数控机床 （模块一）数控机床的认知

数控机床模块一数控机床的认知

数控机床1.1数控机床的产生与发展1.2数控机床的应用1.3数控机床的构成与特点1.4数控机床的分类1.5

与机床加工性能相关的精度指标和运动性能指标1.6数控机床的发展趋势模块一数控机床的认知

一、数控机床的产生

数控机床的产生，是机械制造业发展的必然。1952年世界上第一台由专用电子计算机控制的三坐标立式数控铣床研制成功。

之后，经过改进和完善，这款数控铣床于1955年进入实用阶段，他标志着制造业和控制领域一个崭新时代的到来。

1.1数控机床的产生与发展

一、数控机床的产生

数控机床取代普通机床可以完成许多在普通机床上无法完成的工艺内容，使得产品质量大幅度提高，新产品开发周期明显缩短。如今，数控机床已经广泛应用于宇航、汽车、船舶、机床、轻工、纺织、医疗器械、电子、通用机械工程机械等几乎所有的制造行业。

1.1数控机床的产生与发展

二、数控机床的发展历程

数控机床问世以来，伴随电子技术、计算机技术和信息技术的不断发展，数控系统在不断更新,其发展历程经历两大阶段和六代产品。

第一阶段是采用数字逻辑电路制成的专用计算机作为数控系统，构成硬件连接数控；

第二阶段是将计算机作为数控系统的核心部件,也称为计算机数控。

数控机床发展历程可以用图1-1来描述

1.1数控机床的产生与发展

1.1数控机床的产生与发展图1-1数控机床的发展历程备注：图1-1若在屏幕上看不清楚，请看下一页文字描述

第一代（1952年）电子管元件分离原件

第一阶段第二代（1959年）晶体管元件

第三代（1965年）小规模集成电路

第四代（1970年）

小型通用计算机第二阶段第五代（1974年）

微型计算机

第六代（1990年）PC+CNC

1.1数控机床的产生与发展

一、数控机床加工的典型案例

1.加工回转体零件图1-2所示适合采用数控车床加工.

2.加工模具类零件模具加工一般是单件小批量生产，而且加工面多为形状复杂的曲面，适合采用数控铣床或加工中心加工。

图1-3模具

1.2数控机床的应用图1-2回转体零件辊轮

一、数控机床加工的典型案例

3.加工箱体类零件

箱体类零件的加工特点是有平面和孔系加工、加工精度要求高，需要经铣削、镗削、钻削等多工序加工。箱体类零件从毛坯到合格的工件要经过多次安装、调整和加工。

图1-4蜗轮减速器箱体零件适合采用带有回转工作台的卧式加工中心进行加工。图1-4蜗轮减速器箱体1.2数控机床的应用

一、数控机床加工的典型案例

4.加工整体结构叶轮

为满足整体叶轮在高温、高压、高转速条件下正常工作，选用的材料多为不锈钢、合金钢、耐高温钛合金等难切削材料。

采用五轴联动数控机床能准确的将整体叶轮的加工出来。图1-5整体叶轮

1.2数控机床的应用

二、数控机床加工的应用

自世界上第一台三坐标立式数控铣床诞生，至今已有70余年的历史，其间随着微电子和计算机技术的发展，数控系统的性能日臻完善，数控技术的应用领域日益扩大，世界先进制造技术日趋成熟。

目前，数控机床已经广泛应用于宇航、船舶、机床、汽车、轨道交通、能源（火电、水电、核电、风力发电等）、冶金、轻工、纺织、电子、医疗器件、通用机械、工程机械等几乎所有的制造行业。

1.2数控机床的应用

二、数控机床加工的应用

1958年原北京第一机床厂与清华大学合作，研制成功中国第一台数控铣床，由此开始了我国数控的发展历程。

目前我们国家已经成为全球最大的机床消费国和生产国。2012到2020年，我国新增金属切削机床的数控化率从25.8%提升到43.2%，但是相对于国际上制造强国机床数控化率60%以上的水平，我国机床数控化仍有很大的提升空间。

