1.3 數(shù)控機床

1.3.1 數(shù)控機床的組成

數(shù)控機床的種類很多，但任何一種數(shù)控機床都主要由數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)和機床主體三大部分以及輔助控制系統(tǒng)等組成。

1.數(shù)控系統(tǒng)

數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機床的核心，是數(shù)控機床的“指揮系統(tǒng)”，其主要作用是對輸入的零件加工程序進行數(shù)字運算和邏輯運算，然后向伺服系統(tǒng)發(fā)出控制信號。現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)通常是一臺帶有專門系統(tǒng)軟件的計算機系統(tǒng)，開放式數(shù)控系統(tǒng)就是由計算機配以數(shù)控系統(tǒng)軟件而構(gòu)成的。

2.伺服系統(tǒng)

伺服系統(tǒng)（也稱驅(qū)動系統(tǒng)）是數(shù)控機床的執(zhí)行機構(gòu)，由驅(qū)動和執(zhí)行兩大部分組成。它包括位置控制單元、速度控制單元、執(zhí)行電動機和測量反饋單元等部分，主要用于實現(xiàn)數(shù)控機床的進給伺服控制和主軸伺服控制。它接受數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的各種指令信息，經(jīng)功率放大后，嚴格按照指令信息的要求控制機床運動部件的進給速度、方向和位移。目前數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)中，常用的位移執(zhí)行機構(gòu)有步進電動機、液壓馬達、直流伺服電動機和交流伺服電動機，其中，后兩者均帶有光電編碼器等位置測量元件。一般來說，數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)，要求有快速響應(yīng)、靈敏準確的跟蹤指令功能。

3.機床主體

機床主體是加工運動的實際部件，除了機床基礎(chǔ)件以外，還包括主軸部件、進給部件、實現(xiàn)工件回轉(zhuǎn)與定位的裝置和附件、輔助系統(tǒng)和裝置（如液壓、氣壓、防護等裝置）、刀庫和自動換刀裝置（Automatic Tools Changer，ATC）、自動托盤交換裝置（Automatic Pallet Changer，APC）。機床基礎(chǔ)件通常是指床身或底座、立柱、橫梁和工作臺等，它是整臺機床的基礎(chǔ)和框架。加工中心還應(yīng)具有ATC，有的還有雙工位APC等。與傳統(tǒng)機床相比，數(shù)控機床的本體結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大變化，普遍采用了滾珠絲杠、滾動導(dǎo)軌，傳動效率更高。由于現(xiàn)代數(shù)控機床減少了齒輪的使用數(shù)量，使傳動系統(tǒng)更加簡單。數(shù)控機床可根據(jù)自動化程度、可靠性要求和特殊功能需要，選用各種類型的刀具破損監(jiān)控系統(tǒng)、機床與工件精度檢測系統(tǒng)、補償裝置和其他附件等。

1.3.2 數(shù)控機床的特點

科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟的不斷發(fā)展，對機械產(chǎn)品的質(zhì)量、生產(chǎn)率和新產(chǎn)品的開發(fā)周期提出了越來越高的要求。為了滿足上述要求，適應(yīng)科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟的不斷發(fā)展，數(shù)控機床應(yīng)運而生。20 世紀 50 年代，美國麻省理工學(xué)院成功地研制出第一臺數(shù)控銑床。1970 年首次展出了第一臺用計算機控制的數(shù)控機床。圖 1.3.1 所示為數(shù)控銑床，圖 1.3.2 所示為數(shù)控加工中心。

數(shù)控機床自問世以來得到了高速發(fā)展，并逐漸被各生產(chǎn)組織及其管理者接受，這與它在加工中表現(xiàn)出來的特點是分不開的。數(shù)控機床具有以下主要特點。

? 高精度，加工重復(fù)性高。目前，普通數(shù)控機床加工的尺寸精度通常可達到±0.005mm，數(shù)控裝置的脈沖當(dāng)量（即機床移動部件的移動量）一般為0.001mm，高精度的數(shù)控系統(tǒng)可達 0.0001mm。數(shù)控加工過程中，機床始終都在指定的控制指令下工作，消除了人工操作所引起的誤差，不僅提高了同一批加工零件尺寸的統(tǒng)一性，而且能使產(chǎn)品質(zhì)量得到保證，廢品率也大為降低。

? 高效率。機床自動化程度高，工序、刀具可自行更換、檢測。例如，加工中心在一次裝夾后，除定位表面不能加工外，其余表面均可加工；生產(chǎn)準備周期短，加工對象變化時，一般不需要專門的工藝裝備設(shè)計制造時間；切削加工中可采用最佳切削參數(shù)和走刀路線。數(shù)控銑床一般不需要使用專用夾具和工藝裝備。在更換工件時，只需調(diào)用存儲于計算機中的加工程序、裝夾工件和調(diào)整刀具數(shù)據(jù)即可，大大縮短了生產(chǎn)周期。更重要的是，數(shù)控銑床的萬能性提高了效率，如一般數(shù)控銑床都同時具有銑床、鏜床和鉆床的功能，工序高度集中，提高了勞動生產(chǎn)率，同時減少了工件的裝夾誤差。

