数控机床组成、工作原理以及特点.pdf

1、本文由 送料机 网 (htp:/)收集和整理数控机床组成、工作原理以及特点 第 一节 数 控机 床的 组成数 控 机 床 是 机 电 一 体 化 的 典 型 产 品 ， 是 集 机 床 、 计 算 机 、 电 动 机 及 拖 动 、 动 控制 、 检 测 等 技 术 为 一 体 的 自 动 化 设 备 。 数 控 机 床 的 基 本 组 成 包 括 控 制 介 质 、 数 控装 置 、 伺 服 系 统 、 反 馈 装 置 及 机 床 本 体 ， 见 图 2-1。图 2-1数 控 机 床 组 成一 、 控 制 介 质数 控 机 床 工 作 时 ， 不 要 人 去 直 接 操 作 机 床 ， 但

2、又 要 执 行 人 的 意 图 ， 这 就 必 须 在任 何 数 控 机 床 之 间 建 立 某 种 联 系 ， 这 种 联 系 的 中 间 媒 介 物 称 之 为 控 制 介 质 。在 普 通 机 床 上 加 工 零 件 时 ， 由 工 人 按 图 样 和 工 艺 要 求 进 行 加 工 。 在 数 控 机 床 加工 时 ， 控 制 介 质 是 存 储 数 控 加 工 所 需 要 的 全 部 动 作 和 刀 具 相 对 于 工 件 位 置 等 信 息的 信 息 载 体 ， 它 记 载 着 零 件 的 加 工 工 序 。 数 控 机 床 中 ， 常 用 的 控 制 介 质 有 穿 孔 纸带 、

3、 穿 孔 卡 片 、 磁 带 和 磁 盘 或 其 他 可 存 储 代 码 的 载 体 ， 至 于 采 用 哪 一 种 ， 则 取 决于 数 控 装 置 的 类 型 。 早 期 时 ， 使 用 的 是 8单 位 （ 8孔 ） 穿 孔 纸 带 ， 并 规 定 了 标 准 信息 代 码 ISO（ 国 际 标 准 化 组 织 制 定 ） 和 EIA（ 美 国 电 子 工 业 协 会 制 定 ） 两 种 代码 。本文由 送料机 网 (htp:/)收集和整理二 、 数 控 装 置数 控 装 置 是 数 控 机 床 的 核 心 。 其 功 能 是 接 受 输 入 装 置 输 入 的 数 控 程 序 中 的加

4、 工 信 息 ， 经 过 数 控 装 置 的 系 统 软 件 或 逻 辑 电 路 进 行 译 码 、 运 算 和 逻 辑 处 理 后 ，发 出 相 应 的 脉 冲 送 给 伺 服 系 统 ， 使 伺 服 系 统 带 动 机 床 的 各 个 运 动 部 件 按 数 控 程序 预 定 要 求 动 作 。 一 般 由 输 入 输 出 装 置 、 控 制 器 、 运 算 器 、 各 种 接 口 电 路 、 CRT显 示 器 等 硬 件 以 及 相 应 的 软 件 组 成 。 数 控 装 置 作 为 数 控 机 床 “ 指 挥 系 统 ” ， 能 完成 信 息 的 输 入 、 存 储 、 变 换 、 插

5、 补 运 算 以 及 实 现 各 种 控 制 功 能 。 它 具 备 的 主 要 功能 如 下 ：1） 多 轴 联 动 控 制 。2） 直 线 、 圆 弧 、 抛 物 线 等 多 种 函 数 的 插 补 。3） 输 入 、 编 辑 和 修 改 数 控 程 序 功 能 。4） 数 控 加 工 信 息 的 转 换 功 能 ： ISO/EIA代 码 转 化 ， 米 英 制 转 换 ， 坐 标 转 换 ， 绝对 值 和 相 对 值 的 转 换 ， 计 数 制 转 换 等 。5） 刀 具 半 径 、 长 度 补 偿 ， 传 动 间 隙 补 偿 ， 螺 距 误 差 补 偿 等 补 偿 功 能 。6） 实

