数控机床概述

时间：2024-11-03 百科知识版权反馈

【摘要】：PLC已成为数控机床不可缺少的控制装置。尽管这些数控机床在加工工艺方法上存在很大差别，具体的控制方式也各不相同，但机床的动作和运动都是数字化控制的，具有较高的生产率和自动化程度。数控加工中心机床进一步提高了普通数控机床的自动化程度和生产效率。数控加工中心机床可以有效地避免工件多次安装造成的定位误差，减少了机床的台数和占地面积，缩短了辅助时间，大大提高了生产效率和加工质量。

1.2.1 数控机床的组成

数控机床是典型的机电一体化产品，是集现代机械制造技术、自动控制技术、检测技术、计算机信息技术于一体的高效率、高精度、高柔性和高自动化的现代机械加工设备。数控机床一般由I/O设备、CNC装置、伺服单元、驱动装置(或称执行机构)、可编程控制器PLC及电气控制装置、辅助装置、机床本体及测量装置组成。图1-4所示为数控机床的组成框图，其中除机床本体之外的部分统称为CNC系统。

1) 机床本体

数控机床的机床本体与传统机床相似，由主轴传动装置、进给传动装置、床身、工作台及辅助运动装置、液压气动系统、润滑系统、冷却装置等组成。但数控机床由于切削用量大、连续加工发热量大等因素对加工精度有一定影响，加之在加工中是自动控制的，不能像在普通机床上那样由人工进行调整、补偿，所以其设计要求比普通机床更严格，制造要求更精密，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。

图1-4 数控机床的组成框图

2) CNC装置

计算机数控装置(CNC装置)是CNC系统的核心，也是现代数控机床的中枢。CNC装置从内部存储器中取出或接受输入装置送来的一段或几段数控加工程序，经过数控装置的逻辑电路或系统软件进行编译、运算和逻辑处理后，输出各种控制信息和指令，控制机床各部分的工作，使其进行规定的有序运动和动作。CNC装置主要包括微处理器CPU、存储器、局部总线、外围逻辑电路及与CNC系统的其他组成部分联系的接口等。数控机床的CNC系统完全由软件来处理数字信息，因而具有真正的柔性化，可处理逻辑电路难以处理的复杂信息，使数字控制系统的性能大大提高。

3) I/O设备

键盘、磁盘机等是数控机床的典型输入设备。数控系统一般配有CRT显示器或点阵式液晶显示器，显示的信息比较丰富，并能显示图形。数控加工程序可通过键盘，用手工方式直接输入数控系统，也可由编程计算机用RS232C或采用网络通信方式传送到数控系统中。

零件加工程序输入过程有两种不同的方式:一种是边读入边加工;另一种是一次性将零件加工程序全部读入数控装置内部的存储器，加工时再从存储器中逐段调出进行加工。

4) 伺服单元

伺服单元是CNC和机床本体的联系环节，它把来自CNC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，伺服单元有脉冲式和模拟式之分，而模拟式伺服单元按电源种类又可分为直流伺服单元和交流伺服单元。

5) 驱动装置

驱动装置把经放大的指令信号变为机械运动，通过简单的机械连接部件驱动机床，使工作台精确定位或按规定的轨迹做严格的相对运动，最后加工出图纸所要求的零件。和伺服单元相对应，驱动装置有步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机等。

伺服单元和驱动装置可合称为伺服驱动系统，它是机床工作的动力装置。CNC装置的指令要靠伺服驱动系统付诸实施，所以，伺服驱动系统是数控机床的重要组成部分。从某种意义上说，数控机床功能的强弱主要取决于CNC装置，而数控机床性能的好坏主要取决于伺服驱动系统。

