数控机床对自动换刀装置的基本要求是什么

A. 数控机床的自动换刀装置都有哪些方式

1、刀具交换方式
数控机床的自动换刀装置中，实现刀库与机床主轴之间传递和装卸刀具的装置称为刀具交换装置。刀具的交换方式和它们的具体结构对机床的生产率和工作可靠性有着直接的影响。
刀具的交换方式很多，一般可分为以下两大类。
（一）无机械手换刀
无机械手换刀，是由刀库和机床主轴的相对运动实现的刀具交换。换刀时，必须首先将用过的刀具送回刀库，然后再从刀库中取出新刀具，这两个动作不可能同时进行，因此，换刀时间长。所示的数控立式镗铣床就是采用这种换刀方式的实例。它的选刀和换刀由三个坐标轴的数控定位系统来完成，因此每交换一次刀具，工作台和主轴箱就必须沿着三个坐标轴作两次来回运动，因而增加了换刀时间。另外，由于刀库置于工作台上，减少了工作台的有效使用面积。
（二）机械手换刀
由于刀库及刀具交换方式的不同，换刀机械手也有多种形式。因为机械手换刀有很大的灵活性，而且还可以减少换刀时间，应用最为广泛。
在各种类型的机械手中，双臂机械手全面地体现了以上优点，为了防止刀具掉落，各机械手的活动爪都必须带有自锁结构。双臂回转机械手的动作比较简单，而且能够同时抓取和装卸机床主轴和刀库中的刀具，因此换刀时间可以进一步缩短。双臂回转机械手，虽不是同时抓取主轴和刀库中的刀具，但是换刀准备时间及将刀具送回刀库的时间（图中实线所示位置）与机械加工时间重合，因而换刀（图中双点划线所示位置）时间较短。
2、机械手形式
在自动换刀数控机床中，机械手的形式也是多种多样，常见的有以下几种形式。
1、单臂单爪回转式机械手
这种机械手的手臂可以回转不同的角度来进行自动换刀，其手臂上只有一个卡爪，不论在刀库上或是在主轴上，均靠这个卡爪来装刀及卸刀，因此换刀时间较长。
2、单臂双爪回转式机械手
这种机械手的手臂上有两个卡爪，两个卡爪有所分工。一个卡爪只执行从主轴上取下“旧刀”送回刀库的任务，另一个卡爪则执行由刀库取出“新刀”送到主轴的任务。其换刀时间较上述单爪回转式机械手要少。
3、双臂回转式机械手
这种机械手的两臂上各有一个卡爪，两个卡爪可同时抓取刀库及主轴上的刀具，回转180°后又同时将刀具放回刀库及装入主轴。这种机械手换刀时间较以上两种单臂机械手均短，是最常用的一种形式。
4、双机械手
这种机械手相当于两个单臂单爪机械手，它们互相配合进行自动换刀。其中一个机械手从主轴上取下“旧刀”送回刀库，另一个由刀库中取出“新刀”装入机床主轴。
5、双臂往复交叉式机械手
这种机械手的两手臂可以往复运动，并交叉成一定的角度。一个手臂从主轴上取下“旧刀”送回刀库，另一个手臂由刀库中取出“新刀”装入主轴。整个机械手可沿某导轨直线移动或绕某个转轴回转，以实现由刀库与主轴间的运刀工作。
6、双臂端面夹紧式机械手
这种机械手只是在夹紧部位上与前几种不同。前几种机械手均靠夹紧刀柄的外圆表面来抓取刀具，这种机械手则是靠夹紧刀柄的两个端面来抓取的。
3、机械手夹持结构
在换刀过程中，由于机械手抓住刀柄要作快速回转，要作拔、插刀具的动作，还要保证刀柄键槽的角度位置对准主轴上的驱动键。因此，机械手的夹持部分要十分可靠，并保证有适当的夹紧力，其活动爪要有锁紧装置，以防止刀具在换刀过程中转动脱落。机械手夹持刀具的方法有以下两种。
（一）柄式夹持
柄式夹持，也称轴向夹持或V形槽夹持。其刀柄前端有V形槽，供机械手夹持用，目前我国数控机床较多采用这种夹持方式。机械手手掌结构示意图。它由固定爪及活动爪组成，活动爪可绕轴回转，其一端在弹簧柱塞的作用下，支靠在挡销上，调整螺钉以保持手掌适当的夹紧力，锁紧销使活动爪牢固地夹持刀柄，防止刀具在交换过程中松脱。锁紧销还可轴向移动，使活动爪放松，以便杈刀从刀柄V形槽中退出。
（二）法兰盘式夹持
法兰盘式夹持，也称径向夹持或碟式夹持。刀柄的前端有供机械手夹持的法兰盘。采用法兰盘式夹持的优点是：当采用中间搬运装置时，可以很方便从一个机械手过渡到另一个辅助机械手上去。对于法兰盘式夹持方式，其换刀动作较多，不如柄式夹持方式应用广泛。
4、自动换刀动作顺序
由于自动换刀装置的布局结构多种多样，其换刀过程动作顺序会不尽相同。下面分别以常见的双臂往复交叉式机械手和钩刀机械手为例用动作分图加以说明。
（一）双臂往复交叉式机械手的换刀过程
（1）开始换刀前状态。主轴正用T05号刀具进行加工，装刀机械手已抓住下一工步需用的T09号刀具，机械手架处于最高位置，为换刀做好了准备；
（2）上一工步结束，机床立柱后退，主轴箱上升，使主轴处于换刀位置。接着下一工步开始，其第一个指令是换刀，机械手架回转180o转向主轴。
（3）卸刀机械手前伸，抓住主轴上已用过的T05号刀具。
（4）机械手架由滑座带动，沿刀具轴线前移，将T05号刀具从主轴上拔出。
（5）卸刀机械手缩回原位。
（6）装刀机械手前伸，使T09号刀具对准主轴。
（7）机械手架后移，将T09号刀具插入主轴。
（8）装刀机械手缩回原位。
（9）机械手架回转180o，使装刀、卸刀机械手转向刀库。
（10）机械手架由横梁带动下降，找第二排刀套链，卸刀机械手将T05号刀具插回P05号刀套中。
（11）刀套链转动把在下一个工步需用的T46号刀具送到换刀位置,机械手一降,找第三排刀链,由装刀机械手将T46号刀具取出。
（12）刀套链反转，把P09号刀套送到换刀位置，同时机械手架上升至最高位置，为再下一工步的换刀做好准备。
（二）钩刀机械手的换刀过程
作为最常用的一种换刀形式，换刀一次所需的基本动作如下。
1）抓刀。手臂旋转90?，同时抓住刀库和主轴上的刀具。
（2）拔刀。主轴夹头松开刀具，机械手同时将刀库和主轴上的刀具拔出。
（3）换刀。手臂旋转180?，新旧刀具更换。
（4）插刀。机械手同时将新旧刀具分别插入主轴和刀库，然后主轴夹头夹紧刀具；
（5）复位。转动手臂，回到原始位置。

B. 数控机床电动四方刀架自动换刀时的动作过程

自动换刀装置的形式

自动换刀装置是加工中心的重要执行机构，它的形式多种多样，目前常见的有以下几种。

1．回转刀架换刀

数控机床使用的回转刀架是最简单的自动换刀装置，有四方刀架、六角刀架，即在其上装有四把、六把或更多的刀具。
回转刀架必须具有良好的强度和刚度，以承受粗加工的切削力：同时要保证回转刀架在每次转位的重复定位精度。

图1为数控车床六角回转刀架，它适用于盘类零件的加工。在加工轴类零件时，可以用四方回转刀架。由于两者底部安装尺寸相同，更换刀架十分方便。
回转刀架的全部动作由液压系统通过电磁换向阀和顺序阀进行控制，它的动作分为4个步骤：

(1)刀架抬起 当数控装置发出换刀指令后，压力油由a孔进入压紧液压缸的下腔，活塞1上升，刀架体2抬起，使定位用的活动插销10与固定插销9脱开。同时，活塞杆下端的端齿离合器与空套齿轮5结合。

(2)刀架转位 当刀架抬起后，压力油从c孔进入转位液压缸左腔，活塞6向右移动，通过联接板带动齿条8移动，使空套齿轮5作逆时针方向转动。通过端齿离合器使刀架转过60º。活塞的行程应等于齿轮5分度圆周长的1/6，并由限位开关控制。

