第一章数控机床概述第一节数控加工...

第一章数控机床概述
第一节数控加工的概念
一、概念：
数字控制(Numerical Control，简称NC)技术是用数字化信息进行控制的自动控制技术。

数控机床：是以数字化的信息实现机床控制的机电一体化产品，它把刀具和工件之间的相对位置，机床电动机的起动和停止，主轴变速，工件松开夹紧，刀具的选择，冷却泵的起停等各种操作和顺序动作等信息用代码化的数字信息送入数控装置或计算机，经过译码、运算，发出各种指令控制机床伺服系统或其它执行元件，使机床自动加工出所需要的工件。

数控加工：根据零件图样及工艺要求等原始条件，编制零件数控加工程序，并输入到数控机床的数控系统，以控制数控机床中刀具与工件的相对运动，从而完成零件的加工。

二、产生：1952年美国帕森斯公司（Parsons）和麻省理工学院(MIT)合作研制成功了世界上第一台数控机床，它是一台三坐标数控铣床，用于加工直升飞机叶片轮廓检查用样板。

第二节数控机床的组成与分类
一、数控机床的组成
数控机床是机电一体化的典型产品，是集机床、计算机、电机及拖动、自动控制、检测等技术为一体的自动化设备。

现代数控系统都为计算机数控系统(Computer Numerical Control，简称CNC)。

数控机床的基本组成包括加工程序、输入/输出装置、数控装置、伺服系统、辅助控制装置、反馈系统及机床本体。

图一数控机床的组成
第二节数控机床的组成与分类
CNC装置(CNC单元)：
CNC装置是数控机床的核心部件。

组成：计算机系统、位置控制板、PLC接口板，通讯接口板、特殊功能模块
以及相应的控制软件。

作用：根据输入的零件加工程序进行相应的处理（如运动轨迹处理、机床输
入输出处理等），然后输出控制命令到相应的执行部件(伺服单元、驱动装置
和PLC等)，所有这些工作是由CNC装置内硬件和软件协调配合，合理组
织，使整个系统有条不紊地进行工作的。

1. 操作面板
操作面板的是操作人员与机床数控装置进行信息交流的工具。

组成：按钮站、状态灯、按键阵列（功能与计算机键盘一样）和显
示器；。

它是数控机床特有的部件。

2. 控制介质与输入输出设备
控制介质记录零件加工程序的媒介
输入输出设备CNC系统与外部设备进行交互装置。

交互的信息通
常是零件加工程序。

即将编制好的记录在控制介质上的零件加工程
序输入CNC系统或将调试好了的零件加工程序通过输出设备存放
或记录在相应的控制介质上。

表1 控制介质和输入输出设备表
3. 通讯
现代的数控系统除采用输入输出设备进行信息交换外，一般都具有用通讯方式进行信息交换的能力。

它们是实现CAD/CAM的集成、FMS和CIMS的基本技术。

采用的方式有：
串行通讯（RS-232等串口）、
自动控制专用接口和规范（DNC，MAP等）
网络技术（internet，LAN等）。

4. CNC装置(CNC单元)
CNC装置是数控机床的核心部件。

组成：计算机系统、位置控制板、PLC接口板，通讯接口板、特殊功能模块Array
以及相应的控制软件。

作用：根据输入的零件加工程序进行相应的处理（如运动轨迹处理、机床输Array入输出处理等），然后输出控制命令到相应的执行部件(伺服单元、驱动装置
和PLC等)，所有这些工作是由CNC装置内硬件和软件协调配合，合理组
织，使整个系统有条不紊地进行工作的。

