《机床》课件第1章 数控机床概述

第1章数控机床概述1.1数控机床的产生和发展1.2数控机床的特点1.3数控机床的分类1.4数控机床的基本原理和坐标系1.5数控机床的主要性能指标习题

1.1数控机床的产生和发展1.1.1数控技术与数控机床数控(NumericalControl—NC）技术是近代发展起来的一种自动控制技术，是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。采用数控技术实现数字控制的一整套装置和设备，称为数控系统。数控机床就是装备有数控系统，采用数控技术控制的机床。常见的数控机床有数控车床、数控铣床、数控加工中心等。1.1.2数控机床的产生和发展数控机床主要是为了实现复杂多变零件的自动化加工而产生的。机床数控技术的产生，不仅为复杂零件的加工提供了方便，而且加工精度高，一致性好，生产效率高，能够大大减轻工人的劳动强度，因此很快受到了人们的关注。1.2数控机床的特点

与普通机床相比，数控机床具有以下特点：（1）自动化程度高，劳动强度低。（2）加工精度高。（3）产品一致性好。（4）能够实现复杂工件的加工。（5）生产效率高。（6）机械传动链短，结构简单。1.3数控机床的分类1.3.1按工艺用途分类按工艺用途不同，可将数控机床分成以下几类：（1）单工序数控机床。（2）加工中心。（3）特种加工数控机床。（4）其他类型的数控设备。1.3.2按运动轨迹分类

1.点位控制数控机床这类数控机床的特点是在刀具相对于工件的移动过程中不进行切削加工，只要求刀具从一点移动到另一点并准确定位，而对运动的速度和轨迹没有严格的要求。如图1.1所示，刀具从A点到B点可以走①、②或③中的任意一条路经。图1.1点位控制切削加工图1.2直线控制切削加工2.直线控制数控机床这类数控机床不仅要控制机床刀具从一点移动到另一点，而且要沿直线轨迹（一般与某一坐标轴平行或成45°角）以一定速度移动，移动过程中可进行切削加工，加工示例如图1.2所示。图1.3轮廓控制切削加工

轮廓控制数控机床能够控制机床刀具或工件沿直线、圆弧或抛物线等曲线轨迹移动，移动过程中可进行切削加工，移动速度根据工艺要求由编程确定，可实现曲线或者曲面轮廓加工，加工示例如图1.3所示。多个坐标轴按照一定的函数关系同时协调运动，称为多轴联动。按照联动轴数，可分为二轴联动、二轴半联动、三轴联动和多轴联动数控机床，如图1.4所示。

图1.4不同联动轴数所能加工的型面(a)二轴联动；(b)二轴半联动；(c)三轴联动图1.5五轴联动铣削曲面零件图1.6六轴加工中心坐标示意图1.3.3按伺服系统的控制方式分类按伺服系统的控制方式不同可将数控机床分为开环控制、闭环控制和半闭环控制数控机床。

1.开环控制数控机床这类数控机床的运动部件没有位置检测反馈装置，采用步进电动机驱动，如图1.7所示。图1.7开环控制数控机床结构2.闭环控制数控机床这类数控机床的运动部件上安装有位置测量反馈装置，由直流或交流伺服电动机驱动，如图1.8所示。图1.8闭环控制数控机床结构3.半闭环控制数控机床将位置检测元件安装在电动机轴端或丝杠轴端，通过角位移的测量间接计算出机床工作台的实际运行位移，与数控装置中的指令位移量相比较，实现差值控制，构成如图1.9所示的半闭环控制。图1.9半闭环控制数控机床结构图1.3.4按功能水平分类按照功能水平，可以将数控机床分为低（经济型）、中、高三档。这种分类方法的界线是相对的，不同时期的划分标准会有所不同。就目前的发展水平来看，不同档次数控机床的功能和指标如表1.1所示。表1.1各档次数控机床的功能和指标1.4数控机床的基本原理和坐标系1.4.1数控机床的基本原理

1.数控机床的工作过程数控机床是用数字信息进行控制的机床。它用数字代码将刀具相对工件移动的轨迹、速度等信息记录在程序介质上，然后送入数控系统经过译码和运算，控制机床刀具与工件的相对运动，加工出所需要的工件。其基本过程如图1.10所示。图1.10数控加工过程示意图2.数控机床的组成如图1.11所示，数控机床由机床本体、数控系统和伺服驱动系统几部分组成。

1）机床本体机床本体是数控机床的主体，由基础件(如床身、底座)和运动件(如工作台、床鞍、主轴箱等)组成。图1.11数控机床的组成

与普通机床相比，数控机床本体具有以下特点：（1）采用了高性能主轴部件及传动系统，机械传动结构简单。（2）机械结构具有较高刚度和耐磨性，热变形小。（3）更多地采用了高效传动部件，如滚珠丝杠、静压导轨、滚动导轨等。2）数控系统数控系统是数控机床的控制核心，用来输入、存储零件加工程序，并根据零件加工程序进行计算、插补等处理，发出各种控制信号，控制机床各部件的动作，完成零件加工过程的控制。

3）伺服驱动系统伺服驱动装置的作用是把来自数控装置的输出信号进行功率放大，通过执行元件（如步进电动机、伺服电动机等）和机械传动机构，使机床的运动部件带动刀具相对于工件按规定的轨迹和速度运动，实现零件加工。1.4.2数控机床的坐标系该标准规定，数控机床采用右手直角笛卡尔坐标系，如图1.12所示。基本直角坐标轴X、Y、Z三者的关系及其正方向按右手定则判定，围绕X、Y、Z各轴作旋转运动的轴A、B、C三者的正方向按右螺旋法则判定。图1.12右手直角笛卡尔坐标系

该标准还规定，增大工件与刀具之间距离（即增大工件尺寸）的方向为正方向；Z轴为平行于机床主轴的坐标轴，如果机床有一系列主轴，则选尽可能垂直于工件装卡面的主要轴为Z轴；X轴为水平或者平行于工件装卡平面的轴；其余各轴根据右手定则和右螺旋法则确定。图1.13和图1.14所示为卧式车床和立式铣床的坐标系。图1.13卧式车床坐标系图1.14立式铣床坐标系1.5数控机床的主要性能指标1.5.1数控机床的运动性能指标（1）主轴转速。（2）进给速度。（3）坐标行程。（4）刀库容量和换刀时间。1.5.2数控机床的精度指标

1.定位精度和重复定位精度定位精度是指数控机床工作台等移动部件实际运动位置与指令位置的一致程度，其不一致的差量即为定位误差。

2.分辨率与脉冲当量分辨率是指可以分辨的最小位移间隔。对测量系统而言，分辨率是可以测量的最小位移；对控制系统而言，分辨率是可以控制的最小位移增量。3.分度精度分度精度是指分度工作台在分度时，实际回转角度与指令回转角度的差值。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。表1.2所示为几种数控机床的精度指标。表1.2几种数控机床的精度指标1.5.3数控机床的可控轴数与联动轴数可控轴数是指数控系统能够控制的坐标轴数目。该指标与数控系统的运算能力、运算速度以及内存容量等有关。目前，高档数控系统的可控轴数已多达24轴。习