淺談數(shù)控機(jī)床的工作原理

黨成龍 趙一新

【摘要】數(shù)控機(jī)床與一般機(jī)床相比，有較強(qiáng)的適應(yīng)性和通用性，能獲得更高的加工精度和穩(wěn)定的加工質(zhì)量，具有較高的生產(chǎn)率，能改善勞動(dòng)條件，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，還便于現(xiàn)代化的生產(chǎn)管理。數(shù)控機(jī)床在加工制造中有舉足輕重的地位，本文就數(shù)控機(jī)床的工作原理作簡(jiǎn)要探究，希望為相關(guān)人員提供一定的借鑒和參考。

【關(guān)鍵詞】數(shù)控機(jī)床 ；工作原理

數(shù)控機(jī)床由程序編制及信息載體、輸入裝置、數(shù)控裝置、伺服裝置系統(tǒng)、輔助控制裝置、機(jī)床本體等幾部分組成。 數(shù)控機(jī)床加工零件的過(guò)程如圖1所示。

一、程序編制及信息載體

數(shù)控加工機(jī)床進(jìn)行工作時(shí)不需要人來(lái)直接進(jìn)行操作，而是靠人事先編制好的數(shù)控程序來(lái)實(shí)現(xiàn)控制。數(shù)控程序?qū)嵸|(zhì)上是一種規(guī)定的代碼和程序格式，它能幫助數(shù)控機(jī)床直接接受的人的意圖。通過(guò)對(duì)加工零件的工藝分析和結(jié)構(gòu)形狀分析，確定零件坐標(biāo)系在機(jī)床坐標(biāo)系上的相對(duì)位置，即刀具與零件相對(duì)運(yùn)動(dòng)的尺寸參數(shù)；零件在機(jī)床上的安裝位置；零件加工的工藝路線、切削加工的工藝參數(shù)以及輔助裝置的動(dòng)作等。得到零件的所有運(yùn)動(dòng)、尺寸、安裝位置、工藝參數(shù)等加工信息后，用由符號(hào)、數(shù)字和文字等寫(xiě)成標(biāo)準(zhǔn)數(shù)控代碼，并且按照一定的的方法和格式，編制成用于控制零件加工的數(shù)控程序單。程序編制的工作以前大多由人工來(lái)完成，近些年來(lái)，隨著科技的快速發(fā)展，越來(lái)越多的程序由專(zhuān)用的編程機(jī)和通用的計(jì)算機(jī)上完成。特別是對(duì)于一些形狀復(fù)雜的零件，編程機(jī)和計(jì)算機(jī)能夠明顯地提高效率。數(shù)控程序的媒介稱(chēng)為信息載體，它用來(lái)記錄零件加工的全部信息，它可以是穿孔紙帶、磁帶和磁盤(pán)等，比如穿孔帶，就以有孔表示二進(jìn)位數(shù)字碼的"1"，無(wú)孔表示"0"。采用哪一種存儲(chǔ)載體，取決于數(shù)控裝置的設(shè)計(jì)類(lèi)型。

二、輸入裝置

輸入裝置的作用是將信息載體上的數(shù)控程序傳遞并存入數(shù)控裝置內(nèi)。輸入裝置可以是紙帶閱讀機(jī)、磁帶機(jī)或軟盤(pán)驅(qū)動(dòng)器等，選擇輸入裝置應(yīng)考慮控制存儲(chǔ)的介質(zhì)。數(shù)控機(jī)床加工程序也可通過(guò)鍵盤(pán)用手工方式直接輸入數(shù)控系統(tǒng)；數(shù)控加工程序還可由編程計(jì)算機(jī)用RS232C或采用網(wǎng)絡(luò)通信方式傳送到數(shù)控系統(tǒng)中。

零件的加工程序輸入到計(jì)算機(jī)后，先存入計(jì)算機(jī)的零件程序存儲(chǔ)器中，加工時(shí)再?gòu)拇鎯?chǔ)器中一段段往外調(diào)。或者零件程序從閱讀機(jī)輸入數(shù)控裝置后，直接送去信息處理，這樣機(jī)床一邊讀入，一邊加工。

三、數(shù)控裝置

加工零件的信息輸入數(shù)控裝置后，接著進(jìn)行信息的處理。數(shù)控裝置是數(shù)控機(jī)床的核心。數(shù)控裝置從內(nèi)部存儲(chǔ)器中取出或接受輸入裝置送來(lái)的一段或幾段數(shù)控加工程序，經(jīng)過(guò)數(shù)控裝置的邏輯電路或系統(tǒng)軟件進(jìn)行編譯、運(yùn)算和邏輯處理后，輸出各種控制信息和指令，將加工程序翻譯成計(jì)算機(jī)內(nèi)部能識(shí)別的語(yǔ)言，這個(gè)過(guò)程叫譯碼。譯碼后，這些指令與數(shù)據(jù)是控制與運(yùn)算的原始依據(jù)，能控制機(jī)床各部分的工作，使其進(jìn)行規(guī)定的有序運(yùn)動(dòng)和動(dòng)作。

