第4章 数控机床概述

1、第第4章数控机床概述章数控机床概述 4.1数控机床的产生与发展数控机床的产生与发展 4.1.1数控机床产生的背景数控机床产生的背景 随着科学技术和社会生产的不断发展，人们对机械随着科学技术和社会生产的不断发展，人们对机械 产品的质量和生产效率提出了越来越高的要求。产品的质量和生产效率提出了越来越高的要求。 大批量生产大批量生产 对于定型产品的大批量生产，许多生产企业（例对于定型产品的大批量生产，许多生产企业（例 如汽车、拖拉机、家电如汽车、拖拉机、家电行业等生产厂家）都已采用行业等生产厂家）都已采用 了自动机床、组合机床和专用自动生产线，实行自了自动机床、组合机床和专用自动生产线，实行自 动流

2、水作业。动流水作业。 尽管初期投资大，生产准备时间长，但在大批量尽管初期投资大，生产准备时间长，但在大批量 生产条件下，产品质量容易保证，生产效率高，平生产条件下，产品质量容易保证，生产效率高，平 均单件成本低，经济效益非常显著。均单件成本低，经济效益非常显著。 单件、小批量、精密复杂零件的生产问题单件、小批量、精密复杂零件的生产问题 在机械制造业中，多品种、单件、小批量生产在机械制造业中，多品种、单件、小批量生产 （批量在（批量在10100件）约占机械加工总量的件）约占机械加工总量的80%以上，以上， 尤其是在造船、航天、航空、机床、重型机械以及国尤其是在造船、航天、航空、机床、重型机械以及

3、国 防等部门，其生产特点是品种多，加工批量小，改型防等部门，其生产特点是品种多，加工批量小，改型 频繁，零件的形状复杂且精度要求高，频繁，零件的形状复杂且精度要求高，普通机床自动普通机床自动 化程度低，生产效率和加工精度都难以提高，尤其是化程度低，生产效率和加工精度都难以提高，尤其是 一些复杂曲面，甚至无法加工，而采用专用自动化加一些复杂曲面，甚至无法加工，而采用专用自动化加 工设备，则投资大、时间长、转型难，显然不能满足工设备，则投资大、时间长、转型难，显然不能满足 竞争日益激烈的市场需要。竞争日益激烈的市场需要。 数控机床的产生数控机床的产生 为了解决上述问题，满足多品种、单件、小批量、为

4、了解决上述问题，满足多品种、单件、小批量、 高精度、高效率的自动化生产，迫切需要一种灵活高精度、高效率的自动化生产，迫切需要一种灵活 的、通用的，能适应产品频繁变化、结构复杂、加的、通用的，能适应产品频繁变化、结构复杂、加 工精度要求较高的柔性自动化机床。工精度要求较高的柔性自动化机床。 正是在这种需求下，在二十世纪中期，随着计算正是在这种需求下，在二十世纪中期，随着计算 机技术、微电子技术和自动化技术的高速发展，数机技术、微电子技术和自动化技术的高速发展，数 字控制机床（字控制机床（Numerical Control，简称，简称NC或数控）或数控） 便诞生并迅速发展起来，便诞生并迅速发展起来

5、，为单件、小批量生产的精为单件、小批量生产的精 密复杂零件提供了自动化加工手段密复杂零件提供了自动化加工手段。 4.1.2数控机床诞生的时间及其发展过程数控机床诞生的时间及其发展过程 世界上第一台数控机床于世界上第一台数控机床于1952年诞生于美国麻省理年诞生于美国麻省理 工学院（工学院（MIT），），是由美国帕森斯公司（是由美国帕森斯公司（Parsons Co.） 和和MIT合作研制的三坐标数控铣床，用于加工直升飞机合作研制的三坐标数控铣床，用于加工直升飞机 变截面螺旋桨叶片轮廓的检测样板。机床占地面积约变截面螺旋桨叶片轮廓的检测样板。机床占地面积约 60m2，其数控系统是一台专用计算机，大

