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1、 数控技术基本知识1 基本组成和各部分功能数控机床是机电一体化的典型产品，是集机床、计算机、电机及拖动、自动控制、检测等技术为一体的自动化设备。现代数控系统都为计算机数控系统(Computer Numerical Control，简称CNC)。数控机床的基本组成包括加工程序、输入/输出装置、数控装置、伺服系统、辅助控制装置、反馈系统及机床本体1操作面板它是操作人员与数控装置进行信息交流的工具。由按钮站、状态灯、按键阵列（功能与计算机键盘一样）和显示器组成。2控制介质与输入输出设备控制介质是记录零件加工程序的媒介。数控机床工作时，不需要工人去摇手柄操作机床，但又要自动地执行人们的意图，这就必须在
2、人和数控机床之间建立某种联系，这种联系的媒介物称之为控制介质（或称程序介质、输入介质、信息载体）。常用的控制介质是8单位的标准穿孔带，且常用的穿孔带是纸质的，所以又称纸带。其宽为 25.4mm，厚0.108mm，每行除了必须有一个1.17mm的同步孔外，最多可以有8个1.33mm 的信息孔。用每行8个孔有无的排列组合来表示不同的代码（ 纸带上孔的排列规定，称为代码）。把穿孔带输入到数控装置的读带机，再由读带机把穿孔带上的代码转换为数控装置可以识别和处理的电信号，并传送到数控装置中去，便完成了指令信息的输入工作。输入输出设备是CNC系统与外部设备进行交互装置。交互的信息通常是零件加工程序。即将编
3、制好的记录在控制介质上的零件加工程序输入CNC系统或将调试好了的零件加工程序通过输出设备存放或记录在相应的控制介质上。3 CNC装置(CNC单元)由计算机系统、位置控制板、PLC接口板，通讯接口板、特殊功能模块以及相应的控制软件组成。它的作用是根据输入的零件加工程序进行相应的处理（如运动轨迹处理、机床输入输出处理等），然后输出控制命令到相应的执行部件(伺服单元、驱动装置和PLC等)，所有这些工作是由CNC装置内硬件和软件协调配合，合理组织，使整个系统有条不紊地进行工作的。4 伺服驱动装置伺服系统的作用是把来自数控装置的脉冲信号转换为机床移动部件的运动，使工作台（或溜板）精确定位或按规定的轨迹作
4、严格的相对运动，最后加工出符合图纸要求的零件。在数控机床的伺服系统中，常用的伺服驱动元件有功率步进电机、电液脉冲马达、直流伺服电机和交流伺服电机等。5 测量装置 位置和速度测量装置，以实现进给伺服系统的闭环控制。作用保证灵敏、准确地跟踪CNC装置指令。6 PLC、机床I/O电路和装置 PLC (Programmable Logic Controller) 用于完成与逻辑运算有关顺序动作的I/O控制，它由硬件和软件组成。机床I/O电路和装置，实现I/O控制的执行部件(由继电器、电磁阀、行程开关、接触器等组成的逻辑电路)，功能接受CNC的M、S、T指令，对其进行译码并转换成对应的控制信号。7 机床
5、本体机床是数控机床的主体，是实现制造加工的执行部件。由主运动部件、进给运动部件（工作台、拖板以及相应的传动机构）、支承件（立柱、床身等）以及特殊装置（刀具自动交换系统 工件自动交换系统）和辅助装置（如排屑装置等）组成。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同普通机床比已发生了很大的变化。这种变化的目的是为了满足数控机床的要求和充分发挥数控机床。 数控机床分类一、按工艺用途分类1 一般数控机床一般数控机床可分为数控钻床、车床、铣床、镗床、磨床和齿轮加工机床等，还有压床、冲床、弯管机、电火花切割机、火焰切割机等。2.加工中心加工中心是带有刀库及自动换刀装置的数控机
