数控机床的概述

随着科学技术的发展，机电产品日趋精密复杂。产品的精度要求越来越高、更新换代的周期也越来越短，从而促进了现代制造业的发展。尤其是宇航、军工、造船、汽车和模具加工等行业，用普通机床进行加工（精度低、效率低、劳动度大）已无法满足生产要求，从而一种新型的用数字程序控制的机床应运而生。这种机床是一种综合运用了计算机技术、自动控制、精密测量和机械设计等新技术的机电一体化典型产品。数控机床是一种装有程序控制系统（数控系统）的自动化机床。该系统能够逻辑地处理具有使用号码，或其他符号编码指令（刀具移动轨迹信息）规定的程序。具体地讲，把数字化了的刀具移动轨迹的信息输入到数控装置，经过译码、运算，从而实现控制刀具与工件相对运动，加工出所需要的零件的机床，即为数控机床。

1. 数控机床工作原理

按照零件加工的技术要求和工艺要求，编写零件的加工程序，然后将加工程序输入到数控装置，通过数控装置控制机床的主轴运动、进给运动、更换刀具，以及工件的夹紧与松开，冷却、润滑泵的开与关，使刀具、工件和其它辅助装置严格按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数进行工作，从而加工出符合图纸要求的零件。

2. 数控机床结构

数控机床主要由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体四个部分组成，如图1-1-1所示。

图1-1-1  数控机床的加工过程

1）控制介质  控制介质以指令的形式记载各种加工信息，如零件加工的工艺过程、工艺参数和刀具运动等，将这些信息输入到数控装置，控制数控机床对零件切削加工。

2）数控装置  数控装置是数控机床的核心，其功能是接受输入的加工信息，经过数控装置的系统软件和逻辑电路进行译码、运算和逻辑处理，向伺服系统发出相应的脉冲，并通过伺服系统控制机床运动部件按加工程序指令运动。

3）伺服系统  伺服系统由伺服电机和伺服驱动装置组成，通常所说数控系统是指数控装置与伺服系统的集成，因此说伺服系统是数控系统的执行系统。数控装置发出的速度和位移指令控制执行部件按进给速度和进给方向位移。每个进给运动的执行部件都配备一套伺服系统，有的伺服系统还有位置测量装置，直接或间接测量执行部件的实际位移量，并反馈给数控装置，对加工的误差进行补偿。

4）机床本体  数控机床的本体与普通机床基本类似，不同之处是数控机床结构简单、刚性好，传动系统采用滚珠丝杠代替普通机床的丝杠和齿条传动，主轴变速系统简化了齿轮箱，普遍采用变频调速和伺服控制。

二、数控机床分类

数控机床可以根据不同的方法进行分类，常用的分类方法有按数控机床加工原理分类、按数控机床运动轨迹分类和按进给伺服系统控制方式分类。

1.按数控机床加工原理分类

按数控机床加工原理可把数控机床分为普通数控机床和特种加工数控机床。

1）普通数控机床  如数控车床、数控铣床、加工中心、车削中心等各种普通数控机床，其加工原理是用切削刀具对零件进行切削加工。

2）特种加工数控机床  如线切割数控机床，对硬度很高的工件进行切割加工；如电火花成型加工数控机床，采用电火花原理对工件的形腔进行加工。

2.按数控机床运动轨迹分类

数控机床运动轨迹主要有三种形式：点位控制运动、直线控制运动和连续控制运动。

1）点位控制运动  点位控制运动指刀具相对工件的点定位，一般对刀具运动轨迹无特殊要求，为提高生产效率和保证定位精度，机床设定快速进给，临近终点时自动降速，从而减少运动部件因惯性而引起的定位误差。

2）直线控制运动  直线控制运动指刀具或工作台以给定的速度按直线运动。

3）连续控制运动  连续控制运动也称为轮廓控制运动，指刀具或工作台按工件的轮廓轨迹运动，运动轨迹为任意方向的直线、圆弧、抛物线或其它函数关系的曲线。这种数控系统有一个轨迹插补器，根据运动轨迹和速度精确计算并控制各个伺服电机沿轨迹运动。

