第三节 数控车床

一、数控技术的基本概念

1．数控

数控，即数字控制（Numerical Control，简称NC），就是用数字化的信息对机床的运动及其加工过程进行控制的一种方法。简单地说，数控就是采用计算机或专用计算机装置进行数字计算、分析处理、发出相应指令、对机床的各个动作及加工过程进行自动控制的一门技术。

由于早期数控系统功能全靠数字电路实现，因此称为NC系统（硬件数控系统）。这种数控系统电路复杂，元器件数量较多，功能扩充难以实现，可靠性低，维修困难。现代数控系统都采用小型计算机或微型计算机控制加工功能，实现数字控制，因此称为计算机数控系统（Computer Numerical Control，简称CNC）。计算机数控系统在控制功能、精度、可靠性等方面都比硬件数控系统有很大的改善，而且其体积大大缩小。所以，在本书中所出现的“数控”或“数控系统”都是指计算机数控系统。

2．数控机床

所谓数控机床（Numerical Control Machine Tool，简称NCMT），就是采用数字控制技术对机床的加工过程进行自动控制的机床，也就是装备有计算机数控系统的自动化机床。它把机械加工过程中的各种控制信息用代码化的数字表示，通过信息载体输入数控装置，经运算处理由数控装置发出各种控制信号，控制机床的动作，按图样要求的形状和尺寸，自动地将零件加工出来。数控机床较好地解决了复杂、精密、小批量、多品种零件的加工问题，是一种柔性的、高效能的自动化机床，代表了现代机床控制技术的发展方向，是一种典型的机电一体化产品。

3．数控加工

数控加工（Numerical Control Processing，简称NCP），是指在数控机床上进行工件的切削加工的一种工艺方法，即根据工件图样和工艺要求等原始条件，编制工件数控加工程序并输入数控系统，以控制机床的刀具与工件的相对运动，从而实现工件的加工。加工的全过程包括走刀、换刀、变速、变向、停车等，都是自动完成的。数控加工是现代化模具制造加工的一种先进手段。当然，数控加工手段并不一定只用于加工模具零件，其用途十分广泛。

二、数控车床的工作原理及特点

1．数控车床的工作原理

数控车床是一种高度自动化的机床，是用数字化的信息来实现自动化控制的，将与加工零件有关的信息—工件与刀具相对运动轨迹的尺寸参数（进给执行部件的进给尺寸）、切削加工的工艺参数（主运动和进给运动的速度、背吃刀量等），以及各种辅助操作（主运动变速、刀具更换、切削液打开停止、工件夹紧松开等）等加工信息，用规定的文字、数字和符号组成的代码，按一定的格式编写成加工程序单，将加工程序通过控制介质输入到数控装置中，由数控装置经过分析处理后，发出各种与加工程序相对应的信号和指令控制机床进行自动加工。

2．数控车床的特点（表1-17）

三、数控车床的组成及功能

1．数控车床的组成

数控车床主要由数控程序及程序载体、输入装置、数控装置、伺服驱动及位置检测装置、辅助控制装置、机床本体等几部分组成，如图1-38所示。具体说明见表1-18。

2．数控车床的功能

数控车床又称CNC车床，能自动地完成对轴类与盘类零件内外圆柱面、圆锥面、圆弧面、螺纹等切削加工，并能进行切槽、钻孔、扩孔和铰孔等工作。数控车床具有加工精度稳定性好、加工灵活、通用性强，能适应多品种、小批生产自动化的要求，特别适合加工形状复杂的轴类或盘类零件。

从总体上看，数控车床没有脱离卧式车床的结构形式，其结构上仍然是由主轴箱、刀架、进给系统、床身以及液压、冷却、润滑系统等部分组成，只是数控车床的进给系统与卧式车床的进给系统在结构上存在着本质的差别。卧式车床的进给运动是经过交换齿轮架、进给箱、溜板箱传到刀架实现纵向和横向进给运动的，而数控车床是采用伺服电动机经滚珠丝杠传到滑板和刀架，实现Z向（纵向）和X向（横向）进给运动，其结构较卧式车床大为简化。如图1-39所示为数控车床的结构示意图。由于数控车床刀架的两个方向运动分别由两台伺服电动机驱动，所以它的传动链短，不必使用交换齿轮、光杠等传动部件。伺服电动机可以直接与丝杠连接带动刀架运动，也可以用同步齿形带连接。多功能数控车床一般采用直流或交流主轴控制单元来驱动主轴，按控制指令作无级变速，所以数控车床主轴箱内的结构也比卧式车床简单得多。

在数控车床上增加刀塔（架）和C轴控制，可使它除了能车削、镗削外，还能进行端面和圆周面上任意部位的钻、铣、攻螺纹，而且在具有插补功能的情况下，还能铣削曲面，这样就构成了车削中心，如图1-40所示。

四、数控车床的布局与分类

1．数控车床的布局

数控车床的主轴、尾座等部件相对床身的布局形式与卧式车床基本一致，但刀架和床身导轨的布局形式却发生了根本的变化。这是因为刀架和床身导轨的布局形式不仅影响机床的结构和外观，还直接影响数控车床的使用性能，如刀具和工件的装夹、切屑的清理以及机床的防护和维修等。

