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数控技术基本知识1 基本组成和各部分功能数控机床是机电一体化的典型产品，是集机床、计算机、电机及拖动、自动控制、检测等技术为一体的自动化设备。现代数控系统都为计算机数控系统(Computer Numerical Control，简称CNC)。数控机床的基本组成包括加工程序、输入/输出装置、数控装置、伺服系统、辅助控制装置、反馈系统及机床本体1操作面板它是操作人员与数控装置进行信息交流的工具。由按钮站、状态灯、按键阵列（功能与计算机键盘一样）和显示器组成。2控制介质与输入输出设备控制介质是记录零件加工程序的媒介。数控机床工作时，不需要工人去摇手柄操作机床，但又要自动地执行人们的意图，这就必须在人和数控机床之间建立某种联系，这种联系的媒介物称之为控制介质（或称程序介质、输入介质、信息载体）。常用的控制介质是8单位的标准穿孔带，且常用的穿孔带是纸质的，所以又称纸带。其宽为 25.4mm，厚0.108mm，每行除了必须有一个1.17mm的同步孔外，最多可以有8个1.33mm 的信息孔。用每行8个孔有无的排列组合来表示不同的代码（ 纸带上孔的排列规定，称为代码）。把穿孔带输入到数控装置的读带机，再由读带机把穿孔带上的代码转换为数控装置可以识别和处理的电信号，并传送到数控装置中去，便完成了指令信息的输入工作。输入输出设备是CNC系统与外部设备进行交互装置。交互的信息通常是零件加工程序。即将编制好的记录在控制介质上的零件加工程序输入CNC系统或将调试好了的零件加工程序通过输出设备存放或记录在相应的控制介质上。3 CNC装置(CNC单元)由计算机系统、位置控制板、PLC接口板，通讯接口板、特殊功能模块以及相应的控制软件组成。它的作用是根据输入的零件加工程序进行相应的处理（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)，所有这些工作是由CNC装置内硬件和软件协调配合，合理组织，使整个系统有条不紊地进行工作的。4 伺服驱动装置伺服系统的作用是把来自数控装置的脉冲信号转换为机床移动部件的运动，使工作台（或溜板）精确定位或按规定的轨迹作严格的相对运动，最后加工出符合图纸要求的零件。在数控机床的伺服系统中，常用的伺服驱动元件有功率步进电机、电液脉冲马达、直流伺服电机和交流伺服电机等。5 测量装置 位置和速度测量装置，以实现进给伺服系统的闭环控制。作用保证灵敏、准确地跟踪CNC装置指令。6 PLC、机床I/O电路和装置 PLC (Programmable Logic Controller) 用于完成与逻辑运算有关顺序动作的I/O控制，它由硬件和软件组成。机床I/O电路和装置，实现I/O控制的执行部件(由继电器、电磁阀、行程开关、接触器等组成的逻辑电路)，功能接受CNC的M、S、T指令，对其进行译码并转换成对应的控制信号。7 机床本体机床是数控机床的主体，是实现制造加工的执行部件。由主运动部件、进给运动部件（工作台、拖板以及相应的传动机构）、支承件（立柱、床身等）以及特殊装置（刀具自动交换系统 工件自动交换系统）和辅助装置（如排屑装置等）组成。数控机床在整体布局、外观造型、传动系统、刀具系统的结构以及操作机构等方面同普通机床比已发生了很大的变化。这种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。 数控机床分类一、按工艺用途分类1 一般数控机床一般数控机床可分为数控钻床、车床、铣床、镗床、磨床和齿轮加工机床等，还有压床、冲床、弯管机、电火花切割机、火焰切割机等。2.加工中心加工中心是带有刀库及自动换刀装置的数控机床，它可以在一台机床上实现多种加工。工件一次装夹，可完成多种加工，既节省辅助工时，又提高加工精度。加工中心特别适用于箱体、壳体的加工。车削加工中心可以完成所有回转体零件的加工。二按加工方式分类1 金属切削类数控机床金属切削类数控机床有数控车床、数控铣床、数控钻床、数控镗床、数控磨床、数控镗铣床等。加工中心MC是带有刀库和自动换刀装置的数控机床。2 金属成形类数控机床金属成形类数控机床有数控折弯机、数控弯管机和数控压力机等。3 数控特种加工机床数控特种加工机床有数控电火花线切割机床、数控电火花加工机床、数控激光加工机床等。4 其它类型数控机床如数控火焰切割机、数控三坐标测量机。三按加工路线分类1 点位控制数控机床点位控制数控机床的特点是机床移动部件只能实现由一个位置到另一个位置的精确定位，在移动和定位过程中不进行任何加工。机床数控系统只控制行程终点的坐标值，不控制点与点之间的运动轨迹，因此几个坐标轴之间的运动无任何联系。