数控技术的基本知识
和现代数控的发展方向
哈尔滨工业大学机电学院
数控技术研究室
2004年 5月 12日
第 一部分 数控技术的基本概念
1.1 数控与数控机床 1.概念
◆ 数控,数字控制（ NC — Numerical Control）,以数字化信
息对机床运动及加工过程进行控制的一种方法。 NC已成为
数控加工的专用术语。
◆ 数控技术,用 数控机床（数控设备）进行 自动化加工的一
种技术，它综合应用了多种学科的知识 。
◆ 数控机床, 是实现柔性自动化的关键设备，是柔性自动生
产系统的基本单元。
● 数控技术是现代先进制造技术的基础，其技术水平和普及
程度是衡量国家综合国和工业现代化程度的重要标志。
● CNC与 CAD/CAM/CAPP /关系, 通讯
▼ CAD,计算机辅助设计 (Computer Aided Design)
▼ CAM:计算机辅助制造 (Computer Aided Maunfacturng)
▼ CAE,计算机辅助工程 (Computer Aided Engineering)
CAD CAM CAE 范畴划分
● CNC与现代先进制造系统关系, CNC用在制造系统中
CNC,DNC – FMC – FMS – CIMS – FA
并行工程、敏捷制造、数字化制造、智能制造、网络制造、
绿色制造、纳米制造、高速加工等等。
初
步
设
计
分
析
模
拟
详
细
设
计
制
图
生
产
准
备
工
艺
设
计
N
C
编
程
机
器人
编程
制
造
N
C
加
工
装
配
检
验
产
品
CAE CAD CAM
CAD/CAM
CAD/CAM/CAE
广义 CAD 广义 CAM
广义 CAD/CAM
CAPP
2.数控技术产生的原因
■高精度、高效率；
■刚性自动化不能满足的要求（手工、小规模、大规模生产）；
■柔性自动化（多品种、变批量）、复杂零件的加工（多坐
标加工）；
■计算机技术的发展。
3.数控技术的发展历史
■ 1952年，第一代电子管数控系统；
■ 1959年，第二代晶体管数控系统。随之出现刀库，机械手、
加工中心；
■ 1960年，第三代集成电路数控系统，硬逻辑数控系统（称为
NC；
■ 1970年，第四代小型计算机数控（ CNC ） ；
■ 1974年，第五代微型计算机数控（ MNC，统称 CNC） ；
■ 1980年后,FMS,FMC,CIMS、开放式数控（ open NC）系
统、智能制造系统（ IMS）大发展。
■ 1990年后,高速加工，纳米制造。
1.2 数控机床的工作原理
1.机床数字控制的原理
将被加工零件图纸上的几何信息和工艺信息用规定的代
码和格式编写成加工程序，然后将程序输入数控装置，按照程
序的要求，经过信息处理，分配，使各坐标以最小位移量为单
位移动，其合成运动实现了刀具与工件的相对运动，完成零件
的加工。
最小位移量的合成运动是 机床数字控制的基本原理, 即轨
迹控制原理（插补原理）。
◆ 点位控制,严格控制点到点的距离，不严格要求路径，运
动中不加工。 X
YO
P Q1
2 3
图 1.1点位控制
◆ 轮廓控制：
加工平面曲线、空间曲线、空间曲面时，需要多坐标联动。
以平面（两维）的任意曲线 L为例,要求刀具 Τ 沿（逼近）曲线
轨迹运动，进行切削加工。
如图 1.2所示。将曲线 L分割成,l0,l1,l2??, li等线段。
用直线（或圆弧）代替（逼近）这些线段，当逼近误差 δ 相当
小时，这些折线段之和就接近了曲线。
轮廓控制也称连续轨迹控制,它的特点是不仅对坐标的 移动量
进行控制，而且对各坐标的 速度 及它们之间的 比率 都要进行严格控
制，以便加工出给定的轨迹
11
12
13
15 16
δ
△ x
△ y14
X
1Y1O
1T
1L
图 1.2轮廓控制
:
这种在允许的误差范围内，用沿曲线逼近函数的最小单位移动
量合成的分段运动 （小线段、小圆弧） 代替任意曲线运动，以得出
所需要的运动轨迹,是数控的基本构思之一。
◆ 插补 （ Interpolation）
是用被加工轨迹的有限信息 （ 如起点和终点之间 ）, 计算插
进刀具运动的许多中间点, 进行数据点的密化工作, 然后用已知线
型 （ 如直线, 圆弧等 ） 逼近 。
插补有二层意义,基本线型的形成及如何分段逼近 。
基本线型, 由插补指令完成 。 如直线插补, 圆弧插补, 抛物
线插补, 螺旋线插补, 极坐标插补, 圆柱插补, 样条插补, 曲面直
接插补, 纳米插补, 光顺插补等, 插补指令越多, 越能实现复杂型
面的加工 。
分段逼近, 按允许的误差 。 弦线逼近, 割线逼近, 切线逼近 。
◆ 插补分类,基准脉冲插补, 数据采样插补 （ 主要方法 ） 。
◆ 基点和节点
基点,在数控加工图纸中, 基本线型的交点称为；
节点, 轮廓轨迹上的插入点 （ 逼近线型与轮廓轨迹的交点 ） 。
◆ 为什么补用数学函数直接插补？
① 计算费时间,不能满足实时控制的要求；
② 有的被加工轮廓用列表点表示的，没用数学公式；
③ 数控加工时运动不能突变，要满足加速度的要求。
2.数控机床的控制
●轨迹控制
●开关量控制
1.3 数控机床的组成及分类
1.数控机床的组成
●数控系统,I/0接口,CNC装置、伺服系统,PLC
● 机械主机,主运动机构、进给运动机构、辅助机
构、床身等
输入 数控装置 驱动装置 机床M
G
测量反馈
图 3 数控机床的组成
2,数控机床的应用
1） 多品种变批量、单件小批量的自动化
2） 柔性加工和柔性自动化
◆ 小批量而又轮番生产的零件；
◆ 几何形状复杂的零件；
◆ 在加工过程中必须进行多种工序加工的零件；
◆ 切削余量大的零件；
◆ 必须严格控制公差（公差带范围很小）的零件；
◆ 工艺设计会经常变化的零件；
◆ 贵重零件；
◆ 需全部检测的零件，等等 。
3,数控机床的分类
1） 按控制运动的轨迹特点分类
◆点位控制数控机床
◆直线控制数控机床 (单轴数控 )
◆ 轮廓控制的数控机床：分为两坐标联动,2.5坐标联动，三坐
标联动，四坐标联动，五坐标联动等数控机床。五坐标联动
是关键技术。
2）按伺服系统的控制类型分类
◆ 开环控制的数控机床
◆ 全闭环控制的数控机床
◆ 半闭环控制的数控机床
3）按工艺方法分类
◆ 金属切削类数控机床：
数控车床，数控铣床、数控钻床、数控磨床、数控镗床以及加
工中心等。
◆ 金属成型类及特种加工类数控机床
4） 按功能水平分类：
◆ 高、中、低档（亦称经济型）
5）按 驱动方式 分类
◆ 步进式
◆ 直流伺服
◆ 交流伺服（交流模拟、交流数字）
6）按组成和功能
◆ 开放式数控
◆智能数控
第二部分 数控机床控制系统（ CNC）
2.1 CNC系统的组成
CNC系 统 由,数控装置”、“伺服系统”和系统程序 组成。
● 数控装置（专用计算机）：硬件和软件组成。
● 伺服系统：检测装置、驱动装置和伺服电机组成。
2.1.1 数控装置的硬件组成及功能
1.数控装置的硬件包括,
微机基本系统,CPU、总线、存储器,I/O设备等
数控接口组件,进给轴位置控制接口组件、主轴控制接口组件
手摇脉冲发生器接口组件等。
接口,人机界面接口、通讯接口、机电接口
辅助功能（ M）控制接口等
2.硬件功能：
与软件一起接收输入信息（程序）、经过译码、轨迹计算（速
度计算）、补偿计算、加 /减处理和插补运算，给各个坐标的
伺服驱动器分配速度、位移指令，完成数控加工任务。
3.硬件具体组成
?微机基本系统
?人机界面接口,键盘、显示器、操作面板、手摇脉冲发生器
?通讯接口,RS232,RS485串行接口、网络接口
?进给轴位置控制接口
?主轴控制接口
?辅助功能（ M 指令 ）控制接口
CPU
R
O
M
R
A
M
IN
接
口
0UT
接
口
其它
接
口
通讯
控制
接 口
位置
控制
接 口
主轴
控制
接口
MDI/
CRT
接口
手摇脉
冲发生
器接口
图 4 单 CPU数控装置
2.1.2 数控装置软件的基本组成和功能
软件由控制功能程序、管理功能程序组成
1.控制功能程序 --实时性强,用于进给坐标的位置控制，中断完成 ;
?译码 ;
?预处理（刀补和速度处理） ；
?插补 ；
?位控 ；
2.管理功能程序 --实时性稍差，但要保证 控制软件数据的供给传
递，具体见图。
CNC软件
管 理 控 制
显
示
S
T
M
I/O
处
理
通
讯
诊
断
译
码
刀
具
补
偿
速
度
处
理
插
补
位
置
控
制
输
入
存
储
图 5 数控装置软件组成
2.2 CNC系统的技术性能指标
1,CPU的性能,8,16,32,64位，主频十多 GHz,精减指令
集芯片（ RISC）,提供高的速度和丰富的软硬件资源；
2,系统具有高分辨率,保证高精度、超精密加工。进给系统
100万脉冲 /每转,1600万脉冲 /每转（ FANUC 0i）,分辨率
为 0.001mm，速度最高可达到 100 m ～ 240m/min。超精密
加工时分辨率 0.1μ m（甚至 0.01μ m）,速度为 24m/min,或
更高 。
3,系统的控制功能：
1)多轴联动、多坐标控制
2)多种函数的插补
3)多种程序输入功能
4)信息转换功能
5)补偿功能
6)多种加工方式选择
7)具有故障自诊断功能
8)显示功能
4,伺服驱动系统的性能
5,数控系统内 PLC功能
6,系统的通讯和联网功
7,系统的开放性
8,可靠性
2.3 怎样选择 CNC系统
2.3.1选择原则
1.名牌厂家：
FANUC,SIEMENS,AB,CINCINNATI,NUM,HP,FAG
,GE-FANUC、三菱、华中数控、广州数控、航天数控、蓝天
数控、北京 FANUC、上海开通数控、南京方达数控、威海华东
数控、南京清华数控 ?
2.系统的系列
FANUC:
FANUC-0TD/0MD/0C/0i/15/15i/16/16i/18/18i/21/21i/160/ 180 /
210/160i/180i /210i /…F30 i；
SIEMENS:
SIEMENS-802S/802D/810D/840D；
3.基本功能, 选择功能
4.分辨率 （ 设定单位 ）, 速度, 联动轴数；
5.高速高精度系统的特殊指令功能
6.价格、维修。
2.3.2高速高精密数控机床的 CNC系统
1,数控装置的特殊功能
● 纳米精加工插补； （ Nano interpolation）
● 光顺插补；
● 高精度（纳米）轮廓控制；
● 5轴加工功能；
● NURBS插补；
● 前视功能；
● 预测及反复控制；
● 法线方向及缓曲线法线方向控制；
● 精细加 /减速功能；
● 切削进给插补前 /后的直线加 /减速功能；
● 切削进给插补前 /后的铃型（或叫鼓型）加 /减速
● 插补型螺距误差补偿；
● 双向螺距误差补偿 ；
● 直线度补偿；
● 插补型直线度补偿；
● 丰富的宏指令，循环指令；
● 完善的自诊断、参数设置、动态图形显示、高速缓存,I/O外
部设备控制和联网功能等
● 接外部补偿的功能 。
2,对驱动控制及伺服电机的特殊要求
● 光纤通讯的三环 （ 电流, 速度, 位置 ） 全闭环控制交流数字
伺服系统；
● 高响应的矢量控制功能,FANUC系统称为,
HRV-High Response Vector高响应向量控制）；
● 双位置反馈控制；
● 特殊制造的高响应高精度电机,且具有平稳运行的低速性能；
第三部分 数控机床的结构及设计
3,1 机床本体
机床本体也称主机，它包括,
主运动部件,主轴箱及主轴；
进给运动部件：进给传动件、工作台、刀架、导轨等；
基础部件：支撑部件，如：底座、床身、立柱等；
特殊部件：刀库、自动换刀装置和托盘交换装置等）；
现在包括 CNC装置，各个部件都看做 功能部件,专门生产 。
3,2 数控机床主机的特点
?主运动，及进给坐标轴都由单独的伺服电机驱动；
?传动链短、结构比较简单；运动关系由计算机来协调控制。
?采用高效传动件：精密滚珠丝杠、直线滚动导轨副、精密
齿条、蜗母条、静压、磁浮导轨等。
?机械结构应具有较高的静态特性、动态刚度、阻尼精度、
耐磨性以及抗热变形性能。
?在加工中心上还具备有刀库和自动交换刀具的机械手 。
?配套设施齐全，如：冷却、自动排屑、防护、可靠的润滑、
对刀仪等 。
3,3 主机的设计
3.3.1 总体 设计
1,总体方案：布局外观, 精度, 性能, 静动态特性 （ 刚度特
性摩擦特性, 热特性 ）,
2,参数：功率, 扭矩, 转速, 行程, 速度 ?,
3,机电匹配：机电分工, 电机和控制系统的选择,
3.3.2 主传动系统设计
1,传动系统,
2,电主轴,
3,自动卡盘,
4,动力刀架,
3.3.3 进给传动系统设计
1.开环、半闭环、全闭环,
2.传动方案,
3,高效传动件的设计, 选择, 计算, 机电匹配,
4,直线电机系统,
3.3.4其它系统的设计
1.数控回转工作台,
2.换刀机械手 。
3.刀库, 刀具系统,
4.冷却, 排屑系统,
第四部分 数控技术的发展方向
4,1 数控技术总的发展趋势
当代, 数控技术的典型应用是 FMC/FMS/CIMS,其发展方
向是 高速化, 高精度化, 高效加工, 多功能化, 小型化, 复
合化, 开放化和智能化以及数控标准的发展 。 目前的动向是,
开放式数控系统, 高速加工系统 。
4,2 新的 数控标准 STEP-NC
4.2.1 STEP-NC标准的产生及概念
1.产生：
?数控发展已 50多年了, 编程还在采用 G,M代码, 地址字的
程序格式 （ ISO6983）, 它 是面向运动和开关控制的 语言 。
?限制了 CNC系统的开放性和智能化发展的需要, 使 CNC与
CAM技术之间形成了瓶颈 。
?体现不出 IT技术与 MT技术的结合,CAD/CAM/CAE/PDM…
限制了制造业的发展 。
?为此国际标准化组织 ISO制定了, 产品 模型 数据交换标准,
STEP（ Standard for the Exchange of Product Model Data）
（ ISO10303）
?产品模型数据转换标准 STEP,是面向对象的数据模型, 将
此扩展到数控领域, 形成了 STEP-NC新 标准 （ ISO-14649）
2,STEP-NC数据模型
?STEP-NC为, 新型的 CNC控制器数据模型, 标准, 它是从
CAM到 CNC的数据模型 。
?STEP,STEP-NC是中性的,采用面向对象的语言,EXPRESS,
以面向对象的形式将产品的设计信息与制造信息联系起来，
STEP-NC数控系统能进行 CAD /CAM与 CNC一体化的加工。
?STEP-NC为 CNC系统 重新规定 CAD/CAM与 CNC之间的接
口，可以进行 数据交换。 要求 CNC系统直接使用符合 STEP
标准的 CAD三维产品数据模型（包括工件几何数据、设置、
制造特征信息、工艺信息和刀具信息），而直接产生的加工
程序用来控制机床。
3,STEP-NC研制情况
?STEP-NC是当前世界各国正在开展的研究项目。
