数控机床的机械机构优化

数控机床机械结构的故障检测与排除首先应对所维修的数控机床的结构有充分了解。本节主要介绍有关数控机床的分类、机械结构特点和机构结构组成等内容。

数控机床的品种规格很多，分类方法也各不相同。一般可根据功能和结构，按下面4种原则进行分类。

4.1.1.1 按机床运动的控制轨迹分类

（1）点位控制的数控机床

点位控制只要求控制机床的移动部件从一点移动到另一点的准确定位，对于点与点之间的运动轨迹的要求并不严格，在移动过程中不进行加工，各坐标轴之间的运动是不相关的。为了实现既快又精确的定位，两点间位移的移动一般先快速移动，然后慢速趋近定位点，以保证定位精度。具有点位控制功能的机床主要有数控钻床、加工中心等，如图4-1所示。

（2）直线控制数控机床

直线控制数控机床也称为平行控制数控机床，其特点是除了控制点与点之间的准确定位外，还要控制两相关点之间的移动速度和轨迹，但其运动路线只是与机床坐标轴平行移动，也就是说同时控制的坐标轴只有一个（即数控系统内不必有插补运算功能），在移位的过程中刀具能以指定的进给速度进行切削，一般只能加工矩形、台阶形零件。具有直线控制功能的机床主要有比较简单的数控车床、数控铣床、数控磨床等。这种机床的数控系统也称为直线控制数控系统。

图4-1 数控机床

（3）轮廓控制数控机床

轮廓控制数控机床也称连续控制数控机床，其控制特点是能够对两个或两个以上的运动坐标的位移和速度同时进行控制。为了满足刀具沿工件轮廓的相对运动轨迹符合工件加工轮廓的要求，必须将各坐标运动的位移控制和速度控制按照规定的比例关系精确地协调起来。因此在这类控制方式中，就要求数控装置具有插补运算功能．所谓插补就是根据程序输入的基本数据（如直线的终点坐标、圆弧的终点坐标和圆心坐标或半径），通过数控系统内插补运算器的数学处理，把直线或圆弧的形状描述出来，也就是一边计算，一边根据计算结果向各坐标轴控制器分配脉冲，从而控制各坐标轴的联动位移量与要求的轮廓相符合，在运动过程中刀具对工件表面进行连续切削，可以进行各种直线、圆弧、曲线的加工。这类机床主要有数控车床、数控铣床、数控线切割机、加工中心等，其相应的数控装置称为轮廓控制数控系统。根据它所控制的联动坐标轴数不同，目前较好的是五轴联动数控机床，即除同时控制X、Y、Z三个直线坐标轴联动外．还同时控制围绕这些直线坐标轴旋转的A、B、C坐标轴中的两个坐标轴，形成同时控制五个轴联动。这时刀具可以被定在空间的任意方向，控制刀具同时绕X轴和Y轴两个方向摆动，使得刀具在其切削点上始终保持与被加工的轮廓曲面呈法线方向，以保证被加工曲面的光滑性，提高其加工精度和加工效率，减小被加工表面的粗糙度。

4.1.1.2 按伺服控制的方式分类

（1）开环控制数控机床

这类机床的进给伺服驱动是开环的，即没有检测反馈装置，一般它的驱动电动机为步进电动机。步进电动机的主要特征是控制电路每变换一次指令脉冲信号，电动机就转动一个步距角，并且电动机本身就有自锁能力。其控制系统的框图如图4-2所示，数控系统输出的进给指令信号通过脉冲分配器来控制驱动电路，它以变换脉冲的个数来控制坐标位移量，以变换脉冲的频率来控制位移速度，以变换脉冲的分配顺序来控制位移的方向。因此这种控制方式的最大特点是控制方便、结构简单、价格便宜。数控系统发出的指令信号流是单向的，所以不存在控制系统的稳定性问题，但由于机械传动的误差不经过反馈校正，故位移精度不高。早期的数控机床均采用这种控制方式，只是故障率比较高，目前由于驱动电路的改进，使其仍得到了较多的应用。尤其是在我国，一般经济型数控系统和旧设备的数控改造多采用这种控制方式。另外，这种控制方式可以配置单片机或单板机作为数控装置，使得整个系统的价格降低。

图4-2 开环控制数控机床结构

（2）闭环控制机床

这类数控机床的进给伺服驱动是按闭环反馈控制方式工作的，其驱动电动机可采用直流或交流两种伺服电动机，并需要配置位置反馈和速度反馈，在加工中随时检测移动部件的实际位移量，并及时反馈给数控系统中的比较器，它与插补运算所得到的指令信号进行比较，其差值又作为伺服驱动的控制信号，进而带动位移部件以消除位移误差。

