1.1　數(shù)控機(jī)床的組成及功能認(rèn)知

1.1.1　數(shù)控機(jī)床的組成與分類

1.數(shù)控加工過程

數(shù)控即數(shù)字控制（Numerical Control，簡稱NC），數(shù)控技術(shù)即NC技術(shù)，是指用數(shù)字化信息發(fā)出指令并實現(xiàn)自動控制的技術(shù)。計算機(jī)數(shù)控（Computerized Numerical Control，簡稱CNC）是指用計算機(jī)實現(xiàn)部分或全部的數(shù)控功能。

數(shù)控機(jī)床的加工過程是：將所需的多個操作步驟（如機(jī)床的啟動或停止、主軸的變速、工件的夾緊或松開、刀具的選擇和交換、切削液的開或關(guān)等）和刀具與工件之間的相對位移，以及進(jìn)給速度等都用數(shù)字化的代碼來表示，按規(guī)定編寫零件加工程序并送入數(shù)控系統(tǒng)，經(jīng)分析處理與計算后發(fā)出相應(yīng)的指令控制機(jī)床的伺服系統(tǒng)或其他執(zhí)行元件，使機(jī)床自動加工出所需要的工件。

2.數(shù)控機(jī)床的分類

數(shù)控機(jī)床的品種規(guī)格很多，分類方法也各不相同。一般可根據(jù)功能和結(jié)構(gòu)，按下面4種原則進(jìn)行分類。

（1）按加工工藝及機(jī)床用途分類

1）金屬切削類

指采用車、銑、撞、鉸、鉆、磨、刨等各種切削工藝的數(shù)控機(jī)床，如數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控磨床、加工中心等。

2）金屬成型類

指采用擠、沖、壓、拉等成型工藝的數(shù)控機(jī)床，常用的有數(shù)控壓力機(jī)、數(shù)控折彎機(jī)、數(shù)控彎管機(jī)、數(shù)控旋壓機(jī)等。

3）特種加工類

主要有數(shù)控電火花線切割機(jī)、數(shù)控電火花成型機(jī)、數(shù)控火焰切割機(jī)、數(shù)控激光加工機(jī)等。

4）測量、繪圖類

主要有三坐標(biāo)測量儀、數(shù)控對刀儀、數(shù)控繪圖儀等。

（2）按運(yùn)動軌跡分類

1）點(diǎn)位控制數(shù)控機(jī)床

這類數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)是在刀具相對于工件的移動過程中不進(jìn)行切削加工，只要求刀具從一點(diǎn)移動到另一點(diǎn)并準(zhǔn)確定位，而對運(yùn)動的速度和軌跡沒有嚴(yán)格的要求，如圖0. 1所示。

圖0.1　點(diǎn)位控制切削加工

2）直線控制數(shù)控機(jī)床

這類數(shù)控機(jī)床不僅要控制機(jī)床刀具從一點(diǎn)移動到另一點(diǎn)，而且要沿直線軌跡（一般與某一坐標(biāo)軸平行或成45°角）以一定速度移動，移動過程中可進(jìn)行切削加工，加工示例如圖0. 2所示。

3）輪廓控制數(shù)控機(jī)床

輪廓控制數(shù)控機(jī)床能夠控制機(jī)床刀具或工件沿直線、圓弧或拋物線等曲線軌跡移動，移動過程中可進(jìn)行切削加工，移動速度根據(jù)工藝要求由編程確定，可實現(xiàn)曲線或者曲面輪廓加工，加工示例如圖0. 3所示。

圖0.2　直線控制切削加工

圖0.3　輪廓控制切削加工

4）多軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床

多個坐標(biāo)軸按照一定的函數(shù)關(guān)系同時協(xié)調(diào)運(yùn)動，稱為多軸聯(lián)動。按照聯(lián)動軸數(shù)，可分為二軸聯(lián)動、二軸半聯(lián)動、三軸聯(lián)動和多軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床，如圖0. 4所示。

圖0.4　不同聯(lián)動軸數(shù)所能加工的型面

（3）按伺服系統(tǒng)的控制方式分類

按伺服系統(tǒng)的控制方式不同可將數(shù)控機(jī)床分為開環(huán)控制、閉環(huán)控制和半閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床。

1）開環(huán)控制數(shù)控機(jī)床

這類數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動部件沒有位置檢測反饋裝置，采用步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動，如圖0. 5所示。

