数控机床的特点与分类

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1、数控机床的特点与分类数控机床是一种高度自动化的新型机床，是自动化控制原理在机床方面 的应用，但是，它与在此以前的自动机床具有本质的区别，不能混为一谈。 本章将着重从控制原理和机床结构等方面阐明数控机床的特点，并按照最常 见的几种原则对数控机床作分类介绍。第一节数控机床的逻辑方框图机床自动化，一般包括两个主要方面的内容：刀具和工件之间相对运动 的顺序，或称程序刀具和工件之间相对运动的距离，或称行程数控机床与普 通自动化机床的主要区别就是：普通自动化机床虽然也可以用插销板、步进 选线器、继电器逻辑电路甚至穿孔卡等来控制其各种加工动作的先后程序， 而对于行程则只能用模拟某个尺寸的几何量，例如两个挡块

2、间的距离或凸轮 的升程等来控制；数控机床则是直接按零件所要加工的尺寸数字量或经过代 码化的数字码来控制。所以前者通常称为行程式程序控制机床，而后者则称 为数字式程序控制机床。数控机床大都通过运算、控制装置来实现其程序和行程的控制，通过各 种辅助机能来对变速、换位、换刀等辅助动作进行控制。图2-1是数控机床 的逻辑方框图及示意图。图ST数控机床的逻辄方枢瓣段示毒图由图2-1可知，数控机床一般包括四个基本组成部分：控制介质、数控 装置、伺服机构和机床。有时为了进一步提高机床的加工精度和生产效率， 在上述控制系统外再加一个测量装置，如图中虚线框内所示。第二节数控技术中的主要环节从生产准备过程到零件加

3、工完成，全部数控过程一共包括四次转换：首 先是加工指令形式的转换，从普通的设计图纸和工艺文件转换为数控装置能 够识别的控制介质；第二次是信息形式的转换，把控制介质输入的数字量变 成相应的电信号；第三次是能量形式的转换，由电信号控制和放大的电能变 成机械能；第四次是运动形式的转换，由驱动机构的简单回转运动变为形式 更加复杂的加工运动和辅助运动。这一系列性质各异而又密切相关的转换， 实质上是有关信息的产生、传递、处理和转换执行的过程，这就是数控技术 的基本过程，也就是数控技术的主要技术环节。、指令形式的转换数控机床工作前，首先要由工艺人员根据零件图所规定的尺寸、形状和 其它加工要求来编制适用于数控

4、机床要求的工艺，即确定加工顺序、每个工 步内机床要移动的距离、主轴转速和进给速度以及机床其它辅助运动等等。 这一套工作叫做“程序设计”，或称“为数控机床编程序”。编完程序以后， 将程序的内容以数字和文字符号（即所谓代码）的形式填写到程序单内，然后 再按照程序单上的数字和文字一一相对应地在纸带上穿孔，制作出穿孔纸带 来。穿孔带上孔的不同排列方式，代表着不同的数字和文字，机床的数控系 统可以识别它。所以，穿孔纸带就成了数控装置“自己能阅读”的工艺卡片， 数控机床将完全按照它指示的内容来工作。这样，数控机床的控制就通过穿 孔带来进行了，因此穿孔纸带被称为“控制介质”。从零件图纸和工艺卡片到打出穿孔纸

5、带，这个环节虽然不属于数控机床 的一部分，但却.是整个数控技术中的第一环。二、信息形式的转换加工指令信息的转换是通过数控装置来完成的。数控装置是数控机床的 运算和控制系统，它利用读带机读带，在接受所读出的数据和指令后，进行必要的运算和逻辑分析，然后将运算结果送到相应的伺服驱动机构去，用以 操纵机床，并控制输入过程的进行。最简单的数控装置的逻辑方框图如图2-2 所示，图中虚线所包括部分为数控装置。穿孔图2-2牧控装鸵乏轲方框图如图所示，在数控装置启动后，输入控制电路发出命令使读带机工作， 穿孔带从读带机中自动走过，读带机将穿孔带上的数码和文字代码信号送到 译码器，译码器将译出的数码送到运算器，将

6、译出的控制代码送到指令码寄 存器、辅助功能寄存器及主控制器。主控制器是数控装置的心脏部分，它控 制运算器的运算过程，控制输出装置的方向及座标转换，控制脉冲的输出， 同时通过输入控制电路控制读带机的启动和停止。机床主轴转速的更换、进 给速度的改变、冷却润滑液的开停、刀具的更换等辅助动作，则都由辅助功 能寄存器在主控制器控制下来操纵。机床各座标运动的数值，可通过测量装 置的检测送到数码显示器中表示出来，并且可以反馈到主控制器中。数控装置是数控技术中的核心部件，也是数控机床与其它自动化机床控 制技术中具有本质区别的特征所在。三、能量形式的转换数控系统通过加工指令和控制信息的转换，得到了进行加工所需的

