数控机床的主要部件及其功用

　　对数控机床的主要部件及其功用加以阐述，使学习者对数控机床作进一步了解，为下一步熟悉各种数控机床并具备操作技能打好机床结构方面的基础。

　　项目一 数控机床坐标系

　　一、数控机床坐标系的作用

　　数控机床坐标系是为了确定工件在机床中的位置，机床运动部件特殊位置及运动范围，即描述机床运动，产生数据信息而建立的几何坐标系。通过机床坐标系的建立，可确定机床位置关系，获得所需的相关数据。

　　二、数控机床坐标系确定依据

　　数控机床坐标系的确定依据为国际上统一的ISO841标准。

　　三、数控机床坐标系确定方法

　　1、假设：工件固定，刀具相对工件运动。

　　2、标准：右手笛卡儿直角坐标系——拇指为 X 向，食指为 Y 向，中指为 Z 向。

　　3、顺序：先 Z 轴，再 X 轴，最后 Y 轴。

　　Z 轴——机床主轴；

　　X 轴——装夹平面内的水平向；

　　Y 轴——由右手笛卡儿直角坐标系确定。

　　4、方向：退刀即远离工件方向为正方向。

　　围绕X、Y、Z各轴的回转运动及其正方向+A、+B、+C分别用其正方向右手定则判定。直角坐标系X、Y、Z 又称主坐标系或第一坐标系，如有第二组坐标系和第三组坐标系平行于 X、Y、Z，则分别指定为U、V、W和 P、Q、R。

　　四、数控机床坐标系坐标原点

　　数控机床坐标系坐标原点是指机床上设置的一个固定的点，它在机床装配、调试时就已经确定下来了，是数控机床进行运动加工的基准参考点，一般取在机床运动方向的最远点。

　　项目二 数控系统

　　一、数控系统的组成与作用

　　1、数控系统的组成

　　计算机数控系统（简称 CNC 系统）由程序、输入输出设备、CNC 装置、可编程控制器（ PLC ）、主轴驱动装置和进给驱动装置等组成。

　　2、数控系统的作用

　　数控系统接受按零件加工顺序记载机床加工所需的各种信息，并将加工零件图上的几何信息和工艺信息数字化，同时进行相应的运算、处理，然后发出控制命令，使刀具实现相对运动，完成零件加工过程。

　　二、数控系统工作过程

　　一个零件程序的执行首先要输入CNC中，经过译码、数据处理、插补、位置控制，由伺服系统执行CNC输出的指令以驱动机床完成加工。

　　CNC系统的主要工作包括以下内容 ：

　　1、输入

　　零件程序及控制参数、补偿量等数据的输入，可采用光电阅读机、键盘、磁盘、连接上级计算机的DNC 接口、网络等多种形式。CNC装置在输入过程中通常还要完成无效码删除、代码校验和代码转换等工作。

　　2、译码

　　不论系统工作在MDI方式还是存储器方式，都是将零件程序以一个程序段为单位进行处理，把其中的各种零件轮廓信息(如起点、终点、直线或圆弧等)、加工速度信息(F 代码)和其他辅助信息(M、S、T代码等)按照一定的语法规则解释成计算机能够识别的数据形式，并以一定的数据格式存放在指定的内存专用单元。在译码过程中，还要完成对程序段的语法检查，若发现语法错误便立即报警。

　　3、刀具补偿

　　刀具补偿包括刀具长度补偿和刀具半径补偿。通常CNC装置的零件程序以零件轮廓轨迹编程，刀具补偿作用是把零件轮廓轨迹转换成刀具中心轨迹。目前在比较好的CNC装置中，刀具补偿的工件还包括程序段之间的自动转接和过切削判别，这就是所谓的C刀具补偿。

　　4、进给速度处理

　　编程所给的刀具移动速度，是在各坐标的合成方向上的速度。速度处理首先要做的工作是根据合成速度来计算各运动坐标的分速度。在有些CNC装置中，对于机床允许的最低速度和最高速度的限制、软件的自动加减速等也在这里处理。