(3)刀架压紧 刀架转位之后，压力油从b孔进入压紧液压缸上腔，活塞1带动刀架体2下降。齿轮3的底盘上精确地安装有6个带斜楔的圆柱固定插销9，利用活动插销10消除定位销与孔之间的间隙，实现反靠定位。刀架体2下降时，定位活动插销10与另一个固定插销9卡紧，同时齿轮3与齿圈4的锥面接触，刀架在新的位置定位并夹紧。这时，端齿离合器与空套齿轮5脱开。

(4)转位液压缸复位 刀架压紧之后，压力油从d孔进入转位液压缸的右腔，活塞6带动齿条复位，由于此时端齿离合器已脱开，齿条带动齿轮3在轴上空转。

如果定位和夹紧动作正常，推杆11与相应的触头12接触，发出信号表示换刀过程已经结束，可以继续进行切削加工。
回转刀架除了采用液压缸转位和定位销定位之外，还可以采用电动机带动离合器定位，以及其他转位和定位机构。

2．更换主轴头换刀

在带有旋转刀具的数控机床中，更换主轴头是一种简单换刀方式。主轴头通常有卧式和立式两种，而且常用转塔的转位来更换主轴头，以实现自动换刀。在转塔的各个主轴头上，预先安装有各工序所需的旋转刀具。当发出换刀指令时，各主轴头依次地转到加工位置，并接通主轴运动，使相应的主轴带动刀具旋转，而其他处于不加工位置上的主轴都与主运动脱开。

图2为卧式八轴转塔头。转塔头上径向分布着八根结构完全相同的主轴7，主轴的回转运动由齿轮12输入。当数控装置发出换刀指令时，先通过液压拨叉将移动齿轮3与齿轮12脱离啮合，同时在中心液压缸14的上腔通压力油。由于活塞杆和活塞15固定在底座上，因此中心液压缸14带着由两个推力轴承17和16支承的转塔刀架体18抬起，离合器2和1脱离啮合。然后压力油进入转位液压缸，推动活塞齿条，再经过中间齿轮使大齿轮4与转塔刀架体18一起回转45º，将下一工序的主轴转到工作位置。转位结束后，压力油进入中心液压缸14的下腔，使转塔头下降，离合器2和1重新啮合，实现了精确的定位。在压力油的作用下，转塔头被压紧，转位液压缸退回原位。最后，通过液压拨叉移动齿轮3，使它与新换上的主轴齿轮12相啮合。为了改善主轴结构的装配工艺性，整个主轴部件装在套筒5内，只要卸去螺钉10，就可以将整个部件抽出。主轴前轴承9采用锥孔双列圆柱滚子轴承，调整时，先卸下端盖6，然后拧紧螺母8，使内环做轴向移动，以便消除轴承的径向间隙。

图2 卧式八轴转塔头
1、2一离合器 3、4、12一齿轮 5一套筒 6一端盖 7一主轴 8一螺母
9、16、17一轴承 10一螺钉 1l一推动杆 13一操纵杆 14一液压缸 15一活塞 18一转塔刀架体
为了便于卸出主轴锥孔内的刀具，每根主轴都有操纵杆13，只要按压操纵杆，就能通过斜面推动杆11，顶出刀具。

转塔主轴头的转位、定位和压紧方式与鼠齿盘式分度工作台极为相似，但因为在转塔上分布着许多回转主轴部件，使结构更为复杂。

由于空间位置的限制，主轴部件的结构不可能设计得十分坚实，因而影响了主轴系统的刚度。为了保证主轴的刚度，主轴数目必须加以限制，否则将会使结构尺寸大为增加。

转塔主轴头换刀方式的主要优点在于省去了自动松夹、卸刀、装刀、夹紧以及刀具搬运等一系列复杂的操作。从而提高了换刀的可靠性，并显著地缩短了换刀时间。但由于上述结构上的原因，转塔主轴头通常只是用于工序较少、精度要求不太高的机床，例如数控钻床等。

3．带刀库的自动换刀系统

带刀库的自动换刀系统由刀库和刀具交换机构组成。首先把加工过程中需要使用的全部刀具分别安装在标准刀柄上，在机外进行尺寸预调整后，按一定的方式放入刀库中去。换刀时先在刀库中进行选刀，并由刀具交换装置从刀库和主轴上取出刀具，在进行交换刀具之后，将新刀具装入主轴，把旧刀具放回刀库。存放刀具的刀库具有较大的容量，它既可以安装在主轴箱的侧面或上方，也可作为单独部件安装到机床以外，并由搬运装置运送刀具。

与转塔主轴头相比较，由于带刀库的自动换刀装置数控机床主轴箱内只有一个主轴，设计主轴部件就有可能充分增强它的刚度，因而能满足精密加工的要求。另外，刀库可以存放数量很大的刀具，因而能够进行复杂零件的多工序加工，这样就明显提高了机床的适应性和加工效率。所以带刀库的自动换刀装置特别适用于数控钻床、数控铣床和数控镗床。

C. 数控机床中自动换刀装置应当满足的基本要求有哪些

信号 电源

D. 数控车床怎么换刀

换刀点可以选择在任意一个部位，前提是不妨碍刀具和卡盘、尾座工件。就近点换刀，离需要加工的部位取一个相对较近的点，可以节省加工时间。换刀的指令可以提前准备如
G00 X100 Z100
T0202 (在运行这段程序时，为下次换刀做准备）
M30
数控车床换刀过程较为复杂，首先把加工过程中需要使用的全部刀具分别安装在标准的刀柄上，在机外进行尺寸预调整之后，按一定的方式放入刀库，换刀时先在刀库中进行选刀，并由刀具交换装置从刀库和主轴上取出刀具。在进行刀具交换之后，将新刀具装入主轴，把旧刀具放回刀库。存放刀具的刀库具有较大的容量，它既可安装在主轴箱的侧面或上方，也可作为单独部件安装到数控机床以外。
刀库的种类
刀库用于存放刀具，它是自动换刀装置中的主要部件之一。根据刀库存放刀具的数目和取刀方式，刀库可设计成不同类型。图1所示为常见的几种刀库的形式。
(1)直线刀库。刀具在刀库中直线排列、结构简单，存放刀具数量有限(一般8把-12把)，较少使用。
(2)圆盘刀库。存刀量少则6把-8把，多则50把-60把，有多种形式。刀具径向布置，占有较大空间，一般置于机床立柱上端。刀具轴向布置，常置于主轴侧面，刀库轴心线可垂直放置，也可以水平放置，较多使用。刀具为伞状布置，多斜放于立柱上端。为进一步扩充存刀量，多层圆盘刀库。

E. 数控机床有哪些知识-数控机床基础知识的笔记

数控机床有哪些知识-2017年关于数控机床基础知识的笔记

为帮助大家对数控机床有更深的认识，下面，我为大家分享数控机床基础知识的笔记，希望对大家有所帮助!

★数控机床是由哪几部分组成的?

数控装置是数控机床的核心(相当于人的大脑),它所想要完成的工作通过伺服系统(相当于人的神经系统)带动机床运动，测量及反馈系统(相当于人的 眼睛等感觉器官)，把机床的工作状态急时告诉数控装置。数据传输系统的作用是：由于数控装置的容量有限，各种控制信息要靠数控装置以外的其它计算机等携带和传输，就像人的记忆有限，工作时常常要做些记录，翻翻笔记本似的，作为数控机床的核心深扬公司选用的是世界三大系统制造商之一的日本原装三菱数控系统。

★数控机床到底控制的是什么?

从数控机床最终要完成的任务看,主要以下三个方面：

1)主轴运动控制;

2)进给运动控制(也就是对工作台运动的控制);

3) 输入/输出(I/O) 控制，也就是对机床的各种状态的控制.如:冷却、润滑、起停刀具自动交换等。

★按工艺内容分类(特别是在模具制造中)数控机床有哪几类?

