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数车中级
第一节数控机床基本概述
随着社会生产和科学技术的飞速发展，机械制造技术发生了深刻的变化，机械产品日趋精密复杂，且改型频繁，尤其是在字航、军事、造船等领域所需的零件，精度要求高形状复杂，批量又小传统的普通机械加工设备已难以适应市场对产品多样化的要求。
为了满足上述要求，以数字控制技术为核心的新型数字程序控制机床应运而生
1948年，美国帕森斯公司（ParsonsCo.）受美国空军委托与麻省理工学院伺服机构研究h（ServoMechanismusLaboratoryoftheMassachusettsInstituteofTechnology）合作进行数控机床的研制工作。
1952年．第一台三坐标立式铣床试制成功，但第一台工业用数控机床直到1954年11月才生产出来
我国数控机床的研制是从1958年起步的．由清华大学研制出了最早的样机
早期的数控机床控制系统采用电子管．其体积大，功耗高，只在军事部门应用，只有当电子微处理机用于数控机床后，才真正使数控机床得到了普及。
一、何谓数控机床
数控（NC）是数字控制（NumericalControl）的简称，是20世纪中叶发展起来的一种用数字化信息进行自动控制的一种方法。
装备了数控技术的机床，称为数控机床，也简称为VC机床。
70年代初，随着计算机技术的发展．使小型计算机的价格急剧下降采用小型计算机代替专用控制计算机的第四代数控系统，不仅在经济上更为合算，而且许多功能可用编制的专用程序来实现，将它存储在小型计算机的存储器中，构成所谓控制软件，提高了系统的可靠性和功能特色这种数控系统又称为软接线（软线）数控．即计算机数控系统，
简称CNC（ComputerizedNC）。
1976年制成以微处理机为核心的数控系统．称为第五代微型机数控系统。
简称MNC
（MicrocomputerizedNC）。
国际信息联盟第五技术委员会对数控机床做了如下定义：
数控机床是一个装有程序控制系统的机床该系统能够逻辑地处理具有使用号码或其
他符号编码指令所规定的程序。
定义中的控制系统就是数控系统。
二、数控机床的工作原理
数控机床工作原理如图1-1所示。
首先根据被加工零件的图样．将工件的形状、尺
寸及技术要求等，采用手工或计算机按运动顺序和所用数控机床规定的指令代码及程序格
式编成加工程序单．并将这些程序代码存储在穿孔纸带、磁带、班盆及其伯计算机用通信
方式等信息载体上（或直接用键盘输人），然后经输人装置．读出信息井送人数字控制装
置。
数控装置就依照指令带上的数码指令进行一系列处理和运算，变皮肚冲信号．并将其
输人驱动装置，带动机床传动机构，机床工作部件有次序地按要求的程序自动进行工作
（如工件夹紧与放松、冷却液的开闭、刀具的自动更换、各轴的进给等）．加工出图样要求
的零件。
图1-1数控机床工作原理图
1—零件图样2-程序设计3一程序单4一制穿孔带5一穿孔纸带6一纸带盘
7一光电读卡机8数控装置9-步进电动机1滚珠丝杠级母副
三、数控机床的组成
组成一台完整的数控机床，主要由控制介质（穿孔带、磁带）、数控装置、伺服系统和机床四部分及辅助装置组成，如图1-2所示为其基本框图。
图1一2数控机床的组成
1.控制介质
数控机床工作时，不需要人直接操纵机床，但机床又必须执行人的意图。
这就需要一
种在人与机床之间建立某种联系的中间媒介物称为控制介质。
在控制介质上存储着加工
零件所需要的全部操作信息和刀具相对工件的位移信息。
因此，控制介质就是指将零件加
工信息传送到数控装置去的信息载体。
控制介质有多种形式，它随着数控装置类型的不同
而不同，常用的有穿孔带、穿孔卡、磁带、磁盘等。
控制介质上记载的加工信息要经过输
