了解数控机床工作过程

引出任务

熟悉数控机床的组成，了解各部分工作原理。

学习目标

·了解数控机床基本组成;

·能说出各部分在数控机床中的作用，清楚各个部件的工作原理。

相关知识

一、数控机床的工作原理

在数控机床上加工零件，就是将加工过程所需的各种操作步骤，刀架与工件之间的相对位移量都包括在零件数控加工程序中，然后通过传送装置将信息送入专用或通用的计算机中，计算机对输入的信息进行处理与运算，发出各种指令来控制机床的伺服系统或其他执行元件，使机床自动加工出所需的工件。

二、数控系统的组成

数字控制机床是采用数字控制技术对机床的加工过程进行自动控制的一类机床，它是数控技术的典型应用。数控系统是实现数字控制的装置，计算机数控系统是以计算机为核心的数控系统。计算机数控系统的组成如图1-1所示。

图1-1 计算机数控系统

(一) 操作面板

操作面板是操作人员与机床数控系统进行信息交流的工具，它由按钮站、状态灯、按键阵列 (功能与计算机键盘类似) 和显示器组成。数控系统一般采用集成式操作面板，分为三大区域: 显示区，NC键盘区，机床控制面板区，如图1-2所示。显示器一般位于操作面板的左上部，用于菜单、系统状态、故障报警的显示和加工轨迹的图形仿真。NC键盘包括标准化的字母数字式MDI键盘和F1～F10共10个功能键，用于零件程序的编制，参数输入，手动数据输入和系统管理操作等。机床控制面板 (MCP) 用于直接控制机床的动作或加工过程。主要包括:

图1-2 数控系统操作面板

(1) 急停方式选择;

(2) 轴手动按键;

(3) 速率修调 (进给修调，快进修调，主轴修调);

(4) 回参考点;

(5) 手动进给;

(6) 增量进给;

(7) 手摇进给;

(8) 自动运行;

(9) 单段运行;

(10) 超程解除;

(11) 机床动作手动控制，例如，冷却启停，刀具松紧，主轴制动，主轴定向，主轴正反转，主轴停止等。

(二) 输入/输出装置

输入装置的作用是将程序载体上的数控代码变成相应的数字信号，传送并存入数控装置内。输出装置的作用是显示加工过程中必要的信息，如坐标值、报警信号等。数控机床加工的过程是机床数控系统和操作人员进行信息交流的过程，输入/输出装置就是这种人机交互设备，典型的有键盘和显示器。计算机数控系统还可以用通信的方式进行信息的交换，这是实现CAD/CAM集成、FMS和CIMS的基本技术。

数控机床通常采用的通信方式有:

(1) 串行通信 (RS232等串行通信接口);

(2) 自动控制专用接口和规范 (DNC，MAP等);

(3) 网络技术 (INTERNET，LAN等)。

(三) 计算机数控装置 (CNC装置)

CNC装置是计算机数控系统的核心，它包括微处理器CPU、存储器、局部总线，外围逻辑电路以及与CNC系统其他组成部分联系的接口及相应的控制软件。

图1-3所示分别为华中世纪星HNC-21TD、西门子802S及发那科FANUC-Oi数控系统。

(四) 伺服单元

伺服单元分为主轴伺服和进给伺服，分别用来控制主轴电动机和进给电动机。伺服单元接收来自CNC装置的进给指令，这些指令经变换和放大后通过驱动装置转变成执行部件进给的速度、方向、位移。因此伺服单元是数控装置与机床本体的联系环节，它把来自数控装置的微弱指令信号放大成控制驱动装置的大功率信号。根据接收指令的不同，伺服单元有脉冲单元和模拟单元之分。伺服单元就其系统而言又有开环系统、半闭环系统和闭环系统之分，其工作原理亦有差别。

(五) 驱动装置

伺服单元和进给驱动装置合称为进给伺服驱动系统，它是数控机床的重要组成部分，它包含机械、电子、电动机等各种部件，涉及强电与弱电的控制。数控机床的运动速度，跟踪及定位精度，加工表面质量，生产率及工作可靠性，往往主要决定于伺服系统的动态和静态性能，一般数控机床的故障也主要出现在伺服系统上。提高伺服系统的技术性能和可靠性，对于数控机床具有重大意义，研究与开发高性能的伺服系统一直是现代数控机床的关键技术之一。

图1-3 常见数控系统

驱动装置将伺服单元的输出变为机械运动，它与伺服单元一起是数控装置和机床传动部件间的联系环节，它们有的带动工作台，有的带动刀具，通过几个轴的综合联动，使刀具相对于工件产生各种复杂的机械运动，加工出形状、尺寸与精度符合要求的零件。与伺服单元相对应，驱动装置有步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机等。

(六) 可编程逻辑控制器 (PLC)

可编程逻辑控制器 (PLC) 是一种专为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械设备和生产过程。当PLC用于控制机床顺序动作时，称为PMC (Programmable Machine Controller)模块，它在CNC装置中接收来自操作面板、机床上的各行程开关、传感器、按钮、强电柜里的继电器以及主轴控制和刀库控制的有关信号，经处理后输出去控制相应器件的运行。

CNC装置和PLC协调配合共同完成数控机床的控制，其中CNC装置主要完成与数字运算和管理等有关的功能，如零件程序的编辑、插补运算、译码、位置伺服控制等。PLC主要完成与逻辑运算有关的一些动作，没有轨迹上的具体要求，它接受CNC装置的控制代码M (辅助功能)、S (主轴转速)、T (选刀、换刀) 等顺序动作信息，对其进行译码，转换成对应的控制信号，控制辅助装置完成机床相应的开关动作，如工件的装夹，刀具的更换，冷却液的开、关等一些辅助动作; 它还接受机床操作面板的指令，一方面直接控制机床的动作，另一方面将一部分指令送往CNC装置，用于加工过程的控制。

(七) 机床本体

机床本体即数控机床的机械部件，包括主运动部件、进给运动执行部件 (工作台、拖板及其传动部件) 和支承部件 (床身立柱等)，还包括具有冷却、润滑、转位和夹紧等功能的辅助装置。加工中心类的数控机床还有存放刀具的刀库、交换刀具的机械手等部件。数控机床机械部件的组成与普通机床相似，但是由于数控机床的高速度、高精度、大切削用量和连续加工要求，其机械部件在精度、刚度、抗振性等方面要求更高。因此，近年来设计数控机床时采用了许多新的加强刚性、减小热变形、提高精度等方面的措施。