第一單元 數(shù)控機床簡介

1、第一單元 數(shù)控機床簡介第一節(jié) 數(shù)控機床基本概述隨著社會生產和科學技術的飛速發(fā)展，機械制造技術發(fā)生了深刻的變化，機械產品日趨精密復雜，且改型頻繁，尤其是在宇航、軍事、造船等領域所需的零件，精度要求高，形狀復雜，批量又小。傳統(tǒng)的普通加工設備已難以適應市場對產品多樣化的要求。為了滿足上述要求，以數(shù)字控制技術為核心的新型數(shù)字程序控制機床應運而生。1948年，美國帕森斯公司（Parsons Co）受美國空軍委托與麻省理工學院伺服機構研究所（Servo Mechanismus Laboratory of the Massachusetts Institute of Technology）合作進行數(shù)控機床的

2、研制工作。1952年，第一臺三坐標立式銑床試制成功，但第一臺工業(yè)用數(shù)控機床直到1954年11月才生產出來。我國數(shù)控機床的研制是從1958年起步的，由清華大學研制出了最早的樣機。早期的數(shù)控機床控制系統(tǒng)采用電子管，其體積大，功耗高，只在軍事部門應用，只有在微處理機用于數(shù)控機床后，才真正使數(shù)控機床得到了普及。一、 何謂數(shù)控機床數(shù)控（NC）是數(shù)字控制（Numerical Control）的簡稱，是20世紀中葉發(fā)展起來的一種用數(shù)字化信息進行自動控制的一種方法。裝備了數(shù)控技術的機床，稱為數(shù)控機床，也簡稱為NC機床。70年代初，隨著計算機技術的發(fā)展，使小型計算機的價格急劇下降，采用小型計算機代替專用控制計算

3、機的第四代數(shù)控系統(tǒng)，不僅在經(jīng)濟上更為合算，而且許多功能可用編制的專用程序來實現(xiàn)，將它存儲在小型計算機的存儲器中，構成所謂控制軟件，提高了系統(tǒng)的可靠性和功能特色。這種數(shù)控系統(tǒng)又稱為軟接線（軟線）數(shù)控，即計算機數(shù)控系統(tǒng)，簡稱CNC（Computerized NC）。1976年制成以微處理機為核心的數(shù)控系統(tǒng)，稱為第五代微型機數(shù)控系統(tǒng)。簡稱MNC（Microcomputerized NC）。國際信息聯(lián)盟第五技術委員會對數(shù)控機床做了如下定義：數(shù)控機床是一個裝有程序控制系統(tǒng)的機床。該系統(tǒng)能夠邏輯地處理，具有使用號碼或其他符號編碼指令規(guī)定程序。定義中的控制系統(tǒng)就是數(shù)控系統(tǒng)。二、 數(shù)控機床的工作原理數(shù)控機床工

4、作原理如圖1-1所示。首先根據(jù)被加工零件的圖樣，將工件的形狀、尺寸及技術要求等，采用手工或計算機按運動順序和所用數(shù)控機床規(guī)定的指令代碼及程序格式編成加工程序單，并將這些程序代碼存儲在穿孔紙帶、磁帶、磁盤、由計算機用通信方式等信息載體上（或直接用鍵盤輸入），然后經(jīng)輸入裝置， 讀出信息并送入數(shù)字控制裝置。數(shù)控裝置就依照指令帶上的數(shù)碼指令進行一系列地處理和運算，變成脈沖信號，并將其輸入驅動裝置，帶動機床傳動機構，機床工作部件有次序地按要求的程序自動進行工作（如工件夾緊與放松、冷卻液的開閉、刀具的自動更換、各軸的進給等），加工出圖樣要求的零件。圖1-1 數(shù)控機床工作原理圖1零件圖樣 2程序設計 3程序

5、單 4制穿孔帶 5穿孔紙帶6紙帶盤 7光電讀帶機 8數(shù)控裝置 9步進電動機 10滾珠絲杠螺母副三、 數(shù)控機床的組成組成一臺完整的數(shù)控機床，主要由控制介質（穿孔帶、磁帶）、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)和機床四部分及輔助裝置組成，如圖1-2所示為其基本框圖。圖1-2 數(shù)控機床的組成1控制介質數(shù)控機床工作時，不需要人直接操縱機床，但機床又必須執(zhí)行人的意圖。這就需要在人與機床之間建立某種聯(lián)系的中間媒介物稱為控制介質。在控制介質上存儲著加工零件所需要的全部操作信息和刀具相對工件的位移信息。因此，控制介質就是指將零件加工信息傳送到數(shù)控裝置去的信息載體?？刂平橘|有多種形式，它隨著數(shù)控裝置類型的不同而不同，常用的有穿孔

6、帶、穿孔卡、磁帶、磁盤等。控制介質上記載的加工信息要經(jīng)過輸入裝置傳送給數(shù)控裝置，常用的輸入裝置有光電紙帶輸入機、磁帶錄音機和磁盤驅動器等。除了上述幾種控制介質以外，還有一部分數(shù)控機床采用數(shù)碼撥盤、數(shù)碼插銷或利用鍵盤直接將程序及數(shù)據(jù)輸入。另外，隨著CAD/CAM技術的發(fā)展，有些數(shù)控設備利用CAD/CAM軟件在其它計算機上編程，然后通過計算機與數(shù)控系統(tǒng)通信，將程序和數(shù)據(jù)直接傳送給數(shù)控裝置。2數(shù)控裝置數(shù)控裝置是數(shù)控機床的控制中心，人們喻為“中樞系統(tǒng)”。數(shù)控裝置包括輸入裝置，控制運算器(CPU)和輸出裝置等構成，如圖1-3所示。圖中虛線內包含部分為數(shù)控裝置。圖1-3 數(shù)控裝置組成圖數(shù)控裝置的功能是接受

