任務二 數控機床的組成及工作原理

任務描述

數控機床的組成部件有哪些？各自有哪些特點？它的工作原理是什么？如何利用數控機床的組成部件來了解機床的工作原理？

學習目標

了解掌握數控機床的組成，并能聯系實際應用。學習數控機床工作原理并掌握，為數控檢測和維修打下基礎。

任務分析

社會需求的多樣化與科學技術的現代化，使機械制造的產品日趨精密、復雜，而且更新頻繁，這不但對機械制造的精度與效率提出了更高的要求，而且對生產的適應性、靈活性也提出了更高的要求。只有掌握數控機床的組成及工作原理才能更合理的生產所需產品，同時也才能更合理地使用機床。在本節的學習中數控機床工作原理是本任務的重點和難點。

任務完成

一、數控機床的基本工作原理

機床操作者首先根據零件圖樣及加工工藝文件進行程序編制，然后通過手動輸入裝置或程序介質將程序輸入數控系統，再經過調試、修改，最后把它存儲起來。在加工時就依照所編制的程序進行相應的數字信息處理，一方面通過插補運算器進行加工軌跡的運算處理，輸出位移指令信號，從而控制伺服系統驅動機床各坐標軸，使刀具與工件的相對位置按照被加工零件的形狀軌跡進行運動，并通過位置檢測反饋以確保其位移精度。另一方面按照加工要求，通過PLC控制主軸及其他輔助裝置協同工作，如主軸變速、主軸高低速齒輪換擋、ATC刀具自動交換、APC（Automatic Pallet Changer）工件自動交換、工件夾緊與放松、切削液的開關、潤滑系統的定時啟動、過載與限位保護等。

數控機床通過程序調試、試切削后，進入正常批量加工時，操作者一般只要進行工件上、下料裝卸，再按一下自動循環按鈕，數控機床就可以根據加工程序自動完成整個加工過程。

數控機床零件加工的步驟如下：

（1）分析零件圖，確定加工方案，用規定代碼編程。

（2）輸入數控裝置。

（3）數控裝置對程序進行譯碼、運算，向機床各伺服機構和輔助控制裝置發信→驅動→執行→加工零件。

二、數控機床的組成

數控機床一般由控制介質數控系統、伺服系統、輔助裝置和機床本體等部分組成，如圖1-1-1所示。

1.輸入/輸出裝置

數控機床在進行加工前，需要將存儲介質上記載的零件加工程序，通過輸入裝置輸入到數控系統中，然后才能根據輸入的加工程序控制機床運行，從而加工出所需的零件。同時數控系統也需要通過輸出裝置將暫時不用的零件加工程序存儲或備份到外部存儲介質上。

早期的數控機床常用穿孔紙帶、磁帶等存儲介質，現代數控機床常用磁盤或半導體存儲器等存儲介質，或不用存儲介質，而直接由操作人員通過手動數據輸入（Manual Date Input）鍵盤輸入零件程序，或采用計算機通信技術進行零件程序的輸入/輸出，后者是現實CAD/CAM集成、FMS和CIMS的基本技術。

輸入/輸出裝置是機床與外部設備的接口，目前常用的主要有紙帶閱讀機、磁盤驅動器、RS-232C串行通信接口、MDI手動輸入裝置、網卡和讀卡器等。

2.操作裝置

操作裝置是數控系統提供給機床操作者控制機床運轉的平臺，也是機床操作者與數控系統進行信息交互的平臺。一方面，機床操作者可以通過它對數控機床進行操作、編程、程序調試，以及對機床參數進行設定和修改；另一方面，還可以通過它了解或查詢數控機床的運行狀態。操作裝置主要由顯示裝置、NC鍵盤、機床控制面板（Machine Control Panel，MCP）狀態燈和手持單元等部分組成。MCP集中了數控系統中的所有控制按鈕，用于控制機床的動作或加工過程，如程序啟動、主軸旋轉、主軸停止、坐標軸手動進給、切削液開關等。手持單元一般由手搖脈沖發生器（MPG）和坐標軸選擇按鈕組成，主要用于用戶調整機床坐標軸位置或采用手搖脈沖進給方式進行手動切削加工。

3.CNC裝置

數控系統是機床實現自動加工的核心，數控機床中的所有控制命令都是由數控系統發出的。它主要由主控制系統、可編程控制器、各類輸入/輸出接口等組成。主控制系統的硬件結構與計算機的主板有些類似，主要由CPU、存儲器、控制器等部分組成。它的主要作用包括接收輸入裝置輸入的加工信息，完成數值計算、邏輯判斷、輸入/輸出控制等功能。

