第一章数控机床概述

第一章数控机床概述

第一节数控机床的产生与发展

随着社会生产和科学技术的不断进步，各类工业新产品层出不穷。机械制造产业作为国民工业的基础，其产品更是日趋精密复杂，特别是在宇航、航海、军事等领域所需的机械零件，精度要求更高，形状更为复杂且往往批量较小，加工这类产品需要经常改装或调整设备，普通机床或专业化程度高的自动化机床显然无法适应这些要求。同时，随着市场竞争的日益加剧，企业生产也迫切需要进一步提高其生产效率，提高产品质量及降低生产成本。

一种新型的生产设备——数控机床就应运而生了。

1948年帕森斯公司（Parsons）正式接受美国空军的委托，与麻省理工学院(MIT)伺服机构实验室（Servo Mechanism Laboratory of the Massachusetts Institute of Technology）合作，于1952年试制成功世界上第一台数控机床试验性样机。1959年，美国克耐·杜列克公司（Keaney & Trecker）首次成功开发了加工中心（Machining Center）。

1．1数控机床的发展简况

第1代数控机床：1952年～1959年采用电子管元件构成的专用数控装置（NC）。

第2代数控机床：从1959年开始采用晶体管电路的NC系统。

第3代数控机床：从1965年开始采用小、中规模集成电路的NC系统。

第4代数控机床：从1970年开始采用大规模集成电路的小型通用电子计算机控制的系统（CNC）。

第5代数控机床：从1974年开始采用微型计算机控制的系统（MNC）。

微型计算机控制系统

1．计算机直接数控系统

所谓计算机直接数控（Direct Numerical Control，DNC）系统，即使用一台计算机为数台数控机床进行自动编程，编程结果直接通过数据线输送到各台数控机床的控制箱。

2．柔性制造系统

柔性制造系统（Flexible Manufacturing System，FMS）也叫做计算机群控自动线，它是将一群数控机床用自动传送系统连接起来，并置于一台计算机的统一控制之下，形成一个用于制造的整体。

3．计算机集成制造系统

计算机集成制造系统（Computer-Integrated Manufacturing System，CIMS），是指用最先进的计算机技术，控制从定货、设计、工艺、制造到销售的全过程，以实现信息系统一体化的高效率的柔性集成制造系统。

1．2我国数控机床发展概况

1958年开始并试制成功第一台电子管数控机床。1965年开始研制晶体管数控系统，直到20世纪60年代末至70年代初成功。从20世纪80年代开始，先后从日本、美国、德国等国家引进先进的数控技术。如北京机床研究所从日本FANUC公司引进FANUC3、FANUC5、FANUC6、FANUC7系列产品的制造技术；上海机床研究所引进美国GE公司的MTC-1数控系统等。

1．3数控机床的发展趋势

从数控机床技术水平看，高精度、高速度、高柔性、多功能和高自动化是数控机床的重要发展趋势。

数控系统都采用了16位和32位微处理器，标准总线及软件模块和硬件模块结构，内存容量扩大到1MB以上，机床分辨率可达0.1 m，高速进给可达100m/min，控制轴数可达16个。

第二节数控机床的组成及工作原理

2．1数控机床的组成

数控机床是一种利用数控技术，按照事先编好的程序实现动作的机床。它主要由以下部分组成

1．控制介质

数控机床工作时，不需要操作工人直接操纵机床，但机床又必须执行人的意图，这就需要在人与机床之间建立某种联系，这种联系的中间媒介物即称为控制介质。

2．数控系统

数控装置是一种控制系统，是数控机床的中心环节。它能自动阅读输入载体上事先给定的数字，并将其译码，从而使机床进给并加工零件，数控系统通常由输入装置、控制器、运算器和输出装置4大部分组成。

3．伺服系统

伺服系统由伺服驱动电动机和伺服驱动装置组成，它是数控系统的执行部分。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带动机床的移动部件运动或使执行部分动作，以加工出符合要求的工件。每一个脉冲使机床移动部件产生的位移量叫做脉冲当量。目前所使用的数控系统脉冲当量通常为0.001mm/脉冲。

4．辅助控制系统

辅助控制系统是介于数控装置和机床机械、液压部件之间的强电控制装置。

5．机床本体

机床本体是数控机床的主体，由机床的基础大件（如床身、底座）和各运动部件（如工作台、床鞍、主轴等）所组成。

2．2数控机床的工作原理

在数控机床上加工零件通常要经过以下几个步骤

1．根据零件的加工图样与工艺方案，用规定的代码和程序格式编写程序单；

2．把编写好的程序通过控制介质输入到CNC单元中去；

3．CNC将输入的程序经过处理后，向机床各个坐标的伺服系统发出信号；

4．伺服系统根据CNC单元发出的信号，驱动机床的运动部件，并控制必要的辅助操作；5．通过机床机械部件带动刀具与工件的相对运动，加工出要求的工件；

6．检测机床的运动，并通过反馈装置反馈给CNC单元，以减小加工误差。当然，对于开环数控机床来说没有检测、反馈装置。

第三节数控机床的特点及应用范围

3．1数控机床的优点

1、加工精度高

数控机床是精密机械和自动化技术的综合体。机床的数控装置可以对机床运动中产生的位移、热变形等导致的误差，通过测量系统进行补偿而获得很高且稳定的加工精度。由于数控机床实现自动加工，所以减少了操作人员素质带来的人为误差，提高了同批零件的一致性。