7、控制介質上的各種信息，經(jīng)過識別與譯碼后，送到運算控制器進行計算處理再經(jīng)過輸出裝置將運算控制器發(fā)出的控制命令送到伺服系統(tǒng)，帶動機床完成相應的運動。目前均采用微型計算機作為數(shù)控裝置。微型計算機的中央處理單元（CPU）又稱為微處理器，是一種大規(guī)模集成電路，它將運算器、控制器集成在一塊集成電路芯片中。在微型計算機中，輸入與輸出電路也采用大規(guī)模集成電路，即所謂的I/O接口。微型計算機擁有較大容量的寄存器，并采用高密度的存儲介質，如半導體存儲器和磁盤存儲器等。3伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)的執(zhí)行機構，包括驅動、執(zhí)行和反饋裝置。伺服系統(tǒng)接受數(shù)控系統(tǒng)的指令信息，并按照指令信息的要求與位置、速度反饋信號相比較后帶

8、動機床的移動部件或執(zhí)行部件動作，加工出符合圖紙要求的零件。指令信息以脈沖信號表示，反映到機床移動部件上的移動量稱為脈沖當量，常用脈沖當量為0.0010.01mm，脈沖當量在設計數(shù)控機床時即已規(guī)定。伺服系統(tǒng)直接影響數(shù)控機床的速度、位置、加工精度、表面粗糙度等。當前數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)，常用的位移執(zhí)行機構有功率步進電動機、直流伺服電動機和交流伺服電動機。后兩者都帶有光電編碼器等位置測量元件，可用來精確控制工作臺的實際位移量和移動速度。4機床本體機床本體是數(shù)控機床的實體，是完成實際切削加工的機械部分，它包括床身、底座、工作臺、床鞍、主軸等。它與普通機床相比較有所改進，具有以下特點：（1）數(shù)控機床采用了

9、高性能的主軸及伺服系統(tǒng)，機械傳動結構簡化，傳動鏈較短。（2）機械結構具有較高的剛度，阻尼精度及耐磨性，熱變形小。（3）更多地采用高效傳動部件，如滾珠絲杠副，直線滾動導軌等。與普通機床相比，數(shù)控機床的外部造型、整體布局，傳動系統(tǒng)與刀具系統(tǒng)的部件結構及操作機構等方面都已發(fā)生了很大的變化。這些變化的目的是為了滿足數(shù)控機床的要求和充分發(fā)揮數(shù)控機床的特點。因此，必須建立數(shù)控機床設計的新概念。5輔助裝置輔助裝置主要包括換刀機構、工件自動交換機構、工件夾緊機構、潤滑裝置、冷卻裝置、照明裝置、排屑裝置、液壓汽動系統(tǒng)、過載保護與限位保護裝置等。第二節(jié) 數(shù)控機床的分類數(shù)控機床的種類很多，一般可以按以下幾種方式來劃

10、分，見表1-1。表1-1 數(shù)控機床的分類方式分類方式包括內容按運動軌跡分類點位控制數(shù)控機床、直線控制數(shù)控機床、輪廊切削(連續(xù)軌跡)控制數(shù)控機床按聯(lián)動軸數(shù)分類2軸聯(lián)動數(shù)控機床、2.5軸聯(lián)數(shù)控機床、3軸聯(lián)動數(shù)控機床、多軸聯(lián)動數(shù)控機床按工藝類型分類金屬切削類數(shù)控機床、金屬成型類數(shù)控機床、特種加工、其它類型數(shù)控機床按伺服類型分類開環(huán)、閉環(huán)、和半閉環(huán)控制數(shù)控機床、混合環(huán)伺服系統(tǒng)數(shù)控機床按數(shù)控裝置功能水平分類低檔、中檔、高檔數(shù)控機床一、 按運動軌跡分類1 點位控制數(shù)控機床點位控制數(shù)控機床的特點是控制刀具或機床工作臺等移動部件的終點位置，即控制移動部件由一個點準確地移動到另一個點，而點與點之間的運動軌跡沒有

11、嚴格要求。在移動和定位過程中刀具不進行任何切削加工。因此，為了盡可能減少移動部件的運動時間和提高定位精度，通常先以快速移動到接近終點坐標，然后進行13次減速，準確移動到定位點，以保證定位精度，如圖1-4所示。使用這類控制系統(tǒng)的數(shù)控機床有數(shù)控鉆床、數(shù)控坐標鏜床、數(shù)控沖床、數(shù)控點焊機、數(shù)控折彎機和數(shù)控測量機等。圖1-4 點位數(shù)控機床加工示意圖沿直角坐標方向分兩步到達目的點沿起點與終點連線直接到達目的點2 直線控制數(shù)控機床直線控制數(shù)控機床的特點是刀具相對于工件的運動既要控制起點與終點之間的準確位置外，又要控制刀具在這兩點之間運動的速度和軌跡。刀具相對工件移動軌跡是平行于機床某一坐標軸的直線方向，刀具

12、在移動過程中進行切削，如圖1-5所示。使用這類控制系統(tǒng)的數(shù)控機床有數(shù)控車床、數(shù)控鉆床、數(shù)控銑床和數(shù)控磨床等。圖1-5 直線數(shù)控機床加工示意圖3 輪廊切削(連續(xù)軌跡)控制數(shù)控機床大多數(shù)數(shù)控機床都具有輪廊切削控制功能，其特點是這類數(shù)控機床能控制兩個或兩個以上的軸，坐標方向同時嚴格地連續(xù)控制，不僅要控制每個坐標的行程移置，還要控制每個坐標的運動速度，這樣可以加工出任意的斜線、曲線或曲面組成的復雜零件，如圖1-6所示。使用這類控制系統(tǒng)的數(shù)控機床有數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控磨床、數(shù)控齒輪加工機床和數(shù)控加工中心等。 圖1-6 輪廊切削數(shù)控機床加工示意圖 二、 按聯(lián)動軸分類數(shù)控機床的計算機數(shù)控系統(tǒng)能夠控制的坐

