数控机床的加工原理

1．  数控机床及其坐标系

用数字化信息进行控制的技术称为数字控制技术；装备了数控系统，能应用数字控制技术进行加工的机床称为数控机床。数控机床按用途分为普通数控机床和加工中心两大类。普通数控机床与传统的通用机床品种一样，有数控车床、数控铣床、数控钻床、数控磨床等。它们的工艺范围和普通机床相似，但更适合于加工形状复杂的工件。加工中心是带有刀库和自动换刀机械手，有些还配备托盘交换装置的数控机床。加工中心可在一次装夹后，完成工件的镗、铣、钻、扩、铰及攻螺纹等多种加工。

数控机床的加工原理框图如图3-57所示。首先把加工过程所需的几何信息和工艺信息用数字量表示出来，用规定的代码和形式编制出数控加工程序,然后用适当的方式将此加工程序输入到数控装置。数控装置对输入信息进行处理与运算后，将结果输送到机床的伺服系统，控制机床运动部件按预定的轨迹和速度运动。信息输入、数控装置、伺服系统和机床本体是数控机床的四个基本组成部分。

在数控机床中，机床直线运动的坐标轴按照ISO841和我国的JB3051-82标准，规定为右手直角笛卡尔坐标系。 、 、 的正方向是使工件尺寸增加的方向，即增大工件和刀具间距离的方向。通常以平行于主轴的坐标为 轴， 轴平行于工件的主要装夹面且与 轴垂直， 轴按右手笛卡尔坐标系确定。三个回转运动A、B、C分别表示回转轴线平行于 、 、 的旋转或摆动运动。其正方向分别用右手螺旋法则判定， 数控机床的坐标系如图3-58所示。

上述 、 、 坐标的正向都是在工件不动，刀具移动的情况下规定的，如果工件移动，则以 、 、 表示，其正向与 、 、 坐标的正向相反。数控机床在加工过程中不同坐标轴之间可以联动，所谓联动是指机床可在各坐标轴方向按一定的速度和轨迹同时独立运动，它们的合成运动速度及轨迹符合预先规定的加工要求。

2．  数控机床的数控装置

 数控机床早期的数控装置使用专用计算机，称为（普通）数控（NC）。随着计算机技术的发展，目前数控装置采用的是通用计算机，称为计算机数控（CNC）。CNC装置是数控机床的控制中心，由它接收和处理输入信息，并将处理结果通过接口输出，对机床进行控制。

数控机床数控系统的组成如图3-59所示，图中点划线框内的部分构成CNC装置。它由CPU、存储器（EPROM、RAM）、定时器、中断控制器所构成的微机基本系统及各种输出输入接口所组成。CNC装置的主要功能为：

（1）功能控制  控制机床冷却液供给、主轴电机开停、调速以及换刀等功能。

（2）位置控制  控制刀具与工件的相对运动位置或轨迹。

（3）信号处理  对系统运行过程中得到的机床状态信号（如刀具到位信号、工作台超程信号等）进行分析处理，使系统作出相应的反应，如工作台超程保护器报警等。

把计算机应用于机床数控系统是数控机床发展史上一个重要里程碑。高性能的计算机数控系统可同时控制多个轴，并可对刀具磨损、破损和机床加工振动等进行实时监测和处理，还可对机床主轴转速、进给量等加工艺参数进行实时优化控制。

3．  数控机床的进给伺服系统

 数控机床的进给伺服系统由伺服驱动电路、伺服驱动装置，机械传动机构及执行部件组成。它的作用是接受数控装置发出的进给速度和位移指令信号，由伺服驱动电路作数模转换和功率放大后，经伺服驱动装置（例如伺服电动机、电液脉冲伺服马达等）和机械传动机构（例如滚珠丝杠等）驱动机床的执行机构（例如工作台、刀架、主轴箱等），以某一确定的速度、方向和位移量，沿机床坐标轴移动，实现加工过程的自动循环。

数控机床的进给伺服系统按位置检测和反馈方式的不同分为以下两类：

（1）开环伺服系统  

开环伺服系统的结构如图3-60所示，该系统不带反馈检测装置，数控装置发出的指令信号是单向的。这种系统一般用功率步进电动机作伺服驱动装置。当需要在机床某个坐标轴方向运动一个基本长度单位时，数控装置向该轴伺服进给系统输出一个控制脉冲，经伺服驱动电路进行脉冲分配和功率放大后，驱动步进电机转动一步，通过机械传动机构使机床工作台运动一个基本长度单位。该系统因无位置反馈，所以定位精度不高，一般只能达到 。它的优点是：控制系统结构简单，工作稳定，调试维修方便，价格低廉。主要用于精度要求不高的中小型机床。

（2）闭环伺服系统  图3-61为典型的闭环伺服系统。它由比较器、伺服驱动电路、伺服电机、位置检测器等组成。该系统将检测到的实际位移反馈到比较器中进行比较，由比较后的差值控制移动部件，进行误差修正，直到位置误差消除为止。采用闭环伺服系统可以消除由于机械传动部件的运动误差给位移精度带来的影响，定位精度可达 。由于直接测量工作台等移动部件位移量的测量装置价格较高，安装及调整都比较复杂且不易保养，故这种全闭环伺服系统只应用于精度要求很高的镗铣加工中心、超精密车床、超精密磨床等；目前大多数数控机床的检测反馈信号是从伺服电动机轴或滚珠丝杠上取得的。这种反馈信号取自电动机轴或滚珠丝杠，而不是取自机床终端运动部件的闭环系统称为半闭环系统（图3-61中虚线部分）。半闭环系统中的转角测量比较容易实现，但由于后续传动链（由丝杠到机床终端运动部件）误差的影响，其定位精度比闭环系统差。伺服电动机轴或滚珠丝杠的转角一般使用脉冲编码器检测。

数控机床的加工原理信息由思诚资源网提供，机床附件首选思诚资源网。