7、输出 信号，但它并不能把计算的结果直接付诸实施。因为这个信号很微弱，它只 是一个控制信号，为此，需对之进行放大、整形和适当分配，使之成为驱动 机床电器元件的较强电能；同时，欲使电能变为能使机床部件运动的机械能， 也必须通过某种机构进行转换。伺服驱动机构的作用，就在于实现这种能量 形式的转换。伺服驱动机构简称伺服机构，它是一个高精度的随动系统，或者说是一 个可以进行自动检测的动力控制系统，其中包括一个置于系统前端的功率放 大器。伺服机构在数控系统中的作用是：接受数控装置发出的脉冲信号，并 且把它变换成模拟量（如转角、电压、相位等），经功率放大后去驱动工作台， 使工作台进行精确定位。或按规定的轨迹

8、作严格的相对运动。目前，数控机床伺服机构常用的驱动部件有步进电机、电液脉冲马达、 电液伺服阀、小惯量直流伺服电机和大惯量伺服电机等。从四十年代伺服驱动技术开始发展到现在，已经有了很大的进展。由于 液压具有惯性小、反应灵敏、体积小的特点，所以它领先于电气伺服装置， 而广泛应用于机床伺服驱动系统。随后，由于步进电机能够准确而可靠的根 据数控装置输出的脉冲信号而步进，因而它很快成为脉冲式伺服驱动装置的 主要元件。步进电机又称脉冲马达，但由于它输出功率比较小，往往不能用 来直接驱动机床的工作台，因此，后来又发展了功率步进电机，或通过液压 随动阀和油马达组成的液压扭矩放大器将其功率放大。步进电机与液压扭

9、矩 放大器的组合通常称为电液脉冲马达。六十年代初，小惯量直流伺服电机研 制成功，使伺服驱动机构取得了重大技术突破。七十年代初，大惯量伺服电 机出现，把机床驱动技术又提高到一个新的水平。伺服机构的概念虽然早已成熟，但是在机床中如此广泛而精确的运用， 是从数控机床开始的。四、运动形式的转换通过数控系统伺服机构，虽然实现了将数控装置输出的信号变为驱动机 床的机械能，但是驱动机构的简单回转运动，远不能满足加工过程中所需要 的各种复杂形式的加工运动和辅助运动，这又需要通过机床的机械或液压系 统来进行运动形式的转换。数控机床和普通机床一样，其加工的效率与质量最终将通过机床的运动 来实现，因此运动的品质如何

10、将直接影响加工效果。数控机床是属于高精度、 高效率和高度自动化的机床，现有普通机床结构中刚度不足、滑动面磨擦系 数高和传动间隙过大等缺点难以适应数控机床的需要，而且数控机床不象普 通机床那样，随时可通过手动操作来修正和补偿上述各种因素对加工零件精 度的影响，因此，数控机床必须确实具备能够可靠地保证加工精度的自动化机 构。第三节数控机床的结构特点数控机床由于在结构中出现了自动控制装置一一数控装置，因而导致了 机床加工性质、加工能力和具体结构的改变，数控机床属于精密机床的范畴， 其中许多部件还腐于超精密级的，它必须既保证高效率、高度自动化，又满 足高精度的要求。因此，从结构上看，它的主要特点是刚度

11、高、传动间隙小， 具体有如下几点：1、数控机床的各工作部件的运动之间，通过电子计算机建立“软”联接， 取代了传统的机械传动链的“硬”联接，所以机床各运动部件的驱动机构是 独立的。这种“软”联接具有运动速度快、传动间隙小、控制方便、结构简 单和运动惯量小等优点。2、进给驱动部件采用了功率步进电机、电液脉冲马达、伺服电机等许多 新型驱动部件。驱动系统，尤其是传动的最后环节，具有很高的传动刚度， 其结构通常采用预加负荷的精密滚珠丝杠螺母副。3、传动链采取了消除间隙措施，并增加了必要的背隙补偿环节。4、进给速度范围比普通机床宽得多。一方面为提高效率，缩短快速趋进 的时间（许多数控机床已将快速移动速度提

12、高到15米/分以上）；另一方面为 满足强力切削和精密定位（有的机床已实现了三万比一速比的超低速进给）。5、选用摩擦系数低、耐磨性能高的导轨部件，如滚动导轨、静压导轨、 淬硬镶钢导轨等，或采用机械、气动、液压卸荷措施。在行程较大的情况下， 采用循环式滚动导轨体，以消除爬行，提高动态响应能力。6、采用滚轮式、弹性滚柱式等预加负荷式自动消除导轨滑动面间隙机构， 以提高导向精度。7、在工作台、主轴和其它运动部件上设置可靠、完善的夹紧机构，保证 在夹紧过程中及夹紧后定位精度不变，并能承受大的切削力。8、设置刚度、精度符合要求的主轴部件，并设有刀具自动装卸、夹紧和 主轴定位机构。9、采用刚度和抗振性较好的

