数控机床基本概述

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(ParsonsC。.)受美国空军委托与麻省理工学院伺服机构研究h(ServoMechanismusLaboratoryoftheMassachusettsInstituteofTechnology)合作进行数控机床的研制工作。1952年.第一台三坐标立式铳床试制成功，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(NumericalControl)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(ComputerizedNC).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(MicrocomputerizedNC)。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。苜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—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.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。.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”。数控装置由输入装置、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。数控装置I I图1-3数控装置组成图.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。OOP-O.Olmm,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.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、宜线滚动导轨等。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.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包括内容按运动轨迹分类点位控制数控机床、直线控制数控机床、轮廓控制（连续轨迹）控制数控机床按联动轴数分类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、多轴联动数控机床按工艺类型分类金属切削类数控机床、金属成型类数控机床、特种加工、其他类型数控机床按伺服类型分类开环、闭环和半闭环控制数控机床、混合环伺服系统数控机床按数控装置功能水平分类低档、中挡、高挡数控机床一、按运动轨迹分类1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1—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、数控坐标镣床、数控冲床、数控点焊机、数控折弯机和数控测量机等。.直线控制数控机床宜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、数控铳床和数控磨床等。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、数控铳床、数控磨床、数控齿轮加工机床和数控加工中心等。

图1-4点位数控机床加工示意图1一图1-4点位数控机床加工示意图1一沿宜角坐标方向分两步到达目的点2一沿起点与终点连线直接到达目的点图1-5直线数控机床加工示意图图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：.二轴联动数控机床如数控车床，加工曲面回转体；某些数控铳床.二轴联动铳斜面，如图l-7a所示。.三轴联动数控机床如数控铳床和数控加工中心，三轴联动加工曲面零件，如图1-76所示.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动。如某些数控钻铳床，如图l-7c所示4.多轴联动数控机床是指能四轴或四轴以上联动的数控机床。如多轴联动数控铳床和多轴联动数控加工中心等，如图l-7d所示。a) b)C) d)图1-7数控机床联动轴数a）二轴联动 b）三轴联动 c）二轴半联动 d）多轴联动三、按工艺类型分类1.金属切削类数控机床金属切削类数控机床发展最早，种类繁多，功能差异大。与传统的通用机床一样，这类数控机床主要包括数控车床、数控铳床、数控钻床、数控磨床、数捽链床、数控齿轮加工机床及数控加工中心等。数控加工中心也称为具有刀库或自动换刀装置的数控机床其特点是：在一次装夹后，可以进行多种工序的加工。数控加工中心目前主要有两大类一类是以数控铳床、数控铿床为基础发展起来的.叫做铳削中心；另一类是在数控车床丛础上发展起来的，叫做车削中心（见图1-8）。数控加工中心又称为多工序数控机床。在加工中心上，可使零件一次装夹后，进行多种工艺、多道工序的集中连续加工.这就大大减少了机床台数由于减少了装卸工件、更换和调整刀具的辅助时间.从而提高了机床效率.同时由于减少了多次安装造成的定位误差，从而提高了各加工表面间的位置精度；因此，近年来加工中心得以迅速发展

机械手主轴箱操纵面板立柱润滑油箱图1-8金属切削类数控机床的车削中心b）机械手主轴箱操纵面板立柱润滑油箱图1-8金属切削类数控机床的车削中心b）铳削中心2.金属成型类数控机床金属成型类数控机床主要包括数控弯管机、数控组合冲床、数控转头压力机等。这类机床起步晚，但发展较快。3.数控特种加工机床工作台.二清座BlJM数控特种加工机床主要包括数控线1电极）切割机床（见图1-9）,数控电火花加工机床（见图1-10）,数控火焰切割机、数控激光切割机等4.其他类型的数控机床其他类型的数控机床主要有数控三坐标测量机床等，如图1-11所示四、按伺服类型分类.开环伺服系统数控机床开环伺服系统数控机床构造简单，它没行位置测量装置和反馈装置，不能对移动工作电极丝导轮图1-9数控线切割机床伺服控制伺服装置图1-10数控电火花加工机床台实际移动距离进行位置测量并反馈回来与原指令值进石比较校正（见图1-12）。这类系统的数控机床一般采用步进电动机或电液脉冲马达，按指令脉冲驱动各轴进给其移动部件的速度与位移量由输入脉冲的频率和脉冲数决定，位移精度主要决定于该系统各有关零件的制造精度，如步进电动机的转动精度、减速装置和滚珠丝杠的精度等。

图1-11数控三坐标测量机床2闭环伺服系统数控机床闭环伺服系统数控机床有位置测量装置和反馈装置（见图1-13）。加工中将实际测量的结果反馈到数控装置中，与输入的指令进行比较及校正宜至差值为零，即实现移动部件的最终精确定位。其特点是加工精度高.但结构复杂，设计和调试较困难，主要用于一些精度较高的数控键铳床.超精度数控车床和数控加工中心等。图1-12开环伺服系统.半闭环伺服系统数控机床半闭环伺服系统数控机床不宜接测量机床工作台的位移量，而是通过检测丝杠转角间接地测量工作台的位移量，然后反馈给数控装置进行位移校正（见图1-14）其精度低于闭环系统，但测量装置结构简单，安装调试方便，常用于中档数控机床，如数控车床、数控铳床、数控磨床等。位置控制速度

控制测量

装置旋转

变压器位置控制速度

控制测量

装置旋转

变压器图1一14半闭环伺服系统数控机床.混合环何服系统数控机床将以上三类控制系统的特点有选择地集中起来，组成混合环控制系统.特别适用于大型数控机床，因为大型数控机床需要较高的进给速度和返回速度，又需耍相当高的精度，如果只采用全闭环控制，机床传动链和工作台全部置于控制环中，因素十分复杂，难以调试稳定。混合环伺服系统数控机床如图1-15所示，这实际是半闭环和闭环系统的混合形式，内环是速度环.控制进给速度，外环是位置环，主要对数控机床进给运动的坐标位置进行控制。现在采用这类方式控制的数控机床越来越多五、按傲控装皿功能水平分类按数控装置功能水平通常把数控机床分为低、中，高档三类这种分类方式在我国用得很多。低、中、高三档的界限是相对的不同时期，划分标准会有所不同就目前的发速度控制偿冲生补脉发器测=装置一位置传感器工作台/旋转

变压器伺服

电动机速度控制偿冲生补脉发器测=装置一位置传感器工作台/旋转

变压器伺服

电动机图1-15混合环伺服系统数控机床展水平看，可以按照一些功能及指标将各种类型的数控机床分为低、中、高档三类（见表1-2）补其中高、中档一般称为全功能数控或标准数控•在'’”世纪“。年代至"。年代初我r百经挤型数控的提法•当时所谓经济型数控是指由单板机、单片机和步进电动机组成r控系统以及功能简单、价格低的数控系统•随着数控技术的发展，经济型数控也在不r步•新一代的经济型数控介于低档与中档数控之间•为此，经济型数控已被称作普及型或简易型数控•其目的是根据实际机床的使用要求，合理简化系统，降低产品价格•