5伺服单元、驱动装置和测量装置
伺服单元和驱动装置
主轴伺服驱动装置和主轴电机
进给伺服驱动装置和进给电机
测量装置
位置和速度测量装置。

以实现进给伺服系统的闭环控制。

作用保证灵敏、准确地跟踪CNC装置指令：
进给运动指令：实现零件加工的成形运动（速度和位置控制）。

主轴运动指令，实现零件加工的切削运动（速度控制）
6PLC (P rogrammable L ogic C ontroller)、机床I/O电路和装置
PLC：用于控制机床顺序动作，完成与逻辑运算有关的开关量I/O控制，它Array
由硬件和软件组成；
机床I/O电路和装置：实现开关量I/O控制的执行部件，即由继电器、电磁
阀、行程开关、接触器等电器组成的逻辑电路；
功能：
接受CNC的M、S、T指令，对其进行译码并转换成对应的控制信
号，控制辅助装置完成机床相应开关动作
接受操作面板和机床侧的I/O信号，送给CNC装置，经其处理后，
输出指令控制CNC系统的工作状态和机床的动作。

7. 机床
机床：数控机床的主体，是实现制造加工的执行部件。

组成：由主运动部件、进给运动部件（工作台、拖板以及相应的传动机构）、支承件
（立柱、床身等）以及特殊装置（刀具自动交换系统工件自动交换系统）和辅助装置（如排屑装置等）。

二、数控机床的分类
按用途分类
1、金属切削类数控机床
金属切削类数控机床有数控车床、数控铣床、数控钻床、数控镗床、数控磨床、数控镗铣床等。

加工中心MC是带有刀库和自动换刀装置的数控机床。

2、金属成形类数控机床
金属成形类数控机床有数控折弯机、数控弯管机和数控压力机等。

3、数控特种加工机床
数控特种加工机床有数控电火花线切割机床、数控电火花加工机床、数控激光加工机床等。

按运动方式分类
1、点位控制系统
这类控制系统只控制工具相对工件从某一加工点移到另一个加工点之间的精确坐标位置。

而对于点与点之间移动的轨迹不进行控制，且移动过程中不作任何加工。

通常采用这一类系统的设备有数控钻床、镗床、冲床等。

2、直线控制系统
这类系统不仅要控制点与点的精确位置，还要控制两点之间的移动轨迹是一条直线，且在移动中能以给定的进给速度进行加工。

采用此类控制方式的设备有数控车床、数控铣床等。

3、连续控制系统
连续控制系统又称为轮廓控制系统或轨迹控制系统。

这类系统能够对两个或两个以上坐标方向进行严格控制，即不仅控制每个坐标的行程位置，同时还控制每个坐标的运动速度。

各坐标的运动按规定的比例关系相互配合，精确地协调起来连续进行加工，以形成所需要的直线、斜线或曲线、曲面。

采用此类控制方式的设备有数控车床、铣床、加工中心、电加工机床、特种加工机床等。

按控制原理分类 1、开环控制系统
这类系统不装备位置检测装置，即无位移的实际值反馈与指令值进行比较修正，因而控制信号的流程是单向的。

工作台
2、闭环控制系统
这种系统是带有位置检测装置，将位移的实际值反馈回去与指令值比较，用比较后的差值去控制，直至差值消除时才停止修正动作的系统。

按运动方式分类
点位控制系统 直线控制系统 连续控制系统
指令进给脉冲 驱动电路 步进电动机 传动结构
3、半闭环控制系统
这种系统是闭环系统的一种派生。

它与闭环系统的不同之处仅在将检测元件装在传动链的旋转部位，它所检测得到的不是工作台的实际位移量，而是与位移量有关的旋转轴的转角量。

因此，其精度比闭环系统稍差，但这种系统结构简单，便于调整，检测元件价格也较低，因而是广泛使用的一种数控系统。

按数控系统类型分类
1、经济型数控系统（又称简易数控系统）
这一档次的数控机床仅能满足一般精度要求的加工，能加工形状较简单的直线、斜线、圆弧及带螺纹的零件，采用的微机系统为单板机或单片机系统，具有数码显示，CRT字符显示功能，机床进给由步进电动机实现开环驱动，控制的轴数和联动轴数在3轴或3轴以下。