6) PLC

辅助控制装置的主要作用是接收数控装置输出的开关量指令信号，经过编译、逻辑判别和运算，再经功率放大后驱动相应的电器，带动机床的机械、液压、气动等辅助装置完成指令规定的开关量动作。这些控制包括主轴运动部件的变速、换向和启停指令，刀具的选择和交换指令，冷却、润滑装置的启停，工件和机床部件的松开、夹紧，分度工作台转位分度等开关辅助动作。

现广泛采用可编程控制器(PLC)作为数控机床的辅助控制装置。可编程控制器(PC， programmable controller)是一种以微处理器为基础的通用型自动控制装置，专为在工业环境下应用而设计的。由于最初研制这种装置的目的是为了解决生产设备的逻辑及开关控制，故称它为可编程逻辑控制器(PLC，programmable logic controller)，当PLC用于控制机床顺序动作时，也可称之为编程机床控制器(PMC，programmable machine controller)。

PLC已成为数控机床不可缺少的控制装置。CNC装置和PLC协调配合，共同完成对数控机床的控制。用于数控机床的PLC一般分为两类:一类是CNC的生产厂家为实现数控机床的顺序控制，而将CNC和PLC综合起来进行设计，称为内装型(或集成型)PLC，内装型PLC是CNC装置的一部分;另一类是以独立专业化的PLC生产厂家的产品来实现顺序控制功能，称为独立型(或外装型)PLC。

7) 测量装置

测量装置也称反馈元件，相当于普通机床的刻度盘和人的眼睛，它的功能是将数控机床各坐标轴的实际位移量检测出来，经反馈系统输入到机床的数控装置中。数控装置将反馈回来的实际位移量值与设定值进行比较，控制驱动装置按指令设定值运动。测量装置通常安装在机床的工作台或丝杠上，它把机床工作台的实际位移转变成电信号反馈给CNC装置，供CNC装置与指令值比较产生误差信号，以控制机床向消除该误差的方向移动。

1.2.2 数控机床的分类

数控机床的品种很多，根据其加工、控制原理、功能和组成，可以从以下几个不同的角度进行分类。

1. 按加工工艺方法分类

1) 金属切削类数控机床

与传统的车、铣、钻、磨、齿轮加工相对应的数控机床有数控车床、数控铣床、数控钻床、数控磨床、数控齿轮加工机床等。尽管这些数控机床在加工工艺方法上存在很大差别，具体的控制方式也各不相同，但机床的动作和运动都是数字化控制的，具有较高的生产率和自动化程度。

在普通数控机床上加装一个刀库和换刀装置就成为数控加工中心机床。数控加工中心机床进一步提高了普通数控机床的自动化程度和生产效率。例如，铣、镗、钻加工中心，它是在数控铣床基础上增加了一个容量较大的刀库和自动换刀装置形成的，工件一次装夹后，可以对箱体零件的四面甚至五面大部分加工工序进行铣、镗、钻、扩、铰及攻螺纹等多工序加工，特别适合箱体类零件的加工。数控加工中心机床可以有效地避免工件多次安装造成的定位误差，减少了机床的台数和占地面积，缩短了辅助时间，大大提高了生产效率和加工质量。立式加工中心如图1-5所示。

2) 特种加工类数控机床

除了切削加工数控机床以外，数控技术也大量用于数控线切割机床(如图1-6所示)、数控电火花成形机床、数控等离子弧切割机床、数控火焰切割机床及数控激光加工机床等。

图1-5 立式加工中心

图1-6 数控线切割机床

3) 板材加工类数控机床

常见的应用于金属板材加工的数控机床有数控压力机、数控剪板机和数控折弯机(如图1-7所示)等。

近年来，其他机械设备中也大量采用了数控技术，如数控三坐标测量机(如图1-8所示)、自动绘图机及工业机器人等。

图1-7 数控折弯机

图1-8 数控三坐标测量机

2. 按控制运动轨迹分类

1) 点位控制数控机床

点位控制数控机床的特点是机床移动部件只能实现由一个位置到另一个位置的精确定位，在移动和定位过程中不进行任何加工。机床数控系统只控制行程终点的坐标值，不控制点与点之间的运动轨迹，因此几个坐标轴之间的运动无任何联系。可以几个坐标同时向目标点运动，也可以各个坐标单独依次运动。点位控制数控机床如图1-9(a)所示。