不同档次致控功能及指标表功能低档中档商档系统分辨率1010.1度培速度(m/min)8〜1515〜2424〜100伺服进绐类型开环及步进电动机系统半闭环及直、交流伺服闭环及直，交流伺服球动轴数(轴)2〜32〜45或5以上_通信功能无RS-232C或DNCRS-232C.DNC.MAP显示功能数码管显示CRT：图形、人机对话CRT：三维图形、自诊断内装PLC无有强功能内装PLCL 主CPU8位CPU16位、32位CPU32位、64位CPU第三节数控机床的特点及应用范围一、数控机床的特点数控机床不同于普通机床，也不同于专用机床和一般程序控制的自动和半自动机床。在数捽机床上加工零件的整个过程全由数字指令捽制。机床按数字指令信息进行加工段长度，进给方向、进给量、切削速度、主轴的开停、冷却液的通断、刀具更换等方面的控制。.数控机床与普通机床的区别(1)手动与自动。数控机床•般具有手动加工(用电手轮)、机动加工和控制程序自动加工功能，加工过程中一般不需要人工干预。普通机床只有手动加工和机动加工功能•加工过程全部由人工控制(2)数控机床一般具有CRT屏幕显示功能显示加工程序、多种工艺参数、加工时间、刀具运动轨迹以及工件图形等。数控机床般还具有自动报警显示功能，根据报警信号或报警提示，可以迅速查找机器故障。而普通机床不具备上述功能(3)数控机床主传动和进给传动采用直流或交流无级调速伺服电动机。一般没有主轴变速箱，传动链短。而普通机床主传动和进给传动一般采用三相交流异步电动机，由变速箱实现多级变速以满足工艺要求，机床传动链长。(4)数控机床一•般具有工件测量系统。加工过程中一般不需要进行工件尺寸的人工测量。而普通机床在加」二过程中必须由人工不断地进行测量以保证」二件的加工精度数控机床与普通机床最显著的区别是当对象(工件)改变时.，数控机床只需改变加工程序(应用软件)，不需要对机床作较大的调整，即能加工出各种不同的工件。2.数控机床有以下特点(1)加工精度高数控机床是高度综合的机电一体化产品。它由精密机械和自动化控制系统组成。所以数控机床的传动系统与机床结构都有较高的精度、刚度、热稳定性及动态敏感度。止匕外，目前数控机床的刀具或工作台最小移动量(脉冲当量)普遍达到了0.001mm,而且在设计传动结构时采用了减少误差的措施(如位置和速度反馈部件等)，并由数控装置进行补偿.因此.数控机床能达到很高的加工精度。当前中、小型数控机床，定位精度普遍可达0.03mm,重复定位精度可达0.01mm数捽机床加工零件的质量有保证数控机床的自动加工方式避免了人为操作误差的影响，同批零件的尺寸一致性强，产品合格率高，加工质量稳定(2)生产效率高。加工零件所需时间包括机动时间和辅助时间两部分。数控机床能有效地减少这两部分时间。因为数控机床具有良好刚性、机床功率大、主轴转速和进给速度范围大等优点.所以在加工时可采用强力切削和选用最合适的切削用量数控机床能自动连

续完成整个切削过程.这样就提高了数控机床的切削效率，减少了机动时间数控机床的移动部件在空行程时采用快速移动(一般在15m/min以上)。在数控机床上加工零件时，对工夹具的要求低且装夹时间短.对刀、换刀快，数控机床有较高的重复定位精度，更换被加工零件时几乎不需要重新调整机床，这样大大地缩短了生产准备周期一减少测量和检侧时间。在数控加工中心上加工时，一台机床能实现多道工序的连续加工，生产效率的提高更加明显。所以数控机床比普通机床的生产效率高得多，一般能提高2-3倍，甚至几十倍。(3)减轻劳动强度、改善劳动条件和劳动环境在数控机床上进行加工时，操作者要做的是：按图样要求制定加工工艺及编制加工程序、装卸零件、装夹刀具及对刀、键盘操作、观察监视机床运行过程、抽测零件质量。除此之外，不需要进行繁重的重复性手工操作。因此,能大大减轻操作者的劳动强度与紧张程度。数控机床一般都有安全罩一实现封闭式生产，这样既能减少安全事故的发生，又能改善劳动条件和劳动环境。(4)良好的经济效益。在数控机床上改变加工零件时，只要重新修订加工程序，不需制造、更换工具、夹具和模具更不需要更新机床一而且可以实现一机多用。这样可以缩短生产准备周期、降低生产设备投资费用、节省厂房面积、节约建厂投资。数控机床加工精度稳定，降低了废品率使生产成本进一步下降。因此，数控机床加工具有良好的经济效益(5)有利于生产管理的现代化数控机床使用数字信号与标准代码作为输人信号，适用于与计算机网络连接一•通过计算机远程控制.为计算机辅助设计、制造及管理一体化奠定了基础，实现生产管理的现代化。但是，利用数控机床生产加工.初期设备投资大.维修费用高.对管理及操作人员的专业技术素质要求较高。因此应合理地选择及使用数控机床.提高企业的经济效益和竞争力。二、数控机床的应用范围数控机床是一种高度臼动化的机床其独特的优点是一般机床不具备的，所以数控机床的应用范围较广。但数控机床的技术含量要求高、生产成本高、使用维修都有一宁难度若从性价比考虑，数控机床一般要考虑加工清况.零件批量在多品种小批量零件的生产中优先考虑使用数控机床.轮廓要求高结构较复杂、精度要求较高或必须用数r方法解决的复杂曲线、曲面轮廓的零件加工多以数控机床为主。3试制阶段在准品需耍频繁改型或试制阶段.数控机床可以随时适应产品的变化。4.关键零件价格昂贵.不允许报废的关键零件可以由数控机床来保证5周期短对于需要最小生产周期的急需零件，数控机床可以缩短加工时间6.多工序零件需进行多工序联台加工的零件，如需要进行钻、扩、较、攻丝及铳削等的箱体、壳体零件，多以数控加工中心来完成如图1-16所示为通用机床与数控机床、专用机床的零件加工批量与综合费用的关系如图1-17所示为数控机床适用范围示意图。

零件批量数图1-16零件加工批量与综合费用的关系图1-17数控机床适用范围示意图二、数控机床的常用术语近年来，随着技术发展，数控功能不断扩大。随着新技术的导人，数控技术出现了许多新的功能术语，见表1-3。这里选用的名词术语，主要参考国家标准及国际标准化组织(ISO)的提法。

名称英语名称注集机电一体化Mechatronics机械电子学,在机械的主功能.动力功能.信息处理功能和控制功能上引用电子技术•并将机械装置和电子设备,软件技术有机地结合起来•构成一个完整的系统代码Code数据处理机能接受的用符号形式表示的数据和程序命令脉冲Commandpulse数控装置给数控机床传递运动命令的脉/群・每1'脉冲与机床的单位位移量相对应指令Instruction规定操作及其运算数的数值或地址的语句命令Command使运动或功能开始操作的控制信号手动数据输入Manualdatainput用手工把加工程序的信息送入数控装置的-一种方法_格式Format信息的规定安排形式地址Address（用于数控时）位于字头的字符或字符组•用以识别其后的数据程序段Block作为一个单元处理的一组字、一组字符或一组数字，在控制带上各个程序段通常用“程序段结束”字符来分隔 轴Axis机床部件直线运动或旋转运动的方向续表名称英语名称注解零点偏移Zerooffser»referenceoffset这是数控系统的一种特性.容许把数控测量系统的原点在相对机床基准点的规定范围内移动，而永久原点的位置被存储在数控系统中反向间隙Backlash相互作用的零件之间由于松动和偏差所产生的偏移自动换刀装置AutomatictoolchangerATC具有存储刀具的刀库.能选出被指定的刀具并自动地与装在主轴上的刀具进行交换的装置刀具补偿Cuttercompensation 垂直于刀具轨迹的位移，用来修正刀具实际半径或直径与其程序规定的值之差分辨率Resolution两个相邻的分散细节之间可以分辨的最小间隔.就测量系统而言•它是可以测量的最小增骷.就控制系统而言,它是可以控制的最小位移增量精确度1Accuracy ।误差自由度的评价或符合理论程度的评价.误差越小.评价越高.在机床上•是用实际位置与要求位置之间的致程度来表示误差Error计算值，观察值或实测值与真值、给定值或理论值之差位置检测器Positiontransducer将位置或移动1:变换成便于传送的信号的传感器笫四节数控机床的发展一、机床结构的发展数控机床是白动化高效设备.粗、精加工在一台机床上进行为保证精加工的精度发挥数控机床的优点，在机械结构方面采取了一系列的改进口。1.提高机床的动、静刚度如在机床的大件中增加肋板.友大提高了扭转刚度。在机床的主轴上选用圆柱滚子轴承和角接触球轴承，可提高主轴刚度。在大型机床上采用液力平衡和重块平衡来减少构