2、普及型数控系统（通常称之为全功能数控系统）
这类数控系统功能较多，除了具有一般数控系统的功能以外，还具有一定的图形显示功能及面向用户的宏程序功能等，采用的微机系统为16位或32位微处理机，具有
RS-232C通信接口，机床的进给多用交流或直流伺服驱动，一般系统能实现4轴或4轴以下联动控制。

3、高档数控系统
采用的微机系统为32位以上微处理机系统，机床的进给大多采用交流伺服驱动，除了具有一般数控系统的功能以外，应该至少能实现5轴或5轴以上的联动控制。

具有三维动画图形功能和宜人的图形用户界面，同时还具有丰富的刀具管理功能、宽调速主轴系统、多功能智能化监控系统和面向用户的宏程序功能，还有很强的智能诊断和智能工艺数据库，能实现加工条件的自动设定，且能实现与计算机的联网和通信。

4、基于PC的开放式数控系统
用通用微机技术开发数控系统可以得到强有力的硬件与软件支持，这些软件和硬件的技术是开放式的，此时的通用微机除了具备本身的功能外，还具备了全功能数控系统的所有功能。

第三节数控机床的控制对象
从数控机床最终要完成的任务看，主要应对以下三方面进行控制：
1、主运动
和通用机床一样，主运动主要完成切削任务，其动力约占整台机床动力的70%-80%，数控车床的主轴旋转运动如图1所示。

基本控制要实现主轴的正、反转和停止，可自动换档及无级调速；对加工中心和一些数控车床还必须具有准停控制和C轴控制功能。

2、进给运动
数控机床的进给运动是通过进给伺服系统来实现的，这是数控机床区别于通用机床的重要方面之一。

伺服控制的最终目的就是实现对机床工作台或刀具的位置控制，伺服系统中所采取的一切措施，都是为了保证进给运动的位置精度。

图2为数控车床的刀架的Z向进给运动，图3为数控车床的刀架的X向进给运动。

3、输入/输出(I/O)
数控系统对加工程序处理后输出的控制信号除了对进给运动轨迹进行连续控制外，还要对机床的各种状态进行控制，这些状态包括主轴的变频控制，主轴的正、反转及停止，冷却和润滑装置的起动和停止，刀具自动交换，工件夹紧和放松及分度工作台转位等，图4所示为数控车床的换刀运动。

主运动
X向进给运动
Z向进给运动
换刀运动
第四节数控机床的工作原理
数控机床加工零件时，首先要将零件图纸上的几何信息和工艺信息用规定的代码和格式编写成加工程序，然后将加工程序输入数控装置，经过计算机的处理、运算，按各坐标轴的分量送到相应的驱动电路，经过转换、放大去驱动伺服电动机，使各坐标移动若干个最小位移量，并进行反馈控制，使各轴精确走到程序要求的位置，实现刀具与工件的相对运动，完成零件全部轮廓的加工。

