【正文】 內容通過數(shù)控裝置上的鍵盤，用手工的方式輸入。也可以用通信方式將數(shù)控程序由編程計算機直接傳送至數(shù)控裝置。 (3) 數(shù)控裝置數(shù)控裝置是數(shù)控機床的核心，包括微型計算機、各種接口電路、顯示器等硬件及相應的軟件。它能完成信息的輸入、存儲、變換、插補運算以及各種控制功能。數(shù)控裝置接受輸入裝置送來的脈沖信號，經過編譯、運算和邏輯處理后，輸出各種信號和指令來控制機床的各個部分，并按程序要求實現(xiàn)規(guī)定的、有序的動作。這些控制信號是：各坐標軸的進給位移量、進給方向和速度的指令信號；主運動部件的變速、換向和啟停指令信號；選擇和交換刀具的刀具指令信號；控制冷卻、潤滑的啟停，工件和機床部件松開、夾緊，分度工作臺轉位等輔助信號等。 數(shù)控裝置具備的功能有：① 多坐標控制；② 實現(xiàn)多種函數(shù)的插補；③ 信息轉換功能，如英制/公制轉換、坐標轉換、絕對值/增量值轉換；④ 補償功能，如刀具半徑補償、長度補償、傳動間隙補償、螺距誤差補償；⑤ 多種加工方式選擇，如可以實現(xiàn)各種加工循環(huán)、重復加工；⑥ 具有故障自診斷功能；⑦ 通信和聯(lián)網(wǎng)功能等。 (4) 強電控制裝置強電控制裝置是介于數(shù)控裝置和機床機械、液壓部件之間的控制系統(tǒng)。其主要作用是接收數(shù)控裝置輸出的主軸變速、換向、啟動或停止，刀具的選擇和更換，分度工作臺的轉位和鎖緊，工件的夾緊或松開，切削液的開或關等輔助操作的信號，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(如電器、液壓、氣動和機械部件等)，以完成指令所規(guī)定的動作，從而實現(xiàn)數(shù)控機床在加工過程中的全部自動操作。 (5) 伺服控制裝置伺服系統(tǒng)主要完成機床的運動及運動控制(包括進給運動、主軸運動、位置控制等)，它由伺服驅動電路和伺服驅動電機組成，并與機床上的執(zhí)行部件和機械傳動部件組成數(shù)控機床的進給系統(tǒng)。它接受來自數(shù)控裝置的位置控制信息，將其轉換成相應坐標軸的進給運動和精確的定位運動，驅動機床執(zhí)行機構運動。由于是數(shù)控機床的最后控制環(huán)節(jié)，它的性能將直接影響數(shù)控機床的生產效率、加工精度和表面加工質量。 (6) 機床的機械部件與傳統(tǒng)的普通機床相比，數(shù)控機床機械部件有如下幾個特點：1) 采用了高性能的主軸及進給伺服驅動裝置，機械傳動結構得到簡化，傳動鏈較短。2) 機械結構具有較高的動態(tài)特性、動態(tài)剛度、阻尼剛度、耐磨性以及抗熱變形性能。3) 較多地采用高效傳動件，如滾珠絲杠螺母副、直線滾動導軌等。4) 還有一些配套部件(如冷卻、排屑、防護、潤滑、照明、儲運等一系列裝置)和輔屬設備(編程機和對刀儀等)。 這些特點較好地滿足了數(shù)控技術的要求，并能充分適應數(shù)控加工的特點，便于實現(xiàn)自動化控制。a. 主傳動系統(tǒng)及主軸部件。主傳動電機已逐步被變頻主軸電機和交流調速電機所代替，不再使用普通的交流異步電機或傳統(tǒng)的直流調速電機。由于主軸部件要求實現(xiàn)自動更換刀具或工件，因此主軸上設計有刀具自動夾緊機構。此外還有主軸準停裝置。b. 進給系統(tǒng)。由于進給系統(tǒng)傳動精度、靈敏性和穩(wěn)定性將直接影響被加工工件的最后坐標精度和輪廓精度，因此，為減少摩擦阻力，進給系統(tǒng)普遍采用滾珠絲杠螺母副和滾動導軌。c. 數(shù)控回轉工作臺。回轉工作臺通常用來實現(xiàn)數(shù)控機床的圓周進給運動，除了用來進行各種圓弧加工或與直線進給聯(lián)動進行曲面加工外，還可以實現(xiàn)精確的分度。對于自動換刀的多工序加工中心來說，回轉工作臺已成為一個不可缺少的部件。d. 刀具及自動換刀系統(tǒng)。對于加工中心類的數(shù)控機床，還有存放刀具的刀庫、自動刀具交換裝置、自動交換工作臺等部件。由于數(shù)控機床是按預先編制的程序自動進行加工的，因而數(shù)控機床所用刀具的標準化、系列化以及編程前刀具的選用和加工前刀具的預調等都很重要。