数控机床构造概述

第一章数控机床概述1.1数控机的产生与发展1.2机床中有关数控的基本概念1.3数控机床的组成与工作原理1.4数控机床的分类1.5数控机床的持点1.6数控机床的主要性能指标与功能1.7数控机床的应用范围1.1数控机的产生与发展1.1.1数控机床的产生与发展过程1946年诞生了世界上第一台电子计算机，它为人类进入信息社会奠定了基础。六年后，即在1952年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。从此，传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控机床经历了两个阶段和六代的发展，如图1-1所示。1.数控(NC)阶段(1952-1970年)早期计算机的运算速度低，这对当时的科学计算和数据处理影响还不大，但不能适应机床实时控制的要求。人们不得不采用数字逻辑电路制成一台机床专用计算机作为数控系统，被称为硬件连接数控(HARD-WIREDNC)，简称为数控(NC)。下一页返回1.1数控机的产生与发展随着元器件的发展，这个阶段历经了三代，即：

1952年的第一代一电子管数控机床；

1959年的第二代一晶体管数控机床；

1965年的第三代一集成电路数控机床。2.计算机数控(CNC)阶段(1970至今)

到1970年，通用小型计算机业已出现并成批生产，其运算速度比五、六十年代有了大幅度的提高，这比逻辑电路专用计算机成本低、可靠性高。于是将它移植过来作为数控系统的核心部件，从此进入了计算机数控(CNC)阶段。

1971年，美国Intel公司首次将计算机的两个最核心的部件一运算器和控制器，采用大规模集成电路技术集成在一块芯片上，称之为微处理器(MICRO-PROCES-SOR），又称中央处理单元(简称CPU)。1974年，微处理器被应用于数控系统。上一页下一页返回1.1数控机的产生与发展这是因为小型计算机功能太强，控制一台机床能力有多余，不如采用微处理器经济合理，而且，当时的小型计算机可靠性也不理想。虽然早期的微处理器速度和功能都还不够高，但可以通过多处理器结构来解决。因为微处理器是通用计算机的核心部件，故仍称为计算机数控。到了1990年，PC机(个人计算机，国内称微机)的性能已发展到很高的阶段，可满足作为数控系统核心部件的要求，而且PC机生产批量很大，价格便宜，可靠性高。因此，数控系统从此进入了基于PC的阶段。总之，计算机数控阶段也经历了三代，即：

1970年的第四代一小型计算机数控机床；

1974年的第五代一微型计算机数控机床；

1990年的第六代一基于PC机的数控机床。上一页下一页返回1.1数控机的产生与发展数控机床是典型的机电一体化产品，它所覆盖的领域如图1-2所示。1.1.2数控机床的发展趋势随着计算机技术的发展，数控机床不断采用计算机、控制理沦等领域的最新技术成就，它的性能日臻完善，应用领域日益扩大。同时，为了满足市场和科技发展的需要，数控技术及其装备正朝着下述几个方向发展:上一页下一页返回1.1数控机的产生与发展1.高速、高效、高精度和高可靠性高速、高效和高精度是机械加工的目标。要提高加工效率，首先必须提高切削和进给速度，同时还要缩短加工时间；要确保加工质量，必须提高机床部件运动轨迹的精度，而可靠性则是上述目标的基本保证。为此，必须要有高性能的数控装置作保证。(1)高速：参考下面的指标上一页下一页返回1.1数控机的产生与发展①主轴转速：机床采用电主轴(内装式主轴电动机)，主轴最高转速达200000r/min。②进给速度：它是指快速移动速度的高速化和切削进给速度的高速化。目前CNC装置所具有的最高进给速度为：1μm脉冲当量时，100m/min；0.01μm脉冲当量时,240m/min，且可获得复杂型面的精确加工。③运算速度：微处理器的迅速发展为数控系统向高速、高精度方向发展提供了保障，开发出CPU已发展到32位以及64位的数控系统，频率提高到几百兆赫、上千兆赫。由于运算速度的极大提高，使得当分辨率为0.1μm,0.01μm时仍能获得高达24~240m/min的进给速度。上一页下一页返回1.1数控机的产生与发展④换刀速度：目前国外先进加工中心的刀具交换时间普遍已在1s左右，高的已达0.5s。德国Chiron公司将刀库设计成篮子样式，以主轴为轴心，刀具在圆周布置，其刀到刀的换刀时间仅0.9s。上一页下一页返回1.1数控机的产生与发展(2)高效依靠快速、准确的数字量传递技术，对高性能的机床执行部件进行高精密度、高响应速度的实时处理，现在数控机床自动换刀时间最短可达0.5s以内，采用新的刀库和换刀机械手，使选刀动作更快速、可靠；采用各种形式的交换工作台，使装卸工件的时间缩短；采用快换夹具，刀具装置以及实现对工件原点快速确定等，缩短时间定额，实现高效化。上一页下一页返回1.1数控机的产生与发展(3)高精度从精密加工发展到超精密加工(特高精度加工)，是世界各工业强国致力发展的方向。其精度从微米级到亚微米级，乃至纳米级(<10nm)，其应用范围口趋广泛。超精密加工主要包括：超精密切削(车、铣)、超精密磨削、超精密研磨抛光以及超精密特种加工(三束加工及微细电火花加工、微细电解加工和各种复合加工等)。随着现代科学技术的发展，对超精密加工技术不断提出了新的要求。新材料及新零件的出现，更高精度要求的提出等都需要超精密加工工艺，发展新型超精密加工机床，完善现代超精密加工技术，以适应现代科技的发展。