数控机床论文

数控机床解析

数控系统技术的突飞猛进为数控机床的技术进步提供了条件，为了满足市场的需要，达到现代制造技术对数控机床提出的更高的要求，当前，数控技术主要体现为以下几方面：

1、数控系统的组成

计算机数控系统（简称CNC系统）由程序、输入输出设备、CNC装置、可编程控制器（PLC）、主轴驱动装置和进给驱动装置等组成，如图1-20为CNC系统组成框图。

2、数控系统的作用

数控系统接受按零件加工顺序记载机床加工所需的各种信息，并将加工零件图上的几何信息和工艺信息数字化，同时进行相应的运算、处理，然后发出控制命令，使刀具实现相对运动，完成零件加工过程。

数控系统工作过程

如图1-21所示（图中的虚线框为CNC单元），一个零件程序的执行首先要输入CNC中，经过译码、数据处理、插补、位置控制，由伺服系统执行CNC输出的指令以驱动机床完成加工。CNC系统的主要工作包括以下内容：

1、输入

零件程序及控制参数、补偿量等数据的输入，可采用光电阅读机、键盘、磁盘、连接上级计算机的DNC接口、网络等多种形式。CNC装置在输入过程中通常还要完成无效码删除、代码校验和代码转换等工作。

2、译码

不论系统工作在MDI方式还是存储器方式，都是将零件程序以一个程序段为单位进行处理，把其中的各种零件轮廓信息(如起点、终点、直线或圆弧等)、加工速度信息(F代码)和其他辅助信息(M、S、T代码等)按照一定的语法规则解释成计算机能够识别的数据形式，并以一定的数据格式存放在指定的内存专用单元。在译码过程中，还要完成对程序段的语法检查，若发现语法错误便立即报警。

3、刀具补偿

刀具补偿包括刀具长度补偿和刀具半径补偿。通常CNC装置的零件程序以零件轮廓轨迹编程，刀具补偿作用是把零件轮廓轨迹转换成刀具中心轨迹。目前在比较好的CNC装置中，刀具补偿的工件还包括程序段之间的自动转接和过切削判别，这就是所谓的C刀具补偿。 4、进给速度处理

编程所给的刀具移动速度,是在各坐标的合成方向上的速度。速度处理首先要做的工作是根据合成速度来计算各运动坐标的分速度。在有些CNC装置中，对于机床允许的最低速度和最高速度的限制、软件的自动加减速等也在这里处理。

5、插补

插补的任务是在一条给定起点和终点的曲线上进行“数据点的密化”。插补程序在每个插补周期运行一次，在每个插补周期内，根据指令进给速度计算出一个微小的直线数据段。通常，经过若干次插补周期后，插补加工完一个程序段轨迹，即完成从程序段起点到终点的“数据点密化”工作。

6、位置控制

位置控制处在伺服回路的位置环上，这部分工作可以由软件实现，也可以由硬件完成。它的主要任务是在每个采样周期内，将理论位置与实际反馈位置相比较，用其差值去控制伺服电动机。在位置控制中通常还要完成位置回路的增益调整、各坐标方向的螺距误差补偿和反向间隙补偿，以提高机床的定位精度。

7、I/0处理

I/O 处理主要处理 CNC 装置面板开关信号，机床电气信号的输入、输出和控制(如换刀、换挡、冷却等)。

8、显示

CNC装置的显示主要为操作者提供方便，通常用于零件程序的显示、参数显示、刀具位置显示、机床状态显示、报警显示等。有些CNC装置中还有刀具加工轨迹的静态和动态图形显示。

9、诊断

对系统中出现的不正常情况进行检查、定位，包括联机诊断和脱机诊断。

一、数控机床与普通机床的区别

数控机床对零件的加工过程，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、适合于复杂异形零件的加工

数控机床可以完成普通机床难以完成或根本不能加工的复杂零件的加工，因此在宇航、造船、模具等加工业中得到广泛应用。

2、加工精度高

3、加工稳定可靠

实现计算机控制，排除人为误差，零件的加工一致性好，质量稳定可靠。

4、高柔性

加工对象改变时，一般只需要更改数控程序，体现出很好的适应性，可大大节省生产准备时间。在数控机床的基础上，可以组成具有更高柔性的自动化制造系统—FMS。

5、高生产率

数控机床本身的精度高、刚性大，可选择有利的加工用量，生产率高，一般为普通机床的 3～5 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。

