现代数控装备设计技术Word下载.docx
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数控机床主要是由计算机系统、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组成。
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。
其中，CNC装置是CNC系统的核心。
数控机床的组成框图如下图：
而数控机床主机的特点是高刚度、高抗振性、小的机床热变形、高效率、无间隙、低摩擦传动等，数控机床的特点要求适应性强，适合加工单件小批量复杂零件、加工精度高，产品质量稳定、自动化程度高，劳动强度低、生产效率高，减少辅助时间和机动时间、良好的经济效率、有利于生产管理的现代化。
1.3数控机床的分类
（一）按控制刀具与工件相对运动的轨迹分类：
（1）点位控制数控机床（位置控制）
其特点是仅能实现刀具相对于工件从一点到另一点的精确定位运动；
对轨迹不作控制要求；
运动过程中不进行任何加工。
其适用范围：
数控钻床、数控镗床、数控冲床和数控测量机。
（2）轮廓控制数控机床（连续控制）
其特点：
具有控制几个进给轴同时谐调运动（坐标联动），使工件相对于刀具按程序规定的轨迹和速度运动，在运动过程中进行连续切削加工的数控系统。
适用范围：
数控车床、数控铣床、加工中心等用于加工曲线和曲面的机床。
现代的数控机床基本上都是装备的这种数控系统。
（二）按照伺服驱动系统的控制方式分类
●开环控制系统：
●闭环控制系统，又可分为半闭环控制系统和全闭环控制系统
半闭环控制系统框图：
全闭环控制系统框图：
（三）按工艺用途分类
切削加工类：
数控镗铣床、数控车床、数控磨床、加工中心、数控齿轮加工机床、FMC等。
成型加工类：
数控折弯机、数控冲裁机等。
特种加工类：
数控线切割机、电火花加工机、激光加工机等。
其它类型：
数控装配机、数控测量机、机器人等
第二章多轴联动数控机床
近年来，随着我国国民经济迅速发展和国防建设的需要，对高档的数控机床提出了迫切的大量需求。
机床是一个国家制造业水平的象征。
现代数控机床已经发展了二轴、三轴、五轴、甚至六轴联动，而代表机床制造业最高境界的就是五轴联动数控机床系统，从某种意义上说，它反映了一个国家的工业发展水平状况。
所以，在此，以五轴联动数控机床为主，围绕数控机床分五轴联动数控机床的实现方法、目前进展、新型传动方式、结构形式及特点、未来发展趋势等几方面进行介绍。
2.1多轴联动数控机床的实现方法
2.1.1基于PLC的数控加工中心两轴联动控制的实现方法：
该方法是以HJD-4数控加工中心试验台为平台，并配置继电器、接触器、开关按钮等辅助器件；
以PLC为控制核心，通过PLC按位进行动作状态设置，实现了加工中心单轴动作和两轴联动的手动切换功能。
其逻辑简单、可移植性强，并能通过程序扩展实现更多轴的联动，可广泛应用与船用零部件加工及其他机械加工领域中。
系统框图如图：
硬件部分如图：
输入部分和输出部分分别如下图：
2.1.2基于回转工作台的三轴数控机床多轴化实现方法：
将数控机床为ZJK7523A-4型变频主轴三轴联动立式数控铣钻床，在保持原有数控机床机械结构和数控系统的基础上，设计一种可直接安装于原有数控机床工作台面上的回转工作台。
使其在加工过程中，当ZJK7523A-4型变频主轴三轴联动立式数控铣钻床的加工头在X、Y、Z方向平动的时候，被装卡在回转工作台上的加工工件可以随着回转工作台绕X轴、Y轴、Z轴旋转，机床加工头与回转工作台的完美配合最终实现了机床的多维复合加工。
回转工作台正视图：
回转工作台侧视图：
2.1.3五轴联动数控机床的实现方法：
在五轴联动数控系统中，一般含有非正交轴系，使用现有的直线，圆弧等差补方法很难精确的生成直线或圆弧轨迹。
如果将控制多关节机械手运动的方法有效地应用到梧州数控系统中，那么，五轴数控系统的联动控制就可以实现了。
采用这种方法可以在加工中实时获得各轴的移动量和进给速度，轻而易举的就实现了多轴联动控制。
五轴控制系统联动控制框图如图：
2.2多轴联动数控机床的目前进展
2.2.1目前发展状况
五轴联动数控机床是为适应多面体和曲面零件加工而出现的。
它的加工效率相当于两台三轴机床，有时甚至可以完全省去某些大型自动化生产线的投资。
