數控車床簡介

一、數（shù）控機床的產生

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

    數控機床是在機械（xiè）製造技術和控製技術（shù）的基礎上發展起來（lái）的，其（qí）過（guò）程大致如下：

    1948年，美國帕森斯公司接受美國空軍委托（tuō），研製直升飛機螺旋槳葉片輪廓檢驗用樣板的加工設備。由於樣板形狀複雜多樣，精度要求高，一般（bān）加工（gōng）設（shè）備難以適應（yīng），於是提出采（cǎi）用數字脈（mò）衝（chōng）控（kòng）製機床的設想。

    1949年，該公司與美（měi）國麻（má）省理工（gōng）學院(MIT)開始（shǐ）共同研究，並於1952年試製成功第一台三坐標數控銑床，當時的數控（kòng）裝置采用電子管元件。

    1959年，數控裝（zhuāng）置采（cǎi）用了（le）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（shù）控裝置進入了第二代。，

    1965年，出現了第三（sān）代的集成電路數控裝置，不僅體積小，功率消耗少，且（qiě）可（kě）靠性提高（gāo），價格進一步下降，促進（jìn）了數控機床品種和產量的發展。

    60年代（dài）末，先後出現了由一台（tái）計算機直接控製多台（tái）機（jī）床的直接數控係統(簡稱（chēng） DNC)，又稱群控係統；采（cǎi）用小型計算機控製的計算機數控係統(簡稱（chēng） CNC)，使數控裝（zhuāng）置進入了以小型計算機（jī）化為特征的第（dì）四代。

    1974年，研製成功使用微處理器和半導體存貯器的微型計（jì）算機（jī）數控裝置(簡稱 MNC)，這是第五（wǔ）代數控係統。

    20世（shì）紀80年代（dài）初，隨（suí）著計算機（jī）軟、硬件技術（shù）的發展，出現了能進行人機對話式自動編製程序的數控裝置；數控裝置愈趨小（xiǎo）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（cè）工件等功能。

    20世紀90年代後期，出現了PC+CNC智能數控係統，即以PC機為（wéi）控製係統的硬件（jiàn）部分，在PC機上安裝NC軟件係統，此種方式係統維護方便，易於實現網絡化（huà）製造。

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（chéng），是嚴格按照加工程序所規定的參數（shù）及動作執行的。它是一種高效能自動（dòng）或半自動機床，與普通機床相比，具有以（yǐ）下明顯特點（diǎn）：

（1）適合於複雜異形零件的加工

    數控機床可以（yǐ）完成普通（tōng）機床難以完成或根本不能加工的複（fù）雜零件的加工，因此在宇（yǔ）航、造船、模具等加工業中得到廣（guǎng）泛應用。

    ◆ 加（jiā）工精度高

    ◆ 加（jiā）工穩定可靠

    實（shí）現計算機控製，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（jiā）工對象改變時，一般隻需要更改數控程序（xù），體現出（chū）很好（hǎo）的適應性，可（kě）大大節省生產準備時間。在數控（kòng）機床的基礎上，可以（yǐ）組成具有更高柔性的自動化（huà）製造係統—FMS。

    ◆ 高（gāo）生產率

    數控車床本身的精度高、剛性大，可選擇（zé）有利（lì）的加工用量，生產（chǎn）率高，一（yī）般為普通機（jī）床的 3～5 倍，對（duì）某些複雜零件的加工，生產效率可以提高十幾倍甚至（zhì）幾十倍。

    ◆ 勞動條件好

機床自動化程度（dù）高，操（cāo）作人員勞（láo）動強度大大降低，工作環境較好。

    ◆ 有利於管理現代化

采用（yòng）數控機（jī）床有利於向計（jì）算機控製（zhì）與管理生產方麵發展（zhǎn），為實（shí）現生產過程自動化創造了條（tiáo）件。

2、數控機床的適用範圍（wéi）

    由於數控（kòng）機床的上述特（tè）點，適用於數控加工的零件有：

  （1）批量小而又多次重複生產的零件；

  （2）幾何形狀複雜的零件；

3. 貴重零件加工；

4. 需要全部檢驗的零件；

5. 試製件。

三、數控機床與數控係統的組成

1、數（shù）控係統組成

（1）操作麵板

  a. 它（tā）是操（cāo）作人員與數控裝置進行信息交流的工具（jù）。

  b. 組成：按鈕站、狀態燈、按（àn）鍵陣列（功能與（yǔ）計算機鍵盤一樣）和顯示器。

  c. 它是數（shù）控機床（chuáng）特有部件。

（2）控製介質與輸入（rù）輸出設備

  a. 控製介質是記錄零件加工程序的（de）媒介

  b. 輸入（rù）輸出設備（bèi）是CNC係統（tǒng）與外部設備進行交互裝置。交互的（de）信息通常是零件加工程序（xù）。即將編（biān）製好的記（jì）錄在控製介質上的零件加工程序輸（shū）入CNC係統或將調試（shì）好了的零件加（jiā）工程序通過輸（shū）出設備存放或記錄在相應的控製介質上。

