第1章數(shù)控機床概述1.1數(shù)控機床的產(chǎn)生和發(fā)展1.2數(shù)控機床的特點1.3數(shù)控機床的分類1.4數(shù)控機床的基本原理和坐標系1.5數(shù)控機床的主要性能指標習題

1.1數(shù)控機床的產(chǎn)生和發(fā)展1.1.1數(shù)控技術與數(shù)控機床數(shù)控(NumericalControl—NC）技術是近代發(fā)展起來的一種自動控制技術，是用數(shù)字化信號對機床運動及其加工過程進行控制的一種方法。采用數(shù)控技術實現(xiàn)數(shù)字控制的一整套裝置和設備，稱為數(shù)控系統(tǒng)。數(shù)控機床就是裝備有數(shù)控系統(tǒng)，采用數(shù)控技術控制的機床。常見的數(shù)控機床有數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控加工中心等。1.1.2數(shù)控機床的產(chǎn)生和發(fā)展數(shù)控機床主要是為了實現(xiàn)復雜多變零件的自動化加工而產(chǎn)生的。機床數(shù)控技術的產(chǎn)生，不僅為復雜零件的加工提供了方便，而且加工精度高，一致性好，生產(chǎn)效率高，能夠大大減輕工人的勞動強度，因此很快受到了人們的關注。1.2數(shù)控機床的特點

與普通機床相比，數(shù)控機床具有以下特點：（1）自動化程度高，勞動強度低。（2）加工精度高。（3）產(chǎn)品一致性好。（4）能夠?qū)崿F(xiàn)復雜工件的加工。（5）生產(chǎn)效率高。（6）機械傳動鏈短，結構簡單。1.3數(shù)控機床的分類1.3.1按工藝用途分類按工藝用途不同，可將數(shù)控機床分成以下幾類：（1）單工序數(shù)控機床。（2）加工中心。（3）特種加工數(shù)控機床。（4）其他類型的數(shù)控設備。1.3.2按運動軌跡分類

1.點位控制數(shù)控機床這類數(shù)控機床的特點是在刀具相對于工件的移動過程中不進行切削加工，只要求刀具從一點移動到另一點并準確定位，而對運動的速度和軌跡沒有嚴格的要求。如圖1.1所示，刀具從A點到B點可以走①、②或③中的任意一條路經(jīng)。圖1.1點位控制切削加工圖1.2直線控制切削加工2.直線控制數(shù)控機床這類數(shù)控機床不僅要控制機床刀具從一點移動到另一點，而且要沿直線軌跡（一般與某一坐標軸平行或成45°角）以一定速度移動，移動過程中可進行切削加工，加工示例如圖1.2所示。圖1.3輪廓控制切削加工

輪廓控制數(shù)控機床能夠控制機床刀具或工件沿直線、圓弧或拋物線等曲線軌跡移動，移動過程中可進行切削加工，移動速度根據(jù)工藝要求由編程確定，可實現(xiàn)曲線或者曲面輪廓加工，加工示例如圖1.3所示。多個坐標軸按照一定的函數(shù)關系同時協(xié)調(diào)運動，稱為多軸聯(lián)動。按照聯(lián)動軸數(shù)，可分為二軸聯(lián)動、二軸半聯(lián)動、三軸聯(lián)動和多軸聯(lián)動數(shù)控機床，如圖1.4所示。

圖1.4不同聯(lián)動軸數(shù)所能加工的型面(a)二軸聯(lián)動；(b)二軸半聯(lián)動；(c)三軸聯(lián)動圖1.5五軸聯(lián)動銑削曲面零件圖1.6六軸加工中心坐標示意圖1.3.3按伺服系統(tǒng)的控制方式分類按伺服系統(tǒng)的控制方式不同可將數(shù)控機床分為開環(huán)控制、閉環(huán)控制和半閉環(huán)控制數(shù)控機床。

1.開環(huán)控制數(shù)控機床這類數(shù)控機床的運動部件沒有位置檢測反饋裝置，采用步進電動機驅(qū)動，如圖1.7所示。圖1.7開環(huán)控制數(shù)控機床結構2.閉環(huán)控制數(shù)控機床這類數(shù)控機床的運動部件上安裝有位置測量反饋裝置，由直流或交流伺服電動機驅(qū)動，如圖1.8所示。圖1.8閉環(huán)控制數(shù)控機床結構3.半閉環(huán)控制數(shù)控機床將位置檢測元件安裝在電動機軸端或絲杠軸端，通過角位移的測量間接計算出機床工作臺的實際運行位移，與數(shù)控裝置中的指令位移量相比較，實現(xiàn)差值控制，構成如圖1.9所示的半閉環(huán)控制。圖1.9半閉環(huán)控制數(shù)控機床結構圖1.3.4按功能水平分類按照功能水平，可以將數(shù)控機床分為低（經(jīng)濟型）、中、高三檔。這種分類方法的界線是相對的，不同時期的劃分標準會有所不同。就目前的發(fā)展水平來看，不同檔次數(shù)控機床的功能和指標如表1.1所示。表1.1各檔次數(shù)控機床的功能和指標1.4數(shù)控機床的基本原理和坐標系1.4.1數(shù)控機床的基本原理