这类数控机床主要有数控镗床、数控钻床、数控冲床、数控点焊机等。点位控制数控机床的数控装置称为点位数控装置。

2) 直线控制数控机床

直线控制数控机床可控制刀具或工作台以适当的进给速度，沿着平行于坐标轴的方向进行直线移动和切削加工，进给速度根据切削条件可在一定范围内变化。直线控制数控机床如图1-9(b)所示。

直线控制的简易数控车床只有两个坐标轴，可加工阶梯轴。直线控制数控铣床有三个坐标轴，可用于平面的铣削加工。现代组合机床采用数控进给伺服系统，驱动动力头带动多轴箱的轴向进给进行钻镗加工，它也可算是一种直线控制数控机床。

数控镗铣床、加工中心等机床，它们的各个坐标方向的进给运动的速度能在一定范围内进行调整，兼有点位和直线控制加工的功能，这类机床应该称为点位/直线控制的数控机床。

图1-9 按控制运动轨迹分类的各种机床

3) 轮廓控制数控机床

轮廓控制数控机床能够对两个或两个以上运动的位移及速度进行连续相关的控制，使合成的平面或空间的运动轨迹能满足零件轮廓的要求。它不仅能控制机床移动部件的起点与终点坐标，而且能控制整个加工轮廓每一点的速度和位移，将工件加工成要求的轮廓形状。轮廓控制数控机床如图1-9(c)所示。

数控车床、数控铣床、数控磨床就是典型的轮廓控制数控机床。数控火焰切割机床、数控电火花加工机床及数控绘图机等也采用了轮廓控制系统。轮廓控制系统的结构要比点位/直线控制系统的更为复杂，在加工过程中需要不断进行插补运算，然后进行相应的速度与位移控制。现在CNC装置的控制功能均由软件实现，增加轮廓控制功能不会带来成本的增加。因此，除少数专用控制系统外，现代CNC装置都具有轮廓控制功能。

轮廓数控机床根据它所控制的联动坐标轴数不同，可以分为以下几种形式。

(1) 两轴联动加工。两轴联动主要用于数控车床加工曲线螺旋面或数控铣床加工曲线柱面，如图1-10(a)所示。

(2) 两轴半联动加工。对于任何曲面，以平行于某坐标平面的平面连续剖分，都可得到一系列平面曲线。加工曲面时，采用球头铣刀，刀具中心在剖分坐标平面(X、Y、Z中的任意两轴)内作平面曲线的插补运动，第三轴作周期进给，就可加工出该曲面，俗称行切法，如图1-10(b)所示。

(3) 三坐标联动加工。刀具作空间曲线插补运动，可加工空间曲线轮廓(如回珠器滚道)，还可加工曲面轮廓。加工曲面时，也可采用行切法。与两轴半联动加工不同的是，刀具作空间曲线插补运动，从而使刀具在工件上切出的轨迹是平面曲线，切痕规则，容易得到较低的表面粗糙度，如图1-10(c)所示。

(4) 四坐标联动加工。从理论上讲，有三轴联动且使用球头铣刀，可加工任意空间轮廓。但从加工效率和加工表面粗糙度考虑，对很多曲面采用三坐标联动加工是不合适的，需要采用更多的坐标联动来加工。这时就需要采用四坐联动加工的方式进行加工，如图1-10 (d)所示。

飞机大梁是一个直纹扭曲面。若采用圆柱铣刀进行切削，因是直纹，在加工中，刀具与加工型面应始终保持贴合，这样不仅能加工能光洁表面，而且效率高。为了实现这种加工方式，不仅要X、Y、Z三坐标联动控制刀具刀位点在空间的位置，而且要同时控制刀具绕刀位点的摆角，使刀具始终贴合工件，且还要补偿因摆角所引起的刀位点的改变。

