第一章：数控机床的工作过程

1、一、数控机床的产生 数字控制（数字控制（Numerical Control, Numerical Control, 简称简称NCNC）技术，简称）技术，简称数控技术，是使用数字化信息按给定的工作程序、运动轨迹数控技术，是使用数字化信息按给定的工作程序、运动轨迹和速度，对控制对象进行控制的一种技术。数字控制系统中和速度，对控制对象进行控制的一种技术。数字控制系统中的控制信息是数字量。它所控制的一般是位移、角度、速度的控制信息是数字量。它所控制的一般是位移、角度、速度等机械量，等机械量， 也可以是温度、压力、流量、颜色等物理量。这也可以是温度、压力、流量、颜色等物理量。这些量的大小不仅可以测量，而

2、且可经过转换，用数字信号表些量的大小不仅可以测量，而且可经过转换，用数字信号表示。示。 概念：概念：数控技术就是指用数字、字母和符号对某一工作数控技术就是指用数字、字母和符号对某一工作过程进行可编程自动控制的技术过程进行可编程自动控制的技术 1.1 数控机床的作用数控机床的作用 采用了数控技术的设备称为数控设备。其操作命令是用数采用了数控技术的设备称为数控设备。其操作命令是用数字或数字代码的形式来描述，工作过程是按指令程序自动进字或数字代码的形式来描述，工作过程是按指令程序自动进行。行。 数控机床就是一种典型的数控设备，它是装备了数控系数控机床就是一种典型的数控设备，它是装备了数控系统的金属切

3、削机床。统的金属切削机床。机械工程系 1952 1952年，美国帕森斯公司和麻省理工学院研制成功了年，美国帕森斯公司和麻省理工学院研制成功了世界上第一台数控机床。半个世纪以来，数控技术得到了世界上第一台数控机床。半个世纪以来，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两个阶段和六代。发展至今已经历了两个阶段和六代。 19521952年的第一代年的第一代电子管数控机床电子管数控机床 19591959年的第二代年的第二代晶体管数控机床晶体管数控机床 19651965年的第三代年的第三代集成电路数控机床集成电路数

4、控机床 19701970年的第四代年的第四代小型计算机数控机床小型计算机数控机床 19741974年的第五代年的第五代微型计算机数控系统微型计算机数控系统 19901990年的第六代年的第六代基于基于PCPC的数控机床。的数控机床。二、二、 数控机床的发展趋势数控机床的发展趋势1高速、高精度化高速、高精度化 高速指的是高的主轴转速、高的快速移动速高速指的是高的主轴转速、高的快速移动速度和高的换刀速度度和高的换刀速度 。 高精度化是指提高数控机床的精度。高精度化是指提高数控机床的精度。2高可靠性高可靠性数控机床的平均无故障工作时间（小时）。数控机床的平均无故障工作时间（小时）。3 3、机床功能复

5、合化、机床功能复合化 复合化是为了提高零件加工效率，减少辅复合化是为了提高零件加工效率，减少辅助时间。能减少装卸时间，提高机床生产效率，助时间。能减少装卸时间，提高机床生产效率，减少半成品库存量，又能保证和提高形位精度。减少半成品库存量，又能保证和提高形位精度。4、智能化、网络化、柔性化、智能化、网络化、柔性化 智能化是指数控机床控制加工精度和加智能化是指数控机床控制加工精度和加工效率的智能化。工效率的智能化。 网络化可以进行跨地域的协同设计、协网络化可以进行跨地域的协同设计、协同制造、信息共享、远程监控及远程服务同制造、信息共享、远程监控及远程服务二、数控机床的特点二、数控机床的特点1对加工

