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《数控机床及编程》天津滨海职业学院陈天祥Made:ChenTianxiang第二章数控机床的工作原理及其坐标系统2-1数控机床的结构结构原理图组成部分2-2数控机床的工作原理工作原理工作步骤数控机床的分类2-3数控编程坐标系统机床坐标系坐标轴及其运动方向原点及其参考点的设定编程标系与加工坐标系中捷摇臂钻床Made:ChenTianxiang数控机床的结构——结构原理图CNC（ComputerizedNumericalControl）是计算机数控系统的缩写，它是在NC（数控系统）的基础上发展起来的。现代数控机床主要由CNC数控系统和机床主体组成，此外数控机床还有许多辅助装置：自动换刀装置（AutomaticToolChangerATC）、自动工作台交换装置（AutomaticPalletChangerAPC）、自动对刀装置、自动排屑装置及电、液、气、冷却、润滑、防护等装置。数控程序输入装置输出装置主轴控制主轴电机机床主体伺服电机位置检测反馈速度控制单元计算机数控装置PLC存储介质I/OCNC系统伺服系统数控机床组成框图Made:ChenTianxiang数控机床的组成1、程序及载体（穿孔纸带、磁带、磁盘）2、输入/输出设备（纸带阅读机、软盘驱动器及键盘（MDI方式）等，还有RS232串行通讯接口，输出设备主要有CRT显示器或点阵式液晶显示器）3、计算机数控装置（核心部件，包括微处理器CPU、存储器、局部总线、外围逻辑电路以及与CNC系统的其他组成部分联系的接口等）4、伺服单元（计算机数控装置和机床本体的联系环节，它的主要功能是把来自CNC装置的微弱的脉冲指令信息，经过功率放大后，严格按照指令信息的要求驱动机床的运动部件，完成指令规定的动作，加工出合格的零件。通常伺服单元由进给驱动、主轴驱动和位置驱动三部分组成。）5、驱动装置（是数控系统主要的执行元件之一，主要功能是把经过放大的指令信号变为机械运动。驱动装置有步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机等）6、测量反馈装置（反馈元件，通常安装在机床的工作台或丝杠上，主要功能是将数控机床各坐标轴的位移指令检测值反馈到机床的数控装置中，供计算机数控装置与指令值比较产生误差信号，以控制机床向消除该误差的方向移动）7、机床主体（主运动部件——主轴、进给机构等完成切削加工；进给运动部件——工作台、刀架；支撑部件——床身、立柱；辅助装置——冷却、润滑、转位、夹紧、换刀机械手等）Made:ChenTianxiang数控机床的工作原理数控机床与普通机床相比较，其工作原理的不同之处就在于数控机床是按数字形式给出的指令进行加工的。数控机床加工零件，首先要将被加工零件的图样及工艺信息数字化，用规定的代码和程序格式编写加工程序，然后将所编写的指令输入到机床的数控装置中，数控装置再将程序进行翻译、运算后，向机床的各个坐标的伺服机构和辅助控制装置发出信号，驱动机床的各个运动部件完成所需的辅助运动，最后加工出合格零件。零件图控制程序控制计算机伺服系统数控设备工件准备阶段编程阶段准备信息载体加工阶段数控机床工作原理图数控机床工作步骤图Made:ChenTianxiang数控机床的分类1、按数控机床的加工原理分类普通数控机床：数控车床、数控铣床、加工中心、车削中心等（用切削刀具对零件进行切削加工）。特种加工数控机床：线切割数控机床、电火花成型加工数控机床（采用电火花原理对高硬度零件进行切割及形腔进行加工）。2、按数控机床的运动轨迹分类点位控制运动：刀具相对于工件的点定位直线控制运动：刀具或工作台以给定的速度按直线运动连续控制运动（轮廓控制运动）：刀具或工作台按工件的轮廓轨迹运动，运动轨迹为任意方向的直线、圆弧、抛物线或其他函数关系的曲线3、按进给伺服系统的类型分类开环控制系统：采用步进电机，无位置检测元件，对执行机构不检测，无反馈控制信号。闭环控制系统：采用伺服电机，有位置检测元件和位置比较电路。半闭环控制系统：位置检测元件不是测量工作台的实际位置，而是测量伺服电机的转角，推算出位移Made:ChenTianxiang数控机床的类型半闭环控制系统驱动程序步进电机工作台指令开环控制系统指令位置比较速度控制工作台伺服电机速度检测位置检测反馈位置比较速度控制工作台指令伺服电机速度检测位置检测反馈闭环控制系统Made:ChenTianxiang１、机床坐标系的确定（1）机床相对运动的规定在机床上，我们始终认为工件静止，而刀具是运动的。这样编程人员在不考虑机床上工件与刀具具体运动的情况下，就可以依据零件图样，确定机床的加工过程。