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贵州大学本科毕业论文（设计）第1页第一章概述1.1数控机床的基本组成及加工原理1.1.1数控机床的组成及工作原理数控机床主要有以下几个部分组成，如图1.1所示。图1.1数控机床的组成1.计算机数控装置（CNC装置）计算机数控装置是计算机数控系统的核心。其主要作用是根据输入的零件加工程序或操作命令进行相应的处理，然后输出控制命令到相应的执行部件（伺服单元、驱动装置和PLC等），完成零件加工程序或操作者所要求的工作。所有这些都是在CNC装置协调控制、合理组织下，使整个系统有条不紊地工作。他主要由计算机系统、位置控制板、PLC接口板、通信接口板、扩展功能模块以及相应的控制软件等模块组成。2.伺服驱动单元、驱动装置和测量装置伺服驱动单元和驱动装置包括主轴伺服驱动装置、主轴电动机、进给伺服驱动装置及进给电动机。测量装置是指位置和速度测量装置，他是实现主轴、进给速度闭环控制和进给位置闭环控制的必要装置。它是实现主轴、进给速度闭环控制和进给位置闭环控制的必要装置。主轴伺服系统的主要作用是实现零件加工的切削运动，其控制量为速度。进给伺服系统的主要作用是实现加工的成形运动，其控制量为速度和位置，特点是能灵敏、准确地实现CNC装置的位置和速度指令3.控制面板贵州大学本科毕业论文（设计）第2页控制面板又称为操作面板，是操作人员与数控机床（系统）进行信息交互的工具。操作人员可以通过它对数控机床（系统）进行操作、编程、调试或对机床参数进行修改和设定，也可以通过他了解对或查询数控机床（系统）的运行状态。它是数控机床的一个输入输出部件，主要由按扭站、状态灯、按键阵列（功能与计算机键盘一样）和显示器等部分组成4.控制介质与程序输入输出设备控制介质是记录零件加工程序的媒介，是人与机床建立联系的介质。程序输入输出设备是CNC系统与外部设备进行信息交互的装置，其作用是将记录在控制介质上的零件加工程序输入CNC系统，或将已调试好的零件加工程序通过输出设备存放或记录在相应的介质上。目前数控机床常用的控制介质和程序输入输出设备是磁盘和磁盘驱动器等。此外，现代数控系统一般可利用通信方式进行信息交换。这种方式是实现CAD（计算机辅助设计）/CAM（计算机辅助制造）的集成、FMS（柔性制造系统）和CIMS（计算机集成制造系统）的基本技术。目前数控机床上常用的通信方式有：（1）串行通信；（2）自动控制专用接口；（3）网络技术。5.PLC、机床I/O（输入/输出）电路和装置PLC是用于进行计算机逻辑运算、顺序动作有关的I/O控制，它有硬件和软件组成。机床I/O电路和装置是用于实现I/O控制的执行部件，是由继电器、电磁阀、行程开关、接触器等组成的逻辑电路。它们共同完成以下任务：（1）接受CNC的M、S、T指令，对其进行译码并转换成对应的控制信号，控制辅助装置完成机床相应的开关动作；（2）接受操作面板和机床侧的I/O信号，送给CNC装置，经其处理后输出指令控制的CNC系统的工作状态和机床的动作。6.机床本体机床本体是数控系统的控制对象，是实现加工零件的执行部件。它主要有主运动部件（主轴、主运动传动机构）、进给传动部件（工作台、拖板及相应的传动机构）、支承件（立柱、床身等）以及特殊装置、自动工件交换（APC）系统、自动刀具交换（ATC）系统和辅助装置（如冷却、润滑、排削、转位和夹紧装置等）组成。贵州大学本科毕业论文（设计）第3页1.1.2数控机床的基本加工原理数控机床加工零件时，先将加工过程所需的各种操作(如主轴变速、松夹工件、进刀与退刀、开车与停车、选择刀具、供给冷却液等)和步骤以及与工件之间的相对位移等都用数字化的代码表示，并按工艺先后顺序组织成“NC程序”，通过介质(如软盘、电缆等)或手工将其输入到机床的NC存储单元中，NC装置对输入的程序、机床状态、刀具偏置等信息进行处理和运算，发出各种驱动指令来驱动机床的伺服系统或其他执行元件，使机床自动加工出尺寸和形状都符合预期结果的零件。