1.2数控机床的应用

一、数控机床的组成

数控机床是典型的机电一体化产品，主要由人机交互置、数控装置、伺服系统和机床本体四部分组成。图1-6数控机床的组成框图

1.3数控机床的构成与特点

一、数控机床的组成1．人机交互装置

数控机床的操作人员要通过人机交互装置对数控系统进行操作和控制。

2．数控装置

数控装置是数控机床最重要的组成部分。

3．伺服系统

伺服系统是由伺服控制电路、功率放大电路和伺服电动机组成的数控机床执行机构。

4．机床本体

机床本体是数控机床的主体，从布局到结构都充分考虑适应数控加工的特点，它是用于完成各种切削加工的执行部件。

1.3数控机床的构成与特点

二、数控机床的特点

1.适应范围广

2.生产准备周期短

3.工序高度集中

4.生产效率和加工精度高

5.能完成复杂型面的加工

6.有利于生产管理的现代化

数控机床相对普通金属切削机床价格高，如果使用和管理不善，容易造成浪费并直接影响经济效益。要求设备操作人员和管理者有较高的素质，严格遵守操作规程并履行管理制度

1.3数控机床的构成与特点

一、按加工工艺方法分类

（一）金属切削类数控机床

（二）特种加工类数控机床

（三）成形类数控机床

（四）3D打印

（五）其他类数控设备二、按运动方式分类

三、按伺服驱动的控制方式分类

1.4数控机床的分类

一、按加工工艺方法分类（一）金属切削类数控机床

1.车削类数控机床

数控车床上除了能够完成普通车床上的工艺内容外，还能完成各种复杂的内外回转表面的加工。

例如，加工如图1-7的手把零件。

图1-7数控车床

图1-8手把零件

1.4数控机床的分类

2.镗铣类数控机床

（1）数控铣床

普通铣床所能完成的工艺内容，数控铣床都能完成。且数控系统通过伺服进给机构可以同时控制两个或三个坐标轴的运动，即二轴联动或三轴联动。

1.4数控机床的分类

图1-9数控铣床

2.镗铣类数控机床

（1）数控铣床

数控铣床可以加工如图所示的具有曲线轮廓的平面凸轮、复杂的三维曲面凸模和连接板等零件。

图1-10平面凸轮

图1-12连接板零件

图1-11三维曲面凸模

1.4数控机床的分类

2.镗铣类数控机床

（2）加工中心

在普通数控机床上，加装刀库和自动换刀装置，构成一种带自动换刀系统的数控机床，称为加工中心。

发动机罩模具零件适合在立式加工中心上加工。

图1-13立式加工中心

图1-14发动机罩模具零件

1.4数控机床的分类刀库主轴

图1-15卧式加工中心

图1-16发动机机体

1.4数控机床的分类

（2）加工中心

卧式加工中心有四个坐标轴，X、Y、Z轴，工作台可以做回转运动B轴。图1-16的工件一次安装，可以加工四个面.主轴刀库

（3）钻削中心

带有转塔主轴头的钻削中心，转塔上安装有多个主轴头。钻削中心主要完成钻孔、扩孔、铰孔、锪孔和攻螺纹等工艺内容，还可以完成简单的铣削功能。

图1-17钻削中心

1.4数控机床的分类刀具转塔主轴头

3.复合类数控机床

复合类数控机床包括主流的车铣复合或铣车复合机型，还有镗铣珩磨复合、车磨复合、激光切割冲切复合机床等。

图1-18DMU80FD五轴加工中心1.4

数控机床的分类

4.磨削类数控机床

包括外圆磨、内圆磨、万能磨、平面磨、成形磨、珩磨复合磨、专用磨床等。数控平面磨床有三个坐标轴:工作台2纵向移动进给、磨头1沿垂直拖板上下移动进给，磨头随立柱的横向移动进给。

图1-19数控平面磨床1.4

数控机床的分类砂轮角度修整器5.齿轮加工类数控机床

主要有数控滚齿机、数控插齿机、数控铣齿机和数控磨齿机等。图示的数控滚齿机有6个坐标轴：滚刀进刀为X轴、滚刀沿工件轴向走刀为Z轴、刀架窜刀为Y轴、刀架旋转为A轴、主轴的旋转为B轴、工件旋转为C轴。

图1-20a)YK3132数控滚齿机

1.4数控机床的分类

5.齿轮加工类数控机床

在YK3132数控滚齿机上可以加工直齿圆柱齿轮、斜齿圆柱齿轮、锥齿轮和双联齿轮。图示为数控滚齿机加工斜齿圆柱齿轮的加工区域。

图1-20b)加工斜齿轮

1.4数控机床的分类斜齿轮工件滚刀

关于滚切齿轮的窜刀：

★滚齿加工是展成法原理来加工齿轮，齿轮与滚刀之间可看作无啮合间隙的齿轮与齿条传动。当滚齿旋转一周时，相当于齿条在法向移动一个刀齿，滚刀的连续传动，犹如一根限长的齿条在连续移动。

