1、第一章数控机床的基础知识 主编第一节概述 主编一、数控机床的产生和发展趋势1.数控机床的产生 随着科学技术的发展，工业产品结构日趋合理，其性能、精度和效率也日趋提高，更新换代频繁，生产类型由单品种大批大量生产向多品种小批量生产转化。因此，对工业产品的制造提出了高精度、高柔性与高度自动化的要求。数字控制机床就是为了解决单件、小批量，特别是复杂型面零件加工的自动化并保证其质量要求而产生的。第一台数控机床是1952年美国PARSONS公司与麻省理工学院(MIT)合作研制的三坐标数控铣床，它综合应用了电子计算机、自动控制、伺服驱动、精密检测与新型机械结构等多方面的技术成果，可用于加工复杂曲面零件。2.
2、数控机床的发展趋势(1)高速高效化高速和超高速加工技术可以提高加工效率，也是加工难切削材料、提高加工精度、控制振动的重要保障。(2)精密化由于机床结构和各组件加工的精密化，机床可达到微米级精度。(3)复合化在零部件一体化程度不断提高、数量不断减少的同时，加工的产品形状也日益复杂，多轴控制的机床适用于加工形状复杂的工件。(4)智能化现代智能化数控机床可以根据切削条件的变化，自动调节工作参数，保持最佳的工作状态，以得到较高的加工精度和较低的表面粗糙度值，同时也能提高刀具的使用寿命和设备的生产效率。2.数控机床的发展趋势(5)信息化利用计算机技术和网络通信技术，机床制造商可以建立机床远程技术支持体系
3、，实现工况信息的传输、存储、查询和显示，以及远程智能诊断；与此同时，机床用户可以及时获得机床制造商的远程技术支持，机床制造商可准确地得到用户机床的工况资料数据，并进行机床状态的在线诊断，实现机床全生产周期服务的开放式网络监控服务，以此提高售后服务效率，并有助于及时改进产品的质量。(6)环保化环保是机床产品必须达到的条件。(7)设计模块化模块化的设计在机床制造中已得到广泛应用，横向系列、纵向系列、全系列、跨系列的模块化设计使得外形相同的两台机床具有完全不同的功能。二、数控机床的特点与应用范围1.特点 数控加工就是数控系统按照加工程序驱动机床将毛坯加工成合格零件的过程。数控机床控制系统具有普通机床
4、所没有的计算机数据处理功能、智能识别功能及自动控制功能。与常规加工相比，数控加工有其明显的特点，其特点如下：1.特点(1)自动化程度高，易实现计算机控制数控加工除了装夹工件需要人工操作外，全部加工过程都在数控程序的控制下，由数控机床自动完成，不需要人工干预。(2)数控加工的连续性高工件在数控机床上只需装夹一次，就可以完成多个部位的加工，甚至完成工件的全部加工内容。(3)数控加工的一致性好数控加工基本消除了操作者的主观误差，其精度高、产品质量稳定、互换性好。(4)适用于复杂零件的加工数控加工不受工件形状复杂程度的影响，应用范围广。(5)便于建立网络化系统例如，建立直接数控系统(DNC)，将编程、
5、加工、生产管理连成一体，建立自动化车间，形成集成化制造。1.特点近年来，随着数控机床的模块化发展，使数控加工设备增加了柔性化的特点。柔性加工不仅适用于多品种、小批量生产的需要，而且增加了自动变换工件的功能，能交替完成两种或多种不同零件的加工，可实现无人看管的生产操作。由数台数控机床（加工中心）组成的柔性制造系统（FMS）是一种具有更高柔性的自动化制造系统，它具有将加工、装配和检验等制造过程的关键环节高度集成的自动化制造系统。2.应用范围1)多品种、小批量生产的零件。2)轮廓形状复杂，难以手工加工的零件。3)加工要求精度较高的零件。4)价格昂贵、不允许报废的零件。5)改形频繁的零件。6)需要最短