?欧洲、美国（ Super Model项目）、韩国、日本（ Digital
Sater项目）都在积极的进行，而且关于 STEP-NC的研究已
取得了实质性的进展。
?法那科、西门子数控系统公司都宣布将执行 STEP-NC标准。
4.2.2 STEP-NC标准的内容
STEP-NC定义了一个新的应用协议 AP-238,作为 CAM与
CNC之间数据交换的具体规范 。
1,AP-238
AP-238包括从产品概念到成品（零件）全过程所需的全部信
息。其中有：
?三维几何信息 --AP-203/AP214；
?特征信息 ---AP-224；
?工艺信息 （ 如车, 铣, 放电加工等 ） --AP-219；
?检测信息 ---AP-219等等。
2,STEP-NC 标准（草案）内容：
有关基本规则与铣削加工的标准 （ 草案 ） 已完成, 包括：
?基本概念和规则 （ Part 1） ；
?通用数据 （ Part 10） ；
?数控铣削加工工艺 （ Part 11） ；
?刀具, 铣削刀具 （ Part 111） 等 。
正在制定的 STEP-NC标准有：
?数控车削加工 （ Part 12） ；
?放电加工（ Part 13）；
?木材和玻璃加工（ Part 14）；
?检测（ Part 15）等。
3,标准通用数据
包括二大部分,
工件（ Workpiece，指成品）和工作计划（ Workplan）。
?工件上需去除的材料的区域由一系列加工特征（ Machining-
feature）定义。
?工作计划包括若干工作步骤（ Working step）。
?工作步骤将具体的加工特征（如平面、复杂曲面、孔等）与
具体的操作（ Machining-operation）联系起来。
?操作（ operation）本身是 ISO-14649定义的一个面向的概念，
涉及加工方法、刀具、刀轨、工艺策略等。
4.2.3 STEP-NC数控程序结构
1,STEP-NC数控程序编制的原则：
?采用了 ISO-10303数据格式和面向特征的编程原则。
?以工作步骤为加工流程的的基本单位。
?将特征与技术信息联系到一起。
?每个工作步骤只定义一个具体操作（干什么、如何干、只
能用一种刀具和一种策略）
2,程序结构：程序结构分为文件头和数据段
?文件头以 HEADER为标记，主要说明文件名、编程者、日
期以及注释等。
?数据以 DATA开始，包含了加工零件所需的所有信息和操
作任务。根据规定，首先要有一个 PROJECT语句。
?其后的内容可分为三部分：
?工作与可执行语句 （ Executable,包括工作步骤, 一般 NC
功能如信息显示等, 流程控制 ） 。
?技术描述 （ 刀具, 机床功能, 加工策略等 ）
?几何描述 （ 几何数据, 加工特征等 ）
?ENDSEC为程序结束标志 。
3,例子 （西门子公司开发的,其中的斜体为特意加入的说明 )：
HEADER ; 文件头部 开 始 语句
…
ENDSEC ; 文件头部分 结束
DATA ; 数据段开始
# 1 = PROJECT(Workplan #10) ; #1规划由 工作计划 #10完成
#10=Workplan(#20,#35,… ) ;#10包括,#20工步, #35工步, …
…
#20=Machining - Workingstep(,#21 (feature),#22
(Machining) ;#20为加工工步，包括,#21加工特征,#22加工操作
#21=Round hole(‘ Hole M6 ’,,… ) ;被加工的是 M6‥,圆周孔
#22=Drilling(#(Tool),,,#(technology),#(Machine -
functions) ; 钻削加工（刀具、工艺、机床功能）
…
#35=Machining - Workingstep(… ) ; #35为加工工步
… 其它 加工工步
ENDSEC ; 程序结束 （ 数据段 ）
说明：文件程序名,编者、日期、注释
4,STEP-NC特点,废弃了传统的数控程序,无后置处理，无
G,M代码。 ISO14649的目标为：
① 改进 CAD/CAM 系统与 CNC控制器之间的连接，数据传递。
不采用刀具运动编程，而采用工作步骤面向对象的概念。工
作步骤相应于高级特征和过程参数。 CNC对工作步骤解析
为坐标的运动和刀具的动作。
② 数据模块必须包括所有的复杂级别（从加工时，指令的 CAD
几何数据到离散值的简单轴运动）。
③ CNC 程序设想可以放在新开发的 CNC控制器上,也可能放在
分离的支持和改进现有 CNC控制器的高级系统上（包括各种
网络）。
④ 对于数控程序的新标准将提供机床操作者更多的柔性、功能、
统计表的编辑定义、相关控制和几何过程的修正。
⑤ 新标准允许操作者因为专用机床和技术，而执行专门的功能。
⑥ 对于最终用户新的标准提供统一的编程格式，使程序准备更
快、更廉价。
⑦ 较少的后置处理，而且更标准化。在数控编程级 CAD/CAM
系统和 NC系统之间的数据交换将更方便。
4.2.3 STEP-NC为计算机数控（ CNC）提供的发展空间
STEP-NC的发展使得 STEP标准扩展到自动化加工的底层设备，
建立了一条贯穿整个制造过程的高速公路。将影响相关的 CAX技
术（ CAD,CAPP,CAM,CAE,PDM,ERP等）、刀具、机床、夹具、
先进生产模式等。主要有以下几方面：
⑴ 数控编程界面；
⑵ 数控系统的开放性；
⑶ 数控系统的智能化；
⑷ CAM和 CNC之间的功能重新划分 （ 嵌入式 CAM） ；
⑸ 加工质量和效率, CNC改变被动执行者的地位；
⑹ 数据共享与网络制造 。
4,3 开放式数控 （ OPEN CNC ）
4.3.1开放数控的产生和发展：
1.产生的原因
?当今的 CNC控制器是个黑匣子，封闭保密，制造厂和用户不
能把特殊加工工艺、管理经验和操作技能等放进去，要求透
明, 因此需要开放结构的数控系统 。
?现在的 CNC技术 （ 其核心为 CNC控制器和驱动技术 ） 及结构
为专用的软硬件, 远落后于 PC的主流技术 。 升级困难, 各厂
家产品不兼容, 成本高 。
?用户界面不灵活, 网络功能弱, 系统维护培训昂贵 。
2,发展情况：
?美国,OMAC
1981年, 国防部为了减少军备制造对日本控制系统的依
赖性, 开始了一项名为, 下一代控制器 （ NGC）, 的计划,
并成立了, 美国国家科学制造中心,, 该计划于 1991年终
止, 完成了, 开放式系统体系结构标准 （ SOSAS）, 。
1995年, 在 NGC的基础上, 由 美国国防部资助又开始了由
20个公司合作的, OASAY” 计划, 目的是建立 8个控制器并
在 6个不同的系统平台上测试这 8个控制器 。
1994年 美国汽车工业为了解决自身发展过程中碰到的一系
列问题, 由克莱斯勒, 福特和通用三家大汽车公司 开始了一
项名为：
“开放式模块化体系结构控制器（ OMAC-Open Modular
Architecture Controls）, 的计划。
?欧洲, OSACA
1992年 在欧洲，启动了一项,自动化系统中控制器的开放
系统体系结构（ OSACA-Open System Architecture for
Controls within Automation Systems）, 的联合计划。由 22
家
欧州的机床生产商、控制开发商、控制集成商和研究机构参
加，后来扩大到 27名会员。
?日本,OSEC
1995年日本六家公司,东芝机器制造公司、丰田机器厂、
MAZAK公司、日本 IBM、三菱电子公司和 SML公司共同实
施了,控制器开放系统环境 计划。 OSEC-Open System
Environment for Controllers”的计划。
OMAC,OSACA,OSEC是在当前开放式控制系统领域内
有很大影响的三个计划。这 几大开放数控系统计划正在执行
中，已有了自己的标准和样机产品。
4.3.2 开放性,
开放式数控系统，不但要求模块化、网络化、标准化 (用户界
面、图形显示、动态仿真、数控编程、故障诊断、网络通讯 )，
而且对实时性和可靠性要求很高。其特点：
①可 移植性：在保持应用模块功能的情况下，不需任何变化就
可以应用到不同的平台上。
②可 扩展性：不同的模块能运行于一个平台，而不出现冲突。
③ 互操作性：模块在一起工作时，表现为相互协调，可以根据
定义相互交换数据。
④ 可维护性：用户修方便。
⑤ 统一的人机界面 。
4.3.3 结构, 目前开放的数控系统结构有 3种：
① 基于 PC的 CNC系统 （ 软数控, Soft CNC）,
以 PC机为平台，数控功能由软件模块实现，但要决实时性的
问题。运动执行通过伺服卡传递数据，由伺服系统驱动坐标
轴电机。 全方位开放。
① 基于 PC的 CNC系统 （ 软数控, Soft CNC）,
以 PC机为平台，数控功能由软件模块实现，但要决实时性的
问题。运动执行通过伺服卡传递数据，由伺服系统驱动坐标
轴电机。 全方位开放。
② PC嵌入式,把一块多轴运动控制卡插入传统的 PC中，运动卡
运行以坐标轴运动为主的实时控制（作为数控功能运行）。
PC作为人机接口平台 。 易实现，研究单位和高校。
③ PC + CNC （融合系统）,专业厂家认为 CNC系统最主要功
能是高速、高精加工和可靠性，向 PC在的死机现象是不允许
的。已生产的大量 CNC系统在体系结构上变化，对维修和可
靠性不利。故采取了：增加一块 PC板，提供键盘，使 PC与
CNC 联系在一起的方案。可界面开放，提高人机界面的功能
。 专业 CNC系统厂家（如 fanuc,siemens等）现在都这样做。
4,4 CNC控制器的发展趋势
4.4.1多坐标、多通道控制。 FANUC 30i-MODEL A：
?十个通道,40个轴（ 32个进给轴,8个主轴）
?联动轴数 24/每通道 。
?3个 PMC通道。最大 I/O点数 4096/4096
?PMC基本命令速度 25ns。
?最大预读程序段,1000段。
(适合作为大型自动机床、复合机床、多头机床的控制器 )
4.4.2 高速高精、低速高精加工功能
1.新功能
?前馈控制。 补偿由于反馈滞后所产生的误差，提高加工精度。
?进给率和加减速曲线控制。 减少加减速滞后所产生的误差。
?前瞻控制。 在程序执行前，对运动数据进行计算处理和多段
缓冲，从而控制刀具以很小的误差进行高速运动。
?平滑运行的高精度轮廓控制。 对指令的实时识别，最佳的控
制速度、加速度、加加速度，使加工保持最佳状态。
?数字滤波器技术。 用以消除机械谐振，提高伺服系统的位置
增益。
?高精高速进给伺服系统、高精高速 主轴 伺服系统。
?高增益的驱动器、控制单元、电机；
?提高编码器的分辨率,1600万 /转；
?直线伺服电机驱动，提高进给刚度；对于直线电机，设计数
字滤波器以避免直接驱动机械带来的多点谐振。
?主轴采用交流同步伺服电机驱动时，高增益控制、无齿槽效
应高分辨率电机，使主轴低速时转矩大、精度高；采用交流
异步高分辨率伺服电机驱动时，高速度高精度。
?纳米控制, 在系统检测分辨率为 1? m时，插补分辨率为 1nm。
采取措施,CNC内部计算以纳米或更小的单位计算，使误最
小化；高精度的交流数字伺服控制；很高的电流检测精度；
相应的硬件（ RISC芯片）。
?纳米平滑功能：以纳米为单位评估原始曲线，圆整指令公差。
使加工自由曲面时，减小或消除程序段之间出现的条纹。
?NURBS插补。
2,NURBS插补简介
1）概述
?高速加工 CNC控制器具有 NURBS插补功能，可以接受 CAM
软件传来的 BURBS格式的刀位轨迹数据,进行 BURBS插补加工。
? 在 CAM软件的刀位轨迹计算时，直接输出定义 NURBS曲
线的“控制点”、“权重”、“节点”，然后通过后处理译成
机床 CNC系统可识别的 G代码,CNC以插补速率对原始的
NURBS曲线进行插补加工。
? 常规的 CAM后置处理提供二种插补：直线插补和圆弧插补，
常用线性插补逼近。高速加工设备出现了 NURBS曲线插补，这
使 CNC系统具备了能自动进行 NURBS格式定义的加工域生成的
能力。各种插补比较如下：
图 4,4 - 1 NURBS曲线的插补方式
公差
CAD的
NURBS曲线
CAM的
直线插补
基于点集
的直线插补
基于 NURBS
的样条插补
2） NURBS插补的优点：
① 与线性插补相比, CAM输出的 NURBS插补的刀位文件大为
缩短, 只有其 1/10~1/100。 由于高速铣采用小的刀具, 小的切
削量和窄的公差带, 如公差带设置为 ± 0.002mm或更小, 按照
常规的插补方法, 这个程序的长度会很大, 可能达到 100MB以
上, 许多机床的 CNC控制器不能接受 。
② NURBS插补比采用近似分段的直线和圆弧插补更为准确,
刀位 轨迹更加平滑 。
③ NURBS插补速率快, 精度高 。
例如,GE Fanuc NURBS插补采样周期为 1ms,加工处曲率半
径为 50mm,产生的法向加速度为 0.2g,以 18.8m/min的高速进
行加工 。 计算：
一个插补周期的轮廓步长
L = fT= 18.8m× 1000/min× 60× 1000
= 0.313mm
插补误差 e = (Ft)2/8r = 0.3132/8× 50 =0.0002448mm
= 0.245μ m
④ 改变高速切削的表面质量 。得到平滑精确的表面，如采用
内、外公差（ Intol/Outtol）会得到更加平滑的刀具轨迹。
⑤ NURBS插补可缩短加工时间 。 由于机床存在惯性, 在用直线
插补时, 存在直线拐角处的拐角运动, 为了避免冲击, 机床一
般按平滑规律进行加减速处理 。 这样每到一拐角就要降低速度,
然后再加速 。 而 NURBS插补是光滑的, 能在加速度允许的范围
内以最大速度进行加工 。
有的专家认为,提高数控加工质量, 速度的最好办法之一是高
速加工技术和 NURBS插补的结合
3） NURBS格式输出的系统模型
NURBS插补由 CAD---CAM---CNC的过程见下图：
?
.
曲面模型 刀具轨迹曲线
NURBS曲线
NURBS格式输出：控
制点, 矢量, 权重
CNC机床
NURBS插补
CAD CAM CNC
图 4.4-2 NURBS格式输出的系统模型
4） NURBS插补指令的格式：
G6.2 P? K? X?????Y?????Z-?????R ?.
在 UG中, 如果选择了 NURBS选项后, 要回答三个问题：
① 分段的 NURBS曲线是否联接成一条曲线 。
② 角度公差控制 。 两个 NURBS曲线的切线的夹角, 为了光滑选
为 5° 或更小 。
③ 拟合公差控制 。
目前支持 NURBS功能的 CNC系统有,FANUC系统的 15B,16C、
16iMA,18i,Seimens,Heidenhain,Makino,Fidia等 。
G6.2 P4 K0,X11.8986 Y1.7906 Z-1.9404 R1.
