数控机床都有哪些特性

1.2.1　数控机床的特性

　　1.对加工对象改型的适应性强

　　因为数控机床完全靠数控指令来加工零件，所以，若要更改被加工零件，只需更改数控指令即可。这与普通车床更改零件的操作程序是不一样的，更符合单件小批量生产的要求。总之，CNC具有充分的柔性，能适应不同零件的加工。

　　2.加工产品质量好

　　数控机床严格按照零件程序规定的轨迹进行加工，加工精度高，产品质量稳定，集中的工序可减少工装及人为引起的误差，产品的重复精度高，互换性（一致性）好，有利于产品质量的控制。

　　一般的数控机床，其定位精度普遍都可以达到0.03mm，重复定位精度为0.01mm。

　　3.生产效率高

　　数控机床可以采用较大的切削用量，有效节省机加工时间；自动换刀和其他辅助功能的自动化，大大缩短了辅助时间；工序集中，减少了工序间运输、测量和装夹时间，减少零件的库存和搬运次数。

　　因此，数控机床的生产效率一般比普通机床高3～5倍。在加工复杂零件时，可提高8～10倍。

　　另外，数控机床加工精度比较稳定，在具有系统自动检测和自动刀补的条件下，只要做首件试切和抽检，就可以做连续加工不停车。

　　4.减轻了劳动强度，改善了劳动条件，节省了人力，降低了劳动花费

　　数控机床是严格按照事先编好的程序对零件进行自动加工的，操作者除了安放控制介质（磁盘、纸带、通讯传输等）或操作键盘、装卸工件、关键工序的中间检测以及观察机床运行之外，不需要进行繁重的重复性手工操作，劳动强度与紧张程度可大为减轻，劳动条件也得到相应改善。

　　5.良好的经济效益

　　使用数控机床加工零件时，虽然设备价格比较昂贵，但对于单件小批量生产而言，可以节省许多其他方面的费用，因此可获得良好的经济效益。

　　此外，由于加工精度高且稳定，废品率和成本下降，对应的工装等也大为减少。

　　6.有利于生产管理的现代化

　　数控机床加工一件工件的时间是可以根据程序的运行计算出来的，加工一批零件的总工时也可以计算出来。刀具等的管理也可以通过程序来控制。这些都为现代化的生产管理提供了有利条件。

　　7.易于建立计算机通信网络

　　数控机床使用指令代码这些数字信息，容易建立起数字通信网络。例如，加工程序可以脱机编制，通过R232接口连接到数控机床；CAD/CAM等图形设计制造系统可以连接数控机床进行加工。

　 　另外，数控机床还有一些很重要的指标，如规格指标、精度指标和效率指标等。数控机床的加工精度和表面质量取决于脉冲当量数的大小。一般数控机床脉冲当量 为0.001mm，精密数控机床为0.0001mm。脉冲当量越小，其加工精度和表面质量越高。而且，脉冲当量也是设计数控机床的原始数据之一。

　　定位精度和重复定位精度也属于精度指标。定位精度指数控机床刀架或工作台实际运动位置与指令位置的一致程度，其不一致的误差即定位误差。重复定位精度指在相同的操作方法和条件下，完成规定操作次数过程中得到结果的一致程度。

　　重复定位精度值会影响批量加工零件的一致性，是一项非常重要的性能指标。经济型数控机床的定位精度为±0.01mm，重复定位精度为±0.005mm。

　　通常定位误差来源于伺服驱动系统误差、检测系统误差、进给系统误差和运动部件导轨的几何误差等机械传动环节的误差。分度精度和回零精度是定位精度的两个特例。重复定位精度受伺服系统特性、进给系统的间隙与刚性以及摩擦特性等因素的影响。

　　1.2.2　数控机床加工原理

　　数控机床由控制介质、人机交互设备、计算机数控装置、进给伺服驱动系统、主轴驱动系统、辅助控制装置、可编程控制器、反馈系统和自适应控制等部分组成。

　　1.控制介质

　　数控机床在进行加工前，必须接收由操纵人员输入的零件加工程序，然后才能根据输入的零件加工程序进行加工控制。因此，数控机床中必须具备必要的输入/输出装置，来完成零件程序的输入/输出过程。

　 　输入程序可以直接在机床控制面板上一条一条输进去，这种方法适用于零件简单、程序语句指令少的情况。稍复杂一些的程序要事先在数控机床之外的计算机上编 写。编写并修改好零件程序以后，将其存入某种介质（如磁盘、穿孔纸带等），加工之前通过某种接口将其导入到数控机床内，等待计算机处理。

　　2.人机交互设备

　 　数控机床在加工运行时，操作人员要对数控系统进行状态干预。即对输入的加工程序进行编辑、修改、调试和仿真运行等操作，同时数控系统要显示机床的运行状 态。这种具有人机联系、人机互动功能的设备被称为人机交换设备。人机交换设备主要指的是显示面板或操作面板，其上有键盘、调节按钮和液晶显示器等。

