數(shù)控機(jī)床的組成與工作原理

1、第1章 概 述 第第 2 2 講：講：數(shù)控機(jī)床的組成及工作原理數(shù)控機(jī)床的組成及工作原理第1章 概 述 1.1 數(shù)控機(jī)床的組成及工作原理數(shù)控機(jī)床的組成及工作原理 1.1.1 數(shù)控機(jī)床的組成數(shù)控機(jī)床的組成 1. 數(shù)控機(jī)床的概念數(shù)控機(jī)床的概念數(shù)控即數(shù)字控制(Numerical Control，簡(jiǎn)稱NC)。數(shù)控技術(shù)即NC技術(shù)，是指用數(shù)字化信息發(fā)出指令并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的技術(shù)。計(jì)算機(jī)數(shù)控(Computerized Numerical Control，簡(jiǎn)稱CNC)是指用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)部分或全部的數(shù)控功能。采用數(shù)控技術(shù)的自動(dòng)控制系統(tǒng)為數(shù)控系統(tǒng)，采用計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)的自動(dòng)控制系統(tǒng)為計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，其被控對(duì)象可以是生產(chǎn)過

2、程或設(shè)備。如果被控對(duì)象是機(jī)床，則稱為數(shù)控機(jī)床。 第1章 概 述 數(shù)控機(jī)床的加工過程是：將所需的多個(gè)操作步驟(如機(jī)床的啟動(dòng)或停止、主軸的變速、工件的夾緊或松開、刀具的選擇和交換、切削液的開或關(guān)等)和刀具與工件之間的相對(duì)位移，以及進(jìn)給速度等都用數(shù)字化的代碼來表示，按規(guī)定編寫零件加工程序并送入數(shù)控系統(tǒng)，經(jīng)分析處理與計(jì)算后發(fā)出相應(yīng)的指令控制機(jī)床的伺服系統(tǒng)或其他執(zhí)行元件，使機(jī)床自動(dòng)加工出所需要的工件。 第1章 概 述 數(shù)控機(jī)床具有如下特點(diǎn)：(1) 具有柔性化和靈活性，當(dāng)改變加工零件時(shí)，只要改變數(shù)控程序即可，所以適合于產(chǎn)品更新?lián)Q代快的要求。(2) 可以采用較高的切削速度和進(jìn)給量。(3) 加工精度高，質(zhì)量穩(wěn)

3、定。機(jī)床本身精度高，此外還可以利用參數(shù)的修改進(jìn)行精度校正和補(bǔ)償。 第1章 概 述 2數(shù)控機(jī)床的組成1) 1) 程序編制及程序載體程序編制及程序載體數(shù)控程序由數(shù)控機(jī)床自動(dòng)加工零件所需工作指令組成，包含切削過程中所必需的機(jī)械運(yùn)動(dòng)、零件輪廓尺寸、工藝參數(shù)等加工信息。編制程序的工作可以人工進(jìn)行，也可以在數(shù)控機(jī)床以外用計(jì)算機(jī)自動(dòng)編程系統(tǒng)來完成。對(duì)于幾何形狀比較簡(jiǎn)單的零件，程序段不多，可以采用手工編程；對(duì)于比較復(fù)雜特別是空間曲面零件，由于手工編程繁瑣而費(fèi)時(shí)，且易出錯(cuò)，需采用自動(dòng)編程的方法。 第1章 概 述 2) 2) 輸入裝置輸入裝置輸入裝置的作用是將程序載體上的數(shù)控代碼信息轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖信號(hào)并傳送至

4、數(shù)控裝置的存儲(chǔ)器。根據(jù)程序控制介質(zhì)的不同，輸入裝置可以是光電閱讀機(jī)、錄放機(jī)或軟盤驅(qū)動(dòng)器。最早使用光電閱讀機(jī)對(duì)穿孔紙帶進(jìn)行閱讀，之后大量使用磁帶機(jī)和軟盤驅(qū)動(dòng)器。有些數(shù)控機(jī)床不用任何程序存儲(chǔ)載體，而是將程序清單的內(nèi)容通過數(shù)控裝置上的鍵盤，用手工的方式輸入。也可以用通信方式將數(shù)控程序由編程計(jì)算機(jī)直接傳送至數(shù)控裝置。 第1章 概 述 3) 3) 數(shù)控裝置數(shù)控裝置數(shù)控裝置是數(shù)控機(jī)床的核心，包括微型計(jì)算機(jī)、各種接口電路、顯示器等硬件及相應(yīng)的軟件。它能完成信息的輸入、存儲(chǔ)、變換、插補(bǔ)運(yùn)算以及各種控制功能。數(shù)控裝置接受輸入裝置送來的脈沖信號(hào)，經(jīng)過編譯、運(yùn)算和邏輯處理后，輸出各種信號(hào)和指令來控制機(jī)床的各個(gè)部分，