NURBS插补 G代码
NURBS曲线的阶数 控制点坐标
控制点矢量 权
图 6-7 FANUC系统 NURBS指令格式
4.4.3 五轴加工和复杂加工功能；
五轴加工工艺合理，对三维曲面加工可充分利用刀具的
最佳几何形状进行切削，在复杂形状的高速高精加工中，可
以提高效率提高光洁度。
五轴加工的机械配置有刀具旋转方式、工作台旋转方式
及它们的混合方式。五轴加工功能要满足各种配置。
功能为：
? 刀具轴方向的长度补偿。
? 五轴加工刀具中心点控制 。
? 五轴加工刀具半径补偿。
? 三维圆弧插补，可以指定倾斜平面内的圆弧。
? 五轴加工刀具中心点控制 。
? 倾斜加工指令。
? 五轴加工用手动进刀。
4.4.4数控智能、环保、安全技术
1,智能
1） 智能技术
随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展,数控系统的智能
化将不断提高。主要为：
① 应用自适应控制 （ Adaptive Control） 技术
数控系统检测加工过程中的一些重要信息, 并自动调整系统的
有关参数, 达到改进系统运行状态的目的 。
② 引入专家系统指导加工
将熟练工人和专家的经验, 加工的一般规律与特殊规律存入系
统中, 以工艺参数数据库为支撑, 建立具有人工智能的专家系
统 。 当前已开发出模糊逻辑控制和带自学习功能的人工神经网
络的数控系统和其它数控加工系统 。
③ 引入故障诊断专家系统
④ 智能化伺服驱动装置
可以通过自动识别负载而自动调整参数，使驱动系统获得
最佳的运行状态。
2） 智能技术应用
机床的智能化不仅可实现远程诊断, 远程服务, 而且使
机床融合了信息技术和管理技术 。
① 日 本 Mazak公司的 Integrex e系列车铣中心为五轴联动
（ X,Y,Z,B,C） 。
可通过开放式 CNC系统与公司的 e塔式信息中心交换数
据, 从局域网下载零件图纸, 加工程序, 对零件加工过程进
行监控, 录像, 以便对加工中心出现的问题进行检查分析 。
机床采用的信息技术为操作者和管理者提供了广泛支持 。
包括：显示生产进度 （ 用 CCD摄像头和特有的结构监控 ）,
辅助操作者改善机床的操作, 使机床由报警状态快速恢复正
常, 显示加工完成情况报告 （ 通过移动电话 ）, 机床报警通
知, 时间显示, 加工完成时间, 要求维护保养通知等等 。
机床还有指纹识别系统, 机床可进行车, 铣, 钻, 热处
理, 磨等加工 。
② 意大利的板材加工线
编程系统采用三维图像自动编程, 并进行成型工艺仿真,
监控机床的使用状况, 预警维护保养 。
还可以计算工时, 成本, 交货期, 通过远程通讯解决用户
编程中的难题 。
2,环保
环境保护越来越受到重视 。 节地, 节能, 低噪声, 干切削,
无液压, 免润滑 （ MQL－ Minimum Quit Liquid）, 是今后数
控机床发展的新特点 。
机床普遍采用即坚固美观, 又方便操作的 全封闭活动罩门,
防止切削液飞溅和形成油雾 。 安装 油雾分离器 使排除的只是不
含油的雾 。
在切削加工中, 作为重要环保措施的干切削, 是指在加工
过程中不使用或极少使用冷却润滑液 。
干切削的技术措施：
刀具采用耐热性和散热性良好的涂层材料 。
无润滑的解决办法是：采用润滑性能优异的 涂层物质, 设
计有利于断屑和排屑的刀具形状和几何参数 。
许多机数控床实现了干切削, 特别是齿轮加工机床很多都
是干切削的 。
干式切削要解决的问题是刀具寿命, 切屑的及时排走和价
格问题 。
3.安全
安全分三个层次：操作者, 机床和工件 。
?人的安全是通过带电子锁的全封闭罩 （ 甚至是防弹玻璃 ）
和双手操作按钮来保证；
?在突然停电或遇突发故障时, 刀具会迅速与工件分离, 保
证机床安全；
?工件的安全通过传感器和安全开关来保证 。
4.4.5 复合数控功能
1.定义：
复合加工是指在同一机械上，可以进行多种工艺的加工。
如一圆柱体各部位加工：在一台机床上车削外圆、镗内孔、铣
圆柱面上的沟槽等，可提高生产率。该机床上要有进行复合加
工功能的控制系统。如“车铣加工中心”,“铣车加工中心”
的数控系统是铣、车等功能的复合。
2.车铣复合中心
车铣复合中心是由车削中心衍生出的车铣复合中心 。 在数
控车床的托板上增加大功率, 高转速的电主轴动力头 。 电主轴
头除了随托板作 X,Z轴运动外, 还作垂直于 X,Z平面的 Y轴运
动和绕 Y轴回转的 B轴运动, 从而达到了车铣复合 。
?奥地利 WFL公司的 Millturn系列, 9轴数控车铣复合中心,
是一种集车削中心, 五轴加工中心, 深孔钻和三坐标测量机的
所有功能复合 。 整机可以进行车, 铣, 钻, 镗, 插, 滚齿等各
种操作 。
?,7轴两个五轴联动数控车床, 该机结构为卧式双主轴,
单刀塔 。 双面布置的两个主轴每个都可作 C轴旋转和 Z轴运动,
刀塔作 X轴 Y轴运动和 B轴旋转, 刀塔上可配 24把刀具 。 两个
主轴头可分别与刀塔实现五轴联动。
?,7轴排刀数控车床, 其为卧式双主轴刀排式布局, 双主
轴均带 C轴控制, 两个主轴分别配置动力刀排, 实现七轴控制 。
3.铣车中心
铣车中心已系为主, 带有车的功能 。
?瑞士的铣车中心是在立式加工中心上带棒料自动送料器,
以棒料为坯料复合了车削功能 。 主轴最高 转速为 20000r/min，
机床 X,Y,Z,A,B等多轴可控 。
?德国的 Stama,美国的 Saas也有铣车中心 。
?数控滚－磨机, 蜗杆－成型磨齿机及集自动上下料, 检测,
刀具对中, 磨齿及修正砂轮于一体的磨齿机均为复合机床 。
?复合数控机床还有,卧式镗铣和深孔钻的复合机床, 板材
冲和激光切割 （ 或等离子切割, 火焰切割 ） 的复合机床 。
4.4.6 进网通讯功能,以太网、现场总线、无线
通讯技术。
PC,CNC对多台机床进行集中监控和管理需要通过网络
通信。传送程序，监控加工状态，传送维修数据、进行远
程控制操作和诊断，传送 CAD/CAM数据。现代的网络制
造系统要求 CNC系统有很强的网络通讯功能。
4.4.7 高可靠性、高安全性；采取措施,
?采用光纤通讯，减少电缆连接；
?采用纠错码（ ECC ）；
?采用双检措施：在 CNC内嵌入多个处理器冗余的监控伺服
电机、主轴电机、与安全相关的 I/O信号，并使用急停与
相关的 I/O电路，使系统安全的运行和停止。
4.4.8 控制器的开放性（开放式数控系统）
前面已介绍，要注意几点：
?要保证实时性，不是现在的 PC机拿来就能用。
?开放性和可靠性时是有矛盾的，注意解决它们之间的关系。
?开放是有层次的，按模块或组件，不能无限开放。
4.4.9 STEP-NC数控系统
有两种方案：一是增加 STEP-NC程序的编译器、二是重
新设计开放式 CNC系统。这样才能以 STEP-NC标准编制的程
序，进行 CAD/CAM与 CNC一体化的加工。
4,5 伺服驱动技术的发展
4.5.1全数字化伺服系统的组成
通讯
ASIC
位置测量传
感器
位置实际值
速度实际值
电流实际值
电流测量传
感器
Gating
unit通讯
进给控制
速度控制 电流控制 转换器
驱动总线 驱动模块
EM
1FT6
电机 编码器
数字系统的进给控制
传动系统及控制方案图
纱架 W随动坐标
主轴 C坐标
摆头 A坐标
小车 Z坐标
伸臂 X坐标
上位机
变频系统及 NC
数控单元
PLC逻辑控制器
操作面板
电源及保护
空调
控制柜
操
作
台
4.5.2新发展的主要技术
伺服驱动技术是数控技术的重要组成部分。与数控装
置相配合，伺服系统的静态和动态特性直接影响机床的位
移速度，定位精度和加工精度。现在，直流伺服系统被交
流数字伺服系统所取代；伺服电机的位置，速度及电流环
都实现了数字化；并采用了新的控制理论，实现了不受机
械负荷变动影响的高速响应系统。
1,前馈控制技术 。
过去的伺服系统, 是把检测器信号与位置指令的差值
乘以位置环增益作为速度指令 。 这种控制方式总是存在着
跟踪滞后误差, 这使得在加工拐角及圆弧时加工精度恶化 。
所谓前馈控制, 就是在原来的控制系统上加上速度指令的
控制方式, 这样使伺服系统的跟踪滞后误差大大减小 。
2,机械静止摩擦的非线性控制技术 。
对于一些具有较大静止摩擦的数控机床, 新型数字伺
服系统具有补偿机床驱动系统静摩擦的非线性摩擦的非线
性控制功能 。
3,伺服系统的位置环和速度环（包括电流环）均采用数
字闭环，软件计算、数字调解等 。
为适应不同类型的机床, 不同精度和不同速度的要求
,预先调整加, 减速性能或自动调整加, 减速性能 。
4.采用高分辨的位置检测装置 。
高分辨率的脉冲编码器, 内有微处理器组成的细分电
路, 使得分辨率大大提高, 增量位置检测为 10000p/r
（ 脉冲数 /每转 ） 以上；绝对位置检测为 1000000p/r、
16000000以上 。
5.补偿技术得到了发展和应用 。
现代数控系统都具有补偿功能, 可以对伺服系统进行
多种补偿, 如丝杠螺距误差补偿, 齿侧间隙补偿, 轴
向运动误差补偿, 空间误差补偿和热变形补偿等 。
6.采用光栅尺的全闭环系统
7.矢量控制技术 。
4,6 机械结构技术
为适应数数控技术的发展, 机械结构也发生了很大的变化 。
为缩小体积, 减少占地面积, 更多地采用 机电一体化结构 。 为
了提高自动化程度, 而采用自动交换刀具, 自动交换工件, 主
轴立, 卧自动转换, 工作台立, 卧自动转换, 主轴带 C轴控制,
万能回转铣头, 以及, 数控夹盘,,, 数控回转工作台,,
,动力刀架, 和, 数控夹具, 等 。
为了提高数控机床的动态特性, 伺服系统和主机进行很好
的机电匹配 。 同时主机也借助计算机进行模块化, 优化设计 。
4.6.1 设计思想的发展
机床是工作母机, 机床制造必须连续不断的开发新思想,
满足用户对产品制造质量和效率日益提高地要求 。 单纯优化现
有工艺和一再提高机床的功率是远远不够的 。
在新的驱动技术和运动学领域的新开发, 轻型化的新材料,
环保生产, 机床安全, 精度和测试技术, 微型制造和微型装卸
技术等方面的研究值得注意 。
机床的运动分配和运动设计已经打破传统的金切机床分类,
?不管是工件旋转还是刀具旋转为主运动, 只要工件和刀具
之间有相对运动就行, 并要求这种布置为最佳 。
?机床的动力头在同一台机床上有时作传统意义上的主轴使
用, 有时又作动力刀具的旋转轴使用 。
?在同一次装夹的情况下, 上一工步工件旋转作为主运动,
下一步则是工件的进给运动 。 以, 完全加工, 的理念进行工序
复合和功能复合 。
4.6.2 机床功能部件
1,电主轴；
驱动, 轴承, 润滑, 冷却, 本体 （ 动平衡, 减轻重量 ） 。
电机：交流同步 （ 额定转速下, 横扭矩 ）, 交流异步 （ 高
速性好 ）
2,直接驱动：旋转直接驱动, 直线直接驱动；
旋转直接驱动：力距电机, 低速大扭矩 。
直线直接驱动：直线电机, 已解决漏磁和发热问题 。 加速
度可达 3个 g
3,滚动部件：滚珠丝杠副, 直线滚动导轨；
精紧自润滑滚珠丝杠, 加速度可达 2g。
4,数控刀架；
数控刀架形式多样 （ 德国, 意大利 ） 刀架的控制和驱
动采用伺服电机或液压系统, 回转 180° 的时间安已缩
短到 0.5s。 刀架 ° 品种繁多, 可以为各种数控车床, 车
削加工中心配套 。
5,铣头；
为数控铣床, 加工中心, 车铣中心等配套的各式各样铣
头 。 车铣中心用的 B轴铣头, 可在 210° 范围内摆角进行
高精度铣切加工；数控铣床, 加工中心用的二坐标铣头
能 A,B轴 （ 立, 卧二用 ） 摆角, 可加工任意空间面 。
6,数控转台；
已有了二坐标数控转台, 具有连续分度和鼠牙盘分度二
种形式 。 它具有双耳轴, 平台能倾转, 转台上配备交换
工作台接收装置 。
7,刀库；
刀库容量增大,
◇ 大容量, 刀位不动的, 货架式, 刀库 用工业机器人取放
的刀具；
◇, 圆柱形立体刀库, （ 德国 ） 在圆柱内可容纳 500把刀,
圆柱中心的工业机器人按程序预选, 取放, 并传递给机
床主轴；
◇, 框架式刀库, （ 瑞士 ） 该刀库每个模块可容纳 96把刀
具, 模块外形 1.8× 1× 2.25m,可以层层叠加扩展容量 。
刀库内机械手按程序抓放刀后, 先传递给一个作为, 二传
手, 的接接模块, 再对机床换刀 。
◇ 数控刀架形式多样 （ 德国, 意大利 ） 刀架的控制和驱动
采用伺服电机或液压系统, 回转 180° 的时间安已缩短到
0.5s。 刀架 ° 品种繁多, 可以为各种数控车床, 车削加工
中心配套 。
8,棒料自动送料器；
9,润滑系统, 排屑系统等等 。
10.高速多轴转塔头
塔头的主轴有 2,3,6,8个等多种, 转速最高可达 12000～
18000r/min,功率 4～ 50kW。
4.6.3 并联机床进入实用阶段
并联机床自 94年在美国芝加哥国际机床展览会上面市以来, 有了很
大发展, 结构紧凑而且增大了工作空间, 机床刚度和工作精度进一
步提高, 已进入实用阶段 。 主要用于汽车业, 航空业和模具业 。 在
加工中心和可移动 FMC中也采用了并联结构 。
有六杆, 三杆, 立式, 卧式并联机床, 结构形式为并联, 串联和混
合结构, 可采用直线电机和电主轴 。 并联机床的工作台有固定台,
可交换台, 水平分度台, 滑座床身等多种 。
现已达到的最高精度：定位精度为 ± 5μm,重复定位精度为 ± 1.5μm。
过去并联机床的最大问题是精度不如传统结构机床, 其原因一是坐
标轴 （ 支杆 ） 的位置精度不高, 二是由于热效应和切削力引起的变
形 。 现在杆内除装有滚珠丝杠外, 还有检测杆自身长度的测量系统,
通过补偿校正运动精度 。
4.6.4 数控激光加工领域有了新的进展
激光加工机床有：用于板材下料的激光切割中心、激光龙门铣切机
床（可以五轴联动）、激光雕刻机床、激光加工中心（三个光学轴，
三个机械轴）、高速铣切和激光加工复合机床。功率：精细加工为
几百瓦、切割等为几千瓦。
激光器有,CO2激光器、固体激光器 YAG、准分子激光器
（冷切削）。
激光加工工艺方法：激光铣切、激光雕刻铣切、激光焊接、激光
表面处理、激光打孔、激光切割等。激光铣切的进一步发展，有
可能取代部分电加工机床。
激光加工范围：“激光束能”（激光束直径 Φ0.04MM～
0.1MM）几乎对所用材料都能加工，如精密膜具和工件加工、膜
型制造、珠宝加工、薄片加工、刀具加工、陶瓷的精细雕刻（这
是一般铣削和电火花加工所不能比拟的）。
加工精度,10μm，表面粗糙度,1μm。
4.6.5 成套、成线制造装备 。
4.6.6 工业机器人技术融入数控机床，促进成套技术向自动化方
向发展 。
4.7 编程技术的发展
4.7.1 数控编程技术的发展
数控编程技术是实现数控加工的主要环节, 发展趋势,
?由手工编程发展到自动编程
?由 APT语言形式发展到自 CAD/CAM自动编程 。
此外还有下面特点：
1.脱机编程发展到在线编程 。
传统的编程是脱机进行的 。 由人工, 计算机以及采用编程
机来完成, 然后再输入给数控装置 。
现代的 CNC装置有很强的存储和运算能力, 把很多自动编
程机具有的功能, 移植到数控装置的计算机中来, 在人工操作
键盘和彩色显示器的作用下, 在线的以人机对话方式进行编程,
并具有前台操作, 后台编程的功能 。
2.具有机械加工技术中的特殊工艺和组合工艺方法的程序编
制功能 。
除了具有 圆切削, 固定循环 和 图形循环 外, 还有 宏程序设
