第1章 數(shù)控編程基礎(chǔ)1

《數(shù)控編程技術(shù)及應(yīng)用

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電話旭東隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)代機械產(chǎn)品日趨精密復(fù)雜，改型換代日趨頻繁。制造自動化是先進制造技術(shù)中的重要組成部分，其核心技術(shù)是數(shù)控技術(shù)。數(shù)控技術(shù)是綜合運用計算機、自動控制、自動檢測及精密機械等高新技術(shù)的產(chǎn)物。目前，隨著國內(nèi)數(shù)控機床用量的劇增，急需能夠熟練掌握數(shù)控機床編程和操作以及維護的應(yīng)用型人才。

1）機床操作

2）工藝設(shè)計與編程，維修

3）機床操作、工藝設(shè)計與編程、維修及數(shù)控改造、管理金領(lǐng)銀領(lǐng)藍領(lǐng)社會急需的數(shù)控加工人才類型：內(nèi)容簡介《數(shù)控編程技術(shù)》這門課是面向“機械工程及自動化”這個大專業(yè)開設(shè)的，即涵蓋現(xiàn)有的機械工程各專業(yè)本科生的一門專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課。它以數(shù)控機床為對象，研究數(shù)控加工過程中有關(guān)工藝分析、數(shù)值計算、基本的編程功能指令，掌握數(shù)控車床、數(shù)控銑床、加工中心、數(shù)控電火花線切割機床的程序編制方法及自動編程方法。通過本課程的學(xué)習(xí)我們應(yīng)掌握數(shù)控加工的基本原理和基礎(chǔ)知識，從而培養(yǎng)我們的編程和加工能力。目錄第1章數(shù)控編程基礎(chǔ)第2章程序編制中的工藝分析處理第3章程序編制中的數(shù)值計算第4章數(shù)控車床編程第5章數(shù)控銑床編程第6章加工中心編程第7章其他數(shù)控機床編程第8章自動編程第9章刀位驗證與軌跡編輯第2章編程系統(tǒng)的后置處理學(xué)完本課程后學(xué)生應(yīng)達到的要求：1、合理制訂數(shù)控加工的工藝方案。2、合理確定走刀路線、合理選擇刀具及加工余量。3、掌握編程中數(shù)學(xué)處理的基本知識及一定的計算機處理能力。4、掌握常用準備功能指令、輔助功能指令，手工編寫一般復(fù)雜程度零件的數(shù)控加工程序。5、具有調(diào)試加工程序，參數(shù)設(shè)置、模擬調(diào)整的基本能力。6、掌握自動編程的基本知識，具有采用計算機自動編程的初步能力。教學(xué)方法與考核方式課堂教學(xué)自學(xué)考試平時成績作業(yè)課堂提問教學(xué)方法考核方式本課程授課時數(shù)24學(xué)時，實驗時數(shù)6學(xué)時（實驗周）。第1章數(shù)控編程基礎(chǔ)1.1數(shù)控機床概述1.2插補原理1.3數(shù)控程序編制的基本概念1.4數(shù)控編程幾何基礎(chǔ)1.5程序編制中的基本指令數(shù)字控制（NumericalControl）技術(shù)是用數(shù)字化信息對機械設(shè)備（機床）的運動及其加工過程進行控制的一種方法，簡稱為數(shù)控（NC）。數(shù)控技術(shù)是近代發(fā)展起來的一種自動控制技術(shù)，在機械制造加工技術(shù)方面得到了廣泛的應(yīng)用。1.1數(shù)控機床概述

