数控机床的组成和工作原理

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1、第一讲 数控机床的组成和工作原理数控加工是用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制的一种现代化的机械加工方法。该方法可以使机床具有较大的柔性，适合于形状复杂的包括单件、小批量在内的各批量的零件的加工。一、数控机床概述、概述数控机床(Numerical Control Machine Tools)是金属密集度及自动化程度很高的机电一体化加工装备。它是按照（国际或国家甚至生产厂家）规定的数字、文字和编码方式，把机床的各位移量、运转参数、辅助功能（如刀具变换、切削液供停等）用数字、文字符号表示出来，通过能识别并能处理这些数字、文字符号的数字控制系统 （Numerical Control Syste

2、m，简称数控系统）变成电信号，继而利用相关的电气元部件（伺服装置）实现我们要求的机械动作，从而完成加工任务。图11 是几种数控机床的外形。图11 几种数控机床的外形1949年，美国John TParsons和麻省理工学院（MIT）的伺服机构研究所研制成数控三坐标铣床，拉开了NC机床发展的序幕。1955年，MIT协助Parsons公司在辛辛那提公司（Cincinnati Hydrotel）4#铣床配置数控系统，改装成一部三轴数控铣床，实现传统机器的NC化。1958年，MIT研制出自动刀具程序设计 （Automatic Programming Tools，APT）。同年，美国公司研制出带自动换刀系

3、统(Automatic Tool Change，ATC)的加工中心。1959年，数控机床已经可以用于平面（片状）复杂形状零件的加工。20世纪60年代以后，NC机床制造商全力投入NC机床生产和销售市场，改进NC功能，增加NC加工及应用范围，并引入应用到各种各样机器上，使数控加工逐渐成为生产加工零件的主流。日本从1952年开始研究数控机床，1956年富士通（FANUC）公司研制成数控转塔式冲床。1957年东京工人研制出数控车床雏形成品。1958年牧野公司 （Makino）与FANUC公司合作，开发出数控铣床。同时，FANUC公司还将油压脉冲马达和代数运算脉冲补偿电路应用在数控机床上，使数控性能大幅

4、度升高，稳定性能大为增加。1966年FANUC公司研制出全集成电路化的数控装置。使NC变得更有效、更可靠、更小型和更经济。欧洲的第一台数控机床直到1959年才在巴黎机床博览会上展示出来。从20世纪70年代起，布线程序控制器逐渐被可编程序存储控制器所取代。由于小型计算机加入控制器的一体化，就有可能用灵活的软件代替任务专一的硬件。通过不断扩大存储器容量，把单一程序甚至整个程序库存人控制器中，通过手动输入可直接在机床上对控制器进行校正。随着加工中心的出现，以及CNC（Computerized NC）技术、信息技术、网络控制技术和系统工程的发展，单机数控自动化逐步走向计算机控制的多机制造系统自动化。2

5、0世纪60年代末，出现的DNC（Direct NC）系统，就是使用一台较大型的计算机控制和管理多台数控机床，能进行多品种、多工序的自动加工。之后，以此为控制基础，出现了包括加工、组合、检查等在自动化程度和规模上不同的多种层次和级别的柔性制造系统FMS（Flexible Manufacturing System），使得数控机床成为组成现代机械制造生产系统的基本设备。、数控机床的定义国际信息处理联盟(International Federation Of Information Processing，IFIP)第五技术委员会对数控机床的定义是：数控机床是一种装有程序控制系统的机床，该系统能逻辑地处

6、理具有特定代码或其他符号编码指令规定的程序。、数控机床的特点与其他机床相比，数控机床具有以下特点：1、自动化程度高。除了准备过程需要人工参与以外，全部加工过程都由机床自动完成，减轻了劳动强度，改善了劳动条件。2、加工精度高。尺寸精度一般在0.0050.1mm，不受工件形状复杂程度的影响。3、加工稳定性好。自动化操作消除了操作人员的技术水平、工作状态等主观因素对加工质量的影响，无论在任何时间或地点，能够保证在同样的条件下以同样的数控加工程序加工出来的零件的一致性。4、生产效率高。加工过程中省去了划线、多次装夹定位、检测等工序，有效地提高了生产率。5、生产准备周期短。数控加工过程一般采用通用的工装