可以几个坐标同时向目标点运动，也可以各个坐标单独依次运动。这类数控机床主要有数控坐标镗床、数控钻床、数控冲床、数控点焊机等。点位控制数控机床的数控装置称为点位数控装置。2 直线控制数控机床直线控制数控机床也称为平行控制数控机床，其特点是除了控制点与点之间的准确定位外，还要控制两相关点之间的移动速度和路线（轨迹），但其运动路线只是与机床坐标轴平行移动，也就是说同时控制的坐标轴只有一个（即数控系统内不必有插补运算功能），在移位的过程中刀具能以指定的进给速度进行切削，一般只能加工矩形、台阶形零件。其有直线控制功能的机床主要有比较简单的数控车床、数控铣床、数控磨床等。这种机床的数控系统也称为直线控制数控系统。同样，单纯用于直线控制的数控机床也不多见。3 轮廓控制数控机床轮廓控制数控机床能够对两个或两个以上运动的位移及速度进行连续相关的控制，使合成的平面或空间的运动轨迹能满足零件轮廓的要求。它不仅能控制机床移动部件的起点与终点坐标，而且能控制整个加工轮廓每一点的速度和位移，将工件加工成要求的轮廓形状。常用的数控车床、数控铣床、数控磨床就是典型的轮廓控制数控机床。数控火焰切割机、电火花加工机床以及数控绘图机等也采用了轮廓控制系统。轮廓控制系统的结构要比点位、直线控制系统更为复杂，在加工过程中需要不断进行插补运算，然后进行相应的速度与位移控制。 四 按可控制联动的坐标轴分类二轴联动：数控机床能同时控制两个坐标轴联动，即数控装置同时控制X和Z方向运动，主要用于数控车床加工旋转曲面或数控铣床加工曲线柱面。二轴半联动：主要用于三轴以上机床的控制，其中两根轴可以联动，而另外一根轴可以作周期性进给。图 1-1 采用这种方式加工三维空间曲面。 图1-1 两轴半联动加工曲面 图1-2 三坐标轴联动加工曲面三轴联动一般分为两类，一类就是 X 、 y 、 Z 三个直线坐标轴联动，比较多的用于数控铣床、加工中心等，如图1-2 所示用球头铣刀铣切三维空间曲面另一类是除了同时控制 X 、 Y 、 Z 中两个直线坐标外，还同时控制围绕其中某一直线坐标轴旋转的旋转坐标轴。如车削加工中心，它除了纵向（Z轴）、横向（X轴）两个直线坐标轴联动外，还需同时控制围绕 Z 轴旋转的主轴（C轴）联动。四轴联动：同时控制 X 、 Y 、 Z 三个直线坐标轴与某一旋转坐标轴联动，图1-3 同时控制 x 、 Y 、 Z 三个直线坐标轴与一个工作台回转轴联动的数控机床。五轴联动：除同时控制 X 、 Y 、 Z 三个直线坐标轴联动外还同时控制围绕这这些直线坐标轴旋转的 A 、 B 、 C 坐标轴中的两个坐标轴，形成同时控制五个轴联动，这时刀具可以被定在空间的任意方向如图1-4 比如控制刀具同时绕 x 轴和 Y 轴两个方向摆动，使得刀具在其切削点上始终保持与被加工的轮廓曲面成法线方向，以保证被加工曲面的光滑性，提高其加工精度和加工效率，减小被加工表面的粗糙度 图1-3 四轴联动加工曲面 图1-4 五轴联动加工曲面 四 按控制方式分类1 开环控制系统这类机床的进给伺服驱动是开环的，即没有检测反馈装置，一般它的驱动电动机为步进电机，步进电机的主要特征是控制电路每变换一次指令脉冲信号，电动机就转动一个步距角，并且电动机本身就有自锁能力其控制系统如图1-5所示数控系统输出的进给指令信号通过脉冲分配器来控制驱动电路，它以变换脉冲的个数来控制坐标位移量，以变换脉冲的频率来控制位移速度，以变换脉冲的分配顺序来控制位移的方向。这种控制方式的最大特点是控制方便、结构简单、价格便宜数控系统发出的指令信号流是单向的，所以不存在控制系统的稳定性问题，但由于机械传动的误差不经过反馈校正，故位移精度不高。早期的数控机床均采用这种控制方式，只是故障率比较高，目前由于驱动电路的改进，使其仍得到了较多的应用。尤其是在我国，一般经济型数控系统和旧设备的数控改造多采用这种控制方式。另外，这种控制方式可以配置单片机作为数控装置，使得整个系统的价格降低。图1-5 开环控制系统2 闭环控制系统闭环控制系统利用安装在工作台上的检测元件将工作台实际位移量反馈到计算机中，与所要求的位置指令进行比较，用比较的差值进行控制，直到差值消除为止。闭环控制系统能消除机械传动部件的各种误差和工件加工过程中产生的干扰的影响，使加工精度大大提高。速度检测元件的作用是将伺服电动机的实际转速变换成电信号送到速度控制电路中，进行反馈校正，保证电动机转速保持恒定不变，常用速度检测元件是测速电动机。 闭环控制的特点是加工精度高，移动速度快。这类数控机床采用直流伺服电动机或交流伺服电动机作为驱动元件，电动机的控制电路比较复杂，检测元件价格昂贵。因而调试和维修比较复杂，成本高。