1.2.1　數控機床的特性

　　1.對加工對象改型的適應性強

　　因為數控機床完全靠數控指令來加工零件，所以，若要更改被加工零件，只需更改數控指令即可。這與普通車床更改零件的操作程序是不一樣的，更符合單件小批量生產的要求。總之，CNC具有充分的柔性，能適應不同零件的加工。

　　2.加工產品質量好

　　數控機床嚴格按照零件程序規定的軌跡進行加工，加工精度高，產品質量穩定，集中的工序可減少工裝及人為引起的誤差，產品的重復精度高，互換性（一致性）好，有利于產品質量的控制。

　　一般的數控機床，其定位精度普遍都可以達到0.03mm，重復定位精度為0.01mm。

　　3.生產效率高

　　數控機床可以采用較大的切削用量，有效節省機加工時間；自動換刀和其他輔助功能的自動化，大大縮短了輔助時間；工序集中，減少了工序間運輸、測量和裝夾時間，減少零件的庫存和搬運次數。

　　因此，數控機床的生產效率一般比普通機床高3～5倍。在加工復雜零件時，可提高8～10倍。

　　另外，數控機床加工精度比較穩定，在具有系統自動檢測和自動刀補的條件下，只要做首件試切和抽檢，就可以做連續加工不停車。

　　4.減輕了勞動強度，改善了勞動條件，節省了人力，降低了勞動花費

　　數控機床是嚴格按照事先編好的程序對零件進行自動加工的，操作者除了安放控制介質（磁盤、紙帶、通訊傳輸等）或操作鍵盤、裝卸工件、關鍵工序的中間檢測以及觀察機床運行之外，不需要進行繁重的重復性手工操作，勞動強度與緊張程度可大為減輕，勞動條件也得到相應改善。

　　5.良好的經濟效益

　　使用數控機床加工零件時，雖然設備價格比較昂貴，但對于單件小批量生產而言，可以節省許多其他方面的費用，因此可獲得良好的經濟效益。

　　此外，由于加工精度高且穩定，廢品率和成本下降，對應的工裝等也大為減少。

　　6.有利于生產管理的現代化

　　數控機床加工一件工件的時間是可以根據程序的運行計算出來的，加工一批零件的總工時也可以計算出來。刀具等的管理也可以通過程序來控制。這些都為現代化的生產管理提供了有利條件。

　　7.易于建立計算機通信網絡

　　數控機床使用指令代碼這些數字信息，容易建立起數字通信網絡。例如，加工程序可以脫機編制，通過R232接口連接到數控機床；CAD/CAM等圖形設計制造系統可以連接數控機床進行加工。

　 　另外，數控機床還有一些很重要的指標，如規格指標、精度指標和效率指標等。數控機床的加工精度和表面質量取決于脈沖當量數的大小。一般數控機床脈沖當量 為0.001mm，精密數控機床為0.0001mm。脈沖當量越小，其加工精度和表面質量越高。而且，脈沖當量也是設計數控機床的原始數據之一。

　　定位精度和重復定位精度也屬于精度指標。定位精度指數控機床刀架或工作臺實際運動位置與指令位置的一致程度，其不一致的誤差即定位誤差。重復定位精度指在相同的操作方法和條件下，完成規定操作次數過程中得到結果的一致程度。

　　重復定位精度值會影響批量加工零件的一致性，是一項非常重要的性能指標。經濟型數控機床的定位精度為±0.01mm，重復定位精度為±0.005mm。

　　通常定位誤差來源于伺服驅動系統誤差、檢測系統誤差、進給系統誤差和運動部件導軌的幾何誤差等機械傳動環節的誤差。分度精度和回零精度是定位精度的兩個特例。重復定位精度受伺服系統特性、進給系統的間隙與剛性以及摩擦特性等因素的影響。