? 高柔性。數(shù)控機床的最大特點是高柔性，即通用、靈活、萬能，可以適應(yīng)加工不同形狀的工件。如數(shù)控銑床一般能完成銑平面、銑斜面、銑槽、銑削曲面、鉆孔、鏜孔、鉸孔、攻螺紋和銑削螺紋等加工工序，而且一般情況下，可以在一次裝夾中完成所需的所有加工工序。加工對象改變時，除了相應(yīng)地更換刀具和解決工件裝夾方式外，只需改變相應(yīng)的加工程序，特別適應(yīng)于目前多品種、小批量和變化快的生產(chǎn)特征。

? 大大減輕了操作者的勞動強度。數(shù)控銑床對零件的加工是根據(jù)加工前編好的程序自動完成的。操作者除了操作鍵盤、裝卸工件、中間測量及觀察機床運行外，不需要進行繁重的重復(fù)性手工操作，大大減輕了勞動強度。

? 易于建立計算機通信網(wǎng)絡(luò)。數(shù)控機床使用數(shù)字信息作為控制信息，易于與CAD系統(tǒng)連接，從而形成CAD/CAM一體化系統(tǒng)，它是FMS、CIMS等現(xiàn)代制造技術(shù)的基礎(chǔ)。

? 初期投資大，加工成本高。數(shù)控機床的價格一般是普通機床的若干倍，且機床備件的價格也高；另外，加工首件需要進行編程、程序調(diào)試和試加工，時間較長，因此零件的加工成本也大大高于普通機床。

1.3.3 數(shù)控機床的分類

數(shù)控機床的分類有多種方式，分別介紹如下。

1.按工藝用途劃分

按工藝用途分類，數(shù)控機床可分為數(shù)控鉆床、車床、銑床、磨床和齒輪加工機床等，壓床、沖床、電火花切割機、火焰切割機和點焊機等也都采用數(shù)字控制。加工中心是帶有刀庫及自動換刀裝置的數(shù)控機床，它可以在一臺機床上實現(xiàn)多種加工；工件只需一次裝夾，就可以完成多種加工，這樣既節(jié)省了工時，又提高了加工精度。加工中心特別適用于箱體類和殼類零件的加工。車削加工中心可以完成所有回轉(zhuǎn)體零件的加工。

2.按機床數(shù)控運動軌跡劃分

按機床數(shù)控運動軌跡數(shù)控機床可劃分為如下三種類型。

（1）點位控制數(shù)控機床（PTP）：指在刀具運動時，不考慮兩點間的軌跡，只控制刀具相對于工件位移的準確性。這種控制方法用于數(shù)控沖床、數(shù)控鉆床及數(shù)控點焊設(shè)備，還可以用在數(shù)控坐標鏜銑床上。

（2）點位直線控制數(shù)控機床：是指要求在點位準確控制的基礎(chǔ)上，還要保證刀具的運動軌跡是一條直線，并且刀具在運動過程中還要進行切削加工。采用這種控制的機床有數(shù)控車床、數(shù)控銑床和數(shù)控磨床等，一般用于加工矩形和臺階形零件。

（3）輪廓控制數(shù)控機床（CP）：輪廓控制（亦稱連續(xù)控制）是對兩個或兩個以上的坐標運動進行控制（多坐標聯(lián)動），刀具運動軌跡可為空間曲線。它不僅能保證各點的位置，而且還能控制加工過程中的位移速度，即刀具的軌跡，既要保證尺寸的精度，還要保證形狀的精度。在運動過程中，同時向兩個坐標軸分配脈沖，使它們能走出要求的形狀來，這就稱為插補運算。它是一種軟仿形加工，而不是硬仿形（靠模）加工，并且這種軟仿形加工的精度比硬仿形加工的精度高很多。這類機床主要有數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控線切割機和加工中心等。在模具行業(yè)中，對于一些復(fù)雜曲面的加工多使用這類機床，如三坐標以上的數(shù)控銑床或加工中心。

3.按伺服系統(tǒng)控制方式劃分

按伺服系統(tǒng)控制方式數(shù)控機床可劃分為開環(huán)控制、半閉環(huán)控制和閉環(huán)控制三種。

（1）開環(huán)控制是無位置反饋的一種控制方法，它采用的控制對象、執(zhí)行機構(gòu)多半是步進式電動機或液壓轉(zhuǎn)矩放大器。因為沒有位置反饋，所以其加工精度及穩(wěn)定性差，但其結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉，控制方法簡單。對于精度要求不高且功率需求不大的情況，這種數(shù)控機床還是比較適用的。

