第二节数控机床 数控机床(Numerical Control Tools)是采用数字化信号，通过可编程的自动控制工作方式， 实现对设备运行及其加工过程产生的位置、角度、速度、力等信号进行控制的新型自动化机床 数控机床的计算机信息处理及控制的内容主要包括：基本的数控数据输入输出、直线和圆弧插 运算、刀具补偿、间隙补偿、螺距误差补偿和位置伺服控制等。一些先进的数控机床甚至还具有 某些智能的功能，如螺旋线插补、刀具监控、在线测量、自适应控制、故障诊断、软键(S状v 莱单、会话型编程、图形仿真等。数控机床的大部分功能对实时性要求很强。信息处理量也较大 因此许多数控机床都采用多微处理器数控方式。 一般数控机床通常是指数控车床、数控铣床、数控筐铣床等，它们的下述特点对其组成自动 化制造系统是非常重要的。 1、柔性高 数控机床按照数控程序加工零件，当加工零件改变时，一般只需要更换数控程序和配备所需 的刀具，不需要靠模、样板、钻镗模等专用工艺装备。数控机床可以很快地从加工一种零件转变 为加工另一种零件，生产准备周期短，适合于多品种小批量生产。 2、自动化程度高 数控程序是数控机床加工零件所需的几何信息和工艺信息的集合。几何信息有走刀路径、插 补参数、刀具长度和半径补偿：工艺信息有刀具、主轴转速、进给速度、冷却液开等。在切 加工过程中，自动实现刀具和工件的相对运动，自动变换切削速度和进给速度，自动开/关冷却液 数控车床自动转位换刀。操作者的任务是装卸工件、换刀、操作按键、监视加工过程等。 3、加工精度高、质量稳定 现代数控机床装备有CNC数控装置和新型伺服系统，具有很高的控制精度，普遍达到1m, 高精度数控机床可达到0.2！m。数控机床的进给同服系统采用闭环或半闭环控制，对反向间隙和 丝杠螺距误差以及刀具磨损进行补偿，因而数控机床能达到较高的加工精度。对中小型数控机床， 定位精度普遍可达到Q.03mm,重复定位精度可达到Q.0nmm。数控机床的传动系统和机床结构都 具有很高的刚度和稳定性，制造精度也比普通机床高。当数控机床有3~5轴联动功能时，可加工 各种复杂曲面，并能获得较高精度。由于按照数控程序自动加工，避免了人为的操作误差，因而 同一批加工零件的尺寸一致性好，加工质量稳定 4、生立效率较高 零件加工时间由机动时间和助时间组成，数控机床加工的机动时间和辅助时间比桶机床 明显减少。数控机床主轴转速范围和进给速度范围此普通机床大，主轴转速范围通常在1 5000/min,高速切削加工时可达1S000min,进给速度范围上限可达到1012mmin,高速切 加工进给速度甚至超过3Om/min,快速移动速度超过30~60 m/min。.主运动和进给运动一般为无 级变速，每道工序都能选用最有利的切削用量，空行程时间明显减少。数控机床的主轴电动机和 进给驱动电动机的驱动能力比同规格的普通机床大，机床的结构钢刚度高，有的数控机床能进行强 力切雀到。有效地成少机动加时间。 5、具有刀具寿命管理功能 构成FMC和FMS的数控机床具有刀具寿命管理功能，可对每把刀的切制时间进行统计，当 达到给定的刀具耐用度时，自动换下磨损刀具。并换上备用刀具。 6、具有通信功能
11 第二节 数控机床 数控机床（Numerical Control Tools）是采用数字化信号，通过可编程的自动控制工作方式， 实现对设备运行及其加工过程产生的位置、角度、速度、力等信号进行控制的新型自动化机床。 数控机床的计算机信息处理及控制的内容主要包括：基本的数控数据输入输出、直线和圆弧插补 运算、刀具补偿、间隙补偿、螺距误差补偿和位置伺服控制等。一些先进的数控机床甚至还具有 某些智能的功能，如螺旋线插补、刀具监控、在线测量、自适应控制、故障诊断、软键（SoftKey） 菜单、会话型编程、图形仿真等。数控机床的大部分功能对实时性要求很强，信息处理量也较大， 因此许多数控机床都采用多微处理器数控方式。 一、 一般数控机床 一般数控机床通常是指数控车床、数控铣床、数控镗铣床等，它们的下述特点对其组成自动 化制造系统是非常重要的。 