本項目主要對數控機床的主要部件及其功用加以闡述，使學習者對數控機床作進一步了解，為下一步熟悉各種數控機床并具備操作技能打好機床結構方面的基礎。

項目一 數控機床坐標系

一、數控機床坐標系的作用

數控機床坐標系是為了確定工件在機床中的位置，機床運動部件特殊位置及運動范圍，即描述機床運動，產生數據信息而建立的幾何坐標系。通過機床坐標系的建立，可確定機床位置關系，獲得所需的相關數據。

二、數控機床坐標系確定依據

數控機床坐標系的確定依據為國際上統一的ISO841標準。

三、數控機床坐標系確定方法

1、假設：工件固定，刀具相對工件運動。

2、標準：右手笛卡兒直角坐標系——拇指為 X 向，食指為 Y 向，中指為 Z 向。如圖 2-11 所示。

3、順序：先 Z 軸，再 X 軸，最后 Y 軸。

Z 軸——機床主軸；
X 軸——裝夾平面內的水平向；
Y 軸——由右手笛卡兒直角坐標系確定。

4、方向：退刀即遠離工件方向為正方向。如圖 2-12 、 2-13 所示。

圍繞X、Y、Z各軸的回轉運動及其正方向+A、+B、+C分別用其正方向右手定則判定。直角坐標系X、Y、Z 又稱主坐標系或第一坐標系，如有第二組坐標系和第三組坐標系平行于 X、Y、Z，則分別指定為U、V、W和 P、Q、R。

四、數控機床坐標系坐標原點

數控機床坐標系坐標原點是指機床上設置的一個固定的點，它在機床裝配、調試時就已經確定下來了，是數控機床進行運動加工的基準參考點，一般取在機床運動方向的最遠點。

項目二 數控系統

一、數控系統的組成與作用

1、數控系統的組成

計算機數控系統（簡稱 CNC 系統）由程序、輸入輸出設備、CNC 裝置、可編程控制器（ PLC ）、主軸驅動裝置和進給驅動裝置等組成，如圖 2-14 為 CNC 系統組成框圖。

2、數控系統的作用

數控系統接受按零件加工順序記載機床加工所需的各種信息，并將加工零件圖上的幾何信息和工藝信息數字化，同時進行相應的運算、處理，然后發出控制命令，使刀具實現相對運動，完成零件加工過程。

二、數控系統工作過程

如圖 2-15 所示（圖中的虛線框為CNC單元），一個零件程序的執行首先要輸入CNC中，經過譯碼、數據處理、插補、位置控制，由伺服系統執行CNC輸出的指令以驅動機床完成加工。

CNC系統的主要工作包括以下內容 ：

1、輸入

零件程序及控制參數、補償量等數據的輸入，可采用光電閱讀機、鍵盤、磁盤、連接上級計算機的DNC 接口、網絡等多種形式。CNC裝置在輸入過程中通常還要完成無效碼刪除、代碼校驗和代碼轉換等工作。

2、譯碼

不論系統工作在MDI方式還是存儲器方式，都是將零件程序以一個程序段為單位進行處理，把其中的各種零件輪廓信息(如起點、終點、直線或圓弧等)、加工速度信息(F 代碼)和其他輔助信息(M、S、T代碼等)按照一定的語法規則解釋成計算機能夠識別的數據形式，并以一定的數據格式存放在指定的內存專用單元。在譯碼過程中，還要完成對程序段的語法檢查，若發現語法錯誤便立即報警。

3、刀具補償

刀具補償包括刀具長度補償和刀具半徑補償。通常CNC裝置的零件程序以零件輪廓軌跡編程，刀具補償作用是把零件輪廓軌跡轉換成刀具中心軌跡。目前在比較好的CNC裝置中，刀具補償的工件還包括程序段之間的自動轉接和過切削判別，這就是所謂的C刀具補償。

4、進給速度處理

編程所給的刀具移動速度，是在各坐標的合成方向上的速度。速度處理首先要做的工作是根據合成速度來計算各運動坐標的分速度。在有些CNC裝置中，對于機床允許的最低速度和最高速度的限制、軟件的自動加減速等也在這里處理。

