1.3 数控机床

1.3.1 数控机床的组成

数控机床的种类很多，但任何一种数控机床都主要由数控系统、伺服系统和机床主体三大部分以及辅助控制系统等组成。

1.数控系统

数控系统是数控机床的核心，是数控机床的“指挥系统”，其主要作用是对输入的零件加工程序进行数字运算和逻辑运算，然后向伺服系统发出控制信号。现代数控系统通常是一台带有专门系统软件的计算机系统，开放式数控系统就是由计算机配以数控系统软件而构成的。

2.伺服系统

伺服系统（也称驱动系统）是数控机床的执行机构，由驱动和执行两大部分组成。它包括位置控制单元、速度控制单元、执行电动机和测量反馈单元等部分，主要用于实现数控机床的进给伺服控制和主轴伺服控制。它接受数控系统发出的各种指令信息，经功率放大后，严格按照指令信息的要求控制机床运动部件的进给速度、方向和位移。目前数控机床的伺服系统中，常用的位移执行机构有步进电动机、液压马达、直流伺服电动机和交流伺服电动机，其中，后两者均带有光电编码器等位置测量元件。一般来说，数控机床的伺服系统，要求有快速响应、灵敏准确的跟踪指令功能。

3.机床主体

机床主体是加工运动的实际部件，除了机床基础件以外，还包括主轴部件、进给部件、实现工件回转与定位的装置和附件、辅助系统和装置（如液压、气压、防护等装置）、刀库和自动换刀装置（Automatic Tools Changer，ATC）、自动托盘交换装置（Automatic Pallet Changer，APC）。机床基础件通常是指床身或底座、立柱、横梁和工作台等，它是整台机床的基础和框架。加工中心还应具有ATC，有的还有双工位APC等。与传统机床相比，数控机床的本体结构发生了很大变化，普遍采用了滚珠丝杠、滚动导轨，传动效率更高。由于现代数控机床减少了齿轮的使用数量，使传动系统更加简单。数控机床可根据自动化程度、可靠性要求和特殊功能需要，选用各种类型的刀具破损监控系统、机床与工件精度检测系统、补偿装置和其他附件等。

1.3.2 数控机床的特点

科学技术和经济的不断发展，对机械产品的质量、生产率和新产品的开发周期提出了越来越高的要求。为了满足上述要求，适应科学技术和经济的不断发展，数控机床应运而生。20 世纪 50 年代，美国麻省理工学院成功地研制出第一台数控铣床。1970 年首次展出了第一台用计算机控制的数控机床。图 1.3.1 所示为数控铣床，图 1.3.2 所示为数控加工中心。

数控机床自问世以来得到了高速发展，并逐渐被各生产组织及其管理者接受，这与它在加工中表现出来的特点是分不开的。数控机床具有以下主要特点。

• 高精度，加工重复性高。目前，普通数控机床加工的尺寸精度通常可达到±0.005mm，数控装置的脉冲当量（即机床移动部件的移动量）一般为0.001mm，高精度的数控系统可达 0.0001mm。数控加工过程中，机床始终都在指定的控制指令下工作，消除了人工操作所引起的误差，不仅提高了同一批加工零件尺寸的统一性，而且能使产品质量得到保证，废品率也大为降低。

• 高效率。机床自动化程度高，工序、刀具可自行更换、检测。例如，加工中心在一次装夹后，除定位表面不能加工外，其余表面均可加工；生产准备周期短，加工对象变化时，一般不需要专门的工艺装备设计制造时间；切削加工中可采用最佳切削参数和走刀路线。数控铣床一般不需要使用专用夹具和工艺装备。在更换工件时，只需调用存储于计算机中的加工程序、装夹工件和调整刀具数据即可，大大缩短了生产周期。更重要的是，数控铣床的万能性提高了效率，如一般数控铣床都同时具有铣床、镗床和钻床的功能，工序高度集中，提高了劳动生产率，同时减少了工件的装夹误差。

