數(shù)控機(jī)床各個(gè)組成部分的工作原理及結(jié)構(gòu)

1、 數(shù)控機(jī)床各個(gè)組成部分的工作原理及結(jié)構(gòu)第一節(jié) 輸入裝置 輸入裝置是整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)的初始工作機(jī)構(gòu)，它將準(zhǔn)確可靠的接收信息介質(zhì)上所記錄的“工程語(yǔ)言”、運(yùn)算及操作指令等原始數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)為數(shù)控裝置能處理的信息，并同時(shí)輸送給數(shù)控裝置。 輸入信息的方式分手動(dòng)輸入和自動(dòng)輸入。手動(dòng)輸入簡(jiǎn)單、方便但輸入速度慢容易出錯(cuò)?，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床普遍采用自動(dòng)輸入，其輸入形式有光電閱讀機(jī)、磁帶閱讀機(jī)及磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器以及無(wú)帶自動(dòng)輸入方式。 其它輸入方式:1.無(wú)帶自動(dòng)輸入方式 在高檔數(shù)控機(jī)床上，設(shè)置有自動(dòng)編程系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)模擬顯示器（CRT）。將這些設(shè)備通過(guò)計(jì)算機(jī)接口與機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)相連接,自動(dòng)編程所編制的加工程序即可直接在機(jī)床上調(diào)用,無(wú)需經(jīng)制控

2、制介質(zhì)后再另行輸入。2.觸針接觸式閱讀機(jī)輸入方式 又稱(chēng)為程控機(jī)頭或電報(bào)機(jī)頭，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，閱讀速度較慢，但輸入可靠、價(jià)格低廉故在部分線切割機(jī)床加工中仍在用。3.磁帶、磁盤(pán)輸入方式 磁帶輸入方式進(jìn)行信息輸入，其信息介質(zhì)為“錄音”磁帶，只不過(guò)錄制的不是聲音，而是各種數(shù)據(jù)。 加工程序等數(shù)據(jù)信息一方面由微機(jī)內(nèi)的磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器“寫(xiě)入”磁盤(pán)上進(jìn)行儲(chǔ)存，另外也由磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行閱讀并通過(guò)微機(jī)接口輸入到機(jī)床數(shù)控裝置中去。第二節(jié) 數(shù)控裝置 數(shù)控裝置是數(shù)控機(jī)床的核心，數(shù)控機(jī)床幾乎所有的控制功能（進(jìn)給坐標(biāo)位置與速度，主軸、刀具、冷卻及機(jī)床強(qiáng)電等多種輔助功能）都由它控制實(shí)現(xiàn)。因此數(shù)控裝置的發(fā)展，在很大程度上代表了數(shù)控機(jī)床的發(fā)展

3、方向。 數(shù)控裝置的作用是接收加工程序等送來(lái)的各種信息，并經(jīng)處理分配后，向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)發(fā)出執(zhí)行的命令，在執(zhí)行過(guò)程中，其驅(qū)動(dòng)、檢測(cè)等機(jī)構(gòu)同時(shí)將有關(guān)信息反饋給數(shù)控裝置，經(jīng)處理后，發(fā)出新的命令。一、數(shù)控裝置的組成1、數(shù)字控制的信息1）幾何信息是指通過(guò)被加工零件的圖樣所獲得的幾何輪廓的信息。 這些信息由數(shù)控裝置處理后，變?yōu)榭刂聘鬟M(jìn)給軸的指令脈沖，最終形成刀具的移動(dòng)軌跡。幾何信息的指令，由準(zhǔn)備功能G具體規(guī)定。2）工藝信息通過(guò)工藝處理后所獲得的各種信息。 包括工藝準(zhǔn)備、刀具選擇、加工方案（走刀路線、切削用量等）及補(bǔ)償方案等各方面信息。加工實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的積累，也是獲得工藝信息的有效途徑。3）輔助信息泛指除幾何、工藝信