13、床身、立柱、横梁等基础部件，设置辅助导 轨等必要的防止变形设施，和平衡油缸、补偿凸轮等变形补偿机构。10、为严格控制机床加工过程中的温升，尽可能减少发热，妥善处理排 屑，保证良好的润滑、冷却，对液压系统采用恒温控制或强制降温，并采用 分离传动的方法将热源与机床本体厢离。11、为防止机床因不可避免的热变形影响其精度，在布局中采用热对称 结构和整机均匀温升的措施，以通过热平衡减少相对变形。12、采用多主轴、多刀架、双重刀架等结构，以提高换刀的速度；更多 的采用任意位置换刀方式，以提高加工精度。13、采用双工作台和多工作台，使工件的装卸时间与切削加工时间重合， 以提高机床利用14、采用大功率电机，以

14、适应多刀、多主轴同时切削和强力切削的要求。第四节数控系统的分类数控系统的种类很多，可以按照多种原则来进行分类。弄清数控系统的 分类方法，可以进一步加深对数控工作原理的理解，熟悉数控机床的具体机 能。一、按能够控制的刀具与工件间相对运动的轨迹分类1、点位控制系统(positioning control system)这类控制系统只控制刀具相对工件从某一点移到另一加工点之间的准确 座标位置，至于点与点之间经过的轨迹，则不加控制；在移动过程中不作切削运动。通常采用这类系统的机床有钻床、镗床、冲床等。图2-3所示为一 台点位控制系统数控座标镗床及加工示意图。霜2-3数控座标镇床及加工示意图点位控制系统

15、有增量方式、绝对值方式以及这两者的组合方式等三种。 在增量方式中，各加工点位置是以前一加工点或起始点的座标增值给出的; 在绝对值方式中，各加工点位置是用它们在既定座标系中的绝对座标值给出 的。前者控制比较简单、但积累误差较大；后者精度高，定位顺序选择也方 便。所谓组合方式，就是在机床位置检测器分辨能力限制范围内，加工点位 置指令数字的高位部分的定位采用绝对值方式，低位部分的控制采用增量方 式，因此是一种较方便的高精度定位方式。2、直线控制系统(straight-line control system)这类控制系统除了要保证位移起点与终点的准确位置外，还要保证使运 动轨迹呈一条直线；刀具则在运动

16、过程中进行切削。一般地说，直线运动的 轨迹将平行于各座标轴的直线，亦即在某一程序段内只有一个工作台或刀架 在沿导轨运动。在特殊情况下，如果同时驱动两个运动部件，并使其运动速 度相等，可获得与座标轱成45。的斜线运动。采用这类控制系统的机床有车 床、磨床、铣床等。图2-4为一台直线控制系统数控车床及其加工示意图。蹈园T 叛挖车盅及却:示窟区图2* 三座魅联控tt点挂制耽拽洗床就如工示童图3、轮廓控制系统(Contour control system)轮廓控制系统亦称连续控制系统。这类系统能够对两个或两个以上座标 方向进行严格控制，不仅控制每个座标的行程位置，同时还控制每个坐标的 运动速度，这样相

17、互配合以形成所需要的直线、斜线或曲线、曲面。这类机 床一般有较多的可控运动座标，通常可以联动的座标为2 3个；在运动过程 中切削是连续进行的。采用这类控制系统的有加工成型表面的各种机床，如 铣床、车床、电加工机床和其它特种加工机床等。图2-5所示为一台三座标 联控轮廓控制数控立式铣床及其加工示意图。切割时，高频电源的正、负极分别接在工件与钼丝上，通以20千周/秒 的高频电流。由于钼丝与工件间有微小的间隙，因而通电后形成火花放电， 放电通道温度高达10000 12000C，使工件受电火花高温腐蚀而被“切割”。钼丝在放电过程中，由走丝电机贮丝筒带动作高速（10米/秒）往复运动， 因而可得到及时冷却

18、，并带走切屑。切割过程中，钼丝托架导轮位置固定不 动，上下工作台根据数控装置的指令在X、F两个方向步进电机带动下作配合 运动，从而使工件切割成形。图2-6为数控线切割机外形及其加工示意图。M2-6数橙线蜘割机.炒密和加工示意图数控线切割机床虽然不属于普通的金属切削机床，但是它的数控系统是 比较典型和相当完善的，近年来经过适当改造，已经应用于许多简易数控车 床、数控铣床和其它数控机床二、按被控制量有无检测反馕装置分类检测反馈装置很重要，因为它在很大程度上决定了数控机床的精度、速 度和可靠性，在这方面，按方式和精度分类时有如图2-7所示关系。S-7开环系统近情片枢BS1、开环系统(opened-l

