1.3 数控机床基本知识

一、数控概述

1.数控

数控装置根据输入的指令进行译码、处理、计算和控制，都是由数字逻辑电路实现的，称为硬件数控（NC）系统；数控装置大部分工作都是由计算机系统完成的，称为计算机数控（CNC系统）。数控是采用数字化信号对机床运动及加工过程进行控制的一种方法。数控机床是指装备了数控系统的机床。

2.数控机床的组成

数控机床由控制介质、输入/输出装置、数控装置、伺服系统、检测反馈装置和机床本体等部分组成，如图1-3-1 所示。数控装置是数控机床的核心，伺服系统是数控机床的执行部分。

（1）控制介质

系统将处理好的零件加工程序信息通过相关的媒介物传入数控装置。相关的媒介物就是控制介质，现代数控机床常用的控制介质有传输软件、键盘等。

（2）输入/输出装置

输入/输出装置是机床数控系统和操作人员进行信息交流的交互设备。输入/输出装置将控制介质传来的信息输入数控装置或将数控装置的信息输出到控制介质中，如显示器、控制面板。

（3）数控装置

数控装置是数控机床的核心，它对输入的加工程序进行数字运算和逻辑运算，然后向伺服系统发出控制信号。

（4）伺服系统

伺服系统的主要作用是接收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的移动部件，加工出符合图样要求的零件。伺服系统由驱动装置和执行元件组成。常用的执行元件有步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机三种。

（5）检测反馈装置

检测反馈装置通过传感器检测伺服电动机的转角位移或数控机床工作台的直线位移，并转换成电信号传送到数控系统中，与指令位置进行比较后，由数控系统向伺服系统发出指令，纠正所产生的误差。

（6）机床本体

机床本体由主传动装置、进给传动装置、床身和工作台，以及辅助运动装置、液压气动系统、润滑系统、冷却装置等组成。有些数控机床还配备了特殊的部件，如刀库、自动换刀装置等。数控机床本体与传统的机床相比，在整体布局、外观造型、传动系统、刀具系统的结构以及操作机构等方面都发生了很大的变化，传动效率更高，传动系统更为简单。

3.数控机床工作原理

数控机床是用数字化信息来实现自动控制的，将与加工零件有关的信息用规定的文字、数字和符号组成代码，按一定的格式编写成加工程序，将加工程序通过控制介质输入数控装置中，由数控装置经过分析处理后，发出各种与加工程序相对应的信号指令，控制机床进行自动加工，如图1-3-2所示。

二、数控机床的分类

1.按加工路线控制特点分类

（1）点位控制

点位控制数控机床的特点是机床移动部件只能实现由一个位置到另一个位置的精确定位（图1-3-3），在移动和定位过程中不能进行任何加工，其控制系统比较简单。这类数控机床主要有数控坐标镗床、数控钻床、数控冲床、数控点焊机以及数控弯管机等。

（2）直线控制

直线控制数控机床的特点是机床移动部件不仅能实现由一个位置到另一个位置的精确移动定位，而且能够实现平行于坐标轴方向的直线切削加工运动（图1-3-4）。这类数控机床主要有简易数控车床、数控铣镗床等。

（3）轮廓控制

轮廓控制数控机床的特点是能够对两个或两个以上坐标轴同时进行切削加工控制，从而控制刀具加工出一定的轮廓形状，如图1-3-5 所示。常用的数控车床、数控铣床、数控磨床是典型的轮廓控制数控机床，其系统的结构要比点位、直线控制系统更为复杂，在加工过程中要不断进行插补运算，然后进行相应的速度与位移控制。

2.按伺服系统控制特点分类

数控机床按照对被控量有无检测反馈装置可分为开环控制和闭环控制两种。在闭环控制系统中，根据测量装置安放的部位不同又分为全闭环和半闭环两种。

（1）开环控制

开环控制系统结构简单，成本较低，但是系统对移动部件的实际位移量不进行检测，也不能进行误差校正，仅适用于加工精度要求不太高的中小型数控机床，特别是简易经济型数控机床（图1-3-6）。

