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（盐城生物工程分院）
题
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目
数控车床的基本应用
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资
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料
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摘
要
世界制造业转移，中国正在逐步成为世界加工厂。美国、德国
、韩国等国家已经进
入工业化发展的高技术密集时代与微电子时代，钢铁、机械、化工等
重工业正逐渐向发
展中国家转移。我国目前经济发展已经过了发展初期，正处于重化工业
发展中期。
未来
10
年
将是中国机械行业发展最佳时期。美国、德国的重化工业发展期延续了
18
年以上，美国、德国、韩国四国重化工业发展期平均延续了
12
年，我们估计中国的
重化工业发展期将至少延续
10
年，直到
2015
年。因此，在未来<
/p>
10
年中，随着中国重
化工业进程的推进
，中国企业规模、产品技术、质量等都将得到大幅提升，国产机械产
品国际竞争力增强，
逐步替代进口，
并加速出口。
目前，<
/p>
机械行业中部分子行业如船舶、
铁路、集装箱及集装箱起重机制造
等已经受益于国际间的产业转移，并将持续受益；电
站设备、工程机械、床等将受益于产
业转移，加快出口进程
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资
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料
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数控机床的产生
< br>在机械制造工业中并不是所有的产品零件都具有很大的批量，单件与小批量生产的
零件
（批量在
10
～
< br>100
件）
约占机械加工总量的
80%
以上。
尤其是在造船、
航天、<
/p>
航空、
机床、重型机械以及国防工业更是如此。
< br>
为了满足多品种，小批量的自动化生产，迫切需要一种灵活的，通用的，能够适
用产品频繁变化的柔性自动化机床。数控机床就是在这样的背景下诞生与发展起来的。<
/p>
它为单件、小批量生产的精密复杂零件提供了自动化的加工手段。
根据国家标准ＧＢ／Ｔ８１２９－１９９７，对机床数字控制的定义：用数字控
制的装置（简称数控装置）
，在运行过程中，不断地引入数字数据，从而
对某一生产过
程实现自动控制，叫数字控制，简称数控。用计算机控制加工功能，称计算
机数控
（
computerized numerical
，缩写ＣＮＣ）
。
< br>数控机床即使采用了数控技术的机床，或者说装备了数控系统的机床。从应用来
说
，数控机床就是将加工过程所需的各种操作（如主轴变速、松加工件、进刀与退刀、
开车
与停车、选择刀具、供给切削液等）和步骤，以及刀具与工件之间的相对位移量都
用数字
化的代码来表示，通过控制介质将数字信息送入专用的或通用的计算机，计算机
对输入的
信息进行处理与运算，发出各种指令来控制机床的伺服系统或其他执行元件，
是机床自动
加工出所需要的零件。
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资
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料
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数控机床的发展
2.1
数控系统的发展
从１９５２年第一台
数控机床问世后，数控系统已经先后经历了两个阶段和六代
的发展，其六代是指电子管、
晶体管、集成电路、小型计算机、微处理器和基于工控Ｐ
Ｃ机的通用
CNC
系统。其中前三代为第一阶段，称作为硬件连接数控，简称ＮＣ系统；
后三代为第二阶段，乘坐计算机软件数控，简称ＣＮＣ系统。
2.2
机床的发展趋势
数控机床总的发展趋势是工序集中、高速、高效、高精度以及方便使用、提高可
靠性等。
（
< br>1
）工序集中
20
世纪
5
0
年代末期，在一般数控机床的基础上开发了数控加工
中心，即
自备刀具库的自动换刀数控机床。在加工中心机床上，工件一次装夹后，机床
的机械手可
以自动更换刀具，连续的对工件进行多种工序加工。
目前，加
工中心机床的刀具库容量可达到
100
多把刀具，自动换刀装置
的换刀时
间仅需
0.5
～
2
秒。加工中心机床使工序集中在一台机床上完成，减少了由于工序分散，<
