本項目主要對數(shù)控機床的主要部件及其功用加以闡述，使學習者對數(shù)控機床作進一步了解，為下一步熟悉各種數(shù)控機床并具備操作技能打好機床結(jié)構(gòu)方面的基礎。
項目一 數(shù)控機床坐標系
一、數(shù)控機床坐標系的作用
數(shù)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(chǎn)生數(shù)據(jù)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(guān)系，獲得所需的相關(guān)數(shù)據(jù)。
二、數(shù)控機床坐標系確定依據(jù)
數(shù)控機床坐標系的確定依據(jù)為國際上統(tǒng)一的ISO841標準。
三、數(shù)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(nèi)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(zhuǎn)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(shù)控機床坐標系坐標原點
數(shù)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(diào)試時就已經(jīng)確定下來了，是數(shù)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(shù)控系統(tǒng)
一、數(shù)控系統(tǒng)的組成與作用
1、數(shù)控系統(tǒng)的組成
計算機數(shù)控系統(tǒng)（簡稱 CNC 系統(tǒng)）由程序、輸入輸出設備、CNC 裝置、可編程控制器（ PLC ）、主軸驅(qū)動裝置和進給驅(qū)動裝置等組成，如圖 2-14 為 CNC 系統(tǒng)組成框圖。
2、數(shù)控系統(tǒng)的作用
數(shù)控系統(tǒng)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(shù)字化，同時進行相應的運算、處理，然后發(fā)出控制命令，使刀具實現(xiàn)相對運動，完成零件加工過程。
二、數(shù)控系統(tǒng)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(zhí)行首先要輸入CNC中，經(jīng)過譯碼、數(shù)據(jù)處理、插補、位置控制，由伺服系統(tǒng)執(zhí)行CNC輸出的指令以驅(qū)動機床完成加工。
CNC系統(tǒng)的主要工作包括以下內(nèi)容 ：
1、輸入
零件程序及控制參數(shù)、補償量等數(shù)據(jù)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(wǎng)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(zhuǎn)換等工作。
2、譯碼
不論系統(tǒng)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(guī)則解釋成計算機能夠識別的數(shù)據(jù)形式，并以一定的數(shù)據(jù)格式存放在指定的內(nèi)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(fā)現(xiàn)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(zhuǎn)換成刀具中心軌跡。目前在比較好的CNC裝置中，刀具補償?shù)墓ぜ€包括程序段之間的自動轉(zhuǎn)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(jù)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(shù)據(jù)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(nèi)，根據(jù)指令進給速度計算出一個微小的直線數(shù)據(jù)段。通常，經(jīng)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(shù)據(jù)點密化”工作。
6、位置控制
位置控制處在伺服回路的位置環(huán)上， 這部分工作可以由軟件實現(xiàn)， 也可以由硬件完成。它的主要任務是在每個采樣周期內(nèi)，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(diào)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(guān)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(shù)顯示、刀具位置顯示、機床狀態(tài)顯示、報警顯示等。有些CNC裝置中還有刀具加工軌跡的靜態(tài)和動態(tài)圖形顯示。
9、診斷
對系統(tǒng)中出現(xiàn)的不正常情況進行檢查、定位，包括聯(lián)機診斷和脫機診斷。
三、數(shù)控系統(tǒng)要求、類型及性能評價指標
1、對數(shù)控系統(tǒng)的要求
（ 1 ）高效 要求數(shù)控系統(tǒng)有較高的工作速度，能迅速進行復雜信息、數(shù)據(jù)的處理與計算，以適應數(shù)控加工高效要求。
（ 2 ）穩(wěn)定性 數(shù)控系統(tǒng)應有穩(wěn)定的工作過程，使數(shù)據(jù)處理、運算正確無誤，從而保證數(shù)控加工正常而高精度。
（ 3 ）可靠性 數(shù)控系統(tǒng)的工作應有高的可靠性，使其長時期連續(xù)工作而不出現(xiàn)故障。
（ 4 ）開放性 數(shù)控系統(tǒng)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(fā)與升級能方便地實現(xiàn)。
2、數(shù)控系統(tǒng)類型
數(shù)控系統(tǒng)從其發(fā)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(shù)控系統(tǒng)，即NC系統(tǒng)；
以小型計算機、微處理器、工控PC機為特征的軟件數(shù)控系統(tǒng)，即CNC系統(tǒng)，現(xiàn)今使用的均為CNC系統(tǒng)。
3、數(shù)控系統(tǒng)性能評價指標
數(shù)控系統(tǒng)的性能評價指標是指數(shù)控系統(tǒng)的主要參數(shù)、功能指標及關(guān)鍵部件的功能水平等方面，可參見表 2-2 。
四、常見數(shù)控系統(tǒng)