1.數(shù)控機床的工作過程數(shù)控機床是用數(shù)字信息進行控制的機床。它用數(shù)字代碼將刀具相對工件移動的軌跡、速度等信息記錄在程序介質(zhì)上，然后送入數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)過譯碼和運算，控制機床刀具與工件的相對運動，加工出所需要的工件。其基本過程如圖1.10所示。圖1.10數(shù)控加工過程示意圖2.數(shù)控機床的組成如圖1.11所示，數(shù)控機床由機床本體、數(shù)控系統(tǒng)和伺服驅(qū)動系統(tǒng)幾部分組成。

1）機床本體機床本體是數(shù)控機床的主體，由基礎件(如床身、底座)和運動件(如工作臺、床鞍、主軸箱等)組成。圖1.11數(shù)控機床的組成

與普通機床相比，數(shù)控機床本體具有以下特點：（1）采用了高性能主軸部件及傳動系統(tǒng)，機械傳動結構簡單。（2）機械結構具有較高剛度和耐磨性，熱變形小。（3）更多地采用了高效傳動部件，如滾珠絲杠、靜壓導軌、滾動導軌等。2）數(shù)控系統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機床的控制核心，用來輸入、存儲零件加工程序，并根據(jù)零件加工程序進行計算、插補等處理，發(fā)出各種控制信號，控制機床各部件的動作，完成零件加工過程的控制。

3）伺服驅(qū)動系統(tǒng)伺服驅(qū)動裝置的作用是把來自數(shù)控裝置的輸出信號進行功率放大，通過執(zhí)行元件（如步進電動機、伺服電動機等）和機械傳動機構，使機床的運動部件帶動刀具相對于工件按規(guī)定的軌跡和速度運動，實現(xiàn)零件加工。1.4.2數(shù)控機床的坐標系該標準規(guī)定，數(shù)控機床采用右手直角笛卡爾坐標系，如圖1.12所示?；局苯亲鴺溯SX、Y、Z三者的關系及其正方向按右手定則判定，圍繞X、Y、Z各軸作旋轉(zhuǎn)運動的軸A、B、C三者的正方向按右螺旋法則判定。圖1.12右手直角笛卡爾坐標系

該標準還規(guī)定，增大工件與刀具之間距離（即增大工件尺寸）的方向為正方向；Z軸為平行于機床主軸的坐標軸，如果機床有一系列主軸，則選盡可能垂直于工件裝卡面的主要軸為Z軸；X軸為水平或者平行于工件裝卡平面的軸；其余各軸根據(jù)右手定則和右螺旋法則確定。圖1.13和圖1.14所示為臥式車床和立式銑床的坐標系。圖1.13臥式車床坐標系圖1.14立式銑床坐標系1.5數(shù)控機床的主要性能指標1.5.1數(shù)控機床的運動性能指標（1）主軸轉(zhuǎn)速。（2）進給速度。（3）坐標行程。（4）刀庫容量和換刀時間。1.5.2數(shù)控機床的精度指標

1.定位精度和重復定位精度定位精度是指數(shù)控機床工作臺等移動部件實際運動位置與指令位置的一致程度，其不一致的差量即為定位誤差。

2.分辨率與脈沖當量分辨率是指可以分辨的最小位移間隔。對測量系統(tǒng)而言，分辨率是可以測量的最小位移；對控制系統(tǒng)而言，分辨率是可以控制的最小位移增量。3.分度精度分度精度是指分度工作臺在分度時，實際回轉(zhuǎn)角度與指令回轉(zhuǎn)角度的差值。分度精度既影響零件加工部位在空間的角度位置，也影響孔系加工的同軸度等。表1.2所示為幾種數(shù)控機床的精度指標。表1.2幾種數(shù)控機床的精度指標1.5.3數(shù)控機床的可控軸數(shù)與聯(lián)動軸數(shù)可控軸數(shù)是指數(shù)控系統(tǒng)能夠控制的坐標軸數(shù)目。該指標與數(shù)控系統(tǒng)的運算能力、運算速度以及內(nèi)存容量等有關。目前，高檔數(shù)控系統(tǒng)的可控軸數(shù)已多達24軸。習