數(shù)控車床的結(jié)構(gòu)和工作原理

1、數(shù)控車床的基本組成。數(shù)控車床最基本的組成包括I/O裝置、數(shù)控裝置、伺服驅(qū)動(dòng)裝置、測(cè)量反饋裝置、輔助裝置、機(jī)床本體共六部分。下面將對(duì)這六部分進(jìn)行具體介紹。

（1）I/O裝置。I/O裝置是用于數(shù)控加工或運(yùn)動(dòng)控制程序、加工與控制數(shù)據(jù)、機(jī)床參數(shù)以及坐標(biāo)軸位置、檢測(cè)開關(guān)的狀態(tài)等數(shù)據(jù)的輸入/輸出。鍵盤和顯示器是數(shù)控設(shè)備必備的、最基本的I/O裝置。作為數(shù)控系統(tǒng)的外圍設(shè)備，臺(tái)式計(jì)算機(jī)、便攜式計(jì)算機(jī)是目前常用的I/O裝置之一。

（2）數(shù)控裝置。數(shù)控裝置是數(shù)控系統(tǒng)的核心，它由I/O接口線路、控制器、運(yùn)算器和存儲(chǔ)器等組成。數(shù)控裝置的作用是將輸入裝置輸入的數(shù)據(jù)通過內(nèi)部的邏輯電路或控制軟件進(jìn)行編譯、運(yùn)算和處理后，輸出各種信息和指令，用以控制機(jī)床的各部分進(jìn)行規(guī)定的動(dòng)作。

在這些控制信息和指令中，最基本的是經(jīng)插補(bǔ)運(yùn)算后生成的坐標(biāo)軸進(jìn)給速度、進(jìn)給方向和進(jìn)給位移量等指令，并提供給伺服驅(qū)動(dòng)裝置，經(jīng)驅(qū)動(dòng)器放大后，最終控制坐標(biāo)軸的位移。這些控制信息和指令直接決定了刀具或坐標(biāo)軸的移動(dòng)軌跡。

（3）伺服驅(qū)動(dòng)裝置。伺服驅(qū)動(dòng)裝置通常由伺服放大器（也稱驅(qū)動(dòng)器、伺服單元）和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等部分組成。在數(shù)控機(jī)床上，一般都采用交流伺服電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。目前，在先進(jìn)的高速加工機(jī)床上已經(jīng)開始使用直線電動(dòng)機(jī)。另外，20世紀(jì)生產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床中也有采用直流伺服電動(dòng)機(jī)的簡(jiǎn)易數(shù)控機(jī)床，也有用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的。伺服放大器它必須與驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)配套使用。

（4）測(cè)量反饋裝置。測(cè)量反饋裝置是閉環(huán)（半閉環(huán)）數(shù)控機(jī)床的檢測(cè)環(huán)節(jié)，其作用是通過現(xiàn)代化的測(cè)量元件（如脈沖編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、光柵、磁尺和激光測(cè)量儀等），將執(zhí)行元件或工作臺(tái)等的實(shí)際速度和位移檢測(cè)出來，反饋給伺服驅(qū)動(dòng)裝置或數(shù)控裝置，補(bǔ)償進(jìn)給速度或執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)誤差，以達(dá)到提高運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)精度的目的。測(cè)量裝置檢測(cè)信號(hào)反饋的位置，取決于數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式。伺服內(nèi)裝式脈沖編碼器、測(cè)速機(jī)以及直線光柵等都是較常用的檢測(cè)部件。

先進(jìn)的伺服驅(qū)動(dòng)裝置采用了數(shù)字式伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)（簡(jiǎn)稱數(shù)字伺服），伺服驅(qū)動(dòng)裝置和數(shù)控裝置之間采用了總線連接的，反饋信號(hào)在大多數(shù)場(chǎng)合都是與伺服驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行連接的，并通過總線傳送到數(shù)控裝置。只有在少數(shù)場(chǎng)合或采用模擬量控制的伺服驅(qū)動(dòng)裝置（簡(jiǎn)稱模擬伺服）時(shí)，反饋裝置才需要直接和數(shù)控裝置進(jìn)行連接。

