《数控机床及加工技术》第一章　 数控机床概述

第一章数控机床概述１.１认识数控机床１.２认识各种类别的数控机床１.３数控机床的坐标系规定１.４认识机床数控系统返回１.１认识数控机床１.１.１数控机床概念为了满足多品种、小批量、特别是复杂型面零件加工的生产要求，人们一直在寻找更通用、更灵活、更高精度、更高效率的自动化加工工具，用数控技术控制机械加工的数控机床就是这样的生产工具。数控机床（ＮｕｍｅｒｉｃａｌＣｏｎｔｒｏｌＭａｃｈｉｎｅＴｏｏｌｓ）是采用了数字控制技术的机床。从１９５２年第一台数控机床问世到现在（美国ＰＡＲＳＯＮＳ公司与麻省理工学院（ＭＩＴ）合作研制了第一台三坐标数控铣床），数控技术的发展非常迅速，几乎所有品种的机床都实现了数控化，机械制造业的发展也进入了一个新的阶段———数字控制机床制造阶段。下一页返回１.１认识数控机床现代数控机床是一种具有高质、高效、高度自动化、高度灵活性的加工工具，具有良好的零件加工功能，适合精度要求更高及形状复杂零件的加工。它是将电子、计算机等技术与传统机床技术相融合，将精密机械技术、计算机技术、微电子技术、检测传感技术、自动控制技术、接口技术等在系统工程的基础上有机结合，是优化的、典型的机电一体化产品。“数控机床是一个装有程序控制系统的机床，该系统能够逻辑地处理具有使用代码，或其他符号编码指令规定的程序。”（国际信息处理联盟第五技术委员会定义）上一页下一页返回１.１认识数控机床１.１.２数控概念１.计算机数控“用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制的一种方法，简称数控。”（国家标准ＧＢ８１２９～１９８７）数控功能由计算机实现，称为“计算机数控”（ＣｏｍｐｕｔｅｒｉｚｅｄＮｕｍｅｒｉｃａｌＣｏｎｔｒｏｌ，缩写ＣＮＣ）。代数控机床多是计算机控制，计算机是数控机床的“大脑”，它负责有序指挥控制机床的一切加工运动并符合人的加工意图。上一页下一页返回１.１认识数控机床可以这样简单认为：人把加工意图告诉计算机，委托计算机指挥控制，实现机床加工动作。即：“人的意图→计算机→机床加工运动”要理解“人的意图→计算机→机床加工运动”的数控加工过程，应解决如下问题：①计算机控制的加工运动要符合人的加工意图，那么人的加工意图如何能被计算机理解？即“人的意图→计算机”的问题。②计算机在理解人的加工意后，又是如何指挥机床的运动部件实现加工动作？即“计算机→机床加工运动”的问题。下面将解决这两个问题。上一页下一页返回１.１认识数控机床２.人的意图输入到计算机在“人的意图→计算机”的信息传输过程中，信息的输入应符合计算机的识别与运算特点。因为计算机内部的电路是典型的数字脉冲电路，信息输入到计算机前应转化为数字化电脉冲信号，二进制数码信息很容易简单、准确地转化成数字化电脉冲信号，因此，“加工意图”信息在计算机接受前的形式是一种二进制数码信息，即数字化信号。加工意图的描述形式，不仅应容易地转变成二进制数码信号方便计算机接收，又应方便人加工意图的表达。上一页下一页返回１.１认识数控机床“人的意图→计算机”的信息传输过程中，加工程序是连接计算机与人之间的桥梁，信息传输过程可表示成：人的意图→加工程序→二进制数字码→数字化电脉冲信号→计算机。３.计算机对加工运动控制为了能通俗易懂地介绍计算机对机床加工运动控制原理，现以人对某一个动作的控制来类比计算机对机床加工运动控制。人与计算机对运动控制的相似性比较如图１－２所示。上一页下一页返回１.１认识数控机床（１）人对运动控制人的动作是大脑思维控制的结果。当人有了一个动作意图，经大脑内存贮的经验处理，得到控制身体各部协同动作的命令，该命令通过神经传输，由肌肉伸缩牵动四肢手足等来完成动作，一切机构由骨干、关节等支撑起来，一切能量是由消化系统、血液循环系统提供。同时，在控制过程中，人的感官不断监视动作过程的正确性，并且把当前动作状况反馈大脑，以便修正动作控制。大脑之所以能正确合理控制人的动作，是因为大脑是存贮了相应经验的大脑。上一页下一页返回１.１认识数控机床（２）计算机对运动控制如同人的大脑，计算机之所以能有序地指挥机床的加工动作，使加工运动结果符合程序描述，是因为它具有“专业的领导经验”———存贮于“电脑”内部的程序控制系统，对于数控机床来说，是专用于处理机床加工运动信息和有序控制机床加工运动的软件———数控系统软件，相当于人存贮于大脑皮层的经验。当加工程序输入到计算机，数控系统软件对其进行识别，理解输入的加工程序，然后进行逻辑计算、判断，处理成指挥机床各部运动的命令信息。上一页下一页返回１.