數(shù)控機床配置的數(shù)控系統(tǒng)不同，其功能和性能也有很大差異。就目前應用來看，F(xiàn)ANUC(日本)、SIEMENS(德國)、FAGOR(西班牙)、HEIDENHAIN(德國)、MITSUBISHI(日本)等公司的數(shù)控系統(tǒng)及相關(guān)產(chǎn)品 ， 在數(shù)控機床行業(yè)占據(jù)主導地位；我國數(shù)控產(chǎn)品以華中數(shù)控、航天數(shù)控為代表，也已將高性能數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化。
項目三 數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)
一、主傳動系統(tǒng)作用
數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)的作用就是產(chǎn)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(tǒng)的基本要求
1、有較寬的調(diào)速范圍
可增加數(shù)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(tài)。
2、有足夠的功率和扭矩
使數(shù)控加工方便實現(xiàn)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(shù)控加工高精度。
4、噪聲低，運動平穩(wěn)
使數(shù)控機床工作環(huán)境良好、宜人。
三、主傳動系統(tǒng)的變速方式
1、采用變速齒輪傳動
如圖 2 - 16 所示， 采用少數(shù)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(xiàn)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(jié)構(gòu)簡單，主軸部件剛性好；傳動效率高、平穩(wěn)、噪聲??；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(qū)動
亦稱一體化主軸、電主軸，由主軸電機直接驅(qū)動，電機、主軸合二為一，主軸為電機的轉(zhuǎn)子， 如圖 2 - 18 所示 。該方式處理好散熱、潤滑非常關(guān)鍵，一般應用于高速機床。
四、主軸部件
1、軸承
數(shù)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(xiàn)；而切屑清除則是通過設于主軸孔內(nèi)的壓縮空氣噴嘴來實現(xiàn)，其孔眼分布及其角度是影響清除效果的關(guān)鍵。
4、潤滑與冷卻
低速時，采用油脂、油液循環(huán)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(fā)熱，有效控制熱源為主。
項目四 數(shù)控機床的進給傳動系統(tǒng)
一、進給傳動系統(tǒng)作用
數(shù)控機床的進給傳動系統(tǒng)負責接受數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的脈沖指令，并經(jīng)放大和轉(zhuǎn)換后驅(qū)動機床運動執(zhí)行件實現(xiàn)預期的運動。
二、對進給傳動系統(tǒng)的要求
為保證數(shù)控機床高的加工精度，要求其進給傳動系統(tǒng)有高的傳動精度、高的靈敏度（響應速度快）、工作穩(wěn)定、有高的構(gòu)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(tǒng)種類
1、步進伺服電機伺服進給系統(tǒng)
一般用于經(jīng)濟型數(shù)控機床。
2、直流伺服電機伺服進給系統(tǒng)
功率穩(wěn)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(shù)控機床。
3、交流伺服電機伺服進給系統(tǒng)
應用極為普遍，主要用于中高檔數(shù)控機床。
4、直線電機伺服進給系統(tǒng)
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(tǒng)傳動部件
1、滾珠絲杠螺母副
數(shù)控加工時，需將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變成直線運動，故采用絲杠螺母傳動機構(gòu)。數(shù)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?yōu)闈L動摩擦，滿足進給系統(tǒng)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(shù)控機床的直線進給。
2、回轉(zhuǎn)工作臺
為 了擴大數(shù)控機床的工藝范圍，數(shù)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(shù)控機床的圓周進給運動一般由回轉(zhuǎn)工作臺來實現(xiàn)，對于加工中 心，回轉(zhuǎn)工作臺已成為一個不可缺少的部件。
數(shù)控機床中常用的回轉(zhuǎn)工作臺有分度工作臺和數(shù)控回轉(zhuǎn)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(xiàn)圓周進給，它是按照數(shù)控系統(tǒng)的指令，在需要分度時將工作臺連同工件回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)規(guī)定的角度 ( 如 90、 60 和 45 度 等 ) 。
（ 2 ） 數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺
數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺外觀上與分度工作臺相似，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功用大不相同。 數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的主要作用是根據(jù)數(shù)控裝置發(fā)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(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，是機床基本結(jié)構(gòu)的要素之一，它在很大程度上決定數(shù)控機床的剛度、精度與精度保持性。目前，數(shù)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(jié)構(gòu)簡單、制造方便、剛度好、抗振性高等優(yōu)點, 在數(shù)控機床上應用廣泛，目前多數(shù)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(wěn)、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(shù)小，且動、靜摩擦系數(shù)相差很小，因而運動均勻，尤其是在低速移動時，不易出現(xiàn)爬行現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(shù)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(zhuǎn)換成數(shù)字信號送回計算機與脈沖指令信號進行比較，以控制驅(qū)動元件正確運轉(zhuǎn)。檢測裝置的精度直接影響數(shù)控機床的定位精度和加工精度 。
