并与指令位移进行比较，按闭环原理，将其误差转换放大后控制运动部件的进给。

4）主轴驱动系统

主轴驱动系统是机床切削加工时传递扭矩的主要部件之一，电机输出功率较大，一般达2.2～250 kW。主轴驱动系统一般分为齿轮有级调速和电气无级调速两种类型。档次较高的数控机床都要求实现无级调速，以满足各种加工工艺的要求。它主要由主轴驱动控制系统、主轴电动机以及主轴机械传动机构等组成。

5）电气回路

电气回路是介于数控装置和机床机械、液压部件之间的控制系统，主要由各种中间继电器、接触器、变压器、电源开关、接线端子和各类电气保护元器件等构成。其主要作用是接收数控装置输出的主运动变速、刀具选择交换、辅助装置动作等指令信号，经必要的编译、逻辑判断、功率放大后直接驱动相应的电器、液压、气动和机械部件，完成指令所规定的动作。此外，行程开关和监控检测等开关信号也要经过强电控制装置送到数控装置进行处理。

6）辅助装置

辅助装置主要包括刀具自动交换装置（Automatic Tool Changer，ATC）、工件自动交换装置（Automatic Pallet Changer，APC）、工件夹紧放松机构、回转工作台、液压控制系统、润滑装置、冷却液装置、排屑装置、过载与限位保护装置等。

7）机床本体

机床本体是指数控机床机械结构实体。它与普通机床相比，同样由主传动机构、进给传动机构、工作台、床身以及立柱等部分组成，但数控机床的整体布局、外观造型、传动机构、刀具系统及操作机构等具有以下特点：

①采用高性能主传动及主轴部件。

②进给传动采用高效传动件，一般采用滚珠丝杠螺母副、直线滚动导轨副等。

③具有较完善的刀具自动交换和管理系统。

④具有工件自动交换、工件夹紧与放松机构。

⑤床身机架具有很高的动、静刚度。

⑥采用全封闭罩壳。

（5）数控机床的分类

1）按运动控制的特点分类

①点位控制数控机床。这类数控机床控制运动部件从一点准确地移动到另一点。移动过程中不进行加工，如图4.16（a）所示。这类数控机床主要有数控钻床、数控坐标镗床和数控冲床等。

②直线控制数控机床。这类数控机床的数控系统不仅控制机床运动部件从一点准确地移动到另一点，同时要控制两个相关点之间的移动速度和轨迹。其轨迹一般与某一坐标轴平行，如图4.16（b）所示。这类数控机床主要有简易数控车床、数控铣床和数控镗床等。

③轮廓控制数控机床。这类数控机床要求能够同时对两个或两个以上运动坐标的位移及速度进行连续相关的控制，如图4.16（c）所示。这类数控机床主要有数控车床、数控铣床、数控电加工、数控磨床等。

图4.16　数控机床的点位、直线和轮廓控制

2）按伺服系统的类型分类

①开环控制系统。这类数控系统没有检测装置，也没有反馈电路，通常以步进电机为驱动元件，如图4.17所示。CNC数控装置输出进给指令的脉冲信号通过环形分配器及功率放大器处理后，转换为控制步进电机的各个定子绕组的通断电的信号。根据这个通电（断电）的信号来驱动步进电机转动，并利用齿轮箱等传动机构带动工作台移动。这种控制方式控制简单、精度低、价格低廉，被广泛用于经济型数控系统。

图4.17　开环控制系统的工作流程

②闭环控制系统。如图4.18所示，在数控设备的运动部件上装有测量元件，将运动部件的位置、速度信息及时反馈给伺服系统，伺服系统将指令位置、速度信息与实际信息进行比较并及时发出补偿控制命令。对于数控机床中行程的测量：如果测量元件装在机械传动链中间部件上，如采用测速电机，通过检测电机的旋转来推算安装在滚珠丝杠上的工作台的移动距离，则该系统为半闭环系统，如图4.18（a）所示。如果测量元件装在机械传动链末端的部件上，如直接检测装在机床工作台上的工件的移动距离，则该系统为全闭环系统（或简称为“闭环系统”），如图4.18（b）所示。闭环控制方式的优点是精度高、速度快，但调试和维修较困难。

图4.18　闭环控制系统

3）按用途分类

①金属切削加工类：包括数控车床、数控铣床等普通数控机床和具有“一次装夹实现多种工序加工”的加工中心。

②金属成形类数控机床：指采用冲、挤、压、拉等成形工艺的数控机床，如数控折弯机、数控弯管机、数控压力机等。

③特种加工类数控机床：主要有数控线切割机、数控电火花加工机、数控激光切割机、数控火焰切割机、数控三坐标测量机等。

（6）典型加工设备

①CK7150B数控车床（图4.19），主要用于各类短轴类和盘盖类零件的加工，最大加工直径为500 mm。机床床身采用了整体倾斜45°的形式，增大了床身横截面，提高了整机刚性，采用了较大跨距的导轨，使切削过程更加稳定；主轴采用变频电机驱动，可实现无级调速；纵、横向进给的驱动电机采用高性能的交流伺服电机，定位精度高，动作灵活可靠；配备八位电动转塔刀架，可实现自动换刀；尾架采用液压尾座，整体套筒，刚性好、精度高。

图4.19　CK7150B数控车床

图4.20　V850数控立式加工中心

②V850数控立式加工中心（图4.20），主要用于加工凸轮、模具、箱体、阀类、盘类和板类等零件，适于中、小批量和多品种的生产方式，也可进入自动生产线进行批量生产。使用该机床可以节省工艺装备，缩短生产准备周期，保证零件加工质量，提高生产效率。机床工作台尺寸（长×宽）1 060 mm×500 mm，X轴行程850 mm、Y轴行程500 mm、Z轴行程620 mm，工作台最大承载800 kg，主轴最高转速8 000 r／min，配备凸轮式机械手换刀装置，刀库容量24把，换刀时间（刀到刀）2.5 s，数控系统采用fanuc Oi mate MD，可实现三轴联动并具备支持第四轴功能的接口。