隨著科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展和市場競爭的日益激烈，社會化大生產(chǎn)對機械產(chǎn)品的要求越來越趨于多樣化、復(fù)雜化，尤其是在造船、航空航天、國防軍工、重型機械以及計算機電子等工業(yè)重中，其加工批量小、零件形狀復(fù)雜、改形頻繁、精度要求高、加工困難、生產(chǎn)效率低、勞動強度大和質(zhì)量難以保證的生產(chǎn)特點，已經(jīng)不能靠傳統(tǒng)的加工設(shè)備和制造方法來適應(yīng)這種柔性化程度很高的加工要求。因此能有效解決復(fù)雜、精密、中小批量加工的數(shù)控機床在近幾十年來得到迅速發(fā)展和最廣泛的應(yīng)用。采用數(shù)控技術(shù)控制的機床，即裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機床稱之為數(shù)字控制機床（NumericallyControlledMachineTool）簡稱數(shù)控（NC）機床。國際信息處理聯(lián)盟（IFIP）第五技術(shù)委員會對數(shù)控機床作了如下定義：數(shù)控機床是一種裝有程序控制系統(tǒng)的機床，該系統(tǒng)能邏輯地處理具有特定代碼或其他符號編碼指令規(guī)定的程序。一、數(shù)控機床的產(chǎn)生和發(fā)展數(shù)控機床是采用數(shù)控裝置或電子計算機來控機床運動，自動地取代一般通用機床上人工控制的各種操作，如啟動、加工順序、主軸變速、切削用量、松夾工件、選擇刀具、進刀退刀、冷卻液開停以及停車等。通常，數(shù)控機床將所需的全部機械動作、步驟和控制功能，以及工件的形狀尺寸預(yù)先按規(guī)定的字符和文字代碼的形式編制數(shù)控程序，通過穿孔機或鍵盤等把程序上的信息以數(shù)字代碼的形式記載在控制介質(zhì)（如穿孔紙帶或磁盤等）上，通過控制介質(zhì)將加工信息送入數(shù)控裝置，數(shù)控裝置或計算機對輸入的信息進行處理與運算，發(fā)出各種指令性控制信號，去控制機床的伺服系統(tǒng)或其他驅(qū)動元件的各種動作，從而使數(shù)控機床自動加工出所需要的零件。形數(shù)形圖形數(shù)字化的代碼零件編程的過程加工的過程整個過程實現(xiàn)了：的轉(zhuǎn)換過程數(shù)控機床首先由美國率先發(fā)展，并且是為了適應(yīng)航空工業(yè)制造復(fù)雜零件的需要而產(chǎn)生的。1948年，美國帕森斯公司與美國麻省理工學(xué)院（MIT）開始共同研究，并于1952年試制成功第一臺三坐標數(shù)控銑床，當時的數(shù)控裝置采用電子管元件。1959年，數(shù)控裝置采用了晶體管元件和印刷電路板，出現(xiàn)帶自動換刀裝置的數(shù)控機床，稱為加工中心（MCMachiningCenter），1965年，出現(xiàn)了第三代的集成電路數(shù)控裝置。60年代末，直接數(shù)控系統(tǒng)（簡稱DNC），又稱群控系統(tǒng)、計算機數(shù)控系統(tǒng)（簡稱CNC），使數(shù)控裝置進入了以小型計算機化為特征的第四代。1974年，研制成功使用微處理器和半導(dǎo)體存貯器的微型計算機數(shù)控裝置（簡稱MNC），這是第五代數(shù)控系統(tǒng)。20世紀80年代初，出現(xiàn)了人機對話式自動編制程序的數(shù)控裝置；數(shù)控裝置愈趨小型化；具有自動監(jiān)控刀具破損和自動檢測工件等功能。20世紀90年代后期，出現(xiàn)了PC+CNC智能數(shù)控系統(tǒng)，此種方式系統(tǒng)維護方便，易于實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化制造。我國數(shù)控機床開發(fā)的起步并不晚，大約與日本、德國、前蘇聯(lián)同步。1958年北京第一機床廠與清華大學(xué)合作試制成功我國第一臺數(shù)控銑床。1970年北京第一機床廠的XK5040型數(shù)控升降臺銑床才作為商品，1975年沈陽第一機床廠的CSK6163型數(shù)控車床才真正進入商品化。1974～1976年間，雖然開發(fā)了加工中心、數(shù)控鏜床、數(shù)控磨床和數(shù)控鉆床，多數(shù)機床沒有在生產(chǎn)中發(fā)揮作用。20世紀80年代前期，“六五”、“七五”、“八五”數(shù)控系統(tǒng)攻關(guān)。目前我國已經(jīng)有自主版權(quán)的數(shù)控系統(tǒng)，并能生產(chǎn)門類齊全的數(shù)控車、數(shù)控銑、數(shù)控鉆、數(shù)控鏜、數(shù)控磨、數(shù)控齒輪加工、數(shù)控電加工等數(shù)控機床，數(shù)控加工中心也相繼研制成功。數(shù)控機床的加工功能數(shù)控車床的加工功能數(shù)控銑床的加工功能1.葉輪數(shù)控銑床的加工功能2.箱體數(shù)控銑床的加工功能3.異形件數(shù)控加工中心的加工功能1.端面銑削數(shù)控加工中心的加工功能2.攻絲數(shù)控加工中心的加工功能3.鏜孔數(shù)控加工中心的加工功能4.鉆孔數(shù)控加工中心的加工功能5.內(nèi)外螺紋加工數(shù)控加工中心的加工功能6.特殊程序加工數(shù)控加工中心的加工功能7.銑內(nèi)孔槽數(shù)控加工中心的加工功能8.銑曲面數(shù)控加工中心的加工功能9.銑曲線數(shù)控加工中心的加工功能10.