數(shù)控機床的組成及基本工作原理

1、12 數(shù)控機床的組成及基本工作原理一、數(shù)控機床組成 數(shù)控機床由：程序、輸人/輸出裝置、CNC單元、伺服系統(tǒng)、位置反饋系統(tǒng)、機床本體組成。1、程序的存儲介質(zhì)，又稱程序載體1) 穿孔紙帶（過時、淘汰）；2) 盒式磁帶（過時、淘汰）；3) 軟盤、磁盤、U盤；4) 通信。2、輸人/輸出裝置1) 對于穿孔紙帶，配用光電閱讀機；（過時、淘汰）；2) 對于盒式磁帶，配用錄放機；（過時、淘汰）；3) 對于軟磁盤，配用軟盤驅(qū)動器和驅(qū)動卡；4) 現(xiàn)代數(shù)控機床，還可以通過手動方式(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)控機床的核心，CNC單元由信息的輸入、處理和輸出三個

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行譯碼、插補、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)動執(zhí)行部件作進給運動。其它的還有主運動部件的變速、換向和啟停信號；選擇和交換刀具的刀具指令信號，冷卻、潤滑的啟停、工件和機床部件松開、夾緊、分度臺轉(zhuǎn)位等輔助指令信號等。準(zhǔn)備功能：G00,G01,G02,G03,輔助功能：M03，M04刀具、進給速度、主軸：T，F(xiàn)，S4、伺服系統(tǒng) 由驅(qū)動器、驅(qū)動電機組成，并與機床上的執(zhí)行部件和機械傳動部件組成數(shù)控機床的進給系統(tǒng)。它的作用是把來自數(shù)控裝置的脈沖信號轉(zhuǎn)換成機床移動部件的運動。對于步進電機來說，每一個脈沖信號使電機轉(zhuǎn)過

3、一個角度，進而帶動機床移動部件移動一個微小距離。每個進給運動的執(zhí)行部件都有相應(yīng)的伺服驅(qū)動系統(tǒng)，整個機床的性能主要取決于伺服系統(tǒng)。如三軸聯(lián)動的機床就有三套驅(qū)動系統(tǒng)。 脈沖當(dāng)量：每一個脈沖信號使機床移動部件移動的位移量。常用的脈沖當(dāng)量為0.001mm/脈沖。5、位置反饋系統(tǒng)（檢測反饋系統(tǒng)）伺服電動機的轉(zhuǎn)角位移的反饋、數(shù)控機床執(zhí)行機構(gòu)(工作臺)的位移反饋。包括光柵、旋轉(zhuǎn)編碼器、激光測距儀、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）反饋裝置把檢測結(jié)果轉(zhuǎn)化為電信號反饋給數(shù)控裝置，通過比較，計算實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)行部件的進給運動。反饋系統(tǒng)包括半閉

4、環(huán)、閉環(huán)兩種系統(tǒng)。6、機床的機械部件1) 主運動部件2) 進給部件（工作臺、刀架）3) 基礎(chǔ)支承件（床身、立柱等）4) 輔助部分，如液壓、氣動、冷卻和潤滑部分等5) 儲備刀具的刀庫，自動換刀裝置(ATC)對于加工中心類的數(shù)控機床，還有存放刀具的刀庫、交換刀具的機械手等部件，數(shù)控機床機械部件的組成與普通機床相似，但傳動結(jié)構(gòu)要求更為簡單，在精度、剛度、抗震性等方面要求更高，而且其傳動和變速系統(tǒng)更便于實現(xiàn)自動化擴展。置檢測裝置伺服驅(qū)動及位 數(shù) 控 裝 置 CNC機 床 主 進 輔運 給 助動 運 動機 動 作構(gòu) 機 機 構(gòu) 構(gòu)輸入裝置程序編制電控制裝置輔助控制及強圖1-1 數(shù)控機床的組成二、工作步驟

5、（合上書，閉眼想1分鐘）在數(shù)控機床上加工零件要經(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、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：工件與刀具相對運動軌跡的尺寸參數(shù)（進給執(zhí)行部件的進給尺寸）切削加工的工藝參數(shù)（主運動和進給運動的速度、切削深度等）各種輔助操作（主運動變速、刀具變換、冷卻潤滑液啟停、工件夾緊松開）（2）編程階段根據(jù)加工工藝信息，用機床數(shù)控系統(tǒng)能識別的語言編寫數(shù)控加工程序（對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)控加工機床與計算機聯(lián)網(wǎng)時，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，機床數(shù)控系統(tǒng)（CNC）將加工程序語句譯碼、運算，轉(zhuǎn)換成驅(qū)動各運動部件的動作指令，在系統(tǒng)的統(tǒng)一協(xié)調(diào)下驅(qū)動各運動部件的適時運動，自動完成對工件的加工?？偟恼f來，數(shù)控機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應(yīng)的信號和指令控制機床進行自動加工。RS-232端具有DB9針式（DTE）和DB9孔式（DCE）兩種

