数控刀架系统原理和维修-(2)

第一章数控机床的概述

1.1 数控机床简介

1.1.1 数控机床的产生

在机械制造行业中，机床是一种主要的生产设备。机械制造行业的产品，其结构日趋复杂，精度和性能要求日趋提高，因此对生产设备——机床也相应地提出了高效率、高精度和高自动化的要求。

数控机床是为了解决单件、小批量，特别是复杂型面零件加工的自动化并保证质量要求而产生的。1952年美国PARSONS公司与麻省理工学院合作研制了第一台三坐标数控铣床，它综合应用了电子计算机、自动控制、伺服驱动、精密检测与新型机械结构等多方面的技术成果，是一种新型的机床，可用于加工复杂曲面零件。该铣床的研制成功是机械制造行业中的一次技术革命，使机械制造行业的发展进入了一个新的阶段。从第一台数控机床问世到现在的半个世纪中，数控技术的发展非常迅速，几乎所有品种的机床都实现了数控化。数控机床的应用领域也从航空工业部门渐渐扩大到汽车、造船、机床、建筑等民用机械制造行业。此外，还出现了金属成型类数控机床：如数控折弯机、数控弯管机、数控步冲机等;特种加工数控机床：如数控线切割机、数控火焰切割机、数控激光切割机床等；其他还有：数控绘图机、数控三坐标测量机等。特别是相继出现的自动换刀数控机床、直接数字控制系统、自适应控制系统、柔性制造系统、计算机集成制造系统等，进一步说明，数控机床已经成为组成现代机械制造生产系统，实现计算机辅助设计、制造、检测与生产管理等全部生产过程自动化的基本设备。

1.1.2 数控机床的特点

数控机床在机械制造业中得到日益广泛的应用，是因为它具有如下特点。

(1)能适应不同零件的自动加工。数控机床是按照被加工零件的数控程序来进行自动加工的，当改变加工零件时，只要改变数控程序，不必更换凸轮、靠模、样板或镗模等专用工艺装备。因此，生产准备周期短，有利于机械产品的更新换代。

（2）生产效率和加工精度高、加工质量稳定。数控机床上可以采用较大的切削用量，有效地节省了机动工时。还有自动换速、自动换刀和其他辅助操作自动化等功能，使辅助时间大为缩短，而且无需工序间的检验与测量，所以，比普通机床的生产效率高3-4倍甚至更高。同时由于数控机床本身的精度较高，还可以利用软件进行精度校正和补偿，又因为它是根据数控程序自动运行加工，可以避免人为的误差，因此，不但加工精度高，而且质量稳定。

（3）能高效优质完成复杂型面零件的加工，其生产效率比之通用机床加工可提高十几倍甚至几十倍。

（4）工序集中，一机多用。数控机床，特别是自动换刀的数控机床，在一次装夹的情况下，几乎可以完成零件的全部加工，这样可以减少装夹误差，节约工序之间的运输、测量和装夹等辅助时间，还可以节省机床的占地面积，带来较高的经济效益。

（5）数控机床是一种高技术的设备，有利于现代化生产管理，大大降低了操作者的体力劳动强度。

1.2 数控机床的控制原理和组成

1.2.1 数控机床的控制原理

数控机床是一种高度自动化的机床，在加工工艺与加工表面形成方法上，与普通机床是基本相同的，最根本的不同在于实现自动化控制的原理与方法上。数控机床是用数字化的信息来实现自动控制的，将于加工零件有关的信息——工件与刀具相对运动轨迹的尺寸参数（进给执行部件的进给尺寸），切削加工的工艺参数（主运动和进给运动的速度、切削深度等），以及各种辅助操作（主运动变速、刀具更换、冷却润滑液启停、工件加紧松开等）等加工信息——用规定的文字、数字和符号组成的代码，按一定的格式编写成加工程序单，将加工程序通过控制介质输入到控制装置中，由数控装置经过分析处理后，发出各种与加工程序相对应的信号和指令控制机床进行自动加工。这一数字控制的原理与过程通过下述数控机床的组成将得到更明确的说明。