近10多年来，普通级数控机床的加工精度已由±10μm提高到±5μm,精密级加工中心的加工精度则从±3-5μm，提高到±1-1.5μm。上一页下一页返回1.1数控控机机的的产产生生与与发发展展(4)高可可靠靠性性高可可靠靠性性是是指指数数控控系系统统的的可可靠靠性性要要高高于于被被控控设设备备的的可可靠靠性性在在一一个个数数量量级级以以上上，，但但也也不不是是可可靠靠性性越越高高越越好好，，仍仍然然是是适适度度可可靠靠。。因因为为商商品品受受性性价价比比约约束束。。对对于于每每天天工工作作两两班班的的无无人人工工厂厂而而言言，，如如果果要要求求在在16小时时内内连连续续正正常常工工作作，，无无故故障障率率P(t)=99%以上上的的话话，，则则，，数数控控机机床床的的平均均无无故故障障运运行行时时间间MTBF就必必须须大大于于3000小时时，，（（对对于于由由不不同同数数量量的的数数控控机机床床构构成成的的无无人人化化工工厂厂差差别别较较大大）），，如如果果只只对对一一台台数数控控机机床床而而言言，，如如主主机机与与数数控控系系统统的的失失效效率率之之比比为为10:1的话话（（注注：：数数控控的的可可靠靠比比主主机机高高一一个个数数量量级级））。。此此时时，，数数控控系系统统的的MTBF就要要大大于于33333.3小时时，，而而其其中中的的数数控控装装置置、、主主轴轴及及驱驱动动等等的的MTBF就必必须须大大于于10万小小时时。。上一一页页下一一页页返回回1.1数控控机机的的产产生生与与发发展展而目目前前，，国国外外数数控控系系统统平平均均无无故故障障时时间间MTBF在7万一一10万小小时时以以上上，，国国产产数数控控系系统统平平均均无无故故障障时时间间仅仅为为10000小时时左左右右，，国国外外整整机机平平均均无无故故障障工工作作时时间间达达800小时时以以上上，，而而国国内内最最高高只只有有300小时时。。上一一页页下一一页页返回回1.1数控控机机的的产产生生与与发发展展2.模块块化化、、智智能能化化、、柔柔性性化化和和集集成成化化(1)模块块化化、、专专门门化化与与个个性性化化为了了适适应应数数控控机机床床多多品品种种、、小小批批量量的的特特点点，，机机床床结结构构模模块块化化，，数数控控功功能能专专门门化化，，机机床床性性能能价价格格比比显显著著提提高高并并加加快快优优化化。。个个性性化化是是近近几几年年来来数数控控机机床床特特别别明明显显的的发发展展趋趋势势。。(2)智能能化化智能能化化包包括括在在数数控控系系统统中中的的各各个个方方面面，，具具体体体体现现在在：：为为追追求求加加工工效效率率和和加加工工质质量量方方面面的的智智能能化化，，如如加加工工过过程程自自适适应应控控制制技技术术，，加加工工参参数数的的智智能能优优化化与与选选择择；；为为提提高高驱驱动动性性能能及及使使用用连连接接方方便便方方面面的的智智能能化化，，如如前前馈馈控控制制、、电电动动机机参参数数的的自自适适应应运运算算、、自自动动识识别别负负载载自自动动选选定定模模型型、、自自整整定定等等；；简简化化编编程、、简简化化操操作作方方面面的的智智能能化化，，如如智智能能化化的的自自动动编编程程，，智智能能化化的的人人机机界界面面等等;智能能故故障障诊诊断断与与自自修修复复技技术术、、智智能能监监控控方方面面的的内内容容，，方方便便系系统统的的诊诊断断及及维维修修等等。。上一一页页下一一页页返回回1.1数控控机机的的产产生生与与发发展展(3)柔性性化化和和集集成成化化数控控机机床床向向柔柔性性化化发发展展的的趋趋势势是是：：从从点点(数控控单单机机、、加加工工中中心心和和数数控控复复合合加加工工机机床床)、线线(FMC,FMS,FTI,FMI)向面面(工段段车车间间独独立立制制造造岛岛、、FA)、体体(CIMS、分分布布式式网网络络集集成成制制造造系系统统)的方方向向发发展展，，另一一方方面面，，向向注注重重应应用用性性和和经经济济性性方方向向发发展展。。柔柔性性自自动动化化技技术术是是制制造造业业适适应应动动态态市市场场需需求求及及产产品品迅迅速速更更新新的的主主要要手手段段，，是是各各国国制制造造业业发发展展的的主主流流趋趋势势，，是是先先进进制制造造领领域域的的基基础础技技术术。。重点点：：以提提高高可可靠靠性性、、实实用用化化为为前前提提，，以以易易于于联联网网和和集集成成为为目目标标；；注注重重加加强强单单元元技技术术的的开开拓拓、、完完善善；；CVC单机机向向高高精精度度、、高高速速度度和和高高柔柔性性方方向向发发展展；；数数控控机机床床及及其其构构成成柔柔性性制制造造系系统统能能方方便便地地与与(CAD,CAM,CAPP,MTS联结结，，向向信信息息集集成成方方向向发发展展；；网网络络系系统统向向开开放放、、集集成成和和智智能能化化方方向向发发展展。。上一一页页下一一页页返回回1.1数控控机机的的产产生生与与发发展展3.开放放性性由于于数数控控系系统统生生产产厂厂家家技技术术的的保保密密，，传传统统的的数数控控系系统统是是一一种种专专用用封封闭闭式式系系统统，，各各个个厂厂家家的的产产品品之之间间以以及及与与通通用用计计算算机机之之间间不不兼兼容容，，维维修修、、升升级级困困难难，，难难以以满满足足市市场场对对数数控控技技术术的的需需求求，，为为适适应应数数控控进进线线、、联联网网、、普普及及型型、、个个性性化化、、多多品品种种、、小小批批量量、、柔柔性性化化及及数数控控迅迅速速发发展展的的要要求求，，最最重重要要的的发发展展趋趋势势是是体体系系结结构构的的开开放放性性，，设设计计生生产产开开放放式式的的数数控控系系统统，，开开放放式式数数控控系系统统，，具具有有标标准准化化的的人人机机界界面面和和编编程程语语言言，，软软、、硬硬件件兼兼容容，，维维修修方方便便，，如如图1-3所示为开开放式数数榨装置置的概念念结构。。