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。