数控机床构造概述和数控机床编程及加工

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202300r/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：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。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。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数控机的产生与发展(4)高可靠性高可靠性是指数控系统的可靠性要高于被控设备的可靠性在一个数量级以上，但也不是可靠性越高越好，仍然是适度可靠。因为商品受性价比约束。对于每天工作两班的无人工厂而言，如果要求在16小时内连续正常工作，无故障率P(t)=99%以上的话，则，数控机床的平均无故障运行时间MTBF就必须大于3000小时，（对于由不同数量的数控机床构成的无人化工厂差别较大），如果只对一台数控机床而言，如主机与数控系统的失效率之比为10:1的话（注：数控的可靠比主机高一个数量级）。此时，数控系统的MTBF就要大于小时，而其中的数控装置、主轴及驱动等的MTBF就必须大于10万小时。上一页下一页返回1.1数控机的产生与发展而目前，国外数控系统平均无故障时间MTBF在7万一10万小时以上，国产数控系统平均无故障时间仅为10000小时左右，国外整机平均无故障工作时间达800小时以上，而国内最高只有300小时。上一页下一页返回1.1数控机的产生与发展2.模块化、智能化、柔性化和集成化(1)模块化、专门化与个性化为了适应数控机床多品种、小批量的特点，机床结构模块化，数控功能专门化，机床性能价格比显著提高并加快优化。个性化是近几年来数控机床特别明显的发展趋势。(2)智能化智能化包括在数控系统中的各个方面，具体体现在：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程自适应控制技术，加工参数的智能优化与选择；为提高驱动性能及使用连接方便方面的智能化，如前馈控制、电动机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程，智能化的人机界面等;智能故障诊断与自修复技术、智能监控方面的内容，方便系统的诊断及维修等。上一页下一页返回1.1数控机的产生与发展

(3)柔性化和集成化数控机床向柔性化发展的趋势是：从点(数控单机、加工中心和数控复合加工机床)、线(FMC,FMS,FTI,FMI)向面(工段车间独立制造岛、FA)、体(CIMS、分布式网络集成制造系统)的方向发展，另一方面，向注重应用性和经济性方向发展。柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段，是各国制造业发展的主流趋势，是先进制造领域的基础技术。