入装置传送给数控装置，常用的输入装置有光电纸带输人机、磁带录音机和磁盘驱动器
等。
除了上述几种控制介质以外，还有一部分数控机床采用数码拨盘、数码插销或利用键
盘直接将程序及数据输人。
另外，随着CAD/CAM技术的发展，有些数控设备利用CAD/
CAM软件在其他计算机上编程，然后通过计算机与数控系统通信，将程序和数据直接传
送给数控装置。
2.数控装置
数控装置是数控机床的控制中心．被喻为“中枢系统”。
数控装置由输人装置、控制
运算器（CPU）和输出装置等构成（见图1-3）。
图中虚线内包含部分为数控装置
数控装置的功能是接受控制介质上的各种信息．经过识别与译码后．送到运算控制器
进行计算处理，再经过输出装置将运算控制器发出的控制命令送到伺服系统，带动机床完
成相应的运动
目前均采用微型计算机作为数控装置。
微型计算机的中央处理单元（CPU）又称为微
处理器，是一种大规模集成电路，它将运算器、控制器集成在一块集成电路芯片中。
在微
型计算机中，输人与输出电路也采用大规模集成电路，即所谓的I/O接口。
微型计算机拥
有较大容量的寄存器，并采用高密度的存储介质，如半导体存储器和磁盘存储器等。
图1-3数控装置组成图
3.伺服系统
伺服系统是数控系统的执行机构，包括驱动、执行和反馈装置。
伺服系统接受数控系
统的指令信息，并按照指令信息的要求与位置、速度反馈信号相比较后带动机床的移动部
件或执行部件动作，加工出符合图样要求的零件。
指令信息以脉冲信号表示，反映到机床
移动部件上的移动量称为脉冲当量，常用脉冲当量为。
001^-0.01mm,脉冲当量在设计
数控机床时即已规定
伺服系统直接影响数控机床的速度、位置、加工精度、表面粗糙度等
当前数控机床的伺服系统，常用的位移执行机构有功率步进电动机、直流伺服电动机
和交流伺服电动机。
后两者都带有光电编码器等位置测量元件，可用来精确控制工作台的
实际位移量和移动速度
4.机床本体
机床本体是数控机床的实体，是完成实际切削加工的机械部分，它包括床身、底座、
工作台、床鞍、主轴等。
它与普通机床相比较有所改进，具有以下特点
（1）数控机床采用了高性能的主轴及伺服系统，机械传动结构简化，传动链较短
（2）机械结构具有较高的刚度、阻尼精度及耐磨性，热变形小
（3）更多地采用高效传动部件，如滚珠丝杠副、直线滚动导轨等。
与普通机床相比，数控机床的外部造型、整体布局，传动系统与刀具系统的部件结构
及操作机构等方面都已发生了很大的变化。
这些变化的目的是为了满足数控机床的要求和
充分发挥数控机床的特点。
因此，必须建立数控机床设计的新概念
5.辅助装置
辅助装置主要包括换刀机构、工件自动交换机构、工件夹紧机构、润滑装置、冷却装
置、照明装置、排屑装置、液压汽动系统、过载保护与限位保护装置等。
第二节数控机床的分类
数控机床的种类很多，一般可以按以下几种方式来划分，见表1-1.
数控机床的分类方式
分类方式
包括内容
按运动轨迹分类
点位控制数控机床、直线控制数控机床、轮廓控制（连续轨迹）控制数控机床
按联动轴数分类
2轴联动数控机床、2.5轴联动数控机床、3轴联动数控机床、多轴联动数控机床
按工艺类型分类
金属切削类数控机床、金属成型类数控机床、特种加工、其他类型数控机床
按伺服类型分类
开环、闭环和半闭环控制数控机床、混合环伺服系统数控机床
按数控装置功能水平分类
低档、中挡、高挡数控机床
一、按运动轨迹分类
l点位控制数控机床
汽位控制数控机床的特点是控制刀具或机床工作台等移动部件的终点位置．即控制移动部件由一个点准确地社动到另一个点，而点与点之间的运动轨迹没有严格要求。
在移动和定位过程中刀具不进行任何切削加工。
因此、为了尽可能减少移动部件的运动时间和提高定位
精度．通常先快速移动到接近终点坐标．然后进行l一3次减速．准确移动到定位点，以保证定位精度、见图1一幻使用这类控制系统的数控机床有数控钻床、数控坐标镗床、数控冲床、数控点焊机、数控折弯机和数控测量机等。
