簡述數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)及其工作原理

(山東科技大學(xué)機(jī)電學(xué)院 山東 青島 266590)

簡述數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)及其工作原理

喬羽曹瑞峰曲彩梅高鵬

(山東科技大學(xué)機(jī)電學(xué)院山東青島266590)

數(shù)控機(jī)床是集機(jī)械、電氣、液壓、氣動(dòng)、微電子和信息等多項(xiàng)技術(shù)為一體的機(jī)電一體化產(chǎn)品。是機(jī)械制造設(shè)備中具有高精度、高效率、高自動(dòng)化和高柔性化等優(yōu)點(diǎn)的工作母機(jī)。數(shù)控機(jī)床的技術(shù)水平高低及其在金屬切削加工機(jī)床產(chǎn)量和總擁有量的百分比是衡量一個(gè)國家國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和工業(yè)制造整體水平的重要標(biāo)志之一。數(shù)控車床是數(shù)控機(jī)床的主要品種之一，它在數(shù)控機(jī)床中占有非常重要的位置，幾十年來一直受到世界各國的普遍重視并得到了迅速的發(fā)展。

數(shù)控機(jī)床；技術(shù)水平；一體化

一、數(shù)控車床的基本組成

數(shù)控機(jī)床一般由輸入輸出設(shè)備、CNC裝置(或稱CNC單元)、伺服單元、驅(qū)動(dòng)裝置(或稱執(zhí)行機(jī)構(gòu))、可編程控制器PLC及電氣控制裝置、輔助裝置、機(jī)床本體及測量反饋裝置組成。如下圖3-1是數(shù)控機(jī)床的組成框圖。

(一)機(jī)床本體

數(shù)控機(jī)床的機(jī)床本體與傳統(tǒng)機(jī)床相似，由主軸傳動(dòng)裝置、進(jìn)給傳動(dòng)裝置、床身、工作臺以及輔助運(yùn)動(dòng)裝置、液壓氣動(dòng)系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、冷卻裝置等組成。但數(shù)控機(jī)床在整體布局、外觀造型、傳動(dòng)系統(tǒng)、刀具系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及操作機(jī)構(gòu)等方面都已發(fā)生了很大的變化，這種變化的目的是為了滿足數(shù)控機(jī)床的要求和充分發(fā)揮數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)。

(二)CNC單元

CNC單元是數(shù)控機(jī)床的核心，CNC單元由信息的輸入、處理和輸出三個(gè)部分組成。CNC單元接受數(shù)字化信息，經(jīng)過數(shù)控裝置的控制軟件和邏輯電路進(jìn)行譯碼、插補(bǔ)、邏輯處理后，將各種指令信息輸出給伺服系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行部件作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。

(三)輸入/輸出設(shè)備

輸入裝置將各種加工信息傳遞于計(jì)算機(jī)的外部設(shè)備。在數(shù)控機(jī)床產(chǎn)生初期，輸入裝置為穿孔紙帶，現(xiàn)已淘汰，后發(fā)展成盒式磁帶，再發(fā)展成鍵盤、磁盤等便攜式硬件，極大方便了信息輸入工作，現(xiàn)通用DNC網(wǎng)絡(luò)通訊串行通信的方式輸入。輸出指輸出內(nèi)部工作參數(shù)(含機(jī)床正常、理想工作狀態(tài)下的原始參數(shù)，故障診斷參數(shù)等)，一般在機(jī)床剛工作狀態(tài)需輸出這些參數(shù)作記錄保存，待工作一段時(shí)間后，再將輸出與原始資料作比較、對照，可幫助判斷機(jī)床工作是否維持正常。

(四)伺服單元

伺服單元由驅(qū)動(dòng)器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成，并與機(jī)床上的執(zhí)行部件和機(jī)械傳動(dòng)部件組成數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)。它的作用是把來自數(shù)控裝置的脈沖信號轉(zhuǎn)換成機(jī)床移動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)。對于步進(jìn)電機(jī)來說，每一個(gè)脈沖信號使電機(jī)轉(zhuǎn)過一個(gè)角度，進(jìn)而帶動(dòng)機(jī)床移動(dòng)部件移動(dòng)一個(gè)微小距離。每個(gè)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行部件都有相應(yīng)的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，整個(gè)機(jī)床的性能主要取決于伺服系統(tǒng)。