窜刀：滚刀参与切削的刀齿负荷不等，磨损不均，当负重的刀齿磨损到一定程度时，应将滚刀沿其轴向移动一段距（即轴向窜刀）后，继续切削，以提高刀具的使用寿命。

1.4数控机床的分类如图所示，加工右旋齿轮时，刀架角度是里高外低，窜刀起点为滚刀芯轴右侧（里侧），窜刀方向：向里侧，齿轮旋转方向：逆时针。

1.4数控机床的分类窜刀起点窜刀终点如图所示，加工左旋齿轮时，刀架角度是里低外高，窜刀起点滚刀为芯轴左侧（即外侧），窜刀方向：向外侧，齿轮旋转方向：顺时针

1.4数控机床的分类窜刀起点窜刀终点

（二）特种加工类数控机床

特种加工类数控机床包括数控电火花加工机床、数控等离子切割机、数控激光加工机床、数控超声波加工机床等。

常见的数控电火花加工机床有数控电火花成型机床、数控电火花线切割机床。

1.4数控机床的分类

（二）特种加工类数控机床

1.数控电火花成型机床

图1-21数控电火花成型机床外观图

1.4数控机床的分类

（二）特种加工类数控机床

2.数控电火线切割机床

图1-22数控电火花线切割

1.4数控机床的分类

（三）成形类数控机床

1.数控压力机数控冲模回转头压力机适合在板材上打中心孔；冲圆孔、多边孔和曲线孔；进行起伏成形加工(如：冲百叶窗、压筋、浅拉深、翻边成形等）。

还可以进行压标和半切断加工。

图1-23数控冲模回转头压力机

1.4数控机床的分类

2.数控折弯机数控折弯机的加工方式是利用通用或专业模具，在冷态下将板材折弯成各种几何截面形状的工件。

图1-17发动机机体

图1-24数控折弯机

图1-25数控折弯机工作部位简图1.4数控机床的分类

（四）3D打印

3D打印技术是快速成形技术的一种，也被称为增材制造技术。

增材制造解决了许多结构复杂的零件成型问题，减少加工工序，有效的缩短了加工周期。在我国，钛合金和M100钢的3D打印技术已应用于战斗机新机试制过程。借助金属直接烧结快速成型技术实现了3D打印，已经完成316L不锈钢、钛合金等金属粉末零件的烧结测试工作。

未来3D打印将广泛应用于我国的制造业。

1.4数控机床的分类

（四）3D打印

如图所示为DMGMORI公司LASERTEC653D机床的激光头主轴，在进行激光粉末堆焊叶轮叶片的增料加工，粉末材料为钛。

1.4数控机床的分类激光头主轴激光粉末堆焊叶轮图1-26

（五）其他类数控设备

1.三坐标测量机

三坐标测量机工作时将被测零件放入测量机允许的测量空间范围内，通过测头测量工件上某一点的空间坐标位置，并通过传感器记录传输回测量软件，经测量软件进行运算得出所需数据。

1.4数控机床的分类图1-27三坐标测量机

（五）其他类数控设备

1.三坐标测量机

三坐标测量机主要用于机械、汽车、航空、军工、模具等行业中的箱体、机架、齿轮、凸轮、蜗轮、蜗杆、叶片及其他零件上的曲线或曲面的测量。

1.4数控机床的分类

（五）其他类数控设备

2.工业机器人

随着我国装备制造业转型升级，近几年来工业机器人与数控机床集成应用发展很快，例如由数控机床组成的基于网络控制的自动化生产线，应用PLC控制平台，通过工业以太网总线方式，将一台或多台机器人、多台数控机床进行联网组线，由机器人实现工件自动上、下料，按节拍进行有序自动生产。

