数控机床的基础知识

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现代制造技术实训教程



1数控机床的基础知识




数控机床是适用于多品种小批量生产的高效的自动化机床。由于采用了数控技术，数控机床可以加工普通机床无法加工的复杂零件，尤其是复杂空间曲面，其生产效率比普通机床提高数倍甚至数十倍。数控机床是按所编程序自动进行零件加工的，减少了操作者的人为误差，并且可以自动地进行检测及补偿，达到非常高的加工精度。随着现代制造业的发展，数控机床已得到越来越广泛的应用。


1.1数控机床概述

1. 数控机床的组成

数控机床由4个基本部分组成，即控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体，如图1.1所示。


图1.1数控机床的基本组成及工作原理



1） 控制介质
控制介质即信息载体。操作数控机床时，人与机床之间必须建立某种联系，把零件加工信息传送到数控装置中去，这种联系物质就是控制介质。常用的控制介质有穿孔纸带、穿孔卡、磁带、磁盘等。随着CAD/CAM/CAPP技术的发展，可以利用计算机进行设计与编程，并将程序和数据直接传送给数控装置。
2） 数控装置
 数控装置是数控机床的核心，主要由输入装置、控制运算器、输出装置等组成。控制介质上的信息经过输入装置识别与译码后，由控制运算器进行处理与运算，并产生相应的控制命令，控制命令由输出装置传送到伺服系统。
3） 伺服系统
 伺服系统是数控机床的命令执行部分，它由驱动装置和执行机构等部分组成。伺服系统接受数控装置输出的指令信息后，进行功率放大，并按指令信息的要求驱动机床移动部件或相关部件完成指定的动作，使机床加工出符合要求的零件。常用的执行机构有步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机等，驱动装置由主轴驱动单元、进给驱动单元等组成。
4） 机床本体
 机床本体是数控机床的主体，是最终完成各种切削加工的机械执行部分，如床身、底座、立柱等。
2. 数控机床的特点
数控机床与普通机床比较，具有以下特点： 
（1） 加工精度高，质量稳定。数控机床按照预先编好的程序进行加工，减少了人为干预，人为操作误差减少； 机床本身的传动精度、刚性、抗振性好； 并增加了检测和反馈装置，可以进行误差补偿，因此加工精度高，同一批零件的尺寸一致性好。
（2） 生产率高。在数控机床上加工零件通常可以实现一次安装进行多表面的加工，如在数控车床上车端面、车外圆、切槽、倒角等，在数控铣床上进行铣、钻、镗等功能，减少了工件安装次数及在不同机床之间的搬运时间，有的机床甚至可以多刀具同时进行加工。另外机床的运动速度可以调节，空行程时可以采用很高的运行速度，大大提高了机床的生产率。
（3） 加工柔性好。当加工对象发生改变时，只需要重新编写数控程序，便可实现零件的自动化加工，适用于多品种、不同批量零件的加工，如在产品试制中优势明显。
（4） 可加工复杂件。很多机床可以三轴联动、四轴联动甚至五轴联动等，可加工出复杂及特殊型面的工件。
（5） 劳动强度低。数控机床的操作者只需要编写程序、安装工件、对刀、观察、测量、拆卸工件等，机床自动加工零件，无须进行繁琐的重复性手工操作，劳动强度可大大减轻。
（6） 便于生产管理的现代化。很多企业的数控车间已经联网，在计算机房进行数控编程、仿真模拟，通过有线或无线网络将数控程序传输到数控机床，减少数控机床的占用时间。数控程序在服务器集中管理，解决了数控机床存储空间小的问题，并利用生产数据采集系统及时关注机床加工动态，在计算机房而不需要在加工现场就可清楚地了解每台机床的加工状态如设备报警、是否在加工、正在加工哪个零件、加工时间是多少等等，数控机床的应用有利于生产管理的现代化。
（7） 一次性投资大、维修成本高。数控机床价格贵，一台机床通常要几十万甚至几百万，一次性投资大，并且技术复杂，需要专业人员维护，维修成本高。
3. 数控编程的方法
  数控编程的方法主要分为两大类： 手工编程和自动编程。
1） 手工编程
手工编程是指零件图的分析、工艺方案的确定、数值计算、按照数控系统的指令格式编写数控程序、程序输入等全部手工操作，对于只有直线或圆弧的工件，只需要计算起点、终点、圆心、交接点的坐标，手工编程具有简单、经济、快捷的特点，应用广泛； 但对于形状复杂件，如非圆曲线、曲面，程序长、数值计算困难只能用少数几个离散点用直线或圆弧作逼近处理，精度难以保证，效率低，必须采用自动编程的方法。
2） 自动编程
自动编程是用计算机完成全部或大部分的编程工作，如数值计算、加工程序的生成等。自动编程减轻了编程人员的劳动强度，对于复杂曲面可以采用较多的离散点进行拟合和逼近处理，提高了编程质量。
自动编程的方法很多，目前普遍采用的是基于CAD/CAM软件的图形交互式自动编程系统。如利用MasterCAM、CAXA等CAD/CAM软件，先绘制零件图形或直接调用其他CAD软件绘制的图形，再利用数控编程模块进行刀具轨迹处理、数值计算、生成数控加工程序并进行仿真模拟等，效率高，可解决复杂零件的编程难题，但必须配备专门的自动编程系统。
1.2数控机床的分类