上一页下一页返回1.1数控机的的产生与与发展目前，国国内外对对开放式式数控系系统研究究如下：：例如，美美国在20世纪90年代初提提出了开开发下一一代控制制器的计计划NGC(VextGenerationController)，以后又又提出了了OMAC(OpcnModulararchitectureController)一划，欧欧洲在20世纪90年代初开开始OSACA(OpenSystemarchitectureforControlswithinautomationsystem)计划，以以及目前前正发展展的基于于PC的开放式式数控系系统结构构(PC嵌入CNC型,CNC嵌入PC型、全软软件CVC型)等。上一页下一页返回1.1数控机的的产生与与发展4.新一代数数控加工工工艺与与装备为适应制制造自动动化的发发展，向向FMC，FMS和CIMS提供基础础设备，，要求数数字控制制制造系系统不仅仅能完成成通常的的加工功功能，而而且还要要具备自自动测量量、自动动上下料料、自动动换刀、、自动更更换主轴轴头(有时带坐坐标变换换)、自动误误差补偿偿、自动动诊断、、进线和和联网等等功能，，广泛地地应用于于机器人人和物流流系统，，出现了了数控技技术的并并联化和和网络化化。围绕数控控技术、、制造过过程技术术在快速速成型、、并联机机构机床床、机器器人化机机床、多多功能机机床等整整机方面面和高速速电主轴轴、直线线电动机机、软件件补度等等单元技技术方面面先后有有所突破破。并联联杆系结结构的新新型数控控机床实实用化，，如图1-4所示为并并联机床床。以计计算机辅辅助管理理和工程程数据库库、因特特网等为为主体的的制造信信息支上一页下一页返回1.1数控机的的产生与与发展持技术和和智能化化决策系系统。对对机械加加工中海海量信息息进行存存储和实时理。。应用数数字化网网络技术术，使机机械加工工整个系系统趋于于资源合理支配配并高效效地应用用。国内内外一些些著名数数控机床床和数控控系统制造公司司都在近近几年推推出了相相关的新新概念和和样机，，例如：：日本山山心，日日本大隈(Okuma)机床公司司展出的的信息技技术广场场(IT广场)，德国西西门子(Siemens)公司展出出的开放放制造环环境(OME)等，反映映了数控控机床加加工向网网络化方方向的发发展趋势势。总之，新新一代数数控系统统技术水水平大大大提高，，促进了了数控机机床性能能向高精精度、高高速度、、高柔性性化方向向发展，，机械加加工向虚虚拟制造造方向发发展，使使现代加加工技术术水平不不断提高高。上一页下一页返回1.1数控机的的产生与与发展1.1.3各国数控控机床的的发展状状况美国、德德国、日日本三国国是当今今世界上上在数控控机床科科研、设设计、制制造和使使用上技技术最先先进、经经验最多多的国家家。因其其社会条条件不同同，各有有特点。。(1)美国的数数控发展展史美国政府府重视机床工业业，美国国国防部部等部门门因其军军事方面面的需求求而不断断提出机机床的发发展方向向、科研研任务，，并且提提供充足足的经费费，且网网罗世界界人才，，特别讲讲究“效效率”和和“创新新”，注注重基础础科研。。因而在在机床技技术上不不断创新新。如1952年研制出出世界第第一台数数控铣床床，1958年研制出出加工中中心，20世纪70年代初研研制成柔柔性制造造系统(FMS),1987年首创开开放式数数控系统统等。上一页下一页返回1.1数控机的的产生与与发展由于美国国首先结结合汽车车、轴承承生产需需求，充充分发展展了大批批量生产产自动化化所需的的自动线线，而且且电子、、计算机机技术在在世界上上领先，，因此，，其数控控机床的的主机设设计、制制造及数数控系统统基础扎扎实，且且一贯重重视科研研和创新新，故其其高性能数数控机床床技术在在世界也也一直领领先。当今美国国生产宇宇航等使使用的高高性能数数控机床床，其存存在的教教训是，，偏重于于基础科科研，忽忽视应用用技术，，且在20世纪80年代政府府一度放放松了引引导，致致使数控控机床产产量增加加缓慢，，于1982年被后进进的日本本超过，，并大量量进口。。从20世纪90年代起，，纠正过过去偏向向，数控控机床技技术上转转向实用用，产量量又逐渐渐上升。。上一页下一页返回1.1数控机的的产生与与发展(2)德国的数数控发展展史德国政府府一贯重视视机床工业业的重要要战略地地位，在在多方面面大力扶扶植。于于1956年研制出出第一台台数控机机床后，，德国特特别注重重科学试试验，理理沦与实实际相结结合，基基础科研研与应用用技术科科研并重重。企业业与大学学科研部部门紧密密合作，，对数控控机床的的共性和和特性问问题进行行深入的的研究，，在质量量上精益益求精。。德国的数数控机床床质量及及性能良良好、先先进实用用、货真真价实，，出口遍遍及世界界，尤其其是大型型、重型型、精密密数控机机床。德德国特别别重视数数控机床床主机及及配套件件的先进进实用，，其机、、电、液液、气、、光、刀刀具、测测量、数数控系统统、各种种功能部部件，在在质量、、性能上上居世界界前列。。如西门门子公司司的数控控系统，，均为世世界闻名名，竟相相采用。。