数控机床4832178.docx

模块一本项目主要对数控机床的产生、特点及类型加以概述，使初学者对数控机床有一个基本认识。 数控机床（Numerical Control Machine Tools）是用数字代码形式的信息（程序指令），控制刀具按给定的工作程序、运动速度和轨迹进行自动加工的机床，简称数控机床。 数控机床是在机械制造技术和控制技术的基础上发展起来的，其过程大致如下： 1948年，美国帕森斯公司接受美国空军委托，研制直升飞机螺旋桨叶片轮廓检验用样板的加工设备。由于样板形状复杂多样，精度要求高，一般加工设备难以适应，于是提出采用数字脉冲控制机床的设想。1949年，该公司与美国麻省理工学院（MIT）开始共同研究，并于1952年试制成功第一台三坐标数控铣床，当时的数控装置采用电子管元件。 1959年，数控装置采用了晶体管元件和印刷电路板，出现带自动换刀装置的数控机床，称为加工中心（ MC Machining Center），使数控装置进入了第二代， 1965年，出现了第三代的集成电路数控装置，不仅体积小，功率消耗少，且可靠性提高，价格进一步下降，促进了数控机床品种和产量的发展。 60年代末，先后出现了由一台计算机直接控制多台机床的直接数控系统（简称 DNC），又称群控系统；采用小型计算机控制的计算机数控系统（简称 CNC），使数控装置进入了以小型计算机化为特征的第四代。1974年，研制成功使用微处理器和半导体存贮器的微型计算机数控装置（简称 MNC），这是第五代数控系统。 20世纪80年代初，随着计算机软、硬件技术的发展，出现了能进行人机对话式自动编制程序的数控装置；数控装置愈趋小型化，可以直接安装在机床上；数控机床的自动化程度进一步提高，具有自动监控刀具破损和自动检测工件等功能。 20世纪90年代后期，出现了PC+CNC智能数控系统，即以PC机为控制系统的硬件部分，在PC机上安装NC软件系统，此种方式系统维护方便，易于实现网络化制造。 一、数控机床与普通机床的区别 数控机床对零件的加工过程，是严格按照加工程序所规定的参数及动作执行的。它是一种高效能自动或半自动机床，与普通机床相比，具有以下明显特点： 1、适合于复杂异形零件的加工数控机床可以完成普通机床难以完成或根本不能加工的复杂零件的加工，因此在宇航、造船、模具等加工业中得到广泛应用。2、加工精度高3、加工稳定可靠实现计算机控制，排除人为误差，零件的加工一致性好，质量稳定可靠。4、高柔性加工对象改变时，一般只需要更改数控程序，体现出很好的适应性，可大大节省生产准备时间。在数控机床的基础上，可以组成具有更高柔性的自动化制造系统FMS。5、高生产率数控机床本身的精度高、刚性大，可选择有利的加工用量，生产率高，一般为普通机床的 35 倍，对某些复杂零件的加工，生产效率可以提高十几倍甚至几十倍。6、劳动条件好机床自动化程度高，操作人员劳动强度大大降低，工作环境较好。7、有利于管理现代化采用数控机床有利于向计算机控制与管理生产方面发展，为实现生产过程自动化创造了条件。8、投资大，使用费用高9、生产准备工作复杂由于整个加工过程采用程序控制，数控加工的前期准备工作较为复杂，包含工艺确定、程序编制等。10、维修困难数控机床是典型的机电一体化产品，技术含量高，对维修人员的技术要求很高。二、数控机床的适用范围由于数控机床的上述特点，适用于数控加工的零件有：1、批量小而又多次重复生产的零件；2、几何形状复杂的零件；3、贵重零件加工；4、需要全部检验的零件；5、试制件。对以上零件采用数控加工，才能最大限度地发挥出数控加工的优势。 一、按加工方式和工艺用途分类 1、普通数控机床 普通数控机床一般指在加工工艺过程中的一个工序上实现数字控制的自动化机床，如数控铣床、数控车床、数控钻床、数控磨床与数控齿轮加工机床等。普通数控机床在自动化程度上还不够完善，刀具的更换与零件的装夹仍需人工来完成。 2、加工中心 加工中心是带有刀库和自动换刀装置的数控机床，它将数控铣床、数控镗床、数控钻床的功能组合在一起，零件在一次装夹后，可以将其大部分加工面进行铣、镗、钻、扩、铰及攻螺纹等多工序加工。由于加工中心能有效地避免由于多次安装造成的定位误差，所以它适用于产品更换频繁、零件形状复杂、精度要求高、生产批量不大而生产周期短的产品。 二、按运动方式分类 1、点位控制数控机床如图 1-1 所示，点位控制是指数控系统只控制刀具或工作台从一点移至另一点的准确定位，然后进行定点加工，而点与点之间的路径不需控制。采用这类控制的有数控钻床、数控镗床和数控坐标镗床等。 2、点位直线控制数控机床 如图 1-2 所示，点位直线控制是指数控系统除控制直线轨迹的起点和终点的准确定位外，还要控制在这两点之间以指定的进给速度进行直线切削。采用这类控制的有数控铣床、数控车床和数控磨床等。 3、轮廓控制数控机床亦称连续轨迹控制，如图 1-3 所示，能够连续控制两个或两个以上坐标方向的联合运动。