第二章 數(shù)控機床的組成和工作原理

1、2、數(shù)控機床的組成和工作原理,2.1 概述,2.1.1 機床的數(shù)字控制,數(shù)字控制（NC）-指用數(shù)字化信號對機床運動及其加工過程進行控制的一種方法，簡稱數(shù)控；,數(shù)控機床（NC機床）-是一種采用計算機技術(shù)，利用數(shù)字進行控制的高效、能自動化加工的機床，能夠按照數(shù)字和文字編碼方式，把各種機械位移量、工藝參數(shù)、輔助功能，用數(shù)字、文字符號表示出來，經(jīng)過程序控制系統(tǒng)（即數(shù)控系統(tǒng)的邏輯處理和運算），發(fā)出各種控制指令，實現(xiàn)要求的機械動作，自動完成加工任務(wù)

2、；,數(shù)控系統(tǒng)-包含了數(shù)控裝置和伺服控制部分兩部分；,2.1.2 數(shù)控技術(shù)-實現(xiàn)FMS和CIMS的基礎(chǔ)技術(shù),2.2 數(shù)控機床的組成,數(shù)控機床由信息輸入、信息運算及控制、伺服驅(qū)動系統(tǒng)、機床本體、機電接口等五大部分組成。,2.2 數(shù)控機床的組成,（1）信息輸入,手動數(shù)據(jù)輸入（MDI）-按鍵+顯示器CRT；,磁盤輸入；,手搖脈沖發(fā)生器（電子手輪）輸入-調(diào)整機床、對刀；,通訊接口輸入-由上位機輸入；,（2）信息運算及控制（數(shù)控裝置-數(shù)控機床的核心

3、）,數(shù)控裝置的組成 - CPU+存儲器+總線+相應(yīng)的軟件；,數(shù)控裝置的主要功能 ：具有多軸聯(lián)動、多坐標控制；實現(xiàn)多種函數(shù)的插補計算；程序的編輯、輸入和修改功能；信息轉(zhuǎn)換功能；補償功能；多種加工方式選擇；故障自診斷功能；顯示功能；通訊和聯(lián)網(wǎng)功能。,2.2 數(shù)控機床的組成,（3）伺服驅(qū)動系統(tǒng)（裝置）,主軸驅(qū)動單元-實現(xiàn)速度控制；,a.伺服驅(qū)動裝置包括：,進給驅(qū)動單元-實現(xiàn)速度控制和位置控制；,回轉(zhuǎn)工作臺和刀庫伺服控制裝置+相應(yīng)的伺服電機；

4、,直流伺服系統(tǒng)-使用直流伺服電機；,交流伺服系統(tǒng)-使用交流伺服電機；,b.伺服系統(tǒng)按所用電機的類型分為：,安裝在伺服電機（或機床的執(zhí)行部件）上的速度、位移檢測元件及其電路；,（常用的檢測裝置-測速電機、旋轉(zhuǎn)變壓器、脈沖編碼器、感應(yīng)同步器、光柵、磁性檢測元件、霍爾檢測元件）,2.2 數(shù)控機床的組成,（4）機床本體（主機）,數(shù)控機床本體由主運動部件、進給運動部件、執(zhí)行部件和基礎(chǔ)部件組成。,數(shù)控機床與普通機床在結(jié)構(gòu)上的區(qū)別有:,伺服電機驅(qū)動

5、（無級變速）-傳動鏈短、結(jié)構(gòu)簡單；,采用精密滾珠絲杠和直線滾動導(dǎo)軌-實現(xiàn)快速響應(yīng)特性；,機械結(jié)構(gòu)具有較高的動態(tài)特性、動態(tài)剛度、阻尼精度、耐磨性及抗熱變形性能-實現(xiàn)高精度、高效率、高自動化加工。,2.2 數(shù)控機床的組成,（5）機電接口,機電接口-指數(shù)控裝置與機床之間的接口。,作用：實現(xiàn)數(shù)控機床強電線路與低壓下工作的控制電路或弱電線路的連接，將數(shù)字控制信息和開關(guān)控制信息很好地協(xié)調(diào)起來，實現(xiàn)機床的正常運轉(zhuǎn)和工作。數(shù)控機床的開關(guān)量控制（動作控制

