(完整版)先进制造技术(英文版第三版)唐一平,第五章翻译.doc

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5 数控
数控（ NC）是一种控制运动
的方法
通过直接插入代码指令的机
器部件，以数字和字母，进
入系统。系统自动解释这些
数据并将其转换成输出信
号。这些信号，反过来，控
制各种
例如机器的部件，通过旋转
主轴和关闭，改变工具，移
动工件或工具沿着特定路
径，或转向切削液的开和关。
为了感谢机床数字控制的重
要性，
让我们简要回顾一个过程如
何如工历来是开展。在研究
一部分的工作图纸，操作员
设置合适的工艺参数（如切
削速度，切削深度进给，
切削液，等等），确定加工操
作顺序
要执行，夹在工件夹具的工
件（如
卡盘或夹头），并与部分的收
益。
根据零件的形状和规定的尺
寸精度，这方法需要熟练的
操作人员。后面的加工过程
可能依赖于特定的操作；由
于人类的可能性错误，甚至
部分由同一操作者产生可能
不完全相同。
零件的质量，因此，依赖于
特定的操作或（甚至同一运
营商）在一周或一天的时间
一天。因为增加关注提高产
品质量和降低制造成本，这
种变异（和对产品质量的影
响）不再可接受的。这种情
况可以通过数值控制消除
加工操作。
数值控制的重要性可以通过
进一步的说明下面的例子。
假设几个孔被钻的一部分图
5 所示位置。 1。
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在加工这部分传统手工方
法，操作者
位置钻头相对于工件，使用
参考点
通过三种方法显示在图中给
出。然后操作员进行钻孔。
让我们先假设 100 个部分，
都有形状和尺寸精度的同
时，也要钻。显然，这操作
将是乏味的，因为操作者必
须经过相同的动作反复。此
外，概率高，各种原因，一
些零件加工将与众不同。
现在让我们假设这个生产运
行过程中，这些组成部分的
顺序是改变了，和十的部分
现在需要不同位置的孔。的
机械师现在必须重新定位工
作台；此操作将时间消费是
错误的。
这样的操作可以由数控机床
很容易进行能够生产部分多
次准确地处理
不同的部分（通过加载不同
的部分程序，将描述后） 。
在数值控制操作下，有关的
所有方面的数据加工操作，
如位置，速度，饲料，和切
削液，可以存储在磁性介质
上，随着时间变化从磁带到
硬盘。的
数控控制概念，具体信息可
以向这些
存储设备到机床的控制面
板。

对输入信息的基础上，继电
器和其他设备（硬

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控制）可以采用以获得所需
的机器设置。复杂操作（如
将有不同的轮廓，在一部分
或开模铣床）可以很容易地
进行。

数控已经对制造业各方面的
重大影响操作。数控机床是
现在广泛使用的小中量生产
（通常是 500 件或更少）的
各种各样的部分，在小商店
和大型制造设施。老的机器
通常可以加装数控。


5.1 历史

在数值控制的基本概念，显
然是实现

在 19 世纪早期，当穿孔金属
板卡被用来自动控制织机的
动作。针由感应卡中孔的存
在或不存在的活性。这发明
后自动钢琴（钢琴） ，其中钥
匙是由流动的空气通过孔活
性在穿孔辊穿孔纸。


对数控机床的运动原理最初
设想是在 40 年代由美国人在
他企图机复杂的直升机桨
叶。第一个原型数控机床建
于 1952 在麻省理工学院。 这
是一个垂直轴，两轴仿形铣
床加装伺服电机，和加工执
行的操作包括端铣和面铣上
厚厚的一层铝合金板数值数
据被输入进纸带生成的数字
计算机，另一种是在相同的
开发时间在麻省理工学院。
在实验中， 部分被加工成功，
准确，并多次在没有操作员
干预。此成功的基础上，对
机床工具行业开始设计，建
设，销售数控机床工具。后
来，这些机器都配备了计算
机数值控制 （ CNC）产生了更
大的灵活性，准确性，通用
性强，易于操作。