　　5、插补

　　插补的任务是在一条给定起点和终点的曲线上进行“ 数据点的密化 ”。插补程序在每个插补周期运行一次，在每个插补周期内，根据指令进给速度计算出一个微小的直线数据段。通常，经过若干次插补周期后 ，插补加工完一个程序段轨迹，即完成从程序段起点到终点的“数据点密化”工作。

　　6、位置控制

　　位置控制处在伺服回路的位置环上， 这部分工作可以由软件实现， 也可以由硬件完成。它的主要任务是在每个采样周期内，将理论位置与实际反馈位置相比较， 用其差值去控制伺服电动机。在位置控制中通常还要完成位置回路的增益调整、各坐标方向的螺距误差补偿和反向间隙补偿，以提高机床的定位精度。

　　7、I/0 处理

　　I/O 处理主要处理CNC装置面板开关信号，机床电气信号的输入、输出和控制(如换刀、换挡、冷却等) 。

　　8、显示

　　CNC装置的显示主要为操作者提供方便，通常用于零件程序的显示、参数显示、刀具位置显示、机床状态显示、报警显示等。有些CNC装置中还有刀具加工轨迹的静态和动态图形显示。

　　9、诊断

　　对系统中出现的不正常情况进行检查、定位，包括联机诊断和脱机诊断。

　　三、数控系统要求、类型及性能评价指标

　　1、对数控系统的要求

　　（ 1 ）高效 要求数控系统有较高的工作速度，能迅速进行复杂信息、数据的处理与计算，以适应数控加工高效要求。

　　（ 2 ）稳定性 数控系统应有稳定的工作过程，使数据处理、运算正确无误，从而保证数控加工正常而高精度。

　　（ 3 ）可靠性 数控系统的工作应有高的可靠性，使其长时期连续工作而不出现故障。

　　（ 4 ）开放性 数控系统应具有良好开放性，使其功能的修改、扩充、适应性，即功能的开发与升级能方便地实现。

　　2、数控系统类型

　　数控系统从其发展阶段来看，可分为两种类型：以电子管、晶体管、集成电路为特征的硬线连接数控系统，即NC系统；

　　以小型计算机、微处理器、工控PC机为特征的软件数控系统，即CNC系统，现今使用的均为CNC系统。

　　3、数控系统性能评价指标

　　数控系统的性能评价指标是指数控系统的主要参数、功能指标及关键部件的功能水平等方面。

　　四、常见数控系统

　　数控机床配置的数控系统不同，其功能和性能也有很大差异。就目前应用来看，FANUC(日本)、SIEMENS(德国)、FAGOR(西班牙)、HEIDENHAIN(德国)、MITSUBISHI(日本)等公司的数控系统及相关产品 ， 在数控机床行业占据主导地位；我国数控产品以华中数控、航天数控为代表，也已将高性能数控系统产业化。

　　项目三 数控机床的主传动系统

　　一、主传动系统作用

　　数控机床主传动系统的作用就是产生不同的主轴切削速度以满足不同的加工条件要求。

　　二、对主传动系统的基本要求

　　1、有较宽的调速范围

　　可增加数控机床加工适应性，便于选择合理切削速度使切削过程始终处于最佳状态。

　　2、有足够的功率和扭矩

　　使数控加工方便实现低速时大扭矩，高速时恒功率，以保证加工高效率。

　　3、有足够的传动精度

　　各零部件应具有足够精度、刚度、抗振性，使主轴运动高精度，从而保证数控加工高精度。

　　4、噪声低，运动平稳

　　使数控机床工作环境良好、宜人。

　　三、主传动系统的变速方式

　　1、采用变速齿轮传动

　　采用少数几对齿轮降速，用液压拨叉自动变速，电机主轴仍为无级变速，并实现主轴的正反启动、停止、制动。该方式扭矩大，噪声大，一般用于较低速加工。

　　2、采用同步齿形带传动

　　采用直流或交流主轴伺服电机，由同步齿形带传动至主轴。该方式主轴箱及主轴结构简单，主轴部件刚性好；传动效率高、平稳、噪声小；不需润滑；但由于输出扭矩小，低速性能不太好，在中档机床中应用较多。

