1、數(shù)控機床組成及根本原理1.1 概述 下頁返回數(shù)控技術(shù)的根本概念 數(shù)控技術(shù)、數(shù)控系統(tǒng)與數(shù)控機床 數(shù)控技術(shù)，簡稱數(shù)控Numerical ControlNC是利用數(shù)字化信息對機械運動及加工過程進(jìn)行控制的一種方法。由于現(xiàn)代數(shù)控都采用了計算機進(jìn)行控制，因此，也可以稱為計算機數(shù)控Computerized Numerical ControlCNC。 為了對機械運動及加工過程進(jìn)行數(shù)字化信息控制，必須具備相應(yīng)的硬件和軟件。用來實現(xiàn)數(shù)字化信息控制的硬件和軟件的整體稱為數(shù)控系統(tǒng)Numerical Control System，數(shù)控系統(tǒng)的核心是數(shù)控裝置Numerical Controller。 圖庫1.1 概述 由于

2、數(shù)控系統(tǒng)、數(shù)控裝置的英文縮寫亦采用NC或CNC，因此，在實際應(yīng)用中，在不同場合NC或CNC具有三種不同含義，即：既可以在廣義上代表一種控制技術(shù)，又可以在狹義上代表一種控制系統(tǒng)的實體，此外還可以代表一種具體的控制裝置數(shù)控裝置。 數(shù)控系統(tǒng)和計算機技術(shù)的開展始終保持同步，至今已經(jīng)歷了從電子管、晶體管、集成電路、計算機到微處理機的演變，系統(tǒng)功能的日益增強，應(yīng)用領(lǐng)域的日益擴(kuò)大，開展異常迅速，更新?lián)Q代十分頻繁。下頁上頁返回圖庫附：機床開展的歷史回憶1.1 概述 采用數(shù)控技術(shù)進(jìn)行控制的機床，稱為數(shù)控機床NC機床。它是一種綜合應(yīng)用了計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)、精密測量技術(shù)和機床設(shè)計等先進(jìn)技術(shù)的典型機電一體化產(chǎn)品

3、，是現(xiàn)代制造技術(shù)的根底。機床控制也是數(shù)控技術(shù)應(yīng)用最早、最廣泛的領(lǐng)域，數(shù)控機床的水平代表了當(dāng)前的數(shù)控技術(shù)的性能、水平和開展方向，因此，本書將以數(shù)控機床為主線，介紹數(shù)控技術(shù)的有關(guān)內(nèi)容。 下頁上頁返回圖庫1.1 概述 NC機床、加工中心、FMC、FMS與CIMS 數(shù)控機床種類繁多，有鉆銑鏜類、車削類、磨削類、電加工類、鍛壓類、激光加工類和其他特殊用途的專用數(shù)控機床等等，但凡采用了數(shù)控技術(shù)進(jìn)行控制的機床統(tǒng)稱NC機床。 下頁上頁返回圖庫1.1 概述 NC機床與程控機床 NC機床與程控機床是兩種不同含義的機床，它們的控制要求和控制對象有本質(zhì)的不同。一般來說，機床自動控制主要包括三方面內(nèi)容： 1)機床動作順

4、序的程序控制，典型的有組合機床、自動生產(chǎn)線等的流程與工步控制。其主要控制要求是根據(jù)機床的動作順序表如電磁閥等執(zhí)行元件的動作表。按規(guī)定的順序通過執(zhí)行原件依次動作，完成機床的動作流程。 下頁上頁返回圖庫1.1 概述 NC機床與程控機床 2)主電機與輔助電機的啟動、停止、變速、冷卻、潤滑、排屑、自動換刀等輔助機能的控制。這些控制有的是實現(xiàn)機械加工必須的，有的是機床特殊動作和功能方面的需要。它可以通過繼電器、接觸器、變頻器、調(diào)速器等進(jìn)行控制。 對于只需要上述1、2兩方面控制的加工設(shè)備，稱為程序控制機床，簡稱程控機床。如：組合機床、自動生產(chǎn)線等。可編程控制器Programmable Controller