  c. 現代的數控係統除采用輸入輸出設備進行信息交換（huàn）外，一般都具有用通訊方式進行信息交（jiāo）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（fāng）式有：

  d. 串行通訊（RS-232等串口（kǒu））、

  e. 自動控（kòng）製專用接口和（hé）規（guī）範（DNC方式（shì），MAP協議等）

  f. 網絡技術（shù）（internet，LAN）等

(3) CNC裝置（zhì）(CNC單元)

  a. 組成：計算機係（xì）統、位置控（kòng）製板、PLC接口板，通訊接口板、特殊功（gōng）能模塊以及相應的控製軟件。

  b. 作用：根（gēn）據輸入的零件（jiàn）加工程序進（jìn）行相應的處理（如運動軌跡處理、機床輸入輸出處理（lǐ）等），然後輸出控製命令（lìng）到相應的執行部件（jiàn）(伺服單元、驅動裝置和PLC 等)，所有這些工作是由（yóu）CNC裝置內硬件和軟件協調配合，合理組織，使（shǐ）整（zhěng）個係統有條（tiáo）不紊地進行工作的。CNC裝（zhuāng）置是CNC係統的（de）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（wèi）置和速度測量裝置。以實現進給伺服係統（tǒng）的閉環控製。

  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（速度和位置控製）。

  d. 主軸運動指令，實現零件加工的切削運（yùn）動（速度控製）

(5) PLC、機床I/O電路和裝置

  a. PLC (Programmable Logic Controller)：用於完成與邏輯運算有關順序動作的I/O控製，它由（yóu）硬（yìng）件和軟件組成；

  b. 機床I/O電路（lù）和裝（zhuāng）置：實（shí）現I/O控製的執行部件(由繼電器、電磁閥、行程（chéng）開關、接觸（chù）器等組成的邏輯電路；

  c. 功能：

    接（jiē）受CNC的M、S、T指令，對（duì）其進行譯碼（mǎ）並轉換成對應的（de）控製信號，控（kòng）製輔（fǔ）助裝置完成機床相應的開關動作

   接（jiē）受操作麵板（bǎn）和機床側的I/O信號，送給CNC裝置，經其處理後，輸出指令控（kòng）製CNC係統的工作狀態和機床的動作。

2、數（shù）控機床機械部分：

   數控機床的主體，是實現製（zhì）造加工的（de）執行部件。

組成： 由主運動部件、進給運動部（bù）件（工作台、拖板以及（jí）相應的傳動機構（gòu））、支承件（立柱、床身等）以及特殊裝置（刀具自動交換係統工（gōng）件（jiàn）自動交換係統）和輔助裝置（如排屑裝置等）。

四、數控機（jī）床的分類（lèi）

1、按加工方式和（hé）工藝用途（tú）分類

（1）普通數控車床

    普通數控機床一般指在加工（gōng）工藝過（guò）程中的一個工序上實現數字控製的自動化機床，如數（shù）控銑床、數控車床（chuáng）、數控鑽床、數控磨床與數控齒輪（lún）加工機床等（děng）。普（pǔ）通數控機床在自動化程度上還不（bú）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（zhōng）心

    加（jiā）工（gōng）中心（xīn）是（shì）帶有刀庫和（hé）自（zì）動換刀裝置的數控機床，它將數控銑床、數控鏜床、數控（kòng）鑽（zuàn）床的功能組合在一起，零件在一次裝夾後，可以將（jiāng）其大部分加工麵進行銑、鏜、鑽、擴、鉸（jiǎo）及攻螺紋等多工序加工。由於加工中心能有效地避免由於多次安裝造（zào）成的定位誤差，所以它適（shì）用於產品更換頻繁、零件形狀複雜、精度要求高、生產（chǎn）批量不大（dà）而生產周（zhōu）期短的產品。

2、按運動方（fāng）式分（fèn）類

（1）點位控製數控機床

    如圖1所示，點位控製是指數控係統隻控製刀具或工作台從一點移至另一點的準確定位，然（rán）後進行定點加工，而點與點之間（jiān）的（de）路徑不需控製。采用這類（lèi）控製的有數控鑽床、數控（kòng）鏜床和數控坐標鏜床（chuáng）等（děng）。