2、生产效率高

就生产效率而言，相对普通机床，数控机床的效率一般能提高2～3倍、甚至十几倍。主要体现在以下几个方面:

a. 一次装夹完成多工序加工，省去了普通机床加工的多次变换工种、工序间的转件以及划线等工序。

b. 简化了夹具及专用工装等，由于是一次装夹完成加工。所以普通机床多工序的夹具省去了，即使偶尔必须用到专用夹具。由于数控机床的超强功能夹具的结构也可简化。

4、改善劳动条件、减轻劳动强度，数控机床大多采用全封闭护罩,机床不会有水、油、铁屑溅出，可有效保持工作环境的清洁。数控机床的操作由体力型转为智力型，大大降低了操作人员的劳动强度。

5、有利于实现生产管理现代化

a. 程序化控制加工、更换品种方便；

b. 一机多工序加工，减化生产过程的管理，减少管理人员；

c. 可实现无人化生产。

由此可见，数控机床最适宜加工以下类型的零件

1）生产批量小的零件(100件以下)；

2）需要进行多次改型设计的零件；

3）加工精度要求高、结构形状复杂的零件，如箱体类，曲线、曲面类零件；

4）需要精确复制和尺寸一致性要求高的零件；

5）价值昂贵的零件，这种零件虽然生产量不大，但是如果加工中因出现差错而报废将产生巨大的经济损失；

第四节数控机床的分类

1、按工业用途分类

（1）数控车床（NC Lathe）

（2）数控铣床(NC Milling Machine)

（3）数控钻床(NC Drilling Machine)

(4) 数控镗床(NC Boring Machine)

（5）数控齿轮加工机床(NC Gearing Holding Machine)

（6）数控平面磨床(NC Surface Grinding Machine)

（7）数控外圆磨床(NC External Cylindrical Grinding Machine)

（8）数控轮廓磨床(NC Contour Grinding Machine)

（9）数控工具磨床(NC Tool Grinding Machine)

（10）数控坐标磨床(NC Jig Grinding Machine)

（11）数控电火花加工机床(NC Dieseling Electric Discharge Machine)

（12）数控线切割机床(NC Wire Discharge Machine)

（13）数控激光加工机床(NC Laser Beam Machine)

（14）数控冲床(NC Punching Press) （15）加工中心(Machine Center)

（16）数控超声波加工机床NC Ultrasonic Machine)

（17）其他（如三坐标测量机等）

2、按控制系统的特点分类

（1）点位控制系统（Positioning Control）只控制刀具从一点到另一点的位置，而不控制移动轨迹，在移动过程中刀具不进行切削加工。

（2）直线控制系统（Straight-line Control）是控制刀具或机床工作台以给定的速度，沿平行于某一坐标轴方向，由一个位置到另一个位置的精确移动，并且在移动过程中进行直线切削加工。

（3）轮廓控制系统（Contour Control）是对两个或两个以上的坐标轴同时进行连续控制，

并能对机床移动部件的位移和速度进行严格的控制，即要控制加工的轨迹，加工出要求的轮廓。其运动轨迹是任意斜率的直线、圆弧、螺旋线等。

3、按控制方式分类

（1）开环控制（Open Loop Control）即不带位置测量元件，数控装置根据控制介质上的指令信号，经控制运算发出指令脉冲，使伺服驱动元件转过一定的角度，并通过传动齿轮、滚珠丝杠螺母副，使执行机构（如工作台）移动或转动。特点是没有来自位置测量元件的反馈信号，对执行机构的动作情况不进行检查，指令流向为单向，控制精度较低。

（2）闭环控制（Closed Loop Control）是将位置检测装置安装于机床运动部件上，加工中将测量到的实际位置值反馈。另外通过与伺服电机刚性连接的测速元件，随时实测驱动电动机的转速，得到速度反馈信号，并与速度指令信号相比较，其比较的差值对伺服电动机的转速随时进行校正，直至实现移动部件工作台的最终精确定位。

（3）半闭环控制（Semi-Closed Loop Control）是将位置检测装置安装于驱动电动机轴端或安装于传动丝杠端部，间接地测量移动部件（工作台）的实际位置或位移。

4、按加工方式分类

（1）金属切削类数控机床如数控车、加工中心、数控钻床、数控磨床等

（2）金属成型类数控机床如数控折弯机、数控弯管机、数控压力机等

（3）数控特种加工机床如数控线切割机床、数控电火花加工机床、数控激光切割机等

（4）其它类型的数控机床如火焰切割机、数控三坐标测量机等