数控车床简介

一、数控机床的产生

    数控车床(Numerical Control Machine Tools)是用数字代码形式的信息    (程序指令)，控制刀具按给定的工作程序、运动速度和轨迹进行自动加工的机床，简称数控机床。

    数控机床是在机械制造技术和控制技术的基础上发展起来的，其过程大致如下：

    1948年，美国帕森斯公司接受美国空军委托，研制直升飞机螺旋桨叶片轮廓检验用样板的加工设备。由于样板形状复杂多样，精度要求高，一般加工设备难以适应，于是提出采用数字脉冲控制机床的设想。

    1949年，该公司与美国麻省理工学院(MIT)开始共同研究，并于1952年试制成功第一台三坐标数控铣床，当时的数控装置采用电子管元件。

    1959年，数控装置采用了晶体管元件和印刷电路板，出现带自动换刀装置的数控机床，称为加工中心( MC Machining Center)，使数控装置进入了第二代。，

    1965年，出现了第三代的集成电路数控装置，不仅体积小，功率消耗少，且可靠性提高，价格进一步下降，促进了数控机床品种和产量的发展。

    60年代末，先后出现了由一台计算机直接控制多台机床的直接数控系统(简称 DNC)，又称群控系统；采用小型计算机控制的计算机数控系统(简称 CNC)，使数控装置进入了以小型计算机化为特征的第四代。

    1974年，研制成功使用微处理器和半导体存贮器的微型计算机数控装置(简称 MNC)，这是第五代数控系统。

    20世纪80年代初，随着计算机软、硬件技术的发展，出现了能进行人机对话式自动编制程序的数控装置；数控装置愈趋小型化，可以直接安装在机床上；数控机床的自动化程度进一步提高，具有自动监控刀具破损和自动检测工件等功能。

    20世纪90年代后期，出现了PC+CNC智能数控系统，即以PC机为控制系统的硬件部分，在PC机上安装NC软件系统，此种方式系统维护方便，易于实现网络化制造。

二、数控机床特点

1、数控车床与普通机床的区别

    数控机床对零件的加工过程，是严格按照加工程序所规定的参数及动作执行的。它是一种高效能自动或半自动机床，与普通机床相比，具有以下明显特点：

（1）适合于复杂异形零件的加工

    数控机床可以完成普通机床难以完成或根本不能加工的复杂零件的加工，因此在宇航、造船、模具等加工业中得到广泛应用。

    ◆ 加工精度高

    ◆ 加工稳定可靠

    实现计算机控制，排除人为误差，零件的加工一致性好，质量稳定可靠。

    ◆ 高柔性

    加工对象改变时，一般只需要更改数控程序，体现出很好的适应性，可大大节省生产准备时间。在数控机床的基础上，可以组成具有更高柔性的自动化制造系统—FMS。

    ◆ 高生产率

    数控车床本身的精度高、刚性大，可选择有利的加工用量，生产率高，一般为普通机床的 3～5 倍，对某些复杂零件的加工，生产效率可以提高十几倍甚至几十倍。

    ◆ 劳动条件好

机床自动化程度高，操作人员劳动强度大大降低，工作环境较好。

    ◆ 有利于管理现代化

采用数控机床有利于向计算机控制与管理生产方面发展，为实现生产过程自动化创造了条件。

2、数控机床的适用范围

    由于数控机床的上述特点，适用于数控加工的零件有：

  （1）批量小而又多次重复生产的零件；

  （2）几何形状复杂的零件；

3. 贵重零件加工；

4. 需要全部检验的零件；

5. 试制件。

三、数控机床与数控系统的组成

1、数控系统组成

（1）操作面板

  a. 它是操作人员与数控装置进行信息交流的工具。

  b. 组成：按钮站、状态灯、按键阵列（功能与计算机键盘一样）和显示器。

  c. 它是数控机床特有部件。

（2）控制介质与输入输出设备

  a. 控制介质是记录零件加工程序的媒介

  b. 输入输出设备是CNC系统与外部设备进行交互装置。交互的信息通常是零件加工程序。即将编制好的记录在控制介质上的零件加工程序输入CNC系统或将调试好了的零件加工程序通过输出设备存放或记录在相应的控制介质上。

  c. 现代的数控系统除采用输入输出设备进行信息交换外，一般都具有用通讯方式进行信息交换的能力。它们是实现CAD/CAM的集成、FMS和CIMS的基本技术。采用的方式有：

  d. 串行通讯（RS-232等串口）、

  e. 自动控制专用接口和规范（DNC方式，MAP协议等）

  f. 网络技术（internet，LAN）等

(3) CNC装置(CNC单元)

  a. 组成：计算机系统、位置控制板、PLC接口板，通讯接口板、特殊功能模块以及相应的控制软件。

  b. 作用：根据输入的零件加工程序进行相应的处理（如运动轨迹处理、机床输入输出处理等），然后输出控制命令到相应的执行部件(伺服单元、驱动装置和PLC 等)，所有这些工作是由CNC装置内硬件和软件协调配合，合理组织，使整个系统有条不紊地进行工作的。CNC装置是CNC系统的核心