（5）輔助控制機(jī)構(gòu)。輔助控制機(jī)構(gòu)是指介于數(shù)控裝置與機(jī)床機(jī)械部件、液壓部件之間的控制部件。其主要作用是接收數(shù)控裝置輸出的主軸轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向和啟停指令，刀具選擇交換指令，冷卻、潤滑裝置的啟停指令，工件和機(jī)床部件的松開、夾緊指令，工作臺(tái)轉(zhuǎn)位等輔助指令信號(hào)，以及機(jī)床上檢測(cè)開關(guān)的狀態(tài)等信號(hào)，經(jīng)必要的編譯、邏輯判斷、功率放大后直接驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行元件，帶動(dòng)機(jī)床機(jī)械部件、液壓氣動(dòng)等輔助裝置完成指令規(guī)定的動(dòng)作。它通常由PLC和強(qiáng)電控制回路構(gòu)成，PLC在結(jié)構(gòu)上可以與CNC—體化（內(nèi)置式PLC），也可以相對(duì)獨(dú)立（外置式PLC）。

（6）機(jī)床本體。機(jī)床本體就是數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)件，它由主傳動(dòng)系統(tǒng)、進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)、床身、工作臺(tái)，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、排屑、防護(hù)系統(tǒng)等部分組成。為了滿足數(shù)控技術(shù)的要求，充分發(fā)揮機(jī)床性能，數(shù)控機(jī)床與普通機(jī)床相比，機(jī)床本體在總體布局、外觀造型、傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、刀具系統(tǒng)以及操作性能方面已發(fā)生了很大的變化。

2、數(shù)控車床工作原理。在傳統(tǒng)的金屬切削機(jī)床上，操作者在加工零件時(shí)，根據(jù)圖樣的要求，需要不斷地改變刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡和運(yùn)動(dòng)速度等參數(shù)，使刀具對(duì)工件進(jìn)行切削加工，最終加工出合格零件。

數(shù)控車床的加工實(shí)際上應(yīng)用了“微分”原理，其工作原理與過程簡(jiǎn)述如下。

1）數(shù)控裝置根據(jù)加工程序要求的刀具軌跡，將軌跡按機(jī)床對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)軸，以最小移動(dòng)量（脈沖當(dāng)量）為單位進(jìn)行微分，并計(jì)算出各坐標(biāo)需要移動(dòng)的脈沖數(shù)。

2）通過數(shù)控裝置的“插補(bǔ)”軟件或“插補(bǔ)”運(yùn)算器，將要求的軌跡用以“最小移動(dòng)量”為單位的等效折線進(jìn)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(yīng)的坐標(biāo)軸連續(xù)不斷地分配進(jìn)給脈沖，并通過伺服驅(qū)動(dòng)使機(jī)床坐標(biāo)軸按分配的脈沖運(yùn)動(dòng)。

由上可得出以下結(jié)論：

1）只要數(shù)控機(jī)床的最小移動(dòng)量（脈沖當(dāng)量）足夠小，所用的擬合折線就可以等效代替理論曲線。

2）只要改變坐標(biāo)軸的脈沖分配方式，就可以改變擬合折線的形狀，從而達(dá)到改變加工軌跡的目的。

3）只要改變分配脈沖的頻率，就可改變坐標(biāo)軸（刀具）的運(yùn)動(dòng)速度。

這樣就實(shí)現(xiàn)了數(shù)控機(jī)床控制刀具移動(dòng)軌跡的根本目的。

根據(jù)給定的數(shù)學(xué)函數(shù)，在理想軌跡（輪廓）的已知點(diǎn)之間通過數(shù)據(jù)點(diǎn)的密化，計(jì)算并確定中間點(diǎn)的方法稱為插補(bǔ)；能同時(shí)參與插補(bǔ)的坐標(biāo)軸數(shù)稱為聯(lián)動(dòng)軸數(shù)。顯然，數(shù)控機(jī)床的聯(lián)動(dòng)軸數(shù)越多，機(jī)床加工輪廓的性能就越強(qiáng)。因此，聯(lián)動(dòng)軸數(shù)量是衡量數(shù)控機(jī)床性能的重要技術(shù)指標(biāo)。

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