此外，自動換刀系統(tǒng)還應滿足換刀時間短、刀具重復定位精度高、足夠的刀具儲存量、刀庫占地面積小以及安全可靠等要求。 數(shù)控機床的工作原理1 工作原理數(shù)控機床是一種高度自動化的機床，它在加工工藝與加工表面形成方法上與普通機床基本相同，最根本的不同在于實現(xiàn)自動化控制的原理與方法上：數(shù)控機床是用數(shù)字化的信息來實現(xiàn)自動控制的。在數(shù)控機床上加工零件時，首先要將被加工零件圖上的幾何信息和工藝信息數(shù)字化。先根據(jù)零件加工圖樣的要求確定零件加工的工藝過程、工藝參數(shù)、刀具參數(shù)，再按數(shù)控機床規(guī)定采用的代碼和程序格式，將與加工零件有關的信息如工件的尺寸、刀具運動中心軌跡、位移量、切削參數(shù)(主軸轉速、切削進給量、背吃刀量)以及輔助操作(換刀、主軸的正轉與反轉、切削液的開與關)等編制成數(shù)控加工程序，然后將程序輸入到數(shù)控裝置中，經數(shù)控裝置分析處理后，發(fā)出指令控制機床進行自動加工。 2 插補(1) 插補的概念如何控制刀具或工件的運動是數(shù)控機床的核心問題。數(shù)控機床的信息數(shù)字化就是把刀具與工件的運動坐標分割成一些最小單位量，即最小位移量。數(shù)控系統(tǒng)按照程序的要求，經過信息處理、分配，使坐標移動若干個最小位移量，實現(xiàn)刀具與工件的相對運動，完成零件的加工。 在數(shù)控機床中，刀具的運動軌跡是折線，因此刀具不能嚴格地沿著所加工的曲線運動，只能用折線以一定的精度要求逼近被加工曲線，當逼近誤差相當小時，這些折線之和就接近曲線了。數(shù)控機床是以脈沖當量為單位，計算輪廓起點與終點之間的坐標值，進行有限分段，以折代直，以弦代弧，以直代曲，分段逼近，相連成軌跡的。CNC裝置每發(fā)出一個脈沖，機床執(zhí)行部件的最小位移量稱為脈沖當量?！?mm/脈沖，脈沖當量越小，數(shù)控機床精度越高。各種斜線、圓弧、曲線均可由以脈沖當量為單位的微小直線段擬合而成。 零件的輪廓形狀是由各種線形如直線、螺旋線、拋物線、自由曲線等構成的，用戶在加工程序中，一般僅提供描述該線形所必需的相關參數(shù)。例如，對直線，僅提供起點和終點的坐標值；對圓弧，除必須提供起點和終點的坐標值外，還必須提供圓心相對于起點的位置數(shù)值以及圓弧的旋轉方向。因此，數(shù)控系統(tǒng)必須在運動過程中實時計算出滿足線形和進給速度要求的若干中間點(在起點和終點之間)，這就是插補。它實質上是根據(jù)有限的信息完成“數(shù)據(jù)密化”的工作?？蓪⒉逖a定義為：插補就是根據(jù)給定進給速度和給定輪廓線形的要求，在輪廓的已知點之間計算中間點的方法。 數(shù)控系統(tǒng)對直線進行的插補計算即為直線插補，對圓弧進行的插補計算為圓弧插補，對其他由線進行的插補計算為其他的曲線插補。數(shù)控系統(tǒng)能進行哪幾種線形的插補計算，即具有哪幾種插補功能。目前，絕大多數(shù)數(shù)控系統(tǒng)只有直線插補功能和圓弧插補功能。因此，數(shù)控機床只能作直線進給和圓弧進給，其指令為G01和G02/G03。 (2) 插補方法的分類目前常用的插補方法大致分為兩類：脈沖增量插補和數(shù)字增量插補。1) 脈沖增量插補。主要用于采用步進電機驅動的開環(huán)系統(tǒng)。每次插補計算結束，CNC裝置向各坐標軸驅動裝置發(fā)出一個脈沖，驅動步進電機帶動機床移動部件運動。其基本思想是：用折線來逼近曲線(包括直線)。 脈沖增量插補每次插補的結果僅產生一個單位的行程增量(一個脈沖當量)。以一個個脈沖的方式輸出給步進電機。脈沖增量插補的插補速度與進給速度密切相關，還受到步進電機最高運行頻率的限制。脈沖增量插補的實現(xiàn)方法較為簡單，比較容易用硬件來實現(xiàn)，也有用軟件來完成這類算法的。這類插補算法有逐點比較法、最小偏差法、數(shù)字積分法等。逐點比較法的基本原理是：數(shù)控系統(tǒng)在控制加工過程中，逐點計算和判別加工誤差，與規(guī)定的運動軌跡進行比較，由比較結果決定下一步的移動方向。