重点：以提高可靠性、实用化为前提，以易于联网和集成为目标；注重加强单元技术的开拓、完善；CVC单机向高精度、高速度和高柔性方向发展；数控机床及其构成柔性制造系统能方便地与(CAD,CAM,CAPP,MTS联结，向信息集成方向发展；网络系统向开放、集成和智能化方向发展。上一页下一页返回1.1数控机的产生与发展3.开放性由于数控系统生产厂家技术的保密，传统的数控系统是一种专用封闭式系统，各个厂家的产品之间以及与通用计算机之间不兼容，维修、升级困难，难以满足市场对数控技术的需求，为适应数控进线、联网、普及型、个性化、多品种、小批量、柔性化及数控迅速发展的要求，最重要的发展趋势是体系结构的开放性，设计生产开放式的数控系统，开放式数控系统，具有标准化的人机界面和编程语言，软、硬件兼容，维修方便，如图1-3所示为开放式数榨装置的概念结构。上一页下一页返回1.1数控机的产生与发展目前，国内外对开放式数控系统研究如下：例如，美国在20世纪90年代初提出了开发下一代控制器的计划NGC(VextGenerationController)，以后又提出了OMAC(OpcnModulararchitectureController)一划，欧洲在20世纪90年代初开始OSACA(OpenSystemarchitectureforControlswithinautomationsystem)计划，以及目前正发展的基于PC的开放式数控系统结构(PC嵌入CNC型,CNC嵌入PC型、全软件CVC型)等。上一页下一页返回1.1数控机的产生与发展4.新一代数控加工工艺与装备为适应制造自动化的发展，向FMC，FMS和CIMS提供基础设备，要求数字控制制造系统不仅能完成通常的加工功能，而且还要具备自动测量、自动上下料、自动换刀、自动更换主轴头(有时带坐标变换)、自动误差补偿、自动诊断、进线和联网等功能，广泛地应用于机器人和物流系统，出现了数控技术的并联化和网络化。围绕数控技术、制造过程技术在快速成型、并联机构机床、机器人化机床、多功能机床等整机方面和高速电主轴、直线电动机、软件补度等单元技术方面先后有所突破。并联杆系结构的新型数控机床实用化，如图1-4所示为并联机床。以计算机辅助管理和工程数据库、因特网等为主体的制造信息支上一页下一页返回1.1数控机的产生与发展持技术和智能化决策系统。对机械加工中海量信息进行存储和实时理。应用数字化网络技术，使机械加工整个系统趋于资源合理支配并高效地应用。国内外一些著名数控机床和数控系统制造公司都在近几年推出了相关的新概念和样机，例如：日本山心，日本大隈(Okuma)机床公司展出的信息技术广场(IT广场)，德国西门子(Siemens)公司展出的开放制造环境(OME)等，反映了数控机床加工向网络化方向的发展趋势。总之，新一代数控系统技术水平大大提高，促进了数控机床性能向高精度、高速度、高柔性化方向发展，机械加工向虚拟制造方向发展，使现代加工技术水平不断提高。上一页下一页返回1.1数控机的产生与发展1.1.3各国数控机床的发展状况美国、德国、日本三国是当今世界上在数控机床科研、设计、制造和使用上技术最先进、经验最多的国家。因其社会条件不同，各有特点。(1)美国的数控发展史美国政府重视机床工业，美国国防部等部门因其军事方面的需求而不断提出机床的发展方向、科研任务，并且提供充足的经费，且网罗世界人才，特别讲究“效率”和“创新”，注重基础科研。因而在机床技术上不断创新。如1952年研制出世界第一台数控铣床，1958年研制出加工中心，20世纪70年代初研制成柔性制造系统(FMS),1987年首创开放式数控系统等。上一页下一页返回1.1数控机的产生与发展由于美国首先结合汽车、轴承生产需求，充分发展了大批量生产自动化所需的自动线，而且电子、计算机技术在世界上领先，因此，其数控机床的主机设计、制造及数控系统基础扎实，且一贯重视科研和创新，故其高性能数控机床技术在世界也一直领先。当今美国生产宇航等使用的高性能数控机床，其存在的教训是，偏重于基础科研，忽视应用技术，且在20世纪80年代政府一度放松了引导，致使数控机床产量增加缓慢，于1982年被后进的日本超过，并大量进口。从20世纪90年代起，纠正过去偏向，数控机床技术上转向实用，产量又逐渐上升。上一页下一页返回1.1数控机的产生与发展(2)德国的数控发展史德国政府一贯重视机床工业的重要战略地位，在多方面大力扶植。于1956年研制出第一台数控机床后，德国特别注重科学试验，理沦与实际相结合，基础科研与应用技术科研并重。企业与大学科研部门紧密合作，对数控机床的共性和特性问题进行深入的研究，在质量上精益求精。德国的数控机床质量及性能良好、先进实用、货真价实，出口遍及世界，尤其是大型、重型、精密数控机床。德国特别重视数控机床主机及配套件的先进实用，其机、电、液、气、光、刀具、测量、数控系统、各种功能部件，在质量、性能上居世界前列。如西门子公司的数控系统，均为世界闻名，竟相采用。上一页下一页返回1.1数控机的产生与发展(3)日本的数控发展史日本政府对机床工业的发展异常重视，通过规划、法规(如“机振法”“机电法”“机信法”等)引导发展。在重视人才及机床元部件配套上学习德国，在质量管理及数控机床技术上学习美国，结果在有些方面青出于蓝而胜于蓝。自1958年研制出第一台数控机床后，1978年产量(7342台)超过美国(5688台)，至今产量、出口量一直居世界首位(2023年产量46604台，出口27409台，占59%)。战略上先仿后创，先生产量大而广的中档数控机床，大量出口，占据世界广大市场。在20世纪80年代开始进一步加强科研，向高性能数控机床发展。日本FANUC公司战略正确，仿创结合，针对性地发展市场所需各种低中高档数控系统，在技术上领先，在产上一页下一页返回1.1数控机的产生与发展量上居世界第一。该公司现有职工3674人，科研人员超过600人，月产能力7000套，销售额在世界市场上占50%，在日本国内约占7000，对加速日本和世界数控机床的发展起了重大的促进作用。(4)我国的现状我国数控技术的发展起步于20世纪劝年代，通过“六五”期间引进数控技术，“七五”期间组织消化吸收“科技攻关”，我国数控技术和数控产业取得了相当大的成绩。特别是最近几年，我国数控产业发展迅速，2023-2023年，国产数控机床产量和消费量的年平均增长率分别为39.1%和。尽管如此，进口机床的发展势头依然强劲，从2023年开始，中国连上一页下一页返回1.1数控机的产生与发展续三年成为世界机床消费第一大国、机床进口第一大国。2023年中国机床主机消费高达95亿美元，国内数控机床制造企业，在中高档与大型数控机床的研究开发方面与国外的差距更加明显，70%以上的此类设备和绝大多数的功能部件均依赖进口。由此可见，国产数控机床特别是中高档数控机床仍然缺乏市场竟争力，究其原因主要在于国产数控机床的研究开发深度不够、制造水平依然落后、服务意识与能力欠缺、数控系统生产应用推广不力及数控人才缺乏等。我们应看清形势，认识不足，努力发展先进技术，加大技术创新与培训服务力度，以缩短与发达国家之间的差距。上一页返回1.2机床中有关数控的基本概念1.数字控制(NumericalControl)

简称数控，是一种自动控制技术，是用数字化信号对机床的运动及其加工过程进行控制的一种方法。2.数控系统(NumericalControlsystem)

数控系统是一种程序控制系统，它能逻辑地处理输入到系统中具有特定代码的程序，并将其泽码，从而使机床运动并加工零件。即采用数字控制的系统。3.计算机数控系统(ComputerNumericalControlsystem)

计算机数控系统是由装有数控系统程序的专用计算机、输入输出设备、可编程控制器(PLC)、存储器、主轴驱动及进给驱动装置等部分组成。用计算机控制实现数控功能的系统。下一页返回1.2机床中有关数控的基本概念4.伺服驱动(ServoDrive)

在数控机床上，伺服驱动的控制对象通常是机床坐标轴的位移(包括速度、方向和位置)，其执行机构是伺服电动机，对输入指令信号进行控制和功率放大的是伺服放大器(又称驱动器、放大器、伺服单元等)，实际位移量的检测通过检测装置进行。伺服驱动的作用主要是按照数控装置给定的速度运行和给定的位置定位。5.数控机床(VumcricalControlMachincTools)