6、生产周期的急需零件。2.应用范围 数控机床具有普通机床不具备的许多优点，且其应用范围正在不断扩大，但目前它并不能完全代替普通机床，也不能以最经济的方式解决机械加工中的所有问题。数控机床最适合加工具有以下特点的零件：第二节数控机床的组成和工作过程一、数控机床的组成图1-1数控机床的组成 如图1-1所示，数控机床由程序编制、输入装置、数控系统(CNC)、伺服驱动及位置检测、辅助控制装置、机床本体等部分组成。1.程序编制 数控程序是数控机床的工作指令。数控程序的内容包括在对加工零件进行工艺分析的基础上，确定零件坐标系在机床坐标系上的相对位置，即零件在机床上的安装位置；刀具与零件相对运动的尺寸参数；零
7、件加工的工艺路线、切削加工的工艺参数及辅助装置的动作等。2.输入装置 输入装置的作用是将程序载体(信息载体)上的数控代码传递并存入数控系统内。数控机床加工程序也可通过键盘用手工方式直接输入数控系统，还可由编程计算机用RS232C或采用网络通信方式传送到数控系统中。3.数控装置 数控装置是数控机床的核心。数控装置从内部存储器中读取或接受输入装置送来的数控加工程序，经过编译、运算和逻辑处理后，输出各种控制信息和指令，控制机床各部分的工作，使其进行规定的有序运动和动作。4.驱动装置和位置检测装置 驱动装置接受来自数控装置的指令信息，经功率放大后，严格按照指令信息的要求驱动机床移动部件，以加工出符合图
8、样要求的零件。因此，它的伺服精度和动态响应性能是影响数控机床加工精度、表面质量和生产率的重要因素。驱动装置包括控制器(含功率放大器)和执行机构两大部分。目前大都采用直流或交流伺服电动机作为执行机构。5.辅助控制装置 辅助控制装置的主要作用是接收数控装置输出的开关量指令信号，经过编译、逻辑判别和运动，再经功率放大后驱动相应的执行元件，带动机床的机械、液压、气动等辅助装置完成指令规定的动作。这些控制包括主轴运动部件的变速、换向和启停指令，刀具的选择和交换指令，冷却、润滑装置的启动停止，工件和机床部件的松开、夹紧，分度工作台转位分度等开关辅助动作。6.机床本体 数控机床与普通机床相似，其机床本体由主
9、轴传动装置、进给传动装置、床身、工作台及辅助运动装置、液压气动系统、润滑系统、冷却装置等组成。但数控机床在整体布局、外观造型、传动系统、刀具系统的结构及操作机构等方面都已发生了很大的变化。这种变化的目的是为了满足数控加工的要求和充分发挥数控机床的特点。1.数控机床的工作过程图1-2数控机床的零件加工过程(1)准备阶段根据加工零件的图样，确定有关加工数据(刀具轨迹坐标点、加工的切削用量、刀具尺寸信息等)。(2)编程阶段根据加工工艺信息，用机床数控系统能识别的语言编写数控加工程序(对加工工艺过程的描述)，并填写程序单。二、数控机床的工作过程和编程指令代码1.数控机床的工作过程(3)准备信息载体根据
10、已编制好的程序单，将程序存放在信息载体(穿孔带、磁带、磁盘等)上，通过信息载体将全部加工信息传输给数控系统。(4)加工阶段当执行程序时，机床数控系统(CNC)将加工程序语句译码、运算，转换成驱动各运动部件的动作指令，在系统的统一协调下驱动各运动部件的适时运动，自动完成对工件的加工。2.编程指令代码表1-1常见编程指令代码(1)准备功能G指令准备功能G指令用来规定刀具和工件的相对运动轨迹(规定插补功能)、机床坐标系、坐标平面、刀具补偿、坐标偏置等多种加工操作。G指令由字母G及其后的两位数字组成。(2)辅助功能M指令辅助功能M指令由字母M及其后的两位数字组成，分为续效指令和非续效指令。1)M00程
11、序停止指令。2.编程指令代码2)M01计划(任选)停止指令。3)M02程序结束指令。(3)F、S、T指令1)F指令为进给速度功能指令，为续效代码。F指令的代码法：字母F后跟两位数字，不直接表示进给速度大小，而是表示进给速度数列的序号。进给速度数列可以是算术级数，也可以是几何级数。F指令的直接指定法：字母F后的数字就是进给速度的大小。现在大多数数控机床都采用这种指定方法。2)S指令为主轴转速功能指令，续效指令，用于指定主轴的转速(单位为r/min)，其指定方法与F指令相同。3)T指令为刀具功能指令。第三节数控机床的基本类型一、按工艺用途分类二、按控制的运动轨迹分类图1-3点位控制钻孔加工1.点位