銑箱體數(shù)控機床是機電一體化的典型產(chǎn)品，是集機床、計算機、電機及拖動、自動控制、檢測等技術(shù)為一體的自動化設(shè)備。數(shù)控機床的基本組成包括控制介質(zhì)、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)、反饋系統(tǒng)及機床本體組成，見圖1-1。二、數(shù)控機床的組成控制介質(zhì)數(shù)控裝置伺服系統(tǒng)機床本體MG測量反饋圖1-1數(shù)控機床組成數(shù)控機床工作時，不要人去直接操作機床，但又要執(zhí)行人的意圖，這就必須在任何數(shù)控機床之間建立某種聯(lián)系，這種聯(lián)系的中間媒介物稱之為控制介質(zhì)。數(shù)控機床常用的控制介質(zhì)和輸入輸出設(shè)備見表1。1.控制介質(zhì)表1控制介質(zhì)和輸入輸出設(shè)備表對于用微機控制的數(shù)控機床，也可用操作面板上的按鈕和鍵盤將加工程序直接用鍵盤輸入，并在CRT顯示器上顯示。數(shù)控裝置是數(shù)控機床的核心。其功能是接受輸入裝置輸入的數(shù)控程序中的加工信息，經(jīng)過數(shù)控裝置的系統(tǒng)軟件或邏輯電路進行譯碼、運算和邏輯處理后，發(fā)出相應(yīng)的脈沖送給伺服系統(tǒng)，使伺服系統(tǒng)帶動機床的各個運動部件按數(shù)控程序預(yù)定要求動作。它具備的主要功能如下：1．多軸聯(lián)動控制；2．直線、圓弧、拋物線等多種函數(shù)的插補；3．輸入、編輯和修改數(shù)控程序功能；2.數(shù)控裝置4．數(shù)控加工信息的轉(zhuǎn)換功能：ISO/EIA代碼轉(zhuǎn)換，公英制轉(zhuǎn)換，坐標轉(zhuǎn)換，絕對值和相對值得轉(zhuǎn)換，計數(shù)制轉(zhuǎn)換等；5．刀具半徑補償、刀具長度補償，傳動間隙補償，螺距誤差補償?shù)妊a償功能；6．實現(xiàn)固定循環(huán)、重復(fù)加工、鏡像加工等多種加工方式選擇；7．在CRT上顯示字符、軌跡、圖形和動態(tài)演示等功能。機床上的執(zhí)行部件和機械傳動部件組成數(shù)控機床的進給系統(tǒng)，它根據(jù)數(shù)控裝置發(fā)來的速度和位移指令控制執(zhí)行部件的進給速度、方向和位移量。每個進給運動的執(zhí)行部件都配有一套伺服系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)的作用是把來自數(shù)控裝置的脈沖信號轉(zhuǎn)換為機床移動部件的運動，它相當于手工操作人的手，使工作臺（或溜板）精確定位或按規(guī)定的軌跡作嚴格的相對運動，最后加工出符合圖紙要求的零件。伺服系統(tǒng)由伺服驅(qū)動電動機和伺服驅(qū)動裝置組成，它是數(shù)控系統(tǒng)的執(zhí)行部分，驅(qū)動機床執(zhí)行機構(gòu)運動的驅(qū)動部件。包括主軸驅(qū)動單元（速度控制）、進給驅(qū)動單元（速度控制和位置控制）、主軸電機和進給電機等。3.伺服系統(tǒng)反饋裝置是閉環(huán)（半閉環(huán)）數(shù)控機床的檢測環(huán)節(jié)，該裝置可以包括在伺服系統(tǒng)中，它由檢測元件和相應(yīng)的電路組成，其作用是檢測數(shù)控機床坐標軸的實際移動速度和位移，并將信息反饋到數(shù)控裝置或伺服驅(qū)動中，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)；檢測裝置的安裝、檢測信號反饋的位置，決定于數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)型式。無測量反饋裝置的系統(tǒng)稱為開環(huán)系統(tǒng)。4.反饋裝置隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，對機床結(jié)構(gòu)的技術(shù)性能要求更高了，在總體布局、外觀造型、傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、刀具系統(tǒng)以及操作性能方面都已經(jīng)發(fā)生很大的變化。數(shù)控機床主體，包括床身、主軸、進給機構(gòu)等機械部件，以及輔助運動裝置、液壓氣動系統(tǒng)、冷卻裝置等部分。數(shù)控機床的主機結(jié)構(gòu)有下面幾個特點：（1）由于采用了高性能的主軸及進給伺服驅(qū)動裝置，數(shù)控機床的機械傳動結(jié)構(gòu)得到了簡化，傳動鏈較短。（2）數(shù)控機床的機械結(jié)構(gòu)具有較高的動態(tài)特性、動態(tài)剛度、阻尼精度、耐磨性以及抗熱變形性能。適應(yīng)連續(xù)地自動化加工。（3）較多地采用高效傳動件，如精密滾珠絲杠、直線滾動導(dǎo)軌副、精密齒條、蝸母條、靜壓、磁浮導(dǎo)軌等。5.機床本體（3）較多地采用高效傳動件，如精密滾珠絲杠、直線滾動導(dǎo)軌副、精密齒條、蝸母條、靜壓、磁浮導(dǎo)軌等。滾珠絲桿副直線導(dǎo)軌副從數(shù)控機床最終要完成的任務(wù)看，主要應(yīng)對三方面進行控制。1.主運動控制和通用機床一樣，主運動是形成切削速度并從工件上切除多余材料起主要作用的工作運動來完成切削任務(wù)。機床功率主要消耗于主運動，其動力約占整臺機床動力的70%~80%。2.進給運動控制數(shù)控機床的進給運動是通過進給伺服系統(tǒng)來實現(xiàn)的，這是數(shù)控機床區(qū)別于通用機床的重要方面之一。

