數控機床的組成及基本原理

第1章緒論1.1概述1.2數控機床的基本組成和工作原理1.3數控機床的分類1.4數控機床的特點本章要點圖庫下頁返回1.1概述下頁上頁返回數控技術的基本概念

數控技術、數控系統與數控機床

數控技術，簡稱數控（NumericalControl—NC）是利用數字化信息對機械運動及加工過程進行控制的一種方法。由于現代數控都采用了計算機進行控制，因此，也可以稱為計算機數控（ComputerizedNumericalControl—CNC）。

為了對機械運動及加工過程進行數字化信息控制，必須具備相應的硬件和軟件。用來實現數字化信息控制的硬件和軟件的整體稱為數控系統（NumericalControlSystem），數控系統的核心是數控裝置（NumericalController）。

圖庫1.1概述

由于數控系統、數控裝置的英文縮寫亦采用NC（或CNC），因此，在實際應用中，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，又可以在狹義上代表一種控制系統的實體，此外還可以代表一種具體的控制裝置——數控裝置。數控系統和計算機技術的發(fā)展始終保持同步，至今已經歷了從電子管、晶體管、集成電路、計算機到微處理機的演變，系統功能的日益增強，應用領域的日益擴大，發(fā)展異常迅速，更新換代十分頻繁。下頁上頁返回圖庫附：機床發(fā)展的歷史回顧1.1概述

采用數控技術進行控制的機床，稱為數控機床（NC機床）。它是一種綜合應用了計算機技術、自動控制技術、精密測量技術和機床設計等先進技術的典型機電一體化產品，是現代制造技術的基礎。機床控制也是數控技術應用最早、最廣泛的領域，數控機床的水平代表了當前的數控技術的性能、水平和發(fā)展方向，因此，本書將以數控機床為主線，介紹數控技術的有關內容。

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NC機床、加工中心、FMC、FMS與CIMS

數控機床種類繁多，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控機床等等，凡是采用了數控技術進行控制的機床統稱NC機床。

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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的不同。一般來說，機床自動控制主要包括三方面內容：

1)機床動作順序的程序控制，典型的有組合機床、自動生產線等的流程與工步控制。其主要控制要求是根據機床的動作順序表（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。

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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、調速器等進行控制。對于只需要上述1）、2）兩方面控制的加工設備，稱為程序控制機床，簡稱程控機床。如：組合機床、自動生產線等?？删幊炭刂破鳎≒rogrammableController），是實現以上控制的最佳選擇。下頁上頁返回圖庫1.1概述

NC機床與程控機床

3)刀具（或坐標軸）移動軌跡控制。對刀具運動軌跡進行控制，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基本要求，必須通過采用數控技術才能實現。在數控機床上，對于運動部件的位移量控制，一般需要通過檔鐵、行程開關等檢測元件的發(fā)信和對執(zhí)行元件的通斷控制實現。即便采用了侍服驅動裝置的程控機床，一般也只能對各運動部件的移動速度、移動位置進行單獨的控制和調整，因此，程控機床能夠實現點位控制，但不能實現各部件間的“聯動”，任意改變坐標軸（或刀具）在平面或空間的移動軌跡，故不能成為數控機床。下頁上頁返回圖庫1.1概述

NC機床與程控機床

在數控機床上，通過數控系統的“插補”運算，實現了坐標軸的聯動功能。它不僅可以控制移動部件的起點與終點坐標，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系，從而可以將工件加工要求的輪廓形狀。這是數控機床與其他機床的本質區(qū)別，也是機床采取數控技術的根本原因。下頁上頁返回圖庫1.1概述下頁上頁返回數控系統及其組成

機床數控系統的基本組成

數控系統是所有數控設備的核心。數控系統的主要控制對象是坐標軸的位移（包括移動速度、方向、和位置等），其控制信息主要來源于數控加工或運動控制程序。因此，作為數控系統最基本的組成應該包括：程序的輸入/輸出裝置、數控裝置、伺服驅動這三部分。