１认识数控机床指令信息通过输出线路（相当于人的神经）输出，由伺服系统（相当于人的四肢）执行，检测反馈装置（相当于人的感官）向数控装置反馈指令实际执行情况，以便随时获得当前运动与目标运动的误差，并据此修正控制指令，直到保证加工运动过程准确。１.１.３数控机床基本组成数控机床是在普通机床的基础上发展起来的机床，因此与同类的普通机床在机械结构上有相似性，具有主运动装置，进给运动装置，辅助运动装置。数控机床又是由计算机自动控制的机床，相对普通机床，数控机床增加了数字控制部分和伺服执行部分。上一页下一页返回１.１认识数控机床如图１－３所示，数控机床一般由数控系统、伺服系统、强电控制柜、机床本体和各类辅助装置组成。１.数控系统数控系统是机床实现自动加工的核心，是整个数控机床的灵魂所在。主要由输入装置、监视器、计算机数字控制系统、可编程控制器、各类输入／输出接口等组成。（１）程序输入装置及人机交互设备上一页下一页返回１.１认识数控机床（１）程序输入装置及人机交互设备将编写好的数控加工程序输入到数控装置的方法很多，常见的有：通过使用ＭＤＩ键盘输入；在个人计算机编辑好的程序通过通信方式输入；加工程序以数字代码的形式记录在控制介质，再通过某些输入设备，如手持移动硬盘、磁盘、磁带、穿孔纸带等输入。数控机床正式加工前，需要对输入的加工程序进行编辑、修改和调试。加工运行时，操作人员需要对数控系统加工状态监控观察，干预机床加工需要输入操作指令。人机交流需要通过相应的设备实现，在数控机床上，这些实现人机联系的功能设备统称为人机交互设备。上一页下一页返回１.１认识数控机床与计算机一样，键盘和显示器是数控系统不可缺少的人机交互设备。如图１－４所示，为典型ＦＡＮＵＣ车床的ＣＲＴ、ＭＤＩ键盘、操作面板。（２）计算机数控装置（ＣＮＣ）计算机数控装置是整个数控系统的核心部分，它控制接收输入的加工程序信息，并对接收到的数据进行编译、运算和逻辑处理后，然后输出各种信息指令控制主运动、进给运动、辅助运动设备按规定进行精确有序的加工动作。上一页下一页返回１.１认识数控机床（３）可编程控制器（ＰＬＣ）可编程控制器接受计算机送来的辅助控制指令，经可编程控制器处理，通过辅助接口电路转换成强电信号，用来控制数控机床辅助动作。它与数控装置共同完成对数控机床的控制。２.伺服系统伺服系统是数控系统和机床本体之间的电传动联系环节.主要有两种：一种是进给伺服系统，它控制机床各坐标轴的切削进给运动，以沿导轨的直线运动为主；另一种是主轴伺服系统，它控制主轴的旋转运动，提供切削动力。上一页下一页返回１.１认识数控机床（１）进给伺服系统数控机床的进给伺服系统是指以数控机床移动部件（如工作台）的位置和速度作为控制量的自动控制系统。它接受来自数控装置的进给指令脉冲，经执行转化为数控机床移动部件的位移，并保证动作的快速和准确。机床一般有多个进给方向的运动控制，如前后、左右、上下方向的运动。各方向进给运动的机械执行部件都配有一套伺服驱动系统。（２）主轴伺服系统机床主轴的运动是旋转运动，随切削加工情形的变化，要求主轴转速能够随之变化。上一页下一页返回１.１认识数控机床现代数控机床要求主轴具有较高的转速和较宽的调速范围，主轴的正反方向都可以实现转动和自动加减速，并且可以在最高速与最低速间指令任意转速，属于无级调速方式。（３）测量反馈装置测量反馈装置包括位置反馈与速度反馈等，它们的作用是通过测量装置将机床移动的实际位置、速度参数检测出来，转换成电信号，并反馈到ＣＮＣ装置中，使ＣＮＣ能随时判断机床的实际位置、速度是否与指令一致，并发出相应指令，纠正所产生的误差。上一页下一页返回１.１认识数控机床３.辅助装置辅助装置主要包括自动换刀装置ＡＴＣ（ＡｕｔｏｍａｔｉｃＴｏｏｌＣｈａｎｇｅｒ）、自动交换工作台机构ＡＰＣ（ＡｕｔｏｍａｔｉｃＰａｌｌｅｔｃｈａｎｇｅｒ）、工件夹紧放松机构、回转工作台、液压控制系统、润滑装置、切削液装置、排屑装置、过载和保护装置等。现代数控机床采用可编程控制器与数控装置共同完成对数控机床辅助装置的控制。上一页下一页返回１.１认识数控机床４.强电控制柜强电控制柜主要用来安装机床实现强电控制的各种电气元器件，除了提供数控、伺服等一类弱电控制系统的输入电源，以及各种短路、过载、欠压等电气保护外，主要是还在ＰＬＣ的输出接口与机床各类辅助装置的电气执行元件之间起桥梁连接作用，控制机床辅助装置的各种交流电动机、液压系统电磁阀或电磁离合器等。此外，它也与机床操作台有关手动按钮连接。强电控制柜由各种中间继电器、接触器、变压器、电源开关、接线端子和各类电气保护元器件等构成。上一页下一页返回１.１认识数控机床５.机床本体的机械执行部件数控机床本体指其机械结构实体.它与传统的普通机床相比较，同样由主传动系统、进给传动机构、工作台、床身以及立柱等部分组成，但数控机床在整体布局、外观造型、传动机构、工具系统及操作机构等方面发生了很大的变化。