5、插補

插補的任務是在一條給定起點和終點的曲線上進行“ 數據點的密化 ”。插補程序在每個插補周期運行一次，在每個插補周期內，根據指令進給速度計算出一個微小的直線數據段。通常，經過若干次插補周期后 ，插補加工完一個程序段軌跡，即完成從程序段起點到終點的“數據點密化”工作。

6、位置控制

位置控制處在伺服回路的位置環上， 這部分工作可以由軟件實現， 也可以由硬件完成。它的主要任務是在每個采樣周期內，將理論位置與實際反饋位置相比較， 用其差值去控制伺服電動機。在位置控制中通常還要完成位置回路的增益調整、各坐標方向的螺距誤差補償和反向間隙補償，以提高機床的定位精度。

7、I/0 處理

I/O 處理主要處理CNC裝置面板開關信號，機床電氣信號的輸入、輸出和控制(如換刀、換擋、冷卻等) 。

8、顯示

CNC裝置的顯示主要為操作者提供方便，通常用于零件程序的顯示、參數顯示、刀具位置顯示、機床狀態顯示、報警顯示等。有些CNC裝置中還有刀具加工軌跡的靜態和動態圖形顯示。

9、診斷

對系統中出現的不正常情況進行檢查、定位，包括聯機診斷和脫機診斷。

三、數控系統要求、類型及性能評價指標

1、對數控系統的要求

（ 1 ）高效 要求數控系統有較高的工作速度，能迅速進行復雜信息、數據的處理與計算，以適應數控加工高效要求。

（ 2 ）穩定性 數控系統應有穩定的工作過程，使數據處理、運算正確無誤，從而保證數控加工正常而高精度。

（ 3 ）可靠性 數控系統的工作應有高的可靠性，使其長時期連續工作而不出現故障。

（ 4 ）開放性 數控系統應具有良好開放性，使其功能的修改、擴充、適應性，即功能的開發與升級能方便地實現。

2、數控系統類型

數控系統從其發展階段來看，可分為兩種類型：以電子管、晶體管、集成電路為特征的硬線連接數控系統，即NC系統；

以小型計算機、微處理器、工控PC機為特征的軟件數控系統，即CNC系統，現今使用的均為CNC系統。

3、數控系統性能評價指標

數控系統的性能評價指標是指數控系統的主要參數、功能指標及關鍵部件的功能水平等方面，可參見表 2-2 。

四、常見數控系統

數控機床配置的數控系統不同，其功能和性能也有很大差異。就目前應用來看，FANUC(日本)、SIEMENS(德國)、FAGOR(西班牙)、HEIDENHAIN(德國)、MITSUBISHI(日本)等公司的數控系統及相關產品 ， 在數控機床行業占據主導地位；我國數控產品以華中數控、航天數控為代表，也已將高性能數控系統產業化。

項目三 數控機床的主傳動系統

一、主傳動系統作用

數控機床主傳動系統的作用就是產生不同的主軸切削速度以滿足不同的加工條件要求。

二、對主傳動系統的基本要求

1、有較寬的調速范圍

可增加數控機床加工適應性，便于選擇合理切削速度使切削過程始終處于最佳狀態。

2、有足夠的功率和扭矩

使數控加工方便實現低速時大扭矩，高速時恒功率，以保證加工高效率。

3、有足夠的傳動精度

各零部件應具有足夠精度、剛度、抗振性，使主軸運動高精度，從而保證數控加工高精度。

4、噪聲低，運動平穩

使數控機床工作環境良好、宜人。

三、主傳動系統的變速方式

1、采用變速齒輪傳動

如圖 2 - 16 所示， 采用少數幾對齒輪降速，用液壓撥叉自動變速，電機主軸仍為無級變速，并實現主軸的正反啟動、停止、制動。該方式扭矩大，噪聲大，一般用于較低速加工。

2、采用同步齒形帶傳動

采用直流或交流主軸伺服電機，由同步齒形帶傳動至主軸， 如圖 2 - 17 所示 。該方式主軸箱及主軸結構簡單，主軸部件剛性好；傳動效率高、平穩、噪聲小；不需潤滑；但由于輸出扭矩小，低速性能不太好，在中檔機床中應用較多。

