1、数控车床的组成及工作原理数控车床的组成及工作原理1.数控车床的组成 虽然数控车床种类较多，但一般均由车床主体、数控装置和伺服系统三大部分组成。图12-3是数控车床的基本组成方框图。图12-3 数控车床的基本组成方框图（1） 车床主体 除了基本保持普通车床传统布局形式的部分经济型数控车床外，目前大部分数控车床均已通过专门设计并定型生产。 1）主轴与主轴箱a）主轴 数控车床主轴的回转精度，直接影响到零件的加工精度；其功率大小、回转速度影响到加工的效率；其同步运行、自动变速及定向准停等要求，影响到车床的自动化程度。b）主轴箱 具有有级自动调速功能的数控车床，其主轴箱内的传动机构已经大大简化；具有无级
2、自动调速(包括定向准停)的数控车床，起机械传动变速和变向作用的机构已经不复存在了，其主轴箱也成了轴承座及润滑箱的代名词；对于改造式(具有手动操作和自动控制加工双重功能)数控车床，则基本上保留其原有的主轴箱。2）导轨 数控车床的导轨是保证进给运动准确性的重要部件。它在很大程度上影响车床的刚度、精度及低速进给时的平稳性，是影响零件加工质量的重要因素之一。除部分数控车床仍沿用传统的滑动导轨(金属型)外，定型生产的数控车床已较多地采用贴塑导轨。这种新型滑动导轨的摩擦系数小，其耐磨性、耐腐蚀性及吸震性好，润滑条件也比较优越。3）机械传动机构 除了部分主轴箱内的齿轮传动等机构外，数控车床已在原普通车床传动
3、链的基础上，作了大幅度的简化。如取消了挂轮箱、进给箱、溜板箱及其绝大部分传动机构，而仅保留了纵、横进给的螺旋传动机构，并在驱动电动机至丝杠间增设了(少数车床未增设)可消除其侧隙的齿轮副。a）螺旋传动机构 数控车床中的螺旋副，是将驱动电动机所输出的旋转运动转换成刀架在纵、横方向上直线运动的运动副。构成螺旋传动机构的部件，一般为滚珠丝杠副，如图12-4所示。如图12-4 滚珠丝杠副1一螺母 2一丝杠 3一滚珠 4一滚珠循环装置 滚珠丝杠副的摩擦阻力小，可消除轴向间隙及预紧，故传动效率及精度高，运动稳定，动作灵敏。但结构较复杂，制造技术要求较高，所以成本也较高。另外，自行调整其间隙大小时，难度亦较大
4、。b）齿轮副。在较多数控车床的驱动机构中，其驱动电动机与进给丝杠间设置有一个简单的齿轮箱（架）。齿轮副的主要作用是，保证车床进给运动的脉冲当量符合要求，避免丝杠可能产生的轴向窜动对驱动电动机的不利影响。4）自动转动刀架 除了车削中心采用随机换刀(带刀库)的自动换刀装置外，数控车床一般带有固定刀位的自动转位刀架，有的车床还带有各种形式的双刀架。5）检测反馈装置 检测反馈装置是数控车床的重要组成部分，对加工精度、生产效率和自动化程度有很大影响。检测装置包括位移检测装置和工件尺寸检测装置两大类，其中工件尺寸检测装置又分为机内尺寸检测装置和机外尺寸检测装置两种。工件尺寸检测装置仅在少量的高档数控车床上
5、配用。6）对刀装置 除了极少数专用性质的数控车床外，普通数控车床几乎都采用了各种形式的自动转位刀架，以进行多刀车削。这样，每把刀的刀位点在刀架上安装的位置，或相对于车床固定原点的位置，都需要对刀、调整和测量，并以确认，以保证零件的加工质量。（2） 数控装置和伺服系统 数控车床与普通车床的主要区别就在于是否具有数控装置和伺服系统这两大部分。如果说，数控车床的检测装置相当于人的眼睛，那么，数控装置相当于人的大脑，伺服系统则相当于人的双手。这样，就不难看出这两大部分在数控车床中所处的重要位置了。a）数控装置 数控装置的核心是计算机及其软件，它在数控车床中起“指挥”作用：数控装置接收由加工程序送来的各