１.１.４数控加工一般过程数控机床的加工大致可分为两个阶段，一是加工工艺设计和加工程序的编写，实质是制定指令机床加工运动的规律；二是机床执行加工程序按指定的规律进行自动的加工。上一页下一页返回１.１认识数控机床１.数控加工工艺及编程由于数控机床是计算机控制实现自动加工，因此，运用数控机床加工，人的主要工作是数控加工工艺设计及加工程序的编制。①通过对生产指令———工件图样的分析，明确加工内容、要求及加工条件。②设计加工方案：包括工具设备选择，加工方法选择，加工过程设计，刀具路线设计等。③对编程时需要的加工数据进行必要的数学处理。④进行加工程序的编写。将加工过程顺序，加工运动等信息，用规定的代码，按一定的格式编写成加工程序。上一页下一页返回１.１认识数控机床⑤对机床、刀具、工件及装夹等进行辅助准备。２.数控机床自动加工执行数控机床自动控制加工的前提是：由机床、刀具、工件及装夹组成的工艺系统准备完毕，加工程序校验正确。由计算机控制的自动加工一般过程是：①加工程序通过输入装置输入到数控装置。②数控装置将加工程序信息进行一系列处理后，向伺服系统等执行部件发出运动指令。上一页下一页返回１.１认识数控机床③进给伺服系统接到指令信息后驱动机床进给机构实现进给运动；主传动系统接到命令后实现主轴相应的起动、停止、正反转和变速等动作；其他辅助运动也在ＰＬＣ的控制下准确执行。进给运动、主运动、辅助运动相互配合准确实现预定的加工运动。１.１.５数控加工特点１.数控机床与传统机床的相似性数控切削机床与传统切削机床，切削原理是：在机床上正确安装好刀具与工件，使机床、刀具、工件形成一个切削加工的工艺系统，由机床提供加工运动的动力，并控制刀具与工件之间产生加工运动，从而刀具切去工件表面上多余金属。刀具和工件间的相对运动包括主运动和进给运动。上一页下一页返回１.１认识数控机床数控机床切削与传统机床切削的加工工艺过程是：①分析图样的加工内容、要求；②选择合适毛坯；③设计恰当的加工过程、方法；④选择合适的机床、夹具、刀具；⑤确定刀具进给路线和切削用量；⑥加工工件。可见，数控机床与普通机床的切削原理相同，工艺可行性能相似，机械结构相似，数控机床是在普通机床的基础上发展起来的机床，一定程度上沿袭了普通机床的加工工艺。２.数控加工相对传统加工的特点（１）自动化上一页下一页返回１.１认识数控机床在传统加工中，机床操作工手动操作机床，移动切削刀具来加工所要的零件，人为因素在加工零件过程中引起的结果是很难预测的，人为因素常常造成同批工件加工有较大的不一致性。与传统手工加工相比，数控加工是由计算机控制的自动加工，加工时，它不需要任何操纵杆、刻度盘或手柄，不需要数控操作人员在加工时对每一个加工动作做选择，在编制程序时，就已经做出了加工选择，一旦加工程序通过校验，就可以反复使用，而且获得的加工结果一致性好。数控加工与普通加工相比的最明显的好处是：自动化控制对人力的解放，以及批量生产时产品一致性的结果。上一页下一页返回１.１认识数控机床（２）适合于复杂型面零件的加工。由于数控机床能实现多个坐标的联动，数控加工能精确加工复杂型面的工件，而这些复杂型面在普通机床上难以加工。对于精度要求高、复杂型面的中小批量零件，采用数控加工能提高零件的加工质量，大大缩短加工周期。（３）高速化、高精度、高效率。数控加工具有自动换速、自动换刀和其他辅助操作自动化等功能，可以采用较大的切削用量，而且无须工序间的检验与测量，因此，数控加工可有效地节省加工时间和辅助时间。上一页下一页返回１.１认识数控机床数控机床的主轴转速及进给范围都比普通机床大，生产效率比普通机床可提高３～４倍，甚至更高。目前，数控机床的最高进给速度可达到１００ｍ／ｍｉｎ以上，最小分辨率达０.０１μｍ。数控机床有较高的加工精度，加工精度不受零件复杂程度的影响，机床传动链的反向齿轮间隙和丝杠的螺距误差等都可以通过数控装置自动进行补偿，定位精度高，同时还可以利用数控软件进行精度校正和补偿。数控加工已广泛应用于高速切削、精密和超精密加工等先进制造技术领域。上一页下一页返回１.１认识数控机床（４）工艺复合、一机多用。普通机床加工结构复杂的零件时，一般需用多套工装夹具，经过多道工序、多次定位装夹才能完成加工任务，这导致加工零件的一致性差、加工效率低、所需工装数量多、生产准备工作量大、生产周期长。对于带自动换刀的数控加工中心，有时在一次装夹的情况下，几乎可以完成工件的全部加工过程，如在一次装夹下能完成镗、铣、钻、铰、攻螺纹等多种加工，工序比较集中，一台数控机床可以代替数台普通机床，节约了工序之间的运输、测量和装夹等辅助时间，还可以减少机床占地面积，节约厂房，既省时间又省人力。