计, 子程序设计功能, 会话式自动编程, 蓝图编程 和 实物编程,
功能 。
3.编程系统由只能处理几何信息发展到几何信息和工艺信息
同时处理的新阶段 。
新型的 CNC系统中装入了小型工艺数据库, 使得在线程序编
制过程中可以自动选择最佳切削用量和适合的刀具 。
4.7.2 基于 CAD/CAM软件的交互图形自动编程
4.7.2.1 CAD/CAM软件数控编程简介
交互图形编程的实现是以 CAD技术为前提, 编程的核心是
刀位点的计算 。 对于复杂零件, 其数控加工刀位点的人工计算
十分困难 。 而 CAD三维造型包含了数控编程所需要的完整的零
件表面几何信息, 计算机软件可针对这些几何信息进行数控加
工的 刀位自动计算 。 绝大部分数控编程软件 （ CAM） 都具有
CAD功能, 因此称为 CAD/CAM一体化软件 。
基于 CAD/CAM软件的交互图形编程技术与 CAD技术相比
较要简单的多, 其实现过程基本固定, 其操作简单易学, 然而
对经验依赖较强 。 目前, 市场上流行的 CAD/CAM软件种类较
多，均具备了交互图形编程的功能，操作大同小异。
4.7.2.2 常用 CAD/CAM软件简介,
1,UG（ Unigraphich） 为 EDS公司产品, 是世界上处于领
先地位的最著名的几种大型 CAD/CAM软件之一 。
2,PRO/E同上 。
3,Cimatrom 为 1982年成立的以色列 Cimatrom公司产品
该软件具有功能齐全, 操作方便, 学习简单, 经济实用
的特点, 受到小型加工企业的欢迎, 在我国有广泛的应
用 。
4,MasterCAM 为美国 CNC Software公司研制开发的 CAD
/CAM系统, 它与 Cimatrom相识, 也是一种简单易学经济
实用的小型 CAD/CAM软件 。
5,CATIA等
6,POWERMILL等 。
刀位轨迹计算
CAD造型
加工工艺分析和规划
参数设置
仿真校验
后处理
刀具设置
加工工艺参数设置
切削方式设置
加工对象设置
图 4.7-1 CAD/CAM交互图形编程流程
4.7.2.3 基本实现过程
1.CAD/CAM交互图形编程的过程和内容
2.包括内容：
（ 1） CAD造型 是交互式自动编程的基础, 编程人员需要掌
握一定的三维造型技术 。
?零件造型
?装配图
?工程图
（ 2 ） 加工工艺分析和规划,
⑴ 加工对象及区域规划 。
⑵ 加工工艺路线规划
⑶ 加工工艺和加工方式确定
（ 3） 参数设置,
① 加工对象
② 刀具设置
③ 加工工艺参数设置
④ 切削方式设置
（ 4 ） 刀位轨迹计算
（ 5 ） 仿真校验
（ 6 ） 后处理
3,编程的质量判定标准为：
⑴ 程序是正确的, 完备 （ 如不存在加工残留区域 ）, 零件加工质量稳定 。
⑵ 误差控制：包括插补误差, 残留高度控制等 。
⑶ 程序的稳定性好可读性好, 易于调试和修改 。 例如：要改变非圆曲线的逼
近步长或曲面的走刀行距, 只需修改某一个参数即可, 而不必修改整个程
序 。 当刀具半径变化或零件安装位置改变, 不需改变程序
⑷ 充分发挥系统功能, 使程序最短 。 例如：系统有型腔宏指令, 一条指令可
以编出一个铣腔程序 。 若弃之不用, 改为一刀一刀的描述, 则势必造成程
序冗长 。
⑸ 程序的通用性好 。 若有系列零件, 则只需编一种, 其余只要修改关键尺寸,
程序即可使用 。
⑹ 加工效率,即在保证加工精度的前提下, 加工程序的执行时间越少越好 。
⑺ 安全性：指程序对可能出现的让刀, 漏刀, 撞刀及过切等不良现象的防
范措施和效果 。
⑻ 工艺性,包括进退刀的设置, 刀具选择, 加工工艺规划 （ 加工流程及余
量分配 ）, 切削方式 （ 刀位轨迹形式选择 ）, 接刀痕迹控制及其他各种
工艺参数 （ 如进给速度, 主轴转速, 切削方向, 背吃刀量等 ） 的设置等 。
⑼ 编程成本低, 运行成本要低, 后续加工成本低 。
4.用 CAM编制程序的优化
由于数控系统及机床各异, 尽管有专用后置处理或万能后置处理,
CAM的后置处理功能还时比较弱, 与机床 CNC数控系统功能相比, 仍有相
当差距 。 对 用 CAM编制的程序应该进行优化 。 若能既充分发挥 CAM的优点
,又能避免其不足, 还能充分发挥数控系统的功能和操作者的实践经验, 就
需要对 CAM编制的零件加工程序进行优化, 使之编出一个高水准的零件加
工程序 。 优化加工程序建议从以下几方面考虑 。
4.1 发挥系统刀具半径补偿功能 。
4.2 以圆弧插补功能代替直线逼近 。
4.3 利用系统的简化编程功能 。
系统提供了大量的简化编程功能, 如：
? 固定循环；
? 刀具补偿；
? 轮廓直接编程；
? 比例缩放和镜象；
? 坐标旋转；
? 典型形状 （ 圆周, 矩阵 ） ；
? 孔位描述计算；
? 规则形状 （ 圆形, 矩形 ） 挖腔；
? 不规则形状挖腔；
? 带孤岛型挖腔等功能 。
若 CAM的后置处理, 能按这些功能处理出零件加工程序, 则可大大缩短
程序 。 例如曲面加工, 只编出一个象限的加工程序, 利用系统的镜象功能
加工其余象限, 则程序为原来的 1／ 4。 在链轮等重复形状的轮廓加工中, 用
CAM编出一个形状的轮廓, 其余用旋转功能, 程序缩短的更可观 。 又如矩
形腔的挖腔程序, 多刀多层切削程序较长, 若能处理成挖腔宏指令, 则只需
一段程序便能完成整个挖腔加工 。
4.4 发挥系统空间刀具半径补偿功能 。
4.5 利用系统的用户宏程序功能, 缩短非圆曲线轮廓, 空间曲线甚至曲面的
加工程序 。
4.6 利用子程序功能简化编程 。
用 CAM编制子程序加工程序, 由数控系统编制主程序和子程序调用功
能 。 子程序中有大量的数值计算工作量, 由 CAM来完成 。 主程序多调用指
令用手工编程, 这样程序灵活且编程工作量又不大 。
为了保证质量和可靠性还应注意以下几点：
a) 要保持严谨细致的工作作风, 对每个设置的参数都应反复确认, 刀位轨
迹计算后, 必须进行仿真校验 。
b) NC编程操作应规范化和模式化 。
c) 对重要的加工程序应进行试切校验 。
4.7.3.1数控加工的工艺特点
⑴ 工艺内容十分具体 。
⑵ 工艺设计非常严密 。
⑶ 注重加工的适应性, 正确选择加工方法和加工内容 。
为了保证质量和可靠性还应注意以下几点：
a) 要保持严谨细致的工作作风, 对每个设置的参数都应反复确认, 刀位轨
迹计算后, 必须进行仿真校验 。
b) NC编程操作应规范化和模式化 。
c) 对重要的加工程序应进行试切校验 。
4.7.3.1数控加工的工艺特点
⑴ 工艺内容十分具体 。
⑵ 工艺设计非常严密 。
⑶ 注重加工的适应性, 正确选择加工方法和加工内容 。
根据大量的数控加工实例分析, 加工失误的主要原因：
● 工艺考虑不周；
● 计算错误；
● 编程粗心大意 。
4.7.3.2 交互图形编程工艺分析和规划的主要内容：
● 加工对象及加工区域规划；
● 加工路线规划；
● 加工工艺和加工方法规划
4.7.3.3 加工对象及加工区域规划
⑴ 加工表面形状差异较大，需要分区域加工 ;
⑵ 加工表面不同区域尺寸差异较大，需要分区域加工 ;
⑶ 为有效控制加工残留高度, 应针对曲面的变化采用
不同刀位轨迹型形式和行间距进行分区加工 。
4.7.3.4.加工工艺路线规划
⑴ 上道工序的加工不能影响下道工序的定位与夹紧 。
⑵ 加工顺序应由粗加工到精加工逐步进行, 加工余量由大到小 。
⑶ 先进行内腔加工工序, 后进行外型的加工工序 。
⑷ 尽可能采用相同的定位, 夹紧方式或同一把刀加工的工序, 减
少换刀次数与挪动压紧元件次数 。
⑸ 在同一次安装中进行的多道工序，应先安排对工件刚性破坏较
小的工序。
4.7.3.5 加工工艺和加工方法规划
⑴ 刀具选择 。 为不同的加工区域, 加工类型选择合适的刀具 。
⑵ 刀轨形式选择 。 针对不同的加工区域, 加工类型, 加工工序
选择合适的刀轨形式 。
⑶ 误差控制 。 确定合理的编程误差, 给其他误差留有余地 。 ⑶ 误差控制 。
确定合理的编程误差, 给其他误差留有余地 。
⑷ 残余高度控制 。 根据刀具参数, 加工表面特征确定合理的刀轨行间距
在保证表面质量的前提下, 尽可能提高加工效率 。
⑸ 切削工艺控制 。 包括切削用量 （ 背赤道量, 进给速度, 主轴转速 ）,
加工余量, 进退刀, 冷却液控制等诸多内容, 是影响加工精度, 表面
质量和加工损耗的重要因素 。
⑹ 安全控制 。 包括安全高度, 避让区域的确定 。
4.7.3.6 参数设置
1.加工对象和加工区域设置
⑴ 钻孔加工
⑵ 切槽加工
⑶ 外形加工
2.刀具选择及参数设置
3.切削方式设置
⑴ 等高切削
⑵ 沿面切削
⑶ 插式加工
⑷ 曲线加工
⑸ 清角加工
⑹ 混合加工
4.走刀方式选择
⑴ 平行切削
⑵ 环绕切削
端面定位
1,10锥面定位
高速刀柄（ HSK）
⑶ 毛坯环切
⑷ 螺旋切削,
⑸ 放射切削
4,7.3.7切削方式设置
刀位轨迹形式
1,二轴或二轴半加工的刀轨形式
⑴ 钻孔加工
⑵ 切槽加工
⑶ 外形加工
2,三轴加工的刀轨形式
⑴ 等高切削
⑵ 沿面切削
⑶ 插式加工
⑷ 曲线加工
⑸ 清角加工
⑹ 混合加工
走刀方式
⑴ 平行切削,也称为行切法加工
⑵ 环绕切削
⑶ 毛坯环切,
⑷ 螺旋切削
⑸ 放射切削
4,7.3.8加工工艺参数设置
1.切削用量的选择与计算
⑴ 背吃刀 量
⑵ 切削宽度
⑶ 切削速度
⑷ 主轴转速
⑸ 进给速度
2.进 /退刀控制方法
⑴ 垂直进 /退刀方式
⑵ 水平方向进 /退刀方式
3.安全与安全高度
⑴ 起止高度
⑵ 慢速下刀距离
⑶ 抬刀控制
4.刀具半径补偿与长度补偿
5.顺铣与逆铣
6.切削液开关
7.拐角控制
8.轮廓控制限制范围
9.区域加工顺序
9.区域加工顺序
4,7.3.9 数控编程的误差控制
1.刀轨计算误差
2,残余高度
4,7.3.10 数控程序的后置处理
形成特定机床的数控机工程序。
4.8 高速加工
4.8.1 概述
1,1931年由德国所罗门（ Salomon）提出高速加工，所罗
门推论：在切削速度达到 15000m/min时，切削温度达到最大
值，如果在这个临界值之后，切削速度增加，则切削温度下
降（后来研究证明，该推论不完全正确，需修正） 。
高速加工 切削速度
刀具寿命
切削力
图 4.8-1 所罗门（ Salomon）曲线
2.高速加工于 80年代进了一个高速发展时期,90年代在制造
业广泛应用。 它是 一种先进的金属切削加工技术，由于它大
大的提高切削率和加工质量，又称为高性能加工。 多用于铣削
加工。高速加工由航空工业和模具工业的需求而推动的。
现在美国和日本大约有 30%的公司已经使用高速加工，
在德国这个比例高于 40%。在飞机制造业，高速铣已经普遍用
于飞机零件的加工。
3.高速加工需具备的条件,
高速主轴单元，电主轴。
快速进给和高加 /减速的驱动系统，直线电机驱动。
高性能的高速 CNC控制系统。配以高速 加工的 CAD/CAM软件。
超硬的刀具材料（包括涂层工艺及材料）。
目前市场上出现的铣削加工机床主轴转述在 20000～
60000r/min，最高达到 150000 r/min；在 x,y,z 进给坐标方向
的最大进给速度也提高到 24～ 60m/min。
高速加工的基本出发点是 高速低负荷。 在此状态下的切
削比低速高负荷状态下切削能更快的切除材料。
4.高速加工采用全新的加工工艺，从刀具、切削参数、走刀
路径的选择及程序的编制，都不同于传统的加工。能实现：
?零件精细结构的加工；
?难加工材料的加工（淬硬钢、石墨、钛合金） ；
?微小结构（小孔、细槽）的铣削加工 ；
?薄壁类零件的加工 。
同时简化了生产工序使绝大多数工作都集中在高速加工中
心上完成。
定义,高速加工是一个相对的概念, 与加工对象, 刀具, 切
削参数有很大关系 。 一般认为高速加工的切削速度和进给率至
少是普通切削的 5~10倍 。
典型高速铣加工参数
材 料 切削速度（ m/min） 进给率（ m/min） 刀具 /刀具涂层
铝 12~20 ~2000 整体硬质合金 /无涂层
钢 6~12 ~1000 整体硬质合金 /无涂层
钢 （ 42HRC~52HRC） 3~7 ~400 整体硬质合金 /TiCN/
TiAlCN涂层
钢 （ 52HRC~60HRC） 3~4 ~250 整体硬质合金 / TiCN/
TiAlCN涂层
另一定义：利用高的主轴转速和高的进给速度, 达到高的金
属切除率, 并获得良好的加工精度和质量 。
5.高速铣应用的领域：
① 航空工工业及其零件产业：铝合金, 难切削合金 （ 如钛合
金等 ）, 薄壁结构零件, 整体材料直接加工出来的零件等 。
② 汽车 /机车工业及其零件产业：轻合金和非铁金属 。
③ 模具工业及其周边产业：模体材料为钛合金, 硬化材料等,
④机电及消费品产业：机电产品和消费品的外壳和结构。
4.8.2 高速加工的工艺及其设置
一, 高速加工工艺
1,高速加工的工艺研究
关键技术有三点：
第一是保持切削载荷平稳；
第二是最小的进给率顺失；
第三是最大的程序处理速度 。
高速铣的工艺特点如下：
◆ 很窄的公差带；
◆ 浅切削 （ 切削深度不大于刀具直径的 10%） 。
◆ 高的切削速度 （ 达到机床极限 ） 。
◆ 用斜坡和螺旋式进刀 。
◆ 大量采用分层加工 。
◆ 轮廓加工采用小的粗糙度 。
◆ 多用球头刀 。
◆ 切除率尽量保持常数 。
◆ 防止产生切削的二次切断
2,高速铣的主要工艺原则
① 粗加工
◆ 刀具总是以 5° 的倾角, 以螺旋或倾斜方式进入工件材料 。
◆ 进给率和机床转速之比应该达到最佳, 它与刀具材料和工件材料有关,
同时, 还取决于机床和 CNC系统的能力 。
◆ 要避免突然改变方向, 即使在减少进给量或刀具停止时也要避免 。 另
外, 如果进给量一下变为零, 将会引起刀具和工件之间的磨擦增大, 可
能加少刀具寿命, 或者在严重情况下, 会造成刀具的立即损坏 （ 由于产
生过渡的热 ） 。
◆ 为了平稳从容的加工硬化了的材料, 径向进刀量不得大于 6%~8%的道
具直径, 深度进给量最大不超过 5%的刀具直径 。
② 半精加工
半精加工高速铣削条件：
◆ 避免急剧的铣切运动 。
◆ 为避免过切, 刀具直接下沉到下一个切削平面 （ 层间距离较小 ）, 不可能
采用螺旋或斜坡进刀 ） 。
◆ 径向进刀量小于 6%~8%的道具直径 。
◆ 满足等量切削条件 。
半精加工常采用以下二种方法：
一是, 剩余材料铣切, 。
二是, Z向分层螺旋式铣切, 。
③精加工
精加工的高速铣条件：
◆ 避免急剧变化的刀具运动 。
◆ 避免在外形轮廓上进刀和退刀 。 轮廓铣中直接下沉到下一各深度, 如果作
不到直接下沉, 可用螺旋或斜坡下沉 。
◆ 每齿的横向进刀量 （ fz） 要与径向进刀量相当 。
◆ 采用真实的粗糙度铣切 ——用刀具粗糙度值计算步距 。
◆ 每齿进刀量为常数, 可达到最好的表面加工直量 。
3．高速铣常见工艺问题的处理
⑴ 顺逆铣
⑵ 凹, 凸角加工
⑶ 陡壁加工
⑷ 分层加工
⑸ 进退刀控制
逼近矢量
退出矢量
切削矢量
切削矢量
图 6-2螺旋、圆弧方式进退刀
⑹ 拐角加工
⑺ 螺旋驱动加工
⑻ 刀具路径的优化
⑼ 刀位轨迹的横向过渡
① 抬刀式过渡 。 为了避免行间过渡时方向急剧变化和全刀宽切削, 可用
抬刀过渡：, 高尔夫球杆, 式过渡, 抬刀到安全平面过渡 。
② 各种过渡方式 。 包括：不延伸过渡, 线性延伸过渡, 圆弧延伸过渡,
线性加圆弧延伸过渡 。
③ 步距间圆弧过渡 。
⑽ 三维轮廓加工 4．粗加工后的清理
⑾ 薄壁零件加工