圖0.5　開環(huán)控制數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)

2）閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床

這類數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動部件上安裝有位置測量反饋裝置，由直流或交流伺服電動機(jī)驅(qū)動，如圖0. 6所示。

圖0.6　閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)

3）半閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床

將位置檢測元件安裝在電動機(jī)軸端或絲杠軸端，通過角位移的測量，間接計算出機(jī)床工作臺的實際運(yùn)行位移與數(shù)控裝置中的指令位移量相比較，實現(xiàn)差值控制，構(gòu)成如圖0. 7所示的半閉環(huán)控制。

圖0.7　半閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)圖

（4）按數(shù)控系統(tǒng)的功能水平分類

按數(shù)控系統(tǒng)的功能水平，通常把數(shù)控系統(tǒng)分為低、中、高3類，這種分類方式在我國用得較多。低、中、高3檔的界限是相對的，不同時期，劃分標(biāo)準(zhǔn)也會不同。就目前的發(fā)展水平看，可以根據(jù)表0. 1的一些功能及指標(biāo)，將各種類型的數(shù)控系統(tǒng)分為低、中、高檔3類。其中，中、高檔一般稱為全功能數(shù)控或標(biāo)準(zhǔn)型數(shù)控，在我國還有經(jīng)濟(jì)型數(shù)控的提法，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控屬于低檔數(shù)控，是指由單片機(jī)和步進(jìn)電動機(jī)組成的數(shù)控系統(tǒng)，或其他功能簡單、價格低的數(shù)控系統(tǒng)，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控主要用于車床、線切割機(jī)床以及舊機(jī)床改造等。

表0.1　各檔次數(shù)控機(jī)床的功能和指標(biāo)

3.數(shù)控機(jī)床的組成及各部分功能

數(shù)控機(jī)床一般由加工程序、輸入裝置、數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)和輔助控制裝置、檢測反饋系統(tǒng)以及機(jī)床本體組成，如圖0. 8所示。

（1）機(jī)床

機(jī)床是數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)件，有床身、箱體、立柱、導(dǎo)軌、工作臺、主軸和進(jìn)給機(jī)構(gòu)等。

（2）伺服系統(tǒng)

伺服系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)和機(jī)床主機(jī)之間的連接環(huán)節(jié)，其接受數(shù)控系統(tǒng)生成的進(jìn)給信號，經(jīng)放大驅(qū)動主機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，最后實現(xiàn)機(jī)床運(yùn)動。

圖0.8　數(shù)控機(jī)床的組成框圖

（3）檢測反饋系統(tǒng)

檢測反饋系統(tǒng)是通過檢測元件將執(zhí)行元件（電機(jī)、刀架）或工作臺的速度和位移檢測出來，反饋給數(shù)控裝置構(gòu)成閉環(huán)或半閉環(huán)系統(tǒng)。

（4）輔助控制裝置

輔助控制裝置是連接數(shù)控裝置和機(jī)床機(jī)械、液壓部件的控制系統(tǒng)。其主要作用是接收數(shù)控裝置輸出的主運(yùn)動變速，刀具的選擇與交換，輔助裝置的動作等信號。經(jīng)過編譯、邏輯判斷、功率放大后驅(qū)動相應(yīng)的電器、液壓、氣動和機(jī)械部件，以完成指令所規(guī)定的動作。

（5）數(shù)控系統(tǒng)

數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的核心，由硬件和軟件部分組成。其接受輸入代碼經(jīng)緩存、譯碼、運(yùn)算插補(bǔ)等轉(zhuǎn)變成控制指令，實現(xiàn)直接或通過PLC對伺服驅(qū)動裝置的控制。

（6）輸入裝置

鍵盤和磁盤機(jī)等是數(shù)控機(jī)床的典型輸入設(shè)備，除此之外，還可以用串行通信的方式輸入。數(shù)控系統(tǒng)一般配有CRT顯示器或點(diǎn)陣式液晶顯示器，顯示的信息較豐富，并能顯示圖形信息。操作人員可以通過顯示器獲得必要的信息。

