数控机床构成与原理

2023-06-23 理论教育版权反馈

【摘要】：数控机床的原理构成如图7－3所示，实物结构如图7－4所示。由于数控加工的特点，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已发生了很大的变化，以适应数控机床的加工要求和充分发挥数控机床的功能。计算机数控装置数控装置又称CNC单元，由信息的输入、处理和输出三个部分组成，是数控机床的核心。2）程序编制及程序载体数控程序是数控机床自动加工零件的工作指令。

数控机床的原理构成如图7－3所示，实物结构如图7－4所示。

图7－3　数控机床的原理构成

图7－4　数控机床实物结构

1—床身；2—尾座；3—回转刀架；4—主轴；5—主轴电机；6—冷却液箱；7—排屑机；8—控制面板；9—防护罩

从图7－3、图7－4可见，数控机床的基本组成部分有机床本体、输入／输出设备、驱动装置、检测装置、辅助控制装置、计算机数控装置等。

（1）机床本体

数控机床的机床本体基本上和传统机床类似，主要由主轴传动装置、进给传动装置、床身、工作台以及辅助运动装置、液压气动系统、润滑系统、冷却装置等组成。由于数控加工的特点，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已发生了很大的变化，以适应数控机床的加工要求和充分发挥数控机床的功能。

（2）输入／输出装置

输入装置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。根据控制存储介质的不同，输入装置可以是光电阅读机、磁带机或软盘驱动器等。

零件加工程序输入过程有两种不同的方式：一种是数控系统内存较小时，边读入边加工，加工速度比较慢；另一种是在数控系统内存足够大时，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，这样的方式加工速度比较快。

数控机床加工程序可通过键盘用手工方式直接输入数控系统，也可由编程计算机串行口或网络通信方式传送到数控系统中。

输出是指输出内部原始参数、故障诊断参数等工作参数，一般在机床刚开始工作时需输出这些参数作记录保存，待工作一段时间后，再将输出与原始资料作比较、对照，可帮助判断机床工作是否维持正常。

（3）驱动、执行和位置检测装置

驱动装置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，以加工出符合设计要求的零件。所以，驱动装置的伺服精度和动态响应性能是影响数控机床加工精度、质量和提高生产率的重要因素。

驱动装置包括控制器（含功率放大器）和执行机构两大部分。目前大都采用直流或交流伺服电动机作为执行机构。

位置检测装置将数控机床各坐标轴的实际位移量检测出来，经反馈系统输入机床的数控装置之后，数控装置将反馈回来的实际位移量值与设定值进行比较，控制驱动装置按照指令设定值运动。

（4）辅助控制装置

辅助控制装置的主要作用是接收数控装置输出的开关量指令信号，经过编译、逻辑判别和运动，再经功率放大后驱动相应的电器，带动机床的机械、液压、气动等辅助装置完成指令规定的开关量动作。

这些控制包括：主轴运动部件的变速、换向和启停指令，刀具的选择和交换指令，冷却、润滑装置的启动停止，工件和机床部件的松开、夹紧，分度工作台转位分度等开关辅助动作。

可编程逻辑控制器（PLC）技术已在工业控制领域广泛应用，由于PLC具有响应快，性能可靠，易于使用、编程和修改程序以及在工业控制环境中的高抗干扰能力等特点，可直接作用于机床开关等控制电路，现已广泛应用于数控机床的辅助控制装置中。

（5）计算机数控装置

数控装置又称CNC单元，由信息的输入、处理和输出三个部分组成，是数控机床的核心。数控装置从内部存储器中取出或接收输入装置送来的一段或几段数控加工程序，经过数控装置的逻辑电路或系统软件进行编译、运算、译码、插补、逻辑处理后，输出各种控制信息和指令，控制机床各部分的工作，使伺服系统驱动执行部件进行规定的有序运动和动作。

1）什么是“插补”

零件的轮廓图形往往由直线、圆弧或其他非圆弧曲线组成，刀具在加工过程中必须按零件形状和尺寸的要求进行运动，即按图形轨迹移动。但输入的零件加工程序只能是各线段的起点和终点坐标值等数据，不能满足要求，因此要进行轨迹插补，也就是在线段的起点和终点坐标值之间进行“数据点的密化”，求出一系列中间点的坐标值，并向相应坐标输出脉冲信号，控制各坐标轴（即进给运动的各执行元件）的进给速度、进给方向和进给位移量等。

2）程序编制及程序载体

数控程序是数控机床自动加工零件的工作指令。在对加工零件进行工艺分析的基础上，确定零件坐标系在机床坐标系上的相对位置，即零件在机床上的安装位置；刀具与零件相对运动的尺寸参数；零件加工的工艺路线、切削加工的工艺参数以及辅助装置的动作等。得到零件的所有运动、尺寸、工艺参数等加工信息后，用由文字、数字和符号组成的标准数控代码，按规定的方法和格式，编制零件加工的数控程序单。编制程序的工作可由人工进行；对于形状复杂的零件，则要在专用的编程机或通用计算机上进行自动编程（APT）或CAD／CAM设计。

编好的数控程序，存放在便于输入数控装置的一种存储载体上，它可以是穿孔纸带、磁带和磁盘等。采用哪一种存储载体，取决于数控装置的设计类型。

图7－5所示为数控机床加工零件的过程示意，从图中可以清晰地看到数控机床的基本结构和在加工过程中的作用。

图7－5　数控机床加工零件的过程示意

数控机床构成与原理

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