（OA自动化）第章设
备自动化技术
第 4 章设备自动化技术
数控技术及数控机床
概述
世界机床技术的发展分三大阶段：（1）1769~1930年的小量零星生产
用普通机床；（2）1930~1952年大量大批生产用高效自动化机床、自动线；
（3）1952~迄今多品种、中小批量、柔性生产用数控机床。作为人类发展工
业必不可少的复杂生产工具，机床技术的发展是人类知识、经验和科技成果
的结晶。
数控机床和数控技术是微电子技术与传统机械技术相结合的产物。它根
据机械加工的工艺要求，使用计算机技术对整个加工过程进行信息处理与控
制，实现生产过程的自动化、柔性化。较好地解决了复杂、精密、多品种、
小批量机械零件加工问题，为典型多品种、单件小批量生产零件的精密加工
提供了优良的技术条件，是一种灵活、通用、高效的自动化机床。从第一台
数控机床的诞生，数控技术便在工业界引发了一场不小的革命。近年来，数
控机床更是日趋完善，具体有以下特点：
（1）不断改善和扩展以高精、高速、高效为代表的功能通过采用 64
位 RISC控制功能和交流伺服系统、提高元件的分辩率、主轴速度和进给速
度、改善插补功能达到此目标。
（2）开放结构系统的发展所谓开放是指系统内部数据可与外部的控制
设备互相控制。
（3）采用新元件、新工艺如新的集成半导体电路、超薄型液晶显示器、
光纤等。
（4）改善和发展伺服技术在完善交流伺服主轴电机的同时，主要发展
高速主轴电机、直线进给电机。
（5）采用通讯技术 CNC技术使 FMS、CIMS成为可能，FMS、CIMS的发
展反过来要求 CNC系统应具有通讯、连网功能，以便实现 CIMS环境下的信
息集成和系统管理，现代 CNC系统一般都具有通讯的串行口和 DNC接口
与 CNC的定义
数字控制（NumericalControl）：用数字化信号对机床的运动及其加工
过程进行控制的一种方法，简称为数控（NC）。
数控机床（NCMachine）：采用了数控技术的机床，或者是装备了数控
系 统 的 机 床 。 国 际 信 息 处 理 联 盟
（InternationalFederationofInformationProcessing，简称 IFIP）第五
技术委员会对数控机床作了如下定义：数控机床是一种装有程序控制系统的
机床，该系统能逻辑地处理具有特定代码或其他符号编码指令规定的程序。
数控系统（NCSystem）：就是上述定义中所指的程序控制系统，能自动
阅读输入载体上事先给定的程序，并将其译码，从而控制机床运动和加工零
件过程。
计算机数控系统（ComputerizedNumericalControlSystem）是一种数控
系统，由装有数控系统程序的专用计算机、输入输出设备、可编程序控制器
（PLC）、存储器、主轴驱动及进给驱动装置等部分组成。习惯上称为 CNC系
统。
数控机床系统基本构成
数控机床基本结构如图 4-1所示，包括加工程序、输入装置、数控系统、
伺服系统、辅助控制装置、检测装置及机床本体等几部分。
数控机床完成的基本动作主要有：
（1）主轴运动：和普通机床一样，主运动主要完成切削任务，其动力
约占整个机床动力的 70%-80%。基本控制是主轴的正、反转和停止，可自动
换挡及无级调速。对加工中心和有些数控车床还必须具有定向控制和 C轴控
制。
（2）进给运动：数控机床区别与普通机床最根本的地方，即用电气驱
动替代了机械驱动，数控机床的进给运动是有进给伺服系统完成。伺服系统
包括伺服驱动装置、伺服电动机、进给传动练及位置检测装置。
（3）输入/输出（I/O）数控系统对加工程序处理后输出的控制信号除
了对进给运动轨迹进行连续控制外，还要对机床的各种状态进行控制。这些
状态控制包括主轴的变速控制，主轴的正、反转及停止，冷却和润滑装置的
起动和停止，刀具自动交换，工件夹紧和放松及分度工作台转位等。
国际标准《ISO4336-1981(E)机床数字控制-数控装置和数控机床电气
设备之间的接口规范》规定，将数控接口分为下列四类：
I类：与驱动命令有关的连接电路，主要指与坐标轴进给驱动和主轴驱
动的连接电路。
II类：数控装置与测量系统和测量传感器之间的连接电路。
III类：电源及保护电路。
IV类：开/关信号和代码信号连接电路。
数控机床的分类
数控机床的种类很多，按不同的分类方法可以分成不同类别，归纳起来
主要有以下几种分类方式。
（1）运动轨迹分类。可分为点位控制系统、直线控制系统、轮廓控制
系统。点位控制系统控制刀具相对于工件定位点的坐标位置，对定位移动的
轨迹无要求，在定位移动过程中不进行切削加工，如数控钻床、数控坐标镗
床等。直线控制系统是指能控制刀具或工作台以给定的速度，沿平行于某一
坐标轴方向进行直线切削加工的控制系统，如数控车床、数控镗铣床和加工
中心等。轮廓控制系统也称为连续控制系统，它能对两个或两个以上的坐标
轴同时进行连续控制，在加工过程中，需要不断进行插补运算，然后进行相
应的速度和位移控制。这类数控机床的功能比较完善。
（2）按用途分类。可分为金属切削类、金属成型类数控机床和数控特
种加工机床。金属切削类主要有数控车、铣、钻、镗、磨等机床。金属成型
类主要有数控折弯机、弯管机和压力机等。特种加工数控主要有数控线切割
机床、电火花加工机床和激光加工机床等。
（3）按进给伺服控制系统分类。它可以分为开环伺服系统、闭环伺服
系统和半闭环伺服系统。开环伺服系统对执行机构不进行位置检测，多采用
步进电机或电液脉冲马达作为伺服驱动元件，其控制精度较低。闭环伺服系
统通过检测工作台的实际移动位移，并将其反馈回伺服控制系统，控制系统
通过与理想值相比较，从而调整工作台的位移偏差。这种方式控制精度高、
速度快，但系统复杂、成本高。半闭环伺服系统与闭环伺服系统的区别在于
检测装置是检测伺服电机的转角而不是工作台的实际位置。它的构造成本比
闭环伺服系统要低、调试容易些，精度比开环伺服系统高。
（4）按数控装置分类。分为硬线数控系统和软线数控系统。硬线数控
系统由专用的固定组合逻辑电路实现，其灵活性差、制造成本高，现在基本
不采用。软线数控使用小型或微型计算机和一些通用或专用的集成电路构成，
其主要功能由软件实现，系统的适应性强、利用率高、构造成本相对较低。
数控机床的基本技术
1.数控编程技术
1）数控编程概念
数控编程是指从确定零件加工工艺路线到制成控制介质的整个过程，而
生成一定格式的加工程序单。数控程序作为数控机床加工零件的指令集，起
直接影响零件加工的质量、生产效率和生产成本。
数控编程过程中首先需考虑的问题是要满足零件加工的要求，能加工出
符合图样的合格零件，同时也应该考虑生产效率和制造成本尽量的优化，充
分发挥数控机床的功能。一般来说，数控编程过程主要包括：零件图样分析、
工艺处理、数学处理、程序编制、控制介质制作和程序校核试切等过程，如
图 4-2所示。
工艺处理
数学处理
图样分析
编写程序
程序校
核试切
零件
图纸
不合格
合格
数控系统
图 4-2 数控编程过程
·
其具体步骤如下：
（1）分析零件图样。分析零件的材料、形状、尺寸、精度、批量要求
以及毛坯形状和热处理要求等，在此基础上明确加工内容要求，确定加工方
案。
（2）工艺处理。主要包括选择合适的数控机床、设计夹具、选择刀具、
确定合理的走刀路线及选择合理的切削用量等。工艺处理实际上设计的问题
很多，例如夹具要尽量安装使用方便，装夹的次数尽可能少；编程原点和坐
标系的选择应使编程简化，引起的加工误差小；选择合理的走刀路线和切削
量，尽量减少空切，保证加工过程的安全等等。
（3）数学处理。根据零件图纸和确定的加工路线，计算出数控机床所
需要的输入数据，数学处理的复杂程度取决于零件的复杂程度和数控装置的
选择。当零件形状比较复杂，数控装置的插补功能不强时，可借助计算机完
成相应的任务。
（4）程序编制和输入介质准备。根据数学处理计算出数据和确定的加
工用量，编制相应的数控代码，并根据数控装置对输入信息的要求，制作相
应的输入介质。穿孔纸带是过去常用的输入介质，但随着计算机技术在数控
系统中普遍使用，数控代码可以直接存放在计算机的储存设备上，大大方便
了程序编制和修改。
（5）程序校核试切。生成的数控代码进行试切验证，如果加工的零件
合格，则可以进行数控加工，如果试加工的零件达不到图纸规定的要求，应
该分析原因，返回前面适当的步骤进行修改，直到满足要求为止。
2）编程方法
数控编程方法主要有手工编程、自动编程、面向车间的编程
（WorkshopOrientedProgramming,WOP）和 CAD/CAM集成系统的数控编程。
（1）手工编程。是指编制零件数控加工程序的各个步骤，即零件图样
分析、工艺处理、数学处理、程序编制和输入介质准备直至程序的检验等过
程，均有由人工完成的。对于几何形状不太复杂的零件，计算比较简单，程
序段不多，采用手工编程容易实现。但对于具有复杂空间曲面轮廓的零件，
计算繁琐、程序量大、难校对，甚至无法手工编制出控制程序。
（2）自动编程。使用计算机编制数控加工程序，自动地输出零件加工
程序及自动制作控制介质过程称自动编程。在国外，自动编程语言最先由美
国麻省理工学院在1995年研制成功的APT（AutomaticallyProgrammedTool，
APT）系统，APT语言是对工件、刀具的几何形状以及刀具相对于工件的运
动等进行定义时所用的符号语言。使用 APT语言书写零件加工程序，经过 APT
语言编译系统编译可生成刀位文件，进行数控后置处理，能自动产生数控系
统能接受的零件加工程序。在此基础上发展起来还有日本的 FAPT、德国的
EXAPT等。国内开发的自动编程工具主要有 SKC-1，ZCX-1等。
（3）面向车间的数控编程（WOP）。它介于手工编程和自动编程之间的
一种编程方法。它可借助计算机完成一些复杂的数学处理工作，并提供人机
交互界面，让编程人员可以方便的融入自己实际的加工经验。它在很大程度
上减轻了编程人员的强度，提供了编程效率。
（4）CAD/CAM集成系统数控编程。它以待加工零件的 CAD模型为基础
的一种集加工工艺规划及数控编程为一体的自动编程方法。而适用于数控编
程的 CAD模型主要有表面模型（SurfaceModel）和实体模型（SolidModel），
其中表面模型应用得最为广泛。其编程的过程一般包括刀具定义和选择、刀
具相对于零件表面运动方式的定义、切削参数的选择、走刀轨迹的生成、加
工过程动态仿真、程序效验和后置处理等。目前流行的 CAD软件，如
Solidwork、UGII、Pre/E、I-deas等，都具有的数控编程模块，而更专业
的数控编程 CAD软件有 MasterCAM、SurfCAM等，它们的设计绘图功能相对
来说要弱一些，而更侧重于数控编程。
2.数控机床插补原理
在数控加工过程中，加工对象的轮廓种类很多。对于一些复杂的高次空
间轮廓曲面，其刀具轨迹的计算非常复杂，计算量很大，难以满足数控加工
的适时性要求。因此在实际应用中，采用小段直线或圆弧（有些场合，使用
抛物线、螺旋线甚至三次样条等高次曲线）对加工对象的轮廓曲面进行插补
（也可理解为曲面拟合）。一般来说，对两坐标联动，有直线、圆弧和抛物
线插补；对三坐标联动，有空间直线插补，空间直线、圆弧与抛物线之间的
两两组合的综合插补；对四坐标联动，有圆弧、抛物线与双直线（或单直线）
综合的五维（或四维）的插补。
插补的任务就是根据进给速度的要求，完成这些拟合曲线起点和终点之
间的中间点的坐标值计算。目前普遍应用的插补算法主要分为两大类：
（1）脉冲增量插补。脉冲增量插补法适用于以步进电动机为驱动装置
的开环数控系统，这类插补算法的特点是每次插补的结果仅产生一个行程增
量，以一个个脉冲的方式输出给步进电动机。脉冲增量插补的实现方法较简
单，通常仅用加法和移位就可完成插补，容易用硬件来实现，而且，用硬件