1.1.2　數(shù)控系統(tǒng)的基本組成及工作過程認(rèn)知

1.數(shù)控系統(tǒng)組成

數(shù)控系統(tǒng)，即CNC系統(tǒng)主要由硬件和軟件兩大部分組成。其核心是計算機(jī)數(shù)字控制裝置。它通過系統(tǒng)控制軟件配合系統(tǒng)硬件，合理地組織、管理數(shù)控系統(tǒng)的輸入、數(shù)據(jù)處理、插補(bǔ)和輸出信息，控制執(zhí)行部件，使數(shù)控機(jī)床按照操作者的要求進(jìn)行自動加工。CNC系統(tǒng)采用了計算機(jī)作為控制部件，通常由常駐在其內(nèi)部的數(shù)控系統(tǒng)軟件實現(xiàn)部分或全部數(shù)控功能，從而對機(jī)床運(yùn)動進(jìn)行實時控制。只要改變計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的控制軟件就能實現(xiàn)一種全新的控制方式。CNC系統(tǒng)有很多種類型，有車床、銑床、加工中心等。但是，各種數(shù)控機(jī)床的CNC系統(tǒng)一般包括以下幾個部分：中央處理單元CPU、存儲器（ROM/ RAM）、輸入輸出設(shè)備（I/ O）、操作面板、顯示器和鍵盤、紙帶穿孔機(jī)、可編程控制器等。圖0. 9所示為CNC系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)框圖。

圖0. 9中所示的是整個計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，數(shù)控系統(tǒng)主要是指圖中的CNC控制器。CNC控制器由計算機(jī)硬件、系統(tǒng)軟件和相應(yīng)的I/ O接口構(gòu)成的專用計算機(jī)與可編程控制器PLC組成。前者處理機(jī)床的軌跡運(yùn)動的數(shù)字控制，后者處理開關(guān)量的邏輯控制。

圖0.9　CNC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

2.數(shù)控系統(tǒng)的工作過程

FANUC（日本）、SIEMENS（德國）、FAGOR（西班牙）、HEIDENHAIN（德國）、MITSUBISHI（日本）等公司的數(shù)控系統(tǒng)及相關(guān)產(chǎn)品，在數(shù)控機(jī)床行業(yè)占據(jù)主導(dǎo)地位。數(shù)控系統(tǒng)的工作過程如下。

（1）輸入

輸入CNC控制器的通常有零件加工程序、機(jī)床參數(shù)和刀具補(bǔ)償參數(shù)。機(jī)床參數(shù)一般在機(jī)床出廠時或在用戶安裝調(diào)試時已經(jīng)設(shè)定好，所以輸入CNC系統(tǒng)的主要是零件加工程序和刀具補(bǔ)償數(shù)據(jù)。輸入方式有紙帶輸入、鍵盤輸入、磁盤輸入及上級計算機(jī)DNC通信輸入等。CNC輸入工作方式有存儲方式和NC方式。存儲方式是將整個零件程序一次全部輸入到CNC內(nèi)部存儲器中，加工時再從存儲器中把一個一個程序調(diào)出。該方式應(yīng)用較多。NC方式是CNC一邊輸入一邊加工的方式，即在前一程序段加工時，輸入后一個程序段的內(nèi)容。

（2）譯碼

譯碼是以零件程序的一個程序段為單位進(jìn)行處理，把其中零件的輪廓信息（起點(diǎn)、終點(diǎn)、直線或圓弧等），F(xiàn)，S，T，M等信息按一定的語法規(guī)則解釋（編譯）成計算機(jī)能夠識別的數(shù)據(jù)形式，并以一定的數(shù)據(jù)格式存放在指定的內(nèi)存專用區(qū)域。編譯過程中還要進(jìn)行語法檢查，發(fā)現(xiàn)錯誤立即報警。

（3）刀具補(bǔ)償

刀具補(bǔ)償包括刀具半徑補(bǔ)償和刀具長度補(bǔ)償。為了方便編程人員編制零件加工程序，編程時零件程序是以零件輪廓軌跡來編程的，與刀具尺寸無關(guān)。程序輸入和刀具參數(shù)輸入分別進(jìn)行。刀具補(bǔ)償?shù)淖饔檬前蚜慵喞壽E按系統(tǒng)存儲的刀具尺寸數(shù)據(jù)自動轉(zhuǎn)換成刀具中心（刀位點(diǎn)）相對于工件的移動軌跡。

刀具補(bǔ)償包括B機(jī)能和C機(jī)能刀具補(bǔ)償功能。在較高檔次的CNC中一般應(yīng)用C機(jī)能刀具補(bǔ)償，C機(jī)能刀具補(bǔ)償能夠進(jìn)行程序段之間的自動轉(zhuǎn)接和過切削判斷等功能。

