數(shù)控機(jī)床的組成及基本工作原理

1、12 數(shù)控機(jī)床的組成及基本工作原理一、數(shù)控機(jī)床組成 數(shù)控機(jī)床由：程序、輸人/輸出裝置、CNC單元、伺服系統(tǒng)、位置反饋系統(tǒng)、機(jī)床本體組成。1、程序的存儲(chǔ)介質(zhì)，又稱程序載體1) 穿孔紙帶（過時(shí)、淘汰）；2) 盒式磁帶（過時(shí)、淘汰）；3) 軟盤、磁盤、U盤；4) 通信。2、輸人/輸出裝置1) 對(duì)于穿孔紙帶，配用光電閱讀機(jī)；（過時(shí)、淘汰）；2) 對(duì)于盒式磁帶，配用錄放機(jī)；（過時(shí)、淘汰）；3) 對(duì)于軟磁盤，配用軟盤驅(qū)動(dòng)器和驅(qū)動(dòng)卡；4) 現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床，還可以通過手動(dòng)方式(MDI方式)；5) DNC網(wǎng)絡(luò)通訊、RS232串口通訊。3、CNC單元CNC單元是數(shù)控機(jī)床的核心，CNC單元由信息的輸入、處理和輸出三個(gè)

2、部分組成。CNC單元接受數(shù)字化信息，經(jīng)過數(shù)控裝置的控制軟件和邏輯電路進(jìn)行譯碼、插補(bǔ)、邏輯處理后，將各種指令信息輸出給伺服系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行部件作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。其它的還有主運(yùn)動(dòng)部件的變速、換向和啟停信號(hào)；選擇和交換刀具的刀具指令信號(hào)，冷卻、潤(rùn)滑的啟停、工件和機(jī)床部件松開、夾緊、分度臺(tái)轉(zhuǎn)位等輔助指令信號(hào)等。準(zhǔn)備功能：G00,G01,G02,G03,輔助功能：M03，M04刀具、進(jìn)給速度、主軸：T，F(xiàn)，S4、伺服系統(tǒng) 由驅(qū)動(dòng)器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成，并與機(jī)床上的執(zhí)行部件和機(jī)械傳動(dòng)部件組成數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)。它的作用是把來自數(shù)控裝置的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)床移動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)。對(duì)于步進(jìn)電機(jī)來說，每一個(gè)脈沖信號(hào)使電機(jī)轉(zhuǎn)過

3、一個(gè)角度，進(jìn)而帶動(dòng)機(jī)床移動(dòng)部件移動(dòng)一個(gè)微小距離。每個(gè)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行部件都有相應(yīng)的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，整個(gè)機(jī)床的性能主要取決于伺服系統(tǒng)。如三軸聯(lián)動(dòng)的機(jī)床就有三套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 脈沖當(dāng)量：每一個(gè)脈沖信號(hào)使機(jī)床移動(dòng)部件移動(dòng)的位移量。常用的脈沖當(dāng)量為0.001mm/脈沖。5、位置反饋系統(tǒng)（檢測(cè)反饋系統(tǒng)）伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角位移的反饋、數(shù)控機(jī)床執(zhí)行機(jī)構(gòu)(工作臺(tái))的位移反饋。包括光柵、旋轉(zhuǎn)編碼器、激光測(cè)距儀、磁柵等。（作業(yè)：讓同學(xué)們網(wǎng)上查找反饋元件，下節(jié)課用5分鐘自述所查內(nèi)容）反饋裝置把檢測(cè)結(jié)果轉(zhuǎn)化為電信號(hào)反饋給數(shù)控裝置，通過比較，計(jì)算實(shí)際位置與指令位置之間的偏差，并發(fā)出偏差指令控制執(zhí)行部件的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。反饋系統(tǒng)包括半閉