圖1 點位控製加工示意圖

圖2 點位直線控製加工示意圖

（2）點（diǎn）位直線控製數控機床（chuáng）

    如圖2所示，點（diǎn）位（wèi）直線控製是指數控係統除控製直線軌跡的起點和終點的（de）準確定位外，還要控（kòng）製在這兩（liǎng）點之間以指（zhǐ）定的進給速度進行直線切削。采用這（zhè）類控製的有數控銑床、數控車床和數控磨床等。

圖3 輪廓控製（zhì）加工示意（yì）圖

（3）輪廓控製數控機床

    亦稱連續軌跡控製，如圖3所示，能夠連續控（kòng）製兩個或兩（liǎng）個以上坐標方向的聯合運動。為了（le）使刀（dāo）具按規定的軌跡（jì）加工（gōng）工件的曲線輪廓，數控裝置具有插補運算的功能，使刀具（jù）的運動（dòng）軌跡以小的誤差逼近規定的輪廓曲線，並協調各坐標方向的運動速度，以便在切削過程中（zhōng）始終（zhōng）保持規定的進給速度。采用這類控（kòng）製的有數控銑（xǐ）床、數（shù）控車床、數（shù）控磨床和加工中心等。

3、按控製方式分類

（1） 開環控製係統

    開環控製係（xì）統（tǒng）是指不帶反饋裝置的控（kòng）製係統，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（jīng）過控製運算發出（chū）脈衝信號（hào），每一脈衝信號使步進電機轉動一定（dìng）的角度，通過（guò）滾珠絲杠推動工作台移（yí）動一定的距離。

圖4 開環（huán）控製

這種伺服機構比較（jiào）簡單（dān），工作穩定，容易掌握使用，但精度和速度的提高受到限製。

（2）半閉環控製係統

    如圖5所示，半閉環控製係統是在開環控製係統的伺服機構中裝有角位移檢測（cè）裝（zhuāng）置，通過檢測伺服機構的（de）滾（gǔn）珠絲杠轉角間接檢測（cè）移（yí）動部件的位移，然後反饋到數控裝置的比較器中，與（yǔ）輸入原指令位移值進行比較，用比較後的差值進行控製，使移動部（bù）件補充（chōng）位移，直（zhí）到差值消除為止的控製係統。

圖5 半閉環控製

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

（3）閉（bì）環控製（zhì）係統

    如圖6所示，閉環控製係（xì）統是在機床移（yí）動部件位置上直接裝有直線位置檢測裝置（zhì），將檢測到的實際位移反饋到數控裝置（zhì）的比較器中，與輸入的原指令位移值進行比較，用比較後（hòu）的差值控製移動部件作補充（chōng）位移，直到（dào）差值消除時才停止移動，達到精確定位的控製係統。

圖6 閉環（huán）控製

環控製，但結構比較複雜，調試維修的（de）難度較大，常（cháng）用於閉環控製係統的定位精度（dù）高於半閉高精度和大（dà）型數控機床。

4、按聯動軸數分類

    數控係統控製（zhì）幾個坐標軸按需要的函數關係同時（shí）協（xié）調運動，稱為坐標聯動，按照（zhào）聯動軸數可以分為：

（1）兩軸聯動

    數控機床能同（tóng）時控（kòng）製兩個坐（zuò）標軸（zhóu）聯動，適於數控車床加工旋轉曲麵或（huò）數控銑床銑削平麵輪廓。

（2）兩軸（zhóu）半聯動

    軸可以在兩軸的基（jī）礎上增加了Z軸的移動（dòng），當（dāng）機床坐標係的X、Y軸固定時，Z作周期性進給。兩軸半聯動加工可以實（shí）現分層加工。

（3）三軸聯動

數控機床能同時控製三個坐標軸的聯動（dòng），用（yòng）於一般曲麵的加工，一般的型腔模具均可以（yǐ）用三軸加工完成。

（4）多坐標聯動

    數控機床能同（tóng）時控製四個以上坐標軸的聯動（dòng）。多坐標數控（kòng）機床的結構（gòu）複雜，精度要求高（gāo）、程序編製複（fù）雜，適於加工形狀複雜的零件，如葉輪葉片類零件。

    通常三（sān）軸機床可以實現二軸、二軸半、三（sān）軸加工；五軸機床也可（kě）以隻用到三軸（zhóu）聯動加工，而其他兩軸不聯動（dòng）。

                    泰安市海特機（jī）器製造有限責任公司  技術中（zhōng）心  供稿

                                                    2010年1月26日