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本节讲述通用数控机床的相关知识。
数控机床是用数字信息来控制加工运动的机床。机床所有的运动，包括主运动、进给运动及各种辅助运动，都是由数控装置来控制的。数控装置的控制任务需要外界来“告知”，人们把需要数控机床实现的全部任务编制成数控程序，记录在控制介质上，然后输入数控装置，从而指挥数控机床加工。程序清单上的内容包括：零件的几何形状、工艺过程、工艺参数、刀具位移量与方向以及其他辅助功能（换刀、冷却和夹紧等）。数控机床的工作原理框图如图2-1所示。
图2-1 数控机床的工作原理框图
（1）程序载体 程序载体是人与机床之间传递信息的媒介物，也称为控制介质。在程序载体上存储着加工零件所需要的全部几何信息和工艺信息。这些信息是在对加工工件进行工艺分析的基础上确定的，并用由字母、数字和符号构成的标准代码，按规定的格式编制成工件的加工程序单，再将程序单存储到多种程序载体中。
（2）输入装置 输入装置的作用是将程序载体上的数控代码信息转换成相应的电脉冲信号，并传送至数控装置的内存储器中。根据程序载体的不同，输入装置可以是键盘、光电阅读机、软盘驱动、USB口、网络通信器等。
（3）数控系统 数控系统是数控机床的核心。它根据输入的程序和数据，完成数值计算、逻辑判断、输入输出控制等工作。数控系统由软件和硬件两部分组成。
（4）强电控制装置 强电控制装置的主要功能是接收数控装置所控制的内置式可编程序控制器输出的各种辅助操作信号，经功率放大直接驱动相应的执行元件，如接触器、电磁阀等，从而实现数控机床在加工过程中的全部自动操作。例如主轴变速、换向、起动或停止，刀具的选择和更换，分度工作台的转位和锁紧，工件的夹紧或松开，切削液的开启或关闭等。
（5）伺服驱动系统 伺服驱动系统由伺服驱动电动机和伺服驱动装置组成，它是数控系统的执行部分。它接收数控系统的指令信息，按要求带动机床的移动部件运动或使执行部分动作，以加工出符合要求的零件。指令信息是以脉冲信息来体现的，每一个脉冲使机床移动部件产生的位移量叫作脉冲当量。由于伺服控制装置是数控机床的最后控制环节，因此它的伺服精度和动态响应特性将直接影响数控机床的生产率、加工精度和表面加工质量。
（6）机床本体 机床本体是数控机床的主体，由机床的基础件（如床身、底座）和各运动部件（如工作台、床鞍、主轴等）所组成，是数控机床的机械结构。
与传统的普通机床相比，数控机床在整体布局、外部造型、主传动系统、进给传动系统、刀具系统、支承系统和排屑系统等方面有很大的差异。这些差异是为了更好地满足数控技术的要求，并充分适应数控加工的特点。
（7）检测装置 检测装置是闭环数控系统的重要组成部分，它的作用是通过检测元件来检测机床执行机构的位移和速度，发送反馈信号至数控系统，使之与输入信号进行比较，并由数控系统发出指令，纠正所产生的误差，使数控机床按照工件加工程序要求的进给位置和速度完成加工。
检测装置是区别机床控制方式的主要依据。开环控制方式的数控机床是没有检测装置的。闭环控制方式的数控机床也因检测装置安装位置的不同及获得的反馈信号不同而分为两类：半闭环控制方式和全闭环控制方式。前者的反馈信号为角位移，后者为直线位移。
与传统加工相比，数控加工具有如下特点。
1）适应性强。数控机床的动作是由数控程序控制的，而数控程序是根据零件的要求编制的，当数控加工零件改变时，只需改变数控加工程序，而不需要改变机械结构和控制部分的硬件，就能适应新的工作要求。因此，生产准备周期短，有利于机械产品的更新换代。
2）精度高，质量稳定。数控加工基本采用电气控制，同时可以利用软件进行精度校正和补偿，而且数控机床加工零件按数控程序自动进行，可以避免人为的误差，因此加工精度较高。尤其提高了同批零件生产的一致性，产品质量稳定。更为可贵的是，产品质量不受其自身复杂程度的影响。
3）生产率高。数控设备均采用电气自动化控制，同时可以采用较大的切削用量，有效地节省了设备加工工时。而且无需工序间的检验与测量，故使辅助时间大为缩短，从而大大提高了生产率。
4）能完成复杂型面的加工。许多复杂曲线和曲面的加工，普通机床无法实现，而数控加工可以完成。
