1.2　数控技术

1.2.1　数控及数控机床

数字控制简称数控(Numerical Control缩写为NC)，是指用数字指令来控制一台或一台以上机械的动作。它所控制的一般是位置、角度、速度等机械量，但也有温度、压力等物理量。数控是与机床的控制密切结合而发展起来的。因此，数控一词，一般是“数控机床”的狭义使用。当然，广义的数控也有用在例如造纸、化工、石油精炼等流程工艺方面，但这是另外一种类型的数字控制，其叫法也大多采用别的名称。

由于科学技术和社会生产的迅速发展，使机械产品日趋精密、复杂而且改型频繁。这不仅给机床设备提出精度与效率的要求，也提出了通用性与灵活性的要求。尤其在造船、航天航空、机床、重型机械以及军工生产部门，其需要加工的零件的特点是批量小、形状复杂、经常改型且精度要求高。使用普通机床加工，不仅劳动强度大、生产效率低，还难以保证精度甚至无法加工。仿形机床使小批量、复杂零件的自动化加工得到了部分的解决。它借助靠模能加工出比较复杂的零件，有一定的灵活性。但靠模的制造、安装与调整要花费许多手工劳动，生产的准备时间较长，如批量很小甚至单件零件制造靠模也很不经济。另外，仿形机床加工出的零件精度受靠模制造误差的影响，不能满足一些高精度零件的加工要求。大批量的零件加工使用专用自动机床、组合机床以及由它们组成的专用加工生产自动线，可以得到高的加工效率，但一般初期投资大，对于约占机械加工总量80%的单件、小批量(10～100件)零件的加工并不经济。同时，由于近年来市场竞争日趋激烈，为满足市场迅速变化的需要，还要求不断开发新品，缩短生产周期，因此这种不易变更的“刚性”自动化设备在生产中也日益暴露其缺点。因而数控机床作为灵活通用，能够快速适应产品频繁变化的“柔性”自动化机床应运而生，且集微电子、计算机、自动控制、自动检测以及精密机械等技术的最新成果而迅速发展起来。

所谓数控机床就是将加工过程中所需的各种操作(如主轴变速、松夹工件、进刀与退刀、开车与停车、选择工具、供给冷却液等)和步骤以及工件的形状尺寸用数字化的程序表示(称为数字信息)，通过控制介质(如光盘或磁盘等)将数字信息送入数控装置(专用的或通用的计算机)，数控装置对输入的信息进行处理与运算，发出各种控制信号(或指令)，来控制机床的伺服系统或其他驱动(执行)元件，使机床自动加工出所需要的工件。数控机床与其他自动机床的一个显著区别在于当被加工的工件改变时，除了重新装夹工件和更换刀具之外，只需要更换一条新的“描写”该工件的穿孔纸带或磁带，而不需要对机床作任何调整。

1.2.2　数控机床的组成与原理

数控机床通常由控制介质、数控装置、伺服系统和机床组成，必要时还加上检测装置，如图1－2－1所示。

图1－2－1　数控机床的组成

1.控制介质

要对数控机床进行控制，就要将图1－2－1数控机床的组成在人与机床之间建立某种联系，这种联系的中间媒介物即称为控制介质，也称为信息载体。在控制介质上存储着加工零件所需要的全部操作信息和刀具相对工件的位移信息。控制介质可以是多种形式的，它随着数控装置的类型不同而异。常用的有光盘和磁盘。

磁盘上的程序由计算机逐行地转换为数控装置可以识别和处理的电信号。也有一些数控机床，常使用数码拨盘、数码插销或按键直接将程序或数据输入。

程序编制与磁盘等控制介质的准备，在一定程度上影响了数控机床的使用效率。用通用计算机辅助，实现自动程序编制，是现在解决此问题的重要途径。

2.数控装置

数控装置是数控机床的中心环节，它接收控制介质输入的信息，经处理与运算去控制机床的动作。对各种具体控制对象，数控装置处理运算的步骤都是预先安排好的。这种“安排”可以用专用计算机固定接线的硬件结构来实现，称为硬线数控或硬联接数控;也可以用预先放在小型通用计算机或微型计算机内的系统程序来实现，称为软线数控或软联接数控。

硬线数控通常由输入装置、控制器、运算器和输出装置，如图1－2－2所示数控装置四大部分组成。

图1－2－2　数控装置组成

图1－2－2中，虚线内包含的部分为数控装置。输入装置接收由计算机输出的代码，经过识别与译码之后分别输送到各相应的寄存器，这些指令与数据是数控运算的原始依据。控制器接收输入装置的指令，根据指令控制运算器与输出装置，以实现对机床的各种操作(例如控制工作台沿着某一坐标轴的运动，主轴变速或冷却液开关等)以及控制整机的工作循环。运算器接收控制器的指令，将输入装置送来的数据进行某种运算，并不断向输出装置送出运算结果，使伺服系统执行所要求的运动。

输出装置根据控制器的指令将运算器送来的计算结果输送到伺服系统，经过功率放大驱动相应的坐标轴，使机床完成刀具相对工件的运动。

软线数控目前常采用微型计算机作为数控装置。微型计算机的中央处理单元(CPU)又称为微处理器，是一种大规模集成电路，它将运算器、控制器等集成在一块集成电路芯片上。在微型计算机中，输入与输出电路即I/O接口也采用大规模集成电路;存储器采用高密度的存储介质，如半导体存储器，存贮容量大。存储器分为只读存储器(ROM)和随机存取存储器(RAM)，前者用于存放系统的控制程序，后者存放系统运行时的工作参数或用户的零件加工程序。