5、，是實現(xiàn)以上控制的最正確選擇。下頁上頁返回圖庫1.1 概述 NC機床與程控機床 3)刀具或坐標(biāo)軸移動軌跡控制。對刀具運動軌跡進(jìn)行控制，使加工輪廓的必要條件，它包括移動速度控制、移動位置控制、移動軌跡控制等幾個方面的根本要求，必須通過采用數(shù)控技術(shù)才能實現(xiàn)。 在數(shù)控機床上，對于運動部件的位移量控制，一般需要通過檔鐵、行程開關(guān)等檢測元件的發(fā)信和對執(zhí)行元件的通斷控制實現(xiàn)。即便采用了侍服驅(qū)動裝置的程控機床，一般也只能對各運動部件的移動速度、移動位置進(jìn)行單獨的控制和調(diào)整，因此，程控機床能夠?qū)崿F(xiàn)點位控制，但不能實現(xiàn)各部件間的“聯(lián)動，任意改變坐標(biāo)軸或刀具在平面或空間的移動軌跡，故不能成為數(shù)控機床。下頁上頁返回

6、圖庫1.1 概述 NC機床與程控機床 在數(shù)控機床上，通過數(shù)控系統(tǒng)的“插補運算，實現(xiàn)了坐標(biāo)軸的聯(lián)動功能。它不僅可以控制移動部件的起點與終點坐標(biāo)，而且還能同時控制各運動部件每一時刻的速度和位移，以及各運動部件間的相互關(guān)系，從而可以將工件加工要求的輪廓形狀。這是數(shù)控機床與其他機床的本質(zhì)區(qū)別，也是機床采取數(shù)控技術(shù)的根本原因。下頁上頁返回圖庫 1.1 概述 下頁上頁返回數(shù)控系統(tǒng)及其組成 機床數(shù)控系統(tǒng)的根本組成 數(shù)控系統(tǒng)是所有數(shù)控設(shè)備的核心。數(shù)控系統(tǒng)的主要控制對象是坐標(biāo)軸的位移包括移動速度、方向、和位置等，其控制信息主要來源于數(shù)控加工或運動控制程序。因此，作為數(shù)控系統(tǒng)最根本的組成應(yīng)該包括：程序的輸入/輸出

7、裝置、數(shù)控裝置、伺服驅(qū)動這三局部。 圖庫 1.1 概述 下頁上頁返回數(shù)控系統(tǒng)及其組成 機床數(shù)控系統(tǒng)的根本組成 1輸入/輸出裝置 輸入/輸出裝置的主要作用是進(jìn)行數(shù)控加工或運動控制程序、加工與控制數(shù)據(jù)、機床參數(shù)以及坐標(biāo)軸位置、檢測開關(guān)的狀態(tài)等數(shù)據(jù)的輸入、輸出。鍵盤和顯示器是任何數(shù)控設(shè)備必須的最根本的輸入輸出裝置。此外，根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的不同，還可以配光電閱讀機、磁帶機或軟盤驅(qū)動器等。作為外圍設(shè)備，計算機是目前常用的輸入/輸出裝置之一。 圖庫 1.1 概述 下頁上頁返回數(shù)控系統(tǒng)及其組成 機床數(shù)控系統(tǒng)的根本組成 2數(shù)控裝置 數(shù)控裝置是數(shù)控系統(tǒng)的核心。它由輸入/輸出接口線路、控制器、運算器和存儲器等局部組成

8、。數(shù)控裝置的作用是將輸入裝置輸入的數(shù)據(jù)，通過內(nèi)部的邏輯電路或控制軟件進(jìn)行編譯、運算和處理，并輸出各種信息和指令，以控制機床的各局部進(jìn)行規(guī)定的動作。 在這些控制信息和指令中，最根本的是坐標(biāo)軸的進(jìn)給速度、進(jìn)給方向和進(jìn)給位移量指令；它經(jīng)插補運算后生成，提供給伺服驅(qū)動，經(jīng)驅(qū)動器放大，最終控制坐標(biāo)軸的位移。它直接決定了刀具或坐標(biāo)軸的移動軌跡。 圖庫 1.1 概述 下頁上頁返回數(shù)控系統(tǒng)及其組成 機床數(shù)控系統(tǒng)的根本組成 此外，根據(jù)系統(tǒng)和設(shè)備的不同，如：在數(shù)控機床上，還可能有主軸的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向和起、停指令；刀具的選擇和交換指令；冷卻、潤滑裝置的起、停指令；工件的松開、夾緊指令；工作臺的分度等輔助指令。在根本的數(shù)

