数控机床概述

刀具
工件 图1.2 点位控制钻孔加工示意图
（2）. 直线控制数控机床
要保证点与点之间的准确定位，而且要控制两相关点之间的位移速度和路线， 其路线一般是由平行于各坐标轴或与坐标轴成45°夹角的直线。 有简易数控车床，简易数控铣床等。
点位直线控制切削加工
铣削直线控制
（3）. 轮廓控制数控机床
工件
刀具
进行X、Y、Z三个坐标轴联动加工。机床有刀库，可装各类钻、
铣类刀具并自动换刀。
图1-11 JCS-018A型加工中心
车削加工中心 车削加工中心以车削为主，主体是数控车床，机床上配备
有转塔式刀库或由换刀机械手和链式刀库组成的大容量刀库。 车削加工中心还配置有铣削动力头。
镗铣加工中心
镗铣加工中心，它将数控铣床、数控镗床、数控钻床的功 能聚集在一台加工设备上，且增设有自动换刀装置。镗铣加工 中心是机械加工行业应用最多的一类数控设备，其工艺范围主 要是铣削、钻削和镗削。
工件坐标系与工件原点 工件坐标系（ Workpiece Coordinate System ）固定于工 件上的笛卡尔坐标系，是编程人员在编制程序时用来确定刀具 和程序起点的，该坐标系的原点可由编程人员根据工件加工时 的具体情况确定。
工件原点Op（程序原点），是指零件被装夹好后，相应的
编程原点在机床坐标系中的位置。对一般零件，工件坐标系即
标点之间生成一系列的坐标数据，从而自动地对各坐标轴进行
脉冲分配，完成整个线段的轨迹运行，使机床加工出所要求的
轮廓曲线。
大多数 CNC 系统一般都具有直线和圆弧插补功能。对于
非直线或圆弧组成的轨迹，可以用小段的直线或圆弧来拟合。
1.5.1 脉冲增量插补
该插补算法主要为各坐标轴进行脉冲分配计算。其特点是
每次插补的结束仅产生一个行程增量，以一个个脉冲的方式输
出给步进电动机。
3)．按工艺用途分类
金属切削类数控机床: 数控车床，数控钻床，数控铣床，数控磨床，数控镗床及
加工中心。这些机床都适用于单件、小批量和多品种的零件加 工，具有很好的加工尺寸的一致性、很高的生产率和自动化程 度，以及很高的设备柔性。
①数控车床，能自动控制完成对轴类与盘类零件内外圆柱面、 圆锥面、圆弧面、螺纹等切削加工，并能进行切槽、钻孔、扩 孔和铰孔等工作。 CNC车床由机床主轴带动工件旋转实现主运动，刀具并不旋 转，切削刀具安装的转塔刀架或四方刀架上，沿平行主轴轴向 （Z）和垂直主轴轴线的横向（X）两个方向的导轨，相对工件 进给移动。
存在着本质上的差别:
传统卧式车床主轴的运动经过挂轮架、进给箱、溜板箱传
到刀架，实现纵向和横向进给运动，传动路线长，传动精度低。
而数控车床是采用伺服电动机，经滚珠丝杠传到滑板和刀架，
实现Z向（纵向）和X向（横向）进给运动，传动路线短，传动 精度高。
②数控铣床，常主要设计为轮廓加工和孔加工的具有铣镗功能 的数控机床。它可以进行平面铣削、型腔铣削、外形轮廓铣削、 三维及三维以上复杂型面铣削，还可进行钻削、镗削、螺纹切 削等孔加工。加工中心、柔性制造单元等都是在数控铣床的基 础上产生和发展起来的。 主轴在空间处于垂直状态的，称为立式数控铣床；主轴在 空间处于水平状态的，称为卧式数控铣床。
是数控系统的核心，接受来自输入装置的程序和数据，并进 行编译、运算和逻辑处理，最终将信号输出给伺服系统。
（4）伺服驱动装置 是连接数控系统和机床主机的关键部分，它接受来自数控系
统的指令，驱动数控机床上的执行件实现预期的运动。 （5）检测装置
将数控机床各坐标轴的实际速度和位移检测出来，经反馈系 统输入到机床的数控装置中。 （6）机床主体
4. 在精度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合得 到广泛应用。
5. 一般用于经济型数控机床
（2）闭环控制数控机床
半闭环数控系统：位置采样点如图所示，是从驱动装置
(常用伺服电机)或丝杠引出，采样旋转角度进行检测， 不是直接检测运动部件的实际位置
CNC插 补
指令
位置控制单元 + -
位置控制调节器
速度控制单元
笛卡尔直角坐标系
1.4.2. 机床坐标系的确定方法
确定机床坐标轴时，一般先确定Z轴，再确定X轴和Y轴。
(1) Z轴。规定平行于机床主轴的轴线作为Z轴，刀具远离工件的
方向为Z轴的正方向。
(2) X轴。规定X轴位于水平面内，垂直于Z轴并平行于工件装夹
面。
对于工件旋转的机床，如车床，X轴在工件的径向并平行于
给系统）
原理介绍：
CNC 插补指令
脉冲频率f 脉冲个数n
换算
f、n
脉冲环 形分配
变换
A相、B相 功率
C相、… 放大
机械执行部件
步进电机
特点：
1. 无位置反馈，精度相对闭环系统来讲不高，其精 度主要取决于伺服驱动系统和机械传动机构的性 能和精度
2. 一般以功率步进电机作为伺服驱动元件
