第1章 数控机床概论

第1章数控机床概述
学习目标：数控机床是典型的机电一体化产品，是现代制造业的关键设备。

本章主要讲述数控机床的基本概念、数控机床的分类以及数控机床的技术与发展水平等。

本章要求理解并掌握数控机床的基本概念和分类，了解数控技术的发展趋势以及以数控机床为基础的自动化生产系统的发展。

1.1 数控机床的基本概念
1.1.1 数控机床及其特点
数控（Numerical Control，NC）——数字控制，用数字和符号构成的数字化信息自动控制机床运转的技术。

数控机床（Numerically Controlled Machine Tool ）——采用了数控技术的机床。

数控机床是一种高效、新型的自动化机床，具有广泛的应用前景。

它与普通机床相比具有以下特点：
（1）适应性、灵活性好
（2）精度高、质量稳定
（3）生产效率高
（4）劳动强度低、劳动条件好
（5）有利于现代化生产和管理
（6）使用、维护技术要求高
1.1.2 数控机床的组成
数控机床的种类很多，但任何一种数控机床主要由控制介质、数控系统、伺服系统和机床主体四部分组成，如图1-1所示。

此外数控机床还有许多辅助装置，如自动换刀装置，自动工作台交换装置自动对刀仪，自动排屑装置及电、液、气、冷却、润滑、防护等装置。

图1-1 数控机床的组成
（1）控制介质是指将零件加工信息传送到控制装置中去的程序载体。

（2）数控系统是数控机床的核心。

（3）伺服系统是数控系统的执行机构之一，执行由CNC装置输出的运动指令。

（4）机床主体也称主机，它包括机床的主运动部件、进给运动部件、执行部件和基础部件。

（5）辅助装置是数控机床在实现整机的自动化控制中，为了提高生产效率、加工精度、还需要配备许多辅助装置，如液压和气动装置、自动换刀装置、自动工作台交换装置、自动对刀装置、自动排屑装置等。

1.1.3 数控机床的工作过程
如图1-2所示，数控机床的加工，首先要将被加工零件图样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到数控系统，在数控系统控制软件的支持下，经过处理与计算后，发出相应的控制命令，再通过伺服系统使机床按预定的轨迹运动，从而完成零件的加工。

图1-2 数控机床工作原理
（1）零件图工艺才处理
（2）数学处理
（3）数控编程
（4）程序输入
（5）译码
（6）数据处理
（7）插补 插补：在工件轮廓的起点和终点之间进行“数据密化”，并求取中间点的过程。

在数控加工中，一般已知工件轮廓的起点终点和轮廓线，如直线的起点、终点，圆弧的起点、终点、圆心或半径。

数控系统按一定的算法在轮廓线上计算出若干个逼近轮廓的中间点的坐标，机床伺服系统根据坐标值确定各个坐标轴的进给方向、速度和位移量，完成工件的加工。

形（零件图纸）
形（成型零件）
数(数控程序） 编
程
加 工
插补运算的速度和精度直接影响数控系统的加工精度和速度。

是整个数控系统软件的核心。

由于直线和圆弧是构成零件轮廓的基本几何元素，故大多数数控系统都具有直线和圆弧插补功能。

如图1-3所示。

图1-3 直线插补和圆弧插补
1.1.4 数控机床的技术性能指标
1．数控机床的精度指标
（1）定位精度和重复定位精度定位精度是指数控机床工作台等移动部件在确定的终点所达到的实际位置的精度。

因此移动部件实际位置与理想位置之间的误差称为定位误差。

定位误差包括伺服系统、检测系统、进给系统等误差，还包括移动部件导轨的几何误差等。

定位误差将直接影响零件加工的位置精度。

重复定位精度是指在同一台数控机床上，应用相同程序相同代码加工一批零件，所得到的连续结果的一致程度。

重复定位精度受伺服系统特性、进给系统的间隙与刚性以及摩擦特性等因素的影响。

一般情况下，重复定位精度是成正态分布的偶然性误差，它影响一批零件加工的一致性，是一项非常的性能指标。

对于中小型数控机床，定位精度普遍可达0.015mm，重复定位精度为0.003mm。

（2）分度精度分度精度是指分度工作台在分度时，理论要求回转的角度值和实际回转的角度值的差值。

分度精度既影响零件加工部位在空间的角度位置，也影响孔系加工的同轴度等。

（3）分辨度与脉冲当量分辨度是指两个相邻分散细节之间可以分辨的最小间隔。

对测量系统而言，分辨度是可以测量的最小增量；对控制系统而言，分辨度是可以控制的最小位移增量，即数控装置每发出一个脉冲信号，反映到机床移动部件上的移动量，一般称为脉冲当量，脉冲当量是设计数控机床的原始数据之一，其数值的大小决定数控机床的加工精度和表面质量。