实现这类运算的速度很快。但是，CNC系统一般均用软件来完成这类算法。
用软件实现的脉冲增量插补算法一般要执行 20多条指令，如果 CPU的时钟
为 5MHz，那么计算一个脉冲当量所需的时间大约为 40μs。当脉冲当量为
时，可以达到的坐标轴极限速度为
个以上坐标，且承担其他必要的数控功能时，所能形成的轮廓插补进给速度
将进一步降低。如果要求保证一定的进给速度，只好增大脉冲当量，使精度
降低。例如脉冲当量为 时，单坐标控制速度为 15m/min。因此脉冲
增量插补输出的速率主要受插补程序所用时间的限制，它仅仅适用于中等精
度和中等速度、以步进电动机为执行机构的机床系统。随着计算机技术的发
展，目前的肘钟频率可达到 1以上，这方面的问题可以得到很大的改善。
（2）数据采样插补。适用于闭环和半闭环以直流或交流伺服电动机为
执行机构的 CNC系统。这种方法是将加工一段直线或圆弧的时间划分为若干
相等的插补周期，每经过一个插补周期就进行一次插补计算，算出在该插补
周期内个坐标轴的进给量，边计算，边加工，若干次插补周期后完成一个曲
线段的加工，即从曲线段的起点走到终点。
3.数控机床的刀具补偿
为了简化数控编程，使数控程序尽量与刀具的尺寸和安装位置无关，数控系
统一般都提供刀具补偿功能，主要是刀具长度补偿和刀具半径补偿。
（1）刀具长度补偿。
由于夹具高度、刀具长度、加工深度等变化需要对切削深度进行刀具长
度补偿，如图 4-3所示，一般是使刀具垂直于走刀面偏移一个刀具长度修正
值。刀具长度补偿主要针对二坐标或三坐标联动数控机床的，对三坐标以上
联动的数控机床是无效的。刀具长度补偿大多由操作者通过手动数据输入方
式实现，也可通过编程实现。
（2）刀具半径补偿。
在轮廓加工过程中，由于刀具总有一定的半径（如铣刀半径），刀具中
心的运动轨迹与工件轮廓是不一致的，如图 4-4所示。如果不考虑刀具半径，
直接按照工件轮廓编程，则加工出来的零件会比图纸要求的轮廓小一圈或大
一圈，因此实际加工时，应该使刀具偏移一个刀具半径 r，这种偏移称为刀
具半径补偿。由于同一轮廓的零件采用不同尺寸的刀具，或同一尺寸刀具因
重新调整或因磨损引起尺寸变化，所以程序编制时很难考虑刀具的补偿，一
般是由数控装置提供刀补功能进行刀补。
r
零件实
际外轮廓
刀具中
心轨迹
图 4-4 刀具半径补偿
4.数控机床的伺服控制系统
数控伺服是数控系统和机床机械传动部件间的联接环节，是数控机床的
重要组成部分。伺服系统主要包含机械传动、电器驱动、检测、自动控制等
内容，它根据数控系统插补运算生成的位置指令，精确地变换为机床移动部
件的位移，它直接反映机床坐标轴跟踪运动指令和实际定位的性能。
数控伺服通常指进给伺服系统，图 4-5所示是一个典型的闭环进给伺服
系统结构图。对于机床主轴控制一般只需要满足主轴调速及正、反转功能，
对于一些特殊加工，例如螺纹加工等，需要对主轴位置提出相应的控制要求
时，也应该具有伺服驱动功能，此时称主轴伺服系统。数控机床对伺服系统
的一般要求为：
(1)调速范围宽。一般速比应大于 1:10000，低速平稳，高速能满足进
给速度要求。
(2)高精度。控制精度能满足定位精度和加工精度要求，位置伺服系统
的定位精度一般要求能达到 1µm甚至 µm。
(3)快速响应好。一般使电动机转速从零升到加工转速或从加工速度降
至零，要在 以内，甚至少于几十毫秒。
(4)低速大转矩。低速进给驱动要有大的转矩输出，以满足对切削力的
要求。
(5)系统工作可靠性较高，抗干扰能力强，工作稳定。
(6)伺服驱动系统常用的驱动元件有步进电动机、直流伺服电动机和交
流伺服电动机等。伺服驱动系统对驱动元件的要求主要有：调速范围宽、稳
定性好、负载特性硬、反映速度快、能适应频繁起停和换向等。
5.数控系统的位置检测装置
在闭环和半闭环系统中，必须有位置检测装置，它的作用是检测位移并
位置控制器
速度控制单
元及电机
+ -
—
—
位置指令
位移
检测器工作台
图 4-5 闭环进给伺服系统结构图
发出反馈信号，经过模/数转换，返回控制装置，与控制信号相比较以修正
机床的运动偏差。位置检测装置根据安装形式和测量方式可分为下面几种检
测方式。
增量式和绝对式。增量式只检测位移增量，它可以以任何一个对中点作
为测量的起点，其优点是检测装置简单，但一旦发生计数错误，就引起以后
的测量结果全错。绝对式测量的特点是，被测点的任一点的位置都从一个固
定的零点算起，每一被测点都有一个相应的测量值，从而克服了增量式测量
中缺点。
数字式和模拟式。数字式检测是以量化后的数字形式表示测量值，得到
的测量信号是脉冲形式，以计数后得到的脉冲个数表示位移量。数字式测量
的信号抗干扰能力强，便于显示和处理。模拟式检测将被测量用连续的变量
表示，如电压变化、相位变化。模拟测量的信号处理电路较复杂，易受干扰，
其主要用于小量程的高精度测量。
直接测量和间接测量。若位置检测装置检测的对象就是被测对象本身，
即称为直接测量，否则称为间接测量。对于工作台的直线位移，直接检测可
以直观反映其位移量，但检测装置要与行程等长，在大型数控机床上应用有
一定的限制。间接检测通过和工作台运动相关联的回转运动来间接地检测工
作台的直线位移，它使用可靠，无长度限制，但检测信号加入了直线转变为
旋转运动的转动链误差，从而影响检测精度。
数控机床中新技术的应用
1.工业计算机（IPC）在数控机床中的应用
1）IPC的基本结构
工业计算机（也称为工控机）的工作原理与商用计算机基本相同，但其
结构和配件的配置要求与普通的商用计算机有一定的区别。由于对工业环境
的适应性的特殊要求，其稳定性、抗干扰性等方面大大优于普通的商用计算
机，它与普通商用计算机主要区别在于：
（1）箱体。工业计算机的机箱要求防尘、防震、防潮。
（2）供电系统。由于工业计算机不仅要为自身工作供电，而且还要为
许多扩展卡、现场仪器仪表供电。因此其供电系统的功率设计要根据系统的
实际要求确定。在要求连续作业的场合，还必须提供后备电源。
（3）底板。由于工业计算机应用过程中，除了常用计算机显卡、声卡、
网卡、Modem卡等常用扩展卡外，还需要添加 A/D卡、D/A卡、I/O卡等扩
展卡，因此常用计算机主板上的扩展槽不够用，所以一般工业计算机带有一
块底板，其作用就是提供更多的扩展槽，并且通常是采用 ISA总线结构。
（4）主板。工业计算机主板上不带扩展槽，并同其他的扩展板卡一样
插在底板上。有的主板集成有显卡，甚至集成有电子盘接口板。它比常用的
计算机备有更多的串行输入输出口，以满足通讯的需要。
（5）扩展板。除了常用计算机的扩展板卡（如显卡、声卡、Modem卡
等）以外，工业计算机一般还有 I/O板、A/D板、D/A板等扩展卡，以适应
现场信号检测、动作控制的需要，具体配置可根据系统具体要求选用。
目前国内市场上的工控产品主要来自台湾厂家，如研华、研详、康拓、威达
等，国内也有浪潮等厂家开发有一些工控产品。
2）PC-NC的实现途径
IPC-NC的主要实现形式可归纳为三种：IPC内藏型 NC、NC内藏型 IPC、
软件 NC。
IPC内藏型 NC是在 NC内部加装 IPC板，IPC板与 CNC之间通过专用总
线相连接，如图 4-6所示。这一形式主要为一些大型 CNC控制器制造商所采
用，其优点是原型 NC几乎可以不加改动地使用，且数据传送快、系统响应
快。缺点是不能直接使用通用 IPC，开放程度受到限制。
NCPC
图 4-7 NC 内藏型 PC
NC内藏型 PC就是将运动控制板或整个 NC单元插入到 PC的扩展槽中。
PC做非实时处理，实时控制由 CNC单元或运动控制板来承担，如图 4-7所
示。这种类型的优点是能充分保证系统性能，软件的通用性强，而且编程处
理灵活。缺点是很难利用原型 CNC资源，系统可靠性有待进一步提高。
软件 NC是指 NC系统的各项功能，如编译、解释、插补和 PLC等，均由
软件模块来实现，并通过装在 PC扩展槽中的接口卡对伺服驱动进行控制，
如图 4-8所示。这类系统优点是可借助现有的操作系统平台（如 WINDOWS，
LINUX等）和大量应用软件（如 VC，VB等），通过对 NC软件的适当组织、
划分、规范和开发，能方便的实现 NC功能的扩充。缺点是在通用 PC上进行
实时处理较困难，难以利用原型 CNC资源，可靠性也还有待进一步提高。
2.计算机网络技术在数控机床中的应用
(1)计算机网络技术在企业中应用状况
计算机网络是把分布在不同地点具有独立功能的多个计算机通过通信
线路及其设备连接起来，配上相应网络操作系统，按照网络协议互相通信。
其目的是共享各个计算机处理单元的软硬件资源和数据资源。
企业内部网络的应用可以分为两层,如图 4-9所示，即处理企业管理与
决策信息的信息网络和处理企业现场实时测控信息的控制网络。信息网络一
般处于企业上层，处理大量的、变化的、多样的信息，具有高速、综合的特
征。控制网处于企业的下层，处理大量的车间现成设备信息，这些现场设备
包括各种数控机床。而控制网要求具有协议简单、容错性强、安全可靠、成
本低廉等特征。
企业网
信息网
控制网
管理系统
控制系统
图 4-9 企业内部网应用结构
(2)Net-NC实现方式
目前 Net-NC的典型应用是 DNC（DirectNumericalControl）系统和 FMS
系统。DNC是把车间加工设备与上层控制计算机集成起来，实现若干台数控
机床的集中管理。而 FMS的主要特征之一是增加了物料流控制系统。
Net-NC连 接 方 式 主 要 有 三 种 ： 通 过 符 合 MAP
（ManufacturingAutomationProtocol）标准的网络接口联接,它是美国 GM
公司研究和开发的一种通信标准，采用了标准 7层 OSI/OS网络模型，其优
点是传输速度快，可以实现多种网络拓扑结构，但实现复杂，开发费用高，
在国内应用很少。通过 RS232/RS485等串口通讯方式直接相联，它在主机中
安装一块串口通信卡，数控机床通过RS232或RS485以星形结构与主机联接，
它的实现成本低，方法简单，但其通信速度慢，网络实现方式不灵活；通过
以太网（Ethernet）相联。以太网络采用网络技术现在最流行的、应用最广
泛的 TCP/IP协议，其实现简单，开放性好，网络实现方式灵活，是最具发
展前景的一种互联方式。
Net-NC从网络体系结构上可分为主从结构和分布式结构。主从网络结
构系统中，所有的数控机床必须依赖中央主机，中央计算机负责存储分配各
个数控机床数控程序。其连接方式简单，成本低，实现方便，但一旦主机出
现故障，整个系统就瘫痪了。分布式网络结构正好克服了主从结构的缺陷，
这种体系结构中，每台数控机床通过 PC与中央服务器联接，中央服务器只
是提供信息交换和任务调度功能。当中央服务器出现故障时，每个数控单元
也可单独作业，而不会造成整个系统瘫痪，从而提高了系统的安全性，但其
成本较高。
3.现场总线技术在数控系统中的应用
现场总线(Fieldbus)是一种互联现场自动化设备及其控制系统的双向
数字通信协议。它是国际上 90年代蓬勃发展起来的新技术，科技界广泛认
为，这一新技术将对下个世纪工业控制、工业自动化的各个领域产生深远的
影响，并会在工业和其它领域中得到广泛应用。目前，现场总线已有许多种
类 ， 其 中 应 用 较 多 的 有 CAN(ControlledrAreaNetwork)、
LON(LocalOperatingNetwork)、Profibus等。现场总线具有以下特点：
高通讯速率：可达 1MBP/S；
远距离传输：可达 10km；
接口简单、安装方便；
通讯控制简单；
扩展能力强；
互操作性强，
系统成本低，
在数控系统中采用现场总线技术主要为了更好适应 Net-NC系统中低层
网络通信和控制的需要。与 MAP协议网络以及基于 TCP/IP协议的以太网相
