数控技术的发展与应用

第八章数控技术的发展与应用

第一节数控技术的基本概念

世界各工业发达国家通过发展数控技术、建立数控机床产业，促使制造业跨入一个新的发展阶段，给国民经济的结构带来了巨大的变化。数控机床是世界第三次产业革命的重要内容，它不但是机电工业的重要基础装备，还是汽车、石化、电子和现代医疗装备等产业现代化的主要手段。虽然数控机床产业本身的产值远不如汽车、化工等产业，但高效的数控机床给制造业带来了现代化的生产方式以及高倍率的效益增长，这是促进国民经济发展的巨大源动力。特别是数控技术在制造业的扩展与延伸所产生的辐射作用和波及效果，足以给机械制造业的产业结构、产品结构、制造方式及管理模式等带来深刻的变化。

一、数控技术、数控系统与数控装备

数控技术是数字控制(Numerical Control，NC)技术的简称，是一种用数字化的信息(数字、字母和符号)对某一工作过程进行可编程自动控制的技术。

数控系统(数字控制系统)是指实现数控技术相关功能的软硬件模块有机集成系统。它是数控技术的载体。

数字控制系统中的信息是数字量，它有如下特点：

1．可用不同的字长表示不同精度的信息。

2．具有强大的算术运算和逻辑运算处理能力。

3．通过编程可方便地实现各种控制功能，因而具有很高的柔性。

由于数字控制系统具有上述优点，故被广泛应用于机械装备。的点位和运动轨迹控制，其中轨迹控制是数控机床和工业机器人等数控装备的主要控制内容。

最初的数字控制系统是由数字逻辑电路构成的，因而称之为硬线数控系统。随着数字计算机技术的发展，硬线数控系统已逐渐被淘汰，取而代之的是计算机数控(Computer Numerical Control，CNC)系统，即以计算机为信息处理核心的数控系统。相对于硬线数控系统而言，CNC系统的控制功能主要由软件实现，并可处理逻辑电路难以处理的复杂运算功能，因而具有较高的柔性和更高的性能。

数控机床是指应用数控技术对加工过程进行控制的机床。具体地说，凡是将刀具相对于工件的运动轨迹和相关的工艺信息用代码进行编程，然后送入数控系统经过数字运算、处理，并通过高性能的驱动单元控制机床的刀具与工件的相对运动，

257

加工出所需工件的一类机床即为数控机床。

数控装备是指应用数控技术对工作机械的工作过程进行控制的装备。数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴产业的渗透而形成的机电一体化产品，其特点是高精度、高效率、高柔性和高超的信息处理和传输能力。当然，数控技术应用最早、最成功的应用行业是制造业，最典型的代表是数控机床和机器人。现在，数控技术已广泛应用于国民经济各行业(如轻工、农业、能源、交通、材料、医疗、环保、信息和国防工业等)的生产装备和成套技术装备。例如制造行业(加工中心、工业机器人等)、医疗诊断治疗设备(CT机、γ刀治疗机等)、电子制造行业(键合机、光刻机等)、轻工行业(多色印刷机、木工机械等)都是各行业典型的数控装备。

二、计算机数控(CNC)系统

计算机数控(CNC)系统主要由图8-1所示的虚线框中的几个部分组成，双点画线框中为数控系统的控制对象，这里以数控机床为例进行说明。

图8-1 数控系统的组成

1．操作面板操作面板是操作人员与数控机床(系统)进行交互的工具。一方面，操作人员可以通过操作面板对数控机床(系统)进行操作、编程、调试或对机床参数进行设定和修改，另一方面，操作人员也可以通过它了解或查询数控机床(系统)的运行状态。

操作面板主要由按钮站、状态灯、按键阵列(功能与计算机键盘一样)和显示器等部分组成，如图8-2所示。

2．输入输出设备输人输出设备是CNC系统与外部设备进行交互的装置。交互的信息通常是零件加工程序。即将记录在控制介质上的零件加工程序输入CNC系统或将调试好了的零件加工程序通过输出设备存放或记录在相应的控制介质上。数控机

258

259

床常用的控制介质和输入输出设备见表8-1。 表

8-l 控制介质与输入输出设备

控制介质

输入设备 输出设备 穿孔纸带

纸带阅读机 纸带穿孔机

磁带

磁盘 磁带机 磁盘驱动器

图8-2操作面板

此外，现代数控系统一般都可采用通信方式实现CNC 系统与外部设备问的信息交换，这种信息交换方式是实现DNC 、FMS 和CIMS 等的基本技术。目前在数控机床上常采用的通信方式有：

——串行通信(RS232等串口)。

——自动控制专用接口和规范(DNC 方式，专用接口卡等)。

——网络技术(Internet ，LAN 等)。

3．计算机数控(CNC)装置(或CNC 单元) 计算机数控(CNC)装置是计算机数控系统的核心。其主要作用是根据输入的零件加工程序进行相应的处理(如运动轨迹插补计算、机床输入输出处理等)，然后输出控制命令到相应的执行部件(伺服单元、驱动装置和PLC 等)，加工出需要的零件。所有这些工作由CNC 装置内硬件和软件协调配合，合理组织，使整个系统有条不紊地进行工作。CNC 装置主要由计算机系统、位置控制板、PLC 接口板、通信接口板、扩展功能模块以及相应的控制软件等模块组成。

