任務1 認識數控機床

任務導入

根據表1.1所示的機床外形寫出數控機床的名稱、應用范圍及1～2種常見的機床型號。

知識準備

一、數控機床的產生與發展趨勢

1. 數控機床的產生

20世紀40年代以來，隨著航空航天技術的飛速發展，各種飛行器對機械加工提出了更高的要求。飛行器的零件大多形狀非常復雜，材料多為難以加工的合金，用傳統的機床和工藝方法進行加工不能保證精度，也很難提高生產效率。為了解決零件復雜形狀表面的加工問題，1952年，美國帕森斯公司和麻省理工學院研制成功了世界上第1臺數控機床。半個多世紀以來，數控技術得到了迅猛的發展，加工精度和生產效率不斷提高。數控機床的發展至今已經歷了2個階段和6代。

（1）數控（Numerical Control，NC）階段（1952～1970年）。早期的計算機運算速度低，不能適應機床實時控制的要求，人們只好用數字邏輯電路“搭”成一臺機床專用計算機作為數控系統，這就是硬件連接數控，簡稱數控。隨著電子元器件的發展，這個階段經歷了3代，即1952年的第1代——電子管數控機床、1959年的第2代——晶體管數控機床和1965年的第3代——集成電路數控機床。

（2）計算機數控（CNC）階段（1970年至今）。1970年，通用小型計算機已出現并投入成批生產，人們將它移植過來作為數控系統的核心部件，從此進入計算機數控階段。這個階段也經歷了3代，即1970年的第4代——小型計算機數控機床、1974年的第5代——微型計算機數控機床和1990年的第6代——基于PC的數控機床。

隨著微電子技術和計算機技術的不斷發展，數控技術也隨之不斷更新，發展非常迅速，幾乎每5年更新換代一次，其在制造領域的加工優勢逐漸體現出來。

2. 數控機床的發展趨勢

數控機床的出現不但給傳統制造業帶來了革命性的變化，使制造業成為工業化的象征，而且隨著數控技術的發展和應用領域的擴大，它對關系國計民生的一些重要行業（IT、汽車、輕工、醫療等）的發展起著越來越重要的作用，因為這些行業所需裝備的數字化已是現代發展的大趨勢。當前世界上數控機床的發展呈現如下趨勢。

（1）高速度、高精度化。速度和精度是數控機床的兩個重要技術指標，它們直接關系到加工效率和產品質量。當前，數控機床的主軸轉速最高可達40 000r/min，最大進給速度達120m/min，最大加速度達3m/s2，定位精度正在向亞微米進軍，納米級五軸聯動加工中心已經商品化。

（2）多功能化。一機多能的數控機床可以最大限度地提高設備的利用率。例如，數控加工中心（Machining Center，MC）配有機械手和刀具庫，工件一經裝夾，數控系統就能控制機床自動更換刀具，連續對工件的各個加工面自動完成銑削、鏜削、鉸孔、擴孔及攻螺紋等多工序加工，從而避免了多次裝夾造成的定位誤差，減少了設備臺數、工夾具和操作人員，節省了占地面積和輔助時間。為了提高效率，新型數控機床在控制系統和機床結構上也有所改革，例如，采取多系統混合控制方式，用不同的切削方式（車、鉆、銑、攻螺紋等）同時加工零件的不同部位等。現代數控系統控制軸多達15軸，同時聯動的軸已達到6軸。

（3）智能化。數控機床應用的重要目標是智能化。智能化技術主要體現在以下幾個方面。

① 引進自適應控制技術。引進自適應控制（Adaptive Control，AC）技術的目的是要求在隨機的加工過程中，通過自動調節加工過程中測得的工作狀態、特性，按照給定的評價指標自動校正自身的工作參數，以達到或接近最佳工作狀態。通常，數控機床是按照預先編好的程序進行控制的，但隨機因素，如毛坯余量和硬度的不均勻、刀具的磨損等難以預測。為了確保質量，勢必要在編程時采用較保守的切削用量，從而降低了加工效率。AC系統可自動測量機床主軸轉矩、切削力、切削溫度、刀具磨損等參數值，并由CPU進行比較運算后，發出修改主軸轉速和進給量大小的信號，確保機床處于最佳的切削用量狀態，從而在保證質量的條件下使加工成本最低或生產率最高。AC系統主要用于宇航等工業部門特種材料的加工。

② 附加人機會話自動編程功能。建立切削用量專家系統和示教系統，可提高編程效率和降低對編程人員技術水平的要求。

③ 具有設備故障自診斷功能。數控系統出了故障，控制系統能夠進行自診斷，并自動采取排除故障的措施，以適應長時間無人操作環境的要求。

（4）小型化。蓬勃發展的機電一體化設備，對數控系統提出了小型化的要求，體積小型化便于將機、電裝置合為一體。日本新開發的FS16和FS18都采用了三維安裝方法，使電子元器件得以高密度地安裝，極大地縮小了系統的占用空間。此外，它們還采用了新型TFT彩色液晶薄型顯示器，使數控系統進一步小型化，以便更方便地將它們裝到機械設備上。

