數(shù)控機床基本知識

1.1.1 數(shù)控技術與數(shù)控
數(shù)控系統(tǒng)的基本組成
數(shù)控系統(tǒng)是所有數(shù)控設備的核心。數(shù)控系統(tǒng)的主要控制對象是坐標軸的位移（包括移動速度、方向、位置等），其控制信息主要來源于數(shù)控加工或運動控制程序。因此，作為數(shù)控系統(tǒng)的最基本組成應包括：程序的輸入/輸出裝置、數(shù)控裝置、伺服驅動這三部分。

輸入/輸出裝置輸入/輸出裝置的作用是進行數(shù)控加工或運動控制程序、加工與控制數(shù)據(jù)、機床參數(shù)以及坐標軸位置、檢測開關的狀態(tài)等數(shù)據(jù)的輸入、輸出。鍵盤和顯示器是任何數(shù)控設備都必備的最基本的輸入/輸出裝置。此外，根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的不同，還可以配光電閱讀機、磁帶機或軟盤驅動器等。作為外圍設備，計算機是目前常用的輸入/輸出裝置之一。
數(shù)控裝置數(shù)控裝置是數(shù)控系統(tǒng)的核心。它由輸入/輸出接口線路、控制器、運算器和存儲器等部分組成。數(shù)控裝置的作用是將輸入裝置輸入的數(shù)據(jù)，通過內部的邏輯電路或控制軟件進行編譯、運算和處理，并輸出各種信息和指令，以控制機床的各部分進行規(guī)定的動作。
在這些控制信息和指令中，最基本的是坐標軸的進給速度、進給方向和進給位移量指令。它經插補運算后生成，提供給伺服驅動，經驅動器放大，最終控制坐標軸的位移。它直接決定了刀具或坐標軸的移動軌跡。

此外，根據(jù)系統(tǒng)和設備的不同，如：在數(shù)控機床上，還可能有主軸的轉速、轉向和起、停指令；刀具的選擇和交換指令；冷卻、潤滑裝置的起、停指令；工件的松開、夾緊指令；工作臺的分度等輔助指令。在數(shù)控系統(tǒng)中，它們是通過接口，以信號的形式提供給外部輔助控制裝置，由輔助控制裝置對以上信號進行必要的編譯和邏輯運算，放大后驅動相應的執(zhí)行器件，帶動機床機械部件、液壓氣動等輔助裝置完成指令規(guī)定的動作。

伺服驅動伺服驅動通常由伺服放大器（亦稱驅動器、伺服單元）和執(zhí)行機構等部分組成。在數(shù)控機床上，目前一般都采用交流伺服電動機作為執(zhí)行機構；在先進的高速加工機床上，已經開始使用直線電動機。另外，在20世紀80年代以前生產的數(shù)控機床上，也有采用直流伺服電動機；對于簡易數(shù)控機床，也有用作為執(zhí)行器件。伺服放大器的形式決定于執(zhí)行器件，它必須與驅動電動機配套使用。
以上是數(shù)控系統(tǒng)最基本的組成部分。隨著數(shù)控技術的發(fā)展和機床性能水平的提高，對系統(tǒng)的功能要求也日益增強，為了滿足不同機床的控制要求，保證數(shù)控系統(tǒng)的完整性和統(tǒng)一性，并方便用戶使用，常用較為先進的數(shù)控系統(tǒng)，一般都帶有內部可編程控制器作為機床的輔助控制裝置。此外，在金屬切削機床上，主軸驅動裝置也可以成為數(shù)控系統(tǒng)的一個部分；在閉環(huán)數(shù)控機床上，測量、檢測裝置也是數(shù)控系統(tǒng)必不可少的。對于先進的數(shù)控系統(tǒng)，有時甚至采用計算機作為系統(tǒng)的人機界面和數(shù)據(jù)的管理、輸入/輸出設備，從而使數(shù)控系統(tǒng)的功能更強、性能更完善。

總之，數(shù)控系統(tǒng)的組成決定于控制系統(tǒng)的性能和設備的具體控制要求，其配置和組成具有很大的區(qū)別，除加工程序的輸入/輸出裝置、數(shù)控裝置、伺服驅動這三個最基本的組成部分外，還可能有更多的控制裝置。圖1-1的虛線框部分表示計算機數(shù)控系統(tǒng)。