数控机床是用数字指令进行控制的机床，机床的所有运动，包括主运动、进给运动与各种辅助运动都是用输入数控装置的数字信号来控制的，其加工过程可用如图1-5所示的框图来描述。上一页下一页返回1.2机床中有关数控的基本概念6.数控技术(NumericalControltechnology)

数控技术是用数字量及字符发出指令并实现自动控制的技术。目前，计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)、柔性制造单元(FMC)、柔性制造系(FMS)、计算机集成制造系统(CIMS),敏捷制造(AM)和智能制造(IM)等先进制造技术都建立在数控技术基础上。上一页下一页返回1.2机床中有关数控的基本概念上一页返回简称CAD/CAM，是以计算机作为主要技术手段，处理各种数字信息与图形信息，辅助完成从产品设计到加工制造整个过程的各项活动。模具CAD/CM技术的主要特点是：设计与制造过程的紧密联系一设计制造一体化，其实质是设计和制造造的综合计算机化，主要设计与制造加工的是各类模具零件。目前这类软件较多，典型的CAD/CAM软件主要有MasterCAM,CAXA-DEAS,UG,CATIA等，其中我国应用较多的有MasterCAM,CAXA、Pro/E,UG等软件。1.3数控机床的组成与工作原理1.3.1数控机床的组成数控机床是利用数控技术，准确地按照事先编制好的程序，自动加工出所需工件的机电一体化设备。在现代机械制造中，特别是在航空、造船、国防、汽车模具及计算机工业中得到广泛应用。数控机床通常是由程序载体、CNC装置、伺服系统、检测与反馈装置、辅助装置、机床本体组成，如图1-6所示。1.程序载体程序载体是用于存取零件加工程序的装置。可将零件加工程序以一定的格式和代码(包括机床上刀具和零件的相对运动轨迹、工艺参数和辅助运动等)存储在载体上，程序载体可以是磁盘、磁带、硬盘和闪存卡等。下一页返回1.3数控机床的组成与工作原理2.CNC装置(又称计算机数控装置)CNC装置是CNC系统的核心，它的组成包括：微处理器CPU、存储器、局部总线、外围逻辑电路及与数控系统其他组成部分联系的接口及相应控制软件。如图1-7所示为CNC数控装置组成。CNC装置的功能：是接收从输入装置送来的脉冲信号；并将信号通过数控装置的系统软件或逻辑电路的编泽、运算和逻辑处理后，输出各种信号和控制指令。在这些控制指令中，除了送给伺服系统的位置和速度指令外，还送给辅助控制装置的机床辅助动作指令。最终控制机床的各部分，使其按照规定的、有序的动作执行。上一页下一页返回1.3数控机床的组成与工作原理3.伺服系统伺服系统是CNC装置和机床本体的联系环节，其作用：是把来自CNC装置的微弱指令信号调解、转换、放大后驱动伺服电动机，通过执行部件驱动机床移部件的运动，使工作台精确定位或使刀具和工件及主轴按规定的轨迹运动，最后加工出符合图样要求的零件。它的伺服精度和动态响应是影响数控机床加工精度、表面质量和生产率的重要因素之一。伺服系统组成包括：驱动装置和执行装置两大部分。驱动装置包括：主轴伺服单元(转速控制)、进给驱动单元(位置和速度控制)、回转工作台和刀库伺服控制装置以及它们相应的伺服电动机等。常用的伺服电动机有，步进电动机、直流伺服上一页下一页返回1.3数控机床的组成与工作原理电动机和交流伺服电动机。伺服电动机是系统的执行元件，驱动控制系统则是伺服电动机的动力源。数控系统发出的指令信号与位置反馈信号比较后作为位移指令，再经过驱动系统的功率放大后，驱动电动机运转，通过机械传动装置带动工作台或刀架运动。4.检测与反馈装置与反馈装置有利于提高数控机床加工精度。它的作用是:将机床导轨和的位移量、移动速度等参数检测出来，通过模数转换变成数字信号，并反馈到数控装置中，数控装置根据反馈回来的信息进行判断并发出相应的指令，纠正所产生的误差。常用的检测装置有编码器、光栅、感应同步器、磁栅、霍尔上一页下一页返回1.3数控机床的组成与工作原理检测元件等。如图1-8所示为光电编码器。5.辅助装置辅助装置是把计算机送来的辅助控制指令(M,S,T等)经机床接口转换成强电信号，用来控制主轴电动机启停和变速、冷却液的开关及分度工作台的转位和自动换刀等动作。它主要包括储备刀具的刀库、自动换刀装置ATC(Auto-maticToolChanger)、自动托盘交换装置APC(AutomaticPalletchanger)、回转工作台、卡盘、工件接收器、对刀仪以及液压、气动、冷却、润滑、排屑装置等，如图1-9所示。6.机床本体数控机床的本体是指其机械结构实体。它是实现加工零件的上一页下一页返回1.3数控机床的组成与工作原理执行部件，主要有主运动部件(主轴、主运动传动机构)、进运动部件(工作台、拖板及相应的传动机构)、支承件(床身、立柱等)以及辅助装置等，如图1-10所示。