数控机床的组成.docx

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数控机床的组成

1.1数控机床的组成

数控机床是机电一体化的典型产品，是集机床、计算机、电动机及拖动、动控制、检测等技术为一体的自动化设备。

数控机床的基本组成包括控制介质、数控装置、伺服系统、反馈装置及机床本体，见图2-1。

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图i-i数控机床组成

一、控制介质

数控机床工作时，不要人去直接操作机床，但又要执行人的意图，这就必须在任何数控机床之间建立某种联系，这种联系的中间媒介物称之为控制介质。

在普通机床上加工零件时，由工人按图样和工艺要求进行加工。

在数控机床加工时，控制介质是存储数控加工所需要的全部动作和刀具相对于工件位置等信息的信息载体，它记载着零件的加工工序。

数控机床中，常用的控制介质有穿孔纸带、穿孔卡片、磁带和磁盘或其他可存储代码的载体，至于采用哪一种，则取决于数控装置的类型。

早期时，使用的是8单位（8孔）穿孔纸带，并规定了标准信息代码ISO（国际标准化组织制定）和EIA（美国电子工业协会制定）两种代码。

二、数控装置

数控装置是数控机床的核心。

其功能是接受输入装置输入的数控程序中的加工信息，经过数控装置的系统软件或逻辑电路进行译码、运算和逻辑处理后，发出相应的脉冲送给伺服系统，使伺服系统带动机床的各个运动部件按数控程序预定要求动作。

一般由输入输出装置、控制器、运算器、各种接口电路、CRT显示器等硬件以及相应的软件组成。

数控装置作为数控机床“指挥系统”，能完成信息的输入、存储、变换、插补运算以及实现各种控制功能。

它具备的主要功能如下：

1）多轴联动控制。

2）直线、圆弧、抛物线等多种函数的插补。

3）输入、编辑和修改数控程序功能。

4）数控加工信息的转换功能：

ISO/EIA代码转化，米英制转换，坐标转换，绝对值和相对值的转换，计数制转换等。

5）刀具半径、长度补偿，传动间隙补偿，螺距误差补偿等补偿功能。

6）实现固定循环、重复加工、镜像加工等多种加工方式选择。

7）在CRT上显示字符、轨迹、图形和动态演示等功能。

三、伺服系统

机床上的执行部件和机械传动部件组成数控机床的进给系统，它根据数控装置发来的速度和位移指令控制执行部件的进给速度、方向和位移量。

每个进给运动的执行部件都配有一套伺服系统。

伺服系统的作用是把来自数控装置的脉冲信号转换为机床移动部件的运动，它相当于手工操作人员的手，使工作台（或溜板）精确定位或按规定的

轨迹作严格的相对运动，最后加工出符合图样要求的零件

伺服系统由伺服驱动电动机和伺服驱动装置组成，它是数控系统

的执行部分。

驱动机床执行机构运动的驱动部件，包括主轴驱动单元（主要是速度控制）、进给驱动单元（主要有速度控制和位置控制）、主轴电动机和进给电动机等。

一般来说，数控机床的伺服驱动系统，要求有好的快速响应性能，以及能灵敏且准确地跟踪指令功能。

数控机床的伺服系统有步进电动机伺服系统、直流伺服系统和交流伺服系统，现在常用的是后两者，都带有感应同步器、编码器等位置检测元件，而交流伺服系统正在取代直流伺服系统。

四、反馈装置

反馈装置是闭环（半闭环）数控机床的检测环节，该装置可以包括在伺服系统中，它由检测元件和相应的电路组成，其作用是检测数控机床坐标轴的实际移动速度和位移，并将信息反馈到数控装置或伺服驱动中，构成闭环控制系统。

检测装置的安装、检测信号反馈的位置，决定于数控系统的结构形式。

无测量反馈装置的系统称为开环系统。

由于先进的伺服系统都采用了数字式伺服驱动技术（称为数字伺服），伺服驱动和数控装置间一般都采用总线进行连接。

反馈信号在大多数场合都是与伺服驱动进行连接，并通过总线传送到数控装置，只有在少数场合或采用模拟量控制的伺服驱动（称为模拟伺服）时，反馈装置才需要直接和数控装置进行连接。