件的变形。增大刀架底座的尺寸可提高刀架刚度。机床结构采用钢板焊接结构，可增加静刚度减轻结构重量，又可增加构件的阻尼系数，从而改善了抗振性。构件设计时可通过调整质量改变系统的自振频率以便远离强迫振动的频率。2.减少机床的热变形将热源，如电动机、变速箱、液压装置和油箱等从主机中分离出云以及采用静压轴承，均可减少主轴的热变形。采用良好的排屑装置，尽决把热源带走。采用强制冷剂，如大容量冷却泵可控制温度3其他措施减少运动件的摩擦和消除传动间隙，采用滚动导轨、静压导轨和塑料导轨在进给系统中采用滚珠丝杠，大大降低摩擦力.改善了动态特胜二、数控系统的发展数控系统的发展主要是提高计算机的运算速度自1952年以来，数控系统的发展已经历了五代发展初期所用的电子器件为电子管1959年以后.数控系统发展进人第二代采用晶休管和印制电路板1965年以后发展到第三代.采用小规便集成电路.数控系统的可靠胜得到进一步提高以t三代系统，都采用专用控制计算机的硬接线数控系统，统称为普通数榨系统(NC)第四代是1970年以后采用小型计算机.许多功能可以通过软件实现.称为计算机数控系统(CNC)第五代系统，是采用微处理机技术的计算机数控系统(MNC)由于数控技术的迅速发展，现代的数控系统更进一步向高精度、高速度和多功能方向发展不仅控制的轴数大为增加，而且其功能也远远超出控制刀具轨迹与机床动作的范畴，并能实现自动编程、自动测量、臼动诊断与通讯联络等功能。数控系统与可编程控制器的结合，进一步提高了系统的可靠性并使机床的强电控制逻辑柔性化三、伺服系统的发展最早的数控系统采用电液脉冲马达驱动数控机床一后来被步进电动机所取代。到了20世纪创年代，欧美一些国家采用了液压伺服系统。70年代，美国首先研制了大惯量伺服电动机.该电动机调速范围为。.1-2。。。r)mia,80年代初期美国通用电气公司研制成功交流伺服系统。近年来微机处理器已开始应用于伺服系统的驱动装置中1986年本厂商已推出了采用数字伺服系统的数控机床当前伺服系统的发展趋势是直流伺服系统将被交流数字伺服系统所代替口伺服系统的速度环、位置环及电流环都已实现了数字化。并采用了新的控制理论，实现了不受机械负荷变动影响的高速响应系统四、数控机床的发展趋势为了进一步提高劳动生产率，降低生产成本，缩短产品的研制和生产周期，加速产品的更新换代，以适应社会对产品多样化的需求，近年来，人们把自动化生产技术的发展重点转移到中、小批量生产领域中，这就要求加速数控机床的发展速度，使其成为一种高效率、高柔性和低成本的制造设备，以满足市场的需求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)和灵捷制造(AgileMpg)的基础，是国民经济的重要基础装备。随着微电子技术的发展，现代数控机床的应用，现在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、精密化、高效能化、系统化及复合化的方向发展。.高速化由于机构各组件分工的专业化.在专业主轴厂的开发下，主轴高速化H益普及。过去只用于汽车工业高速化的机种(15000r/min以上的机种).现在已成为必备的机械产品要件。.精密化由于各组件加工的精密化，减少误差己不是问题以计算机辅助生产(CAM)系统的发展带动数控控制器的功能越来越多。.高效能对机床高速及精密化要求的提高导致了对加工工件制造速度的要求提高。同时，由于｝激烈，产品生命周期快速缩短，模具的快速加工已成为缩短产品开发时间必须具备的条件。对制造速度的要求致使加工模具的机床朝着高效能专业化机种发展。.系统化机床已逐渐发展成为系统化产品。现在可以用一台电脑控制一条生产线的作业。不但品的开发时fel,还可以提高产品的加工精度和产品质量。.复合化产品外观曲线的复杂化致使模具加工技术必须不断升级，机床5轴加工、6轴加工已日益普及，机床加工的复合化已是不可避免的发展趋势。模拟测试题(-)填空题(请将正确答案坟在横线空白处J1.一般的数控机床主要由、_、_和_四部分及_组成2控制介质是指在_与_之间建立起联系的—控制介质有一、、等3数控装置是数控机床的一。数控装置由_、一和一等构4.伺服系统是数控系统的包括_、_和_。5辅助装置主要包括_、_、_、_、_、_、—、、与等..数控机床按运动轨迹分类，有—数控机床、—数控机床与—数床.数控机床按伺服类型分类，有—数控机床、—数控机床和—数控机床以及—数控机床.点位控制数控机床的特点是控制_或_等移动部件的—位置，即控制移动部件由—准确地移动到而_与_之间的—没有严格要求。.直线控制数控机床的特点是—相对于一的运动既要控制_与_之间的准确位置，又要控制_在这—之间运动的—和.轮廓切削控制功能的特点是这类数控机床能控制_或_的轴，_同时严格地—控制，不仅要控制每个坐标的还要控制每个坐标的这样可以加工出由任意_、_或_组成的《二)判断题(下列判断正确的请打“错误的打"x").伺服系统的性能不会影响数控机床加工零件的表面粗糙度。().数控车床可以是点位控制数控机床。').数控铳床可以是四轴联动数控机床。().数控加工中心必须具有刀库或自动换刀装置。()5数控三坐标测量机床也是一种数控机床。().闭环伺服系统数控机床不宜接测量机床工作台的位移量。().数控机床上.的轴仅仅是指机床部件直线运动方向。().第五代系统是采用微处理机技术的计算机数控系统(M\C)。().半闭环伺服系统数控机床直接测量机床工作台的位移量。().分辨率在0.0001〜的数控机床属于高档数控机床。七）（三）单项选择题（下列每题有四个选项，其中只有一个是正确的，请将其代号坑在横线空白处）1第一台工业用数控机床在—生产出来。A.1948年B.1952年C.1954年D.1958年2点位控制机床可以是_A数控车床B.数控铳床C.数控冲床D.数控加工中心.只有间接测量机床工作台的位移量的伺服系统是A.开环伺服系统且半闭环伺服系统C.闭环伺服系统D.混合环伺服系统数控机床.中档数控机床的分辨率一般为—A.0.1mmB.0.01mmC.0.001mmD.0.0001mm5进给伺服系统对—不产生影响。A.进给速度B.运动位置C加工精度D.主轴转速.直线控制的数控车床可以加工—A.圆柱面B.圆弧面C.圆锥面D螺纹._伺服系统的控制精度最高A开环伺服系统B.半闭环伺服系统C闭环伺服系统D.混合环伺服系统数控机床.第四代是—以后采用小型计算机的讨算机数控系统（CNC）A.1952年B.1965年C1980年D.1970年.高档数控机床的联动轴数一般为人.2轴区3轴（一4轴D苏轴._不属于数控机床•A.加工中心B车削中心C组合机床。计算机绘图仪（四）名词解糅.程序段2.准备功能3.辅助功能冬.数控系统5计算机数控6伺服机构7机床参考点8零点偏移9.刀具补偿.位置检测器（五）简答题.数控机床的分类方法有哪些？.数控机床的特点是什么？.开环伺服系统的工作特点是什么？.半团环伺服系统的工作特点是什么？.数控机床结构同普通机床相比有何发展？模拟测试题答案（一）填空题控制介质数控装置伺服系统机床辅助装置 2操作者机床信息载体穿孔带穿孔卡 磁盘磁带3控制中心输人装置控制运算器输出装置4执行机构驱动执行 反馈装置5。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限位保护装置 6.点位控制 直线控制轮廓切削控制7开环伺服

