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數控車床簡介

一、數控機床的產生

    數控車床(Numerical Control Machine Tools)是用數字代碼形式的信息    (程序指令)，控制刀具按給定的工作程序、運動速度和軌跡進行自動加工的機床，簡稱數控機床。

    數控機床是在機械制造技術和控制技術的基礎上發展起來的，其過程大致如下：

    1948年，美國帕森斯公司接受美國空軍委托，研制直升飛機螺旋槳葉片輪廓檢驗用樣板的加工設備。由于樣板形狀復雜多樣，精度要求高，一般加工設備難以適應，于是提出采用數字脈沖控制機床的設想。

    1949年，該公司與美國麻省理工學院(MIT)開始共同研究，并于1952年試制成功第一臺三坐標數控銑床，當時的數控裝置采用電子管元件。

    1959年，數控裝置采用了晶體管元件和印刷電路板，出現帶自動換刀裝置的數控機床，稱為加工中心( MC Machining Center)，使數控裝置進入了第二代。，

    1965年，出現了第三代的集成電路數控裝置，不僅體積小，功率消耗少，且可靠性提高，價格進一步下降，促進了數控機床品種和產量的發展。

    60年代末，先后出現了由一臺計算機直接控制多臺機床的直接數控系統(簡稱 DNC)，又稱群控系統；采用小型計算機控制的計算機數控系統(簡稱 CNC)，使數控裝置進入了以小型計算機化為特征的第四代。

    1974年，研制成功使用微處理器和半導體存貯器的微型計算機數控裝置(簡稱 MNC)，這是第五代數控系統。

    20世紀80年代初，隨著計算機軟、硬件技術的發展，出現了能進行人機對話式自動編制程序的數控裝置；數控裝置愈趨小型化，可以直接安裝在機床上；數控機床的自動化程度進一步提高，具有自動監控刀具破損和自動檢測工件等功能。

    20世紀90年代后期，出現了PC+CNC智能數控系統，即以PC機為控制系統的硬件部分，在PC機上安裝NC軟件系統，此種方式系統維護方便，易于實現網絡化制造。

二、數控機床特點

1、數控車床與普通機床的區別

    數控機床對零件的加工過程，是嚴格按照加工程序所規定的參數及動作執行的。它是一種高效能自動或半自動機床，與普通機床相比，具有以下明顯特點：

（1）適合于復雜異形零件的加工

    數控機床可以完成普通機床難以完成或根本不能加工的復雜零件的加工，因此在宇航、造船、模具等加工業中得到廣泛應用。

    ◆ 加工精度高

    ◆ 加工穩定可靠

    實現計算機控制，排除人為誤差，零件的加工一致性好，質量穩定可靠。

    ◆ 高柔性

    加工對象改變時，一般只需要更改數控程序，體現出很好的適應性，可大大節省生產準備時間。在數控機床的基礎上，可以組成具有更高柔性的自動化制造系統—FMS。

    ◆ 高生產率

    數控車床本身的精度高、剛性大，可選擇有利的加工用量，生產率高，一般為普通機床的 3～5 倍，對某些復雜零件的加工，生產效率可以提高十幾倍甚至幾十倍。

    ◆ 勞動條件好

機床自動化程度高，操作人員勞動強度大大降低，工作環境較好。

    ◆ 有利于管理現代化

采用數控機床有利于向計算機控制與管理生產方面發展，為實現生產過程自動化創造了條件。

2、數控機床的適用范圍

    由于數控機床的上述特點，適用于數控加工的零件有：

  （1）批量小而又多次重復生產的零件；

  （2）幾何形狀復雜的零件；

3. 貴重零件加工；

4. 需要全部檢驗的零件；

5. 試制件。

三、數控機床與數控系統的組成

1、數控系統組成

（1）操作面板

  a. 它是操作人員與數控裝置進行信息交流的工具。

  b. 組成：按鈕站、狀態燈、按鍵陣列（功能與計算機鍵盤一樣）和顯示器。

  c. 它是數控機床特有部件。

（2）控制介質與輸入輸出設備

  a. 控制介質是記錄零件加工程序的媒介

  b. 輸入輸出設備是CNC系統與外部設備進行交互裝置。交互的信息通常是零件加工程序。即將編制好的記錄在控制介質上的零件加工程序輸入CNC系統或將調試好了的零件加工程序通過輸出設備存放或記錄在相應的控制介質上。