4．粗加工后的清理
⑴ 基于残留材料的加工
⑵ 清根加工
二, 工艺设置
1.刀具选择
⑴刀柄的选择
⑵刀具几何参数
⑶刀具材料的选择
2,合理切削用量
4.8.3 高速加工的程序编制
1,高速加工编程关心的问题
⑴ 前视和预览功能
⑵ 固定的刀具载荷, 不要波动
⑶ 采用安全和有效的加工方法
⑸合理安排工序
2．高速加工编程的策略
⑴光滑的进退刀
⑵光滑的移刀方式
1） 行切的光滑移刀
①行切的移刀直接采用切圆弧连接
②行切移刀采用内侧或外侧圆弧过渡移刀
③切向的移刀采用高尔夫球竿头式移刀方式
a) 直接切圆弧移刀 b) 内侧或外侧圆弧过渡移刀 c) 高尔夫球竿头式移刀
图 4-6 行切光滑移动刀具
2）环切的光滑移
①环切的移刀采用环间的圆弧切出与切入连接
②环切的移刀采用空间螺旋式移刀
3）层间的空间螺旋移刀
⑶采用光滑的转弯走刀方式
1）圆角走刀
2）圆环走刀
4.8.4 充分发挥 CAM软件的高速加工特性
1.螺旋三轴联动
2.摆线式加工
3,NURBS样条编程
4.层间二次粗加工优化的功能
5.斜率分析的清根算法
6.螺旋式进刀
好的高速加工程序在机床上执行的非常快，但它的产生却需花费很长
的时间和大量的精力。更重要的是 CAM要提供强大的高速编程功能。
和现代数控的发展方向
哈尔滨工业大学机电学院
数控技术研究室
2004年 5月 12日
第 一部分 数控技术的基本概念
1.1 数控与数控机床 1.概念
◆ 数控,数字控制（ NC — Numerical Control）,以数字化信
息对机床运动及加工过程进行控制的一种方法。 NC已成为
数控加工的专用术语。
◆ 数控技术,用 数控机床（数控设备）进行 自动化加工的一
种技术，它综合应用了多种学科的知识 。
◆ 数控机床, 是实现柔性自动化的关键设备，是柔性自动生
产系统的基本单元。
● 数控技术是现代先进制造技术的基础，其技术水平和普及
程度是衡量国家综合国和工业现代化程度的重要标志。
● CNC与 CAD/CAM/CAPP /关系, 通讯
▼ CAD,计算机辅助设计 (Computer Aided Design)
▼ CAM:计算机辅助制造 (Computer Aided Maunfacturng)
▼ CAE,计算机辅助工程 (Computer Aided Engineering)
CAD CAM CAE 范畴划分
● CNC与现代先进制造系统关系, CNC用在制造系统中
CNC,DNC – FMC – FMS – CIMS – FA
并行工程、敏捷制造、数字化制造、智能制造、网络制造、
绿色制造、纳米制造、高速加工等等。
初
步
设
计
分
析
模
拟
详
细
设
计
制
图
生
产
准
备
工
艺
设
计
N
C
编
程
机
器人
编程
制
造
N
C
加
工
装
配
检
验
产
品
CAE CAD CAM
CAD/CAM
CAD/CAM/CAE
广义 CAD 广义 CAM
广义 CAD/CAM
CAPP
2.数控技术产生的原因
■高精度、高效率；
■刚性自动化不能满足的要求（手工、小规模、大规模生产）；
■柔性自动化（多品种、变批量）、复杂零件的加工（多坐
标加工）；
■计算机技术的发展。
3.数控技术的发展历史
■ 1952年，第一代电子管数控系统；
■ 1959年，第二代晶体管数控系统。随之出现刀库，机械手、
加工中心；
■ 1960年，第三代集成电路数控系统，硬逻辑数控系统（称为
NC；
■ 1970年，第四代小型计算机数控（ CNC ） ；
■ 1974年，第五代微型计算机数控（ MNC，统称 CNC） ；
■ 1980年后,FMS,FMC,CIMS、开放式数控（ open NC）系
统、智能制造系统（ IMS）大发展。
■ 1990年后,高速加工，纳米制造。
1.2 数控机床的工作原理
1.机床数字控制的原理
将被加工零件图纸上的几何信息和工艺信息用规定的代
码和格式编写成加工程序，然后将程序输入数控装置，按照程
序的要求，经过信息处理，分配，使各坐标以最小位移量为单
位移动，其合成运动实现了刀具与工件的相对运动，完成零件
的加工。
最小位移量的合成运动是 机床数字控制的基本原理, 即轨
迹控制原理（插补原理）。
◆ 点位控制,严格控制点到点的距离，不严格要求路径，运
动中不加工。 X
YO
P Q1
2 3
图 1.1点位控制
◆ 轮廓控制：
加工平面曲线、空间曲线、空间曲面时，需要多坐标联动。
以平面（两维）的任意曲线 L为例,要求刀具 Τ 沿（逼近）曲线
轨迹运动，进行切削加工。
如图 1.2所示。将曲线 L分割成,l0,l1,l2??, li等线段。
用直线（或圆弧）代替（逼近）这些线段，当逼近误差 δ 相当
小时，这些折线段之和就接近了曲线。
轮廓控制也称连续轨迹控制,它的特点是不仅对坐标的 移动量
进行控制，而且对各坐标的 速度 及它们之间的 比率 都要进行严格控
制，以便加工出给定的轨迹
11
12
13
15 16
δ
△ x
△ y14
X
1Y1O
1T
1L
图 1.2轮廓控制
:
这种在允许的误差范围内，用沿曲线逼近函数的最小单位移动
量合成的分段运动 （小线段、小圆弧） 代替任意曲线运动，以得出
所需要的运动轨迹,是数控的基本构思之一。
◆ 插补 （ Interpolation）
是用被加工轨迹的有限信息 （ 如起点和终点之间 ）, 计算插
进刀具运动的许多中间点, 进行数据点的密化工作, 然后用已知线
型 （ 如直线, 圆弧等 ） 逼近 。
插补有二层意义,基本线型的形成及如何分段逼近 。
基本线型, 由插补指令完成 。 如直线插补, 圆弧插补, 抛物
线插补, 螺旋线插补, 极坐标插补, 圆柱插补, 样条插补, 曲面直
接插补, 纳米插补, 光顺插补等, 插补指令越多, 越能实现复杂型
面的加工 。
分段逼近, 按允许的误差 。 弦线逼近, 割线逼近, 切线逼近 。
◆ 插补分类,基准脉冲插补, 数据采样插补 （ 主要方法 ） 。
◆ 基点和节点
基点,在数控加工图纸中, 基本线型的交点称为；
节点, 轮廓轨迹上的插入点 （ 逼近线型与轮廓轨迹的交点 ） 。
◆ 为什么补用数学函数直接插补？
① 计算费时间,不能满足实时控制的要求；
② 有的被加工轮廓用列表点表示的，没用数学公式；
③ 数控加工时运动不能突变，要满足加速度的要求。
2.数控机床的控制
●轨迹控制
●开关量控制
1.3 数控机床的组成及分类
1.数控机床的组成
●数控系统,I/0接口,CNC装置、伺服系统,PLC
● 机械主机,主运动机构、进给运动机构、辅助机
构、床身等
输入 数控装置 驱动装置 机床M
G
测量反馈
图 3 数控机床的组成
2,数控机床的应用
1） 多品种变批量、单件小批量的自动化
2） 柔性加工和柔性自动化
◆ 小批量而又轮番生产的零件；
◆ 几何形状复杂的零件；
◆ 在加工过程中必须进行多种工序加工的零件；
◆ 切削余量大的零件；
◆ 必须严格控制公差（公差带范围很小）的零件；
◆ 工艺设计会经常变化的零件；
◆ 贵重零件；
◆ 需全部检测的零件，等等 。
3,数控机床的分类
1） 按控制运动的轨迹特点分类
◆点位控制数控机床
◆直线控制数控机床 (单轴数控 )
◆ 轮廓控制的数控机床：分为两坐标联动,2.5坐标联动，三坐
标联动，四坐标联动，五坐标联动等数控机床。五坐标联动
是关键技术。
2）按伺服系统的控制类型分类
◆ 开环控制的数控机床
◆ 全闭环控制的数控机床
◆ 半闭环控制的数控机床
3）按工艺方法分类
◆ 金属切削类数控机床：
数控车床，数控铣床、数控钻床、数控磨床、数控镗床以及加
工中心等。
◆ 金属成型类及特种加工类数控机床
4） 按功能水平分类：
◆ 高、中、低档（亦称经济型）
5）按 驱动方式 分类
◆ 步进式
◆ 直流伺服
◆ 交流伺服（交流模拟、交流数字）
6）按组成和功能
◆ 开放式数控
◆智能数控
第二部分 数控机床控制系统（ CNC）
2.1 CNC系统的组成
CNC系 统 由,数控装置”、“伺服系统”和系统程序 组成。
● 数控装置（专用计算机）：硬件和软件组成。
● 伺服系统：检测装置、驱动装置和伺服电机组成。
2.1.1 数控装置的硬件组成及功能
1.数控装置的硬件包括,
微机基本系统,CPU、总线、存储器,I/O设备等
数控接口组件,进给轴位置控制接口组件、主轴控制接口组件
手摇脉冲发生器接口组件等。
接口,人机界面接口、通讯接口、机电接口
辅助功能（ M）控制接口等
2.硬件功能：
与软件一起接收输入信息（程序）、经过译码、轨迹计算（速
度计算）、补偿计算、加 /减处理和插补运算，给各个坐标的
伺服驱动器分配速度、位移指令，完成数控加工任务。
3.硬件具体组成
?微机基本系统
?人机界面接口,键盘、显示器、操作面板、手摇脉冲发生器
?通讯接口,RS232,RS485串行接口、网络接口
?进给轴位置控制接口
?主轴控制接口
?辅助功能（ M 指令 ）控制接口
CPU
R
O
M
R
A
M
IN
接
口
0UT
接
口
其它
接
口
通讯
控制
接 口
位置
控制
接 口
主轴
控制
接口
MDI/
CRT
接口
手摇脉
冲发生
器接口
图 4 单 CPU数控装置
2.1.2 数控装置软件的基本组成和功能
软件由控制功能程序、管理功能程序组成
1.控制功能程序 --实时性强,用于进给坐标的位置控制，中断完成 ;
?译码 ;
?预处理（刀补和速度处理） ；
?插补 ；
?位控 ；
2.管理功能程序 --实时性稍差，但要保证 控制软件数据的供给传
递，具体见图。
CNC软件
管 理 控 制
显
示
S
T
M
I/O
处
理
通
讯
诊
断
译
码
刀
具
补
偿
速
度
处
理
插
补
位
置
控
制
输
入
存
储
图 5 数控装置软件组成
2.2 CNC系统的技术性能指标
1,CPU的性能,8,16,32,64位，主频十多 GHz,精减指令
集芯片（ RISC）,提供高的速度和丰富的软硬件资源；
2,系统具有高分辨率,保证高精度、超精密加工。进给系统
100万脉冲 /每转,1600万脉冲 /每转（ FANUC 0i）,分辨率
为 0.001mm，速度最高可达到 100 m ～ 240m/min。超精密
加工时分辨率 0.1μ m（甚至 0.01μ m）,速度为 24m/min,或
更高 。
3,系统的控制功能：
1)多轴联动、多坐标控制
2)多种函数的插补
3)多种程序输入功能
4)信息转换功能
5)补偿功能
6)多种加工方式选择
7)具有故障自诊断功能
8)显示功能
4,伺服驱动系统的性能
5,数控系统内 PLC功能
6,系统的通讯和联网功
7,系统的开放性
8,可靠性
2.3 怎样选择 CNC系统
2.3.1选择原则
1.名牌厂家：
FANUC,SIEMENS,AB,CINCINNATI,NUM,HP,FAG
,GE-FANUC、三菱、华中数控、广州数控、航天数控、蓝天
数控、北京 FANUC、上海开通数控、南京方达数控、威海华东
数控、南京清华数控 ?
2.系统的系列
FANUC:
FANUC-0TD/0MD/0C/0i/15/15i/16/16i/18/18i/21/21i/160/ 180 /
210/160i/180i /210i /…F30 i；
SIEMENS:
SIEMENS-802S/802D/810D/840D；
3.基本功能, 选择功能
4.分辨率 （ 设定单位 ）, 速度, 联动轴数；
5.高速高精度系统的特殊指令功能
6.价格、维修。
2.3.2高速高精密数控机床的 CNC系统
1,数控装置的特殊功能
● 纳米精加工插补； （ Nano interpolation）
● 光顺插补；
● 高精度（纳米）轮廓控制；
● 5轴加工功能；
● NURBS插补；
● 前视功能；
● 预测及反复控制；
● 法线方向及缓曲线法线方向控制；
● 精细加 /减速功能；
● 切削进给插补前 /后的直线加 /减速功能；
● 切削进给插补前 /后的铃型（或叫鼓型）加 /减速
● 插补型螺距误差补偿；
● 双向螺距误差补偿 ；
● 直线度补偿；
● 插补型直线度补偿；
● 丰富的宏指令，循环指令；
● 完善的自诊断、参数设置、动态图形显示、高速缓存,I/O外
部设备控制和联网功能等
● 接外部补偿的功能 。
2,对驱动控制及伺服电机的特殊要求
● 光纤通讯的三环 （ 电流, 速度, 位置 ） 全闭环控制交流数字
伺服系统；
● 高响应的矢量控制功能,FANUC系统称为,
HRV-High Response Vector高响应向量控制）；
● 双位置反馈控制；
● 特殊制造的高响应高精度电机,且具有平稳运行的低速性能；
第三部分 数控机床的结构及设计
3,1 机床本体
机床本体也称主机，它包括,
主运动部件,主轴箱及主轴；
进给运动部件：进给传动件、工作台、刀架、导轨等；
基础部件：支撑部件，如：底座、床身、立柱等；
特殊部件：刀库、自动换刀装置和托盘交换装置等）；
现在包括 CNC装置，各个部件都看做 功能部件,专门生产 。
3,2 数控机床主机的特点
?主运动，及进给坐标轴都由单独的伺服电机驱动；
?传动链短、结构比较简单；运动关系由计算机来协调控制。
?采用高效传动件：精密滚珠丝杠、直线滚动导轨副、精密
齿条、蜗母条、静压、磁浮导轨等。
?机械结构应具有较高的静态特性、动态刚度、阻尼精度、
耐磨性以及抗热变形性能。
?在加工中心上还具备有刀库和自动交换刀具的机械手 。
?配套设施齐全，如：冷却、自动排屑、防护、可靠的润滑、
对刀仪等 。
3,3 主机的设计
3.3.1 总体 设计
1,总体方案：布局外观, 精度, 性能, 静动态特性 （ 刚度特
性摩擦特性, 热特性 ）,
2,参数：功率, 扭矩, 转速, 行程, 速度 ?,
3,机电匹配：机电分工, 电机和控制系统的选择,
3.3.2 主传动系统设计
1,传动系统,
2,电主轴,
3,自动卡盘,
4,动力刀架,
3.3.3 进给传动系统设计
1.开环、半闭环、全闭环,
2.传动方案,
3,高效传动件的设计, 选择, 计算, 机电匹配,
4,直线电机系统,
3.3.4其它系统的设计
1.数控回转工作台,
2.换刀机械手 。
3.刀库, 刀具系统,
4.冷却, 排屑系统,
第四部分 数控技术的发展方向
4,1 数控技术总的发展趋势
当代, 数控技术的典型应用是 FMC/FMS/CIMS,其发展方
向是 高速化, 高精度化, 高效加工, 多功能化, 小型化, 复
合化, 开放化和智能化以及数控标准的发展 。 目前的动向是,
开放式数控系统, 高速加工系统 。
4,2 新的 数控标准 STEP-NC
4.2.1 STEP-NC标准的产生及概念
1.产生：
?数控发展已 50多年了, 编程还在采用 G,M代码, 地址字的
程序格式 （ ISO6983）, 它 是面向运动和开关控制的 语言 。
?限制了 CNC系统的开放性和智能化发展的需要, 使 CNC与
CAM技术之间形成了瓶颈 。
?体现不出 IT技术与 MT技术的结合,CAD/CAM/CAE/PDM…
限制了制造业的发展 。
?为此国际标准化组织 ISO制定了, 产品 模型 数据交换标准,
STEP（ Standard for the Exchange of Product Model Data）
（ ISO10303）
?产品模型数据转换标准 STEP,是面向对象的数据模型, 将
此扩展到数控领域, 形成了 STEP-NC新 标准 （ ISO-14649）
2,STEP-NC数据模型
?STEP-NC为, 新型的 CNC控制器数据模型, 标准, 它是从
CAM到 CNC的数据模型 。
?STEP,STEP-NC是中性的,采用面向对象的语言,EXPRESS,