6、对象的适应性强对加工对象的适应性强2加工精度高加工精度高3生产效率高生产效率高4操作者劳动强度低操作者劳动强度低5经济效益好经济效益好6便于生产管理的现代化便于生产管理的现代化第二节第二节 数控机床的种类数控机床的种类一、数控机床的种类一、数控机床的种类 1按工艺要求分类按工艺要求分类1) 1) 普通数控机床普通数控机床这类数控机床指在加工工艺过程中能完成一个（或部这类数控机床指在加工工艺过程中能完成一个（或部分）工序加工的数控机床，如数控车床、数控铣床、数控分）工序加工的数控机床，如数控车床、数控铣床、数控磨床、数控钻床等。其自动化程度还不够完善，刀具的更磨床、数控钻床等。其自动化程度还不够

7、完善，刀具的更换与零件的装夹仍需人工来完成。换与零件的装夹仍需人工来完成。2) 2) 加工中心加工中心加工中心是指带有刀库和自动换刀装置的数控机床，加工中心是指带有刀库和自动换刀装置的数控机床，可以分为车削加工中心和铣削加工中心。可以分为车削加工中心和铣削加工中心。2 按控制方式分类1 1）开环控制系统）开环控制系统 开环控制系统是指不带反馈的控制系统开环控制系统是指不带反馈的控制系统. . 其特点其特点: :开环控制具有结构简单、系统稳定、容易调试、开环控制具有结构简单、系统稳定、容易调试、成本低等优点。但是系统对移动部件的误差没有补偿和校成本低等优点。但是系统对移动部件的误差没有补偿和校正

8、，所以精度低。一般适用于经济型数控机床和旧机床数正，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。控化改造。 如图如图1.5,1.5,部件的移动速度和位移量是由输入脉冲的频率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。和脉冲数决定的。图1.5开环控制系统2）半闭环控制系统）半闭环控制系统 1 1）半闭环控制系统是在开环系统的丝杠上装有角位）半闭环控制系统是在开环系统的丝杠上装有角位移测量装置，通过检测丝杠的转角间接地检测移动部件的移测量装置，通过检测丝杠的转角间接地检测移动部件的位移，反馈到数控系统中，由于惯性较大的机床移动部件位移，反馈到数控系统中，由于惯性较大的机床移

9、动部件不包括在检测范围之内，因而称作半闭环控制系统，如图不包括在检测范围之内，因而称作半闭环控制系统，如图1.61.6所示。所示。 2）系统闭环环路内不包括机械传动环节，可获得稳）系统闭环环路内不包括机械传动环节，可获得稳定的控制特性。机械传动环节的误差，可用补偿的办法消定的控制特性。机械传动环节的误差，可用补偿的办法消除，可获得满意的精度。中档数控机床广泛采用半闭环数除，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。控系统。图1.6半闭环控制系统 3）闭环控制系统）闭环控制系统 1 1）在机床移动部件上直接装有位置检测装置，将测量的结果）在机床移动部件上直接装有位置检测装置，将测量的

10、结果直接反馈到数控装置中，与输入指令进行比较控制，使移动部件按直接反馈到数控装置中，与输入指令进行比较控制，使移动部件按照实际的要求运动，最终实现精确定位，原理如下图所示，因为把照实际的要求运动，最终实现精确定位，原理如下图所示，因为把机床工作台纳入了位置控制环，故称为闭环控制系统。机床工作台纳入了位置控制环，故称为闭环控制系统。 2 2）该系统定位精度高、调节速度快。该系统调试工作困难。）该系统定位精度高、调节速度快。该系统调试工作困难。系统复杂并且成本高，故适用于精度要求很高的数控机床，如精密系统复杂并且成本高，故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。数控镗铣床

11、、超精密数控车床等。3按机床运动的控制轨迹分类 1）点位控制数控机床）点位控制数控机床 1)点位控制只要求控制机床的移动部件从某一位置移动到另点位控制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作严格一位置的准确定位，对于两位置之间的运动轨迹不作严格要求，在移动过程中刀具不进行切削加工，如图要求，在移动过程中刀具不进行切削加工，如图1.2所示。所示。 2)2)为了实现既快又准的定位，常为了实现既快又准的定位，常 采用先快速移动，然后慢速趋近采用先快速移动，然后慢速趋近 定位点位的方法来保证定位精度。定位点位的方法来保证定位精度。 3)主要有数控钻床、数