4、環(huán)、閉環(huán)兩種系統(tǒng)。6、機(jī)床的機(jī)械部件1) 主運(yùn)動(dòng)部件2) 進(jìn)給部件（工作臺(tái)、刀架）3) 基礎(chǔ)支承件（床身、立柱等）4) 輔助部分，如液壓、氣動(dòng)、冷卻和潤(rùn)滑部分等5) 儲(chǔ)備刀具的刀庫(kù)，自動(dòng)換刀裝置(ATC)對(duì)于加工中心類的數(shù)控機(jī)床，還有存放刀具的刀庫(kù)、交換刀具的機(jī)械手等部件，數(shù)控機(jī)床機(jī)械部件的組成與普通機(jī)床相似，但傳動(dòng)結(jié)構(gòu)要求更為簡(jiǎn)單，在精度、剛度、抗震性等方面要求更高，而且其傳動(dòng)和變速系統(tǒng)更便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化擴(kuò)展。置檢測(cè)裝置伺服驅(qū)動(dòng)及位 數(shù) 控 裝 置 CNC機(jī) 床 主 進(jìn) 輔運(yùn) 給 助動(dòng) 運(yùn) 動(dòng)機(jī) 動(dòng) 作構(gòu) 機(jī) 機(jī) 構(gòu) 構(gòu)輸入裝置程序編制電控制裝置輔助控制及強(qiáng)圖1-1 數(shù)控機(jī)床的組成二、工作步驟

5、（合上書，閉眼想1分鐘）在數(shù)控機(jī)床上加工零件要經(jīng)過以下的步驟：（1)準(zhǔn)備階段：根據(jù)加工零件的圖紙，確定有關(guān)加工數(shù)據(jù)（刀具軌跡坐標(biāo)點(diǎn)、加工的切削用量、刀具尺寸信息等）。根據(jù)工藝方案、選用的夾具、刀具的類型等選擇有關(guān)其他輔助信息。將與加工零件有關(guān)的信息：工件與刀具相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡的尺寸參數(shù)（進(jìn)給執(zhí)行部件的進(jìn)給尺寸）切削加工的工藝參數(shù)（主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度、切削深度等）各種輔助操作（主運(yùn)動(dòng)變速、刀具變換、冷卻潤(rùn)滑液?jiǎn)⑼！⒐ぜA緊松開）（2）編程階段根據(jù)加工工藝信息，用機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)能識(shí)別的語言編寫數(shù)控加工程序（對(duì)加工工藝過程的描述），并填寫程序單。（3）準(zhǔn)備信息載體根據(jù)已編好的程序單，將程序存放在信息載

6、體（穿孔帶、磁帶、磁盤等）上，通過信息載體將全部加工信息傳給數(shù)控系統(tǒng)。若數(shù)控加工機(jī)床與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)時(shí)，可直接將信息載入數(shù)控系統(tǒng)。（4）加工階段當(dāng)執(zhí)行程序時(shí)，機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)（CNC）將加工程序語句譯碼、運(yùn)算，轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)各運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)作指令，在系統(tǒng)的統(tǒng)一協(xié)調(diào)下驅(qū)動(dòng)各運(yùn)動(dòng)部件的適時(shí)運(yùn)動(dòng)，自動(dòng)完成對(duì)工件的加工?？偟恼f來，數(shù)控機(jī)床就是將與加工零件有關(guān)的信息，用規(guī)定的文字、數(shù)字和符號(hào)組成的代碼，按一定的格式編寫成加工程序單，將加工程序通過控制介質(zhì)輸入到數(shù)控裝置中，由數(shù)控裝置經(jīng)過分析處理后，發(fā)出各種與加工程序相對(duì)應(yīng)的信號(hào)和指令控制機(jī)床進(jìn)行自動(dòng)加工。RS-232端具有DB9針式（DTE）和DB9孔式（DCE）兩種

7、接口可供選擇。用戶在訂購(gòu)時(shí)，根據(jù)需要選擇RS-232串口類型。圖 RS-232接口形狀圖 RS-232實(shí)物 金壇四海電機(jī)（步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器）圖 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器130BYG永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)圖 驅(qū)動(dòng)器接線實(shí)物圖圖 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連接示意圖圖 伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器實(shí)物圖圖 伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器連接實(shí)物圖13 數(shù)控機(jī)床的分類及應(yīng)用范圍數(shù)控機(jī)床的品種很多，根據(jù)其控制原理、功能和組成，可以從幾個(gè)不同的角度進(jìn)行分類：一、按工藝用途分類：數(shù)控機(jī)床是從普通機(jī)床的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，各種類型的數(shù)控機(jī)床基本上起源于同類型的普通機(jī)床，按工藝用途分為：1)數(shù)控車床（NC Lathe）2)數(shù)控銑床（NC Milling Mac

