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模块1 数控车床编程与加工

项目1.1 认识数控车床

【学习目标】

1）掌握数控技术、数控加工、数控机床等概念。

2）熟悉数控车床的组成、分类及主要应用。

3）熟悉数控机床的工作原理。

4）了解数控机床的组成和分类。

【知识学习】

1.1.1 基本概念

1.数字控制及数控技术

一般意义上的数字控制是指用数字化信息对过程进行的控制，是相对模拟控制而言的。机床中的数字控制（Numerical Control）专指用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制的自动化方法，简称数控（NC），是由机床数控装置或系统实现的。

数控技术（Numerical Control Technology）是指用数字化信息进行自动控制的技术，是制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础。将计算机通过特定处理方式下的数字信息（不连续变化的数字量）用于机床自动控制的技术统称为计算机数控（Computer Numerical Control，CNC）技术。

2.数控系统

数控系统（Numerical Control System）即程序控制系统，是指采用数字控制技术的控制系统。数控系统一般控制位移、角度、速度等机械量，也可控制温度、压力、流量、颜色等物理量。以计算机为核心的数控系统简称CNC系统。

3.数控机床

数控机床（Computer Numerical Control Machine Tools）是指装有计算机数控系统的机床，简称CNC机床。它是数控技术与机床相结合的产物，是一种通过数字信息控制机床按给定的运动规律进行自动加工的装备。国际信息处理联盟（IFIP）第五技术委员会对数控机床定义如下：数控机床是一种装有程序控制系统的机床，该系统能够逻辑地处理具有特定代码或其他符号编码指令规定的程序。该定义中所说的程序控制系统即数控系统。目前人们提及数控机床时一般指CNC机床。

4.数控加工

数控加工是指在数控机床上进行零件加工的一种工艺方法，其实质就是根据零件图样及工艺要求等原始条件，编制零件数控加工程序，并输入到数控机床的数控系统，以控制数控机床中刀具与工件的相对运动，从而完成零件的加工。

1.1.2 数控车床的组成

数控车床是集机械、电气、液压、气动、微电子和信息等多项技术为一体的机电一体化产品，是机械制造设备中具有高精度、高效率、高自动化和高柔性化等优点的工作母机。数控车床主要用于加工轴类、盘类等回转体零件。一般是将事先编好的数控加工程序输入到数控系统中，通过程序的运行，可自动完成内外圆柱面、圆锥面、成形表面、螺纹和端面等的切削加工，并能进行车槽、钻孔、扩孔、铰孔等工作。

数控车床由数控装置、床身、主轴箱、刀架进给系统、尾座、液压系统、冷却系统、润滑系统、排屑器等部分组成。CK6136数控车床的组成如图1-1所示。

图1-1 CK6136数控车床的组成

1—控制面板 2—自定心卡盘 3—刀架 4—主轴箱 5—照明灯 6—防护门 7—尾座 8—床身

1.1.3 数控车床的分类

数控车床品种、规格繁多，按照不同的分类标准，有不同的分类方法。

1.按车床主轴位置分类

（1）卧式数控车床主轴轴线处于水平位置的数控车床。卧式数控车床又分为数控水平导轨卧式车床和数控倾斜导轨卧式车床，其中倾斜导轨结构可以使车床具有更大的刚性，并易于排除切屑。

（2）立式数控车床主轴垂直于水平面的数控车床。立式数控车床有一个直径很大的圆形工作台，用来装夹工件。这类机床主要用于加工径向尺寸大、轴向尺寸相对较小的大型复杂零件。

2.按刀架数量分类

（1）单刀架数控车床这种数控车床一般都配置各种形式的单刀架，如四工位自动转位刀架和多工位转塔式自动转位刀架。

（2）双刀架数控车床双刀架配置平行分布，也可以是相互垂直的分布。

3.按功能分类

（1）经济型数控车床它一般是采用步进电动机驱动的开环控制系统，其控制部分通常采用单片机来实现，具有CRT显示、程序存储、程序编辑等功能，主要用于精度要求不高、有一定复杂性的零件。

（2）普通数控车床它是根据车削加工要求，在结构上进行专门设计并配备功能较强的通用数控系统而形成的数控车床，自动化程度和加工精度较高，可同时控制两个坐标轴（即X轴和Z轴），适用于一般回转体类零件的车削加工。

（3）车削加工中心它在普通数控车床的基础上增加了C轴和动力头，更高级的数控车床带有刀库，可控制X、Z和C三个坐标轴，联动控制轴可以是（X、Z）、（X、C）或（Z、C）。由于增加了C轴和铣削动力头，这种数控车床的加工功能大大增强，除可以进行一般车削外，还可以进行径向和轴向铣削、曲面铣削、中心线不在零件回转中心的孔和径向孔钻削等加工。