（2）半闭环控制

半闭环控制数控机床的特点是在开环控制数控机床的传动丝杠上装上角位移检测装置，通过检测丝杠的转角间接地检测移动部件的位移，然后反馈到数控装置中去。系统的调试比较方便，并且具有良好的稳定性（图1-3-7）。

（3）全闭环控制

全闭环控制数控机床的特点是在机床移动部件上直接安装直线位移检测装置，将测量到的实际位移值反馈到数控装置中，与输入的指令位移值进行比较，用差值对机床进行控制，使移动部件按照实际需要的位移量运动，最终实现移动部件的精确运动和定位，进一步提高了机床的加工精度（图1-3-8）。

3.按坐标轴联动特点分类

所谓数控机床坐标轴联动，是指数控装置能同时控制多个伺服电动机，同时驱动机床移动部件的多个坐标轴运动。

（1）两轴联动

数控机床本身有两个坐标轴能作两个方向的移动，控制装置可同时控制两个坐标轴移动。这类机床即为两轴联动数控机床，如数控车床。

（2）两轴半联动

数控机床本身有三个坐标轴能作三个方向的移动，控制装置只能同时控制任意两个坐标轴，而第三个坐标轴只能作等距周期移动。这类机床即为两轴半联动数控机床，如早期的数控铣床，目前较为少用。

（3）三轴联动

数控机床本身有三个坐标轴能作三个方向的移动，控制装置能同时控制三个坐标轴移动。这类机床即为三轴联动数控机床，如数控铣床（图1-3-9）。

（4）多轴联动

数控机床本身有四个或四个以上坐标轴，控制装置能同时控制四个或四个以上坐标轴移动。这类机床即为多轴联动数控机床，如数控铣加工中心机床（图1-3-9）。

三、数控铣床的分类

1.立式数控铣床

立式数控铣床的主轴轴线垂直于水平面，这类数控铣床是目前应用最广泛的一种（图1-3-10）。小型立式数控铣床的 X、Y、Z 轴方向的移动一般都由工作台完成。中型立式数控铣床的 X 轴方向和 Y 轴方向移动一般由工作台完成，工作台还可以手动或电动升降；主轴（Z 轴）除完成主运动外，还可以沿垂直方向上下移动。大型立式数控铣床，由于需要考虑扩大行程、刚性等技术问题，多采用立柱式，其主轴箱与主轴（Z 轴）可沿立柱上的垂直导轨上下移动，X 轴方向和 Y 轴方向的移动由工作台完成，工作台不能手动或电动升降。

2.卧式数控铣床

卧式数控铣床的主轴轴线平行于水平面（图1-3-11）。使用卧式数控铣床加工时，刀具装在主轴、镗杆或平旋盘上，工件安装在工作台上，工作台可随下滑座和上滑座作纵横向移动。当镗杆较长时，可用后立柱上的尾架支承其一端，以提高刚度。

卧式数控铣床加工质量稳定，操作方便，性能可靠。卧式数控铣床可用各种圆柱铣刀、圆片铣刀、角度铣刀、成型铣刀和端面铣刀加工各种平面、斜面、沟槽等。

3.龙门数控铣床

龙门数控铣床（图1-3-12）具有足够的刚性，效率高，操作方便，结构简单，性能全面。龙门数控铣床适用于各种机械上大中型黑色金属或有色金属零件的水平平面、垂直平面或斜面沟槽的铣削，还可加工空间曲面和一些特型零件。铣镗头可以进行镗孔和钻孔加工，还要根据用户需要进行各类改进。

龙门数控铣床由立柱和顶梁构成门式框架，横梁可沿两立柱导轨作升降运动。横梁上有1个或2个带垂直主轴的铣头，可沿横梁导轨作横向运动。两立柱上还可分别安装一个带有水平主轴的铣头，它可沿立柱导轨作升降运动。