1、柔性高 数控机床按照数控程序加工零件，当加工零件改变时，—般只需要更换数控程序和配备所需 的刀具，不需要靠模、样板、钻镗模等专用工艺装备。数控机床可以很快地从加工一种零件转变 为加工另一种零件，生产准备周期短，适合于多品种小批量生产。 2、自动化程度高 数控程序是数控机床加工零件所需的几何信息和工艺信息的集合。几何信息有走刀路径、插 补参数、刀具长度和半径补偿；工艺信息有刀具、主轴转速、进给速度、冷却液开/关等。在切削 加工过程中，自动实现刀具和工件的相对运动，自动变换切削速度和进给速度，自动开/关冷却液， 数控车床自动转位换刀。操作者的任务是装卸工件、换刀、操作按键、监视加工过程等。 3、加工精度高、质量稳定 现代数控机床装备有 CNC数控装置和新型伺服系统，具有很高的控制精度，普遍达到 1 rn， 高精度数控机床可达到 0.2 m。数控机床的进给伺服系统采用闭环或半闭环控制，对反向间隙和 丝杠螺距误差以及刀具磨损进行补偿，因而数控机床能达到较高的加工精度。对中小型数控机床， 定位精度普遍可达到 0.03mm，重复定位精度可达到 0.0lmm。数控机床的传动系统和机床结构都 具有很高的刚度和稳定性，制造精度也比普通机床高。当数控机床有 3～5轴联动功能时，可加工 各种复杂曲面，并能获得较高精度。由于按照数控程序自动加工，避免了人为的操作误差，因而 同一批加工零件的尺寸一致性好，加工质量稳定。 4、生产效率较高 零件加工时间由机动时间和辅助时间组成，数控机床加工的机动时间和辅助时间比普通机床 明显减少。数控机床主轴转速范围和进给速度范围比普通机床大，主轴转速范围通常在 10～ 6000r/min，高速切削加工时可达 15000r/min，进给速度范围上限可达到 10～12m/min，高速切削 加工进给速度甚至超过 30m/min，快速移动速度超过 30～60m/min。主运动和进给运动一般为无 级变速，每道工序都能选用最有利的切削用量，空行程时间明显减少。数控机床的主轴电动机和 进给驱动电动机的驱动能力比同规格的普通机床大，机床的结构刚度高，有的数控机床能进行强 力切削，有效地减少机动时间。 5、具有刀具寿命管理功能 构成FMC 和FMS的数控机床具有刀具寿命管理功能，可对每把刀的切削时间进行统计，当 达到给定的刀具耐用度时，自动换下磨损刀具，并换上备用刀具。 6、具有通信功能
现代数控机床一般都具有通信接口，可以实现上层计算机与数控机床之间的通信，也可以实 现几台数控机床之间的数据通信，同时还可以直接对几台数控机床进行控制。通信功能是实现 DNC、FMC、FMS的必各条件。 4 存储器 编程介质 CAD/CAM 辅助控制 图8-10数控装置的基本组成框图 图&10是数控装置的基本组成框图，其中1为加工零件的图样，作为数控装置工作的原始数 据，2为程序编制部分，3为控制介质，也称为信息载体，通常用穿孔纸带、磁带、软磁盘或光盘 作为记载控制指令的介质。控制介质上存储了加工零件所需要的全部操作信息，是数控系统用来 指挥和控设各讲行加工云动的唯一指今信息。但在现代CADCAM系统中，可不经控制介质】 而是将计算机辅助设计的结果及自动编制的程序加以后置处理，直接输入数控装置 图&10中的4为数控系统，它是数控机床的核心环节。数控系统的作用是按接收介质输入的 信息，经处理运算后去控制机床运行。按数控系统的软硬件构成特征来分类，可分为硬线数控与 软线数控。传统的数控系统（即系统的核心数字控制装置）是由各种逻辑元件、记忆元件组成的 随机逻辑电路，是采用固定接线的硬件结构，数控功能是由硬件来实现的，这类数控系统称之为 硬件数控。 随着半导体技术、计算机技术的发展，微处理器和微型计算机功能增强，价格下降，数字控 制装置己发展成为计算机数字控制(Computer Numerical Control)装置，即所谓的CNC装置， 它由软件来实现部分或全部数控功能。