数控机床基础知识及应用分析

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数控机床使用问答及应用分析

作者OOOO

数控机床100个问与答

1.什么叫数控机床？经常提到的“CNC”是什么意思？..............................1

2.数控机床特点有哪些？.....................................................1

3.数控机床是由哪几部分组成的？.............................................1

4.数控机床到底控制的是什么？...............................................2

5.按工艺内容分类（特别是在模具制造中）数控机床有哪几类？..................2

6.数控机床的机械部分是由哪几部分组成的？..................................2

7.主轴作为数控机床的关键组件在性能上有哪些要求？..........................2

8.数控机床上用于驱动的电动机有哪几件？如何分类？..........................3

9.步进电机与交流伺服电机的特点、区别是什么？..............................3

10.进给驱动与丝杠的联接结构有哪些？.......................................4

11.在数控机床中您常听说的刀库，它的完整涵义是什么？.......................4

12.刀库有哪几种结构形式，它们的特点是什么？...............................4

13.数控系统是由哪几个模块组成的，应如何较形象地理解它？..................5

14.金属切削数控机床的结构特点有哪些？.....................................5

15.常用的数控设备故障检测方法有哪些？.....................................7

16.目前国产数控机床现状怎么样？...........................................8

17.如何防制数控机床的爬行与振动？........................................10

18.机床数控化改造机电如何设计和联调？...................................12

19.数控装置具有哪些运算功能？............................................13

20.数控装置的工作过程包括哪些步骤？......................................13

21.数控机床程序编制的一般步骤和方法是什么？..............................14

22.经济型数控系统具有哪些特点？在整机中的位置和作用是什么？.............15

23.数控机床常用的维修器具有哪些？.........................................15

24.数控机床的控制原理是什么？数控机床加工工件的具体步骤有哪些？........15

25.数控机床维修常用的方法有哪些？........................................16

26.数控机床为什么要经常检查保存RAM内容的保持电池是否完好？...........17

27.数控机床的维护为什么要定期进行？......................................17

28.CK6163D数控机床的基本结构由哪几部分组成？...........................17

29.数控机床焊接故障有哪些？应如何排除？.................................18

30.数控机床机械方面故障有哪些？应如何排除？.............................18

31.数控机床拔插印制电路板时应注意什么问题？..............................19

32.数控机床在使用时如何防止误操作？.....................................19

33.数控机床存储器电路故障可采取哪些方法维修？...........................19

34.数控机床电动机过热报警故障原因及排除方法有哪些？......................19

35.CK6163D数控机床主轴不能正确定向的原因及处理方法有哪些？..............20

36.数控机床暴走（飞车）故障产生的原因及排除方法有哪些？.................20

37.数控机床反馈通路上的故障如何检测？....................................20

38.数控机床显示板上常见故障及排除方法有哪些？............................21

39.数控机床键盘板上常见故障及维修方法有哪些？............................21

40.数控车床如何对刀？.....................................................21

41.加工中心的刀具如何选用？...............................................25

42.金属切削数控机床有什么结构特点？......................................27

43.进给伺服系统的常见故障有有哪几种？....................................29

44.经济型数控车床自动回转刀架的故障如何分析及排除？.....................30

45.如何调试数控机床？.....................................................32

46.如何正确为数控机床选用刀具及编程？....................................33

47.数控车床的刀具安装要注意哪些事项？....................................35

48.数控车床如何分类？.....................................................35

49.数控车床有什么结构特点？...............................................37

50.数控车床的选用要点有哪些？............................................37

51.数控车削的主要加工哪些对象？...........................................39

52.数控程序编制有哪些内容及步骤？........................................40

53.数控机床如何编程？.....................................................41

54.数控机床是如何产生的？.................................................41

55.数控机床的发展动向是什么？............................................42

56.数控机床的故障如何分类？...............................................42

57.数控机床对机械结构有什么要求？........................................46

58.数控机床如何维护保养？.................................................48

59.数控机床如何校准？.....................................................49

60.数控机床的选用原则是什么？............................................49

61.数控机床的运动方向如何确定？...........................................52

62.数控机床结构要求与总体布局有哪些？....................................53

63.数控机床主运动机械部件有什么要求？....................................55

64.数控机床故障排除有哪些方法？..........................................56

65.数控机床机械部分故障如何处理？........................................57

66.数控机床加工精度异常故障如何维护？....................................58

67.数控机床精度检测项目常用工具有哪些？..................................60

68.数控机床润滑系统控制的如何改进？......................................62

69.如何对数控加工工序进行划分？..........................................64

70.数控加工顺序的安排应遵循什么原则？....................................64

