数控机床基础知识

数控机床基础知识

成都恩西科技有限公司

第一章概论

第一节数控机床的基本概念

-、什么是数控机床

数字控制(numericalcontrol)是近代发展起来的一种白动控制技术，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，简称为数控(NC，o

数控机床，就是采用了数控技术的机床，或者说是装备了数控系统的机床。

国际信息处理联盟(InternationalFederationofInformationProcessing,即IF1P)

第五技术委员会，对数控机床作了如下定义：

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,

或共他符号编码指令规定的程序。

定义中所指的那种程序控制系统，就是所说的数控系统。

数控系统是一种控制系统，它自动阅读输人载体上事先绐定的数宇值，并将其泽码，

从而使机床动作和加工零件。

数控系统包括：数控装置、可编程序控制器、主轴驱动及进给驱动装置等部分。

数控机床是一种高度机电一体化的产品。

二、数控机床是怎样加工机械零件的

金属切削机床加工零件，是操作者根据图样的要求，不断地改变刀具与工件之间

的运动参数(位置、速度……等)，使刀具对工件进行切削加工，最终得到所需要的合

格的零件。

数控机床的加工，是把刀具与工件的运动坐标分割成一些最小的单位量，即最小

位移动量，由数控系统按照零件程序的要求，使坐标移动若干个最小位移量，从而来

实现刀具与工件的相对运动，以完成零件的加工。

在数控加工中，使数控机床动作的是数控装置给数控机床传递运动命令的脉冲群,

每一个脉冲对应于机床的单位位移量。

在进行曲线加工时，可以用一个给定的数学函数来模拟曲线段。

根据给定的数学函数，如线性函数、圆函数或高次函数，在理想的轨迹或轮廓上的已

知点之间，进行数据点的密化，确定一些中间点的方法，称之为插补。

按照规定的直线，给出两端点间的插补数字信息，并借此信息控制刀具的运动，

加工出理想的曲面，称为直线插补。

而按照规定的圆弧、其它二次曲线或高次函数，给出两端点间的插补数宇信息，

控制刀具运动，加工出理想的曲面，则称为圆弧补、二次曲线插步（如抛物线插补）或

高次函数插补（如螺旋线插补）等。

处理这些插补的算法，称之为插补运算。

数控装置，也就是一台能够接受零件图样加工耍求的信息，并按照一定的数学模型进

行插补运算并实时地向各坐标轴发出速度控制指令及乜削用量的特殊用途的电子计

算机。

除了数控装置以外，为了使数控机床能够运转，还需要有一个有足够的功率，能

快速晌应的驱动装置。

点位控制和直线控制一般是单轴或两轴联动，而连续轨迹控制则是两轴或两轴以

上的联动。当然，数控机床要实现数控加工，还必须有能满足和实现上述加工方式要

求的机床主机、刀具以及其他一整套辅助、配套设备。

所以，只要具备了数型装置、驱动装置、机床主机以及相应的配套设备.就可以

组成一台数控机来完成各种零件的数控加工。

三、为什么要发展数控机床

近代大工业生产大量采用了刚性自动化。在汽车工业及轻工消费品生产方面，采

用了大量的组合机床自动线,，生产流水线；在标准件（如螺钉，螺母及带轮等）的生产

中则采用凸轮控制等用于痔殊加工的专用机床。这类机床，适合于大批量零件的生产,

但由于建立制造过程较难，所以更换产品及修改生产工艺需要较长的时间和比较多的

费用。

进人80年代以来，由于市场竞争激烈，产品更新极为迅速，中、小批量零件的生

产越来越多。对于一些工业国家来说，中、小批零件的生产几乎可以占到产品数量的

75%-80%o而且.随着航空工业、汽车工业以及轻工消费品生产的高速增长，复杂图

形的零件越来越多，精度要求也越来越高。这就使得传统的刚性自动化不能满足要求,

而柔性加工的重要性更加突出，可调的柔性自动化也就迅速地发展起来。

数控机床就是实现柔性自动化最重要的装备，是发展柔性生产的基础。

数控机床的优点：

1）能完成很多普通机床难以完成，或者根本不能加工的复杂型面的零件加工。因

此，数控机床首先在航空、航天等领域获得应用。在复杂型面的摸具加工中，在蜗轮

叶片及螺旋桨的加工中，也都得到了广泛的应用。

2）采用数控机床，可以提高零件的加工精度，稳定产品的质量。由于数控机床是

按照预定的程序自动加工，加工过程不需要人工干预。而且加工精度还可以利用软件

来进行校正及补偿。因此，可以获得比机床本身精度还要高的加工精度及重复精度。

3）可以提高生产率。采用数控机床比普通机床可提高生产效率卒2〜5倍。尤其对■

某些复杂零件的加工，生产效率可提高十几倍甚至几十倍。

4）可以实现一机多用。一些数控机床，例如加工中，车削中心等，都可以自动换

刀。一次装卡后，几乎能完成零件的全部加工部位的加工，可以替代5〜7台普通机床。

5）几乎不需要专用的工装卡具。采用普通的通用工夹具，只需更换零件程序，就

可适应不同品种及尺寸规珞零件的自动加工。

6）减少了在制品，从而加速了流动资金的周转，提高经济效益。

7）大大减轻了工人的劳动强度。

从以上可以看出，数控机床不仅可以节约劳动力，提高劳动生产率，而且可以提

高产品质量，对开发新产品和促进老产品的更新换代、加速流动资金运转和缩短交货

期，都起着很大作用。

但是，数控机床的初期投资及维修技术等费用较高，要求管理及操作人员的素质

也较高。合理地选择及使用数控机床，可以降低企业的生产成本和提高企业的经济效

益与竞争能力。

综上所述，对于单件、中小批量生产；形状比较复杂，精度耍求较高的零件加工;