6、现 固 定 循 环 、 重 复 加 工 、 镜 像 加 工 等 多 种 加 工 方 式 选 择 。7） 在 CRT上 显 示 字 符 、 轨 迹 、 图 形 和 动 态 演 示 等 功 能 。三 、 伺 服 系 统机 床 上 的 执 行 部 件 和 机 械 传 动 部 件 组 成 数 控 机 床 的 进 给 系 统 ， 它 根 据 数 控 装置 发 来 的 速 度 和 位 移 指 令 控 制 执 行 部 件 的 进 给 速 度 、 方 向 和 位 移 量 。 每 个 进 给 运动 的 执 行 部 件 都 配 有 一 套 伺 服 系 统 。 伺 服 系 统 的 作 用 是 把 来 自 数 控 装

7、 置 的 脉 冲信 号 转 换 为 机 床 移 动 部 件 的 运 动 ， 它 相 当 于 手 工 操 作 人 员 的 手 ， 使 工 作 台 （ 或 溜板 ） 精 确 定 位 或 按 规 定 的 轨 迹 作 严 格 的 相 对 运 动 ， 最 后 加 工 出 符 合 图 样 要 求 的 零件 。伺 服 系 统 由 伺 服 驱 动 电 动 机 和 伺 服 驱 动 装 置 组 成 ， 它 是 数 控 系 统 的 执 行 部分 。 驱 动 机 床 执 行 机 构 运 动 的 驱 动 部 件 ， 包 括 主 轴 驱 动 单 元 （ 主 要 是 速 度 控本文由 送料机 网 (htp:/)收集和整理制

8、 ） 、 进 给 驱 动 单 元 （ 主 要 有 速 度 控 制 和 位 置 控 制 ） 、 主 轴 电 动 机 和 进 给 电 动 机等 。 一 般 来 说 ， 数 控 机 床 的 伺 服 驱 动 系 统 ， 要 求 有 好 的 快 速 响 应 性 能 ， 以 及 能 灵敏 且 准 确 地 跟 踪 指 令 功 能 。 数 控 机 床 的 伺 服 系 统 有 步 进 电 动 机 伺 服 系 统 、 直 流伺 服 系 统 和 交 流 伺 服 系 统 ， 现 在 常 用 的 是 后 两 者 ， 都 带 有 感 应 同 步 器 、 编 码 器 等位 置 检 测 元 件 ， 而 交 流 伺 服 系 统

9、 正 在 取 代 直 流 伺 服 系 统 。四 、 反 馈 装 置反 馈 装 置 是 闭 环 （ 半 闭 环 ） 数 控 机 床 的 检 测 环 节 ， 该 装 置 可 以 包 括 在 伺 服 系 统中 ， 它 由 检 测 元 件 和 相 应 的 电 路 组 成 ， 其 作 用 是 检 测 数 控 机 床 坐 标 轴 的 实 际 移动 速 度 和 位 移 ， 并 将 信 息 反 馈 到 数 控 装 置 或 伺 服 驱 动 中 ， 构 成 闭 环 控 制 系 统 。检 测 装 置 的 安 装 、 检 测 信 号 反 馈 的 位 置 ， 决 定 于 数 控 系 统 的 结 构 形 式 。 无 测

10、量反 馈 装 置 的 系 统 称 为 开 环 系 统 。由 于 先 进 的 伺 服 系 统 都 采 用 了 数 字 式 伺 服 驱 动 技 术 （ 称 为 数 字 伺 服 ） ， 伺 服 驱动 和 数 控 装 置 间 一 般 都 采 用 总 线 进 行 连 接 。 反 馈 信 号 在 大 多 数 场 合 都 是 与 伺 服驱 动 进 行 连 接 ， 并 通 过 总 线 传 送 到 数 控 装 置 ， 只 有 在 少 数 场 合 或 采 用 模 拟 量 控制 的 伺 服 驱 动 （ 称 为 模 拟 伺 服 ） 时 ， 反 馈 装 置 才 需 要 直 接 和 数 控 装 置 进 行 连 接 。伺