比，采用现场总线技术的控制网络在容错能力、可靠性、安全性以及工作效
率上均有一定的优势。但其也存在一些明显的不足，最突出的问题是目前还
没有统一的技术标准，而是一个多种现场总线并存的局面。典型基于现场总
线的网络数控系统如图 4-10所示。
加工中心构成及基本工作原理
加工中心基本概念
加工中心是在数控机床出现后，为了进一步提高加工效率，减少辅助时
间，将更换刀具的动作与功能和数控机床集成而形成的自动化程度和生产率
更高的新型数控机床。加工中心是备有刀库并能自动更换刀具对工件进行多
工序集中加工的数控机床。工件经一次装夹后，数控系统能控制机床按不同
工序(或工步)自动选择和更换刀具，自动改变机床主轴转速、进给量和刀具
相对工件的运动轨迹及实现其他辅助功能，依次完成工件多种工序的加工。
通常，加工中心仅指主要完成镗铣加工的加工中心。这种自动完成多工序集
中加工的方法，扩展到各种类型的数控机床，例如车削中心、滚齿中心、磨
削中心等。由于加工工艺复合化和工序集中化，为适应多品种小批量生产的
需要，还出现了能实现切削、磨削以及特种加工的复合加工中心。加工中心
具有刀具库及自动换刀机构、回转工作台、交换工作台等，有的加工中心还
具有可交换式主轴头或卧一立式主轴。
加工中心和普通数控机床的主要区别有以下四点：
（1）有自动换刀装置（包括刀库和换刀机械手），能实现工序间的自动
换刀，这是加工中心最突出的标志性结构；
（2） 三坐标以上的全数字控制，经济型数控系统一般不能满足需要；
（3）多工序的功能。在一次装夹中，尽可能完成多工序加工，要实现多
面加工，一般应有回转工作台；
（4）还可配置自动更换的双工作台，实现机床上、下料的自动化。
世界上工业发达国家如美、德、日重视机床技术和机床工业的发展，机
床制造技术先进，因此其工业发展较快。第一台加工中心是 1958年由美国
卡尼-特雷克公司首先研制成功的，它在数控卧式镗铣床的基础上增加了自
动换刀装置，从而实现了工件一次装夹后即可进行铣削、钻削、镗削、铰削
和攻丝等多种工序的集中加工。
目前，加工中心作为数控机床各类产品中发展最快、所占比重最大的一
类产品，成为制造业应用最广的一类设备。一些主要经济发达国家都把发展
加工中心作为发展数控机床的首要任务，它的发展直接关系到国家经济建设
和国防安全。
加工中心特点、精度及适用范围
1.加工中心特点
加工中心的技术特点主要表现在以下三个方面：
（1）带有自动换刀装置（ATC），可实现铣、钻、镗、铰、攻丝等多工
序加工；
（2）加上托板自动交换装置（APC），可实现工件自动储存和上下料，
组成柔性加工单元（FMC）。加工中心还可方便地组成 FTL（柔性自动线）
或 FMS（柔性制造系统），由“单机”构成“制造系统”，便于进一步发展
实现 FA（工厂自动化）、CIM（计算机集成制造）、CIMS（计算机集成制造
系统），可实现无人化运转，有的 24小时，有的可达 72小时等等；
（3）“柔性”大，换品种调整方便，能实现中小批量、多品种、柔性
生产自动化，克服了高效自动化机床、自动线的“刚性”缺点。随着技术的
发展，加工中心不断向高速化、复合化、柔性化等方面发展，在加工效率上
不断提高，已逐步能替代组合机床、自动线。
2.加工中心一般加工精度
加工中心的加工精度一般介于卧式铣镗床与坐标镗床之间，精密加工中
心也可以达到生产型坐标镗床的精度。加工中心的加工精度主要与其位置精
度有关，加工孔的位置精度（列如孔距误差）大约是相关运动坐标定位精度
的 倍。铣圆精度是综合评价加工中心相关数控轴的伺服跟随运动特性和
数控系统插补功能的指标，其允差普通级为 ，精密级为
。加工中心可粗、精加工兼容，为适应这一要求，其精度往往有较多
的储备量并有良好的精度保持性。加工中心实现自动化加工还可避免如非数
控机床加工时因人工操作出现的失误，保证加工质量稳定可靠，这对于复杂、
昂贵的工件，意义尤为重要。加工中心自动完成多工序集中加工，可减少工
件安装次数，也有利于保证加工质量。
3.加工中心的类型与适用范围
加工中心适用范围广，主要适用于多品种、中小批量生产中对较复杂、
精密零件的多工序集中加工，或为完成在通用机床上难以加工的特殊零件
(如带有复杂多维曲面的零件)的加工。工件一次装夹后即可完成钻孔、扩孔、
铰孔、攻螺纹、铣削、镗削等加工。
(3)生产率高加工中心因有自动换刀功能实现多工序集中加工，停机时
间短；同时，因可减少工序周转时间，工件的生产周期显著缩短。加工中心
在正常生产条件下其开动率可达 90%以上，而切削时间与开动时间的比率可
达 70%～85%(普通机床仅为 15%～30%)，有利于实现多机床看管，提高劳动
生产率。
加工中心的类型及适用范围见表 4-1。
表 4-1加工中心类型及适用范围
类型 布局型式 特点 适用范围
立式加工
中心
固定立柱型、移动立柱
型
主轴支承跨距较小。占地面积较小，刚
性低于卧式加工中心，刀库容量多为
16-40
中型零件，高度尺寸较小的零
件加工，尤其是盖板类零件加
工
卧式加工
中心
固定立柱型、移动立柱
型
主轴及整机刚性强，镗铣加工能力较
强，加工精度较高，刀库容量多为 40-80
中、大型零件及工序复杂且精
度较高的零件加工，通常用于
箱体类零件加工
五面加工
中心
交换主轴头、回转主
轴头、转换圆工作台
主轴或工作台可立、卧式兼容，交多方
向加工而无需多次装夹工件，但编程较
复杂，主轴或工作台刚性受到一定影响
具有多面、多方向或多坐标
复杂型面的零件加工
龙门加工
中心
工作台移动型、龙门
架移动型
由数控龙门铣镗床配备自动换刀装置、
附件头库等组成。立柱、横梁构成龙门
结构，纵向行程大。多数具有五面加工
性能，成为龙门式五面加工中心
大型、长型、复杂零件加工
加工中心的典型自动化机构
加工中心除了具有一般数控机床的特点外，它还具有其自身的特点。加
工中心必须具有刀具库及刀具自动交换机构，其结构形式和布局是多种多样
的。刀具库通常位于机床的侧面或顶部。刀具库远离工作主轴的优点是少受
切削液的污染，使操作者在加工时调换库中刀具免受伤害。FMC和 FMS中的
加工中心通常需要大量刀具，除了满足不同零件的加工外，还需要后备刀具，
以实现在加工过程中实时更换破损刀具和磨损刀具，因而要求刀库的容量较
大。换刀机械手有单臂机械手和双臂机械手，180°布置的双臂机械手应用最
普遍。
（1）自动换刀与刀库。加工中心刀具的存取方式有顺序方式和随机方
式，刀具随机存取是最主要方式。随机存取就是在任何时候可以取用刀库中
任一把刀，选刀次序是任意的，可以多次选取同一把刀，从主轴卸下的刀允
许放在不同于先前所在刀座上，CNC可以记忆刀具所在的位置。采用顺序存
取方式时，刀具严格按数控程序调用。程序开始时，刀具按照排列次序一个
接着一个取用，用过的刀具仍放回原刀座上，以保持确定的顺序不变。
（2）触发式测头测量系统。用于循环中(1ncycle)测量，工序前对工件
及夹具通过检测控制其正确位置，以保证精确的工件坐标原点和均匀的加工
余量；工序后主要测量加工工件的尺寸，根据其误差做出相应的坐标位置调
整，以便进行必要的补充加工，避免出现废品。触发式测头测量系统原理见
图 2—25。触发式测头具有三维测量功能。测量时，机械手将触发式测头从
刀库中取出装于主轴锥孔中。工作台以一定速度趋近测头。当测杆端球 1触
及工件被测表面时，发出编码红外线信号 3，通过装在主轴箱上方的接收器
4传人数控装置，使测量运动中断，并采集和存储在接触瞬间的 X、Y、Z坐
标值，与原存储的公称坐标值进行比较，即得出误差值。当检测某一孔的中
心坐标时，可将该孔圆周上测得的 3-4点坐标值，调用相应程序运算处理，
即可得所测孔的中心坐标。该测量系统一般只用于相对比较测量，重复精度
μm。在经测量值修正后，测量值误差可在 5μm以内，可做全方位精密
测量。触发式测头测量系统信号的传输和接收除上述红外辐射式外，常用的
还有电磁耦合式。
（3）刀具长度测量系统。用以检查刀具长度正确性以及刀具折断、破
损现象检测准确度为±1mm。当发现不合格刀具时，测量系统会发出停车信号。
在机床正面两侧的地面上，装有光源 1和接收器 2，如需检测主轴上的刀长，
可令立轴 3向前移动，接收器 2向数控系统发出信号，在数据处理后即可得
出刀具长度实测值。经与规定的刀具设定长度比较，如果超出允差时，可发
出令机床停车的信号。此外，也可以用触发式测头检测刀具长度的变化。
（4）回转工作台。回转工作台是卧式加工中心实现 B轴运动的部件，B
轴的运动可作为分度运动或进给运动。回转工作台有两种结构形式，仅用于
分度的回转工作台用鼠齿盘定位，分度前工作台抬起，使上下鼠齿盘分离，
分度后落下定位，上下鼠齿盘啮合，实现机械刚性联接。用于进给运动的回
转工作台用伺服电动机驱动，用回转式感应同步器检测及定位，并控制回转
速度，也称数控工作台。数控工作台和 X、Y、z轴及其他附加运动构成 4～
5轴轮廓控制，可加工复杂轮廓表面。此外，加工中心的交换工作台和托盘
交换装置配合使用，实现了工件的自动更换，从而缩短了消耗在更换工件上
的辅助时间。
卧式加工中心常见几种布局结构形式
卧式加工中心的主要运动包括三个移动轴（X、Y、Z）和一个回转轴（B
轴），在四个运动轴的分配上，四个相对运动既可以分配给刀具，也可以分
配给工件，或者由工件和刀具共同来完成。从目前机床结构看，一个回转轴
一般都由工作台的回转来完成（B轴），所以机床的布局主要在三个移动轴
的分配上。按三轴运动实现方式和三个运动的分配，卧式加工中心结构形式
主要有：
（1）三个移动轴全部集中在刀具一侧来完成
图 4-11 哈挺公司卧式加工中心 HMC700HPD
具代表性的产品以哈挺公司（HARDINGE）的卧式加工中心 HMC700HPD为
例（见图 4-11），机床工作台固定，不做轴向移动，立柱沿十字滑鞍作 X轴
和 Z轴的移动，主轴箱在立柱上的完成 Y轴移动。这种结构的机床，优点是
适合于加工具有复杂形面的大型、重型箱体件，如大型汽车发动机箱体等。
缺点是运动部件质量大，惯性力大，不适宜于用过高的进给速度和加速度加
工。不过运动部件的质量虽大，但较恒定，因为刀具重量相对较小，改变刀
具时，对运动部件重量变化影响不大，故机床的运动特性还是比较稳定的。
（2）三个移动轴分别由刀具和工件来完成
这种结构型式的机床产品很多，应用也最广，最普遍。可按三个移动坐
标轴的配置方式进一步分为三种结构型式的机床。
第一种工作台 Z坐标移动，立柱 X坐标移动的 T型床身布局。该结构的
特点是刀具切削处位置位移变化相对较小，工件和工作台的质量比立柱和主
轴箱的质量轻，保证移动部件质量最轻的原则，而且工作台的 Z轴移动还可
以保证 Z坐标的最大行程。该结构在精密卧式加工中心和高速加工中心中普
遍采用，如迪西公司 DIXI的精密卧式加工中心 DHP80（如图 4-12）、德国 DMG
公司 DMC系列卧式加工中心以及美国辛辛那提 CINCINATI公司的 MAXIM系列
卧式加工中心等都采用该结构布局形式。
第二种工作台 X坐标移动，立柱 Z坐标移动的 T型床身布局。该结构应
用也很普遍，如日本马扎克 MAZAK公司的卧式加工中心 H-500、北京机床所
精密机电有限公司的μ2000 系列精密卧式加工中心（见图 4-13）以及美国
汉斯 HAAS的 HS系列卧式加工中心等。该结构运动部件的质量虽大，但较恒
定，因为刀具重量相对较小，改变刀具时，对运动部件重量变化影响不大，
故机床的运动特性还是比较稳定的。
图 4-13北京机床所精密机电有限公司的μ2000 系列精密卧式加工中心
（3）第三种运用直线电机技术，主轴直接在横梁上作 X向运动，以德
国爱克塞罗 EX-CELL-O公司 XHC系列加工中心（见图 4-14）为例，该结构
的特点是高速，轴快移速度达到 120m/min，加速度 ，屑-屑时间为
