数控机床的应用范围和特点

第1章前言1.1前言随着科学技术和市场经济的不断发展, 对机械产品提出了高精度、高效率通用性和灵活性的要求。

虽然许多生产企业（如汽车、家用电器等制造厂）已经采用了自动机床和专用自动生产线，可以提高生产效率、提高产品质量、降低生产成本，但是由于市场竞争日趋激烈，这就要求企业必须不断开发新产品。

在频繁的开发新产品的生产过程中，使用“刚性”（不可变）的自动化设备，由于其工艺过程的改变极其复杂，因此刚性自动化设备的缺点暴露无遗。

另外，在机械制造业中，并不是所有产品零件都具有很大的批量。

据统计，单件小批量生产约占加工总量的75%～80%。

对于单件、小批，复杂零件的加工，若用“刚性”自动化设备加工，则生产成本高、生产周期长，而且加工精度也很难符合要求。

为了解决上述问题，并满足新产品的开发和多品种、小批量生产的自动化，国内外已研制生产了一种灵活的、通用的、万能的、能适应产品频繁变化的数控机床。

数控机床就是针对这些要求而产生的一种新型自动化机床。

数控机床是机电一体化重要组成部分，是集精密机械技术、计算机技术、自动控制技术、微电子技术和伺服驱动技术于一体的高度机电一体化典型产品。

数控机床体现了当前世界机床进步的主流, 是衡量机械制造工作水平的重要指标。

在先进制造技术中起着重要的基础核心作用, 数控机床是一种价格昂贵的精密设备,具有与普通机床不同的鲜明特点。

1.2.数控机床的发展自从1952年美国麻省理工学院研制出世界上第一台数控机床以来，数控机床在制造工业，特别是在汽车、航空航天、以及军事工业中被广泛地应用，数控技术无论在硬件和软件方面，都有飞速发展。

在数控机床的早期产品中，数控装置是专用的。

近年来，数控系统技术的突飞猛进，柔性制造系统的迅速发展和超高速切削超精密加工等技术的广泛应用，以及电子计算机信息技术的不断成熟，为数控机床的技术进步提供有利条件的同时，也提出了更高的要求。

数控装置中的逻辑电路已被计算机所取代，从而实现了控制多样化和多功能化，为更好地满足市场的需要，达到现代制造技术对数控机床所提出的更高要求，使数控机床控制功能实现最佳控制和自适应控制，在数控机床中增加其系统诊断功能并通过传感器反馈，实现加工智能化，更好地保证系统的可靠性是十分必要的。

总之，数控机床应不断吸收最新最先进技术成就，朝着高可靠性、高速度化、高效率化、高精度化、高柔性化、高智能化、数控编程自动化、制造控制系统小型化、多功能复合化、设计宜人化等方向发展然而，由于我国工业基础相对薄弱，以企业为主体的创新体系尚未建立，数控机床产业化时间短；企业自身装备的数控化效率低，信息化管理水平不高，对国外尖端技术的依存度很高；数控机床行业发展技术能力低下，研发能力有限，基础技术和关键技术研究还很薄弱，基础开发理论研究基础工艺研究和应用软件开发还不能适应数控技术快速发展的要求；科技人才不足,缺乏高级技术人员，科技投入和科研设施尚不适应等，这些问题的存在，使得我国数控机床1行业发展缓慢年国务院8号文件国务院关于加快振兴装备制造业的若干意见中，首次将数控机床列入重大技术装备，并提出明确要求：发展大型精密高速数控装备和数控系统及功能部件，改变大型高精度数控机床大部分依赖进口的现状，满足机械航空航天等工业发展的需要。

可见，以国家意志启动的振兴装备制造业的举措，为我国机床工具行业的发展创造了极好的外部环境，提供了前所未有的发展机遇。

因此，在国家加大支持力度的前提下，企业要加强数控技术研发领域的投入，不断提高数控机床的技术水平，增强自身实力，以突破国际巨头的技术封锁。

第2章数控机床的工作原理、组成及特点2.1 工作原理数控机床是数字控制机床的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。