6、床，它可以在一台机床上实现多种加工。工件一次装夹，可完成多种加工，既节省辅助工时，又提高加工精度。加工中心特别适用于箱体、壳体的加工。车削加工中心可以完成所有回转体零件的加工。二按加工方式分类1 金属切削类数控机床金属切削类数控机床有数控车床、数控铣床、数控钻床、数控镗床、数控磨床、数控镗铣床等。加工中心MC是带有刀库和自动换刀装置的数控机床。2 金属成形类数控机床金属成形类数控机床有数控折弯机、数控弯管机和数控压力机等。3 数控特种加工机床数控特种加工机床有数控电火花线切割机床、数控电火花加工机床、数控激光加工机床等。4 其它类型数控机床如数控火焰切割机、数控三坐标测量机。三按加工路线分类1
7、 点位控制数控机床点位控制数控机床的特点是机床移动部件只能实现由一个位置到另一个位置的精确定位，在移动和定位过程中不进行任何加工。机床数控系统只控制行程终点的坐标值，不控制点与点之间的运动轨迹，因此几个坐标轴之间的运动无任何联系。可以几个坐标同时向目标点运动，也可以各个坐标单独依次运动。这类数控机床主要有数控坐标镗床、数控钻床、数控冲床、数控点焊机等。点位控制数控机床的数控装置称为点位数控装置。2 直线控制数控机床直线控制数控机床也称为平行控制数控机床，其特点是除了控制点与点之间的准确定位外，还要控制两相关点之间的移动速度和路线（轨迹），但其运动路线只是与机床坐标轴平行移动，也就是说同时控制的
8、坐标轴只有一个（即数控系统内不必有插补运算功能），在移位的过程中刀具能以指定的进给速度进行切削，一般只能加工矩形、台阶形零件。其有直线控制功能的机床主要有比较简单的数控车床、数控铣床、数控磨床等。这种机床的数控系统也称为直线控制数控系统。同样，单纯用于直线控制的数控机床也不多见。3 轮廓控制数控机床轮廓控制数控机床能够对两个或两个以上运动的位移及速度进行连续相关的控制，使合成的平面或空间的运动轨迹能满足零件轮廓的要求。它不仅能控制机床移动部件的起点与终点坐标，而且能控制整个加工轮廓每一点的速度和位移，将工件加工成要求的轮廓形状。常用的数控车床、数控铣床、数控磨床就是典型的轮廓控制数控机床。数控
9、火焰切割机、电火花加工机床以及数控绘图机等也采用了轮廓控制系统。轮廓控制系统的结构要比点位、直线控制系统更为复杂，在加工过程中需要不断进行插补运算，然后进行相应的速度与位移控制。 四 按可控制联动的坐标轴分类二轴联动：数控机床能同时控制两个坐标轴联动，即数控装置同时控制X和Z方向运动，主要用于数控车床加工旋转曲面或数控铣床加工曲线柱面。二轴半联动：主要用于三轴以上机床的控制，其中两根轴可以联动，而另外一根轴可以作周期性进给。图 1-1 采用这种方式加工三维空间曲面。 图1-1 两轴半联动加工曲面 图1-2 三坐标轴联动加工曲面三轴联动一般分为两类，一类就是 X 、 y 、 Z 三个直线坐标轴联
10、动，比较多的用于数控铣床、加工中心等，如图1-2 所示用球头铣刀铣切三维空间曲面另一类是除了同时控制 X 、 Y 、 Z 中两个直线坐标外，还同时控制围绕其中某一直线坐标轴旋转的旋转坐标轴。如车削加工中心，它除了纵向（Z轴）、横向（X轴）两个直线坐标轴联动外，还需同时控制围绕 Z 轴旋转的主轴（C轴）联动。四轴联动：同时控制 X 、 Y 、 Z 三个直线坐标轴与某一旋转坐标轴联动，图1-3 同时控制 x 、 Y 、 Z 三个直线坐标轴与一个工作台回转轴联动的数控机床。五轴联动：除同时控制 X 、 Y 、 Z 三个直线坐标轴联动外还同时控制围绕这这些直线坐标轴旋转的 A 、 B 、 C 坐标轴中
