1、第1章 概 述 第第 2 2 講：講：數控機床的組成及工作原理數控機床的組成及工作原理第1章 概 述 1.1 數控機床的組成及工作原理數控機床的組成及工作原理 1.1.1 數控機床的組成數控機床的組成 1. 數控機床的概念數控機床的概念數控即數字控制(Numerical Control，簡稱NC)。數控技術即NC技術，是指用數字化信息發出指令并實現自動控制的技術。計算機數控(Computerized Numerical Control，簡稱CNC)是指用計算機實現部分或全部的數控功能。采用數控技術的自動控制系統為數控系統，采用計算機數控技術的自動控制系統為計算機數控系統，其被控對象可以是生產過

2、程或設備。如果被控對象是機床，則稱為數控機床。 第1章 概 述 數控機床的加工過程是：將所需的多個操作步驟(如機床的啟動或停止、主軸的變速、工件的夾緊或松開、刀具的選擇和交換、切削液的開或關等)和刀具與工件之間的相對位移，以及進給速度等都用數字化的代碼來表示，按規定編寫零件加工程序并送入數控系統，經分析處理與計算后發出相應的指令控制機床的伺服系統或其他執行元件，使機床自動加工出所需要的工件。 第1章 概 述 數控機床具有如下特點：(1) 具有柔性化和靈活性，當改變加工零件時，只要改變數控程序即可，所以適合于產品更新換代快的要求。(2) 可以采用較高的切削速度和進給量。(3) 加工精度高，質量穩

3、定。機床本身精度高，此外還可以利用參數的修改進行精度校正和補償。 第1章 概 述 2數控機床的組成1) 1) 程序編制及程序載體程序編制及程序載體數控程序由數控機床自動加工零件所需工作指令組成，包含切削過程中所必需的機械運動、零件輪廓尺寸、工藝參數等加工信息。編制程序的工作可以人工進行，也可以在數控機床以外用計算機自動編程系統來完成。對于幾何形狀比較簡單的零件，程序段不多，可以采用手工編程；對于比較復雜特別是空間曲面零件，由于手工編程繁瑣而費時，且易出錯，需采用自動編程的方法。 第1章 概 述 2) 2) 輸入裝置輸入裝置輸入裝置的作用是將程序載體上的數控代碼信息轉換成相應的電脈沖信號并傳送至

4、數控裝置的存儲器。根據程序控制介質的不同，輸入裝置可以是光電閱讀機、錄放機或軟盤驅動器。最早使用光電閱讀機對穿孔紙帶進行閱讀，之后大量使用磁帶機和軟盤驅動器。有些數控機床不用任何程序存儲載體，而是將程序清單的內容通過數控裝置上的鍵盤，用手工的方式輸入。也可以用通信方式將數控程序由編程計算機直接傳送至數控裝置。 第1章 概 述 3) 3) 數控裝置數控裝置數控裝置是數控機床的核心，包括微型計算機、各種接口電路、顯示器等硬件及相應的軟件。它能完成信息的輸入、存儲、變換、插補運算以及各種控制功能。數控裝置接受輸入裝置送來的脈沖信號，經過編譯、運算和邏輯處理后，輸出各種信號和指令來控制機床的各個部分，

5、并按程序要求實現規定的、有序的動作。這些控制信號是：各坐標軸的進給位移量、進給方向和速度的指令信號；主運動部件的變速、換向和啟停指令信號；選擇和交換刀具的刀具指令信號；控制冷卻、潤滑的啟停，工件和機床部件松開、夾緊，分度工作臺轉位等輔助信號等。 第1章 概 述 數控裝置具備的功能有： 多坐標控制； 實現多種函數的插補； 信息轉換功能，如英制/公制轉換、坐標轉換、絕對值/增量值轉換； 補償功能，如刀具半徑補償、長度補償、傳動間隙補償、螺距誤差補償； 多種加工方式選擇，如可以實現各種加工循環、重復加工； 具有故障自診斷功能； 通信和聯網功能等。 第1章 概 述 4) 4) 強電控制裝置強電控制裝置