4．伺服单元、驱动装置和测量装置伺服单元和驱动装置包括主轴伺服驱动装置和主轴电动机、进给伺服驱动装置和进给电动机。伺服单元把来自CNC装置的微弱指令信号放大成控制驱动装置的大功率信号，驱动装置把经放大的指令信号变为机械运动。

测量装置包括位置和速度测量装置，它是实现速度闭环控制(主轴、进给)和位置闭环控制(进给)的必要装置。

伺服单元、驱动装置和测量装置合称为伺服驱动系统，它是机床工作的动力装置。CNC装置的指令要靠伺服驱动系统付诸实施，所以，伺服驱动系统是数控机床的重要组成部分。

进给伺服系统的主要作用是实现零件加工的成形运动，其控制量为速度和位置。主轴伺服系统的主要作用是实现零件加工的切削运动，其控制量为速度。它们一个共同的特点是能灵敏、准确地跟踪CNC装置的位置和速度指令。

从某种意义上可以说，数控机床功能的强弱主要取决于CNC装置，而数控机床性能的好坏则主要取决于伺服驱动系统。

5．PLC、机床I／O电路和装置PLC(Programmable Logic Controller，可编程控制器)用于完成与逻辑运算有关的顺序动作的控制，其由硬件和软件组成。

机床I／O电路和装置是数控机床实现输A／输出控制的执行部件，是由继电器、电磁阀、行程开关和接触器等组成的逻辑电路。

PLC、机床I／O电路和装置共同完成以下任务。

1)接受CNC的指令，对其进行译码并转换成对应的控制信号，控制辅助装置完成机床相应的开关动作。

2)接受操作面板和机床侧的I／O信号，送给CNC装置，经其处理后，输出指令控制CNC系统的工作状态和机床的动作。

6．机床机床是数控机床的主体，是数控系统的被控对象，是实现制造加工的执行部件。它主要由主运动部件、进给运动部件(工作台、拖板以及相应的传动机构)、支承件(立柱、床身等)以及特殊装置(刀具自动交换系统、工件自动交换系统)和辅助装置(如冷却、润滑、排屑、转位和夹紧装置等)组成。数控机床机械部件的组成与普通机床相似，但传动结构较为简单，在精度、刚度和抗震性等方面要求高，而且其传动和变速系统要便于实现自动化控制。

第二节数控技术的主要内容

260

数控技术内容较多，限于篇幅，下面将从应用功能的角度对其主要技术进行简要介绍。

一．数控装置体系结构技术

近10年来，随着计算机技术的飞速发展，数控装置的体系结构正朝标准化和开放性方向发展。就体系结构而言，当今世界上的数控系统大致可分为3种类型：①传统体系结构：这是一种专用的封闭体系结构的数控装置。对它的功能扩展、改变和维修，都必须求助于系统供应商。该类数控系统的市场正在受到挑战，已逐

渐减小。②PC嵌入Nc体系结构：该结构是在传统结构的基础上，嵌入PC机，其目的是既继承多年来积累的数控软件技术，又可利用PC机丰富的软件资源。这类系统结构比较复杂。③基于PC机体系结构：该结构是以标准PC=机的硬件为基础，在基于通用操作系统(如Windows、LINIX等)开发的实时多任务系统的支撑下，实现各种数控功能。这是现代数控装置广泛采用的体系结构，基于该结构的数控装置具有较高的性能价格比和较长的生命力。一个典型的基于PC机体系结构的CNC装置外观如图8-3，其硬件结构框图如图8-4。

图8-3 CNC装置外观图

下面从功能方面来讨论图8-4中各硬件模块的作用。

1．计算机主板和系统总线板(母板) 计算机主板是CNC装置的核心，由于是基

261

于PC机的体系结构，各硬件模块也均与PC机总线标准兼容。其目的是利用PC机丰富的软件和硬件资源，提高系统的适应性和开放性。降低价格，缩短新产品的开发周期。CNC装置的计算机系统与普通的商用PC机在实现结构上略有不同。从系统的可靠性出发，其主板与母板是分离的，即系统总线是一单独的无源母板，主板则做成插卡形式，且集成度更高，即所谓的ALL-IN-ONE主板。这种主板主要包括以下的功能结构：①CPU芯片及其外围芯片。②内存单元、cache及其外围芯片。③通信接口(串口，并口，键盘接口)。④软、硬驱动器接口。各功能结构的组成原理与普通微型计算机的原理完全一样，这里不再赘述。计算机主板的主要作用是。对输入到CNC装置中的各种数据、信息(零件加工程序，各种I／O信息等)进行相应的算术和逻辑运算，并根据其处理结果，向其他功能模块发出控制命令，传送数据，使用户的指令得以执行。

图8-4 CNC装置硬件结构图

系统总线(母板)是由一组传送数字信息的物理导线组成的，它是CNC装置内部进行数据或信息交换的通道，组成原理与普通微型计算机的原理完全一样。一般作为工业用Pc机的总线母板是独立的无源四层印制电路板，即该板的两面为信号线走线面，而在中间为电源和地线，其可靠性高于两层板。其规格有6槽、8槽、12槽和14槽等，用户可根据CNC装置功能板的多少进行选择。

2．显示模块显示模块即显示卡是一个通用性很强的模块。在CNC装置中，CRT

262

显示是一种非常重要的功能，它是人机交流的重要媒介，向用户提供了一个直观的操作环境，使用户能快速地熟悉其操作过程。显示卡的主要作用是：接收来自CPU 的控制命令和显示用的数据，经与CRT的扫描信号调制后，产生CRT显示器所需要的视频信号，由CRT中的电子枪对屏幕进行扫描，从而产生所需要的画面。显示卡这种硬件不仅随时可以在市场上买到，而且它还有非常丰富的支持软件，因此无需用户自己开发。