　　3、采用主轴电机直接驱动

　　亦称一体化主轴、电主轴，由主轴电机直接驱动，电机、主轴合二为一，主轴为电机的转子。该方式处理好散热、润滑非常关键，一般应用于高速机床。

　　四、主轴部件

　　1、轴承

　　数控机床主轴轴承的支承形式、轴承材料、安装方式均不同于普通机床，其目的是保证足够的主轴精度。

　　2、主轴准停装置

　　满足刀具交换时，刀柄键槽位置必须固定的要求。

　　3、自动夹紧和切屑清除装置

　　自动夹紧一般由液压或气压装置予以实现；而切屑清除则是通过设于主轴孔内的压缩空气喷嘴来实现，其孔眼分布及其角度是影响清除效果的关键。

　　4、润滑与冷却

　　低速时，采用油脂、油液循环润滑；高速时采用油雾、油气润滑方式。主轴的冷却以减少轴承及切割磁力线发热，有效控制热源为主。

　　项目四 数控机床的进给传动系统

　　一、进给传动系统作用

　　数控机床的进给传动系统负责接受数控系统发出的脉冲指令，并经放大和转换后驱动机床运动执行件实现预期的运动。

　　二、对进给传动系统的要求

　　为保证数控机床高的加工精度，要求其进给传动系统有高的传动精度、高的灵敏度（响应速度快）、工作稳定、有高的构件刚度及使用寿命、小的摩擦及运动惯量，并能清除传动间隙。

　　三、进给传动系统种类

　　1、步进伺服电机伺服进给系统

　　一般用于经济型数控机床。

　　2、直流伺服电机伺服进给系统

　　功率稳定，但因采用电刷，其磨损导致在使用中需进行更换。一般用于中档数控机床。

　　3、交流伺服电机伺服进给系统

　　应用极为普遍，主要用于中高档数控机床。

　　4、直线电机伺服进给系统

　　无中间传动链，精度高，进给快，无长度限制；但散热差，防护要求特别高，主要用于高速机床。

　　四、进给系统传动部件

　　1、滚珠丝杠螺母副

　　数控加工时，需将旋转运动转变成直线运动，故采用丝杠螺母传动机构。数控机床上一般采用滚珠丝杠，它可将滑动摩擦变为滚动摩擦，满足进给系统减少摩擦的基本要求。该传动副传动效率高，摩擦力小，并可消除间隙，无反向空行程；但制造成本高，不能自锁，尺寸亦不能太大，一般用于中小型数控机床的直线进给。

　　2、回转工作台

　　为了扩大数控机床的工艺范围，数控机床除了沿 X、 Y、 Z 三个坐标轴作直线进给外，往往还需要有绕 Y 或 Z 轴的圆周进给运动。数控机床的圆周进给运动一般由回转工作台来实现，对于加工中 心，回转工作台已成为一个不可缺少的部件。

　　数控机床中常用的回转工作台有分度工作台和数控回转工作台 。

　　（ 1 ） 分度工作台

　　分度工作台只能完成分度运动,不能实现圆周进给，它是按照数控系统的指令，在需要分度时将工作台连同工件回转一定的角度。分度时也可以采用手动分度。分度工作台一般只能回转规定的角度 ( 如 90、 60 和 45 度 等 ) 。

　　（ 2 ） 数控回转工作台

　　数控回转工作台外观上与分度工作台相似，但内部结构和功用大不相同。 数控回转工作台的主要作用是根据数控装置发出的指令脉冲信号，完成圆周进给运动，进行各种圆弧加工或曲面加工，它也可以进行分度工作。

　　3、导轨

　　导轨是进给传动系统的重要环节，是机床基本结构的要素之一，它在很大程度上决定数控机床的刚度、精度与精度保持性。目前，数控机床上的导轨形式主要有滑动导轨、滚动导轨和液体静压导轨等。