（5）高可靠性。數控系統造價比較昂貴，用戶期望其能發揮最大的投資效益，因此要求設備具有高可靠性。要想提高可靠性，通常可采取以下一些措施。

① 提高線路集成度。采用大規模或超大規模的集成電路、專用芯片及混合式集成電路，可以減少元器件的數量、精簡外部連線和降低功耗。

② 建立由設計、試制到生產的一整套質量保證體系。例如，采取防電源干擾，輸入/輸出光電隔離；使數控系統模塊化、通用化及標準化，以便于組織批量生產及維修；在安裝、制造時注意嚴格篩選元器件；對系統可靠性進行全面的檢查、考核等。通過這些手段，保證產品質量。

③ 增強故障自診斷功能和保護功能。由于元器件失效、編程錯誤及人為操作錯誤等原因，數控機床很可能會出現故障。數控機床一般具有故障自診斷功能，能夠對硬件和軟件進行故障診斷，自動顯示出故障的部位及類型，以便快速排除故障。新型數控機床還具有故障預報、自恢復、監控與保護等功能。例如，有的系統設有刀具破損檢測、行程范圍保護和斷電保護等功能，以避免損壞機床及報廢工件。由于采取了各種有效的可靠性措施，現代數控機床的平均無故障時間（MTBF）可達到10 000～36 000h。

二、數控機床的概念及組成

1. 數控機床的基本概念

數控是采用數字化信息對機床的運動及其加工過程進行控制的方法；數控機床（Computer Numerical Controlled Machine Tool）是指裝備了計算機數控系統的機床，簡稱CNC機床。

2. 數控機床加工工件的過程

利用數控機床加工工件的過程如圖1.1所示，主要包括以下內容。

① 根據零件加工圖樣進行工藝分析，確定加工方案、工藝參數和位移數據。

② 用規定的程序代碼和格式編寫數控加工程序單，或用自動編程軟件直接生成數控加工程序文件。

③ 程序的輸入或傳輸。由手工編寫的程序，可以通過數控機床的操作面板輸入；由編程軟件生成的程序，通過計算機的串行通信接口直接傳輸到數控機床的數控單元，后者也稱機床控制單元（MCU）。

④ 將輸入或傳輸到數控單元的加工程序，進行刀具路徑模擬、試運行等。

⑤ 通過對機床的正確操作，運行程序，完成工件的加工。

3. 數控機床的組成

數控機床的組成參考微課1.1。數控機床由輸入/輸出裝置、計算機數控裝置（簡稱CNC裝置）、伺服系統和機床本體等部分組成，其組成框圖如圖1.2所示，其中輸入/輸出裝置、CNC裝置、伺服系統合起來就是計算機數控系統。

（1）輸入/輸出裝置。在數控機床上加工工件時，首先根據零件圖紙上的零件形狀、尺寸和技術條件，確定加工工藝，然后編制出加工程序，程序通過輸入裝置，輸送給機床數控系統，機床內存中的數控加工程序可以通過輸出裝置傳出。輸入/輸出裝置是機床與外部設備的接口，常用的輸入裝置有軟盤驅動器、RS-232C串行通信口及MDI方式等。

（2）CNC裝置。CNC裝置是數控機床的核心，它接收輸入裝置送來的數字信息，經過控制軟件和邏輯電路進行譯碼、運算和邏輯處理后，將各種指令信息輸出給伺服系統，使設備按規定的動作執行。現在的CNC裝置通常由一臺通用或專用微型計算機構成。

（3）伺服系統。伺服系統是數控機床的執行部分，其作用是把來自CNC裝置的脈沖信號轉換成機床的運動，使機床工作臺精確定位或按規定的軌跡做嚴格的相對運動，最后加工出符合圖紙要求的零件，參考微課1.2。每一個脈沖信號使機床移動部件產生的位移量叫作脈沖當量（也叫最小設定單位），常用的脈沖當量為0.001mm/脈沖。每個進給運動的執行部件都有相應的伺服系統，伺服系統的精度及動態響應決定了數控機床的加工精度、表面質量和生產率。伺服系統一般包括驅動裝置和執行機構兩大部分，常用的執行機構有步進電動機、直流伺服電動機、交流伺服電動機等，其中直流伺服電動機的結構參考微課1.3，交流伺服電動機的結構參考微課1.4。

（4）機床本體。機床本體是數控機床的機械結構實體，主要包括主運動部件、進給運動部件（如工作臺和刀架）、支撐部件（如床身和立柱等），此外還有冷卻、潤滑、轉位部件，如夾緊、換刀機械手等輔助裝置，參考微課1.5。與普通機床相比，數控機床在整體布局、外觀造型、傳動機構、工具系統及操作機構等方面都發生了很大的變化。歸納起來，為了滿足數控技術的要求和充分發揮數控機床的特點，主要有以下幾個方面的變化。