上一页下一页返回１.１认识数控机床（５）柔性好。批量生产中，要得到产品一致性好的结果，在传统加工也不是没有，如用凸轮、靠模、样板或其他模具等专用工艺装备的自动专用机床也具备这个优点，但这样的自动化与数控加工的自动化有很大的区别。传统的“专机”，虽然效率很高，当改变加工零件时，需更换凸轮、靠模、样板或其他模具等专用工艺装备，而这种更换是很不方便的，需比较长的时间和很高的成本，传统的自动加工在改变加工对象时呈现很强的“刚性”，很难适应市场经济下的激烈竞争带来的产品频繁改型。上一页下一页返回１.１认识数控机床对于数控机床，加工工艺过程用加工程序描述，由计算机处理控制，对不同零件的数控加工只需更换数控加工程序，因而数控加工对多品种零件生产适应性强，生产准备周期短，有利于机械产品的迅速更新换代，效率高，呈现很强的“柔性”，能很好地适应市场竞争。（６）对工装（刀具、夹具、量具、辅具等）提出了更高的要求。在数控加工中，工件往往只需几道工序就能完成加工任务，因此，传统加工因工序多、流转时间长而需要分批准备的刀具、夹具、量具、辅具等工装，在数控加工时要一次备齐。上一页下一页返回１.１认识数控机床另外，数控加工对刀具材料及其合理选择也提出了较高要求。实践表明，如果数控加工中心的刀具质量不高或选用不当，往往会造成刀具破损或磨损过快，需经常更换刀具，会降低加工质量和加工效率。（７）工艺准备增加新内容。数控加工的工艺准备工作不仅包含了传统加工工艺准备工作的全部内容，还增加了编制零件数控加工程序、对刀、试切、调试程序等许多新内容。（８）对数控加工技术人员的业务素质要求高。上一页下一页返回１.１认识数控机床（８）对数控加工技术人员的业务素质要求高。数控加工工艺人员不仅要掌握机械制造专业知识，还要掌握计算机的使用和数控编程知识和技能，并有较丰富的加工经验。由于数控加工过程是自动连续进行的，不能像传统加工，操作者可以适时地随意进行调整，在编制加工程序时，必须认真分析加工过程中的每一个细小环节，稍有疏忽或经验不足就会发生错误，甚至酿成重大机损、人伤及质量事故。编程人员应具有细致、严谨的工作作风。上一页下一页返回１.１认识数控机床然而数控机床的产生并不意味着所有手动操作的普通机床就会消失，有时传统加工方式比数控方式是更适当。例如，简单的单件生产在手动机床上加工要比在ＣＮＣ机床上加工更高效，某些类型的加工操作用手动或半自动加工要比用数控加工有益。零件加工是否在ＣＮＣ机床上完成，取决于所加工的零件数量、复杂程度、质量要求等因素，因此ＣＮＣ机床并不能够完全代替普通机床。上一页返回１.２认识各种类别的数控机床１.２.１普通数控机床普通数控机床是指采用车、铣：钻、镗、磨、刨等各种切削工艺的数控机床，如数控车床、数控铣床、数控磨床等。普通数控机床的切削工艺与相应的通用机床相似，但它能自动化加工更为复杂形状的零件，并且加工精度、效率更高。１.数控车床ＣＮＣ车床能自动控制完成对轴类与盘类零件内外圆柱面、圆锥面、圆弧面、螺纹等切削加工，并能进行切槽、钻孔、扩孔和铰孔等工作。下一页返回１.２认识各种类别的数控机床ＣＮＣ车床由机床主轴带动工件旋转实现主运动，刀具并不旋转，切削刀具安装在转塔刀架或四方刀架上，沿平行主轴轴线的纵向（Ｚ）和垂直主轴轴线的横向（Ｘ）两个方向的导轨，相对工件进给移动。数控车床的进给系统与传统通用车床的进给系统在结构上存在着本质上的差别。传统卧式车床主轴的运动经过挂轮架、进给箱、溜板箱传到刀架，实现纵向和横向进给运动，传动路线长，传动精度低。而数控车床是采用伺服电动机，经滚珠丝杠传到滑板和刀架，实现Ｚ向（纵向）和Ｘ向（横向）进给运动，传动路线短，传动精度高。上一页下一页返回１.２认识各种类别的数控机床图１－５所示为典型的全功能数控车床外形和结构组成。２.数控铣床数控铣床是机床设备中应用非常广泛的加工机床，ＣＮＣ铣床主要设计为轮廓加工，可以进行平面铣削、型腔铣削、外形轮廓铣削、三维及三维以上复杂型面铣削，还可进行钻削、镗削、螺纹切削等孔加工。加工中心、柔性制造单元等都是在数控铣床的基础上产生和发展起来的。上一页下一页返回１.２认识各种类别的数控机床数控铣床与传统的通用铣床一样，按主轴在空间所处的状态，分有立式和卧式以及立、卧两用数控铣床。主轴在空间处于垂直状态的，称为立式数控铣床；主轴在空间处于水平状态的，称为卧式数控铣床。主可作垂直和水平转换的，称为立卧两用数控铣床。如图１－６所示，是立式数控铣床。如图１－７所示，是卧式数控铣床。数控铣床能被ＣＮＣ控制的坐标进给运动多为三坐标轴，即有三个沿导轨方向的直线运动，如左右、前后、上下方向，又用Ｘ、Ｙ、Ｚ分别对这三个直线运动的方向命名。上一页下一页返回１.２认识各种类别的数控机床１.