第1章 绪论

1.1 数控机床的基本概念

1.1.1 数控机床的发展

随着科学技术的飞速发展，社会对产品多样化的要求日益强烈，产品更新越来越快，多品种、中小批量生产的比重明显增加；同时随着航空工业、汽车工业和轻工消费品生产的高速增长，复杂形状的零件越来越多，精度要求也越来越高；此外，激烈的市场竞争要求产品研制生产周期越来越短，传统的加工设备和制造方法已难于适应这种多样化、柔性化与复杂形状的高效高质量加工要求。因此，近几十年来，能有效解决复杂、精密、小批多变零件加工问题的数控（NC）加工技术得到了迅速发展和广泛应用，使制造技术发生了根本性的变化。努力发展数控加工技术，并向更高层次的自动化、柔性化、敏捷化、网络化和数字化制造方向推进，是当前机械制造业发展的方向。

数控技术是机械加工现代化的重要基础与关键技术。应用数控加工可大大提高生产率，稳定加工质量，缩短加工周期，增加生产柔性，实现对各种复杂精密零件的自动化加工，易于在工厂或车间实行计算机管理，还使车间设备总数减少，节省人力，改善劳动条件，有利于加快产品的开发和更新换代，有利于提高企业对市场的适应能力和企业综合经济效益。数控加工技术的应用，使机械加工的大量前期准备工作与机械加工过程联为一体，使零件的计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工艺规划（CAPP）和计算机辅助制造（CAM）的一体化成为现实，使机械加工的柔性自动化水平不断提高。

1952年，美国帕森斯公司和麻省理工学院研制成功了世界上第一台数控机床。半个世纪以来，数控技术得到了迅猛的发展，加工精度和生产效率不断提高。数控机床的发展至今已经历了两个阶段和六代。

1952年的第一代——电子管数控机床；

1959年的第二代——晶体管数控机床；

1965年的第三代——集成电路数控机床；

以上三代数控系统都是采用专用控制硬件逻辑数控系统，称为普通数控系统，即NC系统。

1970年的第四代——小型计算机数控机床；

1974年的第五代——微型计算机数控系统；

CNC（第四代）和MNC（第五代）是软件式数控系统，称为现代数控系统。

1990年的第六代——基于PC的数控机床。

1.1.2 与数控相关的术语

在加工机床中得到广泛应用的数控技术是一种采用计算机对机械加工过程中各种控制信息进行数字化运算、处理，并通过高性能的驱动单元对机械执行构件进行自动化控制的高技术。当前已有大量机械加工装备采用了数控技术，其中最典型而且应用面最广的是数控机床。为了便于后面的讨论，下面给出几个相关概念的定义。

① 数字控制（Numerical Control，NC）是一种借助数字、字符或其他符号对某一工作过程（如加工、测量、装配等）进行可编程控制的自动化方法。

② 数控技术（Numerical Control Technology），即采用数字控制的方法对某一工作过程实现自动控制的技术。

③ 数控机床（Numerical Control Machine Tools）是采用数字控制技术对机床的加工过程进行自动控制的一类机床。它是数控技术典型应用的例子。

④ 数控系统（Numerical Control System）是实现数字控制的装置。

⑤ 计算机数控（Computer Numerical Control，CNC）系统是以计算机为核心的数控系统。

1.1.3 数控机床的工作原理

在普通机床上加工零件的过程，机床操作者总是根据工序卡的要求在加工过程中操作机床，不断地改变刀具与工件的相对运动轨迹和运动参数（位置，速度等），使刀具对工件进行切削加工，从而得到所需要的合格零件。

在CNC机床上，传统加工过程中的人工操作均被数控系统的自动控制所取代。其工作过程如下：首先要将被加工零件图上的几何信息和工艺信息数字化，即将刀具与工件的相对运动轨迹加工过程中主轴速度和进给速度的变换、冷却液的开关、工件和刀具的交换等控制和操作，都按规定的规则、代码和格式编成加工程序，然后将该程序送入数控系统。数控系统则按照程序的要求，进行相应的运算、处理，然后发出控制命令，使各坐标轴、主轴及辅助动作相互协调，实现刀具与工件的相对运动，自动完成零件的加工。传统加工与数控加工的比较如图1-1所示。