6、強電控制裝置是介于數控裝置和機床機械、液壓部件之間的控制系統。其主要作用是接收數控裝置輸出的主軸變速、換向、啟動或停止，刀具的選擇和更換，分度工作臺的轉位和鎖緊，工件的夾緊或松開，切削液的開或關等輔助操作的信號，經必要的編譯、邏輯判斷、功率放大后直接驅動相應的執行元件(如電器、液壓、氣動和機械部件等)，以完成指令所規定的動作，從而實現數控機床在加工過程中的全部自動操作。 第1章 概 述 5) 5) 伺服控制裝置伺服控制裝置伺服系統主要完成機床的運動及運動控制(包括進給運動、主軸運動、位置控制等)，它由伺服驅動電路和伺服驅動電機組成，并與機床上的執行部件和機械傳動部件組成數控機床的進給系統。它接

7、受來自數控裝置的位置控制信息，將其轉換成相應坐標軸的進給運動和精確的定位運動，驅動機床執行機構運動。由于是數控機床的最后控制環節，它的性能將直接影響數控機床的生產效率、加工精度和表面加工質量。 第1章 概 述 6) 6) 機床的機械部件機床的機械部件與傳統的普通機床相比，數控機床機械部件有如下幾個特點：(1) 采用了高性能的主軸及進給伺服驅動裝置，機械傳動結構得到簡化，傳動鏈較短。(2) 機械結構具有較高的動態特性、動態剛度、阻尼剛度、耐磨性以及抗熱變形性能。(3) 較多地采用高效傳動件，如滾珠絲杠螺母副、直線滾動導軌等。(4) 還有一些配套部件(如冷卻、排屑、防護、潤滑、照明、儲運等一系列裝

8、置)和輔屬設備(編程機和對刀儀等)。 第1章 概 述 這些特點較好地滿足了數控技術的要求，并能充分適應數控加工的特點，便于實現自動化控制。(1) 主傳動系統及主軸部件。主傳動電機已逐步被變頻主軸電機和交流調速電機所代替，不再使用普通的交流異步電機或傳統的直流調速電機。由于主軸部件要求實現自動更換刀具或工件，因此主軸上設計有刀具自動夾緊機構。此外還有主軸準停裝置。(2) 進給系統。由于進給系統傳動精度、靈敏性和穩定性將直接影響被加工工件的最后坐標精度和輪廓精度，因此，為減少摩擦阻力，進給系統普遍采用滾珠絲杠螺母副和滾動導軌。 第1章 概 述 (3) 數控回轉工作臺。回轉工作臺通常用來實現數控機床

9、的圓周進給運動，除了用來進行各種圓弧加工或與直線進給聯動進行曲面加工外，還可以實現精確的分度。對于自動換刀的多工序加工中心來說，回轉工作臺已成為一個不可缺少的部件。(4) 刀具及自動換刀系統。對于加工中心類的數控機床，還有存放刀具的刀庫、自動刀具交換裝置、自動交換工作臺等部件。由于數控機床是按預先編制的程序自動進行加工的，因而數控機床所用刀具的標準化、系列化以及編程前刀具的選用和加工前刀具的預調等都很重要。此外，自動換刀系統還應滿足換刀時間短、刀具重復定位精度高、足夠的刀具儲存量、刀庫占地面積小以及安全可靠等要求。 第1章 概 述 1.1.2 數控機床的工作原理數控機床的工作原理1. 工作原理

10、工作原理數控機床是一種高度自動化的機床，它在加工工藝與加工表面形成方法上與普通機床基本相同，最根本的不同在于實現自動化控制的原理與方法上：數控機床是用數字化的信息來實現自動控制的。第1章 概 述 在數控機床上加工零件時，首先要將被加工零件圖上的幾何信息和工藝信息數字化。先根據零件加工圖樣的要求確定零件加工的工藝過程、工藝參數、刀具參數，再按數控機床規定采用的代碼和程序格式，將與加工零件有關的信息如工件的尺寸、刀具運動中心軌跡、位移量、切削參數(主軸轉速、切削進給量、背吃刀量)以及輔助操作(換刀、主軸的正轉與反轉、切削液的開與關)等編制成數控加工程序，然后將程序輸入到數控裝置中，經數控裝置分析處