２.２加工中心机床（ＭＣ）加工中心（ＭａｃｈｉｎｉｎｇＣｅｎｔｅｒ，简称ＭＣ）是适应省力、省时和节能的时代要求而迅速发展起来的自动换刀数控机床。相对那些普通数控机床更具有灵活性和适应性，并且效率更高，工艺能力更强，自动化程度更高。１.各种加工中心加工中心种类较多，根据加工方式分为：①车削加工中心车削加工中心以车削为主，主体是数控车床，机床上配备有转塔式刀库或由换刀机械手和链式刀库组成的大容量刀库。车削加工中心还配置有铣削动力头。上一页下一页返回１.２认识各种类别的数控机床②镗铣加工中心镗铣加工中心，它将数控铣床、数控镗床、数控钻床的功能聚集在一台加工设备上，且增设有自动换刀装置。镗铣加工中心是机械加工行业应用最多的一类数控设备，其工艺范围主要是铣削、钻削和镗削。２.加工中心特点加工中心机床的一个最为明显的特征是：它是一种比普通数控机床加装了刀具库和自动换刀装置而构成的数控机床，刀库容量一般为几十甚至上百把。数控系统能控制机床自动地更换刀具。加工中心与普通数控机床相比的另一个更为重要的特征是：它利用机床刀库的多刀具和自动换刀能力，具有把几个不同的操作组合在一次装夹中并连续加工的能力，即集中工序加工。上一页下一页返回１.２认识各种类别的数控机床加工中心机床实现一次装夹多工序的加工方式，有效地避免了零件多次装夹造成的定位误差，减少了机床台数和占地面积，有利于提高加工精度。由于电子技术的迅速发展，加工中心的功能日趋完善。比如：因为自动换刀缩短手动换刀的时间；因为利用了托盘交换系统、交换工作台的方法，让工件能在机外装卸从而缩短工件装夹的辅助时间。图１－８所示的加工中心装配了托盘交换装置，能实现工件的自动交换，从而使工件装夹的辅助工作不占机床的加工时间。上一页下一页返回１.２认识各种类别的数控机床３.镗、铣加工中心两种类型加工中心有两种基本设计即立式加工中心和卧式加工中心。按主轴在空间所处的状态，加工中心的主轴在空间处于垂直状态的，称为立式加工中心；主轴在空间处于水平状态的，称为卧式加工中心。图１－９所示是立式加工中心。机床能进行Ｘ、Ｙ、Ｚ三个坐标轴联动加工。机床有刀库，可装各类钻、铣类刀具并可自动换刀。对立式ＣＮＣ加工中心来说，最适合加工的工件类型是有上端面结构或周边轮廓加工任务的零件，如盘盖、板类零件。工件可安装在工作台或夹具上。上一页下一页返回１.２认识各种类别的数控机床某卧式加工中心如图１－１０所示，主轴水平放置。一般卧式加工中心配备一个旋转坐标轴（回转工作台）。卧式加工中心适宜加工箱体类零件，一次装夹可对工件的多个面进行铣削、钻削、镗削、攻螺纹等工序加工，特别适合孔与定位基面或孔与孔之间相对位置精度要求较高的零件的加工，容易保证其加工精度。１.２.３柔性制造柔性制造是指在计算机支持下，能适应加工对象变化的制造系统。柔性制造系统有以下三种类型：上一页下一页返回１.２认识各种类别的数控机床柔性制造单元：柔性制造单元由一台或数台数控机床或加工中心构成的加工单元。该单元根据需要可以自动更换刀具和夹具，加工不同的工件。柔性制造单元适合加工形状复杂，加工工序简单，加工工时较长，批量小的零件。柔性制造系统：柔性制造系统是以数控机床或加工中心为基础，配以物料传送装置组成的生产系统。该系统由电子计算机实现自动控制，能在不停机的情况下，满足多品种的加工。柔性制造系统适合加工形状复杂，加工工序多，批量大的零件。上一页下一页返回１.２认识各种类别的数控机床柔性自动生产线：柔性自动生产线是把多台可以调整的机床（多为专用机床）联结起来，配以自动运送装置组成的生产线。该生产线可以加工批量较大的不同规格零件。柔性程度低的柔性自动生产线，在性能上接近大批量生产用的自动生产线；柔性程度高的柔性自动生产线，则接近于小批量、多品种生产用的柔性制造系统。１.２.４计算机集成制造系统（ＣＩＭＳ）ＣＩＭＳ是ＣｏｍｐｕｔｅｒＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＳｙｓｔｅｍ的缩写，意思是计算机集成制造系统。它是随着计算机辅助设计与制造的发展而产生的。上一页下一页返回１.２认识各种类别的数控机床它是在信息技术自动化技术与制造的基础上，通过计算机技术把分散在产品设计制造过程中各种孤立的自动化子系统有机地集成起来，形成适用于多品种、小批量生产，实现整体效益的集成化和智能化制造系统。集成化反映了自动化的广度，它把系统的范围扩展到了市场预测、产品设计、加工制造、检验、销售及售后服务等的全过程。智能化则体现了自动化的深度，它不仅涉及物资流控制的传统体力劳动自动化，还包括信息流控制的脑力劳动的自动化。ＣＩＭＳ通常由管理信息系统、产品设计与制造工程设计自动化系统、制造自动化系统、质量保证系统以及计算机网络和数据库系统等６个分系统组成。