6、），一般采用可編程控制器(PC、PLC、PMC)來實現(xiàn)。,數(shù)控系統(tǒng)-CNC裝置+伺服驅(qū)動裝置+PLC控制+檢測裝置；,伺服系統(tǒng)-伺服驅(qū)動單元（速度控制環(huán)）+伺服電機+機械傳動環(huán)節(jié)；,數(shù)控機床的邏輯組成,2.2 數(shù)控機床的組成,2.3 數(shù)控機床的基本工作原理,（1）數(shù)控機床的加工過程,,,輸入,,,,,2.3 數(shù)控機床的基本工作原理,（2）點位控制與輪廓加工控制,點位控制-控制點到點之間的距離。特點：與刀具路徑無關(guān)。包括鉆、鏜、攻螺紋等

7、加工。,輪廓加工控制-亦稱連續(xù)軌跡控制，分為加工平面曲線（X,Y軸運動的合成）和加工空間曲線（X,Y,Z軸運動的合成）兩種情況。,輪廓加工控制的特點：對各坐標軸的移動量、速度及相互間的比例同時進行控制。,2.3 數(shù)控機床的基本工作原理,（2）點位控制與輪廓加工控制,點位控制及輪廓加工控制均通過插補運算來實現(xiàn)。,插補-指在被加工軌跡的起點和終點之間，插進許多中間點（數(shù)據(jù)點的密化），然后用已知線型逼近的過程。如直線、圓弧、拋物線插補等等。

8、,數(shù)控系統(tǒng)將插補運算的結(jié)果通過伺服驅(qū)動裝置（伺服控制）來實現(xiàn)機床各坐標軸的運動。,,,伺服控制-分為關(guān)斷控制和調(diào)節(jié)控制兩種控制方式。,,,,,適用于點位控制,適用于輪廓控制,定義P17,2.3 數(shù)控機床的基本工作原理,（3）數(shù)控機床的基本（電氣）控制要求,運動控制,,,位移速度加速度,,,,各伺服軸的插補運動控制主軸速度控制主軸定位控制主軸及各軸的插補控制,邏輯控制,,,簡單邏輯輸入輸出控制組合邏輯控制,,,主軸電機正反

9、轉(zhuǎn)、停止；冷卻泵電機的啟動和停止；機械原點限位開關(guān)信號的檢測。,定時潤滑、刀庫控制、主軸管理等。,（4）數(shù)控機床常用的調(diào)試功能：P17,,,由邏輯編程實現(xiàn),由PLC來實現(xiàn),2.4 數(shù)控機床的基本類型,（1）點位控制系統(tǒng)-代表：數(shù)控鉆床，數(shù)控鏜床，etc.,只控制刀具相對于工件定位點的位置精度，不控制刀具的運動軌跡，刀具運動過程中不進行切削。,（2）直線控制系統(tǒng)-代表：數(shù)控車床，數(shù)控銑床，etc.,控制起點與終點間的準確位置的同時，還要求

10、刀具的運動軌跡為一直線，并能控制位移速度，刀具運動過程中進行切削加工。,點位/直線控制系統(tǒng)-同時具有以上功能，如數(shù)控鏜銑床，etc.,（3）輪廓控制系統(tǒng)-代表：數(shù)控銑床，數(shù)控車床，etc.,對兩個或兩個以上的坐標軸方向進行連續(xù)控制的同時，也對位移和速度進行連續(xù)控制，刀具運動過程中進行切削加工。 可分為2軸控制，2.5軸控制，3-5軸控制。,2.4.1 按運動軌跡分類,2.4 數(shù)控機床的基本類型,2.4.2 按伺服系統(tǒng)控制方

11、式分類,特點：不帶位置測量元件，對執(zhí)行機構(gòu)的動作情況不進行檢查，控制精度較低，成本較低。如：步進電機伺服系統(tǒng)。其精度主要取決于伺服元件和機床傳動元件。,（1）開環(huán)伺服系統(tǒng),開環(huán)控制系統(tǒng)框圖,2.4 數(shù)控機床的基本類型,2.4.2 按伺服系統(tǒng)控制方式分類,特點：機床工作臺上裝有位置測量元件（直線位移測量元件），運動精度主要取決于檢測裝置精度，與傳動鏈誤差無關(guān)；系統(tǒng)不易穩(wěn)定，調(diào)試和維修較復(fù)雜。,（2）閉環(huán)伺服系統(tǒng),閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖,2.4.