图1-10 不同联动坐标轴数的各种加工形式

(5) 五坐标联动加工。对于大型曲面轮廓，零件尺寸和曲率半径比较大，可用端面铣刀进行加工，以提高生产率和减少加工残留量。加工时，铣刀端面应与切削点的切平面重合(凸面)或与切平面成某一夹角(凹面，避免产生刀刃干涉)。这时，切削点的坐标和法线方向是不断变化的，那么，刀具的刀位点和轴线也要相应变化。故需要X、Y、Z三坐标和绕两个坐标的角度联动控制，即五坐标联动控制，如图1-10(e)所示。

3. 按进给伺服系统的特点分类

1) 开环控制数控机床

如图1-11所示为开环控制数控机床的系统框图。

图1-11 开环控制数控机床的系统框图

这类控制的数控机床的控制系统没有位置检测元件，伺服驱动部件通常为反应式步进电动机或混合式伺服步进电动机。数控系统每发出一个进给指令，经驱动电路功率放大后，驱动步进电动机旋转一个角度，再经过齿轮减速装置带动丝杠旋转，通过丝杠螺母机构转换为移动部件的直线位移。移动部件的移动速度与位移量是由输入脉冲的频率与脉冲数所决定的。此类数控机床的信息流是单向的，即进给脉冲发出去后，实际移动值不再反馈回来，所以称为开环控制数控机床。

开环控制数控机床结构简单、成本较低。但是，系统对移动部件的实际位移量不进行监测，也不能进行误差校正。因此，步进电动机的失步、步距角误差、齿轮与丝杠等传动误差都将影响被加工零件的精度。开环控制系统仅适用于加工精度要求不是很高的中小型数控机床，特别是简易经济型数控机床。

2) 闭环控制数控机床

闭环控制数控机床在机床移动部件上直接安装直线位移检测装置，直接对工作台的实际位移进行检测，将测量的实际位移值反馈到数控装置中，与输入的指令位移值进行比较，用差值对机床进行控制，使移动部件按照实际需要的位移量运动，最终实现移动部件的精确运动和定位。从理论上讲，闭环控制数控机床的运动精度主要取决于检测装置的检测精度，与传动链的误差无关，因此其控制精度高。图1-12所示为闭环控制数控机床的系统框图，图中，A为速度传感器，C为直线位移传感器。当位移指令值发送到位置比较电路时，若工作台没有移动，则没有反馈量，指令值使得伺服电动机转动，通过A将速度反馈信号送到速度控制电路，通过C将工作台实际位移量反馈回去，在位置比较电路中与位移指令值相比较，用比较后得到的差值进行位置控制，直至差值为零时为止。这类控制的数控机床因把机床工作台纳入了控制环节，故称为闭环控制数控机床。

图1-12 闭环控制数控机床的系统框图

闭环控制数控机床的定位精度高，但调试和维修都比较困难，系统复杂，成本高。

3) 半闭环控制数控机床

半闭环控制数控机床在伺服电动机的轴或数控机床的传动丝杠上装有角位移电流检测装置(如光电编码器等)，通过检测丝杠的转角来间接地检测移动部件的实际位移，然后反馈到数控装置中去，并对误差进行修正。图1-13所示为半闭环控制数控机床的系统框图，图中，A为速度传感器、B为角度传感器。通过测速元件A和光电编码盘B可间接检测出伺服电动机的转速，从而推算出工作台的实际位移量，将此值与指令值进行比较，用差值来实现控制。由于工作台没有包括在控制回路中，因而称为半闭环控制数控机床。