7、夹具，省去了专用工夹具、样板和标准样件的制作，节省了大量的准备时间。6、便于实现网络化制造。利用数控机床的数字化特性，很容易和CADCAM系统结合起来实现设计制造过程一体化，实现由计算机对多台机床的直接控制，建立制造过程的网络化管理。图12 数控机床的点位加工、 数控机床的分类目前，为了研究数控机床，可从不同的角度对数控机床进行分类。1、按控制系统的特点分类（1）点位控制数控机床对于一些孔加工用数控机床，只要求获得精确的孔系坐标定位精度，而不管从一个孔到另外一个孔是按照什么轨迹运动，如坐标钻床，坐标镗床以及冲床等，就可以采用简单而价格低廉的点位控制系统（图12）。 这种点位控制系统，为了确保准

8、确的定位，系统在高速运行后，一般采用3级减速，以减小定位误差。但是由于移动件本身存在惯性，而且在低速运动时，摩擦力有可能变化，所以即使系统关断后，工作台并不立即停止，形成定位误差d，而且这个值有一定的分散性。（2）直线控制数控机床图13 数控机床的直线加工某些数控机床不仅要求具有准确定位的功能，而且要求从一点到另一点之间按直线移动，并能控制位移的速度（图13）。因为这一类型的数控机床在两点间移动时，要进行切削加工。所以对于不同的刀具和工件，需要选用不同的切削用量及进给速度。这一类的数控机床包括数控镗铣床、数控车床等。一般情况下，这些数控机床有23个可控轴，但可同时控制轴只有一个。为了能在刀具磨

9、损或更换刀具后，仍得到合格的零件，这类机床的数控系统常常具有刀具半径补偿功能、刀具长度补偿功能和主轴转速控制的功能。（3）轮廓控制的数控机床更多的数控机床具有轮廓控制的功能（图14），即可以加工具有曲线或者曲面的零件。这类机床有两坐标及两坐标以上的数控铣床，加工中心等。图14 数控机床的连续轮廓加工这类数控机床应能同时控制两个或两个以上的轴进行插补运算，对位移和速度进行严格的不间断控制。现代数控机床绝大多数都具有两坐标或两坐标以上联动的功能，不仅有刀具半径补偿、刀具长度补偿，还有机床轴向运动误差补偿、丝杠、齿轮的间隙误差补偿等一系列功能。按照可联动（同时控制）轴数，可以有2轴控制、25轴控制、

10、3轴控制、4轴控制、5轴控制等。25轴控制（两个轴是连续控制，第三轴是点位或直线控制）的原理，实现了三个主要轴X、Y、Z内的两维控制（图l4）。3轴控制是三个坐标轴X、Y、2都同时插补，是三维连续控制（图l4）。5轴连续控制是一种很重要的加工形式（图l4），这时三个坐标轴X、Y、Z，与工作台的回转、刀具的摆动同时联动（也可以是与两轴的数控转台联动，或刀具做两个方向的摆动）。由于刀尖可以按数学规律导向，使之垂直于任何双倍曲线平面，因此特别适合于加工透平叶片、机翼等。2、按执行机构的伺服系统类型分类（1）开环伺服系统数控机床这是比较原始的一种数控机床，这类机床的数控系统将零件的程序处理后，输出数字

11、指令信号给伺服系统，驱动机床运动，没有来自位置传感器的反馈信号，如图l5所示。最典型的系统就是采用步进电动机的伺服系统。这类机床较为经济，但是速度及精度都较低。因此，目前在国内，仍作为一种经济型的数控机床，多用于对旧机床的改造。图15 开环伺服系统（2）闭环伺服系统数控机床这类机床可以接受插补器的指令，而且随时接受工作台测得的实际位置反馈信号，根据其差值不断进行误差修正，如图16所示。这类数控机床可以消除由于传动部件制造中存在的精度误差给工件加工带来的影响。图16 闭环伺服系统采用闭环伺服系统的数控机床，可以得到很高的加工精度，但是由于很多的机械传动环节，如丝杠副、工作台等都包括在反馈环路内，

12、而各种机械传动环节，包括丝杠与螺母、工作台与导轨的摩擦特性，各部件的刚性，以及位移测量元件安装的传动链间隙等等，都是可变的，将直接影响伺服系统的调节参数，而且有一些是非线性的参数。因此闭环系统的设计和调整有较大的难度，设计和调整得不好，很容易形成系统的不稳定。所以，闭环伺服系统数控机床，主要用于一些精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精铣床等。（3）半闭环伺服系统的数控机床大多数数控机床是半闭环伺服系统，将测量元件从工作台移到电动机端头或丝杠端头。这种系统的闭环环路内不包括丝杠、螺母副及工作台，因此可以获得稳定的控制特性，如图17所示。而且由于采用了高分辨率的测量元件，可以获得比较满意的精度及速

