任务1 认识数控机床

任务导入

根据表1.1所示的机床外形写出数控机床的名称、应用范围及1～2种常见的机床型号。

知识准备

一、数控机床的产生与发展趋势

1. 数控机床的产生

20世纪40年代以来，随着航空航天技术的飞速发展，各种飞行器对机械加工提出了更高的要求。飞行器的零件大多形状非常复杂，材料多为难以加工的合金，用传统的机床和工艺方法进行加工不能保证精度，也很难提高生产效率。为了解决零件复杂形状表面的加工问题，1952年，美国帕森斯公司和麻省理工学院研制成功了世界上第1台数控机床。半个多世纪以来，数控技术得到了迅猛的发展，加工精度和生产效率不断提高。数控机床的发展至今已经历了2个阶段和6代。

（1）数控（Numerical Control，NC）阶段（1952～1970年）。早期的计算机运算速度低，不能适应机床实时控制的要求，人们只好用数字逻辑电路“搭”成一台机床专用计算机作为数控系统，这就是硬件连接数控，简称数控。随着电子元器件的发展，这个阶段经历了3代，即1952年的第1代——电子管数控机床、1959年的第2代——晶体管数控机床和1965年的第3代——集成电路数控机床。

（2）计算机数控（CNC）阶段（1970年至今）。1970年，通用小型计算机已出现并投入成批生产，人们将它移植过来作为数控系统的核心部件，从此进入计算机数控阶段。这个阶段也经历了3代，即1970年的第4代——小型计算机数控机床、1974年的第5代——微型计算机数控机床和1990年的第6代——基于PC的数控机床。

随着微电子技术和计算机技术的不断发展，数控技术也随之不断更新，发展非常迅速，几乎每5年更新换代一次，其在制造领域的加工优势逐渐体现出来。

2. 数控机床的发展趋势

数控机床的出现不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的发展和应用领域的扩大，它对关系国计民生的一些重要行业（IT、汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。当前世界上数控机床的发展呈现如下趋势。

（1）高速度、高精度化。速度和精度是数控机床的两个重要技术指标，它们直接关系到加工效率和产品质量。当前，数控机床的主轴转速最高可达40 000r/min，最大进给速度达120m/min，最大加速度达3m/s2，定位精度正在向亚微米进军，纳米级五轴联动加工中心已经商品化。

（2）多功能化。一机多能的数控机床可以最大限度地提高设备的利用率。例如，数控加工中心（Machining Center，MC）配有机械手和刀具库，工件一经装夹，数控系统就能控制机床自动更换刀具，连续对工件的各个加工面自动完成铣削、镗削、铰孔、扩孔及攻螺纹等多工序加工，从而避免了多次装夹造成的定位误差，减少了设备台数、工夹具和操作人员，节省了占地面积和辅助时间。为了提高效率，新型数控机床在控制系统和机床结构上也有所改革，例如，采取多系统混合控制方式，用不同的切削方式（车、钻、铣、攻螺纹等）同时加工零件的不同部位等。现代数控系统控制轴多达15轴，同时联动的轴已达到6轴。

（3）智能化。数控机床应用的重要目标是智能化。智能化技术主要体现在以下几个方面。

① 引进自适应控制技术。引进自适应控制（Adaptive Control，AC）技术的目的是要求在随机的加工过程中，通过自动调节加工过程中测得的工作状态、特性，按照给定的评价指标自动校正自身的工作参数，以达到或接近最佳工作状态。通常，数控机床是按照预先编好的程序进行控制的，但随机因素，如毛坯余量和硬度的不均匀、刀具的磨损等难以预测。为了确保质量，势必要在编程时采用较保守的切削用量，从而降低了加工效率。AC系统可自动测量机床主轴转矩、切削力、切削温度、刀具磨损等参数值，并由CPU进行比较运算后，发出修改主轴转速和进给量大小的信号，确保机床处于最佳的切削用量状态，从而在保证质量的条件下使加工成本最低或生产率最高。AC系统主要用于宇航等工业部门特种材料的加工。

② 附加人机会话自动编程功能。建立切削用量专家系统和示教系统，可提高编程效率和降低对编程人员技术水平的要求。

③ 具有设备故障自诊断功能。数控系统出了故障，控制系统能够进行自诊断，并自动采取排除故障的措施，以适应长时间无人操作环境的要求。

（4）小型化。蓬勃发展的机电一体化设备，对数控系统提出了小型化的要求，体积小型化便于将机、电装置合为一体。日本新开发的FS16和FS18都采用了三维安装方法，使电子元器件得以高密度地安装，极大地缩小了系统的占用空间。此外，它们还采用了新型TFT彩色液晶薄型显示器，使数控系统进一步小型化，以便更方便地将它们装到机械设备上。