CIMT99展览会上国产五轴联动数控机床第一次登上机床市场的舞台。
自江苏多棱数控机床股份有限公司展出第一台五轴联动龙门加工中心以来，北京机电研究院、北京第一机床厂、桂林机床股份有限公司、济南二机床集团有限公司等企业也相继开发出五轴联动数控机床。
2009年4月25日，中国机械工业联合会、国务院三峡工程建设委员会三期工程重大设备制造检查组在鞍钢重型机械有限公司联合召开了产品鉴定会及产品演示会。
济南二机床集团有限公司（以下简称“济南二机床”）为鞍钢机械总公司提供的国内首台双龙门移动式机械五轴联动数控镗铣床通过国家验收，该设备解决了国家发电行业急需大型水轮机叶片加工设备的难题，再次打破了国外技术垄断。
如下图：
当前，国产五轴联动数控机床在品种上已经拥有立式、卧式、龙门式和落地式的加工中心，适应不同大小尺寸的杂零件加工，加上五轴联动铣床和大型镗铣床以及车铣中心等的开发，基本涵盖了国内市场的需求。
精度上，北京机床研究所的高精度加工中心、宁江机械集团股份有限公司的NJ25HMC40卧式加工中心和交大昆机科技股份有限公司的TH61160卧式镗铣加工中心都具有较高的精度，可与发达国家的产品相媲美。
在产品市场销售上，江苏多棱、济南二机床、北京机电研究院、宁江机床、桂林机床、北京一机床等企业的产品已获得国内市场的认同。
2.2.2近年来数控机床的新发展新研究
2009年新结构五轴叶片加工中心研制成功：
由四川长征机床集团有限公司与东方汽轮机厂共同开发研制，国内首创的XKH2000五轴联动叶片加工中心研制成功并通过鉴定。
XKH2000五轴叶片加工中心是一种新型的叶片加工机床，转台具有大转矩、响应快、精度高、耐磨性好的特点；
主轴变速范围广，选用了双齿轮消隙的传动方式，传动部件分配合理，性能优越，提高了机床的定位精度和重复定位精度；
换刀准确可靠，克服了因突然断电主轴箱体下滑损害刀具和叶片的缺陷；
能满足长度为2000mm和直径500mm以下的叶片加工。
2009年险峰机床厂大重型数控轧辊磨床研制成功：
贵州险峰机床厂自行设计开发的首批3台MK84250大重型数控轧辊磨床通过贵州省级技术鉴定并通过验收。
MK84250大重型数控轧辊磨床最大磨削直径为2.5m，最大顶尖距为11m，磨削工件最大重量为250t，其特点是拥有超大规格和特重负荷的专业性主机实体；
具备自主化的在线轧辊测量机构；
配有自动辅助翻箱及工件“软着陆”缓冲功能；
能配备国内先进的工件辊面自动探伤装置。
2009年我国首条铣床生产线研制成功：
齐齐哈尔第二机床集团公司为西南铝业集团大飞机项目自行设计、自主研发的中国首条重型铝锭组合铣床全自动化生产线一次性试车成功。
这台高科技现代化加工设备，是西南铝业集团加工国产大飞机铝板带项目的高端产品，具有完全自主知识产权的国内首台重型数控龙门铝锭组合铣床全自动化生产线。
2009年天水星火150t数控重型卧式车床研制成功：
天水星火机床有限责任公司研制的“CCK61350×
120×
150S数控重型卧式车床”通过科技成果鉴定。
星火技术中心研发的这台“CCK61350×
150S数控重型卧式车床”首次采用了电子链代替机械传动链，去掉了大量的传动齿轮。
该产品设计的主轴伺服电动机与主轴箱Ⅰ轴直联主传动系统，具有优良的功率转矩特性。
主轴转速范围为0.4～80r/min，电动机功率为DC160kW；
2009年济南二机床双龙门移动式机械五轴联动数控镗铣床研制成功：
由济南二机床集团负责开发研制的国内首台XKV2745×
200双龙门移动式机械五轴联动数控镗铣床通过国家验收。
这台4.5m×
20m双龙门移动机械传动五轴联动数控镗铣床以先进的五轴联动重切削特性，完成复杂三维曲面的精确切削加工，提高了工件被加工面的精度和表面粗糙度，减少或取消了后序的手工修磨。
新型重型龙门式五轴联动混联机床：
华中数控展示的数控系统新产品：
2.3多轴联动数控机床的新型传动方式
数控机床的传动方式主要通过传动系统实现的，而数控机床的主传动系统是实现数控机床主运动的传动系统，它的转速高，传递的功率大是数控机床的关键部件之一。
而数控机床主传动系统的主轴变速方式主要有：
（1）无级变速
数控机床一般采用直流或交流主轴伺服电动机实现主轴无级变速。
交流主轴电动机及交流变频驱动装置数控机床（笼型感应交流电动机配置矢量变频调速系统），由于没有电刷，不产生火花，所以使用寿命长，且性能已达到直流驱动系统的水平，甚至在噪声方面还有所降低。