产品更新频繁，生产周期要求短的加工，大都采用数控机床，可以提高产品质量，降

低生产成本，满足川户的要求，获得很好的经济效益。

第二节数控机床的构成及分类

一、构成

数控机床一般由以下几个部分组成。

1）主机是数控机床的主体，包括床身、立柱、主轴、进给机构等机械部件。

2）CNC装置是数控机床的核心，包括硬件（中央处理单元、I/O接口、人机交互界

面、输入装置等）以及相应的控制软件。

3）驱动装置是数控机床执行机构的驱动部件，包括主轴驱动单元、进给驱动单

元、主轴电机及进给电机等。

4）数控机床的铺助装置指数控机床的一些必须的配套部件，用以保证数控机床

运行。它包括液压和气动装置、排屑装置、交换工作台、数控转台和数控分度头，还

包括刀具及监控检测装置。

5）编程机及其他一些附属装备。

二、功能和特点

（-）主机

主机是数控机床的主体，是用于完成各种切削加工的机械部分。根据不同的零作

加工要求，有车床、铳床、钻床、镂床、磨床、重型机床、电加工机床以及其它类型。

与普通机床不同的是，数空机床的主机结构上具有以下特点；

1）由于大多数数控机床采用了高性能的主轴及伺服传动系统，因此，数控机床的

机械传动结构得到了简化，传动链较短。

2）为了适应数控机床连续地自动化加工，数控机床机械结构具有较高的动态刚度,

阻尼精度及耐磨性，热变形较小。

3）更多地采用高效传动部件，如滚珠丝杠副，直线滚动导轨等。

（二）CNC（ComputerizedNumericalControl）装置

这是数控机床的核心。用于实现输入数字化的零伸程序，并完成输入信息的存储、

数据的变换、插补运算以及实现各种控制功能。

现代数控机床的数控装置都具备下面一些功能。

1）多坐标控制（多轴联动）。

2）实现多种函数的插补（直线、圆瓠、抛物线等），

3）代码转换（EIA/ISO弋码转换、英制/公制转换、二-十进制转换、绝对值/增量

值转换等）。

4）人机对话、手动数据输人，加工程序输人，编辑及修改。

5）加工选择，各种加工循环，重复加工、凹（凸）模加工，镜象加工等。

6）可实现各种补偿功能，进行刀具半径、刀具长度、传动问隙、螺距误差的补偿。

7）实现故障自诊断。

8）CRT或LCD显示，实现图形、轨迹、字符显示。

9）联网及通信功能。

（三）驱动装置

驱动装置是数控机床次行机构的驱动部件。

普通机床的主轴和进给系统，主要由电机驱动进给箱及主轴箱的齿轮来实现运动

和变速。而数控机床主轴和进给则是由数控装置发出进给指令，通过电气或电液伺服

系统实现的。当几个进给轴实现了联动时，机床就可以完成点位、直线、平面曲线或

空间曲面的加工。

一般来说，数控机床的伺服驱动，要求有好的快速响应性能，能灵敏而准确的跟

踪由数控装置发送来的数字指令信号。

（四）数控机床的辅助装置

它是保证数控机床功能充分发挥所需要的配套部件。

由于这些配套装置包括的面很广，有电器、液压、气动元件及冷却、排屑、防护、

润滑、照明、储运等一系列装置，它对开发数控机床本身的功能具有很大的作用，因

此受到了各产业部门的重视，发展极为迅速。

（五）程编机及其他一些附属设各

现代数控机床，不仅可以利用CNC装置上的键盘直接输人零件的程序，也可以利

用自动程编机，在机外进行零件的程序编制，将程序记录在信息载体上（如纸带、磁

带、磁盘、U盘等），然后送入数控装置。对于较为复杂的零件，一般都是采用这种办

法。对这种方式，我们称为自动程序编制，或计算机辘助程序编制。

大型的，特殊曲面的零件程序，往往要用计算机来实现，并利用计算机的通用外

围接口，如RS-232串口、U盘接口以及存储卡接口来同CNC装置进行零件程序的传送。

现在随着微电子技术及计算机软件技术的发展，大多数零件的程序编制工作，都

由计算机来实现了。为了便于使用，一些公司还可以提供一些专用的程编机，并配有

完整的附属设备。使用专用的程编软件，可以方便的高质量的编制出各种需要的零件

程序。

目前在模具加工行业中应用得比较广泛的计算机辕助设计编程的软件有

MastcrCAMsProle等著名软件。

三、数控机床的分类

对于数控机床，我们可以从不同的角度对其进行分类。

（一）按控制系统的特点分类

1.点位控制数控机床

对于一些孔加工用数控机床，只要求获得精确的孔系坐标定位精度，而不管从一

个孔到另外一个孔是按照叶么样的轨迹运动，如坐标钻床，坐标锋床及冲床等，就可

以采用简单而价格低廉的点位控制系统。