所谓插补，就是指在被加工轨迹的起点和终点之间，插进若干中间点，然后用已知线型（如直线、圆弧）逼近。

通常把数控机床上刀具运动轨迹是直线加工的称为直线插补；刀具运动轨迹是圆弧加工的称为圆弧插补。

一般的数控系统都具有直线和圆弧插补，能加工出各象限直线和圆弧。

对于复杂功能的数控机床，通过多轴控制、多轴联动实现空间曲线、曲面的加工。

数控机床的数字控制功能是由数控系统完成的。

数控装置能接受零件图纸加工要求的信息，进行插补运算，实时地向各坐标轴发出速度控制指令。

伺服驱动装置能快速响应数控装置发出的指令，驱动机床各坐标轴运动，同时能提供足够的功率和扭矩。

伺服系统中常用的驱动装置，根据控制系统的类型不同而不同，开环伺服系统常用步进电动机，闭环伺服系统常采用脉宽调速直流电动机和交流伺服电动机等。

检测装置将坐标位移的实际位置检测出来，反馈给数控装置中的比较器与指令位置进行比较，实现偏差控制。

伺服系统中常用的检测装置有测量线位移的光栅、磁栅、感应同步器等，测量角位移的旋转变压器、数字脉冲编码器等。

可编程控制器PLC, 在数控机床中一般用来对一些逻辑开关量进行控制，如：主轴的启、停，刀具更换、冷却液开关等。

直线插补
圆弧插补
(5,2)
X
Y
O
3
X
O
第五节数控加工的特点及应用范围
▪数控机床的应用范围
零件复杂程度
价值昂贵，不允许报费的关键零件；需要最少周期的急需零件；批量较大精度要求高的零件。

▪数控机床的特点
1、数控系统取代了通用机床的手工操作，具有充分的柔性，只要重新编制零件程序，更换相应工装，就能加工出新的零件。

2、零件加工精度一致性好，避免了通用机床加工时人为因素的影响。

3、生产周期短，特别适合小批量、单件零件的加工。

4、可加工复杂形状的零件，如二维轮廓或三维轮廓加工。

5、易于调整机床，与其他加工方法相比，所需调整时间较少。

6、易于建立计算机通信网络。

7、设备初期投资大。

8、由于系统本身的复杂性，增加了维修的技术难度和维修费用。

第五节数控机床机械结构的特点
▪对数控机床机械结构的要求
•提高机床的动、静刚度
•减少机床的热变形
•减少运动副的摩擦，提高传动精度
•提高机床的寿命和精度保持性
•自动化的机构，宜人的操作性
•安全防护和宜人的造型
对数控机床机械结构的要求
一. 提高机床的静、动刚度
•合理选择支承件的结构形式
•合理的结构布局
•采用补偿变形的措施
•合理选用构件的材料
二.减少机床热变形的措施
•减少机内发热
•改善散热和隔热条件
•合理设计机床的结构与布局
•进行热变形补偿
三. 减少运动副的摩擦
•采用滚动导轨或静压导轨
•采用贴塑滑动导轨
•用滚珠丝杠代替滑动丝杠
•采用无间隙滚珠丝杠传动和无间隙齿轮传动以提高传动精度
数控机床的主传动系统
•数控机床的主传动系统概述
主运动系统是指驱动主轴运动的系统，主轴是数控机床上带动刀具和工件旋转，产生
切削运动的运动轴，它往往是数控机床上单轴功率消耗最大的运动轴。

•主传动系统的作用：
①传递动力，传递切削加工所需要的动力
②传递运动，传递切削加工所需要的运动；
③运动控制，控制主运动运行速度的大小、方向和起停。

与进给伺服系统相比，它具有转速高、传递的功率大等特点，是数控机床的关键部件之一，对它的运动精度、刚度、噪声、温升、热变形都有较高的要求。

•数控机床的主传动系统要求：
1、动力功率高
由于对高效率的要求日益增长，加之刀具材料和技术的进步，大多数NC机床均要求有足够高的功率来满足高速强力切削。

一般NC机床的主轴驱动功率在3.7kW～250kW之间2、调速范围宽
除了功率方面的要求外，还应使主轴转速具有足够大的调整范围。

调速范围是指最高转速与最低转速之比，即Rn=nmax/nmin
3、控制功能多样化
4、性能要求高
主传动功率
•机床主传动的功率N可根据切削功率N c与主运动传动链的总效率η由下式来确定N=N c/η
•数控机床的加工范围一般都比较大，切削功率可以根据有代表性的加工情况，由其主切削力P z按下式来确定
调速范围宽
•在主运动系统中调速范围有恒扭矩、恒功率调速范围之分，如图所示，在基本转速(额定转速n c )以下是恒转速调速范围，通过调整电枢电压来实现，在n c以上是恒功率调速，通过调磁调速。