5）减轻劳动强度，改善劳动条件。因数控加工是自动完成的，许多动作不需要操作者进行，故劳动条件大为改善，劳动强度大幅降低。
6）有利于生产管理。采用数控加工，有利于向计算机控制和管理方向发展，从而为实现制造和生产管理现代化创造了条件。
数控机床的分类方法多种多样，通常按以下几个方面进行分类。
（1）按控制方式分类 按控制方式，数控机床可以分为开环控制数控机床、半闭环控制数控机床和闭环控制数控机床三种类型。
1）开环控制数控机床。开环控制是指不带位置反馈装置的控制方式，通常由功率步进电动机作为驱动元件。数控装置根据所要求的运动速度和位移量，输出一定频率和数量的脉冲，经驱动电路功率放大后，使相应坐标轴的步进电动机转过一定的角位移，再经过机械传动链，实现运动部件的直线移动。运动部件的速度与位移量由输入脉冲的频率和脉冲数决定。
2）半闭环控制数控机床。半闭环控制是在控制伺服电动机轴上装有角位移检测装置，通过检测伺服电动机的转角，间接地检测出运动部件的位移，反馈给数控系统的比较器，与输入指令进行比较，用差值控制运动部件。
3）闭环控制数控机床。闭环控制是在机床最终的运动部件的相应位置直接安装直线检测装置，将直接测量到的位移反馈到数控系统的比较器中，与输入指令位移量进行比较，用差值控制运动部件，使运动部件严格按实际需要的位移量运动。
（2）按工艺用途分类 按工艺用途的不同，数控机床可以分为金属切削类数控机床、金属成形类数控机床和数控特种加工机床等。
1）金属切削类数控机床包括数控车床、数控钻床、数控铣床、数控磨床、数控镗床以及加工中心等。
2）金属成形类数控机床包括数控折弯机、数控组合压力机和数控弯管机等。
3）数控特种加工机床包括数控电火花线切割机床、数控电火花成形机床、数控火焰切割机床和数控激光切割机床等，如图2-2所示。
图2-2 数控特种加工机床
（3）按运动方式分类 按照运动方式，数控机床可以分为点位控制数控机床、直线控制数控机床和轮廓控制数控机床。
1）点位控制数控机床是指机床的运动部件只能够实现从一个位置到另一个位置的精确运动，在运动和定位过程中不进行任何加工。数控系统只需要控制行程的起点和终点的坐标值，而不需控制运动部件的运动轨迹，因为运动轨迹不影响最终的定位精度。最典型的点位控制数控机床有数控钻床、数控镗床等。点位控制数控机床的加工示意如图2-3所示。
2）直线控制数控机床是指机床的运动部件不仅要实现一个坐标位置到另一个坐标位置的精确移动和定位，而且能实现平行于坐标轴的直线进给运动或同时控制两个坐标轴实现45°斜线的进给运动。在数控镗床上使用直线控制可以扩大镗床的工艺范围，有效地提高加工精度和生产率。直线控制还可以应用于加工阶梯轴或盘类零件的数控车床。直线控制数控机床的加工示意如图2-4所示。由于该方式只能做简单的直线运动，因此不能实现任意的轮廓轨迹加工。
3）轮廓控制（又称连续控制）数控机床是指机床的运动部件能够实现两个坐标轴同时进行的联动控制。它不仅要求控制机床运动部件的起点与终点坐标位置，而且要求控制整个加工过程每一点的速度和位移量，即要求控制运动轨迹。该方式能加工平面内的直线、曲线表面或空间曲面。很显然，轮廓控制包含了点位控制和直线控制。数控铣床、数控车床、数控磨床和各类数控切割机床是典型的轮廓控制数控机床。轮廓控制数控机床的加工示意如图2-5所示。
图2-3 点位控制运动方式
图2-4 直线控制运动方式
图2-5 轮廓控制运动方式
（4）按控制轴数分类 按控制联动的坐标轴数，数控机床可分为单轴数控机床、两轴数控机床、两轴半数控机床以及三轴和三轴以上的多轴数控机床。所谓联动，就是坐标轴的控制要同时进行，其中一个轴的运动对另外轴的运动有相互影响。
1）单轴数控机床。传统电火花成形机床就是单轴数控机床，控制的轴只有沿着电极轴线这一个方向。数控系统检测工具电极和工件之间的间隙电压得到间隙情况，并根据间隙的大小适时调节进给方向和进给速度，尽量使进给速度与火花蚀除速度相等。
2）两轴数控机床。同时控制两个坐标轴联动，比如数控车床加工螺纹，工件的转动和刀具的进给运动必须联动，否则无法得到需要的螺距。热切割机床、水切割机床等，很多是两轴联动的。