上一页下一页返回1.1数控机的的产生与与发展(3)日本的数数控发展展史日本政府府对机床床工业的的发展异常重视视，通过规规划、法法规(如“机振振法”““机电法法”“机机信法””等)引导发展展。在重重视人才才及机床床元部件件配套上上学习德德国，在在质量管管理及数数控机床床技术上上学习美美国，结结果在有有些方面面青出出于蓝而而胜于蓝蓝。自1958年研制出出第一台台数控机机床后，，1978年产量(7342台)超过美国国(5688台)，至今产产量、出出口量一一直居世世界首位位(2001年产量46604台，出口口27409台，占59%)。战略上上先仿后后创，先先生产量量大而广广的中档档数控机机床，大大量出口口，占据据世界广广大市场场。在20世纪80年代开始始进一步步加强科科研，向向高性能能数控机机床发展展。日本本FANUC公司战略正确确，仿创结合合，针对性性地发展展市场所所需各种种低中高高档数控控系统，，在技术术上领先先，在产产上一页下一页返回1.1数控机的的产生与与发展量上居世世界第一一。该公公司现有有职工3674人，科研研人员超超过600人，月产产能力7000套，销售售额在世世界市场场上占50%，在日本本国内约占7000，对加速速日本和和世界数数控机床床的发展展起了重重大的促促进作用用。(4)我国的现现状我国数控控技术的的发展起起步于20世纪劝年年代，通通过“六六五”期期间引进进数控技技术，““七五””期间组组织消化化吸收““科技攻攻关”，，我国数数控技术术和数控控产业取取得了相相当大的的成绩。。特别是是最近几几年，我我国数控控产业发发展迅速速，1998-2004年，国产产数控机机床产量量和消费费量的年年平均增增长率分分别为39.1%和34.900。尽管如如此，进进口机床床的发展展势头依依然强劲劲，从2002年开始，，中国连连上一页下一页返回1.1数控机的的产生与与发展续三年成成为世界界机床消消费第一一大国、、机床进进口第一一大国。。2004年中国机机床主机机消费高高达95亿美元，，国内数数控机床床制造企企业，在在中高档档与大型型数控机机床的研研究开发发方面与与国外的的差距更更加明显显，70%以上的此此类设备备和绝大大多数的的功能部部件均依依赖进口口。由此此可见，，国产数控控机床特特别是中中高档数数控机床床仍然缺缺乏市场场竟争力力，究其原因因主要在在于国产产数控机机床的研研究开发发深度不不够、制制造水平平依然落落后、服服务意识识与能力力欠缺、、数控系系统生产产应用推推广不力力及数控控人才缺缺乏等。。我们应应看清形形势，认认识不足足，努力力发展先先进技术术，加大大技术创创新与培培训服务务力度，，以缩短短与发达达国家之之间的差差距。上一页返回1.2机床中有有关数控控的基本本概念1.数字控制制(NumericalControl)简称数控控，是一一种自动动控制技技术，是是用数字字化信号号对机床床的运动动及其加加工过程程进行控控制的一一种方法法。2.数控系统统(NumericalControlsystem)数控系统是一一种程序控制制系统，它能能逻辑地处理理输入到系统统中具有特定定代码的程序序，并将其泽泽码，从而使使机床运动并并加工零件。。即采用数字字控制的系统统。3.计算机数控系系统(ComputerNumericalControlsystem)计算机数控系系统是由装有有数控系统程程序的专用计计算机、输入入输出设备、、可编程控制制器(PLC)、存储器、主主轴驱动及进进给驱动装置置等部分组成成。用计算机机控制实现数数控功能的系系统。下一页返回1.2机床中有关数数控的基本概概念4.伺服驱动(ServoDrive)在数控机床上上，伺服驱动动的控制对象象通常是机床床坐标轴的位位移(包括速度、方方向和位置)，其执行机构构是伺服电动动机，对输入入指令信号进进行控制和功功率放大的是是伺服放大器器(又称驱动器、、放大器、伺伺服单元等)，实际位移量量的检测通过过检测装置进进行。伺服驱驱动的作用主主要是按照数数控装置给定定的速度运行行和给定的位位置定位。5.数控机床(VumcricalControlMachincTools)数控机床是用用数字指令进进行控制的机机床，机床的的所有运动，，包括主运动动、进给运动动与各种辅助助运动都是用用输入数控装装置的数字信信号来控制的的，其加工过过程可用如图1-5所示的框图来来描述。上一页下一页返回1.2机床中有关数数控的基本概概念6.数控技术(NumericalControltechnology)数控技术是用用数字量及字字符发出指令令并实现自动动控制的技术术。目前，计计算机辅助设设计与制造(CAD/CAM)、柔性制造单单元(FMC)、柔性制造系系(FMS)、计算机集成成制造系统(CIMS),敏捷制造(AM)和智能制造(IM)等先进制造技技术都建立在在数控技术基基础上。上一页下一页返回1.2机床中有关数数控的基本概概念上一页返回7.计算机辅辅助设计和制制造简称CAD/CAM，是是以计算机作作为主要技术术手段，处理理各种数字信信息与图形信信息，辅助完完成从产品设设计到加工制制造整个过程程的各项活动动。模具CAD/CM技术术的主要特点点是：设计与与制造过程的的紧密联系一一设计制造一一体化，其实实质是设计和和制造造的综综合计算机化化，主要设计计与制造加工工的是各类模模具零件。目前这类软件件较多，典型型的CAD/CAM软件件主要有MasterCAM,CAXA-DEAS,UG,CATIA等等，其中我国国应用较多的的有MasterCAM,CAXA、Pro/E,UG等软件。。