① 采用高性能主傳動及主軸部件，具有傳遞功率大、剛度高、抗振性好及熱變形小等優點。

② 進給傳動采用高效傳動件，具有傳動鏈短、結構簡單、傳動精度高等特點，一般采用滾珠絲杠螺母副、直線滾動導軌副等，其中滾珠絲杠螺母副的分類參考微課1.6。

③ 具有完善的刀具自動交換和管理系統。

④ 在加工中心上一般具有工件自動交換、工件夾緊和放松機構。

⑤ 機床本身具有很高的動、靜剛度。

⑥ 采用全封閉罩殼。由于數控機床是自動完成加工的，因此為了操作安全等原因，一般采用移動門結構的全封閉罩殼，對機床的加工部件進行全封閉。

半閉環、閉環數控機床還帶有檢測反饋裝置，其作用是對機床的實際運動速度、方向、位移量以及加工狀態加以檢測，把檢測結果轉化為電信號反饋給CNC裝置。檢測反饋裝置主要有感應同步器、光柵、光電編碼器、磁柵和激光測距儀等。光柵的結構參考微課1.7，光電編碼器的工作原理參考微課1.8、微課1.9。

三、數控機床的種類與應用

數控機床的分類方法很多，大致有以下幾種。

1. 按工藝用途分類（參考微課1.10）

數控機床是在普通機床的基礎上發展起來的，各種類型的數控機床基本上都起源于同類型的普通機床。數控機床按工藝用途大致可分為以下幾種。

（1）金屬切削類數控機床。指采用車、銑、鏜、鉸、鉆、磨、刨等各種切削工藝的數控機床，包括數控車床、數控鉆床、數控銑床、數控磨床、數控鏜床以及加工中心等。切削類數控機床發展最早，目前種類繁多，功能差異也較大。這里需要特別強調的是，加工中心也被稱為可自動換刀的數控機床。這類數控機床帶有一個刀庫和自動換刀系統，刀庫可容納16～100把刀具。圖1.3和圖1.4所示分別是立式加工中心、臥式加工中心的外觀圖。立式加工中心最適宜加工高度尺寸相對較小的工件，一般情況下，除底部不能加工外，其余5個面都可以用不同的刀具進行輪廓和表面加工。臥式加工中心適宜加工有多個加工面的大型工件或高度尺寸較大的工件。

（2）金屬成型類數控機床。指采用擠、沖、壓、拉等成型工藝的數控機床，包括數控折彎機、數控組合沖床、數控彎管機及數控壓力機等。這類機床起步晚，但目前發展很快。

（3）數控特種加工機床。如數控線切割機床、數控電火花加工機床、數控火焰切割機床及數控激光切割機床等。

（4）其他類型的數控設備。如數控三坐標測量儀、數控對刀儀及數控繪圖儀等。

2. 按機床運動的控制軌跡分類（參考微課1.11）

（1）點位控制數控機床。點位控制數控機床只要求控制機床的移動部件從某一位置移動到另一位置的準確定位，對于兩位置之間的運動軌跡不做嚴格要求，在移動過程中，刀具不進行切削加工，如圖1.5所示。為了實現既快又準的定位，常采用先快速移動，然后慢速趨近定位點的方法來保證定位精度。

具有點位控制功能的數控機床有數控鉆床、數控沖床、數控鏜床和數控點焊機等。

（2）直線控制數控機床。直線控制數控機床的特點是除了控制點與點之間的準確定位外，還要保證兩點之間移動的軌跡是一條與機床坐標軸平行的直線。因為這類數控機床在兩點之間移動時要進行切削加工，所以也要控制移動的速度，如圖1.6所示。

具有直線控制功能的數控機床有比較簡單的數控車床、數控銑床和數控磨床等。單純用于直線控制的數控機床目前不多見。

（3）輪廓控制數控機床。輪廓控制又稱連續軌跡控制，這類數控機床能夠對2個或2個以上的運動坐標的位移及速度進行連續相關的控制，因而可以進行曲線或曲面的加工，如圖1.7所示。

具有輪廓控制功能的數控機床有數控車床、數控銑床及加工中心等。

3. 按伺服驅動系統的控制方式分類（參考微課1.12）

（1）開環控制系統。開環控制系統是指不帶反饋的控制系統，即系統沒有位置反饋元件，通常用功率步進電動機或電液伺服電動機作為執行機構。輸入的數據經過數控系統的運算，發出指令脈沖，通過環形分配器和驅動電路，使步進電動機或電液伺服電動機轉過一個步距角，再經過減速齒輪帶動絲杠旋轉，最后轉換為工作臺的直線移動，如圖1.8所示。移動部件的移動速度和位移量是由輸入脈沖的頻率和脈沖數決定的。

開環控制具有結構簡單、系統穩定、調試容易且成本低等優點。但是因為系統對移動部件的誤差沒有補償和校正功能，所以精度低，一般適用于經濟型數控機床和舊機床數控化改造。

（2）半閉環控制系統。如圖1.9所示，半閉環控制系統是在伺服電動機或絲杠端部裝有角位移檢測裝置（如感應同步器和光電編碼器等），通過檢測伺服電動機或絲杠端部的轉角間接地檢測移動部件的位移，然后反饋到數控系統中，由于慣性較大的機床移動部件不包括在檢測范圍之內，因而稱作半閉環控制系統。

