数控机床的编程及操作

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三、数控机床的结构和工作原理 数控机床主要由控制介质、数控装置、 伺服驱动装置、机床本体和其它装置组成。 1. 控制介质 它是用于记录各种加工指令信息（加工程序），以控制机床的运动，以实现 零件的加工。常用的控制介质有标准的穿孔纸带、磁带、磁盘等，随着微机技术 的不断发展，新的控制介质不断的出现，如CF存储卡等，为了满足大容量的加工 程序，控制介质的存储容量也越来越大，甚至可以外接硬盘 。 控制介质上的加工信息要经过输入装置传送到数控装置。常用的输入装置有 光电纸带输入机、磁带录音机、磁盘驱动器等。现今数控机床大多属于微机控制 的，随着微机技术的不断发展，新的输入装置不断的出现，更方便了加工信息的 输入。另外加工程序也可以通过操作面板或外接键盘直接输入，由于是人工进行 加工信息的输入，因此只能对简单的加工程序进行输入。对于大容量的加工程 序，必须通过磁盘或外部电脑进行输入。当数控装置的存储容量太小时，也可通 过DNC连线方式进行在线加工。
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控制智能化：随着人工智能技术的不断发展，并为满足制造业生产柔性化、
制造自动化发展需求，数控技术智能化程度不断提高，具体体现在以下几个方面：
�加工过程自适应控制技术：通过监测加工过程中的切削力、主轴和进给电机
的功率、电流、电压等信息，利用传统的或现代的算法进行识别，以辩识出 刀具的受力、磨损以及破损状态，机床加工的稳定性状态；并根据这些状态 实时修调加工参数（主轴转速，进给速度）和加工指令，使设备处于最佳运 行状态，以提高加工精度、降低工件表面粗糙度以及设备运行的安全性。
�位置伺服系统采用前馈控制与非线性控制等方法。
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功能复合化：复合化是指在一台设备能实现多种工艺手段加工的方法。
�镗铣钻复合—加工中心（ATC）、五面加工中心（ATC，主轴立卧转换）； �车铣复合—车削中心（ATC，动力刀头）； �铣镗钻车复合—复合加工中心（ATC，可自动装卸车刀架）； �铣镗钻磨复合—复合加工中心（ATC，动力磨头）； �可更换主轴箱的数控机床—组合加工中心；
化，并且具有高加（减）速率。 进给率高速化： 在分辨率为1µm时，Fmax=240m/min。在Fmax下可获得复杂型面的精确加工； 在程序段长度为1mm时，Fmax=30m/min，并且具有1.5g的加减速率； 主轴高速化：采用电主轴（内装式主轴电机），即主轴电机的转子轴就是主轴部件。 主轴最高转速达200000r/min。 主轴转速的最高加（减）速为1.0g ，即仅需1.8秒即可从0提速到15000r/min。 换刀速度： 随机换刀0.9秒（即刀对刀）；定点换刀 2.8秒（刀对库）。 工作台（托盘）交换速度：6.3秒。
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湖北江山重工有限责任公司 制造部 黄汉生
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第一章 数控机床概述
一、数控机床简介 数控是数字控制（Numerical Control NC）的简称，是一种用数字、字符或其 它符号组成的数字信息对某一工作过程（如加工、测量、装配等）进行可编程控制的 自动化方法。 数控技术（Numerical Control Technology）是采用数字控制的方法对某一工 作过程实现自动控制的技术。 数控机床是数字控制机床（Numerical Control Machine Tool）简称，亦称NC 机床，是采用数字控制技术对机床的加工过程进行自动控制的一类机床。 与普通机床靠工人手工操作手柄进行加工，加工的精度与效率在很大程度上取决 于操作者的技术水平和熟练程度相对应，数控机床的运动是由加工指令信息来进行自 动控制的，对于普通机床难于加工的复杂的二维、三维形状，数控机床可利用 2轴、2 轴半、3轴、4轴或是5轴同时进行控制，高精度的进行加工。而对于不同的零件，只 需改变加工指令信息（即加工程序）即可，使之与以往的非数控的高效自动化机床相 比具有更高的“柔性”，因此，数控机床是为了满足单件、小批量、多品种自动化生产 的需要而研制的一种灵活的、通用的能够适应产品频繁变化的柔性自动化机床，具有 适应性强、加工精度高、加工质量稳定和生产效率高的优点。