3 半闭环控制系统 半闭环控制系统如图1-6 所示。半闭环控制数控机床不是直接检测工作台的位移量，而是采用转角位移检测元件，测出伺服电动机或丝杠的转角，推算出工作台的实际位移量，反馈到计算机中进行位置比较，用比较的差值进行控制。由于反馈环内没有包含工作台，故称半闭环控制。 半闭环控制精度较闭环控制差，但稳定性好，成本较低，调试维修也较容易，兼顾了开环控制和闭环控制两者的特点，因此应用比较普通。 图1-6 半闭环控制系统五 按数控装置分类硬线数控又称普通数控(即NC）， 这类数控系统的输入、插补运算、控制等功能均由集成电路或分立元件等器件实现。一般来说，数控机床不同，其控制电路也不同，因系统的通用性较差，全部由硬件组成，所以功能和灵活性也较差。这类系统在 70 年代以前应用得比较广泛。软线数控又称计算机数控或微机数控（即CNC或MNC）， 这类系统利用中、大规模及超大规模集成电路组成 CNC 装置，或用微机与专用集成芯片组成，其主要的数控功能几乎全由软件来实现， 对于不同的数控机床，只须编制不同的软件就可以实现，而硬件几乎可以通用。因而灵活性和适应性强，也便于批量生产。 数控车床机械结构特点为了达到数控机床高的运动精度、定位精度和高的自动化性能，其机械结构的特点主要表现在如下几个方面。1 高刚度 数控机床要在高速和重负荷条件下工作，因此，机床的床身、立柱、主轴、工作台、刀架等主要部件，均需具有很高的刚度，以减少工作中的变形和振动。例如，有的床身采用双结构，并配置有斜向肋板及加强肋，使其具有较高的抗弯刚度和抗扭刚度。为提高主轴部件的刚度，除主轴部件在结构上采取必要的措施以外，加工中心还要采用高刚度的轴承，并适当预紧，增加刀架底座尺寸，减少刀具的悬伸，以适应稳定的重切削等。2 高灵敏度 数控机床的运动部件应具有较高的灵敏度。导轨部件通常用滚动导轨、塑料导轨、静压导轨等，以减少摩擦力，使其在低速运动时无爬行现象。工作台、刀架等部件的移动，由交流或直流伺服电动机驱动，经滚珠丝杠传动，减少了进给系统所需要的驱动扭矩，提高了定位精度和运动平稳性。3 高抗振性数控机床的一些运动部件，除应具有高刚度、高灵敏度外，还应具有高抗振性，即在高速重切削情况下减少振动，以保证加工零件的高精度和高的表面质量。特别要注意的是避免切削时的谐振，因此对数控机床的动态特性提出了更高的要求。4 热变形小 机床的主轴、工作台、刀架等运动部件在运动中会产生热量，从而产生相应的热变形。而工艺过程的自动化和精密加工的发展，对机床的加工精度和精度稳定性提出了越来越高的要求。为保证部件的运动精度，要求各运动部件的发热量要少，以防产生过大的热变形。为此，机床结构根据热对称的原则设计，并改善主轴轴承、丝杠螺母副、高速运动导轨副的摩擦特性。如MJ50CNC数控车床主轴箱壳体按照热对称原则设计，并在壳体外缘上铸有密集的散热片结构，主轴轴承采用高性能油脂润滑，并严格控制注入量，使主轴温升很低。对于产生大量切屑的数控机床，一般都带有良好的自动排屑装置等。 5 高精度保持性 为了加快数控机床投资的回收，必须使机床保持很高的开动比(比普通机床高23倍)，因此必须提高机床的寿命和精度保持性，在保证尽可能地减少电气和机械故障的同时，要求数控机床在长期使用过程中不丧失精度。 6 高可靠性 数控机床在自动或半自动条件下工作，尤其在柔性制造系统(FMS)中的数控机床，可在24小时运转中实现无人管理，这就要求机床具有高的可靠性。为此，要提高数控装置及机床结构的可靠性，例如，在工作过程中动作频繁的换刀机构、托盘、工件交换装置等部件，必须保证在长期工作中十分可靠。7 模块化数控机床通常由床身、立柱、主轴箱、工作台、刀架系统及电气总成等部件组成。如果把各种部件的基本单元作为基础，按不同功能、规格和价格设计成多种模块，用户可以按需要选择最合理的功能模块配置成整机。这不仅能降低数控机床的设计和制造成本，而且能缩短设计和制造周期。目前，模块化的概念已开始从功能模块向全模块化方向发展，它已不局限于功能的模块化，而是扩展到零件和原材料的模块化。8 机电一体化 数控机床的机电一体化是对总体设计和结构设计提出的一个重要要求。它是指数控机床功能的实现以及总体布局两方面，要综合考虑机械和电气两方面的有机结合。新型数控机床的各系统已不再是各自不相关联的独立系统，最具典型的例子之一是数控机床的主轴系统已不再是单纯的齿轮和带传动的机械传动，而更多的是由交流伺服电动机为基础的电主轴。电气总成也已不再是单纯游离于机床之外的独立部件，而是在布局上和机床结构有机地融为一体。 典型数控系统1 FANUC公司是生产数控系统和工业机器人的著名厂家，该公司自60年代生产数控系统以来，已经开发出40多种的系列产品。