二、對檢測裝置的要求
數(shù)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(zhuǎn)角度。
間接測量是指以旋轉(zhuǎn)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(tǒng)所發(fā)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(fā)電機）。
數(shù)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(shù)控機床節(jié)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(shù)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(wěn)定可靠。
三、換刀形式
1、回轉(zhuǎn)刀架換刀
其結(jié)構(gòu)類似普通車床上回轉(zhuǎn)刀架，根據(jù)加工對象不同可設計成四方或六角形式，由數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令進行回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)至加工位置，接通主運動，帶動刀具旋轉(zhuǎn)。該方式的優(yōu)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(diào)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(xiàn)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(jié)構(gòu)對數(shù)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(shù)量，一般根據(jù)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(jié)構(gòu)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(huán)行排列，空間利用率低，容量不大但結(jié)構(gòu)簡單。
鏈式刀庫 結(jié)構(gòu)緊湊，容量大，鏈環(huán)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(jié)構(gòu)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(tǒng)。
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(diào)刀。工件變更時，需重調(diào)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(shù)控機床床身
一、數(shù)控機床床身作用
數(shù)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(shù)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(diào)整。
三、數(shù)控機床床身類型
大部分機床采用鑄鐵床身，生產(chǎn)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(tǒng)
一、刀具系統(tǒng)作用
數(shù)控刀具系統(tǒng)在數(shù)控加工中具有極其重要的意義，正確選擇和使用與數(shù)控機床相匹配的刀具系統(tǒng)是充分發(fā)揮機床的功能和優(yōu)勢、保證加工精度以及控制加工成本的關(guān)鍵。
二、刀具系統(tǒng)內(nèi)容
刀具系統(tǒng)非常龐大，包含內(nèi)容極多：刀具種類、規(guī)格、結(jié)構(gòu)、材料、參數(shù)、標準等。 不同的刀具類型和刀柄的結(jié)合構(gòu)成一個品種規(guī)格齊全的刀具系統(tǒng)，供用戶選擇和組合使用， 所具備的刀具系統(tǒng)必須與所使用的機床相適應。
三、刀具結(jié)構(gòu)與刀具材料
與普通刀具相類似，數(shù)控刀具亦有整體、機夾式之分，為充分發(fā)揮刀具的切削能力，優(yōu)化其結(jié)構(gòu)，數(shù)控刀具更多采用機械夾固可轉(zhuǎn)位刀具式。與普通刀具不同，數(shù)控刀具在結(jié)構(gòu)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(shù)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(shù)控加工刀具以硬質(zhì)合金為主，一般采用 YT 類硬質(zhì)合金加工鋼料，YG 類硬質(zhì)合金加工鑄鐵。為不斷提高刀具切削性能，數(shù)控刀具中，越來越多地采用涂層硬質(zhì)合金，涂層材料及涂層技術(shù)的迅猛發(fā)展，為數(shù)控刀具的性能提高提供了良好的條件。除此以外，數(shù)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(shù)控機床依靠機床精度和數(shù)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(guī)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(jié)構(gòu)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(tǒng)，組合夾具尤其是孔系組合夾具已在數(shù)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(shù)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(shù)控機床操作項目。