1.4数控机床的分类

（五）其他类数控设备

2.工业机器人

如图1-28所示的工业机器人在数控车床上装卸工件。

1.4数控机床的分类图1-28工业机器人装卸工件

2.工业机器人

如图所示，工业机器人应用于通用技术集团大连机床曲柄加工自动线，机器人通过3D与2D视觉，具有自动识别被加工零件姿态并自动抓取功能。

机器人可以完成工件的自动装卸与输送任务。

1.4数控机床的分类图1-29

二、按运动方式分类

1.点位控制数控机床

点位控制数控机床的特点是数控系统只控制运动部件目标点的精确位置，而不控制运动部件的运动路径。

因此，点位控制数控机床在运动过程中刀具不进行切削，当刀具或工件到达目标点位置再开始加工。

1.4数控机床的分类

二、按运动方式分类

1.点位控制数控机床

数控钻床，数控坐标镗床、数控冲床、数控点焊机及数控弯管机等均采用点位控制方式。

使用数控钻床或数控坐标镗床加工零件不仅可以节省钻模板、镗模等工装的费用，而且能达到较高的孔距精度。图1-30点位控制加工示意图

1.4数控机床的分类

二、按运动方式分类

2.直线控制数控机床

直线控制数控机床的特点是除了控制机床的运动部件目标点的精确位置外，还能实现在起点和目标点之间沿直线或斜线的切削进给运动。

典型的直线控制数控机床有早期的数控车床、数控铣床和数控镗床。

1.4数控机床的分类

2.直线控制数控机床

（a）图所示为数控车床加工阶梯轴的示意图；

（b）图所示为数控铣床加工示意图。

1.4数控机床的分类

图1-31（b）图1-31直线控制加工示意图（a）

二、按运动方式分类3.轮廓控制数控机床

轮廓控制又称为连续轨迹控制。

轮廓控制数控机床的特点是同时对两个或两个以上坐标轴的位移和速度进行连续相关的控制，以实现任意轮廓轨迹加工，从而取代各种类型的仿形加工。

1.4数控机床的分类

二、按运动方式分类

3.轮廓控制数控机床数控车床、数控铣床、加工中心、数控磨床、数控齿轮加工机床和各类数控切割机床均采用轮廓控制方式。图示为轮廓控制数控机床的加工示意图。

1.4数控机床的分类

图1-32轮廓控制加工示意图

三、按伺服驱动的控制方式分类1.

开环控制数控机床

开环控制是指不带检测反馈装置的控制系。

图1-33所示为开环控制系统框图

1.4数控机床的分类

图1-33开环控制系统框图1.

开环控制数控机床

开环控制数控机床具有结构简单、可靠性高、调试和维修方便、成本低等特点，但机床加工精度低。1.4数控机床的分类

图1-33开环控制系统框图

三、按伺服驱动的控制方式分类2.全闭环控制数控机床

全闭环控制是在机床移动部件上安装有直线位移检测反馈装置。如图所示为闭环控制系统框图。

1.4数控机床的分类

图1-34全闭环控制系统框图三、按伺服驱动的控制方式分类2.全闭环控制数控机床

全闭环控制数控机床具有位移精度高，调试和维修较复杂、制造成本高的特点。

1.4数控机床的分类

图1-34全闭环控制系统框图

三、按伺服驱动的控制方式分类

3.半闭环控制数控机床

半闭环控制的位置检测反馈装置采用角位移检测元件。如图所示为半开环控制系统框图。

1.4数控机床的分类

图1-35半闭环控制系统框图

三、按伺服驱动的控制方式分类3.半闭环控制数控机床

半闭环控制方式只对伺服电动机或滚珠丝杠的角位移进行反馈控制，而直线移动部件在控制环节之外。

采用半闭环控制的数控机床结构简单，调试和维修方便，控制系统具有良好的稳定性，相对全闭环控制系统而言制造成本低，应用较为广泛。

1.4数控机床的分类

一、数控机床的精度指标

数控机床的精度主要是指定位精度、重复定位精度和加工精度。精度是数控机床的重要技术指标之一。

1.定位精度和重复定位精度

★定位精度是指数控机床各移动轴在确定的终点所能达到的实际位置精度，其误差称为定位误差。

定位误差包括伺服系统、进给系统和检测系统的误差以及移动部件导轨的几何误差等。1.5与机床加工性能相关的精度指标和运动性能指标

一、数控机床的精度指标

1.定位精度和重复定位精度

★重复定位精度是指在数控机床上，反复运行同一程序代码，所得到的位置精度的一致程度。重复定位精度受伺服系统特性、进给系统的间隙、刚度以及摩擦特性等因素的影响。一般般情况下，重复定位误差是呈正态分布的偶然性误差，它影响一批零件加工的一致性，是一项非常重要的性能指标。