FANUC公司目前生产的数控装置有F0、F10/F11/F12、F15、F16、F18系列。F00/F100/F110/F120/F150系列是在F0/F10/F12/F15的基础上加了MMC功能，即CNC、PMC、MMC三位一体的CNC。FANUC公司数控系统的产品特点（1） 结构上长期采用大板结构，但在新的产品中已采用模块化结构。 （2） 采用专用LSI，以提高集成度、可靠性，减小体积和降低成本。 （3） 产品应用范围广，每一CNC装置上可以配置多种控制软件，适用于多种机床。 （4） 不断采用新工艺、新技术，如表面安装技术SMT、多层印制电路板、光导纤维电缆等。 （5） CNC装置体积减小，采用面板装配式、内装式PMC（可编程机床控制器）。 （6） 在插补、加减速成、补偿、自动编程、图形显示、通信、控制和诊断方面不断增加新的功能：插补功能：除直线、圆弧、螺旋线插补外，还有假想轴插补、极坐标插补、圆锥面插补、指数函数插补、样条插补等。切削进给的自动加减速功能：除插补后直线加减速，还插补前加减速。补偿功能：除螺距误差补偿、丝杠反向间隙补偿之外，还有坡度补偿、线性度补偿以及各新的刀具补偿功能。 故障诊断功能：采用人工智能，系统具有推理软件，以知识库为根据查找故障原因。 （7） CNC装置面向用户开放的功能，以用户特订宏程序、MMC等功能来实现。 FANUC 系统早期有3系列系统及6系列系统，现有0系列、10/11/12系列、15、16、18、21系列等，而应用最广的是FANUC0系列系统。FANUC系统的0系列型号划分及适用范围0D系列： 0TD 用于车床0MD 用于铣床及小型加工中心0GCD 用于圆柱磨床0GSD 用于平面磨床0PD 用于冲床0C系统：0TC 用于普通车床、自动车床0MC 用于铣床、钻床、加工中心0GCC 用于内、外磨床0GSC 用于平面磨床0TTC 用于双刀架、4轴车床POWER MATE 0：用于2轴小型车床0i系列：0iMA 用于加工中心、铣床0iTA 用于车床，可控制4轴16i 用于最大8轴，6轴联动18i 用于最大6轴，4轴联动160/18MC 用于加工中心、铣床、平面磨床160/18TC 用于车床、磨床160/18DMC 用于加工中心、铣床、平面磨床的开放式CNC系统160/180TC 用于车床、圆柱磨床的开放式CNC系统FANUC 0i标准操作面板 机床操作面板位于窗口的右下侧，如图1-7，图1-8所示。 图1-7 FANUC 0iM(铣床)操作面板 图1-8 FANUC 0iT(车床)操作面板 二.西门子（SIEMENS）公司的数控装置采用模块化结构设计，经济性好，SIEMENS公司CNC装置主要有SINUMERIK38810820850880805802840系列。在一种标准硬件上，配置多种软件，使它具有多种工艺类型，满足各种机床的需要，并成为系列产品。西门子（SIEMENS）随着微电子技术的发展，越来越多地采用大规模集成电路(LSI)，表面安装器件(SMC)及应用先进加工工艺，所以新的系统结构更为紧凑，性能更强，价格更低。SIMATICS系列采用可编程控制器或集成式可编程控制器，利用SYEP编程语言，具有丰富的人机对话功能，具有多种语言的显示 系统简介： SIEMENS810/820系统 SIEMENS 810/820是西门子公司20世纪80年代中期开发的CNC、PLC一体型控制系统，它适合于普通车、铣、磨床的控制，系统结构简单、体积小、可靠性高，在80年代末、90年代初的数控机床上使用较广。810与820的区别仅在于显示器，810为9in单色显示，系统电源为直流24V；820为12in单色或彩色显示，系统电源为交流220V，其余硬件、软件部分完全一致。 810/820最大可控制6轴(其中允许有2个作为主轴控制)，3轴联动。系统由电源、显示器、CPU板、存储器(MEM/EPROM/RAM)板、I/O板、接口板、显示控制板、位控板、机箱等硬件组成。硬件采用了较多的大规模集成电路和专用集成电路，系统的模块少、整体结构简单，通常无需进行硬件调整和设定。 系统软件上，增加了蓝图编程、固定循环、极坐标编程、CL800语言编程等功能，为加工程序的编制提供了方便。 PLC采用STEP5语言编程，指令丰富，通过OB、PB、SB、FB等功能块为结构化编程提供了良好的环境。 810/820系统还具有“通道”控制功能，可以两个通道同时工作，为机床设计人员提供了便利。SIEMENS 802系列系统 SIEMENS 802系列系统包括802S/Se/Sbase line、802C/Ce/Cbase line、802D等型号，它是西门子公司20世纪90年代末开发的集CNC、PLC于一体的经济型控制系统。