（4）進(jìn)給速度處理

數(shù)控加工程序給定的刀具相對于工件的移動速度是在各個坐標(biāo)合成運(yùn)動方向上的速度，即F代碼的指令值。速度處理首先要進(jìn)行的工作是將各坐標(biāo)合成運(yùn)動方向上的速度分解成各進(jìn)給運(yùn)動坐標(biāo)方向的分速度，為插補(bǔ)時計算各進(jìn)給坐標(biāo)的行程量作準(zhǔn)備；另外對于機(jī)床允許的最低和最高速度限制也在這里處理。有的數(shù)控機(jī)床的CNC軟件的自動加速和減速也放在這里。

（5）插補(bǔ)

零件加工程序程序段中的指令行程信息是有限的。如對于加工直線的程序段僅給定起、終點(diǎn)坐標(biāo)；對于加工圓弧的程序段除了給定其起、終點(diǎn)坐標(biāo)外，還給定其圓心坐標(biāo)或圓弧半徑。要進(jìn)行軌跡加工，CNC必須從一條已知起點(diǎn)和終點(diǎn)的曲線上自動進(jìn)行“數(shù)據(jù)點(diǎn)密化”的工作，這就是插補(bǔ)。插補(bǔ)在每個規(guī)定的周期（插補(bǔ)周期）內(nèi)進(jìn)行一次，即在每個周期內(nèi)，按指令進(jìn)給速度計算出一個微小的直線數(shù)據(jù)段，通常經(jīng)過若干個插補(bǔ)周期后，插補(bǔ)完一個程序段的加工，也就完成了從程序段起點(diǎn)到終點(diǎn)的“數(shù)據(jù)密化”工作。

（6）位置控制

位置控制裝置位于伺服系統(tǒng)的位置環(huán)上，如圖0. 9所示。它的主要工作是在每個采樣周期內(nèi)，將插補(bǔ)計算出的理論位置與實際反饋位置進(jìn)行比較，用其差值控制進(jìn)給電動機(jī)。位置控制可由軟件完成，也可由硬件完成。在位置控制中通常還要完成位置回路的增益調(diào)整，各坐標(biāo)方向的螺距誤差補(bǔ)償和反向間隙補(bǔ)償?shù)?，以提高機(jī)床的定位精度。

（7）I/ O處理

CNC的I/ O處理是CNC與機(jī)床之間的信息傳遞和變換的通道。其作用一方面是將機(jī)床運(yùn)動過程中的有關(guān)參數(shù)輸入到CNC中；另一方面是將CNC的輸出命令（如換刀、主軸變速換擋、加冷卻液等）變?yōu)閳?zhí)行機(jī)構(gòu)的控制信號，實現(xiàn)對機(jī)床的控制。

（8）顯示

CNC系統(tǒng)的顯示主要是為操作者提供方便，顯示裝置有CRT顯示器或LCD數(shù)碼顯示器，一般位于機(jī)床的控制面板上。通常有零件程序的顯示、參數(shù)的顯示、刀具位置顯示、機(jī)床狀態(tài)顯示、報警信息顯示等。有的CNC裝置中還有刀具加工軌跡的靜態(tài)和動態(tài)模擬加工圖形顯示。

1.1.3　數(shù)控機(jī)床的安裝調(diào)試

安裝調(diào)試工作是指機(jī)床運(yùn)到后，安裝到工作場地直至能正常工作的這一階段所做的工作。安裝和調(diào)試過程如下：

①機(jī)床到貨后應(yīng)及時開箱檢查，按照裝箱單清點(diǎn)技術(shù)資料、零部件、備件和工具等是否齊全無損，核對實物與裝箱單及訂貨合同是否相符，如發(fā)現(xiàn)有損壞或遺漏問題，應(yīng)及時與供貨廠商聯(lián)系解決，尤其注意不要超過索賠期限。

②機(jī)床初就位 用戶在機(jī)床到達(dá)之前，應(yīng)根據(jù)機(jī)床輪廓尺寸和實際場地情況，綜合考慮加工方便、操作者安全及車間運(yùn)輸方便等因素，首先設(shè)計機(jī)床的安裝位置和安裝方向，其次應(yīng)按機(jī)床廠提供的機(jī)床基礎(chǔ)要求做好機(jī)床地基，在安裝地腳螺栓的地方預(yù)留好空位。機(jī)床拆箱后，要找齊隨機(jī)資料，找出機(jī)床裝箱單，按照裝箱單清點(diǎn)各包裝箱內(nèi)零部件、電纜、資料等是否齊全。然后按機(jī)床說明書介紹將組成機(jī)床的各大部件分別在地基上就位。就位時，墊鐵、調(diào)整墊板和地腳螺栓等也都相應(yīng)對號入座。

