Numerical Control of Production Equipment
Numerical control (NC) is a form of programmable automation in which the processing equipment is controlled by means of numbers, letters, and other symbols. The numbers, letters, and symbols are coded in an appropriate format to define a program of instructions for a particular work-part or job .When he job changes ,the program of instructions is changed. The capability to change the program is what makes NC suitable for low-and medium-volume production. It is much easier to write new programs than to make major alterations of the processing equipment.
Basic components of NC
A numerical control system consists of the following three basic components:
(1) Program of instructions
(2) Machine control unit
(3) Processing equipment
The general relationship among the components is illustrated in Fig.2.1.The program is fed into the control unit, which directs the processing equipment accordingly.
Fig 2.1
The program of instructions is the detailed step-by-step commands that direct the processing equipment. In its most common form, the commands refer to positions of a machine tool spindle with respect to the workable on which the part is fixtured. More advanced instructions include selection of spindle speeds, cutting tools, and other functions. The program is coded on a suitable medium for submission to the machine control unit. The most common medium in use over the last several decades has been 1-in.-wide punched tape. Because of the widespread use of the punched tape, NC is sometimes called “tape control”. However, this is a misnomer in modern usage of numerical control. Coming into use more recently have been magnetic tape cassettes and floppy diskettes.
The machine control unit (MCU) consists of the electronics and hardware that read and interpret the program of instruction and convert it into mechanical actions of the machine tool or other processing equipment.
The processing equipment is the third basic component of an NC system. It is the component that performs useful work. In the most common example of numerical control, one that performs machining operations, the processing equipment consists of the worktable and spindle as well as the motors and controls needed to drive them.
Types of Control Systems
There are two basic types of control systems in numerical control: point-to-point and contouring. In the point-to-point system, also called positioning, each axis of the machine is driven separately by lead screws and, depending on the type of operation , at different velocities. The machine moves initially at maximum velocity in order to reduce nonproductive time but decelerates as the tool reaches its numerically defined position. Thus in an operation such as drilling or punching, the tool retracts, moves rapidly to another position, and repeats the operation. The path followed from one position to another is important in only one aspect : The time required should be minimized for efficiency. Point-to-point systems are used mainly in drilling, punching, and straight milling operations.
In the contouring system, also known as the continuous path system, positioning and cutting operations are both along controlled paths but at different velocities. Because the tool cuts as it travels along a prescribed path, accurate control and synchronization of velocities and movements are important. The contouring system is used on lathes, milling machines, grinders, welding machinery, and machining centers.
Movement along the path, or interpolation, occurs incrementally, by one of several basic methods. In all interpolations, the path controlled is that of the center of rotation of the tool. Compensation for different tools, different diameter tools, or tool wear during machining, can be made in the NC program.
There are a number of interpolation schemes that have been developed to deal with the various problems that are encountered in generating a smooth continuous path with a contouring-type NC program. They include:
(1) Linear interpolation
(2) Circular interpolation
(3) Helical interpolation
(4) Parabolic interpolation
(5) Cubic interpolation
Each of these interpolation procedures permits the programmer ( or operator) to generate machine instructions for linear or curvilinear paths. Using a relatively few input parameters. The interpolation module in the MCU performs the calculations and directs the tool along the path.
Linear interpolation is the most basic and is used when a straight-path is to be generated in continuous-path NC. Two-axis and three-axis linear interpolation routines are sometimes distinguished in practice, but conceptually they are the same. The programmer is required to specify the beginning point and end point of the straight line, and the feed rate that is to be followed along the straight line. The interpolator computes the feed rates for each of the two (or three) axes in order to achieve the specified feed rate.
