数控机床的稳定性、响应性和精度要求

数控机床是典型的机电一体化产品，是集机床、计算机、电动机及拖动、运动控制、检测等技术为一体的自动化设备。

一、数控机床的工作过程

数控机床加工工件的工作过程如图6-1所示。首先对被加工的零件及其毛坯进行分析，根据工件图样要求，制定工件加工的工艺过程，具体包括确定有关基准、选择加工方案、选择刀具和切削用量、制定补偿方案及确定工艺指令等。然后用规定的代码和程序格式将它们编制成加工程序，并记录在信息载体上，或者外部计算机的硬盘上。加工时，由系统输入装置或直接从外部计算机将加工程序输入或调入数控装置，数控装置对信息进行处理和运算后，向伺服机构输入相应的指令信号，伺服机构驱动运动部件按照预定的轨迹运动，从而自动加工出所要求的合格工件。

图6-1　数控机床加工零件的工作过程

普通机床加工零件是操作者依据工艺规程或工件样图的要求，不断改变刀具与工件之间相对运动参数（位置、速度等），使刀具对工件进行加工。而数控机床的加工，是把刀具与工件的运动轨迹按坐标分割成一些最小的单位量，即最小位移量。由数控系统按照零件程序的要求，用这些最小位移量控制刀具运动轨迹，从而实现刀具与工件的相对运动，完成对零件的加工。

二、数控机床的组成

数控机床由控制介质、输入装置、数控装置、伺服系统、辅助控制装置和机床本体组成，如图6-2所示。

图6-2　数控机床的组成

1.控制介质

数控机床工作时，不需要人去直接操作机床，但又要执行人的意图，这就必须在人和数控机床之间建立某种联系，这种中间联系的媒介物称为控制介质（或称程序介质、输入介质、信息载体）。控制介质是用来存储编制好的加工程序的，它包括磁盘、U盘、穿孔带、磁带等。

2.输入装置

输入装置的作用是将控制介质上的数控代码传递并存入数控系统内。计算机数控装置可以连接多种I／O外围设备，实现零件加工程序和参数的输入、输出及存储器存储。输入装置常采用RS-232C接口连接，支持在线编程，功能的实现可以在数控加工过程中进行，不占用机时。

3.数控装置

数控装置相当于数控机床的大脑，是中枢部分。目前一般采用专用的微型计算机来实现控制，构成数控装置。数控装置包括微计算机基本系统、通信接口、位置控制接口、人机对话界面和电源等模块。微计算机基本系统包含微处理器（MCPU）、内部存储器（RAM、ROM）、系统总线、输入／输出接口和定时器／中断器等。MCPU实现控制和运算，内部存储器中只读存储器ROM存放系统控制程序，读写存储器RAM存放零件的加工程序和系统运行时的工作参数。

数控装置从内部存储器中读取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，输出响应的命令脉冲，传送输入伺服系统，使机床按照规定要求进行有序的运动和动作。

数控装置的软件主要包括系统软件（控制软件）和应用软件（加工软件）两部分。应用软件是描述被加工零件的几何形状、加工顺序、工艺参数的程序，它采用标准的数控编程语言编程，有关数控编程的规范和编程方法可参阅有关的标准手册及文献资料。

控制软件是为完成机床数控而编制的系统软件，因为各数控系统的功能设置、控制方案、硬件线路均不相同，因此在软件结构和规模上相差很大，但从数控的要求上看，控制软件应包括输入数据预处理、插补运算、速度控制、诊断程序和管理程序等模块。

1）数据输入模块

系统输入的数据主要是零件的加工程序（指令），一般通过键盘、光电读带机或盒式磁带等输入，也有从上一级微机直接传入的（如CAD／CAM系统）。系统中所设计的输入管理程序通常采用中断方式。例如，当读带机读入一个数据后，就立即向CPU发出中断请求，由中断服务程序将该数据读入内存。每按一次键，键盘就向CPU发出一次中断请求，CPU响应中断后就转入键盘服务程序，对相应的按键命令进行处理。

2）数据处理模块

输入的零件加工程序是用标准的数控语言编写的ASCII字符串，因此，需要把输入的数控代码转换成系统能进行运算操作的二进制代码。此外，还要进行必要的单位换算和数控代码的功能识别，以便确定下一步的操作内容。

