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1、第1章 数控机床的结构、分类与工作原理,1.1 数控机床的构成,数控机床是数字控制机床的简称，也称NC机床数控机床一般由数控系统、伺服系统(包含伺服电动机和检测反馈装置)、主传动系统、强电控制柜、机床本体和各类辅助装置组成。,数控机床的构成,数控系统 是机床实现自动加工的核心。主要有操作系统、主控制系统、可编程控制器、各类输入输出接口等组成。 伺服系统 主要由伺服电动机、驱动控制系统及位置检测反馈装置等组成 主传动系统 主要由主轴驱动控制系统、主轴电动机以及主轴机械传动机构等组成 强电控制柜 主要用来安装机床强电控制的各种电气元器件 辅助装置 主要包括ATC刀具自动交换机构、APC工件自动交换
2、机构、工件夹紧放松机构、回转工作台、液压控制系统、润滑装置、切削液装置、排屑装置、限位保护功能等部分,机床本体 是数控机床机械结构实体。它与传统的普通机床相比较，同样由主传动机构、进给传动构、工作台、床身以及立柱等部分组成 。,1.2 数控机床的分类,按工艺用途划分 金属切削类数控机床：普通类数控机床、数控加工中心机床 金属成型类数控机床：数控折弯机、数控弯管机、数控转头压力机 特种加工及其他类型数控机床：数控线切割机床、数控电火花加工机床、数控激光切割机床、数控火焰切割机、数控三坐标测量机,按运动方式划分 数控机床按运动方式可划分为： 点位控制系统 点位直线控制系统 轮廓控制系统,按控制方式
3、划分 数控机床按运动方式可划分为： 开环控制系统 半闭环控制系统 闭环控制系统,按功能水平划分 按照数控系统的功能水平通常可把数控机床划分为低、中、高档三类。 高、中档一般称为全功能数控机床或标准型数控机床。 低档数控机床属于经济型数控机床，是由单板机、单片机和步进电动机组成的数控系统。,点位控制系统： 指数控系统只控制刀具或机床工作台，从一点准确地移动到另一点，而点与点之间运动的轨迹不需要严格控制的系统。 返回,点位直线控制系统： 指数控系统不仅控制刀具或机床工作台从一个点准确地移动到另一个点，而且保证在两点之间的运动轨迹是一条直线的控制系统。 返回,轮廓控制系统 ： 指数控系统能够对两个或
4、两个以上的坐标轴同时进行严格连续控制的系统。它不仅能控制移动部件从一点准确地移动到另一个点，而且还能控制整个加工过程每一点的速度与位移量，将零件加工成一定的轮廓形状。 返回,开环控制系统 开环控制系统是指不具有反馈装置的控制系统。它是根据数控程序指令，经过控制运算发出脉冲信号，输送到伺服驱动装置（步进电动机）使伺服驱动装置转过相应的角度，然后经过减速齿轮和丝杠螺母机构，转换为移动部件的位移。 返回,半闭环控制系统 半闭环控制系统是在开环控制系统的伺服机构中装有角位移检测装置，通过检测伺服机构的滚珠丝杠转角，间接检测移动部件的位移，然后反馈到数控装置的比较器中，与输入原指令位移值进行比较，用比较
5、后的差值进行控制，使移动部件补充位移，直到差值消除为止的控制系统。 返回,闭环控制系统 闭环控制系统是在机床移动部件位置上直接装有直线位置检测装置，将检测到的实际位移反馈到数控装置的比较器中，与输入的原指令位移值进行比较，用比较后的差值控制移动部件作补充位移，直到差值完全消除为止，达到精确定位的控制系统。 返回,1.3 机床数字控制的基本原理,“数字控制（Numerical Control，NC）简称数控，是一种自动控制技术，是用数字化信号对控制对象加以控制的一种方法。数控机床是采用了数控技术的机床，或者说是装备了数控系统的机床。 计算机数控系统（Computer Numerical Cont
