一般数控机床概述

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数控机床（Numerical Control Tools）是采用数字化信号，通过可编程的自动控制工作方式，实现对设备运行及其加工过程产生的位置、角度、速度、力等信号进行控制的新型自动化机床。数控机床的计算机信息处理及控制的内容主要包括：基本的数控数据输入输出、直线和圆弧插补运算、刀具补偿、间隙补偿、螺距误差补偿和位置伺服控制等。一些先进的数控机床甚至还具有某些智能的功能，如螺旋线插补、刀具监控、在线测量、自适应控制、故障诊断、软键（SoftKey）菜单、会话型编程、图形仿真等。数控机床的大部分功能对实时性要求很强，信息处理量也较大，因此许多数控机床都采用多微处理器数控方式。 * r1 Z7 q/ S1 n

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一般数控机床通常是指数控车床、数控铣床、数控镗铣床等，它们的下述特点对其组成自动化制造系统是非常重要的。

1、柔性高 / ?) m6 d" |! V8 v! N

数控机床按照数控程序加工零件，当加工零件改变时，—般只需要更换数控程序和配备所需的刀具，不需要靠模、样板、钻镗模等专用工艺装备。数控机床可以很快地从加工一种零件转变为加工另一种零件，生产准备周期短，适合于多品种小批量生产。

2、自动化程度高 

数控程序是数控机床加工零件所需的几何信息和工艺信息的集合。几何信息有走刀路径、插补参数、刀具长度和半径补偿；工艺信息有刀具、主轴转速、进给速度、冷却液开/关等。在切削加工过程中，自动实现刀具和工件的相对运动，自动变换切削速度和进给速度，自动开/关冷却液，数控车床自动转位换刀。操作者的任务是装卸工件、换刀、操作按键、监视加工过程等。 ( C/ [9 k) @# n1 O

3、加工精度高、质量稳定 

现代数控机床装备有CNC数控装置和新型伺服系统，具有很高的控制精度，普遍达到1 rn，高精度数控机床可达到0.2 m。数控机床的进给伺服系统采用闭环或半闭环控制，对反向间隙和丝杠螺距误差以及刀具磨损进行补偿，因而数控机床能达到较高的加工精度。对中小型数控机床，定位精度普遍可达到0.03mm，重复定位精度可达到0.0lmm。数控机床的传动系统和机床结构都具有很高的刚度和稳定性，制造精度也比普通机床高。当数控机床有3～5轴联动功能时，可加工各种复杂曲面，并能获得较高精度。由于按照数控程序自动加工，避免了人为的操作误差，因而同一批加工零件的尺寸一致性好，加工质量稳定。

4、生产效率较高 

零件加工时间由机动时间和辅助时间组成，数控机床加工的机动时间和辅助时间比普通机床明显减少。数控机床主轴转速范围和进给速度范围比普通机床大，主轴转速范围通常在 10～6000r/min，高速切削加工时可达15000r/min，进给速度范围上限可达到10～12m/min，高速切削加工进给速度甚至超过30m /min，快速移动速度超过30～60m/min。主运动和进给运动一般为无级变速，每道工序都能选用最有利的切削用量，空行程时间明显减少。数控机床的主轴电动机和进给驱动电动机的驱动能力比同规格的普通机床大，机床的结构刚度高，有的数控机床能进行强力切削，有效地减少机动时间。 % H$ g+ y4 m" n# ^5 ]# M* @

5、具有刀具寿命管理功能  $ b) G* Q' o3 v

构成FMC和FMS的数控机床具有刀具寿命管理功能，可对每把刀的切削时间进行统计，当达到给定的刀具耐用度时，自动换下磨损刀具，并换上备用刀具。

6、具有通信功能 

现代数控机床一般都具有通信接口，可以实现上层计算机与数控机床之间的通信，也可以实现几台数控机床之间的数据通信，同时还可以直接对几台数控机床进行控制。通信功能是实现DNC、FMC、FMS的必备条件。

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图1 数控装置的基本组成框图

图 1是数控装置的基本组成框图，其中1为加工零件的图样，作为数控装置工作的原始数据，2为程序编制部分，3为控制介质，也称为信息载体，通常用穿孔纸带、磁带、软磁盘或光盘作为记载控制指令的介质。控制介质上存储了加工零件所需要的全部操作信息，是数控系统用来指挥和控制设备进行加工运动的唯一指令信息。但在现代CAD/CAM系统中，可不经控制介质，而是将计算机辅助设计的结果及自动编制的程序加以后置处理，直接输入数控装置。 . \3 M, p6 S; w- x( N$ w+ r