12、2 按伺服系統(tǒng)控制方式分類,（3）半閉環(huán)伺服系統(tǒng),特點：通過角位移測量元件間接測量伺服機構(gòu)中執(zhí)行元件的轉(zhuǎn)角，通過計算換算出工作臺的實際位移量，將計算值與指令值進行比較，用比較后的差值進行控制機床的位移，直至差值為0。其控制精度不如閉環(huán)控制數(shù)控機床，但調(diào)試比較方便，成本比閉環(huán)系統(tǒng)低，因而被廣泛采用。,半閉環(huán)伺服系統(tǒng)框圖,2.4 數(shù)控機床的基本類型,2.4.3 按功能水平分類,2.4 數(shù)控機床的基本類型,（1）經(jīng)濟型數(shù)控機床,（2）普及型數(shù)

13、控機床,（3）高級型數(shù)控機床,采用單板機或單片機數(shù)控系統(tǒng)，功能簡單，價格低廉，分辨率為0.01mm，最多能控制3個軸。主要用于車床，線切割機床及舊機床改造。分辨率-位移檢測系統(tǒng)能夠測量的最小位移量。,采用16或32位微處理機的中檔數(shù)控系統(tǒng)，采用半閉環(huán)的交流伺服或直流伺服驅(qū)動，能實現(xiàn)4軸以下的控制，分辨率為1µm，具有DNC通信接口。,采用16或32位微處理機，采用高響應(yīng)特性的伺服驅(qū)動，可控制5個軸，分辨率可達0.1µ

14、m，具有MAP制造自動化通信接口及聯(lián)網(wǎng)功能。,2.4.4 按工藝用途分類,2.4 數(shù)控機床的基本類型,（1）金屬切削類數(shù)控機床：數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控鉆床、數(shù)控磨床與數(shù)控齒輪加工機床，,（2）板材加工類數(shù)控機床：數(shù)控壓力機、數(shù)控折彎機、數(shù)控剪板機等等；,（3）特種加工類數(shù)控機床：數(shù)控電火花線切割機床、數(shù)控電火花成型機床、數(shù)控激光加工機床等等；,數(shù)控加工中心及其它具有復(fù)合加工能力的數(shù)控機床等；,2.5 數(shù)控機床的坐標系和自由度,2.5.

15、1 數(shù)控機床的坐標系和運動方向的規(guī)定,統(tǒng)一規(guī)定數(shù)控機床坐標系及其運動的方向，可使編程方便，并使編出的程序?qū)ν愋蜋C床有通用性；同時也便于維修和使用。我國的標準規(guī)定：不管是刀具還是工件移動的機床，都看做是刀具相對靜止的加工工件移動。,數(shù)控機床的每個進給軸定義為坐標系中的一個坐標軸；數(shù)控機床坐標系：右手笛卡兒直角坐標系。,基本坐標系：直線進給運動的坐標系（X,Y,Z）。坐標軸 相互關(guān)系--由右手定則決定?；剞D(zhuǎn)坐標：繞X,Y,Z

16、 軸轉(zhuǎn)動的圓周進給坐標 軸分別用A、B、C表示， 坐標軸相互關(guān)系由右 手螺旋法則而定。,2.5.1 數(shù)控機床的坐標系和運動方向的規(guī)定,附加坐標軸：平行于主坐標系（X,Y,Z）中坐標軸的進給軸，如第二坐標系（U、V、W），第三坐標系（P、Q、R）。,（1）Z坐標軸,工件旋轉(zhuǎn)的機床：Z坐標平行于工件的旋轉(zhuǎn)軸，刀具 遠離工件的方向為其正方向； 刀具旋轉(zhuǎn)的機床： 主軸方向固定，則Z坐標取