（2）机床坐标系的规定标准机床坐标系中X、Y、Z坐标轴的相互关系用右手笛卡尔直角坐标系决定。在数控机床上，机床的动作是由数控装置来控制的，为了确定数控机床上的成形运动和辅助运动，必须先确定机床上运动的位移和运动的方向，这就需要通过坐标系来实现，这个坐标系被称之为机床坐标系。例如铣床上，有机床的纵向运动、横向运动以及垂向运动。在数控加工中就应该用机床坐标系来描述。数控编程坐标系统Made:ChenTianxiang数控编程坐标系统标准机床坐标系中X、Y、Z坐标轴的相互关系用右手笛卡尔直角坐标系决定：①伸出右手的大拇指、食指和中指，并互为90°。则大拇指代表X坐标，食指代表Y坐标，中指代表Z坐标。②大拇指的指向为X坐标的正方向，食指的指向为Y坐标的正方向，中指的指向为Z坐标的正方向。③围绕X、Y、Z坐标旋转的旋转坐标分别用A、B、C表示，根据右手螺旋定则，大拇指的指向为X、Y、Z坐标中任意轴的正向，则其余四指的旋转方向即为旋转坐标A、B、C的正向。Made:ChenTianxiang数控编程坐标系统（3）运动方向的规定增大刀具与工件距离的方向即为各坐标轴的正方向，下图为数控车床上两个运动的正方向。Made:ChenTianxiang数控编程坐标系统２、坐标轴方向的确定（1）Z坐标Z坐标的运动方向是由传递切削动力的主轴所决定的，即平行于主轴轴线的坐标轴即为Z坐标，Z坐标的正向为刀具离开工件的方向。（2）X坐标X坐标平行于工件的装夹平面，一般在水平面内，且垂直于Z轴。则刀具离开工件的方向为X坐标的正方向，确定X轴的方向时，要考虑：①工件做旋转运动的机床，取平行于横向导轨的方向（即工件径向）为刀具运动的X方向。②刀具做旋转运动的机床，则分为两种情况：Z坐标水平时，观察者沿刀具主轴后端向工件看时，+X运动方向指向右方；Z坐标垂直时，观察者面对刀具主轴向立柱看时，+X运动方向指向右方。下图所示为数控车床的X坐标。③对于没有回转轴或没有回转工件的机床，X轴平行于主要切削方向，且以该方向为正方向。Made:ChenTianxiang数控编程坐标系统（3）Y坐标在确定X、Z坐标的正方向后，可以用根据X和Z坐标的方向，按照右手直角坐标系来确定Y坐标的方向。Made:ChenTianxiang3、机床原点的设置机床原点是指在机床上设置的一个固定点，即机床坐标系的原点。它在机床装配、调试时就已确定下来，是数控机床进行加工运动的基准参考点。（1）数控车床的原点在数控车床上，机床原点一般取在卡盘端面与主轴中心线的交点处。同时，通过设置参数的方法，也可将机床原点设定在X、Z坐标的正方向极限位置上。数控编程坐标系统Made:ChenTianxiang4、机床参考点机床参考点是用于对机床运动进行检测和控制的固定位置点。机床参考点的位置是由机床制造厂家在每个进给轴上用限位开关精确调整好的，坐标值已输入数控系统中。因此参考点对机床原点的坐标是一个已知数。通常在数控铣床上机床原点和机床参考点是重合的；而在数控车床上机床参考点是离机床原点最远的极限点。下图为数控车床的参考点与机床原点。数控编程坐标系统Made:ChenTianxiang5、编程坐标系编程坐标系是编程人员根据零件图样及加工工艺等建立的坐标系。编程坐标系一般供编程使用，确定编程坐标系时不必考虑工件毛坯在机床上的实际装夹位置。如左图所示，其中O2即为编程坐标系原点。编程原点是根据加工零件图样及加工工艺要求选定的编程坐标系的原点。编程原点应尽量选择在零件的设计基准或工艺基准上，编程坐标系中各轴的方向应该与所使用的数控机床相应的坐标轴方向一致，如右图所示为车削零件的编程原点。数控编程坐标系统Made:ChenTianxiang6、加工坐标系（1）加工坐标系的确定：加工坐标系是指以确定的加工原点为基准所建立的坐标系。加工原点也称为程序原点，是指零件被装夹好后，相应的编程原点在机床坐标系中的位置。（2）加工坐标系的设定：在机床坐标系中直接设定加工原点。例：以下图为例，在配置FANUC-OM系统的立式数控铣床上设置加工原点03。①加工坐标系的选择：编程原点设置在工件轴心线与工件底端面的交点上。设工作台工作面尺寸为800mm×320mm，若工件装夹在接近工作台中间处，则确定了加工坐标系的位置，其加工原点03就在距机床原点O1为X3、Y3、Z3处。并且X3=-345.700mm,Y3=-196.220mm,Z3=-53.165mm。数控编程坐标系统②设定加工坐标系指令：G54～G59为设定加工坐标系指令。G54对应一号工件坐标系，其余以此类推。可在MDI方式的参数设置页面中，设定加工坐标系。如对已选定的加工原点O3，将其坐标值X3=-345.700mm,Y3=-196.220mm,Z3=-53.165mm