1.3数控机床的组组成与工作原原理1.3.1数控机床的组组成数控机床是利利用数控技术术，准确地按按照事先编制制好的程序，，自动加工出出所需工件的的机电一体化化设备。在现现代机械制造造中，特别是是在航空、造造船、国防、、汽车模具及及计算机工业业中得到广泛泛应用。数控控机床通常是是由程序载体体、CNC装置、伺服系系统、检测与与反馈装置、、辅助装置、、机床本体组组成，如图1-6所示。1.程序载体程序载体是用用于存取零件件加工程序的的装置。可将将零件加工程程序以一定的的格式和代码码(包括机床上刀刀具和零件的的相对运动轨轨迹、工艺参参数和辅助运运动等)存储在载体上上，程序载体体可以是磁盘盘、磁带、硬硬盘和闪存卡卡等。下一页返回1.3数控机床的组组成与工作原原理2.CNC装置(又称计算机数数控装置)CNC装置是CNC系统的核心，，它的组成包包括：微处理理器CPU、存储器、局局部总线、外外围逻辑电路路及与数控系系统其他组成成部分联系的的接口及相应应控制软件。。如图1-7所示为CNC数控装置组成成。CNC装置的功能：：是接收从输输入装置送来来的脉冲信号号；并将信号号通过数控装装置的系统软软件或逻辑电电路的编泽、、运算和逻辑辑处理后，输输出各种信号号和控制指令令。在这些控控制指令中，，除了送给伺伺服系统的位位置和速度指指令外，还送送给辅助控制制装置的机床床辅助动作指指令。最终控控制机床的各各部分，使其其按照规定的的、有序的动动作执行。上一页下一页返回1.3数控机床的组组成与工作原原理3.伺服系统伺服系统是CNC装置和机床本本体的联系环环节，其作用用：是把来自自CNC装置的微弱指指令信号调解解、转换、放放大后驱动伺伺服电动机，，通过执行部部件驱动机床床移部件的运运动，使工作作台精确定位位或使刀具和和工件及主轴轴按规定的轨轨迹运动，最最后加工出符符合图样要求求的零件。它它的伺服精度度和动态响应应是影响数控控机床加工精精度、表面质质量和生产率率的重要因素素之一。伺服系统组成成包括：驱动动装置和执行行装置两大部部分。驱动装置包括括：主轴伺服服单元(转速控制)、进给驱动单单元(位置和速度控控制)、回转工作台台和刀库伺服服控制装置以以及它们相应应的伺服电动动机等。常用用的伺服电动动机有，步进进电动机、直直流伺服上一页下一页返回1.3数控机床的组组成与工作原原理电动机和交流流伺服电动机机。伺服电动动机是系统的的执行元件，，驱动控制系统则则是伺服电动动机的动力源源。数控系统统发出的指令令信号与位置反馈馈信号比较后后作为位移指指令，再经过过驱动系统的的功率放大后，驱驱动电动机运运转，通过机机械传动装置置带动工作台台或刀架运动。4.检测与反馈装装置与反馈装置有有利于提高数数控机床加工工精度。它的的作用是:将机床导轨和和的位移量、、移动速度等等参数检测出出来，通过模模数转换变成成数字信号，，并反馈到数数控装置中，，数控装置根根据反馈回来来的信息进行行判断并发出出相应的指令令，纠正所产产生的误差。。常用的检测测装置有编码码器、光栅、、感应同步器器、磁栅、霍霍尔上一页下一页返回1.3数控机床的组组成与工作原原理检测元件等。。如图1-8所示为光电编编码器。5.辅助装置辅助装置是把把计算机送来来的辅助控制制指令(M,S,T等)经机床接口转转换成强电信信号，用来控控制主轴电动动机启停和变变速、冷却液液的开关及分分度工作台的的转位和自动动换刀等动作作。它主要包包括储备刀具具的刀库、自自动换刀装置置ATC(Auto-maticToolChanger)、自动托盘交交换装置APC(AutomaticPalletchanger)、回转工作台台、卡盘、工工件接收器、、对刀仪以及及液压、气动动、冷却、润润滑、排屑装装置等，如图1-9所示。6.机床本体数控机床的本本体是指其机机械结构实体体。它是实现现加工零件的的上一页下一页返回1.3数控机床的组组成与工作原原理执行部件，主主要有主运动动部件(主轴、主运动动传动机构)、进运动部件(工作台、拖板板及相应的传传动机构)、支承件(床身、立柱等等)以及辅助装置置等，如图1-10所示。1.3.2数控机床的工工作原理用数控机床加加工零件时，，首先应将加加工零件的几几何信息和工工艺信息编制制成加工程序序，由输入装装置送入数控控系统中，经经过数控系统统的处理、运运算，按各坐坐标轴的分量量送到各轴的的驱动电路，，经过转换、、放大进行伺伺服电动机的的驱动，带动动各轴运动，，并进行反馈馈控制，使刀刀具与工件及及其他辅助装装置严格地按按照加工程序序规定的顺序序、轨迹和参参数有条不紊紊地工作，从从而加工出零零件的全部轮轮廓。如图1-11所示为数控加加工中数据转转换的工作原原理。上一页返回1.4数数控机床的分分类目前，数控机机床品种齐全全，规格繁多多，为了便于于了解和研究究，可从不同同角度和按照照多种原则进进行分类。1.按工艺用途分分类数控机床按工工艺用途可分分为以下4类。1.切削加工类数数控机床主要有数控车车床(NCLathc)、数控铣床(NCMillingMachine)、数控钻床(NCDrillingMachine)、数控撞床(NCBoringMachine)、数控平面磨磨床(NCSurfaceGrindingMachine)和加工中心(MachineCenter)等。如图1-12(a),(b),(c),(d)所示。2.成型加工类数数控机床主要有数控折折弯机、数控控弯管机、数数控冲床、数数控转头压力力机等。如图1-13(a),(b)所示。