2.直线控制数控机床
直线控制数控机床的特点是刀具相对于工件的运动，既要控制起点与终点之间的准确位置．又要控制刀具在这两点之间运动的速度和轨迹刀具相对工件移动的轨迹是平行干机床某一坐标轴的直线方向，刀具在移动过程中进行切削〔见图1-5）。
使用这类控制系统的数控机床有数控车床、数控钻床、数控铣床和数控磨床等。
3轮廓切削（连续轨迹）控制数控机床
大多数数控机床都具有轮廓切削控制功能．其特点是这类数控机床能控制两个或A个
以上的轴．坐标方向同时严格地连续控制，不仅要控制每个坐标的行程，还要控制每个坐
标的运动速度，这样可以加工出由任意斜线、曲线或曲面组成的复杂零件（见图1-6）,
使用这类控制系统的数控机床有数控车床、数控铣床、数控磨床、数控齿轮加工机床和数
控加工中心等。
图1-4点位数控机床加工示意图
1一沿直角坐标方向分两步到达目的点图1-5直线数控机床加工示意图
2一沿起点与终点连线直接到达目的点
图1-6轮廓切削数控机床加工示意图
二、按联动轴分类
数控机床的计算机数控系统能够控制的坐标数目反映了计算机数控系统的运算处理
能力，它与计算机的内存容量、运算速度密切相关。
目前世界上数控系统最高能控制几十
个轴限p坐标）。
联动是指各个坐标轴同时达到空间某一点。
在1999年功月举行的中国
国际机床展览会上已出现可控轴数为30,24或16,联动轴数达9轴的国产数控系统，如
华中数控公司展出的5轴联动加工中心（用于叶轮的加工）；北京机电院和北京航空航天
大学联合开发的JT2010型数控系统，可以用一个系统，控制总轴数多达50的多台机床组
成的成套机群。
现代数控机床绝大多数都具有两坐标或两坐标以上联动的功能，不仅有刀具半径补
偿、刀具长度补偿、还有机床轴向运动误差补偿、丝杠、齿轮的间隙误差补偿等一系列功
能
按联动轴可分为以下几种：
1.二轴联动数控机床
如数控车床，加工曲面回转体；某些数控铣床．二轴联动铣斜面，如图1-7a所示。
2.三轴联动数控机床
如数控铣床和数控加工中心，三轴联动加工曲面零件，如图1-76所示
3.二轴半联动数控机床
是指有三个坐标控制轴（X，Y，Z），其中任意两个轴联动·第三轴做周期性等距运
动。
如某些数控钻铣床，如图1-7c所示
4.多轴联动数控机床
是指能四轴或四轴以上联动的数控机床。
如多轴联动数控铣床和多轴联动数控加工中
心等，如图1-7d所示。
图1-7数控机床联动轴数
a）二轴联动b）三轴联动c）二轴半联动d〕多轴联动
三、按工艺类型分类
1.金属切削类数控机床
金属切削类数控机床发展最早，种类繁多，功能差异大。
与传统的通用机床一样，这
类数控机床主要包括数控车床、数控铣床、数控钻床、数控磨床、数控镬床、数控齿轮加
工机床及数控加工中心等。
数控加工中心也称为具有刀库或自动换刀装置的数控机床其
特点是：
在一次装夹后，可以进行多种工序的加工。
数控加工中心目前主要有两大类一
类是以数控铣床、数控铿床为基础发展起来的．叫做铣削中心；另一类是在数控车床丛础
上发展起来的，叫做车削中心（见图1-8）。
数控加工中心又称为多工序数控机床。
在加
工中心上，可使零件一次装夹后，进行多种工艺、多道工序的集中连续加工．这就大大减
少了机床台数由于减少了装卸工件、更换和调整刀具的辅助时间．从而提高了机床效
率．同时由于减少了多次安装造成的定位误差，从而提高了各加工表面间的位置精度；因
此，近年来加工中心得以迅速发展
2.金属成型类数控机床
金属成型类数控机床主要包括数控弯管机、数控组合冲床、数控转头压力机等。
这类
机床起步晚，但发展较快。
3.数控特种加工机床
图1-8金属切削类数控机床
的车削中心b）铣削中心
数控特种加工机床主要包括数控线〔电极）切割机床（见图1-9），数控电火花加工