13、度。图17 半闭环伺服系统3、按加工方式分类（1）金属切削类数控机床如数控车床、加工中心、数控钻床、数控磨床、数控镗床等。（2）金属成型类数控机床如数控折弯机、数控弯管机、数控回转头压力机等。（3）数控特种加工机床如数控线切割机床、数控电火花加工机床、数控激光切割机等。（4）其它类型的数控机床 如火焰切割机、数控三坐标测量机等。4、按照功能水平分类根据一些功能及指标，可以把数控机床分为低、中、高档三类。这种分类方法，目前在我国用得很多，但没有一个确切的定义。图18 数控机床的组成二、数控机床的组成数控机床是一种利用数控技术，按照事先编好的程序实现动作的机床。如图18所示，它由程序载体、输入装置

14、、CNC单元、伺服系统、位置反馈系统和机床机械部件构成。各部分分述如下：1、程序载体数控机床是按照输入的零件加工程序运行的。零件加工程序中，包括机床上刀具和工件的相对运动轨迹、工艺参数（进给量、主轴转数等）和辅助运动等。将零件加工程序用一定的格式和代码，存储在一种载体上，如穿孔纸带、盒式磁带或软磁盘等，通过数控机床的输入装置，将程序信息输入到CNC单元内。2、输入装置输入装置的作用是将程序载体内有关加工的信息读人CNC单元。根据程序载体的不同，相应有不同的输入装置。例如：对于穿孔纸带，配用光电阅读机；对于盒式磁带，配用录放机；对于软磁盘，配用软盘驱动器和驱动卡。有时为了用户方便，数控机床可以同

15、时具备多种输入装置。现代数控机床，还可以通过手动方式（MDI方式），将零件加工程序，用数控系统的操作面板上的按键，直接键人CNC单元；或者采用与上级机通信方式，直接将加工程序输入CNC单元。3、CNC单元CNC单元由信息的输入、处理和输出三个部分组成。程序载体通过输入装置将加工信息传给CNC单元，编译成计算机能识别的信息，由信息处理部分按照控制程序的规定，逐步存储并进行处理后，通过输出单元发出位置和速度指令给伺服系统和主运动控制部分。数控机床的辅助动作，如刀具的选择与更换、切削液的启停等能够用可编程序控制器（PLC）进行控制。现代数控系统中，一般备有PLC附加电路板，这种结构形式可省去CNC与

16、PLC之间的联线，结构紧凑，可靠性好，操作方便，无论从技术上或经济上都是有利的。4、伺服系统伺服系统是数控机床的一个重要组成部分。它和一般机床进给系统的根本区别是：一般进给系统只能稳定地传递所需的力和速度，但不能接受随机的输入信息，不能控制执行部件的位移和轨迹；而伺服系统则不然，它能将数控装置送来的指令信息加以放大，经功率放大后，通过机床进给传动元件（如齿轮减速箱和滚珠丝杠螺母等），去驱动机床移动部件（工作台或刀架），以便精确定位或按照规定的轨迹和速度运动，使机床加工出符合图样要求的零件。伺服系统直接影响数控机床加工的速度、位置、精度、表面粗糙度等，它是数控机床的关键部件。伺服系统中常用的驱动

17、装置，随控制系统的不同而不同。开环伺服系统常用步进电动机，闭环伺服系统常用脉宽调速直流电动机和交流伺服电机等。5、位置反馈系统位置反馈分为伺服电动机的转角位移反馈和数控机床执行机构（工作台）的位移反馈两种，运动部分通过传感器将上述角位移或直线位移转换成电信号，输送给CNC单元，与指令位置进行比较，并由CNC单元发出指令，纠正所产生的误差。6、机床的机械部件数控机床的机械结构，除了主运动系统、进给系统以及辅助部分如液压、气动、冷却和润滑部分等一般部件外，尚有些特殊部件。如储备刀具的刀库、自动换刀装置（ATC）、自动托盘交换装置等。与普通机床相比，数控机床的传动系统更为简单，但机床的静态和动态刚度