为了使刀具按规定的轨迹加工工件的曲线轮廓，数控装置具有插补运算的功能，使刀具的运动轨迹以最小的误差逼近规定的轮廓曲线，并协调各坐标方向的运动速度，以便在切削过程中始终保持规定的进给速度。采用这类控制的有数控铣床、数控车床、数控磨床和加工中心等。 三、按控制方式分类 1、开环控制系统开环控制系统是指不带反馈装置的控制系统，由步进电机驱动线路和步进电机组成，如图 1-4 所示。数控装置经过控制运算发出脉冲信号，每一脉冲信号使步进电机转动一定的角度，通过滚珠丝杠推动工作台移动一定的距离。 这种伺服机构比较简单，工作稳定，容易掌握使用，但精度和速度的提高受到限制。 2、半闭环控制系统 如图 1-5 所示，半闭环控制系统是在开环控制系统的伺服机构中装有角位移检测装置，通过检测伺服机构的滚珠丝杠转角间接检测移动部件的位移，然后反馈到数控装置的比较器中，与输入原指令位移值进行比较，用比较后的差值进行控制，使移动部件补充位移，直到差值消除为止的控制系统。 这种伺服机构所能达到的精度、速度和动态特性优于开环伺服机构，为大多数中小型数控机床所采用。 3、闭环控制系统 如图 1-6 所示，闭环控制系统是在机床移动部件位置上直接装有直线位置检测装置，将检测到的实际位移反馈到数控装置的比较器中，与输入的原指令位移值进行比较，用比较后的差值控制移动部件作补充位移，直到差值消除时才停止移动，达到精确定位的控制系统。 闭环控制系统的定位精度高于半闭环控制，但结构比较复杂，调试维修的难度较大，常用于高精度和大型数控机床。 四、按联动轴数分类 数控系统控制几个坐标轴按需要的函数关系同时协调运动，称为坐标联动，按照联动轴数可以分为： 1、两轴联动 数控机床能同时控制两个坐标轴联动，适于数控车床加工旋转曲面或数控铣床铣削平面轮廓。 2、两轴半联动 在两轴的基础上增加了Z轴的移动，当机床坐标系的X、Y轴固定时，Z轴可以作周期性进给。两轴半联动加工可以实现分层加工。 3、三轴联动 数控机床能同时控制三个坐标轴的联动，用于一般曲面的加工，一般的型腔模具均可以用三轴加工完成。 4、多坐标联动 数控机床能同时控制四个以上坐标轴的联动。多坐标数控机床的结构复杂，精度要求高、程序编制复杂，适于加工形状复杂的零件，如叶轮叶片类零件。通常三轴机床可以实现二轴、二轴半、三轴加工；五轴机床也可以只用到三轴联动加工，而其他两轴不联动。 数控机床是典型的机电一体化产品，是现代制造业的主流设备，是体现现代机床技术水平、现代机械制造业工艺水平的重要标志，是关系国计民生、国防尖端建设的战略物资。工业化国家经济总产值的50%（日本）至68%（美国）是由制造业创造的，制造业对发展国家经济有决定性的影响，而发展机床业是发展制造业的根本。2002年，我国机床市场消费额达59亿美元，成为世界第一。我国数控机床总量供给能力不凡，产品品种无重要缺门空白，数控机床进入成熟期，但与先进国家相比尚有30-50年的差距，机床数控化率10% ，数控机床应用水平较低。数控系统技术的突飞猛进为数控机床的技术进步提供了条件，为了满足市场的需要，达到现代制造技术对数控机床提出的更高的要求，当前，数控技术及数控机床的发展方向主要体现为以下几方面： 一、高速、高效 机床向高速化方向发展，不但可大幅度提高加工效率、降低加工成本，而且还可提高零件的表面加工质量和精度。超高速加工技术对制造业实现高效、优质、低成本生产有广泛的适用性。 目前，在超高速加工中，车削和铣削的切削速度已达到 50008000m/min 以上；主轴转数在30000转/ 分(有的高达10万r/min)以上；工作台的移动速度(进给速度)：在分辨率为1微米时，在100m/min(有的到200m/min)以上，在分辨率为0.1微米时，在24m/min以上；自动换刀速度在1秒以内；小线段插补进给速度达到12m/min 。 二、多功能 在零件加工过程中有大量的无用时间消耗在工件搬运、上下料、安装调整、换刀和主轴的升、降速上，为了尽可能降低这些无用时间，人们希望将不同的加工功能整合在同一台机床上，因此，复合功能的机床成为近年来发展很快的机种。 三、智能化 智能化是21世纪制造技术发展的一个大方向。智能加工是一种基于神经网络控制、模糊控制、数字化网络技术和理论的加工，它是要在加工过程中模拟人类专家的智能活动，以解决加工过程许多不确定性的、要由人工干预才能解决的问题。 智能化的内容包括在数控系统中的各个方面： 1、为追求加工效率和加工质量的智能化，如自适应控制，工艺参数自动生成； 2、为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等； 3、简化编程、简化操作的智能化，如智能化的自动编程，智能化的人机界面等； 4、智能诊断、智能监控，方便系统的诊断及维修等。 