71.数控加工工件装夹方式的确定应注意那几方面？............................65

72.如何确定对刀点比较合理？工件坐标系与编程坐标系有什么关系？...........65

73.如何选择走刀路线？.....................................................65

74.如何在数控加工过程中监控与调整？......................................66

75.数控设备空运行与功能检验有哪些要求？..................................66

76.数控设备验收流程应注意哪些事项？......................................68

77.数控维修的常用方法有哪些？.............................................71

78.数控卧式车床的空运行及功能检验方法有哪些？............................75

79.数控铳床的选用原则有哪些？.............................................77

80.数控铳床的进给传动装置有哪些要求？....................................78

81.数控铳床加工有哪些特点？...............................................79

82.数控装置日常如何维护与保养？..........................................80

83.如何选用数控钻床与铳床？...............................................81

84.如何提高数控机床可靠性水平？..........................................82

85.现代数控技术在镀金加工中如何应用？....................................84

86.如何正确为数控机床选用刀具及编程？....................................86

87.中国数控机床现状及发展中的主要问题有哪些？............................88

88.立式加工中心刀具伸出长度的测量如何？..................................91

89.全功能数控机床数控系统中的刀具如何补偿？..............................92

90.自动换刀装置的结构原理与维修有哪些？..................................94

91.数控系统的配置及功能如何选择？........................................97

92.数控系统在平面磨床中如何应用？........................................102

93.常用的数控设备故障检测方法有哪些？...................................105

94.经济型数控车床自动回转刀架的故障如何排除？...........................106

95.数控程序编制的内容及步骤有哪些？.....................................108

96.数控机床的正确操作步骤有哪些？.......................................109

97.直线电机在数控机床中如何应用？........................................109

98.数控加工切削用量如何选择？............................................112

99.如何提高数控机床的精度的方法？.......................................114

100.如何合理使用数控机床？...............................................117

I

1.什么叫数控机床？经常提到的“CNC”是什么意思？

答：国际信息处联盟第五技术委员会对数控机床的定义是这样的：数控机床是一种安装了程

序

控制系统的机床。该系统能逻辑地处理具有使用号码或其他符号编码指令规定的程序。

“CNC”中第一个“C是”英文“计算机”的第一个字母，“N”是英文“数字”的字头；最

后一个字母“C”是英文“控制”的第一个字母。所以“CNC”系统用汉语说就是“计算机数字

控制系统”。“CNC”系统是数控机床的核心部分。数控机床功能的强弱主要是由数控功能确

定

的。

2.数控机床特点有哪些？

答：1）加工精度高:3v-e+A

数控机床是精密机械和自动化技术的综合体。机床的数控装置可以对机床运动中产生的位

移、热变形等导致的误差，通过测量系统进行补偿而获得很高且稳定的加工精度。由于数

控机床实现自动加工，所以减少了操作人员素质带来的人为误差，提高了同批零件的一致

性。8Z）x#

2）生产较高：

就生产效率而言，相对普通机床，数控机床的效率一般能提高2〜3倍、甚至十几倍。主要

体现在以下几个方面：

a.一次装夹完成多工序加工，省去了普通机床加工的多次变换工种、工序间的转件以及

划线等工序。4{7q5y*—17@

b.简化了夹具及专用工装等，由于是一次装夹完成加工。所以普通机床多工序的夹具省

去了，即使偶尔必须用到专用夹具。由于数控机床的超强功能夹具的结构也可简化。

3）减轻劳动强度，数控机床的操作由体力型转为智力型。

4）改善劳动条件，如深扬公司的产品采用全封闭护罩，机床不会有水、油、铁屑溅出，可有

效保持工作环境的清洁。

5）有利于生产管理：3\5R+R'y

a.程序化控制加工、更换品种方便；

b.一机多工序加工，减化生产过程的管理，减少管理人员；

c.可实现无人化生产。

3.数控机床是由哪几部分组成的？

答：数控装置是数控机床的核心（相当于人的大脑），它所想要完成的工作通过伺服系统（相当

于

人的神经系统）带动机床运动，测量及反馈系统（相当于人的眼睛等感觉器官），把机床的

工

作状态急时告诉数控装置。数据传输系统的作用是：由于数控装置的容量有限，各种控制信

息

要靠数控装置以外的其它计算机等携带和传输，就像人的记忆有限，工作时常常要做些记录,

翻翻笔记本似的，作为数控机床的核心深扬公司选用的是世界三大系统制造商之一的日本原

装

2

三菱数控系统。

4.数控机床到底控制的是什么？

答：从数控机床最终要完成的任务看,主要以下三个方面：

1）主轴运动控制。

2）进给运动控制（也就是对工作台运动的控制）。

3）输入/输出（I/O）控制，也就是对机床的各种状态的控制.如:冷却、润滑、起停刀具自

动交换等。

5.按工艺内容分类（特别是在模具制造中）数控机床有哪几类？

答：1）数控铳床随着模具制造工艺要求的提高，立式数控铳床已成为主流，既工作台不能上

下

移动，Z轴是通过主轴箱的上下运动实现的，根据我国目前的国情看该类机床将是传统机

床）的

主要更新换代产品。

2）加工中心：加工中心与数控铳床的区别在于，加工中心配有可自动换刀的装置和刀库系

统，在华南一带也有将全封闭立式数控铳床和加工中心都统称为加工中心，只是把前者叫做

不

带刀库的加工中心。

）1,13）线切割机床：这类机床在模具加工中是最为广泛，也是最为独特的一种数控机床，它

是很难被其它加工工艺所取代的。

2u:4）电火花成型机床：它是模具型腔加工必不可少的设备，由于是高速铳削技术的发展，

成型机的市场面临新的挑战，所以我公司的电火花成型机产品的发展是把性能价格比放在首

位，

不盲目扩张，而是发展中等规格的单轴数控电火花成型机床，广泛应用于广东及东南亚市场.

6.数控机床的机械部分是由哪几部分组成的？

答：典型的数控机床的机械结构主要由基础件、主轴传动系统、进给传动系统、回转工作台、

自动换刀装置以及其它机械功能部件组成。

基础件主要是指床身、立柱、工作台、主轴箱体等大件。除特殊情况有采用板焊材料、

人造花岗岩材料外绝大部分都是用铸铁材料。由于台湾机床的涌入，现在常听到一种叫“米

汉

纳”的铸铁。让广大用户摸不着头实际就是个英文的译音，是个外来语。不外乎是一种机械

强

度比较好的铸铁，也就是相当于我们常说的HT250、HT300铸铁而已。我公司的铸铁均为

HT300

树脂沙造型，各导轨采用中音频淬火硬度度深度达5mm,其铸件质量完全可以同那个叫“米

汉

纳”的叫板。

其它机械功能部件，主要指润滑、冷却、排屑和监控机构。

7.主轴作为数控机床的关键组件在性能上有哪些要求？

答：主轴直接承受切削力，转速范围变化又较大。所以对主轴组件的主要性能提出如下要求:

D回转精度：是指主轴在无负荷的转动条件下，主轴前端工作部位的径向和轴向跳动值，

回转精度的测量一般分为静态测量、动态测量、间接测量。目前我国在生产中大都还是运用

传

统的静态测量。*Q2p/M*e,S.f:o7@,j5

3

2）运动精度：是指工作状态下的旋转精度。这个精度通常与低速回转精度有较大差别，运

动状态下的旋转精度取决于主轴的工作速度、轴承性能以及主轴本身的平衡性能。#E9r!w3

3）刚度：是指在受外力时;主轴抵抗变形的能力。刚性不足在切削力的作用下，主轴将产

生较大的弹性变形。不仅影响加工质量，还会破坏轴承的正常工作条件、加快磨损。

4）抗振性：是指切削加工时，主轴保持平稳运转而又不发生振动的能力。；

5）主轴温升：主轴运转时，温升过高会引起两方面的不良结果。一是主轴及箱体受热变形

直接影响加工精度；二是轴承的正常润滑条件遭到破坏，影响轴承的正常工作，甚至出现“抱

轴”。

6）耐磨性：只有具备足够的耐磨性，才能长期保持精度。因此主轴的关键部位（如主轴锥

孔）要经良好的表面热处理。&e8U/BOk3o&~+kOY）?