這種算法的特點是：運算直觀，插補誤差小于一個脈沖當量，輸出脈沖均勻，而且輸出脈沖的速度變化小，調節(jié)方便。因此，逐點比較法在兩坐標聯(lián)動的數(shù)控機床中應用較為廣泛。 2) 數(shù)字增量插補。主要用于采用交、直流伺服電機為伺服驅動系統(tǒng)的閉環(huán)、半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，也可以用于以步進電機為伺服驅動系統(tǒng)的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。目前所使用的CNC系統(tǒng)中，大多采用這類插補方法。CNC裝置產生的不是單個脈沖，而是標準的二進制數(shù)。其基本思想是，用直線段來逼近曲線(包括直線)。 采用數(shù)字增量插補時，插補程序以一定的時間間隔定時進行。根據(jù)編程的速度將輪廓曲線分割為插補采樣周期的進給段即輪廓步長，用弦線和割線逼近輪廓軌跡。在每一插補周期內，插補程序被調用一次，計算出各坐標軸在下一插補周期內的位移增量(數(shù)字量而不是單個脈沖)ΔX、ΔY等，然后再計算出相應插補點位置的坐標值。插補運算速度與進給速度無嚴格的關系，因此可以達到較高的進給速度。數(shù)字增量插補的實現(xiàn)算法較脈沖增量插補復雜，對計算機的運算速度有一定要求。這類插補算法有數(shù)字積分法、二階近似插補法、時間分割法等。 數(shù)控機床的分類 1．按工藝方式分類(1) 金屬切削類數(shù)控機床這類數(shù)控機床如數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控鏜床、數(shù)控磨床、數(shù)控鉆床、數(shù)控齒輪加工機床、加工中心等。盡管這些機床在加工工藝方面存在很大差異，具體的控制方法也各不相同，但它們都適合于單件、小批量和多品種的零件加工，具有很高的生產率和自動化程度。 (2) 金屬成型類數(shù)控機床這類數(shù)控機床如數(shù)控折彎機、數(shù)控彎管機、數(shù)控沖床等。(3) 數(shù)控特種加工及其他類型機床這類數(shù)控機床如數(shù)控線切割機床、數(shù)控火焰切割機、數(shù)控三坐標測量機、數(shù)控電火花加工機床等。 2．按控制系統(tǒng)運動方式分類按控制方式分，最常用的數(shù)控機床可分為以下三類：(1) 開環(huán)數(shù)控機床這類數(shù)控機床采用開環(huán)進給伺服系統(tǒng)。其數(shù)控裝置發(fā)出的指令信號是單向的，沒有檢測反饋裝置對運動部件的實際位移量進行檢測，不能進行運動誤差的校正，因此步進電機的步距角誤差、齒輪和絲杠組成的傳動鏈誤差都將直接影響加工零件的精度。 這類機床通常為經濟型、中小型機床，具有結構簡單、價格低廉、調試方便等優(yōu)點，但通常輸出的扭矩值大小受到限制，而且當輸入的頻率較高時，容易產生失步，難以實現(xiàn)運動部件的控制，因此已不能充分滿足數(shù)控機床日益提高功率、運動速度和加工精度的控制要求。圖11是開環(huán)控制的系統(tǒng)框圖。 圖11 開環(huán)控制的系統(tǒng)框圖(2) 閉環(huán)數(shù)控機床　　這類機床的位置檢測裝置安裝在進給系統(tǒng)末段端的執(zhí)行部件上，該位置檢測裝置可實測進給系統(tǒng)的位移量或位置。數(shù)控裝置將位移指令與工作臺端測得的實際位置反饋信號進行比較，根據(jù)其差值不斷控制運動，使運動部件嚴格按照實際需要的位移量運動；還可利用測速元器件隨時測得驅動電機的轉速，將速度反饋信號與速度指令信號相比較，對驅動電機的轉速隨時進行修正。這類機床的運動精度主要取決于檢測裝置的精度，與機械傳動鏈的誤差無關，因此可以消除由于傳動部件制造過程中存在的精度誤差給工件加工帶來的影響。圖12是閉環(huán)控制的系統(tǒng)框圖。 圖12 閉環(huán)控制的系統(tǒng)框圖相比于開環(huán)數(shù)控機床，閉環(huán)數(shù)控機床精度更高，速度更快，驅動功率更大，但是，這類機床價格昂貴，對機床結構及傳動鏈依然提出了嚴格的要求。