(4) 伺服单元、驱动装置和测量装置

  a. 伺服单元和驱动装置

  b. 主轴伺服驱动装置和主轴电机

  c. 进给伺服驱动装置和进给电机

 测量装置

  a. 位置和速度测量装置。以实现进给伺服系统的闭环控制。

  b. 作用 保证灵敏、准确地跟踪CNC装置指令：

  c. 进给运动指令：实现零件加工的成形运动（速度和位置控制）。

  d. 主轴运动指令，实现零件加工的切削运动（速度控制）

(5) PLC、机床I/O电路和装置

  a. PLC (Programmable Logic Controller)：用于完成与逻辑运算有关顺序动作的I/O控制，它由硬件和软件组成；

  b. 机床I/O电路和装置：实现I/O控制的执行部件(由继电器、电磁阀、行程开关、接触器等组成的逻辑电路；

  c. 功能：

    接受CNC的M、S、T指令，对其进行译码并转换成对应的控制信号，控制辅助装置完成机床相应的开关动作

   接受操作面板和机床侧的I/O信号，送给CNC装置，经其处理后，输出指令控制CNC系统的工作状态和机床的动作。

2、数控机床机械部分：

   数控机床的主体，是实现制造加工的执行部件。

组成： 由主运动部件、进给运动部件（工作台、拖板以及相应的传动机构）、支承件（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）。

四、数控机床的分类

1、按加工方式和工艺用途分类

（1）普通数控车床

    普通数控机床一般指在加工工艺过程中的一个工序上实现数字控制的自动化机床，如数控铣床、数控车床、数控钻床、数控磨床与数控齿轮加工机床等。普通数控机床在自动化程度上还不够完善，刀具的更换与零件的装夹仍需人工来完成。

（2）加工中心

    加工中心是带有刀库和自动换刀装置的数控机床，它将数控铣床、数控镗床、数控钻床的功能组合在一起，零件在一次装夹后，可以将其大部分加工面进行铣、镗、钻、扩、铰及攻螺纹等多工序加工。由于加工中心能有效地避免由于多次安装造成的定位误差，所以它适用于产品更换频繁、零件形状复杂、精度要求高、生产批量不大而生产周期短的产品。

2、按运动方式分类

（1）点位控制数控机床

    如图1所示，点位控制是指数控系统只控制刀具或工作台从一点移至另一点的准确定位，然后进行定点加工，而点与点之间的路径不需控制。采用这类控制的有数控钻床、数控镗床和数控坐标镗床等。

图1 点位控制加工示意图

图2 点位直线控制加工示意图

（2）点位直线控制数控机床

    如图2所示，点位直线控制是指数控系统除控制直线轨迹的起点和终点的准确定位外，还要控制在这两点之间以指定的进给速度进行直线切削。采用这类控制的有数控铣床、数控车床和数控磨床等。

图3 轮廓控制加工示意图

（3）轮廓控制数控机床

    亦称连续轨迹控制，如图3所示，能够连续控制两个或两个以上坐标方向的联合运动。为了使刀具按规定的轨迹加工工件的曲线轮廓，数控装置具有插补运算的功能，使刀具的运动轨迹以小的误差逼近规定的轮廓曲线，并协调各坐标方向的运动速度，以便在切削过程中始终保持规定的进给速度。采用这类控制的有数控铣床、数控车床、数控磨床和加工中心等。

3、按控制方式分类

（1） 开环控制系统

    开环控制系统是指不带反馈装置的控制系统，由步进电机驱动线路和步进电机组成，如图4所示。数控装置经过控制运算发出脉冲信号，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。

图4 开环控制

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。

（2）半闭环控制系统

    如图5所示，半闭环控制系统是在开环控制系统的伺服机构中装有角位移检测装置，通过检测伺服机构的滚珠丝杠转角间接检测移动部件的位移，然后反馈到数控装置的比较器中，与输入原指令位移值进行比较，用比较后的差值进行控制，使移动部件补充位移，直到差值消除为止的控制系统。

图5 半闭环控制

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。

（3）闭环控制系统

    如图6所示，闭环控制系统是在机床移动部件位置上直接装有直线位置检测装置，将检测到的实际位移反馈到数控装置的比较器中，与输入的原指令位移值进行比较，用比较后的差值控制移动部件作补充位移，直到差值消除时才停止移动，达到精确定位的控制系统。

图6 闭环控制

环控制，但结构比较复杂，调试维修的难度较大，常用于闭环控制系统的定位精度高于半闭高精度和大型数控机床。

4、按联动轴数分类

    数控系统控制几个坐标轴按需要的函数关系同时协调运动，称为坐标联动，按照联动轴数可以分为：

（1）两轴联动

    数控机床能同时控制两个坐标轴联动，适于数控车床加工旋转曲面或数控铣床铣削平面轮廓。

（2）两轴半联动

    轴可以在两轴的基础上增加了Z轴的移动，当机床坐标系的X、Y轴固定时，Z作周期性进给。两轴半联动加工可以实现分层加工。

（3）三轴联动

数控机床能同时控制三个坐标轴的联动，用于一般曲面的加工，一般的型腔模具均可以用三轴加工完成。

（4）多坐标联动

    数控机床能同时控制四个以上坐标轴的联动。多坐标数控机床的结构复杂，精度要求高、程序编制复杂，适于加工形状复杂的零件，如叶轮叶片类零件。

    通常三轴机床可以实现二轴、二轴半、三轴加工；五轴机床也可以只用到三轴联动加工，而其他两轴不联动。

                    泰安市海特机器制造有限责任公司  技术中心  供稿

                                                    2010年1月26日