系统性能价格比较高，比较适合于经济型、普及型车、铣、磨床的控制，近年来在国产经济型、普及型数控机床上有较大量的使用。SIEMENS 802系列数控系统的共同特点是结构简单、体积小、可靠性高；此外系统软件功能也较强。 SIEMENS 802S、802C系列是SIEMENS公司专为简易数控机床开发的经济型系统，两种系统的区别是：802S/Se/Sbase line系列采用步进电动机驱动；802C/Ce/Cbase line系列采用数字式交流伺服驱动系统。 SIEMENS 802S、802C系列系统的CNC结构完全相同，可以进行3轴控制/3轴联动；系统带有10V的主轴模拟量输出接口，可以配具有模拟量输入功能的主轴驱动系统(如：变频器)。 SIEMENS 802S、802C系列系统可以配OP020独立操作面板与MCP机床操作面板，显示器为7in或5.7in单色液晶显示。集成内置式PLC最大可以控制64点输入与64点输出，PLC的I/O模块与ECU间通过总线连接；系统体积小，结构紧凑，性能价格比高。 SIEMENS 810D/840D系统 SIEMENS 810D/840D的系统结构相似，但在性能上有较大的差别。810D采用SIEMENS CCU(Compact Control Unit)模块，最大控制轴数为6轴，1通道工作；840D采用SIEMENS NCU(Numerical Control Unit)模块，处理器为PENTIUM(NCU573)或AMDK6-2(NCU572)或486(NCU571)系列，当采用NCU572或573时，CNC的存储器容量为1GB，最大控制轴数可达31轴，10通道同时工作：采用NCU571时，控制轴数为6轴，2通道同时工作。 810D/840D可以在WINDOWS环境下运行，系统功能强大，开放性好，软件十分丰富。 系统除具有数字化仿形功能、NURBS插补、样条插补、多项式插补、3D刀补等先进的功能外，还可以配套ShopMill(铣床、加工中心)或ShopTum、AUTOTURN(数控车床)图形对话式操作、编程软件，直接使用人机对话式编程。系统可以进行2D动态模拟显示与3D立体图形模拟显示。此外，通过配套EASYMASK软件，还可以通过ASCII编辑器进行用户屏幕设计，开放性更强。系统的PLC编程可以采用S7-HiGraph点阵图形辅助编程工具，进行PLC程序设计。810D/840D硬件的特点是模块少，结构简单，硬件的故障率较低。 除以上典型系统外，SIEMENS公司还有早期生产的SIEMENS 6系统(与FANUC公司 合作生产)、SIEMENS 3系统(20世纪80年代欧洲的典型系统)、SIEMENS 8系统、SIEMENS 850/880系统、SIEMENS 840C等。以上系统多见于进口机床，其中SIEMENS 850/880系 统功能较强，SIEMENS 840C的功能与SIEMENS 840D相同。1-9 SINUMERIK 802Se T （车床）1-10 SINUMERIK 802Se M （铣床）三. 广数系统简介图1-11 GSK980T车床数控系统 GSK980T车床数控系统（CNC），于1998年推出的普及型数控系统。作为经济型数控系统的升级换代产品，GSK980T具有以下技术特点：(1) .采用高级处理器（CPU）和可编程门阵列（PLD）进行硬件插补，实现高速m级控制 (2) .采用四层线路板，集成度高，整机工艺结构合理，可靠性高 (3) 液晶（LCD）中文显示、界面友好、操作方便 (4) 加减速可调，可配套步进驱动器或伺服驱动器 (5) 可变电子齿轮比，应用方便图1-12 GSK928TC车床数控系统 GSK928TC为经济型m级车床数控系统，采用大规模门阵列（CPLD）进行硬件插补，真正实现了高速m级控制。 使用图形液晶显示器（LCD），中文菜单及刀具轨迹图形显示，界面友好。加减速时间可调，可适配反应式步进系统、混合式步进系统或交流伺服系统构成不同档次的车床数控系统。图1-13 GSK980i车床数控系统 GSK980i车床数控系统（CNC）为新近推出的中高档数控系统，该系统率先采用以DSP运动控制芯片为核心、以嵌入式结构PC为平台（PC-BASED）的新一代数控系统。该系统采用DSP和主CPU并行处理机制，具有较高的动态跟踪精度和良好的加工性能，可作为经济型数控的升级换代产品。