数控机床常按以下几种分类方法进行分类。
1. 按工艺用途分类
（1） 切削类数控机床： 如数控车床、数控铣床、数控磨床、加工中心等。其中普通数控机床在自动化程度上还不够完善，刀具的更换与零件的装夹需由人工进行。加工中心则带有刀库，可自动换刀，工件在一次装夹中可完成铣、镗、钻、扩、铰、攻螺纹等多道工序。
（2） 成形类数控机床： 如数控弯管机、数控卷簧机、数控组合冲床等。这类机床起步较晚，但目前发展很快。
（3） 数控特种加工机床： 如数控电火花成形机床、数控线切割机床、数控激光加工机床等。
（4） 其他类型的数控机床： 如数控快速成形机、数控三坐标测量机等。
2. 按运动方式分类
1） 点位控制数控机床
点位控制数控机床的特点是只控制移动部件的终点位置，即只控制刀架或工作台从一点准确地移动到另一点，而点与点之间的运动轨迹没有严格要求，在移动过程中不进行加工。为了快速而精确地定位，通常采用“快速趋近，慢速定位”，即快速移动到定位点附近，再慢速趋近定位点，以保证定位精确，如图1.2所示。这类机床有数控钻床、数控坐标镗床、数控冲床、数控点焊机等。
2） 直线控制数控机床
直线控制数控机床的特点是不仅控制刀架或工作台从一点准确地移动到另一点，而且还控制两点之间移动的直线轨迹和速度，在移动过程中进行加工，沿平行于坐标轴的方向或与坐标轴成45°角的方向进行直线加工，如图1.3所示。这类机床有早期的数控车床、数控铣床等，目前具有这种运动控制的数控机床很少。



图1.2点位控制加工示意图




图1.3直线控制加工示意图



3） 轮廓控制数控机床
轮廓控制也称连续控制，其特点是能同时控制两个或两个以上的坐标轴，具有插补功能。它不仅能控制刀架或工作台从一点准确地移动到另一点，而且还能控制加工过程中每一点的位置和速度，可加工出所需的直线、斜线、曲线或曲面组成的轮廓形状。这类机床有数控车床、数控铣床、数控磨床、加工中心等。
根据同时控制坐标轴的数目不同，轮廓控制数控机床可分为两轴联动、两轴半联动、三轴联动、四轴联动、五轴联动等。
（1） 两轴联动： 同时控制两个坐标轴，可加工由两维直线、斜线、曲线构成的零件，如图1.4所示。
 （2） 两轴半联动： 两个坐标轴联动，第3个坐标轴作周期性进给，如图1.5所示，铣刀沿XZ面所截曲线进行加工，每一段加工完后，在Y方向进给ΔY，再加工另一相邻曲线，如此反复直至加工出整个曲面，此法可以实现简单曲面的加工控制。



