第一节数控机床基本概述
随着社会生产和科学技术的飞速发展，机械制造技术发生了深刻的变化，机械产品日趋精密复杂，且改型频繁，尤其是在字航、军事、造船等领域所需的零件，精度要求高形状复杂，批量又小传统的普通机械加工设备已难以适应市场对产品多样化的要求。为了满足上述要求，以数字控制技术为核心的新型数字程序控制机床应运而生
1948年，美国帕森斯公司(Parsons Co.）受美国空军委托与麻省理工学院伺服机构研究h (Servo Mechanismus Laboratory of the Massachusetts Institute of Technology)合作进行数控机床的研制工作。1952年．第一台三坐标立式铣床试制成功，但第一台工业用数控机床直到1954年11月才生产出来
我国数控机床的研制是从1958年起步的．由清华大学研制出了最早的样机
早期的数控机床控制系统采用电子管．其体积大，功耗高，只在军事部门应用，只有当电子微处理机用于数控机床后，才真正使数控机床得到了普及。
一、何谓数控机床
数控(NC)是数字控制(Numerical Control)的简称，是20世纪中叶发展起来的一种用数字化信息进行自动控制的一种方法。装备了数控技术的机床，称为数控机床，也简称为VC机床。
70年代初，随着计算机技术的发展．使小型计算机的价格急剧下降采用小型计算机代替专用控制计算机的第四代数控系统，不仅在经济上更为合算，而且许多功能可用编制的专用程序来实现，将它存储在小型计算机的存储器中，构成所谓控制软件，提高了系统的可靠性和功能特色这种数控系统又称为软接线（软线）数控．即计算机数控系统， 简称CNC (Computerized NC）。
1976年制成以微处理机为核心的数控系统．称为第五代微型机数控系统。简称MNC （Microcomputerized NC)。
国际信息联盟第五技术委员会对数控机床做了如下定义：
数控机床是一个装有程序控制系统的机床该系统能够逻辑地处理具有使用号码或其 他符号编码指令所规定的程序。定义中的控制系统就是数控系统。 二、数控机床的工作原理
数控机床工作原理如图1-1所示。首先根据被加工零件的图样．将工件的形状、尺 寸及技术要求等，采用手工或计算机按运动顺序和所用数控机床规定的指令代码及程序格 式编成加工程序单．并将这些程序代码存储在穿孔纸带、磁带、班盆及其伯计算机用通信 方式等信息载体上（或直接用键盘输人），然后经输人装置．读出信息井送人数字控制装 置。数控装置就依照指令带上的数码指令进行一系列处理和运算，变皮肚冲信号．并将其 输人驱动装置，带动机床传动机构，机床工作部件有次序地按要求的程序自动进行工作 （如工件夹紧与放松、冷却液的开闭、刀具的自动更换、各轴的进给等）．加工出图样要求 的零件。
图1-1数控机床工作原理图
1— 零件图样2-程序设计3一程序单4一制穿孔带5一穿孔纸带6一纸带盘
7一光电读卡机8数控装置9-步进电动机1滚珠丝杠级母副 三、数控机床的组成
组成一台完整的数控机床，主要由控制介质（穿孔带、磁带）、数控装置、伺服系统和机床四部分及辅助装置组成，如图1-2所示为其基本框图。
图1一2数控机床的组成
1.控制介质
数控机床工作时，不需要人直接操纵机床，但机床又必须执行人的意图。这就需要一 种在人与机床之间建立某种联系的中间媒介物称为控制介质。在控制介质上存储着加工 零件所需要的全部操作信息和刀具相对工件的位移信息。因此，控制介质就是指将零件加 工信息传送到数控装置去的信息载体。控制介质有多种形式，它随着数控装置类型的不同 而不同，常用的有穿孔带、穿孔卡、磁带、磁盘等。控制介质上记载的加工信息要经过输 入装置传送给数控装置，常用的输入装置有光电纸带输人机、磁带录音机和磁盘驱动器 等。
除了上述几种控制介质以外，还有一部分数控机床采用数码拨盘、数码插销或利用键
盘直接将程序及数据输人。另外，随着CAD/CAM技术的发展，有些数控设备利用CAD/ CAM软件在其他计算机上编程，然后通过计算机与数控系统通信，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控制中心．被喻为“中枢系统”。数控装置由输人装置、控制 运算器（CPU)和输出装置等构成（见图1-3)。图中虚线内包含部分为数控装置
数控装置的功能是接受控制介质上的各种信息．经过识别与译码后．送到运算控制器 进行计算处理，再经过输出装置将运算控制器发出的控制命令送到伺服系统，带动机床完 成相应的运动
目前均采用微型计算机作为数控装置。微型计算机的中央处理单元(CPU)又称为微 处理器，是一种大规模集成电路，它将运算器、控制器集成在一块集成电路芯片中。在微 型计算机中，输人与输出电路也采用大规模集成电路，即所谓的I/O接口。微型计算机拥 有较大容量的寄存器，并采用高密度的存储介质，如半导体存储器和磁盘存储器等。
图1-3数控装置组成图 3.伺服系统
