第5章-数控技术基础

数控技术基础

数字控制（ＮｕｍｅｒｉｃａｌＣｏｎｔｒｏｌ）技术，简称数控技术，是一种自动控制技术，它利用数字化的信息对机床运动及

加工过程进行控制。采用数控技术的控制系统称为数控系统。采用通用计算机硬件结构，利用控制软件来实现数控功能的数控系统称为计算机数控（ＣｏｍｐｕｔｅｒＮｕｍｅｒｉｃａｌＣｏｎｔｒｏｌ）系统。数控系统包括：数控装置、可编程控制器、主轴驱动及进给装置等部分。用数控技术实现加工控制的机床，或者说装备了数控系统的机床称为数控（ＮＣ）机床。

５．１机床数控技术的基本概念

５．１．１数控机床的组成

数控机床是根据存储的工作程序，由数控装置控制设备的执行机构完成生产过程的。数控机床由控制介质、输入装置、数控装置、伺服系统和机床等部分组成，如图５．１．１所示。

１．控制介质

要对数控机床进行控制，就必须在人与机床之间建立某种联系，这种联系的媒介物即称为控制介质。把零件加工程序存储在一种介质上，如穿孔纸带、录音磁带、软磁盘或硬盘等，通过数控机床的输入装置，将程序信息输入到数控装置内。２．输入装置

输入装置的作用是将程序载体内有关加工的程序输入数控装置。根据程序载体的不同，输入装置可以是光电阅读机、录音机或软盘驱动器等。

现代数控机床可以不用任何程序载体，将零件加工程序通过数控装置上的键盘，用手工方式（ＭＤＩ）输入，或将存储在计算机硬盘上的加工程序用通信方式传送到数控装置。

３．数控装置

数控装置是数控设备的控制核心。初期的数控装置是由各种记忆元件、逻辑元件等组成的分立元件逻辑电路，采用固定接线的硬件结构，系统由硬件接收、处理信息。随着科学技术的发展，数控装置开始采用微处理器和小型计算机，并由软件来实现部分或全部的数控功能，因而称其为计算机数控装置。

４．伺服系统

伺服系统包括伺服控制线路、功率放大线路、伺服电机等执行装置，如图５．１．２所示。它接收数控装置送来的各种动作命令，驱动数控机床进给传动系统运动。它的伺服精度和动态响应是影响数控机床加工精度、表面质量和生产率的重要因素之一。

５．机床

机床主要包括：主传动系统、进给传动系统以及辅助装置。对于加工中心，还有存放刀具的刀库、自动换刀装置（ＡＴＣ）和自动托盘交换装置等。５．１．２数控机床的工作原理

数控机床在加工零件时，首先应编制零件的数控程序（数控机床的工作指令），然后将数控程序输入到数控装置，再由数控装置控制机床主运动的变速、起停、进给运动方向、速度和位移的大小，以及其他诸如刀具选择交换、工件夹紧松开、路程和参数进行工作，从而加工出形状、尺寸与精度符合要求的零件。数控机床的工作原理如图５．１．３所示。

５．１．３数控机床的分类

１．按工艺用途分类

（１）普通数控机床

普通数控机床有车、铣、钻、镗、磨床等。这类机床的工艺性能和通用机床相似，但它能加工具有复杂形状的零件。普通数控车床如图５．１．４所示。

（２）加工中心机床

这种数控机床是在普通数控机床上加装一个刀库和自动换刀装置。工件经一次装夹后，数控系统自动更换刀具，连续地对工件各加工面进行铣、车、镗、钻、铰及攻螺纹等多工序的加工。

立式铣削加工中心如图５．１．５所示。

（３）多坐标数控机床

多坐标数控机床能加工某些形状复杂的零件，如螺旋桨、飞机机翼曲面等。它的

特点是数控系统控制的轴数较多，机床结构复杂，坐标轴数多少通常取决于加工零件的复杂程度和工艺要求。现在常用的有四、五、六坐标的数控机床，五坐标的数控机床如图５．１．６所示。

（４）数控特种加工机床

如数控线切割机床、数控电火花成形机床、数控激光切割机床等。数控线切割机床如图５．１．７所示。

２．按运动方式分类

（１）点位控制数控机床

数控系统控制刀具或机床工作台以适当速度，沿着平

行于某一坐标轴方向或与坐标轴成４５°的斜线进行加工，

但不能沿任意斜率的直线进行加工。这类数控机床主要

有数控钻床、数控坐标镗床、数控冲剪床等。

（２）轮廓控制数控机床

数控系统能对两个或两个以上运动坐标的位移及速

度进行连续地相关控制，使合成的平面或空间运动轨迹能

满足轮廓曲线和曲面加工的要求。由于需要精确地同时

控制两个或更多的坐标运动，数据处理的速度比点位控制

系统可能高出１０００倍，所以机床的计算机要求具有较高

速度的数学运算和信息处理能力。这类数控机床主要有

数控铣床、数控车床等。

３．按伺服系统的控制方式分类

（１）开环控制系统数控机床

开环控制系统数控机床通常不带位置检测元件，而是使用功率步进电机作为执行元件。数控装置每发出一个指令脉冲，经驱动电路功率放大后，就驱动步进电机旋转一个角度，再由传动机构带动工作台移动。

（２）闭环控制系统数控机床

闭环控制系统数控机床是按闭环控制原理工作的。数控装置将位移指令与位置检测元件测得的工作台实际位置反馈信号随时进行比较，根据其差值及指令进给速度的要求，按一定的规律进行转换后，得到伺服系统的进给速度指令。此外，还利用与伺服电机同轴刚性连接的测速元器件，随时实测驱动电动机的转速，得到速度反馈信号，将它与速度指令信号相比较，得到速度误差信号，对驱动电动机的转速随时进行校正。利用上述的位置控制和速度控制的两个回路，可以获得比开环伺服系统精度更高、速度更快、驱动功率更大的特性指标。

（３）半闭环控制系统的数控机床

如果将位置检测元件安装在伺服电机的端部，或安装在传动丝杠端部，间接测量执行部件的实际位置或位移量，就是半闭环控制系统。它可以获得比开环控制系统更高的精度，但它的位移精度比闭环控制系统要低。由于位置检测元件安装方便、调试容易，现在大多数数控机床都采用半闭环控制系统。

４．按数控装置功能水平分类

（１）低档数控机床

这类数控机床大多采用开环控制系统，其功能简单、价格便宜，适用于自动化程度要求不高的场合。

（２）中档数控机床

这类数控机床功能较全、价格适中、应用较广。