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5.2 计算机数字控制

在数控发展的下一个步骤，
控制

硬件（安装在数控机床上）
转换到本地计算机用软件控
制。两种类型的计算机系统
被开发出来： 直接数值控制，
和计算机数值控制。
在直接数字控制（ DNC），最
初的设想和在上世纪 60 年
代，几台机器的直接控制，
一步一步，由一个中央计算
机主机。在这个系统中，运
营商已经进入中央计算机通
过远程终端。这样，录音带
的处理在每台机器上的一个
单独的计算机需要被淘汰。
随着

DNC，所有机器在制造设备的
状态监测从中央计算机评
估。然而，有一个关键的 DNC
缺点：如果计算机关闭时，
所有的机器都不起作用。
DNC 最近的定义（现在意义
的分布式计算控制）包括中
央计算机作为控制系统中的
应用在一些个人电脑数值控
制机器车载微机。该系统提
供了大量的内存和计算能
力，提供了灵活性，同时克
服直接的缺点数值控制。
计算机数控 （ CNC）是一个系
统的控制微型计算机是一台
机器或设备的一个组成部分
（车载电脑）。该项目的一部
分，可以通过远程站点的准
备
程序员，它可能包含了制图
信息
软件包和加工模拟，为了确
保
部分程序的 bug。机器操作员
可以，但是，容易和手动程
序计算机。操作员可以修改
程序直接，准备不同的零件
程序，并将程序。由于利用
小型计算机有一个大的内
存，
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微处理器（ S），和程序的编
辑功能，数控系统广泛今天
使用的。低成本可编程控制
器的可用性也起到了在数控
制造厂成功实施的重要作
用。
在传统的数控系统数控机床
的一些优点如下：
（ 1）增加刀灵活性的机器可
以产生一个特定的部分，然
后
其他不同形状的零件，以降
低成本。
（ 2）高精度电脑具有较高的
采样率和更快的
操作。
（ 3）多样化的编辑和调试程
序，编程，
策划和印刷部分的形状是简
单的。
数控机床的 5.3 项原则的基
本元素，一个典型的数控机
床操作显示图。在数值控制
功能元件和组件
包括以下。
（ 1）数据输入：数字信息的
读取和存储在磁带
读者或在计算机内存。
（ 2）数据处理：程序读入机
控制单元
处理。
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（ 3）数据欧印 UT：这个信
息翻译成命令（通常
脉冲命令）给伺服电机
（ fig.5.3 ）。然后移动的伺服
电机
表（即工件安装）的特定位
置，通过线性或旋转运动，
由步进电机，丝杠，等类似
的装置。
控制电路的类型。数控机床
可以控制通过两类型：开环
和闭环电路。 在开环系统
（ fig.5.3（一）），信号通过
控
制器发送给伺服电机，但运
动和工作台的最终位置不检
查的准确性。
闭环系统（ fig.5.3（ B））配
备
各种传感器，传感器和计数
器，精确测量工作台的位置。
通过反馈控制，工作台的位
置比较信号。 表运动终止时，
适当的坐标达到。闭环系统
是更复杂和更昂贵开环系
统。数控机床中的位置测量
可以通过直接或间接的方
法。直接测量系统，传感装
置读取
刻度尺在机台或滑直线运动
（ fig.5.4（一））。本系统是
更
准确，因为规模建成
机，和间隙（相邻两啮合齿
轮齿之间的游戏）
机制不显著
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在间接测量系统，旋转编码
器或解析器（图 5.4 （ b）。
中（ C））转换成旋转运动的
平移运动。在这个系统中，