13、標數(shù)目，反映了計算機數(shù)控系統(tǒng)的運算處理能力，它與計算機的內存容量、運算速度密切相關。目前世界上數(shù)控系統(tǒng)最高能控制幾十軸。聯(lián)動是指各個坐標軸同時達到空間某一點。在1999年10月舉行的中國國際機床展覽會上已看到國產可控軸數(shù)為30，24或16，聯(lián)動軸數(shù)達9軸的數(shù)控系統(tǒng)，如華中數(shù)控公司展出的5軸聯(lián)動加工中心（用于葉輪的加工）；北京機電院和北京航空航天大學聯(lián)合開發(fā)的JT2010型數(shù)控系統(tǒng)，可以用一個系統(tǒng)，控制總軸數(shù)多達50的多臺機床組成的成套機群?，F(xiàn)代數(shù)控機床絕大多數(shù)都具有兩坐標或兩坐標以上聯(lián)動的功能，不僅有刀具半徑補償、刀具長度補償、還有機床軸向運動誤差補償、絲杠、齒輪的間隙誤差補償?shù)纫幌盗泄δ?。?/p>

14、聯(lián)動軸可分為以下幾種1二軸聯(lián)動數(shù)控機床如數(shù)控車床，加工曲面回轉體；某些數(shù)控銑床，二軸聯(lián)動銑斜面。如圖1-7 a所示2三軸聯(lián)動數(shù)控機床如數(shù)控銑床和數(shù)控加工中心，三軸聯(lián)動加工曲面零件。如圖1-7 b所示。3二軸半聯(lián)動數(shù)控機床是指有三個坐標控制軸(X、Y、Z)，其中任意兩個軸聯(lián)動，第三軸作周期性等距運動。如某些數(shù)控銑鉆床。如圖1-7 c所示。4 多軸聯(lián)動數(shù)控機床是指能四軸或四軸以上聯(lián)動的數(shù)控機床。如多軸聯(lián)動數(shù)控銑床和多軸聯(lián)動數(shù)控加工中心等。如圖1-7 d所示。圖1-7 數(shù)控機床聯(lián)動軸數(shù)a) 二軸聯(lián)動 b) 三軸聯(lián)動 c) 二軸半聯(lián)動 d) 多軸聯(lián)動三、按工藝類型分類1 金屬切削類數(shù)控機床金屬切削類數(shù)

15、控機床發(fā)展最早，種類繁多，功能差異大。與傳統(tǒng)的通用機床一樣，這類數(shù)控機床主要包括數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控鉆床、數(shù)控磨床、數(shù)控鏜床、數(shù)控齒輪加工機床及數(shù)控加工中心等。數(shù)控加工中心也稱為具有刀庫或自動換刀裝置的數(shù)控機床。其特點是：在一次裝夾后，可以進行多種工序加工的數(shù)控機床。數(shù)控加工中心目前主要有兩大類：一類是以數(shù)控銑床、數(shù)控鏜床為基礎發(fā)展起來的，叫做銑削中心，另一類是在數(shù)控車床基礎上發(fā)展起來的，叫做車削中心，如圖1-8所示。數(shù)控加工中心又稱為多工序數(shù)控機床。在加工中心上，可使零件一次裝夾后，進行多種工藝、多道工序的集中連續(xù)加工，這就大大減少了機床臺數(shù)。由于減少了裝卸工件、更換和調整刀具的輔助時間

16、，從而提高了機床效率，同時由于減少了多次安裝造成的定位誤差，從而提高了各加工面間的位置精度；因此，近年來加工中心得以迅速發(fā)展。圖1-8 金屬切削類數(shù)控機床a）車削中心 b）銑削中心2 金屬成型類數(shù)控機床金屬成型類數(shù)控機床主要包括數(shù)控彎管機、數(shù)控組合沖床、數(shù)控轉頭壓力機等。這類機床起步晚，但發(fā)展較快。3 數(shù)控特種加工機床數(shù)控特種加工機床主要包括數(shù)控線(電極)切割機床，如圖1-9所示的數(shù)控電火花加工機床，如圖1-10所示的數(shù)控火焰切割機、數(shù)控激光切割機。圖1-9 數(shù)控線切割機床圖1-10 數(shù)控電火花加工機床4 其它類型的數(shù)控機床其它類型的數(shù)控機床主要有數(shù)控三坐標測量機等。如圖1-11所示。圖1-1

17、1 數(shù)據(jù)三坐標測量機床 四、按伺服類型分類1 開環(huán)伺服系統(tǒng)數(shù)控機床開環(huán)伺服系統(tǒng)數(shù)控機床構造簡單，它沒有位置測量裝置和反饋裝置，不能對移動工作臺實際移動距離進行位置測量并反饋回來與原指令值進行比較較正，如圖1-12所示。這類系統(tǒng)的數(shù)控機床一般采用步進電動機或電液脈沖馬達，按指令脈沖驅動各軸進給。其移動部件的速度與位移量由輸入脈沖的頻率和脈沖數(shù)決定，位移精度主要決定于該系統(tǒng)各有關零件的制造精度，如步進電動機的轉動精度、減速裝置和滾珠絲杠的精度等。圖1-12 開環(huán)伺服系統(tǒng) 2閉環(huán)伺服系統(tǒng)數(shù)控機床閉環(huán)伺服系統(tǒng)數(shù)控機床有位置測量裝置和反饋裝置，如圖1-13所示。加工中將實際測量的結果反饋到數(shù)控裝置中，與

