数控机床的组成和加工原理

任务描述

通过相关知识的学习，分别写出各种数控机床的组成部分及各数控机床的工作原理。

能力目标

1.能说出数控机床的基本组成；

2.能阐述数控机床的基本工作原理。

相关知识

一、数控机床的基本组成

如图1-3-1所示，数控机床由程序编制及程序载体、输入装置、数控装置（CNC）、伺服驱动及位置检测、辅助控制装置、机床本体等部分组成。

1.程序编制及程序载体

数控程序是数控机床自动加工零件的工作指令。在对加工零件进行工艺分析的基础上，确定零件坐标系在机床坐标系上的相对位置，即零件在机床上的安装位置，刀具与零件相对运动的尺寸参数，零件加工的工艺路线、切削加工的工艺参数，以及辅助装置的动作等。得到零件的所有运动、尺寸和工艺参数等加工信息后，用由文字、数字和符号组成的标准数控代码，按规定的方法和格式，编制零件加工的数控程序单。编制程序的工作可由人工进行；对形状复杂的零件，则要在专用的编程机或通用计算机上进行自动编程（APT）或CAD/CAM 设计。

图1-3-1　数控机床的组成

编好的数控程序存放在便于输入数控装置的一种存储载体上，如穿孔纸带、磁带和磁盘等，具体采用哪一种存储载体，则取决于数控装置的设计类型。

2.输入装置

输入装置的作用是将程序载体（信息载体）上的数控代码传递并存入数控系统中。根据控制存储介质的不同，输入装置有光电阅读机、磁带机和软盘驱动器等。数控机床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（数控系统内存较小时）；另一种是一次将零件加工程序全部读入数控装置内部的存储器，加工时再从内部存储器中逐段逐段地调出并进行加工。

3.数控装置

数控装置是数控机床的核心。数控装置从内部存储器中取出或接收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。

零件的轮廓图形由直线、圆弧或其他非圆弧曲线组成。刀具在加工过程中必须按零件形状和尺寸的要求进行运动，即按图形轨迹移动。但输入的零件加工程序只能是各线段轨迹的起点和终点坐标值等数据，不能满足要求，因此要进行轨迹插补，也就是在线段的起点和终点坐标值之间进行“数据点的密化”，求出一系列中间点的坐标值，并向相应坐标输出脉冲信号，控制各坐标轴（即进给运动的各执行元件）的进给速度、进给方向和进给位移量等。(www.xing528.com)

4.驱动装置和位置检测装置

驱动装置接收来自数控装置的指令信息，经功率放大后，严格按照指令信息的要求驱动机床移动部件，以加工出符合图样要求的零件。因此，它的伺服精度和动态响应性能是影响数控机床加工精度、表面质量和生产率的重要因素之一。驱动装置包括控制器（含功率放大器）和执行机构两大部分。目前，大多采用直流或交流伺服电动机作为执行机构。

位置检测装置将数控机床各坐标轴的实际位移量检测出来，经反馈系统输入机床的数控装置之后，数控装置将反馈回来的实际位移量值与设定值进行比较，控制驱动装置按照指令设定值运动。

5.辅助控制装置

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、逻辑判别和运动，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、润滑装置的启动停止，工件和机床部件的松开、夹紧，以及分度工作台转位分度等开关辅助动作。

可编程逻辑控制器（PLC）具有响应快，性能可靠，易于使用、编程和修改程序，以及可直接启动机床开关等特点，现已广泛用作数控机床的辅助控制装置。

6.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、辅助运动装置、液压气动系统、润滑系统及冷却装置等组成。但数控机床在整体布局、外观造型、传动系统、刀具系统结构及操作机构等方面都已发生了很大的变化。这种变化的目的是满足数控机床的要求和充分发挥数控机床的特点。

二、数控机床的工作原理

①将编制好的加工程序通过操作面板上的键盘或输入机将数字信息输送给数控装置。

②数控装置将所接收的信号进行一系列处理后，再将处理结果以脉冲信号的形式进行分配：一是向进给伺服系统发出进给等执行命令；二是向可编程控制器发出S，M，T 等指令信号。

③可编程控制器接到S，M，T 等指令信号后，即控制机床主体立即执行这些指令，并将机床主体执行的情况实时反馈给数控装置。

④伺服系统接到进给执行命令后，立即驱动机床主体的各坐标轴（进给机构）严格按照指令要求准确进行位移，自动完成工件的加工。

⑤在各坐标轴位移过程中，检测反馈装置将位移的实测值迅速反馈给数控装置，以便与指令值进行比较，然后以极快的速度向伺服系统发出补偿执行指令，直到实测值与指令值吻合为止。

⑥在各坐标轴位移过程中，如发生“超程”现象，其限位装置即可向可编程控制器或直接向数控装置发出某些坐标轴超程的信号，数控系统则一方面通过显示器发出报警信号，另一方面向进给伺服系统发出停止执行命令，以实施超程保护。

综上所述，数控机床的工作原理可归纳为：数控装置内的计算机对通过输入装置以数字和字符编码方式所记录的信息进行一系列处理后，再通过伺服系统及可编程控制器向机床主轴及进给等执行机构发出指令，机床主体则按照这些指令，在检测反馈装置的配合下，对工件加工所需的各种动作，如刀具相对于工件的运动轨迹、位移量和进给速度等，并实现自动控制，从而完成工件的加工。

巩固与提高

数控机床主要由哪几部分组成？各部分的基本功能是什么？