综上所述您可以看出主轴组件的生产过程也一定是非常严格的，它不单是要有良好的设备，

更需要的是要有严格的生产管理。后者恰是中国企业的弱项。

8.数控机床上用于驱动的电动机有哪几件？如何分类？

答：以上的写法是教学性的，实际上我们真正遇到的数控机床的电机也就是主轴驱动电机和

进

给驱动电机。概括地讲主轴电机更强调力量，进给电机更强调的效率。目前数控机床常见的

主

轴电机有交流伺服电机、交流变频电机。数控机床的进给电机常见的一种是档次较低的步进

电

机、一种是交流伺服电机。其它的像直流伺服电机、直线电机等要不就是已遂步淘汰，要不

就

是价格高、技术复杂，中国还没普及。淘汰的东西您不能要，没普及的东西您同样不能要（价

格太高服务也跟不上）

9.步进电机与交流伺服电机的特点、区别是什么？

答：1）步进电机

一般用于开环伺服系统，由于没有位置反馈环节，固位置控制的精度由步进电机和进给丝

杠等等来决定。虽档次低了点，但是结构简单价格较低。在要求不高的场合仍有广泛应用。

在

数控机床领域中大功率的步进电机一般用在进给运动（工作台）控制上，但是就控制性能来

说

其特性远不如交流伺服电机。振动、噪音也比较大。尤其是在过载情况下，步进电机会产生

失

步，严重影响加工精度。所以步进电机最常用的还是在对普通机床的数控化改造上。由于要

改

造的机床一般都是旧机床，所加工的对象一般是形状虽然较复杂，但是精度要求并不很高。

所

以用步进电机是再合适不过了。我公司研发的并且得到广泛应用的经济型铳床数控系统和经

济

型车床数控系统，就是配用的步进电机，在枪炮等兵器加工制造领域得到非常满意的评价。

还

有就是用在线切割机上。由于线切割加工是靠放电加工，没有切削力。所以永远不存在过载

现

象，再加上线切割加工时进给速度很慢（步进电机还有一个缺点就是它的转距会随着转速的

增

加而降低）。所以在快走丝线切割机上步进电机真正找到了自己的位置，几乎是一统天下。

2）流伺服电机

数控机床用于进给驱动的交流伺服电机大多采用三相交流永磁同步电机，关于这种电机您

有必要耐心的多了解一点。这种电机的定子装有三相对称的绕组，而转子是永久磁极。当定

子

的绕组中通过三相电源后，定子与转子之间必然产生一个旋转场。这个旋转磁场的转速称为

同

步转速。电机的转速也就是磁场的转速。由于转子有磁极，所以在极低频率下也能旋转运行。

所以它比异步电机的调速范围更宽。而与直流伺服电机相比，它没有机械换向器，特别是它

没

4

有了碳刷，完全排除了换向时产生火花对机械造成的磨损，另外交流伺服电机自带一个编码

器。

可以随时将电机运行的情况“报告”给驱动器，驱动器又根据得到的“报告”更精确的控制电

机的运行。由此可见交流伺服电机优点确实很多。可是技术含量也高了，价格也高了。最重

要

是对交流伺服电机的调试技术提高了。也就是电机虽好，如果调试不好一样是问题多多。所

以

您也不要听有些厂家的宣传——“我公司选用的电机如何好。”没用！还是了解一下他们的调

试水平再说。

10.进给驱动与丝杠的联接结构有哪些？

答：电机与滚珠丝杠联接的最最重要的一点就是确保传动无间隙。主要有三种联接方式：直

接

联接式、齿轮减速式、齿形带式。目前使得最普遍的是直接联接式，就是用一个可以微量扰

动

的联轴器，将电机与丝杠直联。可见这个联轴器是个非常关键的东西。我公司数控机床产品

上

的联轴器是选用德国进口的联轴器，确保万无一失。

II.在数控机床中您常听说的刀库，它的完整涵义是什么？

答：说到数控机床中的加工中心，必然要提到刀库，实际它是对整个自动换刀系统的总称。

而

刀库只是这个系统中最形象也是最重要的一个部分。这个系统应包括刀库、刀具交换机构，

以

及相关的控制元件。

12.刀库有哪几种结构形式，它们的特点是什么？

答：刀库的容量、布局，针对不同的加工中心，其形式也是五花八门。但是根据刀库所需的

容

量和取刀方式主要分以下几种：

1）单盘式刀库及无机械手换刀机构

单盘式刀库俗称斗笠式刀库（像个大斗笠），一般只能存16〜24把刀具。不能太多，太

多的话这个“斗笠”就太大了，放不下了。这种斗笠式刀库在换刀时整个刀库向主轴移动。

当

主轴上的刀具进入刀库的卡槽时，主轴向上移动脱离刀具，这时刀库转动。当要换的刀具对

正

主轴正下方时主轴下移，使刀具进入主轴锥孔内，夹紧刀具后，刀库退回原来的位置。

2）链式刀库及换刀机械手

链式刀库的特点是存刀多。一般都在20把以上，多的可以存100把。它是通过链条将要换

的刀具传到指定位置。由机械手把刀装到主轴上，全部换刀动作均采用电动机加机械凸轮的

结

构。结构简化、工作可靠，但是价格很高。4O2X*M7

斗笠式刀库的换刀时间为5〜7秒，而机械手的换刀时间是2〜3秒。斗笠式的刀库的换刀

时间虽说比机械手慢，可它不过也只有5〜7秒的时间。作为中国的企业这种效率完全可以

接受

了。所以要选哪种刀库关键还是看您的加工对象一般需要多少把刀。

对于刀库本身的品质，由于现在的刀库已经是专业化社会化生产。所以无论生产数控机床

的厂家是多么大，其刀库都是买来的。所以不管数控机床生产厂家的规模大还是小，就刀

库及

换刀装置而言都是在同一起跑线上的。2{/v.K5

到此为止，前面所讲的主要都是机械以及强电方面的内容，下面就要进入数字控制领域了。

也就是说我们要从前面的形象领域走进机抽象领域。所以您的思维方式也要调整一下了。因

为

“电”本身就是看不见、摸不着（也不敢摸）而又神通广大的东西。可是要买数控机床的企业

往往又是搞机械加工的。所以对“电子”就更感到陌生，其实这也没关系。因为您的企业必竟

5

是应用它，而又不是研究它。而您本人只是了解它而不是操作它。所以您可以把抽象的东西，

形象化的理解，充分打开您的想象力。

13.数控系统是由哪几个模块组成的，应如何较形象地理解它？

答：模块是在自动化控制技术中常用的一种形象化的说法。它是把某一种功能相对独立的一

组

元器件成品也可能还包括软件，形象地理解为了一个“块”，由此说来数控机床的数控系统也

是由若干个“模块”组成的。

1）微机控制系统：；D/T%a*M"u$I：_$R9i

数控机床的核心是数控系统，数控系统的核心是微机数控系统（就是几张电路板放在一

个盒子里）。微机控制的核心是中央处理器（通称CPU）一个长满脚的深色的薄的小方块，

就像

一个人一样。人的核心是脑袋，脑袋的核心是大脑，大脑的核心是中枢神经。#l*V”\0S3p&

k2）可编程控制器（简称PLC）:

PLC是用来实现辅助化控制的。如换刀、润滑、冷却等。它是微机系统的补充，目的是让

微机系统把全部精力用于对零件加工的高精度控制上。不要为其它的辅助的“后勤”琐事分散

精力。PLC按配置方式分内装型和外装型。但现在较高档次的PLC都采用内装型。3j+Q4

X/V+

3）进给伺服控制模块

数控机床对进给轴的控制要求很高，它直接关系到机床位置、控制精度。进给伺服系统

一般由速度控制与位置控制两个环节组成。

4）主轴控制模块

主要任务是控制主轴转速和主轴定位。主轴电机有交流伺服电机和交流变频电机。所以

相应的驱动装置也会为数字式交流伺服控制以及变频调速控制。*

5）测量模块完成主轴和进给的位置测量。检测装置有光电编码器、光栅尺等

6）输入、输出及通信模块完成程序的输入、输出，传递人、机界面所需的各种信息。

14.金属切削数控机床的结构特点有哪些？

答：1数控机床的特点

数控在GB中的定义是“用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制的一种方法”。现

代数控机床是集高新技术于一体的典型机电一体化加工设备。数控加工设备主要分切削加

工、

压力加工和特种加工（如数控电火花加工机床等）3类。切削加工类数控机床的加工过程能按

预定

的程序自动进行，消除了人为的操作误差和实现了手工操作难以达到的控制精度，加工精度

还

可以用软件来校正和补偿。因此，可以获得比机床精度还要高的加工精度及重复定位精度：

工

件在一次装夹后，能先后进行粗、精加工，配置自动换刀装置后，还能缩短辅助加工时间、

提

高生产率；由于机床的运动轨迹受可编程的数字信号控制，因而可以加工单件和小批量且形

式

复杂的零件，生产准备周期大为缩短。综上所述，数控机床具有精度高、效率高、自动化程

度

高和柔性好的特点。

从数控机床的生产现状和发展趋势看，由于微电子技术、信息处理技术等新技术、新工艺

6

在机床行业的渗透和应用，它与普通机床相比不仅在机械结构性能方面发生了“质”和“形”