加工中心因此，目前应用较为广泛。
（2）分段无级变速
数控机床在实际生产中，并不需要在整个变速范围内均为恒功率。
一般要求在中、高速段为恒功率传动，在低速段为恒转矩传动。
为了确保数控机床主轴低速时有较大的转矩和主轴的变速范围尽可能大，有的数控机床在交流或直流电动机无级变速的基础上配以齿轮变速，使之成为分段无级变速。
●带有变速齿轮的主传动加工中心：
这是大中型数控机床较常采用的配置方式，通过少数几对齿轮传动，扩大变速范围时常用变速齿轮的办法，滑移齿轮的移位大都采用液压拨叉或直接由液压缸带动齿轮来实现。
●通过带传动的主传动加工中心：
这种传动主要用在转速较高、变速范围不大的机床，电动机本身的调整就能够满足要求，不用齿轮变速，可以避免由齿轮传动时所引起的振动和噪声。
它适用于高速、低转矩特性的主轴。
●用两个电动机分别驱动主轴，这是上述两种方式的混合传动，具有上述两种性能，高速时由一个电动机通过带传动，低速时，由另一个电动机通过齿轮传动，数控机床齿轮起到降速和扩大变速范围的作用，这样就使恒功率区增大，扩大了变速范围，避免了低速时转矩不够且电动机功率不能充分利用的问题。
（3）内置电动机主轴变速
这种主传动是电动机直接带动主轴旋转，因而简化了主轴箱体与主轴的结构，提高了主轴部件的刚度，但主轴输出转矩小，电动机发热对主轴的精度影响较大。
近年来，出现了一种新式的内装电动机主轴，即主轴与电动机转子合为一体。
其优点是主轴组件结构紧凑，质量轻，惯量小，可提高起动、停止的—响应特性，并利于控制振动和噪声。
但缺点是电动机运转产生的热量易使主轴产生热变形。
因此，温度控制和冷却是使用内装电动机主轴的关键问题。
日本研制的立式加工中心主轴组件，其内装电动机最高转速可达20000r／min。
2.4多轴联动数控机床的结构形式及特点
2.4.1多轴联动数控机床的结构形式
五轴联动数控机床大多是3+2结构，一般由3个平动轴加上两个回转轴组成，根据旋转轴具体结构的不同分为3种形式，即x、y、z三个直线运动轴加上分别围绕x、y、z轴旋转的a、b、c三个旋转轴中的两个旋转轴组成。
这样，从大的方面分类就有x、y、z、a、b；
x、y、z、a、c；
x、y、a、b、c三种形式；
由两个旋转轴的组合形式来分，大体上有双转台式、转台加上摆头式和双摆头式三种形式。
这三种结构形式由于物理上的原因，分别决定了机床的规格大小和加工对象的范围。
五轴机床模型结构图和双转台式五轴联动机床加工（汽车大灯）模具分别如下图：
而比较新的五轴联动机床旋转轴的结构一般采用所谓“零传动”技术的扭转电机，如瑞士的米克朗、德国的德马吉等著名五轴联动加工中心产品品牌。
零传动技术在旋转轴中的应用，也许是解决其传动链刚性和精度的最理想的技术路线，随着技术的发展，扭转电机的制造成本大大下降，市场价格也随之下降，这一进程促使五轴联动机床的制造技术大大地前进一步。
如图为瑞士米克朗采用扭转电机技术的龙门式五轴联动加工中心：
2.4.2多轴联动数控机床的特点
虽然，五轴联动机床的使用比三轴机床要复杂许多，使用成本也要高出许多，对编程、操作人员的要求也要高出许多，但是五轴联动机床之所以这么受到广泛使用，是因为：
五轴联动数控机床有高效率、高精度的特点，工件一次装夹就可完成五面体的加工。
若配以五轴联动的高档数控系统，还可以对复杂的空间曲面进行高精度加工，更能够适应像汽车零部件、飞机结构件等现代模具的加工。
采用五轴联动机床加工，不仅可以做到复杂工件的所谓“一次装夹，除了装卡面全部干完”的五面体加工效果，而且有效解决到了因二次装卡带来的误差问题；
其次，还可以做到刀具的恒线速切削，从而得到较高的切削效率和精度，以及均匀的加工粗糙度；
再就是五轴联动机床可以加工普通三轴机床因刀具“干涉”而不能够加工的工件，如整体叶轮、一些高档的模具等。
以上几点，就是五轴联动区别于其他数控机床的特点，可以使得五轴联动机床高效地加工出三轴机床不可能得到的高品质和高精度的复杂零件。
第三章多轴数控机床的未来发展趋势
五轴联动数控机床是一种科技含量高、精密度高专门用于加工复杂曲面的机床，这种机床系统对一个国家的航空、航天、军事、科研、精密器械、高精医疗设备等等行业有着举足轻重的影响力。
现在，大家普遍认为，五轴联动数控机床系统是解决叶轮、叶片、船用螺旋桨、重型发电机转子、汽轮机转子、大型柴油机曲轴等等加工的唯一手段。