Linear interpolation for creating a circular path would be quite inappropriate because the programmer would be required to specify the line segments and their respective end points that are to be used to approximate the circle. Circular interpolation schemes have been developed that permit the programming of a path consisting of a circular arc by specifying the following parameters of the arc: the coordinates of its end points, the coordinates of its center, its radius, and the direction of the cutter along the arc. The tool path that is created consists of a series of straight-line segments, but the segments are calculated by the interpolation module rather than programmer. The cutter is directed to move along each line segment one by one in order to generate the smooth circular path. A limitation of ci
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数控设备
数字控制是自动控制的一种形式。加工设备被所谓的数字，信息，其他记号所控制。为了一个特定的工作，这些数字，信息和记号被译成恰当的格式来定义一个程序指令。当任务改变时，程序指令同样改变。能改变指令，使的数字控制特别适合中小量产品的生产。编写一个新的程序指令比对加工设备进行大的变更要简单的多。
数控设备的基本组成
一个数字控制系统包括以下三个基本组成部分：
程序指令
机械控制单元
加工设备
这三者之间的大致关系如图2.1所说明的。程序指令被输入到控制单元，用来指导加工设备的运动参照。
程序指令详细的一步一步地指导着加工设备的运动。在最常见的形式中，机器的位置检测器和固定的工作台是严格垂直的。更先进的设备包括选择进给速度，加工刀具和其他功能。程序被译成恰当的中间形式服务与机械控制单元。在过去的几十年中，运用最多的中间体就是穿孔纸带。因为穿孔纸带的普遍应用， 所以数字控制有时也被成为“纸带控制”。但是，在现代的数字控制运用中这是一个误称，因为最近使用最多的是软磁盘和移动硬盘。
机械控制单元包括电子操作和控制硬件，控制硬件读入并翻译程序指令，并把它转换成器械或其它过程设备的自动动作。加工设备是数字控制的第三个基本组成单元，它是进行有效工作的部分，在大部分常见的数控系统中，它进行机械加工操作。加工设备包括工作台，主轴，还有发动机，和拉动它们所需的控制设备。
控制系统的分类
数控系统有两种基本的控制系统：点位控制系统和轮廓线控制系统。点位控制系统，也称为位置式控制系统。机床的每根主轴被不同的电动机单独带动，根据动作的类型确定进给速度。开始时，机器用最大的速度来减少不加工时间，但是当机器到达所设定的位置时要减速。比如在操作钻头和钻孔的操作工序中，定位和切削是相继进行的。在一个洞被钻好以后，刀具回缩，快速移动到另一个位置，重复同样的操作。从一个位置到另一个位置的路径只有一个重要的要求：为了提高效率，尽可能的缩短时间。电位控制系统主要运用与钻孔，研磨等操作中。
轮廓线控制系统，也被称为连续路径式控制系统。位置和切削是同一控制路径，但速度不同。因为机械切削是根据一个规定的路径，精确控制和同一时刻的速度和位置特别重要。轮廓线控制系统主要用与车床，磨床，焊接机械和加工中心。
顺着路径运动，或者插补，出现增量是最基本的操作方法。在所有的插补中，路径控制的核心是对刀具的控制，不同的刀具补偿，不同的刀具直径，或者在工作的刀具磨损都可以在数控系统程序中设定。
有很多插补原理被发明用与解决各种各样的问题。它们是在轮廓线控制系统需要产生连续的平滑的加工路径时遇到的。它们包括：
（1） 直线插补
（2） 圆弧插补
（3） 螺旋插补
（4） 抛物线插补
（5） 立方体式插补
这其中的任何一项插补都产生命令，使执行者都生产直线的或者曲线的路径程序指令，运用相对较少的输入参数，数控装置中的插补单位产生计算过程，引导执行工具沿路径运行。
