数控机床的工作原理

9.1.1　数控机床的工作原理

随着科学技术的不断发展，数控技术现已应用在各种机床上。数控机床的工作原理如图9-1所示。

图9-1　数控机床的工作原理图

数控机床加工零件时，首先应根据零件图样编制零件的数控加工程序，将数控程序输入数控装置，再由数控装置控制机床主运动的变速、启停，进给运动的方向、速度和位移大小，以及其他诸如刀具的选择与交换、工件的夹紧与松开和冷却与润滑的启停等辅助动作，使刀具与工件及其他辅助装置严格地按照数控程序规定的顺序、路线和参数进行工作，从而加工出形状、尺寸与精度符合要求的零件。

1.编制数控程序

首先在对加工零件进行充分的工艺分析的基础上，确定零件的编程坐标系，计算零件的几何元素的坐标参数，如孔的中心坐标、直线的两端点坐标、圆弧的中心坐标和两端点坐标等；然后确定零件加工的工艺路线或加工顺序，主运动的启停、方向、变速，进给运动的速度、位移大小等工艺参数，以及冷却液开、关等辅助装置的动作；由此得到零件加工的所有运动、尺寸、工艺参数等加工信息后，按标准格式用文字、数字和符号编制零件加工的数控程序单。编程的工作可由人工或自动编程计算机系统来完成。比较先进的数控机床，可以在它的数控装置上直接编程。

编好的数控程序（numerical control programme），存放在便于保存和输入数控装置的一种存储载体上，它可以是打印纸、穿孔纸带、磁带、磁盘等。采用哪一种存储载体，取决于数控机床的输入装置类型和企业管理要求。

2.输入装置

将编制好的程序载体上的数控程序代码，经输入装置传送并存入数控装置内。输入装置（input set）可以是光电阅读机、磁带机、软盘驱动器或是数控装置上的键盘。有些数控装置，可与计算机用通信方式直接传送数控程序。

3.数控装置

数控装置（numerical control set）是数控机床的控制单元，是数控机床的核心。输入装置接收的数控程序，经数控装置系统软件和逻辑电路进行编译、运算和处理后，输出控制信号控制机床的各个部分，进行规定的、有序的动作。具体过程为：数控装置根据程序的坐标代码作插补运算并输出插补控制信号，插补控制信号控制伺服驱动系统驱动执行部件作进给运动，从而确定了机床的进给运动的方向、速度、位移量。数控装置根据辅助机能代码输出辅助机能控制信号驱动强电控制装置，控制主运动部件的变速、换向和启停，控制刀具的选择和交换，控制冷却、润滑的启停，控制工件和机床部件的松开和夹紧，控制分度工作台的转位等辅助机能。

4.伺服驱动、位置检测、辅助机能控制装置

伺服驱动（servo driving）系统接收数控装置发来的速度和位移信号，控制伺服电动机的运动速度、方向。伺服驱动系统一般由伺服电路和伺服电动机组成，并与机床上的机械传动部件组成数控机床的进给系统。对机床的每个作伺服进给运动的轴，都配有一套伺服驱动系统。伺服驱动系统有开环和闭环之分。

位置检测装置与伺服系统配套组成闭环伺服驱动系统，它测量执行部件的实际进给位置，并把这一信息送给伺服系统与指令位置进行比较，将其误差转换、放大后控制执行部件的进给运动。

辅助机能控制装置是介于数控装置和机床的机械、液压部件之间的强电控制装置，其主要作用是接收数控装置输出的主运动变速、刀具的选择与交换、辅助装置的动作等信号，经必要的逻辑判断、功率放大后直接驱动相应的电器、液压、气动和机械部件，完成指令所规定的动作。此外，还有机床的某些状态经它送给数控装置进行处理。

5.机床的机械部件

数控机床的机械部件包括主运动部件（如主轴组件、变速箱等）、进给运动执行部件（如工作台、拖板、丝杠、导轨及其传动部件）和支承部件（如床身、立柱等），此外，还有冷却、润滑、转位和夹紧等辅助装置。对于能同时进行多道工序加工的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，但由于数控机床采用了高性能、宽调速范围的交、直流主轴电动机和伺服电动机，主轴箱、进给变速箱及其传动系统大为简化，缩短了传动链，提高了传动精度和可靠性。此外，在刚度、抗震性及其动态特性等方面要求更高，而且应对其传动和变速系统要求实现自动控制。