机床（见图1-10），数控火焰切割机、数控激光切割机等
4.其他类型的数控机床
其他类型的数控机床主要有数控三坐标测量机床等，如图1-11所示
四、按伺服类型分类
1.开环伺服系统数控机床
开环伺服系统数控机床构造简单，它没有位置测量装置和反馈装置，不能对移动工作
图1-9数控线切割机床
图1-10数控电火花加工机床
台实际移动距离进行位置测量并反馈回来与原指令值进石比较校正（见图1-12）。
这类系统的数控机床一般采用步进电动机或电液脉冲马达，按指令脉冲驱动各轴进给其移动部件的速度与位移量由输入脉冲的频率和脉冲数决定，位移精度主要决定于该系统各有关零件的制造精度，如步进电动机的转动精度、减速装置和滚珠丝杠的精度等。
图1-11数控三坐标测量机床
2闭环伺服系统数控机床
闭环伺服系统数控机床有位置测量装置和反馈装置（见图1-13）。
加工中将实际测量的结果反馈到数控装置中，与输人的指令进行比较及校正直至差值为零，即实现移动部件的最终精确定位。
其特点是加工精度高．但结构复杂，设计和调试较困难，主要用于一些精度较高的数控键铣床．超精度数控车床和数控加工中心等。
图1--12开环伺服系统
3.半闭环伺服系统数控机床
半闭环伺服系统数控机床不直接测量机床工作台的位移量，而是通过检测丝杠转角间
接地测量工作台的位移量，然后反馈给数控装置进行位移校正（见图1-14）其精度低于
闭环系统，但测量装置结构简单，安装调试方便，常用于中档数控机床，如数控车床、数
控铣床、数控磨床等。
图1一14半闭环伺服系统数控机床
4.混合环何服系统数控机床
将以上三类控制系统的特点有选择地集中起来，组成混合环控制系统．特别适用于大
型数控机床，因为大型数控机床需要较高的进给速度和返回速度，又需要相当高的精度，
如果只采用全闭环控制，机床传动链和工作台全部置于控制环中，因素十分复杂，难以调
试稳定。
混合环伺服系统数控机床如图1-15所示，这实际是半闭环和闭环系统的混合形式，
内环是速度环．控制进给速度，外环是位置环，主要对数控机床进给运动的坐标位置进行
控制。
现在采用这类方式控制的数控机床越来越多
五、按傲控装皿功能水平分类
按数控装置功能水平通常把数控机床分为低、中，高档三类这种分类方式在我国用
得很多。
低、中、高三档的界限是相对的不同时期，划分标准会有所不同就目前的发
图1-15混合环伺服系统数控机床
展水平看，可以按照一些功能及指标将各种类型的数控机床分为低、中、高档三类（见表
1—2）补其中高、中档一般称为全功能数控或标准数控·在““世纪“。
年代至”。
年代初我
r百经挤型数控的提法·当时所谓经济型数控是指由单板机、单片机和步进电动机组成
r控系统以及功能简单、价格低的数控系统·随着数控技术的发展，经济型数控也在不
r步·新一代的经济型数控介于低档与中档数控之间·为此，经济型数控已被称作普及
型或简易型数控·其目的是根据实际机床的使用要求，合理简化系统，降低产品价格·
不同档次致控功能及指标表
第三节数控机床的特点及应用范围
一、数控机床的特点
数控机床不同于普通机床，也不同于专用机床和一般程序控制的自动和半自动机床。
在数控机床上加工零件的整个过程全由数字指令控制。
机床按数字指令信息进行加工段长度，进给方向、进给量、切削速度、主轴的开停、冷却液的通断、刀具更换等方面的控制。
1.数控机床与普通机床的区别
（1）手动与自动。
数控机床一般具有手动加工（用电手轮）、机动加工和控制程序自
动加工功能，加工过程中一般不需要人工干预。
普通机床只有手动加工和机动加工功能．
加工过程全部由人工控制
（2）数控机床一般具有CRT屏幕显示功能显示加工程序、多种工艺参数、加工时
间、刀具运动轨迹以及工件图形等。
数控机床一般还具有自动报警显示功能，根据报警信
号或报警提示，可以迅速查找机器故障。