以面向对象的形式将产品的设计信息与制造信息联系起来，
STEP-NC数控系统能进行 CAD /CAM与 CNC一体化的加工。
?STEP-NC为 CNC系统 重新规定 CAD/CAM与 CNC之间的接
口，可以进行 数据交换。 要求 CNC系统直接使用符合 STEP
标准的 CAD三维产品数据模型（包括工件几何数据、设置、
制造特征信息、工艺信息和刀具信息），而直接产生的加工
程序用来控制机床。
3,STEP-NC研制情况
?STEP-NC是当前世界各国正在开展的研究项目。
?欧洲、美国（ Super Model项目）、韩国、日本（ Digital
Sater项目）都在积极的进行，而且关于 STEP-NC的研究已
取得了实质性的进展。
?法那科、西门子数控系统公司都宣布将执行 STEP-NC标准。
4.2.2 STEP-NC标准的内容
STEP-NC定义了一个新的应用协议 AP-238,作为 CAM与
CNC之间数据交换的具体规范 。
1,AP-238
AP-238包括从产品概念到成品（零件）全过程所需的全部信
息。其中有：
?三维几何信息 --AP-203/AP214；
?特征信息 ---AP-224；
?工艺信息 （ 如车, 铣, 放电加工等 ） --AP-219；
?检测信息 ---AP-219等等。
2,STEP-NC 标准（草案）内容：
有关基本规则与铣削加工的标准 （ 草案 ） 已完成, 包括：
?基本概念和规则 （ Part 1） ；
?通用数据 （ Part 10） ；
?数控铣削加工工艺 （ Part 11） ；
?刀具, 铣削刀具 （ Part 111） 等 。
正在制定的 STEP-NC标准有：
?数控车削加工 （ Part 12） ；
?放电加工（ Part 13）；
?木材和玻璃加工（ Part 14）；
?检测（ Part 15）等。
3,标准通用数据
包括二大部分,
工件（ Workpiece，指成品）和工作计划（ Workplan）。
?工件上需去除的材料的区域由一系列加工特征（ Machining-
feature）定义。
?工作计划包括若干工作步骤（ Working step）。
?工作步骤将具体的加工特征（如平面、复杂曲面、孔等）与
具体的操作（ Machining-operation）联系起来。
?操作（ operation）本身是 ISO-14649定义的一个面向的概念，
涉及加工方法、刀具、刀轨、工艺策略等。
4.2.3 STEP-NC数控程序结构
1,STEP-NC数控程序编制的原则：
?采用了 ISO-10303数据格式和面向特征的编程原则。
?以工作步骤为加工流程的的基本单位。
?将特征与技术信息联系到一起。
?每个工作步骤只定义一个具体操作（干什么、如何干、只
能用一种刀具和一种策略）
2,程序结构：程序结构分为文件头和数据段
?文件头以 HEADER为标记，主要说明文件名、编程者、日
期以及注释等。
?数据以 DATA开始，包含了加工零件所需的所有信息和操
作任务。根据规定，首先要有一个 PROJECT语句。
?其后的内容可分为三部分：
?工作与可执行语句 （ Executable,包括工作步骤, 一般 NC
功能如信息显示等, 流程控制 ） 。
?技术描述 （ 刀具, 机床功能, 加工策略等 ）
?几何描述 （ 几何数据, 加工特征等 ）
?ENDSEC为程序结束标志 。
3,例子 （西门子公司开发的,其中的斜体为特意加入的说明 )：
HEADER ; 文件头部 开 始 语句
…
ENDSEC ; 文件头部分 结束
DATA ; 数据段开始
# 1 = PROJECT(Workplan #10) ; #1规划由 工作计划 #10完成
#10=Workplan(#20,#35,… ) ;#10包括,#20工步, #35工步, …
…
#20=Machining - Workingstep(,#21 (feature),#22
(Machining) ;#20为加工工步，包括,#21加工特征,#22加工操作
#21=Round hole(‘ Hole M6 ’,,… ) ;被加工的是 M6‥,圆周孔
#22=Drilling(#(Tool),,,#(technology),#(Machine -
functions) ; 钻削加工（刀具、工艺、机床功能）
…
#35=Machining - Workingstep(… ) ; #35为加工工步
… 其它 加工工步
ENDSEC ; 程序结束 （ 数据段 ）
说明：文件程序名,编者、日期、注释
4,STEP-NC特点,废弃了传统的数控程序,无后置处理，无
G,M代码。 ISO14649的目标为：
① 改进 CAD/CAM 系统与 CNC控制器之间的连接，数据传递。
不采用刀具运动编程，而采用工作步骤面向对象的概念。工
作步骤相应于高级特征和过程参数。 CNC对工作步骤解析
为坐标的运动和刀具的动作。
② 数据模块必须包括所有的复杂级别（从加工时，指令的 CAD
几何数据到离散值的简单轴运动）。
③ CNC 程序设想可以放在新开发的 CNC控制器上,也可能放在
分离的支持和改进现有 CNC控制器的高级系统上（包括各种
网络）。
④ 对于数控程序的新标准将提供机床操作者更多的柔性、功能、
统计表的编辑定义、相关控制和几何过程的修正。
⑤ 新标准允许操作者因为专用机床和技术，而执行专门的功能。
⑥ 对于最终用户新的标准提供统一的编程格式，使程序准备更
快、更廉价。
⑦ 较少的后置处理，而且更标准化。在数控编程级 CAD/CAM
系统和 NC系统之间的数据交换将更方便。
4.2.3 STEP-NC为计算机数控（ CNC）提供的发展空间
STEP-NC的发展使得 STEP标准扩展到自动化加工的底层设备，
建立了一条贯穿整个制造过程的高速公路。将影响相关的 CAX技
术（ CAD,CAPP,CAM,CAE,PDM,ERP等）、刀具、机床、夹具、
先进生产模式等。主要有以下几方面：
⑴ 数控编程界面；
⑵ 数控系统的开放性；
⑶ 数控系统的智能化；
⑷ CAM和 CNC之间的功能重新划分 （ 嵌入式 CAM） ；
⑸ 加工质量和效率, CNC改变被动执行者的地位；
⑹ 数据共享与网络制造 。
4,3 开放式数控 （ OPEN CNC ）
4.3.1开放数控的产生和发展：
1.产生的原因
?当今的 CNC控制器是个黑匣子，封闭保密，制造厂和用户不
能把特殊加工工艺、管理经验和操作技能等放进去，要求透
明, 因此需要开放结构的数控系统 。
?现在的 CNC技术 （ 其核心为 CNC控制器和驱动技术 ） 及结构
为专用的软硬件, 远落后于 PC的主流技术 。 升级困难, 各厂
家产品不兼容, 成本高 。
?用户界面不灵活, 网络功能弱, 系统维护培训昂贵 。
2,发展情况：
?美国,OMAC
1981年, 国防部为了减少军备制造对日本控制系统的依
赖性, 开始了一项名为, 下一代控制器 （ NGC）, 的计划,
并成立了, 美国国家科学制造中心,, 该计划于 1991年终
止, 完成了, 开放式系统体系结构标准 （ SOSAS）, 。
1995年, 在 NGC的基础上, 由 美国国防部资助又开始了由
20个公司合作的, OASAY” 计划, 目的是建立 8个控制器并
在 6个不同的系统平台上测试这 8个控制器 。
1994年 美国汽车工业为了解决自身发展过程中碰到的一系
列问题, 由克莱斯勒, 福特和通用三家大汽车公司 开始了一
项名为：
“开放式模块化体系结构控制器（ OMAC-Open Modular
Architecture Controls）, 的计划。
?欧洲, OSACA
1992年 在欧洲，启动了一项,自动化系统中控制器的开放
系统体系结构（ OSACA-Open System Architecture for
Controls within Automation Systems）, 的联合计划。由 22
家
欧州的机床生产商、控制开发商、控制集成商和研究机构参
加，后来扩大到 27名会员。
?日本,OSEC
1995年日本六家公司,东芝机器制造公司、丰田机器厂、
MAZAK公司、日本 IBM、三菱电子公司和 SML公司共同实
施了,控制器开放系统环境 计划。 OSEC-Open System
Environment for Controllers”的计划。
OMAC,OSACA,OSEC是在当前开放式控制系统领域内
有很大影响的三个计划。这 几大开放数控系统计划正在执行
中，已有了自己的标准和样机产品。
4.3.2 开放性,
开放式数控系统，不但要求模块化、网络化、标准化 (用户界
面、图形显示、动态仿真、数控编程、故障诊断、网络通讯 )，
而且对实时性和可靠性要求很高。其特点：
①可 移植性：在保持应用模块功能的情况下，不需任何变化就
可以应用到不同的平台上。
②可 扩展性：不同的模块能运行于一个平台，而不出现冲突。
③ 互操作性：模块在一起工作时，表现为相互协调，可以根据
定义相互交换数据。
④ 可维护性：用户修方便。
⑤ 统一的人机界面 。
4.3.3 结构, 目前开放的数控系统结构有 3种：
① 基于 PC的 CNC系统 （ 软数控, Soft CNC）,
以 PC机为平台，数控功能由软件模块实现，但要决实时性的
问题。运动执行通过伺服卡传递数据，由伺服系统驱动坐标
轴电机。 全方位开放。
① 基于 PC的 CNC系统 （ 软数控, Soft CNC）,
以 PC机为平台，数控功能由软件模块实现，但要决实时性的
问题。运动执行通过伺服卡传递数据，由伺服系统驱动坐标
轴电机。 全方位开放。
② PC嵌入式,把一块多轴运动控制卡插入传统的 PC中，运动卡
运行以坐标轴运动为主的实时控制（作为数控功能运行）。
PC作为人机接口平台 。 易实现，研究单位和高校。
③ PC + CNC （融合系统）,专业厂家认为 CNC系统最主要功
能是高速、高精加工和可靠性，向 PC在的死机现象是不允许
的。已生产的大量 CNC系统在体系结构上变化，对维修和可
靠性不利。故采取了：增加一块 PC板，提供键盘，使 PC与
CNC 联系在一起的方案。可界面开放，提高人机界面的功能
。 专业 CNC系统厂家（如 fanuc,siemens等）现在都这样做。
4,4 CNC控制器的发展趋势
4.4.1多坐标、多通道控制。 FANUC 30i-MODEL A：
?十个通道,40个轴（ 32个进给轴,8个主轴）
?联动轴数 24/每通道 。
?3个 PMC通道。最大 I/O点数 4096/4096
?PMC基本命令速度 25ns。
?最大预读程序段,1000段。
(适合作为大型自动机床、复合机床、多头机床的控制器 )
4.4.2 高速高精、低速高精加工功能
1.新功能
?前馈控制。 补偿由于反馈滞后所产生的误差，提高加工精度。
?进给率和加减速曲线控制。 减少加减速滞后所产生的误差。
?前瞻控制。 在程序执行前，对运动数据进行计算处理和多段
缓冲，从而控制刀具以很小的误差进行高速运动。
?平滑运行的高精度轮廓控制。 对指令的实时识别，最佳的控
制速度、加速度、加加速度，使加工保持最佳状态。
?数字滤波器技术。 用以消除机械谐振，提高伺服系统的位置
增益。
?高精高速进给伺服系统、高精高速 主轴 伺服系统。
?高增益的驱动器、控制单元、电机；
?提高编码器的分辨率,1600万 /转；
?直线伺服电机驱动，提高进给刚度；对于直线电机，设计数
字滤波器以避免直接驱动机械带来的多点谐振。
?主轴采用交流同步伺服电机驱动时，高增益控制、无齿槽效
应高分辨率电机，使主轴低速时转矩大、精度高；采用交流
异步高分辨率伺服电机驱动时，高速度高精度。
?纳米控制, 在系统检测分辨率为 1? m时，插补分辨率为 1nm。
采取措施,CNC内部计算以纳米或更小的单位计算，使误最
小化；高精度的交流数字伺服控制；很高的电流检测精度；
相应的硬件（ RISC芯片）。
?纳米平滑功能：以纳米为单位评估原始曲线，圆整指令公差。
使加工自由曲面时，减小或消除程序段之间出现的条纹。
?NURBS插补。
2,NURBS插补简介
1）概述
?高速加工 CNC控制器具有 NURBS插补功能，可以接受 CAM
软件传来的 BURBS格式的刀位轨迹数据,进行 BURBS插补加工。
? 在 CAM软件的刀位轨迹计算时，直接输出定义 NURBS曲
线的“控制点”、“权重”、“节点”，然后通过后处理译成
机床 CNC系统可识别的 G代码,CNC以插补速率对原始的
NURBS曲线进行插补加工。
? 常规的 CAM后置处理提供二种插补：直线插补和圆弧插补，
常用线性插补逼近。高速加工设备出现了 NURBS曲线插补，这
使 CNC系统具备了能自动进行 NURBS格式定义的加工域生成的
能力。各种插补比较如下：
图 4,4 - 1 NURBS曲线的插补方式
公差
CAD的
NURBS曲线
CAM的
直线插补
基于点集
的直线插补
基于 NURBS
的样条插补
2） NURBS插补的优点：
① 与线性插补相比, CAM输出的 NURBS插补的刀位文件大为
缩短, 只有其 1/10~1/100。 由于高速铣采用小的刀具, 小的切
削量和窄的公差带, 如公差带设置为 ± 0.002mm或更小, 按照
常规的插补方法, 这个程序的长度会很大, 可能达到 100MB以
上, 许多机床的 CNC控制器不能接受 。
② NURBS插补比采用近似分段的直线和圆弧插补更为准确,
刀位 轨迹更加平滑 。
③ NURBS插补速率快, 精度高 。
例如,GE Fanuc NURBS插补采样周期为 1ms,加工处曲率半
径为 50mm,产生的法向加速度为 0.2g,以 18.8m/min的高速进
行加工 。 计算：
一个插补周期的轮廓步长
L = fT= 18.8m× 1000/min× 60× 1000
= 0.313mm
插补误差 e = (Ft)2/8r = 0.3132/8× 50 =0.0002448mm
= 0.245μ m
④ 改变高速切削的表面质量 。得到平滑精确的表面，如采用
内、外公差（ Intol/Outtol）会得到更加平滑的刀具轨迹。
⑤ NURBS插补可缩短加工时间 。 由于机床存在惯性, 在用直线
插补时, 存在直线拐角处的拐角运动, 为了避免冲击, 机床一
般按平滑规律进行加减速处理 。 这样每到一拐角就要降低速度,
然后再加速 。 而 NURBS插补是光滑的, 能在加速度允许的范围
内以最大速度进行加工 。
有的专家认为,提高数控加工质量, 速度的最好办法之一是高
速加工技术和 NURBS插补的结合
3） NURBS格式输出的系统模型
NURBS插补由 CAD---CAM---CNC的过程见下图：
?
.
曲面模型 刀具轨迹曲线
NURBS曲线
NURBS格式输出：控
制点, 矢量, 权重
CNC机床
NURBS插补
CAD CAM CNC
图 4.4-2 NURBS格式输出的系统模型
4） NURBS插补指令的格式：
G6.2 P? K? X?????Y?????Z-?????R ?.
在 UG中, 如果选择了 NURBS选项后, 要回答三个问题：
① 分段的 NURBS曲线是否联接成一条曲线 。
② 角度公差控制 。 两个 NURBS曲线的切线的夹角, 为了光滑选
为 5° 或更小 。
③ 拟合公差控制 。
目前支持 NURBS功能的 CNC系统有,FANUC系统的 15B,16C、
16iMA,18i,Seimens,Heidenhain,Makino,Fidia等 。
G6.2 P4 K0,X11.8986 Y1.7906 Z-1.9404 R1.
