第三节 数控机床的分类-“1+X证书”制度下的数控加工理论与实践

　 　 （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 􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍 加工中心，其实质为安装有自动换刀装置及刀库的数控铣床。 ②金属成型类数控机床是对传统金属成型机床数控化后获得的机床，其工作原理不变， 均是通过其配套的模具对金属施加强大作用力使其发生物理变形，从而得到想要的几何形 状。 与传统成型机床相比，金属成型类数控机床通过数控系统完成上述动作。 这类数控机床 有数控折弯机、数控弯管机和数控压力机等。 ③数控特种加工机床是利用数控系统完成特种加工的数控机床，如数控线切割机、数控 电火花成形机和数控激光切割机等。 二、按运动轨迹分类 ①点位控制数控机床侧重于点定位，即需要实现刀具或工作台从当前点到目标点的准确 移动，且移动过程中不进行切削运动，对运动的轨迹也不存在严格要求。 常见的点位控制数 控机床有数控钻床、数控镗床和数控压力机等。 该类数控机床的运动轨迹如图 １⁃９（ａ）所示， 图中虚线箭头表示机床并未切削工件。 ②直线控制数控机床与点位控制数控机床相对，其不但需要具有定位功能，还必须实现点 到点直线运动时的切削加工。 该类数控机床一般有 ２～３ 个运动轴，但是无法联动，仅能完成单 轴控制。 该类数控机床的运动轨迹如图 １⁃９（ｂ）所示，图中实线箭头表示机床在切削工件。 ③轮廓控制数控机床能对两个或两个以上的坐标轴进行联动切削加工控制，具有直线、 圆弧、抛物线以及其他函数关系的插补功能。 该数控机床在加工时，不但要控制起点和终点 的位置，还需要通过插补方法准确控制两点之间轮廓任意一点的位置和速度，从而使机床加 工出符合图样要求的复杂形状。 常见的轮廓控制数控机床有数控车床、数控铣床、数控线切 割机和加工中心等，这类数控机床一般具有较为完善的辅助功能，以保证轮廓加工过程顺利、 高效地进行。 图 １⁃９（ｃ）所示为该类数控机床的运动轨迹。 图 １⁃９　 三种运动轨迹 三、按伺服控制原理分类 ①对于开环控制数控机床，机床本体不安装位置检测装置，其控制仅依靠数控系统发 出的指令予以实现。 这种控制方式无法采集末端执行器的反馈信号，不检测其运行状况， 指令单向流动，因此称为开环控制。 此类数控机床成本低、调试维修方便，但精度往往不 高，适用于加工质量要求较低的场合。 另外，在对普通机床数控化改造时可考虑此种类型 的系统。 ５１ 第一章　 数控加工概述 􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍 如图 １⁃１０ 所示，基于步进电动机是实现开环控制数控系统最为常用的一种方式。 数控系 统根据控制指令，计算出进给脉冲，发送至步进电动机驱动器，随后控制步进电动机转过一定 的角度，并通过齿轮传动、滚珠丝杠螺母副驱动工作台运动。 图 １⁃１０　 开环控制数控机床示意图 ②闭环控制数控机床指的是安装了位置检测装置的数控机床。 此类机床在运行时，可以 测量出机床进给运动的实际值，并反馈到数控系统，从而获得指令值与实际值的差值，利用差 值对运动进行控制，直至差值为零，以实现运动部件的精确控制。 根据位置检测装置安装位置的不同，可进一步将闭环控制数控机床分为全闭环控制数控 机床和半闭环控制数控机床。 前者一般采用光栅尺作为位置检测装置，该装置可以安装在机 床工作台处，从而直接将工作台的位移反馈至数控系统，完成基于误差的控制。 显然，全闭环 控制数控机床的精度高，主要用于加工质量要求较高的场合。 而对于后者，则使用编码器作 位置检测装置，即测定丝杠的角位移，进而间接获得工作台位移，因为工作台并未包括在控制 环中，因此将其称为半闭环控制数控机床。 相比开环控制数控机床和全闭环控制数控机床， 此类机床是一种折中的数控机床，其结构简单，调试安装方便，成本不高，控制精度介于以上 两类数控机床之间。 图 １⁃１１ 和图 １⁃１２ 分别给出了闭环控制数控机床和半闭环控制数控机床的示意图。 在图 １⁃１１ 中，数控系统接收给定的位置指令，经过运算将其转换成控制指令传送给伺服驱动器，并 传递给伺服电动机。 对于不同的数控机床，可能会通过齿轮传动机构减速增扭，也有可能去 除齿轮传动机构，直接与滚珠丝杠螺母副相连，进而控制工作台的移动。 一旦工作台的移动 发生，位置检测装置立刻反馈其位移信息，并与给定的位置指令比较，将差值输送给数控系 统，一般将此差值放大后对伺服电动机进行控制，直至此差值为零才终止。 图 １⁃１１　 闭环控制数控机床示意图 ６１ “１＋Ｘ 证书”制度下的数控加工理论与实践 􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍 图 １⁃１２　 半闭环控制数控机床示意图 对于图 １⁃１２ 所示的半闭环控制数控机床，其工作过程与图 １⁃１１ 所示基本一致，不同之处 在于检测装置安装在伺服电动机处或者丝杠端部，检测的变量是角位移，经过一定运算后再 与位置指令求得差值，进而完成控制。 四、按功能水平分类 数控机床可按照功能水平进行分类，一般分为低档、中档和高档三类，但这种分类方式是 相对而言的，早些时候的高档数控机床现阶段可能是低档机床。 此处列举几项档次分类的指 标：机床进给分辨率、进给速度、伺服系统类型、联动轴数、通信能力、显示功能和 ＣＰＵ 能力 等，具体见表 １⁃２。 表 １⁃２　 数控机床功能水平分类 档次分类 低档 中档 高档 机床进给分辨率 １０ μｍ １ μｍ ０．１ μｍ 进给速度 ８～１５ ｍ ／ ｍｉｎ ＞ １５ ｍ ／ ｍｉｎ 且≤２４ ｍ ／ ｍｉｎ ＞２４ ｍ ／ ｍｉｎ 且≤１００ ｍ ／ ｍｉｎ 或更高 伺服系统类型 步进电动机开环控制 伺服电动机半闭环控制 伺服电动机全闭环控制 联动轴数 ≤３ 轴 ４ 轴 ５ 轴或更高 通信能力 无 Ｒ２３２ 或 ＤＮＣ 直接数控等 接口 ＭＡＰ（制造自动化协议） 等 高性能通信接口，且具有联 网功能 显示功能 简单 的 数 码 显 示 或 ＣＲＴ 字符显示 较齐全的 ＣＲＴ 显示，有图 形、人机对话、自诊断等功 能显示 齐全的 ＣＲＴ 显示，有图形、 人机对话、自诊断等功能显 示及三维动态图形显示 ＣＰＵ 能力 ８ 位单板机或单片机 １６ 位或 ３２ 位处理器 ３２ 位以上处理器 ７１ 第一章　 数控加工概述 􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