机床数控技术

第1章绪论 主本章知识要点 （1）熟悉数控机床基本概念、基本组成。 （2）掌握数控机床的特点。 （3）掌握数拉机床分类方式。 （4）了解数控机床的发展趋势。 探索思考 一般自动化设备中进给伺服系统驱动电机的选择与数控机床有什么不同? 预习准备 请先预习普通机床、电机工作原理及电机控制方面的知识。 1.1 数控机床定义、特点及其组成 1.1.1 数控机床的定义 数字控制（Numerical Control，NC）是现代发展起来的一种自动控制技术，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方法。 国家标准（GB8129-1987）把机床数控技术定义为“用数字化信息对机床运动及其加工过程进行控制的一种方法”，数控机床就是采用数控技术的机床。国际信息处理联盟（International Federation of Information Processing）第五技术委员会对数控机床作了如下定义：“数控机床是一个装有程序控制系统的机床，该系统能够逻辑地处理具有使用代码，或其他符号编码指令规定的程序”，即数控机床是一种采用计算机技术，利用数字信息进行控制的高效、自动化加工机床，它能够按照机床规定的代码，把各种机械位移量、工艺参数（背吃刀量、进给量、切削速度等）、辅助功能（如刀具交换，切削液开、关等）表示出来，经过数控系统的逻辑处理与运算，发出各种控制指令，实现人们要求的机械动作，自动完成零件加工任务。在被加工零件或加工工序变换时，它只需改变控制的指令程序就可以实现新的加工。所以数控机床是一种柔性很强、技术含量较高、自动化程度很高的机电一体化加工设备。随着计算机技术的发展，计算机数控技术（Computer Numerical Control Technology），也称软件数控，得到极大的发展，其灵活性和通用性大大提高了数控机床的性能。现代数控机床加工中心如图1-1所示。 1.1.2 数控机床的特点 从20世纪80年代以来，由于市场激烈竞争，更新产品迅速，中小批量零部件的生产越来越多。对工业国家来说，中、小批量生产的零件与产品数量约占总量的75%～80%，而且随着航空工业、汽车工业及轻工消费品生产的高速增长，复杂图形的零件越来越多，加工精度要求也越来越高，由于刚性生产自动化不能满足要求，柔性加工的重要性更加突出，数控机床正是在此“小批量、变品种”产模式基础上发展起来的。 数控机床的主要特点有以下几点。 （1）能够完成很多普通机床难以加工或根本不能加工的复杂型面的零件加工，尤其是复杂型面模具、涡轮叶片、螺旋桨加工等。 （2）采用刚度高、精度好，并且精度保持性较好的数控机床，可提高零件的加工精度，还可以利用计算机软件技术进行误差补偿和校正，稳定产品的质量。 （3）数控加工工序集中，可减少零件周转时间，可以提高生产率，与普通机床相比可提高2～3倍，其是某些复杂零件的加工，生产率可提高十几倍甚至几十倍。 （4）可以实现一机多用，数控加工中心可以自动换刀，零件在一次装夹后，几能完成零件的全部加工部位的加工，可以替代5～7台通机床加工，节省厂房面积。 （5）几不需要专用的工装夹具，采用通用的夹具，只需改变零件加工数控程序，就可适应不同品种及尺寸规格零件的自动加工。 （6）减少了在制品数量，加速了资金流动，提高经济效益。 （7）数控机床操作人员一般只需装卸零件、更换刀具、利用操作面板来控制机床的自动加工，不需要进行繁杂的重复性手工操作，因此劳动强度可大为减轻，但对操作人员技术含量要求提高。 总而言之，数控机床一般具有“三高一低”的特点：高精度、高效率、高柔性及低劳动强度。 1.1.3 数控机床的构成 1.机床本体 机床本体，它主要由床身、立柱、工作台、导轨等基础件和刀库、刀架等配套件组成。数控机床由于切削用量大、连续加工发热量大等因素，对加工精度有一定影响。用于各种切削加工的机械部分，根据不同的零件加工要求，有草、镜、钻、磨、电加工等数控机床。与普通机床相比较，数控机床具有以下特点。 （1）由于大多数数控机床采用了高性能的主轴及伺服传动系统，因此，其机械传动结构得到简化，传动链较短。 （2）为了适应数控机床连续地自动化加工，其机械结构具有较高的动态刚度、阻尼精度及耐磨匪，热变形较小。 （3）采用高效传动部件，如滚珠丝杆副、直线滚动导轨等。 2.CNC系统 数控机床的核心，是由程序、输入输出设备、计算机数控装置（CNC装置）、可编程控制器、主轴驱动装置和进给伺服驱动系统等组成的系统。 在一般数控加工过程中，*先启动CNC装置，在CNC内部控制软件的作用下，通过输入装置或输入接口读入零件的数控加工程序，并存放到CNC装置的程序存储器内。