11、服 电 动 机 内 装 式 脉 冲 编 码 器 、 旋 转 变 压 器 、 感 应 同 步 器 、 测 速 机 、 光 栅 和 磁 尺等 都 是 NC机 床 常 用 的 检 测 器 件 。五 、 机 床 本 体数 控 机 床 中 的 机 床 ， 在 开 始 阶 段 沿 用 普 通 机 床 ， 只 是 在 自 动 变 速 、 刀 架 或 工 作台 自 动 转 位 和 手 柄 等 方 面 作 些 改 变 。 随 着 数 控 技 术 的 发 展 ， 对 机 床 结 构 的 技 术性 能 要 求 更 高 ， 在 总 体 布 局 、 外 观 造 型 、 传 动 系 统 结 构 、 刀 具 系 统 以 及

12、 操 作 性 能方 面 都 已 经 发 生 很 大 的 变 化 。 因 为 数 控 机 床 除 切 削 用 量 大 、 连 续 加 工 发 热 多 等影 响 工 件 精 度 外 ， 还 由 于 在 加 工 中 自 动 控 制 ， 不 能 由 人 工 进 行 补 偿 ， 所 以 其 设 计要 求 比 通 用 机 床 更 完 善 ， 制 造 要 求 比 通 用 机 床 更 精 密 。本文由 送料机 网 (htp:/)收集和整理数 控 机 床 主 体 ， 包 括 床 身 、 主 轴 、 进 给 机 构 等 机 械 部 件 ， 以 及 辅 助 运 动 装置 、 液 压 气 动 系 统 、 冷 却 装

13、置 等 部 分 。 数 控 机 床 的 主 机 结 构 有 下 面 几 个 特 点 ： 1） 由 于 采 用 了 高 性 能 的 主 轴 及 进 给 伺 服 驱 动 装 置 ， 数 控 机 床 的 机 械 传 动 结构 得 到 了 简 化 ， 传 动 链 较 短 。2） 数 控 机 床 的 机 械 结 构 具 有 较 高 的 动 态 特 性 、 动 态 刚 度 、 阻 尼 精 度 、 耐 磨 性以 及 抗 热 变 形 性 能 ， 适 应 连 续 地 自 动 化 加 工 。3） 较 多 地 采 用 高 效 传 动 件 ， 如 精 密 滚 珠 丝 杠 、 直 线 滚 动 导 轨 副 、 精 密 齿

14、 条 、蜗 母 条 、 静 压 、 磁 浮 导 轨 等 。为 了 保 证 数 控 机 床 功 能 的 充 分 发 挥 ， 还 有 一 些 配 套 部 件 。 这 些 辅 助 装 置 的 主要 作 用 是 根 据 数 控 装 置 输 出 主 轴 的 转 速 、 转 向 和 起 停 指 令 ， 刀 具 的 选 择 和 交 换 指令 ， 冷 却 、 润 滑 装 置 的 起 停 指 令 ， 工 件 和 机 床 部 件 的 松 开 、 夹 紧 、 工 作 台 转 位 指令 ， 排 屑 、 防 护 、 照 明 、 储 运 等 辅 助 指 令 所 提 供 的 信 号 ， 以 及 机 床 上 检 测 开 关

15、的状 态 信 号 等 ， 经 过 必 要 的 编 译 和 逻 辑 运 算 ， 经 放 大 后 驱 动 相 应 的 执 行 元 件 ， 带 动机 床 机 械 部 件 、 液 压 气 动 等 辅 助 装 置 完 成 指 令 规 定 的 动 作 。 它 通 常 由 PLC和 强 电控 制 回 路 构 成 PLC在 结 构 上 可 以 与 CN一 体 化 （ 内 置 式 的 PLC） ， 也 可 以 是 相 对 独 立(外 置 式 的 PLC)。 有 的 还 配 有 编 程 机 和 对 刀 仪 等 辅 助 设 备 。第 二 节 数 控 机 床 的 控 制 对 象从 数 控 机 床 最 终 要 完 成