　　1.2.2　數控機床加工原理

　　數控機床由控制介質、人機交互設備、計算機數控裝置、進給伺服驅動系統、主軸驅動系統、輔助控制裝置、可編程控制器、反饋系統和自適應控制等部分組成。

　　1.控制介質

　　數控機床在進行加工前，必須接收由操縱人員輸入的零件加工程序，然后才能根據輸入的零件加工程序進行加工控制。因此，數控機床中必須具備必要的輸入/輸出裝置，來完成零件程序的輸入/輸出過程。

　 　輸入程序可以直接在機床控制面板上一條一條輸進去，這種方法適用于零件簡單、程序語句指令少的情況。稍復雜一些的程序要事先在數控機床之外的計算機上編 寫。編寫并修改好零件程序以后，將其存入某種介質（如磁盤、穿孔紙帶等），加工之前通過某種接口將其導入到數控機床內，等待計算機處理。

　　2.人機交互設備

　 　數控機床在加工運行時，操作人員要對數控系統進行狀態干預。即對輸入的加工程序進行編輯、修改、調試和仿真運行等操作，同時數控系統要顯示機床的運行狀 態。這種具有人機聯系、人機互動功能的設備被稱為人機交換設備。人機交換設備主要指的是顯示面板或操作面板，其上有鍵盤、調節按鈕和液晶顯示器等。

　　操作面板可以實時顯示許多加工信息。如加工方式、切削參數、主軸轉速、刀具位置等。高級操作面板還可以顯示走刀軌跡等更多信息。

　　3.計算機數控裝置（CNC）

　 　數控系統實際上是一個軟硬兼施的裝置，即一個包含有許多軟件的硬件組合。它是數控機床的核心部分，是加工運行的指揮中心。數控裝置由譯碼器、控制器、運 算器、存儲器、接口電路等組成。點畫線框內為CNC控制部分。被CNC處理的程序（軟件）可以通過手動方式輸入數據，也可以通過輸入接口接收由外部輸入的 較復雜的程序。

　　可編程控制器（PLC）也屬于輔助控制，其作用是把計算機送來的輔助控制指令轉換為強電信號，以控制機床的順序動作、定時計數、主軸電動機的啟動和停止及轉速調整、冷卻液開關、轉位換刀等。PLC分獨立式和內裝式兩種。

　　4.進給伺服驅動系統

　 　伺服驅動系統是將來自數控裝置的位置控制移動指令轉變為機床工作部件的運動，使工作臺按規定軌跡移動或精確定位，加工出符合圖樣要求的零件。伺服電動機 分為步進電動機、直流伺服電動機、交流伺服電動機三種。根據接收指令又可分為脈沖式驅動電動機和模擬式驅動電動機。步進電動機是脈沖式驅動，交、直流伺服 電動機采用模擬式驅動方式。

　　5.主軸驅動系統

　　數控機床主軸須滿足幾方面的要求：①主軸和進給驅動應能實現同步控制；②主軸可實現正反轉和加減速控制；③能在自動換刀和精鏜退刀時精確準停；④具有恒線速度切削功能以保證加工質量；⑤能實現角度分度功能等。

　　主軸的運動是旋轉運動，大多數采用交流驅動系統。例如，用可編程控制器控制，用變頻器進行調速等方法。普通車床采用多級齒輪有級變速。

　　6.輔助控制裝置

　　輔助控制裝置有液壓潤滑系統、冷卻系統、接口電路、強電控制系統等。

　　7.反饋系統

　　反饋系統包括位置反饋和速度反饋等。其作用是通過實時在線測量機床移動的位置速度參數，同時轉換成電信號反饋給CNC裝置，及時調節正確參數，保證加工精度。

　　8.自適應控制

　 　數控機床按照程序指令運行，主軸轉速和刀架移動量都由指令事先編寫好。但有些因素在編程序時無法預測，如工件材料特性在加工過程中的變化，現場環境溫度 的變化等。這些隨時變化的因素會影響數控機床加工精度和生產效率。自適應控制的目的就是試圖把加工過程中的溫度、轉矩、振動、摩擦、切削力等因素的變化與 最佳參數比較，若有誤差及時補償，以保證加工精度或生產率。自適應系統價格較貴，目前沒有安裝在普通數控機床上。