6、劳动条件好

机床自动化程度高，操作人员劳动强度大大降低，工作环境较好。

7、有利于管理现代化

采用数控机床有利于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造了条件。

8、投资大，使用费用高

9、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。

10、维修困难

数控机床是典型的机电一体化产品，技术含量高，对维修人员的技术要求很高。

二、数控机床的适用范围

由于数控机床的上述特点，适用于数控加工的零件有：

1、批量小而又多次重复生产的零件；

2、几何形状复杂的零件；

3、贵重零件加工；

4、需要全部检验的零件；

5、试制件。

对以上零件采用数控加工，才能最大限度地发挥出数控加工的优势。

一、按加工方式和工艺用途分类

1、普通数控机床

普通数控机床一般指在加工工艺过程中的一个工序上实现数字控制的自动化机床，如数控铣床、数控车床、数控钻床、数控磨床与数控齿轮加工机床等。普通数控机床在自动化程度上还不够完善，刀具的更换与零件的装夹仍需人工来完成。

2、加工中心

加工中心是带有刀库和自动换刀装置的数控机床，它将数控铣床、数控镗床、数控钻床的功能组合在一起，零件在一次装夹后，可以将其大部分加工面进行铣、镗、钻、扩、铰及攻螺纹等多工序加工。由于加工中心能有效地避免由于多次安装造成的定位误差，所以它适用于产品更换频繁、零件形状复杂、精度要求高、生产批量不大而生产周期短的产品。

二、按运动方式分类

1、点位控制数控机床

如图1-1 所示，点位控制是指数控系统只控制刀具或工作台从一点移至另一点的准确定位，然后进行定点加工，而点与点之间的路径不需控制。采用这类控制的有数控钻床、数控镗床和数控坐标镗床等。

2、点位直线控制数控机床

如图1-2 所示，点位直线控制是指数控系统除控制直线轨迹的起点和终点的准确定位外，还要控制在这两点之间以指定的进给速度进行直线切削。采用这类控制的有数控铣床、数控车床和数控磨床等。

3、轮廓控制数控机床

亦称连续轨迹控制，如图1-3 所示，能够连续控制两个或两个以上坐标方向的联合运动。为了使刀具按规定的轨迹加工工件的曲线轮廓，数控装置具有插补运算的功能，使刀具的运动轨迹以最小的误差逼近规定的轮廓曲线，并协调各坐标方向的运动速度，以便在切削过程中始终保持规定的进给速度。采用这类控制的有数控铣床、数控车床、数控磨床和加工中心等。

三、按控制方式分类

1、开环控制系统

开环控制系统是指不带反馈装置的控制系统，由步进电机驱动线路和步进电机组成，如图1-4 所示。数控装置经过控制运算发出脉冲信号，每一脉冲信号使步进电机转动一定的角度，通过滚珠丝杠推动工作台移动一定的距离。

这种伺服机构比较简单，工作稳定，容易掌握使用，但精度和速度的提高受到限制。

2、半闭环控制系统

如图1-5 所示，半闭环控制系统是在开环控制系统的伺服机构中装有角位移检测装置，通过检测伺服机构的滚珠丝杠转角间接检测移动部件的位移，然后反馈到数控装置的比较器中，与输入原指令位移值进行比较，用比较后的差值进行控制，使移动部件补充位移，直到差值消除为止的控制系统。

这种伺服机构所能达到的精度、速度和动态特性优于开环伺服机构，为大多数中小型数控机床所采用。

3、闭环控制系统

如图1-6 所示，闭环控制系统是在机床移动部件位置上直接装有直线位置检测装置，将检测到的实际位移反馈到数控装置的比较器中，与输入的原指令位移值进行比较，用比较后的差值控制移动部件作补充位移，直到差值消除时才停止移动，达到精确定位的控制系统。闭环控制系统的定位精度高于半闭环控制，但结构比较复杂，调试维修的难度较大，常用于高精度和大型数控机床。

四、按联动轴数分类

数控系统控制几个坐标轴按需要的函数关系同时协调运动，称为坐标联动，按照联动轴数可以分为：

1、两轴联动

数控机床能同时控制两个坐标轴联动，适于数控车床加工旋转曲面或数控铣床铣削平面轮廓。

2、两轴半联动

在两轴的基础上增加了Z轴的移动，当机床坐标系的X、Y轴固定时，Z轴可以作周期性进给。两轴半联动加工可以实现分层加工。

3、三轴联动

数控机床能同时控制三个坐标轴的联动，用于一般曲面的加工，一般的型腔模具均可以用三轴加工完成。

4、多坐标联动

数控机床能同时控制四个以上坐标轴的联动。多坐标数控机床的结构复杂，精度要求高、程序编制复杂，适于加工形状复杂的零件，如叶轮叶片类零件。

通常三轴机床可以实现二轴、二轴半、三轴加工；五轴机床也可以只用到三轴联动加工，而其他两轴不联动。

一、数控机床组成与结构

数控机床一般由输入、输出装置、数控装置、可编程控制器、伺服系统、检测反馈装置和机床主机等组成，如图1-7所示。

1、输入输出装置

输入装置可将不同加工信息传递于计算机。在数控机床产生的初期，输入装置为穿孔纸带，现已趋于淘汰；目前，使用键盘、磁盘等，大大方便了信息输入工作。

输出指输出内部工作参数（含机床正常、理想工作状态下的原始参数，故障诊断参数等），一般在机床刚工作状态需输出这些参数作记录保存，待工作一段时间后，再将输出与原始资料作比较、对照，可帮助判断机床工作是否维持正常。