3）插补运算模块

数控系统必须按照零件加工程序中提供的数据，如曲线的种类、起点、终点等，按插补原理进行运算，并向各坐标轴发出相应的进给脉冲。进给脉冲通过伺服系统驱动刀具或工作台做相应的运动，完成程序规定的加工。插补运算模块除能实现插补各种运算外，还有实时性要求，在数控过程中，往往是一边插补一边加工的，因此插补运算的时间要尽可能短。

4）速度控制模块

一条曲线的进给运动需要刀具或工作台在规定的时间内走许多步来完成，因此除输出正确的插补脉冲外，为了保证进给运动的精度及平衡性，还应控制进给的速度，在速度变化较大时，要进行自动加减速控制，以避免因速度突变而造成伺服系统的驱动失步。

5）输出控制模块

输出控制主要有伺服控制、误差补偿和辅助功能控制。伺服控制模块能将插补运算得出的进给脉冲转变为有关坐标的进给运动。误差补偿模块能够实现当进给脉冲改变方向时，根据机床的精度进行反向间隙补偿处理。在加工中，需要启动机床主轴、调整主轴速度和换刀等。因此，辅助功能控制模块根据控制代码，从相应的硬件输出控制脉冲或电平信号。

6）管理程序

管理程序负责对加工过程中的各程序模块进行调度管理。管理程序还要对面板命令、脉冲信号、故障信号等引起的中断进行中断处理。

7）诊断程序

系统应对硬件工作状态和电源状况进行监视，此外，在系统初始化过程中还需对硬件的各个资源，如存储器、I／O口等进行检测，使系统出现故障时能及时停车并指示故障类型和故障源。

4.伺服系统

伺服系统是数控装置和机床的连接环节。伺服系统与数控装置是通过软、硬件接口连接，进行信号转换、数据传输及实时控制的。

伺服系统主要包括主轴驱动单元（速度控制）、进给驱动单元（速度控制和位置控制）、主轴伺服电动机、进给伺服电动机和检测装置等。伺服系统接收来自数控装置的控制指令，并将弱电信号进行功率放大、处理后驱动伺服电动机，伺服电动机将电信号转换成机械运动信号，再由传动机构转变成机床工作台的位移和速度。一般来说，数控机床的伺服系统，要求有好的快速响应性能，以及能灵敏且准确地跟踪指令的功能。

伺服系统的伺服电动机有步进伺服电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机。伺服系统的检测装置是闭环和半闭环数控机床的检测反馈环节，由检测元件和相应的电路组成，主要是检测速度和位移，检测装置把检测结果转化为电信号反馈给数控装置。数控机床伺服系统的组成如图6-3所示。

图6-3　数控机床伺服系统的组成(www.xing528.com)

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发出的辅助控制指令，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动作。辅助控制指令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，以及冷却、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量指令信号。辅助控制装置普遍使用PLC。

6.机床本体

机床本体是数控机床的主体，是实现制造加工的执行部件。它包括主轴运动部件（主轴、主轴轴承和相应的传动机构等）、进给运动部件（工作台、拖板以及相应的传动机构等）、支承体（立柱、床身等）以及特殊装置（刀具自动交换系统、工件自动交换系统）和辅助装置（如排屑装置等）。

由于数控机床采用了具有调速功能的伺服电动机，因此，与传统的普通机床相比，省去了复杂的齿轮变速机构，大大简化了机械传动链。图6-4所示为某数控车床的传动系统。

图6-4　某数控车床的传动系统

数控机床由于切削用量大、连续加工发热多等因素影响工件精度，外加是自动控制，在加工中不能像在普通机床上那样可以随时由人工进行干预。所以其设计要求比普通机床更严格，制造要求更精密。因而在数控机床设计时，采用了加强刚性、减小热变形、提高精度等措施，使得数控机床的外部造型、整体布局、传动系统以及刀具系统等与普通机床相比都发生了很大的变化。