  c. 現代的數控系統除采用輸入輸出設備進行信息交換外，一般都具有用通訊方式進行信息交換的能力。它們是實現CAD/CAM的集成、FMS和CIMS的基本技術。采用的方式有：

  d. 串行通訊（RS-232等串口）、

  e. 自動控制專用接口和規范（DNC方式，MAP協議等）

  f. 網絡技術（internet，LAN）等

(3) CNC裝置(CNC單元)

  a. 組成：計算機系統、位置控制板、PLC接口板，通訊接口板、特殊功能模塊以及相應的控制軟件。

  b. 作用：根據輸入的零件加工程序進行相應的處理（如運動軌跡處理、機床輸入輸出處理等），然后輸出控制命令到相應的執行部件(伺服單元、驅動裝置和PLC 等)，所有這些工作是由CNC裝置內硬件和軟件協調配合，合理組織，使整個系統有條不紊地進行工作的。CNC裝置是CNC系統的核心

(4) 伺服單元、驅動裝置和測量裝置

  a. 伺服單元和驅動裝置

  b. 主軸伺服驅動裝置和主軸電機

  c. 進給伺服驅動裝置和進給電機

 測量裝置

  a. 位置和速度測量裝置。以實現進給伺服系統的閉環控制。

  b. 作用 保證靈敏、準確地跟蹤CNC裝置指令：

  c. 進給運動指令：實現零件加工的成形運動（速度和位置控制）。

  d. 主軸運動指令，實現零件加工的切削運動（速度控制）

(5) PLC、機床I/O電路和裝置

  a. PLC (Programmable Logic Controller)：用于完成與邏輯運算有關順序動作的I/O控制，它由硬件和軟件組成；

  b. 機床I/O電路和裝置：實現I/O控制的執行部件(由繼電器、電磁閥、行程開關、接觸器等組成的邏輯電路；

  c. 功能：

    接受CNC的M、S、T指令，對其進行譯碼并轉換成對應的控制信號，控制輔助裝置完成機床相應的開關動作

   接受操作面板和機床側的I/O信號，送給CNC裝置，經其處理后，輸出指令控制CNC系統的工作狀態和機床的動作。

2、數控機床機械部分：

   數控機床的主體，是實現制造加工的執行部件。

組成： 由主運動部件、進給運動部件（工作臺、拖板以及相應的傳動機構）、支承件（立柱、床身等）以及特殊裝置（刀具自動交換系統工件自動交換系統）和輔助裝置（如排屑裝置等）。

四、數控機床的分類

1、按加工方式和工藝用途分類

（1）普通數控車床

    普通數控機床一般指在加工工藝過程中的一個工序上實現數字控制的自動化機床，如數控銑床、數控車床、數控鉆床、數控磨床與數控齒輪加工機床等。普通數控機床在自動化程度上還不夠完善，刀具的更換與零件的裝夾仍需人工來完成。

（2）加工中心

    加工中心是帶有刀庫和自動換刀裝置的數控機床，它將數控銑床、數控鏜床、數控鉆床的功能組合在一起，零件在一次裝夾后，可以將其大部分加工面進行銑、鏜、鉆、擴、鉸及攻螺紋等多工序加工。由于加工中心能有效地避免由于多次安裝造成的定位誤差，所以它適用于產品更換頻繁、零件形狀復雜、精度要求高、生產批量不大而生產周期短的產品。

