课时2  数控机床的组成、分类和工作过程

1.数控机床的组成

数控机床一般由输入/输出装置、数控装置、辅助控制装置、伺服驱动装置、测量反馈装置和机床本题组成如图1.1所示

                                                              

 

                                     图1.1 数控机床的组成

1)    输入/输出装置

输入输出装置的作用是实现零件程序和控制数据的输入、显示、存储和打印等。输入是指将程序及加工信息传递给计算机。早期输入装置为穿孔纸带（穿孔机和纸带阅读机）现在已经淘汰，目前广泛使用的有MDI键盘。输出是指输出内部工作参数、零件加工程序、模拟加工轨迹仿真及控制程序梯形图和PLC状态、报警信息等。常见的输出装置有显示器、打印机等，而磁盘和U盘和串行接口、网络接口既是输入也可以当输出接口。图1.2是常见的输入/输出装置显示器和MDI键盘图。   

  

                  图1.2 常见输入/输出装置显示器与MDI键盘

2)    数控装置

是数控系统的核心，数控机床的各项控制任务均由数控装置完成。作用是对输入装置传送的数控加工程序进行译码、插补、刀补、速度计算、逻辑判断处理，将进给位移、速度输出到伺服接口、将主轴速度输出给主轴接口，由PLC输出辅助运动控制信号给机床电气控制后驱动辅助部件工作。图1.3是CNC内部部件图

                             图1.3CNC内部部件图

3)    伺服驱动装置

伺服驱动器接收数控装置发出的位移、速度、方向信号对其进行转换、功率放大驱动伺服电机，托动机械传动机构实现位置轨迹的控制。图1.4是几种常见伺服驱动装置图

                           图1.4几种常见伺服驱动装置图

4)    辅助功能控制装置

数控机床除了主轴的旋转运动和进给轴的位置控制以外的所有运动称为辅助运动，作用是实现数控机床自动化，提高加工效率。CNC内部有PLC控制模块，通过并行或串行I/O接口—驱动继电器在控制电机、电磁阀控制液压和气动回路实现辅助运动控制。如模拟主轴正反转控制、刀架换刀、卡盘或主轴的自动夹紧放松、尾座套筒的前进后退、冷却、润滑、排屑、数控转台及自动夹具的控制等。图1.5几种常见的I/O接口部件

                                                         图1.5 几种常见的I/O接口板 

 5）测量反馈装置

测量反馈装置由测量传感器和测量转换电路构成，其作用是测量机床移动部件的位移速度和转向、反馈到伺服驱动器实现电流、速度闭环控制。位置反馈到CNC实现插补控制。根据检测元件安装的位置可分为半闭环控制和全闭环控制。图1.6是光栅尺和光电编码器图。

               

                        图1.6光栅尺和光电编码器图。

  6)    机床机械本体

数控机床的主体同样包含机床的主轴机械机构、进给传动机构（联轴器或同步齿型带传动机构、滚珠丝杠螺母副、滑鞍导轨及工作台等），基础部件（底座、立柱、床身防护罩）辅助部件（刀库、换刀装置、排屑装置）等，与传动机床比较机械机构传动简单，但刚性强、精度高。图1.7是数控车、铣床和加工中心裸机。

 

     图1.7 数控机床机械本体图

2.数控机床的分类

1）按加工工艺方法分类

（1）金属切削类数控机床—将工件毛坯的多余部分切削后，留下就是所加工的工件的数控机床。可分为数控车床、铣床、钻床、磨床和数控加工中心。图1.7是几种金属切削类机床图。加工中心：把带有刀库和换刀装置的数控机床称为加工中心，一般可分为卧式加工中心（车削加工中心）和立式加工中心（铣镗加工中心）。

                                          加工中心

   

                                   图1.7是几种金属切削类机床图

（2）金属成型类数控机床—将原材料采用锻压、折弯等工艺转变成零件的形状的数控机床。常见的有数控压力机、数控剪板机、数控折弯机和数控组合冲床等图1.8是几种常见的金属成型类数控机床。

    

                                    图1.8 常见的金属成型类数控机床

（2）特种加工类数控机床—利用特殊的加工方法将毛坯切割成所需工件。

常见的有数控线切割机、数控电火花机床、数控等离子弧切割机、激光切割机和水雾切割机等，图1.9是几种特种加工类数控机床。

                              图 1.9  几种特种加工类数控机床

2）按运动控制方式分类

（1）点位控制数控机床—注重机床的移动部件从一个点到另一个位置点的定位是否准确，不关心其移动轨迹如何，在移动与定位过程中不进行任何切削。如数控钻床、数控坐标镗床、数控冲床、数控点焊机和数控折弯机等。图1.10是点位控制机床加工工艺图。

              