9、控系統(tǒng)中，它們是通過接口，以信號的形式提供外部輔助控制裝置，由外部輔助控制裝置對以上信號進(jìn)行必要的編譯和邏輯運算，放大后驅(qū)動相應(yīng)的執(zhí)行元件，帶動機床機械部件、液壓氣動等輔助裝置完成指令規(guī)定的動作。 圖庫 1.1 概述 下頁上頁返回數(shù)控系統(tǒng)及其組成 機床數(shù)控系統(tǒng)的根本組成 3伺服驅(qū)動 伺服驅(qū)動通常由伺服放大器亦稱：驅(qū)動器、伺服單元和執(zhí)行機構(gòu)等局部組成。 在數(shù)控機床上，目前一般采用交流伺服電動機作為執(zhí)行機構(gòu)；在先進(jìn)的高速加工機床上，已經(jīng)開始使用直線電動機。 圖庫 1.1 概述數(shù)控系統(tǒng)及組成：NC(CNC)、SV與PC(PLC、PMC) NC(CNC) ：數(shù)控Numerical Control的常用

10、英文縮寫。由于現(xiàn)代數(shù)控都采用了計算機控制，因此，可以認(rèn)為NC 和CNC 的含義完全等同。如前所述，NC(CNC)在廣義上代表一種控制技術(shù)-數(shù)控技術(shù)；在狹義上代表一種控制系統(tǒng)的實體-數(shù)控系統(tǒng)；此外，還可以代表 一種具體的控制裝置-數(shù)控裝置。下頁上頁返回圖庫 1.1 概述數(shù)控系統(tǒng)及組成：NC(CNC)、SV與PC(PLC、PMC) SV ：伺服驅(qū)動Servo Drive,簡稱伺服的常用英文縮寫。按日本JIS標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的術(shù)語，它是“以物體的位置、方向、狀態(tài)等作為空置量，追蹤目標(biāo)值的任意變化的控制機構(gòu)。簡言之，它是一種能夠自動跟隨目標(biāo)位置等物理量的控制裝置。 在數(shù)控機床上，伺服驅(qū)動的作用主要有兩個方面：

11、一是按照數(shù)控裝置給定的速度運行；二是按照數(shù)控裝置給定的位置定位。因此，伺服驅(qū)動的精度和動態(tài)響應(yīng)性能是影響數(shù)控機床的加工進(jìn)度、外表質(zhì)量和生產(chǎn)率的重要因素之一。 下頁上頁返回圖庫 1.2數(shù)控機床的根本組成和工作原理數(shù)控機床的根本組成 在數(shù)控機床上，為了進(jìn)行零件的加工，可以通過如下步驟進(jìn)行： 1根據(jù)被加工零件的圖樣與工藝方案，用規(guī)定的代碼和程序格式，將刀具的移動軌跡、加工工藝過程、工藝參數(shù)、切削用量等編寫成數(shù)控系統(tǒng)能夠識別的指令形式。 2將所編寫的加工程序輸入數(shù)控裝置。 3數(shù)控裝置對輸入的程序代碼進(jìn)行譯碼、運算處理，并向各坐標(biāo)軸的伺服驅(qū)動裝置和輔助機能控制裝置發(fā)出響應(yīng)的控制信號，以控制機床的各部件的

12、運動。下頁上頁圖庫返回 1.2數(shù)控機床的根本組成和工作原理數(shù)控機床的根本組成 4在運動過程中，數(shù)控系統(tǒng)需要隨時檢測機床的坐標(biāo)軸位置、行程開關(guān)的狀態(tài)等，并與程序的要求相比較，以決定下一步動作，直到加工出合格的零件。 5操作者可以隨時對機床的加工情況、工作狀態(tài)進(jìn)行觀察、檢查，必要時還需要對機床動作和加工程序進(jìn)行調(diào)整，以保證機床平安、可靠地運行。 由此可知，作為數(shù)控機床的根本組成，它應(yīng)包括：輸入/輸出裝置、數(shù)控裝置、伺服驅(qū)動和反響裝置、輔助控制裝置以及機床本體等局部 。 見圖1-1 數(shù)控機床的根本組成 下頁上頁圖庫返回 1.2數(shù)控機床的根本組成和工作原理數(shù)控機床的根本組成 圖1-1中的輸入/輸出裝置

13、、數(shù)控裝置、伺服驅(qū)動和反響裝置構(gòu)成了機床數(shù)控系統(tǒng)，其作用見前述。測量裝置的作用是檢測數(shù)控機床坐標(biāo)軸的實際位置和移動速度，檢測信號被反響輸入到機床的數(shù)控裝置或伺服驅(qū)動中，數(shù)控裝置或伺服驅(qū)動對反響的實際位置和速度與給定值進(jìn)行比較，并向機床輸出新的位移、速度指令。檢測裝置的安裝、檢測信號反響的位置，決定于數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式。 下頁上頁圖庫返回 1.2數(shù)控機床的根本組成和工作原理數(shù)控機床的根本組成 數(shù)控裝置發(fā)出的一個進(jìn)給脈沖所對應(yīng)的機床坐標(biāo)軸的位移量，稱為數(shù)控機床的最小移動單位，亦稱脈沖當(dāng)量。根據(jù)機床精度的不同，常用的脈沖當(dāng)量有0.01mm、0.005mm、0.001mm等，在高精度數(shù)控機床上，可以到