2、按運動方式分類

（1）點位控制數控機床

    如圖1所示，點位控制是指數控系統只控制刀具或工作臺從一點移至另一點的準確定位，然后進行定點加工，而點與點之間的路徑不需控制。采用這類控制的有數控鉆床、數控鏜床和數控坐標鏜床等。

圖1 點位控制加工示意圖

圖2 點位直線控制加工示意圖

（2）點位直線控制數控機床

    如圖2所示，點位直線控制是指數控系統除控制直線軌跡的起點和終點的準確定位外，還要控制在這兩點之間以指定的進給速度進行直線切削。采用這類控制的有數控銑床、數控車床和數控磨床等。

圖3 輪廓控制加工示意圖

（3）輪廓控制數控機床

    亦稱連續軌跡控制，如圖3所示，能夠連續控制兩個或兩個以上坐標方向的聯合運動。為了使刀具按規定的軌跡加工工件的曲線輪廓，數控裝置具有插補運算的功能，使刀具的運動軌跡以小的誤差逼近規定的輪廓曲線，并協調各坐標方向的運動速度，以便在切削過程中始終保持規定的進給速度。采用這類控制的有數控銑床、數控車床、數控磨床和加工中心等。

3、按控制方式分類

（1） 開環控制系統

    開環控制系統是指不帶反饋裝置的控制系統，由步進電機驅動線路和步進電機組成，如圖4所示。數控裝置經過控制運算發出脈沖信號，每一脈沖信號使步進電機轉動一定的角度，通過滾珠絲杠推動工作臺移動一定的距離。

圖4 開環控制

這種伺服機構比較簡單，工作穩定，容易掌握使用，但精度和速度的提高受到限制。

（2）半閉環控制系統

    如圖5所示，半閉環控制系統是在開環控制系統的伺服機構中裝有角位移檢測裝置，通過檢測伺服機構的滾珠絲杠轉角間接檢測移動部件的位移，然后反饋到數控裝置的比較器中，與輸入原指令位移值進行比較，用比較后的差值進行控制，使移動部件補充位移，直到差值消除為止的控制系統。

圖5 半閉環控制

這種伺服機構所能達到的精度、速度和動態特性優于開環伺服機構，為大多數中小型數控機床所采用。

（3）閉環控制系統

    如圖6所示，閉環控制系統是在機床移動部件位置上直接裝有直線位置檢測裝置，將檢測到的實際位移反饋到數控裝置的比較器中，與輸入的原指令位移值進行比較，用比較后的差值控制移動部件作補充位移，直到差值消除時才停止移動，達到精確定位的控制系統。

圖6 閉環控制

環控制，但結構比較復雜，調試維修的難度較大，常用于閉環控制系統的定位精度高于半閉高精度和大型數控機床。

4、按聯動軸數分類

    數控系統控制幾個坐標軸按需要的函數關系同時協調運動，稱為坐標聯動，按照聯動軸數可以分為：

（1）兩軸聯動

    數控機床能同時控制兩個坐標軸聯動，適于數控車床加工旋轉曲面或數控銑床銑削平面輪廓。

（2）兩軸半聯動

    軸可以在兩軸的基礎上增加了Z軸的移動，當機床坐標系的X、Y軸固定時，Z作周期性進給。兩軸半聯動加工可以實現分層加工。

（3）三軸聯動

數控機床能同時控制三個坐標軸的聯動，用于一般曲面的加工，一般的型腔模具均可以用三軸加工完成。

（4）多坐標聯動

    數控機床能同時控制四個以上坐標軸的聯動。多坐標數控機床的結構復雜，精度要求高、程序編制復雜，適于加工形狀復雜的零件，如葉輪葉片類零件。

    通常三軸機床可以實現二軸、二軸半、三軸加工；五軸機床也可以只用到三軸聯動加工，而其他兩軸不聯動。

                    泰安市海特機器制造有限責任公司  技術中心  供稿

                                                    2010年1月26日