伺服电动机内装式脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、测速机、光栅和磁尺等都是NC机床常用的检测器件。

五、机床本体

数控机床中的机床，在开始阶段沿用普通机床，只是在自动变速、刀架或工作台自动转位和手柄等方面作些改变。

随着数控技术的发展，对机床结构的技术性能要求更高，在总体布局、外观造型、传动系统结构、刀具系统以及操作性能方面都已经发生很大的变化。

因为数控机床除切削用量大、连续加工发热多等影响工件精度外，还由于在加工中自动控制，不能由人工进行补偿，所以其设计要求比通用机床更完善，制造要求比通用机床更精密。

数控机床主体，包括床身、主轴、进给机构等机械部件，以及辅助运动装置、液压气动系统、冷却装置等部分。

数控机床的主机结构有下面几个特点：

1）由于采用了高性能的主轴及进给伺服驱动装置，数控机床的机械传动结构得到了简化，传动链较短。

2）数控机床的机械结构具有较高的动态特性、动态刚度、阻尼精度、耐磨性以及抗热变形性能，适应连续地自动化加工。

3）较多地采用高效传动件，如精密滚珠丝杠、直线滚动导轨副、精密齿条、蜗母条、静压、磁浮导轨等。

为了保证数控机床功能的充分发挥，还有一些配套部件。

这些辅助装置的主要作用是根据数控装置输出主轴的转速、转向和起停指令，刀具的选择和交换指令，冷却、润滑装置的起停指令，工件和机床部件的松开、夹紧、工作台转位指令，排屑、防护、照明、储运等辅助指令所提供的信号，以及机床上检测开关的状态信号等，经过必要的编译和逻辑运算，经放大后驱动相应的执行元件，带动机床机械部件、液压气动等辅助装置完成指令规定的动作。

它通常由PLC和强电控制回路构成PLC在结构上可以与CNC—体化（内置式的PLC），也可以是相对独立（外置式的PLC）。

有的还配有编程机和对刀仪等辅助设备。

1.2数控机床的控制对象

从数控机床最终要完成的任务看，主要应对三方面进行控制。

一、主运动控制

和普通机床一样，主运动是形成切削速度并从工件上切除多余材料起主要作用的工作运动，用来完成切削任务。

机床功率主要消耗于主运动，其动力约占整台机床动力的70%-80%。

数控车床的主运动是工件的回转运动，也就是主轴旋转运动，基本控制要实现主轴的正、反转和停止，可自动换档及无级调速；数控钻床、数控铣床和数控磨床的主运动是刀具或砂轮的回转运动；在数控刨削时，刀具或工作台的往复直线运动是主运动；对加工中心和一些数控车床还必须具有准停控制和C轴控制功能。

二、进给运动控制

进给运动是传给刀具或工件的运动，主要配合主运动依次地或连续不断地切除工件上的多余材料，同时形成具有所需几何特性的已加工表面。

进给运动可以是间歇的，也可以是连续进行的。

数控机床的进给运动是通过进给伺服系统来实现的，这是数控机床区别于通用机床的重要方面之一。

伺服控制的最终目的就是实现对机床工作台或刀具的位置控制，伺服系统中所采取的一切措施，都是为了保证进给运动的位置精度。

三、输入/输出（I/O）控制

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，这些状态包括主轴的变频控制，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。

1.3数控机床的工作原理

数控机床加工零件时，首先必须将工件的几何数据和工艺数据等加工信息按规定的代码和格式编制成零件的数控加工程序，这是数控机床的工作指令。

将加工程序用适当的方法输入到数控系统，数控系统对输入的加工程序进行数据处理，输出各种信息和指令，控制机床主运动的变速、起停、进给的方向、速度和位移量，以及其他如刀具选择交换、工件的夹紧松开、冷却润滑的开关等动作，使刀具与工件及其他辅助装置严格地按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数进行工作。