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5. 1959年，美国的卡尼—特雷克（Kechua&Treckre）公司研制成功了具有刀库、 刀具交换装置、回转工作台，可以在一次装夹中对工件的多个面进行钻、孔、攻 丝、镗削加工、铣削加工等多种加工的数控机床，命名为 “Machining Center”， 即加工中心 。 6. 加工中心将钻、镗、铣等多种机床的功能集于一身，不但节省了工件的反复搬运、 安装找正、换刀等辅助时间，而且减少了装夹误差，使加工精度大大提高。由于 它的诸多优点，逐步成数控机床中的主力军。 7. 数控机床发展到不但有刀具自动交换装置，而且具有工件自动供给、装卸、刀具 寿命检测、自动测量、排屑等各种辅助附加装置，可长时间的无人运转工作。 8. 数控技术不仅在机床上得到了实际应用，例如数控车床、数控铣床、数控冲床、 数控磨床、数控齿轮加工机床、数控电火花、线切割、数控激光加工机床等，而 且逐步推广到其它行业，如焊接、火焰切割、热处理、测量、工业电器、家用电 器、医疗、纺织器械等，使数控技术不断地扩展应用范围。 9. 我国数控机床的研究工作是从1958年开始的，经历了近50年的发展历程，目前数 控技术已在车、铣、钻、镗、磨、齿轮加工、电加工等多个领域全面展开，品种 已达200多个，年产量达10000多台。不仅可生产制造各类数控机床，还可生产 各种加工中心、车削中心、柔性制造单元、柔性制造系统。
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加工高精化：提高机械设备的制造和装配精度；提高数控系统的控制精度；
采用误差补偿技术。
�采用高速插补技术，以微小程序段实现连续进给，使CNC控制单位精细化； �采用高分辨率位置检测装置，提高位置检测精度（日本交流伺服电机已有装
上106 脉冲/转的内藏位置检测器，其位置检测精度能达到0.01µm/脉冲）；
五轴轴轴 轴联联联 联动动动 动龙 门铣 床 五五五 龙龙龙门门门 铣铣铣床床床
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12. 数控技术是提高产品质量、提高劳动生产率必不可少的物质手段，是国家战略 技术和体现国家综合国力水平重要标志。专家们预言 : 二十一世纪机械制造业 的竞争，其实质是数控技术的竞争。 13. 自从上世纪中叶数控技术创立以来，它给机械制造业带来了革命性的变化。现 在数控技术已成为制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础技术，现代 的CAD/CAM，FMS（Flexible Manufacturing System）柔性制造系统和 CIMS（Computer Integrated Manufacturing System）计算机集成制造系 统 、FA（Factory Automation ）工厂自动化、敏捷制造和智能制造等，都 是建立在数控技术之上。由多台加工中心、物流系统、工业机器人及相应的信 息流和中央控制系统所组成的柔性制造系统（FMS）与办公自动化（OA-Office Automation）集成，实现了工厂自动化（FA），改变了传统的制造模 式，走向一种崭新的生产模式，即计算机集成制造系统（ CIMS）。 14. 进入九十年代以来，随着国际上计算机技术突飞猛进的发展，数控技术不断采 用计算机、控制理论等领域的最新技术成就，使其朝着下述方向发展：
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综合上述，数控机床与其他加工方法比有以下特点： 优点：①适应能力强，适用于多品种单、小批量或中批量的生产（即具有充分的 柔性，只需编制零件程序就能加工新零件）；②加工精度高，可以加工复杂形状的零 件，质量稳定；③生产效率高；④自动化程度高，便于实现计算机辅助制造；⑤易于 调整机床，与其他加工方法比（如自动机床、自动生产线）比，所需调整时间少；⑥ 减轻操作工人的劳动强度，操作者有空闲时间，可同时照料其它加工操作； 缺点：①加工成本较高；②维护比较复杂，需专业的维护人员；③需要高度熟练 和经过培训的编程人员；④ 加工中难以调整 。 数控机床可以在加工的同时进行装夹、调整、编程等工作，达到提高效率、减轻 操作工人的劳动强度的效果。 数控机床综合应用了电子计算机、自动控制、伺服驱动、精密测量的新型机械结 构等多方面的技术成果。 随着数控技术的迅速发展，数控机床在机械制造业中的地位 越来越重要。
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二、数控机床的发展 企业的产品发展，促进了机械制造业的发展， 推动了设备生产业的发展，尤其是数控设备的发展与完善。 1. 1947年，美国的帕森斯（Parsons）公司在生产直升飞机机翼的检查样板时，为 了提高精度和效率，提出了用穿孔卡片来控制机床的方案。这一方案正好迎合了 美国空军为了开发航空航天产品，需要加工复杂零件要求，于是得到了空军的经 费支持，1949年开始与麻省理工大学（MIT）的伺服研究所共同研究。 2. 历时三年的研究，于1952年3月研制成功了第一台能够进行三轴控制的数控铣 床，取名为“Numerical Control”，即NC 机床，这是一台能够进行直线插补的三 坐标立式铣床，其数控系统全部采用电子管，也就是第一代数控系统。 3. 经过三年的试用、改进、提高和对自动编程的研究， 1955年，数控技术进入实用 性阶段，一直到20世纪50年代末，由于晶体管的出现，数控系统提高了可靠性且 价格开始下降，很多民用厂家也开展了数控机床的研制开发和生产，其中多为数 控钻床、数控冲床等的点位控制机床。 4. 1955年，第一台民用工业用数控机床由美国邦迪克斯（ Bendix）公司生产出来 。