第1章　数控机床概述

1.1 数控机床及其发展

1.1.1 数控机床的定义

数字控制（Numerical Control）简称数控（NC），是一种借助数字、字符或其他符号对某一工作过程（如加工、测量、装配等）进行可编程控制的自动化方法。

数控技术（Numerical Control Technology）是指用数字量及字符发出指令并实现自动控制的技术，它已经成为制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础技术。

数控系统（Numerical Control System）是指采用数字控制技术的控制系统。

计算机数控系统（Computer Numerical Control）是以计算机为核心的数控系统。

数控机床（Numerical Control Machine Tools）是指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。国际信息处理联盟（IFIP）第五技术委员会对数控机床定义如下：数控机床是一个装有程序控制系统的机床，该系统能够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。定义中所说的程序控制系统即数控系统。

1.1.2 数控机床的发展

（1）数控系统的发展

① 开放式数控系统逐步得到发展和应用。

② 小型化以满足机电一体化的要求。

③ 改善人机接口，方便用户使用。

④ 提高数控系统产品的成套性。

⑤ 研究开发智能型数控系统。

（2）制造材料的发展

为使机床轻量化，常使用各种复合材料，如轻合金、陶瓷和碳素纤维等。目前用聚合物混凝土制造的基础件性能优异，其密度大、刚性好、内应力小、热稳定性好、耐腐蚀、制造周期短，特别是其阻尼系数大，抗振、减振性能特别好。

聚合物混凝土的配方很多，大多申请了专利，通常是将花岗岩和其他矿物质粉碎成细小的颗粒，以环氧树脂为黏结剂，以一定比例充分混合后浇注到模具中，借助振动排除气泡，固化约12h后出模。其制造过程符合低碳要求，报废后可回收再利用。图1-1（a）所示为用聚合物混凝土制造的机床底座，图1-1（b）所示为在铸铁中填充混凝土或聚合物混凝土，都能提高振动阻尼性能，其减振性能是铸铁件的8~10倍。

（3）结构的发展

① 新结构。

a.箱中箱结构。为了提高刚度和减轻重量，采用框架式箱形结构，将一个框架式箱形移动部件嵌入另一个框架箱中，如图1-2所示。

b.台上台结构。如立式加工中心，为了扩充其工艺功能，常使用双重回转工作台，即在一个回转工作台上加装另一个（或多个）回转工作台，如图1-3所示。

c.主轴摆头。卧式加工中心中，为了扩充其工艺功能，常使用双重主轴摆头，如图1-4（主轴及其回转均为零链传动）所示，两个回转轴为C和B。

d.重心驱动。对于龙门式机床，横梁和龙门架用两根滚珠丝杠驱动，形成虚拟重心驱动。如图1-5所示，Z₁和Z₂形成横梁的垂直运动重心驱动，X₁和X₂形成龙门架的重心驱动。近年来，由于机床追求高速、高精，重心驱动为中小型机床采用。

加工中心主轴滑板和下边的工作台由单轴偏置驱动改为双轴重心驱动，消除了启动和定位时由单轴偏置驱动产生的振动，因而提高了精度。

e.螺母旋转的滚珠丝杠副。重型机床的工作台行程通常有几米到十几米，过去使用齿轮齿条传动。为消除间隙使用双齿轮驱动，但这种驱动结构复杂，且高精度齿条制造困难。目前使用大直径（直径已达200~250mm），长度通过接长可达20m的滚珠丝杠副，通过丝杠固定、螺母旋转来实现工作台的移动，如图1-6所示。

f.八角形滑枕。如图1-7所示，八角形滑枕形成双V字形导向面，导向性能好，各向热变形均等，刚性好。

② 新结构的应用。

a.并联数控机床。基于并联机械手发展起来的并联机床，因仍使用直角坐标系进行加工编程，故称虚拟坐标轴机床。并联机床发展很快，有六杆机床与三杆机床，一种六杆加工中心的结构如图1-8所示。图1-9是其加工示意图，图1-10是另一种六杆数控机床的示意图，图1-11是这种六杆数控机床的加工图。六杆数控机床既有采用滚珠丝杠驱动又有采用滚珠螺母驱动。三杆机床传动副如图1-12所示。在三杆机床上加装了一副平行运动机构，主轴可水平布置，总体结构如图1-13所示。

b.倒置式机床。1993年德国EMAG公司发明了倒置立式车床，特别适宜对轻型回转体零件的大批量加工，随后倒立加工中心、倒立复合加工及倒立焊接加工等新颖机床应运而生。图1-14所示是倒置式立式加工中心示意图，图1-15所示是其各坐标轴分布情况，倒置式立式加工中心发展很快，倒置的主轴在XYZ坐标系中运动，完成工件的加工。这种机床便于排屑，还可以用主轴取放工件，即自动装卸工件。

c.没有X轴的加工中心。通过极坐标和笛卡儿坐标的转换来实现X轴运动。主轴箱是由大功率转矩电机驱动，绕Z轴作C轴回转，同时又迅速作Y轴上下升降，这两种运动方式的合成就完成了X轴方向的运动，如图1-16所示。由于是两种运动方式的叠加，故机床的快进速度达到120m/min，加速度为2g。

d.立柱倾斜或主轴倾斜。机床结构设计成立柱倾斜（图1-17）或主轴倾斜（图1-18），其目的是提高切削速度，因为在加工叶片、叶轮时，X轴行程不会很长，但Z和Y轴运动频繁，立柱倾斜能使铣刀更快切至叶根深处，同时也为了让切削液更好地冲走切屑并避免与夹具碰撞。

e.四立柱龙门加工中心。图1-19为日本新日本工机开发的类似模架状的四立柱龙门加工中心，将铣头置于中央位置。机床在切削过程中，受力分布始终在框架范围之中，这就克服了龙门加工中心铣削中，主轴因受切削力而前倾的弊端，从而增强刚性并提高加工精度。

f.特殊机床。特殊数控机床是为特殊加工而设计的数控机床，图1-20为轨道铣磨机床（车辆）。

g.未来机床。未来机床应该是SPACE CENTER，也就是具有高速（Speed）、高效（Power）、高精度（Accuracy）、通信（Communication）、环保（Ecology）功能。MAZAK建立的未来机床模型是主轴转速100000r/min，加速度8g，切削速度2马赫，同步换刀，干切削，集车、铣、激光加工、磨、测量于一体，如图1-21所示。