数控机床的工作原理用数控机床加工零件时，首先应将加工零件的几何信息和工艺信息编制成加工程序，由输入装置送入数控系统中，经过数控系统的处理、运算，按各坐标轴的分量送到各轴的驱动电路，经过转换、放大进行伺服电动机的驱动，带动各轴运动，并进行反馈控制，使刀具与工件及其他辅助装置严格地按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数有条不紊地工作，从而加工出零件的全部轮廓。如图1-11所示为数控加工中数据转换的工作原理。上一页返回1.4数控机床的分类目前，数控机床品种齐全，规格繁多，为了便于了解和研究，可从不同角度和按照多种原则进行分类。1.按工艺用途分类数控机床按工艺用途可分为以下4类。1.切削加工类数控机床主要有数控车床(NCLathc)、数控铣床(NCMillingMachine)、数控钻床(NCDrillingMachine)、数控撞床(NCBoringMachine)、数控平面磨床(NCSurfaceGrindingMachine)和加工中心(MachineCenter)等。如图1-12(a),(b),(c),(d)所示。2.成型加工类数控机床主要有数控折弯机、数控弯管机、数控冲床、数控转头压力机等。如图1-13(a),(b)所示。下一页返回1.4数控机床的分类3.特种加工类数控机床主要有数控电火花线切割机床、数控电火花成型机床、数控激光切割机床、数控激光热处理机床、数控激光板料成形机床、数控等离子切割机等。如图1-14(a),(b)、(c)所示。4.其他类型数控机床主要有数控三坐标测量机、数控装配机、机器人等。如图1-15(a),(b)所示。上一页下一页返回1.4数控机床的分类1.4.2按机床运动轨迹分类1.点位控制数控机床特点：只控制运动部件从一个位置到另一个位置的准确定位，不管中间的移动轨迹如何，在移动的过程中不进行切削加工，对两点之间的移动速度及运动轨迹没有严格要求。但通常为了提高加工效率，一般先快速移动，再慢速接近终点。如图1-16所示为点位控制数控机床加工示意图。应用：主要用于平面内的孔系，主要有数控钻床、数控坐标撞床、数控冲床等。随着数控技术的发展及价格的降低，单纯用于点位控制的数控系统已不多见。2.直线控制数控机床特点：除了具有控制点与点之间的准确定位功能，还要保证两点之间按直线运动进行切削加工，刀具相对于工件移动的轨迹是平行于机床各坐标轴的直线或两轴同时上一页下一页返回1.4数控机床的分类移动构成45º的斜线。如图1-17所示为直线控制数控机床加工示意图。这类数控机床主要有：简易的数控车床、数控铣床、加工中心和数控磨床等。这种机床的数控系统也称为直线控制数控系统。同样，单纯用于直线控制的数控机床也不多见。3.轮廓控制数控机床特点：能够对两个或两个以上的坐标轴进行连续相关的控制，不仅要控制机床移动部件的起点和终点坐标，而且还要控制整个加工过程中每一点的速度和位移，也即控制刀具移动的轨迹，以加工出任意斜线、圆弧、抛物线及其他函数关系的曲线或曲面。如图1-18所示为轮廓控制数控机床加工示意图。上一页下一页返回1.4数控机床的分类这类数控机床主要有：数控车床、数控铣床、数控电火花线切割机床和加工中心等。其相应的数控装置称为轮廓控制数控系统，根据它所控制的联动坐标轴数不同，又可以分为下面几种形式:①二轴联动:主要用于数控车床加工回转曲面或数控铣床加工曲线柱面。如图1-19所示。②二轴半联动:主要用于三轴以上机床的控制，其中两根轴可以联动，而另外一根轴可以做周期性的点位或直线控制。从而实现三个坐标轴X,Y,Z内的二维控制。如图1-20所示为采用这种方式用行切法加工三维空间曲面。上一页下一页返回1.4数控机床的分类③三轴联动:一般分为两类，一类就是同时控制X,Y,Z三个直线坐标轴联动，比较多的用于数控铣床、加工中心等，如图1-21所示用球头铣刀铣切三维空间曲面。另一类是除了同时控制X,Y,Z中两个直线坐标外，还同时控制围绕其中某一直线坐标轴旋转的旋转坐标轴。如车削加工中心，它除了纵向(Z轴)、横向(X轴)两个直线坐标轴联动外，还需同时控制围绕Z轴旋转的主轴(C轴)联动。④四轴联动:是指同时控制X,Y,Z三个直线坐标轴与某一旋转坐标轴联动，如图1-22所示为同时控制X,Y,Z三个直线坐标轴与一个工作台回转轴联动的数控机床。上一页下一页返回1.4数控机床的分类⑤五轴联动:是指除同时控制X,Y,Z三个直线坐标轴联动外，还同时控制围绕着这些直线坐标轴旋转的A,B,C,坐标轴中的两个坐标轴，形成同时控制五个轴联动。这时刀具可以给定在空间的任意方向。如图1-23所示，比如控制刀具同时绕X轴和Y轴两个方向摆动，使得刀具在其切削点上始终保持与被加工的轮廓曲面成法线方向，以保证被加工曲面的光滑性，提高其加工精度和加工效率，减小被加工表面的粗糙度，它特别适合加工透明叶片、机翼等更为复杂的空间曲面。上一页下一页返回1.4数控机床的分类1.4.3按伺服系统控制方式分类