18、輸入的指令進行比較及較正直至差值為零，即實現(xiàn)移動部件的最終精確定位。其特點是加工精度高，但結構復雜，設計和調試較困難，主要用于一些精度較高的數(shù)控鏜銑床，超精度數(shù)控車床和數(shù)控加工中心等。圖1-13 閉環(huán)伺服系統(tǒng)數(shù)控機床3 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)數(shù)控機床半閉環(huán)伺服系統(tǒng)數(shù)控機床不直接測量機床工作臺的位移量，而通過檢測絲杠轉角間接地測量工作臺的位移量，然后反饋給數(shù)控裝置進行位移校正，如圖1-14所示。其精度低于閉環(huán)系統(tǒng)，但測量裝置結構簡單，安裝調試方便，常用于中檔數(shù)控機床，如數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控磨床等。圖1-14 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)數(shù)控機床4 混合環(huán)伺服系統(tǒng)數(shù)控機床將以上三類控制系統(tǒng)的特點有選擇地集中起來，組

19、成混合環(huán)控制系統(tǒng)，特別適用于大型數(shù)控機床，因為大型數(shù)控機床需要較高的進給速度和返回速度，又需要相當高的精度，如果只采用全閉環(huán)控制，機床傳動鏈和工作臺全部置于控制環(huán)中，因素十分復雜，難于調試得穩(wěn)定?；旌檄h(huán)伺服系統(tǒng)數(shù)控機床如圖1-15所示，這實際是半閉環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的混合形式，內環(huán)是速度環(huán)，控制進給速度，外環(huán)是位置環(huán)，主要對數(shù)控機床進給運動的坐標位置進行控制?，F(xiàn)在采用這類方式控制的數(shù)控機床越來越多。圖1-15 混合環(huán)伺服系統(tǒng)數(shù)控機床五按數(shù)控裝置功能水平分類按數(shù)控裝置功能水平通常把數(shù)控機床分為低、中、高檔三類。這種分類方式在我國用得很多。低、中、高三檔的界限是相對的，不同時期，劃分標準會有所不同。就目

20、前的發(fā)展水平看，可以見表1-2的一些功能及指標，將各種類型的數(shù)控產品分為低、中、高檔三類。其中高、中檔一般稱為全功能數(shù)控或標準數(shù)控。在八十年代及九十年代初我國還有經(jīng)濟型數(shù)控的提法。當時所謂經(jīng)濟型數(shù)控是指由單板機、單片機和步進電機組成的數(shù)控系統(tǒng)和其功能簡單、價格低的數(shù)控系統(tǒng)。隨著數(shù)控技術的發(fā)展，經(jīng)濟型數(shù)控也在不斷進步，新一代的經(jīng)濟型數(shù)控介于低檔與中檔數(shù)控之間。為此，經(jīng)濟型數(shù)控已被稱作普及型或簡易型數(shù)控。其目的是根據(jù)實際機床的使用要求，合理簡化系統(tǒng)，降低產品價格。表1-2 不同檔次數(shù)控功能及指標表功 能低 檔中 檔高 檔系統(tǒng)分辨率10m1m0.1m進給速度815m/min1524m/min2410

21、0m/min伺服進給類型開環(huán)及步進電動機系統(tǒng)半閉環(huán)及直、交流伺服閉環(huán)及直、交流伺服聯(lián)動軸數(shù)23軸24軸5軸或5軸以上通信功能無RS-232C或DNCRS-232C、DNC、MAP顯示功能數(shù)碼管顯示CRT：圖形、人機對話CRT：三維圖形、自診斷內裝PLC無有強功能內裝PLC主CPU8位CPU16位、32位CPU32位、64位CPU第三節(jié) 數(shù)控機床的特點及應用范圍一、數(shù)控機床的特點數(shù)控機床不同于普通機床，也不同于專用機床和一般程序控制的自動和半自動機床。在數(shù)控機床上加工零件的整個過程全由數(shù)字指令控制。機床按數(shù)字指令信息進行加工段長度、進給方向、進給量、切削速度、主軸的開停、冷卻液的通斷、刀具更換等

22、方面的控制。1數(shù)控機床與普通機床的區(qū)別（1）手動與自動。數(shù)控機床一般具有手動加工（用電手輪）、機動加工和控制程序自動加工功能，加工過程中一般不需要人工干預。普通機床只有手動加工和機動加工功能，加工過程全部由人工控制。（2）數(shù)控機床一般具有CRT屏幕顯示功能。顯示加工程序、多種工藝參數(shù)、加工時間、刀具運動軌跡以及工件圖形等。數(shù)控機床一般還具有自動報警顯示功能，根據(jù)報警信號或報警提示，可以迅速查找機器故障。而普通機床不具備上述功能。（3）數(shù)控機床主傳動和進給傳動采用直流或交流無級調速伺服電動機。一般沒有主軸變速箱，傳動鏈短。而普通機床主傳動和進給傳動一般采用三相交流異步電動機，由變速箱實現(xiàn)多級變速