4.伺服系統

伺服系統是數控系統與機床本體之間的電傳動聯系環節，主要由伺服電動機、驅動控制系統以及位置檢測反饋裝置組成。伺服電動機是系統的電氣執行元件，驅動控制系統作為伺服電動機的動力源。數控系統發出的位置指令信號與位置檢測反饋信號進行比較后，將其差值作為驅動控制系統的輸入位移指令信號，并經驅動控制系統功率放大后，驅動伺服電動機運轉，伺服電動機通過聯軸器帶動機械傳動裝置拖動工作臺或刀架運動。

5.位置反饋系統

測量裝置（也稱檢測裝置、反饋裝置）主要用于對機床坐標軸的位置和移動速度的測量，將機床坐標軸的實際運動速度、方向、位移量及加工負荷加以檢測，把檢測結果轉化為電信號反饋給數控裝置，通過比較，計算出實際位置與指令位置之間的偏差，并發出糾正誤差指令。測量裝置通常安裝在機床的工作臺、絲杠或伺服電動機的端部，并根據測量裝置在機床中的安裝位置將數控機床的控制方式分為閉環控制系統和半閉環控制系統。

常用的檢測反饋裝置如下：

1）速度檢測元件

速度檢測元件的作用是測量執行部件的運動速度。一般采用安裝在電動機軸上的測速發電動機或光電編碼器。測速發電動機的輸出電壓與電動機的轉速成正比。光電編碼器通過檢測單位時間內光電編碼器所發出的脈沖數或檢測所發出脈沖的周期來完成數字化的速度檢測，其測速精度高。

2）位置檢測元件

位置檢測元件可分為直接測量和間接測量。對機床工作臺的直線位移采用直線檢測裝置進行測量，稱為直接測量，是閉環控制；通過回轉型檢測裝置測量伺服電動機或滾珠絲杠的轉角間接地測量出移動部件的實際位移，稱為間接測量，是半閉環控制。

6.機床本體

機床本體指的是數控機床機械結構實體，是數控系統的控制對象，是實現制造加工的執行部件。與普通機床相比，具有如下特點：

（1）進給運動系統 進給傳動采用高效傳動部件。具有機械傳動鏈接短、結構簡單、傳動精度高等特點，一般采用滾珠絲杠副、直線滾動導軌副等部件。

（2）主運動系統使用高性能主傳動及主軸部件，具有傳遞功率大、剛度高、抗震性好及熱變形小等優點。

（3）具有完善的刀具自動交換和管理系統。工件在加工中心類機床上一次裝夾后，一般需要完成多個工序的加工，這就要根據不同的加工工序，選擇不同的加工刀具，故機床應具有自動換刀機構。

（4）床身結構具有很高的動、靜剛度。

（5）采用全封閉罩殼。由于數控機床是高度自動化的加工設備，為了操作者的人身安全，一般采用移動門結構的全封閉罩殼，對機床的加工部位進行全封閉。

7.輔助裝置

數控機床實現全自動化控制，還需配備其他輔助裝置，如液壓和氣動裝置、自動換刀裝置、工作臺自動交換裝置、自動對刀裝置、自動排屑裝置等。

1）自動換刀裝置

自動換刀裝置的基本類型有三種，一種自動換刀裝置由刀庫、選刀裝置、刀具自動裝卸機構、刀具交換機構等部分組成，常用于加工中心。另一種自動換刀裝置是回轉刀架換刀，常用于數控車床；還有一種自動換刀裝置是多主軸轉塔頭換刀，常用于數控鉆床、數控鏜床。

2）工作臺自動交換裝置

工作臺自動交換裝置常有回轉式和往復式，能大幅度節省工件的裝卸時間。

3）自動對刀裝置

自動對刀裝置用于測量刀具的幾何尺寸和參數，進行刀具長度和直徑的補償。自動對刀裝置能節省機床校刀的時間。自動對刀裝置可分為數控車床對刀儀、數控鏜銑床對刀儀和加工中心對刀儀。

4）自動排屑裝置

自動排屑裝置常有傳送帶或螺旋式，可迅速排除切屑，實現長時間無人看管的自動加工。

知識鏈接

思考與練習

1.數控機床由哪些部分組成？各有何作用？

2.與普通機床相比較，數控機床有哪些特點？相應的加工優勢有哪些？