16、的 任 务 看 ， 主 要 应 对 三 方 面 进 行 控 制 。一 、 主 运 动 控 制 和 普 通 机 床 一 样 ， 主 运 动 是 形 成 切 削 速 度 并 从 工 件 上 切 除 多 余 材 料 起 主 要 作用 的 工 作 运 动 ， 用 来 完 成 切 削 任 务 。 机 床 功 率 主 要 消 耗 于 主 运 动 ， 其 动 力 约 占 整台 机 床 动 力 的 70%-80%。 数 控 车 床 的 主 运 动 是 工 件 的 回 转 运 动 ， 也 就 是 主 轴 旋 转 运动 ， 基 本 控 制 要 实 现 主 轴 的 正 、 反 转 和 停 止 ， 可 自 动 换 档

17、 及 无 级 调 速 ； 数 控 钻本文由 送料机 网 (htp:/)收集和整理床 、 数 控 铣 床 和 数 控 磨 床 的 主 运 动 是 刀 具 或 砂 轮 的 回 转 运 动 ； 在 数 控 刨 削 时 ， 刀具 或 工 作 台 的 往 复 直 线 运 动 是 主 运 动 ； 对 加 工 中 心 和 一 些 数 控 车 床 还 必 须 具 有 准停 控 制 和 C轴 控 制 功 能 。二 、 进 给 运 动 控 制进 给 运 动 是 传 给 刀 具 或 工 件 的 运 动 ， 主 要 配 合 主 运 动 依 次 地 或 连 续 不 断 地 切除 工 件 上 的 多 余 材 料 ， 同

18、时 形 成 具 有 所 需 几 何 特 性 的 已 加 工 表 面 。 进 给 运 动 可以 是 间 歇 的 ， 也 可 以 是 连 续 进 行 的 。 数 控 机 床 的 进 给 运 动 是 通 过 进 给 伺 服 系 统来 实 现 的 ， 这 是 数 控 机 床 区 别 于 通 用 机 床 的 重 要 方 面 之 一 。 伺 服 控 制 的 最 终 目的 就 是 实 现 对 机 床 工 作 台 或 刀 具 的 位 置 控 制 ， 伺 服 系 统 中 所 采 取 的 一 切 措 施 ，都 是 为 了 保 证 进 给 运 动 的 位 置 精 度 。三 、 输 入 /输 出 （ I/O） 控 制

19、数 控 系 统 对 加 工 程 序 处 理 后 输 出 的 控 制 信 号 ， 除 了 对 进 给 运 动 轨 迹 进 行 连 续控 制 外 ， 还 要 对 机 床 的 各 种 状 态 进 行 控 制 ， 这 些 状 态 包 括 主 轴 的 变 频 控 制 ， 主 轴的 正 、 反 转 及 停 止 ， 冷 却 和 润 滑 装 置 的 起 动 和 停 止 ， 刀 具 自 动 交 换 ， 工 件 夹 紧 和放 松 及 分 度 工 作 台 转 位 等 。第 三 节 数 控 机 床 的 工 作 原 理数 控 机 床 加 工 零 件 时 ， 首 先 必 须 将 工 件 的 几 何 数 据 和 工 艺 数

20、 据 等 加 工 信 息 按规 定 的 代 码 和 格 式 编 制 成 零 件 的 数 控 加 工 程 序 ， 这 是 数 控 机 床 的 工 作 指 令 。 将 加工 程 序 用 适 当 的 方 法 输 入 到 数 控 系 统 ， 数 控 系 统 对 输 入 的 加 工 程 序 进 行 数 据 处理 ， 输 出 各 种 信 息 和 指 令 ， 控 制 机 床 主 运 动 的 变 速 、 起 停 、 进 给 的 方 向 、 速 度 和 位 移量 ， 以 及 其 他 如 刀 具 选 择 交 换 、 工 件 的 夹 紧 松 开 、 冷 却 润 滑 的 开 关 等 动 作 ， 使 刀 具与 工 件