• 高柔性。数控机床的最大特点是高柔性，即通用、灵活、万能，可以适应加工不同形状的工件。如数控铣床一般能完成铣平面、铣斜面、铣槽、铣削曲面、钻孔、镗孔、铰孔、攻螺纹和铣削螺纹等加工工序，而且一般情况下，可以在一次装夹中完成所需的所有加工工序。加工对象改变时，除了相应地更换刀具和解决工件装夹方式外，只需改变相应的加工程序，特别适应于目前多品种、小批量和变化快的生产特征。

• 大大减轻了操作者的劳动强度。数控铣床对零件的加工是根据加工前编好的程序自动完成的。操作者除了操作键盘、装卸工件、中间测量及观察机床运行外，不需要进行繁重的重复性手工操作，大大减轻了劳动强度。

• 易于建立计算机通信网络。数控机床使用数字信息作为控制信息，易于与CAD系统连接，从而形成CAD/CAM一体化系统，它是FMS、CIMS等现代制造技术的基础。

• 初期投资大，加工成本高。数控机床的价格一般是普通机床的若干倍，且机床备件的价格也高；另外，加工首件需要进行编程、程序调试和试加工，时间较长，因此零件的加工成本也大大高于普通机床。

1.3.3 数控机床的分类

数控机床的分类有多种方式，分别介绍如下。

1.按工艺用途划分

按工艺用途分类，数控机床可分为数控钻床、车床、铣床、磨床和齿轮加工机床等，压床、冲床、电火花切割机、火焰切割机和点焊机等也都采用数字控制。加工中心是带有刀库及自动换刀装置的数控机床，它可以在一台机床上实现多种加工；工件只需一次装夹，就可以完成多种加工，这样既节省了工时，又提高了加工精度。加工中心特别适用于箱体类和壳类零件的加工。车削加工中心可以完成所有回转体零件的加工。

2.按机床数控运动轨迹划分

按机床数控运动轨迹数控机床可划分为如下三种类型。

（1）点位控制数控机床（PTP）：指在刀具运动时，不考虑两点间的轨迹，只控制刀具相对于工件位移的准确性。这种控制方法用于数控冲床、数控钻床及数控点焊设备，还可以用在数控坐标镗铣床上。

（2）点位直线控制数控机床：是指要求在点位准确控制的基础上，还要保证刀具的运动轨迹是一条直线，并且刀具在运动过程中还要进行切削加工。采用这种控制的机床有数控车床、数控铣床和数控磨床等，一般用于加工矩形和台阶形零件。

（3）轮廓控制数控机床（CP）：轮廓控制（亦称连续控制）是对两个或两个以上的坐标运动进行控制（多坐标联动），刀具运动轨迹可为空间曲线。它不仅能保证各点的位置，而且还能控制加工过程中的位移速度，即刀具的轨迹，既要保证尺寸的精度，还要保证形状的精度。在运动过程中，同时向两个坐标轴分配脉冲，使它们能走出要求的形状来，这就称为插补运算。它是一种软仿形加工，而不是硬仿形（靠模）加工，并且这种软仿形加工的精度比硬仿形加工的精度高很多。这类机床主要有数控车床、数控铣床、数控线切割机和加工中心等。在模具行业中，对于一些复杂曲面的加工多使用这类机床，如三坐标以上的数控铣床或加工中心。

3.按伺服系统控制方式划分

按伺服系统控制方式数控机床可划分为开环控制、半闭环控制和闭环控制三种。

（1）开环控制是无位置反馈的一种控制方法，它采用的控制对象、执行机构多半是步进式电动机或液压转矩放大器。因为没有位置反馈，所以其加工精度及稳定性差，但其结构简单、价格低廉，控制方法简单。对于精度要求不高且功率需求不大的情况，这种数控机床还是比较适用的。

