数控机床的组成结构、布局特点及性能指标

项目一 数控机床组成

一、数控机床组成与结构

数控机床一般由输入、输出装置、数控装置、可编程控制器、伺服系统、检测反馈装置和机床主机等组成，如图 2-1 所示。

1、输入输出装置

输入装置可将不同加工信息传递于计算机。在数控机床产生的初期，输入装置为穿孔纸带，现已趋于淘汰；目前，使用键盘、磁盘等，大大方便了信息输入工作。

输出指输出内部工作参数（含机床正常、理想工作状态下的原始参数，故障诊断参数等），一般在机床刚工作状态需输出这些参数作记录保存，待工作一段时间后，再将输出与原始资料作比较、对照，可帮助判断机床工作是否维持正常。

2、数控装置

数控装置是数控机床的核心与主导，完成所有加工数据的处理、计算工作，最终实现数控机床各功能的指挥工作。它包含微计算机的电路，各种接口电路、CRT显示器等硬件及相应的软件。

3、可编程控制器

即PLC，它对主轴单元实现控制，将程序中的转速指令进行处理而控制主轴转速；管理刀库，进行自动刀具交换、选刀方式、刀具累计使用次数、刀具剩余寿命及刀具刃磨次数等管理；控制主轴正反转和停止、准停、切削液开关、卡盘夹紧松开、机械手取送刀等动作；还对机床外部开关（行程开关、压力开关、温控开关等）进行控制；对输出信号（刀库、机械手、回转工作台等）进行控制。

4、检测反馈装置

由检测元件和相应的电路组成，主要是检测速度和位移，并将信息反馈于数控装置，实现闭环控制以保证数控机床加工精度。

5、机床主机

数控机床的主体，包括床身、主轴、进给传动机构等机械部件。

二、数控机床工作过程

数控机床的工作大致有如下几个过程，见图 2-2 。

数控加工的准备过程较复杂，内容多，含对零件的结构认识、工艺分析、工艺方案的制订、加工程序编制、选用工装、辅具及其使用方法等。

机床的调整主要包括刀具命名、调入刀库、工件安装、对刀、测量刀位、机床各部位状态等多项工作内容。

程序调试主要是对程序本身的逻辑问题及其设计合理性进行检查和调整。

试切加工则是对零件加工设计方案进行动态下的考察，而整个过程均需在前一步实现后的结果评价后再作后一步工作。

试切成功后方可对零件进行正式加工，并对加工后的零件进行结果检测。

前三步工作均为待机时间，为提高工作效率，希望待机时间越短越好，越有利于机床合理使用。该项指标直接影响对机床利用率的评价（即机床实动率）。

三、数控机床的性能指标

数控机床的性能指标一般有精度指标、坐标轴指标、运动性能指标及加工能力指标几种，详细内容及其含义与影响可参见表 2-1 。

项目二 数控机床结构性能与布局特点：

四、、对数控机床结构的基本要求

1、有良好的静刚度、动刚度

良好的静刚度、动刚度是数控机床保证加工精度及其精度保证特性的关键因素之一。与普通机床相比，其静刚度、动刚度应提高 50% 以上。

为使数控机床具有良好的静刚度，应注意合理选择构件的结构形式，如基础件采用封闭的完整箱体结构，构件采用封闭式截面，合理选择及布局隔板和筋条（图 2-3、 2-4），尽量减小接合面，提高部件间接触刚度等；合理进行结构布局（图 2-5）；采取补偿构件变形的结构措施（图 2-6）。

提高数控机床动刚性则可通过改善机床阻尼特性（如填充阻尼材料）来提高抗振性；在床身表面喷涂阻尼涂层；采用新材料（如人造花岗石，混凝土等）等方法实现。

2、有更小的热变形

数控机床加工中的摩擦等均会引起温升及变形而影响加工精度。为确保加工精度，在数控机床结构布局设计中可考虑尽量采用对称结构（如对称立柱等），进行强制冷却（如采用空冷机），使排屑通道对称布置等措施。

3、有良好的低速运动性能

数控机床各坐标轴进给运动的精度及其灵敏性亦极大地影响到零件加工精度，要提高数控机床的运动精度可采取降低执行件的质量，减小静、动摩擦系数之差，清除传动件间间隙，提高传动刚度等措施。

4、有更好的宜人性

从使用数控机床的操作使用角度出发，机床结构布局应有良好的人机关系（如面板、操作台位置布置等）和较高的环保标准。

二、数控机床布局特点

数控机床的总体结构布局应按上述要求，既满足从机床性能、加工适应范围等内部因素考虑确定各构件间位置，同时亦满足从外观、操作、管理到人机关系等外部因素考虑安排机床总布局。

数控机床不同的布局形式给机床工作带来了不同的影响，从而形成不同的特点，其影响主要表现在如下几个方面：

1、不同布局适应不同的工件形状、尺寸及重量

如图 2-7 所示均为数控铣床，但四种布局方案适应的工件重量、尺寸却不同。其中， （ a ）适应较轻工件，（ b ）适应较大尺寸工件，（ c ）适应较重工件，（ d ）适应更重更大工件。

2、不同布局有不同的运动分配及工艺范围

如图 2-8 所示为数控镗铣床的三种布局方案。其中，（ a ）主轴立式布置，上下运动，对工件顶面进行加工；（ b ）主轴卧式布置，加工工作台上分度工作台的配合，可加工工件多个侧面；（ c ）在（ b ）基础上再增加一个数控转台，可完成工件上更多内容的加工。

3、不同布局有不同的机床结构性能

如图 2-9 所示为几种数控卧式镗铣床。其中，（ a ）、（ b ）为 T 形床身布局，工作台支承于床身，刚度好，工作台承载能力强； （ c ）、（ d ）工作台为十字形布局，其中（ c ）主轴箱悬挂于单立柱一侧，使立柱受偏载，（ d ）主轴箱装在框式立柱中间，对称布局，受力后变形小，有利于提高加工精度。

4、不同布局影响机床操作方便程度

不同的机床布局使机床操作中不少工作（如工件、刀具装卸、切屑清理、加工观察等）方便程度不同。如图 2-10 为数控车床的三种不同布局方案，其中（ c ）为立床身，排屑最方便，切屑直接落入自动排屑的运输装置；（ b ）为斜床身，排屑亦较方便；（ a ）为横床身，加工观察与排屑均不易。

综上，对数控机床布局特点的了解是合理选用机床、操作机床的必备基础。