直线插补是最基本的，当一个连续路径数控系统中产生一个直线路径时被运用。二轴和三轴直线插补的规定有时在实践中有区别，但是大致上它们是一样的。编程者需要指定直线的开始点和终止点，同时，进给速度要沿着直线的方向，为了达到指定的进给速度，插补者要计算二主轴（三主轴）中的任何一个轴的进给速度。
直线插补指令用与生产一个圆弧是非常不恰当的，因为程序编写者将被要求指定直线部分和它们各自的用与生产圆弧的终点坐标。圆弧插补原理已被开发，它允许通过指令以下圆弧的参数编写一个含有圆弧的路径，参数如下：终点坐标，中心坐标，半径值，沿圆弧的加工方向。生成的加工路径包括一系列的直线部分，但是各个部分的数值计算是有插补单位而不是由编程者来完成的。为了生成平滑的圆弧曲线，刀具完全沿着一个接一个的直线部分运动。圆弧插补原理的一个局限是圆弧存在的平面一定是数控系统的两广主轴所定义的一个平面。
螺旋插补是上面所描述过的二轴圆弧插补和三轴中的直线运动的联合，这要求螺旋路径的定义要在三维空间中进行。
抛物线式插补原理和立方体式插补原理主要用与提供近似的用于较高要求的无规则曲线。它们通常需要较强的建设能力，并且和直线圆弧插补是不同的。它们主要运用在那些不能精确和方便用联合直线和圆弧插补接近的用于制造汽车嵌板的镝镀的无规则平面的设计。
机械手的控制是数字控制的最常使用形式。这是数字控制的第一个应用同时也是商业上的最重要的应用。在这节我们主要讨论数控系统机床的应用特别是金属加工方面。
数控系统的机械工具技术
这五种机加工过程的任一种的过程都发生在相应的机床上。旋转是在镟床上，钻孔在钻床上，磨粉是在研磨机上等等。有很多不同的类型的碾磨是在相应的多种不同的机床上实现的。应用于所有加工过程的数控机床现已被设计出来。名单包括：
（1） 钻床
（2） 轧齿机 水平轴的，垂直轴的
（3） 镟床 包括水平和垂直轴的
（4） 水平轴的和垂直轴的磨床
（5） 侧面和轮廓线磨床
（6） 表面和圆柱体的磨床
除了机加工过程，用于其它机加工过程的数控机床也被开发出来。这些设备有：
（1） 用于钻薄金属洞的钻床
（2） 用于薄板弯曲的机床
数字控制的引入给设计和操作机床带来了深刻的影响。数字控制带来的其一影响是：程序指令控制下的机加工所占时间比率比手工操作机器的有很大的提高。这也产生一定的影响，比如，轴，传动装置和螺旋进给的磨损更快。数控机床的这些组成部分必须被设计成持续更长时间。第二，另外增加的电子控制系统增加了机器的成本，因此需要更高的设备利用率。人工操作的机器为了操作方便，通常操作机器只有一个档位，为了获得要求的回报，数控设备常常能够操作两到三个档位。同时，数控机床被设计成在操作周期内减少不工作部分所消费的时间。就像零件的加载，卸载和更换刀具。第三，不断增加的人力成本改变了操作者和机械工具之间的相对角色。考虑到操作者的角色，为了替换掌握各种零件生产因素的高级技术工人，操作者的任务在零件的装载与卸载，刀具转换，切削清理等方面都已减少。用这种方法一个操作员通常能操作二到三台数控机床。机床的角色和功能也发生了变化。数控设备被设计成高自动化，能联合很多操作在以前需要很多不同机器的体系中。机加工就是这些变化的最好例子。这种新型的机器在数字控制出现和发展以前是根本不存在的。
机加工中心发展于50年代后期，在程序指令控制下，这种机器能在一个体系中的加工零件上进行多种机加工操作。这种机加工中心能进行磨，钻，绞孔，车，和其它相似操作。另外，数控加工中心的特别的特征包括以下内容：
（1） 自动换刀功能： 各种机加工操作需要多样的与之对应的刀具，一个机器需要的刀具放在刀架上。当需要更换刀具时，刀架就循环转到合适的位置上，在指令的控制下，一个自动换刀系统就变换刀架和刀库里的相应刀具。
（2） 自动转换零件位置： 大部分加工中心都有能力循环到相对与主轴的工作位置，允许刀具进入到零件的四面进行加工。
（3） 穿梭低台： 加工中心另一个特征是有两个单独的工作低台可以呈送给加工刀具，当在对当前的刀具所在低台进行机加工时，另外一个远离轴的较安全的地方。用这种方法，操作者在当前的原材料被加工的过程中，可以卸掉前一个工序中完成的零件和装载下一个循环所用的未加工的零件。
机加工中心分为水平型和垂直型的。这种分类是由机床刀具主轴的方向决定的。一个垂直型的加工中心，它的主轴和工作台是一个垂直关系，而一个水平型加工中心有一个水平的主轴。这种区别通常是由于在机床上加工工件的类型不同造成的。垂直型机加工中心特别适用于正方体形状的零件，它的刀具最好从正方体的各个面接近。图2.2 是一个数字控制型水平加工中心，包括上面所介绍的多种特征。
机加工中心的成功带动了其它金属加工过程相似机械刀具的发展。车床加工中心就是一个例子，设计一个高自动化的，能变通的机械工具用于车，钻等相关操作。
直接数字控制与计算机数字控制
从技术和商业的角度看，数字控制的发展在过去几十年里取得了很大的成就。现在有两种更高级，应用更广领域的数字控制技术。包括：
（1） 直接数字控制
（2） 计算机数字控制
1． 直接数字控制