这种点位控制系统，为了确保准确的定位，系统在高速运行后，一般采用3级减

速，以减减小定位误差。但是由于移动件本身存在惯性，而且在低速运动时，摩擦力

有可能变化。所以即使驱动装置停止运动后，工作台并不立即停止，形成定位误差A

d,而且这个值有一定的分散性。

2.直线控制数控机床

某些数控机床不仅要求具有准确定位的功能，而且要求从一点到另一点之间按直

线移动，并能控制位移的速度。因为这一类型的数控机床在两点间移动时，要进行切

削加工。所以对于不同的刀具和工件，需要选用不同的切削用量及进给速度。

这一类的数控机床包括：数控键铁床、数控车床、加工中心等。一般情况下这些

数控机床，有两个到三个可控轴。

为了能在刀具磨损或更换刀具后，可得到合格的零件，达类机床的数控系统常常具有

刀具半径补偿功能、刀具长度补偿的功能，和主轴转速控制的功能。

3.轮廓控制的数控机床

更多的数控机床，具有轮廓控制的功能，即可以加工曲线或者曲面的零件。这类

机床有二坐标及二坐标以上数控铳床，可加工曲面的数控车床，加工中心等。

这类数控机床应能同时控制两个或两个以上的轴并具有插补功能，能对位移和速

度进行严格的不间断控制

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

系列补偿功能。

按照可联动（同时控制）轴数，且相互独立的轴数，可以有2轴控制、2.5轴控制、

3轴控制、4轴控制、5轴控制等。

2.5轴控制（两个轴是连续控制，笫三轴是点位或直线控制）的原理，实现了三个

主要轴x,Y,z内的两维控制。

3轴控制是三个坐标轴X,Y,z都同时插补，是三维连续控制。

5轴连续控制是一种很重要的加工形式，这时3个直线坐标轴X,Y,z,与转台的

回转，刀具的摆动，同时联动（也可以是与两轴的数控/台联动，或刀具做两个方向

的摆动）。

由于刀尖可以按数学规律导向，使之垂直于任何双倍曲线平面（doublecurve）,因此

特别适合于加工叶片、机翼等。

（二）按执行机构的伺服系统类型分类

1.开环伺服系统数控机床

这是比较原始的一种数控机床，这类机床的数控系统将零件的程序处理后，输出

数字指令信号给伺服系统，驱动机床运动。没有来自位置传感器的反馈信号。最典型

的系统就是采用步进电机的伺服系统。这类机床较为经济，但是速度及精度都较低。

因此，目前在国内，仍作为一种经济型的数控机床，多用于对旧机床的改造。

2.闭环伺服系统数控机床

这类机床可以接受插补器的指令，而且随时接受工作台端

测得的实际位置反馈信号进行比较，并根据其差值不断地进行误差修正。这类数控机

床可以消除由于传动部件制造中存在的精度误差给工件加工带来的影响。

这种采用闭环伺服系统的数控机床，可以得到很高的加工精度，但是由于很多的机械

传动环节，如丝杠副、工作台都包括在反馈环路内，而各种机械传动环节，包括丝杠

与螺母、工作台与导轨的摩擦特性，各部件的刚性，以及位移测量元件安装的传动链

间隙等等，都是可变的，都直接影响伺服系统的调节参数。有一些是非线性的参数，

因此闭环系统的设计和调整都有较大的难度。设计和调整得不好，很容易形成系统的

不稳定。

所以，闭环伺服系统数控机床，主要用于一些精度要求很高的锋铳床、超精车床、超

精铳床等。

3.半闭环伺服系统的数控矶床

大多数数控机床是半闭环伺服系统，将测量元件从工作台移到电机端头或丝杠端

头。这种系统的闭环环路内不包括丝杠、螺母副及工作台，因此可以获得稳定的控制

特性：而且由于采用了高分辨率的测量元件，可以获得比较满意的精度及速度。

（三）按数控装置类型分类

1.硬件式数控机床（即NC机床）

这是早期的数控机床，数控装置中的输人、运算、插补运算以及控制功能均由集

成电路或晶体管等器件组成。一般来说，不同的数控机床都需要专门设计不同的逻辑

电路。这类数控机床数控装置的通用性较差，因其全部由硬件组成，所以功能和灵活

性也较差。因此，这类机床现在已基本不再使用。

2.软件式数控机床（即CNC机床）

70年代中期，随着微电子技术的发展，芯片的集成度越来越高。利用中、大规模

及超大规模的集成电路，组成CNC装置成为可能。采用这一类装置的数控机床，其主

要的功能，几乎全由软件来实现，对于不同的数控机床，只需编制不同的软件就可以

实现。而硬件几乎可以通用。这就为硬件的大批量生产提供了条件。批量生产有利于

保证产品的质量、缩短生产周期，降低生产成本，所以现代数控机床，都采用CNC装

置。