23、以滿足工藝要求，機床傳動鏈長。（4）數(shù)控機床一般具有工件測量系統(tǒng)。加工過程中一般不需要進行工件尺寸的人工測量。而普通機床在加工過程中必須由人工不斷地進行測量，以保證工件的加工精度。數(shù)控機床與普通機床最顯著的區(qū)別是當對象（工件）改變時，數(shù)控機床只需改變加工程序（應用軟件），不需要對機床作較大的調整，即能加工出各種不同的工件。2數(shù)控機床有以下特點（1）加工精度高。數(shù)控機床是高度綜合的機電一體化產品。它由精密機械和自動化控制系統(tǒng)組成。所以數(shù)控機床的傳動系統(tǒng)與機床結構都有較高的精度、剛度、熱穩(wěn)定性及動態(tài)敏感度。此外，目前數(shù)控機床的刀具或工作臺最小移動量（脈沖當量）普遍達到了0.001mm，而且在設計傳

24、動結構時采用了減少誤差的措施（如位置和速度反饋部件等），并由數(shù)控裝置進行補償，因此，數(shù)控機床能達到很高的加工精度。當前中、小型數(shù)控機床，定位精度普遍可達0.03mm，重復定位精度可達0.01mm。數(shù)控機床加工零件的質量有保證。數(shù)控機床的自動加工方式避免了人為操作誤差的影響，同批零件的尺寸一致性強，產品合格率高，加工質量穩(wěn)定。（2）生產效率高。加工零件所需時間包括機動時間和輔助時間兩部分。數(shù)控機床能有效地減少這兩部分時間。因為數(shù)控機床具有良好剛性、機床功率大、主軸轉速和進給速度范圍大等優(yōu)點，所以在加工時可采用強力切削和選用最合適的切削用量。數(shù)控機床能自動連續(xù)完成整個切削過程，這樣就提高了數(shù)控機床

25、的切削效率，減少了機動時間。數(shù)控機床的移動部件在空行程時采用快速移動（一般在15m/min以上）。在數(shù)控機床上加工零件時，對工夾具的要求低且裝夾時間短，對刀、換刀快，數(shù)控機床有較高的重復定位精度，更換被加工零件時幾乎不需要重新調整機床，這樣大大地縮短了生產準備周期，減少測量和檢測時間。在數(shù)控加工中心上加工時，一臺機床能實現(xiàn)多道工序的連續(xù)加工，生產效率的提高更加明顯。所以數(shù)控機床比普通機床的生產效率高得多，一般能提高23倍，甚至幾十倍。（3）減輕勞動強度、改善勞動條件和勞動環(huán)境。在數(shù)控機床上進行加工時，操作者要做的是，按圖紙要求制定加工工藝及編制加工程序、裝卸零件、裝夾刀具及對刀、鍵盤操作、觀察

26、監(jiān)視機床運行過程、抽測零件質量。除此之外，不需要進行繁重的重復性手工操作。因此，能大大減輕操作者的勞動強度與緊張程度。數(shù)控機床一般都有安全罩，實現(xiàn)封閉式生產，這樣即能減少安全事故的發(fā)生，又能改善勞動條件和勞動環(huán)境。（4）良好的經(jīng)濟效益。在數(shù)控機床上改變加工零件時，只要重新修訂加工程序，不需制造更換工具、夾具和模具，更不需要更新機床，而且可以實現(xiàn)一機多用。這樣可以縮短生產準備周期、降低生產設備投資費用、節(jié)省廠房面積、節(jié)約建廠投資。數(shù)控機床加工精度穩(wěn)定，減少了廢品率，使生產成本進一步下降。因此，數(shù)控機床加工具有良好的經(jīng)濟效益。（5）有利于生產管理的現(xiàn)代化。數(shù)控機床使用數(shù)字信號與標準代碼作為輸入信號

27、，適用于與計算機網(wǎng)絡連接，通過計算機遠程控制，為計算機輔助設計、制造及管理一體化奠定了基礎，實現(xiàn)生產管理的現(xiàn)代化。但是，利用數(shù)控機床生產加工，初期設備投資大，維修費用高，對管理及操作人員的專業(yè)技術素質要求較高。因此，應合理地選擇及使用數(shù)控機床，提高企業(yè)的經(jīng)濟效益和競爭力。二、數(shù)控機床的應用范圍數(shù)控機床是一種高度自動化的機床，其獨特的優(yōu)點是一般機床不具備的，所以數(shù)控機床的應用范圍較廣。但數(shù)控機床的技術含量要求高、生產成本高、使用維修都有一定難度，若從性價比考慮，數(shù)控機床一般要考慮加工情況。1零件批量在多品種、小批量零件的生產中優(yōu)先考慮使用數(shù)控機床。2輪廓要求高結構較復雜、精度要求較高或必須用數(shù)字

28、方法決定的復雜曲線、曲面輪廓的零件加工多以數(shù)控機床為主。3試制階段在產品需要頻繁改型或試制階段，數(shù)控機床可以隨時適應產品的變化。4關鍵零件價格昂貴，不允許報廢的關鍵零件可以由數(shù)控來保證。5周期短對于需要最小生產周期的急需零件，數(shù)控機床可以縮短加工時間。6多工序零件需進行多工序聯(lián)合加工的零件，如需要進行鉆、擴、鉸、攻絲及銑削等的箱體、殼體零件，多以數(shù)控加工中心來完成。如圖1-16所示為通用機床與數(shù)控機床、專用機床加工批量與綜合費用的關系。如圖1-17所示為工件復雜程度及批量大小與機床的選用關系。圖1-16 零件加工批量與綜合費用的關系圖1-17 數(shù)控機床適用范圍示意圖三、 數(shù)控機床的常用術語近年