4、息之外的其它信息，其作用主要為控制機(jī)床輔助動(dòng)作。 如主軸的啟、停與調(diào)速、換向，冷卻液的開(kāi)、關(guān)，零件的夾緊與松開(kāi)，以及找刀、換刀等各種信息。2、數(shù)控機(jī)床用計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)介 數(shù)控的實(shí)質(zhì)是計(jì)算機(jī)控制。計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，開(kāi)辟了數(shù)字技術(shù)綜合應(yīng)用的新領(lǐng)域，促進(jìn)了生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化的不斷發(fā)展。1）電子計(jì)算機(jī)的組成:電子計(jì)算機(jī)由軟件和硬件兩大部分組成。 硬件即指設(shè)備，它包括構(gòu)成計(jì)算機(jī)的集成電路、存儲(chǔ)器、接口元件等。軟件是以程序?yàn)橹行牡男畔⒔M合，軟硬件結(jié)合,才能實(shí)現(xiàn)所給定的功能。 電子計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)（硬件）:電子計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)由中央處理器（CPU）、存儲(chǔ)器（PAM、 ROM和輸入/輸出部分（I/O）三部分組成。

5、電子計(jì)算機(jī)的軟件部分:上述計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)式是指硬件部分，但僅有硬件部分，只是具備了計(jì)算機(jī)或過(guò)程控制的可能性。要使計(jì)算機(jī)真正能進(jìn)行計(jì)算或過(guò)程控制，還必須軟件的支持。計(jì)算機(jī)運(yùn)行的程序通過(guò)程序設(shè)計(jì)確定，使計(jì)算機(jī)完成指定的工作。二、數(shù)控裝置的工作原理 數(shù)控裝置的工作原理就是指控制各進(jìn)給坐標(biāo)所需進(jìn)給脈沖的基本規(guī)律。通過(guò)插補(bǔ)原理和逐點(diǎn)比較法進(jìn)行說(shuō)明。1、插補(bǔ)原理1）脈沖當(dāng)量是數(shù)控機(jī)床的一個(gè)基本參數(shù)，數(shù)控系統(tǒng)每發(fā)出一個(gè)進(jìn)給脈沖，機(jī)床機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)就產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的位移量，一個(gè)脈沖所對(duì)應(yīng)的位移量稱(chēng)為脈沖當(dāng)量。它是脈沖分配計(jì)算中的基本單位。用Q表示:Q脈沖當(dāng)量（MM）步距角（伺服電機(jī)在輸入一個(gè)脈沖時(shí)所轉(zhuǎn)過(guò)的角度）

6、L傳動(dòng)螺旋副的導(dǎo)程i伺服電機(jī)至螺旋副間的傳動(dòng)比同理可得刀具位移的關(guān)系式：S=QNS刀具運(yùn)動(dòng)的位移量（MM）N脈沖個(gè)數(shù)2）插補(bǔ)的概念 插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)生將兩個(gè)或兩個(gè)以上的進(jìn)給軸的直線運(yùn)動(dòng)合成，以實(shí)現(xiàn)所需輪廓的運(yùn)動(dòng)軌跡。在數(shù)控技術(shù)中這種合成的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)。數(shù)控裝置為了完成機(jī)床所需插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)而進(jìn)行的一系列運(yùn)算，即稱(chēng)為插補(bǔ)運(yùn)算；在其插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，每一個(gè)單位脈沖（即每一步）所到達(dá)的終點(diǎn)，稱(chēng)為插補(bǔ)點(diǎn)。 插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)的實(shí)際軌跡始終不可能與其理想軌跡完全相同，插補(bǔ)點(diǎn)一般也不會(huì)落在理想軌跡上。 當(dāng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的軌跡不與坐標(biāo)軸平行時(shí)，則經(jīng)數(shù)控插補(bǔ)后的實(shí)際軌跡均由很多線段組成，其折線交點(diǎn)即插補(bǔ)點(diǎn)不能與理想軌跡重合，每一

7、個(gè)交點(diǎn)的位置將由數(shù)控系統(tǒng)確定并控制。 因?yàn)閿?shù)控系統(tǒng)所進(jìn)行的插補(bǔ)運(yùn)算，是以最小設(shè)定單位為插補(bǔ)單位的，所以在完成加工的零件上，看不出實(shí)際插補(bǔ)軌跡的折線形狀。實(shí)際終點(diǎn)與理想終點(diǎn)的誤差，一般不超過(guò)半個(gè)脈沖。 數(shù)控系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量越小，插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)的實(shí)際軌跡就越接近理想軌跡，加工精度就越高。 插補(bǔ)概念根據(jù)給定的信息，在理想輪廓（或軌跡）上的已知兩點(diǎn)之間，確定一些中間點(diǎn)的一種方法。 插補(bǔ)原理通過(guò)插補(bǔ)計(jì)算的結(jié)果，對(duì)各進(jìn)給坐標(biāo)所需進(jìn)給脈沖個(gè)數(shù)、頻率及方向進(jìn)行分配，以實(shí)現(xiàn)進(jìn)給軌跡控制，這就是插補(bǔ)原理。 插補(bǔ)原理是數(shù)控技術(shù)中的基本原理之一，它廣泛應(yīng)用在除點(diǎn)位控制機(jī)床以外的各種機(jī)床數(shù)控裝置中。 插補(bǔ)的類(lèi)型由其給定的信息的