1.1.4 数控车床的主要应用

数控车床主要用于轴类或盘类零件内、外圆柱面，任意角度内外圆锥面，复杂回转内外曲面和圆柱、圆锥螺纹等的切削加工，并能进行切槽、钻孔、扩孔、铰孔及镗孔等，特别适合加工形状复杂的零件。与传统车床相比，数控车床比较适合车削具有以下要求和特点的回转体零件。

（1）精度要求高的回转体零件由于数控车床的刚性好，制造和对刀精度高，以及能方便和精确地进行人工补偿甚至自动补偿，所以它能加工尺寸精度要求高的零件。在有些场合可以车代磨。此外，由于数控车床车削时刀具运动是通过高精度插补运算和伺服驱动来实现的，再加上机床的刚性好和制造精度高，所以它能加工对母线直线度、圆度、圆柱度要求高的零件。

（2）表面粗糙度要求高的回转体零件在材质、精车余量和刀具已定的情况下，表面粗糙度取决于进给速度和切削速度。数控车床能加工出表面粗糙度小的零件，不仅因为机床的刚性好和制造精度高，还由于它具有恒线速度切削功能。使用数控车床的恒线速度切削功能，可选用最佳线速度来切削，这样切出的粗糙度既小又一致。粗糙度小的部位可以用减小进给速度的方法获得，而这在传统车床上是做不到的。数控车床还适合车削各部位表面粗糙度要求不同的零件。

（3）轮廓形状复杂的回转体零件数控车床具有圆弧插补功能，可直接使用圆弧插补指令来加工圆弧轮廓。数控车床也可加工由任意平面曲线所组成的轮廓回转零件，既能加工可用方程描述的曲线，也能加工列表曲线。如果说车削圆柱零件和圆锥零件既可选用传统车床也可选用数控车床，那么车削复杂回转体零件就只能使用数控车床了。

（4）具有特殊类型螺纹的零件传统车床所能切削的螺纹相当有限，它只能加工等节距的直、锥面公、英制螺纹，而且一台车床只限定加工若干种节距。数控车床不但能加工任何等节距直、锥面公、英制端面螺纹，而且能加工增节距、减节距，以及要求等节距、变节距之间平滑过渡的螺纹。数控车床加工螺纹时主轴转向不必像传统车床那样交替变换，它可以一刀又一刀不停顿地循环，直至完成，所以它车削螺纹的效率很高。数控车床还配有精密螺纹切削功能，再加上一般采用硬质合金成形刀片，以及可以使用较高的转速，所以车削出来的螺纹精度高、表面粗糙度值小。可以说，包括丝杠在内的螺纹零件都很适合在数控车床上加工。

（5）超精密、超低表面粗糙度值的零件磁盘、录像机磁头、激光打印机的多面反射体、复印机的回转鼓、照相机等光学设备的透镜及其模具，以及隐形眼镜等要求超高的轮廓精度和超低的表面粗糙度值，适合在高精度、多功能的数控车床上加工。以往很难加工的散光用塑料透镜，现在也可以用数控车床来加工。超精加工的轮廓精度可达到0.1μm，表面粗糙度值可达Ra 0.02μm。超精车削零件的材质以前主要是金属，现已扩大到塑料和陶瓷。

【拓展知识】

1.1.5 数控机床的工作原理

1.1.5-1.1.6 数控机床的工作原理与组成

数控机床的工作原理如图1-2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，按运动顺序、所用数控机床规定的指令代码及程序格式编写成加工程序。加工程序经输入装置读出信息并送入数控装置。数控装置按照数码指令进行一系列处理和运算，变成脉冲信号。有的脉冲信号被送到机床的伺服系统，经传动机构驱动机床本体，从而完成零件的加工；有的脉冲信号被送到可编程序控制器中，按顺序控制机床的其他辅助动作，如工件夹紧与松开、刀具自动更换、各轴进给等，加工出图样要求的零件。

图1-2 数控机床的工作原理

1.1.6 数控机床的组成

数控机床一般由输入输出装置、计算机数控装置、伺服驱动装置、检测反馈装置、辅助控制装置和机床本体组成，其中除机床本体之外的部分称为计算机数控（CNC）系统，如图1-3所示。

图1-3 数控机床的组成框图

（1）输入输出装置输入输出装置是操作人员与机床数控系统进行信息交流的载体，其主要功能有编制程序、存储程序、输入程序和数据、打印和显示等。零件加工程序、机床参数及刀具补偿等数据可以直接由操作人员手动输入到数控装置，即通过机床上的CRT显示器及键盘手动输入；也可以利用CAD/CAM软件在计算机上编程，然后通过计算机用通信方式将程序传送到数控装置。后者还是实现CAD/CAM集成、FMS和CIMS的基本技术。目前数控机床常采用的通信方式有：串行通信（RS232、RS422、RS485等）；自动控制专用接口和规范，如DNC（Direct Numerical Control）方式、MAP（Manufacturing Automation Protocol）协议等；网络通信（Internet、Intranet、LAN）等。数控装置通过CRT、LED、LCD、TFT显示器以及各种信号灯、报警器等将信息输出。