下一页返回1.4数数控机床的分分类3.特种加工类数数控机床主要有数控电电火花线切割割机床、数控控电火花成型型机床、数控控激光切割机机床、数控激激光热处理机机床、数控激激光板料成形形机床、数控控等离子切割割机等。如图1-14(a),(b)、(c)所示。4.其他类型数控控机床主要有数控三三坐标测量机机、数控装配配机、机器人人等。如图1-15(a),(b)所示。上一页下一页返回1.4数数控机床的分分类1.4.2按机床运动轨轨迹分类1.点位控制数控控机床特点：只控制制运动部件从从一个位置到到另一个位置置的准确定位位，不管中间间的移动轨迹迹如何，在移移动的过程中中不进行切削削加工，对两两点之间的移移动速度及运运动轨迹没有有严格要求。。但通常为了了提高加工效效率，一般先先快速移动，，再慢速接近近终点。如图1-16所示为点位控控制数控机床床加工示意图图。应用：主要用用于平面内的的孔系，主要要有数控钻床床、数控坐标标撞床、数控控冲床等。随随着数控技术术的发展及价价格的降低，，单纯用于点点位控制的数数控系统已不不多见。2.直线控制数控控机床特点：除了具具有控制点与与点之间的准准确定位功能能，还要保证证两点之间按按直线运动进进行切削加工工，刀具相对对于工件移动动的轨迹是平平行于机床各各坐标轴的直直线或两轴同同时上一页下一页返回1.4数数控机床的分分类移动构成45º的斜线。如图1-17所示为直线控控制数控机床床加工示意图图。这类数数控机床主要要有：简易的的数控车床、、数控铣床、、加工中心和和数控磨床等等。这种机床床的数控系统统也称为直线线控制数控系系统。同样，，单纯用于直直线控制的数数控机床也不不多见。3.轮廓控制数控控机床特点：能够对对两个或两个个以上的坐标标轴进行连续续相关的控制制，不仅要控控制机床移动动部件的起点点和终点坐标标，而且还要要控制整个加加工过程中每每一点的速度度和位移，也也即控制刀具具移动的轨迹迹，以加工出出任意斜线、、圆弧、抛物物线及其他函函数关系的曲曲线或曲面。。如图1-18所示为轮廓控控制数控机床床加工示意图图。上一页下一页返回1.4数数控机床的分分类这类数控机床床主要有：数数控车床、数数控铣床、数数控电火花线线切割机床和和加工中心等等。其相应的的数控装置称称为轮廓控制制数控系统，，根据它所控控制的联动坐坐标轴数不同同，又可以分分为下面几种种形式:①二轴联动:主要用于数控控车床加工回回转曲面或数数控铣床加工工曲线柱面。。如图1-19所示。②二轴半联动动:主要用于三轴轴以上机床的的控制，其中中两根轴可以以联动，而另另外一根轴可可以做周期性性的点位或直直线控制。从从而实现三个个坐标轴X,Y,Z内的二维控制制。如图1-20所示为采用这这种方式用行行切法加工三三维空间曲面面。上一页下一页返回1.4数数控机床的分分类③三轴联动:一般分为两类类，一类就是是同时控制X,Y,Z三个直线坐标标轴联动，比比较多的用于于数控铣床、、加工中心等等，如图1-21所示用球头铣铣刀铣切三维维空间曲面。。另一类是除除了同时控制制X,Y,Z中两个直线坐坐标外，还同同时控制围绕绕其中某一直直线坐标轴旋旋转的旋转坐坐标轴。如车车削加工中心心，它除了纵纵向(Z轴)、横向(X轴)两个直线坐标标轴联动外，，还需同时控控制围绕Z轴旋转的主轴轴(C轴)联动。④四轴联动:是指同时控制制X,Y,Z三个直线坐标标轴与某一旋旋转坐标轴联联动，如图1-22所示为同时控控制X,Y,Z三个直线坐标标轴与一个工工作台回转轴轴联动的数控控机床。上一页下一页返回1.4数数控机床的分分类⑤五轴联动:是指除同时控控制X,Y,Z三个直线坐标标轴联动外，，还同时控制制围绕着这些些直线坐标轴轴旋转的A,B,C,坐标轴中的两两个坐标轴，，形成同时控控制五个轴联联动。这时刀刀具可以给定定在空间的任任意方向。如如图1-23所示，比如控控制刀具同时时绕X轴和Y轴两个方向摆摆动，使得刀刀具在其切削削点上始终保保持与被加工工的轮廓曲面面成法线方向向，以保证被被加工曲面的的光滑性，提提高其加工精精度和加工效效率，减小被被加工表面的的粗糙度，它它特别适合加加工透明叶片片、机翼等更更为复杂的空空间曲面。上一页下一页返回1.4数数控机床的分分类1.4.3按伺服系统统控制方式式分类1.开环控控制数控机机床特点：是不带测量反馈装装置，数控装置置发出的指指令信号单单方向传递递，故系统统稳定性好好。无位置反馈馈，所以精精度不高，，其精度主主要取决于于伺服驱动动系统的性性能。工作原理：如图1-24。它是将控控制机床工工作台或刀刀架运动的的位移距离离、位移速速度、位移移方向和位位移轨迹等等参量通过过输入装置置输入CNC装置，CVC装置置根据这些些参量指令令计算出进进给脉冲序序列(脉冲冲个数对应应位移距离离、脉冲频频率对应位位移速度、、脉冲方向向对应位移移方向、脉脉冲输出的的次序对应应位移轨迹迹)，然后后对脉冲单单元进行功功率放大，，形成驱动动装置的控控制信号。。最后，由由驱动装置置驱动工作作台或刀架架按所要求求的速度、、轨迹、方方向和移动动距离，加加工出形状状、尺寸与与精度符合合要求的零零件。上一页下一页返回1.4数数控机床床的分类开环控制数数控机床一一般由步进电动机机作为伺服执执行元件。。具有运行行平稳、调调试方便、、维修简单单、成本低低廉等优点点。在精度度和速度要要求不高、、驱动力矩矩不大的场场合得到广广泛应用。。但由于步步进电动机机的低频共共振、失步步等原因，，使其应用用逐渐减少少。在我国，经经济型数控控机床一般般都采用开开环控制。。