随着技术的进步，五轴联动机床的制造和应用技术也越来越成熟，数控系统的进步、伺服驱动技术的进步，“零传动”技术的进步对旋转轴技术的巨大影响和推动，与五轴加工相关的CAD/CAM技术的迅速进步以及对相关培训工作的重视等，使得五轴联动机床的制造和使用成本呈现下降的趋势，因而在世界范围内五轴联动机床的应用也将越来越广泛。
为了满足市场的需要，达到现代制造技术对数控技术提出的更高的要求，当前，世界数控技术及其装备的发展主要体现为以下几方面技术特征：
1、高速、高效
机床向高速化方向发展，不但可大幅度提高加工效率、降低加工成本，而且还可提高零件的表面加工质量和精度。
超高速加工技术对制造业实现高效、优质、低成本生产有广泛的适用性。
2、高精度
从精密加工发展到超精密加工，是世界各工业强国致力发展的方向。
其精度从微米级到亚微米级，乃至纳米级（&
lt;
10nm），其应用范围日趋广泛。
3、高可靠性
随着数控机床网络化应用的发展，数控机床的高可靠性已经成为数控系统制造商和数控机床制造商追求的目标。
对于每天工作两班的无人工厂而言，如果要求在16小时内连续正常工作，无故障率在P（t）＝99%以上，则数控机床的平均无故障运行时间MTBF就必须大于3000小时。
4、复合化
在零件加工过程中有大量的无用时间消耗在工件搬运、上下料、安装调整、换刀和主轴的升、降速上，为了尽可能降低这些无用时间，人们希望将不同的加工功能整合在同一台机床上，因此，复合功能的机床成为近年来发展很快的机种。
5、多轴化
随着5轴联动数控系统和编程软件的普及，5轴联动控制的加工中心和数控铣床已经成为当前的一个开发热点，5轴联动机床以其无可替代的性能优势已经成为各大机床厂家积极开发和竞争的焦点。
6、智能化
智能化是21世纪制造技术发展的一个大方向。
智能加工是一种基于神经网络控制、模糊控制、数字化网络技术和理论的加工，它是要在加工过程中模拟人类专家的智能活动，以解决加工过程许多不确定性的、要由人工干预才能解决的问题。
7、网络化
数控机床的网络化，主要指机床通过所配装的数控系统与外部的其它控制系统或上位计算机进行网络连接和网络控制。
数控机床一般首先面向生产现场和企业内部的局域网，然后再经由因特网通向企业外部，这就是所谓Internet/Intranet技术。
8、柔性化
数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是：
从点（数控单机、加工中心和数控复合加工机床）、线（FMC、FMS、FTL、FML）向面（工段车间独立制造岛、FA）、体（CIMS、分布式网络集成制造系统）的方向发展，另一方面向注重应用性和经济性方向发展。
柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段，是各国制造业发展的主流趋势，是先进制造领域的基础技术。
9、绿色化
21世纪的金切机床必须把环保和节能放在重要位置，即要实现切削加工工艺的绿色化。
目前这一绿色加工工艺主要集中在不使用切削液上，这主要是因为切削液既污染环境和危害工人健康，又增加资源和能源的消耗。
目前在欧洲的大批量机械加工中，已有10~15%的加工使用了干和准干切削。
总之，数控机床技术的进步和发展为现代制造业的发展提供了良好的条件，促使制造业向着高效、优质以及人性化的方向发展。
可以预见，随着数控机床技术的发展和数控机床的广泛应用，制造业将迎来一次足以撼动传统制造业模式的深刻革命.
总结
本文介绍了的数控机床概念和分类、多轴数控机床的发展现状、机构特点以及未来的发展趋势，高速化、高精度化、高可靠性、复合化、智能化、柔性化、集成化和开放性是当今数控机床行业的主要发展方向。
随着工业化的深入，数控机床必将应用于更加广泛的领域。
但是目前国内的机床和国外还存在一定差距，我国只有紧跟世界机床发展的步伐，深人研究，不断加大自主创新的力度，进一步加大对数控机床业的支持力度，生产企业也应该注重培养人才，解决产业化进程中的技术问题，努力开发具有市场竞争力的高速、高效、高精度、高可靠性产品，提高企业的核心竞争能力，使我国的数控机床技术发展的更快，在新的机床工业发展中不断前进。
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