数控机床基础知识

图1—16
编程坐标系
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1.4.3 对刀点与换刀点
对刀点是数控加工中刀具相对工件运动 的起点，程序也是从这一点开始执行，所以 对刀点也称为“起刀点”或“程序起点”。 对刀点选择的原则如下： （1）找正容易。 （2）编程方便。 （3）对刀误差小。 （4）加工时检查方便、可靠。
图1—5 辅助控制装置
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5. 检测装置
检测反馈装置将数控机 床各个坐标轴的实际位移 量、速度参数检测出来， 转换成电信号，并反馈到 机床的数控装置中。 检测装置的检测元件有 多种，常用的有直线光栅 （见 图1—6）、光电编码 器（见图1—7）、圆光栅 、绝对编码尺等。
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1.4.1 机床坐标系
（1）机床相对运动的规定 （2）机床坐标系的规定 （3）运动方向的规定 （4）坐标轴方向的确定 （5）机床原点 （6）机床参考点
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（1） 机床相对运动的规定 数控机床的加工动作主要分刀具的动 作和工件的动作两部分，在确定机床坐标 系的方向时，始终认为工件静止，而刀具 是运动的。这样编程人员在不考虑机床上 工件与刀具具体运动的情况下，就可以依 据零件图样，确定机床的加工过程。
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§1—2 数控机床的分类和常见 数控机床简介
1.2.1 数控机床的分类
1. 按控制运动的方式分类 (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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图1—13 数控车床的机床原点
图1—14
数控铣床的机床原点
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（6）机床参考点 机床参考点是用于对机床运动进行检 测和控制的固定位置点。图1—15所示为数 控车床的参考点与机床原点。
图1—15 数控车床的参考点
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1.4.2 编程坐标系
数控机床加工零件的工作过程如图1—8所示。加 工步骤如下： （1）根据被加工零件的图样与工艺方案，用规定的代 码和程序段格式编写出加工程序。 （2）将所编写加工程序指令输入到机床数控装置中。 （3）数控装置对程序（代码）进行处理之后，向机床 各个坐标的伺服驱动机构和辅助控制装置发出控制信 号。
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（2） 闭环控制数控机床
闭环控制数控机床的特点是在机床 移动部件上直线安装直线位移检测装置 （如直线光栅等），将测量的实际位移 值反馈到数控装置中，与输入的指令位 移值进行比较，用比较的差值对机床进 行控制，直至差值消除为止，使移动部 件按照实际需要的位移量运动，最终实 现移动部件的精确运动和定位，从而使 加工精度大大提高。
工作台
主轴
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1. 控制介质
控制介质是指将零件加工信息传送到 数控装置去的程序载体。随数控装置类型 的不同而不同，常用的有磁盘、移动硬盘 、Flash（U盘）等（见图1—2）。
a) 图1—2
b) 常用的控制介质
c)
a) 磁盘 b) 移动硬盘 c) U盘
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a) 驱动装置 b ) 伺服电动机 图1—4 伺服机构
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4.辅助控制装置
辅助控制装置是介于数控装置和机床机械、液 压部件之间的强电控制装置。由于可编程控制器（ PLC）具有响应快、性能可靠、易于使用、编程和 修改程序，并可直接驱动机床电气等特点，现已广 泛用作数控机床的辅助控制装置。图1—5所示为某 可编程控制器的外观图。
广 东 省 农 垦 湛 江 技 工 学 校 图1—20 直线控制加工图 图1—21 轮廓控制加工图
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2. 按伺服系统的特点分类
（1）开环控制数控机床 开环控制数控机床的特点是其控制系 统不带反馈装置，执行机构通常采用功 率步进电动机或电流脉冲马达，如图1— 22所示。
（4）伺服机构接到执行信号指令后，驱动机床的各个运 动部件，并控制所需的辅助动作。 （5）机床自动加工出合格的零件。
图 样
①
程序
②
数控 装置
③
伺服 机构
④
机床 本体
⑤
工件
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1.4 数控机床的坐标系
数控机床的坐标系通常分为机床 坐标系和编程坐标系。 （1）机床坐标系 （2）编程坐标系 （3）对刀点与换刀点
a) 图1—10 右手直角坐标系
b)
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(3) 运动方向的规定 对于机床坐标系的方向，均将增大刀具 与工件距离的方向确定为各坐标轴的正方 向，如图1—11所示为数控车床上两个运动 的方向。
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（4） 坐标轴方向的确定 1）Z坐标的运动方向：是由传递切削的 动力的主轴所决定的，即平行于主轴轴线 的坐标轴发即为Z坐标，Z坐标的正向为刀 具离开工件的方向。如图1—11所示的数控 车床的Z坐标。
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1.2 数控机床的组成
数控机床主要由控制 介质、数控装置、伺服装 置、辅助控制装置、检测 装置和机床本体组成。如 图1—1所示。
控 制 介 质 数 控 装 置 伺服机构 辅助控制装置 检测装置 机 床 本 体
冷却液箱 图1—1 床身 主轴箱
控制面板 电气柜
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（3） 半闭环控制数控机床 半闭环控制数控机床的特点是在伺 服电动机的轴或数控机床的传动丝杠上 装有角度检测装置（如光电编码器等） ，通过检测丝杠的转角间接地检测移动 部件的实际位移，然后反馈到数控装置 中去，与输入的指令位移值进行比较， 用比较的差值对机床进行控制。