，而且运动精度很高。
图 4-14德国爱克塞罗 EX-CELL-O公司 XHC241
卧式加工中心移动轴主要结构形式及特点见表 2-1描述：
表 4-2卧式加工中心移动轴主要结构形式及特点
图 4-12 迪西公司精密卧式加工中心 DHP80
三个移动轴 典型产品 应用范围 优缺点
工作台固定、三轴移动均
由刀具一侧完成
哈挺公司卧式加
工中心 HMC700HPD
加工具有复
杂形面的大
型、重型壳
体件
运动部件质量大，惯性
力大，不适宜于用过高
的进给速度和加速度加
工
工作台 Z向
移动，立柱
拖板 X移动
迪西公司精密卧式加工
中心 DHP80
适合中、小
型卧式加工
精密机床采
用的结构型
式
刀具切削处位置位移变
化相对较小，移动部件
质量轻，而且工作台的 Z
轴移动还可以保证 Z坐
标的最大行程。
工作台X向，
立柱 Z向
北京机床所精密机电有
限公司的μ2000 系列精
密卧式加工中心
适合中、小
型卧式加工
机床采用的
结构型式
运动部件的质量虽大，
但较恒定，因为刀具重
量相对较小，改变刀具
时，对运动部件重量变
化影响不大
三轴
移动
由刀
具、
工件
分别
完成
立柱固定，
主轴 X向移
动
德 国 爱 克 塞 罗
EX-CELL-O公 司
XHC241
系中、小型
较多的一种
结构型式
结构的特点是高速，轴
快移速度高，且运动精
度高
立式加工中心
是指主轴轴线与工作台垂直设置的加工中心，主要适用于加工板类、盘类、
模具及小型壳体类复杂零件。立式加工中心能完成铣、镗削、钻削、攻螺纹
和用切削螺纹等工序。立式加工中心最少是三轴二联动，一般可实现三轴三
联动。有的可进行五轴、六轴控制。立式加工中心立柱高度是有限的，对
箱体类工件加工范围要减少，这是立式加工中心的缺点。但立式加工中心工
件装夹、定位方便；刃具运动轨迹易观察，调试程序检查测量方便，可及时
发现问题，进行停机处理或修改；冷却条件易建立，切削液能直接到达刀具
和加工表面；三个坐标轴与笛卡儿坐标系吻合，感觉直观与图样视角一致，
切屑易排除和掉落，避免划伤加工过的表面。与相应的卧式加工中心相比，
结构简单，占地面积较小，价格较低。立式加工中心分类一般如下
依据导轨分类：依据立式加工中心各轴导轨的形式可分硬轨及线轨。
硬轨适合重切削，线轨运动更灵敏。
依据转速分类：立式加工中心主轴转速 6000-15000rpm 为低速型，
18000rpm 以上为高速型。
依据结构分类：依据立式加工中心的床身结构可分为 C 型及龙门
型。
复合加工中心
五面加工中心的功能比多工作台加工中心的功能还要多，控制系
统先进，其价格是工作台尺寸相同的多工位加工中心的二倍左右。复
合加工中心也称多工面加工中心，是指工件一次装夹后，能完成多个
面的加工的设备。现有的五面加工中心，它在工件一次装夹后，能完
成除安装底面外的五个面的加工。这种加工中心兼有立式和卧式加工
中心的功能，在加工过程中可保证工件的位置公差。常见的五面加工
中心有两种形式，一种是主轴做或相应角度旋转，可成为立式加工中
心或卧式加工中心。另一种是工作台带着工件做旋转，主轴不改变方
向而实现五面加工。无论是哪种五面加工中心都存在着结构复杂，造
价昂贵的缺点。五面加工中心的坐标系统如下图 4-15 所示。
图 4-15五面加工中心坐标系统示意图
和FMS
和 FMS的构成
柔性制造单元（FlexibleManufacturingCell，FMC）是由一台或几台设
备组成，具有独立自动加工的功能，在毛坯和工具储量保证的情况下，具有
部分自动传送和监控管理功能，具有一定的生产调度能力。高档的 FMC可进
行 24小时无人运转。
FMC可分为两大类，一类是数控机床配上机器手，另一类是加工中心配
上托盘交换系统。配备机器手的机床由机器手完成工件和物料的装卸。配托
盘交换系统的 FMC，将加工工件装夹在托盘上，通过拖动托盘，可以实现加
工工件的流水线式加工作业。
柔性制造系统（FlexibleManufactureSystem）。将 FMC进行扩展，增加
必要的加工中心数量，配备完善的物料和刀具运送管理系统，通过一套中央
控制系统，管理生产进度，并对物料搬运和机床群的加工过程实行综合控制，
就可以构成一个完善的 FMS。
FMS的基本构成框架如图 4-16所示，它主要由三部分组成，即计算机
控制与管理层、
以 NC为主的多台加工设备、物料运输装置。与此相对应，可将其划分为控
制与管理系统、加工系统、物流系统三个子系统。控制与管理系统实现在线
数据的采集和处理，运行仿真和故障诊断等功能；加工系统能实现自动加工
多种工件，自动更换工件和刀具，自动实现工件的清洗和测试；物流系统由
工件流和刀具流组成，能满足变节拍生产的物料自动识别、存储、输送和交
换的要求，实现刀具的预调和管理等功能。这三个子系统有机的结合，构成
了 FMS的能量流、物料流和信息流。
应用的特点
对于大批量、少品种的生产一般采用自动流水线作业，它的物流设备和
加工工艺相对固定，所以也称为固定自动化。由于它的设备固定，缺少灵活
性，所以只能加工一个或相似的几个品种的零件。而小批量、多品种的情况
下多采用单台数控机床，它的特点是加工灵活性好，但相对于自动流水线来
说生产效率低，制造成本高。因此对应中等批量、中等品种产品的加工，需
要在自动流水线和单台数控之间选择一个折中方案，结合自动流水线和单台
数控各自的优点，将几台 NC与物料输送设备、刀具库等通过一个中央控制
单元联接起来，形成具有一定柔性而又有一定连续作业能力的加工系统，即
柔性制造单元或柔性制造系统。图 4-17比较了几种加工方式适用范围。
的加工系统
1.加工系统的构成
FMS中的加工系统是实际完成加工任务，
将工件从原材料转变为产品的执行部分。它
主要由数控机床、加工中心等加工设备构成，
有的带有工件清洗、在线检测等辅助设备。
目前FMS的加工对象主要由棱柱体类和回转
体类组成，对加工系统而言，通常用于加工
棱柱体类工件的FMS由立、卧式加工中心，数
控组合机床和托盘交换器组成，用于加工回
转体类工件的 FMS由数控车床、切削中心、
数控组合机床和上下料机械手或机器人及
棒料输送装置等构成。一般来说，为了适应
不同的加工要求，增加 FMS的适应性，FMS最少应配备 4~6台以上的数控加
工设备。这些设备在 FMS中的配置方式有并联、串联和混合形式等三种。
2.加工系统的配置
FMS的加工系统原则上应该是可靠的、自动化的、高效的和易控制的，
其实用性、匹配性和工艺性应良好，并能满足加工对象的尺寸范围、精度、
材质等要求。因此其配置原则为：
(1)工序集中。如选多功能机床、加工中心等，以减少工位数和物流负
担，保证加工质量。
(2)控制功能强、可扩展性好。如选用模块化结构，外部通信功能和内
部管理功能强，有内装可编程控制器，有用户宏程序的数控系统，以易于与
上下料、检测等辅助设备相连接，增加各种辅助功能等。
(3)高刚度、高精度、高速度。选用切削功能强、加工质量稳定、生产
效率高的机床。
(4)经济性好。如导轨油可回收，排屑处理快速彻底等，以延长刀具使
用寿命，节省系统运行费用。
(5)操作性好、可靠性好、维修性好，具有自保护性和自维护性。如能
设定切削力过载保护、功率过载保护、运行行程和工作区域限制等，具有故
障诊断和预警功能等。
(6)对环境适应性与保护性好。对工作环境的温度、湿度、噪音、粉尘
等要求不高，各种密封件性能可靠、无泄露，冷却液不外溅，能及时排除烟
雾、异味。噪音震动小，能保护良好的工作环境。
中的物流管理
1.工件流支持系统
批
量
品种
自动流
水线
柔性制
造系统
柔性制
造单元
标准数
控机床
图 4-17 FMS 应用的特点
工件在柔性制造系统中的流动，是输送和存储两种功能的结合，包括夹具系
统、工件输送系统、自动化仓库及工件装卸工作站。
夹具系统。在柔性制造系统中加工对象多为小批量多品种的产品，采用
专用夹具会降低系统的柔性。因此多采用组合夹具、可调整夹具、数控夹具
或托盘等装夹方式。
工件输送系统。工件输送系统决定 FMS的布局和运行方式，一般有直线输送、
机器人输送、环型输送等方式。
自动化仓库。FMS中输送线本身的储存能力一般较小，当须加工的工件
较多时，大多设立自动化仓库。它可以分平面仓库和立体仓库，平面仓库主
要应用于大型工件的存储，而立体仓库通过计算机和控制系统将搬运、存取、
储存等功能集于一体的新型自动化仓库。
工件装卸工作站。它主要有毛坯入库工作站和成品出库工作站。入库工
作站位于 FMS物料输入的开始部位，出库工作站位于 FMS的物料输出部分。
2.刀具流支持系统
FMS的刀具流支持系统主要由中央刀具库、刀具室、刀具装卸站、刀具
交换设备及刀具管理系统几部分组成，如图 4-18所示。
中央刀具库是刀具系统的暂存区，它集中储存 FMS的各种刀具，并按一
定位置放置。中央刀具库通过换刀机器人或刀具传输小车为若干加工单元进
行换刀服务，不同的加工单元可以共享中央刀具库的资源，提高系统的柔性
程度。
刀具室进行刀具预调及刀具装卸的区域，刀具进入 FMS以前，应先在刀
具预调仪（也称对刀仪）上测出其主要参数，安装刀套，打印刚号或贴条形
码标签，并进行刀具登记。然后将刀具挂到刀具装卸站的适当位置，通过刀
具装卸站进入 FMS。
刀具装卸站。负责刀具进入或退出 FMS或 FMS内部刀具的调度，其结构
多为框架式，装卸站的主要指标有：刀具容量；可挂刀具的最大长度；可挂
刀具的最大直径；可挂刀具的最大重量。为了保证机器人可靠的取刀和送刀，
还应该对刀具在装卸站上的定位精度进行一定的技术要求。
刀具交换装置。一般是指换刀机器人或刀具输送小车，它们完成刀具装
卸站与中央刀库或中央刀库与加工机床之间的刀具交换。刀具交换装置按运
行轨道的不同，可分为有轨和无轨的。实际系统多采用有轨装置，价格较低，
且安全可靠。无轨装置一般要配有视觉系统，其灵活性大，但技术难度大，
造价高，安全性还有待提高。
刀具管理系统。刀具管理系统主要包括：刀具存贮、运输和交换；刀具
状况监控、刀具信息处理等。现在刀具管理系统的软件系统一般由刀具数据
库和刀具专家系统组成。
3.输送设备
物流系统中的输送设备主要有输送机、输送小车和机器人等。
输送机。输送机的结构形式多为滚子输送机、链式输送机和直线电动机
输送机，具有连续输送和单位时间输送量大的特点，常应用于环路型布局的
FMS中。
输送小车。是一种无人驾驶的自动搬运设备，分为有轨小车和无轨小车。
有轨小车由平行导向钢轨和在其上行走的小车组成，它利用定位槽销等机械
结构控制小车的准确停靠，其定位精度可高达 。无轨小车没有导向的
钢轨，制导方式主要有磁性制导、光学制导、电磁制导和激光扫描制导等。
工业机器人。是一种可编程的、多功能操作手，用于物料、工件和工具
的搬运，通过可变编程完成多种任务。它一般由机器人本体、执行机构、控
制结构和传感器等四部分构成。机器人变成方式主要通过手动示教、引导通
过示教和编程语言等方式完成。
中的信息流管理
信息流结构
图 4-19所示为 FMS信息流结构图，信息流子系统是 FMS的核心组成部
分，它完成 FMS加工过程中系统运行状态的在线监测、数据采集、处理、分
析等任务，控制整个 FMS的正常运行。信息流子系统的核心是分布式数据库
管理和控制系统，按功能可分为五个层次。
厂级管理信息：总厂的生产调度、年度计划等信息。
车间层：它一般包括两个信息，即设计单元和管理单元。设计单元主要
控制包括产品设计、工艺设计、仿真分析等设计信息的流向，管理单元管理
车间级的产品信息和设备信息，包括作业计划、工具管理、在制品（包括半
成品、毛坯）管理、技术资料管理等等。
设备控制单元层：设备控制级，它包括对现场生产设备、辅助工具以及
现场物流状态的各种控制设备。
执行层：各种现场生产设备，主要是加工中心或数控机床在设备控制单