的变化，且其外观造型也形成了自身独特的风格和特点。

2数控机床机械结构设计的特点

数控机床虽然也有普通机床所具有的床身和立柱、导轨、工作台、刀架等部件。但为了与

控制系统的高精度、高速度控制相匹配，对机床主机部分的结构设计还提出了高精度、高刚

度、

低惯量、低摩擦、无间隙、高谐振频率、适当的阻尼比等要求。由于机械结构形式是体现其

性

能的具体手段，是实现性能的核心因素（当然结构也受材料和工艺的影响），因此，数控机床

的

关键部件在结构设计中也有了重大变化。

2.1基础部件的结构特点

数控机床的基础件主要包括床身、立柱、工作台等支承件，它们的基本功能是支承承载和

保持各执行器官的相对位置。数控机床集粗精加工于一体，既要能够承受粗加工时大吃刀、

大

走刀的最大切削力、又要能够保证精加工时的高精度。因此，对基础件的结构设计在强度、

刚

度、抗振性、热变形和内应力等都提出了很高的要求。现行生产的数控机床采用的主要措施

有：

铸件采用全封闭截面，合理布置内部隔板和肋条，含砂造型或填充混凝土等材料，导轨面加

宽，

车床采用倾斜的床身和导轨还利于排屑，床身、立柱采用钢质焊接结构，可以明显提高其刚

度，

根据热对称原则布局还能增加散热隔热效果。

2.2主传动系统的结构特点

主传动系统实现各种刀具和工件所需的切削功率，且在尽可能大的转速范围内保证恒功率

输出，同时为使数控机床能获得最佳的切削速度，主传动须在较宽的范围内实现无级变速。

现

行数控机床采用高性能的直流或交流无级调速主轴电机，较普通机床的机械分级变速传动链

大

为简化。对加工精度有直接影响的主轴组件的精度、刚度、抗振性和热变形性能要求，可以

通

过主轴组件的结构设计和合理的轴承组合及选用高精度专用轴承加以保证。为提高生产率和

自

动化程度，主轴应有刀具或工件的自动夹紧、放松、切屑清理及主轴准停机构。最近日本又

开

发研制了新型的陶瓷主轴，重量轻，热膨胀率低，用在加工中心上，具有高的刚性和精度。

2.3进给系统结构特点

数控机床的进给系统是由伺服电机驱动，通过滚珠丝杠带动刀具或工件完成各坐标方向的

进给运动。为确定进给系统的传动精度和工作稳定性，在设计机械装置时，以“无间隙、低

摩

擦、低惯量、高刚度”为原则，具体措施有：①采用低摩擦、轻拖动、高效率的滚珠丝杠和

直

线滚动导轨：②采用大扭矩、宽调速的伺服电机直接与丝杠相联接，缩短和简化进给传动

链；

③通过消隙装置消除齿轮、丝杠、联轴器的传动间隙；④对滚动导轨和丝杠预加载荷，预

拉伸。

2.4数控回转工作台和自动交换工作台

数控镣、数控铳和加工中心，采用内部结构具有数控进给驱动机构特点的回转工作台，实

现圆周任意角度的分度和进给运动。对多工序数控机床，配置自动交换工作台，进一步缩短

辅

助加工时间。

2.5刀架系统

回转刀架，更换主轴换刀和带刀库的自动换刀系统及多刀架、多主轴布局对提高生产效率

和自动化水平发挥了重要作用。为使刀具在机床上迅速定位、夹紧，普遍采用标准刀具系统

和

机夹刀.