2.半闭环控制制数控机床床工作原理：如图1-25所示，它是是从伺服电电动机或丝丝杠的端部部引出，通通过检测电电动机和丝丝杠旋转角角度来间接接检测工作作台的实际际位置或位位移。在半闭环环环路内，不不包括或只只包括少少量机械传传动环节，，可得到较较稳定的控控制性能。。上一页下一页返回1.4数数控机床床的分类其系统稳定定性介于开开环和闭环环控制系统统之间。另外，滚珠珠丝杠的螺螺距误差和和齿轮轮或同步带带轮等引起起的运动误误差难以消消除。因此此，其系统统精度介于开开环和闭环环控制系统统之间。但大部分分可用误差差补偿的方方法消除，，因而仍可可获得满意意的精度。。半闭环控制制系统结构构简单、调调试方便、、精度较高高，因此，，在现代CNC机床中中得到了广广泛的应用用。3.全闭环环控制数控控机床工作原理：如图1-26，它是采样样点从机床床的运动部部件上直接接引出，通通过采样工工作台运动动部件的实实际位置，，即对实际际位置进行行检测，可可以消除整整个传动环环节的误差差和间隙，，因而具具有很高的的位置控制制精度。上一页下一页返回1.4数数控机床床的分类但是，由于于位置环内内的许多机机械环节的的摩擦特性性、刚性和和间隙都是是非线性的的，故很容容易造成系系统的不稳稳定，造成成调试困难难。这类系系统主要用于精精度要求很很高的镗铣床、超精精车床和螺螺纹车床等等。1.4.4按数控系统统功能水平平分类数控机床按按数控系统统功能水平平可分为低低、中、高高三档。如表1-1所示。上一页返回1.5数数控机床床的持点1.5.1数控机床床的设计特特点①采用了高高性能的主主轴及伺服服传动系统统，机械结结构得到简简化，传动动链较短;②为了使连连续性自动动化加工，，机械结构构具有较高高的动态刚刚度及耐磨磨性，热变变形小;③更多的采采用高效率率、高精度度的传动部部件，如滚滚珠丝杠、、直线滚动动导轨等;④加工中心心带有刀库库、自动换换刀装置;⑤采用辅助助装置:冷冷却、排屑屑、防护、、润滑、储储运等装置置。下一页返回1.5数数控机床床的持点2数控机床的的加工特点点：主主要有以下下几个方面面:1.加工精度高高、质量稳稳定数控机床是是按数字形形式给出的的指令进行行加工的，，脉冲当量量普遍达到到0.001mm，且传动链链之间的间间隙得到了了有效补偿偿。同时数数控机床的的传动装置置与床身结结构具有很很高的刚度度和热稳定定性，容易易保证零件件尺寸的一一致性。因因此，数控控机床不仅仅具有较高高的加工精精度，而且且质量稳定定。2.生产效率高高、经济效效益好数控机床加加工零件粗粗加工时，，可以进行行大切削用用量的强力力切削，移移动部件的的空行程时时间短，工工件装夹时时间短，更更换零件时时几乎不需需要调整机机床，有效效地缩短了了加工时间间。同时，，由于数控控机床对市市场需求响应应快，生生产效率率高，使使总成本下下降，可获得得良好的的经济效效益。上一页下一页返回1.5数数控控机床的的持点3.对加工对对象的适适应性强强数控机床床改变加加工零件件时，只只需改变变加工程程序，特特别适合合于单件件、小批批量、加加工难度度和精度度要求较较高的零零件的加加工。4.自动化程程度高，，劳动强强度低数控机床床加工是是自动进进行的，，工件加加工过程程不需要要人工干干预，且且自动化化程度较较高，大大大改善善了操作作者的劳劳动强度度。5.有利于现现代化管管理数控机床床使用数数字信息息与标准准代码处处理、传传递信息息，使用用了计算算机控制制方法，，为计算算机辅助助设计、、制造及及管理一一体化奠奠定了基基础。6.具有很强强的通信信功能数控机床床通常具具有RS-232接口，有有的还备备有DNC接口，可可与CAD/CAM软件的设设计与制制造相结结合。高高档机床床还可与与MAP(制造自动动化协议议)相连，接接人工厂厂的通信信网络，，适应于于FMS,CIMS的应用要要求。上一页下一页返回1.5数数控控机床的的持点5.3数数控机床床的结构构特点为保证高高精度、、高效率率的加工工，数控控机床的的结构应应具有以以下特点点:1.高刚刚度和高高抗振性由于数控控机床经经常在高高速和连连续重载载切削条条件下工工作，所所以，要要求机床床的床身身、工作作台、主主轴、立立柱、刀刀架等主主要部件件均需有有很高的的刚度，，工作中中应无变变形和振振动。例如：床身各部分合合理分布布加强筋筋，以承承受重载载与重切切削力；；工作台与拖板应应具有足足够的刚刚性，以以承受工工件重量量，并使使工作平平稳；主轴在高速下下运转，，应具有有较高的的径向扭扭矩和轴轴向推力力；立柱在床身上上移动时时应平稳稳，且能能承受大大的切削削力；刀架在切削加加工中应应平稳而而无振动动等。上一页下一页返回1.5数数控控机床的的持点2.高灵敏度度数控机床床在加工工过程中中，要求求运动部部件具有有高的灵灵敏度。。导轨部件件通常采用用滚动导导轨、塑塑料导轨轨、静压压导轨等等，以减减少摩擦擦力，在在低速运运动时无无爬行现现象。由电动机机驱动，，经滚珠珠丝杠或或静压丝丝杠带动动数控机机床的工工作台、、刀架等等部件的的移动，，主轴既既要在高高刚度、、高速下下回转，，又要有有高灵敏敏度，因因而多数数采用滚滚动轴承承和静压压轴承。。上一页下一页返回1.5数数控控机床的的持点3.热变形小小为保证部部件的运运动精度度，要求求机床的的主轴、、工作台台、刀架架等运动动部件的的发热量量要小，，以防止止产生热热变形。。为此，，立柱一一般采取取双壁框框式结构构，在提提高刚度度的同时时使零件件结构对对称，防防止因热热变形而而产生倾倾斜偏移移。