（5）高可靠性。数控系统造价比较昂贵，用户期望其能发挥最大的投资效益，因此要求设备具有高可靠性。要想提高可靠性，通常可采取以下一些措施。

① 提高线路集成度。采用大规模或超大规模的集成电路、专用芯片及混合式集成电路，可以减少元器件的数量、精简外部连线和降低功耗。

② 建立由设计、试制到生产的一整套质量保证体系。例如，采取防电源干扰，输入/输出光电隔离；使数控系统模块化、通用化及标准化，以便于组织批量生产及维修；在安装、制造时注意严格筛选元器件；对系统可靠性进行全面的检查、考核等。通过这些手段，保证产品质量。

③ 增强故障自诊断功能和保护功能。由于元器件失效、编程错误及人为操作错误等原因，数控机床很可能会出现故障。数控机床一般具有故障自诊断功能，能够对硬件和软件进行故障诊断，自动显示出故障的部位及类型，以便快速排除故障。新型数控机床还具有故障预报、自恢复、监控与保护等功能。例如，有的系统设有刀具破损检测、行程范围保护和断电保护等功能，以避免损坏机床及报废工件。由于采取了各种有效的可靠性措施，现代数控机床的平均无故障时间（MTBF）可达到10 000～36 000h。

二、数控机床的概念及组成

1. 数控机床的基本概念

数控是采用数字化信息对机床的运动及其加工过程进行控制的方法；数控机床（Computer Numerical Controlled Machine Tool）是指装备了计算机数控系统的机床，简称CNC机床。

2. 数控机床加工工件的过程

利用数控机床加工工件的过程如图1.1所示，主要包括以下内容。

① 根据零件加工图样进行工艺分析，确定加工方案、工艺参数和位移数据。

② 用规定的程序代码和格式编写数控加工程序单，或用自动编程软件直接生成数控加工程序文件。

③ 程序的输入或传输。由手工编写的程序，可以通过数控机床的操作面板输入；由编程软件生成的程序，通过计算机的串行通信接口直接传输到数控机床的数控单元，后者也称机床控制单元（MCU）。

④ 将输入或传输到数控单元的加工程序，进行刀具路径模拟、试运行等。

⑤ 通过对机床的正确操作，运行程序，完成工件的加工。

3. 数控机床的组成

数控机床的组成参考微课1.1。数控机床由输入/输出装置、计算机数控装置（简称CNC装置）、伺服系统和机床本体等部分组成，其组成框图如图1.2所示，其中输入/输出装置、CNC装置、伺服系统合起来就是计算机数控系统。

（1）输入/输出装置。在数控机床上加工工件时，首先根据零件图纸上的零件形状、尺寸和技术条件，确定加工工艺，然后编制出加工程序，程序通过输入装置，输送给机床数控系统，机床内存中的数控加工程序可以通过输出装置传出。输入/输出装置是机床与外部设备的接口，常用的输入装置有软盘驱动器、RS-232C串行通信口及MDI方式等。

（2）CNC装置。CNC装置是数控机床的核心，它接收输入装置送来的数字信息，经过控制软件和逻辑电路进行译码、运算和逻辑处理后，将各种指令信息输出给伺服系统，使设备按规定的动作执行。现在的CNC装置通常由一台通用或专用微型计算机构成。

（3）伺服系统。伺服系统是数控机床的执行部分，其作用是把来自CNC装置的脉冲信号转换成机床的运动，使机床工作台精确定位或按规定的轨迹做严格的相对运动，最后加工出符合图纸要求的零件，参考微课1.2。每一个脉冲信号使机床移动部件产生的位移量叫作脉冲当量（也叫最小设定单位），常用的脉冲当量为0.001mm/脉冲。每个进给运动的执行部件都有相应的伺服系统，伺服系统的精度及动态响应决定了数控机床的加工精度、表面质量和生产率。伺服系统一般包括驱动装置和执行机构两大部分，常用的执行机构有步进电动机、直流伺服电动机、交流伺服电动机等，其中直流伺服电动机的结构参考微课1.3，交流伺服电动机的结构参考微课1.4。

（4）机床本体。机床本体是数控机床的机械结构实体，主要包括主运动部件、进给运动部件（如工作台和刀架）、支撑部件（如床身和立柱等），此外还有冷却、润滑、转位部件，如夹紧、换刀机械手等辅助装置，参考微课1.5。与普通机床相比，数控机床在整体布局、外观造型、传动机构、工具系统及操作机构等方面都发生了很大的变化。归纳起来，为了满足数控技术的要求和充分发挥数控机床的特点，主要有以下几个方面的变化。