7

2.6数控附件

机床附件的作用是配合机床实现自动化加工。数控机床专用的附件有：①对刀仪，②自动

编程机，③自动排屑器，④物料储运及上下料装置，⑤自动冷却、润滑及各种新型配套件如

导

轨防护罩等。

3数控机床的外观造型特点

数控机床的外观大都采用线型简洁的板块组合式全封闭安全防护罩，配备有现代特征的集

操作、显示、控制于一体的操作面板，淘汰了普通机床各种操作手柄、手轮和线型复杂零散

的

多面型表面形态。安全防护罩可防止高压、大流量冷却液及铁屑飞溅，减少粉尘入侵，隔声

降

噪，有利于机床的精度保持和环境保护，真正体现了机、电、液一体化的特点。

依人机工程学宜人性原则设计的桌面式或悬挂式数控操作面版，是机床与操作者联系和信

息交流的唯一界面，指示灯、按钮、按键的数量与排列及CRT的设计，既适合人的操作特

性，又

利于人机间的协调与交流，通过视觉良好的键面色彩，标准化的象形符号意象抽取，能准确

反

映和传递两者间的信息、。

4结论

数控机床结构设计反映产品内在功能的深层特性，外观表达的是产品表层特性，对用户而

言，深层次的与产品使用密切相关的结构性能要通过表层的外观形态来传递和表达。全封闭

防

护罩虽然掩盖了机床的主体结构，却至少传达了数控机床这样几个方面的深层内含：①先进

的

数控数显装置；②对机床的精度和刚度使用的可靠性、安全防护性及环保等有严格要求；③

采

用先进标准的刀具系统及安装位置合理的自动换刀装置；④采用整套商品化、标准化的新型

配

套件、自动排屑、润滑和冷却装置等。概括为高精度、高效率、高自动化和机电液一体化。

15.常用的数控设备故障检测方法有哪些？

答：现在数控设备使用越来越广泛，随之而来的是如何保证设备的有效利用率，设备出现

故障时，要尽快将设备恢复正常使用。为了解决这个问题，首先要求维修人员应该有很高的

素

质，不但要求具有丰富的专业知识，如机电一体化技术、计算机原理、数控技术、PLC技

术、自

控技术、拖动原理、液压技术等，还要掌握机械加工常识和数控装置的简单编程，另外还要

具

有一定的英语水平，能够阅读英文技术资料•要有足够的资料，包括机、电、液图纸，机床

参

数备份，系统使用维修手册，PLC梯形图等。还要有一定量的备件。另外需要维修人员具

有一定

的经验，掌握一定的维修方法。笔者从事数控设备维修多年，积累了一定的经验，总结一套

维

修数控设备的方法，现介绍如下以供参考。

要搞清故障现象

当数控设备出现故障时，首先要搞清故障现象，向操作人员了解第一次出现故障时的情况，

在可能的情况下观察故障发生的过程，观察故障是在什么情况下发生的，怎么发生的，引起

怎

样的后果。只有了解到第一手情况，才有利于故障的排除，把故障过程搞清了，问题就解决

半了。搞清了故障现象，然后根据机床和数控系统的工作原理，就可以很快地确诊问题所在

并

将故障排除，使设备恢复正常使用。

如，一台采用美国BRYANT公司TEACHABLEm系统的数控外圆磨床在自动加工时，砂

轮将修

整器磨掉一块。为了观察故障现象并防止意外再次发生，将砂轮拆下运行机床，这时再观察

故

8

障现象，发现在自动磨削加工时，磨削正常没有问题，工件磨削完之后，修整砂轮时，砂轮

正

常进给，而砂轮修整器旋转非常快，很快就压上限位开关，如果这时砂轮没拆，肯定砂轮又

要

撞到修整器上。根据机床的工作原理，砂轮修整器由E轴伺服电机带动，用旋转编码器作

为位

置反馈元件。正常情况下修整器修整砂轮时，Z轴滑台带动E轴修整器移动到修整位置，

修整器

做30。~120。的摆动来修整砂轮。我们多次观察故障现象发现，E轴在压上限位开关时，在

屏

幕上E轴的坐标值只有60。左右，而实际位置大概在180。左右，显然是位置反馈出现问题，

但更换了位控板和编码器都没有解决问题。我们又经过反复的观察和试验，发现：E轴修

整器在

Z轴的边缘时，回参考点和旋转摆动都没有问题，要利用系统的报警信息。

现在数控系统的自诊断能力越来越强，设备的大部分故障数控系统都能够诊断出来，并采

取相应的措施，如停机等，一般都能产生报警显示。当数控设备出现故障时，有时在显示器

上

显示报警信息，有时在数控装置上、PLC装置上和驱动装置上还会有报警指示。这时要根

据手册

对这些报警信息进行分析，有些根据报警信息就可直接确认故障原因，只要搞清报警信息的

内

容，就可排除数控设备出现的故障。

如，一台采用德国SIEMENS810系统的数控沟道磨床，开机后就产生1号报警显示

“BATTERY

ALARMPOWERSUPPLY”,很明显指示数控系统断电保护电池没电,更换新的电池后（注意：

一定

要在系统带电的情况下更换电池），将故障复位，机床恢复使用。另一台采用S正MENS3系

统的