在這種系統中，閉環回路不包括機械傳動環節，因此可獲得穩定的控制特性。而機械傳動環節的誤差可用補償的辦法消除，因此仍可獲得滿意的精度。中檔數控機床廣泛采用半閉環數控系統。

（3）閉環控制系統。閉環控制系統是在機床移動部件上直接裝有位置檢測裝置，將測量的結果直接反饋到數控裝置中，與輸入的指令位移比較，用偏差進行控制，使移動部件按照實際的要求運動，最終實現精確定位，其原理如圖1.10所示。因為把機床工作臺納入了位置控制環，所以稱為閉環控制系統。該系統可以消除包括工作臺傳動鏈在內的運動誤差，因而定位精度高、調節速度快。但由于該系統受進給絲杠的拉壓剛度、扭轉剛度、摩擦阻尼特性和間隙等非線性因素的影響，因而給調試工作造成較大的困難，如果各種參數匹配不當，將會引起系統振蕩，造成不穩定，影響定位精度。可見，閉環控制系統復雜并且成本高，適用于精度要求很高的數控機床，如精密數控鏜銑床、超精密數控車床等。

4. 按控制坐標軸的數量分類

按計算機數控裝置能同時聯動控制的坐標軸的數量分類，有兩坐標聯動數控機床、三坐標聯動數控機床和多坐標聯動數控機床，分別如圖1.11～圖1.13所示。

一些早期的數控機床盡管具有3個坐標軸，但能夠同時進行聯動控制的可能只是其中2個坐標軸，因而屬于兩坐標聯動的三坐標機床。這類機床不能獲得空間直線、空間螺旋線等復雜加工軌跡。要想加工復雜的曲面，只能采用在某平面內進行聯動控制，第3軸做單獨周期性進給的“兩維半”加工方式，如圖1.14所示。

5. 按數控系統分類

目前，數控系統的種類規格很多，在我國使用比較廣泛的有日本FANUC、德國SIEMENS公司的產品，以及國產的廣州數控系統、華中數控系統等。

（1）日本FANUC系列數控系統

FANUC公司生產的CNC產品主要有FS3、FS6、FS0、FS10/11/12、FS15、FS16、FS18和FS21/210等系列。目前，我國用戶主要使用的是FS0、FS15、FS16、FS18和FS21/210等系列。

FS0系列有FS0T、FS0TT、FS0M、FS0ME、FS0G和FS0F等型號。T型用于單刀架單主軸的數控車床，TT型用于單主軸雙刀架或雙主軸雙刀架的數控車床，M型、ME型用于數控銑床或加工中心，G型用于數控磨床，F型是對話型CNC系統。

FS15系列是FANUC公司較新的32位CNC系統，被稱為AICNC系統（人工智能CNC系統）。該系列是按功能模塊結構構成的，可以根據不同的需要組合成最小至最大系統，控制軸從2軸到15軸，同時還有PMC的軸控制功能，可配備有7、9、11和13個槽的控制單元母板，用于插入各種印制電路板，采用了通信專用微處理器和RS422接口，并有遠距離緩沖功能。該系列CNC系統主要適用于大型機床、復合機床的多軸控制和多系統控制。

FS16系列是在FS15系列之后開發的產品，其性能介于FS15和FS0系列之間。它采用薄型TFT（薄膜晶體管）彩色液晶顯示。

FS18系列是緊接著FS16系列推出的32位CNC系統，其功能在FS15和FS0系列之間，但低于FS16系列。它采用高密度三維安裝技術、四軸伺服控制、兩主軸控制，且集成度更高；采用TFT彩色液晶顯示，畫面上可顯示電動機波形，便于調整和控制。FS18系列在操作、機床接口和編程等方面均與FS16系列有互換性。

FS21/210系列是FANUC公司最新推出的系統，適用于中小型數控機床。

（2）德國SIEMENS公司的SINUMERIK系列數控系統

SINUMERIK系列數控系統主要有SINUMERIK 3、SINUMERIK 8、SINUMERIK 810/820、SINUMERIK 850/880和SINUMERIK 840等產品。

SINUMERIK 8系列產品生產于20世紀70年代末，SINUMERIK 8M/8ME/8ME-C、SPRINT 8M/8ME/8ME-C主要用于鉆床、鏜床和加工中心等機床；SINUMERIK 8MC/8MCE/8MCE-C主要用于大型鏜銑床。SINUMERIK 8T/SPRINT 8T主要用于車床，其中，SPRINT系列具有藍圖編程功能。

SINUMERIK 810/820系列生產于20世紀80年代中期，810/820在體系結構和功能上相近。

SINUMERIK 840D系列生產于1994年，是新設計的全數字化數控系統，具有高度模塊化及規范化的結構。它將CNC和驅動控制集成在一塊板子上，將閉環控制的全部硬件和軟件集成在1cm2的范圍內，便于操作、編程和監控。