而普通机床不具备上述功能
（3）数控机床主传动和进给传动采用直流或交流无级调速伺服电动机。
一般没有主轴
变速箱，传动链短。
而普通机床主传动和进给传动一般采用三相交流异步电动机，由变速箱实现多级变速以满足工艺要求，机床传动链长。
（4）数控机床一般具有工件测量系统。
加工过程中一般不需要进行工件尺寸的人工测
量。
而普通机床在加工过程中必须由人工不断地进行测量以保证工件的加工精度数控机床与普通机床最显著的区别是当对象（工件）改变时，数控机床只需改变加工程序（应用软件），不需要对机床作较大的调整，即能加工出各种不同的工件。
2.数控机床有以下特点
（1）加工精度高数控机床是高度综合的机电一体化产品。
它由精密机械和自动化控
制系统组成。
所以数控机床的传动系统与机床结构都有较高的精度、刚度、热稳定性及动态敏感度。
此外，目前数控机床的刀具或工作台最小移动量（脉冲当量）普遍达到了0.001mm，而且在设计传动结构时采用了减少误差的措施（如位置和速度反馈部件等），并由数控装置进行补偿．因此．数控机床能达到很高的加工精度。
当前中、小型数控机床，定位精度普遍可达0.03mm,重复定位精度可达0.01mm
数控机床加工零件的质量有保证数控机床的自动加工方式避免了人为操作误差的影响，同批零件的尺寸一致性强，产品合格率高，加工质量稳定
（2）生产效率高。
加工零件所需时间包括机动时间和辅助时间两部分。
数控机床能有
效地减少这两部分时间。
因为数控机床具有良好刚性、机床功率大、主轴转速和进给速度范围大等优点．所以在加工时可采用强力切削和选用最合适的切削用量数控机床能自动连续完成整个切削过程．这样就提高了数控机床的切削效率，减少了机动时间数控机床的移动部件在空行程时采用快速移动（一般在15m/min以上）。
在数控机床上加工零件时，对工夹具的要求低且装夹时间短．对刀、换刀快，数控机床有较高的重复定位精度，更换被加工零件时几乎不需要重新调整机床，这样大大地缩短了生产准备周期一减少测量和检侧时间。
在数控加工中心上加工时，一台机床能实现多道工序的连续加工，生产效率的提高更加明显。
所以数控机床比普通机床的生产效率高得多，一般能提高2-3倍，甚至几十倍。
（3）减轻劳动强度、改善劳动条件和劳动环境在数控机床上进行加工时，操作者要做的是：
按图样要求制定加工工艺及编制加工程序、装卸零件、装夹刀具及对刀、键盘操作、观察监视机床运行过程、抽测零件质量。
除此之外，不需要进行繁重的重复性手工操作。
因此，能大大减轻操作者的劳动强度与紧张程度。
数控机床一般都有安全罩一实现封闭式生产，这样既能减少安全事故的发生，又能改善劳动条件和劳动环境。
（4）良好的经济效益。
在数控机床上改变加工零件时，只要重新修订加工程序，不需制造、更换工具、夹具和模具更不需要更新机床一而且可以实现一机多用。
这样可以缩短生产准备周期、降低生产设备投资费用、节省厂房面积、节约建厂投资。
数控机床加工精度稳定，降低了废品率使生产成本进一步下降。
因此，数控机床加工具有良好的经济效益
（5）有利于生产管理的现代化数控机床使用数字信号与标准代码作为输人信号，适用于与计算机网络连接一通过计算机远程控制．为计算机辅助设计、制造及管理一体化奠定了基础，实现生产管理的现代化。
但是，利用数控机床生产加工．初期设备投资大．维修费用高．对管理及操作人员的专业技术素质要求较高。
因此应合理地选择及使用数控机床．提高企业的经济效益和竞争力。
二、数控机床的应用范围
数控机床是一种高度自动化的机床其独特的优点是一般机床不具备的，所以数控机
床的应用范围较广。
但数控机床的技术含量要求高、生产成本高、使用维修都有一宁难
度若从性价比考虑，数控机床一般要考虑加工清况
1.零件批量
在多品种小批量零件的生产中优先考虑使用数控机床
2.轮廓要求高