12、控冲床、主要有数控钻床、数控冲床、 数控镗床、数控点焊机等。数控镗床、数控点焊机等。图1.2点位数控机床加工示意图（2）直线控制数控机床）直线控制数控机床 1）直线控制数控机床的特）直线控制数控机床的特点是除了控制点与点之间点是除了控制点与点之间的准确定位外，还要保证的准确定位外，还要保证两点之间移动的轨迹是一两点之间移动的轨迹是一条与机床坐标轴平行的直条与机床坐标轴平行的直线。线。 2）对移动的速度也要进）对移动的速度也要进行控制，因为这类数控机行控制，因为这类数控机床在两点之间移动时要进床在两点之间移动时要进行切削加工，如图行切削加工，如图1.3所示。所示。 图1.3直线数控机床加工示意图

13、（3）轮廓控制数控机床）轮廓控制数控机床 1）轮廓控制能够对两）轮廓控制能够对两个或两个以上的运动坐个或两个以上的运动坐标的位移及速度进行连标的位移及速度进行连续相关的控制，因而可续相关的控制，因而可以进行曲线或曲面的加以进行曲线或曲面的加工，如图工，如图1.4所示。所示。 2）具有轮廓控制功能）具有轮廓控制功能的数控机床有数控车床、的数控机床有数控车床、数控铣床、加工中心等。数控铣床、加工中心等。图1.4轮廓数控机床加工示意图第三节：数控机床的构成第三节：数控机床的构成 数控机床一般由机床机械本体和数控装数控机床一般由机床机械本体和数控装置、伺服系统、可编程程序控制器、检测反馈置、伺服系统、

14、可编程程序控制器、检测反馈装置等组成。装置等组成。 1、数控机床的机械本体：、数控机床的机械本体：数控机床的机械本体一般包括床身、工作台、主轴部件、数控机床的机械本体一般包括床身、工作台、主轴部件、刀具部件等内容刀具部件等内容与普通机床相比，在结构上有以下几个方面的特点：与普通机床相比，在结构上有以下几个方面的特点：1）主传动装置多采用无级变速或分段无级变速方式，）主传动装置多采用无级变速或分段无级变速方式，可利用程序控制主轴的转动方向和转动速度，主传动具可利用程序控制主轴的转动方向和转动速度，主传动具有较宽的调速范围有较宽的调速范围2）进给传动装置中广泛采用无间隙滚珠丝杠传动和无）进给传动装

15、置中广泛采用无间隙滚珠丝杠传动和无间隙齿轮传动，利用贴塑导轨或静压导轨来减少运动间隙齿轮传动，利用贴塑导轨或静压导轨来减少运动副的摩擦力，提高传动精度。副的摩擦力，提高传动精度。3）床身、立柱、横梁等主要支承件采用合理的截面形）床身、立柱、横梁等主要支承件采用合理的截面形状。且采取一些补偿变形的措施使其具有较高的结构状。且采取一些补偿变形的措施使其具有较高的结构刚度。刚度。4）加工中心具有刀库和自动换刀装置，可进行多工序、）加工中心具有刀库和自动换刀装置，可进行多工序、多面加工，大大提高了生产率。多面加工，大大提高了生产率。2、数控装置、数控装置 数控装置是数控系统的核心。现代的数控装置普遍采

16、用通用计算机作为数控装置的主要硬件，包括微型机系统的基本组成部分，CPU、存储器、局部总线以及输入输出接口等；软件部分就是我们所说的数控系统软件。数控装置的基本功能是，读入零件加工程序，根据加工程序所指定零件形状，计算出刀具中心的移动轨迹，并按照程序指定的进给速度，求出每个微小的时间段（插补周期）内刀具应该移动的距离，在每个时间段结束前，把下一个时间段内刀具应该移动的距离送给伺服单元3、驱动系统、驱动系统 数控装置发出的脉冲信号，必须经过驱动系统的放大，才能由相应的电动机拖动机床的机械部分进行相应的动作。在数控机床中，这样的系统称为伺服驱动系统，简称伺服器。 数控机床中的驱动系统包括用于控制进