/p>
工件多次安装引起的定位误差，
提高了加工精度，
同时也减少了机床的台数与占地面积，
压缩了半成品的库存量，减少了工序间的
辅助时间，有效的提高了数控机床的生产效率
和数控加工的经济效益。
< br>
（
2
）高速、高效、高精度<
/p>
高速、高效、高精度是机械加工的目
标，数控机床因其价格昂贵，在上述三方面的发展
也就更为突出。
（
3
）方便使用
< br>
数控机床制造厂把建立友好的人机界面、提高数控机床的可靠性作为提高竞争能
力的主要方面。
1
）加工编程方便
手工编程和自动编程已经使用了几十年，有了长足的发展，在
手工编程方面，开
发了多种加工循环、参数编程和除直线、圆弧以外的各种插补功能，<
/p>
CAD/CAM
的研究
发展，从技术上来
讲可以替代手工编程。但是一套适用的
CAD/CAM
软件加上
计算机硬
件，投资较大，学习、掌握时间较长，对大多数的简单工件很不经济。
近年来，发展起来的图形交互式编程系统（
W
OP
，又称面向车间编程）
，很受用户
欢迎。这种编程方式不使用
G
、
M
代码，而是借助图形菜单，输入整个图形块以及相应
.
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资
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料
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参数作为加工指令，形成加
工程序，与传统加工时的思维方式类似。图形交互编程方法
在制定标准后，有可能成为各
种型号的数控机床统一的编程方法。
2
）使用方法
数控机床普遍采用彩色
CRT
进行人机对话、
图形显示和图形模拟的。
有的数控机床将采
用说明书、
编程指南、润滑指南等存入系统共使用者调阅。
.
数控机床的分类
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资
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料
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..
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3.1
按加工工艺方法分类
3.1.1
．金属切削类数控机床
与传统的车、铣、钻、磨、齿轮加工相对应的数控机床有数控
车床、数控铣床、数
控钻床、数控磨床、数控齿轮加工机床等。尽管这些数控机床在加工
工艺方法上存在很
大差别，具体的控制方式也各不相同，但机床的动作和运动都是数字化
控制的，具有较
高的生产率和自动化程度。
在普通数控机床加装一个刀库和换
刀装置就成为数控加工中心机床。
加工中心机床
进一步提高了普
通数控机床的自动化程度和生产效率。例如铣、镗、钻加工中心，它是
在数控铣床基础上
增加了一个容量较大的刀库和自动换刀装置形成的，工件一次装夹
后，可以对箱体零件的
四面甚至五面大部分加工工序进行铣、镗、钻、扩、铰以及攻螺
纹等多工序加工，特别适
合箱体类零件的加工。加工中心机床可以有效地避免由于工件
多次安装造成的定位误差，
减少了机床的台数和占地面积，缩短了辅助时间，大大提高
了生产效率和加工质量。
3.1.2
．特种加工类数控机床
除了切削加工数控机床以外，数控技术也大量用于数控电火花
线切割机床、数控电火花
成型机床、数控等离子弧切割机床、数控火焰切割机床以及数控
激光加工机床等。
3.1.3
．板材加工类数控机床
常见的应用于金属板材加工的数控机床有数控压力机、数控剪
板机和数控折弯机等。
近年来，其
它机械设备中也大量采用了数控技术，如数控多坐标测量机、自动绘图机及
工业机器人等
。
3.2
按控制运动轨迹分类
3.2.1
．点位控制数控机床
位置的精确定位，在移动和定位过
程中不进行任何加工。机床数控系统只控制行程终点
的坐标值，不控制点与点之间的运动
轨迹，因此几个坐标轴之间的运动无任何联系。可
以几个坐标同时向目标点运动，也可以
各个坐标单独依次运动。
这类数控
机床主要有数控坐标镗床、数控钻床、数控冲床、数控点焊机等。点位控制数
控机床的数
控装置称为点位数控装置。
.
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资
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料
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..
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.