图1-13 半闭环控制数控机床的系统框图

半闭环控制数控系统的调试比较方便，并且具有很好的稳定性。目前大多将角度检测装置和伺服电动机设计成一体，这样会使结构更加紧凑。

4) 混合控制数控机床

将以上三类数控机床的特点结合起来，就形成了混合控制数控机床。混合控制系统特别适用于大型或重型数控机床，因为大型或重型数控机床需要较高的进给速度与相当高的精度，其传动链惯量与力矩比较大，如果只采用全闭环控制，则机床传动链和工作台将全部置于控制闭环中，闭环调试会比较复杂。混合控制系统又分为以下两种形式。

(1) 开环补偿型。图1-14所示为开环补偿型控制方式。它的基本控制选用步进电动机的开环伺服机构，另外附加一个校正电路。用装在工作台的直线位移测量元件的反馈信号校正机械系统的误差。

图1-14 开环补偿型控制方式

(2) 半闭环补偿型。图1-15所示为半闭环补偿型控制方式。它是用半闭环控制方式取得高精度控制，再用装在工作台上的直线位移测量元件实现全闭环修正，以获得高速度与高精度的统一。其中A是速度测量元件(如测速发电机)，B是角度测量元件，C是直线位移测量元件。

图1-15 半闭环补偿型控制方式

1.2.3 数控机床的坐标系

数控加工必须准确描述进给运动。在加工过程中，刀具相对工件运动的轨迹和位置决定了零件加工的尺寸、形状。在数控机床上加工零件时，刀具到达的位置信息必须传递给CNC系统，然后由CNC系统发出信号并使刀具移动到这个位置，这个位置通常以坐标值的形式给出。

为了确定机床的运动方向和移动的距离，就要在机床上建立一个坐标系，这个坐标系就是机床坐标系，也称为机械坐标系。

1. 坐标系及运动方向的规定

为了简化编制程序的方法和保证记录数据的互换性，需要对数控机床的坐标和方向进行命名，国际上很早就制定有统一标准，我国于1982年制定了JB3051—1982《数字控制机床坐标和运动方向的命名》标准。在标准中统一规定采用右手直角笛卡儿坐标系对机床的坐标系进行命名。用X、Y、Z表示直线进给坐标轴，X、Y、Z坐标轴的相互关系由右手法则决定，如图1-16所示。图中大拇指指向为X轴的正方向，食指指向为Y轴的正方向，中指指向为Z轴的正方向。

图1-16 右手直角坐标系

围绕X、Y、Z轴旋转的圆周进给坐标轴分别用A、B、C表示，根据右手螺旋定则，如图1-16所示，以大拇指分别指向+X、+Y、+Z方向，则食指、中指等弯曲指向分别就是圆周进给运动的+A、+B、+C方向。

数控机床的进给运动，有的由主轴带动刀具运动来实现，有的由工作台带着工件运动来实现。通常在编程时，不论机床在加工中是刀具移动，还是被加工工件移动，都一律假定被加工工件相对静止不动，刀具移动，并规定刀具远离工件的方向作为坐标的正方向。

2. 坐标轴及方向的确定

机床往往有多个直线运动坐标轴的方向，在具体确定某机床各直线运动的坐标轴具体名称(或X或Y或Z)时，一般是先确定机床Z轴，再确定X轴，最后确定Y轴。

1) Z轴坐标的运动方向

一般取产生切削动力的主轴轴线方向为Z轴方向。Z坐标的正方向是增加刀具和工件之间距离的方向;反之，为负方向。

CNC车床是主轴带动工件旋转的机床，主轴轴线方向为Z轴方向，如图1-17(a)所示。

CNC铣床、加工中心是主轴带动刀具旋转的机床，主轴轴线方向为Z轴方向，如图1-17(b)所示，在钻镗加工中，钻入或镗入工件的方向是Z轴的负方向。

图1-17 机床的坐标轴

2) X轴坐标的运动方向

对工件做回转切削运动的车床，X向为工件的直径方向且平行于橫向导轨，如图1-17 (a)所示。