數(shù)控機床各個組成部分的工作原理及結(jié)構(gòu)

1、 數(shù)控機床各個組成部分的工作原理及結(jié)構(gòu)第一節(jié) 輸入裝置 輸入裝置是整個數(shù)控系統(tǒng)的初始工作機構(gòu)，它將準確可靠的接收信息介質(zhì)上所記錄的“工程語言”、運算及操作指令等原始數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)為數(shù)控裝置能處理的信息，并同時輸送給數(shù)控裝置。 輸入信息的方式分手動輸入和自動輸入。手動輸入簡單、方便但輸入速度慢容易出錯。現(xiàn)代數(shù)控機床普遍采用自動輸入，其輸入形式有光電閱讀機、磁帶閱讀機及磁盤驅(qū)動器以及無帶自動輸入方式。 其它輸入方式:1.無帶自動輸入方式 在高檔數(shù)控機床上，設(shè)置有自動編程系統(tǒng)和動態(tài)模擬顯示器（CRT）。將這些設(shè)備通過計算機接口與機床的數(shù)控系統(tǒng)相連接,自動編程所編制的加工程序即可直接在機床上調(diào)用,無需經(jīng)制控

2、制介質(zhì)后再另行輸入。2.觸針接觸式閱讀機輸入方式 又稱為程控機頭或電報機頭，結(jié)構(gòu)簡單，閱讀速度較慢，但輸入可靠、價格低廉故在部分線切割機床加工中仍在用。3.磁帶、磁盤輸入方式 磁帶輸入方式進行信息輸入，其信息介質(zhì)為“錄音”磁帶，只不過錄制的不是聲音，而是各種數(shù)據(jù)。 加工程序等數(shù)據(jù)信息一方面由微機內(nèi)的磁盤驅(qū)動器“寫入”磁盤上進行儲存，另外也由磁盤驅(qū)動器進行閱讀并通過微機接口輸入到機床數(shù)控裝置中去。第二節(jié) 數(shù)控裝置 數(shù)控裝置是數(shù)控機床的核心，數(shù)控機床幾乎所有的控制功能（進給坐標位置與速度，主軸、刀具、冷卻及機床強電等多種輔助功能）都由它控制實現(xiàn)。因此數(shù)控裝置的發(fā)展，在很大程度上代表了數(shù)控機床的發(fā)展

3、方向。 數(shù)控裝置的作用是接收加工程序等送來的各種信息，并經(jīng)處理分配后，向驅(qū)動機構(gòu)發(fā)出執(zhí)行的命令，在執(zhí)行過程中，其驅(qū)動、檢測等機構(gòu)同時將有關(guān)信息反饋給數(shù)控裝置，經(jīng)處理后，發(fā)出新的命令。一、數(shù)控裝置的組成1、數(shù)字控制的信息1）幾何信息是指通過被加工零件的圖樣所獲得的幾何輪廓的信息。 這些信息由數(shù)控裝置處理后，變?yōu)榭刂聘鬟M給軸的指令脈沖，最終形成刀具的移動軌跡。幾何信息的指令，由準備功能G具體規(guī)定。2）工藝信息通過工藝處理后所獲得的各種信息。 包括工藝準備、刀具選擇、加工方案（走刀路線、切削用量等）及補償方案等各方面信息。加工實際經(jīng)驗的積累，也是獲得工藝信息的有效途徑。3）輔助信息泛指除幾何、工藝信

4、息之外的其它信息，其作用主要為控制機床輔助動作。 如主軸的啟、停與調(diào)速、換向，冷卻液的開、關(guān)，零件的夾緊與松開，以及找刀、換刀等各種信息。2、數(shù)控機床用計算機簡介 數(shù)控的實質(zhì)是計算機控制。計算機技術(shù)的高速發(fā)展，開辟了數(shù)字技術(shù)綜合應用的新領(lǐng)域，促進了生產(chǎn)過程自動化的不斷發(fā)展。1）電子計算機的組成:電子計算機由軟件和硬件兩大部分組成。 硬件即指設(shè)備，它包括構(gòu)成計算機的集成電路、存儲器、接口元件等。軟件是以程序為中心的信息組合，軟硬件結(jié)合,才能實現(xiàn)所給定的功能。 電子計算機的基本結(jié)構(gòu)（硬件）:電子計算機的基本結(jié)構(gòu)由中央處理器（CPU）、存儲器（PAM、 ROM和輸入/輸出部分（I/O）三部分組成。