图1中的4为数控系统，它是数控机床的核心环节。数控系统的作用是按接收介质输入的信息，经处理运算后去控制机床运行。按数控系统的软硬件构成特征来分类，可分为硬线数控与软线数控。传统的数控系统（即系统的核心数字控制装置）是由各种逻辑元件、记忆元件组成的随机逻辑电路，是采用固定接线的硬件结构，数控功能是由硬件来实现的，这类数控系统称之为硬件数控。 5 i- M" ^/ o8 E1 }' f

随着半导体技术、计算机技术的发展，微处理器和微型计算机功能增强，价格下降，数字控制装置已发展成为计算机数字控制（Computer Numerical Contro1）装置，即所谓的 CNC装置，它由软件来实现部分或全部数控功能。CNC系统是由程序、输入输出设备、计算机数字控制装置、可编程控制器（PC或可编程逻辑控制器 PLC）、主轴控制单元及速度控制单元等部分组成，如图2所示。CNC系统中，可编程控制器PC是一种专为在工业环境下应用而设计的工业计算机。它采用可编程序的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等特定功能的用户操作指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PC已成为数控机床不可缺少的控制装置。CNC和PC（PLC）谐调配合共同完成数控机床的控制，其中CNC主要完成与数字运算和管理有关的功能，如零件程序的编辑、插补运算、译码、位置伺服控制等。PC主要完成与逻辑运算有关的一些动作，没有轨迹上的具体要求，它接受CNC的控制代码 M（辅助功能）、S（主轴转速）、T（选刀、换刀）等顺序动作信息，对其进行译码，转换成对应的控制，控制辅助装置完成机床相应的开关动作，如工件的装夹、刀具的更换、切削液的开关等一些辅助动作，它还接受机床操作面板的指令，一方面直接控制机床的动作，另一方面将一部分指令送往CNC用于加工过程的控制。

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图2 CNC系统框图

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图 1中5为伺服驱动系统，它包括伺服驱动电路（伺服控制线路、功率放大线路）和伺服电动机等驱动执行机构。它们与工作本体上的机械部件组成数控设备的进给系统，其作用是把数控装置发来的速度和位移指令（脉冲信号）转换成执行部件的进给速度、方向和位移。数控装置可以以足够高的速度和精度进行计算并发出足够小的脉冲信号，关键在于伺服系统能以多高的速度与精度去响应执行，整个系统的精度与速度主要取决于伺服系统。伺服驱动电路把数控装置发出的微弱电信号（5V 左右，毫安级）放大成强电的驱动电信号（几十、上百伏，安培级）去驱动执行元件。伺服系统执行元件主要有步进电动机、电液脉冲马达、直流伺服电动机和交流伺服电动机等，其作用是将电控信号的变化转换成电动机输出轴的角速度和角位移的变化，从而带动机械本体的机械部件做进给运动。 . i. B! N5 B7 v- q6 D7 }1 U9 N4 c

图1中6 为坐标轴或执行机构的测量装置。前者用以测量坐标轴（如工作台）的实际位置，并将测量结果反馈到数控系统（或伺服驱动系统），形成全闭环控制；后者用以测量执行伺服电动机轴的位置，并予以反馈，形成半闭环控制。测量反馈装置的引入，有效地改善了系统的动态特性，大大提高了零件的加工精度。

图1中7为辅助控制单元，用于控制其他部件的工作，如主轴的起停、刀具交换等。 $ O( f- }3 f7 e' b- @. Z

图1中8为坐标轴，如平面运动工作台的X、Y轴。 8 L" [4 @7 V/ ]$ u/ X

数控系统的工作本体是加工运动的实际执行部件，主要包括主运动部件、进给运动执行部件、工作台及床身立柱等支撑部件，此外还有冷却、润滑、转位和夹紧等辅助装置，存放刀具的刀架、刀库或交换刀具的自动换刀机构等。对工作本体的要求是，应有足够的刚度和抗振性，要有足够的精度，热变形小，传动系统结构要简单，便于实现自动控制。

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