3．输入／输出模块输A／出模块也是标准的PC机模块

——多功能卡，一般不需要用户自己开发。输A／出模块是CNC装置与外界进行数据和信息交换的接口板，即CNC装置中的CPU通过该接口可以从外部输入设备获取数据，也可以将CNC装置中的数据送给外部输出设备。如果计算机主板是ALL—IN—ONE主板，由于主板已集成此功能，则此板可省略。

以上三部分，再配上键盘、电源和机箱，实际上是一部通用的微型计算机系统，这个系统是CNC装置的核心。从某种意义上讲，其档次和性能决定了CNC装置的档次和性能，因此，CNC装置计算机子系统的合理选用是至关重要的。

4．电子盘(存储模块) 电子盘是CNC装置特有的存储模块。在CNC装置中它用来存放下列数据和参数：①系统软件和系统固有数据；②系统的配置参数(系统所能控制的进给轴数，轴的定义，系统增益等)；③用户的零件加工程序。

在CNC装置中，常采用电子存储器件作为外存储器，而不采用磁性存储器件，主要是考虑到CNC装置的工作环境有可能受到电磁干扰，磁性器件的可靠性低，而电子存储器件的抗电磁干扰能力相对来讲要强一些。又因为这些由电子器件组成的存储单元是按磁盘的管理方式进行的，故称其为电子盘。

5．PLC控制模块CNC系统对设备的控制分为两类：一类是对各坐标轴的速度和位置的“轨迹控制”；另一类是对设备动作的“顺序控制”。对数控机床而言，“顺序控制”是指在数控机床运行过程中，以CNC内部和机床各行程开关、传感器、按钮、继电器等开关量信号状态为条件，并按预先规定的逻辑顺序对诸如主轴的起停、换向，刀具的更换，工件的夹紧、松开，液压、冷却、润滑系统的运行等进行的控制。在CNC装置中实现顺序控制的模块是PLC控制模块。该模块主要接收来自操作面板、机床上的各行程开关、传感器、按钮、强电柜里的继电器以及主轴控制、刀库控制的有关信号，经处理后控制相应器件的运行。

6．位置控制模块位置控制模块是进给伺服系统的重要组成部分，是实现轨迹控制时，CNC装置与伺服驱动系统连接的接口模块。在数控机床中，通常由若干进给

263

伺服系统控制的进给轴构成成形运动系统，每个坐标轴(进给轴)都有一套独立的位置控制器。该位置控制器的作用是：接收CNC插补运算后输出的位置控制命令(如△X、△Y、△Z等)，经相应调节运算(位置控制通常采用比例调节运算)和相应的变换(如D／A转换、脉冲变换等)。输出速度控制指令给速度控制单元，去控制伺服电机运行。对于闭环控制或半闭环控制，还要回收实际位置信号和实际速度信号，以供位置和速度闭环控制运算使用。

7.功能接口模块功能接口模块是实现用户特定功能要求的接口板，如对仿形数控铣床需增加仿形控制器、激光切割机的焦点自动跟踪功能(Z轴浮动控制器)、刀具监控系统中的信号采集器等。所有增加的功能，必须在CNC装置中增加相应的接口板才能实现。就目前的情况而言，用户特殊的功能要求，必须向CNC系统的生产厂家定制，一般来讲用户自己是无法办到的。其原因是因为现在的CNC系统是封闭的，而不是开放的。数控技术的发展趋势之一就是研究开放式结构的CNC系统。一旦研制成功并推广使用，用户即可根据自己的要求来增减CNC系统的功能，这正是人们所追求的目标。

二、伺服控制技术

1．技术概念和组成结构伺服控制技术是以运动部件的位置和速度作为控制量的自动控制技术。运用该技术构成的系统——进给伺服系统是一个典型的机电一体化系统，主要由以下几个部分组成：位置控制单元、速度控制单元、驱动元件(电机)、检测与反馈单元和机械执行部件。

图3-37表明了进给伺服系统各模块(单元)之间的联系。从调节原理的角度，进给伺服系统是一种精密的位置跟踪与定位系统，按其位置环路的开放与否，可以分为开环与闭环两种，其中闭环系统按其位置检测元件的安装部位又可分为：全闭环与半闭环两种。全闭环的位置检测元件安装在进给传动链的末端，半闭环的位置检测元件安装在进给传动链中的某个传动元件上。

如果说CNC装置是数控装备的“大脑”，是发布“命令”的“指挥所”，那么进给伺服系统则是数控装置的“四肢”，是一种“执行机构”。进给伺服系统忠实地执行由CNC装置发来的运动命令，精确控制执行部件的运动方向、进给速度与位移量。

通常在数控机装备往往需要对多个运动部件进行控制，如：数控车床一般有两个进给轴，数控铣床一般有3个进给轴，加工中心则有更多的进给轴(包括直线轴或回转轴)。这些进给轴有的带动装有工件的工作台运动，有的则带动装有刀具的刀架(如车床)或主轴箱(如铣床等)。每个进给轴均是一个进给伺服系统。多个进给伺服