6、约由，其数控系统是一台专用计算机，大约由2000多多 个电子管组成，插补装置采用个电子管组成，插补装置采用“数字脉冲乘法器数字脉冲乘法器”， 是一种直线插补器，伺服机构采用一台小型液压马达，是一种直线插补器，伺服机构采用一台小型液压马达， 通过改变液压马达的斜盘倾角而进行变速，实质上仍通过改变液压马达的斜盘倾角而进行变速，实质上仍 属于一台试验性的数控加工设备。属于一台试验性的数控加工设备。 1954年，年，在帕森斯（在帕森斯（Parsons）专利的基础上，由）专利的基础上，由 美国本迪克斯公司（美国本迪克斯公司（Bendix Co.）所生产出来的数控）所生产出来的数控 机床是世界上第一台工业

7、实用性数控机床。机床是世界上第一台工业实用性数控机床。 1959年年，开始采用晶体管元件和印刷电路板，美国，开始采用晶体管元件和印刷电路板，美国 克耐克耐杜列克公司（杜列克公司（Keaney 或采用通讯接或采用通讯接 口，由编程计算机以通讯方式输入。口，由编程计算机以通讯方式输入。 (2) 数控装置（数控装置（CNC） 数控装置（数控装置（CNC）是数控机床的中枢，它由输入）是数控机床的中枢，它由输入 装置、输出装置、运算器、控制器、存储器等组成装置、输出装置、运算器、控制器、存储器等组成; 它接受由控制介质输入的加工信息代码（加工程它接受由控制介质输入的加工信息代码（加工程 序），经识别、译

8、码后送到相应的存储区，作为控序），经识别、译码后送到相应的存储区，作为控 制和运算的原始数据，再经过数据运算处理，由输制和运算的原始数据，再经过数据运算处理，由输 出装置出装置以脉冲的形式向辅助控制装置和伺服系统发以脉冲的形式向辅助控制装置和伺服系统发 出控制指令和运动指令。出控制指令和运动指令。 (3. 伺服驱动系统伺服驱动系统 伺服系统是数控系统的一个重要组成部分，它将伺服系统是数控系统的一个重要组成部分，它将 CNC装置送来的脉冲运动指令信息进行放大，驱动装置送来的脉冲运动指令信息进行放大，驱动 机床的移动部件（刀架或工作台）按规定的轨迹和机床的移动部件（刀架或工作台）按规定的轨迹和 速

9、度移动或精确定位，加工出符合图样要求的工件。速度移动或精确定位，加工出符合图样要求的工件。 每个脉冲信号使机床移动部件产生的位移量称为每个脉冲信号使机床移动部件产生的位移量称为 脉冲当量脉冲当量，用，用表示，常用的脉冲当量有表示，常用的脉冲当量有0.01mm/脉脉 冲、冲、0.005mm/脉冲、脉冲、0.001mm/脉冲。脉冲。 伺服系统由伺服驱动电路、功率放大电路、伺服伺服系统由伺服驱动电路、功率放大电路、伺服 驱动装置（电机）等组成驱动装置（电机）等组成，并与机床上执行部件和，并与机床上执行部件和 机械传动部件组成数控机床的进给系统。机械传动部件组成数控机床的进给系统。 每个作进给运动的执

10、行部件，都配有一套伺服驱每个作进给运动的执行部件，都配有一套伺服驱 动系统。动系统。 伺服系统有开环、半闭环和闭环伺服系统有开环、半闭环和闭环之分，半闭环和之分，半闭环和 闭环控制的数控机床带有位置检测反馈系统，它将闭环控制的数控机床带有位置检测反馈系统，它将 机床移动的实际位置，速度参数检测出来，转换成机床移动的实际位置，速度参数检测出来，转换成 电信号，反馈到电信号，反馈到CNC装置与指令位移进行比较装置与指令位移进行比较,并由并由 CNC装置发出相应的指令，控制进给运动，修正偏装置发出相应的指令，控制进给运动，修正偏 差，提高加工精度。差，提高加工精度。 (4) 辅助控制装置辅助控制装置