1)数控铣床随着模具制造工艺要求的提高，立式数控铣床已成为主流，既工作台不能上下移动，Z轴是通过主轴箱的上下运动实现的，根据我国目前的国情看该类机床将是传统机床)的主要更新换代产品。

2)加工中心：加工中心与数控铣床的区别在于，加工中心配有可自动换刀的装置和刀库系统，在华南一带也有将全封闭立式数控铣床和加工中心都统称为加工中心，只是把前者叫做不带刀库的加工中心。

3)线切割机床 ：这类机床在模具加工中是最为广泛，也是最为独特的一种数控机床，它是很难被其它加工工艺所取代的。

4)电火花成型机床：它是模具型腔加工必不可少的设备，由于是高速铣削技术的发展，成型机的市场面临新的挑战，所以我公司的电火花成型机产品的发展是把性能价格比放在首位，不盲目扩张，而是发展中等规格的单轴数控电火花成型机床，广泛应用于广东及东南亚市场。

★数控机床的机械部分是由哪几部分组成的?

典型的数控机床的机械结构主要由基础件、主轴传动系统、进给传动系统、回转工作台、自动换刀装置以及其它机械功能部件组成。

基础件主要是指床身、立柱、工作台、主轴箱体等大件。除特殊情况有采用板焊材料、人造花岗岩材料外绝大部分都是用铸铁材料。由于台湾机床的涌入，现在常听到一种叫“米汉纳”的铸铁。让广大用户摸不着头实际就是个英文的译音，是个外来语。不外乎是一种机械强度比较好的铸铁，也就是相当于我们常说的HT250、HT300铸铁而已。我公司的铸铁均为HT300树脂沙造型，各导轨采用中音频淬火硬度度深度达5mm，其铸件质量完全可以同那个叫“米汉纳”的叫板。

其它机械功能部件，主要指润滑、冷却、排屑和监控机构。

★什么叫数控机床?经常提到的“CNC”是什么意思?

国际信息处联盟第五技术委员会对数控机床的.定义是这样的：数控机床是一种安装了程序控制系统的机床。该系统能逻辑地处理具有使用号码或其他符号编码指令规定的程序。

“CNC”中第一个“C是”英文“计算机”的第一个字母，“N”是英文“数字”的字头;最后一个字母“C”是英文“控制”的第一个字母。所以“CNC”系统用汉语说就是“计算机数字控制系统”。“CNC”系统是数控机床的核心部分。数控机床功能的强弱主要是由数控功能确定的。

★数控机床特点有哪些?

1) 加工精度高：

数控机床是精密机械和自动化技术的综合体。机床的数控装置可以对机床运动中产生的位移、热变形等导致的误差，通过测量系统进行补偿而获得很高且稳定的加工精度。由于数控机床实现自动加工，所以减少了操作人员素质带来的人为误差，提高了同批零件的一致性。

2)生产较高：

就生产效率而言，相对普通机床，数控机床的效率一般能提高2～3倍、甚至十几倍。主要体现在以下几个方面：

a.一次装夹完成多工序加工，省去了普通机床加工的多次变换工种、工序间的转件以及划线等工序。

b.简化了夹具及专用工装等，由于是一次装夹完成加工。所以普通机床多工序的夹具省去了，即使偶尔必须用到专用夹具。由于数控机床的超强功能夹具的结构也可简化。

3)减轻劳动强度，数控机床的操作由体力型转为智力型。

4)改善劳动条件，如深扬公司的产品采用全封闭护罩,机床不会有水、油、铁屑溅出，可有效保持工作环境的清洁。

5)有利于生产管理：

a.程序化控制加工、更换品种方便;

b.一机多工序加工，减化生产过程的管理，减少管理人员;

c.可实现无人化生产。

★数控系统是由哪几个模块组成的，应如何较形象地理解它?

模块是在自动化控制技术中常用的一种形象化的说法。它是把某一种功能相对独立的一组元器件成品也可能还包括软件，形象地理解为了一个“块”，由此说来数控机床的数控系统也是由若干个“模块”组成的。

1)微机控制系统：

数控机床的核心是数控系统，数控系统的核心是微机数控系统(就是几张电路板放在一个盒子里)。微机控制的核心是中央处理器(通称CPU)一个长满脚的深色的薄的小方块，就像一个人一样。人的核心是脑袋，脑袋的核心是大脑，大脑的核心是中枢神经。

2)可编程控制器(简称PLC):

PLC是用来实现辅助化控制的。如换刀、润滑、冷却等。它是微机系统的补充，目的是让微机系统把全部精力用于对零件加工的高精度控制上。不要为其它的辅助的“后勤”琐事分散精力。PLC按配置方式分内装型和外装型。但现在较高档次的PLC都采用内装型。

3)进给伺服控制模块

数控机床对进给轴的控制要求很高，它直接关系到机床位置、控制精度。进给伺服系统一般由速度控制与位置控制两个环节组成。

4)主轴控制模块

主要任务是控制主轴转速和主轴定位。主轴电机有交流伺服电机和交流变频电机。所以相应的驱动装置也会为数字式交流伺服控制以及变频调速控制。

5)测量模块 完成主轴和进给的位置测量。检测装置有光电编码器、光栅尺等

6)输入、输出及通信模块 完成程序的输入、输出，传递人、机界面所需的各种信息。

★刀库有哪几种结构形式，它们的特点是什么?

刀库的容量、布局，针对不同的加工中心，其形式也是五花八门。但是根据刀库所需的容量和取刀方式主要分以下几种：

1)单盘式刀库及无机械手换刀机构

单盘式刀库俗称斗笠式刀库(像个大斗笠)，一般只能存16～24把刀具。不能太多，太多的话这个 “斗笠”就太大了，放不下了。这种斗笠式刀库在换刀时整个刀库向主轴移动。当主轴上的刀具进入刀库的卡槽时，主轴向上移动脱离刀具，这时刀库转动。当要换的刀具对正主轴正下方时主轴下移，使刀具进入主轴锥孔内，夹紧刀具后，刀库退回原来的位置。

2)链式刀库及换刀机械手

链式刀库的特点是存刀多。一般都在20把以上，多的可以存100把。它是通过链条将要换的刀具传到指定位置。由机械手把刀装到主轴上，全部换刀动作均采用电动机加机械凸轮的结构。结构简化、工作可靠，但是价格很高。

斗笠式刀库的换刀时间为5～7秒，而机械手的换刀时间是2～3秒。斗笠式的刀库的换刀时间虽说比机械手慢，可它不过也只有5～7秒的时间。作为中国的企业这种效率完全可以接受了。所以要选哪种刀库关键还是看您的加工对象一般需要多少把刀。

对于刀库本身的品质，由于现在的刀库已经是专业化社会化生产。所以无论生产数控机床的厂家是多么大，其刀库都是买来的。所以不管数控机床生产厂家的规模大还是小，就刀库及换刀装置而言都是在同一起跑线上的。

到此为止，前面所讲的主要都是机械以及强电方面的内容，下面就要进入数字控制领域了。也就是说我们要从前面的形象领域走进机抽象领域。所以您的思维方式也要调整一下了。因为“电”本身就是看不见、摸不着(也不敢摸)而又神通广大的东西。可是要买数控机床的企业往往又是搞机械加工的。所以对“电子”就更感到陌生，其实这也没关系。因为您的企业必竟是应用它，而又不是研究它。而您本人只是了解它而不是操作它。所以您可以把抽象的东西，形象化的理解，充分打开您的想象力。

★主轴作为数控机床的关键组件在性能上有哪些要求?

主轴直接承受切削力，转速范围变化又较大。所以对主轴组件的主要性能提出如下要求：

1)回转精度：是指主轴在无负荷的转动条件下，主轴前端工作部位的径向和轴向跳动值，回转精度的测量一般分为静态测量、动态测量、间接测量。目前我国在生产中大都还是运用传统的静态测量。

2)运动精度：是指工作状态下的旋转精度。这个精度通常与低速回转精度有较大差别，运动状态下的旋转精度取决于主轴的工作速度、轴承性能以及主轴本身的平衡性能。

3)刚度：是指在受外力时，主轴抵抗变形的能力。刚性不足在切削力的作用下，主轴将产生较大的弹性变形。不仅影响加工质量，还会破坏轴承的正常工作条件、加快磨损。

4)抗振性：是指切削加工时，主轴保持平稳运转而又不发生振动的能力。;

5)主轴温升：主轴运转时，温升过高会引起两方面的不良结果。一是主轴及箱体受热变形直接影响加工精度;二是轴承的正常润滑条件遭到破坏，影响轴承的正常工作，甚至出现“抱轴”。

6) 耐磨性：只有具备足够的耐磨性，才能长期保持精度。因此主轴的关键部位(如主轴锥孔)要经良好的表面热处理。

综上所述您可以看出主轴组件的生产过程也一定是非常严格的，它不单是要有良好的设备，更需要的是要有严格的生产管理。后者恰是中国企业的弱项。

★数控机床上用于驱动的电动机有哪几件?如何分类?

