第三節(jié) 數(shù)控車床

一、數(shù)控技術(shù)的基本概念

1．?dāng)?shù)控

數(shù)控，即數(shù)字控制（Numerical Control，簡稱NC），就是用數(shù)字化的信息對機(jī)床的運(yùn)動及其加工過程進(jìn)行控制的一種方法。簡單地說，數(shù)控就是采用計算機(jī)或?qū)Ｓ糜嬎銠C(jī)裝置進(jìn)行數(shù)字計算、分析處理、發(fā)出相應(yīng)指令、對機(jī)床的各個動作及加工過程進(jìn)行自動控制的一門技術(shù)。

由于早期數(shù)控系統(tǒng)功能全靠數(shù)字電路實現(xiàn)，因此稱為NC系統(tǒng)（硬件數(shù)控系統(tǒng)）。這種數(shù)控系統(tǒng)電路復(fù)雜，元器件數(shù)量較多，功能擴(kuò)充難以實現(xiàn)，可靠性低，維修困難。現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)都采用小型計算機(jī)或微型計算機(jī)控制加工功能，實現(xiàn)數(shù)字控制，因此稱為計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)（Computer Numerical Control，簡稱CNC）。計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)在控制功能、精度、可靠性等方面都比硬件數(shù)控系統(tǒng)有很大的改善，而且其體積大大縮小。所以，在本書中所出現(xiàn)的“數(shù)控”或“數(shù)控系統(tǒng)”都是指計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)。

2．?dāng)?shù)控機(jī)床

所謂數(shù)控機(jī)床（Numerical Control Machine Tool，簡稱NCMT），就是采用數(shù)字控制技術(shù)對機(jī)床的加工過程進(jìn)行自動控制的機(jī)床，也就是裝備有計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的自動化機(jī)床。它把機(jī)械加工過程中的各種控制信息用代碼化的數(shù)字表示，通過信息載體輸入數(shù)控裝置，經(jīng)運(yùn)算處理由數(shù)控裝置發(fā)出各種控制信號，控制機(jī)床的動作，按圖樣要求的形狀和尺寸，自動地將零件加工出來。數(shù)控機(jī)床較好地解決了復(fù)雜、精密、小批量、多品種零件的加工問題，是一種柔性的、高效能的自動化機(jī)床，代表了現(xiàn)代機(jī)床控制技術(shù)的發(fā)展方向，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。

3．?dāng)?shù)控加工

數(shù)控加工（Numerical Control Processing，簡稱NCP），是指在數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行工件的切削加工的一種工藝方法，即根據(jù)工件圖樣和工藝要求等原始條件，編制工件數(shù)控加工程序并輸入數(shù)控系統(tǒng)，以控制機(jī)床的刀具與工件的相對運(yùn)動，從而實現(xiàn)工件的加工。加工的全過程包括走刀、換刀、變速、變向、停車等，都是自動完成的。數(shù)控加工是現(xiàn)代化模具制造加工的一種先進(jìn)手段。當(dāng)然，數(shù)控加工手段并不一定只用于加工模具零件，其用途十分廣泛。

二、數(shù)控車床的工作原理及特點

1．?dāng)?shù)控車床的工作原理

數(shù)控車床是一種高度自動化的機(jī)床，是用數(shù)字化的信息來實現(xiàn)自動化控制的，將與加工零件有關(guān)的信息—工件與刀具相對運(yùn)動軌跡的尺寸參數(shù)（進(jìn)給執(zhí)行部件的進(jìn)給尺寸）、切削加工的工藝參數(shù)（主運(yùn)動和進(jìn)給運(yùn)動的速度、背吃刀量等），以及各種輔助操作（主運(yùn)動變速、刀具更換、切削液打開停止、工件夾緊松開等）等加工信息，用規(guī)定的文字、數(shù)字和符號組成的代碼，按一定的格式編寫成加工程序單，將加工程序通過控制介質(zhì)輸入到數(shù)控裝置中，由數(shù)控裝置經(jīng)過分析處理后，發(fā)出各種與加工程序相對應(yīng)的信號和指令控制機(jī)床進(jìn)行自動加工。

2．?dāng)?shù)控車床的特點（表1-17）

三、數(shù)控車床的組成及功能

1．?dāng)?shù)控車床的組成

數(shù)控車床主要由數(shù)控程序及程序載體、輸入裝置、數(shù)控裝置、伺服驅(qū)動及位置檢測裝置、輔助控制裝置、機(jī)床本體等幾部分組成，如圖1-38所示。具體說明見表1-18。

2．?dāng)?shù)控車床的功能

數(shù)控車床又稱CNC車床，能自動地完成對軸類與盤類零件內(nèi)外圓柱面、圓錐面、圓弧面、螺紋等切削加工，并能進(jìn)行切槽、鉆孔、擴(kuò)孔和鉸孔等工作。數(shù)控車床具有加工精度穩(wěn)定性好、加工靈活、通用性強(qiáng)，能適應(yīng)多品種、小批生產(chǎn)自動化的要求，特別適合加工形狀復(fù)雜的軸類或盤類零件。