数控机床的运行处于不断地计算、输出、反馈等控制过程中，以保证刀具和工件之间相对位置的准确性，从而加工出符合要求的零

件。

数控机床加工工件的过程见图1-2

图1-2数控机床加工工件的过程

1.4数控机床的特点

数控机床对零件的加工过程，是严格按照加工程序所规定的参数及动作执行的。

它是一种高效能自动或半自动机床，与普通机床相比,具有以下明显特点：

1.适应性强

由于数控机床能实现多个坐标的联动，所以数控机床能完成复杂型面的加工，特别是对于可用数学方程式和坐标点表示的形状复杂的零件，加工非常方便。

当改变加工零件时，数控机床只需更换零件加工的NC程序，不必用凸轮、靠模、样板或其他模具等专用工艺装备，且可采用成组技术的成套夹具。

因此，生产准备周期短，有利于机械产品的迅速更新换代。

所以，数控机床的适应性非常强。

2.加工质量稳定

对于同一批零件，由于使用同一机床和刀具及同一加工程序，刀具的运动轨迹完全相同，并且数控机床是根据数控程序实现计算机控制自动进行加工，可以避免人为的误差，这就保证了零件加工的一致性好，且质量稳定可靠。

3.生产效率高数控机床本身的精度高、刚性大，可以采用较大的切削用量，有效地节省了机动工时。

它还有自动换速、自动换刀和其他辅助操作自动化等功能，使辅助时间大为缩短，而且无需工序间的检验与测量，所以比普通机床的生产效率高3-4倍，对某些复杂零件的加工，生产效率可以提高十几倍甚至几十倍。

数控机床的主轴转速及进给范围都比普通机床大。

目前数控机床的最高进给速度可达到100m/min以上，最小分辨率达0.01um。

一般来说，数控机床的生产能力约为普通机床的3倍，甚至更高。

数控机床的时间利用率高达90%，而普通机床仅为30%-50%。

4.加工精度高

数控机床有较高的加工精度，一般在0.005-0.1mm之间，定位精度普遍可达到0.03mm，重复定位精度为0.01mm。

数控机床的加工精度不受零件复杂程度的影响，机床传动链的反向齿轮间隙和丝杠的螺距误差等都可以通过数控装置自动进行补偿，其定位精度比较高。

同时还可以利用数控软件进行精度校正和补偿。

5.工序集中，一机多用

数控机床，特别是带自动换刀刀架、刀库的数控加工中心，在一次装夹的情况下，几乎可以完成零件的全部加工工序，一台数控机床可以代替数台普通机床。

这样可以减少装夹误差，节约工序之间的中间环节，如半成品的中间检测、暂存、搬运和装夹等辅助时间，还可以节省机床、车间的占地面积，带来较高的经济效益。

加工中心的工艺方案更与普通机床的常规工艺方案不同，常规工艺以“工序分散”为特点，而加工中心则以工序集中为原则，着眼于减少工件的装夹次数，提高重复定位精度。

6.减轻劳动强度

在输入程序并启动后，数控机床就自动地连续加工，直至零件加工完毕。

这样就简化了工人的操作，使劳动强度大大降低。

数控机床是一种高技术的设备，尽管机床价格较高，而且要求具有较高技术水平的人员来操作和维修，但是数控机床的优点很多，它有利于自动化生产和生产管理，使用数控机床的经济效益还是很高的。

7.有利于生产管理的现代化

采用数控机床加工零件，能准确地计算零件的加工工时，并有效地简化了检验、工装和半成品的管理工作，这些都有利于使生产向计算机控制与管理生产方面发展，为实现生产过程自动化创造了条件。

8.生产准备工作复杂

由于整个加工过程采用程序控制，数控加工的前期准备工作较为复杂，包含工艺确定、程序编制等。

9.投资大，维修困难

数控机床是一种高度自动化机床，必须配有数控装置或电子计算机，机床加工精度因受切削用量大、连续加工发热多等影响，使其设计要求比普通机床更加严格，制造要求更精密，因此数控机床的制造成本比较高。

此外，数控机床属于典型的机电一体化产品，控制系统比较复杂、技术含量高，一些元器件、部件精密度较高，同时一些进口机床的技术开发受到条件的限制，所以对数控机床的调试和维修比较困难。