实际上我们真正遇到的数控机床的电机也就是主轴驱动电机和进给驱动电机。概括地讲主轴电机更强调力量，进给电机更强调的效率。目前数控机床常见的主轴电机有交流伺服电机、交流变频电机。数控机床的进给电机常见的一种是档次较低的步进电机、一种是交流伺服电机。其它的像直流伺服电机、直线电机等要不就是已遂步淘汰，要不就是价格高、技术复杂，中国还没普及。淘汰的东西您不能要，没普及的东西您同样不能要(价格太高服务也跟不上)

★步进电机与交流伺服电机的特点、区别是什么?

1)步进电机一般用于开环伺服系统，由于没有位置反馈环节，固位置控制的精度由步进电机和进给丝杠等等来决定。虽档次低了点，但是结构简单价格较低。在要求不高的场合仍有广泛应用。在数控机床领域中大功率的步进电机一般用在进给运动(工作台)控制上，但是就控制性能来说其特性远不如交流伺服电机。振动、噪音也比较大。尤其是在过载情况下，步进电机会产生失步，严重影响加工精度。所以步进电机最常用的还是在对普通机床的数控化改造上。由于要改造的机床一般都是旧机床，所加工的对象一般是形状虽然较复杂，但是精度要求并不很高。所以用步进电机是再合适不过了。我公司研发的并且得到广泛应用的经济型铣床数控系统和经济型车床数控系统，就是配用的步进电机，在枪炮等兵器加工制造领域得到非常满意的评价。还有就是用在线切割机上。由于线切割加工是靠放电加工，没有切削力。所以永远不存在过载现象，再加上线切割加工时进给速度很慢(步进电机还有一个缺点就是它的转距会随着转速的增加而降低)。所以在快走丝线切割机上步进电机真正找到了自已的位置，几乎是一统天下。

2)流伺服电机,

数控机床用于进给驱动的交流伺服电机大多采用三相交流永磁同步电机，关于这种电机您有必要耐心的多了解一点。这种电机的定子装有三相对称的绕组，而转子是永久磁极。当定子的绕组中通过三相电源后，定子与转子之间必然产生一个旋转场。这个旋转磁场的转速称为同步转速。电机的转速也就是磁场的转速。由于转子有磁极，所以在极低频率下也能旋转运行。所以它比异步电机的调速范围更宽。而与直流伺服电机相比，它没有机械换向器，特别是它没有了碳刷，完全排除了换向时产生火花对机械造成的磨损，另外交流伺服电机自带一个编码器。可以随时将电机运行的情况“报告”给驱动器，驱动器又根据得到的“报告”更精确的控制电机的运行。由此可见交流伺服电机优点确实很多。可是技术含量也高了，价格也高了。最重要是对交流伺服电机的调试技术提高了。也就是电机虽好，如果调试不好一样是问题多多。所以您也不要听有些厂家的宣传——“我公司选用的电机如何好。”没用!还是了解一下他们的调试水平再说。

★您知道进给驱动与丝杠的联接结构吗?

电机与滚珠丝杠联接的最最重要的一点就是确保传动无间隙。主要有三种联接方式：直接联接式、齿轮减速式、齿形带式。目前使得最普遍的是直接联接式，就是用一个可以微量扰动的联轴器，将电机与丝杠直联。可见这个联轴器是个非常关键的东西。我公司数控机床产品上的联轴器是选用德国进口的联轴器，确保万无一失。

★在数控机床中您常听说的刀库，它的完整涵义是什么?

说到数控机床中的加工中心，必然要提到刀库，实际它是对整个自动换刀系统的总称。而刀库只是这个系统中最形象也是最重要的一个部分。这个系统应包括刀库、刀具交换机构，以及相关的控制元件。

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F. 2011年中央广播电视大学作业数控机床形成性考核册的答案是什么

数控机床习题

(第一章)

1填空题

（1）数控机床一般由 控制介质、 数控系统、 伺服系统、 反馈装置 、 机床本体 和各种辅助装置组成。

（2）数控机床采用 数字控制 技术对机床的加工过程进行自动控制的一类机床。

（3）突破传统机床结构的最新一代的数控机床是 并联 机床。

2选择题

（1）一般数控钻、镗床属于（ C ）

（A）直线控制数控机床 （B）轮廓控制数控机床

（C）点位控制数控机床 （D）曲面控制数控机床

（2）（ D ）是数控系统和机床本体之间的电传动联系环节。

（A）控制介质 （B）数控装置

（C）输出装置 （D）伺服系统

（3）适合于加工形状特别复杂（曲面叶轮）、精度要求较高的零件的数控机床是（ A ）

（A）加工中心 （B）数控铣床

（C）数控车床 （D）数控线切割机床

（4）闭环控制系统的位置检测装置装在（ D ）

（A）传动丝杠上 （B）伺服电动机轴上

（C）数控装置上 （D）机床移动部件上

（5）数控机床中，所有的控制信号都是从（ B ）发出的。

（A）控制介质 （B）数控系统 （C）伺服系统 （D）机床本体

3 判断题

（1）通常一台数控机床的联动轴数一般会大于或等于可控轴数。（ × ）

（4）数控系统是机床实现自动加工的核心，是整个数控机床的灵魂所在。（ √ ）

（5）机床本体是数控机床的机械结构实体，是用于完成各种切割加工的机械部分。（ √ ）

4 简答题

（1）简述数控机床的发展趋势。

P9-12

（2）简述数控机床各基本组成部分的作用。

P4

（3）简要说明数控机床的主要工作过程。

P2-3

《数控机床》第二次作业

(第二章)