SINUMERIK 810D系列生產于1996年，是在840D基礎上開發的新CNC系統。它第一次將CNC和驅動控制集成在一塊板上，其CNC與驅動之間沒有接口。810D配備了功能強大的軟件，提供了很多新的使用功能，如提前預測功能、坐標變換功能、固定點停止功能、刀具管理功能、樣條插補功能、壓縮功能和溫度補償功能等，極大地提高了其應用范圍。

1998年，SIEMENS公司又推出了基于810D系統的現場編程軟件ManulTurn和ShopMill。前者適用于數控車床的現場編程，后者適用于數控銑床的現場編程。通過這兩種軟件，操作者無需專門的編程培訓，使用傳統操作機床的模式即可對數控機床進行操作和編程。

近幾年來，SIEMENS公司又推出了SINUMERIK 802系列CNC系統，有802S、802C、802D等型號。

（3）華中數控系統HNC

HNC是武漢華中數控研制開發的國產型數控系統，是我國863計劃的科研成果在實踐中應用的成功項目，目前已開發和應用的產品有HNC 1和HNC 2000共2個系列，共計16種型號。

華中1型數控系統有HNC 1M銑床、加工中心數控系統，HNC 1T車床數控系統，HNC 1Y齒輪加工數控系統，HNC 1P數字化仿形加工數控系統，HNC 1L激光加工數控系統，HNC 1G五軸聯動工具磨床數控系統，HNC 1FP鍛壓、沖壓加工數控系統，HNC 1ME多功能小型數控銑系統，HNC 1TE多功能小型數控車系統和HNC 1S高速珩縫機數控系統等。

華中2000型數控系統是在HNC 1型數控系統的基礎上開發的高檔數控系統。該系統采用通用工業PC，TFT真彩液晶顯示，具有多軸多通道控制功能和內裝式PC，可與多種伺服驅動單元配套使用，具有開放性好、結構緊湊、集成度高、性價比高和操作維護方便等優點。同樣，它也有系列派生的數控系統，如HNC 2000M、HNC 2000T、HNC 2000Y、HNC 2000L、HNC 2000G等。

6. 按數控系統的功能水平分類

按數控系統的功能水平不同，數控機床可分為低、中、高3檔。低、中、高檔的界線是相對的，不同時期的劃分標準有所不同。就目前的發展水平來看，數控系統可以根據表1.2所示的功能和指標劃分。其中，中、高檔一般稱為全功能數控或標準型數控。在我國還有“經濟型數控”的提法。經濟型數控屬于低檔數控，是由單片機和步進電動機組成的數控系統，或是指其他功能簡單、價格低的數控系統。經濟型數控系統主要用于車床、線切割機床以及舊機床改造等。

四、數控機床加工的特點及應用

1. 數控機床加工的特點

與普通機床加工相比，數控機床加工具有以下特點。

（1）可以加工具有復雜型面的工件。在數控機床上加工工件，工件的形狀主要取決于加工程序。因此只要能編寫出程序，無論工件多么復雜，都能加工。例如，采用五軸聯動的數控機床，就能加工螺旋槳的復雜空間曲面。

（2）加工精度高、質量穩定。數控機床本身的精度比普通機床高，一般數控機床的定位精度為±0.01mm，重復定位精度為±0.005mm；在加工過程中操作人員不參與操作，因此工件的加工精度全部由數控機床保證，消除了操作者的人為誤差；又因為數控加工采用工序集中方式，減少了工件多次裝夾對加工精度的影響，所以工件的精度高、尺寸一致性好、質量穩定。

（3）生產率高。數控機床可有效減少工件的加工時間和輔助時間。數控機床主軸轉速和進給量的調節范圍大，允許機床進行大切削量的強力切削，從而有效節省了加工時間。數控機床移動部件在定位中均采用了加速和減速措施，并可選用很高的空行程運動速度，縮短了定位和非切削時間。對于復雜的工件，可以采用計算機自動編程，而工件又往往安裝在簡單的定位夾緊裝置中，從而加速了生產準備過程。尤其在使用加工中心時，工件只需一次裝夾就能完成多道工序的連續加工，減少了半成品的周轉時間，生產率的提高更為明顯。此外，數控機床能進行重復性操作，尺寸一致性好，降低了次品率，節省了檢驗時間。

（4）改善勞動條件。使用數控機床加工工件時，操作者的主要任務是編輯程序、輸入程序、裝卸零件、準備刀具、觀測加工狀態、檢驗零件等，勞動強度大大降低，勞動形式趨于智力型。另外，機床一般是封閉式加工，既清潔，又安全。

（5）有利于生產管理現代化。使用數控機床加工工件，可預先精確估算出工件的加工時間，所使用的刀具、夾具可進行規范化、現代化管理。數控機床使用數字信號與標準代碼作為控制信息，易于實現加工信息的標準化，目前已與計算機輔助設計與制造（CAD/CAM）有機結合起來，是現代集成制造技術的基礎。