③機(jī)床連接機(jī)床各部件組裝前，首先要除去安裝連接面、導(dǎo)軌和各運(yùn)動面上的防銹涂料，做好各部件外表清潔工作，然后把機(jī)床各部件組裝成整機(jī)。部件組裝完成后進(jìn)行電纜、油管和氣管連接。

④數(shù)控系統(tǒng)的連接與調(diào)試 首先將實物與訂單相對照，然后進(jìn)行電纜連接和地線連接。接著進(jìn)行數(shù)控系統(tǒng)電源線的連接，并對數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部的線路板上短路棒進(jìn)行設(shè)定。仔細(xì)調(diào)整數(shù)控柜的電源，檢查各端輸出電壓和贏流電源單元的電壓輸出端是否對地短路。再確認(rèn)數(shù)控系統(tǒng)各參數(shù)并將參數(shù)通過數(shù)控系統(tǒng)顯示，然后存入系統(tǒng)存儲器。將數(shù)控系統(tǒng)與機(jī)床側(cè)接口準(zhǔn)確連接。

⑤試車前準(zhǔn)備 按機(jī)床說明書要求給機(jī)床潤滑油箱、潤滑點(diǎn)灌注規(guī)定的油液和油脂，給液壓油箱內(nèi)灌入規(guī)定標(biāo)號的液壓油，接通外接氣源。調(diào)整機(jī)床床身水平位置，粗調(diào)機(jī)床主要幾何精度，再調(diào)整重新組裝的主要運(yùn)動部件與主機(jī)的相對位置，使機(jī)床安裝固定牢固。

⑥通電試車 普通機(jī)床的試車較簡單，主要是檢查電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向是否正常，若發(fā)現(xiàn)異常，對調(diào)任意兩根電源線即可。數(shù)控機(jī)床的試車比較復(fù)雜，具體如下：機(jī)床通電可以是一次各部件全面供電，或各部件分別供電，然后再作總供電試驗。分別供電比較安全，通電后，首先觀察有無報警故障，然后用手動方式陸續(xù)啟動各部件，檢查機(jī)床各部件的功能是否正常，最后全面通電，使機(jī)床各環(huán)節(jié)都能操作運(yùn)動起來。數(shù)控系統(tǒng)與機(jī)床聯(lián)機(jī)通電試車，手動連續(xù)進(jìn)給各軸，以查電動機(jī)的狀態(tài)、各軸的精度、各軸的安全保護(hù)和回基準(zhǔn)點(diǎn)功能。

⑦機(jī)床精度和功能的調(diào)試 在基礎(chǔ)固化后（一般為7天以上）精確調(diào)整機(jī)床主床身的水平，校正水平后移動床身上的各運(yùn)動部件，調(diào)整機(jī)床幾何精度在允許公差范圍內(nèi)。對于數(shù)控機(jī)床，精度調(diào)整完畢后，應(yīng)仔細(xì)檢查數(shù)控系統(tǒng)和可編程控制器裝置中參數(shù)設(shè)定值是否符合隨機(jī)指標(biāo)中規(guī)定的數(shù)據(jù)，然后試驗各主要操作功能、安全措施、常用指令執(zhí)行情況等。

⑧試運(yùn)行 對于數(shù)控機(jī)床，調(diào)試完畢后要求整機(jī)在一定負(fù)載條件下經(jīng)過較長時間的自動運(yùn)行，較全面地檢查機(jī)床功能及工作可靠性。運(yùn)行時間沒有統(tǒng)一規(guī)定，一般采用每天運(yùn)行8 h，連續(xù)運(yùn)行2～3天或24 h，這個過程稱作安裝后的試運(yùn)行。在試運(yùn)行時間內(nèi)，除操作失誤引起的故障外，不允許機(jī)床有故障出現(xiàn)，否則表明機(jī)床的安裝調(diào)試存在問題。通過試運(yùn)行，達(dá)到機(jī)床能安全可靠工作的目的。