21、及 其 他 辅 助 装 置 严 格 地 按 照 加 工 程 序 规 定 的 顺 序 、 轨 迹 和 参 数 进 行 工 作 。数 控 机 床 的 运 行 处 于 不 断 地 计 算 、 输 出 、 反 馈 等 控 制 过 程 中 ， 以 保 证 刀 具 和 工 件之 间 相 对 位 置 的 准 确 性 ， 从 而 加 工 出 符 合 要 求 的 零 件 。 数 控 机 床 加 工 工 件 的 过 程见 图 2-。本文由 送料机 网 (htp:/)收集和整理图 2-数 控 机 床 加 工 工 件 的 过 程第 四 节 数 控 机 床 的 特 点数 控 机 床 对 零 件 的 加 工 过 程 ，

22、是 严 格 按 照 加 工 程 序 所 规 定 的 参 数 及 动 作 执 行的 。 它 是 一 种 高 效 能 自 动 或 半 自 动 机 床 ， 与 普 通 机 床 相 比 ， 具 有 以 下 明 显 特 点 ：1.适 应 性 强由 于 数 控 机 床 能 实 现 多 个 坐 标 的 联 动 ， 所 以 数 控 机 床 能 完 成 复 杂 型 面 的 加工 ， 特 别 是 对 于 可 用 数 学 方 程 式 和 坐 标 点 表 示 的 形 状 复 杂 的 零 件 ， 加 工 非 常 方便 。 当 改 变 加 工 零 件 时 ， 数 控 机 床 只 需 更 换 零 件 加 工 的 NC程 序

23、 ， 不 必 用 凸 轮 、 靠模 、 样 板 或 其 他 模 具 等 专 用 工 艺 装 备 ， 且 可 采 用 成 组 技 术 的 成 套 夹 具 。 因 此 ， 生产 准 备 周 期 短 ， 有 利 于 机 械 产 品 的 迅 速 更 新 换 代 。 所 以 ， 数 控 机 床 的 适 应 性 非常 强 。2.加 工 质 量 稳 定 对 于 同 一 批 零 件 ， 由 于 使 用 同 一 机 床 和 刀 具 及 同 一 加 工 程序 ， 刀 具 的 运 动 轨 迹 完 全 相 同 ， 并 且 数 控 机 床 是 根 据 数 控 程 序 实 现 计 算 机 控 制 自动 进 行 加 工 ，

24、 可 以 避 免 人 为 的 误 差 ， 这 就 保 证 了 零 件 加 工 的 一 致 性 好 ， 且 质 量稳 定 可 靠 。3.生 产 效 率 高 数 控 机 床 本 身 的 精 度 高 、 刚 性 大 ， 可 以 采 用 较 大 的 切 削 用量 ， 有 效 地 节 省 了 机 动 工 时 。 它 还 有 自 动 换 速 、 自 动 换 刀 和 其 他 辅 助 操 作 自 动 化本文由 送料机 网 (htp:/)收集和整理等 功 能 ， 使 辅 助 时 间 大 为 缩 短 ， 而 且 无 需 工 序 间 的 检 验 与 测 量 ， 所 以 比 普 通 机床 的 生 产 效 率 高 3-

25、4倍 ， 对 某 些 复 杂 零 件 的 加 工 ， 生 产 效 率 可 以 提 高 十 几 倍 甚 至几 十 倍 。 数 控 机 床 的 主 轴 转 速 及 进 给 范 围 都 比 普 通 机 床 大 。 目 前 数 控 机 床 的 最 高 进给 速 度 可 达 到 10m/in以 上 ， 最 小 分 辨 率 达 0.1um。 一 般 来 说 ， 数 控 机 床 的 生 产 能力 约 为 普 通 机 床 的 3倍 ， 甚 至 更 高 。 数 控 机 床 的 时 间 利 用 率 高 达 90%， 而 普 通机 床 仅 为 30%-50%。4.加 工 精 度 高数 控 机 床 有 较 高 的 加