2. 數控機床的適用范圍

從數控機床加工的特點可以看出，數控機床加工的主要對象如下。

① 多品種、單件小批量生產的零件或新產品試制中的零件。

② 幾何形狀復雜的零件。

③ 精度及表面粗糙度要求高的零件。

④ 加工過程中需要進行多工序加工的零件。

⑤ 用普通機床加工時，需要昂貴工裝設備（工具、夾具和模具）的零件。

各種機床的使用范圍如圖1.15所示。圖中橫軸代表零件的復雜程度，縱軸代表每批的生產件數。由圖1.15可以看出數控機床的使用范圍很廣。

圖1.16為在各種機床上加工零件時，零件批量和綜合費用的關系。

五、先進制造技術

21世紀，人類已邁入了一個知識經濟快速發展的時代，傳統的制造技術和制造模式正發生質的飛躍，先進制造技術在制造業中正逐步被應用，并推動著制造業的發展。

近年來，正逐步推廣應用的先進制造技術有快速原型法、虛擬制造技術、柔性制造單元和柔性制造系統等。

1. 快速原型法

快速原型法（又稱快速成型法）是國外20世紀80年代中后期發展起來的一種新技術，它與虛擬制造技術一起，被稱為未來制造業的兩大支柱技術。

（1）快速原型法基本原理

快速原型法是綜合運用CAD技術、數控技術、激光加工技術和材料技術，實現從零件設計到三維實體原型制造一體化的系統技術。它采用軟件離散化——材料堆積的原理實現零件的成型，如圖1.17所示。

其具體過程如下。

① 采用CAD軟件設計出零件的三維曲面或實體模型。

② 根據工藝要求，按照一定的厚度在某坐標方向，如Z方向，對生成的CAD模型進行切面分層，生成各個截面的二維平面信息。

③ 對層面信息進行工藝處理，選擇加工參數，系統自動生成刀具移動軌跡和數控加工代碼。

④ 對加工過程進行仿真，確認數控代碼的正確性。

⑤ 利用數控裝置精確控制激光束或其他工具的運動，在當前工作層（二維）上采用輪廓掃描加工出適當的截面形狀。

⑥ 鋪上一層新的成型材料，進行下一次加工，直至整個零件加工完畢。

可以看出，快速成型過程是由三維轉換成二維（軟件離散化），再由二維到三維（材料堆積）的工作過程。

快速原型法不僅可用于原始設計中快速生成零件實物，也可用來快速復制實物（包括放大、縮小、修改）。

（2）快速原型技術的主要工藝方法

① 光固化立體成型制造法。光固化立體成型制造法（LSL法）是以各類樹脂為成型材料、以氦鎘激光器為能源、以樹脂受熱固化為特征的快速成型方法。

② 實體分層制造法。實體分層制造法（LOM法）以片材（如紙片、塑料薄膜或復合材料）為材料，首先以CO2激光器為能源，用激光束切割片材的邊界，形成某一層的輪廓，然后利用加熱、加壓的方法粘接各層，最后形成零件的形狀。該方法取材廣泛，成本低。

③ 選擇性激光燒結制造法。選擇性激光燒結制造法（SLS法）是以各種粉末（金屬、陶瓷、蠟粉、塑料等）為材料，利用滾子鋪粉，用CO2高功率激光器對粉末進行加熱直到燒結成塊的制造方法。利用該方法可以加工出能直接使用的金屬件。

④ 熔融沉積制造法。熔融沉積制造法（FDM法）以蠟絲為原料，利用電加熱方式將蠟絲熔化成蠟液，蠟液由噴嘴噴到指定的位置固定，一層層地加工出零件。該方法污染小，材料可以回收。

（3）快速原型法的特點

① 適合于形狀復雜、不規則零件的加工。

② 減少了對熟練技術工人的需求。

③ 沒有或極少產生下腳料，是一種環保的制造技術。

④ 成功地解決了CAD中三維造型“看得見，摸不著”的問題。

⑤ 系統柔性高，只需修改CAD模型就可生成不同形狀的零件。

⑥ 技術集成，設計制造一體化。

⑦ 具有廣泛的材料適應性。

⑧ 不需要專門的工裝夾具和模具，極大地縮短了新產品的試制時間。

因此，快速原型法主要適用于新產品的開發、快速單件及小批量零件的制造、形狀復雜零件的制造、模具的設計與制造以及難加工材料零件的加工制造。

2. 虛擬制造技術

虛擬制造是以計算機支持的仿真技術和虛擬現實技術為前提，對企業的全部生產、經營活動進行建模，并在計算機上“虛擬”地運行產品設計、加工制造、計劃制定、生產調度、經營管理、成本財務管理、質量管理，甚至包括市場營銷等在內的企業全部功能，在求得系統的最佳運行參數后，再據此實現企業的物理運營。