2、数控装置

数控装置是数控机床的核心与主导，完成所有加工数据的处理、计算工作，最终实现数控机床各功能的指挥工作。它包含微计算机的电路，各种接口电路、CRT显示器等硬件及相应的软件。

3、可编程控制器

即PLC，它对主轴单元实现控制，将程序中的转速指令进行处理而控制主轴转速；管理刀库，进行自动刀具交换、选刀方式、刀具累计使用次数、刀具剩余寿命及刀具刃磨次数等管理；控制主轴正反转和停止、准停、切削液开关、卡盘夹紧松开、机械手取送刀等动作；还对机床外部开关（行程开关、压力开关、温控开关等）进行控制；对输出信号（刀库、机械手、回转工作台等）进行控制。

4、检测反馈装置

由检测元件和相应的电路组成，主要是检测速度和位移，并将信息反馈于数控装置，实现闭环控制以保证数控机床加工精度。

一、检测装置作用

检测装置是对数控机床中运动部件的位置及速度进行检测，把测量信号作为反馈信号，并将其转换成数字信号送回计算机与脉冲指令信号进行比较，以控制驱动元件正确运转。检测装置的精度直接影响数控机床的定位精度和加工精度。

二、对检测装置的要求

数控机床对检测装置的要求是：高的可靠性及抗干扰能力；满足机床加工精度和加工速度的要求；使用维护方便；成本低等

三、检测装置的分类

1、直接测量与间接测量

直接测量是指所测对象为被测对象本身，其方式有二：一是直线测量，即测工作台直线位移（但检测装置需和行程等长）；二是角度测量，即测主轴旋转角度。

间接测量是指以旋转方式检测装置反映工作台直线位移，该方法使用方便又无长度限制，但精度要受机床传动链精度的影响。

2、增量式和绝对式测量

增量式测量是指只测位移增量，由系统所发脉冲量累计计算位移。

绝对式测量是指被测任一点均从固定的零点起算，被测点均有对应编码。

3、位置检测与速度检测

位置检测指对运动部件的位置作测量，而速度检测则是对运动件速度作测量（如测速发电机）。

数控机床中一般为位置检测，常用位置检测元件及其特点、应用详见表1-4。

5、机床主机

数控机床的主体，包括床身、主轴、进给传动机构等机械部件。

二、数控机床工作过程

数控机床的工作大致有如下几个过程，见图1-8。

数控加工的准备过程较复杂，内容多，含对零件的结构认识、工艺分析、工艺方案的制订、加工程序编制、选用工装、辅具及其使用方法等。

机床的调整主要包括刀具命名、调入刀库、工件安装、对刀、测量刀位、机床各部位状态等多项工作内容。

程序调试主要是对程序本身的逻辑问题及其设计合理性进行检查和调整。

试切加工则是对零件加工设计方案进行动态下的考察，而整个过程均需在前一步实现后的结果评价后再作后一步工作。

试切成功后方可对零件进行正式加工，并对加工后的零件进行结果检测。

前三步工作均为待机时间，为提高工作效率，希望待机时间越短越好，越有利于机床合理使用。该项指标直接影响对机床利用率的评价（即机床实动率）。

三、数控机床的性能指标

数控机床的性能指标一般有精度指标、坐标轴指标、运动性能指标及加工能力指标几种，详细内容及其含义与影响可参见表1-1。

表1-1 数控机床性能指标表

一、数控机床坐标系的作用

数控机床坐标系是为了确定工件在机床中的位置，机床运动部件特殊位置及运动范围，既描述机床运动，产生数据信息而建立的几何坐标系。通过机床坐标系的建立，可确定机床位置关系，获得所需的相关数据。