开始加工时，在控制软件作用下，将数控加工程序从存储器中读出，按程序段进行处理，先进行译码处理，将零件数控加工程序转换成计算机能处理的内部形式，将程序段的内容分成位置数据和控制指令，井存放到相应的存储区域，*后根据数据和指令的性质进行各种流程处理，完成数控加工的各项功能。 用于实现输入数字化的零件程序，完成输入信息的储存，数据转换，插补运算以及实现各种控制功能，其功能包括以下几点。 （1）多坐标控制（多轴联动）。 （2）实现多种函数插补（直线、圆弧、抛物线等）。 （3）代码转换（EIA/ISO转换，英/公转换，二、十进制转换等）。 （4）人机对话，程序输入，编辑与修改等。 （5）可实现各种补偿功能，进行刀具半径、刀具长度、传动间隙、螺距误差的补偿。 （6）实现故障自诊断。 （7）CRT显示，实现轨迹、图形、字符显示。 （8）联网及通讯功能。 CNC系统制造商或供应商会向用户提供详细的创C功能的具体说明书。数控机床制造商的不同、数控系统的不同会导致*终数控机床的编程、操作等不同。 3.驱动装置 数据机床执行机械运动的驱动部件，普通机床是主轴箱实现传动与变速，而数控机床主轴与进给是由数控装置发出进给指令，通过电气或电液伺服系统实现。它是CNC装置和机床本体的联系环节，它把来自ac装置的微弱指令信号调解、转换、放大后驱动伺服电机，通过执行部件驱动机床运动，使工作台精确定位或使刀具与工件按规定的轨迹作相对运动，*后加工出符合图纸要求的零件。数控机床的伺服驱动装置包括主轴驱动单元（主要是转速控制）、进给驱动单元（包括位移和速度控制）、回转工作台和刀库伺服控制装置以及相应的伺服电机等。伺服系统分为步进电机伺服系统、直流伺服系统、交流伺服系统和直线伺服系统。 4.辅助装置 配套部件，有电器、液压、气动元件及系统，冷却、排屑、防护、润滑、照明及储运等装置。 5.编程机 手工键盘输入程序或自动编程，对于复杂霉件必须在机外编制，记录在信息载体上（如磁带、磁盘等），然后输入（网络传输）数控装置。 图1-2和图1-3为数控车削中心结构及其主要组成部分。 1.2数控机床分类 数控机床的品种规格繁多，分类方法不一。根据数控机床的功能、结构、组成不同，可从控制方式、伺服系统类型、功能水平、工艺方法几个方面进行分类，见表1-1。 1.按控制系统的特点分类 1）点位控制数控机床 只控制刀具相对工件从某一加工点移到另一个加工点之间的精确坐标位置，而对于点与点之间移动的轨迹不进行控制，且移动过程中不作任何加工，如图1-4所示。通常采用这一类系统的设备有数控钻床、镗床及冲床等。 2）直线控制数控机床 不仅要控制点与点的精确位置，还要控制两点之间的移动轨迹是一条直线，且在移动中能以给定的进给速度进行加工。采用此类控制方式的设备有数控车床、数控铣床等。一般情况下，该数控机床有两至三个可控轴，但控制轴只有一个，如图1-5所示。 3）轮廓控制的数控机床 连续控制系统又称为轮廓控制系统或轨迹控制系统。这类系统能够对两个或两个以上坐标方向进行严格控制，即不仅控制每个坐标的行程位置，同时还控制每个坐标的运动速度。各坐标的运动按规定的比例关系相互配合，精确地进行加工，以形成所需要的直线、斜线或曲线、曲面。采用此类控制方式的设备有数控车床、就床、加工中心、电加工机床及特种加工机床等，如图1-6所示。 2.按执行机构的伺服系统类型分类 1）开环控制数控机床 没有位移检测反馈装置的数控机床。数控装置发出的控制指令直接通过驱动装置控制步进电机的运转，然后通过机械传动系统转化成刀架或工作台的移动。开环数控机床结构简单，制造成本低，价格便宜，20世纪末我国大量应用经济型数控机床，但是该机床无反馈系统，无法通过反馈自动进行误差检测和校正，因此位移精度不高。受步进电动机的步距角精度和工作频率以及传动机构的传动精度影响，开环系统的速度和精度都较低。 2）闭环控制数控机床 闭环控制数控机床带有位置检测装置，而且检测装置安装在刀架或工作台等执行部件上，可以随时检测执行部件的实际位置，如图1-7所示。插补得到的指令值与反馈的实际值作比较，根据其差值控制电机的转速，进行误差修正，直到误差消除为止。闭环控制数控机床可以消除由于机械部件误差给加工精度带来的影响，因此可以得到很高的加工精度、可靠性好，缺点是测量装置要和工作台行程等长，所以在大型数控机床上受到一定限制。 3）半闭环伺服系统 在大多数数控机床中得到应用，如图1-7所示。将旋转型检测装置安装在驱动电机轴或滚珠丝杠上，通过检测转动件的角位移来间接测量机床工作台的直线位移，作为半闭环伺服系统的位置反馈用。其优点是测量方便、无长度限制。缺点是测量信号中增加了由回转运动转变为直线运动的传动链误差，从而影响了测量精度。