系统闭环伺服系统半闭环伺服系统混合环伺服系统 8刀具机床工作台线占一个占另一个点点占I-I 系统闭环伺服系统半闭环伺服系统混合环伺服系统 8刀具机床工作台线占一个占另一个点点占I-I 八八 I，、八/J I/»»» /»»» ，、八确刀具两点速度运动轨迹轨迹9。刀具10工件起点终点准两个两个以上坐标方向连续行程 运动速度斜线曲线曲面复杂零件（二）判断题x2.x3.J4.J6.x7.xa.J9.x107（三）单项选择题.C2.（_3.B4.C5.D6.A7.C8.D9.D10.C（四）名词解释.作为一个单元处理的一组字、一组字符或一组数字，在控制带上各个程序段通常用''程序段结束”字符来分隔（G功能）建立机床或控制系统工作方式的一种命令，用地址G和它后面的数字来指定控制动作方式的功能。（M功能）控制机床或控制系统的开关功能的一种命令它是用地址M和它后面的代码数来指定的口这是一种控制系统.它自动阅读输人载体上事先给定的代码和数字值，并将其译码，从而使机床移动并加工零件。5即CNC.这是一种数控系统在此系统中，采用存储程序的专用计算机实现部分或全部基本数控功能。6用机床上的位置或速度等作为控制量的反馈系统（伺服回路）。这种伺服系统受控变量为机械位置或机械位置对时间的导数7.给机床各个轴预设的位置，便于采用增量控制系统时用来设定初始位置.这是数控系统的一-种特性。容许把数控测量系统的原点在相对机床基准点的规定范围内移动，而永久原点的位置被存储在数控系统中.垂直于刀具轨迹的位移.用来修正刀具实际半径或直径与其程序规定的值之差.将位置或移动量变换成便于传送的信号的传感器（五）简答题.答：按运动轨迹划分；按控制轴（即联动轴数）划分：按工艺类型划分；按伺服类型划分。.答：加工精度高；生产效率高；减轻劳动强度、改善劳动条件和劳动环境；良好的经济效益；有利于生产管理的现代化。.答：开环伺服系统数控机床构造简单，它没有位置测量装置和反馈装置，不能对移动工作台实际移动距离进行位置测量并反馈回来与原指令值进行比较校正这类系统的数控机床一般采用步进电动机或电液脉冲马达，按指令脉冲驱动各轴进给其移动部件的速度与位移量由输入脉冲的频率和脉冲数决定，位移精度主要决定于该系统各有关零件的制造精度，如步进电动机的转动精度、减速装置和滚珠丝杠的精度等。.答：半闭环伺服系统数控机床不直接测量机床工作台的位移量，而是通过检测丝杠转角间接地测量工作台的位移量，然后反馈给数控装置进行外移校正。其精度底于闭环系统，但测量装置结构简单，安装调试方便，常用于中档数控机床，如数控车床、数控铳床，数控磨床等.答：提高机床的动、静刚度；减少机床的热变形；减少运动件的摩擦和消除传动间隙，降低摩擦力，改善了动态特性。第二单元 数控机床的典型结构最初的数控机床只是在机械结构上对普通机床进行了局部改进。但是，随着数字控制技术在数控机床上的发展，以及数控机床高刚度、高精度、高速度的要求，逐步发展到目前数控机床独特的结构特点。它在总体布局、传动系统、刀具装置以及操作辅助机构等方面发生了很大变化，最基本的表现是改进了普通机床传动链长、传动结构刚性不足、抗振性差、滑动面的摩擦阻力大以及传动元件的间隙大等缺点经济型数控机床机械基本功能的构成模式仍然没有脱离普通机床的基础模式，如机床支承件、导轨、主传动及进给传动系统等组成部件是不可缺少的第一节数控机床主传动系统一、主传动系统的要求.宽调速、无级调速为了在数控加工时合理选用切削用量，提高生产率及零件表面质量必须具有更大的调速范围。如在数控车床上为了实现恒线速切削，主传动系统应实现无级变速2高刚度、低噪声主传动系统的精度与刚度宜接影响着加工零件的精度，为此数控机床的主传动链要短、传动件精度与刚度要高，主轴的支承跨距要合理，噪吉要降低到最低限度。3高抗振性、高热稳定性在数控加工切削过程中，切削力等诸多因素会使主轴产生振动，会大大影响零件表面粗糙度，甚至破坏加工刀具。另外，摩擦、切削热等还会使主传动系统产生热变形，从而造成加工误差。为此，数控机床的主传动系统必须具有良好的抗振性和热稳定性二、主传动的变速方式.经皮带和变速齿轮的主传动这是目前大、中型数控机床中使用较多的一种主传动配置方式。一般采用无级调速主电机.通过皮带传动和主轴箱内2-3级变速齿轮带动主轴运转，这样可使主轴箱的结构大大简化。由于主轴的变速是通过主电动机无级变速与齿轮有级变速相配合来实现的，因此既可扩大主轴的调速范围，又可扩大主轴的输出转矩。如图2-1所示为带轮和变速齿轮王传动系统图，如图2-2所示为该主传动系统的主轴转速图。带传动与齿轮传动的主传动系统图(I) 传动方式的特点35001160)《希荏卫》功率N15 转矩E58.:500126.0：L5图2—2带传动与齿轮传动的主轴转速图1）可扩大恒功率的调速范围。如图2-1所示的主电机采用宜流复激式电动机，从额定转速以下用调节电枢电压的方法调节速度，并输出恒转距。从额定转速以上是用调节磁场电流（调磁）的方法来调速，并输出恒功率。从转速图2-2可以看出：主轴恒功率的调速范围=2500/250=10主电机恒功率的调速范围=3500/1160=3。017由此可见，恒功率的调速范围从3.017扩大到10,而恒转距的调速范围则不变。这样进一步拓宽了调速范围，以便适应更广泛的加工工艺要求。2）扩大了主轴输出转距。通过两对齿轮降速，使主轴的最高输出转距从126N。M提高到584.4N.M.由此可见，通过带轮与齿轮的降速可以进一步扩大输出转距，以获的强力切削时所需的转距。3）具有齿轮传动缺点。由于采用齿轮传动，容易引起主轴发热、振动和噪声，给切削加工带来许多不利影响。近来随着主电机特性的改善，出现了主电机直接带动主轴的形式。（2）齿轮变速方式。主轴正反转、启停与制动均是靠宜接控制电动机来实现的。而齿速操纵方式通常采用液压拨叉与电磁离合器来实现1）液压拨又就是用一只或几只小油缸进回油时的不同状态，使油缸活塞处于不同的位置，来移动齿轮拨叉，从而达到齿轮变速的目的。而油缸的进回油则是由数控装置送来的电信号转换成电磁换向阀的动作来实现的。用液压拨叉变速必须在主轴停车之后才能进吏变速时不发生“顶齿”现象.主轴还要做低速转动。2）电磁离合器变速是应用电磁效应的原理，来吸引或分离不同运动元件，从而改变齿轮的传动路线来实现主轴变速。电磁离合器能简化变速机构，变速可在主轴转动时进行，便于自动操作。电磁离合器有系列产品可供选用，一般有摩擦片式与牙嵌式两种形滋离合器变速有剩磁与发热的缺点.在使用时受到了一定的限制。