二、数控机床坐标系确定依据

数控机床坐标系的确定依据为国际上统一的ISO841标准。

三、数控机床坐标系确定方法

1、假设：工件固定，刀具相对工件运动。

2、标准：右手笛卡儿直角坐标系——拇指为X向，食指为Y向，中指为Z向。如图1-9所示。

3、顺序：先Z轴，再X轴，最后Y轴。

Z轴——机床主轴；

X轴——装夹平面内的水平向；

Y轴——由右手笛卡儿直角坐标系确定。

4、方向：退刀即远离工件方向为正方向。如图1-10、1-11所示。

围绕X、Y、Z各轴的回转运动及其正方向+A、+B、+C分别用其正方向右手定则判定。直角坐标系X、Y、Z又称主坐标系或第一坐标系，如有第二组坐标系和第三组坐标系平行于X、Y、Z，则分别指定为U、V、W和P、Q、R。

四、数控机床坐标系坐标原点

数控机床坐标系坐标原点是指机床上设置的一个固定的点，它在机床装配、调试时就已经确定下来了，是数控机床进行运动加工的基准参考点，一般取在机床运动方向的最远点项目二数控机床结构性能与布局特点。

一、对数控机床结构的基本要求

1、有良好的静刚度、动刚度

良好的静刚度、动刚度是数控机床保证加工精度及其精度保证特性的关键因素之一。与普通机床相比，其静刚度、动刚度应提高50%以上。

为使数控机床具有良好的静刚度，应注意合理选择构件的结构形式，如基础件采用封闭的完整箱体结构，构件采用封闭式截面，合理选择及布局隔板和筋条（图1-12、1-13），尽量减小接合面，提高部件间接触刚度等；合理进行结构布局（图1-14）；采取补偿构件变形的结构措施（图1-15）。

提高数控机床动刚性则可通过改善机床阻尼特性（如填充阻尼材料）来提高抗振性；在床身表面喷涂阻尼涂层；采用新材料（如人造花岗石，混凝土等）等方法实现。

2、有更小的热变形

数控机床加工中的摩擦等均会引起温升及变形而影响加工精度。为确保加工精度，在数控机床结构布局设计中可考虑尽量采用对称结构（如对称立柱等），进行强制冷却（如采用空冷机），使排屑通道对称布置等措施。

3、有良好的低速运动性能

数控机床各坐标轴进给运动的精度及其灵敏性亦极大地影响到零件加工精度，要提高数控机床的运动精度可采取降低执行件的质量，减小静、动摩擦系数之差，清除传动件间间隙，提高传动刚度等措施。

4、有更好的宜人性

从使用数控机床的操作使用角度出发，机床结构布局应有良好的人机关系（如面板、操作台位置布置等）和较高的环保标准。

二、数控机床布局特点

数控机床的总体结构布局应按上述要求，既满足从机床性能、加工适应范围等内部因素考虑确定各构件间位置，同时亦满足从外观、操作、管理到人机关系等外部因数考虑安排机床总布局。

数控机床不同的布局形式给机床工作带来了不同的影响，从而形成不同的特点，其影响主要表现在如下几个方面：

1、不同布局适应不同的工件形状、尺寸及重量

如图1-16所示均为数控铣床，但四种布局方案适应的工件重量、尺寸却不同。其中，（a）适应较轻工件，（b）适应较大尺寸工件，（c）适应较重工件，（d）适应更重更大工件。

2、不同布局有不同的运动分配及工艺范围

如图1-17所示为数控镗铣床的三种布局方案。其中，（a）主轴立式布置，上下运动，对工件顶面进行加工；（b）主轴卧式布置，加工工作台上分度工作台的配合，可加工工件多个侧面；（c）在（b）基础上再增加一个数控转台，可完成工件上更多内容的加工。

3、不同布局有不同的机床结构性能

如图1-18所示为几种数控卧式镗铣床。其中，（a）、（b）为T形床身布局，工作台支承于床身，刚度好，工作台承载能力强；(c)、(d)工作台为十字形布局，其中（c）主轴箱悬挂于单立柱一侧，使立柱受偏载，(d)主轴箱装在框式立柱中间，对称布局，受力后变形小，有利于提高加工精度。

数控系统技术的突飞猛进为数控机床的技术进步提供了条件，为了满足市场的需要，达到现代制造技术对数控机床提出的更高的要求，当前，数控技术及数控机床的发展方向主要体现为以下几方面：

一、高速、高效

二、多功能

三、智能化

四、高精度

五、高可靠性

六、柔性化

网络系统向开放、集成和智能化方向发展。

4、不同布局影响机床操作方便程度

不同的机床布局使机床操作中不少工作（如工件、刀具装卸、切屑清理、加工观察等）方便程度不同。如图1-19为数控车床的三种不同布局方案，其中（c）为立床身，排屑最方便，切屑直接落入自动排屑的运输装置；（b）为斜床身，排屑亦较方便；（a）为横床身，加工观察与排屑均不易。

综上，对数控机床布局特点的了解是合理选用机床、操作机床的必备基础。