(五)驅(qū)動(dòng)裝置

驅(qū)動(dòng)裝置把經(jīng)放大的指令信號變?yōu)闄C(jī)械運(yùn)動(dòng)，通過簡單的機(jī)械連接部件驅(qū)動(dòng)機(jī)床，使工作臺精確定位或按規(guī)定的軌跡作嚴(yán)格的相對運(yùn)動(dòng)，最后加工出圖紙所要求的零件。和伺服單元相對應(yīng)，驅(qū)動(dòng)裝置有步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)等。伺服單元和驅(qū)動(dòng)裝置可合稱為伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，它是機(jī)床工作的動(dòng)力裝置，CNC裝置的指令要靠伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)付諸實(shí)施，所以，伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分。

(六)測量反饋裝置

測量裝置也稱反饋元件，包括光柵、旋轉(zhuǎn)編碼器、激光測距儀、磁柵等。通常安裝在機(jī)床的工作臺或絲杠上，它把機(jī)床工作臺的實(shí)際位移轉(zhuǎn)變成電信號反饋給CNC裝置，供CNC裝置與指令值比較產(chǎn)生誤差信號，以控制機(jī)床向消除該誤差的方向移動(dòng)。

二、數(shù)控車床的工作原理

使用數(shù)控機(jī)床時(shí)，首先要將被加工零件圖紙的幾何信息和工藝信息用規(guī)定的代碼和格式編寫成加工程序;然后將加工程序輸入到數(shù)控裝置，按照程序的要求，經(jīng)過數(shù)控系統(tǒng)信息處理、分配，使各坐標(biāo)移動(dòng)若干個(gè)最小位移量，實(shí)現(xiàn)刀具與工件的相對運(yùn)動(dòng)，完成零件的加工。

(一)控制介質(zhì)

控制介質(zhì)以指令的形式記載各種加工信息，如零件加工的工藝過程、工藝參數(shù)和刀具運(yùn)動(dòng)等，將這些信息輸入到數(shù)控裝置，控制數(shù)控機(jī)床對零件切削加工。

(二)數(shù)控裝置

數(shù)控裝置是數(shù)控機(jī)床的核心，其功能是接受輸入的加工信息，經(jīng)過數(shù)控裝置的系統(tǒng)軟件和邏輯電路進(jìn)行譯碼、運(yùn)算和邏輯處理，向伺服系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的脈沖并通過伺服系統(tǒng)控制機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件按加工程序指令運(yùn)動(dòng)。

(三)伺服系統(tǒng)

伺服系統(tǒng)由伺服電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)裝置組成，通常所說數(shù)控系統(tǒng)是指數(shù)控裝置與伺服系統(tǒng)的集成，因此說伺服系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)的執(zhí)行系統(tǒng)。

(四)機(jī)床本體

數(shù)控機(jī)床的本體與普通機(jī)床基本類似，不同之處是數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)簡單、剛性好，傳動(dòng)系統(tǒng)采用滾珠絲杠代替普通機(jī)床的絲杠和齒條傳動(dòng)，主軸變速系統(tǒng)簡化了齒輪箱，普遍采用變頻調(diào)速和伺服控制。

三、結(jié)束語

數(shù)控機(jī)床是現(xiàn)代加工車間最重要的裝備，現(xiàn)代的CAD/CAM、FMS、CIMS、敏捷制造和智能制造技術(shù)，都是建立在數(shù)控技術(shù)之上的。掌握現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)知識是現(xiàn)代機(jī)電類專業(yè)學(xué)生必不可少的。在數(shù)控加工中，從零件的設(shè)計(jì)圖紙到零件成品合格交付，不僅要考慮到數(shù)控程序的編制，還要考慮到諸如零件加工工藝路線的安排、加工機(jī)床的選擇、切削刀具的選擇、零件加工的定位裝夾等一系列因素的影響。

[1]陳嬋娟.數(shù)控車床設(shè)計(jì).北京：化學(xué)工業(yè)出版社.2006

[2]文懷興，夏田.數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì).北京：化學(xué)工業(yè)出版社.2006

[3]文懷興.數(shù)控銑床設(shè)計(jì).北京：化學(xué)工業(yè)出版社.2006

[4]熊光華.數(shù)控機(jī)床.北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2001

喬羽(1989-)，男，漢族，碩士，山東科技大學(xué)，研究方向機(jī)械工程。