元的控制下完成规定的生产任务，并通过传感器采集现场数据和工况以便进
行加工过程的监测和管理。
信息流特征
按 FMS所管理的信息范围和控制对象可将它分为以下几类：
刀具信息包括：刀具参数；属于那些机床；刀具使用状况；刀具安装形
式；刀具损坏原因；刀具处理情况；刀具使用频率统计等等。
机床状态信息包括：机床是否处于工作状况；机床的工况；机床故障发
生情况；机床故障排除情况；机床加工参数；
运行状态信息包括：小车的工况；托盘的工况；中央刀库刀具所处状态
（空闲或正在某机床上工作）；工件的位置；测量站工况；机器人工况；清
洗站工况等；
CAD
CAE
CAPP
……
设计中心
数据库
生产作业管理
设备管理
技术资料管理
……
管理信息
数据库
现场控制通讯服务器
厂级管理信息系统
FMS 单
元控制
器
FMS 单
元控制
器
… FMS 单
元控制
器
机
床
1
机
床
2
机
器
人
测
量
机
… 机
床
1
机
床
2
机
器
人
测
量
机
… 执行层
设备控制层
车间层
图 4-19 FMS 信息流结构
在线检测信息主要指所加工产品的合格情况，不合格产品应进行报废或
返工处理。
系统安全信息包括：供电系统的安全情况；系统本身的安全情况。它包括系
统工作环境的安全信息，如环境温度、湿度等，还有系统工作设备的安全信
息，如小车保证不会相互碰撞、刀具安装可靠等等。工作人员的安全情况；
信息流程
图 4-20为 FMS的信息运行流程。
发展趋势
FMS已经进入实用化阶段，并且随着相关科学技术的发展，它不断引入
新的技术、适应新的需要。FMS近期发展的主要趋势有：
（1）小型化。早期 FMS强调功能的完善和柔性度好，但因此也造成了
成本高、技术难度大、系统复杂、难以维护和推广的问题。为了适应众多中
小型企业的需要，FMS开始向小型、经济、易操作和维修的方向发展，因此
FMC开始得到众多用户的认可。
（2）模块化、集成化。为了有利于 FMS的制造厂商组织生产、降低成
本，有利于用户分期按需有选择的购买设备，逐步扩展和集成 FMS。FMS的
软硬件都向模块化方向发展，并由这些基本模块集成 FMS，并以 FMS可进一
步为基础集成 CIMS。
（3）单项技术性能和系统性能不断提高。例如：采用各种新技术，提
高加工精度，加工效率；综合利用先进的检测手段、网络、数据库和人工智
能技术，提高 FMS各个环节的自我诊断、自我排错、自我积累、自我学习能
力。
（4）应用范围逐步扩大。从加工批量上，FMS向适合单件和大批量方
向扩展，另一方面，FMS从传统的金属切削加工向金属热加工、装配等整个
机械制造范围发展。
加工自动线
机械加工自动线(简称自动线)是一组用运输机构联系起来的由多台自
动机床（或工位）、工件存放位装置以及统一自动控制装置等组成的自动加
工机器系统。在自动线的工作过程中，工件以一定的生产节拍，按照工艺顺
序自动地经过各个工位，不需要工人直接参与操作，自动地完成预定的加工
内容。
自动线能减轻工人的劳动强度，并大大地提高劳动生产率，减少设备布
置面积，缩短生产周期，缩减辅助运输工具，减少非生产性的工作量，建立
严格的工作节奏，保证产品质量，加速流动资金的周转和降低产品成本。自
动线的加工对象通常是固定不变的，或在较小的范围内变化，而且在改变加
工品种时要花费许多时间进行人工调整。另外初始投资较多。因此只适用于
大批量的生产场合。
切削加工自动线通常由工艺设备、工件输送系统、控制和监视系统、检
测系统和辅助系统等组成，各个系统中又包括各类设备和装置，如图 4-21
所示。由于工件类型、工艺过程和生产率等的不同，自动线的结构和布局差
异很大，但其基本组成部分都是大致相同的。切削加工自动线可以按多种方
法分类(见表 4-3）。
表 4-3切削加工自动线的类型、特点和应用
分类法 类型 特点 应用
按工艺设
备类型分
类
通 用 机
床自动线
由自动化通用机床或经改装的通用机
床连成的自动线。建线周期短，收效快
通常用于加工比较简单的零件，
特别是盘、轴、套、齿轮类零件
的大量或批量生产
组 合 机
床自动线
由组合机床组成的自动线，生产率高，
造价相对较低。专用性强，只能适应单一
或几种同类型工件的生产
主要适用于箱体类零件、畸形
零件的大量生产，有时用于批量
生产
专 用 机
床自动线
由专门设计制造的自动化机床组成或
联接而成的自动线。生产率高，制造成本
高，周期长
如专用拉床组成的拉削自动线；
加工特殊材料和对加工有特殊要
求（如加工石墨块）的自动线
转 子 自 动
线
用转子机床，通过输送转子连成的自动线。
生产率高，占地面积小
适用于加工工序简单的小零件，
在切削加工中应用很少，可用于
小零件的车、钻、铣、攻螺纹等
工序。多用于冲压、挤压、压延
等加工，如军工中的子弹及轻工
小五金等行业（如自来水笔挂钩
的卷边、压弯）
回 转 体
工 件 加 工
自动线
主要由自动化通用机床或经自动化改装
的普通机床（如车床、内外圆磨床、铣端
面打中心孔机床、花键加工机床、齿轮加
工机床）及专用机床连成或专门规划设计
制造组成
主要用于在切削加工过程中工件
回转的加工，如轴、盘、套、齿
轮、环类零件的加工
按工世设
备类型分
类
箱体、杂
件 加 工 自
动线
主要由组合机床和专用机床组成
主要用于加工时工件不转的工件
和工序，如箱体及畸形件的钻孔、
镗孔、铣削、攻螺纹等
综合加工自动线
线内装有多种机床和设备，能完成一个工
件从坯料到装配前的全部加工工序，可减
少工件的来回输送及制品数量
适用于包括多种形式加工，如气
缸盖综合加工自动线（包括压装
阀座及热处理），轴类件综合加工
自动线（包括热处理），刹车蹄片
加工自动线（包括加工和铆接非
金属摩擦材料层）
通用机床自动线
在通用机床自动线上完成的典型工艺主要是各种车削、车螺纹、磨外圆、
磨内孔、磨端面、铣端面、打中心孔、铣花键、拉花键孔、切削齿轮和钻分
布孔等。
1．对纳入自动线机床的要求
纳入自动线的机床比单台独立使用的机床要更为稳定可靠，包括能较好
地断屑和排除切屑，较高的刀具耐用度，稳定可靠的自动工作循环，最好有
较大流量的切削液系统，以便用来冲出切削。对容易引起动作失灵的微动限
位开关应采取有效的防护。有些机床在设计时就在布局和结构上考虑了连入
自动线的可能性和方便性；有些机床尚需作某些改装，包括增设联锁保护及
自动上下料装置。对这些问题在连线前须仔细考虑，包括一些必要的试验工
作
2．通用机床自动线的连线方法
连线时涉及工件的输送方式、机床间的连接和机床的排列形式、自动线
的布局、输送系统的布置等多个相互有联系的问题，需加以全面衡量，选定
较好的方案。
工件的输送方式有强制输送和自由传送两种。所谓强制输送就是用外力
使工件按一定节拍和速度进行输送。轴类以外圆为支承面，以一个端头沿料
道靠另一个件的端头，以“料顶料”滑动输送，或用步进式输送带输送。所
谓自由输送就是用工件自重在槽形料道中滚动或滑动实现输送，或放在靠摩
擦力带动的连续运的链板上进行输送。输送至中间料库或排队等待加工。此
外还可利用机械手进行工件的输送，既可用于强制输送，也可用于自由输送，
同时在输送过程中还可以比较方便地实现工件姿势的变换(利用手腕的回
转)。
通用机床自动线大多数都用于加工回转体工件，工件的输送比较方便，
机床和其他辅助设备布置灵活。对小型工件生产率一般要求较高，各工序的
节拍时间也不平衡，故多采用柔性连接。机床的料道、料仓都具有储存工件
的作用，能比较方便地实现柔性连接。在限制性工序机床的前后或自动线分
段处可设置中间储库料，以减少自动线的停车时间损失，提高自动线的利用
率。对各工序节拍时间可以作到大致相近，而工序较少的短自动线(例如加
工长轴类工件)可采用刚性连接。刚性连接时控制系统及工件输送系统比较
简单，占地面积小，但要求机床有高的工作可靠性。
一般情况下单机(或单道工序)的工序时间等于或稍小于线的节拍时间
时，线上的机床可采用串联方式。当单机(或单道工序)的工序时间大于线的
节拍时间时，就需要采用并联机床来平衡节拍时间。由于采用并联机床，使
工件传送系统复杂化，最好避免采用。有可能时应设法缩短限制性工序的时
间或使工序分散，使单机工序时间稍小于线的节拍时间。对一些生产率极高
的自动线，在少数工序上采用并联机床也是必要而可行的。齿轮加工自动线
由于切齿工序的时间很长而非采用多台并联机床不可。
机床的排列可纵列（一列或几列）和横排（一排或几排）。单机串联时
机床可纵列或横排(见图 2-27)，单机的输入料道与输出料道一般为直接连
通，前一台机床的输出料道即是下一台机床的输入料道，由线的始端至末端。
单机并联时机床亦可纵列和横排（传送步距加大），还可排列成多列或多排
的形式，传送时应有分流和合流装置。排列形式应根据线内机床的数量、线
的布局和对机床作调整的方便性而定。
分料方式有顺序分料和按需分料两种方式，在有并联机床时应考虑工件
的分配方式。顺序分料是将工件依次填满并联各单机和各分段料道或料仓。
各单机依次序先后进入工作。这种方式也称为“溢流式”。按需分料是由一
个分配装置或料仓同时向并联各单机分配工件。加工轴类工件的并联自动线，
由于工件输送系统结构复杂，多采用顺序分料法供料。加工盘、环类工件并
联自动线，由于工件输送系统结构简单，多采用按需分料法供料。
通用机床自动线的输送系统布局比较灵活，除了受工艺和工件输送方式
的影响外，还受车间自然条件的制约。若工件输送系统设置在机床之间，则
连线机床纵列，输送系统跨过机床，大多数采用装在机床上的附机式机械手，
适用于外形简单，尺寸短小的工件及环类工件。若工件输送系统设置在机床
上方，则大多数采用架空式机械手输送工件，机床可纵列或横排。机床纵列
时也可把输送系统置机床的一侧，布置灵活。若工件输送系统设置在机床前
方，则采用附机式或落地式机械手上下料，机床横排成一行。有时也将机床
面对面沿输送系统的两侧横排成两行。线的布局一般采用直线形比较简单方
便，采用单列或单排布置。机床数量较多时，采用平行转折的布置，多平行
支线时则布置成方块形。
组合机床自动线
组合机床自动线是针对一个零件的全部加工要求和加工工序，专门设计
制成的由若干台组合机床组成的自动生产线，它与通用机床自动生产线有许
多不同特点：如每台机床的加工工艺都是指定的不作改变，工作的输送方式
除直接输送外，还可利用随行夹具进行输送；线的规模较大；有的多达几十
台机床；有比较完善的自动监视和诊断系统，以提高其开动率等。组合机床
自动线主要用于加工箱类零件和畸形件，其数量占加工自动线总数的 70%左
右。
组合机床自动线对大多数工序复杂的工件常常先加工好定位基准后再
上线，以便输送和定位。因此在线的始端前常采用一台专用的创基准组合机
床，用毛坯定位来加工出定位基准。这种机床通常是回转工作台式，设有加
工定位基准面（或定位凸台)，钻和铰定位销孔，上下料等三四个工位。有
时也可增加工位同时完成其他工序；其节拍时间与‘自动线节拍时间大致相
同，也可以通过输送装置直接送到自动线上。为了确保铸造箱体件加工后关
键部位的壁厚，可以采用探测铸件表面所处位置，并自动计算出在加工时刀
具的偏置量，利用伺服驱动使刀具作偏置来加工定位基准。
1.组合机床自动线的分类及工件输送形式
按工件输送方式，组合机床自动线可分为直接输送和间接输送(用随行
夹具输送）两类。按输送轨道的形式，可分为直线输送和圆(椭圆)形轨道输
送两种。按输送带相对机床的配置形式，可分为通过(机床)式输送带式和外
移式（在机床前方）输送带式。工件(随行夹具)输送运动的形式有步伐式(同
步)和自由流动式(非同步），大多数组合机床自动线采用步伐式输送装置。
步伐式输送带可分为棘爪伐式，摆杆步伐式、抬起步伐式、吊起步伐式，还
有回转分度输送式等。
2.组合机床自动线的布局
组合机床自动线的机床数量一般较多，工件在线上有时又需要变更姿势。