零件的輪廓圖形往往由直線、圓弧或其他非圓弧曲線組成，刀具在加工過(guò)程中必須按零件形狀和尺寸的要求進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，即按圖形軌跡移動(dòng)。對(duì)于輪廓控制系統(tǒng)，信息處理的重要內(nèi)容是運(yùn)動(dòng)軌跡的插補(bǔ)運(yùn)算。零件的加工程序通常只給出工件某段輪廓起點(diǎn)和終點(diǎn)的坐標(biāo)和形狀規(guī)律信息，由計(jì)算機(jī)據(jù)此計(jì)算出一系列中間點(diǎn)的坐標(biāo)，并向相應(yīng)坐標(biāo)輸出脈沖信號(hào)，控制各坐標(biāo)軸（即進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的各執(zhí)行元件）的進(jìn)給速度、進(jìn)給方向和進(jìn)給位移量等。這種把起點(diǎn)和終點(diǎn)之間的空白補(bǔ)齊的運(yùn)算稱(chēng)為插補(bǔ)運(yùn)算。

四、伺服系統(tǒng)和位置檢測(cè)裝置

驅(qū)動(dòng)裝置接受來(lái)自數(shù)控裝置的指令信息，經(jīng)功率放大后，嚴(yán)格按照指令信息的要求驅(qū)動(dòng)機(jī)床移動(dòng)部件，以加工出符合圖樣要求的零件。因此，它的伺服精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能是影響數(shù)控機(jī)床加工精度、表面質(zhì)量和生產(chǎn)率的重要因素之一。伺服系統(tǒng)控制機(jī)床的各個(gè)執(zhí)行件，使之完成預(yù)定的位移，每一個(gè)數(shù)字或者脈沖信號(hào)，使機(jī)床執(zhí)行件得到的位移量稱(chēng)為"增量值"或"設(shè)定單位"。它的大小取決于機(jī)床的精度等級(jí)。通常為0.001mm。某些精度要求較低的機(jī)床，也可以取得大一些。

位置檢測(cè)裝置將數(shù)控機(jī)床各坐標(biāo)軸的實(shí)際位移量檢測(cè)出來(lái)，經(jīng)反饋系統(tǒng)輸入到機(jī)床的數(shù)控裝置之后，數(shù)控裝置將反饋回來(lái)的實(shí)際位移量值與設(shè)定值進(jìn)行比較，控制驅(qū)動(dòng)裝置按照指令設(shè)定值運(yùn)動(dòng)。

五、輔助控制裝置

機(jī)床邏輯狀態(tài)接口電路，主要用于機(jī)床主軸電動(dòng)機(jī)的開(kāi)、停、正、反、制動(dòng)以及變速，液壓泵和切削液泵的開(kāi)、停，換刀動(dòng)作等開(kāi)關(guān)量的控制。輔助控制裝置的主要作用是接收數(shù)控裝置輸出的開(kāi)關(guān)量指令信號(hào)，經(jīng)過(guò)編譯、邏輯判別和運(yùn)動(dòng)，再經(jīng)功率放大后驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的電器，帶動(dòng)機(jī)床的機(jī)械、液壓、氣動(dòng)等輔助裝置完成指令規(guī)定的開(kāi)關(guān)量動(dòng)作。這些控制包括刀具的選擇和交換指令，冷卻、潤(rùn)滑裝置的啟動(dòng)停止，主軸運(yùn)動(dòng)部件的變速、換向和啟停指令，工件和機(jī)床部件的松開(kāi)、夾緊，分度工作臺(tái)轉(zhuǎn)位分度等開(kāi)關(guān)輔助動(dòng)作。

由于可編程邏輯控制器具有響應(yīng)快，性能可靠，易于使用、編程和修改程序并可直接啟動(dòng)機(jī)床開(kāi)關(guān)等特點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛用作數(shù)控機(jī)床的輔助控制裝置。

六、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(tái)以及輔助運(yùn)動(dòng)裝置、液壓氣動(dòng)系統(tǒng)、潤(rùn)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)。

作者簡(jiǎn)介：黨成龍（1994-），男，漢族，山東省臨沂市人，本科在讀，鄭州大學(xué)，機(jī)械工程，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)。