6、种信息，并经处理和调配后，向驱动机构发出执行命令；在执行过程中，其驱动、检测等机构同时将有关信息反馈给数控装置，以便经处理后发出新的执行命令。b）伺服系统 伺服系统准确地执行数控装置发出的命令，通过驱动电路和执行元件（如步进电机等），完成数控装置所要求的各种位移。 2.数控车床的工作过程数控车床的工作过程如图12-5所示。图12-5 数控车床的工作过程 （1）首先根据零件加工图样进行工艺分析，确定加工方案、工艺参数和位移数据。（2）用规定的程序代码和格式规则编写零件加工程序单；或用自动编程软件进行CAD/CAM工作，直接生成零件的加工程序文件。（3）将加工程序的内容以代码形式完整记录在信息介质
7、（如穿孔带或磁带）上。（4）通过阅读机把信息介质上的代码转变为电信号，并输送给数控装置。由手工编写的程序，可以通过数控机床的操作面板输入程序；由编程软件生成的程序，通过计算机的串行通信接口直接传输到数控机床的数控单元（MCU）。（5）数控装置将所接受的信号进行一系列处理后，再将处理结果以脉冲信号形式向伺服系统统发出执行的命令。（6）伺服系统接到执行的信息指令后，立即驱动车床进给机构严格按照指令的要求进行位移，使车床自动完成相应零件的加工。数控机床一般由数控系统、伺服系统(包含伺服电机和检测反馈装置)、强电控制柜、机床本体和各类辅助装置组成。(1)控制介质 控制介质叉称信息载体，是联系人与数控机
8、床之间的中间媒介物质。反映了数控加工中的全部信息。数控机床的加工程序可以存储在控制 质上。常用的控制介质有穿孔纸带、磁带和磁盘等。 (2)输入装置 输装置的作用是将程序载体(信息载体)上的数控代码传递并存人 数控系统内。 (3)数控装置 数控装置是数控机床的核心，其作用是：从内部存储器中取出或接受输入装置送来的一段或几段数控加工程序，经过数控装置的逻辑电路或 统软件进行编译，运算处理后，输出几种控制信息和指令，控制机床各部分的工作，使其进行规定的有序运动和动作。 (4)伺服单元和驱动装置 伺服单元是cNc和机床本体的联系环节，它把来自cNc装置的微弱指令信号放大成控制驱动装置的大功率信号。根据
9、接收指令的不同，伺服单元有脉冲式和模拟式之分，而模拟式伺服单元按电源种类叉可分为直流伺服单元和交流伺服单元。伺服单元还包括位置检测装置。位置检测装置将数控机床各坐标轴的实际位移检测出来，经反馈系统反馈到机床的数控系统中。 驱动装置把经放大的指令信号变为机械运动，通过简单的机械连接部件驱动机床，使工作台精确定位或接规定的轨迹作严格的相对运动，最后加工出图纸所要求的零件。和伺服单元相对应，驱动装置有步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机等。 伺服单元和驱动装置可台称为伺服驱动系统，它是机床工作的动力装置。cNc装置的指令要靠伺服驱动系统付诸实施，所以，伺服驱动系统是数控机床的重要组成部分。从某种意义
10、上说，数控机床功能的强弱主要取决于cNc装置，而数控机床性能的好坏主要取决于伺服驱动系统。 (5)辅助控制装置 辅助控制装置的主要作用是接收数控装置输出的开关量指令信号，经过翻译、逻辑判断和运算，再经功率放大后驱动相应的电器，带动机床的机械、液压、气动等辅助装置完成指令规定的开关量动作。这些控制包括主轴运动部件的变速、换向和启停指令刀具的选择和交换指令冷却、润骨装置的启停，工件和机床部件的松开和夹紧，分度工作台的转位分度等开关辅助动作。当今数控机床已广泛采用可编程控制器作为辅助控制装置。 (6)机廉本体 数控机床的本体指其机械结构宴体。它与传统的普通机床相似，但数控机床在整体布局、外观造型、传