三、数控机床的运动性能指标和精度指标

1.数控机床的运动性能指标

数控机床的运动性能指标主要包括以下几个方面。

1）主轴转速

数控机床的主轴一般均采用直流伺服电动机或交流伺服电动机驱动，选用高速精密轴承支承，保证主轴具有较宽的调速范围和足够高的回转精度、刚度及抗振性。

2）进给速度

数控机床的进给速度是影响零件加工质量、生产效率以及刀具寿命的主要因素，它受数控装置的运算速度、机床特性及工艺系统刚度等因素的限制。

3）坐标行程

数控机床坐标轴的行程大小，构成数控机床的空间加工范围，即加工零件的大小。坐标行程是直接体现机床加工能力的参数指标。

4）摆角范围

具有摆角坐标的数控机床，其转角大小也直接会影响加工零件空间部位的能力。但转角太大又会造成机床的刚度下降。

5）刀库容量和换刀时间

刀库容量和换刀时间对数控机床的生产效率有直接影响。刀库容量是指刀库能存放加工所需要的刀具数量，换刀时间是指带有自动交换刀具系统的数控机床将主轴上使用的刀具与装在刀库上的下一工序需要的刀具进行交换所需要的时间。

2.数控机床的精度指标

数控机床的主要精度指标如下：

1）定位精度

定位精度是指数控机床工作台等移动部件在确定的终点所达到的实际位置的精度，即实际位置与指令位置的一致程度，不一致量表现为误差。因此移动部件实际位置与指令位置之间的误差称为定位误差。定位误差将直接影响零件加工的位置精度。

2）重复定位精度

重复定位精度是指在同一条件下，用相同的方法，重复进行同一动作时，控制对象位置的一致程度，即在同一台数控机床上，应用相同程序、相同代码加工一批零件，所得到的连续结果的一致程度，也称为精密度。重复定位精度受伺服系统特性、进给系统的间隙与刚性以及摩擦特性等因素的影响。一般情况下，重复定位精度是呈正态分布的偶然性误差，它影响一批零件加工的一致性，是一项非常重要的性能指标。

3）分度精度

分度精度是指分度工作台在分度时，理论要求回转的角度值和实际回转的角度值的差值。分度精度既影响零件加工部位在空间的角度位置，也影响孔隙加上的同轴度等。

4）分辨率与脉冲当量

分辨率是指两个相邻的分散细节之间可以分辨的最小间隔。对测量系统而言，分辨率是可以测量的最小增量；对控制系统而言，分辨率是可以控制的最小位移增量。数控装置发出每个脉冲信号后，机床移动部件的位移量叫作脉冲当量。坐标计算单位是一个脉冲当量，它标志着数控机床的精度分辨率。脉冲当量是设计数控机床的原始数据之一，其数值的大小决定数控机床的加工精度和表面质量。脉冲当量越小，数控机床的加工精度和加工表面质量越高。

四、数控机床的控制对象

从数控机床最终要完成的任务看，主要应对主运动、进给运动和辅助功能进行控制。

1.主运动控制

和普通机床一样，主运动是形成切削速度，对切除工件上多余材料起主要作用的工作运动，用来完成切削任务。数控车床的主运动是工件的回转运动，也就是主轴旋转运动，基本控制要实现主轴的正、反转和停止，可自动换挡和无级调速；数控钻床、数控铣床和数控磨床的主运动是刀具或砂轮的回转运动；在数控刨削时，刀具或工作台的往复直线运动是主运动；对加工中心和一些数控车床还必须具有准停控制和C轴控制功能。

2.进给运动控制

进给运动是传递给刀具或工件的运动，主要配合主运动依次或连续不断地切除工件上的多余材料，同时形成具有所需几何特征的已加工表面。进给运动可以是间歇的，也可以是连续进行的。数控机床的进给运动是通过进给驱动单元、进给伺服电动机和检测装置来实现的。伺服控制的最终目的是实现对机床工作台或刀具的位置控制，所采取的一切措施都是为了保证进给运动的位置精度。

3.辅助功能控制

数控装置对加工程序处理后输出的控制信号，除了对主运动和进给运动轨迹进行控制外，还要对机床的各种状态进行控制。这些状态包括冷却和润滑装置的启动和停止、刀具自动交换、工件夹紧和放松及分度工作台转位等。