1填空题

（1）数控机床的机械部分一般由主传动系统、 进给传动系统 、基础支承件、辅助装置组成。

（2）数控机床高速主轴单元的类型主要有 电主轴 、气动主轴、水动主轴等。

（3）滚珠丝杠螺母副运动具有可逆性，不能自锁，立式使用时应增加 制动 装置。

（4）为防止系统快速响应特性变差，在传动系统各个环节，包括滚珠丝杠、轴承、齿轮、蜗轮蜗杆、甚至联轴器和键联接都必须采取相应的 消除间隙措施。

（5）数控机床的主轴箱或滑枕等部件，可采用 卸荷 装置来平衡载荷，以补偿部件引起的静力变形。

（6）数控机床床身采用钢板的 焊接 结构既可以增加静刚度，减小结构质量．又可以增加构件本身的阻尼。

（7） 直接驱动的回转工作台 是伺服驱动电动机与回转工作台的集成，它具有减少传动环节、简化机床的结构等优点。

（8） 位置检测 装置精度直接影响闭环控制数控机床的定位精度和加工精度。

（9）在自动换刀过程中常见的选刀方式有 顺序选刀 和任意选刀两种。

（10）在加工中心的基础上配置更多 (5个以上)的托盘，可组成环形回转式托盘库，称为 柔性制造单元{FMC} 。

2选择题

（1）数控加工中心的主轴部件上设有准停装置，其作用是（ C ）

（A）提高加工精度

（B）提高机床精度

（C）保证自动换刀，提高刀具重复定位精度，满足一些特殊工艺要

（2）滚珠丝杠预紧的目的是（ C ）

（A）增加阻尼比，提高抗振性 （B）提高运动平稳性

（C）消除轴向间隙和提高传动刚度（D）加大摩擦力，使系统能自锁

（3）数控机床进给系统采用齿轮传动副时，为了提高传动精度应该有消隙（ A ）措施。

（A）齿轮轴向间隙 （B）齿顶间隙

（C）齿侧间隙 （D）齿根间隙

（4）静压导轨与滚动导轨相比，其抗振性( A )。

(A) 前者优于后者

(B) 后者优于前者

(C) 两者一样

（5）光栅利用（ C ），使得它能测得比栅距还小的位移量。

（A）细分技术 （B）数显表

（C）莫尔条纹的作用 （D）高分辨指示光栅

（6）在采用ATC后，数控加工的辅助时间主要用于( A )。

(A) 工件安装及调整

(B) 刀具装夹及调整

(C) 刀库的调整

（7）在下列特点中，（B ）不是数控机床主传动系统具有的特点。

（A）转速高、功率大 （B）变速范围窄

（C）主轴变换迅速可靠 （D）主轴组件的耐磨性高

3 判断题

（1）数控机床的气压装置因空气黏度小，在管路中的能量损失小，适于远程传输及控制使用。（ √ ）

（2）数控铣床立柱采用热对称结构可以减少热变形对加工件的精度影响。（ √ ）

（3）滚珠丝杠螺母副的作用是将回转运动转换为直线运动。（ √ ）

（4）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。（ √ ）

（5）数控机床传动丝杠反方向间隙是不能补偿的。（ × ）

（6）进给运动是以保证刀具相对位置关系为目的。（ √ ）

4 简答题

（1）数控机床的机械结构应具有良好的特性，主要包括哪些方面？

P16-19

（2）数控机床的主轴变速方式有哪几种？试述其特点及应用场合。

P21-22

（3）试述滚珠丝杠螺母副的特点有哪些？它是如何工作的？常用间隙调整方法有哪些？

P28-30

（4）自动排屑装置有哪几种类型？各适合于什么场合？

P52-53

（5）数控机床的工作台有哪些形式？各自的特点是什么？

P35-38

（6）数控机床对自动换刀装置有什么样的要求？自动换刀装置有哪些种类?

P42 P48

（7）数控机床的导轨有什么作用？有哪些类型？各自的特点是什么？

P32

（8）简述数控机床液压和气压装置的特点。

P51

《数控机床》第三次作业

(第三、四章)

1填空题

（1） 数控系统通常由人机界面、数字控制以及逻辑控制器 控制这三个相互依存的功能部件构成。

（2）插补算法分为 基准脉冲 插补和数据采样插补两大类。

（3） 脉冲当量 是数控机床数控轴的位移量最小设定单位。

（4）常用伺服电机有步进电机、 直流伺服电动机 、 交流伺服电动机 。

（5） 复合 加工中心除用各种刀具进行切削外，还可使用激光头进行打孔、清角，用磨头磨削内孔，用智能化在线测量装置检测、仿型等。

（6）一般需要对工件的多个侧面进行加工，则主轴应布局成 卧式 。

（7）加工中心与数控铣床、数控镗床等机床的主要区别是它设置有 刀库 ，并能 在加工过程中由程序自动选用和更换 。

（8）并联机床实际是一个空间 并联连杆 机构。

（9）根据电极丝的运行速度，电火花线切割机床通常分为 高速走丝 和 低速走丝 两大类。

2 选择题

（1）下列功能中，（ D ）是数控系统目前一般所不具备的。

（A）控制功能 （B）进给功能

（C）插补功能 （D） 刀具刃磨功能

（2）（ A ）是数控系统核心，它是一台数控系统控制品质的体现。

（A）数控装置 （B）可编程控制器

（C）I/O板 （D）数控软件

（3）脉冲当量的取值越小，插补精度（ A ）。

（A）越高 （B）越低 （C）与其无关 （C）不受影响

（4）车削中心是以（ A ）为主体，并配置有刀库、换刀装置、分度装置、铣削动力头和机械手等，以实现多工序复合加工的机床。在工件一次装夹后，它可完成回转类零件的车、铣、钻、铰、攻螺纹等多种加工工序。

（A）全功能数控车床 （B）卧式加工中心

（C）镗铣加工中心 （D）经济型数控车床

（5）立式数控铣床的主轴轴线（ B ）于水平面，是数控铣床中最常见的一种布局形式，应用范围最广泛，其中以三轴联动铣床居多。

（A）平行 （B）垂直 （C）倾斜

（6） D6125表示是一种（ C ）。

（A）数控铣床 （B）数控车床 （C）电火花成形加工机床 （D）数控线切割机床

（7）电火花加工的局限性（ D ）。

（A）电火花加工属不接触加工 （B）易于实现加工过程自动化

（C）加工过程中没有宏观切削力 （D）只能用于加工金属等导电材料

（8）采用经济型数控系统的机床不具有的特点是（ B ）。

（A）采用步进电机伺服系统 （B）必须采用闭环控制系统

（C）只配备必要的数控系统 （D）CPU可采用单片机

3判断题

（1）中小型数控车床多采用倾斜床身或水平床身斜滑板结构。（ √ ）

（2）五面加工中心具有立式和卧式加工中心的功能，通过回转工作台的旋转和主轴头的旋转，能在工件一次装夹后，完成除安装面以外的所有五个面的加工。（ √ ）

（3）数控铣床采用T形床身布局的最显著优点是精度高。（ √ ）

（4）立卧两用式数控铣床的主轴轴线方向可以变换。（ √ ）

（5）加工中心可以进行多工序的自动加工。（ √ ）

4 简答题

（1）简述数控系统的主要功能。

P63-67

（2）数控机床用PLC有哪些类型？各自的特点是什么？

P72-73

（3）简述数控机床对伺服系统的要求。

P73-75

（4）如何选择主轴电机？

P80-84

（5）简述数控车床的组成。

P90

（6）简述数控铣床的功能特点。

P93-94

（7）数控铣床按机床主轴的布置形式可分为哪几类？各适用于哪些加工场合？

P97-98

（8）数控铣床T形床身布局的优点是什么？

P99

（9）简述电火花加工的原理。

P114

（10）简述加工中心的基本组成。

P105-106

（11）简述经济型数控车床的特点。

P88

（12）简述数控线切割机床的工作原理。

P120

（13）数控线切割机床的工作液有什么作用？

P121

《数控机床》第四次作业

(第五、六章)