数控加工中数据转换过程如图1.2所示：图1.2数控加工中数据转换过程1.译码(解释)译码程序的主要功能是将用文本格式（通常用ASCII码）表达的零件加工程序，以程序段为单位转换成刀补处理程序所要求的数据结构（格式）。该数据结构用来描述一个程序段解释后的数据信息。它主要包括：X、Y、Z等坐标值；进给速度；主轴转速；G代码；M代码；刀具号；子程序处理和循环调用处理等数据或标志的存放顺序和格式。2.刀补处理(计算刀具中心轨迹)用户零件加工程序通常是按零件轮廓编制的，而数控机床在加工过程中控制的是刀具中心轨迹，因此在加工前必须将零件轮廓变换成刀具中心的轨迹。刀补处理就是完成这种转换的程序。3.插补计算本模块以系统规定的插补周期△t定时运行，它将由各种线形（直线，圆弧等）组成的零件轮廓，按程序给定的进给速度F，实时计算出各个进给轴在△t内位移指令（△X1、△Y1、…），并送给进给伺服系统，实现成形运动。4.PLC控制贵州大学本科毕业论文（设计）第4页PLC控制是对机床动作的“顺序控制”。即以CNC内部和机床各行程开关、传感器、按钮、继电器等开关量信号状态为条件，并按预先规定的逻辑顺序对诸如主轴的起停、换向，刀具的更换，工件的夹紧、松开，冷却、润滑系统等的运行等进行的控制。5.数控加工轨迹控制原理（1）逼近处理①如图1.3所示，为欲加工的圆弧轨迹L，起点为P0，终点为Pe。CNC装置先对圆弧进行逼近处理。图1.3数控加工原理图②系统按插补时间⊿t和进给速度F的要求，将L分割成若干短直线⊿L1，⊿L2，…，⊿Li，…，这里：⊿Li=F⊿t（i=1，2，…）其中F：给定的进给速度⊿t：数控系统插补周期③用直线⊿Li逼近圆弧存在着逼近误差δ，但只要δ足够小（⊿Li足够短），总能满足零件的加工要求。④当F为常数时，而⊿t对数控系统而言恒为常数，则⊿Li的长度也为常数⊿L，只是其斜率与其在L上的位置有关。（2）指令输出①将计算出△ti在时间内的和作为指令输出给Y轴，以控制它们联动。即：XiX轴；YiY轴。②只要能连续自动地控制X，Y两个进给轴在△ti时间内移动量，就可以实现曲线轮廓零件的加工。贵州大学本科毕业论文（设计）第5页1.2数控机床的分类数控机床的种类很多，从不同的角度进行考察，就有不同的分类方法，通常有以下几种分类方法。1.2.1按控制功能分类1.点位控制数控机床这类数控机床只能控制两个坐标轴带动刀具或者工作台，从一点（坐标位置）准确的快速移动到下一个点（坐标位置），然后控制第三个坐标进行钻、镗等切削加工。他具有较高的位置定位精度，在移动过程中不进行切削加工，因此对运动轨迹没有要求。点位控制的数控机床主要用于加工平面内的空系，主要有数控钻床、数控镗床、数控冲床、三坐标测量机等。2.直线控制数控机床这类数控机床可控制刀具或工作台以适当的进给速度，从一点以一条直线准确的移动到下一个点，移动过程中能进行切削加工，进给速度根据切削条件可在一定范围内调节。现代组合机床采用的数控进给伺服系统，驱动动力头带着多轴箱向进给进行钻、镗等切削加工，它可以算做一种直线控制的数控机床。3.轮廓控制数控机床这类数控机床具有控制几个轴同时进行协调运动，即多坐标轴联动的能力，使刀具相对于工件按程序规定轨迹和速度运动，能在运动过程中进行连续切削加工。这类数控机床有用于加工曲线和曲面形状零件的数控车床、数控铣床、数控加工中心等。现代的数控机床基本上都是这种类型。若根据其联动的轴数还可以细分为2轴（X、Z轴联动或X、Y轴联动）、2.5轴联动（任意两轴联动或第三轴周期进给）、3轴联动（X、Y、Z3轴联动）、4轴联动（X、Y、Z和A或B4轴联动）、5轴联动（X、Y、Z和A、C或X、Y、Z和A、B5轴联动）联动数控机床。轴动坐标轴数越多，加工程序的编制程序越难，通常3轴以上的零件的加工程序只能采用自动编程系统编制。1.2.2.按进给伺服系统类型分类数控系统的进给伺服子系统有无位置测量反馈装置可分为开环数控机床和闭环数控机床，在闭环数控系统中，根据位置测量装置安置位置的不同又可分为全闭环和半闭环两种。