数控机床的基础知识

到60年代后期，小型计算机走向成熟并被引入机床中，从此 NC进化为CNC, NC部分功能开始改由软件来实现，从此进入了计 算机数控(CNC)阶段。
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1.1数控机床的发展与基本概念
1. 1. 2数控机床的相关概念
1.数字控制 数字控制简称数控(NC , Numerical Control )，它是利用数字
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1. 2数控机床的基本组成、特点与类型
2.按加工工艺方法分类 (1)普通数控机床。普通数控机床是指加工用途、加工工艺相对单一 的数控机床。按加工用途可分为数控车床、数控铣床、数控锁床、 数控钻床、数控磨床、数控齿轮加工机床等。 (2)加工中心。加工中心是带有刀库和自动换刀装置的数控机床。它 将数控铣床、数控锁床、数控钻床的功能组合在一起，工件在一 次装夹后，可对其进行钻、扩、铰、锁、铣及攻螺纹等多工序加 工，主要用来加工箱体类零件。
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1. 2数控机床的基本组成、特点与类型
6.按功能水平分类 (1)经济型数控机床 (2)全功能型数控机床 (3)精密型数控机床
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1. 3数控机床坐标系
1. 3. 1数控机床坐标轴命名
1.坐标轴命名规定 数控机床坐标系按照我国机械工业部于1982年颁布的JB
3051-1982《数控机床坐标和运动方向的命名》标准，它与国际上 统一的IS0841等效。其中规定的命名原则如下。 (1)刀具相对于静止工件而运动的原则。 (2)数控机床坐标系的规定
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1. 2数控机床的基本组成、特点与类型
3.按伺服控制方式分类 (1)开环控制数控机床 (2)半闭环控制数控机床 (3)全闭环控制数控机床 (4)混合闭环控制数控机床 4.按运动轨迹分类 (1)点位控制数控机床 (2)直线控制数控机床 (3)轮廓控制数控机床
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1. 2数控机床的基本组成、特点与类型
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1.1数控机床的发展与基本概念
4.数控机床 采用数控技术进行控制的机床，称为数控机床。它是一种综
合应用计算机技术、自动控制技术、精密测量技术和机床设计等 先进技术的典型机电一体化产品。 5.柔性制造单元
在加工中心的基础上，通过增加多工作台(托盘)自动交换装置 (APC , Auto Pallet Changer)以及其他相关装置组成的加工单元称 为柔性制造单元(FMC, Flexible Manufacturing Cell)，如图1 -3所 示为自动交换工作台机床。FMC不仅实现了工序的集中和工艺的 复合，而且通过工作台(托盘)的自动交换和较完善的自动检测、监 控功能，可以进行一定时间的无人化加工，从而进一步提高了设 备的加工效率。
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1. 2数控机床的基本组成、特点与类型
3.伺服系统 伺服系统包括驱动装置和执行机构两大部分，如图1 -7所示。
驱动装置由主轴驱动单元、进给驱动单元和主轴伺服电动机、进 给伺服电动机组成。步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电 动机是常用的驱动装置。 4.检测与反馈装置
检测与反馈装置有利于提高数控机床加工精度。它是闭环(半 闭环)数控机床的检测环节，其作用是通过现代化的测量元件，如 脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、光栅和磁栅等，将执行 元件(如刀架或工作台等)的实际位移速度和位移量检测出来，反馈 回伺服驱动装置或数控装置，并补偿进给的速度或执行机构的运 动误差，以达到提高运动机构精度的目的。如图1 -8所示为检测装 置的应用。
数控机床的本体指其机械结构实体。它包括主传动系统、进 给传动系统、床身、底座、立柱、横梁、滑座、工作台、刀架及 自动换刀装置等机械部件
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1. 2数控机床的基本组成、特点与类型
1.2.2数控机床的特点
