任务二 数控机床的组成及工作原理

任务描述

数控机床的组成部件有哪些？各自有哪些特点？它的工作原理是什么？如何利用数控机床的组成部件来了解机床的工作原理？

学习目标

了解掌握数控机床的组成，并能联系实际应用。学习数控机床工作原理并掌握，为数控检测和维修打下基础。

任务分析

社会需求的多样化与科学技术的现代化，使机械制造的产品日趋精密、复杂，而且更新频繁，这不但对机械制造的精度与效率提出了更高的要求，而且对生产的适应性、灵活性也提出了更高的要求。只有掌握数控机床的组成及工作原理才能更合理的生产所需产品，同时也才能更合理地使用机床。在本节的学习中数控机床工作原理是本任务的重点和难点。

任务完成

一、数控机床的基本工作原理

机床操作者首先根据零件图样及加工工艺文件进行程序编制，然后通过手动输入装置或程序介质将程序输入数控系统，再经过调试、修改，最后把它存储起来。在加工时就依照所编制的程序进行相应的数字信息处理，一方面通过插补运算器进行加工轨迹的运算处理，输出位移指令信号，从而控制伺服系统驱动机床各坐标轴，使刀具与工件的相对位置按照被加工零件的形状轨迹进行运动，并通过位置检测反馈以确保其位移精度。另一方面按照加工要求，通过PLC控制主轴及其他辅助装置协同工作，如主轴变速、主轴高低速齿轮换挡、ATC刀具自动交换、APC（Automatic Pallet Changer）工件自动交换、工件夹紧与放松、切削液的开关、润滑系统的定时启动、过载与限位保护等。

数控机床通过程序调试、试切削后，进入正常批量加工时，操作者一般只要进行工件上、下料装卸，再按一下自动循环按钮，数控机床就可以根据加工程序自动完成整个加工过程。

数控机床零件加工的步骤如下：

（1）分析零件图，确定加工方案，用规定代码编程。

（2）输入数控装置。

（3）数控装置对程序进行译码、运算，向机床各伺服机构和辅助控制装置发信→驱动→执行→加工零件。

二、数控机床的组成

数控机床一般由控制介质数控系统、伺服系统、辅助装置和机床本体等部分组成，如图1-1-1所示。

1.输入/输出装置

数控机床在进行加工前，需要将存储介质上记载的零件加工程序，通过输入装置输入到数控系统中，然后才能根据输入的加工程序控制机床运行，从而加工出所需的零件。同时数控系统也需要通过输出装置将暂时不用的零件加工程序存储或备份到外部存储介质上。

早期的数控机床常用穿孔纸带、磁带等存储介质，现代数控机床常用磁盘或半导体存储器等存储介质，或不用存储介质，而直接由操作人员通过手动数据输入（Manual Date Input）键盘输入零件程序，或采用计算机通信技术进行零件程序的输入/输出，后者是现实CAD/CAM集成、FMS和CIMS的基本技术。

输入/输出装置是机床与外部设备的接口，目前常用的主要有纸带阅读机、磁盘驱动器、RS-232C串行通信接口、MDI手动输入装置、网卡和读卡器等。

2.操作装置

操作装置是数控系统提供给机床操作者控制机床运转的平台，也是机床操作者与数控系统进行信息交互的平台。一方面，机床操作者可以通过它对数控机床进行操作、编程、程序调试，以及对机床参数进行设定和修改；另一方面，还可以通过它了解或查询数控机床的运行状态。操作装置主要由显示装置、NC键盘、机床控制面板（Machine Control Panel，MCP）状态灯和手持单元等部分组成。MCP集中了数控系统中的所有控制按钮，用于控制机床的动作或加工过程，如程序启动、主轴旋转、主轴停止、坐标轴手动进给、切削液开关等。手持单元一般由手摇脉冲发生器（MPG）和坐标轴选择按钮组成，主要用于用户调整机床坐标轴位置或采用手摇脉冲进给方式进行手动切削加工。

3.CNC装置

数控系统是机床实现自动加工的核心，数控机床中的所有控制命令都是由数控系统发出的。它主要由主控制系统、可编程控制器、各类输入/输出接口等组成。主控制系统的硬件结构与计算机的主板有些类似，主要由CPU、存储器、控制器等部分组成。它的主要作用包括接收输入装置输入的加工信息，完成数值计算、逻辑判断、输入/输出控制等功能。