特点：是不带测量反馈装置，数控装置发出的指令信号单方向传递，故系统稳定性好。无位置反馈，所以精度不高，其精度主要取决于伺服驱动系统的性能。

工作原理：如图1-24。它是将控制机床工作台或刀架运动的位移距离、位移速度、位移方向和位移轨迹等参量通过输入装置输入CNC装置，CVC装置根据这些参量指令计算出进给脉冲序列(脉冲个数对应位移距离、脉冲频率对应位移速度、脉冲方向对应位移方向、脉冲输出的次序对应位移轨迹)，然后对脉冲单元进行功率放大，形成驱动装置的控制信号。最后，由驱动装置驱动工作台或刀架按所要求的速度、轨迹、方向和移动距离，加工出形状、尺寸与精度符合要求的零件。上一页下一页返回1.4数控机床的分类开环控制数控机床一般由步进电动机作为伺服执行元件。具有运行平稳、调试方便、维修简单、成本低廉等优点。在精度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合得到广泛应用。但由于步进电动机的低频共振、失步等原因，使其应用逐渐减少。在我国，经济型数控机床一般都采用开环控制。2.半闭环控制数控机床

工作原理：如图1-25所示，它是从伺服电动机或丝杠的端部引出，通过检测电动机和丝杠旋转角度来间接检测工作台的实际位置或位移。

在半闭环环路内，不包括或只包括少量机械传动环节，可得到较稳定的控制性能。上一页下一页返回1.4数控机床的分类其系统稳定性介于开环和闭环控制系统之间。另外，滚珠丝杠的螺距误差和齿轮轮或同步带轮等引起的运动误差难以消除。因此，其系统精度介于开环和闭环控制系统之间。但大部分可用误差补偿的方法消除，因而仍可获得满意的精度。半闭环控制系统结构简单、调试方便、精度较高，因此，在现代CNC机床中得到了广泛的应用。

工作原理：如图1-26，它是采样点从机床的运动部件上直接引出，通过采样工作台运动部件的实际位置，即对实际位置进行检测，可以消除整个传动环节的误差和间隙，因而具有很高的位置控制精度。上一页下一页返回1.4数控机床的分类但是，由于位置环内的许多机械环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的，故很容易造成系统的不稳定，造成调试困难。这类系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床和螺纹车床等。按数控系统功能水平分类数控机床按数控系统功能水平可分为低、中、高三档。如表1-1所示。上一页返回1.5数控机床的持点①采用了高性能的主轴及伺服传动系统，机械结构得到简化，传动链较短;②为了使连续性自动化加工，机械结构具有较高的动态刚度及耐磨性，热变形小;③更多的采用高效率、高精度的传动部件，如滚珠丝杠、直线滚动导轨等;④加工中心带有刀库、自动换刀装置;⑤采用辅助装置:冷却、排屑、防护、润滑、储运等装置。下一页返回1.5数控机床的持点2数控机床的加工特点：主要有以下几个方面:1.加工精度高、质量稳定数控机床是按数字形式给出的指令进行加工的，脉冲当量普遍达到，且传动链之间的间隙得到了有效补偿。同时数控机床的传动装置与床身结构具有很高的刚度和热稳定性，容易保证零件尺寸的一致性。因此，数控机床不仅具有较高的加工精度，而且质量稳定。2.生产效率高、经济效益好数控机床加工零件粗加工时，可以进行大切削用量的强力切削，移动部件的空行程时间短，工件装夹时间短，更换零件时几乎不需要调整机床，有效地缩短了加工时间。同时，由于数控机床对市场需求响应快，生产效率高，使总成本下降，可获得良好的经济效益。上一页下一页返回1.5数控机床的持点3.对加工对象的适应性强数控机床改变加工零件时，只需改变加工程序，特别适合于单件、小批量、加工难度和精度要求较高的零件的加工。4.自动化程度高，劳动强度低数控机床加工是自动进行的，工件加工过程不需要人工干预，且自动化程度较高，大大改善了操作者的劳动强度。5.有利于现代化管理数控机床使用数字信息与标准代码处理、传递信息，使用了计算机控制方法，为计算机辅助设计、制造及管理一体化奠定了基础。

6.具有很强的通信功能数控机床通常具有RS-232接口，有的还备有DNC接口，可与CAD/CAM软件的设计与制造相结合。高档机床还可与MAP(制造自动化协议)相连，接人工厂的通信网络，适应于FMS,CIMS的应用要求。上一页下一页返回1.5数控机床的持点5.3数控机床的结构特点为保证高精度、高效率的加工，数控机床的结构应具有以下特点:抗振性由于数控机床经常在高速和连续重载切削条件下工作，所以，要求机床的床身、工作台、主轴、立柱、刀架等主要部件均需有很高的刚度，工作中应无变形和振动。例如：床身各部分合理分布加强筋，以承受重载与重切削力；