17、與主軸平行； 沒有主軸或有多個主軸： 垂直于工件裝夾面的方向為Z坐標； 主軸方向不確定、能轉(zhuǎn)動： 在轉(zhuǎn)動的范圍內(nèi)只與標準坐標系中的某一坐標平行時，則這個坐標便是Z坐標；若在轉(zhuǎn)動的范圍內(nèi)與多個坐標平行時，則取垂直于工件裝夾面的方向為Z坐標。,各坐標軸的確定方法：一般先確定Z軸，然后確定X軸和Y軸。,工件刀具都不旋轉(zhuǎn)的機床：Z坐標取與工件的安裝表面垂直，工件與刀具的間隔增加方向為其正方向。,Z坐標正方向規(guī)定：刀具遠離

18、工件的方向。,,,,,,,,,,,,,在刀具旋轉(zhuǎn)的機床上（銑床、鉆床、鏜床等）--Z軸水平（臥式）： 則從刀具(主軸)向工件看時，X坐標的正方向指向右邊。,+Z,,,,+X,,（2）X坐標軸,Z軸垂直（立式）： 單立柱機床，從刀具向立柱看時，X的正方向指向右邊；,,,,+Z,,,,,,+Z,,,,+X,,+X,,+Z,,,雙立柱機床(龍門式機床)：從刀具向左立柱看時，X軸的正方向指向右邊。,,+X,在工件

19、旋轉(zhuǎn)的機床上（車床、磨床等），刀具離開工件旋轉(zhuǎn)中心的方向是X軸的正方向。,,,+Z,（3）Y坐標軸,利用已確定的X、Z坐標的正方向，用右手定則，確定Y坐標的正方向：,右手定則-大拇指指向+X，中指指向+Z，則+Y方向為食指指向。,機床坐標的確定方法： 工件相對于刀具做主體運動的機床--與工件運動方向平行的坐標的正方向和標準坐標系的正方向相反； 刀具相對于工件做主體運動的機床--與刀具運動方向平行的坐標的正方向和標準坐標系

20、的正方向一致。,例：立、臥式數(shù)控銑床,,+Z,,,+X,,+Z,,+X,,,+Y,,+Z,,,+X,,,,,,,,,+Z,,+X,,+Y,龍門數(shù)控銑床,,+Z,,+Y,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,+Z,,,+Y/,,,+C,,+C,回轉(zhuǎn)坐標 A、B、C,,+X,,+X,,,+Z,,,+X,,+Y,,+A,,+C,輔助坐標 U、V、W,（1）數(shù)控機床的坐標系與機床原點機床坐標系-以機床原點為坐標系原

21、點的坐標系，是機床固有的坐標系，它具有唯一性；機床坐標系是數(shù)控機床中所建立的工件坐標系的參考坐標系。注意：機床坐標系一般不作為編程坐標系， 僅作為工件坐標系的參考坐標系。,2.5.2 數(shù)控機床的坐標系與工件坐標系,（2）數(shù)控機床工件原點與工件坐標系工件原點：為編程方便在零件、工裝夾具上選定的某一點或與之相關(guān)的點。該點也可以是與對刀點重合。工件坐標系：以工件原點為零點建立的坐標系，編程時，所有的尺寸都基于此坐標系計算。

22、工件原點偏置：工件隨夾具在機床上安裝后，工件原點與機床原點間的距離?，F(xiàn)代數(shù)控機床均可設(shè)置多個工件坐標系，在加工時通過G54-G59指令進行轉(zhuǎn)換。,（3）數(shù)控機床的絕對坐標與相對坐標,編程尺寸取值的兩種方法：,a、絕對坐標取值—以工件坐標系原點為基準 給出的零件的坐標值。,b、增量坐標取值—零件上后一點的坐標相對于前一點的增量值。,2.5.3 數(shù)控機床的自由度,數(shù)控機床不受空間6個自由度的限制，只要存在一個能獨立運動的直線軸或旋轉(zhuǎn)