14、達(dá)0.0005mm、0.0001mm甚至更小。 下頁上頁圖庫返回 1.2數(shù)控機床的根本組成和工作原理數(shù)控機床的根本組成 輔助控制裝置的主要作用是根據(jù)數(shù)控裝置輸出的主軸轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向和啟停指令；刀具的選擇和交換指令；冷卻、潤滑裝置的啟停指令；工件和機床部件的松開、夾緊與工作臺轉(zhuǎn)位等輔助指令所提供的信號，以及機床上檢測開關(guān)的狀態(tài)等信號，經(jīng)過必要的編譯和邏輯運算，經(jīng)放大后驅(qū)動相應(yīng)執(zhí)行的元件，帶動機床機械部件、液壓氣動等輔助裝置完成規(guī)定的動作。輔助控制裝置通常由PLC和強電控制回路構(gòu)成。下頁上頁圖庫返回 1.2數(shù)控機床的根本組成和工作原理數(shù)控機床的根本組成 機床本體與傳統(tǒng)的機床根本相同，它也是由主傳動系統(tǒng)

15、、進(jìn)給傳動系統(tǒng)、床身、工作臺以及輔助運動裝置、液壓氣動系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、冷卻裝置等局部組成。但為了滿足數(shù)控的要求，充分發(fā)揮機床性能，它在總體布局、外觀造型、傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、刀具系統(tǒng)以及操作性能方面都已發(fā)生了很大的變化。 下頁上頁圖庫返回 1.2數(shù)控機床的根本組成和工作原理數(shù)控機床的工作原理 在傳統(tǒng)的金屬切削機床上，零件加工是由操作者根據(jù)圖樣的要求，通過不斷改變刀具的運動軌跡和運動速度等參數(shù)，使刀具對工件進(jìn)行切削加工，最終加工出合格零件。下頁上頁圖庫返回 1.2數(shù)控機床的根本組成和工作原理數(shù)控機床的工作原理 數(shù)控機床的加工，其實質(zhì)是應(yīng)用了“微分原理。其工作原理與過程如下如圖1-2所示： 1數(shù)控裝置根

16、據(jù)加工程序要求的刀具軌跡，將軌跡按機床對應(yīng)的坐標(biāo)軸，以最小移動量脈沖當(dāng)量進(jìn)行微分圖1-2中的X、Y，并計算出各軸需要移動的脈沖數(shù)。 2通過數(shù)控裝置的插補軟件或插補運算器，把要求的軌跡用以“最小移動單位為單位的等效折線進(jìn)行擬合，并找出最接近理論軌跡的擬合折線。 3數(shù)控裝置根據(jù)擬合折線的軌跡，給相應(yīng)的坐標(biāo)軸連續(xù)不斷地分配進(jìn)給脈沖，并通過伺服驅(qū)動使機床坐標(biāo)軸按分配的脈沖運動。下頁上頁圖庫返回 1.2數(shù)控機床的根本組成和工作原理數(shù)控機床的工作原理 由上可見：第一、只要數(shù)控機床的最小移動量脈沖當(dāng)量足夠小，所用的擬合折線就平安可以等效代替理論曲線；第二、只要改變坐標(biāo)軸的脈沖分配方式，既可以改變擬合折線的形

17、狀，從而到達(dá)改變加工軌跡的目的；第三、只要改變分配脈沖的頻率，既可以改變坐標(biāo)軸刀具的運動速度。這樣就實現(xiàn)了數(shù)控機床控制刀具移動軌跡的根本目的。以上根據(jù)給定的數(shù)學(xué)函數(shù)，在理想軌跡輪廓的點之間，通過數(shù)據(jù)點的變化，確定一些中間點的方法，稱為插補。顯然，當(dāng)數(shù)控機床的聯(lián)動軸數(shù)越多，機床加工輪廓的性能就越強。因此，聯(lián)動軸的數(shù)量是衡量數(shù)控機床性能的重要技術(shù)指標(biāo)之一。下頁上頁圖庫返回1.3 數(shù)控機床的分類 數(shù)控機床品種規(guī)格繁多，對數(shù)控機床的分類方法較多，但定義明確、分類較為確切的一般有下面幾種分類方法。 下頁上頁圖庫返回按加工工藝方法分類 按伺服驅(qū)動的特點分類其他分類1.3 數(shù)控機床的分類下頁上頁圖庫返回1.

