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数控机床各个组成部分的工作原理及结构第一节输入装置第二节数控装置第三节数控机床主传动系统第四节伺服系统第五节数控机床的自动换刀装置第六节数控机床常用位置检测装置第一节输入装置输入装置是整个数控系统的初始工作机构，它将准确可靠的接收信息介质上所记录的“工程语言”、运算及操作指令等原始数据，转为数控装置能处理的信息，并同时输送给数控装置。输入信息的方式分手动输入和自动输入。手动输入简单、方便但输入速度慢容易出错。现代数控机床普遍采用自动输入，其输入形式有光电阅读机、磁带阅读机及磁盘驱动器以及无带自动输入方式。其它输入方式:1.无带自动输入方式在高档数控机床上，设置有自动编程系统和动态模拟显示器（CRT）。将这些设备通过计算机接口与机床的数控系统相连接,自动编程所编制的加工程序即可直接在机床上调用,无需经制控制介质后再另行输入。2.触针接触式阅读机输入方式又称为程控机头或电报机头，结构简单，阅读速度较慢，但输入可靠、价格低廉故在部分线切割机床加工中仍在用。3.磁带、磁盘输入方式磁带输入方式进行信息输入，其信息介质为“录音”磁带，只不过录制的不是声音，而是各种数据。加工程序等数据信息一方面由微机内的磁盘驱动器“写入”磁盘上进行储存，另外也由磁盘驱动器进行阅读并通过微机接口输入到机床数控装置中去。第二节数控装置数控装置是数控机床的核心，数控机床几乎所有的控制功能（进给坐标位置与速度，主轴、刀具、冷却及机床强电等多种辅助功能）都由它控制实现。因此数控装置的发展，在很大程度上代表了数控机床的发展方向。数控装置的作用是接收加工程序等送来的各种信息，并经处理分配后，向驱动机构发出执行的命令，在执行过程中，其驱动、检测等机构同时将有关信息反馈给数控装置，经处理后，发出新的命令。一、数控装置的组成1、数字控制的信息1）几何信息——是指通过被加工零件的图样所获得的几何轮廓的信息。这些信息由数控装置处理后，变为控制各进给轴的指令脉冲，最终形成刀具的移动轨迹。几何信息的指令，由准备功能G具体规定。2）工艺信息———通过工艺处理后所获得的各种信息。包括工艺准备、刀具选择、加工方案（走刀路线、切削用量等）及补偿方案等各方面信息。加工实际经验的积累，也是获得工艺信息的有效途径。3）辅助信息——泛指除几何、工艺信息之外的其它信息，其作用主要为控制机床辅助动作。如主轴的启、停与调速、换向，冷却液的开、关，零件的夹紧与松开，以及找刀、换刀等各种信息。3、数控机床用计算机简介数控的实质是计算机控制。计算机技术的高速发展，开辟了数字技术综合应用的新领域，促进了生产过程自动化的不断发展。1）电子计算机的组成电子计算机由软件和硬件两大部分组成。硬件即指设备，它包括构成计算机的集成电路、存储器、接口元件等。软件是以程序为中心的信息组合，软硬件结合，才能实现所给定的功能。电子计算机的基本结构（硬件）电子计算机的基本结构由中央处理器（CPU）、存储器（PAM、ROM和输入/输出部分（I/O）三部分组成。电子计算机的软件部分上述计算机的基本结构式是指硬件部分，但仅有硬件部分，只是具备了计算机或过程控制的可能性。要使计算机真正能进行计算或过程控制，还必须软件的支持。计算机运行的程序通过程序设计确定，使计算机完成指定的工作。二、数控装置的工作原理数控装置的工作原理就是指控制各进给坐标所需进给脉冲的基本规律。通过插补原理和逐点比较法进行说明。1、插补原理1）脉冲当量是数控机床的一个基本参数，数控系统每发出一个进给脉冲，机床机械运动机构就产生一个相应的位移量，一个脉冲所对应的位移量称为脉冲当量。它是脉冲分配计算中的基本单位。用Q表示。Q——脉冲当量（MM）θ——步距角（伺服电机在输入一个脉冲时所转过的角度）L——传动螺旋副的导程i——伺服电机至螺旋副间的传动比同理可得刀具位移的关系式：S=QNS——刀具运动的位移量（MM）N——脉冲个数LiQ0360车床数控系统一般规定Z轴的脉冲当量为0.01,X轴的脉冲当量为0.005.