编程坐标系也称为工件坐标系 ，是编程人员根据零件图样及加 工工艺等建立的坐标系。 编程坐标系一般供编程使用， 确定编程坐标系时不必考虑工件 毛坯在机床上的实际装夹位置。 编程坐标系的原点（编程原点 ）应尽量选择在零件的设计基准 或工艺基准上，编程坐标系中各 轴的方向应该与所使用的数控机 床相应的坐标轴方向一致，如图 1—16所示为车削零件的编程坐 标系及编程原点。
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图1—23
闭环电路图
图1—24
半闭环电路图
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3. 按数控机床的显示分类
（1）低档数控机床 （2）中档数控机床 （3）高档数控机床
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1.2.2 常见数控机床简介
1.数控车床
数控车床一般具有两轴联动功能，Z轴 是与主轴方向平行的运动轴，X轴是在水 平面向内与主轴方向垂直的运动轴。图 1—25所示为一台数控车床的外观图。
图1—6 直线光栅
图1—7
光电编码器
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6.机床本体
机床本体是数控机床的主体，是用于完 成各种切削加工的机械部分，包括主运动 部件、进给运动执行部件（如工作台、滑 板及其传动部件）和床身、立柱、支承部 件等。
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1.3 数控机床的工作原理
(1) 点位控制数控机床
点拉控制数控机床的特点是只控制 从一点到另一点位置的精确定位,而不控 制移动轨迹,在移动和定位过程中不进行 任何加工,如图1—19所示。
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(2) 直线控制数控机床
直线控制数控机床也自然数为点位直 线控制机床。其特点是机床移动部件不 仅要实现由一个位置到另一个位置的精 确定位，而且要控制工作台以给定的速 度，沿平行坐标轴方向进行直线切削运 动（有些机床还可以进行45°斜率直线 的加工），如图1—20所示。
数控加工基础
中国劳动社会保障出版社
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第一章 数控机床基础知识
§1—1 数控与数控机床 §1—2 数控机床的分类和常见数控 机床简介 §1—3 数控机床的加工特点
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引
入
在机械制造工业中，单件与小批量生产的 零件（批量在10～100件）约占机械加工总量 的75%～80%。尤其是航空航天、造船、机床、 重型机械以及国防工业中使用的零件，精度要 求高、形状复杂、加工批量小，用普通机床加 工这些零件效率低、劳动强度大，有时甚至不 能加工。为了解决这些问题，一种具有高精度 、高效率、灵活、通用性强的自动化加工设备 ——数控机床应运而生，它为多品种、小批量 ，特别是结构复杂、精度要求高的零件提供了 自动化加工手段。
2）X坐标
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X坐标平行于工件的装夹平面，一 般在水平面内。确定X坐标的方向时 ，要考虑两种情况： ①如果工件做旋转运动，则刀具 离开工件回转中心的方向为X坐标的 正方向。如图1—11所示的数控车床 的X坐标。 ②如果刀具做旋转运动，则分为 两种情况：Z坐标水平时，观察者沿 刀具主轴向工件看时，+X运动方向 指向右方；Z坐标垂直时，观察者面 对刀具主轴向立柱看时，+X运动方 向指向右方，如图1—12所示的立式 数控铣床的X坐标。
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§1—1 数控与数控机床
1.1 数控与数控机床的概念
数控即数字控制（Numerical Control，简称 NC），是20世纪中期发展起来的一种自动控制技 术，是用数字化信号进行控制的一种方法。 数控机床（Numerical Control Tool）是用数 字化信号对机床的运动及其加工过程进行控制的 机床，或者说是装备了数控系统的机床。 计算机数控（Computer Numerical Control） 系统是采用计算机控制加工功能，实现数字控制 ，并通过接口与外围设备连接。简称CNC系统。
2. 数控装置
数控装置是数控机床的核心。如图1—3 所示是某数控车床的数控装置。它由输入装 置（如键盘）、控制运算器和输出装置（如 显示器）等构成。
图1—3 数控装置
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3. 伺服机构
伺服机构是 数控机床的执行 机构，由驱动装 置和执行部件（ 如伺服电动机） 两大部分组成， 如图1—4所示。
图1—12 立式数控铣床的坐标系
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3） Y坐标 在确定X、Z坐标的正方向后，可以用根 据X和Z坐标的方向，按照右手直角坐标系 来确定Y坐标的方向。如图1—12所示的Y坐 标。
（5） 机床原点
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机床原点又称为机床零点，即 机床坐标系的原点，是指在机床 上设置的一个固定点，它在机床 装配、调试时就已确定下来，是 数控机床进行加工运动的基准参 考点。 1）数控车床的机床原点 在数控车床上，机床原点一般 设在卡盘端面与主轴中心线的交 点处，如图1—13所示。 2）数控铣床的原点 在数控铣床上，机床原点一般 设在X、Y、Z坐标的正方向极限 位置上，如图1—14所示。
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(3) 轮廓控制数控机床
轮廓控制数控机床是对两个或两个以 上轴同时进行控制。它不仅要控制机床 移动部件的起点和终点，而且要控制加 工过程中每一点的速度、方向和位移量 ，运动轨迹是任意的直线、圆弧、螺旋 线等，将工件加工成一定的轮廓形状， 如图1—21所示。
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（2） 机床坐标系的规定
标准机床坐标系中X、Y、Z坐标轴的相互关系由右手笛卡儿直 角坐标系决定，如图1—10a 所示。 1）伸出右手的大拇指、食指和中指，并互为90°。大拇指代 表X坐标，食指代表Y坐标，中指代表Z坐标。 2） 大拇指的指向为X坐标的正方向，食指的指向为Y坐标的 正方向，中指的指向为Z坐标的正方向。 3）围绕X、Y、Z坐标旋转的旋转坐标分别用A、B、C表示，根 据右手螺旋定则，大拇指的指向为Z、Y、Z坐标中任意轴的正向 ，则其余四指的旋转方向即为旋转坐标A、B、C的正向，如图1— 10b所示。