而且现在恒功率调速范围尽可能大，以便在尽可能低的速度下，利用其全功率(在低速时往往由于电流的限制，只能进行恒扭矩调速。

因为加工一些难加工材料所需求的转速范围相差很大，例如，钛需要低速加工，而铝合金材料却需要高速加工，而采用齿轮变速箱扩大变速范围的方法已不能满足要求。

• 主运动为旋转运动的机床，主轴转速n (r/min)由切削速度v (m/min)和工件或刀具的直径d (mm)来确定
•
对于数控机床，为了适应切削速度和工件（或刀具）直径的变化，主轴的最低和最高转速可根据下式确定
数控机床的主传动变速方式
• 无级变速
• 分段无级变速
• 内置电动机主轴变速（电主轴） • 有级变速（机械变速）
现代数控机床均采用交流主轴电机及交流变频驱动装置，下图为主轴输出特性曲线
主轴转速（r/min)
转矩（N .m )
功率（k w )
连续）
（极限）
主轴输出特性曲线----转速功率特性
控制功能多样化
由于NC 机床的种类繁多，不同的机床对主轴功能有不同的要求。

•
NC 车床车螺纹时要求有同步控制功能； •
加工中心为了能进行自动换刀需要主轴准停功能； •
NC 车床和NC 磨床在进行端面加工时，为了保证端面加工的粗糙度要求，要求接触点处的线速度为恒值，需要恒线速切削功能； • 还有些NC 机床有C 轴控制功能
性能要求高
对主轴电机的性能要求如下：
•
电机抗过载能力强，要求有较长时间(1～30min)和较大倍数的抗过载能力； •
在断续负载下，电机转速波动要小； •
速度响应要快，升降速时间要短； •
电机温升低，振动和噪音小； •
可靠性高，寿命长，维护容易； • 体积小，重量轻，与机床联接容易
普通电机—机械变速系统—主轴部件配置方式
该配置方式是一种传统的配置方式，它能够满足各种切削运动转矩输出的要求，但变速范围不大，由于是有级变速使切削速度的选择受到限制，而且该配置的结构较复杂，所以现在仅有少数经济型数控机床采用该配置，其他已很少采用。

变频器—交流电机—1～2级机械变速—主轴部件配置方式
特点：
•
变频电机经一对齿轮变速后，再通过二联滑移齿轮传动主轴，使主轴获得高速段和低速段转速。

•
优点是能够满足各种切削运动的转矩输出，且具有大范围的速度变化能力； •
具有结构简单、安装调试方便，且在传动上能满足转速与转矩的输出要求； •
调速范围及动力特性相对于交、直流主轴电机系统而言要差一些； •
主要用于经济型或中低档数控机床上。

主轴转速（r/min)转矩（N .m )
主轴输出特性曲线----转速转矩特性
变频器—交流电机—1～2级机械变速—主轴部件配置方式
特点：
•变频电机经一对齿轮变速后，再通过二联滑移齿轮传动主轴，使主轴获得高速段和低速段转速。

•优点是能够满足各种切削运动的转矩输出，且具有大范围的速度变化能力；
•具有结构简单、安装调试方便，且在传动上能满足转速与转矩的输出要求；
•调速范围及动力特性相对于交、直流主轴电机系统而言要差一些；
•主要用于经济型或中低档数控机床上¡£
变频器——交、直流主轴电机——1~2机械变速——主轴部件配置方式
特点：
•电机经同步齿形带传动主轴
•电机是性能更好的交、直流主轴电机，变速范围宽，最高转速可达8000 r/min
•在传动上能基本能满足目前大多数数控机床的要求，易于实现丰富的控制功能
•结构简单、安装调试方便，可满足现在中高档数控机床的控制要求
•对于越来越高的速度的需求，该配置方式已难以满足
电主轴
•这种电机由三个基本部分组成：空心轴转子、带绕组的定子、速度检测元件。