11、动机构、工具系统及操作机构等方面都发生了很大的变化。归纳起来主要有以下几个方面： 采用高性能主轴及主传动部件。 进给传动采用高效传动件。一般采用滚珠丝杠副、直线滚动导轨副等。 具有完善的刀具自动交换和管理系统。 机床本身具有很高的动、静刚度。 采用全封闭罩壳。由于数控机床是自动完成加工的，为了操作安全等因素，一般采用移动门结构的全封闭罩壳对机床的加工部件进行全数控机床工作原理和结构简介随着科学技术的发展，机电产品日趋精密复杂。产品的精度要求越来越高、更新换代的周期也越来越短，从而促进了现代制造业的发展。尤其是宇航、军工、造船、汽车和模具加工等行业，用普通机床进行加工（精度低、效率低、劳动度大）
12、已无法满足生产要求，从而一种新型的用数字程序控制的机床应运而生。这种机床是一种综合运用了计算机技术、自动控制、精密测量和机械设计等新技术的机电一体化典型产品。数控机床是一种装有程序控制系统（数控系统）的自动化机床。该系统能够逻辑地处理具有使用号码，或其他符号编码指令（刀具移动轨迹信息）规定的程序。具体地讲，把数字化了的刀具移动轨迹的信息输入到数控装置，经过译码、运算，从而实现控制刀具与工件相对运动，加工出所需要的零件的机床，即为数控机床。1.数控机床工作原理按照零件加工的技术要求和工艺要求，编写零件的加工程序，然后将加工程序输入到数控装置，通过数控装置控制机床的主轴运动、进给运动、更换刀具，以
13、及工件的夹紧与松开，冷却、润滑泵的开与关，使刀具、工件和其它辅助装置严格按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数进行工作，从而加工出符合图纸要求的零件。2.数控机床结构数控机床主要由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体四个部分组成，如图所示。数控机床的加工过程1）控制介质 控制介质以指令的形式记载各种加工信息，如零件加工的工艺过程、工艺参数和刀具运动等，将这些信息输入到数控装置，控制数控机床对零件切削加工。2）数控装置 数控装置是数控机床的核心，其功能是接受输入的加工信息，经过数控装置的系统软件和逻辑电路进行译码、运算和逻辑处理，向伺服系统发出相应的脉冲，并通过伺服系统控制机床运动部件按加工程序指
14、令运动。3）伺服系统 伺服系统由伺服电机和伺服驱动装置组成，通常所说数控系统是指数控装置与伺服系统的集成，因此说伺服系统是数控系统的执行系统。数控装置发出的速度和位移指令控制执行部件按进给速度和进给方向位移。每个进给运动的执行部件都配备一套伺服系统，有的伺服系统还有位置测量装置，直接或间接测量执行部件的实际位移量，并反馈给数控装置，对加工的误差进行补偿。4）机床本体 数控机床的本体与普通机床基本类似，不同之处是数控机床结构简单、刚性好，传动系统采用滚珠丝杠代替普通机床的丝杠和齿条传动，主轴变速系统简化了齿轮箱，普遍采用变频调速和伺服控制。数控车床的刀具（1）对刀具的要求数控车床能兼作粗、精加工
15、。为使粗加工能以较大切削深度、较大进给速度地加工，要求粗车刀具强度高、耐用度好。精车首先是保证加工精度，所以要求刀具的精度高、耐用度好。为减少换刀时间和方便对刀，应可能多地采用机夹刀。数控车床还要求刀片耐用度的一致性好，以便于使用刀具寿命管理功能。在使用刀具寿命管理时，刀片耐用度的设定原则是以该批刀片中耐用度最低的刀片作为依据的。在这种情况下，刀片耐用度的一致性甚至比其平均寿命更重要。（2）数控车床的刀具数控车削用的车刀一般分为三类，即尖形车刀、圆弧形车刀和成型车刀。以直线形切削刃为特征的车刀一般称为尖形车刀。这类车刀的刀尖(同时也为其刀位点)由直线形的主、副切削刃构成，如90内、外圆车刀，左