上一页下一页返回１.２认识各种类别的数控机床当前，我国的ＣＩＭＳ已经改变为“现代集成制造与现代集成制造系统”。它已在广度与深度上拓展了原ＣＩＭ／ＣＩＭＳ的内涵。其中，“现代”的含义是计算机化、信息化、智能化。“集成”有更广泛的内容，它包括信息集成、过程集成及企业间集成等三个阶段的集成优化；企业活动中三要素及三流的集成优化；ＣＩＭＳ有关技术的集成优化及各类人员的集成优化等。ＣＩＭＳ不仅仅把技术系统和经营生产系统集成在一起，而且把人也集成在一起，使整个企业的工作流程、物流和信息流都保持通畅和相互有机联系，所以，ＣＩＭＳ是人、经营和技术三者集成的产物。上一页返回１.３数控机床的坐标系规定１.３.１进给运动与坐标系数控加工必须准确描述进给运动。加工过程中，刀具相对工件运动轨迹和位置决定了工件加工尺寸、形状。把刀具相对工件的进给运动轨迹简称为刀轨，数控机床系统必须确切知道刀轨，编程人员必须准确描述表达刀轨。刀轨一般由直线段或圆弧段组成，线段起点、终点位置是表达刀轨的主要信息。数学中，点位可以在坐标系里定义为坐标值，如果在机床或工件图样上建立一个数控加工坐标系，就可以方便地描述刀轨。ＣＮＣ编程中，使用数字来“翻译”图纸，将图纸的尺寸变成刀轨数据，实现刀具轨迹数据化。下一页返回１.３数控机床的坐标系规定例如要用直径为２０ｍｍ的键槽铣刀铣削图１－１１（ａ）工件的内槽，如图１－１１（ｂ），设计刀具从Ｓ点下刀钻削至槽深，然后沿Ｓ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ｓ进给，回到Ｓ点抬刀。如果以工件坯料的对称中心为原点，建立如图的ＸＯＹ坐标系，则容易由图１－１１（ａ）的尺寸标注得到Ｓ、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ点的坐标值，从而实现槽铣刀进给运动轨迹的数据化，各点坐标数据如图１－１１（ｂ）所示上一页下一页返回１.３数控机床的坐标系规定１.３.２数控机床标准坐标系规定设定数控机床坐标系用于描述刀具相对工件的进给运动轨迹，数控加工行业对坐标系的设定方法有统一规定。国际数控标准ＩＳ０８４１规定数控机床标准坐标系采用右手笛卡儿坐标系，如图１－１２所示，用右手笛卡儿坐标系来规定数控机床标准坐标系。主要规定说明如下１.机床进给运动坐标的名称、方向规定机床沿导轨直线进给运动的坐标轴向用Ｘ、Ｙ、Ｚ表示。上一页下一页返回１.３数控机床的坐标系规定表示机床直线进给运动的坐标系中，Ｘ，Ｙ，Ｚ轴向的关系符合右手直角笛卡儿坐标系规则，用右手的拇指、食指和中指分别代表Ｘ，Ｙ，Ｚ三轴，三个手指互相垂直，所指方向分别为Ｘ，Ｙ，Ｚ轴的正方向。如图１－１２。围绕Ｘ、Ｙ、Ｚ轴旋转的圆周进给坐标轴分别用Ａ，Ｂ，Ｃ表示。其正向用右手螺旋定则确定，以大拇指指向＋Ｘ，＋Ｙ，＋Ｚ方向，其余四指环绕方向就是圆周进给运动的＋Ａ，＋Ｂ，＋Ｃ方向。上一页下一页返回１.３数控机床的坐标系规定２.机床进给运动正方向的确定机床进给运动正方向为增大刀具与工件之间距离的方向。即刀具远离工件为正方向，标注为＋Ｘ，＋Ｙ，＋Ｚ。刀具靠近工件为负方向，标注为－Ｘ，－Ｙ，－Ｚ。３.产生正向进给运动的机床运动实现机床正向进给运动主要有两种情况：①由机床运动件带动刀具向工件进给运动。刀具相对工件的正向进给运动，直接用＋Ｘ、＋Ｙ、＋Ｚ…＋Ｃ来命名表示。图１－１３所示的卧式车床的正向进给运动，是由刀架带动刀具相对工件＋Ｘ、＋Ｚ向的进给。上一页下一页返回１.３数控机床的坐标系规定②由机床运动件带动工件向刀具进给实现进给运动。＋Ｘ′、＋Ｙ′、＋Ｚ′…＋Ｃ′用来表示产生正向进给运动的工件运动的名称，与＋Ｘ、＋Ｙ、＋Ｚ…＋Ｃ所表示的机床坐标轴正向恰好相反。如图１－１４（ａ）所示，某立式铣床Ｘ、Ｙ、Ｚ的坐标正向运动（图中左上角表示的机床坐标方向），实际由是由工件相对刀具的＋Ｘ′、＋Ｙ′向运动和刀具相对工件的＋Ｚ向运动完成。如图１－１４（ｂ）所示，某卧式铣床Ｘ、Ｙ、Ｚ的坐标正方向运动（图中左上角表示机床坐标方向），实际是由工件相对刀具的＋Ｘ′向运动和刀具相对工件的＋Ｚ、＋Ｙ向运动完成。这样就清楚表示了机床运动件的实际运动情况，有利于操作工观察机床运动和操作机床。上一页下一页返回１.３数控机床的坐标系规定（４）编程时刀具相对工件运动的原则编程人员编程时，可以假定机床加工时工件是静止的，刀具是相对于静止的工件进给运动。那么，编程人员可以不必考虑具体机床的进给运动是刀具移向工件，还是工件移向刀具，可直接依据工件图样，在图纸拟定刀具进给运动轨迹，建立坐标系，并把进给运动轨迹“翻译”成数据。１.３.３典型的数控机床坐标系规定１.