虛擬制造包括設計過程仿真、加工過程仿真。虛擬制造的關鍵是系統的建模技術，它將現實物理系統映射為計算機環境下的虛擬物理系統，將現實信息系統映射為計算機環境下的虛擬信息系統。計算機環境下的虛擬物理系統與虛擬信息系統組成虛擬制造系統。虛擬制造系統不消耗能源和其他資源（計算機耗電除外），所進行的過程是虛擬過程，所生產的產品是可視的虛擬產品或數字產品。

虛擬制造系統的體系結構如圖1.18所示。

由圖1.18可知，通過系統建模工具，首先將現實物理系統和現實信息系統映射為計算機環境下的虛擬物理系統和虛擬信息系統，然后利用仿真機和虛擬現實系統進行設計及結果仿真、工藝過程仿真和企業運行狀態仿真，最后得到的產品是滿足用戶要求的高質量數字產品和企業運行的最佳參數，據此最佳參數調整企業的運營過程，使其始終處于最佳運營狀態，從而生產出高質量的物理產品投放市場。

3. 柔性制造系統

柔性制造系統（FMS）一般由加工系統、物流系統、信息流控制系統和輔助系統組成，如圖1.19所示。

（1）加工系統。加工系統主要由加工中心等設備組成。加工系統的功能是以任意順序自動加工各種工件，并能自動更換工件和刀具。

（2）物流系統。物流是FMS中物料流動的總稱。在FMS中流動的物料主要有工件、刀具、夾具、切屑及切削液。物流系統是從FMS的進口到出口，實現對這些物料的自動識別、存儲、分配、輸送、交換和管理功能的系統。它包括自動運輸小車、立體倉庫、中央刀庫等，主要完成刀具、工件的存儲和運輸。

（3）信息流控制系統。信息流控制系統是實現FMS加工過程和物料流動過程的控制、協調、調度、監測及管理的系統。它由計算機、工業控制機、可編程控制器、通信網絡、數據庫和相應的控制和管理軟件等組成，它是FMS的神經中樞和命脈，也是各子系統之間的聯系紐帶。

（4）輔助系統。輔助系統包括清洗工作站、檢驗工作站、排屑設備和去毛刺設備等。這些工作站和設備均在FMS控制器的控制下與加工系統、物流系統協調地工作，共同實現FMS的功能。

FMS適于加工形狀復雜、精度適中、批量中等的零件。因為柔性制造系統中的所有設備均由計算機控制，所以改變加工對象時，只需改變控制程序即可，這使得系統的柔性很大，特別能適應市場動態多變的需求。

4. 柔性制造單元

柔性制造單元（FMC）可以被認為是小型的FMS，它通常包括1～2臺加工中心，再配以托盤庫、自動托盤交換裝置和小型刀庫。圖1.20為典型的柔性制造單元。

因為FMC比FMS的復雜程度低、規模小、投資少，同時FMC還便于連成功能可以擴展的FMS，所以FMC是一種很有前途的自動化制造形式。

5. 計算機集成制造系統

計算機集成制造系統（Computer Intergrated Manufacturing System，CIMS）是以數控機床為基本單元的制造系統。它綜合利用了CAD、CAE、CAPP、CAM、FMS及工廠自動化系統，實現了無人管理的機械加工。

CIMS具有智能自動化的特征，是高技術密集化的成果，是管理科學、系統工程、信息技術和制造技術的綜合。CIMS是人們用新的概念和方法來經營和指導工廠的一種探索，力圖對傳統的制造業進行全面的技術改造，力求形成從市場調研、資源利用、生產決策、產品設計、工藝設計、制造和控制到經營和銷售的良性循環，以提高機械制造業的經濟效益和在多變的市場環境中的競爭力。數控技術是CIMS的基礎技術之一，同時，CIMS也對數控技術提出了新的要求，要求開發面向CIMS的新一代CNC——機器人控制器（RC）、要求開發單元控制器技術以及面向CIMS的數控工作站等。

CIMS的構成可分為以下幾個部分。

（1）設計過程。設計過程主要包括CAD、CAE、CAPP、CAM等環節。CAD設計包含設計過程中各個環節的數據，包括管理數據和檢測數據，還包括產品設計開發的專家系統及設計中的仿真軟件等。CAE的主要作用是對零件的機械應力、熱應力等進行有限元分析及優化設計等。CAPP是根據CAD的數據自動制定合理的加工工藝過程。CAM能根據CAD模型按CAPP要求生成刀具軌跡文件，并經后置處理轉換成NC代碼。CIMS中最基本的是CAD/CAE/CAPP/CAM集成。