3.輸入/輸出（I/O）控制數(shù)控系統(tǒng)對加工程序處理后輸出的控制信號還要對機床的各種狀態(tài)進行控制，這些狀態(tài)包括主軸的變頻控制，主軸的正、反轉(zhuǎn)及停止，冷卻和潤滑裝置的起動和停止，刀具自動交換，工件夾緊和放松及分度工作臺轉(zhuǎn)位等。三、數(shù)控機床的控制對象機床的運動動畫顯示：數(shù)控機床加工工件的過程見圖1-2。四、數(shù)控機床的工作原理零件圖紙程序設(shè)計編寫程序單穿孔紙帶數(shù)控介質(zhì)伺服系統(tǒng)機床加工零件成品圖1-2數(shù)控機床加工工件過程數(shù)控機床對零件的加工過程，是嚴格按照加工程序所規(guī)定的參數(shù)及動作執(zhí)行的。它是一種高效能自動或半自動機床，與普通機床相比，具有以下明顯特點：1．適應(yīng)性強，適應(yīng)70%以上多品種小批量零件自動加工；2．加工質(zhì)量穩(wěn)定，無故障時間迅速增加；3．生產(chǎn)效率高，是普通機床效率的2～5倍；4．加工精度高，具有加工復(fù)雜形狀零件的能力；5．工序集中，一機多用；6．自動化程度高，生產(chǎn)準備周期短；7．易于建立計算機通信網(wǎng)絡(luò)；8．有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化。五、數(shù)控機床的特點六、數(shù)控機床的分類（1）金屬切削類數(shù)控機床金屬切削類數(shù)控機床有數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控鉆床、數(shù)控鏜床、數(shù)控磨床、數(shù)控插齒機、數(shù)控鏜銑床、數(shù)控凸輪磨床、數(shù)控磨刀機、數(shù)控曲面磨床等。磨削中心、加工中心MC是帶有刀庫和自動換刀裝置的數(shù)控機床。（2）金屬成形類數(shù)控機床金屬成形類數(shù)控機床有數(shù)控折彎機、數(shù)控彎管機、數(shù)控油壓成型機和數(shù)控壓力機等。（3）數(shù)控特種加工機床數(shù)控特種加工機床有數(shù)控線切割機床、數(shù)控電火花加工機床、數(shù)控電脈沖機床、數(shù)控激光加工機床等。（4）其它類型的數(shù)控機床如水射流切割機、鞋樣切割機、雕刻機、數(shù)控三坐標測量機等。1.按用途分類圖1-3數(shù)控車床圖1-4數(shù)控銑床圖1-5數(shù)控加工中心圖1-6錐度電火花線切割機床（1）．點位控制數(shù)控機床這類數(shù)控機床主要有數(shù)控坐標鏜床、數(shù)控鉆床、數(shù)控沖床、數(shù)控點焊機以及數(shù)控彎管機等。其相應(yīng)的數(shù)控裝置稱之為點位數(shù)控裝置，點位數(shù)控裝置的控制系統(tǒng)比較簡單。2.按運動方式分類圖1-7點位控制數(shù)控機床（2）．直線控制數(shù)控機床這類數(shù)控機床主要有簡易數(shù)控車床，數(shù)控鏜銑床和數(shù)控磨床等，相應(yīng)的數(shù)控裝置稱之為直線控制裝置。圖1-8直線控制數(shù)控機床（3）．輪廓控制數(shù)控機床輪廓控制數(shù)控機床又稱為連續(xù)控制數(shù)控機床或軌跡控制數(shù)控機床。各坐標的運動按規(guī)定的比例關(guān)系相互配合，精確地協(xié)調(diào)起來連續(xù)進行加工，以最小的誤差逼近規(guī)定的直線、斜線或輪廓曲線、曲面。圖1-5為坐標輪廓控制數(shù)控機床的工作原理圖。圖1-9輪廓控制數(shù)控機床