11、 辅助控制装置即强电控制装置，是介于数控装置和辅助控制装置即强电控制装置，是介于数控装置和 机床机械、液压部件之间的控制系统。机床机械、液压部件之间的控制系统。 它是把它是把CNC送来的辅助控制指令信号经必要的编送来的辅助控制指令信号经必要的编 译，逻辑判断，功率放大后直接控制主电机的启动、译，逻辑判断，功率放大后直接控制主电机的启动、 停止和调速，冷却泵的启动和停止以及工作台的转位停止和调速，冷却泵的启动和停止以及工作台的转位 和换刀等动作。和换刀等动作。 此外，还有行程开关的监控检测等开关信号也要经此外，还有行程开关的监控检测等开关信号也要经 过强电控制装置送到过强电控制装置送到CNC装置

12、进行处理。装置进行处理。 (5) 机床本体机床本体 数控机床是高精度、高效率的自动化加工机床，数控机床是高精度、高效率的自动化加工机床， 其机械部件的组成与普通机床相似，但传动结构其机械部件的组成与普通机床相似，但传动结构 要求更为简单，在精度、刚度、抗振性、抗热变要求更为简单，在精度、刚度、抗振性、抗热变 形、减小磨擦系数、消除传动间隙等方面要求更形、减小磨擦系数、消除传动间隙等方面要求更 高，而且其传动和变速系统要便于实现自动化控高，而且其传动和变速系统要便于实现自动化控 制。制。 4.2.2 数控机床的工作原理数控机床的工作原理 如图如图4-1所示，在数控机床上加工零件，通常要所示，在数

13、控机床上加工零件，通常要 经过以下几个步骤：经过以下几个步骤： 根据零件图上的图样和技术条件，编写出工件根据零件图上的图样和技术条件，编写出工件 的加工程序，并记录在控制介质即载体上；的加工程序，并记录在控制介质即载体上； 把程序载体上的程序通过输入装置输入到计算把程序载体上的程序通过输入装置输入到计算 机数控装置中去；机数控装置中去； 计算机数控装置将输入的程序经过运算处理后，计算机数控装置将输入的程序经过运算处理后， 由输出装置向各个坐标的伺服系统、辅助控制装置由输出装置向各个坐标的伺服系统、辅助控制装置 发出指令信号；发出指令信号； 伺服系统把接收的指令信号放大，驱动机床伺服系统把接收的

14、指令信号放大，驱动机床 的移动部件运动；辅助控制装置根据指令信号控制的移动部件运动；辅助控制装置根据指令信号控制 主轴电机等运转；主轴电机等运转； 通过机床的机械部件带动刀具及工件作相对运通过机床的机械部件带动刀具及工件作相对运 动，加工出符合图样要求的工件；动，加工出符合图样要求的工件； 位置检测反馈系统检测机床的运动，并将信号位置检测反馈系统检测机床的运动，并将信号 反馈给数控装置，以减少加工误差。当然，对于开反馈给数控装置，以减少加工误差。当然，对于开 环机床来说，没有检测、反馈系统。环机床来说，没有检测、反馈系统。 4.3.1 数控机床的特点数控机床的特点 数控机床之所以在机械制造业中

15、得到迅速发展和日数控机床之所以在机械制造业中得到迅速发展和日 益广泛的应用，这归因于它有以下特点：益广泛的应用，这归因于它有以下特点： (1) 适应性强适应性强; (2) 加工精度高，加工质量稳定加工精度高，加工质量稳定; (3) 生产效率高生产效率高; (4) 操作者劳动强度低，但技术水平要求高操作者劳动强度低，但技术水平要求高; (5) 有利于生产、经营管理的现代化，市场响应快，有利于生产、经营管理的现代化，市场响应快， 可获得良好的经济效益。可获得良好的经济效益。 5.3.2 数控机床的分类数控机床的分类 数控机床的品种很多，根据其控制方式、组成特数控机床的品种很多，根据其控制方式、组成