.经带传动的主传动这是一种由无级变速主电机经皮带传动直接带动主轴运转的主运动形式，如图2-3立种形式的传动系统图。图2-3带传动的主传动系统图这种变速方式一般适用于中小型数控机床，用于调速范围不需太大转矩也不需太高的场合。它可以避免齿轮传动时引起的振动与噪声，从而大大提高主轴的运转精度。另外，随着现代主轴伺服电动机的发展.出现了能实现宽范围无级调速的宽域主电动机，使主轴的输出特性得到了很好的改善，扩大了恒功率的调速范围.并提高了输出转距。在避免齿轮传动不足的情况下，又能保持齿轮传动带来的优点，使数控机床在机械结构上朝着优化的方向前进了一大步。为保证皮带传动的平稳一般用多楔带为宜。.由调速电动机直接驱动的主传动这种传动方式是将主电动机直接与主轴连接，带动主轴转动，如图2—5所示。图2—5直接驱动主轴这样大大简化了主轴箱体与主轴结构，有效地提高了主轴的刚度。由于这种结构比前者减少了皮带的降速传动，其主轴的输出转矩更小，而且主电动机的发热对主轴精度的影响更大。近年来，出现了一种内装式电动机主轴，即主轴与电动机的转子合为一体，而电动机的定子则与主轴箱体固定。如图2-6所示，这种形式使主轴部件的结构紧凑、重量轻•惯量小，可提高主轴的启动、停止响应特性，有利于控制振动和噪声•主轴的最高转速可达20000r/min以上。但是•这种传动方式最大的缺点是主电动机运转时产生的热量易使主轴产生热变形•因此，采用内装式主电动机方式时•温度的控制与冷却是一个关键的问产•通常，这种数控机床自带特定的冷却系统•如风冷、水冷•空调降温等装置•图2-6内装主电动机主轴1主轴支承2内装电动机定子3—内装电动机转子5一主轴三、主轴部件主轴部件是机床的一个关键部件，主轴对零件加工质量有着直接的影响。而数控机床的王轴部件应有更高的精度、刚度和热稳定性，还应满足数捽机床所特有的结构要求。如为那丁螺纹需配有主轴编码器，为加上中心的白动换刀需配有刀具自动夹紧、放松与主轴I停和吹屑装置等1主轴的轴承配置形式数控机床上主轴轴承的布置形式有各种各样，根据数控机床加工要求与加工情况的不同.轴承的承载、转速与回转精度的特点，可采用不同的轴承组合形式。如图2—7所示目为较典型的四种配置形式.每种形式的承载与极限转速的比较情况见表2-1;主堆轴承配置花式主轴径向刚度的比值主轴轴向刚度的比值允许极限转速的比值1幅润滑，B-%的配置形式1.01.01.0■::h的配置形式Q.560.561.5■2一丁的配置形式0.420.421.8餐.7d的配置形式1.251.00.6数控机床主轴轴承的配置形式性能比较1)中等转速、高刚度。如图2__,a所示配置形式中主轴的前支承为圆锥孔双列向心短圆柱滚子釉承与双列向心推力球轴承组合，后支承为圆锥孔双列向心短圆柱滚子轴承—这种配置具有中等转速、高刚度的特点。其轴向载荷由双列向心推力球轴承来承受，径向载荷则由圆锥孔双列向心短圆柱滚子轴承来承受.轴承的间隙可以通过修磨轴承之间的隔圈来保证，它常用于中型数控车床、精密谴床等机床上(助中等刚度、较高转速。如图2-76所示配置形式中主轴的前支承为三个联组的双向角接触向心球轴承.后支承为圆锥孔双列fl心短圆柱滚子轴承口这种配置具有中等刚度、较高转速的特点，一般在要求转速较高的数控车床、数控铳床等方面应用较多。(3)高转速、低刚度。如图2-7c所示配置形式中主轴的前后支承均采用同向组合的角接触向心球轴承，这种配置形式具有高转速、低刚度的特点，一般用于转速要求高、刚度较低的场合如数控磨床等。(4)高刚度、低转速。如图2-7d所示配置形式中主轴前支承为带凸肩的双列圆锥滚子轴承，后支承则为单列圆锥滚子轴承，这种配置具有高刚度、低转速的特点，一般用于要求承载能力大、刚度大的场合，如坐标镀床等。2.主轴编码器数控机床的进给系统与普通机床的进给系统有质的区别，数捽机床没有传统的进给箱、溜板箱和挂轮架，而是直接用伺服电机通过滚珠丝杠来驱动溜板和刀架实现进给运动，因而进给系统结构大为简化.数控机床上能加工各种螺纹，这是因为安装了与主轴同步运转的脉冲编码器，以便发出检测脉冲信号，使主轴电机的旋转与切削进给同步，从而实现螺纹的切削另外，车削螺纹一般都需要多次走刀才能完成，为防止乱牙，脉冲编码器在发出进给脉冲时，还要发出同步脉冲，以保证每次走刀刀具在工件的同一点切人。其工作原理见本单元第四节口主轴脉冲编码器可通过•对齿轮或同步齿形带与主轴联系起来，由于主轴要求与编码器同步旋转，所以此连接必须做到无间隙。3主轴头部刀具自动夹紧机构在带有刀库的自动换刀数控机床中为实现刀具在主轴上的自动装卸，其主轴必须设什有刀具的自动夹紧机构这里简单地介绍一下其主轴前端的结构形式，如图2-8所示.当数控系统发出装刀信号后.刀具则由机械手或其他方法装插人主轴孔后，其刀柄及后部的拉钉1便被送到与主轴固定的前端套筒5内。随即数控系统发出刀具夹紧信号，此时拉杆3在后端碟形弹簧（图中略）的弹力作用下，呈紧紧拉伸（图2-8中往右方向）的状态。与拉杆固定连接的套筒4内的一组钢球2,在套筒5的锥孔逼迫下，收缩分布直径，随即将刀柄拉钉1紧紧拉住.从而完成了刀具定位工作；反之，如需要松开刀具时，数控系统发出松刀信号后，在主轴拉杆3后端的油缸（图中略）作用下，便可克服碟形弹力.放松对拉杆3的拉伸，即拉杆二往左移而呈压缩状态。这时套筒5前端的喇叭口使钢球2的分布宜径变大，随即松开刀柄后的拉钉1,即可卸下用过的刀具为进一步换新刀做准备，另外.R动清除主轴孔中的切屑和灰尘是换刀时一个不容忽视的问题通常采用在换刀的同时.从主轴内孔喷射压缩空气的方法来解决，以保证刀具准确地定位。4.主轴的准停装置在自动换刀的数控供锋类机床上，必须具有主轴准确的周向定位功能，这个功能称为主轴准停，这是由于刀具装在主轴锥孔内，在切削时的切削转矩不能完全靠锥孔的摩擦力来传递.通常在王轴前端设置一个凸键，称为端面键。当刀具装入主轴时，刀柄上的键槽必须与凸键对准相配，为保证自动换刀，主轴必须停止在某一固定角度的位置h,准停装置就是为保证主轴换刀时准确停止在换刀位置而设置的。目前准停装置有很多形式，就其基本原理有以下三种，机械方式一种、电气方式两种。（1）机械方式。在主轴尾部连接一定位盘，在此定位盘上开有一个V形槽。再利用无触点行程开关在某个特定位置发出准停信号一这时定位销插入V形槽来实现主轴准停.这种准停方式的优点是比较可靠，但结构复杂。（2）电气方式1）利用磁性传感器作为位置反馈部件，由它输出信号，使主轴准确停在规定位置匕这种方式可靠性好.能满足一般换刀要求。2）利用主轴光电脉冲编码器的同步信号作为准停信号来控制主轴准停.近来在数拄铿铳床上已将这一编码器与主轴电动机合二为一使结构大大简化。这种准停方式可靠.动作迅速平稳，在一定程度上大有取代以上两种准停方式的趋势另外.准停功能还可延伸至其他功能，如压憧孔时为不使刀尖划伤已加二表面.在退刀时要让刀尖在固定位置退出加工表面一个微小量：又如在加工精密坐标孔时，准停能仗每次都在主轴固定的圆周位置上装刀，就能保证刀尖与主轴相对位置的一致性，从而减少被加工孔的误差还有在数控车床上利用准停功能可以保证在特殊卡盘上装夹不规则薄件时，为实现自动上下料.主轴必须停在特定位置to由此可见.准停的it能可扩大到泊多主轴需要周向定位的场合第二节数控机床的进给伺服系统数控机床的进给传动系统常用伺服进给系统来工作。数控机床的伺服系统是数控系纤与机床本体的联系环节，伺服系统有两种：进给伺服系统控制各坐标轴的进给运动；另一种主运动伺服系统控制主轴的运动，调速等要求不如进给伺服系统高所以，通常以讨谈进给运动伺服系统为主进给伺服系统的作用是根据数控系统传来的指令脉冲信号.经变换和放大后，去控带机床移动部件的机械运动。它不仅控制进给运动的速度，同时还精确控制刀具相对于工仁的移动位置和轨迹；如果说数控装置是数控机床的‘大脑，，，是发布“命令”的“指挥杉构”，那么，伺服系统则是数控机床的“四肢”，是一种“执行机构”，它能准确地执行书自数控装置的运动指令。一、数控进给伺服系统的要求与普通机床相比对数控机床进给系统的设计要求，除了具有较高的定位精度之外还应具有良好的动态响应特性，系统跟踪指令信号的响应要快，稳定性要好，可概括为以下几点要求：高的精度要求数控机床是按预定的程序自动加工零件的，不可能像普通机床那样可用手动操作来调整和补偿各种误差.