4.伺服系统

伺服系统是数控系统与机床本体之间的电传动联系环节，主要由伺服电动机、驱动控制系统以及位置检测反馈装置组成。伺服电动机是系统的电气执行元件，驱动控制系统作为伺服电动机的动力源。数控系统发出的位置指令信号与位置检测反馈信号进行比较后，将其差值作为驱动控制系统的输入位移指令信号，并经驱动控制系统功率放大后，驱动伺服电动机运转，伺服电动机通过联轴器带动机械传动装置拖动工作台或刀架运动。

5.位置反馈系统

测量装置（也称检测装置、反馈装置）主要用于对机床坐标轴的位置和移动速度的测量，将机床坐标轴的实际运动速度、方向、位移量及加工负荷加以检测，把检测结果转化为电信号反馈给数控装置，通过比较，计算出实际位置与指令位置之间的偏差，并发出纠正误差指令。测量装置通常安装在机床的工作台、丝杠或伺服电动机的端部，并根据测量装置在机床中的安装位置将数控机床的控制方式分为闭环控制系统和半闭环控制系统。

常用的检测反馈装置如下：

1）速度检测元件

速度检测元件的作用是测量执行部件的运动速度。一般采用安装在电动机轴上的测速发电动机或光电编码器。测速发电动机的输出电压与电动机的转速成正比。光电编码器通过检测单位时间内光电编码器所发出的脉冲数或检测所发出脉冲的周期来完成数字化的速度检测，其测速精度高。

2）位置检测元件

位置检测元件可分为直接测量和间接测量。对机床工作台的直线位移采用直线检测装置进行测量，称为直接测量，是闭环控制；通过回转型检测装置测量伺服电动机或滚珠丝杠的转角间接地测量出移动部件的实际位移，称为间接测量，是半闭环控制。

6.机床本体

机床本体指的是数控机床机械结构实体，是数控系统的控制对象，是实现制造加工的执行部件。与普通机床相比，具有如下特点：

（1）进给运动系统 进给传动采用高效传动部件。具有机械传动链接短、结构简单、传动精度高等特点，一般采用滚珠丝杠副、直线滚动导轨副等部件。

（2）主运动系统使用高性能主传动及主轴部件，具有传递功率大、刚度高、抗震性好及热变形小等优点。

（3）具有完善的刀具自动交换和管理系统。工件在加工中心类机床上一次装夹后，一般需要完成多个工序的加工，这就要根据不同的加工工序，选择不同的加工刀具，故机床应具有自动换刀机构。

（4）床身结构具有很高的动、静刚度。

（5）采用全封闭罩壳。由于数控机床是高度自动化的加工设备，为了操作者的人身安全，一般采用移动门结构的全封闭罩壳，对机床的加工部位进行全封闭。

7.辅助装置

数控机床实现全自动化控制，还需配备其他辅助装置，如液压和气动装置、自动换刀装置、工作台自动交换装置、自动对刀装置、自动排屑装置等。

1）自动换刀装置

自动换刀装置的基本类型有三种，一种自动换刀装置由刀库、选刀装置、刀具自动装卸机构、刀具交换机构等部分组成，常用于加工中心。另一种自动换刀装置是回转刀架换刀，常用于数控车床；还有一种自动换刀装置是多主轴转塔头换刀，常用于数控钻床、数控镗床。

2）工作台自动交换装置

工作台自动交换装置常有回转式和往复式，能大幅度节省工件的装卸时间。

3）自动对刀装置

自动对刀装置用于测量刀具的几何尺寸和参数，进行刀具长度和直径的补偿。自动对刀装置能节省机床校刀的时间。自动对刀装置可分为数控车床对刀仪、数控镗铣床对刀仪和加工中心对刀仪。

4）自动排屑装置

自动排屑装置常有传送带或螺旋式，可迅速排除切屑，实现长时间无人看管的自动加工。

知识链接

思考与练习

1.数控机床由哪些部分组成？各有何作用？

2.与普通机床相比较，数控机床有哪些特点？相应的加工优势有哪些？