① 采用高性能主传动及主轴部件，具有传递功率大、刚度高、抗振性好及热变形小等优点。

② 进给传动采用高效传动件，具有传动链短、结构简单、传动精度高等特点，一般采用滚珠丝杠螺母副、直线滚动导轨副等，其中滚珠丝杠螺母副的分类参考微课1.6。

③ 具有完善的刀具自动交换和管理系统。

④ 在加工中心上一般具有工件自动交换、工件夹紧和放松机构。

⑤ 机床本身具有很高的动、静刚度。

⑥ 采用全封闭罩壳。由于数控机床是自动完成加工的，因此为了操作安全等原因，一般采用移动门结构的全封闭罩壳，对机床的加工部件进行全封闭。

半闭环、闭环数控机床还带有检测反馈装置，其作用是对机床的实际运动速度、方向、位移量以及加工状态加以检测，把检测结果转化为电信号反馈给CNC装置。检测反馈装置主要有感应同步器、光栅、光电编码器、磁栅和激光测距仪等。光栅的结构参考微课1.7，光电编码器的工作原理参考微课1.8、微课1.9。

三、数控机床的种类与应用

数控机床的分类方法很多，大致有以下几种。

1. 按工艺用途分类（参考微课1.10）

数控机床是在普通机床的基础上发展起来的，各种类型的数控机床基本上都起源于同类型的普通机床。数控机床按工艺用途大致可分为以下几种。

（1）金属切削类数控机床。指采用车、铣、镗、铰、钻、磨、刨等各种切削工艺的数控机床，包括数控车床、数控钻床、数控铣床、数控磨床、数控镗床以及加工中心等。切削类数控机床发展最早，目前种类繁多，功能差异也较大。这里需要特别强调的是，加工中心也被称为可自动换刀的数控机床。这类数控机床带有一个刀库和自动换刀系统，刀库可容纳16～100把刀具。图1.3和图1.4所示分别是立式加工中心、卧式加工中心的外观图。立式加工中心最适宜加工高度尺寸相对较小的工件，一般情况下，除底部不能加工外，其余5个面都可以用不同的刀具进行轮廓和表面加工。卧式加工中心适宜加工有多个加工面的大型工件或高度尺寸较大的工件。

（2）金属成型类数控机床。指采用挤、冲、压、拉等成型工艺的数控机床，包括数控折弯机、数控组合冲床、数控弯管机及数控压力机等。这类机床起步晚，但目前发展很快。

（3）数控特种加工机床。如数控线切割机床、数控电火花加工机床、数控火焰切割机床及数控激光切割机床等。

（4）其他类型的数控设备。如数控三坐标测量仪、数控对刀仪及数控绘图仪等。

2. 按机床运动的控制轨迹分类（参考微课1.11）

（1）点位控制数控机床。点位控制数控机床只要求控制机床的移动部件从某一位置移动到另一位置的准确定位，对于两位置之间的运动轨迹不做严格要求，在移动过程中，刀具不进行切削加工，如图1.5所示。为了实现既快又准的定位，常采用先快速移动，然后慢速趋近定位点的方法来保证定位精度。

具有点位控制功能的数控机床有数控钻床、数控冲床、数控镗床和数控点焊机等。

（2）直线控制数控机床。直线控制数控机床的特点是除了控制点与点之间的准确定位外，还要保证两点之间移动的轨迹是一条与机床坐标轴平行的直线。因为这类数控机床在两点之间移动时要进行切削加工，所以也要控制移动的速度，如图1.6所示。

具有直线控制功能的数控机床有比较简单的数控车床、数控铣床和数控磨床等。单纯用于直线控制的数控机床目前不多见。

（3）轮廓控制数控机床。轮廓控制又称连续轨迹控制，这类数控机床能够对2个或2个以上的运动坐标的位移及速度进行连续相关的控制，因而可以进行曲线或曲面的加工，如图1.7所示。

具有轮廓控制功能的数控机床有数控车床、数控铣床及加工中心等。

3. 按伺服驱动系统的控制方式分类（参考微课1.12）

（1）开环控制系统。开环控制系统是指不带反馈的控制系统，即系统没有位置反馈元件，通常用功率步进电动机或电液伺服电动机作为执行机构。输入的数据经过数控系统的运算，发出指令脉冲，通过环形分配器和驱动电路，使步进电动机或电液伺服电动机转过一个步距角，再经过减速齿轮带动丝杠旋转，最后转换为工作台的直线移动，如图1.8所示。移动部件的移动速度和位移量是由输入脉冲的频率和脉冲数决定的。

开环控制具有结构简单、系统稳定、调试容易且成本低等优点。但是因为系统对移动部件的误差没有补偿和校正功能，所以精度低，一般适用于经济型数控机床和旧机床数控化改造。

（2）半闭环控制系统。如图1.9所示，半闭环控制系统是在伺服电动机或丝杠端部装有角位移检测装置（如感应同步器和光电编码器等），通过检测伺服电动机或丝杠端部的转角间接地检测移动部件的位移，然后反馈到数控系统中，由于惯性较大的机床移动部件不包括在检测范围之内，因而称作半闭环控制系统。