264

系统问的配合和协调，是通过CNC装置(以指令的方式)实现的。通过多个进给伺服系统的协调，可使刀具相对于加工工件产生复杂的曲线运动，加工出复杂形状的工件。

2.工作原理

1)开环进给伺服系统

开环进给伺服系统的原理与图8-5相似，只是没有检测与反馈单元(包括相应的位置和速度检测元件)，驱动电机只能用步进电机，因为通过脉冲既可以控制其速度(脉冲的频率)，又可以控制其位置(脉冲的个数)。

开环进给伺服系统的工作原理如图8-6所示。

图8-5进给伺服系统的原理图

图8-6开环进给伺服系统工作原理图

系统接受来自CNC插补指令，即该轴在插补周期内的位移量，按该系统的脉冲当量，将位移量转换成相应的脉冲个数n和脉冲频率，输出给脉冲环形分配器，由它将脉冲逐一分配给步进电机各相的驱动电源，经其放大后驱动步进电机运行。

2)闭环和半闭环进给伺服系统的工作原理闭环和半闭环进给伺服系统所使用驱动电机通常是直流伺服电机和交流伺服电机。由于这类驱动电机只能控制其速度，不能控制其位置，当用于位置控制系统时，只能采用闭环或半闭环控制，不能用于开环控制，所以系统的结构要比开环的复杂。

系统接受来自CNC插补指令，即该轴在插补周期内的位移量，并以该位移量和由检测与反馈单元测得的执行部件的实际位置值，作为位置控制单元的输入，经过比较器比较，即得位置跟随误差：

265

跟随误差=位置指令值-实际位置值

以跟随误差为位置控制调节器的输入，按给定的调节规律(P、PI、PID或其他方法)计算出速度指令值，经数模转换(D／A)后变成速度指令电压，该电压即为速度控制单元的一个输入量。

速度控制单元以位置控制单元输出的速度指令电压和由检测与反馈单元测得的实际速度值为输入，经过比较器比较，即得速度跟随误差：

速度跟随误差=速度指令电压-实际速度电压

以速度跟随误差为速度调节器的输入，按给定的调节规律进行调节可得出伺服电机控制电压，该电压根据伺服电机的不同将变换成不同形式的电量，并经过放大后输出以控制电机的运行。

三、插补运算技术

数控装备加工对象的轮廓形状往往是各种各样的，这些轮廓一般都是用直线、圆弧、螺旋线、抛物线和自由曲线等典型的线型来描述。数控装置中一般都或多或少具有上述线型的控制方法，即插补控制算法。其中最基本的是直线和圆弧插补。在具有某线型插补算法的数控装置中，零件加工程序的编制可大大简化。一般仅提供描述该线形所必须的相关参数，如对直线，提供其起点和终点；对圆弧，提供起点终点、顺圆或逆圆以及圆心相对于起点的位置。因此，为了实现轨迹控制，必须在运动过程中实时计算出满足线型和进给速度要求的若干中间点(在起点和终点之间)，这就是数控技术中插补(Interpolation)的概念。据此，可对插补定义如下：所谓插补就是根据给定进给速度和给定轮廓线型的要求，在轮廓的已知点之间，确定一些中间点的方法，这种方法称为插补方法或插补原理。而对于每种方法(原理)又可能用不同的计算方法来实现，这种具体的计算方法称之为插补算法。

对于轮廓控制系统来说，最重要的功能便是插补功能，这是由于插补运算是在机床运动过程中实时进行的，即在有限的时间内，必须对各坐标轴实时地分配相应的位置控制信息和速度控制信息。轮廓控制系统正是因为有了插补功能，才能加工出各种形状复杂的零件。可以说插补功能是轮廓控制系统的本质特征。因此，插补算法的优劣，将直接影响CNC系统的性能指标。在数控装置中其实现步骤主要有三个，下面以圆弧加工的插补过程为例进行说明。图8-7为欲加工的圆弧轨迹L，起点为P0，终点为Pe。CNC装置将采用下面三个步骤对该圆弧进行插补：

266

267

图8-7插补算法原理图

1.逼近处理CNC 装置按系统的插补时间△t 和加工所要求的进给速度F ，将L 分割成由若干短直线△L l ，△L 2，…，△Li …，这里： △Li ，=F △t (i =1，2，…)。 则当△t =0时，折线段之和接近圆弧L 即： ∑∞=→?=?00lim

i i t L L

当然，用直线△L l 逼近圆弧存在着逼近误差δ，但是只要δ(△Li 足够短)足够小，总是能满足零件加工要求的。

当F 为常数时，由于出对于某一个数控系统而言恒为常数，故△Li 的长度也为常数△L ，只不过其斜率与在L 上的位置有关。

2.插补运算

在计算出△Li 后，必须将其分解为x 轴及y 轴移动分量和(在时间内)，它们将随着△丘在￡上位置的不断变化而变化，但它们满足：

22i i Y X L ?+?=?