四、高精度 在机械加工高精度的要求下，普通级数控机床的加工精度已由10m 提高到5m ；精密级加工中心的加工精度则从 35m，提高到11.5m ，甚至更高；超精密加工精度进入纳米级(0.001微米) ，主轴回转精度要求达到0.010.05 微米，加工圆度为0.1微米，加工表面粗糙度Ra=0.003微米等。这些机床一般都采用矢量控制的变频驱动电主轴(电机与主轴一体化)，主轴径向跳动小于2m ，轴向窜动小于1m ，轴系不平衡度达到G0.4级。 五、高可靠性 随着数控机床网络化应用的发展，数控机床的高可靠性已经成为数控系统制造商和数控机床制造商追求的目标。 六、柔性化柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段，是各国制造业发展的主流趋势，是先进制造领域的基础技术。其重点是以提高系统的可靠性、实用化为前提，以易于联网和集成为目标；注重加强单元技术的开拓、完善；CNC单机向高精度、高速度和高柔性方向发展；数控机床及其构成柔性制造系统能方便地与CAD、CAM、CAPP、MTS联结，向信息集成方向发展；网络系统向开放、集成和智能化方向发展。模块二一、数控机床组成与结构数控机床一般由输入、输出装置、数控装置、可编程控制器、伺服系统、检测反馈装置和机床主机等组成，如图 2-1 所示。 1、输入输出装置 输入装置可将不同加工信息传递于计算机。在数控机床产生的初期，输入装置为穿孔纸带，现已趋于淘汰；目前，使用键盘、磁盘等，大大方便了信息输入工作。 输出指输出内部工作参数（含机床正常、理想工作状态下的原始参数，故障诊断参数等），一般在机床刚工作状态需输出这些参数作记录保存，待工作一段时间后，再将输出与原始资料作比较、对照，可帮助判断机床工作是否维持正常。 2、数控装置 数控装置是数控机床的核心与主导，完成所有加工数据的处理、计算工作，最终实现数控机床各功能的指挥工作。它包含微计算机的电路，各种接口电路、CRT显示器等硬件及相应的软件。 3、可编程控制器 即PLC，它对主轴单元实现控制，将程序中的转速指令进行处理而控制主轴转速；管理刀库，进行自动刀具交换、选刀方式、刀具累计使用次数、刀具剩余寿命及刀具刃磨次数等管理；控制主轴正反转和停止、准停、切削液开关、卡盘夹紧松开、机械手取送刀等动作；还对机床外部开关（行程开关、压力开关、温控开关等）进行控制；对输出信号（刀库、机械手、回转工作台等）进行控制。 4、检测反馈装置 由检测元件和相应的电路组成，主要是检测速度和位移，并将信息反馈于数控装置，实现闭环控制以保证数控机床加工精度。 5、机床主机 数控机床的主体，包括床身、主轴、进给传动机构等机械部件。 二、数控机床工作过程数控机床的工作大致有如下几个过程，见图 2-2 。 数控加工的准备过程较复杂，内容多，含对零件的结构认识、工艺分析、工艺方案的制订、加工程序编制、选用工装、辅具及其使用方法等。 机床的调整主要包括刀具命名、调入刀库、工件安装、对刀、测量刀位、机床各部位状态等多项工作内容。 程序调试主要是对程序本身的逻辑问题及其设计合理性进行检查和调整。 试切加工则是对零件加工设计方案进行动态下的考察，而整个过程均需在前一步实现后的结果评价后再作后一步工作。 试切成功后方可对零件进行正式加工，并对加工后的零件进行结果检测。 前三步工作均为待机时间，为提高工作效率，希望待机时间越短越好，越有利于机床合理使用。该项指标直接影响对机床利用率的评价（即机床实动率）。 三、数控机床的性能指标 数控机床的性能指标一般有精度指标、坐标轴指标、运动性能指标及加工能力指标几种，详细内容及其含义与影响可参见表 2-1 。 一、对数控机床结构的基本要求 1、有良好的静刚度、动刚度良好的静刚度、动刚度是数控机床保证加工精度及其精度保证特性的关键因素之一。与普通机床相比，其静刚度、动刚度应提高 50% 以上。 为使数控机床具有良好的静刚度，应注意合理选择构件的结构形式，如基础件采用封闭的完整箱体结构，构件采用封闭式截面，合理选择及布局隔板和筋条（图 2-3、 2-4），尽量减小接合面，提高部件间接触刚度等；合理进行结构布局（图 2-5）；采取补偿构件变形的结构措施（图 2-6）。 提高数控机床动刚性则可通过改善机床阻尼特性（如填充阻尼材料）来提高抗振性；在床身表面喷涂阻尼涂层；采用新材料（如人造花岗石，混凝土等）等方法实现。 2、有更小的热变形 数控机床加工中的摩擦等均会引起温升及变形而影响加工精度。为确保加工精度，在数控机床结构布局设计中可考虑尽量采用对称结构（如对称立柱等），进行强制冷却（如采用空冷机），使排屑通道对称布置等措施。 3、有良好的低速运动性能 数控机床各坐标轴进给运动的精度及其灵敏性亦极大地影响到零件加工精度，要提高数控机床的运动精度可采取降低执行件的质量，减小静、动摩擦系数之差，清除传动件间间隙，提高传动刚度等措施。 