　　操作面板可以实时显示许多加工信息。如加工方式、切削参数、主轴转速、刀具位置等。高级操作面板还可以显示走刀轨迹等更多信息。

　　3.计算机数控装置（CNC）

　 　数控系统实际上是一个软硬兼施的装置，即一个包含有许多软件的硬件组合。它是数控机床的核心部分，是加工运行的指挥中心。数控装置由译码器、控制器、运 算器、存储器、接口电路等组成。点画线框内为CNC控制部分。被CNC处理的程序（软件）可以通过手动方式输入数据，也可以通过输入接口接收由外部输入的 较复杂的程序。

　　可编程控制器（PLC）也属于辅助控制，其作用是把计算机送来的辅助控制指令转换为强电信号，以控制机床的顺序动作、定时计数、主轴电动机的启动和停止及转速调整、冷却液开关、转位换刀等。PLC分独立式和内装式两种。

　　4.进给伺服驱动系统

　 　伺服驱动系统是将来自数控装置的位置控制移动指令转变为机床工作部件的运动，使工作台按规定轨迹移动或精确定位，加工出符合图样要求的零件。伺服电动机 分为步进电动机、直流伺服电动机、交流伺服电动机三种。根据接收指令又可分为脉冲式驱动电动机和模拟式驱动电动机。步进电动机是脉冲式驱动，交、直流伺服 电动机采用模拟式驱动方式。

　　5.主轴驱动系统

　　数控机床主轴须满足几方面的要求：①主轴和进给驱动应能实现同步控制；②主轴可实现正反转和加减速控制；③能在自动换刀和精镗退刀时精确准停；④具有恒线速度切削功能以保证加工质量；⑤能实现角度分度功能等。

　　主轴的运动是旋转运动，大多数采用交流驱动系统。例如，用可编程控制器控制，用变频器进行调速等方法。普通车床采用多级齿轮有级变速。

　　6.辅助控制装置

　　辅助控制装置有液压润滑系统、冷却系统、接口电路、强电控制系统等。

　　7.反馈系统

　　反馈系统包括位置反馈和速度反馈等。其作用是通过实时在线测量机床移动的位置速度参数，同时转换成电信号反馈给CNC装置，及时调节正确参数，保证加工精度。

　　8.自适应控制

　 　数控机床按照程序指令运行，主轴转速和刀架移动量都由指令事先编写好。但有些因素在编程序时无法预测，如工件材料特性在加工过程中的变化，现场环境温度 的变化等。这些随时变化的因素会影响数控机床加工精度和生产效率。自适应控制的目的就是试图把加工过程中的温度、转矩、振动、摩擦、切削力等因素的变化与 最佳参数比较，若有误差及时补偿，以保证加工精度或生产率。自适应系统价格较贵，目前没有安装在普通数控机床上。

　　9.机床本体

　 　数控机床本体由床身、立柱和工作台等大型铸件组成，是数控机床的基础结构，由于数控机床是高精度和高自动化加工机床，与普通机床相比，应具有更好的抗振 性和刚度，要求相对运动的摩擦因数要小，进给传动部分之间的间隙要小。所以其设计要求比通用机床更严格，加工制造更精密，还要采用加强刚性、减小热变形、 提高精度的设计措施。

　　1.2.3　数控机床分类

　　数控机床有七种分类方法，即按工艺用途分类，按加工路线分类，按可控制联动的坐标轴数分类，按数控装置的类型分类，按控制方式分类，按加工方式分类和按功能水平分类。

　　1.按工艺用途分类

　　（1）一般数控机床

　　为XK5040A型数控铣床。此外，还有普通数控钻床、车床、镗床、磨床和齿轮加工机床等。

　　（2）数控加工中心

　　数控加工中心与一般数控机床的区别是，加工中心有一个刀库和自动换刀装置。是可进行五面加工的加工中心。刀库可预安装一百多把不同的刀具，换刀采用换刀机械手，可极大提高效率，减少辅助时间，实现一台机床进行多工种、多工序加工。

　　2.按加工路线分类

　　数控机床按其进刀与工件相对运动的方式，可以分为点位控制、直线控制和轮廓控制三种。

　　（1）点位控制

　　点位控制指刀具与工件相对运动时，数控系统只控制某一点到另一点的直线距离位置精确性，而不考虑两点之间的运动路径和方向，这种数控方式多用于数控钻床、数控冲床、数控坐标镗床和数控点焊机等。点位控制数控机床的运动特点是先快后慢。

　　（2）直线控制

　　直线控制指刀具与工件相对运动时，刀具轨迹都是平行坐标轴的直线，这种控制方式常用于一些数控车床、数控铣床和数控磨床等。

　　（3）轮廓控制

　　轮廓控制指刀具与工件相对运动时，能对两个或以上坐标轴的运动同时进行控制，因此可以加工平面曲线轮廓或空间曲面轮廓，采用这类控制方式的控机床有数控车床、数控铣床、数控磨床、加工中心等。