在这种系统中，闭环回路不包括机械传动环节，因此可获得稳定的控制特性。而机械传动环节的误差可用补偿的办法消除，因此仍可获得满意的精度。中档数控机床广泛采用半闭环数控系统。

（3）闭环控制系统。闭环控制系统是在机床移动部件上直接装有位置检测装置，将测量的结果直接反馈到数控装置中，与输入的指令位移比较，用偏差进行控制，使移动部件按照实际的要求运动，最终实现精确定位，其原理如图1.10所示。因为把机床工作台纳入了位置控制环，所以称为闭环控制系统。该系统可以消除包括工作台传动链在内的运动误差，因而定位精度高、调节速度快。但由于该系统受进给丝杠的拉压刚度、扭转刚度、摩擦阻尼特性和间隙等非线性因素的影响，因而给调试工作造成较大的困难，如果各种参数匹配不当，将会引起系统振荡，造成不稳定，影响定位精度。可见，闭环控制系统复杂并且成本高，适用于精度要求很高的数控机床，如精密数控镗铣床、超精密数控车床等。

4. 按控制坐标轴的数量分类

按计算机数控装置能同时联动控制的坐标轴的数量分类，有两坐标联动数控机床、三坐标联动数控机床和多坐标联动数控机床，分别如图1.11～图1.13所示。

一些早期的数控机床尽管具有3个坐标轴，但能够同时进行联动控制的可能只是其中2个坐标轴，因而属于两坐标联动的三坐标机床。这类机床不能获得空间直线、空间螺旋线等复杂加工轨迹。要想加工复杂的曲面，只能采用在某平面内进行联动控制，第3轴做单独周期性进给的“两维半”加工方式，如图1.14所示。

5. 按数控系统分类

目前，数控系统的种类规格很多，在我国使用比较广泛的有日本FANUC、德国SIEMENS公司的产品，以及国产的广州数控系统、华中数控系统等。

（1）日本FANUC系列数控系统

FANUC公司生产的CNC产品主要有FS3、FS6、FS0、FS10/11/12、FS15、FS16、FS18和FS21/210等系列。目前，我国用户主要使用的是FS0、FS15、FS16、FS18和FS21/210等系列。

FS0系列有FS0T、FS0TT、FS0M、FS0ME、FS0G和FS0F等型号。T型用于单刀架单主轴的数控车床，TT型用于单主轴双刀架或双主轴双刀架的数控车床，M型、ME型用于数控铣床或加工中心，G型用于数控磨床，F型是对话型CNC系统。

FS15系列是FANUC公司较新的32位CNC系统，被称为AICNC系统（人工智能CNC系统）。该系列是按功能模块结构构成的，可以根据不同的需要组合成最小至最大系统，控制轴从2轴到15轴，同时还有PMC的轴控制功能，可配备有7、9、11和13个槽的控制单元母板，用于插入各种印制电路板，采用了通信专用微处理器和RS422接口，并有远距离缓冲功能。该系列CNC系统主要适用于大型机床、复合机床的多轴控制和多系统控制。

FS16系列是在FS15系列之后开发的产品，其性能介于FS15和FS0系列之间。它采用薄型TFT（薄膜晶体管）彩色液晶显示。

FS18系列是紧接着FS16系列推出的32位CNC系统，其功能在FS15和FS0系列之间，但低于FS16系列。它采用高密度三维安装技术、四轴伺服控制、两主轴控制，且集成度更高；采用TFT彩色液晶显示，画面上可显示电动机波形，便于调整和控制。FS18系列在操作、机床接口和编程等方面均与FS16系列有互换性。

FS21/210系列是FANUC公司最新推出的系统，适用于中小型数控机床。

（2）德国SIEMENS公司的SINUMERIK系列数控系统

SINUMERIK系列数控系统主要有SINUMERIK 3、SINUMERIK 8、SINUMERIK 810/820、SINUMERIK 850/880和SINUMERIK 840等产品。

SINUMERIK 8系列产品生产于20世纪70年代末，SINUMERIK 8M/8ME/8ME-C、SPRINT 8M/8ME/8ME-C主要用于钻床、镗床和加工中心等机床；SINUMERIK 8MC/8MCE/8MCE-C主要用于大型镗铣床。SINUMERIK 8T/SPRINT 8T主要用于车床，其中，SPRINT系列具有蓝图编程功能。

SINUMERIK 810/820系列生产于20世纪80年代中期，810/820在体系结构和功能上相近。

SINUMERIK 840D系列生产于1994年，是新设计的全数字化数控系统，具有高度模块化及规范化的结构。它将CNC和驱动控制集成在一块板子上，将闭环控制的全部硬件和软件集成在1cm2的范围内，便于操作、编程和监控。