從總體上看，數(shù)控車床沒有脫離臥式車床的結(jié)構(gòu)形式，其結(jié)構(gòu)上仍然是由主軸箱、刀架、進(jìn)給系統(tǒng)、床身以及液壓、冷卻、潤滑系統(tǒng)等部分組成，只是數(shù)控車床的進(jìn)給系統(tǒng)與臥式車床的進(jìn)給系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上存在著本質(zhì)的差別。臥式車床的進(jìn)給運(yùn)動是經(jīng)過交換齒輪架、進(jìn)給箱、溜板箱傳到刀架實現(xiàn)縱向和橫向進(jìn)給運(yùn)動的，而數(shù)控車床是采用伺服電動機(jī)經(jīng)滾珠絲杠傳到滑板和刀架，實現(xiàn)Z向（縱向）和X向（橫向）進(jìn)給運(yùn)動，其結(jié)構(gòu)較臥式車床大為簡化。如圖1-39所示為數(shù)控車床的結(jié)構(gòu)示意圖。由于數(shù)控車床刀架的兩個方向運(yùn)動分別由兩臺伺服電動機(jī)驅(qū)動，所以它的傳動鏈短，不必使用交換齒輪、光杠等傳動部件。伺服電動機(jī)可以直接與絲杠連接帶動刀架運(yùn)動，也可以用同步齒形帶連接。多功能數(shù)控車床一般采用直流或交流主軸控制單元來驅(qū)動主軸，按控制指令作無級變速，所以數(shù)控車床主軸箱內(nèi)的結(jié)構(gòu)也比臥式車床簡單得多。

在數(shù)控車床上增加刀塔（架）和C軸控制，可使它除了能車削、鏜削外，還能進(jìn)行端面和圓周面上任意部位的鉆、銑、攻螺紋，而且在具有插補(bǔ)功能的情況下，還能銑削曲面，這樣就構(gòu)成了車削中心，如圖1-40所示。

四、數(shù)控車床的布局與分類

1．?dāng)?shù)控車床的布局

數(shù)控車床的主軸、尾座等部件相對床身的布局形式與臥式車床基本一致，但刀架和床身導(dǎo)軌的布局形式卻發(fā)生了根本的變化。這是因為刀架和床身導(dǎo)軌的布局形式不僅影響機(jī)床的結(jié)構(gòu)和外觀，還直接影響數(shù)控車床的使用性能，如刀具和工件的裝夾、切屑的清理以及機(jī)床的防護(hù)和維修等。

數(shù)控車床床身導(dǎo)軌與水平面的相對位置有四種布局形式，其說明見表1-19。

2．?dāng)?shù)控車床的分類

數(shù)控車床品種繁多，規(guī)格不一，分類方法也較多，其分類方法如下。

① 按數(shù)控車床主軸位置分類 按數(shù)控車床主軸位置分類見表1-20。

② 按加工零件的基本類型分類 按加工零件的基本類型分類見表1-21。

③ 按刀架數(shù)量分類 按刀架數(shù)量分類見表1-22。

④ 按數(shù)控車床的檔次分 按數(shù)控車床的檔次分類見表1-23。

五、數(shù)控系統(tǒng)的主要功能及加工過程

1．?dāng)?shù)控系統(tǒng)的主要功能

數(shù)控車床中數(shù)控系統(tǒng)的硬件有各種不同的組成和配置，再安裝不同的監(jiān)控軟件，就可以實現(xiàn)許多功能，從而滿足數(shù)控車床的復(fù)雜控制要求。

數(shù)控系統(tǒng)的功能一般包括基本功能和選擇功能。基本功能是數(shù)控系統(tǒng)的必備功能，選擇功能是供用戶根據(jù)機(jī)床特點和用途進(jìn)行選擇的功能。下面以FANUC系統(tǒng)為例，簡述其部分功能，見表1-24。

2．?dāng)?shù)控車床的加工過程

數(shù)控車床的加工過程如圖1-46所示。

① 根據(jù)零件加工圖樣進(jìn)行工藝分析，確定加工方案、工藝參數(shù)和位移數(shù)據(jù)。

② 用規(guī)定的程序代碼和格式規(guī)則編寫零件加工程序單；或用自動編程軟件進(jìn)行CAD/CAM工作，直接生成零件的加工程序文件。

③ 將加工程序的內(nèi)容以代碼形式完整記錄在信息介質(zhì)（如穿孔帶或磁帶）上。

④ 通過閱讀機(jī)把信息介質(zhì)上的代碼轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺⑤斔徒o數(shù)控裝置。由手工編寫的程序，可以通過數(shù)控機(jī)床的操作面板輸入；由編程軟件生成的程序，通過計算機(jī)的串行通信接口直接傳輸?shù)綌?shù)控機(jī)床的數(shù)控單元（MCU）。

⑤ 數(shù)控裝置將所接收的信號進(jìn)行一系列處理后，再將處理結(jié)果以脈沖信號形式向伺服系統(tǒng)發(fā)出執(zhí)行的命令。

⑥ 伺服系統(tǒng)接到執(zhí)行的信息指令后，立即驅(qū)動車床進(jìn)給機(jī)構(gòu)嚴(yán)格按照指令的要求進(jìn)行位移，使車床自動完成相應(yīng)零件的加工。