22y x F F F +=

且有：i i x t X F ??=/ i i y t Y F ??=/

由于△Li 的斜率是不断变化的，因此进给速度在X 方向及Y 方向的分量F x 与F y

以及它们之间的比值F x／F y都在不断变化的。

3.指令输出将计算出△t i在时间内的和作为指令输出给X轴和Y轴，以控制它们联动。由此可知，只要能连续地自动控制X和Y两个进给轴在时间内移动量。就可以实现曲线轮廓零件的加工。

四、数控编程技术

数控装备之所以具有“柔性”，是因为其加工过程可由加工程序来控制，而加工程序是根据具体的加工要求编写的。加工程序编制是数控加工的重要工作，理想的加工程序不仅应保证加工出符合图样要求的零件，同时应能使数控装备的功能得到合理的应用与充分的发挥。因此，可以说加工程序的编制是数控装备有效使用的关键。因此，数控编程技术也是数控技术的主要技术内容之一。

根据问题复杂程度的不同，数控加工程序可通过手工编程或计算机自动编程来获得。手工编程是指编制零件数控加工程序的各步骤均由人工来完成，此时只能解决点位加工或几何形状不太复杂的零件编程问题。自动编程也即是计算机辅助编程，它是借助数控自动编程系统由计算机来辅助生成零件加工程序。此时，编程人员一般只需借助数控编程系统提供的各种功能对加工对象、工艺参数及加工过程进行较简便的描述后，即可由编程系统自动完成数控加工程序编制的其余内容。由于编程自动化是当今发展的趋势，因此，数控编程技术的主要内容是自动编程技术，它包括以下内容。

1.复杂形状零件的几何建模技术对于基于图样以及型面特征点测量数据的复杂形状零件数控编程，其首要环节是建立被加工零件的几何模型。复杂形状零件几何建模的主要技术内容包括：曲线曲面生成、编辑、裁剪、拼接、过渡和偏置等。

2.加工方案与加工参数的合理选择技术数控加工的效率与质量有赖于加工方案与加工参数的合理选择，其中刀具、刀轴控制方式、走刀路线和进给速度的自动优化选择与自适应控制是近些年来所研究的重点问题。其目标是在满足加工要求、机床正常运行和一定的刀具寿命的前提下具有尽可能高的加工效率。

3.刀具轨迹生成技术刀具轨迹生成是复杂形状零件数控加工中最重要同时也是研究最为广泛深人的内容，能否生成有效的刀具轨迹直接决定了加工的可能性、质量与效率。刀具轨迹生成的首要目标是使所生成的刀具轨迹能满足无干涉、无碰撞、轨迹光滑、切削负荷光滑和代码质量高等要求。同时，刀具轨迹生成还应满足通用性好，稳定性好，编程效率高和代码量小等条件。

4.数控加工仿真技术尽管目前在工艺规划和刀具轨迹生成等技术方面已取得很

268

大进展，但由于零件形状的复杂多变以及加工环境的复杂性，要确保所生成的加工程序不存在任何问题仍十分困难，其中最主要的如加工过程中的过切与欠切、机床各部件之间的干涉碰撞等。对于高速加工，这些问题常常是致命的。因此，实际加工前采取一定的措施对加工程序进行检验并修正是十分必要的。数控加工仿真通过软件模拟加工环境、刀具路径和材料切除过程来检验并优化加工程序，具有柔性好，成本低，效率高且安全可靠等特点，是提高编程效率与质量的重要措施。

5.后置处理技术后置处理是数控加工编程技术的一个重要内容，它将通用前置处理生成的刀位数据转换成适合于具体机床的数控加工程序。其技术内容包括：机床运动学建模与求解、机床结构误差补偿、机床运动非线性误差校核修正、机床运动的平稳性校核修正、进给速度校核修正及代码转换等。因此，有效的后置处理对于保证加工质量、效率与机床可靠运行具有重要作用。

此外，系统体系结构、数据管理及人机界面等也是数控编程系统开发中的重要技术内容。

五、现代数控关键技术

数控装备的高速度、高精度、高柔性和高自动化程度，向数控系统和伺服驱动系统提出了相应的要求，下面主要从数控系统与伺服驱动系统方面介绍其关键技术。

1.高速化技术要实现数控设备高速化，首先要求数控系统能对由微小程序段构成的加工程序进行高速处理，以计算出伺服电机的移动量，同时要求伺服电机能高速度地作出反应。采用32位微处理器，是提高数控系统高速处理能力的有效手段。在数控设备高速化中，提高主轴转速占有重要地位。主轴高速化的手段是直接把电机与主轴连接成一体，从而可将主轴转速大大提高。采用直线电机技术来替代目前机床传动中常用的滚珠丝杠技术，在提高轮廓加工速率的同时，提高了加速度。除不断采用新型功能部件外，还需在以下几个方面进行深入研究：

1)高速加工动力学建模及控制高速运动下的对象已经不能用纯静态的方法处理，数控问题也不再能归结为几何问题或静力学问题。作为一个动态对象，它并不是“亦步亦趋”地跟随所施加的控制，而力图表现出它的“个性”；另一方面，所施加的控制必须充分顾及被控制对象的动态特性，才能得到预期的控制效果。因此，已经不能像传统的数控系统那样，可以将控制系统与被控制对象分开来研究和制造，而必须作为一个整体来处理，研究其在高速状态下的动力学问题，以及超高速运动控制条件下光、电信号的时滞影响及其消除的问题。在高速情况下，必须研究集数控系统与控制对象为一体的整体动力学建模、基于整体动力学模型的非线性控制策

269

略、智能化控制方法等。

2)机电特性参数的辨识、分析与控制优化高速控制的核心在于实现高加速度，为此需要使伺服机构处于最佳工作状态，从而获得系统最大运动加速度。因此，基于系统整体建模的加速度控制曲线选择、伺服机电参数的辨识优化、多轴增益的协调控制等是当前研究的热点。

3)高速、高精插补运算和控制算法高速、高精插补是将复杂轨迹按控制规律分解成伺服控制指令。轮廓加工时，加工程序由巨量微小线段构成，高速加工除需保证微段程序连续执行外，还需根据轨迹变化及时预测各轴状态，实现高加速度运行要求。这就要求对微段程序的高速、高精插补、高速预处理，微段程序的加减速控制，超前G代码预测(Look ahead)，复杂轨迹的直接插补以及高速数据传输等进行深入的研究。