图1.4两轴联动加工




图1.5两轴半联动加工



（3） 三轴联动可以分为两类： 一类为X、Y、Z三个直线坐标轴联动，如数控铣床等； 另一类为X、Y、Z三个直线坐标轴中的两个联动，同时控制工作台或刀具的转动，如车削加工中心，除了控制X、Z轴联动外，还需同时控制绕Z轴旋转的主轴（C轴）的联动。三轴联动加工如图1.6所示。
（4） 多轴联动： 常见的多轴联动有四轴联动和五轴联动等。四轴或五轴联动机床是指机床有X、Y、Z三个直线坐标轴与某一个或某两个旋转坐标轴，其中旋转坐标轴可以是工作台的旋转也可以是刀具的摆动。四轴联动加工如图1.7所示，五轴联动加工如图1.8所示，带回转轴或倾斜轴的机床可使工件在加工过程中随时调整位置，实现复杂曲面的轨迹控制，如加工叶轮(见图1.9)、螺旋桨等复杂零件。



图1.6三轴联动加工




图1.7四轴联动加工






图1.8五轴联动加工




图1.9叶轮




3. 按执行机构的控制方式分类
1） 开环控制系统
开环控制系统是指没有测量反馈装置的控制系统。执行机构（如步进电机）按数控装置发生的脉冲指令转过相应角度，带动移动部件运动，如图1.10所示。由于没有位移测量与补偿功能，故精度较低，但其结构简单、工作稳定、调试容易、维修方便、成本低，一般适于经济型数控机床，如经济型数控车床等。


图1.10开环控制系统示意图



2） 闭环控制系统
闭环控制系统是指在机床移动部件上装有位移测量装置，它能将实测位移值反馈到数控装置中与输入指令位移值进行比较并实行位移补偿，直到差值为零，如图1.11所示。由于增加了检测、比较和反馈装置，故精度很高，但其结构复杂、调试较难、成本高，主要用于高精度数控镗铣床、数控磨床、超精数控车床和加工中心等。


图1.11闭环控制系统示意图



3） 半闭环控制系统
半闭环控制系统与闭环控制系统的控制方式相似，如图1.12所示，但反馈的是丝杠或电机的转动角度，不能补偿丝杠螺母副的传动误差，故精度比闭环控制系统低，而比开环控制系统高，其结构比闭环控制系统简单，调试方便、稳定性好，适用于中档数控机床。


图1.12半闭环控制系统示意图


1.3数控机床的坐标系
为了便于编程并保证数控机床运动的准确性，必须确定数控机床的坐标轴及其方向。目前我国执行的是与ISO 841等效的JB 3051.82《数字控制机床坐标和运动方向的命名》标准。
数控机床的种类多样，机床的运动可概括为刀具运动（直线或旋转）和工件（工作台）运动两部分，有的机床刀具运动工件不动，有的机床工件运动刀具不动，也有的机床刀具运动工件也运动，在确定机床坐标系时规定： 永远假定刀具相对于静止的工件而运动。
1. 坐标系的确定
 数控机床采用右手直角笛卡儿坐标系，如图1.13所示。直角坐标X、Y、Z之间的关系及其正方向用右手法则确定。


图1.13右手直角笛卡儿坐标系



2. 坐标轴的确定
坐标轴是先确定Z轴，然后确定X轴，最后确定Y轴。
1） Z轴的确定
通常取主要传递切削力的主轴作为Z轴。对于车床，主轴带动工件旋转，Z轴与主轴轴线重合，如图1.14所示； 对于钻、铣、镗床等带动刀具旋转的主轴是Z轴，如图1.15所示。