3. 结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、价 格低廉
实际速 度反馈
检测与反馈单元
电机
特点：
1. 从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节的误 差、间隙和失动量。具有很高的位置控制精度
2. 由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、 刚性和间隙都是非线性的，故很容易造成系统的 不稳定，使闭环系统的设计、安装和调试都相当 困难
3. 该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车 床、超精磨床以及较大型的数控机床等
组成: 数控机床由控制介质、输入输出装置、数控装置、
伺服驱动装置、检测装置和机床主体组成。
控
图
制
输
纸
介
入
CNC装置
输 出
质
伺服驱动装置
伺
执
服
行
系
机
统
构
检测装置 机床主体
（1）控制介质 存储着加工零件所需要的全部操作信息，数控系统通过这些
信息来控制机床动作和加工零件。 （2）输入输出装置
输入输出装置主要实现程序编制、程序和数据的输入以及显 示、 数控机床的坐标系
1.4.1坐标轴的命名
按照国际标准ISO841规定：数控机床的坐标轴采用右手直角笛 卡尔坐标系进行命名。该坐标系中，有三个互相垂直的坐标(X、 Y、Z坐标)，三个坐标的交点为坐标系的原点。
坐标轴的命名规定 （1）坐标系中的各个坐标轴与机床的主要导轨相平行。 （2）A、B、C分别表示绕X、Y、Z的轴线或绕与X、Y、Z轴线相 平行的轴的转动。其正方向用右手螺旋定则确定。 （3）加工过程中不论是刀具移动还是工件移动，一律假定工件 静止不动，而刀具在移动，并规定刀具远离工件的运动方向为 坐标轴的正方向。
(4) A、B、C的转向。选定X、Y、Z坐标轴后，根据右手螺旋 定则来确定A、B、C三个转动的正方向。
图1-13卧式车床
图1-14立式铣床
图1-16卧式铣床
1.4.2 机床坐标系与工件坐标系 1.机床坐标系与机床原点
机床坐标系，是机床上固定的坐标系，机床坐标系的原点又叫 机床原点O（机械原点），是数控机床进行加工运动的基准参 考点。
数控机床概述
1.2 数控机床的组成及特点
早期的数控机床系统采用数字逻辑电路构成，即由硬 件实现逻辑控制，称为硬件数控系统，所以数控机床 也称为NC机床。硬件数控系统经历了电子管、晶体 管、集成电路的发展过程。
现在采用计算机或微机的数控系统称为计算机数控系 统，简称“CNC”，所以现在的数控机床也称CNC机 床。 数控机床——就是用数控技术实时加工控制的机床。 数控机床是集机、电、液、气、光高度一体化的产 品。
（2）金属成型类数控机床 金属成型类数控机床有数控冲床、数控压力机、数控折弯
机、数控弯管机等。 （3）数控特种加工机床
数控特种加工机床包括数控线切割机床、数控电火花加工 机床、数控火焰切割机、数控激光切割机床、专用组合机床等。
（4）数控综合加工机
这类数控机床是将多种类型机床功能集 于一身,其加工范围、对零件加工的适应性 更强。它包括车－铣、铣－车类综合加工机 ，甚至可以在零件的一次装夹中完成：车、 铣、局部淬火、磨削等加工工序，使加工工 序高度集中。是数控机床的一个发展方向。
图1-9 立式数控铣床图
图 1-10 卧式数控铣床
龙门式加工中心机床
加工中心机床加工的典型零件
加工中心（Machining Center）是适应省力、省时和节能
的时代要求而迅速发展起来的自动换刀数控机床。相对那些普
通数控机床更具有灵活性和适应性，并且效率更高，工艺能力
更强，自动化程度更高。图1-11 JCS-018A型加工中心,机床能
机床主体主要指用于完成各种切削加工的机械部分，包括 床身、立柱、主轴、进给机构等。
数控机床的特点
1． 适应性强 2． 加工精度高、质量稳定 3． 生产效率高、经济效益好 4． 减轻操作者的劳动强度、操作简单 5． 有利于生产管理的现代化 6. 有故障诊断和监控能力
但另一方面，数控机床在使用中也暴露出 一些问题，主要有：
图1-8 全功能数控车床HM-077外形和结构组成
1-主轴电机 2-主轴箱 3-排屑器 4-卡盘 5-防护罩 6-尾座 7-刀架 8-床鞍滑板 9-床身 10-操作面板
卧式数控车削中心
立式数控车床
立式数控车床加工零件
卧式数控车床加工零件
数控车床的进给系统与传统通用车床的进给系统在结构上
2. 增量坐标系 运动轨迹的终点坐标值相对于起点计量的坐标系称为增量坐
标系，其坐标原点是移动的。所用的编程指令称为增量指令。 增量坐标常用U、V、W代码表示。
1.5 数控机床的插补原理
所谓插补是指数据点密化的过程。在对数控系统输入有限
坐标点（例如起点、终点）的情况下，计算机根据线段的特征