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3.2.2
．直线控制数控机床
直线控制数控机床可控制刀具或工作台以适当的进给速度，<
/p>
沿着平行于坐标轴的方向进
行直线移动和切削加工，进给速度根据
切削条件可在一定范围内变化。
直
线控制的简易数控车床，只有两个坐标轴，可加工阶梯轴。直线控制的数控铣床，有
三个
坐标轴，可用于平面的铣削加工。现代组合机床采用数控进给伺服系统，驱动动力
头带有
多轴箱的轴向进给进行钻镗加工，它也可算是一种直线控制数控机床。
数控镗铣床、加工中心等机床，它的各个坐标方向的进给运动
的速度能在一定范围内进
行调整，兼有点位和直线控制加工的功能，这类机床应该称为点
位
/
直线控制的数控机
床。
3.3.3
．轮廓控制数控机床
轮廓控制数控机床能够对两个或两个以上运动的位移及速度进
行连续相关的控制，
使合
成的平面或空间的运动轨迹能满足零件
轮廓的要求。
它不仅能控制机床移动部件的起点
与终点坐标，而
且能控制整个加工轮廓每一点的速度和位移，将工件加工成要求的轮廓
形状。
常用的数控车床、
数
控铣床、
数控磨床就是典型的轮廓控制数控机床。
数控火焰切割
机、
电火花加工机床以及数控绘图机等也采用了轮廓控制系统。
轮廓控制系统的结构要比点
位
/
直线控
系统更为复杂，在加工过程中需要不断进行插补运算，然后进行相应的速度
与位移控制。
现在计算机数控装置的控制功能均
由软件实现，增加轮廓控制功能不会带来成本的增
加。因此，除少数专用控制系统外，现
代计算机数控装置都具有轮廓控制功能。
3.3
按驱动装置的特点分类
3.3.1
开环控制数控机床
这类控制的数控机床是其控制系统没有位置检测元件，
伺服驱动部件通常为反应式
步进电动机或混合式伺服步进电动机。数控
系统每发出一个进给指令，经驱动电路功率
放大后，驱动步进电机旋转一个角度，再经过
齿轮减速装置带动丝杠旋转，通过丝杠螺
母机构转换为移动部件的直线位移。
移动部件的移动速度与位移量是由输入脉冲的频率
与脉冲数所决定的。此类
数控机床的信息流是单向的，即进给脉冲发出去后，实际移动
值不再反馈回来，所以称为
开环控制数控机床。
开环控制系统
的数控机床结构简单，成本较低。但是，系统对移动部件的实际位移
.
.
资
.
料
.
..
.
.
. .
量不进行监测，也不能进行
误差校正。因此，步进电动机的失步、步距角误差、齿轮与
丝杠等传动误差都将影响被加
工零件的精度。
开环控制系统仅适用于加工精度要求不很
高的中
小型数控机床，特别是简易经济型数控机床。
3.3.2
闭环控制数控机床
接对工作台的实际位移进行检测，将测量的实际位移值反馈到
数控装置中，与输入
的指令位移值进行比较，用差值对机床进行控制，使移动部件按照实
际需要的位移量运
动，最终实现移动部件的精确运动和定位。从理论上讲，闭环系统的运
动精度主要取决
于检测装置的检测精度，也与传动链的误差无关，因此其控制精度高。图
1-3
所示的为
闭环控制数控机床的系
统框图。图中
A
为速度传感器、
C
为直线位移传感器。当位移指
令值发送到位置比较电路时，若工作台
没有移动，则没有反馈量，指令值使得伺服电动
机转动，
通过<
/p>
A
将速度反馈信号送到速度控制电路，
通
过
C
将工作台实际位移量反馈回
去，在
位置比较电路中与位移指令值相比较，用比较后得到的差值进行位置控制，直至
差值为零
时为止。这类控制的数控机床，因把机床工作台纳入了控制环节，故称为闭环
控制数控机
床。
闭环控制数控机床的定位精度
高，但调试和维修都较困难，系统复杂，成本高。
3.3.3
半闭环控制数控机床
半闭环控制数控机床是在伺服电动机的轴或数控机床的传动丝
杠上装有角位移电
流检测装置（如光电编码器等）
，通过检测丝