　　（ 1 ） 滑动导轨

　　滑动导轨具有结构简单、制造方便、刚度好、抗振性高等优点, 在数控机床上应用广泛，目前多数使用金属对塑料形式，称为贴塑导轨。

　　贴塑滑动导轨的特点：摩擦特性好、耐磨性好、运动平稳、工艺性好、速度较低。

　　（ 2 ） 滚动导轨

　　滚动导轨是在导轨面之间放置滚珠、滚柱或滚针等滚动体，使导轨面之间为滚动摩擦而不是滑动擦擦。

　　滚动导轨与滑动导轨相比，其灵敏度高，摩擦系数小，且动、静摩擦系数相差很小，因而运动均匀，尤其是在低速移动时，不易出现爬行现象；定位精度高，重复定位精度可达0.2 μ m ；牵引力小 ，移动轻便 ；磨损小，精度保持性好，使用寿命长。但滚动导轨的抗振性差，对防护要求高, 结构复杂，制造困难，成本高 。

　　项目五 检测装置

　　一、检测装置作用

　　检测装置是对数控机床中运动部件的位置及速度进行检测，把测量信号作为反馈信号，并将其转换成数字信号送回计算机与脉冲指令信号进行比较，以控制驱动元件正确运转。检测装置的精度直接影响数控机床的定位精度和加工精度 。

　　二、对检测装置的要求

　　数控机床对检测装置的要求是：高的可靠性及抗干扰能力；满足机床加工精度和加工速度的要求；使用维护方便；成本低等。

　　三、检测装置的分类

　　1、直接测量与间接测量

　　直接测量是指所测对象为被测对象本身，其方式有二：一是直线测量，即测工作台直线位移（但检测装置需和行程等长）；二是角度测量，即测主轴旋转角度。

　　间接测量是指以旋转方式检测装置反映工作台直线位移，该方法使用方便又无长度限制，但精度要受机床传动链精度的影响。

　　2、增量式和绝对式测量

　　增量式测量是指只测位移增量，由系统所发脉冲量累计计算位移。

　　绝对式测量是指被测任一点均从固定的零点起算，被测点均有对应编码。

　　3、位置检测与速度检测

　　位置检测指对运动部件的位置作测量，而速度检测则是对运动件速度作测量（如测速发电机）。

　　数控机床中一般为位置检测，常用位置检测元件及其特点、应用。

　　项目六 自动换刀装置

　　一、自动换刀装置的作用

　　自动换刀装置可帮助数控机床节省辅助时间，并满足在一次安装中完成多工序、工步加工要求。

　　二、对自动换刀装置的要求

　　数控机床对自动换刀装置的要求是：换刀迅速、时间短，重复定位精度高，刀具储存量足够，所占空间位置小，工作稳定可靠。

　　三、换刀形式

　　1、回转刀架换刀

　　其结构类似普通车床上回转刀架，根据加工对象不同可设计成四方或六角形式，由数控系统发出指令进行回转换刀。

　　2、更换主轴头换刀

　　各主轴头预先装好所需刀具，依次转至加工位置，接通主运动，带动刀具旋转。该方式的优点是省去了自动松夹、装卸刀具、夹紧及刀具搬动等一系列复杂操作，缩短了换刀时间，提高了换刀可靠性。

　　3、使用刀库换刀

　　将加工中所需刀具分别装于标准刀柄，在机外进行尺寸调整之后按一定方式放入刀库，由交换装置从刀库和主轴上取刀交换。

　　四、刀具交换装置

　　自动换刀装置中，实现刀库与主轴间传递和装卸刀具的装置为刀具交换装置。刀具交换方式常有两种：采用机械手交换刀具和由刀库与机床主轴的相对运动交换刀具（刀库移至主轴处换刀或主轴运动到刀库换刀位置换刀）,其中以机械手换刀最为常见。

　　五、刀库

　　刀库是自动换刀装置中最主要的部件之一，其容量、布局及具体结构对数控机床的总体设计有很大影响。

　　1、刀库容量

　　指刀库存放刀具的数量，一般根据加工工艺要求而定。刀库容量小，不能满足加工需要；容量过大，又会使刀库尺寸大，占地面积大，选刀过程时间长，且刀库利用率低，结构过于复杂，造成很大浪费。