7、接口可供選擇。用戶在訂購時，根據(jù)需要選擇RS-232串口類型。圖 RS-232接口形狀圖 RS-232實物 金壇四海電機（步進電機及驅(qū)動器）圖 步進電機驅(qū)動器130BYG永磁感應(yīng)子式步進電機圖 驅(qū)動器接線實物圖圖 步進電機驅(qū)動器連接示意圖圖 伺服電機及驅(qū)動器實物圖圖 伺服電機及驅(qū)動器連接實物圖13 數(shù)控機床的分類及應(yīng)用范圍數(shù)控機床的品種很多，根據(jù)其控制原理、功能和組成，可以從幾個不同的角度進行分類：一、按工藝用途分類：數(shù)控機床是從普通機床的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，各種類型的數(shù)控機床基本上起源于同類型的普通機床，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)控電火花加工機床（NC Diesinking Electric Disch

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

10、 Control）只控制刀具從一點移到另一點的位置，而在移動過程中不進行切削加工，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，采用機床設(shè)定的最高進給速度進行定位運動，在接近定位點前要進行分級或連續(xù)降速，以便低速趨近終點，從而減少運動部件的慣性過沖和因此引起的定位誤差。在定位移動過程中不進行切削加工，因此對運動軌跡沒有任何要求。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)工作臺以一定速度，沿平行于某一坐標(biāo)軸方向，由一個位置到另一位置的精確移動。也稱點位直線移動控制系統(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)動控制)是對兩個或兩個以上的坐標(biāo)軸同時進行控制(二軸、二軸半、三軸、四軸、五軸聯(lián)動)，它不僅要控制機床移動部件的起點和終點坐標(biāo)，而且要控制整個加工過程的每一點的速度、方向和位移量，即要控制加工的軌跡，加工出要求的輪廓。運動軌跡是任意斜率的直線、圓弧、螺旋線等。這類機床的數(shù)控裝置的功能是最齊全的，能夠進行兩坐標(biāo)甚至多坐標(biāo)聯(lián)動的控制，也能夠進行點位和直線控制。除了少數(shù)專用的數(shù)控機床，如數(shù)控鉆床、沖床等以外，現(xiàn)代的數(shù)控機床都具有輪廓控制功能。三、按控制方式分類：實際上是按有無反饋及反饋的位置來分：1) 開環(huán)數(shù)控機床（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，通常采用步進電機作為執(zhí)行機構(gòu)。輸入的數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)控系統(tǒng)的運算，發(fā)出指令脈沖，通過環(huán)形分配器和驅(qū)動電路，使步進電機轉(zhuǎn)過一個步距角，再經(jīng)過傳動機構(gòu)帶動工作臺移動一個脈沖當(dāng)量的距離。移動部件的移動速度和位移由輸入脈沖的頻率和脈沖個數(shù)決定的。2) 半閉環(huán)數(shù)控機床(Semi-closed Loop Control)在驅(qū)動電機端部或在傳動絲杠端部安裝角位移檢測裝置（光電編碼器或感應(yīng)同步器），通過檢測電機或絲杠的轉(zhuǎn)角間接測量執(zhí)行部件的實際位置或位移，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，易于實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。現(xiàn)在大多數(shù)數(shù)控機床都廣泛

13、采用這種半閉環(huán)進給伺服系統(tǒng)。慣性較大的機床移動部件不包括在檢測范圍內(nèi)。3) 閉環(huán)數(shù)控機床(Closed Loop Control)在機床移動部件上直接接有檢測裝置，將測得的結(jié)果直接反饋到數(shù)控系統(tǒng)中。實際上是將位移指令值與位置檢測裝置測得的實際位置反饋信號，實時進行比較，根據(jù)其差值進行控制，使移動部件按照實際的要求運動，最終實現(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、強電控制等。數(shù)控車床一般具有兩軸聯(lián)動功能，Z軸是與主軸平行方向的運動軸，X軸是在水平面內(nèi)與主軸垂直方向的運動軸。遠(yuǎn)離工件方向為軸的正向。另外在最新的

14、車銑加工中心，還增加了一個C軸，可用于工件的分度功能，在刀架中安放銑刀，對工件進行銑加工。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。對于盤類零件可以進行鉆孔、擴孔、絞孔、鏜孔等。機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。可分為數(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)為帶有自動刀具交換裝置（ATC）的數(shù)控鏜銑床，稱為加工中心?？梢赃M行銑、鏜、鉆、擴、鉸、攻絲等多種工序加工。不能包括磨削功能，因為微細(xì)的磨?？赡苓M入機床導(dǎo)軌，從而破壞機床的精度。而磨床上有特殊的保護措施。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，同時也可以完成簡單的銑削功能。刀庫可以存放多種刀具。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。隨著自動砂輪補償技術(shù)、自動砂輪修整技術(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。數(shù)控電火花成形機床：（EDM Machine）特種加工方法，利用兩個不同極性的電極在絕緣體中產(chǎn)生放電現(xiàn)