3、采用主軸電機直接驅動

亦稱一體化主軸、電主軸，由主軸電機直接驅動，電機、主軸合二為一，主軸為電機的轉子， 如圖 2 - 18 所示 。該方式處理好散熱、潤滑非常關鍵，一般應用于高速機床。

四、主軸部件

1、軸承

數控機床主軸軸承的支承形式、軸承材料、安裝方式均不同于普通機床，其目的是保證足夠的主軸精度。

2、主軸準停裝置

滿足刀具交換時，刀柄鍵槽位置必須固定的要求。

3、自動夾緊和切屑清除裝置

自動夾緊一般由液壓或氣壓裝置予以實現；而切屑清除則是通過設于主軸孔內的壓縮空氣噴嘴來實現，其孔眼分布及其角度是影響清除效果的關鍵。

4、潤滑與冷卻

低速時，采用油脂、油液循環潤滑；高速時采用油霧、油氣潤滑方式。主軸的冷卻以減少軸承及切割磁力線發熱，有效控制熱源為主。

項目四 數控機床的進給傳動系統

一、進給傳動系統作用

數控機床的進給傳動系統負責接受數控系統發出的脈沖指令，并經放大和轉換后驅動機床運動執行件實現預期的運動。

二、對進給傳動系統的要求

為保證數控機床高的加工精度，要求其進給傳動系統有高的傳動精度、高的靈敏度（響應速度快）、工作穩定、有高的構件剛度及使用壽命、小的摩擦及運動慣量，并能清除傳動間隙。

三、進給傳動系統種類

1、步進伺服電機伺服進給系統

一般用于經濟型數控機床。

2、直流伺服電機伺服進給系統

功率穩定，但因采用電刷，其磨損導致在使用中需進行更換。一般用于中檔數控機床。

3、交流伺服電機伺服進給系統

應用極為普遍，主要用于中高檔數控機床。

4、直線電機伺服進給系統

無中間傳動鏈，精度高，進給快，無長度限制；但散熱差，防護要求特別高，主要用于高速機床。

四、進給系統傳動部件

1、滾珠絲杠螺母副

數控加工時，需將旋轉運動轉變成直線運動，故采用絲杠螺母傳動機構。數控機床上一般采用滾珠絲杠， 如圖 2 - 19 所示，它可將滑動摩擦變為滾動摩擦，滿足進給系統減少摩擦的基本要求。該傳動副傳動效率高，摩擦力小，并可消除間隙，無反向空行程；但制造成本高，不能自鎖，尺寸亦不能太大，一般用于中小型數控機床的直線進給。

2、回轉工作臺

為 了擴大數控機床的工藝范圍，數控機床除了沿 X、 Y、 Z 三個坐標軸作直線進給外，往往還需要有繞 Y 或 Z 軸的圓周進給運動。數控機床的圓周進給運動一般由回轉工作臺來實現，對于加工中 心，回轉工作臺已成為一個不可缺少的部件。

數控機床中常用的回轉工作臺有分度工作臺和數控回轉工作臺 。

（ 1 ） 分度工作臺

分度工作臺只能完成分度運動,不能實現圓周進給，它是按照數控系統的指令，在需要分度時將工作臺連同工件回轉一定的角度。分度時也可以采用手動分度。分度工作臺一般只能回轉規定的角度 ( 如 90、 60 和 45 度 等 ) 。

（ 2 ） 數控回轉工作臺

數控回轉工作臺外觀上與分度工作臺相似，但內部結構和功用大不相同。 數控回轉工作臺的主要作用是根據數控裝置發出的指令脈沖信號，完成圓周進給運動，進行各種圓弧加工或曲面加工，它也可以進行分度工作。

3、導軌

導軌是進給傳動系統的重要環節，是機床基本結構的要素之一，它在很大程度上決定數控機床的剛度、精度與精度保持性。目前，數控機床上的導軌形式主要有滑動導軌、滾動導軌和液體靜壓導軌等。