4)面向高速高精加工的数控编程原理及方法

传统的数控编程解决了中低速加工中的刀位轨迹生成问题，但是高速加工却对数控编程从原理与方法上提出了更高的要求。为此．必须在研究高速加工工艺机理的基础上，研究适用于高速高精加工的数控编程原理及方法。在这方面，高速加工工艺机理、高速加工工艺参数知识库、基于高速加工非线性运动误差补偿的刀

位轨迹规划、加工程序平滑过渡、高速加工中进给速度优化、基于STEP标准、面向加工特征的高级NC代码语言等都是需要研究的内容。

2.高精度化技术提高数控机床的加工精度，一般可通过减少数控系统的误差和采用机床误差补偿技术来实现。在减少CNC系统控制误差方面，通常采取提高数控系统的分辨率，提高位置检测精度的方法。然而在高速、高精加工的情况下，在线动态测量和补偿存在着高精度与大量程几何量之间的矛盾，是传统检测方法难以完成的。因此，需要研究新的测量和补偿机理，即进行高精度、大量程几何量的在线动态检测原理研究，以及控制误差的在线和实时检测、预报和补偿方法等研究，在位置伺服系统中采用前馈控制与非线性控制等方法。为解决在高速、高精加工中的小步长与大行程之间的矛盾，需要研究新的高速驱动原理及机构。在机床误差补偿技术方面，除采用齿隙补偿、丝杠螺距误差补偿和刀具补偿等技术外，近年来对设备热变形误差补偿和空间误差综合补偿技术的研究已成为世界范围的研究课题。

3.智能化技术模糊数学、神经网络、数据库、知识库、以范例和模型为基础的决策系统、专家系统等理论与技术的发展及其在制造业中的成功运用，为数控设备智能化水平的提高建立了可靠的技术基础。智能化正成为数控设备研究及发展的热

270

点，目前采取的主要技术措施包括：

1)自适应控制技术提高加工效率是制造加工技术发展永恒追求的目标。现在的数控机床对加工过程的控制还是开环控制，即它们只能忠实地执行人们预先为它编好的加工程序，而对加工过程中工况的变化，缺乏相应的识别能力和足够的自律控制能力。因此，零件的加工质量和加工效率强烈地依赖于工艺人员的经验和知识。此外，加工状况复杂多变，工艺人员为了确保安全往往选择较保守的加工参数，使加工效率和质量的提高受到限制。同时，加工状况(如刀具状况、加工中的振动等)将直接影响设备加工的效率、质量和安全，这种情况在铣削加工大型零件(如加工大型水轮机叶片)时更是如此。因此，加工过程的自适应控制技术，对提高大型零件加工的效率，保障加工设备安全可靠运行是十分重要的。

加工过程的自适应控制技术是指数控装备能检测对自己有影响的信息，并自动连续调整系统的有关参数，达到改进系统运行状态的目的。如通过监控切削过程中的刀具磨损、破损、切屑形态、切削力及零件的加工质量等，向数控系统反馈信息，通过将过程控制、过程监控、过程优化结合在一起，实现自适应调节，以提高加工精度和降低工件表面粗糙度，并保证加工设备安全。有资料表明，应用该技术在铣削加工时其效率可以提高30％左右。

2)专家系统技术将专家的经验和切削加工的一般规律与特殊规律存人计算机中，以加工工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统，提供经过优化的切削参数，使加工系统始终处于最优和最经济的工作状态，从而达到提高编程效率和降低对操作人员的技术要求，大大缩短生产准备时间的目的。

3)故障自诊断技术故障诊断专家系统是诊断装置发展的最新动向，它为数控设备提供了一个包括二次监测、故障诊断、安全保障和经济策略等方面在内的智能诊断及维护决策信息集成系统。

4)智能化交流伺服驱动技术目前已开始研究能自动识别负载，并自动调整参数的智能化伺服系统，包括智能主轴交流驱动装置和智能化进给伺服装置，使驱动系统获得最佳运行参数。

4.网络化技术数控设备的网络化技术是指能支持远程监视、诊断和控制，支持网络制造资源共享、支持装备参与网络化环境下制造系统集成的技术。其主要技术内容有：

1)网络环境下的数控装备的集成技术研究网络环境下的数控装备网络互连技术(包括装备间的互连技术和装备内部的互连技术)，网络环境下的数字化制造装备分

271

布式协同处理技术和异构设备网络集成技术等。

2)远程操作、监控与远程诊断技术研究实时监测数据的特征提取、识别和融合，诊断知识的组织以及推理算法，实时可靠的通信协议及数据的共享标准等；网络环境下数控装备运行状态的智能检测、监控和诊断技术；数控装备的网络全局调度技术、远程设计编程技术及远程操作技术等。

3)网络管理技术的研究在网络制造环境下，网络除了用于传输加工程序、实现网络操作和控制和远程诊断外，更为重要的是进一步提高机床的生产率。为此需要研究网络管理技术，即网络生产管理系统，网络CAD／CAM系统，面向网络化制造环境的数控装备的网络安全机制与防范技术等。

第三节数控加工设备及数控系统

如前所述，数控装备首先是在传统装备基础上，引入了数控技术而发展起来的。随着数控技术与装备技术的日益融合，装备结构有了很大的变化。一方面使装备的传统结构不断简化，另一方面一些具有新概念的新型结构和功能部件不断涌现，使现代的数控装备与传统装备有了很大的区别，甚至是本质性的区别。这种变化在作为装备制造业的机床行业尤为明显。

