数控车床组成原理

数控车床的工作原理和组成学习目标与要求数控车床的加工特点数控车床的控制原理与组成数控车床的控制原理数控车床的组成数控系统的主要功能主轴功能多坐标控制功能固定循环切削功能插补功能、辅助功能、刀具功能和补偿功能其它功能小结了解数控车床与普通车床相比所具有的加工特点。掌握数控车床的工作原理，各组成部分的性能和特点。了解车床数控系统所具有的基本功能和特殊功能。数控车床与普通车床相比更具特色高难度加工高精度零件加工高效率完成加工如图1-1所示口小肚大的内成型面零件，不仅在普通车床上难以加工，并且还难以检测。采用数控车床加工时，其车刀刀尖运动的轨迹由加工程序控制，“高难度加工由车床的数控功能即可方便地解决。对由非圆线或列表曲线（如流线型曲线）构成其旋转面的零件，各种非标准螺距的螺纹或变螺距螺纹等多种特殊螺旋类零件，以及表面粗糙度要求非常均匀、且Ra值又较小的变径表面类零件，都可通过车床数控系统所具有的同步运行及恒线速度等功能保证其精度要求。图1-1特殊内成型面零件复印机中的回转鼓、录像机上的磁头及激光打印机内的多面反射体等超精零件，其尺寸精度可达0.01μm，表面粗糙度值可达Ra0.02μm，这些高精度零件均可在高精度的特殊数控车床上加工完成。解说a)同时车削两个相同零件b)分别车削两个不同零件c)连续车削一批复杂零件图1-2六轴控制的数控车床加工示意为了进一步提高车削加工的效率，通过增加车床的控制坐标轴，就能在一台数控车床上同时加工出两个多工序的相同或不同的零件，也便于实现一批工序特别复杂零件车削全过程的自动化。图1-2所示为在一台六轴控制的数控车床上，有同轴线的左右两个主轴和前后配置的两个刀架，并在一台数控系统的控制之下进行各种车削加工的示意图。其中，a图表示前后两个刀架同时车削左右主轴上的两个相同零件；b图表示其两个刀架分别车削两个主轴上的不同零件；c图表示在车床左端主轴（第一主轴C1）上装夹有待车削零件的坯件（棒料），先由前置刀架车出有复杂外（内）形轮廓的右端后，通过自动送料机构（图中未画出）将其半成品件连同棒料一起转送到右主轴（第二主轴C2）定位并装夹，然后由后置刀架按所需总长要求切断。这时切断后的棒料由自动送料机将其送回左主轴上的适当位置并夹紧，再重复前述零件右端外（内）形轮廓的左端，从而实现一个复杂零件全部车削过程的不间断加工，大大提高了加工效率。数控车床的控制原理数控车床是一种高度自动化的机床，在加工工艺与加工表面形成方法上，与普通机床是基本相同的，最根本的不同在于实现自动化控制的原理与方法上。数控车床是用数字化的信息来实现自动化控制的，将与加工零件有关的信息—工件与刀具相对运动轨迹的尺寸参数（进给执行部件的进给尺寸），切削加工的工艺参数（主运动和进给运动的速度、切削深度等），以及各种辅助操作（主运动变速、刀具更换、冷却润滑液关停、工件夹紧松开等）等加工信息—用规定的文字、数字和符号组成的代码，按一定的格式编写成加工程序单，将加工程序通过控制介质输入到数控装置中，由数控装置经过分析处理后，发出各种与加工程序相对应的信号和指令控制机床进行自动加工。数控车床的数字控制的原理与过程通过下述的数控车床组成可得到更明确的说明。数控车床的组成数控车床是由数控程序及存储介质、输入输出设备、计算机数控装置、伺服系统、机床本体组成，见图1-3。图1-3CNC系统图数控程序是数控车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；刀具与零件相对运动的尺寸参数；零件加工的工艺路线或加工顺序、切削加工的工艺参数以及辅助装置的动作等。这样得到零件的所有运动、尺寸、工艺参数等加工信息，然后用标准的文字、数字和符号组成的数控代码，按规定的方法入格式，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，或者在数控车床以外用自动编程计算机系统来完成，比较先进的数控车床，可以在数控装置上直接编程。