目前普通数控机床的脉冲当量一般采用0.001mm，精密或超精密数控机床的脉冲当量采用0..1（甚至0.01）μm。

脉冲当量越小，数控机床的加工精度和加工表面质量越高。

2．数控机床的可控轴数与联动轴数
数控机床的可控轴数是指机床数控装置能够控制的坐标数目。

数控机床可控轴数和数控装置的运算处理能力、运算速度及内存容量等有关。

世界上最高级数控装置的可控轴数已达到24轴。

数控机床的联动轴数是指机床数控装置控制的坐标轴同时达到空间某一点的坐标数目。

3．数控机床的运动性能指标
数控机床的运动性能指标主要包括主轴转速、进给速度、坐标行程、摆角范围和刀库容量及换刀时间等。

4．数控系统的技术性能指标
（1）数控系统的CPU （2）数控系统的分辨率（3）控制功能（4）伺服驱动系统的性能（5）数控系统内置PLC功能（6）系统的通讯接口功能（7）系统的开放性（8）可靠性和故障自诊断
1.2 数控机床的分类
1.2.1 按运动控制的特点分类
按照运动部件控制方式的不同，数控机床可分为如下几种。

1. 点位控制数控机床
对于一些加工孔用的数控机床，如数控钻床，数控镗床，数控冲床，三坐标测量机，印刷电路板钻床等。

它们只要求获得精确的孔隙坐标定位精度，而不管从一个孔到另一个孔是按照什么轨迹运动，在刀具运动过程中，不进行切削加工。

具有这种运动控制的机床称为点位控制数控机床。

点位控制的数控机床加工平面内的孔隙，它控制平面内的两个坐标轴带动刀具与工件作相对运动，运动停止后，控制刀具进行钻、镗切削加工；为了提高效率和确保精确的定位精度，首先系统控制进给部件高速运行、接近目标点时，采用分级或连续降速，低速趋近目标点，从而减少运动部件的惯性过冲和因而引起的定位误差。

如图1-4所示。

2. 直线控制数控机床
控制刀具或工作台以一定的速度沿直线从一个点移动到另一个点，移动过程中进行切削加工。

代表机床：简易数控车、数控铣。

如图1-5所示。

3. 轮廓控制数控机床（又称连续控制）
可以同时控制两个或两个以上的坐标轴进行加工，并连续控制加工过程中每个点的坐标和速度，实现连续切削加工，以形成所需的曲线或曲面。

根据联动轴数可细分为2轴联动、2.5轴联动（任意两轴联动，第三轴周期进给，即可控3轴，联动2轴）、3轴联动、4轴联动（X、Y、Z和A或B）、五轴联动（X、Y、Z或任意两个旋转轴）。

三轴联动以上的零件加工程序采用自动编程。

除了少数专用的数控机床，如数控钻床、冲床等以外，现代的数控机床都具有轮廓控制功能。

如图1-5所示。

图1-4 点位控制图1-5 直线控制图1-6轮廓控制
1.2.2 按伺服系统的类型分类
1. 开环控制的数控机床
特点：没有测量反馈装置；伺服驱动原件为步进电机，如图1-7所示。

优点：结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉
缺点：没有测量反馈装置，控制精度不高。

控制精度取决于步进电机的步距精度和机械传动链（减速器、丝杠等）的传动精度。

应用：广泛应用于经济型数控机床或旧机床数控化改造上。

图1-7 开环控制系统框图
2. 闭环数控机床
特点：位置检测装置安装在工作台上，直接测量工作台的实际位置；伺服驱动元件为直流、交流伺服电机。

如图1-8所示。

优点：可以消除机械传动部分的各种误差，控制精度高，使加工精度大大提高。

缺点：价格昂贵，调试维修复杂、成本高。

应用：主要用于精度要求高的镗铣床、超精车床、超精磨床和大型的数控机床。

图1-8 闭环控制系统框图
3. 半闭环数控机床
特点：测量反馈装置安装在驱动电机或丝杠的端部，通过测量电动机或丝杠的旋转角度来间接测量工作台的位移；伺服驱动元件为直流、交流伺服电机。

