第二节 数控机床的组成-“1+X证书”制度下的数控加工理论与实践

第二节　 数控机床的组成 数控机床是机电一体化的高技术产品，集合了机械制造、计算机技术、伺服驱动及检测技 术、可编程控制技术、气动液压等技术。 其组成一般包括输入输出设备、计算机数控装置 （ＣＮＣ）、可编程控制器（ＰＬＣ）、伺服驱动及检测反馈、辅助装置、机床主体等。 数控机床的构 成如图 １⁃３ 所示。 图 １⁃３　 数控机床的构成 一、输入 ／输出设备及接口 数控设备操作人员与数控系统之间的信息交流过程是通过输入 ／输出设备或接口来完成 的，输入设备的作用是将程序载体（信息载体）上的数控代码传递并存入数控系统内。 根据控 制存储介质的不同，输入设备包括光电阅读机、磁带机或软盘驱动器等。 目前数控机床加工 程序主要通过键盘用手工方式直接输入数控系统或由编程计算机把零件图通过软件自动转 换成加工的程序，然后再传送到数控系统中。 通常采用的通信方式有： ①串行通信（ＲＳ２３２ 等串行通信接口）。 ②自动控制专用接口和规范（ＤＮＣ、ＭＡＰ 等）。 ③网络技术（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ、ＬＡＮ 等）。 零件加工程序输入过程有两种方式：一种是边读入边加工（数控系统内存较小时）；另一 种是一次将零件加工程序全部读入数控装置内部的存储器，加工时再从内部存储器中逐段调 出进行加工。 输出设备的作用是通过显示器将加工过程中必要的信息，如坐标值、报警信号等进行显示。 二、数控装置 计算机数控装置（ＣＮＣ）是机床数控系统的核心，它主要由计算机系统、位置控制、ＰＬＣ 接口、通信接口、扩展功能模块以及相应的控制软件等模块组成。 ＣＮＣ 系统的主要任务是 ９ 第一章　 数控加工概述 􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍 将零件加工程序表达的加工信息（几何信息和工艺信息）进行相应的处理（运动轨迹处理、 信息输入 ／输出处理等），然后变换成各进给轴的位移指令、主轴速度指令和辅助动作指令， 控制相应的执行部件（伺服单元、驱动装置和 ＰＬＣ 等），加工出符合要求的零件，所有这些 工作都是通过 ＣＮＣ 装置内的硬件和软件协调配合，合理组织，使数控机床有条不紊地工作 而实现的。 计算机数控系统（ＣＮＣ）硬件结构形式较多，按 ＣＮＣ 装置中各印制电路板的插接方式可 分为大板式结构和功能模板式结构；按 ＣＮＣ 装置中微处理器的个数可以分为单微处理器和 多微处理器结构等。 但总的来说，ＣＮＣ 装置与通用计算机一样，都是由中央处理器（ＣＰＵ）及 存储数据与程序的存储器组成。 存储器分为系统控制软件程序存储器（ＲＯＭ）、加工程序存 储器（ＲＡＭ）及工作区存储器（ＲＡＭ）。 ＲＯＭ 中的系统控制软件程序由数控系统生产厂家写 入，用来完成 ＣＮＣ 系统的各项功能，数控机床操作者将各自的加工程序存储在 ＲＡＭ 中，供数 控系统控制机床来加工零件。 工作区存储器是系统程序执行过程的活动场所，用于堆栈、参 数保存、中间运算结果保存等。 中央处理器（ＣＰＵ）执行系统程序并读取加工程序，经过加工 程序段的译码和预处理计算后，再根据加工程序段指令进行实时插补，并通过与各坐标伺服 系统的位置、速度反馈信号进行比较，控制机床各坐标轴的位移。 同时将辅助动作指令通过 可编程序控制器（ＰＬＣ）发往机床，并接收通过可编程序控制器（ＰＬＣ）返回的机床的各部分信 息，以决定下一步操作。 三、伺服系统 伺服系统是数控设备的驱动执行机构，分为主轴伺服系统和进给伺服系统两大类，驱动 系统接收来自数控装置的指令信息，经功率放大后，严格按照指令信息的要求驱动机床移动 部件，以加工出符合图样要求的零件。 因此，它的伺服精度和动态响应性能是影响数控机床 加工精度、表面质量和生产率的重要因素之一。 主轴伺服系统是指机床上带动刀具与工件旋转，产生切削运动且消耗功率最大的运动系 统。 主轴伺服系统除控制主轴转速外，还有一些特殊的控制，如主轴定向控制、恒线速度切削 控制以及同步控制和 Ｃ 轴控制等。 主轴定向控制实现主轴在某一固定位置的准确定位功能。 恒线速度切削控制实现切削点（刀具与工件的接触点）的线速度为恒值的控制功能。 同步控 制实现主轴转角和某一进给轴进给量保持某种关系的控制功能。 Ｃ 轴控制实现主轴转向任 意位置的控制功能，如用于车削螺纹。 