随行夹具自动线还必须考虑随行夹具的返回问题。所以其布局与通用机床自
动线相比有一定的区别和特点。组合机床自动线常用布局见表 4-4。当带并
行支线或并行加工机床时，机床或支线可采用并联的形式，利用分路和合路
装置来分配工件；采用并行机床或并行工位时也可采用串联形式，一次用大
步距同时将几个工件送到各个工位上，常用于小型工件。
表 4-4组合机床自动线的布局形式
布局形式 特点 应用
机床大多横向纵列，工件输送装置从机床中穿过。机床可排列在
输送带的两侧或一侧。自动线按加工工艺分段，段间设有转位位
置、翻转装置，使工件转 90°或翻转 180°。输送装置可每段用一
个，或全线用一个（转位时工件抬离输送带）。机床通常为卧式
双面、单面、立式、立卧复合式等。排屑系统比较简单。自动线
长时看管不方便
各种大中小零件，应用较
多，较普遍
直线形
采用外移式工件输送带时，可采用三面机床（卧式三面、立卧复
合式三面），但在输送带与机床之间需要设往复输送装置或移动
工作台，输送装置比较复杂。还可以将回转工作台或鼓轮式多工
位机床装置比较复杂。还可以将回转工作台或鼓轮式多工位机床
用外移式输送带连成自动线，缩短自动线的长度
产量较小的场合。用于将
现有三面机床改装为自
动线时，用于精加工必须
采用三面机床时。多工位
机床组成的自动线用于
加工特别复杂的小零件
折线形
自动线较长或受厂房面积及开关限制时可采用直角形，匚形及弓
形等布局。输送带通常从机床中间穿过。机床可排列在输送带的
一侧或两侧。在转折处可作为转位工位，而省去转位装置。但每
一线段需用一个工件输送装置。转折线段上可用作中间储料库。
带并行支线时常采用这种布局
工序复杂，机床数较多时，
布置地位受限制时，带并
行
框形
机床沿框形的内外两侧，或只沿其中的几个线段布置，如果用随
行夹具时，随行夹具可以沿框形边返回，而不需设立独立的返回
输送带。随行夹具也可以从输送带上空返回，或沿机床一侧的上
空返回，成为立面或倾斜平面的框形布局。由上空返回时，还可
以利用随行夹具的自重滑移返回。这种上空返回方式可节省占地
一般用于多工段线及一
些特殊场合，如加工部位
为十字形。常用于随行夹
具自动线。随行夹具由上
空靠自重返回，主要用于
面积 工件或随行夹具质量和
外形尺寸不是很大的场
合
圆形、环
形或椭圆
形
与框形相似，但工件输送带比较简单，一般用环形链条驱动，机
床通常只布置于环的内侧，使自动线敞开性好
非同步输送自动线常采
用这种布局形式。用于加
工中小型零件，生产率较
高，甚至达每小时几百件
组合机床自动线由于以下两种原因被划分成工段，第一种是因工件在线
上的姿势不同，被转位装置分隔而分为工段；；第二种是由于机床台数及刀
具数量多，为减少由于故障而引起的停车损失，划分为可以独立工作的工段。
机床台数在 10-15台时、刀具数量在 200～250把时，可以考虑成立一个工
段，工段之间设有中间储料库，保证各工段可独立地工作。第一种原因分成
的工段由于机床数量较少，通常只在相隔几个工段后才设立中间储料库。储
料库的容量与自动线的生产率有关，也与因换刀而引起的停车时间和因故障
可能引起的停车时间有关，需要根据统计和积累的数据以及故障发生的概率
来进行分析和计算。如无有关资料和数据时，一般可按能供应自动线工作半
小时到一小时来选择储料库容量。
柔性自动线(FlexibleTransferLine-FTL)
为了适应多品种生产，原来由专用机床组成的自动线改用数控机床或由
数控操作的组合机床组成柔性自动线。FTL的工艺基础是成组技术。按照成
组加工对象确定工艺过程，选择适宜的数控加工设备和物料储运系统组成
FTL。因此,一般柔性自动线由以下三部分构成：①数控机床、专用机床及组
合机床；②托板(工件)输送系统；③控制系统。
的加工设备
FTL的加工对象基本是箱体类工件。加工设备主要选用数控组合机床、
数控 2坐标或 3坐标加工机床、转塔机床、换箱机床及专用机床。换箱机床
形式较多，FTL中常用的换箱机床箱库容量不大。图 2-34是回转支架式换
箱机床模块，配置回转型箱库。数控 3坐标加工机床，一般选用 3坐标加工
模块配置自动换刀装置。刀库的容量一般只有 6至 12个刀座，图 2-35是 2
坐标和 3坐标加工模块。
的工件输送设备
在 FTL中工件一般装在托板上输送。对于外形规整，有良好的定位、输
送、夹紧件的工件，也可以直接输送。多采用步伐式输送带同步输送，节拍
固定。如图 2-36是由伺服电动机驱动的输送带传动装置，由伺服电动机控
制同步输送，由大螺距滚珠丝杠实现节拍固定。也有的用辊道及工业机器人
实现非同步输送。
3．FTL的控制设备
柔性自动线的效率在很大程度上取决于系统的控制。FTL的系统控制包
括加工、输送设备的控制，中间层次的控制和系统的中央控制。FTL的中央
控制装置一般选用带处理机的顺序控制器或微型计算机。
工业机器人技术
工业机器人是一种新的通用的自动化设备，它是应自动化生产的需要而
发展起来的。工业机器人的应用最初是在 20世纪 60年代，后随着电子技术
和计算机技术的发展而迅速发展。机器人因其对多种作业和环境显示出巨大
的通用性而倍受人们的重视，现已成为高技术发展的一个重要内容，并正由
自动化向智能化方向发展。
基本概念
机器人一词最早于 1920年出现在捷克作家 KarelCapek的幻想剧《罗萨
姆的万能机器人》中。在该剧中，机器人——Robota这个词的本意是指苦
力，乃作家笔下的一个具有人的外表、特征和功能的机器。人们通常所说的
机器人，一般具有如下性能特征：
①机器人的动作机构具有类似于人某些器官的功能；
②机器人的动作程序灵活多变，能满足多种工作类型，具有较强的通用
性；
③机器人具有一定的智能，可进行记忆、学习、感觉、推理和决策等；
④机器人在工作中具有独立性和完整性，可以不依赖于人的干预。
关于机器人，国际上还没有统一的严格定义。目前大多数国家都倾向于
美国机器人协会给出的定义，且联合国标准化组织已采纳了该定义，即“机
器人是一种可重复编程的多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；
或具有多种程序化动作，以完成各种任务为目的的特殊系统。”
（AReprogrammableandMultifunctionalManipulator,DevisedfortheTrans
portofMaterials,Parts,ToolsorSpecializedSystems,withVariedandProg
rammedMovements,withtheAimofCarringoutVariedTasks.）
机器人的分类
机器人的分类可以有多种方法，下面介绍几种常见的分类。
② 按工业机器人的复杂程度分：工业机器人
②按机器人结构形式分（图 4-22）：工业机器人
③ 按机器人手部运动坐标形式分（图 4-23）：
工业机器人
机器人的组成
机器人的结构复杂多变，但其系统组成基本都是由执行机构、驱动系统、
控制系统和传感系统组成的。各组成部分之间的关系如图 4-24所示。
1.执行机构
机器人执行机构由一系列构件通过运动副联接所构成，可实现各个方向
图 4-23 机器人手部运动坐标形式
(a) 直角坐标型机器人
Y Z
X
(b) 圆柱坐标型机器人
Z r
θ
(c) 极坐标型机器人
θ r
φ
(d) 关节坐标型机器人
Φ1
Φ2
Φ3
(a) 串联机器人 (b) 并联机器人
图 4-22 机器人的结构型式
手臂
腕关节
手部
立柱
工作平台
基座
驱动器
基座
的运动。机器人执行机构一般包括机身、臂部机构、手部机构、行走机构和
关节机构。
机身是手臂和行走机构之间的连接、支承和传动部件。一般情况下，实
现臂部的升降、回转、俯仰和移动等运动的驱动装置或传动部件都安装在机
身上。根据执行机构坐标系的不同，机身可以是移动的，也可与机座做成一
体；有时还可通过导杆或导槽在机座上移动，以增大机器人的工作空间。
臂部机构是联接机身、腕关节与手部的部件，是机器人的重要执行部件
之一。其作用是支承腕部和手部，并带动它们在空间运动。为使手部能够工
作到空间内的任何位置，臂部机构一般应具有三个或三个以上的自由度，特
殊情况下的专用机器人的臂部自由度可少于三个。
手部机构是机器人直接与工作对象接触或发生关系的部件。机器人手部
按其握持工件的原理可分为两大类：夹持类和吸附类。夹持类又分为内撑式
和外夹式，吸附类又分为气吸式和磁吸式。
行走机构是行走式机器人的重要执行部件。行走机构通常由驱动装置、
传动机构、检测与传感元件等构成。行走机构按其行走轨迹分为固定轨迹式
和无固定轨迹式。无固定轨迹式行走机构根据其结构特点分为轮式、履带式
和步行式行走机构。
关节机构是连接机器人各部件（如机身、行走机构、臂部和手部）的部
件，用于调节手部的位置和姿态。关节机构一般分弯曲式和转动式两种。
2.机器人控制
机器人的控制系统相当于人的大脑，其作用是指挥机器人的动作，调节
机器人与生产系统之间的关系。与一般的伺服系统或过程控制系统相比，机
器人控制系统具有如下特点：
①机器人的控制与机器人运动学和动力学密切相关。
②由于机器人系统具有多个自由度，而每个自由度一般需一个伺服机构。
这些伺服机构必须协调动作，构成一个多变量控制系统。
③描述机器人状态和运动的数学模型是一个非线性模型，随着状态的不
同和外力的变化，其参数也在变化，且各变量之间还存在耦合作用。因此，
机器人控制系统为闭环的，系统中常使用重力补偿、前馈、解耦或自适应控
制的方法。
④机器人的动作往往可通过不同的路径和方法来实现，因而需要寻找最
优方案。故机器人控制系统还应是一个最优控制系统。
综上可以看出，机器人控制系统是一个与运动学和动力学密切相关的、
有耦合的、非线性多变量控制系统。
（1）机器人的控制方式
根据机器人的工作要求不同，在不同的机器人中分别采用不同的控制方
式。机器人常用的控制方式有：
①点位控制。当要求机器人准确地控制其手部的工作位置而无需考虑运
动路径时，常采用此种控制方法。如在印刷电路板上安插电子元件、点焊、
装配等。
②轨迹控制。当要求机器人准确地控制其手部的工作位置且需按照给定
的运动路径和移动速度运动时，则应采用此种控制方法。如进行弧焊、喷漆、
切割等作业。
③力或力矩控制。当机器人在进行装配作业、抓放物体等工作时，除了
要保证准确的位置、轨迹之外，还要求使用适当的力或力矩进行工作，这时
就需采用力或力矩控制。
（2）机器人微机控制系统
机器人微机控制系统分集中控制和分散控制两种。
集中控制就是用一台计算机控制机器人的全部功能。如图 所示，
集中控制方式的控制装置构成简单，但对计算机的性能要求比较高。图中的
位置指令是指经过插补、坐标变换，并根据传感反馈信息进行修正后输出的
指令。
分散控制是利用多台计算机分别对机器人的各个功能进行控制。
3.机器人传感技术
机器人传感器包括内部传感器和外部传感器。内部传感器用以感受机器
人内部信息，如机器人的位移、速度、加速度等。外部传感器用以感受机器
人以外的各种信息，如工件的形状、尺寸，工件的相互位置与受力情况等。
机器人传感技术与机器人的运行精度、适应外部环境变化的能力以及机器人
的智能化水平密切相关。
机器人感觉分类与用途见表 4–5。
表 4–5机器人感觉分类与用途
感觉 用途
视觉
有无对象，对象的形状、大小、种类的识别；
对象的位置、姿态的识别；
对象的伤痕、缺陷、好坏的识别；
对象上的图形、文字的识别；
指令的识别
触觉
对象的重量、硬度、表面状态的识别；
位置偏差的控制；
抓取力、握力的控制
听觉
指令识别；
异常状态的检测、障碍物的检测
外部传感器
其他（温度、振动等） 各种检查、自我保护等
平衡感觉 机器人自身的平衡
内部传感器