如图1-9所示。

优点：控制精度高于开环控制系统，稳定性较好，成本低，调试维修比较方便。

缺点：闭环内不包括或只包括少部分机械传动链，部分误差无法消除。

应用：兼顾开环与闭环的优点，应用广泛。

图1-9 半闭环控制系统图
1.2.3 按加工工艺方法分类
1. 金属切削数控机床
2. 金属成形数控机床
3.特种加工数控机床
1.2.4 按功能水平分类
1. 高、中、低（经济型）档。

2. 经济性（简易）、普及型（全功能）和高档型。

1.3 数控机床产生与发展及技术水平
1.3.1 数控机床的产生与发展
数控机床跟随计算机技术的发展而发展，经历了两个阶段，共六代系统。

1. 数控阶段（NC阶段）
第一代：1952年采用电子管元件构成的专用NC系统。

1948年，美国帕森斯公司在制造飞机框架和直升飞机螺旋桨叶片时，为提高精度和效率，首先提出了采用数字控制技术进行机械加工的方案。

美国军方出资，帕森斯公司和麻省理工学院共同开始研制，到1952年诞生了世界上第一台数控机床，是一台立式数控铣床，成功实现了三轴联动。

但这只是一台试验性机床，第一台工业用数控机床于1954年底生产出来。

第二代：1959年采用晶体管电路的NC系统。

同年，出现了带有自动换刀装置的数控机床，称为“加工中心”。

从1960年开始，德国、日本等工业国家都陆续开发、生产和使用数控机床。

第三代：1965年采用小、中规模集成电路的NC系统
1967年，英国首先把几台数控机床联结成具有柔性的加工系统，这就是最初的柔性制造系统(FMS)。

NC阶段的特点：由硬件数字逻辑电路“搭”成专用的计算机作为数控系统。

又称为普通数控系统或硬件数控系统。

2. 计算机数控系统（CNC阶段）
第四代：1970年采用小型计算机的NC系统
许多功能可通过软件实现，通用性强，数控机床从此进入CNC（Computer Numerical Control ）阶段。

第五代：1974年采用微处理器的数控系统
微处理器是将计算机的核心原件采用大规模集成电路集成在一块半导体
芯片上，具有中央处理器的功能。

第六代：1990年，基于PC及的数控系统
3. 我国数控系统的发展
发展史：
1958年开始研制，清华大学
1966年生产第一台晶体管数控机床
1970年后进入第三代数控系统的研发，但发展缓慢
80年代后开始飞速发展，技术引进，消化吸收，自主研发
发展现状：
相比先进的工业国家（德国数控系统性能水平最高，日本产量最大），我国在数控领域存在一定的差距：
我国数控机床的生产远远满足不了国内生产的需要。