3）两轴半数控机床。除了控制两个轴联动外，还要控制第三个坐标轴做周期性运动。如增材制造（3D打印）机床，每层轨迹控制是 X 、 Y 两轴联动， Z 向是第三个轴。
4）多轴数控机床。三轴和三轴以上联动的数控机床都属于多轴联动数控机床。为了加工复杂曲面，数控铣床要同时控制 X 、 Y 、 Z 三个轴，这是三轴联动数控机床。具有倾斜角度控制的线切割机床，可实现天圆地方等复杂直纹面的加工，是四轴联动数控机床。所以多轴联动除了控制 X 、 Y 、 Z 三个轴的直线运动，还要同时控制工作台的转动、刀具的摆动等，形成三轴、四轴、五轴、六轴等多轴联动。
值得提出的是，有些机床，特别是组合机床，可能有很多个运动轴，但不一定都是联动轴，同时控制、互相影响的才是联动轴。比如多个钻头各自同时钻孔，就不是联动。
（1）机床坐标系基本概念 机床坐标系是用来确定工件位置和机床运动的基本坐标系。它是机床上固有的坐标系，并在机床上设有固定的坐标原点，其坐标和运动方向视机床的种类和结构而定。一般情况下，坐标系是利用机床机械结构基准线来确定的。对机床的坐标轴和运动方向做出统一的规定，可以简化程序编制的工作，保证数控机床的运行、操作及程序编制的一致性。ISO 841对坐标系的规定为：不论机床的具体结构是工件静止、刀具运动，还是工件运动、刀具静止，在确定坐标系时，一律看作工件相对静止、刀具运动。
数控机床直线运动的坐标轴 X 、 Y 和 Z 为右手笛卡儿坐标系，如图2-6所示。即右手的大拇指、食指和中指相互垂直时，分别指向 X 、 Y 和 Z 坐标轴的正方向。三个旋转轴 A 、 B 、 C 相应地表示围绕 X 、 Y 、 Z 轴的旋转运动， A 、 B 、 C 的正方向按右手螺旋定则确定。
图2-6 右手笛卡儿坐标系
（2）工件坐标系
1）工件坐标系的建立。数控机床坐标系是进行编程和加工的基础。但如果以机床坐标系编程，则编程计算和工件安装就比较烦琐。首先要考虑工件在机床工作台上的装夹位置，然后计算出各点相对机床零点 M 的坐标。如图2-7a所示，工件安放的位置不同（位置1、2或3），计算出各点相对机床零点 M 的坐标也不同。用在位置1处得到的机床坐标值编制程序，加工时必须保证工件严格与位置1重合，这样势必增加操作的难度。
如果选择工件上某一固定点为工件零点，例如图2-7b中的 W 点，以工件零点为原点，并且平行于机床坐标轴 X M 、 Y M 和 Z M ，建立一个新的坐标系 X W 、 Y W 和 Z W ，该坐标系称为工件坐标系。工件坐标系的原点也称为工件原点、编程原点。有了工件坐标系，就大大简化了编程与加工。如图2-8所示，编程时以 W 点作为编程原点，可以直接利用图样尺寸进行编程，并且编程时无须考虑工件在机床中的装夹位置，只要在工件装夹好后，测量出工件原点在机床坐标系中的偏置值 X 偏移 、 Y 偏移 、和 Z 偏移 即可。
图2-7 工件坐标系
图2-8 零件尺寸（绝对尺寸标注）
2）工件原点的选取原则。工件原点是可以用程序指令设定和改变的。在一个零件的加工程序中，可以根据需要一次或多次设定或改变工件原点。从理论上讲，程序原点可以任意选择，但由于实际机床操作中的限制，只能从加工精度、机床调试和操作的便利性以及工作的安全性等方面综合考虑，选择最佳方案。为计算方便，简化编程，便于测量和检验，程序原点常按如下原则选取。
选在工件的设计基准处，铣削时常按此原则选取，工件原点 W 与零件的设计基准重合，这有利于保证加工精度。工件坐标系原点设在零件上表面的左下角，使得加工表面的 X 、 Y 坐标值均为正值， Z 坐标值均为负值，并且便于对刀。
（3）绝对坐标系统和增量坐标系统 工件坐标系确定后，可根据编程的需要将该坐标系设定为绝对坐标系统或增量坐标系统，以简化编程。
1）绝对坐标系统指目标点的尺寸是以零件上固定的基准点（如工件坐标系的原点）作为参考进行标注的。程序中的绝对尺寸表示切削刀具相对于原点的目标位置。
图2-8中的尺寸标注方法即为绝对尺寸标注，各尺寸都以工件坐标系的原点 W 为基准点进行标注，在 X 、 Y 方向都有共同的尺寸基准（尺寸是“并联”标注的）。