5、并按程序要求實(shí)現(xiàn)規(guī)定的、有序的動(dòng)作。這些控制信號(hào)是：各坐標(biāo)軸的進(jìn)給位移量、進(jìn)給方向和速度的指令信號(hào)；主運(yùn)動(dòng)部件的變速、換向和啟停指令信號(hào)；選擇和交換刀具的刀具指令信號(hào)；控制冷卻、潤(rùn)滑的啟停，工件和機(jī)床部件松開、夾緊，分度工作臺(tái)轉(zhuǎn)位等輔助信號(hào)等。 第1章 概 述 數(shù)控裝置具備的功能有： 多坐標(biāo)控制； 實(shí)現(xiàn)多種函數(shù)的插補(bǔ)； 信息轉(zhuǎn)換功能，如英制/公制轉(zhuǎn)換、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、絕對(duì)值/增量值轉(zhuǎn)換； 補(bǔ)償功能，如刀具半徑補(bǔ)償、長(zhǎng)度補(bǔ)償、傳動(dòng)間隙補(bǔ)償、螺距誤差補(bǔ)償； 多種加工方式選擇，如可以實(shí)現(xiàn)各種加工循環(huán)、重復(fù)加工； 具有故障自診斷功能； 通信和聯(lián)網(wǎng)功能等。 第1章 概 述 4) 4) 強(qiáng)電控制裝置強(qiáng)電控制裝置

6、強(qiáng)電控制裝置是介于數(shù)控裝置和機(jī)床機(jī)械、液壓部件之間的控制系統(tǒng)。其主要作用是接收數(shù)控裝置輸出的主軸變速、換向、啟動(dòng)或停止，刀具的選擇和更換，分度工作臺(tái)的轉(zhuǎn)位和鎖緊，工件的夾緊或松開，切削液的開或關(guān)等輔助操作的信號(hào)，經(jīng)必要的編譯、邏輯判斷、功率放大后直接驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行元件(如電器、液壓、氣動(dòng)和機(jī)械部件等)，以完成指令所規(guī)定的動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床在加工過程中的全部自動(dòng)操作。 第1章 概 述 5) 5) 伺服控制裝置伺服控制裝置伺服系統(tǒng)主要完成機(jī)床的運(yùn)動(dòng)及運(yùn)動(dòng)控制(包括進(jìn)給運(yùn)動(dòng)、主軸運(yùn)動(dòng)、位置控制等)，它由伺服驅(qū)動(dòng)電路和伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成，并與機(jī)床上的執(zhí)行部件和機(jī)械傳動(dòng)部件組成數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)。它接

7、受來自數(shù)控裝置的位置控制信息，將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)坐標(biāo)軸的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和精確的定位運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)機(jī)床執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。由于是數(shù)控機(jī)床的最后控制環(huán)節(jié)，它的性能將直接影響數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)效率、加工精度和表面加工質(zhì)量。 第1章 概 述 6) 6) 機(jī)床的機(jī)械部件機(jī)床的機(jī)械部件與傳統(tǒng)的普通機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床機(jī)械部件有如下幾個(gè)特點(diǎn)：(1) 采用了高性能的主軸及進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)裝置，機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)得到簡(jiǎn)化，傳動(dòng)鏈較短。(2) 機(jī)械結(jié)構(gòu)具有較高的動(dòng)態(tài)特性、動(dòng)態(tài)剛度、阻尼剛度、耐磨性以及抗熱變形性能。(3) 較多地采用高效傳動(dòng)件，如滾珠絲杠螺母副、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌等。(4) 還有一些配套部件(如冷卻、排屑、防護(hù)、潤(rùn)滑、照明、儲(chǔ)運(yùn)等一系列裝

8、置)和輔屬設(shè)備(編程機(jī)和對(duì)刀儀等)。 第1章 概 述 這些特點(diǎn)較好地滿足了數(shù)控技術(shù)的要求，并能充分適應(yīng)數(shù)控加工的特點(diǎn)，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。(1) 主傳動(dòng)系統(tǒng)及主軸部件。主傳動(dòng)電機(jī)已逐步被變頻主軸電機(jī)和交流調(diào)速電機(jī)所代替，不再使用普通的交流異步電機(jī)或傳統(tǒng)的直流調(diào)速電機(jī)。由于主軸部件要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)更換刀具或工件，因此主軸上設(shè)計(jì)有刀具自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)。此外還有主軸準(zhǔn)停裝置。(2) 進(jìn)給系統(tǒng)。由于進(jìn)給系統(tǒng)傳動(dòng)精度、靈敏性和穩(wěn)定性將直接影響被加工工件的最后坐標(biāo)精度和輪廓精度，因此，為減少摩擦阻力，進(jìn)給系統(tǒng)普遍采用滾珠絲杠螺母副和滾動(dòng)導(dǎo)軌。 第1章 概 述 (3) 數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)?；剞D(zhuǎn)工作臺(tái)通常用來實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床