数控磨床，开机后屏幕没有显示，检查数控装置，发现CPU板上一个发光二极管闪烁，根

据说

明书，分析其闪烁频率，确认为断电保护电池电压低，更换电池后，重新启动系统故障消失。

如，一台采用日本FANUC0TC系统的数控车床，出现2043号报警，显示“HYD.PRESSURE

DOWN"，指示液压系统压力低。根据报警信息，对液压系统进行检查，发现液压压力确实

很低，

对液压压力进行调整使机床恢复了正常使用。

另一些故障的报警信息并不能反映故障的根本原因，而是反映故障的结果或者由此引起的

其它问题，这时要经过仔细的分析和检查才能确定故障原因，下面的方法对这类故障及没有

报

警的一些故障的检测是行之有效的。

16.目前国产数控机床现状怎么样？

答：2003年开始，中国就成了全球最大的机床消费国，也是世界上最大的数控机床进口国。

目前正在提高机械加工设备的数控化率，1999年，我们国家机械加工设备数控华率是5-

8%,

目前预计是15—20%之间。

一、什么是数控机床

车、铳、包!1、磨、锋、钻、电火花、剪板、折弯、激光切割等等都是机械加工方法，所谓机

械加工，就是把金属毛坯零件加工成所需要的形状，包含尺寸精度和几何精度两个方面。能

一

兀

成以上功能的设备都称为机床，数控机床就是在普通机床上发展过来的，数控的意思就是数

字

控制。给机床装上数控系统后，机床就成了数控机床。当然，普通机床发展到数控机床不只

B

加装系统这么简单，例如：从铳床发展到加工中心，机床结构发生变化，最主要的是加了刀

库，

大幅度提高了精度。加工中心最主要的功能是铳、馍、钻的功能。

我们一般所说的数控设备，主要是指数控车床和加工中心。

我国目前各种门类的数控机床都能生产，水平参差不齐，有的是世界水平，有的比国外落

后10—15年，但如果国家支持，追赶起来也不是什么问题，例如：去年，沈阳机床集团收

购了

9

德国西思机床公司，意义很大，如果大力消化技术，可以缩短不少差距。大连机床公司也从

德

国引进了不少先进技术。上海一家企业购买日本着名的机床制造商池贝。

近几年随着中国制造的崛起，欧洲不少企业倒闭或者被兼并，如马毫、斯滨纳等。日本经济

不景气，有不少在80年代很出名的机床制造商倒闭，例如：新泻铁工所。

二、数控设备的发展方向

六个方面：智能化、网络化、高速、高精度、符合、环保。目前德国和瑞士的机床精度最

高，综合起来，德国的水平最高，日本的产值最大。美国的机床业一般。中国大陆、韩国。

A

湾属于同一水平。但就门类、种类多少而言，我们应该能进世界前4名。

三、数控系统

由显示器、控制器伺服、伺服电机、和各种开关、传感器构成。目前世界最大的三家厂商

是：日本发那客、德国西门子、日本三菱；其余还有法国扭姆、西班牙凡高等。国内由华中

数

控、航天数控等。国内的数控系统刚刚开始产业化、水平质量一般。高档次的系统全都是进

口。

华中数控这几年发展迅速，软件水平相当不错，但差就差在电器硬件上，故障率比较高。

华中数控也有意向数控机床业进军，但机床的硬件方面不行，质量精度一般。目前国内一些

大

厂还没有采用华中数控的。广州机床厂的简易数控系统也不错。

我们国家机床业最薄弱的环节在数控系统。

四、机床精度

1、机械加工机床精度分静精度、加工精度（包括尺寸精度和几何精度）、定位精度、重

复定位精度等5种。

2、机床精度体系：目前我们国家内承认的大致是四种体系：德国VDI标准、日本J1S标

准、国际标准ISO标准、国标GB,国标和国际标准差不多。

3、看一台机床水平的高低，要看它的重复定位精度，一台机床的重复定位精度如果能达

到（）.005mm（ISO标准.、统计法），就是一台高精度机床，在0.005mm（ISO标准.、统计法）以

下，

就是超高精度机床，高精度的机床，要有最好的轴承、丝杠。

4、加工出高精度零件，不只要求机床精度高，还要有好的工艺方法、好的夹具、好的刀

具。

五、目前世界着名机床厂商在我国的投资情况

1、2000年，世界最大的专业机床制造商马扎克（MAZAK）在宁夏银川投资建了名为“宁

夏

小巨人机床公司”的机床公司，生产数控车床、立式加工中心和车铳复合中心。机床质量不

错，

目前效益良好，年产600台，目前正在建2期工程，建成后可以年产1200台。

2、2003年，德国着名的机床制造商德马吉在上海投资建厂，目前年组装生产数控车床和立

式加工中心120台左右。

3、2002年，日本着名的机床生产商大隈公司和北京第一机床厂合资建厂，年生产能力为

1000台，生产数控车床、立式加工中心、卧式加工中心。

4、韩国大宇在山东青岛投资建厂，目前生产能力不知。

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5、台湾省的着名机床制造商友嘉在浙江萧山投资建厂，年生产能力800台。