进给伺服系统包括进给驱动装置和进给电动机，主要作用是实现零件加工的成型运动， 其控制量是速度和位置。 它执行由 ＣＮＣ 发出的进给指令，经变换、放大后，通过驱动装置精 确控制执行部件的运动方向、进给速度和位移量，提供切削过程中各坐标轴所需要的转矩。 进给电动机有步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机。 进给伺服系统通常由位置控制单元、速度控制单元、驱动单元和机械执行部件等几部分 组成，如图 １⁃４ 所示。 进给伺服系统是一种精密的位置跟踪与定位系统，按照其位置环路开 放与否，可以分为开环和闭环两种，其中闭环系统按照位置检测元件的安装部位不同可以分 ０１ “１＋Ｘ 证书”制度下的数控加工理论与实践 􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍 为全闭环和半闭环两种。 全闭环的位置检测元件安装在进给传动链的末端，半闭环的位置检 测元件安装在进给传动链的某个传动元件上。 图 １⁃４　 进给伺服系统原理图 （１）开环进给伺服系统 图 １⁃５ 为开环进给伺服系统工作简图。 开环伺服系统的伺服驱动装置主要是步进电动 机、功率步进电动机和电液脉冲电动机等。 由数控系统送出的进给指令脉冲，通过环形分配 器，按步进电动机的通电方式进行分配，并经功率放大后送给步进电动机的各相绕组，使之按 规定的方式通、断电，从而驱动步进电动机旋转，再经同步齿形带、滚珠丝杠螺母副驱动执行 部件。 每给一个脉冲信号，步进电动机就转过一定的角度，工作台就走过一个脉冲当量的距 离。 数控装置按程序加工要求控制指令脉冲的数量、频率和通电顺序，达到控制执行部件运 动的位移量、速度和运动方向的目的。 由于它没有检测和反馈系统，故称为开环。 其特点是 结构简单、维护方便、成本较低。 但加工精度不高，如果采取螺距误差补偿和传动间隙补偿等 措施，定位精度可稍有提高。 图 １⁃５　 开环进给伺服系统工作简图 （２）半闭环进给伺服系统 图 １⁃６ 所示为半闭环进给伺服系统工作简图。 半闭环伺服系统具有检测和反馈系统。 测 量元件（脉冲编码器、旋转变压器和圆感应同步器等）装在丝杠或伺服电动机的轴端部，通过 测量元件检测丝杠或电动机的回转角，间接测出机床运动部件的位移，经反馈回路送回控制 系统和伺服系统，并与控制指令值比较。 如果二者存在偏差，便将此差值信号进行放大，继续 控制电动机带动部件向着减小偏差的方向移动，直至偏差为零。 由于只对中间环节进行反馈 控制，丝杠和螺母副部分还在控制环节之外，故称半闭环。 对丝杠螺母副的机械误差，需要在 数控装置中用间隙补偿和螺距误差补偿来减小。 １１ 第一章　 数控加工概述 􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍 图 １⁃６　 半闭环进给伺服系统工作简图 　 　 （３）全闭环进给伺服系统 图 １⁃７ 所示为全闭环进给伺服系统工作简图。 它的工作原理和半闭环伺服系统相同，但 测量元件（直线感应同步器、长光栅等）装在工作台上，可直接测出工作台的实际位置。 该系 统将所有部分都包含在控制环之内，可消除机械系统引起的误差，精度高于半闭环伺服系统， 但系统结构较复杂，控制稳定性较难保证，成本高，调试、维修困难。 图 １⁃７　 全闭环进给伺服系统工作简图 四、检测反馈装置 检测反馈装置是高性能数控设备中的重要组成部分。 检测反馈装置主要有以下两种安 装方式： ①安装在机床的工作台或丝杠的直线位移检测元件。 ②安装在伺服电动机上的角位移检测元件。 检测反馈装置的作用是，将检测元件准确测出的直线位移或角位移迅速反馈给数控装 置，以便与加工程序给定的指令进行比较。 如果比较出误差，数控装置将向伺服系统发出新 的修正命令，以控制机床有关机构向消除误差的方向进行补偿位移，并如此反复进行，以达到 ２１ “１＋Ｘ 证书”制度下的数控加工理论与实践 􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍 消除其误差的目的。 数控设备通常按有、无反馈检测装置及反馈方式将伺服系统分为开环、全闭环、半闭环及 混合闭环系统，开环系统无检测反馈装置，其控制精度主要取决于系统的机械传动链和步进 电动机运行的精度，而闭环系统的控制精度则主要取决于检测反馈装置的精度。 