　　3.按可控制联动的坐标轴数分类

　　可控制联动的坐标轴数就是数控装置可以控制几个伺服电动机，即同时驱动机床移动部件运动的坐标轴数目。

　　（1）两坐标联动

　　数控机床能同时控制两个坐标轴联动，即X轴和Z轴。可用于数控铣床加工各种曲线轮廓以及数控车床加工各类回转体类零件。为数控铣床加工的零件沟槽。

　　（2）三坐标联动

　　数控机床能同时控制三个坐标轴联动，可用于加工曲面零件。

　　（3）两轴半坐标联动

　　数控机床能同时控制两个坐标轴，第三个坐标轴只作等距圆周运动。数控装置在XZ平面内控制X、Z两坐标联动，加工垂直面内的轮廓表面。同时系统还控制Y坐标作定期等距移动，形成空间曲面。

　　（4）多坐标联动

　　数控装置能同时控制四个以上坐标轴的联动，主要用于加工形状复杂的零件。但多坐标数控机床的结构复杂，本身机床精度要求很高，且零件加工程序编制难度大。为五轴联动数控铣床加工曲面零件情况。

　　4.按数控装置的类型分类

　　（1）硬件数控

　　数控机床的发展经历了六个时代，其中前三代即电子管时代、晶体管时代和集成电路时代属于第一阶段，也是硬件数控阶段。现在那一时代开发的机床均已被淘汰，但这些数控机床的工作原理仍有借鉴意义。

　　硬件数控系统的工作原理：根据被加工零件的零件图，编制零件工艺文件→编写数控机床加工程序→制作穿孔纸带→（通过阅读机）读入机床→（数控装置根据输入的程序）加工出合格产品。

　　（2）计算机数控

　 　硬件数控由于功能少、线路复杂、可靠性低等缺点现已无市场。随着计算机性价比的提高，数控机床普遍采用计算机处理数字信息，即CNC。用CNC加工零件 主要靠软件来控制。软件分系统软件和应用软件两种。系统软件固化于只读存储器（ROM）中，关机后不会丢失且不可更改。应用软件就是加工零件的程序指令， 不同的工件对应不同的应用软件。应用软件可以存储在数控机床的存储器中，也可以暂时存储在外存储器（磁盘等）中，加工零件时通过数据接口输入到CNC。

　　计算机数控系统的工作原理。

　　5.按控制方式分类

　　数控机床按照对被控量有无检测反馈装置分为开环控制数控机床和闭环控制数控机床两种。

　　（1）开环控制数控机床

　 　典型的数控机床开环控制系统框图。开环CNC没有检测反馈装置。计算机将输入的加工程序处理后把信号传给各个伺服驱动系统，驱动机床运动，但不发出反馈 信号。进给伺服系统主要使用步进电动机。首先是数控装置插补器进行插补运算生成指令脉冲，经控制电路中驱动电路放大，驱动步进电动机转动。一个进给脉冲使 电动机转一个微小角度，通过传动装置驱动工作台或刀架移动一定距离。工作台位移量与电动机转动角成正比，即与进给脉冲数目成正比。改变脉冲数目和频率就可 改变进给位移量和速度。脉冲指令单方向发出，不再返回给数控装置，故称为开环控制。

　　开环控制的步距、传动和速度精度比较低。但其使用简单方便且价格低廉，因此被广泛用于经济型数控机床。

　　（2）闭环控制数控机床

　　数控机床闭环控制系统框图。安装在工作台上的检测元件将工作台实际位移量反馈到计算机中，与所要求的位置指令进行比较，用比较的差值进行调整控制，直到差值消除为止。

　　闭环控制系统可以消除机械传动部件的各种误差和工件加工过程中产生的干扰影响，从而使加工精度大大提高。速度反馈是利用测速发电动机保证工作电动机转速恒定不变。

　　闭环控制的特点是：加工精度高，移动速度快。由于采用交流或直流伺服电动机，其控制电路比较复杂，检测元件价格高，调试和维修比较复杂。

　　（3）半闭环控制数控机床

　　数控机床半闭环控制系统框图。半闭环控制数控机床不直接检测工作台的位移量，而是用光电编码器先测出伺服电动机或丝杠的转角，推算出工作台的实际位移量，反馈到CNC中进行位置比较，用比较的差值进行控制。

　　半闭环控制数控机床的反馈环不包括工作台，故称为半闭环控制。

　　半闭环控制精度较闭环控制差，但稳定性好，成本低，调试维修也比较容易，兼有开环和闭环控制两者的特点，应用比较普遍。

　　6.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、数控镗床等。

　　（2）金属成型类数控机床

　　如数控折弯机、数控弯管机、数控回转头压力机等。

　　（3）数控特种加工机床

　　如数控线切割机、数控电火花加工机、数控激光切割机等。

　　（4）其他类型的数控机床

　　如数控火焰切割机、数控三坐标测量机等。

　　7.按功能水平分类

　　按功能水平可以把数控机床分为高档、中档、低档三类。

　　我国目前多使用这种分类方法。所谓经济型数控机床即属于低档数控机床，它主要由单板机、单片机和步进电动机组成数控系统，完全可以满足中小厂零件加工精度的需求，应用比较普遍，也多用于普通旧机床的升级改造。