1.高精度 2.高效率和良好的经济效益 3.高可靠性 4.对加工对象的适应性强 5.减轻了操作者的劳动强度 6.有利于生产管理的现代化
了机床加工的要求，不得不用电子元件来构成专门的逻辑部件， 组成专用计算机来实现机床加工的要求，故称之为硬件连接数控 (H and-Wired NC)，一般简称为NC。
随着元器件的发展，NC阶段经历了三代:1952年第一代—电 子管电路专用NC;1959年第二代—晶体管数字电路专用NC ; 1965 年第三代—中小规模集成电路专用NC。 2.计算机数控(CNC)阶段(1970一至今)
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1. 2数控机床的基本组成、特点与类型
5.辅助装置 辅助装置是把计算机送来的辅助控制指令经机床接口转换成
强电信号，用来控制主轴电动机起停、冷却液的开关及工作台的 转位和换刀等动作。辅助装置主要包括自动刀具交换装置、工作 台自动交换装置、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 6.机床本体
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1. 2数控机床的基本组成、特点与类型
1. 2. 1数控机床的基本组成
为了了解数控机床的基本组成，首先需要分析数控机床加工 零件的工作过程。通过分析图1一5所示的数控机床加工过程可知， 在数控机床上完成零件的加工步骤如下: (1)根据被加工零件的图样和工艺方案，用规定的代码和程序格式， 将刀具的运动轨迹、加工工艺过程、工艺参数、切削用量等编写 成数控系统能够识别的指令代码，即编写加工程序。 (2)将所编写的加工程序通过程序载体输入到数控装置。 (3)数控装置对输入的程序(代码)进行译码、运算处理，并向各坐标 轴的伺服驱动装置和辅助装置发出相应的控制信号，以控制机床 的各部件的运动。
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1.1数控机床的发展与基本概念
3.伺服驱动 伺服驱动简称伺服(SD, Servo Drive )。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(亦称驱动器、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有两个方面:一是 按照数控装置给定的速度运行;二是按照数控装置给定的位置定位。
5.按控制的联动坐标轴数不同分类 (1)两轴联动数控机床。主要用于数控车床加工旋转曲面或数控铣床 加工曲线轮廓曲等，如图1一22所示 (2)两轴半联动数控机床。主要用于三轴以上机床的控制。其中两根 轴可以联动，而另外一根轴可以作周期性进给，如图1 - 23所示 (3)三轴联动数控机床 (4)四轴联动数控机床。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1一25所示 (5)五轴联动数控机床
化信息对机械运动及加工过程进行控制的一种方法。由于现代数 控技术都采用了计算机进行控制，因此也可以称为计算机数控 (CNC，Computerized Numerical Control)。 2.数控系统
用来实现数字化信息控制的硬件和软件的整体称为数控系统 (Numerical Control System，而数控系统的核心是数控装置 (Numerical Controller ) 。
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1. 2数控机床的基本组成、特点与类型
(3)数控特种加工机床。数控特种加工机床主要有数控电火花成型机床 (如图1一13(a)所示)、数控电火花线切割机床(如图1一13 (b)所示)、 数控冲床(如图1一13(c)所示)和数控激光切割机床(如图1一13(d)所 示)等
(4)其他类型数控机床 其他类型数控机床主要有数控三坐标测量机等，如图1一14所示
将生产决策、产品设计、产品制造直到产品销售的全面自动化 进行综合，构成的完整的生产制造系统，称为计算机集成制造系 统(CIMS , Computer Integrated Manufacturing System)。
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1.1数控机床的发展与基本概念
1.1. 3数控机床的发展趋势
1.高速、高效、高精度、高可靠性 2.模块化、智能化、柔性化和集成化 3.开放性
第1章数控机床的基础知识
1.1数控机床的发展与基本概念 1.2数控机床的基本组成、特点与类型 1.3数控机床坐标系 1.4数控机床的主要指标 1.5数控机床发展的趋势