1填空题

（1）数控机床的精度检验一般包括 几何精度 、 定位精度 、 切削精度 检验。

（2） 几何精度 检验是综合反映机床关键零部件经组装后的综合几何形状误差。

（3）三坐标测量机的精度与速度主要取决于 机械结构 、 控制系统和 测头 ，功能则主要取决于软件和 测头 ，操作方便性也与软件密切相关。

（4）在线加工的通讯方式大多采用 RS232 接口。

（5）在数控生产技术管理中，除对操作、刀具、维修人员的管理外，还应加强对 编程人员和设备 的管理。

（6）通过 维护和保养 ，可以避免或减少数控机床的故障，或者提早发现潜在的故障，并及时采取防范措施。

（7）有报警的故障可分为硬件故障、编程故障和 操作故障 。

（8） 离线 诊断是数控机床出现故障时，数控系统停止运行系统程序的停机诊断。

2选择题

（1）机床切削精度检查实质上是对机床的（ B ）在切削加工条件下的一项综合检查。

（A）几何精度 （B）几何精度和定位精度 （C）定位精度

（2）数控机床切削精度检验（ C ），对机床几何精度和定位精度的一项综合检验。

（A）又称静态精度检验，是在切削加工条件下

（B）又称动态精度检验，是在空载条件下

（C）又称动态精度检验，是在切削加工条件下

（D）又称静态精度检验，是在空载条件下

（3）在数控机床验收中，以下的检测属于机床几何精度检查的是（ D ）

（A）回转原点的返回精度 （B）箱体调头镗孔同轴度

（C）联接器紧固检查 （D）主轴轴向跳动

（4）影响数控机床加工精度的因素很多，要提高加工工件的质量，有很多措施，但（ A ）不能提高加工精度。

（A）将绝对编程改为增量编程

（B）正确选择刀具类型

（C）减少对刀误差

（D）消除丝杠副的传动间隙

3判断题

（2）用数控机床加工时，切削速度越高加工成本越低。（ × ）

（3）数控机床的使用和维护，在数控机床的生命周期中起着至关重要的作用，同时也对数控机床的使用寿命产生重要的影响。（ √ ）

（4）通过计算机辅助编程方法可以改善编程效果，所以，所有的零件加工程序都应该使用自动编程。（ × ）

4简答题

（1）以卧式加工中心为例，要对其几何精度进行检验，应检验哪些项目？

P129

（2）简述数控机床的生产管理的主要内容。

P135-137

（3）简述三坐标测量机的测量原理。

P146

（4）简述球杆仪的测量原理。

P159

（5）简述三坐标测量机的组成。

P146-148

（6）简述激光干涉仪的工作原理。

P138

（7）简述数控机床的基本使用条件。

P171--172

（8）简述数控机床日常维护保养的主要内容。

P174-175

（9）简述数控机床的安装工作内容和步骤。

P168-169

（10）简述数控机床的调试内容。

P169-171

（11）简述数控机床故障诊断的一般步骤。

G. 什么是自动换刀装置

一、自动换刀装置的形式

自动换刀装置是数控机床的重要执行机构，它的形式多种多样，目前常见的有以下几种：

1．回转刀架换刀；
2．排式刀架换刀；
3．更换主轴头换刀；
4．带刀库的自动换刀系统

在这里我对数控机床常见的这几种换刀系统逐一介绍，首先介绍一下回转刀架换刀系统。

二、回转刀架

数控机床使用的回转刀架是比较简单的自动换刀装置，常用的类型有四方刀架、六角刀架，即在其上装有四把、六把或更多的刀具。

回转刀架必须具有良好的强度和刚度，以承受粗加工的切削力：同时要保证回转刀架在每次转位的重复定位精度。下面我们结合一台四工位的四方刀架了解一下其换刀过程及原理。并结合换刀原理分析一下四方刀架的常见故障现象及原因。常见机床四方刀架如图一（左）。
图一数控机床刀架或刀库是由机床PLC来进行控制，对于普通的四工位刀架来说，控制比较简单，一般用于普通的车床。我们分析车床刀架的控制原理其实就是指刀架的整个换刀过程，刀架的换刀过程其实是通过PLC对控制刀架的所有I/O信号进行逻辑处理及计算。实现刀架的顺序控制。另外为了保证换刀能够正确进行，系统一般还要设置一些相应的系统参数来对换刀过程进行调整。下面我们分析PLC控制下的换刀过程。在分析之前，我们首先了解刀架控制的电气部分。刀架电气控制部分如图二所示。图二中的a是刀架控制的强电部分，主要是控制刀架电机的正转和反转，来控制刀架的正转和反转；图b是刀架控制的交流控制回路，主要是控制两个交流接触器的导通和关闭来实现a中的强电控制；图c部分是刀架控制的继电器控制回路及PLC的输入及输出回路，整个过程的控制最终是由这个模块来完成的。 图中各器件的作用如下：

序号 名称 含义
1 M2 刀架电动机
2 QF3 刀架电动机带过载保护的电源空开
3 KM5、KM6 刀架电动机正、反转控制交流接触器
4 KA1 由急停控制的中间继电器
5 KA6、KA7 刀架电动机正、反转控制中间继电器
6 S1~S4 刀位检测霍尔开关
7 SB11 手动刀位选择按钮
8 SB12 手动换刀启动按钮
9 RC3 三相灭弧器
10 RC9、RC10 单相灭弧器

自动刀架控制涉及到的I/O信号如下：

PLC输入信号：

X2.7：刀架电动机过热报警输入；
X3.0~X3.3：1~4号刀到位信号输入；
X30.6：手动刀位选择按钮信号输入；
X30.7：手动换刀启动按钮信号输入；

PLC输出信号：

Y0.6：刀架正转继电器控制输出；
Y0.7：刀架反转继电器控制输出。

我们现在已经清楚了刀架控制的I/O信号，下面我们结合这些信号来分析一下换刀过程，刀架换刀有两种模式，一种是手动换刀，一种是通过T指令进行自动换刀。我们以手动状态为例，介绍一下换刀过程及常见故障。

1、首先我们将机床调至手动状态，通过刀位选择按键进行目的刀位选择，有的系统是利用波段开关的形式进行实现，有的系统是利用记数的形式来实现，比如说通过检测刀位选择信号（X30.6）的状态，如果按下刀位选择按键，X30.6的状态应该会改变一次，计数器的数值会发生改变，系统选择的目的刀具也会发生相应的改变。

2、选择目的刀具完成以后，下面就是将机床刀架的当前刀位转换到目的刀位。我们按下刀位转换按键X30.7以后。这时系统PLC输出一个刀架正转信号Y0.6，KA6吸合；KM5吸合，这时刀架电机开始正向旋转，刀架开始正转。

3、刀架在正向旋转的过程中不停的对刀位输入信号进行检测，如图3所示，每把刀具各有一个霍尔位置检测开关。各刀具按顺序依次经过发磁体位置产生相应的刀位信号。当产生的刀位信号和目的刀位寄存器中的刀位相一致的时候，PLC认为所选刀具已经到位。
图34、刀具到位以后，刀架仍继续正向旋转一段时间，然后停止正向旋转（Y0.6停止输出），延时一段时间以后，刀架反转控制信号Y0.7有效，此时刀架开始反转，反转过程其实就是刀架锁紧的过程，此过程延续一段时间，直到刀架锁紧到位，但反转时间不宜过长或过短。过长就有可能烧坏电机或造成电机过热空开跳闸，时间过短有可能造成刀架不能够锁紧。刀架锁紧以后，整个换刀过程结束。

安全互锁

1、架电动机长时间旋转，而检测不到刀位信号，则认为刀架出现故障，立即停止刀架电动机，以防止将其损坏并报警提示；

2、刀架电动机过热报警时，停止换刀过程，并禁止自动加工；

我们现在已经对此种刀架的换刀原理有所了解，那么对于此种刀架在工作过程中常见的一些故障我们应该很容易分析出他的原因。常见的故障现象如下：

故障现象一：选择了目标刀位，按下刀位转换按钮以后，电动刀架不转；

故障现象二：选择了目标刀位，按下刀位转换按钮以后，电动刀架转个不停；

我们现在就以这两种比较典型的故障现象来分析一下故障原因，希望大家有所收获，比如故障现象一；这是比较常见的一种故障现象，出现此现象后我们应该利用怎样的方法才能够比较容易去解决。

从上面的叙述中我们已经了解了换刀的整个过程， 如图四，如果刀架不动，我们应该怎么样去检修呢？

1、首先我们可以利用现象比较明显，比较容易观察到的地方来进行判断，在这里我们可以把接触器作为一个特殊点，以接触器为分界点，作出一个初步判断，可以观察一下接触器是否动作，如果接触器动作我们可以听到接触器吸合的声音，相反则听不到。

2、接触器吸合的情况下，我们可以判断出换刀过程中的① ④没有问题。那么问题应该在⑤ 或 ⑥上，具体原因如下：

1）电机电源缺相或电压过低；

2）接触器主触点被烧坏或接触不良；

3）刀架电机电源相序错，造成电机旋转方向发生改变，刀架选刀的过程变成刀架锁紧的过程；

4）电机被烧坏；

5）刀架锁得太紧或被机械卡死等。

3、接触器在没有吸合的情况下，我们可以判断出故障原因有可能出在①⑤这几步上，具体分析过程如下：

1）KM5没有吸合的情况下，观察KA6是否吸合，如果KA6已经动作，那么可以测量一下KM5线圈有没有烧坏，控制电缆有没有断线，KA6的触点接触是否良好。

2）如果KA6没有动作，可以通过观察PLC的输入输出寄存器的状态来确定刀架正转信号Y0.6是否有输出，如果有输出，可以检测一下继电器KA6线圈是否被烧坏，PLC输出板是否有问题，系统PLC到KA6的连线是否有问题。如果没有输出，则检查一下是否PLC编写有误，是否有些换刀条件没有满足。

H. 数控机床基础知识

数控机床基本概念

1.1.1 数控技术与数控

数控技术，简称数控(Numerical Control—NC)，是利用数字化信息对机械运动及加工过程进行控制的一种方法。由于现代数控都采用了计算机进行控制，因此，也可以称为计算机数控(Computerized Numerical Control—CNC)。

为了对机械运动及加工过程进行数字化信息控制，必须具备相应的硬件和软件。用来实现数字化信息控制的硬件和软件的整体成为数控系统(Numerical Control System)，数控系统的核心是数控装置(Numerical Controller)。

采用数控技术进行控制的机床，称为数控机床(NC机床)。它是一种综合应用了计算机技术、自动控制技术、精密测量技术和机床设计等先进技术的典型机电一体化产品，是现代制造技术的基础。控制机床也是数控技术应用最早、最广泛的领域，因此，数控机床的水平代表了当前数控技术的性能、水平和发展方向。