16、、右端面车刀，切槽(断)车刀及刀尖倒棱很小的各种外圆和内孔车刀。用这类车刀加工零件时，其零件的轮廓形状主要由一个独立的刀尖或一条直线型主切削刃位移后得到，它与另两类车刀加工时所得到零件轮廓形状的原理是截然不同的。圆弧形车刀是较为特殊的数控加工用车刀。其特征是，构成主切削刃的刀刃形状为一圆度误差或线轮廓度误差很小的圆弧；该圆弧刃每一点都是圆弧形车刀的刀尖，因此，刀位点不在圆弧上，而在该圆弧的圆心上；车刀圆弧半径理论上与被加工零件的形状无关，并可按需要灵活确定或测定后确认。当某些尖形车刀或成型车刀(如螺纹车刀)的刀尖具有一定的圆弧形状时，也可作为这类车刀使用。圆弧形车刀可以用于车削内、外表面，特别
17、适宜于车削各种光滑连接(凹形)的成型面。成型车刀俗称样板车刀，其加工零件的轮廓形状完全由车刀刀刃的形状和尺寸决定。数控车削加工中，常见的成型车刀有小半径圆弧车刀、非矩形车槽刀和螺纹车刀等。在数控加工中，应尽量少用或不用成型车刀，当确有必要选用时则应在工艺准备文件或加工程序单上进行详细说明。为了适应数控机床自动化加工的需要(如刀具的对刀或预调、自动换刀或转刀、自动检测及管理工作等)，并不断提高产品的加工质量和生产效率，节省刀具费用，应多使用模块化和标准化刀具。2.数控车床的卡盘液压卡盘是数控车削加工时夹紧工件的重要附件，对一般回转类零件可采用普通液压卡盘；对零件被夹持部位不是圆柱形的零件，则需要
18、采用专用卡盘；用棒料直接加工零件时需要采用弹簧卡盘。3.数控车床的尾座对轴向尺寸和径向尺寸的比值较大的零件，需要采用安装在液压尾架上的活顶尖对零件尾端进行支撑，才能保证对零件进行正确的加工。尾架有普通液压尾架和可编程液压尾座。4.数控车床的刀架刀架是数控车床非常重要的部件。数控车床根据其功能，刀架上可安装的刀具数量般为8把、10把、12把或16把，有些数控车床可以安装更多的刀具。刀架的结构形式一般为回转式，刀具沿圆周方向安装在刀架上，可以安装径向车刀、轴向车刀、钻头、镗刀。车削加工中心还可安装轴向铣刀、径向铣刀。少数数控车床的刀架为直排式，刀具沿一条直线安装。数控车床可以配备两种刀架：（1）专
19、用刀架由车床生产厂商自己开发，所使用的刀柄也是专用的。这种刀架的优点是制造成本低，但缺乏通用性。（2）通用刀架根据一定的通用标准而生产的刀架，数控车床生产厂商可以根据数控车床的功能要求进行选择配置。5.数控车床的铣削动力头数控车床刀架上安装铣削动力头可以大大扩展数控车床的加工能力。数控机床保养维修技术随着电子技术和自动化技术的发展，数控技术的应用越来越广泛。以微处理器为基础，以大规模集成电路为标志的数控设备，已在我国批量生产、大量引进和推广应用，它们给机械制造业的发展创造了条件，并带来很大的效益。但同时，由于它们的先进性、复杂性和智能化高的特点，在维修理论、技术和手段上都发生了飞跃的变化。数控
20、维修技术不仅是保障正常运行的前提，对数控技术的发展和完善也起到了巨大的推动作用，因此，目前它已经成为一门专门的学科。另外任何一台数控设备都是一种过程控制设备，这就要求它在实时控制的每一时刻都准确无误地工作。任何部分的故障与失效，都会使机床停机，从而造成生产停顿。因而对数控系统这样原理复杂、结构精密的装置进行维修就显得十分必要了。尤其对引进的CNC机床，大多花费了几十万到上千万美元。在许多行业中，这些设备均处于关键的工作岗位，若在出现故障后不及时维修排除故障，就会造成较大的经济损失。我们现有的维修状况和水平，与国外进口设备的设计与制造技术水平还存在很大的差距。造成差距的原因在于：人员素质较差，缺
21、乏数字测试分析手段，数域和数域与频域综合方面的测试分析技术等有待提高等等。下面我们从现代数控系统的基本构成入手，探讨数控系统的诊断与维修。1数控系统的构成与特点目前世界上的数控系统种类繁多，形式各异，组成结构上都有各自的特点。这些结构特点来源于系统初始设计的基本要求和工程设计的思路。例如对点位控制系统和连续轨迹控制系统就有截然不同的要求。对于T系统和M系统，同样也有很大的区别，前者适用于回转体零件加工，后者适合于异形非回转体的零件加工。对于不同的生产厂家来说，基于历史发展因素以及各自因地而异的复杂因素的影响，在设计思想上也可能各有千秋。例如，美国Dynapath系统采用小板结构，便于板子更换和