数控车床床身导轨与水平面的相对位置有四种布局形式，其说明见表1-19。

2．数控车床的分类

数控车床品种繁多，规格不一，分类方法也较多，其分类方法如下。

① 按数控车床主轴位置分类 按数控车床主轴位置分类见表1-20。

② 按加工零件的基本类型分类 按加工零件的基本类型分类见表1-21。

③ 按刀架数量分类 按刀架数量分类见表1-22。

④ 按数控车床的档次分 按数控车床的档次分类见表1-23。

五、数控系统的主要功能及加工过程

1．数控系统的主要功能

数控车床中数控系统的硬件有各种不同的组成和配置，再安装不同的监控软件，就可以实现许多功能，从而满足数控车床的复杂控制要求。

数控系统的功能一般包括基本功能和选择功能。基本功能是数控系统的必备功能，选择功能是供用户根据机床特点和用途进行选择的功能。下面以FANUC系统为例，简述其部分功能，见表1-24。

2．数控车床的加工过程

数控车床的加工过程如图1-46所示。

① 根据零件加工图样进行工艺分析，确定加工方案、工艺参数和位移数据。

② 用规定的程序代码和格式规则编写零件加工程序单；或用自动编程软件进行CAD/CAM工作，直接生成零件的加工程序文件。

③ 将加工程序的内容以代码形式完整记录在信息介质（如穿孔带或磁带）上。

④ 通过阅读机把信息介质上的代码转变为电信号，并输送给数控装置。由手工编写的程序，可以通过数控机床的操作面板输入；由编程软件生成的程序，通过计算机的串行通信接口直接传输到数控机床的数控单元（MCU）。

⑤ 数控装置将所接收的信号进行一系列处理后，再将处理结果以脉冲信号形式向伺服系统发出执行的命令。

⑥ 伺服系统接到执行的信息指令后，立即驱动车床进给机构严格按照指令的要求进行位移，使车床自动完成相应零件的加工。

六、数控车床的维护、保养与故障诊断

（一）数控车床日常维护和保养

数控车床和车削加工中心集机、电、液于一身，具有技术密集和知识密集的特点，是一种自动化程度较高、结构复杂且价格昂贵的、先进的加工设备。为了充分发挥其效益，减少故障的发生，必须进行日常维护工作。为做好维护工作，应为数控车床配备数控系统编程、操作和维修的专门人员。这些人员应熟悉所用车床的机械、数控系统、强电设备、液压、气压等部分及使用环境、加工条件等，并能按机床和系统使用说明书的要求正确使用数控车床，这样才能全面了解、正确使用和掌握数控车床，及时做好维护工作。主要的维护工作如下。

1．选择合适的使用环境

数控车床的使用环境（如温度、湿度、振动、电源电压、频率及干扰等）会影响机床的正常运转，故在安装机床时，应严格按照机床说明书规定的安装条件和要求进行安装。

2．制定严格的操作维护制度

由于数控车床是自动化程度较高的设备，操作不当容易引起事故。因此，必须制定严格的操作维护制度，禁止非数控车床操作或维护人员操作、使用和维护。

3．制订机床的维护程序表

如空气过滤器的清扫、电气柜的清扫、印制电路板的清扫等。数控车床的维护程序见表1-25。通用数控车床的维护要求见表1-26。

4．闲置数控车床的保养

在数控车床闲置不用时，应经常给数控系统通电，在机床锁住的情况下，使其空运行。在空气湿度较大的梅雨季节，应该天天通电，利用电气元件本身的发热驱走数控柜内的潮气，以保证电气元件的性能稳定可靠。

（二）数控系统的保养与维护

正确的操作是保证数控车床正常使用的前提，同时必要的保养和维护也是减少数控车床故障率的重要保障。其中，数控系统是数控车床的控制指挥中心，对其进行保养和维护是延长元件的使用寿命，防止各种故障，特别是恶性事故的发生，从而延长整台数控系统的使用寿命的有效手段。

不同数控车床的数控系统的使用、维护，在随机所带的说明书中一般都有明确的规定。总的来说，应注意以下几点，见表1-27。

（三）数控车床常见故障诊断和处理

数控车床通常由电气控制、机械传动控制、液压传动等系统组成，它们之间相互制约、相互关联，每一部分出现故障时，都会影响整个机床的运行状态。当数控系统故障发生后，如何迅速诊断故障并解决问题，恢复其正常运行，是提高数控设备使用率的关键，对于数控车床故障的排除，从整体上维护好数控车床有着重要的意义。

现有数控车床上的数控系统品种较多，有国产华中数控HNC-21系列、广州数控等，以及国外FANUC 0i系列、SINUMERIK 802系列等。对于数控车床集成的复杂综合系统，故障诊断应遵循一定的规律，需要综合运用各方面的知识进行判断和处理。

1．故障的分类

根据机床部件、故障性质以及故障原因等，对常见故障作以下分类，见表1-28。

2．故障的诊断原则与方法

在故障检测过程中，应充分利用数控系统的自诊断功能，如系统的开机诊断、运行诊断、PLC的监控功能。同时，在检测故障过程中还应掌握以下原则与方法，见表1-29。

3．常见故障的处理（表1-30）