5、電子計算機的軟件部分:上述計算機的基本結(jié)構(gòu)式是指硬件部分，但僅有硬件部分，只是具備了計算機或過程控制的可能性。要使計算機真正能進行計算或過程控制，還必須軟件的支持。計算機運行的程序通過程序設(shè)計確定，使計算機完成指定的工作。二、數(shù)控裝置的工作原理 數(shù)控裝置的工作原理就是指控制各進給坐標所需進給脈沖的基本規(guī)律。通過插補原理和逐點比較法進行說明。1、插補原理1）脈沖當量是數(shù)控機床的一個基本參數(shù)，數(shù)控系統(tǒng)每發(fā)出一個進給脈沖，機床機械運動機構(gòu)就產(chǎn)生一個相應的位移量，一個脈沖所對應的位移量稱為脈沖當量。它是脈沖分配計算中的基本單位。用Q表示:Q脈沖當量（MM）步距角（伺服電機在輸入一個脈沖時所轉(zhuǎn)過的角度）

6、L傳動螺旋副的導程i伺服電機至螺旋副間的傳動比同理可得刀具位移的關(guān)系式：S=QNS刀具運動的位移量（MM）N脈沖個數(shù)2）插補的概念 插補運動的產(chǎn)生將兩個或兩個以上的進給軸的直線運動合成，以實現(xiàn)所需輪廓的運動軌跡。在數(shù)控技術(shù)中這種合成的復雜運動稱為插補運動。數(shù)控裝置為了完成機床所需插補運動而進行的一系列運算，即稱為插補運算；在其插補運動過程中，每一個單位脈沖（即每一步）所到達的終點，稱為插補點。 插補運動的實際軌跡始終不可能與其理想軌跡完全相同，插補點一般也不會落在理想軌跡上。 當進給運動的軌跡不與坐標軸平行時，則經(jīng)數(shù)控插補后的實際軌跡均由很多線段組成，其折線交點即插補點不能與理想軌跡重合，每一

7、個交點的位置將由數(shù)控系統(tǒng)確定并控制。 因為數(shù)控系統(tǒng)所進行的插補運算，是以最小設(shè)定單位為插補單位的，所以在完成加工的零件上，看不出實際插補軌跡的折線形狀。實際終點與理想終點的誤差，一般不超過半個脈沖。 數(shù)控系統(tǒng)的脈沖當量越小，插補運動的實際軌跡就越接近理想軌跡，加工精度就越高。 插補概念根據(jù)給定的信息，在理想輪廓（或軌跡）上的已知兩點之間，確定一些中間點的一種方法。 插補原理通過插補計算的結(jié)果，對各進給坐標所需進給脈沖個數(shù)、頻率及方向進行分配，以實現(xiàn)進給軌跡控制，這就是插補原理。 插補原理是數(shù)控技術(shù)中的基本原理之一，它廣泛應用在除點位控制機床以外的各種機床數(shù)控裝置中。 插補的類型由其給定的信息的

8、類型決定，給定信息為一次函數(shù)時計算機進行的插補類型為直線插補；二次函數(shù)時根據(jù)二次曲線的不同類型又有圓弧、拋物線、橢圓、漸開線及螺旋線等插補類型。它們都可以通過計算機軟件方式實現(xiàn)。2、逐點比較法 應用插補原理的方法有很多種，如逐點比較法、數(shù)字積分法及單步追蹤法等。在對平面曲線進行插補的各種方法中，最常用的是逐點比較法。采用這種方法進行插補的優(yōu)點是運算直觀，插補誤差小于一個脈沖當量，輸入脈沖的速度變化小，以及調(diào)節(jié)方便、簡便易行。 逐點比較法是一種邊判別邊逼近的方法，幫又稱為逼近法或區(qū)域判別法。在逐點比較法的應用中，插補點在主運動的坐標軸方向每進一步都必須經(jīng)過偏差判別、刀具進給、偏差計算并判別、終點