GSK980i系统具有以下特点：(1) 四个独立的伺服电机连接口可实现两轴联动和四轴的全闭环控制 (2) 独立主轴通道可连接模拟量主轴（0-10V）或伺服主轴 (3) 具有一个可带512点的串行1/0接口 (4) 完全的速度环控制系统，高速、高精度、高效率 (5) 中、英文界面可选 (6) 图形、坐标、代码实时跟踪 (7) 全功能代码编辑器，编辑大小不受限制 (8) 直观的MDI输入控制 (9) 方便直接的系统参数配置 (10) PLC梯形图输入（选配） (11) 在线代码帮助体系故障诊断 数控装置伺服驱动装置数控机床伺服驱动系统是指以机床移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统，又称拖动系统。在数控机床上，伺服驱动系统接收来自插补装置或插补软件生成的进给脉冲指令，经过一定的信号变换及电压、功率放大，将其转化为机床工作台相对于切削刀具的运动。目前，这主要通过对交、直流伺服电机或步进电机等进给驱动元件的控制来实现。数控机床的伺服驱动系统作为一种实现切削刀具与工件间运动的进给驱动和执行机构，是数控机床的一个重要组成部分，它在很大程度上决定了数控机床的性能，如数控机床的最高移动速度、跟踪精度、定位精度等一系列重要指标取决于伺服驱动系统性能的优劣。因此，随着数控机床的发展，研究和开发高性能的伺服驱动系统，一直是现代数控机床研究的关键技术之一。一、伺服驱动系统的性能对数控机床伺服驱动系统的主要性能要求有下列几点：(1) 进给速度范围要大。不仅要满足低速切削进给的要求，如 ，还要能满足高速进给的要求，如 。(2) 位移精度要高。伺服系统的位移精度是指指令脉冲要求机床工作台进给的位移量和该指令脉冲经伺服系统转化为工作台实际位移量之间的符合程度。两者误差愈小，伺服系统的位移精度愈高。目前，高精度的数控机床伺服系统位移精度可达到在全程范围内 。通常，插补器或计算机的插补软件每发出一个进给脉冲指令，伺服系统将其转化为一个相应的机床工作台位移量，我们称此位移量为机床的脉冲当量。一般机床的脉冲当量为 脉冲，高精度的CNC机床其脉冲当量可达0.001 mm脉冲。脉冲当量越小，机床的位移精度越高。(3) 跟随误差要小。即伺服系统的速度响应要快。(4) 伺服系统的工作稳定性要好。要具有较强的抗干扰能力，保证进给速度均匀、平稳，从而使得能够加工出精度较高的零件。二、 数控机床伺服驱动系统的基本组成数控机床伺服驱动系统的基本组成如图1-14所示。数控机床的伺服驱动系统按有无反馈检测单元分为开环和闭环两种类型，这两种类型的伺服驱动系统的基本组成不完全相同。但不管是哪种类型，执行元件及其驱动控制单元都必不可少。驱动控制单元的作用是将进给指令转化为驱动执行元件所需要的信号形式，执行元件则将该信号转化为相应的机械位移。图1-14 数控机床伺服驱动系统的基本组成开环伺服驱动系统由驱动控制单元、执行元件和机床组成。通常，执行元件选用步进电机。执行元件对系统的特性具有重要影响。闭环伺服驱动系统由执行元件、驱动控制单元、机床，以及反馈检测单元、比较控制环节组成。反馈检测单元将工作台的实际位置检测后反馈给比较控制环节，比较控制环节将指令信号和反馈信号进行比较，以两者的差值作为伺服系统的跟随误差经驱动控制单元，驱动控制单元带动工作台运动。在CNC系统中，由于计算机的引入，比较控制环节的功能由软件完成，从而导致系统结构的一些改变，但基本上还是由执行元件、反馈检测单元、比较控制环节、驱动控制单元和机床组成。三、 数控机床伺服驱动系统的分类数控机床的伺服驱动系统按其用途和功能分为进给驱动系统和主轴驱动系统；按其控制原理和有无位置检测反馈环节分为开环系统和闭环系统；按驱动执行元件的动作原理分为电液伺服驱动系统和电气伺服驱动系统。电气伺服驱动系统又分为直流伺服驱动系统和交流伺服驱动系统。1.进给驱动与主轴驱动进给驱动是用于数控机床工作台或刀架坐标的控制系统，控制机床各坐标轴的切削进给运动，并提供切削过程所需的转矩。主轴驱动控制机床主轴的旋转运动，为机床主轴提供驱动功率和所需的切削力。一般地，对于进给驱动系统，主要关心它的转矩大小、调节范围的大小和调节精度的高低，以及动态响应速度的快慢。对于主轴驱动系统，主要关心其是否具有足够的功率、恒功率调节范围及速度调节范围。2.开环控制和闭环控制数控机床伺服驱动系统按有无位置反馈分两种基本的控制结构，即开环控制和闭环控制，由此形成位置开环控制系统和位置闭环控制系统。闭环控制系统又可根据位置检测装置在机床上安装的位置不同，进一步分为半闭环伺服驱动控制系统和全闭环伺服驱动控制系统。若位置检测装置安装在机床的工作台上，构成的伺服驱动控制系统为全闭环控制系统；若位置检测装置安装在机床丝杠上，构成的伺服驱动控制系统则为半闭环控制系统。现代数控机床的伺服驱动多采用闭环控制系统。开环控制系统常用于经济型数控或老设备的改造。3.