数控技术与系统

数控技术与系统

数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术。它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和与机械能量流向有关的开关量。数控的产生依赖于数据载体和二进制形式数据运算的出现。其技术范围覆盖很多领域如机械制造技术等。数控机床是指用数控技术实施加工控制的机床，或者说装备了数控系统的机床。下面简单介绍一下数控机床的组成结构：

一、输入装置

输入装置是整个数控系统的初始工作机构，它将准确可靠的接收信息介质上所记录的“工程语言”、运算及操作指令等原始数据，转为数控装置能处理的信息，并同时输送给数控装置。

输入信息的方式分手动输入和自动输入。手动输入简单、方便但输入速度慢容易出错。现代数控机床普遍采用自动输入，其输入形式有光电阅读机、磁带阅读机及磁盘驱动器以及无带自动输入方式。

其它输入方式：1，无带自动输入方式。在高档数控机床上，设置有自动编程系统和动态模拟显示器。将这些设备通过计算机接口与机床的数控系统相连接,自动编程所编制的加工程序即可直接在机床上调用,无需经制控制介质后再另行输入。2，触针接触式阅读机输入方式。又称为程控机头或电报机头，结构简单，阅读速度较慢，但输入可靠、价格低廉故在部分线切割机床加工中仍在用。3，磁带、磁盘输入方式。磁带输入方式进行信息输入，其信息介质为“录音”磁带，只不过录制的不是声音，而是各种数据。加工程序等数据信息一方面由微机内的磁盘驱动器“写入”磁盘上进行储存，另外也由磁盘驱动器进行阅读并通过微机接口输入到机床数控装置中去。

二、数控装置

数控装置是数控机床的核心，数控机床几乎所有的控制功能都由它控制实现。因此数控装置的发展，在很大程度上代表了数控机床的发展方向。

数控装置的作用是接收加工程序等送来的各种信息，并经处理分配后，向驱动机构发出执行的命令，在执行过程中，其驱动、检测等机构同时将有关信息反馈给数控装置，经处理后，发出新的命令。

数控装置的工作原理就是指控制各进给坐标所需进给脉冲的基本规律。通过插补原理和逐点比较法进行说明。

三、数控机床主传动系统

数控机床主传动系统的作用就是产生不同的主轴切屑速度以满足不同的加工条件要求。对其的基本要求主要有：（1）有较宽的调速范围。可增加数控机床加工适应性，便于选择合理切屑速度是切屑过程始终处于最佳状态。（2）有足够的功率和扭矩。使数控加工方便

实现低速时大扭矩，高速时恒功率，以保证加工高效率。（3）有足够传动精度。各零部件应具有足够精度、刚度、抗振性，使主轴运动高精度，从而保证数控加工高精度。（4）噪声低，运动平稳。是数控机床工作环境良好宜人。

主要变速方式：变速齿轮传动、同步齿形带传动、主轴电机直接驱动

四、伺服系统

伺服系统位于数控装置与机床主体之间，它的作用是将从数控装置输出线路接收到的微弱电信号，经功率放大等电路放大为较强的电信号然后将接收的上述数字量信息转换成模拟量信息，从而驱动执行电机带动机床运动部件按约定的速度和位置进行运动。

与普通机床相比，对数控机床进给系统的设计要求，除了具有较高的定位精度之外，还应具有良好的动态响应特性，系统跟踪指令信号的响应要快，稳定性要好，可概括为以下几点要求：高的精度要求；宽的调速范围；快的响应速度；好的稳定性；大的转矩输出。

数控机床的伺服系统一般由驱动装置与机械传动执行件等组成，对于半闭环、闭环控制系统还包括位置检测环节。而驱动装置是由驱动元件电动机和电动机驱动控制单元两部分组成，通常它们由同一生产厂家配套提供给机床制造厂。进给伺服驱动装置用于数控机床各坐标轴的进给运动，进给驱动用的伺服电动机主要有步进电动机和交流、直流调速电动机，电动机作为驱动元件是伺服系统的关键之一。