9、判別四個工作節(jié)拍。第三節(jié) 數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)一、主傳動系統(tǒng)的要求 1、寬調(diào)速、無極調(diào)速 2、高剛度、低噪聲 3、高抗振性、高熱穩(wěn)定性二、主傳動的變速方式 1、經(jīng)皮帶和變速齒輪的主傳動傳動方式特點：可擴大恒功率調(diào)速范圍,擴大主軸出轉(zhuǎn)距,具有齒輪傳動缺點。 2、齒輪變速方式 主軸正反轉(zhuǎn)、啟停與制動均是靠直接制動電機 來實現(xiàn)，而齒輪的變速操縱常采用液壓撥叉與電磁離合器來實現(xiàn)。帶傳動與齒輪傳動的傳動系統(tǒng)圖3、由調(diào)速電機直接驅(qū)動的主傳動 這種電動機是將主電動機直接與主軸連接，帶動主軸轉(zhuǎn)動，大大簡化了主軸箱體結(jié)構(gòu),有效提高了主軸剛度。 缺點：減少了皮帶降速傳動，其主軸的輸出轉(zhuǎn)矩更小，而且主電動機的發(fā)熱對主

10、軸精度的影響更大。2、經(jīng)帶傳動的主傳動由無極變速的主軸電機經(jīng)皮帶傳動直接帶動主軸運轉(zhuǎn)的主運動形式。這種變速方式一般用于中小型數(shù)控機床，用于調(diào)速范圍不大，轉(zhuǎn)距也不需太高的場合。它可避免齒輪傳動時引起的振動與噪聲，從而大提高主軸的運轉(zhuǎn)精度。 隨現(xiàn)代主軸伺服電動機的發(fā)展，出現(xiàn)了能實現(xiàn)寬范圍無極調(diào)速的寬域主電動機，使主的輸出特性得到很好的改善，擴大了恒功率的調(diào)速范圍，并提高了輸出轉(zhuǎn)距。在避免齒輪傳動不足的情況下，又能保持齒輪傳動帶來的優(yōu)點。使數(shù)控機床在機械結(jié)構(gòu)上朝著優(yōu)化的方向前進了一大步。第四節(jié) 伺服系統(tǒng)一、伺服系統(tǒng)的作用及分類 1、伺服系統(tǒng)的作用 伺服系統(tǒng)位于數(shù)控裝置與機床主體之間，它的作用是將從數(shù)

11、控裝置輸出線路接收到的微弱電信號（脈沖電壓約5V左右，脈沖電流為毫安級），經(jīng)功率放大等電路放大為較強的電信號（驅(qū)動電壓約幾十伏至幾百伏，電流可達幾十安培）然后將接收的上述數(shù)字量信息轉(zhuǎn)換成模擬量（執(zhí)行電機軸的角位移和角速度）信息，從而驅(qū)動執(zhí)行電機帶動機床運動部件按約定的速度和位置進行運動。二、數(shù)控進給伺服系統(tǒng)的要求 與普通機床相比，對數(shù)控機床進給系統(tǒng)的設(shè)計要求，除了具有較高的定位精度之外，還應具有良好的動態(tài)響應特性，系統(tǒng)跟蹤指令信號的響應要快，穩(wěn)定性要好，可概括為以下幾點要求： 1高的精度要求 2寬的調(diào)速范圍 3快的響應速度 4好的穩(wěn)定性 5大的轉(zhuǎn)矩輸出三、數(shù)控進給系統(tǒng)的伺服驅(qū)動裝置 數(shù)控機床的

12、伺服系統(tǒng)一般由驅(qū)動裝置與機械傳動執(zhí)行件等組成，對于半閉環(huán)、閉環(huán)控制系統(tǒng)還包括位置檢測環(huán)節(jié)。而驅(qū)動裝置是由驅(qū)動元件電動機和電動機驅(qū)動控制單元兩部分組成，通常它們由同一生產(chǎn)廠家配套提供給機床制造廠。進給伺服驅(qū)動裝置用于數(shù)控機床各坐標軸的進給運動，進給驅(qū)動用的伺服電動機主要有步進電動機和交流、直流調(diào)速電動機，電動機作為驅(qū)動元件是伺服系統(tǒng)的關(guān)鍵之一。四、數(shù)控進給傳動結(jié)構(gòu)進給傳動結(jié)構(gòu)是進給伺服系統(tǒng)的主要組成部分，它是將伺服電動機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為執(zhí)行部件的直線移動或回轉(zhuǎn)運動，以保證刀具與工件相對位置關(guān)系為目的。在數(shù)控機床中，進給運動是數(shù)字控制系統(tǒng)的直接控制對象。無論是開環(huán)還是閉環(huán)伺服進給系統(tǒng)，工件的精度均