8、hine）3)加工中心（Machine Center）4)數(shù)控鉆床（NC Drilling Machine）5)數(shù)控鏜床（NC Boring Machine）6)數(shù)控平面磨床（NC Surface Grinding Machine）7)數(shù)控外圓磨床（NC External Grinding Machine）8)數(shù)控輪廓磨床（NC Contour Grinding Machine）9)數(shù)控坐標(biāo)磨床（NC Jig Grinding Machine）10)數(shù)控工具磨床（NC Tool Grinding Machine）11)數(shù)控電火花加工機(jī)床（NC Diesinking Electric Disch

9、arge Machine）（NC EDM Machine）12)數(shù)控線切割機(jī)床（NC Wire Electric Discharge Machine）13)數(shù)控激光加工機(jī)床（NC Laser Beam Machine）14)數(shù)控工具磨床（NC Punching Machine or Punching Press）15)數(shù)控超聲波加工機(jī)床（NC Ultrasonic Machine）16)數(shù)控齒輪加工機(jī)床 （NC Gear Holling Machine）還有數(shù)控等離子切割機(jī)，數(shù)控火焰切割機(jī)、數(shù)控折彎?rùn)C(jī)、數(shù)控彎管機(jī)、數(shù)控水切割機(jī)等等。二、按運(yùn)動(dòng)方式分類：1)點(diǎn)位控制系統(tǒng) （Positioning

10、 Control）只控制刀具從一點(diǎn)移到另一點(diǎn)的位置，而在移動(dòng)過程中不進(jìn)行切削加工，如坐標(biāo)鏜床、鉆床和沖床等。要求坐標(biāo)位置有較高的定位精度，為提高生產(chǎn)效率，采用機(jī)床設(shè)定的最高進(jìn)給速度進(jìn)行定位運(yùn)動(dòng)，在接近定位點(diǎn)前要進(jìn)行分級(jí)或連續(xù)降速，以便低速趨近終點(diǎn)，從而減少運(yùn)動(dòng)部件的慣性過沖和因此引起的定位誤差。在定位移動(dòng)過程中不進(jìn)行切削加工，因此對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡沒有任何要求。2)直線控制系統(tǒng) （StraightLine Control）直線控制系統(tǒng)是控制刀具或基礎(chǔ)工作臺(tái)以一定速度，沿平行于某一坐標(biāo)軸方向，由一個(gè)位置到另一位置的精確移動(dòng)。也稱點(diǎn)位直線移動(dòng)控制系統(tǒng)。3)輪廓控制系統(tǒng) （Contour Control）(

11、又稱連續(xù)控制或多坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)控制)是對(duì)兩個(gè)或兩個(gè)以上的坐標(biāo)軸同時(shí)進(jìn)行控制(二軸、二軸半、三軸、四軸、五軸聯(lián)動(dòng))，它不僅要控制機(jī)床移動(dòng)部件的起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)，而且要控制整個(gè)加工過程的每一點(diǎn)的速度、方向和位移量，即要控制加工的軌跡，加工出要求的輪廓。運(yùn)動(dòng)軌跡是任意斜率的直線、圓弧、螺旋線等。這類機(jī)床的數(shù)控裝置的功能是最齊全的，能夠進(jìn)行兩坐標(biāo)甚至多坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)的控制，也能夠進(jìn)行點(diǎn)位和直線控制。除了少數(shù)專用的數(shù)控機(jī)床，如數(shù)控鉆床、沖床等以外，現(xiàn)代的數(shù)控機(jī)床都具有輪廓控制功能。三、按控制方式分類：實(shí)際上是按有無反饋及反饋的位置來分：1) 開環(huán)數(shù)控機(jī)床（Open Loop Control）指不帶反饋的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)