SINUMERIK 810D系列生产于1996年，是在840D基础上开发的新CNC系统。它第一次将CNC和驱动控制集成在一块板上，其CNC与驱动之间没有接口。810D配备了功能强大的软件，提供了很多新的使用功能，如提前预测功能、坐标变换功能、固定点停止功能、刀具管理功能、样条插补功能、压缩功能和温度补偿功能等，极大地提高了其应用范围。

1998年，SIEMENS公司又推出了基于810D系统的现场编程软件ManulTurn和ShopMill。前者适用于数控车床的现场编程，后者适用于数控铣床的现场编程。通过这两种软件，操作者无需专门的编程培训，使用传统操作机床的模式即可对数控机床进行操作和编程。

近几年来，SIEMENS公司又推出了SINUMERIK 802系列CNC系统，有802S、802C、802D等型号。

（3）华中数控系统HNC

HNC是武汉华中数控研制开发的国产型数控系统，是我国863计划的科研成果在实践中应用的成功项目，目前已开发和应用的产品有HNC 1和HNC 2000共2个系列，共计16种型号。

华中1型数控系统有HNC 1M铣床、加工中心数控系统，HNC 1T车床数控系统，HNC 1Y齿轮加工数控系统，HNC 1P数字化仿形加工数控系统，HNC 1L激光加工数控系统，HNC 1G五轴联动工具磨床数控系统，HNC 1FP锻压、冲压加工数控系统，HNC 1ME多功能小型数控铣系统，HNC 1TE多功能小型数控车系统和HNC 1S高速珩缝机数控系统等。

华中2000型数控系统是在HNC 1型数控系统的基础上开发的高档数控系统。该系统采用通用工业PC，TFT真彩液晶显示，具有多轴多通道控制功能和内装式PC，可与多种伺服驱动单元配套使用，具有开放性好、结构紧凑、集成度高、性价比高和操作维护方便等优点。同样，它也有系列派生的数控系统，如HNC 2000M、HNC 2000T、HNC 2000Y、HNC 2000L、HNC 2000G等。

6. 按数控系统的功能水平分类

按数控系统的功能水平不同，数控机床可分为低、中、高3档。低、中、高档的界线是相对的，不同时期的划分标准有所不同。就目前的发展水平来看，数控系统可以根据表1.2所示的功能和指标划分。其中，中、高档一般称为全功能数控或标准型数控。在我国还有“经济型数控”的提法。经济型数控属于低档数控，是由单片机和步进电动机组成的数控系统，或是指其他功能简单、价格低的数控系统。经济型数控系统主要用于车床、线切割机床以及旧机床改造等。

四、数控机床加工的特点及应用

1. 数控机床加工的特点

与普通机床加工相比，数控机床加工具有以下特点。

（1）可以加工具有复杂型面的工件。在数控机床上加工工件，工件的形状主要取决于加工程序。因此只要能编写出程序，无论工件多么复杂，都能加工。例如，采用五轴联动的数控机床，就能加工螺旋桨的复杂空间曲面。

（2）加工精度高、质量稳定。数控机床本身的精度比普通机床高，一般数控机床的定位精度为±0.01mm，重复定位精度为±0.005mm；在加工过程中操作人员不参与操作，因此工件的加工精度全部由数控机床保证，消除了操作者的人为误差；又因为数控加工采用工序集中方式，减少了工件多次装夹对加工精度的影响，所以工件的精度高、尺寸一致性好、质量稳定。

（3）生产率高。数控机床可有效减少工件的加工时间和辅助时间。数控机床主轴转速和进给量的调节范围大，允许机床进行大切削量的强力切削，从而有效节省了加工时间。数控机床移动部件在定位中均采用了加速和减速措施，并可选用很高的空行程运动速度，缩短了定位和非切削时间。对于复杂的工件，可以采用计算机自动编程，而工件又往往安装在简单的定位夹紧装置中，从而加速了生产准备过程。尤其在使用加工中心时，工件只需一次装夹就能完成多道工序的连续加工，减少了半成品的周转时间，生产率的提高更为明显。此外，数控机床能进行重复性操作，尺寸一致性好，降低了次品率，节省了检验时间。

（4）改善劳动条件。使用数控机床加工工件时，操作者的主要任务是编辑程序、输入程序、装卸零件、准备刀具、观测加工状态、检验零件等，劳动强度大大降低，劳动形式趋于智力型。另外，机床一般是封闭式加工，既清洁，又安全。

（5）有利于生产管理现代化。使用数控机床加工工件，可预先精确估算出工件的加工时间，所使用的刀具、夹具可进行规范化、现代化管理。数控机床使用数字信号与标准代码作为控制信息，易于实现加工信息的标准化，目前已与计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）有机结合起来，是现代集成制造技术的基础。