程序必须存储在某种存储介质中，如纸带、磁带或磁盘等，采用哪一种存储载体，取决于数控装置的设计类型。数控程序及存储介质输入、输出装置存储介质上记载的加工信息需要输入装置输送给机床数控系统，机床内存中的零件加工程序可以通过输出装置传送到存储介质上。输入、输出装置是机床与外部设备的接口，目前输入装置主要是有纸带阅读机、软盘驱动器、RS232C串行通信口、MDI方式等。CNC装置的数控系统CNC装置是数控加工用专用计算机，除具有一般计算机结构外，还有与数控机床功能有关的功能模块结构和接口单元。CNC装置由硬件和软件组成，软件在硬件的支持下运行，离开软件，硬件便无法工作，两者缺一不可。CNC装置的硬件主要由中央处理单元、各类存储器、输入输出接口、位置控制以及其它各类接口组成。如图1-4所示，各组成部分的作用如下：1）中央处理单元(CPU)它的作用是实施对整个系统的运算、控制和管理。2）存储器存储器是用来储存系统软件、零件加工程序以及运算的中间结果等。3）位置控制主要完成对主轴驱动的控制，以便完成速度控制；通过对伺服系统对坐标轴的运动实施控制。4）输入输出接口主要用来交换数控装置与外部之间的往来信息。5）MDI/CRT接口完成手动数据输入和将信息显示在CRT上。CNC装置硬件结构一般分为单微处理器结构和多微处理器结构。微处理器是CNC装置的核心，由于所有数控功能都由一个CPU来完成，因此CNC装置的功能受微处理器的字长、数据宽度、寻址能力和运算速度等因素的限制。图1-4数控装置硬件构成数控车床的进给伺服系统数控机床的进给传动系统常用进给伺服系统来工作，数控机床伺服系统是以机床移动部件的位置和速度为控制量的自动控制系统，又称随动系统、拖动系统或伺服系统。机床进给伺服系统，一般由位置控制、速度控制、伺服电动机、检测部件以及机械传动机构五大部分组成。但习惯上所说的进给伺服系统，只是指速度控制、伺服电动机和检测部件三部分，而且，将速度控制部分称之为伺服单元或驱动器。（1）数控车床对进给伺服系统的要求为了提高数控机床的性能，对机床进给伺服系统提出了很高的要求。由于各种数控机床所完成的加工任务不同，所以对进给伺服系统的要求也不尽相同，但大致可概括为以下几个方面：高精度，快速响应，宽调速范围，低速大转矩，好的稳定性。（2）伺服系统的类型按照伺服系统的结构特点，伺服单元或驱动器通常有四种基本结构类型：开环、闭环、半闭环及混合闭环。而在机床中应用得最为广泛的是半闭环结构，这是由于它的环路中非线性因素少，容易整定，可以比较方便地通过补偿来提高位置控制精度，而且电气控制部分与执行机械相对独立，系统通用性强。（3）数控车床的位置检测装置数控车床的位置检测装置1）位置检测装置的要求在闭环与半闭环伺服系统中，必须利用位置检测装置把机床运动部件的实际位移量随时检测出来，与给定的控制值（指令信号）进行比较，从而控制驱动系统正确运转，使工作台（或刀具）按规定的轨迹和坐标移动，位置检测装置是伺服系统的重要组成部分，它对于提高数控机床加工精度起着决定性的作用，就好象起着人的眼睛和刻度盘的作用。为此，检测元件应满足的要求是：工作可靠，抗干扰性强；满足数控机床的精度和速度要求；维护方便；成本低。2）位置检测装置的分类不同类弄的数控机床对于检测系统的精度与速度有不同的要求，一般来说，对于大型数控机床以满足速度要求为主，而对于中小型和高精度数控机床以满足精度要求为主。按常用检测装置的基本工作原理，其分类见表1-1。数字式模拟式增量式绝对式增量式绝对式旋转型脉冲编码器圆光栅编码盘旋转变压器圆感应同步器圆磁栅多极旋转变压器三速圆感应同步器直线型长光栅激光干涉仪编码尺直线感应同步器磁珊绝对值式磁尺三速感应同步器机床本体机床本体是加工运动的实际机械部件，主要包括：主运动部件，进给运动部件（如工作台、刀架）和支承部件（如床身、立柱等），还有冷却、润滑、转位部件，如夹紧、换刀机械手等辅助装置。数控车床主体通过专门设计，各个部位的性能都比普通车床优越，如结构刚性好，能适应高速和强力车削需要；精度高，可靠性好，能适应精密加工和长时间连续工作等。