12、控制系统 近位置，然后以低速准确移动到终点定位位置，以保证良好的定位精度。移动过程中刀具不进行切削。使用这类控制系统的主要有数控坐标镗床、数控钻床和数控冲床等。图1-3所示是点位控制加工示意图。2.点位直线控制系统 行切削。应用这类控制系统的有数控车床、数控钻床和数控铣床等。图1-4所示是点位直线控制切削加工示意图。图1-4点位直线控制切削加工3.轮廓控制系统图1-5轮廓控制切削加工 还能控制整个加工过程每一点的速度与位移量，将零件加工成一定的轮廓形状。应用这类控制系统的有数控铣床、数控车床、数控齿轮加工机床和加工中心等。图1-5所示是轮廓控制切削加工示意图。三、按控制坐标联动轴数分类 数控系
13、统控制多个坐标轴按需要的函数关系同时协调运动，称为坐标联动。1.两轴联动 数控机床能同时控制两个坐标轴联动，适于数控车床加工旋转曲面或数控铣床铣削平面轮廓。2.两轴半联动 在两轴的基础上增加了Z轴的移动，当机床坐标系的X、Y轴固定时，Z轴可以作周期性进给。两轴半联动加工可以实现分层加工。3.三轴联动 数控机床能同时控制3个坐标轴的联动，用于一般曲面的加工，一般的型腔模具均可以用三轴加工完成。4.多坐标联动 数控机床能同时控制4个以上坐标轴的联动。多坐标数控机床的结构复杂，精度要求高、程序编制复杂，适于加工形状复杂的零件，如叶轮、叶片类零件。四、按性能分类1.经济型数控机床 经济型数控机床，又称
14、简易数控机床。它的主要特点是价格便宜，功能针对性强。一般情况下，普通机床改装成简易数控机床后可以提高工作效率14倍，同时能降低废品率，提高产品质量，又可减轻工人劳动强度。2.中档数控机床 这类数控系统功能较多，但不追求过多，以实用为准，除了具有一般数控系统的功能以外，还具有一定的图形显示功能及面向用户的宏程序功能等。采用的微型计算机系统一般为32位微处理器系统，具有RS-232通信接口，机床的进给多用交流或直流伺服驱动，一般系统能实现4轴或4轴以下联动控制.3.高档数控机床 高档数控机床是指加工复杂形状工件的多轴控制数控机床，且其工序集中、自动化程度高、功能强，具有高度柔性。高档数控机床采用的
15、微型计算机系统多为64位以上微处理器系统，机床的进给大都采用交流伺服驱动，除了具有一般数控系统的功能以外，应该至少能实现5轴或5轴以上的联动控制，最小进给分辨率为0.1m，最大快速移动速度能达到.五、按进给伺服系统分类 数控机床由数控装置发出脉冲或电压信号，通过伺服系统控制机床各运动部件运动。数控机床按进给伺服系统控制方式分类有开环控制系统、闭环控制系统和半闭环控制系统三种形式。1.开环控制系统 开环控制系统采用步进电动机，无位置测量元件，输入数据经过数控系统运算，输出指令脉冲控制步进电动机工作，如图1-6所示。这种控制方式不检测执行机构，无反馈控制信号，因此称为开环控制系统。开环控制系统的设
16、备成本低，调试方便，操作简单，但控制精度低，工作速度受到步进电动机的限制。图1-6开环控制系统2.闭环控制系统图1-7闭环控制系统 闭环控制系统绝大多数采用伺服电动机，有位置测量元件和位置比较电路。如图1-7所示，测量元件安装在工作台上，测出工作台的实际位移值并反馈给数控装置。位置比较电路将测量元件反馈的工作台实际位移值与指令的位移值相比较，用比较的误差值控制伺服电动机工作，直至到达实际位置，误差值消除，此过程称为闭环控制。3.半闭环控制系统图1-8半闭环控制系统 如图1-8所示，半闭环控制系统的位置测量元件不是测量工作台的实际位置，而是测量伺服电动机的转角，经过推算得出工作台位移值，反馈至位