12、內(nèi)沒有位置反饋元件，通常采用步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。輸入的數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)算，發(fā)出指令脈沖，通過環(huán)形分配器和驅(qū)動(dòng)電路，使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角，再經(jīng)過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)一個(gè)脈沖當(dāng)量的距離。移動(dòng)部件的移動(dòng)速度和位移由輸入脈沖的頻率和脈沖個(gè)數(shù)決定的。2) 半閉環(huán)數(shù)控機(jī)床(Semi-closed Loop Control)在驅(qū)動(dòng)電機(jī)端部或在傳動(dòng)絲杠端部安裝角位移檢測(cè)裝置（光電編碼器或感應(yīng)同步器），通過檢測(cè)電機(jī)或絲杠的轉(zhuǎn)角間接測(cè)量執(zhí)行部件的實(shí)際位置或位移，然后反饋到數(shù)控系統(tǒng)中。獲得比開環(huán)系統(tǒng)更高的精度，但它的位移精度比閉環(huán)系統(tǒng)的要低，與閉環(huán)系統(tǒng)相比，易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性?，F(xiàn)在大多數(shù)數(shù)控機(jī)床都廣泛

13、采用這種半閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)。慣性較大的機(jī)床移動(dòng)部件不包括在檢測(cè)范圍內(nèi)。3) 閉環(huán)數(shù)控機(jī)床(Closed Loop Control)在機(jī)床移動(dòng)部件上直接接有檢測(cè)裝置，將測(cè)得的結(jié)果直接反饋到數(shù)控系統(tǒng)中。實(shí)際上是將位移指令值與位置檢測(cè)裝置測(cè)得的實(shí)際位置反饋信號(hào)，實(shí)時(shí)進(jìn)行比較，根據(jù)其差值進(jìn)行控制，使移動(dòng)部件按照實(shí)際的要求運(yùn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)精確定位。 具體的講解見第四章伺服系統(tǒng)四、數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用范圍數(shù)控車床：包括主軸、溜板、刀架等。數(shù)控系統(tǒng)包括顯示器、控制面板、強(qiáng)電控制等。數(shù)控車床一般具有兩軸聯(lián)動(dòng)功能，Z軸是與主軸平行方向的運(yùn)動(dòng)軸，X軸是在水平面內(nèi)與主軸垂直方向的運(yùn)動(dòng)軸。遠(yuǎn)離工件方向?yàn)檩S的正向。另外在最新的

14、車銑加工中心，還增加了一個(gè)C軸，可用于工件的分度功能，在刀架中安放銑刀，對(duì)工件進(jìn)行銑加工。刀具超過12把稱為加工中心。數(shù)控車床主要用來加工軸類零件的內(nèi)外圓柱面，圓錐面、螺紋表面、成形回轉(zhuǎn)體面等。對(duì)于盤類零件可以進(jìn)行鉆孔、擴(kuò)孔、絞孔、鏜孔等。機(jī)床還可以完成車端面、切槽、倒角等加工。數(shù)控銑床：適于加工三維復(fù)雜曲面，在汽車、航空航天、模具等行業(yè)被廣泛采用?？煞譃閿?shù)控立式銑床、數(shù)控臥式銑床、數(shù)控仿形銑床等。加工中心：一般認(rèn)為帶有自動(dòng)刀具交換裝置（ATC）的數(shù)控鏜銑床，稱為加工中心?？梢赃M(jìn)行銑、鏜、鉆、擴(kuò)、鉸、攻絲等多種工序加工。不能包括磨削功能，因?yàn)槲⒓?xì)的磨?？赡苓M(jìn)入機(jī)床導(dǎo)軌，從而破壞機(jī)床的精度。而磨床上有特殊的保護(hù)措施。加工中心可分為立式加工中心、臥式加工中心。立式的主軸是垂直方向的，臥式的主軸是水平方向的。數(shù)控鉆床：分為立式鉆床和臥式鉆床。主要完成鉆孔、攻絲功能，同時(shí)也可以完成簡(jiǎn)單的銑削功能。刀庫(kù)可以存放多種刀具。數(shù)控磨床：用在高硬度、高精度加工表面。平面磨床、內(nèi)圓磨床、輪廓磨床等。隨著自動(dòng)砂輪補(bǔ)償技術(shù)、自動(dòng)砂輪修整技術(shù)和磨削固定循環(huán)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控磨床的功能越來越強(qiáng)。數(shù)控電火花成形機(jī)床：（EDM Machine）特種加工方法，利用兩個(gè)不同極性的電極在絕緣體中產(chǎn)生放電現(xiàn)