18、要求更高，传动装置的间隙要尽可能小，滑动面的摩擦系数要小，并要有合适的阻尼，以适应对数控机床高定位精度和良好控制性能的要求。三、数控机床的工作原理、在数控机床上加工零件通常经过以下几个步骤：以加工图19所示零件为例图19 零件的图样1、 首先根据加工零件的图样（图19）确定工艺方案（图110）。图110 工艺方案2、然后用规定的代码和程序格式编写程序单，并把它记录在载体上；%G54G00X100.0Z20.0T1S800M03X0.0Z1.0G01Z0.0F0.2X42.0G02X52.0Z-5.0R5.0G01Z-30.0X65.0X68.0W-1.5Z-63.0X73.0X95.0Z-70

19、.0W-10.0X105.0M05G00Z20.0M30%3、把程序载体上的程序通过输入装置输入到CNC单元中去；4、安装工件并对刀。图112安装工件并对刀5、选择AUTO加工并启动程序，CNC单元将输入的程序经过处理之后，向机床各个坐标的伺服系统发出信号；图113 启动程序自动加工6、伺服系统根据CNC单元发出的信号，驱动机床的运动部件，并控制必要的辅助操作；7、通过机床机械部件带动刀具与工件的相对运动，加工出要求的工件；8、检测机床的运动，并通过反馈装置反馈给CNC单元，以减小加工误差。当然，对于开环数控机床来说是没有检测、反馈系统的。图114 数控系统的主要工作过程、数控系统的主要工作过

20、程数控系统的主要任务是进行刀具和工件之间相对运动的控制，图114初步描绘了数控系统的主要工作过程。在接通电源后，微机数控装置和可编程控制器都将对数控系统各组成部分的工作状态进行检查和诊断，并设置初态。当数控系统具备了正常工作的条件时，开始进行加工控制信息的输入。工件在数控机床上的加工过程由数控加工程序来描述按管理形式不同，编程工作可以在专门的编程场所进行，也可在机床前进行。对前一种情况，数控加工程序在加工准备阶段利用专门的编程系统产生，保存到控制介质（如纸带、磁带或磁盘）上，再输人数控装置，或者采用通信方式直接传输到数控装置，操作员可按需要，通过数控面板对读入的数控加工程序进行修改；对后一种情

21、况，操作员直接利用数控装置本身的编辑器进行数控加工程序的编写和修改。输入给数控装置的加工程序必须适应实际的工件和刀具位置，因此在加工前还要输入实际使用刀具的刀具参敷，及实际工件原点相对机床零点的坐标位置。加工控制信息输入后，可选择一种加工方式（手动方式或自动方式的单段方式和连续方式），启动加工运行，此时，数控装置在系统控制程序的作用下，对输入的加工控制信息进行预处理，即进行译码和预计算（刀补计算、坐标变换等）。系统进行数控加工程序译码(或解释)时，将其区分成几何的、工艺的数据和开关功能。几何数据是刀具相对工件的运动路径数据，如有关G功能和坐标指定等，利用这些数据可加工出要求的工件几何形状；工艺

22、数据是主轴转速和进给速度等功能，即F、S功能和部分G功能；开关功能是对机床电器的开关命令，例如主轴启停、刀具选择和交换、冷却液的启停、润滑液的启停等辅助M功能指令等。由于在编写数控加工程序时，一般不考虑刀具的实际几何数据，所以，数控装置根据工件几何数据和在加工前输入的实际刀具参数，要进行相应的刀具补偿计算，简称刀补计算。在数控系统中存在着多种坐标系，根据输入的实际工件原点，加工过程所采用的各种坐标系等几何信息，数控装置还要进行相应的坐标变换。数控装置对加工控制信息预处理完毕后，开始逐段运行数控加工程序。要产生的运动轨迹在几何数据中由各曲线段起、终点及其连接方式（如直线和圆弧等）等主要几何数据给出，数控装置中的插补器能根据已知的几何数据进行插补处理。由数控装置发出的开关命令在系统程序的控制下，在各加工程序段插补处理开始前或完成后，适时输出给机床控制器。在机床控制器中，开关命令和由机床反馈的回答信号一起被处理和转换为对机床开关设备的控制命令。在现代的数控系统中，多数机床控制器都由可编程控制器(PLC)取而代之，使大多数机床控制电路都用PLC中可靠的开关实现。在机床的运行过程中，数控系统要随时监视数控机床的工作状态，通过显示部件及时向操作者提供系统工作状态和故障情况。此外，数控系统还要对机床操作面板进行监控，因为机床操作面板的开关状态可以影响加工状态，需及时处理有关信号。