一、数控加工中心

数控加工中心一般是指具有复合加工功能的数控机床，可以通过在加工过程中的自动换刀，实现多种不同工艺方法的切削加工，如铣、钻、镗、铰、攻、切甚至车、磨等加工，因而能在工件一次装卡后自动完成上述多道工序的加工。自动换刀能力是加工中心的重要特征之一，所以加工中心也可称为带有自动换刀装置的数控机床。

根据加工功能的不同，加工中心也有很多种类：

1.镗铣加工中心镗铣加工中心是最先发展起来且目前应用最多的加工中心，所以人们平常所称的加工中心一般就指镗铣加工中心。其各进给轴能实现无级变速，并能实现多轴联动控制，主轴也能实现无级变速，能实现刀具的自动夹紧和松开(装刀卸刀)，带有自动排屑和自动换刀装置。其主要工艺能力是以镗铣为主，还可以进行钻、扩、铰、锪、攻螺纹等加工。其加工对象主要有：加工面与水平面的夹角为定角(常数)的平面类零件，如盘、套、板类零件；加工面与水平面的夹角呈连续变化的变斜角类零件；箱体类零件；复杂曲面(凸轮、整体叶轮、模具类、球面等)；

272

异形件f外形不规则，大都需要点、线、面多工位混合加工)。

2.车削中心车削中心是在数控车床的基础上，配置刀库和机械手，使之可选择使用的刀具数量大大增加。车削中心主要以车削为主，还可以进行铣、钻、扩、铰、攻螺纹等加工。其加工对象主要有：复杂零件的锥面、复杂曲线为母线的回转体。在车削中心上还能进行钻径向孔、铣键槽、铣凸轮槽和螺旋槽、锥螺纹和变螺距螺纹等加工。车削中心一般还具有以下两种先进功能。

1)动力刀具功能即刀架上某些刀位或所有的刀位可以使用回转刀具(如铣刀、钻头)通过刀架内的动力使这些刀具回转。

2)c轴位置控制功能即可实现主轴周向的任意位置控制。实现X一C、Z—C 联动。另外，有些车削中心还具有Y轴功能。

3.五面加工中心五面加工中心除一般加工中心的功能外，最大特点是具有可立卧转换的主轴头，在数控分度工作台或数控回转工作台的支持下，就可实现对六面体零件(如箱体类零件)的一次装夹，进行五个面的加工。这类加工中心不仅可大大减少加工的辅助时间，还可减少由于多次装夹的定位误差对零件精度的影响。

4.车铣复合加工装备

顾名思义，车铣复合加工装备是指既具有车削功能又具备铣削加工功能的加工装备。从这个意义上讲，上述的车削中心也属该类型的加工装备。但这里所说的一般是指大型和重型的车铣复合加工装备，其中车和铣功能同样强大，可实现一些大型复杂零件(如大型舰船用整体螺旋桨)的一次装夹多表面的加工，使零件的型面加工精度、各加工表面的相互位置精度(如螺旋桨桨叶型面、定位孔、安装定位面等的相互位置精度)由装备的精度来保证。由于该类装备技术含量高，因此不仅价格高，而且由于有较明显的军工应用背景，因此被西方发达国家列为国家的战略物质，通常对我国实行限制和封锁。

综上所述，由于加工中心具有复合加工的功能，从而打破了传统数控机床的加工工艺界限。用一台复合加工机床代替多台数控机床，不仅可大大提高加工效率，还可大大提高加工精度(减少了多次装夹的定位误差)。从目前的发展趋势看，加工中心，尤其是复合功能较强的加工中心大有取代仅具有单一工艺能力的数控机床之势。

二、新型功能部件

1．直线电机直线电机是指一种利用电磁作用原理，将电能直接转换成直线运动动能的驱动装置，它是一种能实现往复直线运动的电动机。超高速加工技术和精密

273

制造技术是近十几年迅速崛起的先进制造技术，该技术能极大地提高生产效率和改善零件的加工质量。但该技术的应用对加工装备的驱动系统提出了更高的要求，即不仅要求具有较高的驱动速度(如60m／min以上)，而且还要具有较高的加速度(如2g以上)，而传统的“旋转电机+滚珠丝杠”进给驱动方式在高速运行时，滚珠丝杠的刚度、惯性、加速度等动态性能已远远不能满足要求。这就使得一种崭新的进给驱动方式——直线电机控制系统应运而生。这种进给驱动系统取消了从动力源到执行件之间的一切中间传动环节，将进给传动链的长度缩短为零，大大简化了机械结构，提高了系统的速度、加速度、刚度等动态特性和控制精度，是机床进给驱动设计理论的一项重大突破。

2.电主轴电主轴是最近几年在数控机床领域出现的将机床主轴与主轴电机融为一体的新技术。它与直线电机技术、高速刀具技术一起，将高速加工推向了一个新时代。电主轴是一套组件，它包括电主轴本身及其附件：高频变频装置、油雾润滑器、冷却装置、内置编码器和换刀装置等。电主轴所融合的技术有：高速轴承技术(如复合陶瓷轴承、电磁悬浮轴承)、高速电机技术(如高速动平衡)、定时定量油气润滑技术、冷却技术和高速刀具的装夹技术等。