                               图1.10 点位控制机床加工工艺图

（2）直线控制数控机床—不仅要控制机床从一点移动到另一点，而且要沿直线轨迹（一般与坐标轴平行或成45°角的移动而且切削，简易数控车、铣机床，目前已经淘汰,直线控制的切削,实际是数控系统不进行插补，只进行进给脉冲的分配，图1.11 是直线控制机床加工工艺图

                                  

                     图1.11 直线控制机床加工工艺图

（3）轮廓控制类数控系统—两轴联动或三轴以上联动可以保证机床沿平面或空间任意曲面进行连续加工，图1.12是不同联动轴数所能加工的型面，更为复杂的零件可以有5轴以上联动轴的加工中心来加工，如1.12和1.13。 

                                     

                                      

                                   图1.12不同联动轴数所能加工的型面

                               

        图1.12 5轴联动铣削曲面零件                          图1.13 6轴加工中心坐标示意图  

3）按控制方式分类

（1)开环控制的数控机床

 开环控制的数控机床是指没有位置反馈装置的数控机床，一般以功率步进电机作为伺服驱动元件，其信号流向是单向的，如图1.14所示。

    

                       图1.14 开环控制数控机床结构图

 特点如下：①无反馈、结构简单、稳定、调试方便、维修简单、价格低廉。

②加工精度主要取决于伺服电机及机械传动机构的性能和精度，所以精度不高，不能消除机械传动机构的误差，精度不够高。③适应负载较清变化不太大的场合。

（2） 半闭环控制的数控机床。

 系统的位置采样点是从伺服电机或丝杠的另一端引出，通过检测伺服电机或者丝杠的转角，从而间接检测移动部件的位移，并与输入指令进行比较，用差值控制运动部件向减小误差的方向运动，如图1.15所示。

 

                 图1.15  两种半闭环控制的数控机床进给传动框图

特点：

①部分机械环节包含在反馈环内，所以可以消除电机步距角误差或联轴器松动及其丝杠的非线性误差，因此稳定性高。精度比开环好。

②设计方便、传动系统简单、紧凑、性能价格比高应用广泛。

（3）全闭环控制的数控机床

采用全闭环伺服控制，其位置反馈信号的采样点直接引入的是工作台的位移，检测的是最终运动部件的实际位置，用其与指令位置差值进行控制，使运动部件严格按照实际需要的位移量移动，因此能获得更高的加工精度。如图1.17所示。

 

                      图1.17  全闭环控制的数控机床进给传动系统框图

特点：可以消除整个驱动和传动环节的误差、间隙和磨损对加工精度的影响。因此精度只取决于检测装置的精度，虽然理论上对传动链误差无关，但对机械传动的精度和刚度仍有较高要求。调试困难，不太稳定，只适应于高精度的数控机床。

4）按功能水平分类‍

经济型（低档型）、中档型和高档型

（1）经济型（低档型）—一般伺服采用步进电机开环驱动系统，3轴一下，进给分辨率10微米一下。

（2）中档型—采用交流或直流伺服驱动系统，4轴以下，进给分辨率1微米以下。

（3）高档型—6轴以上，可CAD/CAM机上编程、5轴以上，进给分辨率0.1微米以下。

3.数控机床的工作过程

在数控机床上加工零件时，一般按照图1.18所示的步骤进行。

                                图1.18 数控机床的工作过程

1).零件图样的分析与处理-根据被加工零件的图纸的信息，形状轨迹、公差、材料等技术条件。分析确定所用机床和工艺方案。

2).加工程序的编制-用规定的代码和程序格式将刀具的移动轨迹、加工工艺过程、参数和切削用量等编写成数控系统能够识别的指令形式，及数控编程。两轴联动的简单加工，可以由人手工编程，三轴以上的复杂形状可用CAD/CAM编程软件自动生成数控加工程序。

3).输入与输出装置-编制好的程序要存储到介质，可以是穿孔纸带或U盘或上位机的内存，以EIA或ISO代码形式，根据不同的介质要采用不同的输入装置输入到CNC中，简单的程序可以由MDI键输入，也可以U盘或串口输入接口输入，输入过程中要利用输入软件程序转变成内码存储到CNC中的零件程序存储器中。

4).数控装置运行—执行零件程序时，每取出一段程序，对其进行译码，然后根据指令的功能进行插补、刀补和速度处理及PLC运算，在由CNC不同的接口发出不同的信号。

5).执行部件执行指令—伺服接口输出的插补轨迹信号驱动进给伺服机构实现零件轨迹控制，主轴接口控制主轴速度和方向和定向，PLC接口控制辅助运动。

6).零件加工程序完成—CNC逐条取出—执行直到该零件程序执行完毕，数控机床停止就将零件毛坯加工成零件。

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                               图1.19 零件加工程序的处理过程