11、的两个坐标轴，形成同时控制五个轴联动，这时刀具可以被定在空间的任意方向如图1-4 比如控制刀具同时绕 x 轴和 Y 轴两个方向摆动，使得刀具在其切削点上始终保持与被加工的轮廓曲面成法线方向，以保证被加工曲面的光滑性，提高其加工精度和加工效率，减小被加工表面的粗糙度 图1-3 四轴联动加工曲面 图1-4 五轴联动加工曲面 四 按控制方式分类1 开环控制系统这类机床的进给伺服驱动是开环的，即没有检测反馈装置，一般它的驱动电动机为步进电机，步进电机的主要特征是控制电路每变换一次指令脉冲信号，电动机就转动一个步距角，并且电动机本身就有自锁能力其控制系统如图1-5所示数控系统输出的进给指令信号通过脉冲分
12、配器来控制驱动电路，它以变换脉冲的个数来控制坐标位移量，以变换脉冲的频率来控制位移速度，以变换脉冲的分配顺序来控制位移的方向。这种控制方式的最大特点是控制方便、结构简单、价格便宜数控系统发出的指令信号流是单向的，所以不存在控制系统的稳定性问题，但由于机械传动的误差不经过反馈校正，故位移精度不高。早期的数控机床均采用这种控制方式，只是故障率比较高，目前由于驱动电路的改进，使其仍得到了较多的应用。尤其是在我国，一般经济型数控系统和旧设备的数控改造多采用这种控制方式。另外，这种控制方式可以配置单片机作为数控装置，使得整个系统的价格降低。图1-5 开环控制系统2 闭环控制系统闭环控制系统利用安装在工作
13、台上的检测元件将工作台实际位移量反馈到计算机中，与所要求的位置指令进行比较，用比较的差值进行控制，直到差值消除为止。闭环控制系统能消除机械传动部件的各种误差和工件加工过程中产生的干扰的影响，使加工精度大大提高。速度检测元件的作用是将伺服电动机的实际转速变换成电信号送到速度控制电路中，进行反馈校正，保证电动机转速保持恒定不变，常用速度检测元件是测速电动机。 闭环控制的特点是加工精度高，移动速度快。这类数控机床采用直流伺服电动机或交流伺服电动机作为驱动元件，电动机的控制电路比较复杂，检测元件价格昂贵。因而调试和维修比较复杂，成本高。3 半闭环控制系统 半闭环控制系统如图1-6 所示。半闭环控制数控
14、机床不是直接检测工作台的位移量，而是采用转角位移检测元件，测出伺服电动机或丝杠的转角，推算出工作台的实际位移量，反馈到计算机中进行位置比较，用比较的差值进行控制。由于反馈环内没有包含工作台，故称半闭环控制。 半闭环控制精度较闭环控制差，但稳定性好，成本较低，调试维修也较容易，兼顾了开环控制和闭环控制两者的特点，因此应用比较普通。 图1-6 半闭环控制系统五 按数控装置分类硬线数控又称普通数控(即NC）， 这类数控系统的输入、插补运算、控制等功能均由集成电路或分立元件等器件实现。一般来说，数控机床不同，其控制电路也不同，因系统的通用性较差，全部由硬件组成，所以功能和灵活性也较差。这类系统在 70 年代以前应用得比较广泛。软线数控又称计算机数控或微机数控（即CNC或MNC）， 这类系统利用中、大规模及超大规模集成电路组成 CNC 装置，或用微机与专用集成芯片组成，其主要的数控功能几乎全由软件来实现， 对于不同的数控机床，只须编制不同的软件就可以实现，而硬件几乎可以通用。因而灵活性和适应性强，也便于批量生产。 数控车床机械结构特点为了达到数控机床高的运动精度、定位