三、数控系统的分类

数控系统的种类很多，从不同角度对其进行考察，就有不同的分类方法。

1.按控制功能分类

1)点位控制数控系统在点位控制数控机床中，工件相对于刀具运动，直到到达零件程序规定的位置后停止，在运动过程中不进行任何加工，刀具仅在定位点执行切削任务。点位控制数控系统只准确控制坐标运动的最终位置，而对轨迹不作控制要求。为了精确定位和提高生产率，系统首先高速运行，然后进行减速，使之缓慢趋近定位点以减少定位误差。点位数控装备主要有数控钻床、印制电路板钻孔机、数控镗床、数控冲床和三坐标测量机等。

2)轮廓控制数控系统在轮廓控制(连续轨迹)数控机床中，数控系统控制多个坐标轴同时协调运动(坐标联动)，使工件相对于刀具按程序规定的轨迹和速度运动，在运动过程中进行连续切削加工。

可实现联动加工是这类数控机床的本质特征。这类数控装备包括数控车床、数控铣床、加工中心等用于加工曲线和曲面形状零件的数控机床。现代的数控机床基本上都是这种类型。若根据其联动轴数还可细分为：二轴联动数控机床、三轴联动数控机床、四轴联动数控机床及五轴联动数控机床。其中联动轴数越多，数控机床

274

的功能越强，可以加工的曲面轮廓越复杂，加工精度和效率越高，但系统控制、程序编制也越复杂，必须使用自动编程系统来编制加工程序。

2.按进给伺服系统类型分类按数控系统的进给伺服系统有无位置测量装置，可分为开环数控系统和闭环数控系统。在闭环数控系统中，根据位置测量装置安装的位置，又可分为全闭环和半闭环两种。

四、数控系统的指标和功能

1.数控系统的指标

1)规格指标规格指标是指数控系统的基本能力指标，主要有以下几方面：

——行程范围坐标轴可控的运动区间，它反映了该数控系统的各进给轴运动范围的控制能力。

——主轴功率和进给轴转矩可间接反映机床刚度和强度能力；

——控制轴数和联动轴数数控机床的可控轴数是指机床数控装置能够控制的坐标数目。数控机床可控轴数与数控装置的运算处理能力、运算速度及内存容量等有关。联动轴数是指机床数控装置控制的坐标轴同时达到空间某一点的坐标数目，它反映了机床的曲面加工能力。

2)精度指标位置精度是综合反映装备各运动部件在数控系统的控制下空载所能达到的精度。根据各轴能达到位置精度就能判断出加工零件时零件所能达到的精度。这类指标主要有。

——定位精度指数控装备的移动部件沿某一方向运动时实际位置与给定位置的接近程度，其误差称为定位误差。定位误差包括伺服系统、检测系统、进给系统等误差，还包括移动部件导轨的几何误差等。定位精度将直接影响装备的工作精度。

——重复定位精度指在同一台数控装备上，应用相同程序相同代码加工一批零件，所得到的连续结果的一致程度。重复定位精度受伺服系统特性、进给系统的间隙与刚性以及摩擦特性等

因素的影响。

3)性能指标

——最高主轴转速和最大加速度最高主轴转速是指主轴所能达到的最高转速，它是影响零件加工质量、生产效率以及刀具寿命的主要因素之一，尤其是有色金属的精加工。最大加速度是反映主轴速度提速能力的性能指标，同样也是加工效率的指标之一。

——最高快移速度和最高进给速度最高快移速度是指进给轴在非加工状态下的

275

最高移动速度，最高进给速度是指进给轴在加工状态下的最高移动速度，它们是影响零件加工质量、生产效率以及刀具寿命的主要因素。最高快移速度和最高进给速度受数控装置的运算速度、机床动特性及工艺系统刚度等因素的限制。

——分辨率与脉冲当量分辨率是指两个相邻的分散细节之间可以分辨的最小间隔。对测量系统而言，分辨度是可以测量的最小增量；对控制系统而言，分辨率是可以控制的最小位移增量，即数控装置每发出一个脉冲信号，反映到机床移动部件上的移动量。脉冲当量是设计数控机床的原始数据之一，其数值的大小决定数控机床的加工精度和表面质量。脉冲当量越小，数控机床的加工精度和加工表面质量越高。

另外，还有换刀速度和工作台交换速度，它们同样是影响生产效率以及刀具寿命的主要因素。

4)可靠性指标

——平均无故障工作时问(MTBF) 平均无故障工作时间是指数控装备在使用中故障发生的平均时间，其计算方法是在标准评定范围内的实际总工作时间与总故障次数之比，即：

总工作时间

MTBF=

总故障次数

显然，MTBF越长越好。

——均修复时间(MTYR)平均修复时间是指数控装备每次出现故障时，从停机到恢复正常工作所用的故障修复时问的平均值。即：

总故障停机时间

MTFR=

总故障次数

考虑到实际系统出现故障总是难免的，故对于可维修系统，总是希望一旦出现故障，修复的时间越短越好，即希望MTTR越短越好。

2.数控系统的功能 CNC装置的功能是指满足用户操作和装备控制要求的方法和手段。CNC装置的主要功能有：

1)控制功能CNC能控制和能联动控制的进给轴数。CNC的控制进给轴有：移动轴和回转轴；基本轴和附加轴。如：

——NC车床只要两轴联动，在具有多刀架的车床上则需要两轴以上的控制轴。

——NC镗铣床加工中心等需要有3根或3根以上的控制轴。联动控制轴数越多，

276