29、來，隨著技術發(fā)展，數(shù)控功能不斷擴大。新技術的導入，數(shù)控技術出現(xiàn)了許多新的功能術語，見表1-3。這里選用的名詞術語，主要參考國家標準及國際標準化組織（ISO）的提法。表1-3 數(shù)控機床常用術語表名 稱英 語 名 稱注 解機電一體化Mechatronics機械電子學。在機械的主功能、動力功能、信息處理功能和控制功能上引用電子技術，并將機械裝置和電子設備、軟件技術有機地結合起來，構成一個完整的系統(tǒng)代碼Code數(shù)據(jù)處理機能接受的用符號形式表示的數(shù)據(jù)和程序命令脈沖Command pulse數(shù)控裝置給數(shù)控機床傳遞運動命令的脈沖群，每個脈沖與機床的單位位移量相對應指令Instruction規(guī)定操作及其運算數(shù)

30、的數(shù)值或地址的語句命令Command使運動或功能開始操作的控制信號手動數(shù)據(jù)輸入Manual data input用手工把加工程序的信息送入數(shù)控裝置的一種方法格式Format信息的規(guī)定安排形式地址Address（用于數(shù)控時）位于字頭的字符或字符組，用以識別其后的數(shù)據(jù)程序段Block作為一個單元處理的一組字、一組字符或一組數(shù)字，在控制帶上各個程序段通常用“程序段結束”字符來分隔軸Axis機床部件直線運動或旋轉運動的方向插補Interpolation（用于數(shù)控時）根據(jù)給定的數(shù)學函數(shù)，諸如線性函數(shù)、圓函數(shù)或高次函數(shù)，在理想的軌跡或輪廓上的已知點之間，確定一些中間點的一種方法直線插補Line inter

31、polation 這是一種插補方式。在此方式中，給出兩端點間的插補數(shù)字信息，借此信息控制刀具運動。使其按照規(guī)定的直線加工出理想的曲面圓弧插補Circular interpolation這是一種插補方式。在此方式中，給出兩端點間的插補數(shù)字信息，借此信息控制刀具運動。使其按照規(guī)定的圓弧加工出理想的曲面拋物線插補Parabolic interpolation這是一種插補方式。在此方式中，給出兩端點間的插補數(shù)字信息，借此信息控制刀具運動。使其按照規(guī)定的拋物線加工出理想的曲面絕對方式Absolute dimension system在某一個坐標系中，用原點為基準表示位置坐標值的一種方法增量方式Incre

32、mental dimension system在某一個坐標系中，用由前一個位置算起的坐標值增量來表示位置的一種方式固定循環(huán)Fixed cycle ,cannecl cycle這是預先給定的一系列操作，用來控制機床軸的位移或使主軸運轉，從而完成各項加工，諸如鏜、鉆、攻絲等進給率Feed rate刀具向工件進給的相對速度稱為進給率。單位為mm/min或mm/r。在控制帶上，把指定數(shù)字緊接在字符F（進給功能）后面準備功能Preparatory function（G功能）建立機床或控制系統(tǒng)工作方式的一種命令。用地址G和它后面的數(shù)字來指定控制動作方式的功能主軸速度功能Spindle speed func

33、tion（S功能）主軸速度的技術說明。指定主軸轉速的功能。用地址S和它后面的代碼數(shù)來表示刀具功能Tool function（T功能）按照適當?shù)母袷揭?guī)范，識別或調入刀具和有關功能的技術說明。指定刀具的功能，用地址T和它后面的代碼數(shù)來表示輔助功能Miscellaneous function（M功能）控制機床或控制系統(tǒng)的開、關功能的一種命令。它是用地址M和它后面的代碼數(shù)來指定的進給功能Feed function（F功能）定義進給率技術規(guī)范的指令。用地址F和它后面的代碼數(shù)來表示數(shù)控系統(tǒng)Numerical control system這是一種控制系統(tǒng)。它自動閱讀輸入載體上事先給定的代碼和數(shù)字值，并將其譯

34、碼，從而使機床移動和加工零件計算機數(shù)控Computerized numerical control即CNC，這是一種數(shù)控系統(tǒng)。在此系統(tǒng)中，采用存儲程序的專用計算機實現(xiàn)部分或全部基本數(shù)控功能直接控制Direcet numerical control即DNC，這是一種控制系統(tǒng)。此系統(tǒng)使一群數(shù)控機床與公用零件程序或加工程序存儲器發(fā)生聯(lián)系。一旦提出請求，它立即把數(shù)據(jù)分配給有關機床。直接數(shù)控亦稱群控開環(huán)系統(tǒng)Open loop system不把控制對象的輸入（數(shù)控裝置輸出的指令信號）進行比較的控制系統(tǒng)，即在此系統(tǒng)中，沒有來自位置傳感器的反饋信號閉環(huán)系統(tǒng)Closed loop system這種自控系統(tǒng)，包含

35、功率放大和反饋，從而使得輸出變量的值緊密地響應輸入量的值伺服機構Servo mechanism用機床上的位置或速度等作為控制量的反饋系統(tǒng)（伺服回路）。這種伺服系統(tǒng)，其中受控變量為機械位置或機械位置對時間的導數(shù)加工程序Machine program在數(shù)控中指用自動控制語言和格式表示的一套指令，它被記載在適當?shù)妮斎胼d體上，以便圓滿地實現(xiàn)自控系統(tǒng)的直接操作零件程序編制Part programming為了進行給定零件的加工，要計劃數(shù)控機床的作業(yè)內容，并要編制用于實現(xiàn)該作業(yè)計劃的程序，這程序稱為零件程序手工零件程序編制Manual part programming利用規(guī)定的代碼和格式，人工制定零件加工程