NURBS插补 G代码
NURBS曲线的阶数 控制点坐标
控制点矢量 权
图 6-7 FANUC系统 NURBS指令格式
4.4.3 五轴加工和复杂加工功能；
五轴加工工艺合理，对三维曲面加工可充分利用刀具的
最佳几何形状进行切削，在复杂形状的高速高精加工中，可
以提高效率提高光洁度。
五轴加工的机械配置有刀具旋转方式、工作台旋转方式
及它们的混合方式。五轴加工功能要满足各种配置。
功能为：
? 刀具轴方向的长度补偿。
? 五轴加工刀具中心点控制 。
? 五轴加工刀具半径补偿。
? 三维圆弧插补，可以指定倾斜平面内的圆弧。
? 五轴加工刀具中心点控制 。
? 倾斜加工指令。
? 五轴加工用手动进刀。
4.4.4数控智能、环保、安全技术
1,智能
1） 智能技术
随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展,数控系统的智能
化将不断提高。主要为：
① 应用自适应控制 （ Adaptive Control） 技术
数控系统检测加工过程中的一些重要信息, 并自动调整系统的
有关参数, 达到改进系统运行状态的目的 。
② 引入专家系统指导加工
将熟练工人和专家的经验, 加工的一般规律与特殊规律存入系
统中, 以工艺参数数据库为支撑, 建立具有人工智能的专家系
统 。 当前已开发出模糊逻辑控制和带自学习功能的人工神经网
络的数控系统和其它数控加工系统 。
③ 引入故障诊断专家系统
④ 智能化伺服驱动装置
可以通过自动识别负载而自动调整参数，使驱动系统获得
最佳的运行状态。
2） 智能技术应用
机床的智能化不仅可实现远程诊断, 远程服务, 而且使
机床融合了信息技术和管理技术 。
① 日 本 Mazak公司的 Integrex e系列车铣中心为五轴联动
（ X,Y,Z,B,C） 。
可通过开放式 CNC系统与公司的 e塔式信息中心交换数
据, 从局域网下载零件图纸, 加工程序, 对零件加工过程进
行监控, 录像, 以便对加工中心出现的问题进行检查分析 。
机床采用的信息技术为操作者和管理者提供了广泛支持 。
包括：显示生产进度 （ 用 CCD摄像头和特有的结构监控 ）,
辅助操作者改善机床的操作, 使机床由报警状态快速恢复正
常, 显示加工完成情况报告 （ 通过移动电话 ）, 机床报警通
知, 时间显示, 加工完成时间, 要求维护保养通知等等 。
机床还有指纹识别系统, 机床可进行车, 铣, 钻, 热处
理, 磨等加工 。
② 意大利的板材加工线
编程系统采用三维图像自动编程, 并进行成型工艺仿真,
监控机床的使用状况, 预警维护保养 。
还可以计算工时, 成本, 交货期, 通过远程通讯解决用户
编程中的难题 。
2,环保
环境保护越来越受到重视 。 节地, 节能, 低噪声, 干切削,
无液压, 免润滑 （ MQL－ Minimum Quit Liquid）, 是今后数
控机床发展的新特点 。
机床普遍采用即坚固美观, 又方便操作的 全封闭活动罩门,
防止切削液飞溅和形成油雾 。 安装 油雾分离器 使排除的只是不
含油的雾 。
在切削加工中, 作为重要环保措施的干切削, 是指在加工
过程中不使用或极少使用冷却润滑液 。
干切削的技术措施：
刀具采用耐热性和散热性良好的涂层材料 。
无润滑的解决办法是：采用润滑性能优异的 涂层物质, 设
计有利于断屑和排屑的刀具形状和几何参数 。
许多机数控床实现了干切削, 特别是齿轮加工机床很多都
是干切削的 。
干式切削要解决的问题是刀具寿命, 切屑的及时排走和价
格问题 。
3.安全
安全分三个层次：操作者, 机床和工件 。
?人的安全是通过带电子锁的全封闭罩 （ 甚至是防弹玻璃 ）
和双手操作按钮来保证；
?在突然停电或遇突发故障时, 刀具会迅速与工件分离, 保
证机床安全；
?工件的安全通过传感器和安全开关来保证 。
4.4.5 复合数控功能
1.定义：
复合加工是指在同一机械上，可以进行多种工艺的加工。
如一圆柱体各部位加工：在一台机床上车削外圆、镗内孔、铣
圆柱面上的沟槽等，可提高生产率。该机床上要有进行复合加
工功能的控制系统。如“车铣加工中心”,“铣车加工中心”
的数控系统是铣、车等功能的复合。
2.车铣复合中心
车铣复合中心是由车削中心衍生出的车铣复合中心 。 在数
控车床的托板上增加大功率, 高转速的电主轴动力头 。 电主轴
头除了随托板作 X,Z轴运动外, 还作垂直于 X,Z平面的 Y轴运
动和绕 Y轴回转的 B轴运动, 从而达到了车铣复合 。
?奥地利 WFL公司的 Millturn系列, 9轴数控车铣复合中心,
是一种集车削中心, 五轴加工中心, 深孔钻和三坐标测量机的
所有功能复合 。 整机可以进行车, 铣, 钻, 镗, 插, 滚齿等各
种操作 。
?,7轴两个五轴联动数控车床, 该机结构为卧式双主轴,
单刀塔 。 双面布置的两个主轴每个都可作 C轴旋转和 Z轴运动,
刀塔作 X轴 Y轴运动和 B轴旋转, 刀塔上可配 24把刀具 。 两个
主轴头可分别与刀塔实现五轴联动。
?,7轴排刀数控车床, 其为卧式双主轴刀排式布局, 双主
轴均带 C轴控制, 两个主轴分别配置动力刀排, 实现七轴控制 。
3.铣车中心
铣车中心已系为主, 带有车的功能 。
?瑞士的铣车中心是在立式加工中心上带棒料自动送料器,
以棒料为坯料复合了车削功能 。 主轴最高 转速为 20000r/min，
机床 X,Y,Z,A,B等多轴可控 。
?德国的 Stama,美国的 Saas也有铣车中心 。
?数控滚－磨机, 蜗杆－成型磨齿机及集自动上下料, 检测,
刀具对中, 磨齿及修正砂轮于一体的磨齿机均为复合机床 。
?复合数控机床还有,卧式镗铣和深孔钻的复合机床, 板材
冲和激光切割 （ 或等离子切割, 火焰切割 ） 的复合机床 。
4.4.6 进网通讯功能,以太网、现场总线、无线
通讯技术。
PC,CNC对多台机床进行集中监控和管理需要通过网络
通信。传送程序，监控加工状态，传送维修数据、进行远
程控制操作和诊断，传送 CAD/CAM数据。现代的网络制
造系统要求 CNC系统有很强的网络通讯功能。
4.4.7 高可靠性、高安全性；采取措施,
?采用光纤通讯，减少电缆连接；
?采用纠错码（ ECC ）；
?采用双检措施：在 CNC内嵌入多个处理器冗余的监控伺服
电机、主轴电机、与安全相关的 I/O信号，并使用急停与
相关的 I/O电路，使系统安全的运行和停止。
4.4.8 控制器的开放性（开放式数控系统）
前面已介绍，要注意几点：
?要保证实时性，不是现在的 PC机拿来就能用。
?开放性和可靠性时是有矛盾的，注意解决它们之间的关系。
?开放是有层次的，按模块或组件，不能无限开放。
4.4.9 STEP-NC数控系统
有两种方案：一是增加 STEP-NC程序的编译器、二是重
新设计开放式 CNC系统。这样才能以 STEP-NC标准编制的程
序，进行 CAD/CAM与 CNC一体化的加工。
4,5 伺服驱动技术的发展
4.5.1全数字化伺服系统的组成
通讯
ASIC
位置测量传
感器
位置实际值
速度实际值
电流实际值
电流测量传
感器
Gating
unit通讯
进给控制
速度控制 电流控制 转换器
驱动总线 驱动模块
EM
1FT6
电机 编码器
数字系统的进给控制
传动系统及控制方案图
纱架 W随动坐标
主轴 C坐标
摆头 A坐标
小车 Z坐标
伸臂 X坐标
上位机
变频系统及 NC
数控单元
PLC逻辑控制器
操作面板
电源及保护
空调
控制柜
操
作
台
4.5.2新发展的主要技术
伺服驱动技术是数控技术的重要组成部分。与数控装
置相配合，伺服系统的静态和动态特性直接影响机床的位
移速度，定位精度和加工精度。现在，直流伺服系统被交
流数字伺服系统所取代；伺服电机的位置，速度及电流环
都实现了数字化；并采用了新的控制理论，实现了不受机
械负荷变动影响的高速响应系统。
1,前馈控制技术 。
过去的伺服系统, 是把检测器信号与位置指令的差值
乘以位置环增益作为速度指令 。 这种控制方式总是存在着
跟踪滞后误差, 这使得在加工拐角及圆弧时加工精度恶化 。
所谓前馈控制, 就是在原来的控制系统上加上速度指令的
控制方式, 这样使伺服系统的跟踪滞后误差大大减小 。
2,机械静止摩擦的非线性控制技术 。
对于一些具有较大静止摩擦的数控机床, 新型数字伺
服系统具有补偿机床驱动系统静摩擦的非线性摩擦的非线
性控制功能 。
3,伺服系统的位置环和速度环（包括电流环）均采用数
字闭环，软件计算、数字调解等 。
为适应不同类型的机床, 不同精度和不同速度的要求
,预先调整加, 减速性能或自动调整加, 减速性能 。
4.采用高分辨的位置检测装置 。
高分辨率的脉冲编码器, 内有微处理器组成的细分电
路, 使得分辨率大大提高, 增量位置检测为 10000p/r
（ 脉冲数 /每转 ） 以上；绝对位置检测为 1000000p/r、
16000000以上 。
5.补偿技术得到了发展和应用 。
现代数控系统都具有补偿功能, 可以对伺服系统进行
多种补偿, 如丝杠螺距误差补偿, 齿侧间隙补偿, 轴
向运动误差补偿, 空间误差补偿和热变形补偿等 。
6.采用光栅尺的全闭环系统
7.矢量控制技术 。
4,6 机械结构技术
为适应数数控技术的发展, 机械结构也发生了很大的变化 。
为缩小体积, 减少占地面积, 更多地采用 机电一体化结构 。 为
了提高自动化程度, 而采用自动交换刀具, 自动交换工件, 主
轴立, 卧自动转换, 工作台立, 卧自动转换, 主轴带 C轴控制,
万能回转铣头, 以及, 数控夹盘,,, 数控回转工作台,,
,动力刀架, 和, 数控夹具, 等 。
为了提高数控机床的动态特性, 伺服系统和主机进行很好
的机电匹配 。 同时主机也借助计算机进行模块化, 优化设计 。
4.6.1 设计思想的发展
机床是工作母机, 机床制造必须连续不断的开发新思想,
满足用户对产品制造质量和效率日益提高地要求 。 单纯优化现
有工艺和一再提高机床的功率是远远不够的 。
在新的驱动技术和运动学领域的新开发, 轻型化的新材料,
环保生产, 机床安全, 精度和测试技术, 微型制造和微型装卸
技术等方面的研究值得注意 。
机床的运动分配和运动设计已经打破传统的金切机床分类,
?不管是工件旋转还是刀具旋转为主运动, 只要工件和刀具
之间有相对运动就行, 并要求这种布置为最佳 。
?机床的动力头在同一台机床上有时作传统意义上的主轴使
用, 有时又作动力刀具的旋转轴使用 。
?在同一次装夹的情况下, 上一工步工件旋转作为主运动,
下一步则是工件的进给运动 。 以, 完全加工, 的理念进行工序
复合和功能复合 。
4.6.2 机床功能部件
1,电主轴；
驱动, 轴承, 润滑, 冷却, 本体 （ 动平衡, 减轻重量 ） 。
电机：交流同步 （ 额定转速下, 横扭矩 ）, 交流异步 （ 高
速性好 ）
2,直接驱动：旋转直接驱动, 直线直接驱动；
旋转直接驱动：力距电机, 低速大扭矩 。
直线直接驱动：直线电机, 已解决漏磁和发热问题 。 加速
度可达 3个 g
3,滚动部件：滚珠丝杠副, 直线滚动导轨；
精紧自润滑滚珠丝杠, 加速度可达 2g。
4,数控刀架；
数控刀架形式多样 （ 德国, 意大利 ） 刀架的控制和驱
动采用伺服电机或液压系统, 回转 180° 的时间安已缩
短到 0.5s。 刀架 ° 品种繁多, 可以为各种数控车床, 车
削加工中心配套 。
5,铣头；
为数控铣床, 加工中心, 车铣中心等配套的各式各样铣
头 。 车铣中心用的 B轴铣头, 可在 210° 范围内摆角进行
高精度铣切加工；数控铣床, 加工中心用的二坐标铣头
能 A,B轴 （ 立, 卧二用 ） 摆角, 可加工任意空间面 。
6,数控转台；
已有了二坐标数控转台, 具有连续分度和鼠牙盘分度二
种形式 。 它具有双耳轴, 平台能倾转, 转台上配备交换
工作台接收装置 。
7,刀库；
刀库容量增大,
◇ 大容量, 刀位不动的, 货架式, 刀库 用工业机器人取放
的刀具；
◇, 圆柱形立体刀库, （ 德国 ） 在圆柱内可容纳 500把刀,
圆柱中心的工业机器人按程序预选, 取放, 并传递给机
床主轴；
◇, 框架式刀库, （ 瑞士 ） 该刀库每个模块可容纳 96把刀
具, 模块外形 1.8× 1× 2.25m,可以层层叠加扩展容量 。
刀库内机械手按程序抓放刀后, 先传递给一个作为, 二传
手, 的接接模块, 再对机床换刀 。
◇ 数控刀架形式多样 （ 德国, 意大利 ） 刀架的控制和驱动
采用伺服电机或液压系统, 回转 180° 的时间安已缩短到
0.5s。 刀架 ° 品种繁多, 可以为各种数控车床, 车削加工
中心配套 。
8,棒料自动送料器；
9,润滑系统, 排屑系统等等 。
10.高速多轴转塔头
塔头的主轴有 2,3,6,8个等多种, 转速最高可达 12000～
18000r/min,功率 4～ 50kW。
4.6.3 并联机床进入实用阶段
并联机床自 94年在美国芝加哥国际机床展览会上面市以来, 有了很
大发展, 结构紧凑而且增大了工作空间, 机床刚度和工作精度进一
步提高, 已进入实用阶段 。 主要用于汽车业, 航空业和模具业 。 在
加工中心和可移动 FMC中也采用了并联结构 。
有六杆, 三杆, 立式, 卧式并联机床, 结构形式为并联, 串联和混
合结构, 可采用直线电机和电主轴 。 并联机床的工作台有固定台,
可交换台, 水平分度台, 滑座床身等多种 。
现已达到的最高精度：定位精度为 ± 5μm,重复定位精度为 ± 1.5μm。
过去并联机床的最大问题是精度不如传统结构机床, 其原因一是坐
标轴 （ 支杆 ） 的位置精度不高, 二是由于热效应和切削力引起的变
形 。 现在杆内除装有滚珠丝杠外, 还有检测杆自身长度的测量系统,
通过补偿校正运动精度 。
4.6.4 数控激光加工领域有了新的进展
激光加工机床有：用于板材下料的激光切割中心、激光龙门铣切机
床（可以五轴联动）、激光雕刻机床、激光加工中心（三个光学轴，
三个机械轴）、高速铣切和激光加工复合机床。功率：精细加工为
几百瓦、切割等为几千瓦。
激光器有,CO2激光器、固体激光器 YAG、准分子激光器
（冷切削）。
激光加工工艺方法：激光铣切、激光雕刻铣切、激光焊接、激光
表面处理、激光打孔、激光切割等。激光铣切的进一步发展，有
可能取代部分电加工机床。
激光加工范围：“激光束能”（激光束直径 Φ0.04MM～
0.1MM）几乎对所用材料都能加工，如精密膜具和工件加工、膜
型制造、珠宝加工、薄片加工、刀具加工、陶瓷的精细雕刻（这
是一般铣削和电火花加工所不能比拟的）。
加工精度,10μm，表面粗糙度,1μm。
4.6.5 成套、成线制造装备 。
4.6.6 工业机器人技术融入数控机床，促进成套技术向自动化方
向发展 。
4.7 编程技术的发展
4.7.1 数控编程技术的发展
数控编程技术是实现数控加工的主要环节, 发展趋势,
?由手工编程发展到自动编程
?由 APT语言形式发展到自 CAD/CAM自动编程 。
此外还有下面特点：
1.脱机编程发展到在线编程 。
传统的编程是脱机进行的 。 由人工, 计算机以及采用编程
机来完成, 然后再输入给数控装置 。
现代的 CNC装置有很强的存储和运算能力, 把很多自动编
程机具有的功能, 移植到数控装置的计算机中来, 在人工操作
键盘和彩色显示器的作用下, 在线的以人机对话方式进行编程,
并具有前台操作, 后台编程的功能 。
2.具有机械加工技术中的特殊工艺和组合工艺方法的程序编
制功能 。
除了具有 圆切削, 固定循环 和 图形循环 外, 还有 宏程序设
计, 子程序设计功能, 会话式自动编程, 蓝图编程 和 实物编程,
功能 。
3.编程系统由只能处理几何信息发展到几何信息和工艺信息
同时处理的新阶段 。
新型的 CNC系统中装入了小型工艺数据库, 使得在线程序编
制过程中可以自动选择最佳切削用量和适合的刀具 。
4.7.2 基于 CAD/CAM软件的交互图形自动编程
4.7.2.1 CAD/CAM软件数控编程简介
交互图形编程的实现是以 CAD技术为前提, 编程的核心是
刀位点的计算 。 对于复杂零件, 其数控加工刀位点的人工计算
十分困难 。 而 CAD三维造型包含了数控编程所需要的完整的零