1．主轴数控车床主轴的回转精度，直接影响到零件的加工精度；其功率大小与回转速度，影响到加工的效率；其同步运行、自动变速及定向准停等要求，影响到车床的自动化程度。例如，主轴的径向跳动和端面跳动将直接影响到被加工零件的形状和位置精度，并且不可能通过采取其他的工艺（如补偿方法等）措施给予弥补；主轴的功率大小将影响到车床进行强力切削的性能（如受阻降速或闷车）；其同步运行则是自动加工螺纹及螺旋面零件所必须具有的功能等。2．床身及导轨数控车床的床身除了采用传统的铸造床身外，也有采用加强钢筋板或钢板焊接等结构，以减轻其结构重量，提高其刚度。数控车床床身上的导轨结构有传统的滑动导轨（金属型），也有新型的滑动导轨（贴塑导轨）。贴塑导轨的磨擦系数小，耐磨性、耐腐蚀性及吸振性好，润滑条件优越。在倾斜床身，导轨基体上粘贴塑料面后，切屑不易在导轨面上堆积，减轻了清除切屑的工作。3．机械传动机构除了部分主轴箱内的齿轮传动等机构外，数控车床已在原普通车床传动链的基础上，作了大幅度的简化，如取消了挂轮箱、进给箱、溜板箱及其绝大部分传动机构，而仅保留了纵、横进给的螺纹传动机构，并在驱动电动机至丝杆间增设了（少数车床未增设）可消除其侧隙的齿轮副。数控车床主轴变速分为有级变速、无级变速以及分段无级变速三种形式，其中有级变速仅用于经济型数控机床上，大多数数控机床均采用无级变速或分段无级变速。4．刀架刀架是自动转位刀架的简称，它是数控车床普通采用的一种最简单的自动换刀设备。由于自动转位刀架上的各种刀具不能按加工要求自动进行装、卸，故它只能属于自动换刀系统中的初级形式，不能实现真正意义上的自动换刀。刀架的基本结构形式和组合形式分别见图1-6和图1-7。5．辅助装置数控车床的辅助装置较多，除了与普通车床所配备的相同或相似的辅助装置外，数控车床还可配备对刀仪、位置检测反馈装置、自动编程系统及自动排屑装置等。图1—6基本结构形式的自动转位刀架a)四工位刀架b)转塔式刀架图1—7组合形式的自动转位刀架a)平行交错双刀架b)垂直交错双刀架开环进给伺服系统开环伺服机构，即无位置反馈的系统，是由步进电机驱动线路，和步进电机组成。每一脉冲信号使步进电机转动一定的角度，通过滚珠丝杠推动工作台移动一定的距离。这种伺服机构比较简单，工作稳定，容易掌握使用，但精度和速度的提高受到限制。如果负荷突变（如切深突增），或者脉冲频率突变（如加速、减速），则数控运动部件将可能发生“失步”现象，从而造成进给运动的速度和行程误差。故该类控制方式，仅限于精度不高、轻载负载变化不大的经济型中、小数控机床的进给传动。半闭环进给伺服系统在机床中应用得最为广泛的是半闭环结构，半闭环伺服机构是由比较线路、伺服放大线路、伺服电机、速度检测器和位置检测器组成。位置检测器装在丝杠或伺服电机端部，利用丝杠的回转角度间接测出工作台的位置。常用的伺服电机有宽调速直流电动机、宽调速交流电动机和电液伺服电机。这种伺服机构所能达到的精度、速度和动态特性优于开环伺服机构，为大多数中小型数控机床所采用。这是由于它的环路中非线性因素少，容易整定，可以比较方便地通过补偿来提高位置控制精度。其结构框图如图1-5所示。闭环进给伺服系统闭环伺服机构的工作原理和组成与半闭环伺服机构相同，只是位置检测器安装在工作台上，可直接测出工作台的实际位置，故反馈精度高于半闭环控制，但掌握调试的难度较大，常用于高精度和大型数控机床。闭环伺服机构所用伺服电机与半闭环相同，位置检测器则用长光栅、长感应同步器或长磁栅。一般来说，只在具备传动部件精密度高、性能稳定、使用过程温差变化不大的高精度数控机床上才使用全闭环伺服系统。主轴功能除对机床进行无级调速外，还具有同步进给控制、恒线速度控制及主轴最高转速控制等功能。同步进给控制在加工螺纹时，主轴的旋转与进给运动必须保持一定的同步运行关系。如车削等螺距螺纹时，主轴每旋转一周，其进给运动方向（z或x）必须严格位移一个螺距或导程。其控制方