直流伺服驱动与交流伺服驱动70年代和80年代初，数控机床多采用直流伺服驱动。直流大惯量伺服电机具有良好的宽调速性能，输出转矩大，过载能力强，而且，由于电机惯性与机床传动部件的惯量相当，构成闭环后易于调整。而直流中小惯量伺服电机及其大功率晶体管脉宽调制驱动装置，比较适应数控机床对频繁启动、制动，以及快速定位、切削的要求。但直流电机一个最大的特点是具有电刷和机械换向器，这限制了它向大容量、高电压、高速度方向的发展，使其应用受到限制。进入80年代，在电机控制领域交流电机调速技术取得了突破性进展，交流伺服驱动系统大举进入电气传动调速控制的各个领域。交流伺服驱动系统的最大优点是交流电机容易维修，制造简单，易于向大容量、高速度方向发展，适合于在较恶劣的环境中使用。同时，从减少伺服驱动系统外形尺寸和提高可靠性角度来看，采用交流电机比直流电机将更合理 数车工艺制定 数控车削加工工艺特点4.1.1 数控车床的加工特点由于数控车床自身的特点，使其在生产加工过程中有着与普通车床不同的加工特点，具体表现在以下几个方面：1适应性强，适于多品种小批量零件的加工在传统的自动或半自动车床上加工一个新零件，一般需要通过调整机床或机床附件，以使机床适应被加工零件的要求。而使用数控车床加工不同形状的零件时，只要重新编制或修改加工程序（软件），就可以迅速达到加工新零件的要求，省去了调整机床的时间，从而大大缩短技术准备时间。因此适用于多品种、单件或小批量加工。 2加工精度高，加工质量稳定数控车床的加工过程是通过预先输入的加工程序进行控制的，这就避免人为误差或失 由于数控车床自身的特点，使其在生产加工过程中有着与普通车床不同的加工特点，具体表现在以下几个方面：1适应性强，适于多品种小批量零件的加工在传统的自动或半自动车床上加工一个新零件，一般需要通过调整机床或机床附件，以使机床适应被加工零件的要求。而使用数控车床加工不同形状的零件时，只要重新编制或修改加工程序（软件），就可以迅速达到加工新零件的要求，省去了调整机床的时间，从而大大缩短技术准备时间。因此适用于多品种、单件或小批量加工。 2加工精度高，加工质量稳定数控车床的加工过程是通过预先输入的加工程序进行控制的，这就避免人为误差或失 误。另外，由于数控车床本身的重复定位精度高，在加工同一批零件时，能保证加工工件的一致性，并有稳定的质量。3具有较高的生产效率和较低的加工成本机床生产效率主要是指加工一个零件所需要的时间，其中包括机动时间和辅助时间。数控车床的主轴转速和进给速度变化范围很大，并可实现无级调速，加工时可选用最佳的切削用量，从而有效缩短机动时间。数控车床的自动换刀、快速空行程、循环加工功能及装夹简单等原因，可大大缩短辅助时间。数控车床的生产效率一般为普通车床的26倍。应用数控车床，可降低加工成本，同时减少普通车床的类型和台数，有效节省设备投资，有利于工厂更好地发展再生产。4改善劳动条件，减轻操作者的劳动强度数控车床不需人工手动操作，使操作过程简化，生产环境比较舒畅整洁，既改善了劳动条件，又减轻了操作者的劳动强度。 数控车削加工主要内容一、数控车削加工工艺的内容 数控车削加工工艺是采用数控车床加工零件时所运用的方法和技术手段的总和。其主要内容包括以下几个方面： （一）选择并确定零件的数控车削加工内容；（二）对零件图纸进行数控车削加工工艺分析；（三）工具、夹具的选择和调整设计；（四）工序、工步的设计；（五）加工轨迹的计算和优化；（六）数控车削加工程序的编写、校验与修改；（七）首件试加工与现场问题的处理；（八）编制数控加工工艺技术文件；总之，数控加工工艺内容较多，有些与普通机床加工相似。 二、数控车削加工工艺分析 工艺分析是数控车削加工的前期工艺准备工作。工艺制定得合理与否，对程序的编制、机床的加工效率和零件的加工精度都有重要影响。为了编制出一个合理的、实用的加工程序，要求编程者不仅要了解数控车床的工作原理、性能特点及结构。掌握编程语言及编程格式，还应熟练掌握工件加工工艺，确定合理的切削用量、正确地选用刀具和工件装夹方法。因此，应遵循一般的工艺原则并结合数控车床的特点，认真而详细地进行数控车削加工工艺分析。其主要内容有：根据图纸分析零件的加工要求及其合理性；确定工件在数控车床上的装夹方式；各表面的加工顺序、刀具的进给路线以及刀具、夹具和切削用量的选择等。 （一）零件图分析 零件图分析是制定数控车削工艺的首要任务。主要进行尺寸标注方法分析、轮廓几何要素分析以及精度和技术要求分析。此外还应分析零件结构和加工要求的合理性，选择工艺基准。 1尺寸标注方法分析 零件图上的尺寸标注方法应适应数控车床的加工特点，以同一基准标注尺寸或直接给出坐标尺寸。这种标注方法既便于编程，又有利于设计基准、工艺基准、测量基准和编程原点的统一。