17、置比较电路，与指令中的位移值相比较，用比较的误差值控制伺服电动机工作。这种用推算方法间接测量工作台位移，不能补偿数控机床传动链上各零件的误差。半闭环控制系统的控制精度高于开环控制系统，调试比闭环控制系统容易，设备的成本也介于开环与闭环控制系统之间。第四节机床坐标系 主编一、数控机床坐标系的建立1.机床相对运动的规定 机床相对运动是指工件相对静止，而刀具运动。在机床上，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。2.机床坐标系的规定 一个直线进给运动或一个圆周进给运动定义一个坐标轴。在ISO和EIA标准中都规定
18、直线进给运动用笛卡儿坐标系X、Y、Z表示，常称为基本坐标系。X、Y、Z坐标轴的相互关系用右手定则确定。如图1-9所示，图中大拇指的指向为X轴的正方向，食指指向为Y轴的正方向，中指指向为Z轴的正方向。2.机床坐标系的规定图1-9机床坐标系2.机床坐标系的规定1)伸出右手的大拇指、食指和中指，并互为90。2)大拇指的指向为X轴的正方向，食指的指向为Y轴的正方向，中指的指向为Z轴的正方向。3)围绕X、Y、Z轴旋转的旋转轴分别用A、B、C表示，根据右手螺旋定则，大拇指的指向为X、Y、Z轴中任意一轴的正向，则其余四指的旋转方向即旋转轴A、B、C的正向。4.坐标轴方向的确定(1)Z轴Z轴的运动方向是由传递
19、切削动力的主轴所确定的，即平行于主轴轴线的坐标轴为Z轴，Z轴的正向为刀具离开工件的方向。(2)X轴X轴平行于工件的装夹平面，一般在水平面内。1)Z轴水平时，观察者沿刀具主轴向工件看时，+X运动方向指向右方。2)Z轴垂直时，观察者面对刀具主轴向立柱看时，+X运动方向指向右方。(3)Y轴在确定X、Z轴的正方向后，可以用根据X和Z轴的方向，按照笛卡儿坐标系来确定Y轴的方向。5.附加坐标系1)指定平行于X、Y、Z轴，可以采用附加坐标系，即第二组为U、V、W，第三组为P、Q、R。2)指定不平行于X、Y、Z轴，也可以采用附加坐标系，即第二组为U、V、W，第三组为P、Q、R。6.机床原点6.机床原点 机床原
20、点是指在机床上设置的一个固定点，即机床坐标系的原点。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。在数控车床上，机床原点一般取在卡盘端面与主轴中心线的交点处。同时，通过设置参数的方法，也可将机床原点设定在X、Z轴的正方向极限位置上。在数控铣床上，机床原点一般取在X、Y、Z轴的正方向极限位置上。6.机床原点7.机床参考点 机床参考点为机床上的固定点。其固定位置，由X向与Z向的机械挡块及电动机零点位置来确定，机械挡块一般设定在X、Z正向最大位置。当进行回参考点的操作时，装在纵向和横向滑板上的行程开关碰到挡块后，向数控系统发出信号，由系统控制滑板停止运动，完成回参考点的操作。
21、因此，参考点对机床原点的坐标是一个已知数。二、工件坐标系二、工件坐标系1.工件坐标系的确定 工件坐标系是指以确定的加工原点为基准所建立的坐标系。加工原点也称为程序原点，是指工件装夹后，其相应的编程原点在机床坐标系中的位置。在加工过程中，数控机床是按照工件装夹后所确定的加工原点位置和程序要求进行加工的。二、工件坐标系2.工件原点和工件坐标系 工件原点(即程序原点)是人为设定的点。工件原点的设定既要符合图样尺寸的标注习惯，又要便于编程。因此，当编程时，一般先找出图样上的设计基准点，并以该点作为工件原点。数控车床上工件原点一般选择在轴线与工件右端面、左端面或卡爪的前端面的交点上。如果以工件原点为坐标原点，建立一个Z轴与X轴的笛卡儿坐标系，则此坐标系就称为工件坐标系。数控车床上工件坐标系的Z轴一般与主轴轴线重合。