（2）计算机数控装置计算机数控装置是计算机数控系统的核心，其组成框图如图1-4所示。数控装置通常由专用（或通用）计算机、输入输出接口板及机床控制器等组成。输入设备传送的数控加工程序和操作指令，经计算机数控装置系统进行相应的处理（如运动轨迹处理、机床输入输出处理等），然后输出控制命令到相应的执行部件（伺服单元、驱动装置和PLC等），控制其动作，加工出需要的零件。所有这些工作都是由CNC装置内的系统程序进行合理的组织，在CNC装置硬件的协调配合下，有条不紊地进行的。

图1-4 计算机数控装置组成框图

图1-5 伺服系统结构框图

（3）伺服驱动装置伺服系统是数控设备的重要组成部分，是数控装置和受控设备的联系环节，其结构框图如图1-5所示。伺服驱动装置包括主轴伺服驱动装置和进给伺服驱动装置两部分。伺服驱动装置将位置指令和速度指令转化为机床运动部件的运动。数控装置发出的控制信息，经伺服系统中的控制电路、功率放大电路和伺服电动机驱动受控设备工作，并可对其位置、速度等进行控制。

（4）检测反馈装置检测反馈装置是闭环和半闭环控制系统中的重要环节，其作用是通过传感器将伺服电动机角位移和数控机床执行机构的直线位移，转换成电信号输送给数控装置，与脉冲信号进行比较，由数控装置纠正误差，控制和驱动执行元件准确运转。检测反馈装置与伺服驱动装置配套组成半闭环和闭环伺服驱动系统。

常用的位置检测元件有：光栅传感器、脉冲发生器、感应同步器、旋转变压器和磁栅。

1）光栅传感器是数控机床和数字显示系统常用的检测元件。

2）脉冲发生器又称角度数字编码器，具有精度高、结构紧凑、工作可靠等优点，是精密数字控制和伺服系统常用的角位移数字式检测器件。

3）感应同步器可测量直线位移和角位移，并能转换成数字显示。

4）旋转变压器常用于角位移的检测。

5）磁栅是测量直线位移的一种数字式传感器。

常见检测元件的分类见表1-1。

表1-1 常见检测元件的分类

（5）辅助控制装置辅助控制装置是介于数控装置和机床机械、液压部件之间的控制装置，通过可编程序控制器（Programmable Logic Controller，PLC）来实现。PLC和数控装置配合共同完成数控机床的控制。

（6）机床本体机床本体是数控机床的主体，是用于完成各种切削加工的机械部分。数控机床的机械部件包括：主运动部件、进给运动部件（机床工作台、滑板以及相应的传动机构）、支承件（立柱、床身等）、特殊装置（刀具自动交换装置、工件自动交换装置）和辅助装置（如冷却、润滑、排屑、转位和夹紧装置等）。数控机床机械部件的组成与普通机床相似，但要求传动结构更简单，在精度、刚度、摩擦特性、抗振性等方面要求更高，而且传动和变速系统要便于实现自动化控制。

1.1.7 数控机床的分类

数控设备五花八门，品种繁多，已多达500余种，通常从以下不同角度进行分类。

1.按工艺用途分类

（1）切削加工类数控机床此类数控机床是指具有切削加工功能的数控机床，如数控车床、数控铣床、数控钻床、数控镗床、数控磨床、加工中心等。

（2）成形加工类数控机床此类数控机床是指具有通过物理方法改变工件形状功能的数控机床，如数控折弯机、数控弯管机、数控组合冲床、数控回转头压力机等。

（3）特种加工类数控机床此类数控机床是指具有特种加工功能的数控机床，如数控电火花加工机床、数控线切割机床、数控激光切割机等。

（4）其他类型的数控机床此类数控机床是指一些广义上的数控机床，如火焰切割机、数控三坐标测量机、工业机器人等。

2.按运动轨迹的控制方式分类

（1）点位控制数控机床这类数控机床的数控装置仅能控制两个坐标轴带动刀具或工作台，从一个点（坐标位置）准确快速地移动到下一个点（坐标位置），然后控制第三个坐标轴进行钻、镗等切削加工。它具有较高的位置定位精度，在移动过程中不进行切削加工，因此对其运动轨迹没有要求，如图1-6a所示。这类数控机床主要用于加工平面内的孔系，主要有数控钻床、数控镗床、数控冲床、数控三坐标测量机等。