伺服系统是数控系统的执行机构，包括驱动、执行和反馈装置。伺服系统接受数控系 统的指令信息，并按照指令信息的要求与位置、速度反馈信号相比较后带动机床的移动部 件或执行部件动作，加工出符合图样要求的零件。指令信息以脉冲信号表示，反映到机床 移动部件上的移动量称为脉冲当量，常用脉冲当量为。001^-0.01 mm,脉冲当量在设计 数控机床时即已规定
伺服系统直接影响数控机床的速度、位置、加工精度、表面粗糙度等
当前数控机床的伺服系统，常用的位移执行机构有功率步进电动机、直流伺服电动机 和交流伺服电动机。后两者都带有光电编码器等位置测量元件，可用来精确控制工作台的 实际位移量和移动速度 4.机床本体
机床本体是数控机床的实体，是完成实际切削加工的机械部分，它包括床身、底座、 工作台、床鞍、主轴等。它与普通机床相比较有所改进，具有以下特点
(1)数控机床采用了高性能的主轴及伺服系统，机械传动结构简化，传动链较短 (2）机械结构具有较高的刚度、阻尼精度及耐磨性，热变形小
(3)更多地采用高效传动部件，如滚珠丝杠副、直线滚动导轨等。
与普通机床相比，数控机床的外部造型、整体布局，传动系统与刀具系统的部件结构 及操作机构等方面都已发生了很大的变化。这些变化的目的是为了满足数控机床的要求和
充分发挥数控机床的特点。因此，必须建立数控机床设计的新概念
5.辅助装置
辅助装置主要包括换刀机构、工件自动交换机构、工件夹紧机构、润滑装置、冷却装 置、照明装置、排屑装置、液压汽动系统、过载保护与限位保护装置等。 第二节数控机床的分类
数控机床的种类很多，一般可以按以下几种方式来划分，见表1-1 . 数控机床的分类方式 分类方式 按运动轨迹分类 按联动轴数分类 按工艺类型分类 按伺服类型分类 按数控装置功能水平分类 一、按运动轨迹分类 l点位控制数控机床
汽位控制数控机床的特点是控制刀具或机床工作台等移动部件的终点位置．即控制移动部件由一个点准确地社动到另一个点，而点与点之间的运动轨迹没有严格要求。在移动和定位过程中刀具不进行任何切削加工。因此、为了尽可能减少移动部件的运动时间和提高定位 精度．通常先快速移动到接近终点坐标．然后进行l一3次减速．准确移动到定位点，以保证定位精度、见图1一幻使用这类控制系统的数控机床有数控钻床、数控坐标镗床、数控冲床、数控点焊机、数控折弯机和数控测量机等。 2.直线控制数控机床
直线控制数控机床的特点是刀具相对于工件的运动，既要控制起点与终点之间的准确位置．又要控制刀具在这两点之间运动的速度和轨迹刀具相对工件移动的轨迹是平行干机床某一坐标轴的直线方向，刀具在移动过程中进行切削〔见图1-5）。使用这类控制系统的数控机床有数控车床、数控钻床、数控铣床和数控磨床等。 3轮廓切削（连续轨迹）控制数控机床
大多数数控机床都具有轮廓切削控制功能．其特点是这类数控机床能控制两个或A个 以上的轴．坐标方向同时严格地连续控制，不仅要控制每个坐标的行程，还要控制每个坐 标的运动速度，这样可以加工出由任意斜线、曲线或曲面组成的复杂零件（见图1-6) , 使用这类控制系统的数控机床有数控车床、数控铣床、数控磨床、数控齿轮加工机床和数 控加工中心等。
包括内容 点位控制数控机床、直线控制数控机床、轮廓控制（连续轨迹）控制数控机床 2轴联动数控机床、2.5轴联动数控机床、3轴联动数控机床、多轴联动数控机床 金属切削类数控机床、金属成型类数控机床、特种加工、其他类型数控机床 开环、闭环和半闭环控制数控机床、混合环伺服系统数控机床 低档、中挡、高挡数控机床
图1 -4点位数控机床加工示意图
1一沿直角坐标方向分两步到达目的点 图1-5直线数控机床加工示意图 2一沿起点与终点连线直接到达目的点
图1-6轮廓切削数控机床加工示意图 二、按联动轴分类
数控机床的计算机数控系统能够控制的坐标数目反映了计算机数控系统的运算处理 能力，它与计算机的内存容量、运算速度密切相关。目前世界上数控系统最高能控制几十 个轴限p坐标）。联动是指各个坐标轴同时达到空间某一点。在1999年功月举行的中国 国际机床展览会上已出现可控轴数为30, 24或16,联动轴数达9轴的国产数控系统，如 华中数控公司展出的5轴联动加工中心（用于叶轮的加工）；北京机电院和北京航空航天 大学联合开发的JT2010型数控系统，可以用一个系统，控制总轴数多达50的多台机床组 成的成套机群。
现代数控机床绝大多数都具有两坐标或两坐标以上联动的功能，不仅有刀具半径补 偿、刀具长度补偿、还有机床轴向运动误差补偿、丝杠、齿轮的间隙误差补偿等一系列功 能
按联动轴可分为以下几种： 1.二轴联动数控机床
如数控车床，加工曲面回转体；某些数控铣床．二轴联动铣斜面，如图1-7a所示。 2.三轴联动数控机床
如数控铣床和数控加工中心，三轴联动加工曲面零件，如图1-76所示 3.二轴半联动数控机床
是指有三个坐标控制轴（X，Y，Z)，其中任意两个轴联动·第三轴做周期性等距运