通常常采用恒恒温冷却却装置，，减少主主轴轴承承在运转转中产生生的热量量。为减减少电动动机运转转发热的的影响，，在电动动机上安安装有散散热装置置和热管管消热装装置。4.高精度保保持性在高速、、强力切切削下满满载工作作时，为为保证机机床长期期具有稳稳定的加加工精度度，要求求数控机机床具有有较高的的精度保保持性。。除了应应正确选选择有关关零件的的材料，，以防止止使用中中的变形形和快速速磨损外外，还要要求采取取一些工工艺性措措施，如如悴火、、磨削导导轨、粘粘贴抗磨磨塑料导导轨等，，以高运运动部件件的耐磨磨性。上一页下一页返回1.5数数控控机床的的持点5.高可靠性性数控机床床应能在在高负荷荷下、长长时间无无故障地地连续工工作，因因而，对对机床部部件和控控制系统统的可靠靠性提出出了很高高的要求求。柔性制造造系统中中的数控控机床可可在24小时运转转中实现现无人管管理，可可靠性显显得更为为重要。。为此，，除保证证运动部部件不出出故障外外，频繁繁动作的的刀库、、换刀机机构、托托盘、工工件交换换装置等等部件，，必须保保证能长长期而可可靠地工工作。上一页下一页返回1.5数数控控机床的的持点6.工艺复合合化和功功能集成成化“工艺复复合化””---即“一次次装夹、、多工序序加工””。“功能集集成化””---即指数控控机床的的自动换换刀机构构和自动动托盘交交换装置置的功能能集成化化。随着数控控机床向向柔性化化和无人人化发展展，功能能集成化化的水平平更高地地体现在在工件自自动定位位、机内内对刀、、刀具破破损监控控、机床床与工件件精度检检测和补补偿等功功能上。。由于生产产率发展展的需要要，数控控机床的的机械结结构随着着数控技技术的发发展，两两者相互互促进，，相互推推动，发发展了不不少不同同于普通通机床的的、完全全新颖的的机械结结构和部部件。上一页返回1.6数控机床床的主要要性能指指标与功功能6.1数控机床床的规格格指标规格指标标是指数数控机床床的基本本功能，，主要有有以下几几方面:1.行程范围围：是指坐标标轴可控控的运动动区间，，它是直直接体现现机床加加工能力力的指标标参数，，一般指指数控机机床坐标标轴X,Y,Z的行程大大小构成成的空间间加工范范围。2.摆角范围围是指摆角角坐标轴轴可控的的摆角区区间，数数控机床床摆角的的大小也也直接影影响加工工零件空空间部位位的能力力。3.主轴功率率和进给给轴扭矩矩反映数控控机床的的加工能能力，也也可间接接反映该该数控机机床的刚刚度和强强度。下一页返回1.6数控机床床的主要要性能指指标与功功能4.控制轴数数和联动动轴数控制轴数数是指机机床数控控装置能能够控制制的坐标标数目。。联动轴数数是指机机床数控控装置控控制的坐坐标轴同同时达到到空间某某一点的的坐标数数目。它它反映数数控机床床的曲面面加工能能力。5.刀具系统统主要指刀刀库容量量及换刀刀时间，，它对生生产率有有直接影影响。刀库容量量是指刀刀库能存存放加工工所需要要的刀具具数量。。目前，常常见的中中小型加加工中心心多为16~60把，大型型加工中中心达100把以上。。换刀时间间是指带带有自动动交换刀刀具系统统的数控控机床，，将主轴轴上使用用的刀具具与装在在刀库上上的下一一工序需需用的刀刀具，进进行交换换所需要要的时间间。目前前国内一一般在10~20s内完完成成换换刀刀。。上一一页页下一一页页返回回1.6数控控机机床床的的主主要要性性能能指指标标与与功功能能1.6.2数控控机机床床的的精精度度指指标标1.分辨辨率率和和脉脉冲冲当当量量分辨辨率率是是指指两两个个相相邻邻的的分分散散细细节节之之间间可可以以分分辨辨的的最最小小间间隔隔。。脉冲冲当当量量是是指指数数控控系系统统每每发发出出一一个个脉脉冲冲信信号号，，机机床床机机械械运运动动机机构构就就产产生生一一个个相相应应的的位位移移量量，，通通常常称称其其为为脉脉冲冲当当量量。。脉冲冲当当量量是是设设计计数数控控机机床床的的原原始始数数据据之之一一，，其其数数值值的的大大小小决决定定数数控控机机床床的的加加工工精精度度和和表表面面质质量量。。目前前，，普普通通数数控控机机床床的的脉脉冲冲当当量量一一般般采采用用0.001mm；简易易数数控控机机床床的的脉脉冲冲当当量量一一般般采采用用0.01mm；精密密或或超超精精密密数数控控机机床床的的脉脉冲冲当当量量采采用用0.0001mm。上一一页页下一一页页返回回1.6数控控机机床床的的主主要要性性能能指指标标与与功功能能2.定定位位精精度度和和重重复复定定位位精精度度定位位精精度度：是是指指数数控控机机床床工工作作台台等等移移动动部部件件所所达达到到的的实实际际位位置置的的精精度度。。而实实际际运运动动位位置置与与指指令令位位置置之之间间的的差差值值称称为为定位位误误差差。引起起定定位位误误差差的的因因素素包包括括：：伺伺服服系系统统、、检检测测系系统统、、进进给给系系统统误误差差以以及及移移动动部部件件导导轨轨的的几几何何误误差差等等。。定定位位误误差差直直接接影影响响零零件件加加工工的的尺尺寸寸精精度度。。一一般般数数控控机机床床的的定定位位精精度度为为±±0.01。。重复复定定位位精精度度：是是指指在在相相同同的的条条件件下下，，采采用用相相同同的的操操作作方方法法，，重重复复进进行行同同一一动动作作时时，，所所得得到到结结果果的的一一致致程程度度。。重复复定定位位精精度度受受伺伺服服系系统统特特性性、、进进给给系系统统的的间间隙隙与与刚刚性性以以及及摩摩擦擦特特性性等等因因