其他（位置、速度、转矩） 运动器官的控制、自我保护等
4.机器人软件
早期的机器人采用固定程序控制或示教再现的方式，不存在用机器人语
言编程的问题。然而对动作过程复杂、操作精度要求高的机器人，若采用固
定程序控制，程序编制复杂、困难；如采用示教再现的方式，示教过程费时
很长。采用机器人语言编程，就能克服以上缺点。
当采用计算机控制机器人时，可用通用的计算机语言编程，如汇编语言
及 BASIC，FORTRAN，PASCAL等。但机器人的基本操作并不多，用通用的计
算机语言编程显得麻烦，可读性也差，所以人们开发了许多专用的机器人语
言。
机器人语言是一种描述性语言，把复杂的操作内容用简单的程序表示。
机器人语言具有结构简明、容易扩展、能够对话及简单易学的特点。
从描述操作命令角度看，按照作业描述的功能水平，通常分三级：
①动作级。以机器人末端执行器来描述各种操作，说明每一个动作，这
种语言在工业界常用，如 VAL语言。
②对象级。粗略地描述操作对象的动作、对象之间的关系等，适于组装
作业，如 AL语言。
③任务级。只需给出操作内容，机器人一边思考一边工作，功能水平最
高，但还不够实用化，如 IBM公司的 AUTOPASS语言。
从机器人语言的表面形式，也可分为三类：①汇编型，如 VAL语言。②
编译型，如 AL，LM语言。③自然语言型，如 AUTOPASS语言。
相关语言的详细介绍参见其他机器人相关资料。
工业机器人的应用
在发达国家，机器人广泛的应用于工业、国防、科技和生活等领域。工
业部门应用最多的首推汽车工业和电子行业，在机械制造业也有普遍的应用；
目前应用得最多的为：弧焊、点焊、搬运、装配、切割、打磨、检测等作业，
并逐渐向纤维加工、食品工业、家用电器制造等行业发展。
①焊接机器人
焊接作业包括点焊和弧焊，是使用工业机器人最多的作业类型之一。传
统的点焊机虽然可以降低人的劳动强度，焊接质量也较好，但它适宜少品种、
大批量的流水线生产作业，夹具和焊枪的位置不能随零件的结构、外形和焊
接位置的变化而变化。而点焊机器人可通过编程自动调整末端执行器的空间
位置，以适应不同零件的需要，故特别适用于小批量、多品种的生产环境。
点焊机器人负荷大、动作快，工作点的位姿要求较严，一般要有六个自由度。
弧焊对机器人的运动轨迹要求比较严，基于连续轨迹控制的机器人可以胜任
复杂曲线的焊接。UNIMATE、MOTOMAN、点焊机器人都是典型的焊接机器人。
②喷涂机器人
喷涂作业的工作环境比较恶劣，对人体危害较大，故发达的国家在喷涂
作业时，大量采用喷涂机器人。典型的代表是挪威生产的 TRALLFA6自由度
关节型喷涂机器人，电液或全电动伺服驱动，采用“示教—再现”方式，既
可实现点位控制，也可实现连续轨迹控制。
③搬运机器人
搬运物料的作业机器人和数控机床一起组成柔性加工系统，一条柔性生
产线可配置几台至几十台搬运机器人。典型的代表有 T3和 FANUC机器人等。
④装配机器人
装配机器人是基于机器人视觉技术的发展而产生的用于装配作业的机
器人。其在电子行业运用较多，主要用于电路板的装配以及电动机等产品的
装配。典型的代表是 PUMA700关节型型机器人。它由直流伺服电机驱动，微
机控制点位或连续轨迹，最大的特点是它的是手腕具有较大的柔性，可克服
装配中的误差。
⑤其他工业机器人
国外机器人在航天工业中应用也比较广泛，如铆接装配作业中大量使用
了铆接机器人，此外如电气插头的装配、发动机风扇外壳和高压涡轮的焊接、
外观去毛刺、飞机机身和垂直尾翼钻孔等都采用机器人。现代各国汽车工业
亦大量采用机器人提高加工质量和生产效率。汽车机器人也已经发展成为现
代制造业的重要辅助生产设备。
工业机器人发展趋势
随着计算机技术、微电子技术、网络技术等飞速发展，工业机器人技术
也得到了飞速发展。
①工业机器人整体性能参数不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便
于操作和维修），如通过有限元模拟分析及仿真设计等现代化设计方法的运
用，机器人关键部件已实现了优化设计，精度提高的同时单机价格将会不断
下降。又如微电子技术的发展和大规模集成电路的应用，机器人系统的可靠
性有了很大的提高。同时，采用先进的 RV减速器及交流伺服电动机，大大
方便了机器人系统的操作和维护。
②机械结构向模块化、可重构化发展。比如关节模块中的伺服驱动电机、
减速机、检测系统三位一体化；有关节模块、连杆模块用重组方式构造机器
人。
③工业机器人控制系统向基于 PC机的开放型控制器方向发展，便于标
准化，网络化。各器件集成度提高，控制柜日渐小巧，采用模块化结构，大
大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性；在人机界面方面，采用大屏
幕及菜单方式，更易于操作，基于图形操作的界面也已经问世；新型的网络
通讯功能，使机器人网络化应用成为了可能，亦加快了机器人由专用设备向
标准化设备发展步伐。
④机器人系统中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加
速度等传感器外，视觉、力觉、声觉、触觉等多传感器的融合技术在产品化
系统中已有成熟应用。激光传感器、视觉传感器和力传感器在工业机器人系
统中已得到广泛应用，并实现了利用激光传感器和视觉传感器进行焊缝自动
跟踪以及自动化生产线上物体的自动定位，利用视觉系统和力测量系统进行
精密装配作业等，大大提高了机器人的作业性能和对环境的适应性。日本的
YASKAWA、FANUC和瑞典 ABB、德国 KUKA等公司都推出了此类产品。
数控系统及其在机床应用中的发展趋势
高速数控机床
1高速数控机床的概念
一般认为，凡是切削速度、进给速度高于常规值 5～10倍以上的数控机
床成为高速数控机床。目前高速数控机床的主轴转速一般在 10000r/min以
上，甚至可以高达 60000～100000r/min，主电机功率 15～80KW。进给量和
快速行程速度约在 30～100m/min的范围变化。高速数控机床的高速特性还
表现在主轴和工作台还具有极的加速度性能，主轴从启动到最高转速只用
1～2s的时间，工作台的加（减）速度可达到（1～10）g，g=
2.高速数控机床的关键技术
(1)高速电主轴。电主轴是高速数控机床的关键部件，是实现高速切削的基
础，要求具有很高的转速及相应的功率和扭矩。多数由内装电机直接驱动，
目前国际上高水平的电主轴产品如瑞士Fisher公司和法国ForestLine公司
的产品，Nmax=40000r/min，P=40kw，M=等。电主轴驱动中的关键技
术包括准停的变频驱动，变速精度在 %以内的优化矢量控制，带 C轴功
能的矢量控制。电主轴的轴承多采用陶瓷球轴承、磁浮轴承和空气或流体静
压轴承。
（2）高速进给。传统滚珠丝杠驱动方式下最大进给速度为 20～30m/min，
加速度为 ～03g，而使用直线电动机后最大进给速度可达 80～120m/min,
最大加速度达到 2～10g，定位精度可高达 ～μm。采用快速、精密、
高速度和耐用的直线电动机，避免了滚珠丝杠（齿轮，齿条）传动中的反向
间隙、惯性、摩擦力和刚度不足等缺点，实现了无接触直接驱动，可获得一
致公认的高精度、高速度位移运动（在高速位移中的极高的定位精度和重复
定位精度），并获得极好的稳定性。第一台应用直线电机的高速数控系统是
1993年德国 Ex-clell-O公司生产的 HSC-240型高速加工中心。
（3）高性能刀具技术。对于安装在高速主轴上的旋转类刀具，其结构的
安全性和高精度的动平衡是致关重要的。当主轴转速超过 10000r/min时，
离心力作用使主轴传统的 7：24锥度端口产生张力，其定位精度和连接刚性
降低，震动加剧，甚至发生连接部咬合现象，并会引起刀具整体不平衡。所
以应该采用 HSK(短锥空心柄)连接方式，并对刀具进行等级平衡和主轴自动
平衡。HSK连接具有接触刚度高、夹可靠、重复定位精度高等特点。此外，
在高速切削中刀体材料研究、刀体的安全结构设计等方面也很关键。
3.高速数控机床的技术优势及存在的技术问题
高速数控机床与常规数控机床的技术优势在于：
(1)单位时间的材料切削率可增加 3～6倍；
(2)切削力可降低 30%以上，尤其是径向切削力大幅度降低，特别有利
于薄壁的精密加工；
(3)大量的切削热量（95%～98%）被切屑带走，来不及传递给工件，工
件可基本保持冷态，因此适合加工易受热变形的零件。
(4)高速数控机床加工时的激振频率特别高，远离机床的固有频率，不
会引起共振，因此工作平稳，振动小，可加工非常紧密的零件。例如高速车、
铣可达到磨削的水平。
(5)高速加工过程中切屑是在瞬间切离工件的，因此工件表面的残余应
力很小。
高速数控系统目前也还存在一些技术上的难点，这些问题包括：高速机
床的动态、热态特性，刀具材料、几何形状与耐用度的关系，高速机床刀具、
工夹具及工艺参数，冷却润滑、切屑排除和安全操作，CNC高速高精度控制
系统，加工材料范围的扩大等。
智能数控系统
1.智能数控的概念
随着数控系统的不断发展和深入应用，人们发现它的有些过程控制不能
用单纯的数学方法来建模，相反，采用非数值方式的经验知识却能有效的进
行控制。因此，将人工智能技术引入数控系统，形成了所谓了智能数控系统。
它是计算机技术发展到一定阶段的产物，也是计算机技术在数控系统中广泛
应用的结果。目前应用较成熟的人工智能技术有专家系统、人工神经网络和
人工视觉系统等。
2.专家系统技术在智能数控中的应用
目前专家系统在数控系统中应用主要在数控机床的故障诊断、切削过程
控制、自动编程等方面。其中应用专家系统进行故障诊断是一个典型的应用，
由于数控机床是融合了多个学科知识的技术密集型产品，其故障诊断需要多
门专业知识和丰富的现场经验。因此可以引入专家系统技术，将多个数控机
床维修专家的知识经验抽象成计算机能理解的推理规则，并存放在知识库中，
然后采用适当的推理机制进行故障的分析定位和维修指导。当有新的故障类
型或新的故障排除方案时，利用人机对话，添加或修改知识库的知识。
3.神经网络技术在智能数控中的应用
人工神经网络（ANN）的研究由来已久，是人工智能领域的一个重要的
分支。人工神经网络使对生物神经系统的模拟，其信息处理功能是由网络单
元（神经元）的输入输出特性、网络拓扑结构、神经元之间的连接强度的大
小和神经元的激活阈值等决定的。神经网络拓扑结构一般是固定的，而其学
习归结为连接权值的变化。
神经网络的特点是：分布式存储信息方式保证控制信息的安全性，即使
网络的某一部分出现损坏，可依靠联想记忆功能恢复出原来的信息；并行方
式处理信息，加快了运行速度；在工作过程进行自学习，可调整工作状况适
应工作环境的变化；由多个神经元组成的网络可以逼近任意非线性系统。所
以基于 ANN的控制系统具有较好的适应性、智能性，能够处理高维数、非线
性、强干扰、不确定、难以建模的控制对象。人工神经网络在数控系统中应
用主要体现在利用自适应性神经元实现数控系统位置环软件增益的调节控
制以及利用 ANN来实现数控系统的插补计算等。
4.计算机视觉技术在智能数控中的应用
计算机视觉是来源于计算机图象处理和模式识别技术，目的是使计算机系统
能象人类的视觉系统一样处理识别自己周围的环境，计算机视觉也称为目标
识别、图象理解或景物描述。一个典型的计算机视觉处理系统如图 4-26所
示。
可以看出，一个计算机视觉系统最终的目标是对环境景物的感知，从二
维平面图象中理解三维真实世界，其识别方法与人的感知过程相似。近年来
摄像机
预处理
预处理 世界模型样本
知识
描述
图 4-26 计算机视觉处理系统流程图
随着计算机视觉技术的日益发展，其在数控系统中得到了越来越多的应用，
如装配机器人的视觉辅助可以识别零部件、故障、尺寸和形状，以保证装配