圖庫1.1概述下頁上頁返回數控系系統及及其組組成機床數數控系系統的的基本本組成成（1）輸入入/輸出裝裝置輸入/輸出裝裝置的的主要要作用用是進進行數數控加加工或或運動動控制制程序序、加加工與與控制制數據據、機機床參參數以以及坐坐標軸軸位置置、檢檢測開開關的的狀態(tài)態(tài)等數數據的的輸入入、輸輸出。。鍵盤盤和顯顯示器器是任任何數數控設設備必必須的的最基基本的的輸入入輸出出裝置置。此此外，，根據據數控控系統統的不不同，，還可可以配配光電電閱讀讀機、、磁帶帶機或或軟盤盤驅動動器等等。作作為外外圍設設備，，計算算機是是目前前常用用的輸輸入/輸出裝裝置之之一。。圖庫1.1概述下頁上頁返回數控系系統及及其組組成機床數數控系系統的的基本本組成成（2）數控控裝置置數控裝裝置是是數控控系統統的核核心。。它由由輸入入/輸出接接口線線路、、控制制器、、運算算器和和存儲儲器等等部分分組成成。數數控裝裝置的的作用用是將將輸入入裝置置輸入入的數數據，，通過過內部部的邏邏輯電電路或或控制制軟件件進行行編譯譯、運運算和和處理理，并并輸出出各種種信息息和指指令，，以控控制機機床的的各部部分進進行規(guī)規(guī)定的的動作作。在這些些控制制信息息和指指令中中，最最基本本的是是坐標標軸的的進給給速度度、進進給方方向和和進給給位移移量指指令；；它經經插補補運算算后生生成，，提供供給伺伺服驅驅動，，經驅驅動器器放大大，最最終控控制坐坐標軸軸的位位移。。它直直接決決定了了刀具具或坐坐標軸軸的移移動軌軌跡。。圖庫1.1概述下頁上頁返回數控系系統及及其組組成機床數數控系系統的的基本本組成成此外，，根據據系統統和設設備的的不同同，如如：在在數控控機床床上，，還可可能有有主軸軸的轉轉速、、轉向向和起起、停停指令令；刀刀具的的選擇擇和交交換指指令；；冷卻卻、潤潤滑裝裝置的的起、、停指指令；；工件件的松松開、、夾緊緊指令令；工工作臺臺的分分度等等輔助助指令令。在在基本本的數數控系系統中中，它它們是是通過過接口口，以以信號號的形形式提提供外外部輔輔助控控制裝裝置，，由外外部輔輔助控控制裝裝置對對以上上信號號進行行必要要的編編譯和和邏輯輯運算算，放放大后后驅動動相應應的執(zhí)執(zhí)行元元件，，帶動動機床床機械械部件件、液液壓氣氣動等等輔助助裝置置完成成指令令規(guī)定定的動動作。。圖庫1.1概述下頁上頁返回數控系系統及及其組組成機床數數控系系統的的基本本組成成（3）伺服服驅動動伺服驅驅動通通常由由伺服服放大大器（（亦稱稱：驅驅動器器、伺伺服單單元））和執(zhí)執(zhí)行機機構等等部分分組成成。在數控控機床床上，，目前前一般般采用用交流流伺服服電動動機作作為執(zhí)執(zhí)行機機構；；在先先進的的高速速加工工機床床上，，已經經開始始使用用直線線電動動機。。圖庫1.1概述數控系系統及及組成成：NC(CNC)、SV與PC(PLC、PMC)NC(CNC)：數控控（NumericalControl）的常常用英英文縮縮寫。。由于于現代代數控控都采采用了了計算算機控控制，，因此此，可可以認認為NC和CNC的含義義完全全等同同。如如前所所述，，NC(CNC)在廣義義上代代表一一種控控制技技術----數控技技術；；在狹狹義上上代表表一種種控制制系統統的實實體----數控系系統；；此外外，還還可以以代表表一一種具具體的的控制制裝置置----數控裝裝置。。下頁上頁返回圖庫1.1概述數控系系統及及組成成：NC(CNC)、SV與PC(PLC、PMC)SV：伺服服驅動動（ServoDrive,簡稱伺伺服））的常常用英英文縮縮寫。。按日日本JIS標準規(guī)規(guī)定的的術語語，它它是““以物物體的的位置置、方方向、、狀態(tài)態(tài)等作作為空空置量量，追追蹤目目標值值的任任意變變化的的控制制機構構”。。