22、灵活结合，而日本FANUC系统则趋向大板结构，使之有利于系统工作的可靠性，促使系统的平均无故障率不断提高。然而无论哪种系统，它们的基本原理和构成是十分相似的。一般整个数控系统由三大部分组成，即控制系统，伺服系统和位置测量系统。控制系统按加工工件程序进行插补运算，发出控制指令到伺服驱动系统；伺服驱动系统将控制指令放大，由伺服电机驱动机械按要求运动；测量系统检测机械的运动位置或速度，并反馈到控制系统，来修正控制指令。这三部分有机结合，组成完整的闭环控制的数控系统。控制系统主要由总线、CPU、电源、存贮器、操作面板和显示屏、位控单元、可编程序控制器逻辑控制单元以及数据输入/输出接口等组成。最新一代的
23、数控系统还包括一个通讯单元，它可完成CNC、PLC的内部数据通讯和外部高次网络的连接。伺服驱动系统主要包括伺服驱动装置和电机。位置测量系统主要是采用长光栅或圆光栅的增量式位移编码器。数控系统的主要特点是：可靠性要求高：因为一旦数控系统发生故障，即造成巨大经济损失；有较高的环境适应能力，因为数控系统一般为工业控制机，其工作环境为车间环境，要求它具有在震动，高温，潮湿以及各种工业干扰源的环境条件下工作的能力；接口电路复杂，数控系统要与各种数控设备及外部设备相配套，要随时处理生产过程中的各种情况，适应设备的各种工艺要求，因而接口电路复杂，而且工作频繁。2现代数控系统维修工作的基本条件2.1维修工作人
24、员的基本条件维修工作开展得好坏首先取决于人员条件。维修工作人员必须具备以下要求：（1）高度的责任心与良好的职业道德；（2）知识面广，掌握计算机技术、模拟与数字电路基础、自动控制与电机拖动、检测技术及机械加工工艺方面的基础知识与一定的外语水平；（3）经过良好的技术培训，掌握有关数控、驱动及PLC的工作原理，懂得CNC编程和编程语言；（4）熟悉结构，具有实验技能和较强的动手操作能力；（5）掌握各种常用（尤其是现场）的测试仪器、仪表和各种工具。2.2在维修手段方面应具备的条件（1）准备好常用备品、配件；（2）随时可以得到微电子元器件的实际支援或供应；（3）必要的维修工具、仪器、仪表、接线、微机。最好
25、有小型编程系统或编程器，用以支援设备调试；（4）完整资料、手册、线路图、维修说明书（包括CNC操作说明书）以及接口、调整与诊断、驱动说明书，PLC说明书（包括PLC用户程序单），元器件表格等。2.3维修前的准备接到用户的直接要求后，应尽可能直接与用户联系，以便尽快地获取现场信息、现场情况及故障信息。如数控机床的进给与主轴驱动型号、报警指示或故障现象、用户现场有无备件等。据此预先分析可能出现的故障原因与部位，而后在出发到现场之前，准备好有关的技术资料与维修服务工具、仪器备件等，做到有备而去。3现场维修现场维修是对数控机床出现的故障（主要是数控部分）进行诊断，找出故障部位，以相应的正常备件更换，使
26、机床恢复正常运行。这过程的关键是诊断，即对系统或外围线路进行检测，确定有无故障，并对故障定位指出故障的确切位置。从整机定位到插线板，在某些场合下甚至定位到元器件。这是整个维修工作的主要部分。3.1数控系统的故障诊断（1）初步判别通常在资料较全时，可通过资料分析判断故障所在，或采取接口信号法根据故障现象判别可能发生故障的部位，而后再按照故障与这一部位的具体特点，逐个部位检查，初步判别。在实际应用中，可能用一种方法即可查到故障并排除，有时需要多种方法并用。对各种判别故障点的方法的掌握程度主要取决于对故障设备原理与结构掌握的深度。（2）报警处理系统报警的处理：数控系统发生故障时，一般在显示屏或操作面