　　9.機床本體

　 　數控機床本體由床身、立柱和工作臺等大型鑄件組成，是數控機床的基礎結構，由于數控機床是高精度和高自動化加工機床，與普通機床相比，應具有更好的抗振 性和剛度，要求相對運動的摩擦因數要小，進給傳動部分之間的間隙要小。所以其設計要求比通用機床更嚴格，加工制造更精密，還要采用加強剛性、減小熱變形、 提高精度的設計措施。

　　1.2.3　數控機床分類

　　數控機床有七種分類方法，即按工藝用途分類，按加工路線分類，按可控制聯動的坐標軸數分類，按數控裝置的類型分類，按控制方式分類，按加工方式分類和按功能水平分類。

　　1.按工藝用途分類

　　（1）一般數控機床

　　為XK5040A型數控銑床。此外，還有普通數控鉆床、車床、鏜床、磨床和齒輪加工機床等。

　　（2）數控加工中心

　　數控加工中心與一般數控機床的區別是，加工中心有一個刀庫和自動換刀裝置。是可進行五面加工的加工中心。刀庫可預安裝一百多把不同的刀具，換刀采用換刀機械手，可極大提高效率，減少輔助時間，實現一臺機床進行多工種、多工序加工。

　　2.按加工路線分類

　　數控機床按其進刀與工件相對運動的方式，可以分為點位控制、直線控制和輪廓控制三種。

　　（1）點位控制

　　點位控制指刀具與工件相對運動時，數控系統只控制某一點到另一點的直線距離位置精確性，而不考慮兩點之間的運動路徑和方向，這種數控方式多用于數控鉆床、數控沖床、數控坐標鏜床和數控點焊機等。點位控制數控機床的運動特點是先快后慢。

　　（2）直線控制

　　直線控制指刀具與工件相對運動時，刀具軌跡都是平行坐標軸的直線，這種控制方式常用于一些數控車床、數控銑床和數控磨床等。

　　（3）輪廓控制

　　輪廓控制指刀具與工件相對運動時，能對兩個或以上坐標軸的運動同時進行控制，因此可以加工平面曲線輪廓或空間曲面輪廓，采用這類控制方式的控機床有數控車床、數控銑床、數控磨床、加工中心等。

　　3.按可控制聯動的坐標軸數分類

　　可控制聯動的坐標軸數就是數控裝置可以控制幾個伺服電動機，即同時驅動機床移動部件運動的坐標軸數目。

　　（1）兩坐標聯動

　　數控機床能同時控制兩個坐標軸聯動，即X軸和Z軸。可用于數控銑床加工各種曲線輪廓以及數控車床加工各類回轉體類零件。為數控銑床加工的零件溝槽。

　　（2）三坐標聯動

　　數控機床能同時控制三個坐標軸聯動，可用于加工曲面零件。

　　（3）兩軸半坐標聯動

　　數控機床能同時控制兩個坐標軸，第三個坐標軸只作等距圓周運動。數控裝置在XZ平面內控制X、Z兩坐標聯動，加工垂直面內的輪廓表面。同時系統還控制Y坐標作定期等距移動，形成空間曲面。

　　（4）多坐標聯動

　　數控裝置能同時控制四個以上坐標軸的聯動，主要用于加工形狀復雜的零件。但多坐標數控機床的結構復雜，本身機床精度要求很高，且零件加工程序編制難度大。為五軸聯動數控銑床加工曲面零件情況。

　　4.按數控裝置的類型分類

　　（1）硬件數控

　　數控機床的發展經歷了六個時代，其中前三代即電子管時代、晶體管時代和集成電路時代屬于第一階段，也是硬件數控階段。現在那一時代開發的機床均已被淘汰，但這些數控機床的工作原理仍有借鑒意義。

　　硬件數控系統的工作原理：根據被加工零件的零件圖，編制零件工藝文件→編寫數控機床加工程序→制作穿孔紙帶→（通過閱讀機）讀入機床→（數控裝置根據輸入的程序）加工出合格產品。