26、 工 精 度 ， 一 般 在 0.05-0.1m之 间 ， 定 位 精 度 普 遍 可 达 到0.3m， 重 复 定 位 精 度 为 0.1m。 数 控 机 床 的 加 工 精 度 不 受 零 件 复 杂 程 度 的 影响 ， 机 床 传 动 链 的 反 向 齿 轮 间 隙 和 丝 杠 的 螺 距 误 差 等 都 可 以 通 过 数 控 装 置 自 动进 行 补 偿 ， 其 定 位 精 度 比 较 高 。 同 时 还 可 以 利 用 数 控 软 件 进 行 精 度 校 正 和 补 偿 。5.工 序 集 中 ， 一 机 多 用数 控 机 床 ， 特 别 是 带 自 动 换 刀 刀 架 、 刀 库

27、 的 数 控 加 工 中 心 ， 在 一 次 装 夹 的 情况 下 ， 几 乎 可 以 完 成 零 件 的 全 部 加 工 工 序 ， 一 台 数 控 机 床 可 以 代 替 数 台 普 通 机床 。 这 样 可 以 减 少 装 夹 误 差 ， 节 约 工 序 之 间 的 中 间 环 节 ， 如 半 成 品 的 中 间 检测 、 暂 存 、 搬 运 和 装 夹 等 辅 助 时 间 ， 还 可 以 节 省 机 床 、 车 间 的 占 地 面 积 ， 带 来较 高 的 经 济 效 益 。 加 工 中 心 的 工 艺 方 案 更 与 普 通 机 床 的 常 规 工 艺 方 案 不 同 ， 常 规 工

28、 艺 以 “ 工 序分 散 ” 为 特 点 ， 而 加 工 中 心 则 以 工 序 集 中 为 原 则 ， 着 眼 于 减 少 工 件 的 装 夹 次 数 ，提 高 重 复 定 位 精 度 。6.减 轻 劳 动 强 度 在 输 入 程 序 并 启 动 后 ， 数 控 机 床 就 自 动 地 连 续 加 工 ， 直 至零 件 加 工 完 毕 。 这 样 就 简 化 了 工 人 的 操 作 ， 使 劳 动 强 度 大 大 降 低 。 数 控 机 床 是 一种 高 技 术 的 设 备 ， 尽 管 机 床 价 格 较 高 ， 而 且 要 求 具 有 较 高 技 术 水 平 的 人 员 来 操作 和 维

29、 修 ， 但 是 数 控 机 床 的 优 点 很 多 ， 它 有 利 于 自 动 化 生 产 和 生 产 管 理 ， 使 用数 控 机 床 的 经 济 效 益 还 是 很 高 的 。本文由 送料机 网 (htp:/)收集和整理7.有 利 于 生 产 管 理 的 现 代 化采 用 数 控 机 床 加 工 零 件 ， 能 准 确 地 计 算 零 件 的 加 工 工 时 ， 并 有 效 地 简 化 了 检验 、 工 装 和 半 成 品 的 管 理 工 作 ， 这 些 都 有 利 于 使 生 产 向 计 算 机 控 制 与 管 理 生 产 方面 发 展 ， 为 实 现 生 产 过 程 自 动 化 创

30、造 了 条 件 。8.生 产 准 备 工 作 复 杂由 于 整 个 加 工 过 程 采 用 程 序 控 制 ， 数 控 加 工 的 前 期 准 备 工 作 较 为 复 杂 ， 包 含工 艺 确 定 、 程 序 编 制 等 。 9.投 资 大 ， 维 修 困 难数 控 机 床 是 一 种 高 度 自 动 化 机 床 ， 必 须 配 有 数 控 装 置 或 电 子 计 算 机 ， 机 床 加工 精 度 因 受 切 削 用 量 大 、 连 续 加 工 发 热 多 等 影 响 ， 使 其 设 计 要 求 比 普 通 机 床 更 加严 格 ， 制 造 要 求 更 精 密 ， 因 此 数 控 机 床 的 制 造 成 本 比 较 高 。 此 外 ， 数 控 机 床 属 于典 型 的 机 电 一 体 化 产 品 ， 控 制 系 统 比 较 复 杂 、 技 术 含 量 高 ， 一 些 元 器 件 、 部 件精 密 度 较 高 ， 同 时 一 些 进 口 机 床 的 技 术 开 发 受 到 条 件 的 限 制 ， 所 以 对 数 控 机 床的 调 试 和 维 修 比 较 困 难 。