这种软件式数控，由于有很高的柔性，给机床厂以及机床的用户以很大的方便。

他们可以根据各自的需要开发出不同的用户程序，使得数控机床的应用更为广泛，尹

能深入到机械加工业的备个领域中去。

（四）按加工方式分类

1.金属切削类数控机床

如数控车床、加工中心、数控钻床、数控磨床、数控辕床等。

2.金属成型类数控机床

如数控折弯机、数控弯管或、数控回转头压力机等。

3.数控特种加工机床

如数控线（电极）切割机床、数控电火花加工机床、数控激光（等离子）切割机床等。

4o其他类型的数控机床

如火焰切割机、数控三坐标测量机等。

（五）按照功能水平分类

可以把数控机床分为高、中、低档（经济型）三类：

这种分类方法，目前在我国用的很多，但是因为没有一个确切的定义，所以涵意不很

明

确。我们习惯地按照以下功能水平进行分类界定。

1.分辨率和进给速度

分辨率为10um,进给速度在8〜15m/min为低档;分辨率为lum,进给速度为15〜

24m/min为中档；分辨率为0.lum,进给速度为15〜lOOm/inin为高裆。

2.伺服进给类型

采用开环、步进电机进给系统为低档；中高档则采用半闭环的直流伺服系统及交

流伺服系统（也包括采用反环伺服系统）。

3.联动轴数

低档数控机床最多联动轴数为2〜3轴，中、高档见为2〜4轴或3〜5轴以上。

4.通信功能

低档数控一般无通信功能。中档可以有RS-232或DNC（directnumerical

control直接数字控制）接n。高档的还可有MAP（manufacturingautomationprotocal

制造自动化协议）通信接口，具有联网功能。近期的CNC装置还具备存储卡和U盘接口。

5.显示功能

低档数控一般只有简单的数码管显示或简单的CRT、LCD基本信息显示。而中档数

控则具有较齐全的CRT、LCD信息显示，不仅有字符，而且有图形，人机对话，自诊

断等功能。高档数控还可以有三维图形显示。

6.内装PC（progranmiablecontroller可编程控制器）

低档数控一般无内装PC,中、高档数控都有内装PC。高档数控具有强功能的内装

PC,有轴控制的扩展功能。

7.iCPU（centralprocessingunit中央处理单元）

低档数控一般采用8位CPU,中档及高档已经逐步的由16位CPU向32位CPU过渡。目

前国外的一些新的数控系统已经选用了64位CPU,并选用具有精简指令集的RISC中央

处理单元，以提高运算速度。

根据以上的一些功能及指标，就可以将各种类型的产品分为低、中、高档三类数控系

统。

所谓经济型数控，都是相对标淮型数控而言。在不同的国家和不同的时期含意是

不同的。其目的是根据实际机床的使用要求，合理地简化系统以降低产品价格。

在我国，把由单板机、单片机和步进电机组成的数控系统和其它功能简单、价格

低的系统称为经济型数控。主要用于车床、线切割机床、以及老机床改造等。它是属

于低档数控的一种，目前在我国，这类数控有一定批量的生产。

区别于经济型数控，则把功能比较齐全的数控系统，称为全功能数控，或称标淮

型数控。

第三节典型的数控机床

数控机床的种类很多，几乎各种类型的机床，都有成功的数控产品。下面介绍几

种典型的数控机床产品，其中数控车床、数控钱床、加工中心、数控钻、镂床、数挖

磨床、数控电加工机床及一些特殊类型的数控机床。

由于每一类机床，品种都很多，功能和应用范围也有差别。受篇幅限制，这里不

能一一列举，只能选择其中的主要品种进行简要介绍，以此了解数控机床的概貌。

一、数控车床

数控车床是目前使用最为广泛的数控机床，主要用于轴类和盘类回转体零件的加

工，能自动完成内外圆柱面、锥面、圆瓠、螺纹等工序的切削加工，并能进行切槽、

钻、扩、较孔等工作，特别适宜复杂形状零件的加工。

在车床上由程序确定主轴转速是很必要的，应该有刀具补偿功能，由程序选定刀

具并控制转塔刀架。对于工件轮廓形状不太复杂，有一个转塔刀架的数控车床，常常

采用手工编制程序。只有在加工复杂轮廓或同时有两把刀具进行加工时，才采用计算

机自动编制程序。

二、数控铁床

主要用于各类较复杂的平面、曲面和壳体类零件的加工。如各类模具、洋板、A

片、凸轮、连杆和箱体等0

铳削轮廓外形需要轨迹控制，而铳削框形面可以用直线控制。铳削平面零件只要

二轴轨迹控制。2.5轴控制是指用二轴作为轨迹控制，第三轴作逐行进刀运动。三轴

轨迹控制，则是切深运动也与其他两轴联动，这样可以进行空间铳削。