1.1.4 数控机床的组成

数控机床主要由以下几个部分组成，如图1-2所示。

1．控制介质与加工程序

控制介质是记录零件加工程序的载体。数控机床常用的控制介质有穿孔纸带、磁带、磁盘。

数控加工程序是数控机床自动加工零件的工作指令，包含切削过程中所必需的机械运动、零件轮廓尺寸、工艺参数等加工信息。编好的数控加工程序，存放在便于输入到数控装置的一种存储载体上，它可以是穿孔纸带、磁带和磁盘等，采用哪一种存储载体，取决于数控装置的设计类型。

2．输入装置

输入装置的作用是将程序载体上的数控代码信息转换成相应的电脉冲信号并传送至数控装置的存储器。根据程序控制介质的不同，输入装置可以是光电阅读机、录放机或软盘驱动器。最早使用光电阅读机对穿孔纸带进行阅读，之后大量使用磁带机和软盘驱动器。有些数控机床不用任何程序存储载体，而是将程序清单的内容通过数控装置上的键盘，用手工方式输入，也可以用通信方式将数控程序由编程计算机直接传送至数控装置。

3．数控系统

数控系统是数控机床的核心，它的主要功能是：正确识别和解释数控加工程序，并对解释结果进行各种数据计算和逻辑判断处理，从而完成各种输入、输出任务。

数控系统主要由计算机系统、位置控制板、PLC接口板、通信接口板、扩展功能模块，以及相应的控制软件等模块组成。

数控系统将数控加工程序信息按两类控制量分别输出，从而控制机床各组成部分实现各种数控功能：一类是连续控制量，送往伺服驱动装置；另一类是离散的开关控制量，送往PLC逻辑控制装置。

4．伺服系统

伺服系统它接收来自数控系统的位置控制信息，将其转换成相应坐标轴的进给运动和精确的定位运动，驱动机床执行机构运动。由于是数控机床的最后控制环节，它的性能将直接影响数控机床的生产效率、加工精度和表面加工质量。它由伺服驱动电路和伺服驱动电机组成，并与机床上的执行部件和机械传动部件组成数控机床的进给系统。

5．辅助控制装置

辅助控制装置是介于数控系统和机床机械、液压部件之间的控制装置。它的主要作用是接收数控装置输出的开关量指令信号，经过编译、逻辑判别和运算，再经功率放大后驱动相应的电器，带动机床的机械、液压、气动等辅助装置完成指令规定的开关量动作。这些控制包括主轴运动部件的变速、换向和启停指令，刀具的选择和交换指令，冷却、润滑装置的启动、停止，工件和机床部件的松开、夹紧，分度工作台转位分度等开关辅助动作。

由于可编程逻辑控制器（PLC）具有响应快，性能可靠，易于使用、编程和修改程序并可直接启动机床开关等特点，现已广泛用作数控机床的辅助控制装置。

6．反馈系统

反馈系统是指位置和速度检测装置，它是实现速度闭环控制（主轴、进给）和位置闭环控制（进给）的必要装置。位置检测装置将数控机床各坐标轴的实际位移量检测出来，经反馈系统输入到机床的数控装置之后，数控装置将反馈回来的实际位移量值与设定值进行比较，控制驱动装置按照指令设定值运动。

7．机床本休

机床本体是数控机床的主体，是数控系统的被控对象，是实现制造加工的执行部件。它主要由主运动部件、进给运动部件（工作台、拖板以及相应的传动机构）、支承件（立柱、床身等），以及特殊装置（刀具自动交换系统 工件自动交换系统）和辅助装置（如冷却、润滑、排屑、转位和夹紧装置等）组成。数控机床机械部件的组成与普通机床相似，但传动结构和变速系统较为简单，在精度、刚度、抗震性等方面要求高。