五、可编程序控制器 可编程序控制器（ＰＬＣ）是一种专门在工业环境下应用的数字运算操作电子系统。 它采 用可编程序控制器，用来执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，并通过 数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械设备和生产过程。 可编程序控制器按其 控制对象不同，分为可编程序逻辑控制器（ＰＬＣ）及用于控制机床顺序动作的可编程序机床控 制器（ＰＭＣ），可编程序机床控制器（ＰＭＣ）在数控装置（ＣＮＣ）中接收来自操作面板，机床上各 行程开关、传感器、按钮，强电柜中的继电器以及主轴控制、刀库控制的有关信号，经处理后输 出有关信号，控制相应的器件运行。 ＣＮＣ 装置和 ＰＬＣ 协调配合共同完成数控机床的控制，其中 ＣＮＣ 装置主要完成与数字运 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；ＰＬＣ 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，接收 ＣＮＣ 装置的控制代码辅助功能 Ｍ 指 令、主轴功能 Ｓ 指令、刀具功能 Ｔ 指令等顺序动作信息，对其进行译码，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，如工件的装夹、刀具的更换、冷却液的开与关等 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 装置，用于加工过程的控制。 六、机床主体 数控机床是数控系统的被控制对象，是实现加工零件的执行部件。 它主要由主轴传动装 置、进给传动装置、支撑床身以及特殊装置，如刀具自动交换系统 ＡＴＣ （Ａｕｔｏｍａｔｉｃａ Ｔｏｏｌ Ｃｈａｎｇｅｒ）、自动工件交换系统 ＡＰＣ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃａ Ｐａｌｌｅｔ Ｃｈａｎｇｅｒ）和辅助装置（如液压气动系统、 润滑系统、冷却装置、转位和夹紧装置、回转工作台和数控分度头等）组成。 与普通机床相比， 数控机床在整体布局、外观造型、传动系统、刀具系统的结构以及操作机构等方面都有很大的 变化，这种变化的目的是满足数控机床的要求和充分发挥数控机床的特点。 数控机床的主要 性能指标如下。 （１）数控机床的基本能力指标 数控机床的基本能力指标主要包括行程范围、工作台面尺寸、承载能力、主轴功率和进给 轴转矩、可控轴数和联动轴数等。 （２）数控机床的精度指标 数控机床的精度指标主要包括几何精度和位置精度。 其中位置精度又包括定位精度、重 复定位精度、分度精度和回零精度等。 ３１ 第一章　 数控加工概述 􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍 　 　 （３）数控机床的运动性能指标 数控机床的运动性能指标主要包括主轴转速、快速移动和进给速度、坐标轴行程、摆角范 围、刀库容量和换刀时间、分辨率和脉冲当量等。 （４）数控机床的可靠性能指标 数控机床的可靠性能指标主要包括平均无故障工作时间 （ＭＴＰＦ） 和平均修复时间 （ＭＴＴＲ）。 平均无故障工作时间是指数控机床在可修复的相邻两次故障间正常工作的时间的平均 值，它与机床部件和数控系统的质量有关。 ＭＴＰＦ 的值越大越好。 平均修复时间是指数控机床从出现故障开始到能正常工作所用的平均修复时间。 ＭＴＴＲ 的值越小越好。 第三节　 数控机床的分类 从不同的角度出发，数控机床有不同的分类方式，本节列举了几种常见的分类方式，如图 １⁃８ 所示。 图 １⁃８　 数控机床的分类 一、按功能用途分类 ①金属切削类数控机床是较为常见的一类数控机床，根据其完成加工工艺的不同，可分 为数控车床、数控铣床和数控加工中心等。 数控加工中心最初是由数控铣床发展而来的，它与数控铣床的最大区别在于加工中心具 有自动交换加工刀具的能力。 数控加工中心的出现改变了一台机床只能完成一种加工工艺 的模式，实现了零件一次装夹、自动完成多种工序加工的功能。 最为常见的加工中心是立式 ４１ “１＋Ｘ 证书”制度下的数控加工理论与实践 􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