第1章数控机床概述

第1章数控机床概述1.1数控机床的工作原理及组成以数字形式进行信息控制的机床称为数字控制机床，简称数控机床。数字控制系统是相对于模拟系统而言的。数字控制系统中的信息是数字量，而模拟控制系统中的信息是模拟量。随着计算机技术的发展，硬件数控系统已逐渐被淘汰，取而代之的是计算机数控（CNC）系统。1.数控机床的工作原理凡是用代码化的数字信息将刀具移动轨迹的信息记录在程序上，然后进入数控系统，经过译码、运算来控制机床的刀具与工件的相对运动，从而能够加工出形状、尺寸与精度符合要求的零件的机床即为数控机床。2.数控机床的组成数控机床一般由输入/输出装置、CNC装置、伺服单元、驱动装置、可编程控制器及电器控制装置、辅助装置、机床本体和测量装置组成。图1-1是数控机床的组成框图，其中除机床本体之外的部分统称为CNC系统。图1-1数控机床的组成3.数控机床的加工特点（1）加工高精度和高速化。通过减少数控系统的误差和采用补差技术是数控加工精度得到提高的同时，提高了数控系统的分辨率，以微笑程序段实现连续进给，以及在位置系统中采用反馈控制与非线性控制等方法，使数控机床具备高进给速度和高精度的加工。（2）加工复合化。复合化包括工序复合化和功能复合华。例如工件在一台设备上一次装夹后，可以通过自动换刀等各种措施来完成多工序和多表面的加工，这样既能减少工件装卸时间和搬运时间，提高每台机床的加工能力，减少半成品的库存；又能保证和提高行位精度，从而打破了传统的工序界限和分散加工的工艺规程。（3）高柔性化。柔性是指数控机床适应加工对象变化的能力。数控机床发展到今天，已对加工对象变化有很强的适应能力。在提高单机柔性化的同时，也在朝着单元柔性化（柔性加工单元——FMC）和系统柔性化（如柔性制造系统——FMS）的方向发展。（4）智能化。随着人工智能在计算机领域的不断渗透与发展，数控智能化程度不断提高。如应用自适应控制系统，引入专家指导加工，加强故障自诊断功能等。1.2数控机床的分类数控机床的品种很多，通常按下列方式进行分类。1.2.1按有无检测装置分类数控系统按有无测量检测装置可分为开环控制数控机床、半闭环控制数控机床和闭环控制数控机床。1.开环控制数控机床图1-2所示为开环控制数控机床的工作原理图。步进电机驱动电路指令脉冲工作台图1-2开环控制数控机床的工作原理图开环控制数控机床的特点是控制数控系统不带反馈装置，通常使用功率步进电动机为伺服执行机构。数控装置输出的控制脉冲通过步进驱动电路，不断地改变电动机的供电状态，使步进电动机转过相应的步距角，通过齿轮减速装置带动丝杠旋转，再通过丝杠螺母机构转换为移动部件的直线位移。移动部件的移动速度与位移量是由输入脉冲的频率和脉冲数所决定的。开环控制数控机床结构简单，成本较低。但是，系统对移动部件的实际位移量不进行检测，也不能进行误差校正。因此，步进电机的失步、步距角误差、齿轮与丝杠等传动误差将影响被加工零件的精度。可见，开环控制系统仅适用于加工精度要求不是很高的中小型数控机床，特别是简易经济型数控机床。2.半闭环控制数控机床半闭环控制数控机床的特点是在伺服电动机的轴或数控机床的传动丝杠上装有角度检测装置（如光电编码器等），通过检测丝杠的转角间接地检测移动部件的实际位移，然后反馈到数控装置中去，并对误差进行修正。图1-3所示为半闭环控制数控机床的工作原理图。通过速度传感器A和角度传感器B进行测量，将其与命令值相比较，构成速度与位置环控制。位置反馈速度反馈伺服电机速度控制电路位置比较电路指令值AB图1-3半闭环控制数控机床的工作原理图3.闭环控制数控机床闭环控制数控机床的特点是在机床移动部件上直接安装直线位移检测装置，将测量的实际位移值反馈到数控装置中，与输入的指令位移值进行比较，用差值对机床进行控制，使移动部件按照实际移动的位移量运动，最终实现移动部件的精确运动和定位。从理论上讲，闭环控制系统的运动精度主要取决于检测装置的检测精度，而与传动链的误差无关，因此，其控制精度超过半闭环控制系统。图1-4所示为闭环控制数控机床的工作原理图。通过速度传感器和直线位移传感器进行测量，将其与命令值进行比较，构成速度与位置的控制。但实际上闭环控制系统的工作特点对机床结构以及传动链提出了比较严格的要求，否则将会使数控机床的伺服系统在工作时产生振荡。指令值位置比较电路速度控制电路伺服电机速度反馈位置反馈图1-4闭环控制数控机床的工作原理图1.2.2按加工工艺方法分类1.金属切削数控机床指采用车、铣、镗、铰、钻、磨及刨等各种切削工艺的数控机床，包括数控车床、数控铣床、数控钻床、数控磨床、数控镗床以及加工中心。