工作台与拖板应具有足够的刚性，以承受工件重量，并使工作平稳；

主轴在高速下运转，应具有较高的径向扭矩和轴向推力；

立柱在床身上移动时应平稳，且能承受大的切削力；

刀架在切削加工中应平稳而无振动等。上一页下一页返回1.5数控机床的持点2.高灵敏度数控机床在加工过程中，要求运动部件具有高的灵敏度。

导轨部件通常采用滚动导轨、塑料导轨、静压导轨等，以减少摩擦力，在低速运动时无爬行现象。由电动机驱动，经滚珠丝杠或静压丝杠带动数控机床的工作台、刀架等部件的移动，主轴既要在高刚度、高速下回转，又要有高灵敏度，因而多数采用滚动轴承和静压轴承。上一页下一页返回1.5数控机床的持点3.热变形小为保证部件的运动精度，要求机床的主轴、工作台、刀架等运动部件的发热量要小，以防止产生热变形。为此，立柱一般采取双壁框式结构，在提高刚度的同时使零件结构对称，防止因热变形而产生倾斜偏移。通常采用恒温冷却装置，减少主轴轴承在运转中产生的热量。为减少电动机运转发热的影响，在电动机上安装有散热装置和热管消热装置。4.高精度保持性在高速、强力切削下满载工作时，为保证机床长期具有稳定的加工精度，要求数控机床具有较高的精度保持性。除了应正确选择有关零件的材料，以防止使用中的变形和快速磨损外，还要求采取一些工艺性措施，如悴火、磨削导轨、粘贴抗磨塑料导轨等，以高运动部件的耐磨性。上一页下一页返回1.5数控机床的持点5.高可靠性数控机床应能在高负荷下、长时间无故障地连续工作，因而，对机床部件和控制系统的可靠性提出了很高的要求。柔性制造系统中的数控机床可在24小时运转中实现无人管理，可靠性显得更为重要。为此，除保证运动部件不出故障外，频繁动作的刀库、换刀机构、托盘、工件交换装置等部件，必须保证能长期而可靠地工作。上一页下一页返回1.5数控机床的持点6.工艺复合化和功能集成化“工艺复合化”---即“一次装夹、多工序加工”。“功能集成化”---即指数控机床的自动换刀机构和自动托盘交换装置的功能集成化。随着数控机床向柔性化和无人化发展，功能集成化的水平更高地体现在工件自动定位、机内对刀、刀具破损监控、机床与工件精度检测和补偿等功能上。由于生产率发展的需要，数控机床的机械结构随着数控技术的发展，两者相互促进，相互推动，发展了不少不同于普通机床的、完全新颖的机械结构和部件。上一页返回1.6数控机床的主要性能指标与功能数控机床的规格指标规格指标是指数控机床的基本功能，主要有以下几方面:1.行程范围：是指坐标轴可控的运动区间，它是直接体现机床加工能力的指标参数，一般指数控机床坐标轴X,Y,Z的行程大小构成的空间加工范围。2.摆角范围是指摆角坐标轴可控的摆角区间，数控机床摆角的大小也直接影响加工零件空间部位的能力。3.主轴功率和进给轴扭矩反映数控机床的加工能力，也可间接反映该数控机床的刚度和强度。下一页返回1.6数控机床的主要性能指标与功能4.控制轴数和联动轴数控制轴数是指机床数控装置能够控制的坐标数目。联动轴数是指机床数控装置控制的坐标轴同时达到空间某一点的坐标数目。它反映数控机床的曲面加工能力。5.刀具系统主要指刀库容量及换刀时间，它对生产率有直接影响。刀库容量是指刀库能存放加工所需要的刀具数量。目前，常见的中小型加工中心多为16~60把，大型加工中心达100把以上。换刀时间是指带有自动交换刀具系统的数控机床，将主轴上使用的刀具与装在刀库上的下一工序需用的刀具，进行交换所需要的时间。目前国内一般在10~20s内完成换刀。上一页下一页返回1.6数控机床的主要性能指标与功能1.6.2

数控机床的精度指标1.分辨率和脉冲当量分辨率是指两个相邻的分散细节之间可以分辨的最小间隔。脉冲当量是指数控系统每发出一个脉冲信号，机床机械运动机构就产生一个相应的位移量，通常称其为脉冲当量。脉冲当量是设计数控机床的原始数据之一，其数值的大小决定数控机床的加工精度和表面质量。目前，普通数控机床的脉冲当量一般采用0.001mm；简易数控机床的脉冲当量一般采用；精密或超精密数控机床的脉冲当量采用。上一页下一页返回1.6数控机床的主要性能指标与功能

定位精度：是指数控机床工作台等移动部件所达到的实际位置的精度。而实际运动位置与指令位置之间的差值称为定位误差。引起定位误差的因素包括：伺服系统、检测系统、进给系统误差以及移动部件导轨的几何误差等。定位误差直接影响零件加工的尺寸精度。一般数控机床的定位精度为±0.01。

重复定位精度：是指在相同的条件下，采用相同的操作方法，重复进行同一动作时，所得到结果的一致程度。重复定位精度受伺服系统特性、进给系统的间隙与刚性以及摩擦特性等因素的影响。一般情况下，重复定位精度是呈正态分布的偶然性误差，它影响批量加工零件的一致性，是一项非常重要的性能指标。一般数控机床的重复定位精度为±0.005mm。上一页下一页返回1.6数控机床的主要性能指标与功能3.分度精度分度精度：是指分度工作台在分度时，理沦要求回转的角度值和实际回转的角度值的差值。分度精度既影响零件加工部位在空间的角度位置，也影响孔系加工的同轴度等。1.6.3

数控机床的运动指标1.主轴转速数控机床的主轴，一般均采用直流或交流主轴电动机驱动，选用高速精密轴承支承，保证主轴具有较宽的调速范围和足够高的回转精度、刚度及抗振性。目前，数控机床主轴转速已普遍达到5000~10000r/min,甚至更高。特别是电主轴的出现，适应了高速加工和高精度加工的要求。上一页下一页返回1.6数控机床的主要性能指标与功能2.进给速度数控机床的进给速度：是影响零件加工质量、生产效率以及刀具寿命的主要因素。它受数控装置的运算速度、机床动特性及工艺系统刚度等因素的限制。目前，国内数控机床的进给速度可达10~15m/min，国外为15~30m/min。