27、板上给出故障信号和相应的信息。通常系统的操作手册或调整手册中都有详细的报警号，报警内容和处理方法。由于系统的报警设置单一、齐全、严密、明确、维修人员可根据每一警报后面给出的信息与处理办法自行处理。机床报警和操作信息的处理：机床制造厂根据机床的电气特点，应用PLC程序，将一些能反映机床接口电气控制方面的故障或操作信息以特定的标志，通过显示器给出，并可通过特定键，看到更详尽的报警说明。这类报警可以根据机床厂提供的排除故障手册进行处理，也可以利用操作面板或编程器根据电路图和PLC程序，查出相应的信号状态，按逻辑关系找出故障点进行处理。（3）无报警或无法报警的故障处理当系统的PLC无法运行，系统已停机
28、或系统没有报警但工作不正常时，需要根据故障发生前后的系统状态信息，运用已掌握的理论基础，进行分析，做出正确的判断。下面阐述这种故障诊断和排除办法。故障诊断方法常规检查法目测目测故障板，仔细检查有无保险丝烧断，元器件烧焦，烟熏，开裂现象，有无异物断路现象。以此可判断板内有无过流，过压，短路等问题。手摸用手摸并轻摇元器件，尤其是阻容，半导体器件有无松动之感，以此可检查出一些断脚，虚焊等问题。通电首先用万用表检查各种电源之间有无断路，如无即可接入相应的电源，目测有无冒烟，打火等现象，手摸元器件有无异常发热，以此可发现一些较为明显的故障，而缩小检修范围。例如：在哈尔滨某工厂排除故障时，机床的数控系统和
29、PLC运行正常，但机床的液压系统无法启动，用编程器检查PLC程序运行正常，各所需信号状态均满足开机条件。进一步检查中发现，PLC信号状态与图纸和设备上的标记不一致，停机拔出电路板检查，发现PLC两块输出板编址不对，与另两块位置搞错，经交换后，机床正常运转。对于发生这个故障的机床所采用的SIMATICS5150K可编程控制器，只要编址正确，无论将线路板的位置怎样排列，系统均能正常运转，但相应地执行元件和信号源必须正确地对应，一旦对应错误就会发生故障，甚至毁坏机床。另外，根据用户提供的故障现象，结合自己的现场观察，运用系统工作原理亦可迅速做出正确判断。仪器测量法当系统发生故障后，采用常规电工检测仪
30、器，工具，按系统电路图及机床电路图对故障部分的电压，电源，脉冲信号等进行实测判断故障所在。如电源的输入电压超限，引起电源监控可用电压表测网络电压，或用电压测试仪实时监控以排除其它原因。如发生位置控制环故障可用示波器检查测量回路的信号状态，或用示波器观察其信号输出是否缺相，有无干扰。例如，上海某厂在排除故障中，系统报警，位置环硬件故障，用示波器检查发现有干扰信号，我们在电路中用接电容的方法将其滤掉使系统工作正常。如出现系统无法回基准点的情况，可用示波器检查是否有零标记脉冲，若没有可考虑是测量系统损坏。用可编程控制器进行PLC中断状态分析：可编程序控制器发生故障时，其中断原因以中断堆栈的方式记忆。
31、使用编程器可以在系统停止状态下，调出中断堆栈和块堆栈，按其所指示的原因，查明故障所在。在可编程序控制器的维修中这是最常用有效和快速的办法。接口信号检查：通过用可编程序控制器检查机床控制系统的接口信号，并与接口手册的正确信号相对比，亦可查出相应的故障点。诊断备件替换法：现代数控系统大都采用模块化设计，按功能不同划分不同模块，随着现代技术的发展，电路的集成规模越来越大技术也越来越复杂，按常规方法，很难把故障定位到一个很小的区域，而一旦系统发生故障，为了缩短停机时间，我们可以根据模块的功能与故障现象，初步判断出可能的故障模块，用诊断备件将其替换，这样可迅速判断出有故障的模块。在没有诊断备件的情况下可以采用现场相同或相容的模块进行替换检查，对于现代数控的维修，越来越多的情况采用这种方法进行诊断，然后用备件替换损坏模块，使系统正常工作。尽最大可能缩短故障停机时间，使用这种方法在操作时