杠的转角间接地检测移动部件的实际位移，
然后反馈到数控装置中去，
< br>并对误差进行修正。
通过测速元件
A
和光电编码盘
B
可间接
检测出伺服
电动机的转速，
从而推算出工作台的实际位移量，
将此值与指令
值进行比较，
用差值来实现控制。
由于工作台没有包括在控制回
路中，
因而称为半闭环控制数控机床。
半闭环控制数控系统的调试比较方便，并且具有很好的稳定性
。目前大多将角度检
测装置和伺服电动机设计成一体，这样，使结构更加紧凑。
3.3.4
混合控制数控机床
将以上三类数控机床的特点结合起来，就形成了混合控制数控
机床。混合控制数控
机床特别适用于大型或重型数控机床，
因为
大型或重型数控机床需要较高的进给速度与
相当高的精度，其传动链惯量与力矩大，如果
只采用全闭环控制，机床传动链和工作台
全部置于控制闭环中，闭环调试比较复杂。混合
控制系统又分为两种形式：
（
1
）开环补偿型。它的基本控制选用步进电动机的开环伺服机构，另
外附加一个校正
电路。用装在工作台的直线位移测量元件的反馈信号校正机械系统的误差
。
.
.
资
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料
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..
.
.
. .
（
2
）半闭环补偿型。它是用半闭环控制方式取得高精度控制，再用装在工作台上的直
线位移测量元件实现全闭环修正，
以获得高速度与高精度的统一。<
/p>
其中
A
是速度测量元
件（如测速发电机）
，
B
是角度测
量元件，
C
是直线位移测量元件。
数控车的工艺与工装削
数控车床加工工艺与普通车床的加工工艺类似，但由于数控车床是一次装夹，连续
< br>自动加工完成所有车削工序，因而应注意以下几个方面。
.
.
资
.
料
.
..
.
.
. .
4.1.
合理选择切削用量
对于高效率的金属切削加工来说，被加工材料、切削工具、切削条件是三大要素。
这些决定着加工时间、刀具寿命和加工质量。经济有效的加工方式必然是合理的选择了
切削条件。
切削条件的三要素：切削速度、进给量和
切深直接引起刀具的损伤。伴随着切削速
度的提高，刀尖温度会上升，会产生机械的、化
学的、热的磨损。切削速度提高
20%
，
刀具寿命会减少
1/2
。
进给条件与刀具后面磨损关系在极小的范围内产生。但进给量大，切削温度上升，
后面磨损大。它比切削速度对刀具的影响小。切深对刀具的影响虽然没有切削速度和进
< br>给量大，但在微小切深切削时，被切削材料产生硬化层，同样会影响刀具的寿命。
用户要根据被加工的材料、硬度、切削状态、材料种类、进给量、切深等选择使用
的切削速度。
最适合的加工条件的选定是在
这些因素的基础上选定的。有规则的、稳定的磨损达
到寿命才是理想的条件。
然而，在实际作业中，刀具寿命的选择与刀具磨损、被加工尺寸变化、表
面质量、
切削噪声、加工热量等有关。在确定加工条件时，需要根据实际情况进行研究。
对于不
锈钢和耐热合金等难加工材料来说，可以采用冷却剂或选用刚性好的刀刃。
4.2.
合理选择刀具
1)
粗车时，要选强度高、耐用度好的刀具，以便满足粗车时大背吃刀量、大进给
量
的要求。
2)
精车时，要选精度高
、耐用度好的刀具，以保证加工精度的要求。
3)
为减少换刀时间和方便对刀，应尽量采用机夹刀和机夹刀片。
4.3.
合理选择夹具
1)
尽量选用通用夹具装夹工件，避免采用专用夹具；
2)
零件定位基准重合，以减少定位误差。
4.4.
确定加工路线
.
.
资
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料
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