36、序的工作自動編程Automatic programming編制程序的一種方法。用計算機把人們易懂的程序改成計算機能執(zhí)行的程序。在數(shù)控上，這種方法就是把人們易懂的零件程序，用計算機改成數(shù)控機床能執(zhí)行的程序機床零位，系統(tǒng)原點Machine zero,system basic origin機床坐標系的原點機床參考點Machine tool reference position給機床各個軸預設的位置，便于采用增量控制系統(tǒng)時，用來設定初始位置復位To reset使裝置復原到預定的初始位置上，但不一定是初始狀態(tài)零點偏移Zero offser ,reference offset 這是數(shù)控系統(tǒng)的一種特性。容許

37、把數(shù)控測量系統(tǒng)的原點，在相對機床基準點的規(guī)定范圍內移動，而永久原點的位置被存儲在數(shù)控系統(tǒng)中反向間隙Backlash相互作用的零件之間，由于松動和偏差所產生的偏移自動換刀裝置Automatic tool changer ATC具有存儲刀具的刀庫，能選出被指定的刀具并自動地與裝在主軸上的刀具進行交換的裝置刀具補償Cutter compensation垂直于刀具軌跡的位移，用來修正刀具實際半徑或直徑與其程序規(guī)定的值之差分辨率Resolution兩個相鄰的分散細節(jié)之間可以分辨的最小間隔。就測量系統(tǒng)而言，它是可以測量的最小增量。就控制系統(tǒng)而言，它是可以控制的最小位移增量精確度Accuracy誤差自由度的

38、評價或符合理論程度的評價，誤差越小，評價越高。在機床上，是用實際的位置與要求的位置之間的一致程度來表示誤差Error計算值、觀察值或實測值、給定值或理論值之差位置檢測器Position transducer將位置或移動量變換成便于傳送的信號的傳感器第四節(jié) 數(shù)控機床的發(fā)展一、機床結構的發(fā)展數(shù)控機床是自動化高效設備，粗、精加工在一臺機床上進行。為保證精加工的精度，為發(fā)揮數(shù)控機床的優(yōu)點，在機械結構方面采取了一系列的改進。1提高機床的動、靜剛度如在機床的大件中增加肋板，大大提高了扭轉剛度。在機床的主軸上選用圓柱滾子軸承和角接觸球軸承，可提高主軸剛度。在大型機床上采用液力平衡和重塊平衡來減少構件的變形。

39、增大刀架底座的尺寸可提高刀架剛度。機床結構采用鋼板焊接結構，可增加靜剛度減輕結構重量，又可增加構件的阻尼系數(shù)，從而改善了抗振性。構件設計時可通過調整質量改變系統(tǒng)的自振頻率以便遠離強迫震振動的頻率。2減少機床的熱變形將熱源，如電機、變速箱、液壓裝置和油箱等從主機中分離出去以及采用靜壓軸承，均可減少主軸的熱變形。采用良好的排屑裝置，盡快把熱源帶走。采用強制冷劑，如大容量冷卻泵，可控制溫度。3其他措施減少運動件的摩擦和消除傳動間隙，采用滾動導軌、靜壓導軌和塑料導軌。在進給系統(tǒng)中采用滾珠絲杠，大大降低摩擦力，改善了動態(tài)特性。二、數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展主要是提高計算機的運算速度。自1952年以來，

40、數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展已經(jīng)歷了五代。發(fā)展初期所用的電子器件為電子管。1959年以后，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展進入第二代，采用晶體管和印刷電路板。1965年以后，發(fā)展到第三代，采用小規(guī)模集成電路，數(shù)控系統(tǒng)的可靠性得到進一步提高。以上三代系統(tǒng)，都采用專用控制計算機的硬接線數(shù)控系統(tǒng)，統(tǒng)稱為普通數(shù)控系統(tǒng)（NC）。第四代是1970年以后采用小型計算機，許多功能可以通過軟件實現(xiàn)，稱為計算機數(shù)控系統(tǒng)（CNC）。第五代系統(tǒng)，是采用微處理機技術的計算機數(shù)控系統(tǒng)（MNC）。由于數(shù)控技術的迅速發(fā)展，現(xiàn)代的數(shù)控系統(tǒng)更進一步向高精度、高速度和多功能方向發(fā)展。不僅控制的軸數(shù)大為增加，而且其功能也遠遠超出控制刀具軌跡與機床動作的范疇，并能實現(xiàn)

41、自動編程、自動測量、自診斷與通訊聯(lián)絡等功能。數(shù)控系統(tǒng)與可編程控制器的結合，進一步提高了系統(tǒng)的可靠性，并使機床的強電控制邏輯柔性化。三、伺服系統(tǒng)的發(fā)展最早的數(shù)控系統(tǒng)采用電液脈沖馬達驅動數(shù)控機床，后來被步進電機所取代。到了20世紀60年代，歐美一些國家采用了液壓伺服系統(tǒng)。70年代，美國首先研制了大慣量伺服電機，該電機調速范圍為0.12000r/min。80年代初期美國通用電氣公司研制成功交流伺服系統(tǒng)。近年來，微機處理器已開始應用于伺服系統(tǒng)的驅動裝置中，1986年日本廠商已推出了采用數(shù)字伺服系統(tǒng)的數(shù)控機床。當前伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是直流伺服系統(tǒng)將被交流數(shù)字伺服系統(tǒng)所代替。伺服系統(tǒng)的速度環(huán)、位置環(huán)及電流

42、環(huán)都已實現(xiàn)了數(shù)字化。并采用了新的控制理論，實現(xiàn)了不受機械負荷變動影響的高速響應系統(tǒng)。四、數(shù)控機床的發(fā)展趨勢為了進一步提高勞動生產率，降低生產成本，縮短產品的研制和生產周期，加速產品的更新?lián)Q代，以適應社會對產品多樣化的需求，近年來，人們把自動化生產技術的發(fā)展重點轉移到中、小批量生產領域中，這就要求加速數(shù)控機床的發(fā)展速度，使其成為一種高效率、高柔性和低成本的制造設備，以滿足市場的需求。數(shù)控機床是柔性制造單元（FMC）、柔性制造系統(tǒng)（FMS）以及計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）和靈捷制造（Agile Mpg）的基礎，是國民經(jīng)濟的重要基礎裝備。隨著微電子技術和計算機技術的發(fā)展，現(xiàn)代數(shù)控機床的應用領域日益