用于数控铳床的CNC系统必须具备刀具半径补偿和刀具长度补偿功能，当数控铳床用

于三维曲面模具加工时，加工程序只能采用计算机辅助编程才能实现。

三、数控仿形钱床

数控仿形铳床主要用于各种复杂型腔模具或工件的铳加工，特别对不规则的三维

曲面和复杂边界构成的工件更显示其优越性。

新型的数控仿形铳一般包括三个部分：

1.数控(CNC)功能

它具备一台数控铳床应有的标准数控功能。有用户宏程序，三轴联动，以及刀具

半径及长度补偿等。还可以有手动数据输人(MDI),前后台编辑等。

2.仿形功能

在机床上装有仿形仪，可以选用多种仿形方式，如笔式手动、双向、单

向钳位、轮廓、部分轮廓、三向，NTC(NumericalTracerControl数字仿型)等。还

可以有多种离模方式：如切线离模，法向离模，Z轴快退等。

3.数字化功能

在仿形加工的同时，要采集仿形指运动轨迹数据，并处理成加工所需的标准指令,

存人存储器，以后也可以利用存储的数据进行加工。所以要求有大量的数据处理的功

能。

四、加工中心

加工中心和数控车床一样，是目前世界上产量最高、应用最广泛的数控机床。它

主要用于箱体类零件和复杂曲面零件的加工，能进行铳镂、钻、攻丝等工序。因为它

具有自动换刀功能，工件一次装卡后，能自动地完成或者接近完成工件各面的所有加

工工序。

箱体类零件的加工中心一般是在镇、铳床的基础上发展起来的，可称为辕铳类加

工中心，习惯上简称为加工中心。

另外还有一类加工中心，是以轴类零件为主要加工对象。是在车床基础上发展起

来的。一般具有C轴控制，除可进行车削、镇削之外，还可进行端面和周面上任意部

位的钻削、铳削和攻丝加工。在具有插补功能的条件下，可以实现各种曲面铳削加工。

这类加工中心也设有刀库，根据加工工件的需要，配置相应的动力或非动力刀具。这

类加工中心，习惯上称为车削中心。

大多数加工中心带有纨迹控制。通常在同一系统内可以用增量数据输人(铳削外

形），也可以用绝对数据输入（定位），并可实现多轴同时移动，以缩小定位时间。主

轴转速由程序设定并可以定向停止。切削进给量和更换刀具也由程序来确定。

具有自动排屑功能，具备大流量冷却系统和刀具内部冷却装置，用以提高切削用量和

增加刀具的耐用度。具备全封闭防护罩及安全装置，防止铁屑和冷却液飞溅，保证操

作者安全。

五、数控钻床及镇床

由于加工中心的发展，绝大多数数控钻床已被加工中心所取代，但有些以钻为主

要工序的零件仍需应用数控钻床来加工。如：加工印刷电路板等，故数控钻床还有一

定的需要量，它是能自动进行钻孔的数控机床。

大多数钻床用点位控制，同时沿两轴或三个轴移动可以减少定位时间。

有时也采用直线控制，为的是进行平行于机床轴线的钻削加工。坐标钻床一般用作精

密镇孔。

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铃铳床具备直线或轨迹控制。多轴同时移动使定位更快捷。

自动程编可减少程编时间和程编差错，特别是对于有复杂而规则的孔系的工件，

如果用手工程编，则应该有固定加工循环。采用G代码（G81〜G89）,一个钻孔循环可以

包括:①快速接近；②以给定进给量钻孔到要求深度；③主轴停止旋转，刀具退出；

④刀具抬起，快速定位，淮备下一个钻孔循环。

钻削中心是一种可以进行钻孔、扩孔、较孔、攻丝及连续轮廓控制铳削的数控机

床。用于电气及机械行业中小型零件的加工。

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六、数控磨床

近年来，由于磨具、磨料的发展，磨削技术在金属加工中用得相当广泛。数控磨

床要实行多品种，中小批量零件的自动加工，需要具备以下功能：

I）零件搬运的自动化及工件识别功能。

2）砂轮自动交换及砂轮形状精度、安装精度的检查功能。

3）修整的数控化功能。

4）监视功能（砂糅工作寿命，加工精度机械控制功能）c

5）适应控制功赴（砂轮周转速度，砂轮切入等）。

6）具备自动磨削、自动成型修正砂轮、自动补偿、自动对刀、自动测量、及安全联

锁、安全保护（当砂轮冲击工件或砂轮冲压电机超过指定负载时，砂轮架即快退、停

止、并报警。）等功能。

对于高精度的数控磨床还需要CNC系统具有更高的分辨率。

现在用的最多的是数控外圆磨床、数控平面成型磨床及数控坐标磨床。

七、数控电加工机床

数控电加工机床是模具加工的重要设备。主要可以分为两大类，数控线切割机

床和数控电火花加工机床.