NC、CNC、SV與PLC的概念
NC（CNC）、SV與PLC（PC、PMC）是數(shù)控設備中最為常用的英文縮寫，在實際使用中，在不同的場合具有不同的含義。

NC（CNC）NC與CNC分別是數(shù)控（Numerical Control）與計算機數(shù)控（Computerized Numerical Control）的常用英文縮寫。由于現(xiàn)代數(shù)控都采用了計算機控制，因此，可以認為NC和CNC的含義完全等同。在工程應用上，根據(jù)使用場合的不同，NC（CNC）通常有三種不同的含義：在廣義上代表一種控制技術——數(shù)控技術；在狹義上代表一種控制系統(tǒng)的實體——數(shù)控系統(tǒng)；此外，還可以代表一種具體的控制裝置——數(shù)控裝置。
SVSV是伺服驅動（Servo Drive，簡稱伺服）的常用英文縮寫。按日本JIS標準規(guī)定的術語，它是“以物體的位置、方向、狀態(tài)作為控制量，追蹤目標值的任意變化的控制機構”。簡言之，它是一種能夠自動跟隨目標位置等物理量的控制裝置。
在數(shù)控機床上，伺服驅動的作用主要有兩個方面：一是使坐標軸按照數(shù)控裝置給定的速度運行；二是使坐標軸按照數(shù)控裝置給定的位置定位。

伺服驅動的控制對象通常是機床坐標軸的位移和速度；執(zhí)行機構是伺服或；對輸入指令信號進行控制和功率放大的部分常稱為伺服放大器（亦稱為驅動器、放大器、伺服單元等），它是伺服驅動的核心。

伺服驅動不僅可以和數(shù)控裝置配套使用，而且還可以單獨作為一個位置（速度）隨同系統(tǒng)使用，故也常稱為伺服系統(tǒng)。在早期的數(shù)控系統(tǒng)上，位置控制部分一般與CNC制成一體，伺服驅動只進行速度控制，因此，伺服驅動又常稱為速度控制單元。

PLCPC是可編程序控制器（Programmable Controller）的英文縮寫。隨著個人計算機的日益普及，為了避免和個人計算機（亦稱PC）混淆，現(xiàn)在一般都將可編程序控制器稱為可編程序邏輯控制器（Programmalbe Logic Controller——PLC）或可編程序機床控制器（Programmable Machine Controller——PMC）。因此，在數(shù)控機床上，PC、PLC、PMC具有完全相同的含義。
PLC具有響應快、性能可靠、使用方便、編程和調試容易等特點，并可直接驅動部分機床電器，因此，被廣泛用來作為數(shù)控設備的輔助控制裝置。目前，大多數(shù)數(shù)控系統(tǒng)都帶有內部PLC，用于處理數(shù)控機床的輔助指令，從而大大簡化了機床的輔助控制裝置。此外，在很多場合，通過PLC的軸控制模塊、定位模塊等特殊功能模塊，還可以直接利用PLC，實現(xiàn)點位控制、直線控制以及簡單的輪廓控制，組成數(shù)控專用機床或數(shù)控生產線。

1.1.2 數(shù)控機床的組成與加工原理
數(shù)控機床的基本組成
數(shù)控機床是最典型的數(shù)控設備。為了了解數(shù)控機床的基本組成，首先需要分析數(shù)控機床加工零件的工作過程。在數(shù)控機床上，為了進行零件的加工，可以通過如下步驟進行：

據(jù)被加工零件的圖樣與工藝方案，用規(guī)定的代碼和程序格式，將刀具的移動軌跡、加工工藝過程、工藝參數(shù)、切削用量等編寫成數(shù)控系統(tǒng)能夠識別的指令形式，即編寫加工程序。
將所編寫的加工程序輸入數(shù)控裝置。
數(shù)控裝置對輸入的程序（代碼）進行譯碼、運算處理，并向各坐標軸的伺服驅動裝置和輔助機能控制裝置發(fā)出相應的控制信號，以控制機床的各部件的運動。
在運動過程中，數(shù)控系統(tǒng)需要隨時檢測機床的坐標軸位置、行程開關的狀態(tài)等，并與程序的要求相比較，以決定下一步動作，直到加工出合格的零件。
操作者可以隨時對機床的加工情況、工作狀態(tài)進行觀察、檢查，必要時還需要對機床動作和加工程序進行調整，以保證機床安全、可靠的運行。
由此可知，作為數(shù)控機床的基本組成，它應包括：輸入/輸出裝置、數(shù)控裝置、伺服驅動和反饋裝置、輔助控制裝置以及機床本體等部分（如圖1-1所示）。