18、3 數(shù)控機床的分類下頁上頁圖庫返回錐度電火花線切割機床 1.3 數(shù)控機床的分類下頁上頁圖庫返回數(shù)控車床1.3數(shù)控機床的分類按加工工藝方法分類：普通數(shù)控機床: 普通數(shù)控機床是指加工用途、加工工藝相對單一的數(shù)控機床。 加工中心 : 在普通數(shù)控機床增加自動換刀裝置ATC可以成為加工中心 下頁上頁圖庫返回1.3數(shù)控機床的分類按伺服驅(qū)動的特點分類：開環(huán)控制數(shù)控機床 半閉環(huán)控制數(shù)控機床 閉環(huán)控制數(shù)控機床下頁上頁圖庫返回1.3數(shù)控機床的分類按伺服驅(qū)動的特點分類：開環(huán)控制數(shù)控機床下頁上頁圖庫返回 無位置反響裝置的數(shù)控機床稱為開環(huán)控制數(shù)控機床。使用步進(jìn)電動機包括電液脈沖馬達(dá)作為伺服執(zhí)行元件，是其最明顯的特點。在

19、開環(huán)控制數(shù)控機床中，數(shù)控裝置輸出的脈沖，經(jīng)過步進(jìn)驅(qū)動器的環(huán)形分配器或脈沖分配軟件的處理，并通過驅(qū)動電路進(jìn)行功率放大，最終控制了步進(jìn)電動機的角位移。步進(jìn)電動機再經(jīng)過減速裝置或直接聯(lián)接帶動了絲桿旋轉(zhuǎn)，通過絲桿將角位移轉(zhuǎn)換為移動部件的直線位移。因此，控制步進(jìn)電動機的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速，就可以間接控制移動部件的移動速度與位移量。 1.3數(shù)控機床的分類按伺服驅(qū)動的特點分類：半閉環(huán)控制數(shù)控機床下頁上頁圖庫返回 特點是：機床的轉(zhuǎn)動絲桿或伺服電動機上裝有角位移檢測裝置如光電編碼器等，通過它檢測絲桿的轉(zhuǎn)角，從而間接地檢測了移動部件的位移。角位移信號被反響到數(shù)控裝置或伺服驅(qū)動中，實現(xiàn)了從數(shù)控裝置到電動機輸出轉(zhuǎn)角間的閉環(huán)自

20、動調(diào)節(jié)。同樣，由于伺服電動機和絲桿相連，通過絲桿將旋轉(zhuǎn)活動轉(zhuǎn)換為移動部件的直線位移，因此，間接控制了移動部件的移動速度與位移量。這種結(jié)構(gòu)，只對電動機或絲桿的角位移進(jìn)行了閉環(huán)控制，沒有實現(xiàn)對最終輸出的直線位移的閉環(huán)控制，故稱為“半閉環(huán)控制。1.3數(shù)控機床的分類按伺服驅(qū)動的特點分類：閉環(huán)控制數(shù)控機床下頁上頁圖庫返回 特點是：機床移動部件上直接安裝直線位移檢測裝置，檢測裝著檢測最終位移輸出量。實際位移值被反響到數(shù)控裝置或伺服驅(qū)動中，它可以直接與輸入的指令位移值進(jìn)行比較，用誤差進(jìn)行控制，最終實現(xiàn)移動部件的精確運動和定位。從理論上說，對于這樣的閉環(huán)系統(tǒng)，其運動精度僅取決于檢測裝置的檢測精度，它與機械傳動的誤差無關(guān)，顯然，其精度將高于半閉環(huán)系統(tǒng)。而且，它可以對傳動系統(tǒng)的間隙、磨損能自動補償，其精度保持性要比半閉環(huán)系統(tǒng)好得多。1.3 數(shù)控機床的分類下頁上頁圖庫返回 除以上兩種分類方法以外，數(shù)控機床還可以按照功能水平、功能特點等不同的分類方法分類，但這些分類方法的定義均不夠確切，概念比較模糊，不同種類機床之間很難規(guī)定出明確的界限，在此從略。1.4 數(shù)控機床的特點 加工精度高 數(shù)控機床的脈沖當(dāng)量小，位置分辨率高;數(shù)控系統(tǒng)具備誤差自動補償功能;數(shù)控機床的傳動系