a）數(shù)控車削b）數(shù)控銑削由控制坐標軸的數(shù)量可以有2軸控制、2.5軸控制、3軸控制、4軸控制、5軸控制等（如圖1-10、1-11、1-12所示）。圖1-102.5軸加工空間曲面圖1-113軸聯(lián)動數(shù)控銑床加工圖圖1-125軸聯(lián)動的數(shù)控加工（1）．開環(huán)控制數(shù)控機床沒有位置測量裝置，信號流是單向的（數(shù)控裝置→進給系統(tǒng)），故系統(tǒng)穩(wěn)定性好。3.按控制原理分類電機機械執(zhí)行部件A相、B相C相、…f、nCNC插補指令脈沖頻率f脈沖個數(shù)n換算脈沖環(huán)形分配變換功率放大圖1-13開環(huán)控制系統(tǒng)框圖（2）．閉環(huán)控制數(shù)控機床

全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點如圖的虛線所示，直接對運動部件的實際位置進行檢測。位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動檢測與反饋單元位置控制單元速度控制單元++--電機機械執(zhí)行部件CNC插補指令實際位置反饋實際速度反饋圖1-14閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖（3）．半閉環(huán)控制數(shù)控機床半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點如圖所示，是從驅(qū)動裝置(常用伺服電機)或絲杠引出，采樣旋轉(zhuǎn)角度進行檢測，不是直接檢測運動部件的實際位置。位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動檢測與反饋單元位置控制單元速度控制單元++--電機機械執(zhí)行部件CNC插補指令實際位置反饋實際速度反饋圖1-15半閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)（又稱簡易數(shù)控系統(tǒng)）普及型數(shù)控系統(tǒng)（通常稱之為全功能數(shù)控系統(tǒng)）高檔數(shù)控系統(tǒng)基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)4.按數(shù)控系統(tǒng)類型分類這種分類沒有明確的定義和確切的界限，但可以給人們一個清晰的水平概念。數(shù)控機床水平的高低由主要技術(shù)參數(shù)、功能指標和關(guān)鍵部件的功能水平來決定。通常可用下述指標作為評價數(shù)控機床檔次的參考條件。（1）分辨率和進給速度分辨率為10μm，進給速度為8—15m/min為低檔；分辨率為1μm，進給速度為15—24m/min為中檔；分辨率為0.1μm，進給速度為15—100m/min為高檔；（2）多坐標聯(lián)動功能低檔數(shù)控機床最多聯(lián)動軸數(shù)為2—3軸，中、高檔為3-5軸以上。（3）顯示功能低檔數(shù)控一般只有簡單的數(shù)碼顯示或簡單的CRT字符顯示（CathodeRayTube陰極射線管）。中檔有較齊全的CRT顯示，不僅有字符，而且還有圖形，人機對話、自診斷等功能。高檔數(shù)控還有三維動態(tài)圖形顯示。（4）通訊功能低檔數(shù)控?zé)o通訊功能。中檔數(shù)控有RS32或DNC接口。高檔數(shù)控有MAP（制造自動化協(xié)議）等高性能通訊借口，具有聯(lián)網(wǎng)功能。（5）主CPU低檔數(shù)控一般采用8位CPU，中、高檔數(shù)控已經(jīng)由16位CPU發(fā)展到32位、64位CPU，并用具有精簡指令集的RISC中央處理單元。全功能、可靠性CNCFANUC—OC系列

CNC單元

顯示裝置與操作面板數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)的突飛猛進為數(shù)控機床的技術(shù)進步提供了條件，為了滿足市場的需要，達到現(xiàn)代制造技術(shù)對數(shù)控機床提出的更高的要求，當前，數(shù)控技術(shù)及數(shù)控機床的發(fā)展方向主要體現(xiàn)為下述幾方面運行高速化加工高精化高可靠性功能復(fù)合化控制智能化體系開放化驅(qū)動并聯(lián)化交互網(wǎng)絡(luò)化七、數(shù)控機床的發(fā)展趨勢運行高速化、加工高精化速度和精度是數(shù)控設(shè)備的兩個重要指標，它們是數(shù)控技術(shù)永恒追求的目標。因為它直接關(guān)系到加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量。新一代數(shù)控設(shè)備在運行高速化、加工高精化等方面都有了更高的要求。運行高速化進給率、主軸轉(zhuǎn)速、刀具交換速度、托盤交換速度實現(xiàn)高速化，并且具有高加（減）速率。進給率高速化在分辨率為1

m時，F(xiàn)max=240m/min。在Fmax下可獲得復(fù)雜型面的精確加工；在程序段長度為1mm時，F(xiàn)max=30m/min，并且具有1.5g的加減速率；主軸高速化采用電主軸（內(nèi)裝式主軸電機），即主軸電機的轉(zhuǎn)子軸就是主軸部件。主軸最高轉(zhuǎn)速達200000r/min。主軸轉(zhuǎn)速的最高加（減）速為1.0g