（一）数控线切割机床

在我国早期成功使用的最广泛的数控机床，就是数控线切割机床。线切割机床是

加工各类模具和精密零件的一种重要生产设备。目前机械、电器、电机、仪表、轻工

及国防等部门已广泛使用。它包括主机、脉冲电源及数控系统三个部分。由于结构筒

单，价格便宜、使用方便，在模具行业中得到广泛应用。数控系统一般是采用单板机

系统，称之为经济型数控炭切割机床。

新开发的数控线切割机床，是慢走丝数控电火花线切割机床，这类机床都采用半闭环

控制，设有精度补偿装置：数控系统内存容量大，控制功能更智能化。X,Y,U,V,

四轴控制，切割精度可达±0.005mm；切割表面粗糙度可达R。0.4um,最大切割速度

达250mm/min；切割锥度可达±30°0

（二）数控电火花成形机床

数控电火花成形机床有主轴头、电源、以及数控系统等部分。

主轴头有电源伺服主地头；力矩电机主轴头；直流电机伺服主轴头等。电源主要有

两种，晶体管电源和可控硅电源。近年还发展了中、精加工低损耗电源，微机控制电

源，超光电源等。

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八、柔性制造单元（FMC）

柔性制造单元是数控机床的扩展。

一般来说，可以是一台加工中心加上多工位交换工作台，也可以是车削加工中心

或其它CNC加工设备，加上挣搬运机器人等自动物料（工件、刀具、夹具）存储运输系

统。组成柔性加工单元。

对于先进的柔性制造单元，还装备了包括加工精度、切削状态和加工过程的自动

监控。因此，作为FMC的数控系统，要求能满足一台或多台数控机床和工件装置的集

成控制需要，实现加工，成型或联接等作业，自动完成产品制造过程中所需要的一些

或全部加工操作，能对设计针对的工件组进行可变批量或混流方式的加工生产。

九、数控重型机床

一般来说，金属切削机床的重量为10t以上者属大型机床、30t以上者属重型机床、

100t以上者属超重型机床。现代数控重型机床主要品种包括单柱和双柱数控立车、数

控刨台式镇铳床、数控落地铳键床、数控龙门镂铳床、数控卧式车床、数控立式滚齿

机等，以及在这些品种为基础上发展起来的加工中心、车削中心、柔性制造单元。

这些数控重型机床，除了有一般重型机床的特点外，由于数控是一种自动化加工,

因此还有以下特点；

1）数控重型机床的工件都较大，要求所配置的CNC系统具有更大的最大指令值，也就

是要有更大的内存容量和数据处理能力。

2）大型工件加工时间更长。要求数控系统有更高的可靠性。

3）一般来说，数控重型机床都采用大功率的主轴及伺服单元。

4）在数控重型机床上，要求装备更多的监控及检测系统，以保证正常的加工。避免

出现废品。

5）重型机床一般都有巨大的床身及传动链。因此，在重型机床的数控系统中要采用

间隙补偿及热变形补偿的汾能，用以提高重型机床的机械加工精度。

十、其他数控机床

这里介绍几种常用的板材和管料加工机床，如数控回转头压力机、数控步冲压力

机、数控弯管机、数控火焰切割机、数控激光热处理机、数控三坐标测量机。

（一）板材和管料数控加工机床

金属板材零件（包括金属板材焊接零件及管料），由于它的经济性和良好的工艺性,

在机器制造业，电子、汽车、农机能源、化工等各个行业都得到了广泛的应用。因此,

板材和管料加工成为金属加工的一个很重要的门类。板材和管料数控加工机床是近年

来才发展起来的一类数控机床。

在数控步冲压力机上，设有一对储存着若干套模具的转盘，加工板件夹持在夹钳

上，沿X轴和Y轴方向移动。工作时按设定程序，板件在沿X轴和Y轴方向定位，并任意选

择转盘上模具进行冲孔。也可以采用步冲方式，用小冲模冲出大的圆孔，方孔及饪意形

状的曲线孔。有的机型还具有两套模具自身回转的功能，可冲放射形孔、棱形孔及不

规则多边孔，从而进一步扩展了数控机床的功能。

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（二）数控火焰切割机和数控激光热处理机

数控火焰切割机是造船、锅炉、年辆及建筑机械制造中广泛应用的一种数控设备。

一般都是采用焊接结构的门型台车，可在地上敷设轨道（X轴向），前后移动。在台车上

有一个与X轴轨道垂直的轨道（Y轴向），气割枪座在Y轴上左右移动。通过台车的X方向

移动及气割枪的丫方向移动，可以进行任意封闭曲线的轮廓控制。

气割机的大小及气割俺数可以根据加工对象来决定，可分为10m,120nl的，重量有

几吨到十几吨的。

火焰切割机数控系统有其特殊要求，由于气割是利用氧气流使钢产生燃烧反应进

行工作的，因此在移动过程中不允许瞬时停顿。因为瞬时停顿会造成一个大短口。所

以气割用数控系统需要有读出一个程序段的功能扣缓冲寄存器。当发生逆火或切割差

错时，为了从中断处重新开始切割，要有原轨迹全程逆行返回功能。应具有坡口连续轨

迹切割功能（X,Y,C）及切口距离高度自动调整，比例缩放功能。

数控激光热处理机的特点是：激光束位置不变，工作台作X,丫方向移动。各传边光

束部件均设置调节环节，能迅速、准确地调整光束各坐标采用伺服电机和滚珠丝杠副

驱动，并且各导轨分别采用聚四氟乙烯塑料及直线滚动导轨，运动灵活，低速元爬行，

保证较高的定位精度。这种热处理机，可用于对金属零件表面进行激光相变硬化，激光

涂覆和激光合金化等激光热处理；也可用于激光切割和焊接。广泛应于汽车、机车车