数控车机床坐标系规定一般数控车床只有两个进给运动方向，主轴轴线方向为Ｚ轴方向，直径方向Ｘ向，刀架离开工件的方向为正向。如图１－１５所示。上一页下一页返回１.３数控机床的坐标系规定如图１－１５（ａ），若数车生产厂把坐标零点设在主轴线与卡盘定位面之交点Ｍ，则建立了以Ｍ为原点的数控车床坐标系。如图１－１５（ｂ），现代数车生产厂常把机床坐标零点Ｍ设在Ｘ、Ｚ正向的极限行程点，建立以Ｍ为原点的数车机床坐标系。２.立式铣床、加工中心机床坐标系规定立式铣床，主轴垂向设置，主轴轴线方向为Ｚ轴方向。人站在立式机床工作台前，面向立柱，他的右手方向为正Ｘ方向，他的正前方向为正Ｙ方向。上一页下一页返回１.３数控机床的坐标系规定可把工作台看成写字台，纸张当作工件加工面，笔当作刀具。手握笔向下到纸张相当于－Ｚ运动，手握笔向右划线相当于＋Ｘ运动，手握笔向前划线相当于＋Ｙ运动；抬笔相当于＋Ｚ运动。如图１－１６，机床生产厂把机床坐标零点Ｍ设在Ｘ、Ｙ、Ｚ正向的极限行程点，建立了以Ｍ为原点的立式数控铣床坐标系。３.卧式铣床、加工中心的坐标轴名称如图１－１７（ａ）所示卧式铣床，主轴水平方向设置，同样主轴轴线方向为Ｚ轴方向。人顺着刀具向工件加工面看去，他的右手方向为正Ｘ方向，他的正前方向为负Ｚ方向，他的上方为正Ｙ方向。上一页下一页返回１.３数控机床的坐标系规定对卧式铣床加工，可把工件加工面当作黑板，粉笔当作刀具。手拿粉笔接近黑板，相当于－Ｚ运动，粉笔向右划线相当于＋Ｘ运动，粉笔向上划线相当于＋Ｙ运动；粉笔垂向离开黑板相当于＋Ｚ运动如图１－１７（ｂ）所示机床生产厂把机床坐标零点Ｍ设在机床内的某一固定点，建立了以Ｍ为原点的卧式数控铣床坐标系。１.３.４参考点及回参考点操作机床参考点（Ｒ点）是机床坐标系中一个固定不变的位置点，参考点在机床坐标系的坐标值由机床厂精确测量存储，通过机床回参考点操作，ＣＮＣ确认进给运动初始点坐标。当测量目标回到机床参考点，ＣＮＣ可间接确定机床原点的位置。上一页下一页返回１.３数控机床的坐标系规定如图１－１５（ａ）所示的数控车床参考点设在机床的Ｘ、Ｙ、Ｚ向的行程终点，而机床零点设在主轴端面中心。机床参考点可与机床原点设定为同一点。如图１－１５（ｂ）所示的数控车床参考点与机床零点设为同一点。图１－１６所示的立式铣床参考点设在机床的Ｘ、Ｙ、Ｚ的行程终点并与机床零点重合。对于采用增量式测量方式的数控机床，接通电源后，通常都要做回参考点操作，利用机床操作面板上的有关按钮，控制机床测量目标定位到机床参考点。对机床参考点和机床零点重合的机床的回参考点操作又称回零操作。上一页下一页返回１.３数控机床的坐标系规定当返回参考点的工作完成后，显示器即显示出机床参考点在机床坐标系中的坐标值，表明ＣＮＣ已测定目标点在机床坐标系的初始位置坐标，然后当测量目标进给运动，ＣＮＣ机床的测量系统实时测量到目标点相对参考点移动增量，ＣＮＣ根据初始位置坐标和移动增量，就可计算出目标点在机床坐标系的瞬时位置，从而实现对目标的追踪测量。通常，数控车床坐标系的测量目标是刀架参考点；数控铣床坐标系的测量目标是主轴端面中心。上一页下一页返回１.３数控机床的坐标系规定１.３.５设定工件坐标系在数控加工程序编写过程中，我们通常是先在工件图纸上规划刀具相对工件的运动轨迹，这就需要在工件图纸上也设定一个坐标系，通常称为编程坐标系或工件坐标系，工件坐标系坐标轴的名称和方向应与所选用机床的坐标系坐标轴的名称和方向一致，但坐标的零点却随编程者的意愿确定。在工件图纸上设定的工件坐标系，用于在该坐标系上采集图纸上点、线、面的位置坐标值作为编程数据用，因此编程零点的选择原则之一是便于编程者采集编程数据，要尽量满足坐标基准与工件工序基准重合、采集编程数据简单、尺寸换算少、引起的加工误差小等要求。上一页下一页返回１.３数控机床的坐标系规定从操作人员角度看工件零点，它还代表工件在机床坐标系具体位置。操作者在加工前必须测量代表工件位置的工件零点在机床坐标中的准确坐标值，并确定机床的数控装置。如图１－１５、图１－１６、图１－１７所示，选择工件上一点，作为工件零点，代表工件在机床的位置，取与机床坐标系名称和方向相同的坐标轴，则建立了工件坐标系。通常，工件坐标系的坐标值表达的是刀具刀位点相对工件的位置。如图１－１５，选择刀具刀尖作为刀位点，工件坐标表示刀尖相对工件零点位置。上一页返回１.４认识机床数控系统１.４.１数控系统概述数控系统是一种配有专用操作系统的计算机控制系统，包括硬件和软件两大部分组成，通过软、硬件结合实现对机床加工运动的控制。数控系统硬件通常由计算机基本系统部分及与之相联系的各功能模块组成。数控系统软件是以程序为中心的信息组合（存贮程序），是用于对机床加工运动实时控制的操作系统。