因此它要求有很高的定位精度和重复定位精度，所谓精度是指伺服系统的输出量跟随输入量的精确程度。伺服系统接收一个指令脉冲驱动工作台移动的距离称为一个冲当量，脉冲当量越小，机床的精度就越高。为此，消除进给传动链的间隙，是保证精度的重要措施之一，一般脉冲当量应达到。0.01-0.001mm..宽的调速范围。由于数控机床加工要适应各种工件材料、尺寸和刀具等变化的需要，伺服进给系统在承担全部工作负载的条件下，应具有很宽的调速范围。既要高到为缩短辅助时间、提高加工效率的快速移功速度要求，如10-30m/min；也要能满足在完成高精度定位的低速度(如0.1mm/min)时，均匀、稳定、无爬行地J2作对干一般数控机床的调速范围1:24000就可以了，较先进的数控机床可以获得更宽的调速范围。.快的响应速度所谓响应速度是指伺服系统跟随指令信号的响应速度快.使工作台能在规定的速度范围内灵敏而精确地跟踪指令，保证轮廓切削的形状精度和良好的加工表面精度。一般反应时间要求在200ms,甚至几十毫秒内。要保证如此高的响应速度，进给传动工作台的刚度、间隙、摩擦、转动惯量等都是必须考虑的问题。.好的稳定性要有较强的抗干扰能力，保证电源、环境、负载等所产生的波动对其影响较小，有较好的调速机械特性，外加负载变化的适应能力强，以保证加工稳定地进行。.大的转矩输出机床加工大多在低速时进行重切削.则要求低速时进给系统要有大的转矩输出。为此，需缩短进给系统传动链，简化机械结构，增强系统刚度，提高传动精度。二、数控进给系统的伺服驱动装里数控机床的伺服系统•般由驱动装置与机械传动执行件等组成，对于半闭环、闭环控制系统还包括位置检测环节。而驱动装置是由驱动元件电动机和电动机驱动控制单元两部分组成，通常它们由同一生产厂家配套提供给机床制造厂。进给伺服驱动装置用于数控机床各坐标轴的进给运动、进给驱动用的伺服电动机主要有步进电动机和交流、直流调速电动机作为驱动元件是伺服系统的关键之一。1.步进电动机'步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械角位移的驱动元件。步进电动机是一种特殊的电动机。一般电动机通电后都是连续转动的，而步进电动机则有定位与运转两种状态。当有一个电脉冲输人时，步进电动机就回转一个固定的角度，这角度称为步距角，一个步距角就是一步，所以这种电动机称为步进电动机。又由于它输人的是脉冲电流，也称为脉冲电动机。当电脉冲连续不断地输人时，步进电动机便跟随脉冲一步一步地转动，步由于数控机床对进给何服望动装置的要求较高，而直流电动机具有良好的调速特性因此在半闭环、闭环伺服控制系统中，得到较广泛地使用宜流进给伺服电动机的工作厉理虽然与普通直流电动机相同但由于机械加工的特殊要求，一般的直流电动机是不能镶足需要的般直流电动机转子的转动惯量过大，而其输出转矩则相对较小这样，它介动态特性就比较差，尤其在低速运转条件下、这个缺点就更突出。在进给伺服机构中使月的是经过改进结构、提高其特性的大功率直流伺服电动机，主要有以下两种类型：（1）小惯量直流电动机。主要结构特点是其转子的转动惯量尽可能小，因此在结构」与普通电动机的最大不同是转子做成细长形且光滑无槽。以此表现为转子的转动惯量小仅为普通直流电动机的土工。左右。因此，响应特别快，机电时间常数可以小于10ms,上普通直流电动机相比，转矩与惯量之比要大出40-湘倍.且调速范围大，运转平稳，全用于频繁起动与制动，要求有快速响应（如数控钻床、冲床等点定位）的场合。但由于夕过载能力低，并且电动机的自身皿量比机床相应运动部件的惯量小，因此应用时都要经宝一对中间齿轮副，才能与丝杠相连接.在某些场合也限制了它的广泛使用。（21大惯量直流电动机。又称宽调速直流电动机，是在小惯量电动机的基础上发展I来的在结构上和常规的直流电动机相似，其工作原理相同。当电枢线圈通过直流电；时，就会在定子磁场的作用下，产生带动负载旋转的电转矩小惯量电动机是通过减小一动机转动惯量来提高电动机的快速性.而大惯量电动机则是在维持一般直流电动机转动」量的前提下尽量提高转矩的方法来改善其动态特性它既具有一般直流电动机便于速、机械特性较好的优点.又具有小惯量直流电动机的快速响应性能。因此，可归纳为下特点”转子惯量大这种电动机的转子具有较大的惯量，容易与机床匹配。可以和机的进给丝杠直接连接.省掉了减速机构，故。f使机床结构简单.既避免了齿轮等传动机产生的噪声和振动，又提高了加工精度2）低速性能好这种电动机低速时输出转矩大一能满足数控机床经常在低速进给进给量大、转矩输出大的特点，如能在Irimin甚至。.Ir,min的速度下平稳运转。3）过载能力强、动态响应好。由于大惯量宜流电动机的转子有槽.热容量大，演采用了冷却措施后.提高了散热能力。因此可以过载运行30mine另外.电动机的定子采i的铁氧体水磁材料，可使电动机过载10倍而不会去磁，这就显著地提高了）加速力矩，改善了动态响应，加减速特性好范围宽。这种电劝机机械特性和调速特性的线性度好，所以调速范围宽而运七调速范围可达飞，10000以上（流电动机尽管有上述优点，但仍有不如其他驷动元件的地方，如运行调整不1简便：快速响应性能不如小惯量电动机。这种驱动系统可直接连接高精度检一些测量转速和转角等的检测元件，实现半闭环、闭环伺服系统的精确定位司服电动Rf伺服电动机具有优良的调速性能、但直流电动机存在着不可避免的缺点：它］器易磨损.需经常维护：另外换向时易产生火花，使电动机的最高转速受到Z用环境受到限制。而且，直流电动机结构复杂，制造成本高。（模集成电路计算机控制技术及现代控制理论的发展与应用，20世纪80年三动技术取得了突破性的进展，使得交流伺服电动机具备了调速范围宽、稳动态响应快以及其他良好的技术性能。交流电动机转子惯量较直流电动机（更好.一股在同样体积下，交流电动机的输出功率可比直流电动机提高10%—乏流电动机可选得大一些.以达到更高的电压与转速。王电动机采用丁全封闭无刷构造.不需要定期检查与维修定子.省去了铸件壳主动机在外形尺寸上减少了50%重量减轻近60%.转子惯量减至20沉。定受电动机开槽多且深，绝缘可靠，磁场均匀。还可对定子铁心宜接冷却，散热而传给机械部分的热量少，提高了整个系统的可靠性。转子采用具有精密磁极注铁.可得到高的转矩与惯量比。因此交流伺服电动机可得到比直流伺服电动咬性能和更宽的调速范围交流伺服以其高的性能、大容量得到了广泛地应夏电动机提高性能的关键在于解决对交流电动机的调速控制与驱动。对交流伺司速.目前用得较多的是计算机对交流电动机磁场作矢量变换控制其基本原邑动机等效为宜流电动机，从而使交流电动机像宜流电动机一样进行有效地控Q进给传动结构力结构是进给伺服系统的主要组成部分，'臼是将伺服电动机的旋转运动转化为红线移动或回转运动，以保证刀具与工件相对位置关系为目的。在数控机床由是数字控制系统的直接控制对象。无论是开环还是闭环伺服进给系统，工件尧到进给运动的传动精度、灵敏度和稳定性的影响。为此，数控机床的进给系到减少摩擦力.提高传动精度与刚度，消除传动间隙以及减少运动件的惯量主数控机床进给驱动系统中常用的机械传动装置主要有：滚珠丝杠螺母副、静珍条、预加载荷双齿轮一齿条及双导程蜗杆等。1.滚珠丝杠螺母副传动为了提高数控机床进给系统的快速响应性能1和运动精度，必须减少运动件的摩擦阻力和动静摩擦力之差。为此，在中小型数控机床中，滚珠丝杠螺母副是采用最普遍的结构。(1)滚珠丝杠副的工作原理。滚珠丝杠副是回转运动与直线运动相互转换的新型传动装置，是在丝杠和螺母之间以滚珠为滚动体的螺旋传动元件。其结构原理示意如图2._9所示，图中丝杠1和螺母2上都加工有弧形螺旋槽，将它们套装在一起时，这两个圆弧形的螺旋槽对合起来就形成了螺旋滚道，并在滚道内装满滚珠3,当丝杠相对于螺母旋转时.滚珠则既自转又沿着滚道流动。为了防止滚珠从螺母中滚出来，在螺母的滚道两端用返回装置4(又称回珠器)连接起来，使滚珠滚动数圈后离开滚道，通过返回装置4返回其人口继续参加工作.如此往复循环滚动。(2)滚珠丝杠副的特点。由以上滚珠丝杠螺母副传动的工作过程.可以明显看出滚珠丝杠副的丝杠与螺母之间是通过滚珠来传递运动的，使之成为滚动摩擦，这是滚珠丝杠区别于普通滑动丝杠的关键所在，其特点主要有以下几点1)传动效率高。滚珠丝杠副的传动效率高达95%98%.是普通梯形丝杠的3-4倍，功率M991V 2/3A3/4 ,如图2-10所示