1.1数控机床的发展与基本概念
1. 1. 1数控机床的发展回顾
1.数控(NC)阶段(1952-1970年) 20世纪五六十年代的通用计算机在处理速度和结构上满足不
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1. 2数控机床的基本组成、特点与类型
(4)在运动过程中，数控系统需要随时检测机床的坐标位置、行程开 关的状态等，并与程序的要求相比较，以决定下一步动作，直到 加工出合格的零件
(5)操作者可以随时对机床的加工情况、工作状态进行观察、检查， 必要时还需要对机床动作和加工程序进行调整，以保证机床安全、 可靠的运行。
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1. 3数控机床坐标系
1.3.3工件原点与工件坐标系
编程时一般选择工件上的某一点作为工件原点(或称为程序 原点)，并以这个原点建立的坐标系称为工件坐标系。工件坐标系 一旦建立便一直有效，直到被新的工件坐标系所取代。如图1一30 所示
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1. 3数控机床坐标系
2.坐标轴运动方向的确定 数控机床的某一坐标运动的正方向，是增大工件和刀具之间
距离的方向。一般先确定Z轴，然后确定X轴，最后再确定Y轴 (1) Z轴。Z轴一般是传递切削力的主轴轴线。 (2) X轴。X轴位于与工件装夹面相平行的水平面内且与z轴垂直。对
于数控车床、外圆磨床等工件旋转的机床，X轴的方向在工件的径 向上且平行于横滑座，其X轴的正方向取为远离工件的方向。 (3) Y轴。确定了X, Z轴的正方向后，Y坐标轴正方向可以根据右手 定则来确定，如图1一29(a)、(b)、(c)所示 (4)旋转坐标A, B, C。旋转坐标A, B, C相应的表示其轴线平行于X, Y, Z坐标的旋转运动，+A, +B, +C可根据右手螺旋定则来确定，如 图1一28所示
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1. 3数控机床坐标系
1.3.2数控机床原点、参考点与数控机床坐标系
数控机床坐标系是用来确定工件坐标系的基本坐标系。机床 坐标系的原点也称机床原点或零点。这个原点在机床一经设计和 制造调整后，便被确定下来，它是一个固定点。
为了正确地在机床工作时建立机床坐标系，通常在每个坐标 轴的移动范围内设置一个机床参考点。机床参考点是机床坐标系 中一个固定不变的极限点，其固定位置由各轴向的机械挡块来确 定。机床参考点可以与机床原点重合也可以不重合，通过机床参 数指定该参考点到机床原点的距离，如图1 -30 ( a)所示数控车床的 机床原点和参考点不重合，如图1一30(b)所示数控铣床/加工中心 的机床原点与参考点重合。数控机床工作时，先进行回机床参考 点的操作，就可建立机床坐标系。
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1. 2数控机床的基本组成、特点与类型
1.2.3数控机床的类塑
1.按机床用途分类 (1)金属切削类数控机床。金属切削类数控机床主要有数控车床(如图
1一11 ( a)所示)、数控铣床(如图1一11 (b)所示)、数控钻床(如图1 一11(c)所示)、数控锁床(如图1一11 (d)所示)、加工中心(如图1一 11(e)所示)和数控磨床(如图1一11 (f)所示)等 (2)金属成型类数控机床。金属成型类数控机床主要有数控弯管机(如 图1一12 ( a)所示)、数控折弯机(如图1一12 (b)所示)、数控剪板机 (如图1一12(c)所示)和数控高效卧式滚齿机(如图1一12 (d)所示)等
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1.1数控机床的发展与基本概念
6.柔性制造系统 在FMC的基础上，通过增加物流系统、工业机器人以及相关
设备，并由中央控制系统进行集中、统一控制和管理，这样的制 造系统称为柔性制造系统(FMS , Flexible Manufacturing System)。 7.计算机集成制造系统
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1. 2数控机床的基本组成、特点与类型
1.程序载体 程序载体是用于存取零件加工程序的装置。可将加工程序以
特殊的格式和代码(包括机床上刀具和工件的相对运动轨迹、工艺 参数和辅助运动等)存储在载体上，常用的有穿孔纸带、软磁盘、 盒式磁带、硬盘和闪存卡等 2.数控系统
数控系统主要由输入装置、信息处理和输出装置三个基本部 分构成，如图1一6所示