簡言言之，，它是是一種種能夠夠自動動跟隨隨目標標位置置等物物理量量的控控制裝裝置。。在數控控機床床上，，伺服服驅動動的作作用主主要有有兩個個方面面：一一是按按照數數控裝裝置給給定的的速度度運行行；二二是按按照數數控裝裝置給給定的的位置置定位位。因因此，，伺服服驅動動的精精度和和動態(tài)態(tài)響應應性能能是影影響數數控機機床的的加工工進度度、表表面質質量和和生產產率的的重要要因素素之一一。下頁上頁返回圖庫1.2數控機機床的的基本本組成成和工工作原原理數控機機床的的基本本組成成在數控機床床上，為了了進行零件件的加工，，可以通過過如下步驟驟進行：1）根據被加加工零件的的圖樣與工工藝方案，，用規(guī)定的的代碼和程程序格式，，將刀具的的移動軌跡跡、加工工工藝過程、、工藝參數數、切削用用量等編寫寫成數控系系統能夠識識別的指令令形式。2）將所編寫寫的加工程程序輸入數數控裝置。。3）數控裝置置對輸入的的程序（代代碼）進行行譯碼、運運算處理，，并向各坐坐標軸的伺伺服驅動裝裝置和輔助助機能控制制裝置發(fā)出出響應的控控制信號，，以控制機機床的各部部件的運動動。下頁上頁圖庫返回1.2數控機床的的基本組成成和工作原原理數控機床的的基本組成成4）在運動過過程中，數數控系統需需要隨時檢檢測機床的的坐標軸位位置、行程程開關的狀狀態(tài)等，并并與程序的的要求相比比較，以決決定下一步步動作，直直到加工出出合格的零零件。5）操作者可可以隨時對對機床的加加工情況、、工作狀態(tài)態(tài)進行觀察察、檢查，，必要時還還需要對機機床動作和和加工程序序進行調整整，以保證證機床安全全、可靠地地運行。由此可知，，作為數控控機床的基基本組成，，它應包括括：輸入/輸出裝置、、數控裝置置、伺服驅驅動和反饋饋裝置、輔輔助控制裝裝置以及機機床本體等等部分。（見圖1-1）數控機床床的基本組組成下頁上頁圖庫返回1.2數控機床的的基本組成成和工作原原理數控機床的的基本組成成圖1-1中的輸入/輸出裝置、、數控裝置置、伺服驅驅動和反饋饋裝置構成成了機床數數控系統，，其作用見見前述。測測量裝置的的作用是檢檢測數控機機床坐標軸軸的實際位位置和移動動速度，檢檢測信號被被反饋輸入入到機床的的數控裝置置或伺服驅驅動中，數數控裝置或或伺服驅動動對反饋的的實際位置置和速度與與給定值進進行比較，，并向機床床輸出新的的位移、速速度指令。。檢測裝置置的安裝、、檢測信號號反饋的位位置，決定定于數控系系統的結構構形式。下頁上頁圖庫返回1.2數控機床的的基本組成成和工作原原理數控機床的的基本組成成數控裝置發(fā)發(fā)出的一個個進給脈沖沖所對應的的機床坐標標軸的位移移量，稱為為數控機床床的最小移移動單位，，亦稱脈沖沖當量。根根據機床精精度的不同同，常用的的脈沖當量量有0.01mm、0.005mm、0.001mm等，在高精精度數控機機床上，可可以達到0.0005mm、0.0001mm甚至更小。。下頁上頁圖庫返回1.2數控機床的的基本組成成和工作原原理數控機床的的基本組成成輔助控制裝裝置的主要要作用是根根據數控裝裝置輸出的的主軸轉速速、轉向和和啟停指令令；刀具的的選擇和交交換指令；；冷卻、潤潤滑裝置的的啟停指令令；工件和和機床部件件的松開、、夾緊與工工作臺轉位位等輔助指指令所提供供的信號，，以及機床床上檢測開開關的狀態(tài)態(tài)等信號，，經過必要要的編譯和和邏輯運算算，經放大大后驅動相相應執(zhí)行的的元件，帶帶動機床機機械部件、、液壓氣動動等輔助裝裝置完成規(guī)規(guī)定的動作作。輔助控控制裝置通通常由PLC和強電控制制回路構成成。