，即僅需1.8秒即可從0提速到15000r/min。換刀速度0.9秒（刀到刀）2.8秒（切削到切削）工作臺（托盤）交換速度6.3秒。甚至有人提出了達到“非切削時間為零”的目標

運行高速化高速切削機床的關(guān)鍵技術(shù)高速機床是實現(xiàn)高速加工的前提和基本條件，高速切削機床技術(shù)是高速切削技術(shù)中最基本的關(guān)鍵技術(shù)。高速切削機床的關(guān)鍵技術(shù)包括以下幾方面：①高速主軸單元②高速直線驅(qū)動進給單元③高速切削刀具技術(shù)④CNC控制系統(tǒng)⑤切屑處理和冷卻系統(tǒng)⑥安全裝置與實時監(jiān)控系統(tǒng)⑦換刀裝置⑧機床床體結(jié)構(gòu)運行高速化高速加工中心機床實例米克朗（Mikron）公司生產(chǎn)的HSM400U5軸聯(lián)動高速加工中心如圖所示。機床性能參數(shù)：工作范圍400mm×240mm×350mm；主軸轉(zhuǎn)速42000r/min；主軸功率13kW；進給速度X,Y,Z方向40m/min；回轉(zhuǎn)速度B、C擺900～1500o/sec；加速度X,Y,Z方向17m/s2；回轉(zhuǎn)加速度B、C擺5700～17200o/s2；刀柄采用HSK40，刀庫為18～76位。加工高精化提高機械設(shè)備的制造和裝配精度；提高數(shù)控系統(tǒng)的控制精度；采用誤差補償技術(shù)。提高CNC系統(tǒng)控制精度采用高速插補技術(shù)，以微小程序段實現(xiàn)連續(xù)進給，使CNC控制單位精細化；采用高分辨率位置檢測裝置，提高位置檢測精度（日本交流伺服電機已有裝上106脈沖/轉(zhuǎn)的內(nèi)藏位置檢測器，其位置檢測精度能達到0.01

m/脈沖）；位置伺服系統(tǒng)采用前饋控制與非線性控制等方法。采用誤差補償技術(shù)采用反向間隙補償、絲桿螺距誤差補償和刀具誤差補償?shù)燃夹g(shù);設(shè)備的熱變形誤差補償和空間誤差的綜合補償技術(shù)。研究結(jié)果表明，綜合誤差補償技術(shù)的應(yīng)用可將加工誤差減少60％～80％。三井精機的JidicH5D型超精密臥式加工中心的定位精度為±0.1

m。高可靠性數(shù)控機床要發(fā)揮其高性能、高精度、高效率，并獲得良好的效益，關(guān)鍵取決于其可靠性。衡量可靠性的重要量化指標是平均故障時間（MTBF），數(shù)控系統(tǒng)的無故障工作時間已由20世紀80年代的10000h，提高到20世紀90年代的30000~50000h。數(shù)控機床整機的可靠性水平也有顯著提高，其MTBF值已由20世紀80年代初期的500~800h，降低到目前的100~200h。功能復(fù)合化復(fù)合化是指在一臺設(shè)備能實現(xiàn)多種工藝手段加工的方法。在零件加工過程中有大量的無用時間消耗在工件搬運、上下料、安裝調(diào)整、換刀和主軸的升、降速上，為了盡可能降低這些無用時間，人們希望將不同的加工功能整合在同一臺機床上，因此，復(fù)合化的機床成為近年來發(fā)展很快的機種。復(fù)合化包含工序復(fù)合化和功能復(fù)合化。數(shù)控機床的發(fā)展已模糊了粗精加工工序的概念。加工中心的出現(xiàn)，又把車、銑、鏜等工序集中到一臺機床來完成，打破了傳統(tǒng)的工序界限和分開加工的工藝規(guī)程。近年來，又相繼出現(xiàn)了許多跨度更大的功能集中的超復(fù)合化數(shù)控機床，如日本池貝鐵工所的TV4L立式加工中心，由于采用U軸，亦可進行車加工。鏜銑鉆復(fù)合—加工中心（ATC）、五面加工中心（ATC，主軸立臥轉(zhuǎn)換）；車銑復(fù)合—車削中心（ATC，動力刀頭）；銑鏜鉆車復(fù)合—復(fù)合加工中心（ATC，可自動裝卸車刀架）；銑鏜鉆磨復(fù)合—復(fù)合加工中心（ATC，動力磨頭）；可更換主軸箱的數(shù)控機床—組合加工中心；控制智能化智能化是21世紀制造技術(shù)發(fā)展的一個大方向。智能加工是一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制、數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和理論的加工，它是要在加工過程中模擬人類專家的智能活動，以解決加工過程許多不確定性的、要由人工干預(yù)才能解決的問題。智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個方面：1.加工過程自適應(yīng)控制技術(shù)