2）增量坐标系统（又称为相对坐标系统）指目标点的尺寸是以零件上的当前点作为参考进行标注的。程序中的增量尺寸表示切削刀具相对于当前点的实际移动距离和方向。
图2-9中的尺寸标注方法即为增量尺寸标注，各尺寸都是以当前点为参考进行标注的（尺寸是“串联”标注的）。
数控系统需要在程序中添加其他说明来区分两种表示方式。如：FANUC系统以地址字（绝对坐标用X、Y和Z表示，增量坐标用U、V和W表示）来区分，SINUMERIK系统用G90（绝对坐标）和G91（增量坐标）指令来区分。
图2-9 增量尺寸标注
（4）常用功能指令 数控机床常用的功能指令有准备功能G、辅助功能M、主轴转速功能S、刀具功能T和进给功能F。其中，准备功能G和辅助功能M会因机床和数控系统的不同而有所差异，本节做概括性介绍。
1）准备功能G代码，用来将控制系统预先设置为某种预期的状态，或者某种加工模式和状态。例如预先设置刀具和工件相对运动的速度和轨迹（即指令插补功能）、机床坐标系、坐标平面、刀具补偿和坐标偏移等多种操作。准备功能这个术语就表明了它本身的含义。GB/T 8870.1—2012规定G代码由字母G及其后面两位数字组成，从G00～G99共有100种代码。不同的数控机床可选用或自定义其中的代码，不使用的代码可不定义。G代码有续效和非续效之分。续效代码也称模态指令，一经使用持续有效，直至被同组（同类型）代码取代为止。具体的数控电火花线切割代码功能解释将在4.2.3节中详细介绍。
2）辅助功能M指令，简称辅助功能，也叫M功能。它是控制机床或系统开、关功能的一种命令。如切削液开、关，主轴正、反转等。GB/T 8870.1—2012规定：M指令由字母M和其后的两位数字组成，从M00～M99这100种中选用或定义。M指令也有续效和非续效指令之分。M指令与控制机床的插补运算无关，而是根据加工时操作的需要予以规定。因为M指令与插补运算无直接关系，所以一般书写在程序段的后部，但这类指令在加工程序中是必不可少的，具体的代码功能解释将在4.2.3节中详细介绍。
3）F是控制刀具位移速度的进给速率指令，为模态指令，用字母F及其后面的若干位数字表示。在铣削加工中，刀具位移速度的单位一般为mm/min，如F150表示进给速度为150mm/min。
4）S功能用以指定主轴转速，为模态指令，用字母S及其后的若干位数字来表示。在编程时，除用S代码指定主轴转速外，还要用M代码指定主轴转向是顺时针还是逆时针。数控线切割机床不用此功能。
5）T是刀具功能代码，后跟两位数字指示更换刀具的编号，即T00～T99。因数控线切割机床无自动换刀（ATC）装置，所以T功能只用于具有刀库的加工中心的编程中。
注意：不同厂家、不同系统的加工中心，T功能格式的规定可能不同，针对具体机床的换刀操作和编程，要以生产厂家随机床提供的说明书为准。
（1）数控加工技术的发展历程 1952年，美国帕森斯公司（Parsons Co.）和麻省理工学院伺服机构实验室（Serve Mechanisms Laboratory of the Massachusetts Institute of Technology）联合研制成功了世界上第一台数控铣床。该机床实现了简单的数字控制（NC），用于加工直升机叶片轮廓检查用样板。1955年进入数控加工实用阶段，在复杂曲面的加工中发挥了作用。随着计算机技术、微电子技术、自动控制技术、精密测量技术及机械制造技术的发展，数控机床及加工技术取得了飞速的发展。随着电子技术与计算机技术的快速发展，数控机床也从简单的数控铣床发展为1958年的加工中心（MC），1961年的计算机直接数控（DNC），1965年的自适应控制（AC），1973年的计算机数控（CNC）机床。数控机床的灵活性、快速性也越来越高，加工的范围也越来越广。从1974年到1980年，数控机床作为重要组成部分和最基本单元，先后经历了计算机辅助设计/制造（CAD/CAM）、柔性制造单元/系统（FMC/FMS）、计算机集成制造系统（CIMS）的发展过程。