导程螺旋角（°）Z＞灵敏度高、传动平稳。由于是滚动摩擦，动静摩擦系数相差极小。因此低速不易t爬行，高速传动平稳3＞定位精度高、传动刚度高。用多种方法可以消除丝杠螺母的轴向间隙，使反向无亏程，定位精度高，适当预紧后，还可以提高轴向刚度1）不能自锁、有可逆性既能将旋转运动转换成直线运动，也能将直线运动转换成专运动。因此丝杠在垂直状态使用时，应增加制动装置或平衡块。引制造成本高滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度及表面粗糙度等要求高，制造工交复杂，成本高（3）滚珠丝杠副的循环方式。常用的循环方式有两种：滚珠在循环反向过程中，与丝度道脱离接触的称为外循环：而在整个循环过程中，滚珠始终与丝杠各表面保持接触的勺内循环如图一11a所示为外循环方式的示意图，这种结构是在螺母体上钻有两个与螺旋槽

刃的孔.作为滚珠的进口与出日，并紧贴螺母外表面，在两孔内插人弯管1的两端，这龙可引导滚珠2构成封闭循环回路，这叫插管式外循环。另外，也可在螺母的外表面开暇旋四槽代替插管，则称为螺旋槽式。外循环的结构制造工艺相对简单些.但滚道接缝星难做到平滑，影响滚道滚动的平稳性.甚至发生卡珠现象，噪声也较大图z.;滚珠分杠螺母副循环示意a)外循环b)内循环1抽管召一滚珠3一外循环螺母斗一滚珠丝杠5反向器s内循环螺母如即2-116所示为内循环形式在螺母滚道的外侧孔内装有一个接通相邻滚道的反!6.借助此反向器迫使滚珠翻越丝杠的齿顶而进人相邻滚道。因此，内循环反向器的数量与滚珠的列数相同内循环的滚珠丝杠反向器承担反向任务的只有一圈滚珠。与外循环相比.具有回路短，不易发生滚珠堵塞，流畅性好.摩擦损失小，传动效率高，结构紧凑，定位可靠，刚度好等优点。但结构复杂，制造成本高，且不能用于多线螺纹传动。(A)滚珠丝杠副轴向间隙调整和预紧方法。滚珠丝杠副的轴向间隙，是指负载时滚珠与滚道型面接触的弹性变形所引起的螺母位移量和螺母原有间隙的总和，如图2-12a所示，'色直接影响其传动刚度和精度。图2-12滚珠丝杠缘母副单螺母的间隙与预紧a）滚珠丝杠副间隙b单螺母变蛛臣仁）单螺母加大钢球在单螺母时采用变导程从和加大钢球直径产生过盈的两种预紧方法，如图2-126,.所示。但这两种方法很难适当消除轴向间潦，可采用双螺母预紧方法，其基本原理是使两个螺母产生轴向位移，以消除它们之间的间隙和施加预紧力。目前结构形式有以下三种1）垫片调整式。如图2-13a所示的垫片调整式是通过调整垫片的厚度，使螺母产生轴向位移.这种结构简单可靠，刚度好，但调整费时，且不能在工作中随时调整2）螺纹调整式。如图2-136所示的螺纹调整式是通过两个锁紧圆螺母的旋转，来调整丝杠与螺母之间的轴向间隙，这种结构紧凑，调整方便，应用广泛，但轴向位移量不易精确控制3）齿差调整式如图2-13c的齿差法调整式是将两部分螺母外缘做成外齿轮和内齿轮，左右两个齿轮Z,和及仅差一个齿，如Z,=99齿，乙=100齿。调整间隙时，将内外齿脱离啮合，并使左右两个部分同时向同一方向转过一个齿，即Z转过1/99转，乙转过1/100转，致使左右螺母相向或相离一个距离当滚珠丝杠的螺距L=6〜时，则△一（会一玄）"L-'（责一揣）X6mm-z.。。。6—um当转过齿数的数量为，时，位移量为△的。倍，这样即可很精确（微量）地消除丝杠螺母的轴向间隙。这种预紧结构复杂，调整准确可靠，精度也较高，一般应用在精度要求较高的场合滚珠丝杠螺母副通过上述预紧方法消除间隙时应特别注意：预加载荷以能有效地减小a)