（2）加工制造過程。加工制造過程主要包括加工設備（數控機床）、工件搬運工具及自動倉庫、檢測設備、工具管理單元、裝配單元等。

（3）計算機輔助生產管理。主要包括制定年、月、日、周的生產計劃，生產能力平衡以及進行財務、倉庫等各種管理，確定經營方向（包括市場預測及制定長期發展戰略計劃）。

（4）集成方法及技術。系統的集成方法必須以先進理論為指導，如系統理論、成組技術、集成技術、計算機網絡等。

CIMS的車間布局如圖1.21所示。

六、本課程的學習方法

1. 課程設置目的

本課程是一門以零件的數控編程為主線的專業技術基礎課，教學內容是機械類各專業進行數控機床編程與仿真操作，采用理論實訓一體化教學方式，課程設置的主要目的如下。

① 使學生對零件的數控編程有完整的認識，建立對數控機床操作的感性認識，為后續的數控加工實訓打下一定的基礎。

② 培養學生適應高職課程的學習方式，提高自學能力、動手能力及查閱資料的能力。

③ 使學生了解先進制造技術及其發展方向，開闊視野，培養專業興趣。

2. 本課程的學習方法

本課程將傳統的課堂教學模式改為以學生為主體、以技能訓練為核心的教學模式，利用案例、多媒體教學、錄像、實例演示、現場教學等手段進行教學，建議學生按下述步驟進行該課程的學習。

① 本課程分為17個任務，由于涉及的知識面比較廣，因此學習每個任務之前，應結合任務的學習目標，根據案例自學相關知識。

② 本課程的實踐性強，要求學生在教師引導下，獨立完成每個任務的實訓內容并寫出實訓報告。

③ 以每個任務后面的自測題為參考，檢測自己的學習情況。

④ 分組討論、互相交流，加深對問題的認識。

⑤ 充分利用互聯網提供的豐富資源了解數控技術的新知識、新動向。以下是互聯網中與數控加工技術、數控刀具相關的網站。

（a）中國數控在線網站。

（b）瑞典山特維克可樂滿刀具公司網站。

（c）成都英格數控刀具模具有限公司網站。

（d）中國刃具網站。

任務實施

到數控加工實訓室參觀各類數控設備，了解其結構及其加工零件的特征，并建議在互聯網上查詢與數控機床相關的資料，完成表1.1的內容。

實訓內容

到圖書館、閱覽室了解機械及數控加工等方面有哪些書籍及雜志，上網查詢數控機床的最新動向和技術。

自測題

1. 選擇題（請將正確答案的序號填寫在題中的括號中，每題4分，滿分40分）

（1）數控機床是采用數字化信號對機床的（　）進行控制。

（A）運動
（B）加工過程
（C）運動和加工過程
（D）無正確答案

（2）不適合采用數控機床進行加工的工件是（　）。

（A）周期性重復投產
（B）多品種、小批量
（C）單品種、大批量
（D）結構比較復雜

（3）加工精度高、（　）、自動化程度高、勞動強度低、生產效率高等是數控機床加工的特點。

（A）加工輪廓簡單、生產批量又特別大的零件
（B）對加工對象的適應性強
（C）裝夾困難或必須依靠人工找正、定位才能保證其加工精度的單件零件
（D）適于加工余量特別大、材質及余量都不均勻的坯件

（4）數控機床中把脈沖信號轉換成機床移動部件運動的組成部分稱為（　）。

（A）控制介質
（B）數控裝置
（C）伺服系統
（D）機床本體

（5）數控機床的核心部分是（　）。

（A）輸入裝置
（B）數控裝置
（C）伺服裝置
（D）機電接口電路

（6）世界上第1臺三坐標數控銑床是（　）年研制出來的。

（A）1930
（B）1947
（C）1952
（D）1958

（7）普通數控機床與加工中心比較，錯誤的說法是（　）。

（A）能加工復雜零件
（B）加工精度都較高
（C）都有刀庫
（D）加工中心比普通數控機床的加工效率更高

（8）加工中心最突出的特點是（　）。

（A）工序集中
（B）對加工對象適應性強
（C）加工精度高
（D）加工生產率高

（9）數控銑床增加了一個數控轉盤以后，就可實現（　）。

（A）三軸加工
（B）四軸加工
（C）五軸加工
（D）六軸加工

（10）（　）與虛擬制造技術一起，被稱為未來制造業的兩大支柱技術。

（A）數控技術
（B）快速成型法
（C）柔性制造系統
（D）柔性制造單元

2. 判斷題（請將判斷結果填入括號中，正確的填“√”，錯誤的填“×”，每題4分，滿分32分）

（　）（1）半閉環、閉環數控機床帶有檢測反饋裝置。

（　）（2）數控機床伺服系統包括主軸伺服系統和進給伺服系統。

（　）（3）目前數控機床只有數控銑、數控磨、數控車、電加工等幾種。

（　）（4）數控機床工作時，數控裝置發出的控制信號可直接驅動各軸的伺服電動機。

（　）（5）數控銑床的控制軸數與聯動軸數相同。

（　）（6）對于裝夾困難或完全由找正、定位來保證加工精度的零件，不適合于在數控機床上生產。

（　）（7）臥式加工中心是指主軸軸線垂直設置的加工中心。

（　）（8）FMC是柔性制造系統的簡稱。

3. 簡答題（每題7分，滿分28分）

（1）什么是數控、數控機床？

（2）與傳統機械加工方法相比，數控加工有哪些特點？

（3）數控車床和數控銑床的切削運動有何區別？

（4）數控加工的主要對象是什么？