的正确性和质量的控制。同时，还可以按视觉识别的信息，利用物流系统装
卸产品，对快速进行中的工零件识别，调整机床上的工夹具。还可通过视觉
识别，确定物体相对于坐标的位置与姿态，完成物件定位和分类，辩识物体
的位置距离与姿态角度，提取规定参数的特征并完成识别，进行误差的检测
与识别等。图 4-27是工件识别和尺寸检测的计算机视觉系统组成框图。利
用面阵 CCD摄像头获取反射光源的图象信息，经过数字话后进入帧存体，再
输入PC。由PC程序执行工件形状识别和尺寸检测，其尺寸识别精度能到10um
左右。
开放式数控系统
1.开放式数控定义
国外许多企业和政府研究机构在数控系统的开放性方面作了大量的研
究工作，提出一系列数控系统的开放性体系结构。美国 1981年开始的 NGC
（NextGeneratrionControl）计划，最终形成一份开放式系统体系结构规范
SOSAS（SpecificationofanOpenSystemArchitectureStadard），开发了基于
SOSAS的 CNC型 谱 系 列 ， 1994年 又 开 始 了 OMAC
（OpenModularArchitechureControllers）项目的研究；欧共体 1992年在
ESPRIT框 架 内 ， 开 始 了 OSACA
（OpenSystemArchitechureforControlswithinAutomationSystems）项目的
研究，1994年完成了开放式控制系统平台和系统参考结构的定义，1996年
已 经 完 成 了 原 型 系 统 的 开 发 ； 日 本 制 定 的 IMS
（IntelligentManufacturingSystem）系统研究发展计划中，对 CNC系统提
出了标准化和智能化的要求。我国对开放式的数控技术也作了一定的研究，
中科院沈阳计算所正在考虑和制定“新一代机床控制机开放式系统体系结构
标准规范参考模式”；北京机床研究所已经引进了德国 PA公司的开放式 CNC
系统 PA-8000的全套技术，对其产品应用进行开发；
根据 IEEE的定义，一个开放式的系统必须具备不同的应用程序能很好
地运行于不同供应商提供的不同平台之上的能力；不同应用程序之间能够相
互操作并具有统一风格的用户交互环境。根据这一定义，开放式数控
（ONC,OpenNC）系统在软硬件上必须是一个全模块化结构，具有可移植性、
可缩放性、可互换性的特点。
2.开放式数控的关键技术
(1)控制器技术。控制器技术由 I/O控制、CPU、存储器等构成，开放
式数控系统要求生产厂商能根据产品的扭矩、电力容器、功率等参数自由选
择电机和放大器等 I/O控制设备，并能根据需要重新选配 CPU和存储设备，
而不需要对数控系统其他部分进行调整。个人计算机在 ONC中的应用是实现
CPU和存储设备通用化和模块化的主要途径。
(2)接口技术。接口技术包括人机交互接口和网络通信接口等。人机交
互接口要求能实现 ONC与操作人员多途径交互的手段。网络通信接口的开放
性则包含网络硬件设备的开放性和网络通信协议的开放性，目前普遍采用的
基于 TCP/IP协议的以太网已成为网络通信领域事实上的标准，并得到市场
上大多数网络设备的支持，因此，它已逐渐被 ONC广泛采用。
(3)测量技术。ONC还要求具有智能化、无人化、集成化的高灵敏度的
测量系统。
(4)软件技术。目前软件的开放性是 ONC中发展最快的、应用最完善的
部分。由于个人计算机在 CNC中的大量应用，个人计算机支持的高级编程语
言为数控编程、控制软件的编制提供了极大的方便性和灵活性。同时网络技
术的应用，使数控系统能方便的与 CAD/CAM系统实现信息交互。
基于 Internet远程数控系统
1.远程数控系统的结构
近年来，随着 Internet技术的日益发展，远程设计与制造系统的研究
得到了越来越多的关注。远程设计与制造是借助 Internet网络环境，实现
跨地域的多个异地企业协同合作开发生产同一产品，而远程数控技术是远程
制造系统的基础。远程数控系统也可以看作为
LAN1 LAN1 LAN1
CNC CNC CNC… CNC CNC CNC…
图 4-28 远程数控系统结构图
网络数控的一种扩展，一般来说，网络数控系统中所控制的对象在一个
局域网内部，而远程数控的控制对象是分布在不同的局域网中。一个典型的
远程数控系统如图 所示。
2.远程数控系统的关键技术
远程数控系统是一个正在发展和完善的技术，它涉及到分布式网络通信
技术、分布式数据库管理技术以及系统集成技术等多个领域知识，因此这些
相关领域技术的发展是实现远程数控的关键，具体表现在：
(1)分布式网络通信技术。虽然 Internet提供了网络通信的平台，但
满足远程数控系统要求的网络系统与传统的信息网络有一定的区别。首先要
满足数控系统适时控制的要求，目前 Internet上响应时间延迟问题是最大
的障碍。此外，Internet上的信息安全性、系统运行的安全性等问题也还
有待进一步研究。
(2)分布式数据库管理技术。远程数控系统中加工信息可能分布在网络
不同节点上，并且可能以不同的数据结构形式存在。基于 Web的数据库管理
技术提供了 Internet环境下数据库访问的手段，但 Internet环境下有关分
布式数据库的事务管理、数据版本控制、访问机制管理等诸多问题也需进进
一步研究。
(3)分布式制造资源管理。远程数控系统中，数控加工设备可能分布在
不同地点、不同企业中，并且数控设备可能属于不同的生产厂家，因此必须
建立一种合理的管理机制管理这些分布式异构的制造资源。
总之，远程数控技术目前还处于发展阶段，其实用化还有待其相关技术
的发展。远程数控系统是实现远程制造的基础，是实现企业资源优势互补的
有效途径。
特种加工数控系统
从在二十世纪 50年代以来，随着科学技术的发展，传统的机械切削加工逐
渐不能解决一些工艺问题，如难切削材料、一些特殊复杂表面和特殊要求的
零件等的加工。特种加工又称非传统加工，它利用电、化学、光、声、热等
能量去除工件材料，在加工过程中往往工具不接触工件，二者之间不存在显
著的切削力。其加工的难易程度一般与工件机械性能无直接联系。它适于机
械切削加工难以或不能加工的工件的加工。下面主要介绍特种加工中电火花
加工数控系统。
电火花加工作为一种特殊的机械加工方式，其数控系统在结构上和传统
的机械切削加工如车削、铣削、磨削加工等类似，机床都有 X、Y、Z三个坐
标系统。但由于工艺的特殊性，与数控切削加工相比，它又具有以下特点：
（1）由于加工过程中工具和工件之间不存在显著的机械切削力，不需要
大力矩的驱动电机。
（2）加工过程中电蚀量、放电间隙等在每个放电瞬间都不可能完全相同，
而在一定范围内变动，这样恒速进给就不能满足要求。因此，电火花加工进
给系统一般都是采用变速进给，加工过程中随时检测放电状态，根据放电状
态及时调整极间间隙。其进给速度与工件的蚀除速度必须保持平衡才能获得
最大生产率。
（3）进给系统应有很好的低速性能。这是因为工件的蚀除速度一般不高，
所以进给系统必须在低速下能均匀、稳定地进给。
（4）由于加工过程中经常会出现电弧放电或短路现象，这时工具或工件
要迅速作回退运动，因此传动链应尽量短，不能有传动间隙。而且要求有较
高的回退速度，确保不烧伤工件。
从二十世纪 80年代初，出现了一种新的电火花加工技术-电火花铣削
加工（EDMMILL）。电火花铣削加工（EDMMILL）是电火花成型加工（SEDM）
与电火花线切割加工（WEDM）相结合的产物。它是采用标准形状的电极，配
合工作台及主轴的成型运动，像铣削加工一样实现零件的加工。它克服了传
统电火花加工需要制作成型电极的缺点，减少了生产准备时间，降低了生产
成本，并且在加工中易于实现电极的补偿，提高加工柔性。图 4-29是内轮
廓加工示意图，图 4-30是曲面加工示意图。
电火花铣削加工的关键技术之一是 CAD/CAM技术。其 CAD/CAM系统不仅
需要具有数控铣削加工的功能，即三维零件的几何成形规律，而且还要考虑
加工条件的影响，因此数控代码中还应含有加工参数（电参数和非电参数）
代码。另外，电极损耗的在线补偿也是电火花铣削加工系统的关键技术。要
实现电极补偿首先需要掌握电极损耗规律。由于电火花加工工具的损耗要比
机械铣削加工铣刀的磨损规律复杂，很难建立工具损耗的数学模型。目前一
般是在加工过程中，在一定时间间隔内采用电接触式或 CCD光学传感器周期
进行电极检测，根据实际测量出的电极尺寸进行补偿。这种方法能准确测出
电极损耗量，但要不断中断加工过程，不适合实际的加工要求。智能控制技
术中人工神经网络是一个高度非线性的动力学系统，可实现任意非线性映射
关系的逼近，有较好的泛化能力。因此可通过大量工艺试验，建立基于人工
神经网络的电火花铣削加工电极损耗预测模型。从而可在加工中动态、连续、
实时地补偿电极损耗。
虚拟轴数控机床
1.虚拟轴数控机床的工作原理
虚拟轴机床是现代机器人技术、现代伺服驱动技术、数控技术与机床结
构技术相结合的产物，虚拟轴机床主要有六腿并联结构、三腿并联结构、六
滑台并联结构和串并联复合结构。图 4-31是一种典型的虚拟机床结构，由
动、静平台和 6个可伸缩运动杆件组成，各运动杆以球铰与动平台联接，
并由伺服电机和滚珠丝杆副或直线电机实现杆件的伸缩运动，动平台能同时
实现 6个自由度的空间运动。由于这类机床没有传统机床所必需的床身、立
柱等制约机床性能的结构，所以模块化程度高、重量轻和速度快。近年来，
受到了国际机床行业的高度重视。
在虚拟轴机床中，不存在（或不完全存在）对刀具进行导向的物理导轨，
需要以数学模型、信息手段和控制方法确定刀具相对于工件的运动坐标轴，
即加工所需的刀具运动坐标轴（X、Y、Z、A、B、C）是以“软件”模拟出来
的，在这类机床中，由于工作空间（虚拟空间）不等于控制空间（实轴空间），
因此需要通过虚拟映射对刀具运动轨迹进行控制。
2.虚拟轴数控机床的特点
与一般的数控机床相比较，虚拟数控机床具有如下特点：
(1)机械结构简单，零部件通用化、标准化程度高，易于经济化批量生
产。此外，机床整体重量轻，约为常规机床的三分之一到五分之一，因此原
材料消耗少、加工量小，将进一步降低制造成本。
(2)工件固定而主轴相对于工件作多自由度运动，因此将主轴部件做成
电主轴单元，可以有较小的质量，非常有利于获得高的加速度。
(3)该机床的进给机构为空间并联机构，在驱动电机速度相同的条件下
可以获得比采用串联结构的常规数控机床更高的进给速度，有利于满足高速
高效加工对进给速度的要求。
(4)并联机构可以将传动与支撑功能集成一体，驱动杆既是机床的传动
部件又兼做主轴单元的支撑部件，这将降少工件-机床-刀具链中的环节，从
而也就消除了这些环节带来的受力变形和热变形，并可减少联接和传动间隙，
提高接触刚度，有利于提高机床的综合精度。
(5)因机床的主体为并联闭链结构，消除了常规机床中的悬臂环节，经
过合理设计使各驱动杆和有关部件只承受拉压力而不受弯曲力矩；因而使机
床总体刚度进一步提高（可比一般加工中心高 5倍左右）。如果在传动与控
制上处理得当，可以是由此构成的新型机床达到比常规机床高得多的加工精
度和加工质量。
(6)抛弃了传统的固定刀具导向方式，机床上不存在固定导规运动的直
线和旋转工作台以及支承工作台所需的其它部件，因此，刀具在空间的定位
精度和运动轨迹精度完全由传动、检测和控制来保证，从而彻底消除了导轨、
工作台、立柱、横梁等引起的空间几何误差。
(7)机床主轴可作六自由度高速运动，利用这一特点让主轴直接参与换
刀过程，不仅可使刀库配置位置灵活，而且可减少刀库运动的自由度，显著
简化刀库和换刀装置的结构。更重要的是换刀环节的减少和机械结构的简化
将有效提高换刀的可靠性，这在自动化加工系统中是非常重要的。