2.加工參數(shù)的智能優(yōu)化與選擇

3.智能故障診斷與自修復(fù)技術(shù)

4.智能化交流伺服驅(qū)動裝置

5.智能4M數(shù)控系統(tǒng)（測量Measurement、建模Modelling、加工Manufacturing、機器操作Manipulator）高柔性化柔性自動化技術(shù)是制造業(yè)適應(yīng)動態(tài)市場需求及產(chǎn)品迅速更新的主要手段，是各國制造業(yè)發(fā)展的主流趨勢，是先進制造領(lǐng)域的基礎(chǔ)技術(shù)。數(shù)控機床在提高單機柔性化的同時，正朝著單元柔性化和系統(tǒng)柔性化方向發(fā)展。如出現(xiàn)了可編程控制器（PLC）控制的可調(diào)組合機床、數(shù)控多軸加工中心、數(shù)控三坐標動力單元等具有柔性的高效加工設(shè)備，還有柔性加工單元（FMC）、柔性制造系統(tǒng)（FMS）以及介于傳統(tǒng)自動線與FMS之間的柔性制造線（FTL）。體系開放化定義（IEEE）：具有在不同的工作平臺上均能實現(xiàn)系統(tǒng)功能、且可以與其他的系統(tǒng)應(yīng)用進行互操作的系統(tǒng)。開放式數(shù)控系統(tǒng)特點系統(tǒng)構(gòu)件（軟件和硬件）具有標準化(Standardization)與多樣化(Diversification)和互換性(Interchangeability)的特征允許通過對構(gòu)件的增減來構(gòu)造系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)“積木式”的集成。構(gòu)造應(yīng)該是可移植的和透明的；開放體系結(jié)構(gòu)CNC的優(yōu)點向未來技術(shù)開放：標準化的人機界面：向用戶特殊要求開放：開放式數(shù)控裝置的概念結(jié)構(gòu)硬件配置單元軟件配置單元標準計算機硬件數(shù)控系統(tǒng)基本硬件數(shù)控功能應(yīng)用程序DOS(WINDOWS)實時多任務(wù)操作系統(tǒng)RTM應(yīng)用程序接口NC構(gòu)件庫圖1-20開放式數(shù)控裝置的概念結(jié)構(gòu)驅(qū)動并聯(lián)化近年來出現(xiàn)了所謂六條腿結(jié)構(gòu)的并聯(lián)運動機床。這種新穎的機床是采用以可伸縮的六條“腿”（伺服軸）支撐并連接上平臺（裝有主軸頭）與下平臺（裝有工作臺）的構(gòu)架結(jié)構(gòu)形式，取代傳統(tǒng)的床身、立柱等支撐結(jié)構(gòu)，而沒有任何導(dǎo)軌與滑板的所謂“虛軸機床”。并聯(lián)運動機床是1994年出現(xiàn)的新概念機床，是一種在結(jié)構(gòu)上完全不同于傳統(tǒng)機床的新型機床。1994年，在美國國際制造技術(shù)展覽會上（IMTS94），美國Giddings-Lewis公司推出了Variax加工中心（如圖所示）。在這臺機床上，看不到傳統(tǒng)機床的床身、導(dǎo)軌、立柱和橫粱等結(jié)構(gòu)，它的基本結(jié)構(gòu)是一個活動平臺、一個固定平臺和六根長度可變的連桿?；顒悠脚_上裝有機床主軸和刀具，固定平臺上安裝工件，六根桿實際是六個滾珠絲杠副，它通過萬向鉸鏈將兩個平臺連在一起，同時將伺服電動機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動。當不斷改變六根桿的長度時，可帶動活動平臺產(chǎn)生六自由度的空間運動，使刀具在工件上加工出復(fù)雜的三維曲面。驅(qū)動并聯(lián)化