1.5与机床加工性能相关的精度指标和运动性能指标1.5与机床加工性能相关的精度指标和运动性能指标

一、数控机床的精度指标

1.定位精度和重复定位精度

表1-1为GB/T16462.4-2007《数控车床和车削中心检验条件

第4部分：线性和回转轴线的定位精度及重复精度检验》中给出的数控车床和车削中心线性轴的位置精度允差。

1.5与机床加工性能相关的精度指标和运动性能指标

1.定位精度和重复定位精度

表1-2为GB/T16462.4—2007《数控车床和车削中心检验条件

第4部分：线性和回转轴线的定位精度及重复精度检验》中给出的回转轴行程至360°的数控车床和车削中心的位置精度允差。

1.5与机床加工性能相关的精度指标和运动性能指标表1-3常用加工中心的精度指标

一、数控机床的精度指标

2.分度精度

分度精度是指分度工作台在分度时，指令要求回转的角值和实际回转的角度值之差。分度精度既影响零件加工部位在空间的角度位置，也影响孔系加工的同轴度等。表1-3列出了常用卧式加工中心的精度指标。

1.5与机床加工性能相关

精度指标和运动性能指标

二、数控机床的精度指标

3.分辨率与脉冲当量

分辨率是指两个相邻的分散细节之间可以分辨的最小间隔。

对检测系统而言，分辨率是可以测量的最小增量；

对控制系统而言，分辨率是可以控制的最小位移增量或角位移增量，即数控装置每发出一个脉冲信号，反映到数控机床各运动部件的位移量或位移量，一般又称为脉冲当量。

4.加工精度

数控机床的加工精度是靠机床本身的精度来保证的。

数控机床精度包括几何精度、定位精度、重复定位精度和切削精度。

影响数控机床加工精度的主要因素:

机械方面：主轴、丝杠、夹具的精度及机床的刚性等；

控制系统方面：半闭环或全闭环控制系统、反馈和补偿方式、加工时的插补精度等。

每个坐标轴的重复定位精度是反映该坐标轴最基本的精度指标，同时还反映了该坐标轴运动精度的稳定性。1.5与机床加工性能相关的精度指标和运动性能指标

4.加工精度表1-4国产数控机床的定位精度和重复定位精度指标

1.5与机床加工性能相关的精度指标和运动性能指标机床型号及名称定位精度/mmX轴/Y轴/Z轴重复定位精度/mmX轴/Y轴/Z轴生产厂家TCK52数控卧式车床0.010X轴/0.01Z轴

±0.003（X轴/Z轴）北京一机机床有限公司VDL1000Ⅱ双主轴立式加工中心0.018/0.015/0.0150.007/0.06/0.006通用技术集团大连机床J1VMC1062立式加工中心0.012/0.012/0.0120.006/0.006/0.006济南第一机床有限公司HMC630卧式加工中心0.012（0.008光栅尺）0.008（0.005光栅尺）宝鸡机床集团有限公司HMC63H卧式加工中心0.010/0.010/0.0100.006/0.006/0.006纽威数控装备股份有限公司M8.4五轴立式加工中心0.008（光栅尺）0.005（光栅尺）通用技术集团沈阳机床

二、机床数控系统的可控轴数与联动轴数

1.机床数控系统的可控轴数

数控机床的可控轴数（或称坐标数）是指机床数控装置能够控制的坐标数目。如图1-36所示为五轴控制数控机床。

图1-36五轴控制数控机床1.5与机床加工性能相关的精度指标和运动性能指标

二、机床数控系统的可控轴数与联动轴数

1.机床数控系统的可控轴数

五轴控制数控机床包含了三个移动坐标轴和两个转动坐标轴。

数控机床完成的运动越多，控制轴数越多，对应的功能越强，机床结构的复杂程度与技术含量越高。

图1-36五轴控制数控机床1.5与机床加工性能相关的精度指标和运动性能指标

二、机床数控系统的可控轴数与联动轴数

2.机床数控的联动轴数

机床数控装置控制各坐标轴协调动作的坐标轴数目称为联动轴数。

联动轴数越多，控制系统就越复杂，加工能力就越强。

如图所示两轴联动加工曲面。

图1-37两轴联动加工曲面1.5与机床加工性能相关的精度指标和运动性能指标2.机床数控的联动轴数如图所示为两轴半联动加工三维空间曲