可靠性指标平均无故障时间MTBF（Meantimebetweenfailures)MTBF是指一台数控机床在使用中平均两次故障间隔的时间，即数控机床在寿命范围内总工作时间和总故障次数之比:上一页下一页返回1.6数控机床的主要性能指标与功能上一页下一页返回显然，这段时间越长越好。2.平均修复时间MTTR(Mcantimetorepair)MTTR是指一台数控机床从开始出现故障直到能正常工作所用的平均修复时间，即考虑到实际系统出现故障总是难免的，故对于可维修的系统，总希望一旦出现故障，修复的时间越短越好，即希望MTTR越短越好。1.6数控机床的主要性能指标与功能3.平均有效度A如果把MTBF视作设备正常工作的时间，把MTTR视作设备不能工作的时间，那么正常工作时间与总时间之比，称为设备的平均有效度A，即平均有效度反映了设备提供正常使用的能力，是衡量设备可靠性的一个重要指标。上一页下一页返回1.6数控机床的主要性能指标与功能

数控机床的主要功能概括起来主要有以下几种:1.控制轴数和联动轴数控制轴数：是指机床数控装置能够控制的坐标数目。控制轴数说明了CNC系统最多可以控制多少坐标轴，其中包括移动轴和回转轴。基本坐标轴是X,Y,Z,多于3个的坐标轴往往是X,Y,Z的平行辅助轴或回转轴A、B、C。联动轴数：是指机床数控装置控制的坐标轴同时达到空间某一点的坐标数目。有两轴联动、两轴半联动、三轴联动、四轴联动和五轴联动等。联动轴数表示CNC可同时控制按一定规律完成一定轨迹插补的协调运动的坐标轴数，它与控制轴数是不同的概念。联动轴数越多，说明CNC系统可以加工较复杂的空间线型或型面。控制轴数越多，特别是联动轴数越多，CNC系统就越复杂，编程也越困难。上一页下一页返回1.6数控机床的主要性能指标与功能2.准备功能准备功能也称为CU功能，用来指令机床动作方式，包括基本移动、程序暂停、平面选择、坐标设定、刀具补偿、参考点返回、固定循环和公英制转换等。3.插补功能插补功能是指数控机床能实现的线型加工能力，插补功能越强，说明CNC系统能够加工的轮廓越复杂(越多)。目前CNC