CC系统是由程序、输入输出设备、计算机数字控制装置 可编程控制器(PC或可编程逻辑控制器PLC) 主轴控制单元及速度控制单元等部分组成，如 8-11所示。CNC系统中，可编程控制器PC是一种专为在工业环境下应用而设计的工业计算机 它采用可编得序的存储器，在其内部存储执行罗组云、序控制、定时、计数和算术云等 定功能的用户操作指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程 PC己成为数控机床不可缺少的控制装置。CNC和PC(PLC)谐调配合共同完成数控机床的控制， 其中CNC主要完成与数字运算和管理有关的功能，如零件程序的辑、插补运算、译码、位置 同服控制等。PC主要完成与逻辑运算有关的一些动作，没有轨迹上的具体要求，它接受CNC的 控制代码M(辅助功能)S(主轴转速)、T(选刀、换刀)等顺序动作信息，对其进行译码，转 换成对应的控制，控制辅助装置完成机床相应的开关动作，如工件的装夹、刀具的更换、切削液 的开关等一些辅助动作，它还接受机床操作面板的指令，一方面直接控制机床的动作，另一方面 将一部分指令送往CNC用于加工过程的控制
12 现代数控机床一般都具有通信接口，可以实现上层计算机与数控机床之间的通信，也可以实 现几台数控机床之间的数据通信，同时还可以直接对几台数控机床进行控制。通信功能是实现 DNC、FMC、FMS的必备条件。 图 8-10 数控装置的基本组成框图 图 8-10是数控装置的基本组成框图，其中 1为加工零件的图样，作为数控装置工作的原始数 据，2为程序编制部分，3为控制介质，也称为信息载体，通常用穿孔纸带、磁带、软磁盘或光盘 作为记载控制指令的介质。控制介质上存储了加工零件所需要的全部操作信息，是数控系统用来 指挥和控制设备进行加工运动的唯一指令信息。但在现代 CAD/CAM系统中，可不经控制介质， 而是将计算机辅助设计的结果及自动编制的程序加以后置处理，直接输入数控装置。 图 8-10中的4 为数控系统，它是数控机床的核心环节。数控系统的作用是按接收介质输入的 信息，经处理运算后去控制机床运行。按数控系统的软硬件构成特征来分类，可分为硬线数控与 软线数控。传统的数控系统（即系统的核心数字控制装置）是由各种逻辑元件、记忆元件组成的 随机逻辑电路，是采用固定接线的硬件结构，数控功能是由硬件来实现的，这类数控系统称之为 硬件数控。 随着半导体技术、计算机技术的发展，微处理器和微型计算机功能增强，价格下降，数字控 制装置已发展成为计算机数字控制（Computer Numerical Contro1）装置，即所谓的 CNC装置， 它由软件来实现部分或全部数控功能。CNC 系统是由程序、输入输出设备、计算机数字控制装置、 可编程控制器（PC 或可编程逻辑控制器PLC）、主轴控制单元及速度控制单元等部分组成，如图 8-11所示。CNC 系统中，可编程控制器PC是一种专为在工业环境下应用而设计的工业计算机。 它采用可编程序的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等特 定功能的用户操作指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。 PC 已成为数控机床不可缺少的控制装置。CNC和 PC（PLC）谐调配合共同完成数控机床的控制， 其中 CNC 主要完成与数字运算和管理有关的功能，如零件程序的编辑、插补运算、译码、位置 伺服控制等。PC 主要完成与逻辑运算有关的一些动作，没有轨迹上的具体要求，它接受 CNC的 控制代码 M（辅助功能）、S（主轴转速）、T（选刀、换刀）等顺序动作信息，对其进行译码，转 换成对应的控制，控制辅助装置完成机床相应的开关动作，如工件的装夹、刀具的更换、切削液 的开关等一些辅助动作，它还接受机床操作面板的指令，一方面直接控制机床的动作，另一方面 将一部分指令送往 CNC 用于加工过程的控制