2. 数控机床的适用范围

从数控机床加工的特点可以看出，数控机床加工的主要对象如下。

① 多品种、单件小批量生产的零件或新产品试制中的零件。

② 几何形状复杂的零件。

③ 精度及表面粗糙度要求高的零件。

④ 加工过程中需要进行多工序加工的零件。

⑤ 用普通机床加工时，需要昂贵工装设备（工具、夹具和模具）的零件。

各种机床的使用范围如图1.15所示。图中横轴代表零件的复杂程度，纵轴代表每批的生产件数。由图1.15可以看出数控机床的使用范围很广。

图1.16为在各种机床上加工零件时，零件批量和综合费用的关系。

五、先进制造技术

21世纪，人类已迈入了一个知识经济快速发展的时代，传统的制造技术和制造模式正发生质的飞跃，先进制造技术在制造业中正逐步被应用，并推动着制造业的发展。

近年来，正逐步推广应用的先进制造技术有快速原型法、虚拟制造技术、柔性制造单元和柔性制造系统等。

1. 快速原型法

快速原型法（又称快速成型法）是国外20世纪80年代中后期发展起来的一种新技术，它与虚拟制造技术一起，被称为未来制造业的两大支柱技术。

（1）快速原型法基本原理

快速原型法是综合运用CAD技术、数控技术、激光加工技术和材料技术，实现从零件设计到三维实体原型制造一体化的系统技术。它采用软件离散化——材料堆积的原理实现零件的成型，如图1.17所示。

其具体过程如下。

① 采用CAD软件设计出零件的三维曲面或实体模型。

② 根据工艺要求，按照一定的厚度在某坐标方向，如Z方向，对生成的CAD模型进行切面分层，生成各个截面的二维平面信息。

③ 对层面信息进行工艺处理，选择加工参数，系统自动生成刀具移动轨迹和数控加工代码。

④ 对加工过程进行仿真，确认数控代码的正确性。

⑤ 利用数控装置精确控制激光束或其他工具的运动，在当前工作层（二维）上采用轮廓扫描加工出适当的截面形状。

⑥ 铺上一层新的成型材料，进行下一次加工，直至整个零件加工完毕。

可以看出，快速成型过程是由三维转换成二维（软件离散化），再由二维到三维（材料堆积）的工作过程。

快速原型法不仅可用于原始设计中快速生成零件实物，也可用来快速复制实物（包括放大、缩小、修改）。

（2）快速原型技术的主要工艺方法

① 光固化立体成型制造法。光固化立体成型制造法（LSL法）是以各类树脂为成型材料、以氦镉激光器为能源、以树脂受热固化为特征的快速成型方法。

② 实体分层制造法。实体分层制造法（LOM法）以片材（如纸片、塑料薄膜或复合材料）为材料，首先以CO2激光器为能源，用激光束切割片材的边界，形成某一层的轮廓，然后利用加热、加压的方法粘接各层，最后形成零件的形状。该方法取材广泛，成本低。

③ 选择性激光烧结制造法。选择性激光烧结制造法（SLS法）是以各种粉末（金属、陶瓷、蜡粉、塑料等）为材料，利用滚子铺粉，用CO2高功率激光器对粉末进行加热直到烧结成块的制造方法。利用该方法可以加工出能直接使用的金属件。

④ 熔融沉积制造法。熔融沉积制造法（FDM法）以蜡丝为原料，利用电加热方式将蜡丝熔化成蜡液，蜡液由喷嘴喷到指定的位置固定，一层层地加工出零件。该方法污染小，材料可以回收。

（3）快速原型法的特点

① 适合于形状复杂、不规则零件的加工。

② 减少了对熟练技术工人的需求。

③ 没有或极少产生下脚料，是一种环保的制造技术。

④ 成功地解决了CAD中三维造型“看得见，摸不着”的问题。

⑤ 系统柔性高，只需修改CAD模型就可生成不同形状的零件。

⑥ 技术集成，设计制造一体化。

⑦ 具有广泛的材料适应性。

⑧ 不需要专门的工装夹具和模具，极大地缩短了新产品的试制时间。

因此，快速原型法主要适用于新产品的开发、快速单件及小批量零件的制造、形状复杂零件的制造、模具的设计与制造以及难加工材料零件的加工制造。

2. 虚拟制造技术

虚拟制造是以计算机支持的仿真技术和虚拟现实技术为前提，对企业的全部生产、经营活动进行建模，并在计算机上“虚拟”地运行产品设计、加工制造、计划制定、生产调度、经营管理、成本财务管理、质量管理，甚至包括市场营销等在内的企业全部功能，在求得系统的最佳运行参数后，再据此实现企业的物理运营。

虚拟制造包括设计过程仿真、加工过程仿真。虚拟制造的关键是系统的建模技术，它将现实物理系统映射为计算机环境下的虚拟物理系统，将现实信息系统映射为计算机环境下的虚拟信息系统。计算机环境下的虚拟物理系统与虚拟信息系统组成虚拟制造系统。虚拟制造系统不消耗能源和其他资源（计算机耗电除外），所进行的过程是虚拟过程，所生产的产品是可视的虚拟产品或数字产品。