（ 1 ） 滑動導軌

滑動導軌具有結構簡單、制造方便、剛度好、抗振性高等優點, 在數控機床上應用廣泛，目前多數使用金屬對塑料形式，稱為貼塑導軌，如圖2-20所示 。

貼塑滑動導軌的特點：摩擦特性好、耐磨性好、運動平穩、工藝性好、速度較低。
（ 2 ） 滾動導軌

滾動導軌是在導軌面之間放置滾珠、滾柱或滾針等滾動體，使導軌面之間為滾動摩擦而不是滑動擦擦。

滾動導軌與滑動導軌相比，其靈敏度高，摩擦系數小，且動、靜摩擦系數相差很小，因而運動均勻，尤其是在低速移動時，不易出現爬行現象；定位精度高，重復定位精度可達0.2 μ m ；牽引力小 ，移動輕便 ；磨損小，精度保持性好，使用壽命長。但滾動導軌的抗振性差，對防護要求高, 結構復雜，制造困難，成本高 。

項目五 檢測裝置

一、檢測裝置作用

檢測裝置是對數控機床中運動部件的位置及速度進行檢測，把測量信號作為反饋信號，并將其轉換成數字信號送回計算機與脈沖指令信號進行比較，以控制驅動元件正確運轉。檢測裝置的精度直接影響數控機床的定位精度和加工精度 。

二、對檢測裝置的要求

數控機床對檢測裝置的要求是：高的可靠性及抗干擾能力；滿足機床加工精度和加工速度的要求；使用維護方便；成本低等。

三、檢測裝置的分類

1、直接測量與間接測量

直接測量是指所測對象為被測對象本身，其方式有二：一是直線測量，即測工作臺直線位移（但檢測裝置需和行程等長）；二是角度測量，即測主軸旋轉角度。

間接測量是指以旋轉方式檢測裝置反映工作臺直線位移，該方法使用方便又無長度限制，但精度要受機床傳動鏈精度的影響。

2、增量式和絕對式測量

增量式測量是指只測位移增量，由系統所發脈沖量累計計算位移。

絕對式測量是指被測任一點均從固定的零點起算，被測點均有對應編碼。

3、位置檢測與速度檢測

位置檢測指對運動部件的位置作測量，而速度檢測則是對運動件速度作測量（如測速發電機）。

數控機床中一般為位置檢測，常用位置檢測元件及其特點、應用詳見表 2-4 。

項目六 自動換刀裝置

一、自動換刀裝置的作用

自動換刀裝置可幫助數控機床節省輔助時間，并滿足在一次安裝中完成多工序、工步加工要求。

二、對自動換刀裝置的要求

數控機床對自動換刀裝置的要求是：換刀迅速、時間短，重復定位精度高，刀具儲存量足夠，所占空間位置小，工作穩定可靠。

三、換刀形式

1、回轉刀架換刀

其結構類似普通車床上回轉刀架，根據加工對象不同可設計成四方或六角形式，由數控系統發出指令進行回轉換刀。

2、更換主軸頭換刀

各主軸頭預先裝好所需刀具，依次轉至加工位置，接通主運動，帶動刀具旋轉。該方式的優點是省去了自動松夾、裝卸刀具、夾緊及刀具搬動等一系列復雜操作，縮短了換刀時間，提高了換刀可靠性。

3、使用刀庫換刀

將加工中所需刀具分別裝于標準刀柄，在機外進行尺寸調整之后按一定方式放入刀庫，由交換裝置從刀庫和主軸上取刀交換。

四、刀具交換裝置

自動換刀裝置中，實現刀庫與主軸間傳遞和裝卸刀具的裝置為刀具交換裝置。刀具交換方式常有兩種：采用機械手交換刀具和由刀庫與機床主軸的相對運動交換刀具（刀庫移至主軸處換刀或主軸運動到刀庫換刀位置換刀）,其中以機械手換刀最為常見。