数控机床种类繁多，有钻 铣 镗床类、车削类、磨削类、电加工类、锻压类、激光加工类和其他特殊用途的专用数控机床等等，凡是采用了数控技术进行控制的机床统称为NC机床。

带有自动换刀装置ATC(Automatic Tool Changer—ATC)的数控机床(带有回转刀架的数控车床除外)称为加工中心(Machine Center—MC)。它通过刀具的自动交换，工件可以一次装、夹完成多工序的加工，实现了工序集中和工艺的复合，从而缩短了辅助加工时间，提高了机床的效率;减少了工件安装、定位次数，提高了加工精度。加工中心是目前数控机床中产量最大、应用最广的数控机床。

在加工中心的基础上，通过增加多工作台(托盘)自动交换装置(Auto Pallet Changer—APC)以及其他相关装置，组成的加工单元称为柔性加工单元(Flexible Manufacturing Cell—FMC)。FMC不仅是现了工序的集中和工艺的复合，而且通过工作台(托盘)的自动交换和较完善的自动监测、监控功能，可以进行一定时间的无人化加工，从而进一步提高了设备的加工效率。FMC既是柔性制造系统FMS(Flexible Manufacturing System)的基础，又可以作为独立的自动化加工设备使用，因此其发展速度较快。

在FMC和加工中心的基础上，通过增加物流系统、工业机器人以及相关设备，并由中央控制系统进行集中、统一控制和管理，这样的制造系统称为柔性制造系统FMS(Flexible Manufacturing System)。FMS不仅可以进行长时间的无人化加工，而且可以实现多品种零件的全部加工和部件装配，实现了车间制造过程的自动化，它是一种高度自动化的先进制造系统。

随着科技发展，为了适应市场需求多变的形势，对现代制造业来说，不仅需要发展车间制造过程的自动化，而且要实现从市场预测、生产决策、产品设计、产品制造直到产品销售的全面自动化。将这些要求综合、构成的完整的生产制造系统，称为计算机集成制造系统(Computer Integrated Manufacturing System-—CIMS)。CIMS将一个更长的生产、经营活动进行了有机的集成，实现了更高效益、更高柔性的智能化生产，是当今自动化制造技术发展的最高阶段。在CIMS中，不仅是生产设备的集成，更主要的是以信息为特征的技术集成和功能集成。计算机是集成的工具，计算机辅助的自动化单元技术是集成的基础，信息和数据的交换及共享是集成的桥梁，最终形成的产品，可以看成是信息和数据的物质体现。

1.1.2 数控系统及其组成

数控系统的基本组成

数控系统是所有数控设备的核心。数控系统的主要控制对象是坐标轴的位移(包括移动速度、方向、位置等)，其控制信息主要来源于数控加工或运动控制程序。因此，作为数控系统的最基本组成应包括：程序的输入/输出装置、数控装置、伺服驱动这三部分。

输入/输出装置输入/输出装置的作用是进行数控加工或运动控制程序、加工与控制数据、机床参数以及坐标轴位置、检测开关的状态等数据的输入、输出。键盘和显示器是任何数控设备都必备的'最基本的输入/输出装置。此外，根据数控系统的不同，还可以配光电阅读机、磁带机或软盘驱动器等。作为外围设备，计算机是目前常用的输入/输出装置之一。

数控装置数控装置是数控系统的核心。它由输入/输出接口线路、控制器、运算器和存储器等部分组成。数控装置的作用是将输入装置输入的数据，通过内部的逻辑电路或控制软件进行编译、运算和处理，并输出各种信息和指令，以控制机床的各部分进行规定的动作。

在这些控制信息和指令中，最基本的是坐标轴的进给速度、进给方向和进给位移量指令。它经插补运算后生成，提供给伺服驱动，经驱动器放大，最终控制坐标轴的位移。它直接决定了刀具或坐标轴的移动轨迹。

此外，根据系统和设备的不同，如：在数控机床上，还可能有主轴的转速、转向和起、停指令;刀具的选择和交换指令;冷却、润滑装置的起、停指令;工件的松开、夹紧指令;工作台的分度等辅助指令。在数控系统中，它们是通过接口，以信号的形式提供给外部辅助控制装置，由辅助控制装置对以上信号进行必要的编译和逻辑运算，放大后驱动相应的执行器件，带动机床机械部件、液压气动等辅助装置完成指令规定的动作。

伺服驱动伺服驱动通常由伺服放大器(亦称驱动器、伺服单元)和执行机构等部分组成。在数控机床上，目前一般都采用交流伺服电动机作为执行机构;在先进的高速加工机床上，已经开始使用直线电动机。另外，在20世纪80年代以前生产的数控机床上，也有采用直流伺服电动机;对于简易数控机床，也有用作为执行器件。伺服放大器的形式决定于执行器件，它必须与驱动电动机配套使用。

以上是数控系统最基本的组成部分。随着数控技术的发展和机床性能水平的提高，对系统的功能要求也日益增强，为了满足不同机床的控制要求，保证数控系统的完整性和统一性，并方便用户使用，常用较为先进的数控系统，一般都带有内部可编程控制器作为机床的辅助控制装置。此外，在金属切削机床上，主轴驱动装置也可以成为数控系统的一个部分;在闭环数控机床上，测量、检测装置也是数控系统必不可少的。对于先进的数控系统，有时甚至采用计算机作为系统的人机界面和数据的管理、输入/输出设备，从而使数控系统的功能更强、性能更完善。

总之，数控系统的组成决定于控制系统的性能和设备的具体控制要求，其配置和组成具有很大的区别，除加工程序的输入/输出装置、数控装置、伺服驱动这三个最基本的组成部分外，还可能有更多的控制装置。图1-1的虚线框部分表示计算机数控系统。

NC、CNC、SV与PLC的概念

NC(CNC)、SV与PLC(PC、PMC)是数控设备中最为常用的英文缩写，在实际使用中，在不同的场合具有不同的含义。

NC(CNC)NC与CNC分别是数控(Numerical Control)与计算机数控(Computerized Numerical Control)的常用英文缩写。由于现代数控都采用了计算机控制，因此，可以认为NC和CNC的含义完全等同。在工程应用上，根据使用场合的不同，NC(CNC)通常有三种不同的含义：在广义上代表一种控制技术——数控技术;在狭义上代表一种控制系统的实体——数控系统;此外，还可以代表一种具体的控制装置——数控装置。

SVSV是伺服驱动(Servo Drive，简称伺服)的常用英文缩写。按日本JIS标准规定的术语，它是“以物体的位置、方向、状态作为控制量，追踪目标值的任意变化的控制机构”。简言之，它是一种能够自动跟随目标位置等物理量的控制装置。

在数控机床上，伺服驱动的作用主要有两个方面：一是使坐标轴按照数控装置给定的速度运行;二是使坐标轴按照数控装置给定的位置定位。

伺服驱动的控制对象通常是机床坐标轴的位移和速度;执行机构是伺服或;对输入指令信号进行控制和功率放大的部分常称为伺服放大器(亦称为驱动器、放大器、伺服单元等)，它是伺服驱动的核心。

伺服驱动不仅可以和数控装置配套使用，而且还可以单独作为一个位置(速度)随同系统使用，故也常称为伺服系统。在早期的数控系统上，位置控制部分一般与CNC制成一体，伺服驱动只进行速度控制，因此，伺服驱动又常称为速度控制单元。

PLCPC是可编程序控制器(Programmable Controller)的英文缩写。随着个人计算机的日益普及，为了避免和个人计算机(亦称PC)混淆，现在一般都将可编程序控制器称为可编程序逻辑控制器(Programmalbe Logic Controller——PLC)或可编程序机床控制器(Programmable Machine Controller——PMC)。因此，在数控机床上，PC、PLC、PMC具有完全相同的含义。

PLC具有响应快、性能可靠、使用方便、编程和调试容易等特点，并可直接驱动部分机床电器，因此，被广泛用来作为数控设备的辅助控制装置。目前，大多数数控系统都带有内部PLC，用于处理数控机床的辅助指令，从而大大简化了机床的辅助控制装置。此外，在很多场合，通过PLC的轴控制模块、定位模块等特殊功能模块，还可以直接利用PLC，实现点位控制、直线控制以及简单的轮廓控制，组成数控专用机床或数控生产线。