（2）直线控制数控机床这类数控机床可控制刀具或工作台以适当的进给速度，从一个点以一条直线准确地移动到下一个点，移动过程中进行切削加工，进给速度根据切削条件可在一定范围内调节，如图1-6b所示。这类机床常见的有数控车床、数控磨床、数控镗铣床等。

图1-6 运动轨迹的控制方式

a）点位控制 b）直线控制 c）轮廓控制

（3）轮廓控制数控机床这类数控机床具有控制几个坐标轴同时协调运动，即多坐标联动的能力，使刀具相对于工件按程序规定的轨迹和速度运动，能在运动过程中进行连续切削加工，如图1-6c所示。这类数控机床有用于加工曲线和曲面零件的数控车床、数控铣床、加工中心等。现代的数控机床基本上都是这种类型。

3.按伺服系统的类型分类

（1）开环控制数控机床这类数控机床采用开环进给伺服系统，如图1-7a所示。开环进给伺服系统没有位置检测反馈装置，信号流是单向的（数控装置→进给系统），故系统稳定性较好，但由于没有位置反馈，精度（相对于闭环控制）不高，其精度主要取决于伺服驱动系统和机械传动机构的性能和精度。该系统一般以步进电动机作为伺服驱动元件，采用脉冲增量插补法进行轨迹控制。这类数控系统具有结构简单、工作稳定、调试方便、维修容易、价格低廉等优点，在精度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合得到广泛应用。

（2）闭环控制数控机床这类数控机床采用闭环进给伺服系统，如图1-7b所示，它直接对工作台的实际位置进行检测。理论上讲，闭环进给伺服系统可以消除整个驱动和传动环节的误差、间隙和失动量，具有很高的位置控制度。但由于位置环内许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的，很容易造成系统不稳定。因此，闭环控制系统的设计、安装和调试都有相当的难度，对其组成环节的精度、刚性和动态特性等都有较高的要求，价格昂贵。这类系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精磨床以及较大型的数控机床等。

（3）半闭环控制数控机床这类数控机床采用半闭环数控系统，如图1-7c所示。半闭环控制系统的位置检测点是从驱动电动机（常用交、直流伺服电动机）或丝杠端引出，通过检测电动机或丝杠旋转角度来间接检测工作台的位移量，而不是直接检测工作台的实际位置。由于在半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，可获得较稳定的控制性能，其系统稳定性虽不如开环系统，但比闭环系统要好。另外，位置环内各组成环节的误差可得到某种程度的纠正，位置环外不能直接消除的丝杠螺距误差、齿轮间隙引起的运动误差等，可通过软件补偿来提高运动精度，因此在现代CNC机床中得到了广泛应用。

图1-7 伺服系统类型

a）开环控制系统框图 b）闭环控制系统框图 c）半闭环控制系统框图

4.按可控制联动的坐标轴分类

所谓数控机床可控制联动的坐标轴，是指数控装置控制几个伺服电动机，同时驱动机床移动部件运动的坐标轴数目。

（1）两坐标轴联动数控机床这类数控机床能够同时控制两个坐标轴联动（X、Z轴联动或X、Y轴联动），可用于车出各种曲线轮廓的回转体类零件，或用于铣出曲线柱面，如图1-8所示。

图1-8 两坐标轴联动轮廓加工

（2）三坐标轴联动数控机床这类数控机床可同时控制三个坐标轴联动。一般分为两类，一类是X、Y、Z三个直线坐标轴联动，可用于数控铣床、加工中心等加工曲面零件，如图1-9所示。另一类是除了同时控制X、Y、Z其中两个直线坐标轴联动外，还同时控制围绕其中某一直线坐标轴旋转的旋转坐标轴。

（3）两坐标轴半联动数控机床这类数控机床本身有三个坐标轴，能做三个方向的运动，但其数控装置只能控制两个坐标轴联动，而第三坐标轴只能做周期进给，如在数控铣床上用球头铣刀采用行切法加工三维空间曲面，如图1-10所示。

图1-9 三坐标轴联动加工曲面

图1-10 两坐标轴半联动轮廓加工

（4）多坐标轴联动数控机床这类数控机床能同时控制四个及以上坐标轴联动。四坐标轴联动即同时控制X、Y、Z三个直线坐标轴与某一旋转坐标轴（A轴或B轴）联动（回转工作台），如图1-11所示。五坐标轴联动即除了同时控制X、Y、Z三个直线坐标轴联动外，还同时控制围绕这些直线坐标轴旋转的A、B、C坐标轴中的两个坐标轴，即形成同时控制五个轴联动，如图1-12所示。多坐标轴联动数控机床的结构复杂、精度要求高、程序编制难度大，主要用于加工形状复杂的零件。联动坐标轴数越多，加工程序的编制越难，通常三个以上坐标轴联动的零件加工程序只能采用自动编程技术编制。