9、的圓周進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，除了用來進(jìn)行各種圓弧加工或與直線進(jìn)給聯(lián)動(dòng)進(jìn)行曲面加工外，還可以實(shí)現(xiàn)精確的分度。對(duì)于自動(dòng)換刀的多工序加工中心來說，回轉(zhuǎn)工作臺(tái)已成為一個(gè)不可缺少的部件。(4) 刀具及自動(dòng)換刀系統(tǒng)。對(duì)于加工中心類的數(shù)控機(jī)床，還有存放刀具的刀庫、自動(dòng)刀具交換裝置、自動(dòng)交換工作臺(tái)等部件。由于數(shù)控機(jī)床是按預(yù)先編制的程序自動(dòng)進(jìn)行加工的，因而數(shù)控機(jī)床所用刀具的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化以及編程前刀具的選用和加工前刀具的預(yù)調(diào)等都很重要。此外，自動(dòng)換刀系統(tǒng)還應(yīng)滿足換刀時(shí)間短、刀具重復(fù)定位精度高、足夠的刀具儲(chǔ)存量、刀庫占地面積小以及安全可靠等要求。 第1章 概 述 1.1.2 數(shù)控機(jī)床的工作原理數(shù)控機(jī)床的工作原理1. 工作原理

10、工作原理數(shù)控機(jī)床是一種高度自動(dòng)化的機(jī)床，它在加工工藝與加工表面形成方法上與普通機(jī)床基本相同，最根本的不同在于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制的原理與方法上：數(shù)控機(jī)床是用數(shù)字化的信息來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的。第1章 概 述 在數(shù)控機(jī)床上加工零件時(shí)，首先要將被加工零件圖上的幾何信息和工藝信息數(shù)字化。先根據(jù)零件加工圖樣的要求確定零件加工的工藝過程、工藝參數(shù)、刀具參數(shù)，再按數(shù)控機(jī)床規(guī)定采用的代碼和程序格式，將與加工零件有關(guān)的信息如工件的尺寸、刀具運(yùn)動(dòng)中心軌跡、位移量、切削參數(shù)(主軸轉(zhuǎn)速、切削進(jìn)給量、背吃刀量)以及輔助操作(換刀、主軸的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)、切削液的開與關(guān))等編制成數(shù)控加工程序，然后將程序輸入到數(shù)控裝置中，經(jīng)數(shù)控裝置分析處

11、理后，發(fā)出指令控制機(jī)床進(jìn)行自動(dòng)加工。 第1章 概 述 2插補(bǔ)1) 1) 插補(bǔ)的概念插補(bǔ)的概念如何控制刀具或工件的運(yùn)動(dòng)是數(shù)控機(jī)床的核心問題。數(shù)控機(jī)床的信息數(shù)字化就是把刀具與工件的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)分割成一些最小單位量，即最小位移量。數(shù)控系統(tǒng)按照程序的要求，經(jīng)過信息處理、分配，使坐標(biāo)移動(dòng)若干個(gè)最小位移量，實(shí)現(xiàn)刀具與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，完成零件的加工。 第1章 概 述 在數(shù)控機(jī)床中，刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡是折線，因此刀具不能嚴(yán)格地沿著所加工的曲線運(yùn)動(dòng)，只能用折線以一定的精度要求逼近被加工曲線，當(dāng)逼近誤差相當(dāng)小時(shí)，這些折線之和就接近曲線了。數(shù)控機(jī)床是以脈沖當(dāng)量為單位，計(jì)算輪廓起點(diǎn)與終點(diǎn)之間的坐標(biāo)值，進(jìn)行有限分段，以折代直，