　　（2）計算機數控

　 　硬件數控由于功能少、線路復雜、可靠性低等缺點現已無市場。隨著計算機性價比的提高，數控機床普遍采用計算機處理數字信息，即CNC。用CNC加工零件 主要靠軟件來控制。軟件分系統軟件和應用軟件兩種。系統軟件固化于只讀存儲器（ROM）中，關機后不會丟失且不可更改。應用軟件就是加工零件的程序指令， 不同的工件對應不同的應用軟件。應用軟件可以存儲在數控機床的存儲器中，也可以暫時存儲在外存儲器（磁盤等）中，加工零件時通過數據接口輸入到CNC。

　　計算機數控系統的工作原理。

　　5.按控制方式分類

　　數控機床按照對被控量有無檢測反饋裝置分為開環控制數控機床和閉環控制數控機床兩種。

　　（1）開環控制數控機床

　 　典型的數控機床開環控制系統框圖。開環CNC沒有檢測反饋裝置。計算機將輸入的加工程序處理后把信號傳給各個伺服驅動系統，驅動機床運動，但不發出反饋 信號。進給伺服系統主要使用步進電動機。首先是數控裝置插補器進行插補運算生成指令脈沖，經控制電路中驅動電路放大，驅動步進電動機轉動。一個進給脈沖使 電動機轉一個微小角度，通過傳動裝置驅動工作臺或刀架移動一定距離。工作臺位移量與電動機轉動角成正比，即與進給脈沖數目成正比。改變脈沖數目和頻率就可 改變進給位移量和速度。脈沖指令單方向發出，不再返回給數控裝置，故稱為開環控制。

　　開環控制的步距、傳動和速度精度比較低。但其使用簡單方便且價格低廉，因此被廣泛用于經濟型數控機床。

　　（2）閉環控制數控機床

　　數控機床閉環控制系統框圖。安裝在工作臺上的檢測元件將工作臺實際位移量反饋到計算機中，與所要求的位置指令進行比較，用比較的差值進行調整控制，直到差值消除為止。

　　閉環控制系統可以消除機械傳動部件的各種誤差和工件加工過程中產生的干擾影響，從而使加工精度大大提高。速度反饋是利用測速發電動機保證工作電動機轉速恒定不變。

　　閉環控制的特點是：加工精度高，移動速度快。由于采用交流或直流伺服電動機，其控制電路比較復雜，檢測元件價格高，調試和維修比較復雜。

　　（3）半閉環控制數控機床

　　數控機床半閉環控制系統框圖。半閉環控制數控機床不直接檢測工作臺的位移量，而是用光電編碼器先測出伺服電動機或絲杠的轉角，推算出工作臺的實際位移量，反饋到CNC中進行位置比較，用比較的差值進行控制。

　　半閉環控制數控機床的反饋環不包括工作臺，故稱為半閉環控制。

　　半閉環控制精度較閉環控制差，但穩定性好，成本低，調試維修也比較容易，兼有開環和閉環控制兩者的特點，應用比較普遍。

　　6.按加工方式分類

　　（1）金屬切削類數控機床

　　如數控車床、加工中心、數控鉆床、數控磨床、數控鏜床等。

　　（2）金屬成型類數控機床

　　如數控折彎機、數控彎管機、數控回轉頭壓力機等。

　　（3）數控特種加工機床

　　如數控線切割機、數控電火花加工機、數控激光切割機等。

　　（4）其他類型的數控機床

　　如數控火焰切割機、數控三坐標測量機等。

　　7.按功能水平分類

　　按功能水平可以把數控機床分為高檔、中檔、低檔三類。

　　我國目前多使用這種分類方法。所謂經濟型數控機床即屬于低檔數控機床，它主要由單板機、單片機和步進電動機組成數控系統，完全可以滿足中小廠零件加工精度的需求，應用比較普遍，也多用于普通舊機床的升級改造。