侧隙可显著影响测量精度。


位置反馈


机制，利用各种传感器，主


要是根据磁


光电原理。


5.4

种类型的控制系统
有数控控制系统的两个基本


类型：


点对点和轮廓。


（ 1）在一个点对点的系
统，也被称为定位，对各轴

机分别被丝杠驱动，一个氏


取决于类型的


以不同的速度运行。该机最


初在最大


速度以减少非生产时间，但


在刀具


方法数据定义的位置。 因此，
在一个操作钻床等

（或打孔），定位和切割发生


顺序


（ fig.5.5（一））。在钻或冲
孔缩回，工具上

迅速移动到另一个位置，并


重复上述操作。路径


从一个位置到另一个是重要
的只有一点：它必须是

选择减少旅行时间，提高效
率。点对点系统

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主要用于钻孔，冲孔，直铣


操作。


（ 2）在一个轮廓系统（也
被称为连续路径系统） ，其
定位和操作都沿着指定的路
径，但在进行



不同的速度。因为这个工具
是它沿着规定的路径

（ fig.5.5 （B）），运动和速
度的精确控制和同步

是重要的。轮廓系统通常用
于车床，铣床

机，研磨机，焊接机械，加


工中心。


插值。沿路径运动（插值）


发生


一个增量的几种基本方法


（ fig.5.6）。实际的例子路
径钻，镗，铣操作示于图
5.7 冲压。在所有的


插值，路径控制，刀具的旋
转中心。

对于不同类型的刀具补偿，


对不同直径的工具，或


在加工过程中，可以在数控
程序的刀具磨损。

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（一）线性插值，从开始到


结束在一条直线上移动的工


具（

fig.5.6（一）），在两或三
轴。理论上，所有类型的配


置文件，可以用这种方法生


产的，做点小的增量（

fig.5.6
（ B））。然而，大量的数
据必须经过处理才能。

（

b ）在圆 弧插 补（ fig.5.6
（ C）），为路径所需要的
输入是结束点的坐标，对 圆
心和半径的坐标，并沿圆弧
方向的工具。

（ c）在抛物线插值法和三次

插值，路径近似曲线的数学

方程，利用高阶。这种方法

是有效的，是特别有用的五

轴机床开模操作板汽车体形

成。这些方法也可用于工业

机器人的运动。

5.5

精度的数值控制
数控机床中的定位准确度被

定义为机器可以定位到某一

坐标系统。数控机床通常有

至少

3±| 微米定位精度
（ 0.0001。）。

重复性（重复动作的位置一
致性
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该机在相同的操作条件下）
通常在± 8nm（0.0003。）。分
辨率（机器的各部件运动的
最小增量）通常是 2.5（。 IM
（ 0.0001。）。
机床的刚度及其在齿轮和丝
杠的间隙尺寸精度的重要。
虽然在旧机器，反弹已与特
殊化妆电路消除间隙（即工
具总是接近工件上的特定位
置，从同一方向），在现代机
械间隙采用预加载滚珠丝杠
消除。同时，指挥信号的快
速响应要求，摩擦和惯性被
最小化，例如，通过减少机
器的运动部件的质量。
5.6 数控的优点和局限性
数值控制具有以下传统机床
控制方式相比的优点：
操作灵活性提高，以及能够
产生具有良好的尺寸精度，
形状复杂的重复性好，减少
废品损失，生产速率高，生
产效率高，产品质量高。
模具成本降低，因为不需要
模板和其他装置。
机器的调整是很容易的与微
机和数字读数。
更多的操作间可以进行的设
置，和设置时间和加工少，
相比传统的方法。此外，便
利的设计变更， 并减少库存。
编写程序可以迅速，他们可
以随时调用， 利用微处理器。
少工作涉及。
快速原型制作是可能的（见
10 节）。
操作人员的技能要求是小于
一个合格的机械师，和运营
商有更多的时间去工作区的
其他任务。
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NC的主要限制是设备相关的
高初始成本，程序和计算机
时间的需要和成本，以及特
殊的维护，需要训练有素的
人员。由于数控机床是复杂
的系统， 故障可以是昂贵的，
所以预防性保养是必不可少
的。然而，这些限制往往容
易受到整体经济优势的数
控。
5.7 编程数控
一个数控程序由一个序列的
方向，使数控机床进行操作，
加工是最常见的过程。数控
编程可以由内部编程部门完
成的，是在车间完成的，或
是从外部购买。
该计划包含了指示和命令。
几何指令涉及到刀具与工件
之间的相对运动。处理指令
关注的主轴转速，进给，切
削刀具，切削液，所以 on.111
旅行指令涉及到插值型和对
刀具或工作台的运动速度。
开关指示关注 关闭冷却剂
的位置，方向或主轴旋转，
工具的变化，工件进给，夹
紧的缺乏，等等。
手工编程包括首先计算刀
具，工件的尺寸关系，工作
台，对部分工程图纸的基础
上（包括 CAD），制造业要执
行的操作， 以及它们的顺序。
然后准备节目单，详细介绍
了必要的信息来进行具体的
操作。该项目的一部分，然
后在这些信息的基础上制
备。