其工作原理就是将加工过程中所需要的各种操作（如主轴变速、进刀与退刀、开车与停车、工件松开与夹紧、自动关停冷却液等）和步骤，以及工件形状尺寸用数字化代码予以表示，通过控制介质（如磁盘或穿孔纸带等）将数字信息送入数控装置，数控装置则将对所输入的信息进行处理与运算，发出各种控制信号，以控制机床伺服系统和其他驱动原件，从而使机床自动加工出生产中所需要的工件。

简单地说，数控机床就是能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，将其译码，从而使机床动作并加工零件。

2.2 加工内容数控机床由主机、数控装置、驱动装置、辅助装置、编程及其他附属设备几个部分组成。

数控机床的数控系统由显示器、伺服控制器伺服电机开关和传感器构成数控机床的加工一般包括对图纸进行分析，确定需要数控加工部分；利用图形软件对需要数控加工部分造型；加工条件，选择合适加工参数，生成包括粗加工半精加工精加工的加工轨迹；轨迹仿真检验；生成代码；传给机床加工几项内容使用数控机床进行生产加工的关键是加工数据和工艺参数的获取，即数控编程。

2.3数控机床的特点数控机床就是用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制的一种加工设备。

现代数控机床是一种典型的集光、机、电、磁技术于一体的加工设备。

数控加工设备主要分切( 磨)削加工、压力加工和特种加工(如电火花加工、线切割加工等)三大类。

切削加工类数控机床的加工过程能按预定的程序自动进行,消除了人为的操作误差和实现了手工操作难以达到的控制精度,加工精度还可以通过软件来校正和补偿, 因此,可以获得比工作母机自身精度还要高的加工精度及重复定位精度; 工件在一次装夹后, 能先后进行粗、精加工,配置自动换刀装置后,还能缩短辅助加工时间、提高生产率; 由于机床的运动轨迹受可编程的数字信号控制, 因而可以加工单件和小批量且形状复杂的零件, 生产准备周期大为缩短。

综上所述,数控机床具有高精度、高效率、高度自动化和柔性好等的特点。

从近些年数控机床的生产现状和发展2趋势看, 由于计算机技术在机床行业的广泛应用, 与普通机床相比不仅在电器控制方面发生很大的变化,而且在机械结构性能方面也形成了自身独特的风格和特点。

具体说来，可以概括为以下几个方面。

2.3.1 具有高度柔性数控铣床的最大特点是高柔性，即可变性。

所谓“柔性”即是灵活、通用、万能，可以适应加工不同形状工件的自动化机床。

数控铣床一般都能完成钻孔、镗孔、铰孔、铣平面、铣斜面、铣槽、铣曲面（凸轮）和攻螺纹等加工，而且一般情况下，可以在一次装夹中完成所需的加工工序。

如图1所示齿轮箱，齿轮箱上一般有两个具有较高位置精度要求的孔，孔周有安装端盖的螺孔，按照老的传统加工方法步骤如下：图 1（1）划线划底面线A，划φ47JS7、φ52JS7及90±0.03中心线。

（2）刨（或铣）底面A。

（3）平磨（或括削）底面A。

（4）镗加工（用镗模）铣端面，镗φ52JS7、φ47JS7，保持中心距90±0.03。

（5）划线（或用钻模）划8-M6孔线。

（6）钻孔攻丝钻攻8-M6孔。

以上工件至少需要6道工序才能完成。

如果用数控铣床加工，只需把工件的基准面A 加工好，可在一次装夹中完成铣端面、镗φ52JS7、φ47JS7及钻攻8-M6孔，也就是将工序（4）、（5）和工序（6）合并为1道工序加工。