结构较复杂、精度要求较高或必须用数r方法解决的复杂曲线、曲面轮廓的零件加工
多以数控机床为主。
3试制阶段
在准品需要频繁改型或试制阶段．数控机床可以随时适应产品的变化。
4.关键零件
价格昂贵．不允许报废的关键零件可以由数控机床来保证
5周期短
对于需要最小生产周期的急需零件，数控机床可以缩短加工时间
6.多工序零件
需进行多工序联台加工的零件，如需要进行钻、扩、铰、攻丝及铣削等的箱体、壳体
零件，多以数控加工中心来完成
如图1-16所示为通用机床与数控机床、专用机床的零件加工批量与综合费用的关系
如图1-17所示为数控机床适用范围示意图。
图1-I6零件加工批量与综合费用的关系
图1-17数控机床适用范围示意图
二、数控机床的常用术语
近年来，随着技术发展，数控功能不断扩大。
随着新技术的导人，数控技术出现了许多新的功能术语，见表1-3。
这里选用的名词术语，主要参考国家标准及国际标准化组织（ISO）的提法。
第四节数控机床的发展
一、机床结构的发展
数控机床是白动化高效设备．粗、精加工在一台机床上进行为保证精加工的精度
发挥数控机床的优点，在机械结构方面采取了一系列的改进口。
1.提高机床的动、静刚度
如在机床的大件中增加肋板．友大提高了扭转刚度。
在机床的主轴上选用圆柱滚子轴
承和角接触球轴承，可提高主轴刚度。
在大型机床上采用液力平衡和重块平衡来减少构件的变形。
增大刀架底座的尺寸可提高刀架刚度。
机床结构采用钢板焊接结构，可增加静刚
度减轻结构重量，又可增加构件的阻尼系数，从而改善了抗振性。
构件设计时可通过调整质量改变系统的自振频率以便远离强迫振动的频率。
2．减少机床的热变形将热源，如电动机、变速箱、液压装置和油箱等从主机中分离出云以及采用静压轴承，均可减少主轴的热变形。
采用良好的排屑装置，尽决把热源带走。
采用强制冷剂，如大容量冷却泵可控制温度
3其他措施
减少运动件的摩擦和消除传动间隙，采用滚动导轨、静压导轨和塑料导轨
在进给系统中采用滚珠丝杠，大大降低摩擦力．改善了动态特胜
二、数控系统的发展
数控系统的发展主要是提高计算机的运算速度自1952年以来，数控系统的发展已
经历了五代发展初期所用的电子器件为电子管
1959年以后．数控系统发展进人第二代采用晶休管和印制电路板
1965年以后发展到第三代．采用小规便集成电路．数控系统的可靠胜得到进一步
提高以t三代系统，都采用专用控制计算机的硬接线数控系统，统称为普通数榨系统
（NC）
第四代是1970年以后采用小型计算机．许多功能可以通过软件实现．称为计算机数控系统（CNC）
第五代系统，是采用微处理机技术的计算机数控系统（MNC）
由于数控技术的迅速发展，现代的数控系统更进一步向高精度、高速度和多功能方向
发展不仅控制的轴数大为增加，而且其功能也远远超出控制刀具轨迹与机床动作的范
畴，并能实现自动编程、自动测量、自动诊断与通讯联络等功能。
数控系统与可编程控制
器的结合，进一步提高了系统的可靠性并使机床的强电控制逻辑柔性化
三、伺服系统的发展
最早的数控系统采用电液脉冲马达驱动数控机床一后来被步进电动机所取代。
到了20
世纪创年代，欧美一些国家采用了液压伺服系统。
70年代，美国首先研制了大惯量伺服电动机．该电动机调速范围为。
．1-2。
。
。
r）mia,80年代初期美国通用电气公司研制成功
交流伺服系统。
近年来微机处理器已开始应用于伺服系统的驱动装置中1986年日本
厂商已推出了采用数字伺服系统的数控机床当前伺服系统的发展趋势是直流伺服系统将
被交流数字伺服系统所代替口伺服系统的速度环、位置环及电流环都已实现了数字化。
并
采用了新的控制理论，实现了不受机械负荷变动影响的高速响应系统
四、数控机床的发展趋势
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