16、特 点、应用范围、功能水平等可从不同的角度进行分点、应用范围、功能水平等可从不同的角度进行分 类。类。 1. 按数控系统的控制方式分类按数控系统的控制方式分类 按数控系统的控制方式分点位控制、直线控制和按数控系统的控制方式分点位控制、直线控制和 轮廓控制数控机床。轮廓控制数控机床。 点位控制数控机床点位控制数控机床 点位控制的数控机床用于加工平面内的孔系，点位控制的数控机床用于加工平面内的孔系， 只要求获得精确的孔系坐标定位精度，在定位过只要求获得精确的孔系坐标定位精度，在定位过 程中不进行切削加工，对运动轨迹不需严格控制。程中不进行切削加工，对运动轨迹不需严格控制。 其数控系统可采用点位检测

17、系统，结构简单、价其数控系统可采用点位检测系统，结构简单、价 格低廉。格低廉。 点位控制机床的特点点位控制机床的特点是其数控系统可采用点位检是其数控系统可采用点位检 测系统，结构简单、价格低廉。测系统，结构简单、价格低廉。 主要有数控钻床，数控镗床、数控冲床、三坐标主要有数控钻床，数控镗床、数控冲床、三坐标 测量机等。测量机等。 为了提高生产效率，为了提高生产效率，定位移动以高速运行，在接定位移动以高速运行，在接 近定位点前一般采用近定位点前一般采用3级减速级减速，以便低速趋近终点，以便低速趋近终点， 减少惯性引起的定位误差，确保准确定位。减少惯性引起的定位误差，确保准确定位。 直线控制数控机

18、床直线控制数控机床 这类机床不仅要求具有准确的定位功能，而且要这类机床不仅要求具有准确的定位功能，而且要 求求从某一坐标点到另一坐标点之间沿平行于坐标轴从某一坐标点到另一坐标点之间沿平行于坐标轴 的方向进行直线移动和切削加工。的方向进行直线移动和切削加工。 移动过程属于工作进给移动过程属于工作进给，要选用合适的刀具、进，要选用合适的刀具、进 给速度与切削用量。给速度与切削用量。 这类机床包括数控铣镗床、数控车床、数控加工这类机床包括数控铣镗床、数控车床、数控加工 中心等，一般情况下这类机床有中心等，一般情况下这类机床有23个可控轴，但个可控轴，但 可可同时控制的轴只有一个同时控制的轴只有一个。

19、 为了能在磨损或换刀后仍可获得合格的零件，此为了能在磨损或换刀后仍可获得合格的零件，此 类机床的类机床的数控系统常备有刀具半径补偿和刀具长度数控系统常备有刀具半径补偿和刀具长度 补偿功能以及主轴转速控制功能。补偿功能以及主轴转速控制功能。 轮廓控制数控机床轮廓控制数控机床 这类数控机床占有较大的比重，这类数控机床占有较大的比重，具有轮廓控制功能，具有轮廓控制功能， 即可以加工曲线、曲面等复杂零件。即可以加工曲线、曲面等复杂零件。这类机床有两坐标这类机床有两坐标 及两坐标以上的数控铣床、加工中心等。及两坐标以上的数控铣床、加工中心等。 这类数控机床绝大多数这类数控机床绝大多数具有两坐标或两坐标以