四、数控机床加工特点

数控机床是一种高效能的自动化加工设备。与普通机床加工相比，数控机床加工具有以下特点。

1.自动化程度高

用数控机床加工零件时，除了手工装卸工件外，全部加工过程都由机床自动完成，大大降低了操作者的劳动强度，改善了劳动条件。

2.柔性好，适应性强

数控机床利用事先编制好的数控加工程序加工零件，只要改变数控加工程序，即可加工新的零件，而不需要改变机械部分和控制部分的硬件。

3.可以加工有复杂型面的工件

数控机床的刀具运动轨迹是由加工程序决定的，因此只要能编制出程序，不管多么复杂的型面工件都能加工。例如，采用五轴联动的数控机床，就能加工螺旋桨的复杂空间曲面。

4.加工精度高

数控机床本身的精度比较高。数控机床在整体设计中考虑了整机刚度和零件的制造精度，并且采用高精度的滚珠丝杠传动副，机床的定位精度和重复定位精度都很高，一般数控机床的定位精度为±0.01mm，重复定位精度为0.025～0.001mm。在加工过程中操作人员无须参与，工件的加工精度全部由机床保证，消除了人为误差。因此，加工出来的工件精度高，尺寸一致性好，质量稳定。

5.生产效率高

数控机床的主轴转速、进给速度和快速定位速度高，可以合理地选择大的切削参数，充分发挥刀具的切削性能，减少切削时间；另外，在加工中零件的装夹次数少，一次装夹可加工出很多表面，省去了划线找正和检测等许多中间环节，因此数控机床的生产效率高。据统计，普通机床的净切削时间一般占总切削时间的15%～20%，而数控机床可达65%～70%，可实现自动换刀的带刀库数控机床甚至可达75%～80%。加工复杂工件时，效率可提高5～10倍。

6.可以降低操作者劳动强度，实现一人多机操作

一般数控机床加工出第一个合格工件后，操作者只需要进行工件的装卸和启动机床，因此降低了操作者的劳动强度。现在的数控机床可靠性高，保护功能齐全，并且数控系统有自诊断和自停机功能，当一个工件的加工时间超出工件的装卸时间时，就能实现一人多机操作。

7.有利于实现计算机辅助制造

目前在机械制造业中，CAD/CAM已经被广泛应用，数控机床及其加工技术正是计算机辅助制造系统的基础。

8.初期投资大，但经济效益明显

数控机床的价格一般是普通机床的若干倍，机床备件的价格高，加工首件需要进行编程、调试程序和试加工，时间较长，因此数控机床一次性投资及日常维护保养费用较普通机床高很多，但是如能充分发挥数控机床的能力，将会带来很高的经济效益。数控机床的优势不仅表现在生产效率高、加工质量好、废品少等方面，还包括减少工装和量刃具、缩短生产周期、减少在制品数量、缩短新产品试制周期等，从而为企业带来明显的经济效益。

五、数控铣床加工零件的特点

[1] 几何形状复杂的零件。

[2] 小批量且多次生产或小批量多品种的零件。

[3] 在加工过程中必须进行多种加工的零件。

[4] 切削余量大的零件。

六、数控铣床加工对象

数控铣削是机械加工中最常用和最主要的数控加工方法之一，它除了能加工普通铣床所能加工的各种零件外，还能加工普通铣床不能加工的各种零件。根据数控铣床的特点，适合数控铣削的主要加工对象有以下几类。

1.平面类零件

加工面平行或垂直于水平面，或者加工面与基准面成一定倾斜角度的零件，如图1-3-13～图1-3-15所示。这类加工面可展开为平面。

2.曲面类零件

加工面为空间曲面的零件称为曲面类零件，如图1-3-16所示。曲面类零件的加工面不能展开为平面。加工时，铣刀与加工面始终呈点接触，一般采用球刀来加工曲面。

3.箱体类零件

箱体类零件一般是指具有一个以上孔系，内部有一定型腔或空腔，在长、宽、高方向有一定比例的零件，如图1-3-17所示。这类零件在机械、汽车、飞机制造等行业用得较多，如汽车的发动机缸体、变速箱体，机床的床头箱、主轴箱。