在实际应用中为了简便计算与操作,X轴向的脉冲当量可通过计算机自动进行乘2处理,使系统的设定值为0.01。2）插补的概念插补运动的产生将两个或两个以上的进给轴的直线运动合成，以实现所需轮廓的运动轨迹。在数控技术中这种合成的复杂运动称为插补运动。数控装置为了完成机床所需插补运动而进行的一系列运算，即称为插补运算；在其插补运动过程中，每一个单位脉冲（即每一步）所到达的终点，称为插补点。插补运动轨迹分析插补运动轨迹分析通过举例分析可得如下结论：插补运动的实际轨迹始终不可能与其理想轨迹完全相同，插补点一般也不会落在理想轨迹上。当进给运动的轨迹不与坐标轴平行时，则经数控插补后的实际轨迹均由很多线段组成，其折线交点即插补点不能与理想轨迹重合，每一个交点的位置将由数控系统确定并控制。因为数控系统所进行的插补运算，是以最小设定单位为插补单位的，所以在完成加工的零件上，看不出实际插补轨迹的折线形状。实际终点与理想终点的误差，一般不超过半个脉冲。数控系统的脉冲当量越小，插补运动的实际轨迹就越接近理想轨迹，加工精度就越高。插补概念——根据给定的信息，在理想轮廓（或轨迹）上的已知两点之间，确定一些中间点的一种方法。插补原理——通过插补计算的结果，对各进给坐标所需进给脉冲个数、频率及方向进行分配，以实现进给轨迹控制，这就是插补原理。插补原理是数控技术中的基本原理之一，它广泛应用在除点位控制机床以外的各种机床数控装置中。插补的类型插补的类型由其给定的信息的类型决定，给定信息为一次函数时计算机进行的插补类型为直线插补；二次函数时根据二次曲线的不同类型又有圆弧、抛物线、椭圆、渐开线及螺旋线等插补类型。它们都可以通过计算机软件方式实现。2、逐点比较法应用插补原理的方法有很多种，如逐点比较法、数字积分法及单步追踪法等。在对平面曲线进行插补的各种方法中，最常用的是逐点比较法。采用这种方法进行插补的优点是运算直观，插补误差小于一个脉冲当量，输入脉冲的速度变化小，以及调节方便、简便易行。1）逐点比较法的工作节拍逐点比较法是一种边判别边逼近的方法，帮又称为逼近法或区域判别法。在逐点比较法的应用中，插补点在主运动的坐标轴方向每进一步都必须经过偏差判别、刀具进给、偏差计算并判别、终点判别四个工作节拍。第三节数控机床主传动系统一、主传动系统的要求1、宽调速、无极调速2、高刚度、低噪声3、高抗振性、高热稳定性二、主传动的变速方式1、经皮带和变速齿轮的主传动传动方式特点：可扩大恒功率调速范围。扩大主轴出转距。具有齿轮传动缺点。2、齿轮变速方式主轴正反转、启停与制动均是靠直接制动电机来实现，而齿轮的变速操纵常采用液压拨叉与电磁离合器来实现。带传动与齿轮传动的传动系统图2、经带传动的主传动由无极变速的主轴电机经皮带传动直接带动主轴运转的主运动形式。这种变速方式一般用于中小型数控机床，用于调速范围不大，转距也不需太高的场合。它可避免齿轮传动时引起的振动与噪声，从而大提高主轴的运转精度。随现代主轴伺服电动机的发展，出现了能实现宽范围无极调速的宽域主电动机，使主的输出特性得到很好的改善，扩大了恒功率的调速范围，并提高了输出转距。在避免齿轮传动不足的情况下，又能保持齿轮传动带来的优点。使数控机床在机械结构上朝着优化的方向前进了一大步。为保证皮带传动平稳，一般用多楔带为宜。南汽培训中心经带传动的主传动系统图3、由调速电机直接驱动的主传动这种电动机是将主电动机直接与主轴连接，带动主轴转动，大大简化了主轴箱体结构,有效提高了主轴刚度。缺点：减少了皮带降速传动，其主轴的输出转矩更小，而且主电动机的发热对主轴精度的影响更大。直接驱动主轴近年来，出现了一种内装式电动机主轴，即主轴与电动机的转子合为一体，而电动机的定子则与主轴箱体固定。这种形式使主轴部件的结构紧凑、重量轻、惯量小，可提高主轴的启动、停止响应特性，有利于控制振动和噪声，主轴的最高转速可达20000r／rain以上．