c)图2-13滚珠丝杠螺母副双螺母预紧a）垫片调整式b月纹调整式c）齿差调整式I-M整垫片2.f-M紧螺母4一外齿轮5—内齿轮：来的轴向位移为度，过大的预紧力将增加摩擦阻力，降低传动效率.并使寿所以.一般要经过几次仔细调整才能保证机床在最大轴向载荷下.既消除间运转。R前丝杠螺母副己由滚珠丝杠专业厂生产，其预紧力调好供数控机床用口丝杠副的使用防护。滚珠丝fl副和其他滚动摩擦的传动元件一样.如有硬质等脏物落进滚道，就会妨碍滚珠的运转井加速磨损，因此有效地防护密封利清洁就显得十分必要常用的防尘密封装置由密封圈和防护罩相结合，密封母的两端，和丝杠宜接接触，其材料有毛毡、耐油橡皮或尼龙等，防尘效果。四、数控进给传动导轨导轨是伺服进给系统的重要环节之一它对皿控机床的刚度、精度与精度保持性等有着再要的影响.现代数控机床的导轨，对导向精度、精度保持性、摩擦特性、运动平稳性和灵敏度都有更高的要求.在材料和结构上有了“质”的变化，明显不同于普通机床的导轨。1塑料滑动导轨为了进一步降低普通滑动导轨的摩擦系数，防止低速爬行，提高定位精度.在数控机床上普遍采用塑料作为滑动导轨的材料.使原来铸铁一铸铁的滑动变为铸铁一塑料或钢一塑料的滑动口(1)塑料软带。也称聚四氟乙烯导轨软带，导轨材料是以聚四氟乙烯为基体，加入主目铜粉、二硫化铝和石墨等填充剂混合烧结，并做成软带状，厚度约1.2mm,塑料软带用特殊的勃结剂瀚贴在短的或动导轨上，它不受导轨形状的限制，各种组合形状的滑动导轨均可豁贴；导轨各个面，包括下压板面和镶条也可以豁贴，如图2-17所 示 。1塑料滑动导轨为了进一步降低普通滑动导轨的摩擦系数，防止低速爬行，提高定位精度.在数控机床上普遍采用塑料作为滑动导轨的材料.使原来铸铁一铸铁的滑动变为铸铁一塑料或钢一塑料的滑动口(1)塑料软带。也称聚四氟乙烯导轨软带，导轨材料是以聚四氟乙烯为基体，加人青铜粉、二硫化铝和石墨等填充剂混合烧结，并做成软带状，厚度约1.2mm,塑料软带用特殊的勃结剂瀚贴在短的或动导轨上，它不受导轨形状的限制，各种组合形状的滑动导轨均可豁贴；导轨各个面，包括下压板面和镶条也可以豁贴，如图2-17所不口图z-17塑料软带导轨示意1一床身2一工作台3一下几板生.与一塑料软带由于这类导轨软带采用粘贴的方法，习惯上也称为“贴塑导轨”。(2)塑料涂层。是以环氧树脂为基体.加人铁粉、二硫化锢和胶体石墨，并加入增塑剂.混合成液膏状为一组分，另一组分为固化剂，双组分组成塑料涂层如图2-18所示为某加工中心上一楔铁面使用塑料涂层的示意图，以滑块7的要求,靠螺钉5调整好楔铁的位置.保证楔铁的斜面与支承面分离，即保证涂层的厚度在11.5mm之间。然后，将调好的液膏状涂层通过孔1注人到两分离面之间，使其完全充涂层待24h后液膏状涂层完全固化即可。另外，这种涂层也可以直接涂抹于导轨面，然后桎合在金属导轨面上进行固化由于这类徐层导轨采用徐刮或注人膏状塑料的方法，习惯上也称为一涂塑导轨”“注塑导轨”（3）塑料导轨的特点1）摩擦特性好实验表明如图2-19所示，铸铁一淬火钢或铸铁一铸铁导轨副的动、静摩擦系数相差较大近一倍。而金属一聚四氟乙烯导轨软带（Turcitr-E.TSF）的动、静摩擦系数基本不变，而且摩擦系数很低。这种良好的摩擦特性能防止低速爬行使机床运行平稳，以获得高的定位精度。匚一.匚一.2）耐磨性好。除摩擦系数低外，塑料材料中含有青铜、二硫化铝和石墨。因此其本身具有自润滑作用，对润滑油的供油量要求不高，采用间歇式供油即可。另外，塑料质地较软，即使嵌人细小的金属碎屑、灰尘等，也不至于损伤金属导轨面和软带本身。延长导轨的使用寿命。3）减振性好。塑料的阻尼性能好，其减振消声的性能对提高摩擦副的相对运动速度有很大的意义。4）工艺性好。可降低与塑料结合的金属基体的硬度和表面质量，而且塑料易于加工（铳、刨、磨、刮），使导轨副接触面获得良好的表面质量。除此之外，塑料导轨还以其良好的经济性、结构简单、成本低等特点在数控机床上得到广泛的应用。

.滚动导轨滚动导轨是在导轨工作面之间安装滚动体（滚柱、滚珠、和滚针），与滚珠丝杠的工作原理类似，使两导轨面之间形成的摩擦为滚动摩擦。动、静摩榛系数极小，几乎不受运动速度变化的影响。直线运动导轨是目前最流行的一种新形式，其外形如图2-20所示。结构如图z-zob所示，直0.300.200.100.0700.0600.0500.0400.0300.0200.010200 400 600 800 10001200图2—19各种导轨摩擦系数曲线,料铁一铸铁（30"机油）Z-Turcite-B一铸铁（干摩擦）S—Turcite—B—铸铁（301•机油）4—TSF一铸铁（干摩擦）5—TSF—铸铁（30=机油）.静压导轨静压导轨的摩擦系数极小（约为。aoa5>,功率消耗少，由于系统液体摩擦，故导轨奢损，因而导轨的精度保持性好，寿命长。油膜厚度几乎不受速度的影响，油膜承载大、刚度好、吸振性良好，导轨运行平稳，既无爬行，也不产生振动。但静压导轨结杂，并需要有一个具有良好过滤效果的液压装置，制造成本较高。目前，静压导轨较应用在大型、重型数控机床上第三节数控机床的自动换刀装置在零件的加工制造过程中，大量的时间用于更换刀具、装卸、测量和搬运零件等非切司上，切削加工时间占整个工时中较小的比例为了进一步压缩非切削时间，数控机朗着一台机床在一次装夹中完成多工序加工的方向发展口这就是近年来带有自动换刀钓多工序数控机床得以迅速发展的原因。为此，更进一步发展和完善各类刀具自动更置.扩大换刀数量，以便实现更为复杂的换刀操作。这不仅可以提高机床的生产效犷大数控机床的功能和使用范围，而且，由于零件在一次安装中完成多工序加工，大少了零件的装夹次数，进一步提高了零件的加工精度自动换刀装置应当满足换刀时间短、刀具重复定位精度高、足够的刀具储存量、结构