辆、机床、纺织机械、印刷机械等行业，对板条类、轴套类和箱体类等零件进行激光

表面处理。采用三坐标联动，可以对零件进行空间曲面的表面处理。

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（三）数控三坐标测量系统

三坐标测量机，走一种高精、高效率、多功能的恻量仪器，它几乎可以测量任何几

何尺寸和形位误差。快速地完成复杂零件的三维空间尺寸的测量。

三坐标测量机的X、Y、Z三个坐标可以灵活的移动。三维测头对被测零件采样，显

示装置显示测量结果，并可进行数控处理。

结构上一般都采用金花岗石固定龙门式结构。

数控三坐标测量机可以预先选定被测量工件的许多点，用编程的方法或示数方法,

记录测量点的位置。然后即可白动的、反复的测量。这种机器多应用于生产线上。

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第四节数控机床的发展

一、数控机床发展简述

20世纪中期，随着电子技术的发展，自动信息处理，数据处理以及电子计算机的

出现，给自动化技术带来了新的概念，推动了生产机械自动化的发展。

采用数字技术进行机械加工，最早是在40年代初，由美国北密支安的一个小型飞

机工业承包商派尔逊斯公司(ParsonsCorporation)实现的。他们在制造飞机的框架

及直升飞机的转动机翼时，利用全数字电子计算机对机翼加工路径进行数据处理，并考

虑到刀具直径对加工路径的影响，并使其加工精度达到了±0.0015英寸。这在当时的水

平来看，是相当高的。

1952年，美国麻省理工学院在一台立式铳床上，装上了一套试验性的数控系统，成

功地实现了同时控制三轴的运动。这台数控机床被大家称为世界上第一台数控机床。

但是这台机床毕竟是一台试验性的机床，到了1954年11月，在派尔逊斯专利基础上，第

一台工业用的数控机床由美国本迪克斯公司(Rendix-Cooperation)生产出来。

在此以后，从1960年开始，其他一些工业国家，如德国、日本都陆续地开发、生产

及使用了数控机床。

数控机床最初出现并获得使用的是数控铳床，因为这种钱床解决了普通机床难于

加工的零件。

然而，由于当时的数控系统是采川电子管式，体积庞大、功耗高，因此除了在军事

部门使用外，其他行业几乎没有采用。

到了1960年以后，点位控制的数控机床得到了迅速的发展。因为点位控制的数控

系统比起轮廓控制的数控系统要简单得多。因此，数控钻床、冲床、坐标镂床大量的

发展。统计到1966年，实际使用的约6000台数控机床中,85%是点位控制的机床。

数控机床的发展中，值得一提的是加工中心的出现,这是一种具有自动换刀装置

的数控机床，它能实现工件一次装卡，而进行多工序的加工。这种产品最初是在1959年

3月，由克耐・杜列克公司OCeaney&TreckerCorp)简称K&T公司开发出来的。这种机床

在刀库中装有丝锥、钻义、铁刀、铳刀等刀具，根据穿孔带的指令自动选择刀具，并通

过机械手将刀具装在主轴上，可缩短机床上零件的装卸时间和更换刀具的时间。加工

中心现在已经成为数控机床中一种非常重要的品种。不仅有立式、卧式用于箱体加工

键铳类的加工中心，还有用于回转体加工的车削中心，以及磨削中心等。目前，美国、

德国和日本等一些工业先进国家加工中心的产量几乎占数控机床产量的50%左右。

1974年微处理机直接用于数控机床，进一步促进了数控机床的普及应用和大力发

展。

80年代初，国际上又出现了以1（或2〜3）台加工中心或车削中心为主体、再配上工

件自动装卸和监控检验装置的FMC（FlexibleManufacturingCell柔性制造单元）。

这种单元投资少、见效快，既可单独长时间少人看管运行，也可集成到FMS（Flexible

Manufacturingsystem柔性制造系统）或更高级的集成制造系统中使用。所以发展很

快，据1985年统计，美国、西欧和日本就有FMC约2100套c

当前、FMS正从切削加工向板材冷作、焊接、装配等领域扩展，从中小批量向大批乃至

单件发展。

FMC和FMS被认为是实现C1MS（ComputerIntegratedManufacfuringsystem计算

机集成制造系统）的必经阶段和基础。

二、中国数控机床发展撅况

我国数控机床是从1958年开始研制的，到现在已经历了50年的发展历程。50年代

未到60年代中，我国数控机床是处于研制、开发时期。当时，我国的一些高等院校、科

研单位，都投人了人力、物力从事数控机床的研制工作c开始也是从电子管着手的。

1965年，国内开始研制晶体管数控系统。60年代末和70年代初，研制的劈锥数控铳床、

非圆齿轮插齿机都获得了成功，在生产上发挥了明显的经济效益。1968年研制成了

CJKT8晶体管数控系统及〉：53KTG立式数控铳床。这一时期，数控机床的数量和品种不

多，但在少数复杂零件的加工中已经进入了试用阶段。

70年代初，数控技术在车、铳、钻、钱、磨、齿轮加工、电加工等领域全面展开,

数控加工中心也相继在上海、北京研制成功。

1976年5月，在第一机械工业部举办的“仪器、仪表、自动化装置展览会''上。去

展出了各类数控机床34种,40台，显示了当时我国的数控机床，已经进入了实用阶段。