43、擴大。當前，數(shù)控設備正在不斷地采用最新技術成就，向著高速化、精密化、高效能化、系統(tǒng)化及復合化的方向發(fā)展。1高速化 由于機構各組件分工的專業(yè)化，在專業(yè)主軸廠的開發(fā)下，主軸高速化日益普及。過去只用于汽車工 業(yè)高速化的機種（每分鐘1.5萬轉以上的機種），現(xiàn)在已成為必備的機械產品要件。 2精密化由于各組件加工的精密化，微米的誤差已不是問題。以電腦輔助生產（CAM）系統(tǒng)的發(fā)展帶動數(shù)控控制器的功能越來越多。 3高效能對機床高速及精密化要求的提高導致了對加工工件制造速度的要求提高。同時，由于產品競爭激烈，產品生命周期快速縮短，模具的快速加工已成為縮短產品開發(fā)時間必須具備的條件。對制造速度的要求致使加工模具的

44、機床朝著高效能專業(yè)化機種發(fā)展。 4系統(tǒng)化機床已逐漸發(fā)展成為系統(tǒng)化產品?，F(xiàn)在可以用一臺電腦控制一條生產線的作業(yè)，不但可縮短產品的開發(fā)時間，還可以提高產品的加工精度和產品質量。 5復合化產品外觀曲線的復雜化致使模具加工技術必須不斷升級，機床五軸加工、六軸加工已日益普及，機床加工的復合化已是不可避免的發(fā)展趨勢。模擬測試題（一）填空題（請將正確答案填在橫線空白處）1數(shù)控機床主要由 、 、 和 四部分及 組成。2控制介質是 與 之間建立起聯(lián)系的 ?？刂平橘|有 、 、 、 、 等。3數(shù)控裝置是數(shù)控機床的 。數(shù)控裝置包括 ， 和 等構成。4伺服系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)的 ，包括 、 和 。5輔助裝置主要包括、 、與等

45、。6數(shù)控機床按運動軌跡分類，有數(shù)控機床、數(shù)控機床與數(shù)控機床。7數(shù)控機床按伺服類型分類，有數(shù)控機床、數(shù)控機床和數(shù)控機床以及數(shù)控機床。8點位控制數(shù)控機床的特點是控制或等移動部件的位置，即控制移動部件由準確地移動到，而與之間的沒有嚴格要求。9直線控制數(shù)控機床的特點是相對于的運動既要控制與之間的 位置外，又要控制在這之間運動的和。10輪廊切削控制功能特點是這類數(shù)控機床能控制或的軸，同時嚴格地控制，不僅要控制每個坐標的，還要控制每個坐標的，這樣可以加工出任意形狀的、或組成的。（二）判斷題（下列判斷正確的請打“”，錯誤的打“”）1. 伺服系統(tǒng)的性能不會影響數(shù)控機床加工零件的表面粗糙度。 （ ）2. 數(shù)控車

46、床可以是點位控制數(shù)控機床。 （ ）3. 數(shù)控銑床可以是四軸聯(lián)動數(shù)控機床。 （ ）4. 數(shù)控加工中心必須具有刀庫或自動換刀裝置。 （ ）5. 數(shù)控三坐標測量機也是一種數(shù)控機床。 （ ）6. 閉環(huán)伺服系統(tǒng)數(shù)控機床不直接測量機床工作臺的位移量。 （ ）7. 數(shù)控機床上的軸僅僅是指機床部件直線運動方向。 （ ）8. 第五代系統(tǒng)是采用微處理機技術的計算機數(shù)控系統(tǒng)（MNC）。 （ ）9. 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)數(shù)控機床直接測量機床工作臺的位移量。 （ ）10. 分辨率在0.0001mm的數(shù)控機床屬于高檔數(shù)控機床。 （ ）（三）單項選擇題（下列每題有四個選項，其中只有一個是正確的，請將其代號填在橫線空白處）1. 第

47、一臺工業(yè)用數(shù)控機床在 生產出來。 A. 1948年 B. 1952年 C. 1954年 D. 1958年2. 點位控制機床可以是 。 A. 數(shù)控車床 B. 數(shù)控銑床 C. 數(shù)控沖床 D. 數(shù)控加工中心3. 只有間接測量機床工作臺的位移量的伺服系統(tǒng)是 。A. 開環(huán)伺服系統(tǒng) B. 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)C. 閉環(huán)伺服系統(tǒng) D. 混合環(huán)伺服系統(tǒng)數(shù)控機床4. 中檔數(shù)控機床的分辨率一般為 。 A. 0.1mm B. 0.01mm C. 0.001mm D .0.0001mm5. 進給伺服系統(tǒng)對 不產生影響。 A. 進給速度 B. 運動位置C. 加工精度 D. 主軸轉速6. 直線控制的數(shù)控車床可以加工 。 A. 圓柱面 B. 圓弧面 C. 錐面 D. 螺紋7. 伺服系統(tǒng)的控制精度最高。A. 開環(huán)伺服系統(tǒng) B. 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)C. 閉環(huán)伺服系統(tǒng) D. 混合環(huán)伺服系統(tǒng)數(shù)控機床8. 第四代是 以后采用小型計算機的計算機數(shù)控系統(tǒng)（CNC）。 A. 1952年 B.