19、oop system)图2-8为开环系统数控装置的逻辑方框图。此种数控装置根据运算结果， 发出脉冲信号，送到伺服驱动机构，驱动丝杠螺母机构转动，从而使工作台 移动，工作台的移动量，完全由数控装置发出的指令信号控制。这种系统没 有检测装置，也不能将被控制量的实际位移觉反馈回去与指令值进行比较， 其精度，一方面取决于数控装置的运算精度，另一方面取决于伺月辰驱动机构 的精度和机床的变形惫，目前一般可达土 0.02毫米，少数可达土 0.01毫米， 它的优点是系统比较简单，调试和维修方便，工作稳定，成本较低，适用于 精度要求一般的中小型机床。2、闭环系统(Closed-loop system)令号 指信

20、 数装服劫何伺驱机反馈信号1一检测装置工作台图2-9闭环系统逻辑方框如图2-9所示，闭环系统的数控装置根据运算结果发出指令信号，通过 伺服驱动机构带动工作台移动，并通过检测装置测出工作台的实际位移量， 向比较电路发回反馈信号与原指令信号进行比较，用两者的差值进行控制， 直到差值等于零为止。这种系统的优点是定位精度高，可达土0.01毫米以内， 缺点是系统复杂，调试和维修困难，成本高，并且由于机床本身的谐振频率、 爬行间隙等影响，存在着伺服机构不稳定的问题，多用于高精度机床。3、反馈补偿型开环系统(Feed back compensation open loop system)补赠n律 补惜味冲图

21、2-10反馈补偿型开环系统逻辑方提图其逻辑方框图如图2-10。这种系统基本与开环系统相同，但增加了一个 自动补偿系统，以补偿迸给丝杠螺距误差、齿条的节距误差和齿隙等机械系 统误差。其基本原理就是在事前测定丝杠、齿条等各处的误差值，然后在工 作台运动过程中在预先指定的补偿位置独动开关，发出加减脉冲信号进行补 偿修正；并且通过事前测定的齿轮传动间隙，在工作台换向时定量加入若干 个脉冲进行补偿，以消除反向死区。这样就把系统的精度提高到了校正尺的 精度。这种系统与闭环系统不同，它不对工作台移动进行检测反馈，因而也 不会造成由于机械系统的间隙、爬行而形成的伺服机构不稳定。所以反馈补 偿型开环系统的稳定性

22、相当于开环，而精度接近于闭环，是一种速度快、精 度高的控制系统，多用于高精度和大型数控机床。4、半闭环系统图2T1半闭环系统逻辨方框图其逻辑大框图2-11。这是由闭环系统派生的一些基本上与闭环系统相同， 但其检测系统不是直接对工作台的实际位移进行检测，而是对驱动玑构的回 转角度进行检测，因而只能测定和反馈伺服驱动机构中的误差，不能消除进 给丝杠及其它传动误差。这种系统性能比闭环稳定，检测机构比闭环简单一 些，安装也方便一些，但精度与开环系统相差不多，使用不广。此外，尚有双重反馈控制系统，兼有半闭环系统易于稳定和闭环系统精 度高的优点。三、按机床的数控装置是否包括插补运算器分类1、内插补控制系统

23、(Inter polation control system)这类机床的数控装置具有插补运算功能，即机床本身的数控装置中包括 一个作为插补运箕器的专用电子计算机。其优点是便于零件的更换和程序的 修改，灵活性大，适应性强；缺点是成本较高，可靠性欠佳。目前我国采用 较多。2、外插补控制系统(Non-Inter polation control system )这类机床的数控装置本身不具有插补运算功能，必须依靠通用电子计算 机或外加插补运算器，对穿孔带的代码、数值进行插补运算，并且将用到伺 服驱动机构去的电信号记录在磁带上这个工作一般是在计算中心进行的）， 然后将录制好的磁带，送至与机床相连的控制装

24、置。该控制装S即把磁带上 的信号重新放出来，去驱动伺服机构。这类系统简化了与机床直接相联的控 制装置，降低了数控装置的成本，提高了可靠性。其缺点是零件更换和程序 修改都需依赖于计算中心，适应性较差。四、按对伺服驱动机构发出的控制信号的变化规律分类1、脉冲式控制系统控制系统对伺服驱动机构发出的控制信号是突变的电压或电流，称脉冲 式控制系统。目前多用于中小型数控机床。2、模拟式控制系统控制系统对伺服驱动机构发出的控制信号是渐变的电压或电流，称模拟 式控制系统。在大型数控机床等情况下，若不采用电液脉冲马达而用伺服电 机时，则多用此类控制系统。五、按数控装置能同时控制的座标轴数分类可分为：双座标、三座标、四座标、五座标或其它多座标联控数控机床。