1.2　数控机床

（1）数控机床的定义

数控，即数字控制（Numerical Control，NC）。数控技术是指用数字信号形成的控制程序对一台或多台机械设备进行控制的一门技术。

数控机床（Numerically Controlled Machine Tool），简单地说，就是采用了数控技术的机床。即将机床的各种动作、工件的形状、尺寸以及机床的其他功能用一些数字代码表示，把这些数字代码通过信息载体输入给数控系统，数控系统经过译码、运算以及处理，发出相应的动作指令，自动地控制机床的刀具与工件的相对运动，从而加工出所需要的工件。

（2）数控机床的组成

数控机床主要由程序介质、数控装置、伺服系统、机床主体等四部分组成，如图1-2所示。

程序介质用于记载机床加工零件的全部信息，如零件加工的工艺过程、工艺参数、位移数据、切削速度等。常用的程序介质有磁盘等。数控机床大都采用操作面板上的按钮和键盘将加工程序直接输入或通过串行口将计算机上编写的加工程序输入到数控系统。在CAD/CAM集成系统中，其加工程序可不需任何载体直接输入到数控系统。

数控装置是控制机床运动的中枢系统，它的基本任务是接受程序介质带来的信息，按照规定的控制算法进行插补运算，把它们转换为伺服系统能够接受的指令信号，然后将结果由输出装置送到各组控制伺服系统。

伺服系统是由伺服驱动电机和伺服驱动装置组成的，是数控系统的执行部件。它的基本作用是接收数控装置发来的指令脉冲信号，控制机床执行机构的进给速度、方向和位移量，以完成零件的自动加工。

通常数控系统由数控装置和伺服系统两部分组成，各公司的数控产品也是将两者作为一体的。

机床主体也称主机，包括机床的主运动部件、进给运动部件、执行部件和基础部件，如底座、立柱、滑鞍、工作台（刀架）、导轨等。

（3）数控机床的分类

数控机床的品种和规格繁多，分类方法不一。根据不完全统计，目前已有近500种数控机床。根据数控机床的功能和组成，一般可分为以下几类，如表1-1所示。

加工中心与数控铣床的区别主要是加工中心具有刀库并能自动换刀。

（4）数控机床加工的适用范围

根据国内外数控机床技术应用实践，数控机床加工的适用范围可用图1-3和图1-4定性分析。

图1-3所示表明了随零件的复杂程度和生产批量的不同，三种机床适用范围的变化。当零件不太复杂、生产批量不太大时，宜采用通用机床；当生产批量很大时，数控机床就显得更为适用了。

图1-4所示表明了随生产批量的不同，采用三种机床加工时综合费用的比较。由图可知，在多品种、小批量（100件以下）的生产情况下，使用数控机床可获得较好的经济效益。零件批量的增大，对选用数控机床是不利的。

数控机床通常适合加工具有以下特点的零件：

①多品种、小批量生产的零件或新产品试制中的零件。

②轮廓形状复杂、对加工精度要求较高的零件。

③用普通机床加工时需要有昂贵的工艺装备（工具、夹具和模具）的零件。

④需要多次改型的零件。

⑤价值昂贵、加工中不允许报废的关键零件。

⑥需要最短生产周期的急需零件。

（5）数控机床的特点

数控机床具有如下特点：

①采用数控机床可以提高零件的加工精度，稳定产品的质量。

②数控机床可以完成普通机床难以完成或根本不能加工的复杂曲面的零件加工。

③采用数控机床比普通机床可以提高生产效率2～3倍，尤其对某些复杂零件的加工，生产效率可以提高十几倍甚至几十倍。

④可以实现一机多用。

⑤采用数控机床有利于向计算机控制与管理生产方面发展，为实现形成过程自动化创造了条件。

（6）数控机床发展方向

数控机床是柔性制造单元（FMC）、柔性制造系统（FMS）以及计算机集成制造系统（CIMS）和敏捷制造（Agile Manufacturing）的基础，是国民经济的重要基础装备。随着微电子技术和计算机技术的发展，现代数控机床的应用领域日益扩大。当前，数控设备正在不断地采用最新技术成就，向着高速化、高效化、精密化、系列化及复合化等方向发展。