下頁上頁圖庫返回1.2數控機床的的基本組成成和工作原原理數控機床的的基本組成成機床本體與與傳統的機機床基本相相同，它也也是由主傳傳動系統、、進給傳動動系統、床床身、工作作臺以及輔輔助運動裝裝置、液壓壓氣動系統統、潤滑系系統、冷卻卻裝置等部部分組成。。但為了滿滿足數控的的要求，充充分發(fā)揮機機床性能，，它在總體體布局、外外觀造型、、傳動系統統結構、刀刀具系統以以及操作性性能方面都都已發(fā)生了了很大的變變化。下頁上頁圖庫返回1.2數控機床的的基本組成成和工作原原理數控機床的的工作原理理在傳統的金金屬切削機機床上，零零件加工是是由操作者者根據圖樣樣的要求，，通過不斷斷改變刀具具的運動軌軌跡和運動動速度等參參數，使刀刀具對工件件進行切削削加工，最最終加工出出合格零件件。下頁上頁圖庫返回1.2數控機床的的基本組成成和工作原原理數控機床的的工作原理理數控機床的的加工，其其實質是應應用了“微微分”原理理。其工作作原理與過過程如下（（如圖1-2所示）：1）數控裝置置根據加工工程序要求求的刀具軌軌跡，將軌軌跡按機床床對應的坐坐標軸，以以最小移動動量（脈沖沖當量）進進行微分（（圖1-2中的△X、△Y），并計算算出各軸需需要移動的的脈沖數。。2）通過數控控裝置的插插補軟件或或插補運算算器，把要要求的軌跡跡用以“最最小移動單單位”為單單位的等效效折線進行行擬合，并并找出最接接近理論軌軌跡的擬合合折線。3）數控裝置置根據擬合合折線的軌軌跡，給相相應的坐標標軸連續(xù)不不斷地分配配進給脈沖沖，并通過過伺服驅動動使機床坐坐標軸按分分配的脈沖沖運動。下頁上頁圖庫返回1.2數控機床的的基本組成成和工作原原理數控機床的的工作原理理由上可見：：第一、只只要數控機機床的最小小移動量（（脈沖當量量）足夠小小，所用的的擬合折線線就安全可可以等效代代替理論曲曲線；第二二、只要改改變坐標軸軸的脈沖分分配方式，，既可以改改變擬合折折線的形狀狀，從而達達到改變加加工軌跡的的目的；第第三、只要要改變分配配脈沖的頻頻率，既可可以改變坐坐標軸（刀刀具）的運運動速度。。這樣就實實現了數控控機床控制制刀具移動動軌跡的根根本目的。。以上根據據給定的數數學函數，，在理想軌軌跡（輪廓廓）的已知知點之間，，通過數據據點的變化化，確定一一些中間點點的方法，，稱為插補補。顯然，，當數控機機床的聯動動軸數越多多，機床加加工輪廓的的性能就越越強。因此此，聯動軸軸的數量是是衡量數控控機床性能能的重要技技術指標之之一。下頁上頁圖庫返回1.3數控機床的的分類數控機床品品種規(guī)格繁繁多，對數數控機床的的分類方法法較多，但但定義明確確、分類較較為確切的的一般有下下面幾種分分類方法。。下頁上頁圖庫返回按加工工藝藝方法分類類按伺服驅動動的特點分分類其他分類1.3數控機床的的分類下頁上頁圖庫返回1.3數控機床的的分類下頁上頁圖庫返回錐度電火花花線切割機機床1.3數控機床的的分類下頁上頁圖庫返回數控車床1.3數控機床的的分類按加工工藝藝方法分類類：普通數控機機床:普通數控機機床是指加加工用途、、加工工藝藝相對單一一的數控機機床。加工中心:在普通數控控機床增加加自動換刀刀裝置（ATC）可以成為為加工中心心下頁上頁圖庫返回1.3數控機床的的分類按伺服驅動動的特點分分類：開環(huán)控制數數控機床半閉環(huán)控制制數控機床床閉環(huán)控制數數控機床下頁上頁圖庫返回1.3數控機床的的分類按伺服驅動動的特點分分類：開環(huán)控制數數控機床下頁上頁圖庫返回無位置反饋饋裝置的數數控機床稱稱為開環(huán)控控制數控機機床。使用用步進電動動機（包括括電液脈沖沖馬達）作作為伺服執(zhí)執(zhí)行元件，，是其最明明顯的特點點。在開環(huán)環(huán)控制數控控機床中，，數控裝置置輸出的脈脈沖，經過過步進驅動動器的環(huán)形形分配器或或脈沖分配配軟件的處處理，并通通過驅動電電路進行功功率放大，，最終控制制了步進電電動機的角角位移。