11、理后，發出指令控制機床進行自動加工。 第1章 概 述 2插補1) 1) 插補的概念插補的概念如何控制刀具或工件的運動是數控機床的核心問題。數控機床的信息數字化就是把刀具與工件的運動坐標分割成一些最小單位量，即最小位移量。數控系統按照程序的要求，經過信息處理、分配，使坐標移動若干個最小位移量，實現刀具與工件的相對運動，完成零件的加工。 第1章 概 述 在數控機床中，刀具的運動軌跡是折線，因此刀具不能嚴格地沿著所加工的曲線運動，只能用折線以一定的精度要求逼近被加工曲線，當逼近誤差相當小時，這些折線之和就接近曲線了。數控機床是以脈沖當量為單位，計算輪廓起點與終點之間的坐標值，進行有限分段，以折代直，

12、以弦代弧，以直代曲，分段逼近，相連成軌跡的。CNC裝置每發出一個脈沖，機床執行部件的最小位移量稱為脈沖當量。常用機床的脈沖當量為0.010.001 mm/脈沖，脈沖當量越小，數控機床精度越高。各種斜線、圓弧、曲線均可由以脈沖當量為單位的微小直線段擬合而成。 第1章 概 述 零件的輪廓形狀是由各種線形如直線、螺旋線、拋物線、自由曲線等構成的，用戶在加工程序中，一般僅提供描述該線形所必需的相關參數。例如，對直線，僅提供起點和終點的坐標值；對圓弧，除必須提供起點和終點的坐標值外，還必須提供圓心相對于起點的位置數值以及圓弧的旋轉方向。因此，數控系統必須在運動過程中實時計算出滿足線形和進給速度要求的若干

13、中間點(在起點和終點之間)，這就是插補。它實質上是根據有限的信息完成“數據密化”的工作。可將插補定義為：插補就是根據給定進給速度和給定輪廓線形的要求，在輪廓的已知點之間計算中間點的方法。 第1章 概 述 數控系統對直線進行的插補計算即為直線插補，對圓弧進行的插補計算為圓弧插補，對其他由線進行的插補計算為其他的曲線插補。數控系統能進行哪幾種線形的插補計算，即具有哪幾種插補功能。目前，絕大多數數控系統只有直線插補功能和圓弧插補功能。因此，數控機床只能作直線進給和圓弧進給，其指令為G01和G02/G03。 第1章 概 述 2) 2) 插補方法的分類插補方法的分類目前常用的插補方法大致分為兩類：脈沖增

14、量插補和數字增量插補。(1) 脈沖增量插補。主要用于采用步進電機驅動的開環系統。每次插補計算結束，CNC裝置向各坐標軸驅動裝置發出一個脈沖，驅動步進電機帶動機床移動部件運動。其基本思想是：用折線來逼近曲線(包括直線)。 第1章 概 述 脈沖增量插補每次插補的結果僅產生一個單位的行程增量(一個脈沖當量)。以一個個脈沖的方式輸出給步進電機。脈沖增量插補的插補速度與進給速度密切相關，還受到步進電機最高運行頻率的限制。脈沖增量插補的實現方法較為簡單，比較容易用硬件來實現，也有用軟件來完成這類算法的。這類插補算法有逐點比較法、最小偏差法、數字積分法等。逐點比較法的基本原理是：數控系統在控制加工過程中，逐點計算和判別加工誤差，與規定的運動軌跡進行比較，由比較結果決定下一步的移動方向。這種算法的特點是：運算直觀，插補誤差小于一個脈沖當量，輸出脈沖均勻，而且輸出脈沖的速度變化小，調節方便。因此，逐點比較法在兩坐標聯動的數控機床中應用較為廣泛。 第1章 概 述 (2) 數字增量插補。主要用于采用交、直流伺服電機為伺服驅動系統的閉環、半閉環數控系統，也可以用于以步進電機為伺服驅動系統的開環數控系統。目前所使用的CNC系統中，大多采用這類插補方法。CNC裝置產生的不是單個脈沖，而是標準的二進制數。其基本思想是，用直線段來逼近曲線(包括直線)。 第1章 概 述 采用數字增量