3．按进给伺服系统控制方式分类

由数控装置发出脉冲或电压信号，通过伺服系统控制机床各运动部件运动。数控机床按进给伺服系统控制方式分类有三种形式：开环控制系统、闭环控制系统和半闭环控制系统。

1）开环控制系统  这种控制系统采用步进电机，无位置测量元件，输入数据经过数控系统运算，输出指令脉冲控制步进电机工作，如图1-1-2所示，这种控制方式对执行机构不检测，无反馈控制信号，因此称之为开环控制系统。开环控制系统的设备成本低，调试方便，操作简单，但控制精度低，工作速度受到步进电机的限制。

图1-1-2  开环控制系统　

2）闭环控制系统  这种控制系统绝大多数采用伺服电机，有位置测量元件和位置比较电路。如图1-1-3所示，测量元件安装在工作台上，测出工作台的实际位移值反馈给数控装置。位置比较电路将测量元件反馈的工作台实际位移值与指令的位移值相比较，用比较的误差值控制伺服电机工作，直至到达实际位置，误差值消除，此称之为闭环控制。闭环控制系统的控制精度高，但要求机床的刚性好，对机床的加工、装配要求高，调试较复杂，而且设备的成本高。

图1-1-3  闭环控制系统

比较电路,与指令中的位移值相比较，用比较的误差值控制伺服电机工作。这种用推算方法间接测量工作台位移，不能补偿数控机床传动链零件的误差，因此称之为半闭环控制系统。半闭环控制系统的控制精度高于开环控制系统，调试比闭环控制系统容易，设备的成本介于开环与闭环控制系统之间。

图1-1-4 半闭环控制系统

三、数控机床发展趋势

数控机床是50年代发展起来的新型自动化机床，较好解决了形状复杂、精密、小批量零件的加工问题，具有适应性强、加工精度和生产效率高的优点。由于数控机床综合了电子计算机、自动控制、伺服驱动、精密测量和新型机械结构等诸方面的先进技术，使得数控机床的发展日新月异，数控机床的功能越来越强大。数控机床的发展趋势体现在数控功能、数控伺服系统、编程方法、数控机床的检测和监控功能、自动调整和控制技术等方面的发展。

1. 数控功能的扩展

1）数控系统插补和联动轴数的增加，有的数控系统能同时控制几十根轴。

2）数控系统中微处理器处理字长的增加，目前广泛采用32位微处理器。

3）数控系统中实现人机对话、进行交互式图形编程。

4）基于PC的开放式数控系统的发展，使数控系统得到更多硬件和软件的支持。

2. 数控伺服系统的发展

1）交流伺服系统替代直流伺服系统。

2）前馈控制技术的发展  增加了速度指令控制，使跟踪滞后误差减小。

3) 高速电主轴和程序段超前处理技术（LOOK AHEAD）使高速小线段加工得以实现。

4）多种补偿技术的发展与应用  如机械静摩擦与动摩擦非线性补偿，机床精度误差的补偿和切削热膨胀误差的补偿。

5）位置检测装置检测精度的提高  采用细分电路大大提高了检测装置的分辧率。

3. 编程方法的发展

1）在线编程技术的发展，实现前台加工操作，后台同时编程。

2）面向车间编程方法（WOP）的发展，即输入加工对象的加工轨迹，数控系统自动生成加工程序。

3）CAD／CAM技术的发展，实现计算机辅助设计与辅助制造。

4．数控机床的检测和监控功能的增强

数控机床在加工过程中对刀具和工件在线检测，发现工件超差，刀具磨损和破损及时反馈或报警处理。

5．自动调整控制技术的应用 

按加工要求，数控系统动态调整工作参数，使加工过程始终达到最佳工作状态。

综上所述，由于数控机床不断采纳科学技术发展中的各种新技术，使得其功能日趋完善，数控技术在机械加工中的地位也显得越来越重要，数控机床的广泛应用是现代制造业发展的必然趋势。

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