但是，这种传动方式最大的缺点是主电动机运转时产生的热量易使主轴产生热变形．因此，采用内装式主电动机方式时，温度的控制与冷却是一个关键的问匣．通常，这种数控机床自带特定的冷却系统，如风冷、水冷、空调降温等装置．3.主轴头部刀具自动夹紧机构在带有刀库的自动换刀数控机床中，为实现刀具在主轴上的自动装卸，其主轴必须设计有刀具的自动夹紧机构。3.主轴头部刀具自动夹紧机构当数控系统发出装刀信号后，刀具则由机械手或其他方法装插入主轴孔后，其刀柄及后部的拉钉1便被送到与主轴固定的前端套筒5内。随即数控系统发出刀具夹紧信号，此时拉杆3在后端碟形弹簧(图中略)的弹力作用下，呈紧紧拉伸(图2—8中往右方向)的状态。与拉杆固定连接的套筒4内的一组钢球2，在套筒5的锥孔逼迫下，收缩分布直径，随即将刀柄拉钉1紧紧拉住，从而完成了刀具定位工作；反之，如需要松开刀具时,数控系统发出松刀信号后，在主轴拉杆3后端的油缸(图中略)作用下，便可克服碟形弹簧的弹力，放松对拉杆3的拉伸，即拉杆3往左移而呈压缩状态。这时套筒5前端的喇叭口使钢球2的分布直径变大，随即松开刀柄后的拉钉1，即可卸下用过的刀具为进一步换新刀做准备。另外，自动清除主轴孔中的切屑和灰尘是换刀时一个不容忽视的问题。通常采用在换刀的同时，从主轴内孔喷射压缩空气的方法来解决，以保证刀具准确地定位。4.主轴的准停装置在自动换刀的数控铣镗类机床上，必须具有主轴准确的周向定位功能，这个功能称为主轴准停。这是由于刀具装在主轴锥孔内，在切削时的切削转矩不能完全靠锥孔的摩擦力来传递，通常在主轴前端设置一个凸键，称为端面键。当刀具装入主轴时，刀柄上的键槽必须与凸键对准相配，为保证自动换刀，主轴必须停止在某一固定角度的位置上，准停装置就是为保证主轴换刀时准确停止在换刀位置而设置的。目前准停装置有很多形式，就其基本原理有以下三种，机械方式一种、电气方式两种。第四节伺服系统一、伺服系统的作用及分类1、伺服系统的作用伺服系统位于数控装置与机床主体之间，它的作用是将从数控装置输出线路接收到的微弱电信号（脉冲电压约5V左右，脉冲电流为毫安级），经功率放大等电路放大为较强的电信号（驱动电压约几十伏至几百伏，电流可达几十安培）然后将接收的上述数字量信息转换成模拟量（执行电机轴的角位移和角速度）信息，从而驱动执行电机带动机床运动部件按约定的速度和位置进行运动。二、数控进给伺服系统的要求与普通机床相比，对数控机床进给系统的设计要求，除了具有较高的定位精度之外，还应具有良好的动态响应特性，系统跟踪指令信号的响应要快，稳定性要好，可概括为以下几点要求：1．高的精度要求2．宽的调速范围3．快的响应速度4．好的稳定性5．大的转矩输出1．高的精度要求数控机床是按预定的程序自动加工零件的，不可能像普通机床那样可用手动操作来调整和补偿各种误差，因此它要求有很高的定位精度和重复定位精度，所谓精度是指伺服系统的输出量跟随输入量的精确程度。伺服系统接收一个指令脉冲驱动工作台移动的距离称为一个脉冲当量。脉冲当量越小，机床的精度就越高。为此，消除进给传动链的间隙，是保证高精度的重要措施之一，一般脉冲当量应达到0.01～0.001mm。2．宽的调速范围由于数控机床加工要适应各种工件材料、尺寸和刀具等变化的需要，伺服进给系统在承担全部工作负载的条件下，应具有很宽的调速范围。既要高到为缩短辅助时间、提高加工效率的快速移动速度要求，如10一30m／min；也要能满足在完成高精度定位的低速度(如0.1mm／min)时，均匀、稳定、无爬行地工作。对于一般数控机床的调速范围1：24000就可以了，较先进的数控机床可以获得更宽的调速范围。3．快的响应速度所谓响应速度是指伺服系统跟随指令信号的响应速度快，使工作台能在规定的速度范围内灵敏而精确地跟踪指令，保证轮廓切削的形状精度和良好的加工表面精度。一般反应时间要求在200ms，甚至几十毫秒内。要保证如此高的响应速度，进给传动工作台的刚度、间隙、摩擦、转动惯量等都是必须考虑的问题。4．好的稳定性要有较强的抗干扰能力，保证电源、环境、