虚拟制造系统的体系结构如图1.18所示。

由图1.18可知，通过系统建模工具，首先将现实物理系统和现实信息系统映射为计算机环境下的虚拟物理系统和虚拟信息系统，然后利用仿真机和虚拟现实系统进行设计及结果仿真、工艺过程仿真和企业运行状态仿真，最后得到的产品是满足用户要求的高质量数字产品和企业运行的最佳参数，据此最佳参数调整企业的运营过程，使其始终处于最佳运营状态，从而生产出高质量的物理产品投放市场。

3. 柔性制造系统

柔性制造系统（FMS）一般由加工系统、物流系统、信息流控制系统和辅助系统组成，如图1.19所示。

（1）加工系统。加工系统主要由加工中心等设备组成。加工系统的功能是以任意顺序自动加工各种工件，并能自动更换工件和刀具。

（2）物流系统。物流是FMS中物料流动的总称。在FMS中流动的物料主要有工件、刀具、夹具、切屑及切削液。物流系统是从FMS的进口到出口，实现对这些物料的自动识别、存储、分配、输送、交换和管理功能的系统。它包括自动运输小车、立体仓库、中央刀库等，主要完成刀具、工件的存储和运输。

（3）信息流控制系统。信息流控制系统是实现FMS加工过程和物料流动过程的控制、协调、调度、监测及管理的系统。它由计算机、工业控制机、可编程控制器、通信网络、数据库和相应的控制和管理软件等组成，它是FMS的神经中枢和命脉，也是各子系统之间的联系纽带。

（4）辅助系统。辅助系统包括清洗工作站、检验工作站、排屑设备和去毛刺设备等。这些工作站和设备均在FMS控制器的控制下与加工系统、物流系统协调地工作，共同实现FMS的功能。

FMS适于加工形状复杂、精度适中、批量中等的零件。因为柔性制造系统中的所有设备均由计算机控制，所以改变加工对象时，只需改变控制程序即可，这使得系统的柔性很大，特别能适应市场动态多变的需求。

4. 柔性制造单元

柔性制造单元（FMC）可以被认为是小型的FMS，它通常包括1～2台加工中心，再配以托盘库、自动托盘交换装置和小型刀库。图1.20为典型的柔性制造单元。

因为FMC比FMS的复杂程度低、规模小、投资少，同时FMC还便于连成功能可以扩展的FMS，所以FMC是一种很有前途的自动化制造形式。

5. 计算机集成制造系统

计算机集成制造系统（Computer Intergrated Manufacturing System，CIMS）是以数控机床为基本单元的制造系统。它综合利用了CAD、CAE、CAPP、CAM、FMS及工厂自动化系统，实现了无人管理的机械加工。

CIMS具有智能自动化的特征，是高技术密集化的成果，是管理科学、系统工程、信息技术和制造技术的综合。CIMS是人们用新的概念和方法来经营和指导工厂的一种探索，力图对传统的制造业进行全面的技术改造，力求形成从市场调研、资源利用、生产决策、产品设计、工艺设计、制造和控制到经营和销售的良性循环，以提高机械制造业的经济效益和在多变的市场环境中的竞争力。数控技术是CIMS的基础技术之一，同时，CIMS也对数控技术提出了新的要求，要求开发面向CIMS的新一代CNC——机器人控制器（RC）、要求开发单元控制器技术以及面向CIMS的数控工作站等。

CIMS的构成可分为以下几个部分。

（1）设计过程。设计过程主要包括CAD、CAE、CAPP、CAM等环节。CAD设计包含设计过程中各个环节的数据，包括管理数据和检测数据，还包括产品设计开发的专家系统及设计中的仿真软件等。CAE的主要作用是对零件的机械应力、热应力等进行有限元分析及优化设计等。CAPP是根据CAD的数据自动制定合理的加工工艺过程。CAM能根据CAD模型按CAPP要求生成刀具轨迹文件，并经后置处理转换成NC代码。CIMS中最基本的是CAD/CAE/CAPP/CAM集成。