1.开环数控机床贵州大学本科毕业论文（设计）第6页类机床不带位置检测反馈装置，通常用步进电机作为执行机构。输入数据经过数控系统的运算，发出脉冲指令，使步进电机转过一个步距角，再通过机械传动机构转换为工作台的直线移动，移动部件的移动速度和位移量由输入脉冲的频率和脉冲个数所决定。图1.4为开环进给伺服系统示意图：1.4开环进给伺服系统2.半闭环数控机床半闭环控制数控机床：在电机的端头或丝杠的端头安装检测元件（如感应同步器或光电编码器等），通过检测其转角来间接检测移动部件的位移，然后反馈到数控系统中。由于大部分机械传动环节未包括在系统闭环环路内，因此可获得较稳定的控制特性。其控制精度虽不如闭环控制数控机床，但调试比较方便，因而被广泛采用。图1.5为半闭环进给伺服系统示意图：1.5为半闭环进给伺服系统3.闭环数控机床闭环控制数控机床：这类数控机床带有位置检测反馈装置，其位置检测反馈装置采用直线位移检测元件，直接安装在机床的移动部件上，将测量结果直接反馈到数控装置中，通过反馈可消除从电动机到机床移动部件整个机械传动链中的传动误差，最终实现精确定位。图1.6为闭环伺服系统示意图：贵州大学本科毕业论文（设计）第7页1.6为闭环伺服系统1.2.3按加工工艺分类1.金属切削类数控机床与传统的车、铣、钻、磨、齿轮加工相对应的数控机床有车床、铣床、钻床、磨床、齿轮加工机床等。尽管这些数控机床在加工工艺方法上存在很大的差别，具体的控制方式也各不相同，但它们都具有很好的精度一致性，较高的生产率和自动化程度。在普通数控机床上加装一个刀库和一个自动换刀装置就成为数控加工中心。加工中心机床进一步提高了普通数控机床的自动化程度和生产效率。例如：铣、镗、钻加工中心，它是在数控铣床上增加了一个容量较大的刀库和自动换刀装置形成的，工件一次装夹后可以对其大部分加工面完成铣、镗、钻、扩、铰及攻螺纹多工序加工，特别适合箱体零件类加工。加工中心机床可以有效地避免由于工件多次安装造成的定位误差，减少了机床的台数和占地面积，缩短了辅助时间，大大提高了生产效率和加工质量。2.特种加工类数控机床除了切削加工数控机床以外，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等。3.板材类数控加工机床常见的应用于金属板材加工的数控机床有数控压力机、数控剪板机、数控折弯机等。近年来，非加工设备也大量采用数控技术，如：数控多坐标测量机、自动绘图机、及工业机器人等。1.3数控机床的特点及应用范围1.3.1数控机床的加工特点1.加工精度高加工精度高数控机床是以数字形式给出指令进行加工的，由于目前数控装置的脉贵州大学本科毕业论文（设计）第8页冲当量(即每输出一个脉冲后数控机床移动部件相应的移动量)一般达到了0.001mm，而进给传动链的反向间隙与丝杠螺距误差等均可由数控装置进行补偿。数控机床的加工精度由过去的±0.01mm提高到±0.005mm。定位精度90年代初中期已达到了±0.002mm～±0.005mm。此外，数控机床的传动系统与机床结构都具有很高的刚度和热稳定性，制造精度高。数控机床的自动加工方式避免了人为的干扰因素，同一批零件的尺寸一致性好，产品合格率高，加工质量十分稳定。2.对加工对象的适应性强在数控机床上改变加工零件时只需重新编制（更换）程序，输入新的程序后就能实现对新零件的加工。这就为复杂结构的单件、小批量生产以及试制新产品提供了极大的方便。对普通手工操作的机床很难加工或根本无法加工的精密复杂零件，数控机床也能实现精密自动的加工。3.自动化程度高，劳动强度低数控机床对零件的加工是按事先编好的程序自动完成的，操作者除了操作面板、装卸零件、关键工序的中间测量以及观察机床的运行之外，其他的机床动作直至加工完毕，都是自动连续完成、不需要进行繁重的重复性手工操作，劳动强度与紧张程度均可大为减轻，劳动条件也得到相应的改善。4.生产效率高零