手工编程可以通过人的知识
geable 关于特定的制造工艺
和能够理解，阅读，并改变
部分项目。因为他们熟悉机
床和工艺能力，熟练的机械
师能（有一些培训规划）也
做手工编程。然而，涉及的
工作是乏味的，
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费时，又不经济；因此，手
工编程大多采用简单的点对
点应用。
计算机辅助编程涉及特殊符
号编程语言，确定角点的坐
标，边缘，和表面的部分。
编程语言是与计算机进行通
信的一种手段；它涉及到使
用象征性符号。程序员描述
这种语言被加工的零件，和
计算机化的描述命令为数控
机床。
几种语言，具有不同的功能
和应用，是市售的。使用类
似英语的语句的第一语言
（称为 APT，自动编程工具）
是在上世纪 50 年代后期发展
起来的。这种语言，在其各
种扩展形式，仍然是最广泛
使用的点对点和连续路径编
程。
复杂零件加工使用基于图形
的现在，计算机辅助加工程
序。一个刀具路径在图形环
境，类似于 CAD 程序主要创
建。本机代码（显示）是由
程序自动生成。
生产之前，应验证的程序，
可以通过观看模拟监视器上
或用廉价的材料制作的部分
过程（如铝，木材，蜡，或
塑料），而不是为完成部分指
定的实际材料。
计算机辅助编程具有如下优
点超过手工方法：
（ 1）使用符号语言（几个程
序现在可）。
（ 2）减少编程时间。编程是
能够容纳大量的机械特性和
过程变量有关的数据，如功
率，转速，进给，刀具形状，
刀具形状补偿变化由于刀具
磨损，变形，和冷却液的使
用。
（ 3）减少人为错误的可能
性，可以手工编程中出现。
（ 4）查看加工顺序在屏幕上
进行调试的能力。
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（ 5）简单的转换能力，要么
加工序列或从一台机器到另
一个。
（ 6）较低的成本，因为减少
编程时间。
使用的编程语言（编译器）
高质量不仅结果也允许加工
指令的快速发展。此外，模
拟可以运行在远程计算机终
端，确保项目预期的功能。
这种方法可避免昂贵的机器
调试 procedures.121 职业
特定 NC 编程语言的选择主
要取决于以下几个因素：
（ 1）在制造工厂的人员的专
业水平。
（ 2）复杂的部分。
（ 3）型设备和电脑可用。
（ 4）时间和参与规划成本。
5.8 加工中心
加工中心被定义为多功能数
控机床自动换刀功能和旋转
工具杂志。因为他们在上世
纪 50 年代后期的介绍， 他们
已成为最常见的切割机。提