五、刀庫

刀庫是自動換刀裝置中最主要的部件之一，其容量、布局及具體結構對數控機床的總體設計有很大影響。

1、刀庫容量

指刀庫存放刀具的數量，一般根據加工工藝要求而定。刀庫容量小，不能滿足加工需要；容量過大，又會使刀庫尺寸大，占地面積大，選刀過程時間長，且刀庫利用率低，結構過于復雜，造成很大浪費。

2、刀庫類型

一般有盤式、鏈式及鼓輪式刀庫幾種。

盤式刀庫 刀具呈環行排列，空間利用率低，容量不大但結構簡單。

鏈式刀庫 結構緊湊，容量大，鏈環的形狀也可隨機床布局制成各種形式而靈活多變，還可將換刀位突出以便于換刀，應用較為廣泛。

鼓輪式或格子式刀庫 占地小，結構緊湊，容量大，但選刀、取刀動作復雜，多用于 FMS 的集中供刀系統。

3、選刀方式

常有順序選刀和任意選刀兩種。

順序選刀是在加工前，將加工所需刀具依工藝次序插入刀庫刀套中，順序不能有差錯，加工時按順序調刀。工件變更時，需重調刀具順序，操作煩瑣，且加工同一工件中刀具不能重復使用。

任意選刀是刀具均有自己的代碼，加工中任選且可重復使用，也不用放于固定刀座，裝刀、選刀都較方便。

項目七 數控機床床身

一、數控機床床身作用

數控機床床身用于支承機床中各零部件，并承受切削力。

二、對床身的要求

數控機床對床身的要求是：有足夠的剛性、抗振性，小的熱變形，且易安裝、調整。

三、數控機床床身類型

大部分機床采用鑄鐵床身，生產中亦有采用人造花崗石及鋼板焊接床身的。

項目八 刀具系統

一、刀具系統作用

數控刀具系統在數控加工中具有極其重要的意義，正確選擇和使用與數控機床相匹配的刀具系統是充分發揮機床的功能和優勢、保證加工精度以及控制加工成本的關鍵。

二、刀具系統內容

刀具系統非常龐大，包含內容極多：刀具種類、規格、結構、材料、參數、標準等。 不同的刀具類型和刀柄的結合構成一個品種規格齊全的刀具系統，供用戶選擇和組合使用， 所具備的刀具系統必須與所使用的機床相適應。

三、刀具結構與刀具材料

與普通刀具相類似，數控刀具亦有整體、機夾式之分，為充分發揮刀具的切削能力，優化其結構，數控刀具更多采用機械夾固可轉位刀具式。與普通刀具不同，數控刀具在結構上對尺寸精度要求很高，以滿足較高的定位精度及重復定位精度要求，與之對應的是，刀架或刀柄等接口部分的制造精度亦很高。

在數控加工中，速度要遠高于普通加工，為適合因高速而帶來的高切削溫度及嚴重摩擦，而不致使刀具磨損過于迅速，數控加工刀具以硬質合金為主，一般采用 YT 類硬質合金加工鋼料，YG 類硬質合金加工鑄鐵。為不斷提高刀具切削性能，數控刀具中，越來越多地采用涂層硬質合金，涂層材料及涂層技術的迅猛發展，為數控刀具的性能提高提供了良好的條件。除此以外，數控刀具中，亦有采用CBN 、金屬復合陶瓷等特硬材料的。

項目九 夾具及附件

數控機床依靠機床精度和數控加工程序準確控制刀具的正確位置和保證工件的位置精度，使用夾具時勿需考慮常規夾具上的導向和對刀功能，只需具備定位和夾緊兩種功能就能滿足要求。通常，選用通用夾具，在一次安裝中完成工件盡可能多表面的加工；當工件品種和結構變化較大時，可選用組合夾具；當工件形狀復雜，不易安裝且批量較大時，可考慮設計專用夾具。

作為一種可重復使用的夾具系統，組合夾具尤其是孔系組合夾具已在數控機床上逐步獲得推廣應用，如圖 2-21 所示為在臥式加工中心上加工閥體零件的孔系組合夾具。

數控機床上常用的夾具及附件有：機用虎鉗、平口虎鉗、液壓虎鉗、卡盤、對刀儀等，其具體使用方法參見各常用數控機床操作項目。