70年代前期，国产的数控机床由于电子器件的质量知制造工艺水平差。致使数控

系统的稳定性、可靠性问题，未得到解决。另外，售价也较贵，因此未能广泛推广。而

在这一时期，数控线切割机床，由于结构简单，使用方便，价格低廉，在模具加工中

得到了推广，保持着年产600〜700台的水平。

根据国家统计局的资料，1973〜1979年，我国生产了数控机床4108台，其中数控线

切割机床占86%左右。

80年代初，随着我国实行改革、开放政策，我国先后从日本、美国等国家，引进了

部分数控装置及伺服系统的技术。并于1981年在我国开始批量生产。

这些数控系统稳定性好，可靠性高。使数控机床很快地在国内为用户所接受。推动了

我国数控机床的稳定发展,使我国的数控机床在质量、性能及水平上有了一个质的飞

跃。

1982年，青海第一机床厂生产的XHK754卧式加工中心，长城机床厂生产的CK7815

数控车床，北京机床研究所生产的JCSO18立式加工中心，上海机床厂生产的H160数控

端面外圆磨，都能可靠地进行工作。并陆续形成了批量生产。

1985年，我国数控机床的品种已有了新的发展，除了各类数控线切割机床以外，其

他类型的各种金属切削机床，也都有极大的发展。新品种总计45种，其中各种规格的支

式、卧式加工中心16种，卧式、立式数控车床11种，数控铳床11种，此外还有数控钻轻

床、磨床等。

在重型机床、锻压设备上也开发了数控新品种。例如:4m数控立车，镜杆直径为

160mm的数控落地镇铳床，以及401的数控冲模回转头压力机，也都陆续地研制出来。

为了跟踪国外的技术发展，北京机床研究所，在立式加工中心和卧式加工中心的基础

上，加上有10个工件位置的自动交换工作台(APC)。组成了柔性制造单元。这种具有多

工位的托盘自动交换装置的FMC,可以获得夜间(二、三班)无人看管自动加工。可以安

装不同工件，实现混流加工，用软件控制托盘的任选交换、识别工件，并按工件自动

调出相应的加工程字。

1985年以后，我国的数控机床，在引进、消化国外技术的基础上，进行了大量的开

发工作。到1989年底，我匡数控机床的可供品种已超过300种，其中数控车床占40%,加

工中心占27%,其他的品种为重型机床，健铳床，电加工机床，磨床，齿轮加工机床及拉

床等。

近10年来，随着我国基础工业、机床制造业、电子工业和软件制造业的高速发展,

我国已经成为数控机床消费和生产的大国，我国自行设计和生产的数控机床和数控系

统在技术功能和可靠性上已经达到了大批量生产和使用的程度，数控机床已经渗透到

国民经济生产的各个领域，为我国经济的高速增长发挥了巨大的推动作用。

三、数控机床豹发展趋势

随着科学技术的发展，制造技术的进步，以及社会对产品多样化的需求愈加强烈，

产品的更新换代加速，产品品种多样，中小批量生产的比重明显增加。要求现代数控批

床成为一种新的高效率，高质量、高柔性和低成本的新一代制造设备，满足市场需耍。

同时，为满足机械工业向更高层次发展，为柔性制造单元(FMC),柔性制造亲统(FMS)

以及计算机集成制造系统1C1MS)提供基础装备，现代数控机床正向更高的速度，更高

精度，更高的可靠性及更完善的功能发展。

(-)实现长时间地、连续地自动加工

普通机床在零件加工过程中，操作者总是根据图样的要求，不断地测量工件的尺寸，并

调节操作手柄，修正加工量的偏差。数控机床加工零件时，则可以完仝按照预定的程序

自动进行。操作者只需发出起动命令，并进行加工过程的监视。刀具的进给，工件的检

测，全部由数控系统完成，操作者都不需干预。还可以实现两班、三班的夜间无人管理

下运行。因此，在现代数控机床上，装有各种类型的监控、检测装置。对工件及刀具进

行监测。发现工件超差、刀具磨损、破损，都能及时的报警，并给予补偿，或对刀具进

行调换。以机床的自动化程度。保证数控机床长期工作时的产品质量。

(二)向高速度、高精度发展

现代机械制造业要求数控机床向高速化、高精度化、高机能化发展，以适应生产

的需要。现代数控机床都装备了新型的数控系统及伺服系统。有很高的分辨率和进给

速度，14到o.lum(24m/inin),lumdOO〜240m/min),在一些特殊要求的数控系统中，可

以达到0.01uin(400~800nim/niin)。

要提高速度，首先要提高数控系统的运算速度。现代数控系统已经开发出基于64位CPU

的系统，并采用了精简指令集运算的芯片RISC作为主CPU,进一步提高了运算速度。

与数控系统相配合，伺服系统的质量，直接关系至UCNC机床的加工精度。现代的数

控系统，采用了交流数字伺服系统。伺服电机的位置、速度及电流环都实现了数字化。

并采用了新型控制理论，实现了不受机械负荷变动影响的高速响应伺服系统。

1.前馈控制技术

过去的伺服系统，是把捡出伺服电机位置的检测器信号与位置指令的误差乘以位

置环的增益G的值，作为速度指令。这种控制方式在以进给速度F加工时，伺服系统的追

踪滞后是F/G,这使得在拐角加工及圆弧切削时加工精度恶化。所谓前馈控制，就是在

原来的控制系统上加上速度指令的控制方式。采用后能使伺服系统的追踪滞后减少二

分之一，拐角切削加工精度获得改善。

2.机床静止摩擦的非线性控制技术

对于一些具有较大静上摩擦的数控机床，其CNC系统如果没有采取有效的控制技

术，在圆弧切削时，圆度会较差。新型的数字伺服系统应具有补偿机床驱动系