系统不仅可以插补直线、圆弧，还可以插补抛物线、椭圆、正弦曲线、螺旋曲线和样条函数等。上一页下一页返回1.6数控机床的主要性能指标与功能4.进给功能包括快速进给(空运行)、切削进给、手动连续进给、点动进给、进给倍率修调(倍率开关)、自动加减速功能等。5.主轴功能包括恒转数控制、恒线速度控制、主轴定向停止及转速修调(倍率开关)等。恒线速度即主轴自动变速，使刀具相对切削点的线速度保持不变。主轴定向停止也称为主轴准停，即在换刀、精撞孔后退刀等动作开始之前，主轴在其周向准确定位。上一页下一页返回1.6数控机床的主要性能指标与功能6.辅助功能：也称为M功能，用来规定主轴的起、停、转向，冷却液的接通和断开，刀库的起、停等。7.操作功能CNC系统通常能进行条件程序段的执行、程序段跳步、机械闭锁、辅助功能闭锁、单段、试运行、录返、示教等操作。8.刀具功能是指刀具的自动选择和自动换刀。9.刀具补偿包括刀具位置补偿、刀具半径补偿和刀具长度补偿。位置补偿是对车刀刀尖位置变化的补偿；半径补偿是对车刀刀尖圆弧半径、铣刀半径的补偿、长度补偿是指铣床、加工中心沿加工深度方向对刀具长度变化的补偿。上一页下一页返回1.6数控机床的主要性能指标与功能10.程序管理功能是指对加工程序的检索、编辑、修改、插人、删除、更名和程序的存储、通信等功能。11.零件程序结构包括程序名位数、程序号位数、是否可以调用子程序、子程序的嵌套层数、用户宏程序等。12.误差补偿功能加工过程中，机械传动链中存在的反间隙(齿隙)螺距误差(由滚珠丝杠的螺距不均等引起)，导致实际加工出的零件尺寸与程序规定的尺寸不一致，造成加工误差。因此，CNC系统采用反向间隙补偿和螺距误差补偿功能，把误差的补偿量输入CNC系统的存储器，按补偿量重新计算刀具的坐标尺寸，从而加工出符合要求的零件。上一页下一页返回1.6数控机床的主要性能指标与功能13.自动加减速控制为保证伺服电动机在启动、停止或速度突变时不产生冲击、失步、超程或振荡，必须对送到伺服电动机的进给频率或电压进行控制。在电动机启动及进给速度大幅度上升时，控制加在伺服电动机上的进给频率或电压逐渐增大；而当电动机停止及进给大幅度下降时，控制加在伺服电动机上的进给频率或电压逐渐减小。上一页下一页返回1.6数控机床的主要性能指标与功能CNC系统中自动加减速控制多用软件实现，它可在插补前进行，称插补前加减速，也可在插补后进行，称插补后加减速。自动加减速控制有多种算法，如：直线加减速、指数加减速、抛物线加减速和鼓形加减速等。14.开关量接口CNC系统的M、S、T功能不仅在CNC内部要处理，而且要以BCD码的形式输出，M、S、T码的输出位数是一个重要指标。另外，CNC系统还有其他一些开关量接口，如外部的急停信号、循环起动信号和进给保持信号等。上一页下一页返回1.6数控机床的主要性能指标与功能15.机床顺序控制接口目前CNC系统一般装有内装型PLC。PLC的性能包括输入//输出点数、编程语言、指令条数、程序容量等。无内装型PLC的CNC系统，复杂的顺序控制要借助外部的PLC。16.字符图形显示CNC系统可配置彩色CRT，通过软件和接口实现字符和图形显示。可以显示程序、参数、各种补偿量、坐标位置、故障信号、人机对话编程菜单、零件图形、动态刀具轨迹等。17.通信与通信协议CNC系统一般都有RS232接口，有的还配有DNC接口，并设有缓冲区，进行高速传输。高级型CNC系统还可以与MAP相连，接入工厂的通信网络，以适应FMS,CIMS的要求。上一页下一页返回1.6数控机床的主要性能指标与功能18.自诊断功能CNC系统中设置有各种诊断程序，在故障发生后可迅速查明故障类型和部位，及时排除以减少故障停机时间和防止故障的扩大。CNC系统的故障诊断程序可以包含在系统程序中，在系统运行过程中进行诊断；也可以作为服务性程序，在系统运行前或故障停机后进行诊断；有的CNC系统还可进行远程通信诊断。返回上一页1.7数控机床的应用范围数控机床虽然具有普通机床不具备的许多优点，应用范围正在不断扩大，但，目前它并不能完全代替普通机床，也还不能以最经济的方式解决机械加工中的所有问题。数控机床的适用范围如图1-27所示。随零件复杂程度和零件批量的变化，通用机床、专用机床和数控机床的适用范围的变化情况如图1-27(a)所示。当零件不太复杂，生产批量较小时，宜采用通用机床;当生产批量很大时，宜采用专用机床;而当零件复杂程度较高时，宜采用数控机床。另外，随着经济型数控机床的迅速发展，许多通用和专用机床也逐渐数控化，而且发展迅速。下一页返回1.7数控机床的应用范围随着生产批量不同，采用通用机床、专用机床或数控机床加工时，生产成本的比较如图1-27(b)所示。可见，在多品种、小批量生产情况下，使用数控机床能获得较高的经济效益。由此可见，数控机床最适合加工的工件具有以下特点：①单件、多品种、小批量的生产零件；②形状复杂，加工精度较高的零件；③需进行多种工序集中加工的零件；④价格昂贵、不允许报废的零件；⑤需要频繁改型的零件；⑥需要最少生产周期的急需件；⑦批量、高精度、高要求的工件。上一页下一页返回1.7数控机床的应用范围由于数控机床的自动化程度，生产效率高，可最大限度地减少操作工人。因此，大批量生产的零件采用数控机床加工，在经济上也是可行的。广泛推广和使用数控机床的最大障碍是设备的初始投资大，由于数控系统本身的复杂性，又增加了维修的技术难度和维修费用。考虑到上述种种原因，在决定选择数控机床加工时，需要进行科学的技术经济分析，使数控机床发挥它最大的经济效益。上一页返回图1-1数控机床的发展过程（注意：此页右下方有一个“返回”按钮，要与相应页建立起超链接）返回图1-2数控机床覆盖的领域（注意：此页右下方有一个“返回”按钮，要与相应页建立起超链接）返回图1-3开放式数控装置的概念结构（注意：此页右下方有一个“返回”按钮，要与相应页建立起超链接）返回图1-4并联机床（注意：此页右下方有一个“返回”按钮，要与相应页建立起超链接）返回图1-5数控机床加工过程（注意：此页右下方有一个“返回”按钮，要与相应页建立起超链接）返回图1-6数控机床的组成框图（注意：此页右下方有一个“返回”按钮，要与相应页建立起超链接）返回图1-7CNC数控装置组成（注意：此页右下方有一个“返回”按钮，要与相应页建立起超链接）返回图1-8光电编码器（注意：此页右下方有一个“返回”按钮，要与相应页建立起超链接）返回图1-9各种辅助装置返回(a)刀库;(b)自动换刀装置ATC;(c)自动托盘交换装置APC;(d)回转上作台;(e)中空液压卡盘;(f)铣削用三爪卡盘;(g)工件接收器;（h）机械对刀仪;（i）跟刀架图1-10机床本体部分返回图1-11数控加工中数据转换的工作原理返回图1-12切削加工类数控机床返回(a)数控机床;(b)加上中心;(c）数控铣床;(d）数控钻床图1-13成型加工类数控机床返回(a)数控折弯机;(b)数控弯管机图1-14特种加工类数控机床返回(a)数控电火花线切割机床;(b)数控电火花成型机床;(c)数控激光切割机床图1-15其他类型数控机床返回(a)数控二坐标测量机;(b）机器人图1-16点位控制数控机床返回图1-17直线控制数控机床返回图1-18轮廓控制数控机床返回图1-19二轴联动的轮廓加工返回图1-20二轴半联动的曲面加工返回图1-21三轴联动的曲面加工返回图1-22四轴联动的数控机床返回图1-23五轴联动的数控