高生产力和多样性是加工中
心的主要优点。能力进行钻
孔，车削，铣削，钻孔，扩
孔，轮廓，和线程操作一台
机器上消除多个机床的需
要，从而降低资本设备和劳
动力需求。一个相对不熟练
的操作员可以经常参加两个
加工中心，有时更。大多数
工件可在一个单一的加工中
心完成，往往与一个安装程
序。
额外的储蓄导致减少物料搬
运成本，夹具，和空间需求。
大量的时间花在机器移动工
作机保存，和吞吐量是多
faster.131 也，在制品库存，
由通常出现在几台机器工件
打滑表示，在只有一个机器
工作取代。
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大多数加工中心保持密切
的，不断重复的公差，从而
获得更高质量的零件，以及
降低检验成本和报废。特别
是，加工特征对工件几个面
关系更容易保持在公差。从
一个工件的生产切换到另一
个可以很快完成。
实际加工时，加工中心可以
比单用更好的两次或更多
次，手动操作机床。从 300%
到 500%或更多的人在每小时
生产率提高的估计，特别是
在需要很多工具和频繁转换
的应用。
而加工中心比其他许多机床
较高的初始成本，每年的投
资收益一直保守估计约 30%。
小，紧凑车型现在可以让这
些机器适用甚至小商店工
作。精度可以保持和机器的
可靠性和控制的不断完善。
fig-5.8 是两个不同的加工中
心（ MC）的说明。
类型，结构，和执行的操作
加工中心，车削中心一样，
分为垂直或水平。立式加工
中心继续被广泛接受和使
用，主要用于平板部分和三
轴加工的地方是在一个单独
的部分的脸如模具工作要
求。卧式加工中心
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也得到了广泛的认可和应
用，尤其是大型和重型零件，
方方正正的，因为它们本身
容易和方便的托盘传送时使
用的一个单元或柔性制造系
统的应用。优势和立式加工
中心、卧式加工中心的缺点，
可以看到在图在 fig.5.9 。
通用加工中心最近的事态发
展，并配备有立式和卧式主
轴。他们有不同的特点，能
加工工件的所有表面。
加工中心的创新和发展带来
了以下改进：
?提高灵活性和可靠性。
?增加饲料，速度，和整体的
机械结构和刚度。
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降低负载，更换刀具等非切
削时间。
?大 mclj（机器控制单元）能
力和兼容性
系统。
?减少操作人员的介入。
?改进安全特性、低噪音。
这些改进，通过提高生产力
的要求和机床供应商之间的
激烈竞争下，造成了一部分
饥饿的机床能机工件严格公
差的精确和一致的。
主轴头的改进先进的容纳五
分之一轴（及以上）的运动，
大大提高了加工中心的通用
性。重点对新设计的俯仰和
横滚运动的主轴头的权利。
运动的附加轴是有必要的，
特别是在较大的加工中心，
在工件不易移动，工具必须
倾斜和转向机固定阻尼部
分。但主轴头移动超过三个
主轴也是小的工件越来越受
欢迎。部分以前加工几个设
置 RAM 型万能铣床移动超过
小型加工中心可以完成一部
分设置。
一些机床厂商现在提供水平
垂直轴。这些在外观上右角
的主轴附件一直都可以通过
90 度改变主轴定位相似。机
器如这些继续获得接受和突
出因为他们减少非价值增值
的设置和工件装卸时间和增
加附加值的芯片制造时间。
总的来说，有增加更多的功
能比其他加工在主轴旋转一
个明显的趋势是。 这意味着，
头一般电弧越来越复杂。
特性要求的现代高性能刀具
材料加工中心主轴运转精
度，包括刚度，轴向承载能
力，热稳定性，和热
expansion.141 然而最重要的
是轴向自由度， 要求是速度。
在某些情况下，主轴转速已
达到 10000 到 60000 转的范
围内，根据
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制造商和应用要求。
今天的定义，一个加工中心
必须包括一个自动换刀装
置。刀库和换刀机构不同的
多元化的机床供应商之间，
为一些前，侧，或顶部安装。
有工具的优势储存远离工作
主轴包括飞屑，少污染和操
作者在加工过程中更换工具
更好的保护。 双端， 180 度
分
度的手臂仍然是最流行的方
法，虽然各种工具的夹紧，
夹紧机构将不同的建筑设
计。
更多的刀具是现代加工中心
所需的工具，这意味着更多
的存储容量要求。细胞与系
统要求的备份工具可在线更
换刀具破损或磨损的工具之
前，它的加工要求。工具存
放在加工中心适合个人的口
袋机床杂志或工具矩阵。口
袋设计不同，从简单的孔切
割成圆盘状的旋转木马单独
加工，组装成链口袋连通塑
料口袋。
随机和顺序选刀用于加工中
心，虽然随机性是迄今为止
用于现代加工中心最主要的
类型。随机工具是指选择任
何工具从机床矩阵在任何时
间的能力。先进的机床和控
制能力，切割工具可以选择，
以任何顺序， 超过一次使用，
和放置在不同的口袋，他们

最初的选择，与数控装置会

记住他们的新位置。