12、以弦代弧，以直代曲，分段逼近，相連成軌跡的。CNC裝置每發(fā)出一個(gè)脈沖，機(jī)床執(zhí)行部件的最小位移量稱為脈沖當(dāng)量。常用機(jī)床的脈沖當(dāng)量為0.010.001 mm/脈沖，脈沖當(dāng)量越小，數(shù)控機(jī)床精度越高。各種斜線、圓弧、曲線均可由以脈沖當(dāng)量為單位的微小直線段擬合而成。 第1章 概 述 零件的輪廓形狀是由各種線形如直線、螺旋線、拋物線、自由曲線等構(gòu)成的，用戶在加工程序中，一般僅提供描述該線形所必需的相關(guān)參數(shù)。例如，對(duì)直線，僅提供起點(diǎn)和終點(diǎn)的坐標(biāo)值；對(duì)圓弧，除必須提供起點(diǎn)和終點(diǎn)的坐標(biāo)值外，還必須提供圓心相對(duì)于起點(diǎn)的位置數(shù)值以及圓弧的旋轉(zhuǎn)方向。因此，數(shù)控系統(tǒng)必須在運(yùn)動(dòng)過程中實(shí)時(shí)計(jì)算出滿足線形和進(jìn)給速度要求的若干

13、中間點(diǎn)(在起點(diǎn)和終點(diǎn)之間)，這就是插補(bǔ)。它實(shí)質(zhì)上是根據(jù)有限的信息完成“數(shù)據(jù)密化”的工作。可將插補(bǔ)定義為：插補(bǔ)就是根據(jù)給定進(jìn)給速度和給定輪廓線形的要求，在輪廓的已知點(diǎn)之間計(jì)算中間點(diǎn)的方法。 第1章 概 述 數(shù)控系統(tǒng)對(duì)直線進(jìn)行的插補(bǔ)計(jì)算即為直線插補(bǔ)，對(duì)圓弧進(jìn)行的插補(bǔ)計(jì)算為圓弧插補(bǔ)，對(duì)其他由線進(jìn)行的插補(bǔ)計(jì)算為其他的曲線插補(bǔ)。數(shù)控系統(tǒng)能進(jìn)行哪幾種線形的插補(bǔ)計(jì)算，即具有哪幾種插補(bǔ)功能。目前，絕大多數(shù)數(shù)控系統(tǒng)只有直線插補(bǔ)功能和圓弧插補(bǔ)功能。因此，數(shù)控機(jī)床只能作直線進(jìn)給和圓弧進(jìn)給，其指令為G01和G02/G03。 第1章 概 述 2) 2) 插補(bǔ)方法的分類插補(bǔ)方法的分類目前常用的插補(bǔ)方法大致分為兩類：脈沖增

14、量插補(bǔ)和數(shù)字增量插補(bǔ)。(1) 脈沖增量插補(bǔ)。主要用于采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的開環(huán)系統(tǒng)。每次插補(bǔ)計(jì)算結(jié)束，CNC裝置向各坐標(biāo)軸驅(qū)動(dòng)裝置發(fā)出一個(gè)脈沖，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)機(jī)床移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)。其基本思想是：用折線來逼近曲線(包括直線)。 第1章 概 述 脈沖增量插補(bǔ)每次插補(bǔ)的結(jié)果僅產(chǎn)生一個(gè)單位的行程增量(一個(gè)脈沖當(dāng)量)。以一個(gè)個(gè)脈沖的方式輸出給步進(jìn)電機(jī)。脈沖增量插補(bǔ)的插補(bǔ)速度與進(jìn)給速度密切相關(guān)，還受到步進(jìn)電機(jī)最高運(yùn)行頻率的限制。脈沖增量插補(bǔ)的實(shí)現(xiàn)方法較為簡(jiǎn)單，比較容易用硬件來實(shí)現(xiàn)，也有用軟件來完成這類算法的。這類插補(bǔ)算法有逐點(diǎn)比較法、最小偏差法、數(shù)字積分法等。逐點(diǎn)比較法的基本原理是：數(shù)控系統(tǒng)在控制加工過程中，逐點(diǎn)計(jì)算和判別加工誤差，與規(guī)定的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行比較，由比較結(jié)果決定下一步的移動(dòng)方向。這種算法的特點(diǎn)是：運(yùn)算直觀，插補(bǔ)誤差小于一個(gè)脈沖當(dāng)量，輸出脈沖均勻，而且輸出脈沖的速度變化小，調(diào)節(jié)方便。因此，逐點(diǎn)比較法在兩坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床中應(yīng)用較為廣泛。 第1章 概 述 (2) 數(shù)字增量插補(bǔ)。主要用于采用交、直流伺服電機(jī)為伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的閉環(huán)、半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，也可以用于以步進(jìn)電機(jī)為伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。目前所使用的CNC系統(tǒng)中，大多采用這類插補(bǔ)方法。CNC裝置產(chǎn)生的不是單個(gè)脈沖，而是標(biāo)準(zhǔn)的二進(jìn)制數(shù)。其基本思想是，用直線段來逼近曲線(包括直線)。 第1章 概 述 采用數(shù)字增量