13、要受到進給運動的傳動精度、靈敏度和穩(wěn)定性的影響。為此，數(shù)控機床的進給系統(tǒng)應力求做到減少摩擦力，提高傳動精度與剛度，消除傳動間隙以及減少運動件的慣量等。目前，在數(shù)控機床進給驅(qū)動系統(tǒng)中常用的機械傳動裝置主要有：滾珠絲杠螺母副、靜壓蝸桿蝸母條、預加載荷雙齒輪齒條及雙導程蝸桿等。 1滾珠絲杠螺母副傳動 為了提高數(shù)控機床進給系統(tǒng)的快速響應性能和運動精度，必須減少運動件的摩擦阻力和動靜摩擦力之差。為此，在中小型數(shù)控機床中，滾珠絲杠螺母副是采用最普遍的結(jié)構(gòu)。(1)滾珠絲杠副的工作原理。滾珠絲杠副是回轉(zhuǎn)運動與直線運動相互轉(zhuǎn)換的新型傳動裝置，是在絲杠和螺母之間以滾珠為滾動體的螺旋傳動元件。2其他進給傳動機構(gòu)(1

14、)靜壓蝸桿一蝸母條傳動蝸桿蝸母條機構(gòu)是絲杠螺母機構(gòu)的一種特殊形式蝸桿可看作長度很短的絲杠，蝸母條則可看作一個很長的螺母沿軸向剖開后的一部分。(2)雙齒輪一齒條傳動齒輪一齒條是行程較長的大型數(shù)控機床上常用的進給傳動形式，適用于傳動剛性要求高，傳動精度不太高的場合。(3)雙導程蝸桿傳動。為了擴大工藝范圍，提高生產(chǎn)效率，數(shù)控機床除了直線進給運動之外，還有圓周進給運動。圓周進給運動可由回轉(zhuǎn)工作臺來實現(xiàn)，其進給傳動一般采用蝸輪一蝸桿傳動。第五節(jié) 數(shù)控機床常用位置檢測裝置一、檢測反饋裝置的作用 檢測反饋裝置的作用是將其準確測得的直線位移或角位移迅速反饋給數(shù)控裝置，以便與加工程序給定的指令值進行比較，如有誤

15、差，數(shù)控裝置將向伺服系統(tǒng)發(fā)出新的修正指令，從而控制驅(qū)動系統(tǒng)正確運轉(zhuǎn)，使工作臺(或刀具)按規(guī)定的軌跡和坐標移動。二、對檢測反饋裝置的基本要求 1、分辨率和制造精度高，工作可靠抗干擾能力強2、反應快，測量靈敏3、光柵等測量尺的溫度系數(shù)小4、使用和維護方便三、常用位置檢測裝置數(shù)控機床上常用的檢測裝置主要有脈沖編碼器、感應同步器、旋轉(zhuǎn)變壓器、光柵和磁 尺等。 1、脈沖編碼器脈沖編碼器也稱脈沖發(fā)生器，是一種角位移檢測裝置，它是把機械轉(zhuǎn)角變成電脈沖輸出信號來進行檢測的。就其工作原理有光電式、接觸式和電磁感應式三種。光電式編碼器以其精度和可靠性在數(shù)控機床上得到了普遍地使用。按編碼的方式，這種編碼器又可分為增

16、量式和絕對式光電脈沖編碼器。通常說的脈沖編碼器是指增量式光電脈沖編指增量式光電脈沖編碼器。 2光柵與磁柵(1)光柵。計量光柵有長光柵和圓光柵兩種，前述的增量式光電脈沖編碼器實際上就是屬于一種圓光柵。通常的光柵尺是指長光柵。光柵尺是一種直線精密檢測元件，在數(shù)控機床上屬于直接測量，用于直接測量工作臺的移動，通常是全閉環(huán)控制系統(tǒng)用得較多且歷史悠久的測量裝置。光柵尺由標尺光柵和指示光柵組成。標尺光柵安裝在機床移動部件上，其有效長度即為工作臺移動的全行程，光柵長度較長，也稱長光柵。而指示光柵安裝在機床固定部件上，相當于一個讀數(shù)頭，也稱短光柵。兩光柵均為長度不同的條形光學玻璃，其上刻有一系列均勻密集的刻紋，兩塊光柵的刻紋密度相同，是根據(jù)所測精度決定的。通常每毫米刻50，100，200，2