第一章：数控机床的工作过程

3、驱动系统
数控装置发出的脉冲信号，必须经过驱动系统的 放大，才能由相应的电动机拖动机床的机械部分进行 相应的动作。
在数控机床中，这样的系统称为伺服驱动系统，简称伺 服器。
数控机床中的驱动系统包括用于控制进给的驱 动系统和控制主轴的驱动系统两种。其中进给驱动系 统要求必须能对机床移动部件的位置和速度进行控制。 主轴驱动系统的基本要求是能对主轴转速进行控制， 加工中心的主轴系统还要能对转角进行精确控制。
1、数控机床的机械本体： 数控机床的机械本体一般包括床身、工作台、主轴部件、 刀具部件等内容 与普通机床相比，在结构上有以下几个方面的特点： 1）主传动装置多采用无级变速或分段无级变速方式， 可利用程序控制主轴的转动方向和转动速度，主传动具 有较宽的调速范围
2）进给传动装置中广泛采用无间隙滚珠丝杠传动和无 间隙齿轮传动，利用贴塑导轨或静压导轨来减少运动 副的摩擦力，提高传动精度。
3）床身、立柱、横梁等主要支承件采用合理的截面形 状。且采取一wk.baidu.com补偿变形的措施使其具有较高的结构 刚度。
4）加工中心具有刀库和自动换刀装置，可进行多工序、 多面加工，大大提高了生产率。
2、数控装置
数控装置是数控系统的核心。现代的数控装置普遍采 用通用计算机作为数控装置的主要硬件，包括微型机 系统的基本组成部分，CPU、存储器、局部总线以及 输入输出接口等；软件部分就是我们所说的数控系统 软件。数控装置的基本功能是，读入零件加工程序， 根据加工程序所指定零件形状，计算出刀具中心的移 动轨迹，并按照程序指定的进给速度，求出每个微小 的时间段（插补周期）内刀具应该移动的距离，在每 个时间段结束前，把下一个时间段内刀具应该移动的 距离送给伺服单元
图1.2点位数控机床加工示意图
（2）直线控制数控机床
1）直线控制数控机床的特 点是除了控制点与点之间 的准确定位外，还要保证 两点之间移动的轨迹是一 条与机床坐标轴平行的直 线。
2）对移动的速度也要进 行控制，因为这类数控机 床在两点之间移动时要进 行切削加工，如图1.3所示。
图1.3
直线数控机床加工示意图
二、数据处理
数据处理程序一般包括刀具参数补偿、速度计算和辅助功能的处理。 刀具参数补偿主要是把零件轮廓轨迹转化为刀具中心轨迹或在刀具 长度上进行处理。速度计算是解决加工程序段及程序段间的速度运动 问题。加工速度的确定是一个工艺问题，数控系统只是保证这个编程 速度的可靠实现。另外，辅助功能如主轴功能、换刀等也可在这个程 序中实现。
2）半闭环控制系统
1）半闭环控制系统是在开环系统的丝杠上装有角位 移测量装置，通过检测丝杠的转角间接地检测移动部件的 位移，反馈到数控系统中，由于惯性较大的机床移动部件 不包括在检测范围之内，因而称作半闭环控制系统，如图 1.6所示。
2）系统闭环环路内不包括机械传动环节，可获得稳 定的控制特性。机械传动环节的误差，可用补偿的办法消 除，可获得满意的精度。中档数控机床广泛采用半闭环数 控系统。
总之，数控机床的运行在数控系统的控制下，处于不断 地计算、输出、反馈等控制过程中，从而保证刀具和 工件之间相对位置的准确性。与其他加工方法相比， 数控机床有以下优点：
1）数控系统取代了普通机床的手工操纵，具有充分的 柔性，只要编制成零件程序就能加工出零件。
（2）零件加工精度一致性好，避免了普通机床加工时人 为因素的影响。
这类数控机床指在加工工艺过程中能完成一个（或部 分）工序加工的数控机床，如数控车床、数控铣床、数控 磨床、数控钻床等。其自动化程度还不够完善，刀具的更 换与零件的装夹仍需人工来完成。
2) 加工中心
加工中心是指带有刀库和自动换刀装置的数控机床， 可以分为车削加工中心和铣削加工中心。
2． 按控制方式分类
三、位置控制
将计算机送出的位置进给脉冲和进给速度指令， 经变换和放大后转化为进给电动机（步进电动机或交、 直流伺服电动机）的转动，从而带动机床工作台移动。
四、管理程序
当一个程序段开始插补时，管理程序即着手准备下一个或几个程 序段的读入、译码、数据处理，即由它调用各个功能子程序，且保证一 个程序段加工过程中将下一个程序段准备就绪。一旦本程序段加工完成， 即开始下一个程序段的插补加工。整个零件加工就在这种周而复始的过 程中完成。
1.1 数控机床的作用
一、数控机床的产生
数字控制（Numerical Control, 简称NC）技术，简称 数控技术，是使用数字化信息按给定的工作程序、运动轨迹和 速度，对控制对象进行控制的一种技术。数字控制系统中的控 制信息是数字量。它所控制的一般是位移、角度、速度等机械 量， 也可以是温度、压力、流量、颜色等物理量。这些量的 大小不仅可以测量，而且可经过转换，用数字信号表示。
概念：数控技术就是指用数字、字母和符号对某一工作过 程进行可编程自动控制的技术
采用了数控技术的设备称为数控设备。其操作命令是用数字