步步進電動機機再經過減減速裝置（（或直接聯聯接）帶動動了絲桿旋旋轉，通過過絲桿將角角位移轉換換為移動部部件的直線線位移。因因此，控制制步進電動動機的轉角角與轉速，，就可以間間接控制移移動部件的的移動速度度與位移量量。1.3數控機床的的分類按伺服驅動動的特點分分類：半閉環(huán)控制制數控機床床下頁上頁圖庫返回特點是：機機床的轉動動絲桿或伺伺服電動機機上裝有角角位移檢測測裝置（如如光電編碼碼器等），，通過它檢檢測絲桿的的轉角，從從而間接地地檢測了移移動部件的的位移。角角位移信號號被反饋到到數控裝置置或伺服驅驅動中，實實現了從數數控裝置到到電動機輸輸出轉角間間的閉環(huán)自自動調節(jié)。。同樣，由由于伺服電電動機和絲絲桿相連，，通過絲桿桿將旋轉活活動轉換為為移動部件件的直線位位移，因此此，間接控控制了移動動部件的移移動速度與與位移量。。這種結構構，只對電電動機或絲絲桿的角位位移進行了了閉環(huán)控制制，沒有實實現對最終終輸出的直直線位移的的閉環(huán)控制制，故稱為為“半閉環(huán)環(huán)控制”。。1.3數控機床的的分類按伺服驅動動的特點分分類：閉環(huán)控制數數控機床下頁上頁圖庫返回特點是：機機床移動部部件上直接接安裝直線線位移檢測測裝置，檢檢測裝著檢檢測最終位位移輸出量量。實際位位移值被反反饋到數控控裝置或伺伺服驅動中中，它可以以直接與輸輸入的指令令位移值進進行比較，，用誤差進進行控制，，最終實現現移動部件件的精確運運動和定位位。從理論論上說，對對于這樣的的閉環(huán)系統統，其運動動精度僅取取決于檢測測裝置的檢檢測精度，，它與機械械傳動的誤誤差無關，，顯然，其其精度將高高于半閉環(huán)環(huán)系統。而而且，它可可以對傳動動系統的間間隙、磨損損能自動補補償，其精精度保持性性要比半閉閉環(huán)系統好好得多。1.3數控機床的的分類下頁上頁圖庫返回除以上兩種種分類方法法以外，數數控機床還還可以按照照功能水平平、功能特特點等不同同的分類方方法分類，，但這些分分類方法的的定義均不不夠確切，，概念比較較模糊，不不同種類機機床之間很很難規(guī)定出出明確的界界限，在此此從略。1.4數控機床的的特點加工精精度高高數控機機床的的脈沖沖當量量小，，位置置分辨辨率高高;數控系系統具具備誤誤差自自動補補償功功能;數控機機床的的傳動動系統統與機機床結結構設設計，，都具具有比比普通通機床床更高高的剛剛度和和穩(wěn)定定性，，部件件的制制造、、裝配配精度度均比比較高高，提提高了了機床床本身身的精精度與與穩(wěn)定定性;數控機機床采采用了了自動動加工工方式式，避避免了了加工工過程程中的的人為為干擾擾機床的的柔性性高改變加加工零零件只只需要要新編編制（（更換換）程程序，，就能能實現現對不不同零零件的的加工工自動化化程度度高，，勞動動強度度低數控機機床對對零件件的加加工是是根據據事先先編好好的程程序自自動完完成的的。在在正常常加工工過程程中，，操作作者只只要進進行極極為簡簡單的的操作作，即即可完完成零零件的的自動動加工工，不不需要要進行行繁雜雜的重重復性性手工工操作作，操操作者者的勞勞動強強度可可大為為減少少。此此外，，數控控機床床一般般都具具有較較好的的安全全防護護、自自動排排屑、、自動動冷卻卻和自自動潤潤滑裝裝置，，使操操作者者的勞勞動條條件也也得到到了很很大改改善。。下頁上頁圖庫返回1.4數控機機床的的特點點生產率率高在數控控機床床上，，由于于主軸軸的轉轉速和和進給給量都都可以以任意意選擇擇，由由于數數控機機床的的結構構剛性性好，，一般般都允允許進進行較較大切切削用用量的的強力力切削削，提提高了了數控控機床床的切切削效效率