件表面几何信息, 计算机软件可针对这些几何信息进行数控加
工的 刀位自动计算 。 绝大部分数控编程软件 （ CAM） 都具有
CAD功能, 因此称为 CAD/CAM一体化软件 。
基于 CAD/CAM软件的交互图形编程技术与 CAD技术相比
较要简单的多, 其实现过程基本固定, 其操作简单易学, 然而
对经验依赖较强 。 目前, 市场上流行的 CAD/CAM软件种类较
多，均具备了交互图形编程的功能，操作大同小异。
4.7.2.2 常用 CAD/CAM软件简介,
1,UG（ Unigraphich） 为 EDS公司产品, 是世界上处于领
先地位的最著名的几种大型 CAD/CAM软件之一 。
2,PRO/E同上 。
3,Cimatrom 为 1982年成立的以色列 Cimatrom公司产品
该软件具有功能齐全, 操作方便, 学习简单, 经济实用
的特点, 受到小型加工企业的欢迎, 在我国有广泛的应
用 。
4,MasterCAM 为美国 CNC Software公司研制开发的 CAD
/CAM系统, 它与 Cimatrom相识, 也是一种简单易学经济
实用的小型 CAD/CAM软件 。
5,CATIA等
6,POWERMILL等 。
刀位轨迹计算
CAD造型
加工工艺分析和规划
参数设置
仿真校验
后处理
刀具设置
加工工艺参数设置
切削方式设置
加工对象设置
图 4.7-1 CAD/CAM交互图形编程流程
4.7.2.3 基本实现过程
1.CAD/CAM交互图形编程的过程和内容
2.包括内容：
（ 1） CAD造型 是交互式自动编程的基础, 编程人员需要掌
握一定的三维造型技术 。
?零件造型
?装配图
?工程图
（ 2 ） 加工工艺分析和规划,
⑴ 加工对象及区域规划 。
⑵ 加工工艺路线规划
⑶ 加工工艺和加工方式确定
（ 3） 参数设置,
① 加工对象
② 刀具设置
③ 加工工艺参数设置
④ 切削方式设置
（ 4 ） 刀位轨迹计算
（ 5 ） 仿真校验
（ 6 ） 后处理
3,编程的质量判定标准为：
⑴ 程序是正确的, 完备 （ 如不存在加工残留区域 ）, 零件加工质量稳定 。
⑵ 误差控制：包括插补误差, 残留高度控制等 。
⑶ 程序的稳定性好可读性好, 易于调试和修改 。 例如：要改变非圆曲线的逼
近步长或曲面的走刀行距, 只需修改某一个参数即可, 而不必修改整个程
序 。 当刀具半径变化或零件安装位置改变, 不需改变程序
⑷ 充分发挥系统功能, 使程序最短 。 例如：系统有型腔宏指令, 一条指令可
以编出一个铣腔程序 。 若弃之不用, 改为一刀一刀的描述, 则势必造成程
序冗长 。
⑸ 程序的通用性好 。 若有系列零件, 则只需编一种, 其余只要修改关键尺寸,
程序即可使用 。
⑹ 加工效率,即在保证加工精度的前提下, 加工程序的执行时间越少越好 。
⑺ 安全性：指程序对可能出现的让刀, 漏刀, 撞刀及过切等不良现象的防
范措施和效果 。
⑻ 工艺性,包括进退刀的设置, 刀具选择, 加工工艺规划 （ 加工流程及余
量分配 ）, 切削方式 （ 刀位轨迹形式选择 ）, 接刀痕迹控制及其他各种
工艺参数 （ 如进给速度, 主轴转速, 切削方向, 背吃刀量等 ） 的设置等 。
⑼ 编程成本低, 运行成本要低, 后续加工成本低 。
4.用 CAM编制程序的优化
由于数控系统及机床各异, 尽管有专用后置处理或万能后置处理,
CAM的后置处理功能还时比较弱, 与机床 CNC数控系统功能相比, 仍有相
当差距 。 对 用 CAM编制的程序应该进行优化 。 若能既充分发挥 CAM的优点
,又能避免其不足, 还能充分发挥数控系统的功能和操作者的实践经验, 就
需要对 CAM编制的零件加工程序进行优化, 使之编出一个高水准的零件加
工程序 。 优化加工程序建议从以下几方面考虑 。
4.1 发挥系统刀具半径补偿功能 。
4.2 以圆弧插补功能代替直线逼近 。
4.3 利用系统的简化编程功能 。
系统提供了大量的简化编程功能, 如：
? 固定循环；
? 刀具补偿；
? 轮廓直接编程；
? 比例缩放和镜象；
? 坐标旋转；
? 典型形状 （ 圆周, 矩阵 ） ；
? 孔位描述计算；
? 规则形状 （ 圆形, 矩形 ） 挖腔；
? 不规则形状挖腔；
? 带孤岛型挖腔等功能 。
若 CAM的后置处理, 能按这些功能处理出零件加工程序, 则可大大缩短
程序 。 例如曲面加工, 只编出一个象限的加工程序, 利用系统的镜象功能
加工其余象限, 则程序为原来的 1／ 4。 在链轮等重复形状的轮廓加工中, 用
CAM编出一个形状的轮廓, 其余用旋转功能, 程序缩短的更可观 。 又如矩
形腔的挖腔程序, 多刀多层切削程序较长, 若能处理成挖腔宏指令, 则只需
一段程序便能完成整个挖腔加工 。
4.4 发挥系统空间刀具半径补偿功能 。
4.5 利用系统的用户宏程序功能, 缩短非圆曲线轮廓, 空间曲线甚至曲面的
加工程序 。
4.6 利用子程序功能简化编程 。
用 CAM编制子程序加工程序, 由数控系统编制主程序和子程序调用功
能 。 子程序中有大量的数值计算工作量, 由 CAM来完成 。 主程序多调用指
令用手工编程, 这样程序灵活且编程工作量又不大 。
为了保证质量和可靠性还应注意以下几点：
a) 要保持严谨细致的工作作风, 对每个设置的参数都应反复确认, 刀位轨
迹计算后, 必须进行仿真校验 。
b) NC编程操作应规范化和模式化 。
c) 对重要的加工程序应进行试切校验 。
4.7.3.1数控加工的工艺特点
⑴ 工艺内容十分具体 。
⑵ 工艺设计非常严密 。
⑶ 注重加工的适应性, 正确选择加工方法和加工内容 。
为了保证质量和可靠性还应注意以下几点：
a) 要保持严谨细致的工作作风, 对每个设置的参数都应反复确认, 刀位轨
迹计算后, 必须进行仿真校验 。
b) NC编程操作应规范化和模式化 。
c) 对重要的加工程序应进行试切校验 。
4.7.3.1数控加工的工艺特点
⑴ 工艺内容十分具体 。
⑵ 工艺设计非常严密 。
⑶ 注重加工的适应性, 正确选择加工方法和加工内容 。
根据大量的数控加工实例分析, 加工失误的主要原因：
● 工艺考虑不周；
● 计算错误；
● 编程粗心大意 。
4.7.3.2 交互图形编程工艺分析和规划的主要内容：
● 加工对象及加工区域规划；
● 加工路线规划；
● 加工工艺和加工方法规划
4.7.3.3 加工对象及加工区域规划
⑴ 加工表面形状差异较大，需要分区域加工 ;
⑵ 加工表面不同区域尺寸差异较大，需要分区域加工 ;
⑶ 为有效控制加工残留高度, 应针对曲面的变化采用
不同刀位轨迹型形式和行间距进行分区加工 。
4.7.3.4.加工工艺路线规划
⑴ 上道工序的加工不能影响下道工序的定位与夹紧 。
⑵ 加工顺序应由粗加工到精加工逐步进行, 加工余量由大到小 。
⑶ 先进行内腔加工工序, 后进行外型的加工工序 。
⑷ 尽可能采用相同的定位, 夹紧方式或同一把刀加工的工序, 减
少换刀次数与挪动压紧元件次数 。
⑸ 在同一次安装中进行的多道工序，应先安排对工件刚性破坏较
小的工序。
4.7.3.5 加工工艺和加工方法规划
⑴ 刀具选择 。 为不同的加工区域, 加工类型选择合适的刀具 。
⑵ 刀轨形式选择 。 针对不同的加工区域, 加工类型, 加工工序
选择合适的刀轨形式 。
⑶ 误差控制 。 确定合理的编程误差, 给其他误差留有余地 。 ⑶ 误差控制 。
确定合理的编程误差, 给其他误差留有余地 。
⑷ 残余高度控制 。 根据刀具参数, 加工表面特征确定合理的刀轨行间距
在保证表面质量的前提下, 尽可能提高加工效率 。
⑸ 切削工艺控制 。 包括切削用量 （ 背赤道量, 进给速度, 主轴转速 ）,
加工余量, 进退刀, 冷却液控制等诸多内容, 是影响加工精度, 表面
质量和加工损耗的重要因素 。
⑹ 安全控制 。 包括安全高度, 避让区域的确定 。
4.7.3.6 参数设置
1.加工对象和加工区域设置
⑴ 钻孔加工
⑵ 切槽加工
⑶ 外形加工
2.刀具选择及参数设置
3.切削方式设置
⑴ 等高切削
⑵ 沿面切削
⑶ 插式加工
⑷ 曲线加工
⑸ 清角加工
⑹ 混合加工
4.走刀方式选择
⑴ 平行切削
⑵ 环绕切削
端面定位
1,10锥面定位
高速刀柄（ HSK）
⑶ 毛坯环切
⑷ 螺旋切削,
⑸ 放射切削
4,7.3.7切削方式设置
刀位轨迹形式
1,二轴或二轴半加工的刀轨形式
⑴ 钻孔加工
⑵ 切槽加工
⑶ 外形加工
2,三轴加工的刀轨形式
⑴ 等高切削
⑵ 沿面切削
⑶ 插式加工
⑷ 曲线加工
⑸ 清角加工
⑹ 混合加工
走刀方式
⑴ 平行切削,也称为行切法加工
⑵ 环绕切削
⑶ 毛坯环切,
⑷ 螺旋切削
⑸ 放射切削
4,7.3.8加工工艺参数设置
1.切削用量的选择与计算
⑴ 背吃刀 量
⑵ 切削宽度
⑶ 切削速度
⑷ 主轴转速
⑸ 进给速度
2.进 /退刀控制方法
⑴ 垂直进 /退刀方式
⑵ 水平方向进 /退刀方式
3.安全与安全高度
⑴ 起止高度
⑵ 慢速下刀距离
⑶ 抬刀控制
4.刀具半径补偿与长度补偿
5.顺铣与逆铣
6.切削液开关
7.拐角控制
8.轮廓控制限制范围
9.区域加工顺序
9.区域加工顺序
4,7.3.9 数控编程的误差控制
1.刀轨计算误差
2,残余高度
4,7.3.10 数控程序的后置处理
形成特定机床的数控机工程序。
4.8 高速加工
4.8.1 概述
1,1931年由德国所罗门（ Salomon）提出高速加工，所罗
门推论：在切削速度达到 15000m/min时，切削温度达到最大
值，如果在这个临界值之后，切削速度增加，则切削温度下
降（后来研究证明，该推论不完全正确，需修正） 。
高速加工 切削速度
刀具寿命
切削力
图 4.8-1 所罗门（ Salomon）曲线
2.高速加工于 80年代进了一个高速发展时期,90年代在制造
业广泛应用。 它是 一种先进的金属切削加工技术，由于它大
大的提高切削率和加工质量，又称为高性能加工。 多用于铣削
加工。高速加工由航空工业和模具工业的需求而推动的。
现在美国和日本大约有 30%的公司已经使用高速加工，
在德国这个比例高于 40%。在飞机制造业，高速铣已经普遍用
于飞机零件的加工。
3.高速加工需具备的条件,
高速主轴单元，电主轴。
快速进给和高加 /减速的驱动系统，直线电机驱动。
高性能的高速 CNC控制系统。配以高速 加工的 CAD/CAM软件。
超硬的刀具材料（包括涂层工艺及材料）。
目前市场上出现的铣削加工机床主轴转述在 20000～
60000r/min，最高达到 150000 r/min；在 x,y,z 进给坐标方向
的最大进给速度也提高到 24～ 60m/min。
高速加工的基本出发点是 高速低负荷。 在此状态下的切
削比低速高负荷状态下切削能更快的切除材料。
4.高速加工采用全新的加工工艺，从刀具、切削参数、走刀
路径的选择及程序的编制，都不同于传统的加工。能实现：
?零件精细结构的加工；
?难加工材料的加工（淬硬钢、石墨、钛合金） ；
?微小结构（小孔、细槽）的铣削加工 ；
?薄壁类零件的加工 。
同时简化了生产工序使绝大多数工作都集中在高速加工中
心上完成。
定义,高速加工是一个相对的概念, 与加工对象, 刀具, 切
削参数有很大关系 。 一般认为高速加工的切削速度和进给率至
少是普通切削的 5~10倍 。
典型高速铣加工参数
材 料 切削速度（ m/min） 进给率（ m/min） 刀具 /刀具涂层
铝 12~20 ~2000 整体硬质合金 /无涂层
钢 6~12 ~1000 整体硬质合金 /无涂层
钢 （ 42HRC~52HRC） 3~7 ~400 整体硬质合金 /TiCN/
TiAlCN涂层
钢 （ 52HRC~60HRC） 3~4 ~250 整体硬质合金 / TiCN/
TiAlCN涂层
另一定义：利用高的主轴转速和高的进给速度, 达到高的金
属切除率, 并获得良好的加工精度和质量 。
5.高速铣应用的领域：
① 航空工工业及其零件产业：铝合金, 难切削合金 （ 如钛合
金等 ）, 薄壁结构零件, 整体材料直接加工出来的零件等 。
② 汽车 /机车工业及其零件产业：轻合金和非铁金属 。
③ 模具工业及其周边产业：模体材料为钛合金, 硬化材料等,
④机电及消费品产业：机电产品和消费品的外壳和结构。
4.8.2 高速加工的工艺及其设置
一, 高速加工工艺
1,高速加工的工艺研究
关键技术有三点：
第一是保持切削载荷平稳；
第二是最小的进给率顺失；
第三是最大的程序处理速度 。
高速铣的工艺特点如下：
◆ 很窄的公差带；
◆ 浅切削 （ 切削深度不大于刀具直径的 10%） 。
◆ 高的切削速度 （ 达到机床极限 ） 。
◆ 用斜坡和螺旋式进刀 。
◆ 大量采用分层加工 。
◆ 轮廓加工采用小的粗糙度 。
◆ 多用球头刀 。
◆ 切除率尽量保持常数 。
◆ 防止产生切削的二次切断
2,高速铣的主要工艺原则
① 粗加工
◆ 刀具总是以 5° 的倾角, 以螺旋或倾斜方式进入工件材料 。
◆ 进给率和机床转速之比应该达到最佳, 它与刀具材料和工件材料有关,
同时, 还取决于机床和 CNC系统的能力 。
◆ 要避免突然改变方向, 即使在减少进给量或刀具停止时也要避免 。 另
外, 如果进给量一下变为零, 将会引起刀具和工件之间的磨擦增大, 可
能加少刀具寿命, 或者在严重情况下, 会造成刀具的立即损坏 （ 由于产
生过渡的热 ） 。
◆ 为了平稳从容的加工硬化了的材料, 径向进刀量不得大于 6%~8%的道
具直径, 深度进给量最大不超过 5%的刀具直径 。
② 半精加工
半精加工高速铣削条件：
◆ 避免急剧的铣切运动 。
◆ 为避免过切, 刀具直接下沉到下一个切削平面 （ 层间距离较小 ）, 不可能
采用螺旋或斜坡进刀 ） 。
◆ 径向进刀量小于 6%~8%的道具直径 。
◆ 满足等量切削条件 。
半精加工常采用以下二种方法：
一是, 剩余材料铣切, 。
二是, Z向分层螺旋式铣切, 。
③精加工
精加工的高速铣条件：
◆ 避免急剧变化的刀具运动 。
◆ 避免在外形轮廓上进刀和退刀 。 轮廓铣中直接下沉到下一各深度, 如果作
不到直接下沉, 可用螺旋或斜坡下沉 。
◆ 每齿的横向进刀量 （ fz） 要与径向进刀量相当 。
◆ 采用真实的粗糙度铣切 ——用刀具粗糙度值计算步距 。
◆ 每齿进刀量为常数, 可达到最好的表面加工直量 。
3．高速铣常见工艺问题的处理
⑴ 顺逆铣
⑵ 凹, 凸角加工
⑶ 陡壁加工
⑷ 分层加工
⑸ 进退刀控制
逼近矢量
退出矢量
切削矢量
切削矢量
图 6-2螺旋、圆弧方式进退刀
⑹ 拐角加工
⑺ 螺旋驱动加工
⑻ 刀具路径的优化
⑼ 刀位轨迹的横向过渡
① 抬刀式过渡 。 为了避免行间过渡时方向急剧变化和全刀宽切削, 可用
抬刀过渡：, 高尔夫球杆, 式过渡, 抬刀到安全平面过渡 。
② 各种过渡方式 。 包括：不延伸过渡, 线性延伸过渡, 圆弧延伸过渡,
线性加圆弧延伸过渡 。
③ 步距间圆弧过渡 。
⑽ 三维轮廓加工 4．粗加工后的清理
⑾ 薄壁零件加工
4．粗加工后的清理
⑴ 基于残留材料的加工
⑵ 清根加工
二, 工艺设置
1.刀具选择
⑴刀柄的选择
⑵刀具几何参数
⑶刀具材料的选择
2,合理切削用量
4.8.3 高速加工的程序编制
1,高速加工编程关心的问题
⑴ 前视和预览功能
⑵ 固定的刀具载荷, 不要波动
⑶ 采用安全和有效的加工方法
⑸合理安排工序
2．高速加工编程的策略
⑴光滑的进退刀
⑵光滑的移刀方式
1） 行切的光滑移刀
①行切的移刀直接采用切圆弧连接
②行切移刀采用内侧或外侧圆弧过渡移刀
③切向的移刀采用高尔夫球竿头式移刀方式
a) 直接切圆弧移刀 b) 内侧或外侧圆弧过渡移刀 c) 高尔夫球竿头式移刀
图 4-6 行切光滑移动刀具
2）环切的光滑移
①环切的移刀采用环间的圆弧切出与切入连接
②环切的移刀采用空间螺旋式移刀
3）层间的空间螺旋移刀
⑶采用光滑的转弯走刀方式
1）圆角走刀
2）圆环走刀
4.8.4 充分发挥 CAM软件的高速加工特性
1.螺旋三轴联动
2.摆线式加工
3,NURBS样条编程
4.层间二次粗加工优化的功能
5.斜率分析的清根算法
6.螺旋式进刀
好的高速加工程序在机床上执行的非常快，但它的产生却需花费很长
的时间和大量的精力。更重要的是 CAM要提供强大的高速编程功能。