按位置反馈检测元件的安装部位和所使用的反馈装置的不同，它又分为全闭环和半闭环两种控制方式。

1）半闭环控制。如图4-3所示，其位置反馈采用转角检测元件（目前主要采用编码器等），直接安装在伺服电动机或丝杠端部。由于大部分机械传动环节未包括在系统闭环环路内，因此难获得较稳定的控制特性。丝杠等机械传动误差不能通过反馈来随时校正，但是可采用软件定值补偿方法来适当提高其精度。目前，大部分数控机床采用半闭环控制方式。

2）全闭环控制。如图4-4所示，其位置反馈装置采用直线位移检测元件（目前一般采用光栅尺），安装在机床的床鞍部位，即直接检测机床坐标的直线位移量，通过反馈可以消除从电动机到机床床鞍的整个机械传动链中的传动误差，从而得到很高的机床静态定位精度。但是，由于在整个控制环内，许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙均为非线性，并且整个机械传动链的动态响应时间与电气响应时间相比又非常大。这为整个闭环系统的稳定性校正带来很大困难，系统的设计和调整也都相当复杂。

图4-3 半闭环控制数控机床结构

图4-4 全闭环控制数控机床结构

（3）混合控制数控机床

将上述控制方式的特点有选择地集中，可以组成混合控制的方案。如前所述，由于开环控制方式稳定性好、成本低、精度差，而全闭环稳定性差，所以为了互为弥补，以满足某些机床的控制要求。(www.xing528.com)

4.1.1.3 按数控系统的功能水平分类

按数控系统的功能水平，通常把数控系统分为低、中、高三类。这种分类方式，在我国用得较多。低、中、高三档的界限是相对的，不同时期，划分标准也会不同。就目前的发展水平看，其中中、高档一般称为全功能数控或标准型数控，在我国还有经济型数控的提法。经济型数控属于低档数控，是指由单片机和步进电动机组成的数控系统，或其他功能简单、价格低的数控系统。经济型数控主要用于车床、线切割机床以及旧机床改造等要求，宜采用混合控制方式。采用较多的有开环补偿型和半闭环补偿型两种方式。

4.1.1.4 按加工工艺及机床用途的类型分类

（1）金属切削类

指采用车、铣、铰、钻、磨、刨等各种切削工艺的数控机床。它又可被分为以下两类。

1）普通型数控机床。如数控车床、数控铣床、数控磨床等。

2）加工中心。其主要特点是具有自动换刀机构的刀具库，工件经一次装夹后，通过自动更换各种刀具，在同一台机床上对工件各加工面连续进行铣、车、铰、钻、攻螺纹等多种工序的加工，如加工中心、车削中心、钻削中心等。

（2）金属成型类

指采用挤、冲、压、拉等成型工艺的数控机床，常用的有数控压力机、数控折弯机、数控弯管机、数控旋压机等。

（3）特种加工类

主要有数控电火花线切割机、数控电火花成型机、数控火焰切割机、数控激光加工机等。

（4）测量、绘图类

主要有三坐标测量仪、数控对刀仪、数控绘图仪等。

数控机床的机床本体的基本构成与传统的机床十分相似，但由于数控机床在功能和性能上的要求与传统机床存在着巨大的差距，与普通机床相比具有如下特点：

（1）结构简单

数控机床的主轴箱、进给变速箱结构一般非常简单；齿轮、轴类零件、轴承的数量大为减少；电动机可以直接连接主轴和滚珠丝杠，不用齿轮；在使用直线电动机，电主轴的场合，甚至可以不用丝杠、主轴箱。

（2）操作方便

数控机床需要根据数控系统的指令，自动完成对进给速度、主轴转速、刀具运动轨迹以及其他机床辅助技能（如自动换刀，自动冷却）的控制。它必须利用伺服进给系统代替普通机床的进给系统，并可以通过主轴调速系统实现主轴自动变速。因此，在操作上，它不像普通机床那样，需要操作者通过手柄进行调整和变速，操作机构比普通机床要简单得多，许多机床甚至没有手动机械操作系统。

（3）自动化程度高

数控机床的大部分辅助动作都可以通过数控系统的辅助技能（M技能）进行控制，因此，常用的操作按钮也较普通机床少。

数控机床相对于普通机床能达到高速、高效、高精度的加工要求以及工艺复合化、功能集成化等特点，必然会使机床的开机时间，工作负载随之增加，机床必须在高负荷下，长时间可靠工作。因此对组成数控机床的各种零部件和控制系统的可靠性要求很高。数控机床的机械结构应具有高刚度、高灵敏度、高抗振性、热变形小、高精度保持性、模块化和高可靠性等特点。