六、民营企业进入机床行业情况

1、浙江日发公司，2000年投产，生产数控车床、加工中心。年生产能力300台。

2.2004年，浙江宁波着名的铸塑机厂商海天公司投资生产机床，主要是从日本引进技术，

目前刚开始，起点比较高。

3.2002年，西安北村投产，名字象日本的，其实老板是中国人，采用日本技术。生产小型

仪表数控车床，水平相当不错。

七、军工企业技改情况

军工企业得到国家拨款开始于当年“大使馆被炸”，后来台湾陈水扁上台后，大规模技改

开始了，军工企业进入新一轮的技改高峰，我们很多军工企业开始停止购买普通设备。尤其

是

近3年来，我们的军工企业从欧洲和日本买了大批量的先进数控机床。也从国内机床厂哪

里采

购了大批普通数控机床，国内机床厂商为了迎接这次大技改，也引进了不少先进技术，争取

军

工企业的高端订单。听在军工企业的朋友讲，陈水扁如果再能"顶”三年，我们的整体水平

A

上一个台阶。

17.如何防制数控机床的爬行与振动？

答：数控机床中有很多明显的不正常现象，但在有一些经济数控系统中，却没有报警，即使

有

时出现报警，报警的信息表明也不是你所看到不正常现象的报警。机床出现爬行与振动就是

个明显的例子。机床以低速运行时，机床工作台是蠕动着向前运动：机床要以高速运行时，

就

出现震动。

关于机床爬行有的书上写着：由于润滑不好，而使机床工作台移动时摩擦阻力增大。当电

机驱动时，工作台不向前运动，使滚珠丝杠产生弹性变形，把电机的能量贮存在变形上。电

动

机继续驱动，贮存的能量所产的弹性力大于静摩擦力时，机床工作台向前蠕动，周而复始地

这

样运动，而产生了爬行的现象。然而事实并非如此，仔细看一下导轨面润滑的情况，就可以

断

定不是这个问题。机床爬行和振动问题是属于速度的问题。既然是速度的问题就要去找速度

环，

我们知道机床的速度的整个调节过程是由速度调节器来完成的。特别应该着重指出，速度调

节

器的时间常数，也就是速度调节器积分时间常数是以毫秒计的，因此，整个机床的伺服运动

是

一个过渡过程，是一个调节过程。

凡是与速度有关的问题，只能去查找速度调节器。因此，机床振动问题也要去查找速度调

节器。可以从以下这些地方去查找速度调节器故障：一个是给定信号，一个是反馈信号，再

个就是速度调节器的本身。

第一个是由位置偏差计数器出来经D/A转换给速度调节器送来的模拟是VCMD,这个信号

是

否有振动分量，可以通过伺服板上的插脚（FANUC6系统的伺服板是X18脚）来看一看它是

否在那

里振动。如果它就是有一个周期的振动信号，那毫无疑问机床振动是正确的，速度调节器这

部分没有问题，而是前级有问题，向D/A转换器或偏差计数器去查找问题。如果我们测

量结果

没有任何振动的周期性的波形。那么问题肯定出在其他两个部分。

我们可以去观察测速发电机的波形，由于机床在振动，说明机床的速度在激烈的振荡中，

当然测速发电机反馈回来的波形一定也是动荡不已的。但是我们可以看到，测速发电机反馈

的

11

波形中是否出现规律的大起大落，十分混乱现象。这时，我们最好能测一下机床的振动频率

与

电机旋转的速度是否存在一个准确的比率关系，譬如振动的频率是电机转速的四倍频率。这

时

我们就要考虑电机或测速发电机有故障的问题。

因为振动频率与电机转速成一定比率，首先就要检查一下电动机是否有故障，检查它的碳

刷，整流子表面状况，以及机械振动的情况，并要检查滚珠轴承的润滑的情况，整个这个检

查，

可不必全部拆卸下来，可通过视察官进行观察就可以了，轴承可以用耳去听声音来检查。如

果

没有什么问题，就要检查测速发电机。测速发电机一般是直流的。

测速发电机就是一台小型的永磁式直流发电机，它的输出电压应正比于转速，也就是输出

电压与转速是线性关系。只要转速一定，它的输出电压波形应当是一条直线，但由于齿槽的

影

响及整流子换向的影响，在这直线上附着一个微小的交变量。为此，测速反馈电路上都加了

滤

波电路，这个滤波电路就是削弱这个附在电压上的交流分量。

测速发电机中常常出现的一个毛病就是炭刷磨下来的炭粉积存在换向片之间的槽内，造成

测速发电机片间短路，一旦出现这样的问题就避免不了这个振动的问题。

这是因为这个被短路的元件一会在上面支路，一会在下面支路，一会正好处于换向状态，

这3种情况就会出现3种不同的测速反馈的电压。在上面支路时，上面支路由于少了一个

元件，

电压必然要小，而当它这个元件又转到了下面支路时，下面的电压也小，这时不论在上面支

路，

还是在下面支路中，都必然使这两条支路的端电压下降，且有一个平衡电流流过这两条并联

的

支路，又造成一定的电压降。当这个元件处于换向，正好它也处于短路，这时上下两个支路

没

有短路元件，电压得以恢复，且也无环流。这样，与正常测速发电机状态一样。为此，三种

不

同情况下电压做了一个周期地变化，这个电压反馈到调节器上时，势必引起调节器的输出也

做

出相应地，周期地变化。这是仅仅说了一个元件被短路。特别严重时有一遍换向片全部被碳

粉

给填平了，全部短路，这样就会更为严重的电压波动。

反馈信号与给定信号对于调节器来说是完全相同的。所以，出现了反馈信号的波动，必然

引起速度调节器的反方向调节，这样就引起机床的振动。

这种情况发生时，非常容易处理，只要把电机后盖拆下，就露出测速发电机的整流子。这

时不必做任何拆卸，只要用尖锐的勾子，小心地把每个槽子勾一下，然后用细砂纸光一下勾

起

的毛刺，把整流片表面再用无水酒精擦一下，再放上炭刷就可以了。这里特别要注意的是用

尖

锐的勾子去勾换向片间槽口时，别碰到绕组，因为绕组线很细，一旦碰破就无法修复，只有