并聯(lián)加工中心（又稱6條腿數(shù)控機床、虛軸機床）是數(shù)控機床在結(jié)構(gòu)上取得的重大突破。驅(qū)動桿機架

動平臺主軸電機伺服電機主軸刀具柔性夾具工件靜平臺圖1-21并聯(lián)機床結(jié)構(gòu)示意圖并聯(lián)運動機床與傳統(tǒng)機床的比較并聯(lián)運動機床與傳統(tǒng)機床的結(jié)構(gòu)見下圖所示。并聯(lián)運動機床是以機床框架為固定平臺的若干個桿件組成空間并聯(lián)機構(gòu)，主軸部件安裝在并聯(lián)機構(gòu)的動平臺上，工作臺與機床框架連接在一起。改變桿件的長度或移動桿件的支點，按照并聯(lián)運動學(xué)原理形成刀具相對于被加工零件的運動軌跡。并聯(lián)運動機床與傳統(tǒng)機床相比，具有以下優(yōu)異的性能：并聯(lián)結(jié)構(gòu)機床是現(xiàn)代機器人與傳統(tǒng)加工技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物；由于它沒有傳統(tǒng)機床所必需的床身、立柱、導(dǎo)軌等制約機床性能提高的結(jié)構(gòu)，具有現(xiàn)代機器人的模塊化程度高、重量輕和速度快等優(yōu)點。由于并聯(lián)運動機床具有上述顯著優(yōu)點，目前已成為高速高效高柔性加工設(shè)備的一個新的發(fā)展方向，但是它也存在一些缺點，如控制計算極其復(fù)雜，桿件的熱變形對機床的加工精度影響比較嚴重，機床加工的有效空間相對于機床本身體積所占比例較小。特點并聯(lián)結(jié)構(gòu)機床是現(xiàn)代機器人與傳統(tǒng)加工技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物；由于它沒有傳統(tǒng)機床所必需的床身、立柱、導(dǎo)軌等制約機床性能提高的結(jié)構(gòu)，具有現(xiàn)代機器人的模塊化程度高、重量輕和速度快等優(yōu)點。鑒于并聯(lián)機床具有許多傳統(tǒng)機床所無法比擬的卓越性能，它作為一種新型的加工設(shè)備，已成為當前機床技術(shù)的一個重要研究方向。近年來，受到了國際機床行業(yè)的高度重視。在近幾年的國際知名機床博覽會上，一些世界著名的機床廠商都展出了他們研制的并聯(lián)機床，得到了行家們的高度評價，被認為是“自發(fā)明數(shù)控技術(shù)以來在機床行業(yè)中最有意義的進步”，“21世紀新一代數(shù)控加工設(shè)備”。交互網(wǎng)絡(luò)化支持網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，既滿足單機需要，又能滿足FMC、FMS、CIMS對基層設(shè)備集成要求的數(shù)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)是形成“全球制造”的基礎(chǔ)單元。網(wǎng)絡(luò)資源共享。數(shù)控機床的遠程（網(wǎng)絡(luò)）監(jiān)視、控制。數(shù)控機床的遠程（網(wǎng)絡(luò)）培訓(xùn)與教學(xué)（網(wǎng)絡(luò)數(shù)控）數(shù)控裝備的數(shù)字化服務(wù)（數(shù)控機床故障的遠程（網(wǎng)絡(luò)）診斷、遠程維護、電子商務(wù)等）。1.2插補原理與計算機數(shù)控系統(tǒng)1．插補（Interpolation）的基本概念機床上進行輪廓加工的各種工件，，一般都是由一些簡單的、基本的幾何元素（直線、圓弧等）構(gòu)成。若加工對象由其它二次曲線和高次曲線組成，可以采用一小段直線或圓弧來擬合(有些場合，需要拋物線或高次曲線擬合)，就可以滿足精度要求。這種擬合的方法就是“插補”（Interpolation）。它實質(zhì)上是根據(jù)有限的信息完成把“填補空白”的“數(shù)據(jù)密化”的工作。即數(shù)控裝置依據(jù)編程時有限數(shù)據(jù)，按照一定方法產(chǎn)生基本線型（直線、圓弧等），并以此為基礎(chǔ)完成所需要輪廓軌跡的擬合工作。可見數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)零件輪廓線型的有限信息，計算出刀具的一系列加工點、完成所謂的數(shù)據(jù)“密化”工作。插補有二層意思：一是用小線段逼近產(chǎn)生基本線型（如直線、圓弧等）；二是用基本線型擬和其它輪廓曲線。1.2.1插補原理2．插補方法在數(shù)控系統(tǒng)中，常用的插補方法有逐點插補法、數(shù)字積分法、時間分割法等。現(xiàn)將數(shù)控系統(tǒng)中用得最多的方法——逐點比較法的插補過程和直線圓弧插補運算方法簡介如下。逐點比較法又稱代數(shù)運算法、醉步法，其插補原理可概括為“逐點比較，步步逼近”八個字。逐點比較法的插補過程分為四個步驟：①偏差判別根椐偏差值判斷刀具當前位置與理想線段的相對位置，以確定下一步的走向。②坐標進給根據(jù)判別結(jié)果，使刀具向x或y方向移動一步。③偏差計算當?shù)毒咭频叫挛恢脮r，再計算與理想線段間的偏差以確定下一步的走向。④終點判別判斷刀具是否到達終點。未到終點，則繼續(xù)進行插補。若己達終點，則插補結(jié)束。（1）直線插補圖1-16直線插補規(guī)定：當加工點在OA直線上方或在OA直線上，該點的偏差值Fn≥0，若在OA直線的下方，即偏差值Fn＜0，機床數(shù)控裝置的邏輯功能，根據(jù)偏差值能自動判別走步。當Fn≥0時朝+x方向進給一步，當Fn＜0時，朝+y方向進給一步，每走一步自動比