17、给的驱动系统和控制主轴的驱动系统两种。其中进给驱动系统要求必须能对机床移动部件的位置和速度进行控制。主轴驱动系统的基本要求是能对主轴转速进行控制，加工中心的主轴系统还要能对转角进行精确控制。常见的进给驱动系统有步进驱动和交流伺服驱动等。四、其他部件四、其他部件 位置检测装置也称反馈元件，通常安装在机床的工作台上或丝杠上，用来检测工作台的实际位移或丝杠的实际转角。在闭环控制系统中这个实际位移或转角有的要反馈给数控装置，由数控装置计算出实际位置和指令位置之间的差值，并根据这个差值的方向和大小，去控制机床，使之朝着减小误差的方向移动。位置检测装置的精度直接决定了数控机床的加工精度。 总之，数控机床的

18、运行在数控系统的控制下，处于不断地计算、输出、反馈等控制过程中，从而保证刀具和工件之间相对位置的准确性。与其他加工方法相比，数控机床有以下优点： 1）数控系统取代了普通机床的手工操纵，具有充分的）数控系统取代了普通机床的手工操纵，具有充分的柔性，只要编制成零件程序就能加工出零件。柔性，只要编制成零件程序就能加工出零件。 （2）零件加工精度一致性好，避免了普通机床加工时人）零件加工精度一致性好，避免了普通机床加工时人为因素的影响。为因素的影响。 （3）生产周期较短，特别适合小批量、单件的加工。）生产周期较短，特别适合小批量、单件的加工。 （4）可加工复杂形状的零件，如二维轮廓或三维轮廓加）可加工

19、复杂形状的零件，如二维轮廓或三维轮廓加工。工。 （5）易于调整机床，与其他制造方法（如自动机床、自）易于调整机床，与其他制造方法（如自动机床、自动生产线）相比，所需调整时间动生产线）相比，所需调整时间第四节：数控机床的工作过程第四节：数控机床的工作过程 数控机床的工作过程包括基于原理的工作过程数控机床的工作过程包括基于原理的工作过程和基于使用的加工过程。加工过程一般包括加工前的和基于使用的加工过程。加工过程一般包括加工前的工艺准备、机床调整、程序调试、试切加工和正式加工艺准备、机床调整、程序调试、试切加工和正式加工等内容；基于原理的工作过程是指以数控装置为核工等内容；基于原理的工作过程是指以数

20、控装置为核心的数控机床如何协调完成数控加工任务的所有内容，心的数控机床如何协调完成数控加工任务的所有内容，它包括数据的输入（输出）、程序处理、位置控制、它包括数据的输入（输出）、程序处理、位置控制、程序管理等方面程序管理等方面 一、数据输入一、数据输入/输出输出输入给数控装置的有零件加工程序、电器接口信号和补输入给数控装置的有零件加工程序、电器接口信号和补偿数据等。偿数据等。输入装置可将不同的加工信息传递给数控装置。输入装置可将不同的加工信息传递给数控装置。 输出是指输出内部工作参数（含机床正常、理输出是指输出内部工作参数（含机床正常、理想工作状态下的原始参数、故障诊断参数等）。对机想工作状态下的原始参数、故障诊断参数等）。对机床刚工作时的状态，一般需输出以记录保存这些参数，床刚工作时的状态，一般需输出以记录保存这些参数，待工作一段时间后，再将输出与原始资料比较、对照，待工作一段时间后，再将输出与原始资料比较、对照，可帮助判断机床工作是否维持正常。可帮助判断机床工作是否维持正常。 二、数据处理二、数据处理数据处理程序一般包括刀具参数补偿、速度计算和辅助功能的处理。数据处理程序一般