实验1 数控机床基本组成及功能部件的认识实验
一、实验目的
1．学习和掌握数控机床基本组成结构及其工作原理；
2．了解数控机床的各种功能部件及其作用；
3．了解数控机床的各种控制用电子元器件及其功能；
4．了解数控机床的各种位置检测元件及其作用。
二、实验设备
1．机电一体化教学实验设备；
2．加工中心。
三、相关知识概述
本实验为认识实验，主要目的是加强学生对数控机床的基本组成、工作原理及功能部件、电子元器件、位置检测元件的感性认识。由老师给学生作现场讲解并进行数控机床运动控制演示。
1．知道数控机床基本组成结构。
数控机床一般由输入/输出设备、CNC装置、伺服单元、驱动装置（或执行机构）可编程控制器及电气控制装置、辅助装置、机床本体及测量装置组成，如下图所示为数控机床的组成框图。其中除机床本体以外的部分统称为CNC系统。
各组成部分的作用：
1）输入/输出装置：输入装置的作用是将载体上的数控代码变成相应的电脉冲信号，传送并存入数控装置内，一般为键盘。输入装置为显示器，其作用是为数控系统通
过显示器为操作人员提供必要的信息，如正在编辑的程序、坐标值、报警信号等。
因此，输入/输出装置是机床数控系统和打操作人员进行信息交流、人机对话必须
具备和必要的交互设备。
2）数控装置：是计算机数控系统的核心，接收的是输入装置送来的脉冲信号；经数控装置的系统软件或逻辑电路进行编译、运算和逻辑处理后，输出各种信号和指令，
控制机床的各个部分，使其进行规定的、有序的动作。这些控制信号中最基本的信
号是经插补运算决定各坐标轴的进给速度、方向和位移指令，还有如主轴的变速、
换向和启停信号，刀具的指令信号，冷却液、润滑油启停，工件和机床部件的松开、夹紧、分度工作台转位等辅助指令信号等。它主要包括微处理器（CPU）、存储器、局部总线、外围逻辑电路以及与CNC系统其它组成部分联系的接。
3）伺服单元：接收来自数控装置的速度和位移微弱指令放大成控制驱动装置的大功率信号。它是数控装置与机床本体的联系环节。有开环系统、半闭环系统和闭环系统之分，
4）驱动装置：把经过放大的指令信号变为机械运动驱动机床工作台，加工出符合要求的零件。与伺服单元相对应，驱动装置有步进电动机、交流伺服电动机等。伺服单元和驱动装置可合称为伺服驱动系统，它是机床工作的动力装置，是数控机床的重要组成部分，从某种意义上说，数控机床的功能主要取决于数控装置，而数控机床的性能主要取决于伺服驱动系统。
5）可编程控制器：通过CNC和PLC的谐调配合来共同完成数控机床的控制，其中CNC主要完成与数字运算和管理等有关的功能如零件程序的编辑、插补运算、译码、位置伺服等。PLC主要完成与逻辑运算有关的一些动作而没有轨迹上的具体要求，它主要接收CNC的控制代码M、S、T等顺序动作信息，对顺序动作信息进行译码转化成对应的控制信号，控制辅助单元完成相应的开关动作如工作的装夹、刀具的更换、冷却液的开关等一些辅助动作。它还可接收机床面板的指令，一方面直接控制机床的动作，另一方面将一部分指令送往数控装置用于加工过程的控制。数控机床上的PLC一般分为两类。一类是将CNC和PLC综合起来即内装型PLC；
另一类为独立型PLC。
6）机床本体：数控机床的机械部件，包括主运动部件、进给运动部件和支承部件，是数控系统的执行对象。
2 工作原理：用代码化的数字信息将刀具移动的轨迹的信息记录在程序介质上，然后送入数控系统，以过译码、运算控制机床的刀具与工件的相对运动，从而加工出形状、尺寸与精度符合要求的零件的一类机床即为数控机床。
3数控工作台各种主要功能部件：
1）机床坐标轴及运动方向——在编程时，为了编程的方便和统一，总是假定工件是静止的，刀具在坐标系内运动。同时规定，坐标轴的正方向总是指向增大工件和刀具之间距离的方向。
Z轴通常约定机床主轴轴线为Z轴，规定其正方向为增大刀具与工件距离的方向。X轴X轴是水平的，它平行于工件的装夹面。
Y轴Y轴为垂直于X、Z坐标轴，其正方向根据X和Z轴的正方向，按照标准笛卡尔直角坐标系来判断。
旋转运动A、B和C 围绕X、Y、Z轴旋转的圆周进给坐标轴分别用A、B、C表示，根据右手法则，以大母指指向X、Y、Z坐标轴的正方向，其余手指的转向是A、B、B、C的正方向。
2）滚珠丝杆——滚珠丝杆螺母副数控机床的核心部件之一，它将伺服电动机的旋转运动转换为拖板或工作台的直线运动。滚珠丝杆螺母与普通丝杆一样，是一种增力机构，将高速转动下的扭矩转换成低速下较大的推力。通过循环钢球将滑动摩擦改变为滚动摩擦，减少了摩擦损失并提高了传动效率。同时，由于丝杆螺母副之间的运动是滚动摩擦，在螺母、钢球和丝杠之间允许施加预紧力，可以消除正反转传动的间隙并提高传动刚度，使静、动摩擦系数变化减少，从而改善进给传动系统的动态特性。3）滚动导轨——滚动导轨副的功能是支承和引导机床的拖板或工作台完成直线运动
并承受切削负荷，其共同点是利用滚动体（钢球或钢柱）的滚动将导轨副的滑动摩擦改变为滚动摩擦（摩擦系数一般在0.003左右）以减少摩擦阻力，它允许施加预紧力，这样可以消除运动副之间的传动间隙，同时可以提高传动刚度，它的静、动摩擦系数变化小，可以改善运动副的动态特性，滚动导轨的运行速度可以大于60m/min。
4. 数控机床的各种控制用电子元器件及其功能。
1)PLC——见前述
2）20GM——位置模块，也叫定位模块，它是脉冲发生单元，通过给伺服电机驱动器或步进电机驱动器发送脉冲，可实现两轴定位，既可以实现单轴控制，也可以实现两轴联动，它作为PLC的一种特殊模块，可以单独工作，也可能与PLC连接使用；
5 了解数控机床的各种位置检测元件及其作用。
数控机床的位置检测元件就接触性而言分为两大部分：接触式行程开关和非接触式行程开关。接触式行程开关一般用于老式机床上, 而新型数控机床的位置检测元件通常采用非接触式行程开关，如：电感式接近开关、电容式接近开关、光电式接近开关等。非接触式行程开关与接触式行程开关相比较，具有可靠性高、使用寿命长等特点。
四．实验步骤和方法
1．认识——对照综合实验台，认真回顾从课本上所学的关于数控机床结构及组成并进行分析。
2．讲解——主要由老师向学生作现场讲解，需详细介绍数控机床的组成部分及其作用，同时可为学生作轴选择、点动控制、自动控制、正向、反向及回原位控制等演示，加深学生的感性认识。
3．演示——主要由老师向学生作现场演示
4．练习——学生可按教师的演示步骤进行一些简单的操作。
五．实验报告
1．根据所见部件绘制数控机床组成系统简图；
2．按所绘制简图简要说明数控机床的工作原理及主要部件的作用；
3．试说明步进电机、普通交流电机的应用特点及区别；
4．试画出半闭环及全闭环数控系统的工作原理框图；并说明其作用特点；
5．平衡重的作用是什么？
七．所用实验室：1、机电一体化分室(信息工程学院325室)；