　　2、刀库类型

　　一般有盘式、链式及鼓轮式刀库几种。

　　盘式刀库 刀具呈环行排列，空间利用率低，容量不大但结构简单。

　　链式刀库 结构紧凑，容量大，链环的形状也可随机床布局制成各种形式而灵活多变，还可将换刀位突出以便于换刀，应用较为广泛。

　　鼓轮式或格子式刀库 占地小，结构紧凑，容量大，但选刀、取刀动作复杂，多用于 FMS 的集中供刀系统。

　　3、选刀方式

　　常有顺序选刀和任意选刀两种。

　　顺序选刀是在加工前，将加工所需刀具依工艺次序插入刀库刀套中，顺序不能有差错，加工时按顺序调刀。工件变更时，需重调刀具顺序，操作烦琐，且加工同一工件中刀具不能重复使用。

　　任意选刀是刀具均有自己的代码，加工中任选且可重复使用，也不用放于固定刀座，装刀、选刀都较方便。

　　项目七 数控机床床身

　　一、数控机床床身作用

　　数控机床床身用于支承机床中各零部件，并承受切削力。

　　二、对床身的要求

　　数控机床对床身的要求是：有足够的刚性、抗振性，小的热变形，且易安装、调整。

　　三、数控机床床身类型

　　大部分机床采用铸铁床身，生产中亦有采用人造花岗石及钢板焊接床身的。

　　项目八 刀具系统

　　一、刀具系统作用

　　数控刀具系统在数控加工中具有极其重要的意义，正确选择和使用与数控机床相匹配的刀具系统是充分发挥机床的功能和优势、保证加工精度以及控制加工成本的关键。

　　二、刀具系统内容

　　刀具系统非常庞大，包含内容极多：刀具种类、规格、结构、材料、参数、标准等。 不同的刀具类型和刀柄的结合构成一个品种规格齐全的刀具系统，供用户选择和组合使用， 所具备的刀具系统必须与所使用的机床相适应。

　　三、刀具结构与刀具材料

　　与普通刀具相类似，数控刀具亦有整体、机夹式之分，为充分发挥刀具的切削能力，优化其结构，数控刀具更多采用机械夹固可转位刀具式。与普通刀具不同，数控刀具在结构上对尺寸精度要求很高，以满足较高的定位精度及重复定位精度要求，与之对应的是，刀架或刀柄等接口部分的制造精度亦很高。

　　在数控加工中，速度要远高于普通加工，为适合因高速而带来的高切削温度及严重摩擦，而不致使刀具磨损过于迅速，数控加工刀具以硬质合金为主，一般采用 YT 类硬质合金加工钢料，YG 类硬质合金加工铸铁。为不断提高刀具切削性能，数控刀具中，越来越多地采用涂层硬质合金，涂层材料及涂层技术的迅猛发展，为数控刀具的性能提高提供了良好的条件。除此以外，数控刀具中，亦有采用CBN 、金属复合陶瓷等特硬材料的。

　　项目九 夹具及附件

　　数控机床依靠机床精度和数控加工程序准确控制刀具的正确位置和保证工件的位置精度，使用夹具时勿需考虑常规夹具上的导向和对刀功能，只需具备定位和夹紧两种功能就能满足要求。通常，选用通用夹具，在一次安装中完成工件尽可能多表面的加工；当工件品种和结构变化较大时，可选用组合夹具；当工件形状复杂，不易安装且批量较大时，可考虑设计专用夹具。

　　作为一种可重复使用的夹具系统，组合夹具尤其是孔系组合夹具已在数控机床上逐步获得推广应用，在卧式加工中心上加工阀体零件的孔系组合夹具。

　　数控机床上常用的夹具及附件有：机用虎钳、平口虎钳、液压虎钳、卡盘、对刀仪等，其具体使用方法参见各常用数控机床操作项目。

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