五、自动换到装置

在零件的加工制造过程中，大量的时间用于更换刀具、装卸、测量和搬运零件等非切削时间上，切削加工时间占整个工时中较小的比例。为了进一步压缩非切削时间，数控机床正朝着一台机床在一次装夹中完成多工序加工的方向发展。这就是近年来带有自动换刀装置的多工序数控机床得以迅速发展的原因。为此，更进一步发展和完善各类刀具自动更换装置，扩大换刀数量，以便实现更为复杂的换刀操作。这不仅可以提高机床的生产效率，扩大数控机床的功能和使用范围，而且，由于零件在一次安装中完成多工序加工，大大减少了零件的装夹次数，进一步提高了零件的加工精度。

自动换刀装置应当满足换刀时间短、刀具重复定位精度高、足够的刀具储存量、结构紧凑及安全可靠等要求。

六、检测装置

检测反馈装置的作用是将其准确测得的直线位移或角位移迅速反馈给数控装置，以便与加工程序给定的指令值进行比较，如有误差，数控装置将向伺服系统发出新的修正指令，从而控制驱动系统正确运转，使工作台(或刀具)按规定的轨迹和坐标移动。数控机床上常用的检测装置主要有脉冲编码器、感应同步器、旋转变压器、光栅和磁尺等。

对检测反馈装置的基本要求：分辨率和制造精度高，工作可靠抗干扰能力强；反应快，测量灵敏；光栅等测量尺的温度系数小；使用和维护方便。

位置检测装置的分类。不同类型的数控机床对于检测系统的精度与速度有不同的要

求。一般来说，对于大型数控机床以满足速度要求为主，而对于中小型和高精度数控机床以满足精度要求为主。

1、按测量方法分类：直接测量反馈装置（闭环）；间接测量反馈装置（半闭环）。

2、按获得量值的方式分类：（1）增量式检测反馈装置。该装置通过测量尺发出一个个脉冲信号，每一个脉冲即表示一个单位的位移，最后计数器显示出累计位移量。因该装置未设绝对测量零点故在开机后必须先回零确认其测量起点；（2）绝对式检测反馈装置。该装置一般由绝对刻度尺（盘）为测量尺，通过读数，即可直接得到测量结果。因该装置设有与机床固定原点相一至的绝对测量零点，故装置开机后不用回零，就可测得有关位置，机床发生故障时，也易查到故障前所在位置。

3、按测量元件的结构类型分类：旋转型检测反馈装置；直线型检测反馈装置。

4、按检测信号的类型来分类：（1）数字式检测反馈装置。是指将机械位移转变为数字脉冲的测量装置；（2）模拟式检测反馈装置。是指机械位移量转变为电压幅值或相位的测量装置。目前，数控机床大多数采用数字式检测反馈装置。使用这种装置可在快速检测过程中避免模拟量漂移，以及因受噪声污染而引起的误差，提高了可靠性。

以上内容简单介绍了数控机床的基本结构。随着科学技术的发展，数控技术发展也日新月异的进行着。航天工业需求大批精密、高速、中小型数控机床，如精密数控车床和车削中心、立卧转换五轴加工中心、高精度电加工机床、高精度万能磨床和坐标磨床等。航空工业，飞机机翼、机身、尾翼等和发动机零件的制造需要大批高速五轴加工中心、龙门移动式高速加工中心、精密数控车床、精密卧式加工中心、多坐标镗铣中心、精密齿轮和螺纹加工数控机床等。造船工业急需制造柴油机体的重型、超重型龙门铣镗床和重型数控落地镗铣床以及大型数控车床和车铣中心、大型数控磨齿机、曲轴镗铣床、大型曲轴车铣中心和曲轴磨床等。汽车制造业是机床的需求大户，约占机床总消费的40%左右。汽车制造业需要大批高效、高性能、专用数控机床和柔性生产线，如用于发动机加工的以高速卧式加工中心为主的柔性生产线、曲轴加工专用数控机床等。汽车零配件生产需求大批数控车床、立卧式加工中心、数控高效磨床和数控齿轮加工机床等。兵器制造业需求数控机床更是量大面广，要求数控机床可靠、稳定。兵器制造业需求大批数控车床、立卧加工中心、五轴加工中心、龙门镗铣床、镗铣加工中心、齿轮加工机床等。除了以上几个行业之外，像发电设备行业、冶金设备行业以及工程机械、模具等行业对机床的需求也不小，下游行业的发展势必带动机床行业的大跨越。

数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的一些重要行业的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，其主要研究热点有以下几个方面:（1）高速、高精度加工技术及装备的新趋势。效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精度的加工技术可极