20、上的联具有两坐标或两坐标以上的联 动功能动功能，能同时控制两个或两个以上的轴进行插补运算，能同时控制两个或两个以上的轴进行插补运算， 对位移和速度进行严格的不间断控制，它不仅具有刀具对位移和速度进行严格的不间断控制，它不仅具有刀具 半径补偿及刀具长度补偿，还有机床轴向运动误差补偿、半径补偿及刀具长度补偿，还有机床轴向运动误差补偿、 丝杠、齿轮的间隙误差补偿等一系列功能。丝杠、齿轮的间隙误差补偿等一系列功能。 2. 按同时控制的轴数分类按同时控制的轴数分类 数控机床按照同时控制的轴数分，数控机床按照同时控制的轴数分，有有2轴控制、轴控制、 2.5轴控制、轴控制、3轴、轴、4轴及轴及5轴联动等轴联

21、动等。 2.5轴轴控制是指控制是指2个轴联动而另一个轴是点位控制个轴联动而另一个轴是点位控制 或直线控制。或直线控制。 4轴、轴、5轴控制轴控制指除指除X、Y、Z三轴联动外，增加了三轴联动外，增加了 与工作台回转、刀具摆动的同时联动。与工作台回转、刀具摆动的同时联动。 如图如图4-2所示，这类机床的数控系统将加工程序处所示，这类机床的数控系统将加工程序处 理后，向伺服系统输出一定频率和数量的进给指令脉理后，向伺服系统输出一定频率和数量的进给指令脉 冲，经驱动电路放大后，驱动步进电机传动工作台实冲，经驱动电路放大后，驱动步进电机传动工作台实 现进给运动。现进给运动。 3. 按执行机构的伺服系统类

22、型分类按执行机构的伺服系统类型分类 开环伺服系统数控机床开环伺服系统数控机床 图图4-2 开环伺服系统开环伺服系统 闭环伺服系统数控机床闭环伺服系统数控机床 该系统具有检测装置，该系统具有检测装置，如图如图4-3所示。所示。 图图4-3 闭环伺服系统闭环伺服系统 位置检测装置位置检测装置，能将工作台的实际位移反馈到数，能将工作台的实际位移反馈到数 控装置中与所要求的位置指令进行比较，用比较的控装置中与所要求的位置指令进行比较，用比较的 差值进行控制，直到差值消除为止，从而使加工精差值进行控制，直到差值消除为止，从而使加工精 度大大提高。度大大提高。 速度检测装置速度检测装置能随时实测驱动电机的

23、转速，得到能随时实测驱动电机的转速，得到 速度反馈信号，将它与速度指令信号相比较，用比速度反馈信号，将它与速度指令信号相比较，用比 较的差值，对驱动电动机的转速随时进行校正。较的差值，对驱动电动机的转速随时进行校正。 闭环控制的特点是：闭环控制的特点是： 加工精度高、速度快、驱动功率大；加工精度高、速度快、驱动功率大； 这类机床采用直流伺服或交流伺服电机作为驱这类机床采用直流伺服或交流伺服电机作为驱 动元件，控制电路比较复杂，检测元件价格昂贵，动元件，控制电路比较复杂，检测元件价格昂贵， 调试、维修比较复杂，成本高。调试、维修比较复杂，成本高。 主要用于一些精度要求很高的数控镗铣床、超主要用于

24、一些精度要求很高的数控镗铣床、超 精车床、超精铣床等。精车床、超精铣床等。 半闭环伺服系统数控机床半闭环伺服系统数控机床 大多数数控机床采用半闭环伺服系统，如图大多数数控机床采用半闭环伺服系统，如图5-4所示所示 图图4-4 半闭环伺服系统半闭环伺服系统 大多数数控机床采用半闭环伺服系统，它将大多数数控机床采用半闭环伺服系统，它将检测检测 元件从工作台移到电动机端头或丝杠端头，元件从工作台移到电动机端头或丝杠端头，它不它不 是直接检测工作台的位移量，而是通过与伺服电是直接检测工作台的位移量，而是通过与伺服电 机有联系的转角检测元件如光电编码器等，测出机有联系的转角检测元件如光电编码器等，测出 伺服电机的转角，推算出工作台的实际位移量，伺服电机的转角，推算出工作台的