圖1—1中的虛線框部分統(tǒng)稱為數(shù)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對機床主機的加工控制。目前數(shù)控系統(tǒng)大部分采用計算機數(shù)控（即CNC），圖中的輸入/輸出裝置、數(shù)控裝置、伺服驅動和反饋裝置構成的機床數(shù)控系統(tǒng)，作用在上面已經敘述。下面再簡要介紹其他組成部分。

圖1—1數(shù)控機床的組成

測量反饋裝置它是閉環(huán)（半閉環(huán)）數(shù)控機床的檢測環(huán)節(jié)，其作用是通過現(xiàn)代化的測量元件：脈沖編碼器、旋轉變壓器、感應同步器、光柵、磁尺和激光測量儀等，將執(zhí)行元件（如、刀架等）或工作臺等的實際位移的速度和位移量檢測出來，反饋回伺服驅動裝置或數(shù)控裝置，并補償進給的速度或執(zhí)行機構的運動誤差，以達到提高運動機構精度的目的。檢測裝置的安裝、檢測信號反饋的位置，決定于數(shù)控系統(tǒng)的結構形式，伺服內裝式脈沖編碼器、測速機以及直線光柵等都是較常用的檢測部件。

由于先進的伺服都采用了數(shù)字式伺服驅動技術（稱為數(shù)字伺服），伺服驅動和數(shù)控裝置間一般都采用總線進行連接；反饋信號在大多數(shù)場合都是與伺服驅動進行連接，并通過總線傳送到數(shù)控裝置。只有在少數(shù)場合或采用模擬量控制的伺服驅動（俗稱模擬伺服）時，反饋裝置才需要直接和數(shù)控裝置進行連接。0515hcq

輔助控制機構、進給傳動機構它是介于數(shù)控裝置和機床機械、液壓部件之間的控制部件。其主要作用是接受數(shù)控裝置輸出的主軸轉速、轉向和啟停指令；刀具選擇交換；冷卻、潤滑裝置的啟停指令；工件和機床部件的松開、夾緊工作臺轉位等輔助指令信號，以及機床上檢測開關的狀態(tài)等信號，經必要的編譯、邏輯判斷、功率放大后直接驅動相應的執(zhí)行元件，帶動機床機械部件、液壓氣動等輔助裝置完成指令規(guī)定的動作。它通常由PLC和強電控制回路構成，PLC在結構上可以與CNC一體化（內置式PLC），也可以相對獨立（外置式PLC）。

機床本體就是數(shù)控機床的機械結構件，也是由主傳動系統(tǒng)、進給傳動系統(tǒng)、床身、工作臺以及輔助運動裝置、液壓氣動系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、冷卻裝置、排屑、防護系統(tǒng)等部分組成。但為了滿足數(shù)控的要求，充分發(fā)揮機床性能，它在總體布局、外觀造型、傳動系統(tǒng)結構、刀具系統(tǒng)以及操作性能方面都已發(fā)生了很大的變化。機床機械部件包括床身、箱體、立柱、導軌、工作臺、主軸、進給機構、刀具交換機構等。

數(shù)控加工的原理
在傳統(tǒng)的金屬切削機床上，加工零件時需要操作者根據(jù)圖樣的要求，通過不斷改變刀具的運動軌跡和運動速度等參數(shù)，使刀具對工件進行切削加工，最終加工出合格零件。

數(shù)控機床的加工，其實質是應用了“微分”原理。其工作原理與過程可以簡述如下（圖1-2）：

數(shù)控裝置根據(jù)加工程序要求的刀具軌跡，將軌跡按機床對應的坐標軸，以最小移動量（脈沖當量）進行微分（圖1-2中的△X、△Y），并計算出各坐標軸需要移動的脈沖數(shù)。

通數(shù)控裝置的“插補”軟 件或“插補”運算器，把要求的軌跡用以“最小移動單位”為單位的等效折線進行擬合，并找出最接近理論軌跡的擬合折線。

③數(shù)控裝置根據(jù)擬合折線的軌跡，給相應的坐標軸連續(xù)不斷地分配進給脈沖，并通過伺服驅動使機床坐標軸按分配的脈沖運動。圖1-2數(shù)控加工原理示意圖