图1.14卧式车床坐标系




图1.15立式铣床坐标系



Z坐标的正方向为假定工件不动，刀具远离工件的方向。
2） X轴的确定
X轴平行于工件的装夹面并垂直于Z轴。对于工件做旋转运动的机床，如车床、磨床等，X轴的方向在工件的径向上，规定刀具远离工件的方向为X轴正方向。对于刀具做旋转运动的机床，如铣床、钻床，若Z轴是垂直的（主轴是立式的），则面对机床进行操作时，规定刀具相对于工件向右运动为X坐标的正方向； 若Z轴是水平的（主轴是卧式的），则从刀具主轴后端向工件看，X轴的正方向指向右方。
3） Y轴的确定
Y坐标垂直于X轴和Z轴，当X、Z轴正方向确定后，根据右手笛卡儿直角坐标系来确定Y轴。
3. 旋转运动
有些机床除了X、Y、Z轴直线坐标轴外，还有刀具的旋转或工件的摆动，如绕平行于X、Y、Z轴运动的轴，分别称为A、B、C轴，其方向根据右手螺旋法则来判定，如图1.13所示。
4. 机床坐标系
1） 机床原点
机床原点是机床上的一个固定点，由制造厂家确定，原则上不可改变。机床坐标系就是以该点为原点建立的。
数控车床的机床原点一般定义为主轴旋转中心线与卡盘后端面的交点； 数控铣床的机床原点一般设在刀具远离工件的坐标正方向的极限点处。
2） 参考点
参考点是机床上的固定点，它是刀具沿机床各坐标轴正方向退离到一个固定不变的极限点，其位置由机械挡块或行程开关来确定。当进行回参考点的操作时，安装在纵向和横向滑板上的行程开关碰到相应的挡块后，由数控系统发出信号，控制滑板停止运动，完成回参考点的操作。
机床参考点与机床原点的相对位置是固定的，并被存放在数控系统的相应机床数据中，一般不允许改变，仅在特殊情况下，可通过变动机床参考点的限位开关位置来变动其位置。对于大多数机床，开机后先执行返回参考点（即机床回零）命令，回参考点的目的是为了建立机床坐标系，即通过参考点当前的位置和系统参数中设定的参考点到机床原点的距离来反推出机床原点的位置，机床坐标系建立后，将保持不变，但断电后要重新执行返回参考点的操作，机床坐标系是机床上固有的坐标系，不能通过编程改变。
数控车床的机床参考点是指机床上刀架走到机床的X轴和Z轴坐标正方向的一个极限位置。立式铣床通常将X轴正向、Y轴正向、Z轴正向的极限点作为参考点。
图1.16所示为数控车床机床原点OM与参考点的关系。
5. 工件坐标系
1） 工件原点
工件原点也称编程原点，由编程人员确定。工件原点的设定应该以计算简单、编程方便为原则，常选在尺寸标注基准线上。在数控车床中，工件原点一般取在工件右端面的回转中心处； 数控铣床的工件原点通常取在工件的对称点或线与线的交点处，如图1.17所示，O′为工件原点，这样有利于程序的编制和机床的操作。



图1.16机床原点OM与参考点的关系




图1.17工件原点的选取



2） 工件坐标系
工件坐标系的设定则由编程人员自行根据所加工的工件来设定。工件坐标系建立后一直有效，直至被新的工件坐标系取代。编程人员编程时均以工件坐标系为依据，将工件原点作为编程的起点。工件坐标系与机床坐标系具有一定的联系，如图1.17所示，O为机床原点，O′为工件原点，工件坐标系与机床坐标系的坐标轴方向保持一致，相互平行。在工件装夹完毕后，通过对刀确定工件原点与机床原点之间的距离，该值可通过G92或G54等输入到数控系统中，建立工件坐标系与机床坐标系的关系。