我国从1958年开始研制数控机床，并于同年研制出三坐标数控铣床，随后在有关院校、研究单位及企业的共同努力下，数控机床逐步应用于实际机械加工，在复杂零件的加工中发挥了一定的作用。自1980年以来，我国数控机床制造及加工应用技术发展很快，从初期的引进、仿制，到现在能够自行开发、设计、制造具有自主知识产权的中、高档数控机床及控制系统。目前，主要数控机床产品包括车床、铣床、镗铣床、钻床、磨床、加工中心、线切割机床、齿轮机床、折弯机、柔性制造单元等，品种数量达300多种，除满足国内各行业需要外，还实现了部分外销。据权威部门的统计资料显示，目前我国数控机床需求量日益增加，产量正呈飞速增长的趋势。2000年我国生产各类数控机床1.4万台，而2010年产量为22.39万台。数控加工在机械制造中发挥越来越大的作用。据统计，目前我国可供市场需求的数控机床有1500种，几乎覆盖了整个金属切削机床的品种类别和主要的锻压机械。其领域之广，可与日本、德国、美国并驾齐驱。这标志着国内数控机床产业已进入快速发展时期。数据显示，2019年我国数控机床市场规模近4000亿元，2020年我国数控机床市场规模突破4000亿元，达到了4050亿元。
（2）数控机床的发展方向
1）高精度。现代机械产品要求的精度越来越高，零件精度由以前的0.01mm级提高到0.001mm级，促使数控加工向高精度发展。
2）高速化。为进一步提高生产率和加工精度，数控加工向高速化方向发展已成为趋势。高速化不仅表现在主轴转速提高，也表现在工作台快速移动和进给速度不断提高，如加工时主轴转速超过10000r/min，工作台快速移动速度可达60～80m/min，甚至高达120m/min。高速切削有利于减小机床振动，减少传入零件的热量，减小热变形，提高加工质量。同时，还采用快速换刀及其他提高辅助动作自动化程度的措施，如快速自动定位夹紧、缩短托盘交换时间等，进一步提高生产率。
3）智能化。智能化的内容体现在数控系统中的各个方面：提高加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；提高驱动性能及使用连接方面的智能化，如前馈控制、电动机参数的自适应运算、自动识别负载、自动选定模型、自整定等；简化编程、方便操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有方便系统的诊断及维修等的智能诊断、智能监控等方面的内容。
4）网络化。网络化数控装备是近年来机床发展的一个热点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式，如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。
5）柔性自动化。数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是：从点（数控单机、加工中心和数控复合加工机床）、线（FMC、FMS、FTL、FML）向面（工段车间独立制造岛、FA）、体（CIMS、分布式网络集成制造系统）的方向发展，另外也向注重应用性和经济性方向发展。柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段，是各国制造业发展的主流趋势，是先进制造领域的基础技术。其重点是以提高系统的可靠性、实用化为前提，以易于联网和集成为目标，注重加强单元技术的开拓和完善，CNC单机向高精度、高速度和高柔性方向发展。
6）复合化。复合化加工是通过增加机床的功能，减少工件加工过程中的定位装夹次数及对刀等辅助工艺时间，从而提高机床生产率。复合化加工还可减少辅助工序，减少夹具和加工机床数量，对降低整体加工和机床维护费用有利。
复合化加工有两重含义：一是工序和工艺集中，即在一台机床上一次装夹可完成多工序、多工种的任务，如数控车床向车削中心发展，加工中心向功能更多的方向发展，五轴联动向五面加工发展等；二是指工艺的复合，如激光或超声波辅助机械加工。
（3）以数控为基础的现代制造技术 在现代生产中，为了满足多品种、小批量、产品更新换代周期短等要求，原来以单功能机床为主体的生产线，已不能适应机械制造业日益提高的要求，因而出现了具有多功能和一定柔性的设备和生产系统，促使数控技术向更高层次发展。现代生产系统主要有柔性制造单元、柔性制造系统和计算机集成制造系统等。