傳動鏈的剛度、間隙，導軌的低速運動特性，機床結構的抗振性等因素都會增加系統(tǒng)調試困難。閉環(huán)系統(tǒng)設計和調整得不好，很容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。所以，閉環(huán)控制數(shù)控機床主要用于一些精度要求很高的鏜銑床、超精車床、超精磨床等。(3) 半閉環(huán)數(shù)控機床這類機床的檢測元件裝在驅動電機或傳動絲杠的端部，可間接測量執(zhí)行部件的實際位置或位移。這種系統(tǒng)的閉環(huán)環(huán)路內不包括機械傳動環(huán)節(jié)，控制系統(tǒng)的調試十分方便，因此可以獲得穩(wěn)定的控制特性。由于采用高分辨率的測量元件，如脈沖編碼器，因此可以獲得比較滿意的精度與速度。半閉環(huán)數(shù)控機床可以獲得比開環(huán)系統(tǒng)更高的精度，但由于機械傳動鏈的誤差無法得到消除或校正，因此它的位移精度比閉環(huán)系統(tǒng)的要低。大多數(shù)數(shù)控機床采用半閉環(huán)控制系統(tǒng)。圖13是半閉環(huán)控制的系統(tǒng)框圖。 圖13 半閉環(huán)控制的系統(tǒng)框圖3．按控制系統(tǒng)功能水平分類按控制系統(tǒng)的功能水平，可以把數(shù)控機床分為經濟型、普及型、高級型三類，主要由技術參數(shù)、功能指標、關鍵部件的功能水平來決定。這些指標具體包括CPU性能、分辨率、進給速度、伺服性能、通信功能、聯(lián)動軸數(shù)等?！?1) 經濟型數(shù)控機床　這類數(shù)控機床通常為低檔數(shù)控機床，一般采用8位CPU或單片機控制，分辨率為10 μm，進給速度為6～15 m/min，采用步進電機驅動，具有RS232接口。低檔數(shù)控機床最多聯(lián)動軸數(shù)為二軸或三軸，具有簡單CRT字符顯示或數(shù)碼管顯示功能，無通信功能。 (2) 普及型數(shù)控機床　這類數(shù)控機床通常為中檔數(shù)控機床，一般采用16位或更高性能的CPU，分辨率在1 μm以內，進給速度為15～24 m/min，采用交流或直流伺服電機驅動；聯(lián)動軸數(shù)為3～5軸；有較齊全的CRT顯示及很好的人機界面，大量采用菜單操作，不僅有字符，還有平面線性圖形顯示功能、人機對話、自診斷等功能；具有RS232或DNC接口，通過DNC接口，可以實現(xiàn)幾臺數(shù)控機床之間的數(shù)據(jù)通信，也可以直接對幾臺數(shù)控機床進行控制。(3) 高級型數(shù)控機床　這類數(shù)控機床通常為高檔數(shù)控機床，一般采用32位或64位CPU，并采用精簡指令集RISC作為中央處理單元， μm，進給速度為15～100 m/min，采用數(shù)字化交流伺服電機驅動，聯(lián)動軸數(shù)在五軸以上，有三維動態(tài)圖形顯示功能。高檔數(shù)控機床具有高性能通信接口，具備聯(lián)網(wǎng)功能，通過采用MAP(制造自動化協(xié)議)等高級工業(yè)控制網(wǎng)絡或Ethernet (以太網(wǎng))，可實現(xiàn)遠程故障診斷和維修，為解決不同類型不同廠家生產的數(shù)控機床的聯(lián)網(wǎng)和數(shù)控機床進入FMS(柔性制造系統(tǒng))和CIMS(計算機集成制造系統(tǒng))等制造系統(tǒng)創(chuàng)造了條件。 上述這種分類方式沒有嚴格的界限，經濟型數(shù)控是相對于標準數(shù)控而言的，在不同時期、不同國家的含義是不一樣的。區(qū)別于經濟型數(shù)控，把功能比較齊全的數(shù)控系統(tǒng)稱為全功能數(shù)控，也稱為標準型數(shù)控。 數(shù)控機床的特點 數(shù)控機床的脈沖當量小，位置分辨率高。數(shù)控系統(tǒng)具備誤差自動補償功能。數(shù)控機床的傳動系統(tǒng)與機床結構設計，都具有比普通機床更高的剛度和穩(wěn)定性，部件的制造、裝配精度均比較高，提高了機床本身的精度與穩(wěn)定性。數(shù)控機床采用了自動加工方式，避免了加工過程中的人為干擾 改變加工零件只需要新