直接数字控制可以被定义为这样的一种制造系统，就是很多机器通过直接时是连接被一个计算机控制。穿孔纸带在直接数控系统中被省略，因此成为这个系统中最可靠的部分。
替换了穿孔纸带,零件加工程序直接经计算机传递给机加工刀具。原则上，一台计算机可以用来控制100多台独立的机器。（在二十世纪七十年代，一个商用直接数控系统最大可以同时控制256台机床。）。直接数字控制系统的计算机被设定为为机床提供所需的程序指令。当一台机床需要控制指令时，它们就立即与这台机床相连接。这种系统包括四个组成部分：
（1） 中心计算机
（2） 大的存储器 用它存储数控系统零件加工程序
（3） 远距离通讯
（4） 加工机床
计算机从存储器中调出零件加工程序指令，把他送给有需要的单个加工机床，同时从机床那里接收返回信息。这种双向信息交流实时发生，也就是说每一个机床对程序指令的需求必须在瞬间得到满足。同样地，计算机必须做好接收机床信息的准备，并且据此作出答复。这种直接数字控制系统的一个显著的特征是计算机实时服务于大量单独的机床。根据机床的数量和所需计算机的内存计算能力，有时需要利用附属计算机。这种附机是小型计算机，它们承担大型核心计算机的部分负担。一台附机服务与很多机床。一系列的零件加工程序指令从主计算机获得，并存储在缓冲器中。它们被分配给需要指令的机床。机床的返回信息在被返回主机之前同样存储在附机的缓冲器中。
2． 计算机数字控制技术
自从直接数字控制技术被首次使用以来，计算机技术发生了引人注目的技术进步。数字计算机的体积和价格明显减少，同时，它的计算能力发生了实质性的增加。在数控领域，由于上述技术的进步，小型硬件式的机械控制单元式的数控系统，现已被基于数字计算机的控制单元所代替。七十年代早期，小型计算机初次使用。随着计算机的进一步小型化，小型计算机被微型计算机所取代。
计算机数字控制是一种使用微型计算机作为机械控制单元的一种数字控制系统。由于数字计算机在直接数控系统和计算机数字控制系统中都有应用，在这两种系统之间作出适当的辨别。有三种不同：
（1） 直接数控系统的计算机在很多机床之间进行分派和收集信息。计算机数字控制系统只控制一台机器，或一小部分机床。
（2）直接数字控制系统的计算机占据一个离它所控制的机床很远的地方的一个位置，数控机床则离的非常近。
（3）直接数字控制系统软件的发展不仅用于控制单个设备的生产，同时，为公司的制造尺规零件信息管理系统服务。计算机数字控制系统软件的发展是为了提高单个机床的能力。
3．计算机数字控制系统的特征
数字控制系统的机械控制单元的重要特征和功能在之前已经描述过了，计算机数字控制系统装置增加了其它控制单元没有的功能。部分功能如下：
（1） 存储多个零件加工程序。 随着计算机技术的进步，很多新的计算机数字控制装置有一简单程序的大的存储能力。它能存储一个非常大的程序指令或者几个简单的和中间大小的程序。
（2） 运用磁盘 在制造业中，零件程序对磁盘的需求有增大的趋势。8英寸磁盘的容量相当于8000尺的穿孔纸带。由于这种新的存储技术，很多数控机床的管理者有选择是把程序存项户在磁盘还是在穿孔纸带上。
（3） 程序可以在机床上编辑 为了处理零件程序编制过程中的错误，计算机数控机床系统允许程序可以在计算机存储器中被编辑。另外，测试过程和更改程序都可以在机床上完成，而不必返回到车间的办公室去更正纸带。除了零件程序的更正，编辑同样可以用来对加工周期中的加工情况进行完善。在程序被更改和完善之后，为了获得下一步校正的翻译纸带穿孔纸带可以和数控机床的控制系统连接。
（4） 固定周期和编辑规则 不断增加的内存容量和计算机数控机床的控制计算机的编程能力，提供了可以在内存中存储经常用到的机加工循环指令的机会，可供零件的调用。为了避免对每个零件的程序的循环指令，一个暗号被编入程序来表明这个循环应当被执行。有些这种循环为了能执行，需要定义一些参数。下面是一个螺纹孔循环的例子。其中螺纹孔直径，长度和其它参数需要定义。在其它情况下，特殊的加工车间用到的循环，不需要定义参数。
（5） 插补 由于计算的要求，一些插补计划只有在计算机数控机床系统中才能被真正的执行。直线插补和圆弧插补通常在控制单元执行。螺纹插补等通常在一个存储的程序规则系统中执行。
（6） 系统组织的定位特征 为了一项特定的工作安装机加工器械，安置在工作台上排成一列，这必须完成，因为机器的主轴和工作台平行。很容易利用数控机床系统中的软件选择项的特定功能来完成调整平行度的工作。位置检测器就是其特征之一。利用位置检测器，操作者不需要非常精确的确定工作台的固定物位置。机床主轴利用靶心或者在工件或固定物谁设定目标来指示固定物的位置。
（7） 长度补偿 这和前述的特征相似，但用于刀具的长度和半径。在以前的系统中，为了和零件程序中设定的路径相吻合加工尺寸必须设计的很精确。为了保证定义的精确的刀具路径，其它方法已纳入新的计算机控制数控机床系统中。一种方法是人工操作进入机械控制单元的实际操作部分，这些实际因素可能和原先编程的不一样。
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