8、類(lèi)型決定，給定信息為一次函數(shù)時(shí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行的插補(bǔ)類(lèi)型為直線插補(bǔ)；二次函數(shù)時(shí)根據(jù)二次曲線的不同類(lèi)型又有圓弧、拋物線、橢圓、漸開(kāi)線及螺旋線等插補(bǔ)類(lèi)型。它們都可以通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件方式實(shí)現(xiàn)。2、逐點(diǎn)比較法 應(yīng)用插補(bǔ)原理的方法有很多種，如逐點(diǎn)比較法、數(shù)字積分法及單步追蹤法等。在對(duì)平面曲線進(jìn)行插補(bǔ)的各種方法中，最常用的是逐點(diǎn)比較法。采用這種方法進(jìn)行插補(bǔ)的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)算直觀，插補(bǔ)誤差小于一個(gè)脈沖當(dāng)量，輸入脈沖的速度變化小，以及調(diào)節(jié)方便、簡(jiǎn)便易行。 逐點(diǎn)比較法是一種邊判別邊逼近的方法，幫又稱(chēng)為逼近法或區(qū)域判別法。在逐點(diǎn)比較法的應(yīng)用中，插補(bǔ)點(diǎn)在主運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)軸方向每進(jìn)一步都必須經(jīng)過(guò)偏差判別、刀具進(jìn)給、偏差計(jì)算并判別、終點(diǎn)

9、判別四個(gè)工作節(jié)拍。第三節(jié) 數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)一、主傳動(dòng)系統(tǒng)的要求 1、寬調(diào)速、無(wú)極調(diào)速 2、高剛度、低噪聲 3、高抗振性、高熱穩(wěn)定性二、主傳動(dòng)的變速方式 1、經(jīng)皮帶和變速齒輪的主傳動(dòng)傳動(dòng)方式特點(diǎn)：可擴(kuò)大恒功率調(diào)速范圍,擴(kuò)大主軸出轉(zhuǎn)距,具有齒輪傳動(dòng)缺點(diǎn)。 2、齒輪變速方式 主軸正反轉(zhuǎn)、啟停與制動(dòng)均是靠直接制動(dòng)電機(jī) 來(lái)實(shí)現(xiàn)，而齒輪的變速操縱常采用液壓撥叉與電磁離合器來(lái)實(shí)現(xiàn)。帶傳動(dòng)與齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)系統(tǒng)圖3、由調(diào)速電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的主傳動(dòng) 這種電動(dòng)機(jī)是將主電動(dòng)機(jī)直接與主軸連接，帶動(dòng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，大大簡(jiǎn)化了主軸箱體結(jié)構(gòu),有效提高了主軸剛度。 缺點(diǎn)：減少了皮帶降速傳動(dòng)，其主軸的輸出轉(zhuǎn)矩更小，而且主電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱對(duì)主

10、軸精度的影響更大。2、經(jīng)帶傳動(dòng)的主傳動(dòng)由無(wú)極變速的主軸電機(jī)經(jīng)皮帶傳動(dòng)直接帶動(dòng)主軸運(yùn)轉(zhuǎn)的主運(yùn)動(dòng)形式。這種變速方式一般用于中小型數(shù)控機(jī)床，用于調(diào)速范圍不大，轉(zhuǎn)距也不需太高的場(chǎng)合。它可避免齒輪傳動(dòng)時(shí)引起的振動(dòng)與噪聲，從而大提高主軸的運(yùn)轉(zhuǎn)精度。 隨現(xiàn)代主軸伺服電動(dòng)機(jī)的發(fā)展，出現(xiàn)了能實(shí)現(xiàn)寬范圍無(wú)極調(diào)速的寬域主電動(dòng)機(jī)，使主的輸出特性得到很好的改善，擴(kuò)大了恒功率的調(diào)速范圍，并提高了輸出轉(zhuǎn)距。在避免齒輪傳動(dòng)不足的情況下，又能保持齒輪傳動(dòng)帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn)。使數(shù)控機(jī)床在機(jī)械結(jié)構(gòu)上朝著優(yōu)化的方向前進(jìn)了一大步。第四節(jié) 伺服系統(tǒng)一、伺服系統(tǒng)的作用及分類(lèi) 1、伺服系統(tǒng)的作用 伺服系統(tǒng)位于數(shù)控裝置與機(jī)床主體之間，它的作用是將從數(shù)