数控系统的作用是接收由加工程序等送来的各种信息，并经处理后向驱动机构发出执行的命令。下一页返回１.４认识机床数控系统１.４.２数控系统硬件体系结构模块化设计方法是,将控制系统按功能划分成若干种具有独立功能的单元模块，并配上相应的驱动软件。数控系统主要分为主控制模块、电源模块、主轴模块、进给轴伺服模块等。不同的功能模块插入控制单元母板上，将组成一个完整的控制系统，如图１－１８所示。１.主控制模块计算机主控制模块是数控系统的核心。它对输入到ＣＮＣ中的各种数据、信息（零件加工程序，各种Ｉ／Ｏ信息等）进行相应的算术和逻辑运算。并根据其处理结果，向各功能模块发出控制命令，传送数据，使加工运动指令得以执行。上一页下一页返回１.４认识机床数控系统主控制模块各组成部分说明如下：（１）控制单元母板及系统总线控制单元母板一般为总线结构的无源母板，系统总线是计算机系统内部模块间互联并进行数据或信息交换的通道。系统总线由传送数字信息的物理导线组成，包括数据总线、地址总线、控制总线三组。控制系统通过母板总线连接各功能模块的示意图如图１－１９所示（２）中央处理器ＣＰＵ中央处理器（ＣＰＵ）由控制器和运算器两个部分组成。承担系统控制和信息处理两部分功能。上一页下一页返回１.４认识机床数控系统系统的控制功能主要包括：保持ＣＮＣ系统各功能部件间的工作协调的内部控制；加工程序的输入、输出控制；对机床加工现场状态信息的记忆控制等。信息处理功能包括：译码、刀补计算、插补计算和位置控制的给定信息与反馈信息的比较运算等。（３）存储器存储器用来存储系统软件、系统配置参数、工件加工程序，是计算机各种信息的存储和交流的中心。存储器可以与运算器、控制器、输入输出设备交换信息，具有存储、缓冲、传递信息的作用。存储器分为只读存储器（ＲＯＭ）和随机存储器（ＲＡＭ）两类。上一页下一页返回１.４认识机床数控系统ＣＮＣ系统软件存放在只读存储器（ＥＰＲＯＭ）之中，由ＣＮＣ装置的生产厂家固化（写入），写入信息的ＥＰＲＯＭ即使断电，信息也不会丢失，它只能被ＣＰＵ读出，不能写进新的内容。零件加工程序、机床参数、刀具参数等存放在有后备电池的ＣＭＯＳＲＡＭ中，或者存放在磁泡存储器中，这些数据既能读出也能写入或修改，断电后，信息仍被保留。数控过程中各种运算的中间结果、运行中需显示的状态信息等均存放在随机存储器（ＲＡＭ）中，它可以随时读写，断电后内容即刻消失。上一页下一页返回１.４认识机床数控系统（４）Ｉ／０板它是ＣＮＣ控制单元与外界进行数据和信息交换的接口板，通过该接口可以从输入设备获取数据，也可以将ＣＮＣ装置中的数据送给输出设备。板控系统Ｉ／０板部分主要包括电源转换器接口、ＤＩ／ＤＯ接口、阅读机／穿孔机接口、ＭＤＩ控制接口、显示控制接口、手摇脉冲发生器控制接口等。２.ＰＬＣ／ＰＭＣ模块ＰＬＣ／ＰＭＣ是可编程序控制器（ＰＭＣ可具体称为可编程机床控制器），是为自动控制开关动作设计的装置。上一页下一页返回１.４认识机床数控系统ＰＬＣ／ＰＭＣ接收来自操作面板、机床上的各行程开关、传感器、按钮、强电柜里的继电器以及主轴控制、刀库控制的有关信号，经处理后，输出控制相应器件运行。ＰＭＣ是专用于数控机床外围辅助电气部分的自动控制，所以称为可编程序机床控制器，简称ＰＭＣ。ＰＭＣ与系统部分，与机床侧电气部分的接口关系，如图１－２０所示。在图１－２０中：Ｘ是来自机床侧的输入信号，提供给ＰＭＣ进行逻辑运算，作为机床动作的条件及对外围设备进行自诊断的依据。上一页下一页返回１.４认识机床数控系统Ｙ是由ＰＭＣ输出到机床侧的信号，控制机床侧的电磁阀、接触器、信号指示灯动作。Ｆ是主控制系统输入到ＰＭＣ的信号，提供给ＰＭＣ进行逻辑运算，作为机床动作的条件及进行自诊断的依据。Ｇ是由ＰＭＣ输到主控制系统部分的信号，向系统部分反馈控制信息。３.显示模块显示卡接收来自ＣＰＵ的控制命令和显示用的数据，经与ＣＲＴ的扫描信号调制后，产生ＣＲＴ显示器所需要的视频信号，在ＣＲＴ上产生所需要的画面。上一页下一页返回１.４认识机床数控系统４.进给伺服模块伺服模块接受从控制单元发出的进给速度和位移指令信号，经转换和放大后，驱动伺服电动机，进而驱动机械传动机构，从而驱动机床的执行部件实现精确的工作进给和快速移动。５.主轴模块数控系统中的主轴模块用于控制驱动主轴电动机。６.电源模块电源模块主要是将三相交流电转换成直流电，为主轴模块和伺服轴模块提供直流电源。上一页下一页返回１.４认识机床数控系统１.４.３数控系统软件的功能结构ＣＮＣ装置由软件和硬件组成，硬件为软件的运行提供了支持环境，软件在硬件的支持下实现系统功能，软件指各类程序和文档资料的总和。硬件系统又称为“裸机”，计算机只有硬件是不能工作的，必须配置软件才能够使用。软件的完