六、數(shù)控車床的維護(hù)、保養(yǎng)與故障診斷

（一）數(shù)控車床日常維護(hù)和保養(yǎng)

數(shù)控車床和車削加工中心集機(jī)、電、液于一身，具有技術(shù)密集和知識密集的特點，是一種自動化程度較高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜且價格昂貴的、先進(jìn)的加工設(shè)備。為了充分發(fā)揮其效益，減少故障的發(fā)生，必須進(jìn)行日常維護(hù)工作。為做好維護(hù)工作，應(yīng)為數(shù)控車床配備數(shù)控系統(tǒng)編程、操作和維修的專門人員。這些人員應(yīng)熟悉所用車床的機(jī)械、數(shù)控系統(tǒng)、強(qiáng)電設(shè)備、液壓、氣壓等部分及使用環(huán)境、加工條件等，并能按機(jī)床和系統(tǒng)使用說明書的要求正確使用數(shù)控車床，這樣才能全面了解、正確使用和掌握數(shù)控車床，及時做好維護(hù)工作。主要的維護(hù)工作如下。

1．選擇合適的使用環(huán)境

數(shù)控車床的使用環(huán)境（如溫度、濕度、振動、電源電壓、頻率及干擾等）會影響機(jī)床的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，故在安裝機(jī)床時，應(yīng)嚴(yán)格按照機(jī)床說明書規(guī)定的安裝條件和要求進(jìn)行安裝。

2．制定嚴(yán)格的操作維護(hù)制度

由于數(shù)控車床是自動化程度較高的設(shè)備，操作不當(dāng)容易引起事故。因此，必須制定嚴(yán)格的操作維護(hù)制度，禁止非數(shù)控車床操作或維護(hù)人員操作、使用和維護(hù)。

3．制訂機(jī)床的維護(hù)程序表

如空氣過濾器的清掃、電氣柜的清掃、印制電路板的清掃等。數(shù)控車床的維護(hù)程序見表1-25。通用數(shù)控車床的維護(hù)要求見表1-26。

4．閑置數(shù)控車床的保養(yǎng)

在數(shù)控車床閑置不用時，應(yīng)經(jīng)常給數(shù)控系統(tǒng)通電，在機(jī)床鎖住的情況下，使其空運(yùn)行。在空氣濕度較大的梅雨季節(jié)，應(yīng)該天天通電，利用電氣元件本身的發(fā)熱驅(qū)走數(shù)控柜內(nèi)的潮氣，以保證電氣元件的性能穩(wěn)定可靠。

（二）數(shù)控系統(tǒng)的保養(yǎng)與維護(hù)

正確的操作是保證數(shù)控車床正常使用的前提，同時必要的保養(yǎng)和維護(hù)也是減少數(shù)控車床故障率的重要保障。其中，數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控車床的控制指揮中心，對其進(jìn)行保養(yǎng)和維護(hù)是延長元件的使用壽命，防止各種故障，特別是惡性事故的發(fā)生，從而延長整臺數(shù)控系統(tǒng)的使用壽命的有效手段。

不同數(shù)控車床的數(shù)控系統(tǒng)的使用、維護(hù)，在隨機(jī)所帶的說明書中一般都有明確的規(guī)定。總的來說，應(yīng)注意以下幾點，見表1-27。

（三）數(shù)控車床常見故障診斷和處理

數(shù)控車床通常由電氣控制、機(jī)械傳動控制、液壓傳動等系統(tǒng)組成，它們之間相互制約、相互關(guān)聯(lián)，每一部分出現(xiàn)故障時，都會影響整個機(jī)床的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)故障發(fā)生后，如何迅速診斷故障并解決問題，恢復(fù)其正常運(yùn)行，是提高數(shù)控設(shè)備使用率的關(guān)鍵，對于數(shù)控車床故障的排除，從整體上維護(hù)好數(shù)控車床有著重要的意義。

現(xiàn)有數(shù)控車床上的數(shù)控系統(tǒng)品種較多，有國產(chǎn)華中數(shù)控HNC-21系列、廣州數(shù)控等，以及國外FANUC 0i系列、SINUMERIK 802系列等。對于數(shù)控車床集成的復(fù)雜綜合系統(tǒng)，故障診斷應(yīng)遵循一定的規(guī)律，需要綜合運(yùn)用各方面的知識進(jìn)行判斷和處理。

1．故障的分類

根據(jù)機(jī)床部件、故障性質(zhì)以及故障原因等，對常見故障作以下分類，見表1-28。

2．故障的診斷原則與方法

在故障檢測過程中，應(yīng)充分利用數(shù)控系統(tǒng)的自診斷功能，如系統(tǒng)的開機(jī)診斷、運(yùn)行診斷、PLC的監(jiān)控功能。同時，在檢測故障過程中還應(yīng)掌握以下原則與方法，見表1-29。

3．常見故障的處理（表1-30）