1.1.3 数控机床的组成与加工原理

数控机床的基本组成

数控机床是最典型的数控设备。为了了解数控机床的基本组成，首先需要分析数控机床加工零件的工作过程。在数控机床上，为了进行零件的加工，可以通过如下步骤进行：

据被加工零件的图样与工艺方案，用规定的代码和程序格式，将刀具的移动轨迹、加工工艺过程、工艺参数、切削用量等编写成数控系统能够识别的指令形式，即编写加工程序。

将所编写的加工程序输入数控装置。

数控装置对输入的程序(代码)进行译码、运算处理，并向各坐标轴的伺服驱动装置和辅助机能控制装置发出相应的控制信号，以控制机床的各部件的运动。

在运动过程中，数控系统需要随时检测机床的坐标轴位置、行程开关的状态等，并与程序的要求相比较，以决定下一步动作，直到加工出合格的零件。

操作者可以随时对机床的加工情况、工作状态进行观察、检查，必要时还需要对机床动作和加工程序进行调整，以保证机床安全、可靠的运行。

由此可知，作为数控机床的基本组成，它应包括：输入/输出装置、数控装置、伺服驱动和反馈装置、辅助控制装置以及机床本体等部分(如图1-1所示)。

图1—1中的虚线框部分统称为数控系统，实现对机床主机的加工控制。目前数控系统大部分采用计算机数控(即CNC)，图中的输入/输出装置、数控装置、伺服驱动和反馈装置构成的机床数控系统，作用在上面已经叙述。下面再简要介绍其他组成部分。

图1—1数控机床的组成

测量反馈装置它是闭环(半闭环)数控机床的检测环节，其作用是通过现代化的测量元件：脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、光栅、磁尺和激光测量仪等，将执行元件(如、刀架等)或工作台等的实际位移的速度和位移量检测出来，反馈回伺服驱动装置或数控装置，并补偿进给的速度或执行机构的运动误差，以达到提高运动机构精度的目的。检测装置的安装、检测信号反馈的位置，决定于数控系统的结构形式，伺服内装式脉冲编码器、测速机以及直线光栅等都是较常用的检测部件。

由于先进的伺服都采用了数字式伺服驱动技术(称为数字伺服)，伺服驱动和数控装置间一般都采用总线进行连接;反馈信号在大多数场合都是与伺服驱动进行连接，并通过总线传送到数控装置。只有在少数场合或采用模拟量控制的伺服驱动(俗称模拟伺服)时，反馈装置才需要直接和数控装置进行连接。

辅助控制机构、进给传动机构它是介于数控装置和机床机械、液压部件之间的控制部件。其主要作用是接受数控装置输出的主轴转速、转向和启停指令;刀具选择交换;冷却、润滑装置的启停指令;工件和机床部件的松开、夹紧工作台转位等辅助指令信号，以及机床上检测开关的状态等信号，经必要的编译、逻辑判断、功率放大后直接驱动相应的执行元件，带动机床机械部件、液压气动等辅助装置完成指令规定的动作。它通常由PLC和强电控制回路构成，PLC在结构上可以与CNC一体化(内置式PLC)，也可以相对独立(外置式PLC)。

机床本体就是数控机床的机械结构件，也是由主传动系统、进给传动系统、床身、工作台以及辅助运动装置、液压气动系统、润滑系统、冷却装置、排屑、防护系统等部分组成。但为了满足数控的要求，充分发挥机床性能，它在总体布局、外观造型、传动系统结构、刀具系统以及操作性能方面都已发生了很大的变化。机床机械部件包括床身、箱体、立柱、导轨、工作台、主轴、进给机构、刀具交换机构等。

数控加工的原理

在传统的金属切削机床上，加工零件时需要操作者根据图样的要求，通过不断改变刀具的运动轨迹和运动速度等参数，使刀具对工件进行切削加工，最终加工出合格零件。

数控机床的加工，其实质是应用了“微分”原理。其工作原理与过程可以简述如下(图1-2)：

数控装置根据加工程序要求的刀具轨迹，将轨迹按机床对应的坐标轴，以最小移动量(脉冲当量)进行微分(图1-2中的△X、△Y)，并计算出各坐标轴需要移动的脉冲数。

通数控装置的“插补”软 件或“插补”运算器，把要求的轨迹用以“最小移动单位”为单位的等效折线进行拟合，并找出最接近理论轨迹的拟合折线。

③数控装置根据拟合折线的轨迹，给相应的坐标轴连续不断地分配进给脉冲，并通过伺服驱动使机床坐标轴按分配的脉冲运动。图1-2数控加工原理示意图

由上可见：第一，只要数控机床的最小移动量(脉冲当量)足够小，所用的拟合折线就可以等效代替理论曲线。第二，只要改变坐标轴的脉冲分配方式，即可以改变拟合折线的形状，从而达到改变加工轨迹的目的。第三，只要改变分配脉冲的频率，即可改变坐标轴(刀具)的运动速度。这样就实现了数控机床控制刀具移动轨迹的根本目的。

以上根据给定的数学函数，在理想轨迹(轮廓)的已知点之间，通过数据点的密化，确定一些中间点的方法，称为插补。能同时参与插补的坐标轴数，称为联动轴数。显然，当数控机床的联动轴数越多，机床加工轮廓的性能就越强。因此，联动轴的数量是衡量数控机床性能的重要技术指标。

I. 数控机床对机械结构都有哪些要求

数控机床的主体机构有以下特点：
1、由于采用了高性能的无级变速主轴及伺服传动系统，数控机床的极限传动结构大为简化，传动链也大大缩短；
2、为适应连续的自动化加工和提高加工生产率，数控机床机械结构具有较高的静、动态刚度和阻尼精度，以及较高的耐磨性，而且热变形小；
3、为减小摩擦、消除传动间隙和获得更高的加工精度，更多地采用了高效传动部件，如滚珠丝杠副和滚动导轨、消隙齿轮传动副等；
4、为了改善劳动条件、减少辅助时间、改善操作性、提高劳动生产率，采用了刀具自动夹紧装置、刀库与自动换刀装置及自动排屑装置等辅助装置。
数控机床对机械结构的要求：
1、较高的机床静、动刚度
数控机床是按照数控编程或手动输入数据方式提供的指令自动进行加工的。由于机械结构(如机床床身、导轨、工作台、刀架和主轴箱等)的几何精度与变形产生的定位误差在加工过程中不能为地调整与补偿，因此，必须把各处机械结构部件产生的弹性变形控制在最小限度内，以保证所要求的加工精度与表面质量。
2、减少机床的热变形
在内外热源的影响下，机床各部件将发生不同程度的热变形，使工件与刀具之间的相对运动关系遭到破环，也是机床季度下降。对于数控机床来说，因为全部加工过程是计算的指令控制的，热变形的影响就更为严重。为了减少热变形，在数控机床结构中通常采用以下措施。（1）减少发热；（2）控制温升；（3）改善机床机构。
3、减少运动间的摩擦和消除传动间隙
数控机床工作台(或拖板)的位移量十一脉中当量为最小单位的，通常又要求能以基地的速度运动。为了使工作台能对数控装置的指令作出准确响应，就必须采取相应的措施。目前常用的滑动导轨、滚动导轨和静压导轨在摩擦阻尼特性方面存在着明显的差别。在进给系统中用滚珠丝杠代替滑动丝杠也可以收到同样的效果。目前，数控机床几乎无一例外地采用滚珠丝杠传动。数控机床(尤其是开环系统的数控机床)的加工精度在很大程度上取决于进给传动链的精度。除了减少传动齿轮和滚珠丝杠的加工误差之外，另一个重要措施是采用无间隙传动副。对于滚珠丝杠螺距的累积误差，通常采用脉冲补偿装置进行螺距补偿。
4、提高机床的寿命和精度保持性
为了提高机床的寿命和精度保持性，在设计时应充分考虑数控机场零部件的耐磨性，尤其是机床导轨、进给伺港机主轴部件等影响进度的主要零件的耐磨性。在使用过程中，应保证数控机床各部件润滑良好。
5、减少辅助时间和改善操作性能
数控机床的单件加工中，辅助时间(非切屑时间)占有较大的比重。要进一步提高机床的生产率，就必须采取促使最大限度地压缩辅助时间。目前已经有很多数控机床采用了多主轴、多刀架、以及带刀库的自动换刀装置等，以减少换刀时间。对于切屑用量加大的数控机床，床身机构必须有利于排屑。