①高速、高效　高速切削加工如图1-5所示，可通过高速运算、快速插补运算、超高速通信和高速主轴等技术来实现。高主轴转速可减少切削力，有利于克服机床振动，使传入零件中的热量大大降低，排屑加快，热变形减小，加工精度和表面质量可得到显著改善。

加工中心的主轴转速现已达到8000～12000r/min，最高的可达100000r/min以上；磨床的砂轮线速度提高到100～200m/s。正在开发的采用64位CPU的新型数控系统（目前数控系统多采用32位以上的高速微处理器），可实现快速进给、高速加工、多轴控制功能，控制轴数最多可达到24个，同时联动轴数可达3～6轴，进给速度为20～24m/min，最快可达60m/min。自动换刀和自动交换工作台时间也大大缩短，现在数控车床刀架的转位时间可达0.4～0.6s，加工中心自动交换刀具时间可缩短至3s，最快能达到1s以内，自动交换工作台时间也可缩短为6～10s，个别可缩短到2.5s。

②高精度　用户对产品精度要求的日益提高，促使数控机床的精度不断提高。数控机床的精度主要体现在定位精度和重复定位精度方面。数控机床配置了新型、高速、多功能的数控系统，其分辨率可达到0.1μm，有的可达到0.01μm，实现了高精度加工。伺服系统采用前馈控制技术、高分辨率的位置检测元件、计算机数控的补偿功能等，保证了数控机床的高加工精度。目前数控机床的定位精度可达0.001mm，重复定位精度可达0.0005mm。

③加工功能复合化　在一台机床上实现多工序、多方法加工是数控机床发展的又一趋势。目前已经出现了集钻、镗、铣功能于一身的数控机床，可完成钻、镗、铣、扩孔、铰孔、攻螺纹等工序的数控加工中心，以及车削加工中心（图1-6），钻削、磨削加工中心，电火花加工中心等。近年来又出现了高复合化数控机床，如增加了车削和磨削功能的镗铣类加工中心等，不但有更高的加工精度，而且可以提高工作效率，节约占地面积和投资。

④智能化　早期的实时系统通常针对相对简单的理想环境，其作用是调度任务，以确保任务在规定期限内完成。而人工智能则试图用计算模型实现人类的各种智能行为。科学技术发展到今天，实时系统与人工智能已实现相互结合，人工智能正向着具有实时响应的更加复杂的应用领域发展，由此产生了实时智能控制这一新的领域。在数控技术领域，实时智能控制的研究和应用正沿着几个主要分支发展，如自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制、学习控制、前馈控制等。例如，在数控系统中配置编程专家系统、故障诊断专家系统、参数自动设定和刀具自动管理及补偿等自适应调节系统；在高速加工时的综合运动控制中引入提前预测和预算功能、动态前馈功能；在压力、温度、位置、速度控制等方面采用模糊控制，使数控系统的控制性能大大提高，从而达到最佳控制的目的。

⑤高可靠性　数控系统的高可靠性是提高数控机床可靠性的关键。现代数控机床的硬件采用更高集成度的电路芯片和由多种功能模块制成的硬件系统，使数控机床制造向模块化、标准化、智能化方向发展。模块化、标准化、智能化有利于提高数控机床制造和运行的可靠性，便于维修和保养。而具有人工智能功能的故障诊断系统软件的开发及使用，可以增强机床自诊断、自恢复的保护功能，从而大幅降低了系统的故障率。

⑥柔性化　数控机床正向柔性制造单元（FMC）、柔性制造系统（FMS）以及计算机集成制造系统（CIMS）等柔性化方向发展。柔性化的特点是适应性更强，生产率更高，加工范围可以随时调整。典型的柔性制造系统（FMS）包括各制造单元（数控机床、加工中心和测量机等）、工夹具、无人送料车、自动化仓库以及一套计算机控制系统、物流控制和信息网络等。

（7）常用数控机床外形

常用数控机床外形见图1-7～图1-14。