4、有更好的宜人性 从使用数控机床的操作使用角度出发，机床结构布局应有良好的人机关系（如面板、操作台位置布置等）和较高的环保标准。 二、数控机床布局特点 数控机床的总体结构布局应按上述要求，既满足从机床性能、加工适应范围等内部因素考虑确定各构件间位置，同时亦满足从外观、操作、管理到人机关系等外部因素考虑安排机床总布局。 数控机床不同的布局形式给机床工作带来了不同的影响，从而形成不同的特点，其影响主要表现在如下几个方面： 1、不同布局适应不同的工件形状、尺寸及重量如图 2-7 所示均为数控铣床，但四种布局方案适应的工件重量、尺寸却不同。其中， （ a ）适应较轻工件，（ b ）适应较大尺寸工件，（ c ）适应较重工件，（ d ）适应更重更大工件。 2、不同布局有不同的运动分配及工艺范围如图 2-8 所示为数控镗铣床的三种布局方案。其中，（ a ）主轴立式布置，上下运动，对工件顶面进行加工；（ b ）主轴卧式布置，加工工作台上分度工作台的配合，可加工工件多个侧面；（ c ）在（ b ）基础上再增加一个数控转台，可完成工件上更多内容的加工。 3、不同布局有不同的机床结构性能如图 2-9 所示为几种数控卧式镗铣床。其中，（ a ）、（ b ）为 T 形床身布局，工作台支承于床身，刚度好，工作台承载能力强； （ c ）、（ d ）工作台为十字形布局，其中（ c ）主轴箱悬挂于单立柱一侧，使立柱受偏载，（ d ）主轴箱装在框式立柱中间，对称布局，受力后变形小，有利于提高加工精度。 4、不同布局影响机床操作方便程度不同的机床布局使机床操作中不少工作（如工件、刀具装卸、切屑清理、加工观察等）方便程度不同。如图 2-10 为数控车床的三种不同布局方案，其中（ c ）为立床身，排屑最方便，切屑直接落入自动排屑的运输装置；（ b ）为斜床身，排屑亦较方便；（ a ）为横床身，加工观察与排屑均不易。 综上，对数控机床布局特点的了解是合理选用机床、操作机床的必备基础。 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。如图 2-11 所示。 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。如图 2-12 、 2-13 所示。 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。 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，如图 2-14 为 CNC 系统组成框图。 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 如图 2-15 所示（图中的虚线框为CNC单元），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，可参见表 2-2 。 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。 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、采用变速齿轮传动如图 2 - 16 所示， 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， 如图 2 - 17 所示 。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， 如图 2 - 18 所示 。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。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， 如图 2 - 19 所示，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，如图2-20所示 。 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 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 。 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、应用详见表 2-4 。 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。 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。 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