11、控裝置輸出線路接收到的微弱電信號(hào)（脈沖電壓約5V左右，脈沖電流為毫安級(jí)），經(jīng)功率放大等電路放大為較強(qiáng)的電信號(hào)（驅(qū)動(dòng)電壓約幾十伏至幾百伏，電流可達(dá)幾十安培）然后將接收的上述數(shù)字量信息轉(zhuǎn)換成模擬量（執(zhí)行電機(jī)軸的角位移和角速度）信息，從而驅(qū)動(dòng)執(zhí)行電機(jī)帶動(dòng)機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件按約定的速度和位置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。二、數(shù)控進(jìn)給伺服系統(tǒng)的要求 與普通機(jī)床相比，對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，除了具有較高的定位精度之外，還應(yīng)具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，系統(tǒng)跟蹤指令信號(hào)的響應(yīng)要快，穩(wěn)定性要好，可概括為以下幾點(diǎn)要求： 1高的精度要求 2寬的調(diào)速范圍 3快的響應(yīng)速度 4好的穩(wěn)定性 5大的轉(zhuǎn)矩輸出三、數(shù)控進(jìn)給系統(tǒng)的伺服驅(qū)動(dòng)裝置 數(shù)控機(jī)床的

12、伺服系統(tǒng)一般由驅(qū)動(dòng)裝置與機(jī)械傳動(dòng)執(zhí)行件等組成，對(duì)于半閉環(huán)、閉環(huán)控制系統(tǒng)還包括位置檢測(cè)環(huán)節(jié)。而驅(qū)動(dòng)裝置是由驅(qū)動(dòng)元件電動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制單元兩部分組成，通常它們由同一生產(chǎn)廠家配套提供給機(jī)床制造廠。進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)裝置用于數(shù)控機(jī)床各坐標(biāo)軸的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，進(jìn)給驅(qū)動(dòng)用的伺服電動(dòng)機(jī)主要有步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和交流、直流調(diào)速電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件是伺服系統(tǒng)的關(guān)鍵之一。四、數(shù)控進(jìn)給傳動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)給傳動(dòng)結(jié)構(gòu)是進(jìn)給伺服系統(tǒng)的主要組成部分，它是將伺服電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為執(zhí)行部件的直線移動(dòng)或回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以保證刀具與工件相對(duì)位置關(guān)系為目的。在數(shù)控機(jī)床中，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是數(shù)字控制系統(tǒng)的直接控制對(duì)象。無(wú)論是開(kāi)環(huán)還是閉環(huán)伺服進(jìn)給系統(tǒng)，工件的精度均

13、要受到進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)精度、靈敏度和穩(wěn)定性的影響。為此，數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)應(yīng)力求做到減少摩擦力，提高傳動(dòng)精度與剛度，消除傳動(dòng)間隙以及減少運(yùn)動(dòng)件的慣量等。目前，在數(shù)控機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中常用的機(jī)械傳動(dòng)裝置主要有：滾珠絲杠螺母副、靜壓蝸桿蝸母條、預(yù)加載荷雙齒輪齒條及雙導(dǎo)程蝸桿等。 1滾珠絲杠螺母副傳動(dòng) 為了提高數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的快速響應(yīng)性能和運(yùn)動(dòng)精度，必須減少運(yùn)動(dòng)件的摩擦阻力和動(dòng)靜摩擦力之差。為此，在中小型數(shù)控機(jī)床中，滾珠絲杠螺母副是采用最普遍的結(jié)構(gòu)。(1)滾珠絲杠副的工作原理。滾珠絲杠副是回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與直線運(yùn)動(dòng)相互轉(zhuǎn)換的新型傳動(dòng)裝置，是在絲杠和螺母之間以滾珠為滾動(dòng)體的螺旋傳動(dòng)元件。2其他進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(1

