第一章绪论1．1 数控机床概述数控技术，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黑龙江工程学院专科生毕业论文2 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1．1．1 数控技术的发展从1952 年美国麻省理工学院研制出世界上第一台由电子计算机控制的三坐标立式数控铣床，到现在已走过了58 年历程。

数控技术经过５０年的２个阶段和６代的发展：第１阶段：硬件数控(NC) 第１代：1952 年的电子管第２代：1959 年晶体管分离元件第３代：1969 年的小规模集成电路第２阶段：软件数控(CNC) 第４代：1970 年的小型计算机第５代：1974 年的微处理器第６代：1990 年基于个人PC 机(PC-BASEO) 第６代的系统优点主要有：（１）元器件集成度高，可靠性好，性能高，可靠性已可达到５万小时以上；（２）基于PC 平台，技术进步快，升级换代容易（３）提供了开放式基础，可供利用的软、硬件资源丰富，使数控功能扩展到很宽的领域(如CAD、CAM、CAPP，连接网卡、声卡、打印机、摄影机等)；（４）对数控系统生产厂来说，提供了优良的开发环境，简化了硬件。

近10 年数控机床为适应加工技术发展，在以下几个技术领域都有巨大进步。

（1）高速化黑龙江工程学院专科生毕业论文 3 由于高速加工技术普及，机床普遍提高各方面速度，车床主轴转速由3000～4000 ｒ/ｍｉｎ提高到8000～10000/ｍｉｎ，铣床和加工中心主轴转速由40000～8000ｒ/ ｍｉｎ提高到12000ｒ/ｍｉｎ、24000ｒ/ｍｉｎ、40000ｒ/ｍｉｎ以上快速移动速度由过去的10～20ｍ/ｍｉｎ提高到48ｍ/ｍｉｎ、60ｍ/ｍｉｎ、80ｍ/ｍｉｎ、120ｍ/ｍｉｎ在提高速度的同时要求提高运动部件起动的加速度，其已由过去一般机床的0.5Ｇ（重力加速度）提高到1.5～2Ｇ，最高可达15Ｇ，直线电机在机床上开始使用，主轴上大量采用内装式主轴电机。

（2）高精度化数控机床的定位精度已由一般的0.01～0.02ｍｍ提高到0.008ｍｍ左右，亚微米级机床达到0.0005ｍｍ左右，纳米级机床达到0.005～0.01μｍ，最小分辨率为１ｎｍ的数控系统和机床已有产品。

数控中两轴以上插补技术大大提高，纳米级插补使两轴联动出的圆弧都可以达到１μ的圆度，插补前多程序段预读，大大提高插补质量，并可进行自动拐角处理等。

（3）复合加工、新结构机床大量出现如５轴５面体复合加工机床，５轴５联动加工各类异形零件。

也派生出各新颖的机床结构，包括６轴虚拟轴机床，串并联铰链机床等。

采用特殊机械结构，数控的特殊运算方式，特殊编程要求。

（4）使用各种高效特殊功能的刀具使数控机床“如虎添翼”。

如内冷钻头由于使高压冷却液直接冷却钻头切削刃和排除切屑，在钻深孔时大大提高效率。

加工钢件切削速度能达1000ｍ/ｍｉｎ，加工铝件能达5000ｍ/ｍｉｎ。

（5）数控机床的开放性和联网管理，已是使用数控机床的基本要求，它不仅是提高数控机床开动率、生产率的必要手段，而且是企业合理化、最佳化利用这些制造手段的方法。

因此，计算机集成制造、网络制造、异地诊断、虚拟制造、异行工程等等各种新技术都在数控机床基础上发展起来，这必然成为２１世纪制造业发展的一个主要潮流。

1．1．2 数控技术的发展趋势现代制造业的飞速拓展和信息技术的发展应用，促使数控技术不断更新，变化日新月异，其发展的新趋势基本朝着五个大的方向：1．高速化发展新趋势效率是先进制造技术的主体，高速加工技术可极大地提生产高效，目前高速加工中心进给速度达80m/min，甚至更高，空运行速度可达100m/min 左右。

当今世界上许多汽车厂，包括在我国的一些汽车公司，已经采用以高速加工中心组成的生产线部分黑龙江工程学院专科生毕业论文 4 替代组合机床。

美国CINCINNATI 公司的HyperMach 机床进给速度最大达60m/min，快速为100 m／min，加速度达2g，主轴转速已达60000r/min。

2. 精密化发展新趋势高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，提高市场竞争能力。

在加工精度方面，由于各组件加工的精密化，微米的误差已不是问题，普通级数控机床的加工精度已由10μm提高到5μm ，精密级加工中心则从3～5μm ，提高到1～1.5μm，并且超精密加工精度已开始进入纳米级(0.01μm)。

以计算机辅助生产(CAM) 系统的发展带动数控控制器的功能越来越多。

而为实现高速、高精加工，与之配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展，应用领域进一步扩大。

3. 智能化发展新趋势未来的数控装备将具有一定智能化的功能，智能化内容包括数控系统中的各个方面：如为追求加工效率和加工质量方面的智能化，加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；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。

4. 开放化发展新趋势数控系统开放化已成为数控系统的未来之路。

开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象（数控功能），形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明个性的名牌产品。

它解决了传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问题。

美国、欧共体和日本等国纷纷实施战略发展计划，并进行开放式体系结构数控系统规范(OMAC、OSACA、OSEC)的研究和制定。

我国在2000 年也开始进行中国的ONC 数控系统的规范框架的研究和制定。

目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。

5.网络化发展新趋势网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。

数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。

近年国内外一些著名数控机床和数控系统制造公司都相关的新概念和样机，日本山崎马扎克（Mazak) 公司展出的“CyberProduction Center”（智能生产控制中心，简称CPC)；德国西门子(Siemens) 黑龙江工程学院专科生毕业论文5 公司展出的Open Manufacturing Environment（开放制造环境，简称OME）等，反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。

数控系统的网络化促进了柔性自动化制造技术的发展，现代柔性制造系统从点(数控单机、加工中心和数控复合加工机床)、线(RMC、FMS、FTL、FML)向面(工段车间独立制造岛、FA)、体(CIMS、分布式网络集成制造系统)的方向发展。

柔性自动化技术以易于联网和集成为目标，同时注重加强单元技术的开拓、完善，数控机床及其构成的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。

1．1．3 数控机床组成(1)机床主体机床主机是数控机床的主体。

它包括床身、底座、立柱、横梁、滑座、工作台、主轴箱、进给机构、刀架即自动换刀装置等机械部件。