尽管这些数控机床加工机床在加工方法上存在着很大的差异，具体的控制方式也不同，但它们都具有很好的精度一致性、较高的生产效率和自动化程度。在不同数控机床上加上一个刀库和自动换刀装置就成为了数控加工中心。2.特种加工类数控机床除了数控切削加工机床以外，数控技术也大量用于数控电火花线切割机床、数控电火花成型机床、数控等离子弧切割机床、数控火焰切割机床以及数控激光加工机床。3.金属成型类数控机床指采用挤、冲、压及拉等成型工艺的数控机床，包括数控折弯机、数控组合机床、数控弯管机及数控压力机等。这类机床起步较晚，但目前发展很快。4.其他类型的数控机床如数控三坐标测量仪、数控对刀仪及数控测会议等。1.2.3按控制运动的方式分类1.点位控制数控机床点位控制数控机床的特点是机床移动部件只能实现从一个位置到另一个位置的精确定位，在移动和定位过程中不进行任何加工。这类数控系统只能控制行程终点的坐标值，而不能控制点与点之间的运动轨迹。可以几个坐标同时向目标点运动，也可以各坐标依次运动。这类数控机床主要有数控钻床、数控镗床、数控冲床、数控电焊机和数控测量机。2.直线控制数控机床直线控制数控机床的特点是机床移动部件不仅实现从一个位置到另一个位置的精确移动定位，而且要控制工作台以一定的速度沿着平行于坐标轴的方向进行直线切割。这类数控机床主要有简易数控车床、数控铣床和数控磨床。单纯用于直线控制的数控机床目前已不多见。3.轮廓控制数控机床采用这类数控系统的机床又称连续控制或多坐标联动数控机床，其数控机床控制几个坐标轴同时协调运动即坐标轴联动，使工件相对于刀具按程序规定的轨迹和速度运动，进行连续切削加工。这类数控机床主要有数控车床、数控铣床及加工中心等。1.3数控机床的使用与维护1.3.1数控设备的常用操作规程（1）使用设备实行定人定机制，凭操作证操作设备。大型设备多人操作时，必须有专人指挥。（2）操作者要熟悉所使用设备的主要技术性能、结构、保养内容和完好标准。（3）工作前准备。①检查设备的传动系统、操作系统、润滑系统、气动系统、各种开关启始位置、安全制动防护装置、电力稳压系统及电气指示等。上述系统要齐全、正确、灵敏、可靠、完好，紧固件、连接件不能松动。②按设备润滑图表注油润滑。③以手动方式低速试运转主轴及各伺服轴。④根据零件加工程序单，检查CNC系统、刀补及偏置设置开关的位置是否有误，对CNC系统则应调出刀具补偿值，检查其是否正确。⑤在用纸带输入时，要经常检查所用纸带有无损伤，光电阅读机是否正常。⑥紧固零件使用的T形螺栓规格要和设备工作台面的T形槽规格一致。紧固时用力应适当。禁止在设备各部位加力校正零件。（4）工作中正确操作：①按设备说明书合理使用，正确操作，禁止超负荷、超性能、超规范使用。②首件编程试加工时，操作者要和编程人员密切配合，在确认程序无误后，方可进行正式加工。③装卡刀具时，应将锥柄、主轴锥孔及定位面擦拭干净。④工件、刀具必须安装牢固。装卸工件时防止碰撞机床。较重的零件、夹具在装卸时应用吊车或在其他人协助下完成。⑤在加工过程中，操作者不得擅自离岗或托人代管，不能做与工作无关的事情。暂时离岗时，可按“暂停”按钮。要正确使用“急停”开关，工作中严禁随意拉闸断电。⑥设备导轨面、工作台面禁止放置工卡量具、堆放零件和无关物件。禁止踩踏各防护罩，不许穿带金属钉的鞋踩踏工作台面。⑦设备运行中注意异常现象，发生故障及时停车，采取措施，并记录显示故障内容。发生事故，应立即停车断电，保护现场，及时上报，不得隐瞒，并配合主观部门做好分析调查工作。（5）工作后的保养。①操作者要及时清理设备上的切削杂物（严禁使用压缩空气），整理工作现场，做好保养工作。②设备保养完毕，操作者要将设备各开关手柄及部件移归原位。各工作台面涂油保护，并按规定顺序切断电源。③按交接班制度规定进行交接，并做好记录。1.3.2数控机床的日常维护与保养数控机床是一种自动化程度高、结构复杂且价格昂贵的先进加工设备。为了延长数控机床各元器件的寿命和正常机械磨损周期，防止意外恶性事故的发生，争取机床能在较长时间内正常工作，充分发挥其效益，必须做好日常维护与保养工作，主要有下列内容：（1）按机床定期维护的检查顺序表内容检查（见各机床的使用说明书）。（2）常监视CNC装置使用的电网电压，如果电压超出波动范围，则要使用稳压器。（3）定期检查装置柜上的热交换器或轴流风扇的工作状况，并检查风道是否堵塞。（4）尽量少打开CNC装置和电器柜，防止灰尘、油雾、金属粉末和铁屑进入。（5）当数控机床处于闲置状态时，要经常CNC装置和电器柜通电，让机床空运行。（6）要定期更换存储器所使用的电池。对于备用模块和备用的印刷电路板要定期安装到CNC装置内通电，以防损坏。