14、)靜壓蝸桿一蝸母條傳動(dòng)蝸桿蝸母條機(jī)構(gòu)是絲杠螺母機(jī)構(gòu)的一種特殊形式蝸桿可看作長(zhǎng)度很短的絲杠，蝸母條則可看作一個(gè)很長(zhǎng)的螺母沿軸向剖開(kāi)后的一部分。(2)雙齒輪一齒條傳動(dòng)齒輪一齒條是行程較長(zhǎng)的大型數(shù)控機(jī)床上常用的進(jìn)給傳動(dòng)形式，適用于傳動(dòng)剛性要求高，傳動(dòng)精度不太高的場(chǎng)合。(3)雙導(dǎo)程蝸桿傳動(dòng)。為了擴(kuò)大工藝范圍，提高生產(chǎn)效率，數(shù)控機(jī)床除了直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)之外，還有圓周進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。圓周進(jìn)給運(yùn)動(dòng)可由回轉(zhuǎn)工作臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)，其進(jìn)給傳動(dòng)一般采用蝸輪一蝸桿傳動(dòng)。第五節(jié) 數(shù)控機(jī)床常用位置檢測(cè)裝置一、檢測(cè)反饋裝置的作用 檢測(cè)反饋裝置的作用是將其準(zhǔn)確測(cè)得的直線位移或角位移迅速反饋給數(shù)控裝置，以便與加工程序給定的指令值進(jìn)行比較，如有誤

15、差，數(shù)控裝置將向伺服系統(tǒng)發(fā)出新的修正指令，從而控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)正確運(yùn)轉(zhuǎn)，使工作臺(tái)(或刀具)按規(guī)定的軌跡和坐標(biāo)移動(dòng)。二、對(duì)檢測(cè)反饋裝置的基本要求 1、分辨率和制造精度高，工作可靠抗干擾能力強(qiáng)2、反應(yīng)快，測(cè)量靈敏3、光柵等測(cè)量尺的溫度系數(shù)小4、使用和維護(hù)方便三、常用位置檢測(cè)裝置數(shù)控機(jī)床上常用的檢測(cè)裝置主要有脈沖編碼器、感應(yīng)同步器、旋轉(zhuǎn)變壓器、光柵和磁 尺等。 1、脈沖編碼器脈沖編碼器也稱(chēng)脈沖發(fā)生器，是一種角位移檢測(cè)裝置，它是把機(jī)械轉(zhuǎn)角變成電脈沖輸出信號(hào)來(lái)進(jìn)行檢測(cè)的。就其工作原理有光電式、接觸式和電磁感應(yīng)式三種。光電式編碼器以其精度和可靠性在數(shù)控機(jī)床上得到了普遍地使用。按編碼的方式，這種編碼器又可分為增

16、量式和絕對(duì)式光電脈沖編碼器。通常說(shuō)的脈沖編碼器是指增量式光電脈沖編指增量式光電脈沖編碼器。 2光柵與磁柵(1)光柵。計(jì)量光柵有長(zhǎng)光柵和圓光柵兩種，前述的增量式光電脈沖編碼器實(shí)際上就是屬于一種圓光柵。通常的光柵尺是指長(zhǎng)光柵。光柵尺是一種直線精密檢測(cè)元件，在數(shù)控機(jī)床上屬于直接測(cè)量，用于直接測(cè)量工作臺(tái)的移動(dòng)，通常是全閉環(huán)控制系統(tǒng)用得較多且歷史悠久的測(cè)量裝置。光柵尺由標(biāo)尺光柵和指示光柵組成。標(biāo)尺光柵安裝在機(jī)床移動(dòng)部件上，其有效長(zhǎng)度即為工作臺(tái)移動(dòng)的全行程，光柵長(zhǎng)度較長(zhǎng)，也稱(chēng)長(zhǎng)光柵。而指示光柵安裝在機(jī)床固定部件上，相當(dāng)于一個(gè)讀數(shù)頭，也稱(chēng)短光柵。兩光柵均為長(zhǎng)度不同的條形光學(xué)玻璃，其上刻有一系列均勻密集的刻紋，兩塊光柵的刻紋密度相同，是根據(jù)所測(cè)精度決定的。通常每毫米刻50，100，200，2