更重要的是，如果开发新产品或更改设计需要将齿轮箱上2个孔改为3个孔，8-M6螺孔改为12-M6孔，采用传统的加工方法必须重新设计制造镗模和钻模，则生产周期长。

如果采用数控铣床加工，只需将工件程序指令改变一下（一般只需0.5h～1h），即可根据新的3图3样进行加工。

这就是数控机床高柔性带来的特殊优点。

2.3.2 加工精度高质量稳定数控机床集中采用了提高加工精度和保证质量稳定性的多种技术措施：第一，数控机床由数控程序自动控制进行加工，在工作过程中，一般不需要人工干预，这就消除了操作者人为产生的失误或误差;第二，数控机床本身的刚度高、精度好, 并且精度保持性较好, 这更有利于零件加工质量的稳定，还可以利用软件进行误差补偿和校正, 也使数控加工具有较高的精度。

第三，数控机床的机械结构是按照精密机床的要求进行设计和制造的，采用了滚珠丝杠、滚动导轨等高精度传动部件，而且刚度大、热稳定性和抗振性能好；第四，伺服传动系统的脉冲当量或最小设定单位可以达到10pm一0.5pm，数控机床是按数字信号形式控制的，数控装置每输出一个脉冲信号，则机床移动部件移动一个脉冲当量（一般为0.001mm）同时，工作中还大多采用具有检测反馈的闭环或半闭环控制，具有误差修正或补偿功能，可以进一步提高精度和稳定性；第五，数控加工中心具有刀库和自动换刀装置，可以在一次装夹后，完成工件的多面和多工序加工，最大限度地减少了装夹误差的影响。

因此，数控机床定位精度比较高。

2.3.3加工质量稳定、可靠加工同一批零件，在同一机床，在相同加工条件下，使用相同刀具和加工程序，刀具的走刀轨迹完全相同，零件的一致性好，质量稳定。

2.3.4生产效率高数控机床能最大限度地减少零件加工所需的机动时间与辅助时间，显著提高生产效率。

第一，数控机床的进给运动和多数主运动都采用无级调速，且调速范围大，可选择合理的切削速度和进给速度可以进行在线检测，因此，每一道工序都能选择最佳的切削速度和进给速度；第二，良好的结构刚度和抗振性允许机床采用大切削用量和进行强力切削；第三，一般不需要停机对工件进行检测，从而有效地减少了机床加工中的停机时间；第四，机床移动部件在定位中都采用自动加减速措施，因此可以选用很高的空行程运动速度，大大节约了辅助运动时间。

机床的主轴转速和进给量的范围大，允许机床进行大切削量的强力切削，数控机床目前正进入高速加工时代，数控机床移动部件的快速移动和定位及高速切削加工，减少了半成品的工序间周转时间。

第五，加工中心可以采用自动换刀和自动交换工作台等措施，工件一次装夹，可以进行多面和多工序加工，大大减少了工件装夹、对刀等辅助时间数控加工工序集中, 可减少零件周转时间；第六，加工工序集中，可以减少零件的周转，减少了设备台数及厂房面积，给生产调度管理带来极大方便。

因此, 数控加工生产率较高, 比一般零件可以高出3～4倍, 复杂零件可提高十几倍甚至几十倍。

2.3.5 利于生产管理现代化采用数控机床加工能方便、精确计算零件的加工时间, 能精确计算生产和加工费用,主4轴速度控制单元安装在数控机床的加工，可预先精确估计加工时间，所使用的刀具、夹具可进行规范化、现代化管理。

数控机床使用数字信号与标准代码为控制信息，易于实现加工信息的标准化，目前已与计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）有机地结合起来，是现代集成制造技术的基础。

一机多工序加工，减化生产过程的管理，减少管理人员，并且可实现无人化生产。

2.3.6劳动强度低、劳动条件好数控机床的操作者一般只需装卸零件、更换刀具、利用操作面板控制机床的自动加工。

不需要进行繁杂的重复性手工操作, 因此劳动强度可大为减轻。