硬线数控与软线数控的工作原理基本相同，只是后者采用通用硬件，不同的功能通过改变软件来实现，因此更为灵活与经济。

3.伺服系统

伺服系统接收来自数控装置的指令信息，严格按照指令信息的要求带动机床的移动部件，以加工出符合图纸要求的零件。它是数控机床的重要组成部分，它的伺服精度和动态响应是影响数控机床的加工精度、表面质量与生产率的重要因素之一。

伺服系统包括驱动装置和执行机构两大部分。目前大都采用直流伺服电机或交流伺服电机作为执行机构，这些电机常带有光电编码器等位置测量元件和测速发电机等速度测量元件。各种执行机构由相应的驱动装置来驱动。

4.机床

与传统的手动机床相比，数控机床的结构强度、刚度和抗振性以及外部造型、整体布局，传动系统与刀具系统的部件结构和操作机构等方面都已发生了很大的变化，其目的是为了满足数控技术的要求和充分发挥数控机床的效能。

1.2.3　数控机床的特点与适用范围

数控机床具有以下几个特点。

1.对加工对象改型的适应性强

由于在数控机床上改变加工零件时，只需要重新编制程序，更换一条新的穿孔纸带或者手动输入程序就能实现对零件的加工。它不同于传统的机床，不需要制造、更换许多工具、夹具和模具，更不需要重新调整机床。因此数控机床可以快速地从加工一种零件转变为加工另一种零件，这就为单件、小批以及试制新产品提供了极大的便利。它缩短了生产准备周期，而且节省了大量工艺装备费用。

2.加工精度高

数控机床是按以数字形式给出的指令进行加工的，由于目前数控装置每输出一个脉冲信号数控机床移动部件相应的移动量(称脉冲当量)可以达到0.001mm，而且进给传动链的反向间隙与丝杠螺距误差等均可由数控装置进行补偿，因此，数控机床能达到比较高的加工精度。对于中、小型数控机床，定位精度普遍可达到0.03mm，重复定位精度为0.01mm。因为数控机床的传动系统与机床结构都具有很高的刚度和热稳定性，而且提高了它的制造精度，特别是数控机床的自动加工方式避免了生产者的人为操作误差，因此，同一批加工零件的尺寸一致性好，产品合格率高，加工质量稳定。

3.加工生产率高

零件加工所需要的时间包括机动时间与辅助时间两部分。数控机床能够有效地减少这两部分时间，因而加工生产率比普通机床高得多，数控机床主轴转速和进给量的范围比普通机床的范围大，每一道工序都能选用最有利的切削用量，良好的结构刚性允许数控机床进行大切削用量的强力切削，有效地节省了机动时间;数控机床移动部件的快速移动和定位均采用了加速与减速措施，因而选用了很高的空行程运动速度，消耗在快进、快退和定位的时间要比一般机床的少得多。

数控机床在更换被加工零件时几乎不需要重新调整机床，而零件又都安装在简单的定位夹紧装置中，用于停机进行零件安装调整的时间可以节省不少。数控机床的加工精度比较稳定，可以减少停机检验时间。因此数控机床的利用系数比一般机床的利用系数高得多。

使用带有刀库和自动换刀装置的数控加工中心机床时，在一台机床上实现了多道工序的连续加工，减少了半成品的周转时间，生产效率的提高就更为明显。

4.减轻操作者的劳动强度

数控机床对零件的加工是按事先编好的程序自动完成的，操作者除了安放穿孔带或操作键盘，装卸零件、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.良好的经济效益

使用数控机床加工零件时，分摊在每个零件上的设备费用是较昂贵的。但在单件、小批量生产情况下，可以节省许多其他方面的费用，如节省加工前的划线工时及零件安装到机床后调整、加工和检验时间，从而减少了直接生产费用;节省了手工制作模型、钻模板及其他工夹具的工艺装备费用;由于加工精度稳定，减少了废品率、使生产成本下降等等，因此能够获得良好的经济效益。

6.有利于生产管理的现代化

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，从而有利于生产管理的现代化。数控机床使用数字信息与标准代码输入，最适宜与数字计算机联系，目前已成为计算机辅助设计、制造及管理一体化的基础。

数控机床确实存在一般机床所不具备的许多优点，因而逐渐得到了推广，但它还不能完全代替其他类型的机床，也还不能以最经济的方式解决机械加工中的所有问题。一般来说，数控机床适用于加工:

①多品种小批量零件。这是因为数控机床设备费用高昂，与大批量生产采用的专用机床相比其效率还不够高。通常采用数控机床加工的合理生产批量在10～100件之间。

②结构比较复杂的零件。通常数控机床适宜加工结构比较复杂及在非数控机床上加工时需要有昂贵的工艺装备(工具、夹具、模具)的零件。

③需要频繁改型的零件。

④价值昂贵、不允许报废的关键零件。

⑤需要最少生产周期的急需零件。

广泛推广数控机床的最大障碍是设备的初始投资大，而且系统本身比较复杂，增加了维修困难与费用。同时数控机床加工需要编制程序，当加工零件形状不太复杂时，可以手工编程，但易出错且速度慢;当零件形状复杂时，则必须使用自动编程系统，这就需要配备专门的程序设计人员，并对穿孔纸带进行校验与试切削验证，从而增加了生产费用。因此，在决定选用数控机床加工时，需要进行反复对比和仔细地经济分析，使数控机床发挥其最好经济效益。