6、rol System）简称CNC。,数控机床的工作过程包括以下几个方面：,（1）输入 （2）译码 （3）数据处理 （4）插补 （5）伺服控制 （6）管理程序输入：给数控系统输入的有零件加工程序、控制参数和补偿数据等。 译码：输入的程序段含有零件的轮廓信息（起点、终点、直线或圆弧等）、要求的加工速度以及其他的辅助信息（换刀、换档、切削液开关等），计算机依靠译码程序来识别这些代码，将加工程序翻译成计算机内部能识别的语言。数据处理：数据处理程序一般包括刀具半径补偿、速度计算和辅助功能的处理。刀具半径补偿是把零件轮廓轨迹转化为刀具中心轨迹。速度计算是解决该加工数据段以什么样的速度运动的问题。加工速度的
7、确定是一个工艺问题。数控系统仅仅是保证这个编程速度的可靠实现。另外，辅助功能如换刀、换档等亦在这个程序中实现。,插补：计算轨迹的过程称为插补，即根据给定的曲线类型（如直线、圆弧或高次曲线）、起点、终点以及速度，在起点和终点之间进行数据点的密化。 伺服控制：将计算机送出的位置进给脉冲或进给速度指令，经变换和放大后转化为伺服电动机（步进电动机或交、直流伺服电动机）的转动，从而带动机床工作台移动。管理程序：当一个数据段开始插补时管理程序即着手准备下一个数据段的读入、译码、数据处理，即由它调用各个功能子程序且保证一个数据段加工过程中将下一个数据段准备就绪，一旦本数据段加工完成即开始下一个数据段的插补加
8、工。整个零件加工就是在这种周而复始的过程中完成。,数控机床的加工过程如图所示，其中信息输入、信息处理和伺服执行是数控系统的三个基本工作过程。数控机床必须具备信息输入、信息处理、伺服执行以及机床本体四个基本组成部分。,输入介质（有形的信息载体）一般是穿孔纸带、磁带、磁盘等。 信息处理是数控装置的核心任务，由计算机来完成。 作用是识别输入介质中每个程序段的加工数据和操作命令，并对其进行换算和插补计算；根据程序信息计算出运动轨迹上的许多中间点的坐标，这些中间点坐标以前一中间点到后一中间点的位移量形式输出，经接口电路向各坐标轴执行部件送出控制信号，控制机床按规定的速度和方向移动，以完成零件的成形加工。
9、,伺服执行部分的作用是将插补输出的位移信息转换成机床的进给运动。数控系统要求伺服执行部件准确、快速地跟随插补输出信息执行机械运动，这祥数控机床才能加工出高精度的工件。数控机床常用的伺服驱动元件有功率步进电动机、宽调速直流伺服电动机和交流伺服电动机等。,与传统机床相比，数控机床的优点：,(1)具有充分的“柔性”，只需编制零件程序就能加工零件。(2)在切削速度和进给行程的全范围内均可保持精度且一致性好。(3)生产周期较短。(4)可以加工复杂形状的零件。(5)机床易于调整，与其他制造方法（如自动机床、自动生产线）相比，调整所需的时间较少。,数控机床也存在以下缺点：,(1)造价相对较高，特别是设备初期
10、投资大。(2)维护比较复杂，需要专门的维护人员。 (3)需要高度熟练和经过培训的零件编程人员。,数控机床加工零件的操作过程,(1)数控程序的编制：先根据零件图样的要求设计数控加工工艺过程，如工步、加工路线、切削用量、行程等，再按编程手册的有关规定编制数控加工程序单。(2)控制介质的制作和程序的输入：由加工程序单制作控制介质，如穿孔带、磁带、磁盘等，再将控制介质记录的加工信息通过输入装置输入到数控系统中。,(3)加工信息的处理与计算和控制指令的发出：当加工程序输入到数控系统后，在控制系统内部的系统程序支持下，系统程序对加工程序进行必要的处理与计算后，发出相应的控制指令。(4)控制指令的执行：运动部件按控制指令进行运动，从而实现零件的数控加工。,