（2）加工制造过程。加工制造过程主要包括加工设备（数控机床）、工件搬运工具及自动仓库、检测设备、工具管理单元、装配单元等。

（3）计算机辅助生产管理。主要包括制定年、月、日、周的生产计划，生产能力平衡以及进行财务、仓库等各种管理，确定经营方向（包括市场预测及制定长期发展战略计划）。

（4）集成方法及技术。系统的集成方法必须以先进理论为指导，如系统理论、成组技术、集成技术、计算机网络等。

CIMS的车间布局如图1.21所示。

六、本课程的学习方法

1. 课程设置目的

本课程是一门以零件的数控编程为主线的专业技术基础课，教学内容是机械类各专业进行数控机床编程与仿真操作，采用理论实训一体化教学方式，课程设置的主要目的如下。

① 使学生对零件的数控编程有完整的认识，建立对数控机床操作的感性认识，为后续的数控加工实训打下一定的基础。

② 培养学生适应高职课程的学习方式，提高自学能力、动手能力及查阅资料的能力。

③ 使学生了解先进制造技术及其发展方向，开阔视野，培养专业兴趣。

2. 本课程的学习方法

本课程将传统的课堂教学模式改为以学生为主体、以技能训练为核心的教学模式，利用案例、多媒体教学、录像、实例演示、现场教学等手段进行教学，建议学生按下述步骤进行该课程的学习。

① 本课程分为17个任务，由于涉及的知识面比较广，因此学习每个任务之前，应结合任务的学习目标，根据案例自学相关知识。

② 本课程的实践性强，要求学生在教师引导下，独立完成每个任务的实训内容并写出实训报告。

③ 以每个任务后面的自测题为参考，检测自己的学习情况。

④ 分组讨论、互相交流，加深对问题的认识。

⑤ 充分利用互联网提供的丰富资源了解数控技术的新知识、新动向。以下是互联网中与数控加工技术、数控刀具相关的网站。

（a）中国数控在线网站。

（b）瑞典山特维克可乐满刀具公司网站。

（c）成都英格数控刀具模具有限公司网站。

（d）中国刃具网站。

任务实施

到数控加工实训室参观各类数控设备，了解其结构及其加工零件的特征，并建议在互联网上查询与数控机床相关的资料，完成表1.1的内容。

实训内容

到图书馆、阅览室了解机械及数控加工等方面有哪些书籍及杂志，上网查询数控机床的最新动向和技术。

自测题

1. 选择题（请将正确答案的序号填写在题中的括号中，每题4分，满分40分）

（1）数控机床是采用数字化信号对机床的（　）进行控制。

（A）运动
（B）加工过程
（C）运动和加工过程
（D）无正确答案

（2）不适合采用数控机床进行加工的工件是（　）。

（A）周期性重复投产
（B）多品种、小批量
（C）单品种、大批量
（D）结构比较复杂

（3）加工精度高、（　）、自动化程度高、劳动强度低、生产效率高等是数控机床加工的特点。

（A）加工轮廓简单、生产批量又特别大的零件
（B）对加工对象的适应性强
（C）装夹困难或必须依靠人工找正、定位才能保证其加工精度的单件零件
（D）适于加工余量特别大、材质及余量都不均匀的坯件

（4）数控机床中把脉冲信号转换成机床移动部件运动的组成部分称为（　）。

（A）控制介质
（B）数控装置
（C）伺服系统
（D）机床本体

（5）数控机床的核心部分是（　）。

（A）输入装置
（B）数控装置
（C）伺服装置
（D）机电接口电路

（6）世界上第1台三坐标数控铣床是（　）年研制出来的。

（A）1930
（B）1947
（C）1952
（D）1958

（7）普通数控机床与加工中心比较，错误的说法是（　）。

（A）能加工复杂零件
（B）加工精度都较高
（C）都有刀库
（D）加工中心比普通数控机床的加工效率更高

（8）加工中心最突出的特点是（　）。

（A）工序集中
（B）对加工对象适应性强
（C）加工精度高
（D）加工生产率高

（9）数控铣床增加了一个数控转盘以后，就可实现（　）。

（A）三轴加工
（B）四轴加工
（C）五轴加工
（D）六轴加工

（10）（　）与虚拟制造技术一起，被称为未来制造业的两大支柱技术。

（A）数控技术
（B）快速成型法
（C）柔性制造系统
（D）柔性制造单元

2. 判断题（请将判断结果填入括号中，正确的填“√”，错误的填“×”，每题4分，满分32分）

（　）（1）半闭环、闭环数控机床带有检测反馈装置。

（　）（2）数控机床伺服系统包括主轴伺服系统和进给伺服系统。

（　）（3）目前数控机床只有数控铣、数控磨、数控车、电加工等几种。

（　）（4）数控机床工作时，数控装置发出的控制信号可直接驱动各轴的伺服电动机。

（　）（5）数控铣床的控制轴数与联动轴数相同。

（　）（6）对于装夹困难或完全由找正、定位来保证加工精度的零件，不适合于在数控机床上生产。

（　）（7）卧式加工中心是指主轴轴线垂直设置的加工中心。

（　）（8）FMC是柔性制造系统的简称。

3. 简答题（每题7分，满分28分）

（1）什么是数控、数控机床？

（2）与传统机械加工方法相比，数控加工有哪些特点？

（3）数控车床和数控铣床的切削运动有何区别？

（4）数控加工的主要对象是什么？