从03年起，我国成为世界上最大的机床消费国和数控机床进口锅，且进口量逐年递增。

我国目前可生产各种类型的机床，但水平参差不起。

有世界而领先水平的机床，但主要以生产经济型机床为主（80%），机床行业“大而不强”。

高中档仍然依靠进口，但由于国家大力支持，追赶速度很快。

10年后随着国防工业和汽车工业的发展，国内会出现世界先进水平的制造商，并成为世界第一机床生产国。

数控系统是我国最为薄弱的环节，日本FANUC系统和德国SIEMENS系统占据世界市场的80%左右。

国内数控系统刚刚开始产业化，水平质量一般，主要为经济型，高档数控系统95%为国外系统。

1.3.2 数控机床的发展趋势
1. 高速化
主轴转速：如果机床采用电主轴（内装式主轴电机），即主轴电机的转子轴就是主轴部件。

主轴最高转速达200000r/min。

进给速度：在分辨率为0.01μm时，最大进给率达到240m/min且可获得
复杂型面的精确加工；
运算速度：CPU已发展到32位以及64位。

换刀速度：目前国外先进加工中心的刀具交换时间普遍已在1s左右，高的已达0.5s。

2. 高精度化
数控机床的精度主要体现在定位精度和重复定位精度。

数控机床配置了新型、高速、多功能的数控系统，其分辨率可达到0.1μm，有的可达到0.01μm，实现了高精度加工。

伺服系统采用前馈控制技术、高分辨率的位置检测元件、计算机数控的补偿功能等，保证了数控机床的高加工精度。

目前数控机床的定位精度可达0.001 mm，重复定位精度可达0.0005mm。

3. 多功能化
CNC装置功能的不断扩大，促进了数控机床的高度自动化及多功能化。

数控机床的数控系统大多采用CRT（Cathode Ray Tube）显示，可实现二维图形的轨迹显示，有的还可以实现三维彩色动态图形显示；有的数控系统装有小型数据库，可以自动选择最佳刀具和切削用量；有的数控系统具有各种监控、检测等功能，如刀具寿命管理、刀具尺寸自动测量和补偿、工件尺寸自动测量及补偿、切削参数自动调整、刀具磨损或破损检测等功能，有的甚至可以实现无人化运行。

4．加工功能复合化
在一台机床上实现多工序、多方法加工是数控机床发展的又一趋势。

已经出现了集钻、镗、铣功能于一身的数控机床，可完成钻、镗、铣、扩孔、铰孔、攻螺丝等工序的数控加工中心，以及车削加工中心，钻削、磨削加工中心，电火花加工中心等。

近年来又出现了高复合化数控机床，如增加了车削和磨削功能的镗铣类加工中心等，不但有更高的加工精度，而且可以提高工作效率，节约占地面积和投资。

5．结构新型化
一种完全不同于原来数控机床结构的新型数控机床，上世纪90年代被开发成功。

这种被称为“6条腿”的加工中心或虚拟轴机床(有的称并联机床)，在没有任何导轨和滑台，采用能够伸缩的“6条腿”（伺服轴）支撑并联，并与安装主轴头的上平台和安装工件的下平台相连。

它可实现多坐标联动加工，其控制系统结构复杂，加工精度、加工效率较普通加工中心高2~10倍。

这种数控机床的出现将给数控机床技术带来重大变革和创新。

6．编程技术自动化
自动编程系统，如图形交互式编程系统、数字化自动编程系统、会话式自动编程系统、语音数控编程系统等，其中图形交互式编程系统的应用越来越广泛。

图形交互式编程系统是以计算机辅助设计（CAD）软件为基础，首先形成零件的图形文件，然后再调用数控编程模块，自动编制加工程序，同时可动态显示刀具的加工轨迹。

其特点是速度快、精度高、直观性好、使用简便，已成为国内外先进的CAD/CAM软件所采用的数控编程方法。

目前常用的图形交互式软件有Master CAM、Cimatron、Pro/E、UG、CAXA等。

7．数控系统的智能化
数控系统的智能化包括多个方面，一是为追求加工效率和加工质量方面的智能化；二是为提高驱动性能及使用连接的智能化；三是简化编程和操作方面的智能化；四是数控系统的智能诊断、智能监控等。

随着人工智能在计算机领域的渗透和发展，数控系统引入了自适应控制（Adaptive Control）、模糊系统和神经网络的控制机理，不但具有自动编程、模糊控制、学习控制、自适应控制、工艺参数自动生成、三维刀具补偿、运动参数动态补偿等功能，而且人机界面极为友好。

同时数控系统还具有故障诊断专家系统，其自诊断和故障监控功能更趋完善。

此外，伺服系统智能化的主轴交流驱动和智能化进给伺服装置，能自动识别负载和优化调整参数。

8．数控系统的开放性
数控系统的开放性可以大量采用通用微机的先进技术，如多媒体技术、实
现声控自动编程、图形扫描自动编程等。

数控系统还可向高集成度方向发展，每个芯片上可以集成更多个晶体管，使系统更加小型化、微型化，可靠性大大提高。

利用多CPU的优势，实现故障自动排除，增强通讯功能，提高进线和联网能力。

开放式新一代数控系统，其硬件、软件和总线规范都是对外开放的。

充足的软、硬件资源，不仅使数控系统制造商和用户进行的系统集成得到有力的支持，而且也为用户的二次开发带来极大的方便，促进了数控系统多档次、多品种的开发和广泛应用，既可通过升档或剪裁构成各种档次的数控系统，又可通过扩展构成不同类型数控机床的数控系统，开发生产周期大大缩短。

这种数控系统可随CPU升级而升级，结构上不必变动。

9. 数控系统的高可靠性
10.数控系统的网络化
1.3.3 以数控机床为基础的自动化生产系统的发展
1. 柔性制造系统（FMS）
2. 计算机集成制造系统（CIMS）
1.3.4 数控技术在先进制造技术中的作用。