（4）加工方式的发展

① 激光加工。激光加工的主要方式分为去除加工、改性加工和连接加工。去除加工主要包括激光切割、打孔等，改性加工主要包括激光表面热处理等，连接加工主要包括激光焊接等，如图1-22所示。

② 超声波振动加工。超声加工是功率超声应用的一个重要方面。早期的超声加工也叫传统超声加工。它依靠工具作超声频（16~25kHz）、小振幅（10~40μm）振动，通过分散的磨料来破除材料，不受材料是否导电的限制。研究表明：超声加工的效果取决于材料的脆度和硬度。材料的脆度越大，越容易加工；而材料越硬，加工速度越低。因此，常采用适当方法改变材料特性，如用阳极溶解法使硬质合金的黏结剂——钴先行析出，使硬质合金表面变为脆性的碳化钨（WC）骨架，易被去除，以适应超声加工的特点。

随着各种脆性材料（如玻璃、陶瓷、半导体、铁氧体等）和难加工材料（耐热合金和难熔合金、硬质合金、各种人造宝石、聚晶金刚石以及天然金刚石等）的日益广泛应用，各种超声加工技术均取得了长足的进步。

图1-23是由工业金刚石颗粒制成的铣刀、钻头或砂轮，通过20000次/s的超声波振动高频敲击，对超硬材料进行精密加工。

③ 水射流切割。水射流切割（Water Jet Cutting，WJC）又称液体喷射加工（Liguid Jet Machining，LJM），是利用高压高速液流对工件的冲击作用来去除材料的，如图1-24所示。水刀就是将普通水经过一个超高压加压器，加压至380MPa（55000psi）甚至更高压力，然后通过一个细小的喷嘴（其直径为0.010~0.040mm），可产生一道速度为915m/s（约声速的三倍）的水箭，来进行切割。图1-25所示水刀分为两种类型：纯水水刀及加砂水刀。

切割精度主要受喷嘴轨迹精度的影响，切缝大约比所采用的喷嘴孔径大0.025mm，加工复合材料时，采用的射流速度要高，喷嘴直径要小，并具有小的前角，喷嘴紧靠工件，喷射距离要小。喷嘴愈小，加工精度愈高，但材料去除速度降低。

切边质量受材料性质的影响很大，软材料可以获得光滑表面，塑性好的材料可以切割出高质量的切边。液压过低会降低切边质量，尤其对复合材料，容易引起材料离层或起鳞。采用正前角（如图1-26所示）将改善切割质量。进给速度低可以改善切割质量，因此，加工复合材料时应采用较低的切割速度，以避免在切割过程中出现材料的分层现象。

切割过程中，“切屑”混入液体中，故不存在灰尘，不会有爆炸或火灾的危险。对某些材料，射流束中夹杂有空气将增加噪声，噪声随喷射距离的增加而增加。在液体中加入添加剂或调整到合适的前角，可以降低噪声。

水射流切割可以加工很薄、很软的金属和非金属材料，例如铜、铝、铅、塑料、木材、橡胶、纸等七八十种材料和制品。水射流切割可以代替硬质合金切槽刀具，而且切边的质量很好。所加工的材料厚度少则几毫米，多则几百毫米，例如切割19mm厚的吸音天花板，采用的水压为310MPa，切割速度为76m/min。玻璃绝缘材料可加工到125mm厚。由于加工的切缝较窄，可节约材料和降低加工成本。

④ 微纳制造。微纳制造主要应用于超硬脆性、超硬合金、模具钢、无电解镀层镍等材料的微小机电光学零部件的纳米级精度磨削加工。图1-27为纳米磨床。

⑤ 智能制造。智能化制造是先进制造业的重要组成部分，它集信息技术、光电技术、通信技术、传感技术等为一体，推动着机床制造的不断进步。智能制造一般具有如下特点。 图1-28为智能加工中心。

a.集成的自适应进给控制功能：数控系统可按照主轴功率负载大小，自动调节进给速率。

b.自动校准和优化机床精度功能：该功能是自动校准多轴机床精度的有效工具。

c.智能颤纹控制功能：在数控加工过程中，由于主轴或切削力的变化，工件上会产生颤纹，海德汉数控系统的颤纹控制功能可以大幅降低工件表面的颤纹，并且能提高切削率25%以上，以降低机床载荷，并提高刀具使用寿命。

⑥ 液氮冷冻加工。切削加工中的切削热导致刀具加工超硬材料时磨损快，刀具消耗量大，刀具消耗成本甚至超过机床的成本。如图1-29所示，超低温液氮冷却切削技术的推出，可以实现通过主轴中心和刀柄中心在刀片切削刃部的微孔中打出液氮，刀具切削产生的热量被液氮气化（液氮的沸点为-195.8℃）的瞬间带走，尤其是在超硬材料加工和复合材料加工上会有更好的效果，切削速度可以大大提高，刀具寿命也可以大大延长。