或数字代码的形式来描述，工作过程是按指令程序自动进行。
数控机床就是一种典型的数控设备，它是装备了数控系统的金
属切削机床。
1952年，美国帕森斯公司和麻省理工学院研制成功了 世界上第一台数控机床。半个世纪以来，数控技术得到了 迅猛的发展，加工精度和生产效率不断提高。数控机床的 发展至今已经历了两个阶段和六代。
3．按机床运动的控制轨迹分类
1）点位控制数控机床
1)点位控制只要求控制机床的移动部件从某一位置移动到另 一位置的准确定位，对于两位置之间的运动轨迹不作严格 要求，在移动过程中刀具不进行切削加工，如图1.2所示。 2)为了实现既快又准的定位，常 采用先快速移动，然后慢速趋近 定位点位的方法来保证定位精度。 3)主要有数控钻床、数控冲床、 数控镗床、数控点焊机等。
（3）生产周期较短，特别适合小批量、单件的加工。 （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，与其他制造方法（如自动机床、自 动生产线）相比，所需调整时间
第四节：数控机床的工作过程
数控机床的工作过程包括基于原理的工作过程和 基于使用的加工过程。加工过程一般包括加工前的工 艺准备、机床调整、程序调试、试切加工和正式加工 等内容；基于原理的工作过程是指以数控装置为核心 的数控机床如何协调完成数控加工任务的所有内容， 它包括数据的输入（输出）、程序处理、位置控制、 程序管理等方面
（3）轮廓控制数控机床
1）轮廓控制能够对两 个或两个以上的运动坐 标的位移及速度进行连 续相关的控制，因而可 以进行曲线或曲面的加 工，如图1.4所示。 2）具有轮廓控制功能 的数控机床有数控车床、 数控铣床、加工中心等。
图1.4 轮廓数控机床加工示意图
第三节：数控机床的构成
数控机床一般由机床机械本体和数控装置、 伺服系统、可编程程序控制器、检测反馈装置 等组成。
常见的进给驱动系统有步进驱动和交流伺服驱动等。
四、其他部件
位置检测装置也称反馈元件，通常安装在机床 的工作台上或丝杠上，用来检测工作台的实际位移或 丝杠的实际转角。在闭环控制系统中这个实际位移或 转角有的要反馈给数控装置，由数控装置计算出实际 位置和指令位置之间的差值，并根据这个差值的方向 和大小，去控制机床，使之朝着减小误差的方向移动。 位置检测装置的精度直接决定了数控机床的加工精度。
1）开环控制系统
开环控制系统是指不带反馈的控制系统. 其特点:开环控制具有结构简单、系统稳定、容易调试、 成本低等优点。但是系统对移动部件的误差没有补偿和校 正，所以精度低。一般适用于经济型数控机床和旧机床数 控化改造。 如图1.5,部件的移动速度和位移量是由输入脉冲的频率 和脉冲数决定的。
图1.5 开环控制系统
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二、数控机床的特点
➢1．对加工对象的适应性强 ➢2．加工精度高 ➢3．生产效率高 ➢4．操作者劳动强度低 ➢5．经济效益好 ➢6．便于生产管理的现代化
第二节 数控机床的种类
一、数控机床的种类 1．按工艺要求分类
1) 普通数控机床
1952年的第一代——电子管数控机床 1959年的第二代——晶体管数控机床 1965年的第三代——集成电路数控机床 1970年的第四代——小型计算机数控机床 1974年的第五代——微型计算机数控系统 1990年的第六代——基于PC的数控机床。
机械工程系
二、 数控机床的发展趋势 1．高速、高精度化
高速指的是高的主轴转速、高的快速移动速 度和高的换刀速度 。
一、数据输入/输出
输入给数控装置的有零件加工程序、电器接口信号和补 偿数据等。
输入装置可将不同的加工信息传递给数控装置。
输出是指输出内部工作参数（含机床正常、理 想工作状态下的原始参数、故障诊断参数等）。对机 床刚工作时的状态，一般需输出以记录保存这些参数， 待工作一段时间后，再将输出与原始资料比较、对照， 可帮助判断机床工作是否维持正常。
图1.6 半闭环控制系统
3）闭环控制系统
1）在机床移动部件上直接装有位置检测装置，将测量的结果直 接反馈到数控装置中，与输入指令进行比较控制，使移动部件按照 实际的要求运动，最终实现精确定位，原理如下图所示，因为把机 床工作台纳入了位置控制环，故称为闭环控制系统。
2）该系统定位精度高、调节速度快。该系统调试工作困难。系 统复杂并且成本高，故适用于精度要求很高的数控机床，如精密数 控镗铣床、超精密数控车床等。
高精度化是指提高数控机床的精度。 2．高可靠性 数控机床的平均无故障工作时间（小时）。
3、机床功能复合化
复合化是为了提高零件加工效率，减少辅 助时间。能减少装卸时间，提高机床生产效率， 减少半成品库存量，又能保证和提高形位精度。
4、智能化、网络化、柔性化
智能化是指数控机床控制加工精度和加工 效率的智能化。