1.2.2 数控机床的组成

数控机床主要由信息载体、输入输出装置、数控系统、可编程逻辑控制系统、伺服驱动系统、位置检测系统、机床主体等部分组成，其基本组成结构如图1-1所示。

1.输入输出装置

输入装置的作用是将记录在信息载体（如磁盘）上的数控加工程序读入数控系统的内存储器。目前广泛应用的输入方式是利用数控机床上的通讯接口通过计算机进行数据传输，也可利用网络技术进行远程数据传输。对于简单数控加工程序可采用手动数据输入方式（MDI方式），利用数控系统控制面板上的输入键直接将零件加工程序输入数控系统的内存储器。

输出装置的作用是为操作人员提供必要的加工信息，如程序代码、切削用量、刀具位置、各种故障信息和操作提示等。常用的输出装置有显示器和打印机等，可对输出信息进行显示和打印。

2.数控系统

数控系统是数控机床的核心。其主要作用是对输入的零件加工程序的命令进行信息处理后，输出控制命令到相应的执行部件（如伺服驱动、驱动装置、PLC 等）完成零件加工程序所要求的工作。数控系统由硬件和软件组成。现代数控系统普遍采用通用计算机作为其主要硬件部分，包括CPU、存储器、系统总线和输入输出接口等。软件部分主要是主控制系统软件，其控制方式有数据运算处理控制（机床运动行程量控制）和时序逻辑控制两大类，主控制器内的插补运算模块根据读入的零件加工程序，通过译码、编译等信息处理后，进而控制机床各个坐标轴的移动。时序逻辑控制主要由可编程控制器PLC完成，它根据机床加工过程中的各个动作要求进行协调，按各检测信号进行逻辑判断，从而控制机床有条不紊地按序工作。

3.可编程逻辑控制系统

可编程逻辑控制系统的主要功能是接受可编程控制器PLC输出的主轴变速和换向，启动或停止，刀具选择和更换，分度工作台转位和锁紧，工件加紧或松夹，切削液的开启或关闭等辅助操作信号，经功率放大后直接驱动相应的执行元件，完成数控加工自动操作。

4.伺服驱动系统

伺服驱动系统的作用是接受来自数控系统的位置控制信息，将其换成相应坐

标轴的进给运动和精度定位运动，完成数控机床最后的控制环节，因此，其伺服精度和动态响应特性将直接影响数控机床的加工精度和表面质量。伺服驱动系统包括主轴伺服和进给伺服两个单元。主轴伺服单元接受来自PLC的转向和转速指令，经过功率放大后驱动主轴电动机转动。进给伺服单元在每个插补周期内接受数控系统的位置指令，经过功率放大后驱动进给电动机转动，同时完成速度控制和反馈控制。伺服驱动系统的执行器件有功率步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机。

5.位置检测系统

位置检测系统的作用是通过传感器检测伺服电动机的转角位移或数控机床工作台的直线位移，并转换成电信号反馈给伺服系统，由伺服系统中的位置比较环节对控制位移量与实际位移量进行比较，根据比较的差值调整控制信号，提高控制精度。

6.机床主体

机床主体指的是数控机床的机械部分，是实现零件加工的执行部件。它主要由主运动部件（主轴）、进给运动部件（工作台、拖板及传动机构）、支撑件（立柱、床身等）、特殊装置、刀库和辅助装置（冷却、润滑、排屑、转位、夹紧装置等）等组成。数控机床的机械结构部分与普通机床相似，但传动结构和变速系统较为简单，在精度、刚度、抗振性等方面要求较高，因而采取了一些特殊结构，如滚珠丝杆副、直线滚动导轨副等。

图1-1 数控机床的组成结构

1.3 数控机床的分类

数控机床的种类繁多，各行各业都有一套自己的分类方法。就机床行业而言，数控机床就多达几百种，为了便于了解和研究，可以从以下不同的角度对其进行科学的分类。

1.3.1按用途分类

1.金属切削类数控机车

金属切削类数控机车有数控车床,数控铣床,数控钻床,数控镗床,数控磨床,数控镗铣床等.

2.金属成形类数控机床

金属成行类数控机车有数控折弯机,数控弯管机和数控冲床等.

3.数控特种加工机床

数控特种加工机床有数控线切割机,数控电火花加工机床,数控激光加工机床等.

1.3.2按运动方式分类

1.点位控制

点位控制的特点是，刀具或工作台只能实现从一个位置到另一个位置的精确