如果零件图上各方向的尺寸没有统一的设计基准，可考虑在不影响零件精度的前提下选择统一的工艺基准。计算转化各尺寸，以简化编程计算。 2轮廓几何要素分析 在手工编程时，要计算每个节点坐标。在自动编程时要对零件轮廓的所有几何元素进行定义。因此在零件图分析时，要分析几何元素的给定条件是否充分。 3精度和技术要求分析 对被加工零件的精度和技术进行分析，是零件工艺性分析的重要内容，只有在分析零件尺寸精度和表面粗糙度的基础上，才能正确合理地选择加工方法、装夹方式、刀具及切削用量等。其主要内容包括：分析精度及各项技术要求是否齐全、是否合理；分析本工序的数控车削加工精度能否达到图纸要求，若达不到，允许采取其他加工方式弥补时，应给后续工序留有余量；对图纸上有位置精度要求的表面，应保证在一次装夹下完成；对表面粗糙度要求较高的表面，应采用恒线速度切削（注意：在车削端面时，应限制主轴最高转速)。 （二）夹具和刀具的选择 1工件的装夹与定位 数控车削加工中尽可能做到一次装夹后能加工出全部或大部分代加工表面，尽量减少装夹次数，以提高加工效率、保证加工精度。对于轴类零件，通常以零件自身的外圆柱面作定位基准；对于套类零件，则以内孔为定位基准。数控车床夹具除了使用通用的三爪自动定心卡盘、四爪卡盘、液压、电动及气动夹具外，还有多种通用性较好的专用夹具。实际操作时应合理选择。 2刀具选择 刀具的使用寿命除与刀具材料相关外，还与刀具的直径有很大的关系。刀具直径越大，能承受的切削用量也越大。所以在零件形状允许的情况下，采用尽可能大的刀具直径是延长刀具寿命，提高生产率的有效措施。数控车削常用的刀具一般分为3类。即尖形车刀、圆弧形车刀和成型车刀。 数控车削加工工艺制定方法数控车削加工工艺文件的制定数控车削常用刀具结构，种类，特点 数控加工刀具可分为常规刀具和模块化刀具两大类。模块化刀具是发展方向。发展模块化刀具的主要优点：减少换刀停机时间，提高生产加工时间；加快换刀及安装时间，提高小批量生产的经济性；提高刀具的标准化和合理化的程度；提高刀具的管理及柔性加工的水平；扩大刀具的利用率，充分发挥刀具的性能；有效地消除刀具测量工作的中断现象，可采用线外预调。事实上，由于模块刀具的发展，数控刀具已形成了三大系统，即车削刀具系统、钻削刀具系统和镗铣刀具系统。 一、数控刀具的分类 1、从结构上可分为 （1）整体式 （2）镶嵌式可分为焊接式和机夹式。机夹式根据刀体结构不同，分为可转位和不转位； （3）减振式当刀具的工作臂长与直径之比较大时，为了减少刀具的振动，提高加工精度，多采用此类刀具； （4）内冷式切削液通过刀体内部由喷孔喷射到刀具的切削刃部； （5）特殊型式如复合刀具、可逆攻螺纹刀具等。 2、从制造所采用的材料上可分为 （1）高速钢刀具高速钢通常是型坯材料，韧性较硬质合金好，硬度、耐磨性和红硬性较硬质合金差，不适于切削硬度较高的材料，也不适于进行高速切削。高速钢刀具使用前需生产者自行刃磨，且刃磨方便，适于各种特殊需要的非标准刀具。 （2）硬质合金刀具硬质合金刀片切削性能优异，在数控车削中被广泛使用。硬质合金刀片有标准规格系列产品，具体技术参数和切削性能由刀具生产厂家提供。 硬质合金刀片按国际标准分为三大类：P类，M类，K类。 P类-适于加工钢、长屑可锻铸铁（相当于我国的YT类） M类-适于加工奥氏体不锈钢、铸铁、高锰钢、合金铸铁等（相当于我国的YW类） M-S类-适于加工耐热合金和钛合金 K类-适于加工铸铁、冷硬铸铁、短屑可锻铸铁、非钛合金（相当于我国的YG类） K-N类-适于加工铝、非铁合金 K-H类-适于加工淬硬材料 （3）陶瓷刀具 （4）立方氮化硼刀具 （5）金刚石刀具 3、从切削工艺上可分为 （1）车削刀具分外圆、内孔、外螺纹、内螺纹，切槽、切端面、切端面环槽、切断等。 数控车床一般使用标准的机夹可转位刀具。机夹可转位刀具的刀片和刀体都有标准，刀片材料采用硬质合金、涂层硬质合金以及高速钢。 数控车床机夹可转位刀具类型有外圆刀具、外螺纹刀具、内圆刀具、内螺纹刀具、切断刀具、孔加工刀具（包括中心孔钻头、镗刀、丝锥等）。 机夹可转位刀具夹固不重磨刀片时通常采用螺钉、螺钉压板、杠销或楔块等结构。 常规车削刀具为长条形方刀体或圆柱刀杆。 方形刀体一般用槽形刀架螺钉紧固方式固定。圆柱刀杆是用套筒螺钉紧固方式固定。它们与机床刀盘之间的联接是通过槽形刀架和套筒接杆来联接的。在模块化车削工具系统中，刀盘的联接以齿条式柄体联接为多，而刀头与刀体的联接是插入快换式系统。它既可以用于外圆车削又可用于内孔镗削，也适用于车削中心的自动换刀系统。 数控车床使用的刀具从切削方式上分为三类：圆表面切削刀具、端面切削刀具和中心孔类刀具