重

新更换绕组。再一个千万不要用含水酒精去擦，这样弄完了绝缘电阻下降无法进行烘干，这

样

就会拖延修理期限。

除了我们上面讨论过这些引起振动的原因外，还可能是系统本身的参数引起的振荡。众所

周知；一个闭环系统也可能由于参数设定不好，而引起系统振荡，但最佳的消除这个振荡方

法

就是减少它的放大倍数，在FANUC的系统中调节RV1,逆时钟方向转动，这时可以看出

立即会明

显变好，但由于RV1调节电位器的范围比较小，有时调不过来，只能改变短路棒，也就是

切除

反馈电阻值，降低整个调节器的放大倍数。

采用这些方法后，还做不到完全消除振动，甚至是无效的，就要考虑对速度调节器板更换

或换下后彻底检查各处波形。

在这个实例中，出现爬行时，电机是在低速，一旦提高速度就震起来，这时电流就可能出

现过流报警。产生这种报警的原因是机床工作台面为了迅速跟限反馈信号的变化而变化，必

须

有一个很大的加速度才行，这个加速度就是由电机的转矩给出的。电机转矩的变化来响应这

个

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速度给定信号（实际上是反馈信号）的变化。转矩就是电流信号。大的转矩，就是大的电流信

号

造成的，在电流环中出现了一个电流的激烈变化，从而出现了过电流现象。在振动时不报警,

而在振动加大时，出现了过电流报警。

从这个例子中，我们可以这样总结：位置问题去找位置环，而速度问题去找速度环。所谓

位置环就是研究零件加工的尺寸问题，零件的尺寸的精度要去研究位置环。当然，零件尺寸

的

重复精度还和基准点有关，我们在后面还要讨论基准点返回问题。但总的说来，尺寸问题，

位

置问题，要求考虑的对象是位置环，或者说与位置环有关的部分应是考虑的主要对象。速度

的

问题就要去研究速度环以及与速度环有关的部分。

加工零件形状有了问题，这显然是由几个轴进行插补造成的。这就是NC对轴进行的脉冲

分

配，那么如果我们认为NC对轴的脉冲分配是正确的（常常是这样，很少遇到是NC出了毛

病，或

插补软件出了毛病而出现形状不对的现象），那么各轴在忠实地执行NC的指令上肯定存在

问题。

我们可以去查各个轴伺服单元存在的问题。我们如果想加工一条有一定斜率的直线，那么这

两

个轴的速度要按斜率的比率关系给定。

由于数控机床是机电一体化产品，这里边影响机床正常工作的因素很多，例如上面我们曾

讨论过的加工形状误差的原因，除了电气方面的问题之外，我们在数控机床的验收一节中曾

经

讨论过失动量的测定，这也是影响加工的几何形状一个重要问题，这个机械方面的问题也与

电

气的问题混在一起，这种情况就十分难以分辨出到底哪个因素在这个问题中的比重占有多

少。

这些相关的因素是制约我们迅速查出故障的重要因素。

18.机床数控化改造机电如何设计和联调？

答：一、机床数控化改造的必要性

数控技术是先进制造技术的核心技术，它的整体水平标志着一个国家工业现代化的水平和

综合国力的强弱，具有超越其经济价值的战略物资地位。目前我国企业机械制造整体水平与

发

达国家相比还有很大的差距。由于我国企业大部分数控机床和数控系统依赖进口，企业承受

不

了巨额购置费，且易受国外的控制，另外数控机械设备维修力量薄弱，进口的备件维修成本

高，

设备完好率低，大部分进口机床数控系统已经崩溃，有的甚至在进口后还没使用就已因为各

方

面原因不能使用等等。因此目前我国企业机床数控化比例极低，不到5%,各企业使用的绝

大部

分为传统老式机床，很难满足企业高技术产品的生产需求和生产效率。为节约成本，进一步

发

挥老式传统机床的功效和潜在价值，将大批传统老式机床改造为数控机床是一种必然性和趋

势。

二、机床数控化改造的分类

机床的数控化改造可以分为以下几种：

1、其一是恢复原功能，对机床存在的故障部分进行诊断并恢复；

2、其二是NC化，在普通机床上加数显装置，或加数控系统，改造成NC机床、CNC机

床；

3、其三是翻新，为提高精度、效率和自动化程度，对机械、电气部分进行翻新，对机械部

分重新装配加工，恢复原精度：对其不满足生产要求的CNC系统以最新CNC进行更新；

4、其四是技术更新或技术创新，为提高性能或档次，或为了使用新工艺、新技术，在原有

基础上进行较大规模的技术更新或技术创新，较大幅度地提高水平和档次的更新改造。

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三、机床数控化改造的内容

下面按第三种改造方式以车床数控化改造为例，结合我公司在机床改造中的实际操作情况

介绍一下其改造的主要内容和主要结构形式。

1、进给轴的改造

普通车床的X轴和Z轴均由同一电机驱动，走刀运动经走刀箱传动丝杠及溜板箱，获得不

同的工件螺距即Z轴运动；走刀运动经走刀箱传动光杆及溜板箱，获得不同的进刀量即X

轴运

动。普通车床数控化改造时一般都去掉走刀箱及溜板箱，改用进给伺服（或步进）传动链分

别

代替，具体体现为：

Z轴：纵向电机T减速箱（或联轴器）一纵向滚珠丝杠T大拖板，纵向按数控指令获得不

同

的走刀量和螺距。

X轴：横向电机一减速箱（或联轴器）T横向滚珠丝杠一横滑板，横向按数控指令获得不

同

的走刀量。

改造后整个传动链的传动精度在保证机床刚性的前提下，与滚珠丝杠副的选择和布置结构

形式、机床导轨的精度情况等有很大的关系。

19.数控装置具有哪些运算功能？

答：数控装置要接受处理指令信息。指令信息的内容有逻辑动作控制以及形成几何轨迹运动

的

进给坐标数值计算控制。其