（2）半闭环控制数控机床在丝杠上装有角度测量装置作为间接的位置反馈。因为这种系统未将丝杠螺母副和齿轮传动副等传动装置包含在反馈系统中，因而称为半闭环控制系统。它不能补偿传动装置的传动误差，但可以获得稳定的控制特性。这类系统介于开环与闭环之间，精度没有闭环高，调试比闭环方便。

（3）闭环控制系统对机床移动部件的位置直接用直线位置检测装置进行检测，再把实际测量出的位置反馈到数控装置中去，与输入指令比较看是否有差值，然后把这个差值经过放大和变换，最后驱动工作台向减少误差的方向移动，直到差值符合精度要求为止。这类控制系统，因为把机床工作台纳入了位置控制环，故称为闭环控制系统。该系统可以消除包括工作台传动链在内的运动误差，因而定位精度高、调节速度快。但由于该系统受到进给丝杠的拉压刚度、扭转刚度、摩擦阻尼特性和间隙等非线性因素的影响，给调试工作造成较大的困难。如果各种参数匹配不当，将会引起系统振荡，造成系统不稳定，影响定位精度。由于闭环伺服系统结构复杂、成本高，适用于精度要求很高的数控机床，如超精密数控车床和精密数控镗铣床等。

4.按联动坐标轴数划分

按联动坐标轴数数控机床可划分为如下四种类型。

（1）两轴联动数控机床。主要用于三轴以上控制的机床，其中任意两轴作插补联动，第三轴作单独的周期进给，常称2.5轴联动。

（2）三轴联动数控机床。X、Y、Z三轴可同时进行插补联动。

（3）四轴联动数控机床。

（4）五轴联动数控机床。除了同时控制X、Y、Z三个直线坐标轴联动以外，还同时控制围绕这些直线坐标轴旋转的A、B、C坐标轴中的两个坐标，即同时控制五个坐标轴联动。这时刀具可以被定位在空间的任何位置。

1.3.4 数控机床的坐标系

数控机床的坐标系统包括坐标系、坐标原点和运动方向，它对于数控加工及编程是一个十分重要的概念。每一个数控编程员和操作者，都必须对数控机床的坐标系有一个很清晰的认识。为了使数控系统规范化及简化数控编程，ISO 对数控机床的坐标系统做了若干规定。关于数控机床坐标和运动方向命名的详细内容，可参阅GB/T 19660—2005的规定。

机床坐标系是机床上固有的坐标系，是机床加工运动的基本坐标系。它是考察刀具在机床上的实际运动位置的基准坐标系。对于具体机床来说，有的是刀具移动而工作台不动，有的则是刀具不动而工作台移动。然而不管是刀具移动还是工作台移动，机床坐标系永远假定刀具相对于静止的工件运动，同时，运动的正方向是增大工件和刀具之间距离的方向。为了编程方便，一律规定工件固定、刀具运动。

标准的坐标系是一个右手直角坐标系，如图 1.3.3 所示。拇指指向为 X 轴正方向，食指指向为Y轴正方向，中指指向为Z轴正方向。一般情况下，主轴的方向为Z坐标，而工作台的两个运动方向分别为X、Y坐标。

若有旋转轴时，规定绕X、Y、Z轴的旋转轴分别为A、B、C轴，其方向为右旋螺纹方向，如图1.3.4所示。旋转轴的原点一般定在水平面上。

图1.3.5是典型的单立柱立式数控铣床加工运动坐标系示意图。刀具沿与地面垂直的方向上下运动，工作台带动工件在与地面平行的平面内运动。机床坐标系的Z轴是刀具的运动方向，并且刀具向上运动为正方向，即远离工件的方向。当面对机床进行操作时，刀具相对工件的左右运动方向为X轴，并且刀具相对工件向右运动（即工作台带动工件向左运动）时为X轴的正方向。Y轴的方向可用右手法则确定。若以X'、Y'、Z'表示工作台相对于刀具的运动坐标轴，而以X、Y、Z表示刀具相对于工件的运动坐标轴，则显然有X'=-X、Y'=-Y、Z'=-Z。