数控加工中心的基本组成及工作原理

5.1.2　数控加工中心的基本组成及工作原理

1.数控加工中心的基本组成

数控加工中心自问世至今已有半个世纪，世界各国出现了各种类型的加工中心，虽然外形结构各异，但从整体来看主要由以下几大部分组成：

（1）基础部件　它是加工中心的基础结构，由床身、立柱和工作台等组成，它们主要承受加工中心的静载荷以及在加工时产生的切削负载，因此必须要有足够的刚度。这些大件可以是铸铁件也可以是焊接而成的钢结构件，它们是加工中心中体积和重量最大的部件。数控机床的机械结构，除了主运动系统，进给系统以及辅助部分，如液压、气动、冷却和润滑部分等一般部件外，尚有些特殊部件，如储备刀具的刀库，自动换刀装置（ATC），自动托盘交换装置等。与普通机床相比，数控机床的传动系统更为简单，但机床的动态和静态刚度要求更高，传动装置的间隙要求尽可能小，滑动面的摩擦因数要小，并要有恰当的阻力，以适应对数控机床高定位精度和良好的控制性能的要求。

（2）主轴部件　由主轴箱、主轴电动机、主轴和主轴轴承等零件组成。主轴的启、停和变转速等动作均由数控系统控制，并且通过装在主轴上的刀具参与切削运动，是切削加工的功率输出部件。

（3）数控系统　加工中心的数控系统部分由CNC装置、可编程控制器、伺服驱动装置以及操作面板等组成。它是执行顺序控制动作和完成加工过程的控制中心。采用数控技术控制的机床，或者说装备了数控系统的机床，称之为数控机床。现代数控机床都采用计算机（微型计算机）作为控制系统。

①程序载体　数控机床是按照输入的工件加工程序运行的。工件加工程序中，包括机床上刀具和工件的相对运动轨迹、工艺参数（进给量，主轴转速等）和辅助运动等加工所需的全部信息。程序载体就是存储工件加工程序的媒介物。

②输入装置　输入装置的作用是将程序载体内有关加工的信息读入CNC单元。根据程序载体的不同，有不同的输入装置。为了用户方便，数控机床可以同时具备几种输入装置。

现代数控机床，还可以通过手动方式（MDI方式），将工件加工程序用数控系统的操作面板上的按键，直接键入CNC单元；或者用与上级机通信方式直接将加工程序输入CNC

③CNC单元　CNC单元是数控机床的核心。它包括微型计算机（CPU、存储器、各种I/O接口），通用输入/输出（I/O）外围设备（如CRT/LED显示器、键盘、操作控制面板等）以及相应的软件。它具备的主要功能有：多坐标控制和多种函数的插补（如直线，圆弧等）；多种程序输入功能以及编辑和修改功能，信息转换功能；补偿功能；多种加工方法选择；显示功能，用数码显示器LED可显示刀具在各坐标轴上的位置，用CRT（阴极射线管）显示器可显示字符、轨迹、平面图像和动态三维图形；自诊断功能；通信和连网功能。

④伺服系统　伺服系统是数控系统的执行部分。它接受来自CNC单元的指令信息，经功率放大后，严格按照指令信息的要求驱动机床的运动部件，完成指令规定的运动。伺服系统由伺服电动机以及驱动控制单元组成。它与数控机床的进给机械部件构成进给伺服系统，一般来说数控机床的伺服系统，要求有好的快速响应性能和灵敏而准确的跟踪指令功能。

⑤位置测量反馈系统　位置测量反馈分为数控机床执行部件的转角位移反馈和直线位移反馈两种。运动部分通过传感器将上述角位移或直线位移转换成电信号，输送给CNC单元，与指令位置进行比较，并由CNC单元发出指令，矫正所产生的误差。

⑥辅助控制装置　辅助控制装置的主要作用是接受CNC单元输出的主运动换向、变速、启停、刀具的选择和交换，以及其他辅助装置动作等指令信号，经过必要的编译，逻辑判别，运算和功率放大后直接驱动相应的电器，带动机床机械部件、液压气动等辅助装置完成指令规定的动作。机床上的限位开关等信号经辅助控制装置处理后送CNC单元进行处理。

由于可编程控制器（PLC）具有响应快、性能可靠、易于使用、编程和修改，并可直接驱动机床电器等优点，现已广泛作为数控机床的辅助控制装置。

（4）自动换刀系统　由刀库、机械手等部件组成。当需要换刀时，数控系统发出指令，由机械手（或通过其他方式）将刀具从刀库内取出装入主轴孔中。

（5）辅助装置　包括润滑、冷却、排屑、防护、液压、气动和检测系统等部分。这些装置虽然不直接参与切削运动，但对加工中心的加工效率、加工精度和可靠性起着保障作用,是现代加工中心不可缺少的组成部分。

2.数控加工中心的工作原理

数控加工中心与普通机床相比其工作原理不同之处在于，它是按规定的指令代码，以数字形式运行并对工件进行加工。

数控机床加工工件，首先要将被加工工件图上的几何信息和工艺信息数字化，用规定的代码及程序格式编写加工程序，并存储到程序载体内，然后用相应的输入装置将所编的程序指令输入到CNC单元。CNC单元将程序（代码）进行译码、运算后，向各个坐标的伺服系统和辅助控制装置发出信号，以驱动机床的各运动部件加工出合格的工件。