空心轴转子，它既是电机的转子，也是主轴，中间是空心的，用于装夹刀具或工件；带
绕组的定子，它和其他电机相似。

这种电机构成了较简单的主运动部件。

•它不仅可以使转速提高，若在其内应用较先进的轴承（如陶瓷轴承、磁悬浮轴承等）而且可使主轴部件结构紧凑、重量轻、惯量小，可提高启动、停止的响应特性，利于控制振动和噪声。

转速高，目前最高可达200000 r/min。

它的出现大大简化了主运动系统结构，实现了所谓的“零传动”，因而使传动精度大大提高，由于它具有上
述特点，在高速数控机床大量采用。

•在目前也存在着一些缺点，主要是电机运转产生的振动和热量将直接影响到主轴，因此，主轴组件的整机平衡、温度控制和冷却是内装式主轴电机的关键问题。

数控机床的主轴部件
•组成：主轴部件由主轴的支承、安装在主轴上的传动零件及装夹刀具或工件的附件组成。

•主要作用：①夹持工件或刀具实现切削运动；②传递运动及切削加工所需要的动力。

•机床对其主轴部件的主要要求有：
①主轴的精度要高。

精度包括运动精度(回转精度、轴向窜动)和安装刀具或夹
持工件的夹具的定位精度(轴向、径向)。

②部件的结构刚度和抗振性。

③运转温升不能太高以及较好的热稳定性。

④部件的耐磨性和精度保持能力。

对数控机床除上述要求外，在机械结构方面还应有：
①刀具的自动夹紧装置。

②主轴的准停装置。

③主轴孔的清理装置等
进给传动系统装置
•概述
进给系统机械传动结构是进给伺服系统的重要组成部分，它是实现成形加工运动所需的运动及动力的执行机构。

它主要由传动机构、运动变换机构、导向机构、执行件组成。

如下图所示。

其中常用的传动机构有传动齿轮和同步带；运动变换机构有丝杠螺母副、蜗杆齿条副、齿轮齿条副等；导向机构有滑动导轨、滚动导轨、静压导轨、轴承等。

•数控机床对进给运动的要求
减少摩擦阻力
提高传动精度和刚度
消除传动间隙
减小运动件的惯量
•对进给传动系统装置的要求：
由于机械传动结构的刚性、制造精度、摩擦阻尼特性等，对执行件运动特性和运动精度有重要影响，因此进给伺服系统对机械传动机构提出了较高的要求，主要有：
①摩擦力小，尤其是动静摩擦系数之差要小，故广泛采用如滚动摩擦等摩擦力较小的传动件及导轨；
②传动精度和刚度要高，要求消除传动间隙，并进行适当的预紧。

以增加传动系统刚度；
③运动惯量要小，尽可能减小运动部件质量，以提高响应速度。

•齿轮传动及齿轮消隙
齿轮传动在伺服进给系统中的作用是：改变运动方向、降速、增大扭矩、适应不同丝杠螺距和不同脉冲当量的配比等。

当在伺服电机和丝杠之间安装齿轮（直齿、斜齿、锥齿等）时，必然产生齿侧间隙，造成反向运动的死区，必须设法消除。

目前消除齿侧间隙普遍采用双片齿轮结构。

键联接消隙
•当齿轮与轴联接时，键两侧的间隙也必须设法消除。

联轴节
由于伺服电机性能的提高，目前许多场合都采用伺服电机与丝杠直接相联，由于伺服系统对传动精度要求较高，因而对联轴节也提出了较高的要求，主要有无间隙、传动中弹性变形小、高速传动平稳、稳定可靠等。

图是较典型的联轴节的结构形式。

滚珠丝杠螺母副
•丝杠螺母副是运动变换机构，其功用是将旋转运动变换成直线运动。

按丝杠与螺母的摩擦性质分类：①滑动丝杠螺母副，主要用于旧机床的数控化改造、经济型数控机床等；②滚珠丝杠螺母副，广泛用于中、高档数控机床；③静压丝杠螺母副，主要用于高精度数控机。