（2）半閉環(huán)控制數(shù)控機床在絲杠上裝有角度測量裝置作為間接的位置反饋。因為這種系統(tǒng)未將絲杠螺母副和齒輪傳動副等傳動裝置包含在反饋系統(tǒng)中，因而稱為半閉環(huán)控制系統(tǒng)。它不能補償傳動裝置的傳動誤差，但可以獲得穩(wěn)定的控制特性。這類系統(tǒng)介于開環(huán)與閉環(huán)之間，精度沒有閉環(huán)高，調(diào)試比閉環(huán)方便。

（3）閉環(huán)控制系統(tǒng)對機床移動部件的位置直接用直線位置檢測裝置進行檢測，再把實際測量出的位置反饋到數(shù)控裝置中去，與輸入指令比較看是否有差值，然后把這個差值經(jīng)過放大和變換，最后驅(qū)動工作臺向減少誤差的方向移動，直到差值符合精度要求為止。這類控制系統(tǒng)，因為把機床工作臺納入了位置控制環(huán)，故稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以消除包括工作臺傳動鏈在內(nèi)的運動誤差，因而定位精度高、調(diào)節(jié)速度快。但由于該系統(tǒng)受到進給絲杠的拉壓剛度、扭轉(zhuǎn)剛度、摩擦阻尼特性和間隙等非線性因素的影響，給調(diào)試工作造成較大的困難。如果各種參數(shù)匹配不當(dāng)，將會引起系統(tǒng)振蕩，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，影響定位精度。由于閉環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，適用于精度要求很高的數(shù)控機床，如超精密數(shù)控車床和精密數(shù)控鏜銑床等。

4.按聯(lián)動坐標軸數(shù)劃分

按聯(lián)動坐標軸數(shù)數(shù)控機床可劃分為如下四種類型。

（1）兩軸聯(lián)動數(shù)控機床。主要用于三軸以上控制的機床，其中任意兩軸作插補聯(lián)動，第三軸作單獨的周期進給，常稱2.5軸聯(lián)動。

（2）三軸聯(lián)動數(shù)控機床。X、Y、Z三軸可同時進行插補聯(lián)動。

（3）四軸聯(lián)動數(shù)控機床。

（4）五軸聯(lián)動數(shù)控機床。除了同時控制X、Y、Z三個直線坐標軸聯(lián)動以外，還同時控制圍繞這些直線坐標軸旋轉(zhuǎn)的A、B、C坐標軸中的兩個坐標，即同時控制五個坐標軸聯(lián)動。這時刀具可以被定位在空間的任何位置。

1.3.4 數(shù)控機床的坐標系

數(shù)控機床的坐標系統(tǒng)包括坐標系、坐標原點和運動方向，它對于數(shù)控加工及編程是一個十分重要的概念。每一個數(shù)控編程員和操作者，都必須對數(shù)控機床的坐標系有一個很清晰的認識。為了使數(shù)控系統(tǒng)規(guī)范化及簡化數(shù)控編程，ISO 對數(shù)控機床的坐標系統(tǒng)做了若干規(guī)定。關(guān)于數(shù)控機床坐標和運動方向命名的詳細內(nèi)容，可參閱GB/T 19660—2005的規(guī)定。

機床坐標系是機床上固有的坐標系，是機床加工運動的基本坐標系。它是考察刀具在機床上的實際運動位置的基準坐標系。對于具體機床來說，有的是刀具移動而工作臺不動，有的則是刀具不動而工作臺移動。然而不管是刀具移動還是工作臺移動，機床坐標系永遠假定刀具相對于靜止的工件運動，同時，運動的正方向是增大工件和刀具之間距離的方向。為了編程方便，一律規(guī)定工件固定、刀具運動。

標準的坐標系是一個右手直角坐標系，如圖 1.3.3 所示。拇指指向為 X 軸正方向，食指指向為Y軸正方向，中指指向為Z軸正方向。一般情況下，主軸的方向為Z坐標，而工作臺的兩個運動方向分別為X、Y坐標。

若有旋轉(zhuǎn)軸時，規(guī)定繞X、Y、Z軸的旋轉(zhuǎn)軸分別為A、B、C軸，其方向為右旋螺紋方向，如圖1.3.4所示。旋轉(zhuǎn)軸的原點一般定在水平面上。

圖1.3.5是典型的單立柱立式數(shù)控銑床加工運動坐標系示意圖。刀具沿與地面垂直的方向上下運動，工作臺帶動工件在與地面平行的平面內(nèi)運動。機床坐標系的Z軸是刀具的運動方向，并且刀具向上運動為正方向，即遠離工件的方向。當(dāng)面對機床進行操作時，刀具相對工件的左右運動方向為X軸，并且刀具相對工件向右運動（即工作臺帶動工件向左運動）時為X軸的正方向。Y軸的方向可用右手法則確定。若以X'、Y'、Z'表示工作臺相對于刀具的運動坐標軸，而以X、Y、Z表示刀具相對于工件的運動坐標軸，則顯然有X'=-X、Y'=-Y、Z'=-Z。