数控机床结构及应用第1章

MMTCNC本章要点数控机床简介数控机床的组成第1章绪论数控机床的分类数控机床的坐标系数控机床的主要性能指标及功能MMTCNC第1章绪论Introduction1.1数控机床简介Ncmachinetoolprofile数控机床结构及应用MMTCNC1.1.1数控技术发展的原因客观方面的原因：第二次世界大战中体现出来的对武器装备要求更加精良；计算机技术的产生和不断发展；机床技术的不断发展和成熟等。主观方面的原因：要求减轻工人的劳动强度；不断提高劳动效率；工厂实现自动化的要求等。MMTCNC1.1.2数控系统的发展史硬线数控阶段(1952～1970年)1）1952年开始的第一代数控系统，其主要特点是以电子管、继电器、模拟电路元件为主2）1959年开始的第二代数控系统，其主要特点是以晶体管数字电路元件为主3）1965年开始的第三代数控系统，其主要特点是以集成数字电路器件为主。计算机数控阶段(1970年至今)1）1970年开始的第四代数控系统，其主要特点是基于小型计算机并采用中小规模集成电路的数控系统。2）1974年开始的第五代数控系统，其主要特点是基于微处理器并具有数字显示、故障自诊断功能的数控系统。3）1990年开始的第六代数控系统，其特点是基于PC的数控系统。MMTCNC1.1.3数控定义数控技术——是一种自动控制技术，是用数字化信号对控制对象加以控制的一种方法。数控机床——为满足单件、小批、多品种、自动化生产的需要而研制的一种灵活的、通用的能够适应产品频繁变化的柔性自动化机床，具有适应性强、加工精度高、加工质量稳定和生产效率高的优点。MMTCNC1.1.4数控机床的优点适应能力强、适应于多品种、单件小批量零件的加工；加工精度高；工序高度集中，可以大大减轻工人的体力劳动；生产准备周期短，具有较高的加工生产率和较低的加工成本；能完成复杂型面的加工；技术含量高，有利于实现机械加工的现代化管理。MMTCNC1.2数控机床的组成Thecompositionofncmachinetools第1章绪论Introduction数控机床结构及应用MMTCNC1.2.1数控机床的技术组成数控技术由机床技术、数控系统技术和外围技术等组成。机床技术包括基础件和配套件等；数控系统技术包括控制系统、驱动系统和测量与反馈系统等；外围技术包括工具系统、编程技术和管理技术等。MMTCNC图1—1数控机床主要由控制介质、数控装置、伺服装置、辅助控制装置、检测装置和机床本体组成。如图所示。控制介质数控装置伺服机构辅助控制装置检测装置机床本体主轴箱电气柜控制面板主轴床身工作台冷却液箱1.3.1数控机床的组成MMTCNC控制介质是指将零件加工信息传送到数控装置去的程序载体。随数控装置类型的不同而不同，常用的有磁盘、移动硬盘、Flash（U盘）等（见图）。1.控制介质1.2.2数控机床的结构组成①几何信息：确定加工零件的几何形状，如位移、圆心、曲面法矢量等.②辅助功能信息：说明加工条件，如刀具几何参数、进给速度和主轴转速、开关冷却液、程序结束等.③准备功能信息：说明插补类型、加工坐标平面、实现刀具半径补偿等.NC程序传入NC机床的途径:键盘手工敲入、穿孔纸带、拷贝、I/O通讯接口a)b)c)常用的控制介质a)磁盘b)移动硬盘c)U盘MMTCNC1.2.2数控机床的结构组成数控装置是数控机床的核心。由输入装置、控制器、运算器和输出装置组成。如图所示是某数控车床的数控装置。它由输入装置（如键盘）、控制运算器和输出装置（如显示器）等构成。2.数控装置①输入装置：接收外部的输入程序并存储②控制器：控制和协调数控装置各部分协调工作③运算器：接收控制信息，对集合信息进行插补运算并向输出装置发出进给脉冲④输出装置：将脉冲输出给伺服系统FANUC西门子广州数控华中数控凯恩帝蓝天MMTCNC3.伺服机构1.2.2数控机床的结构组成构成:驱动装置、伺服电动机、传动丝杠等工作过程：（弱电强电）脉冲信号伺服单元放大器电动机运转工作台、主轴移动丝杠转动伺服系统是数控装置与机床本体间的传动联系环节，可以将来自数控装置的脉冲信号转换为机床移动部件的运动，使工作台精确定位或按规定的轨迹做严格的相对运动，最后加工出符合图纸的零件。a)驱动装置b)伺服电动机伺服机构MMTCNC辅助控制装置是介于数控装置和机床机械、液压部件之间的强电控制装置。由于可编程控制器（PLC）具有响应快、性能可靠、易于使用、编程和修改程序，并可直接驱动机床电气等特点，现已广泛用作数控机床的辅助控制装置。图所示为某可编程控制器的外观图。4.辅助控制装置辅助控制装置1.2.2数控机床的结构组成MMTCNC检测反馈装置将数控机床各个坐标轴的实际位移量、速度参数检测出来，转换成电信号，并反馈到机床的数控装置中。检测装置的检测元件有多种，常用的有直线光栅、光电编码器、圆光栅、绝对编码尺等。5.检测装置光电编码器直线光栅1.2.2数控机床的结构组成机床本体是数控机床的主体，是用于完成各种切削加工的机械部分，包括主运动部件、进给运动执行部件（如工作台、滑板及其传动部件）和床身、立柱、支承部件等。6.机床本体MMTCNC数控机床加工零件的工作过程如图所示。加工步骤如下：（1）根据被加工零件的图样与工艺方案，用规定的代码和程序段格式编写出加工程序。（2）将所编写加工程序指令输入到机床数控装置中。（3）数控装置对程序（代码）进行处理之后，向机床各个坐标的伺服驱动机构和辅助控制装置发出控制信号。（4）伺服机构接到执行信号指令后，驱动机床的各个运动部件，并控制所需的辅助动作。（5）机床自动加工出合格的零件。数控装置伺服机构机床本体图样①②③④⑤程序工件1.2.3数控机床的工作过程MMTCNC1.3数控机床的分类Theclassificationofthencmachinetools第1章绪论Introduction数控机床结构及应用MMTCNC1.金属切削类数控机床主要有：数控车床、数控铣床、数控磨床、数控钻床、数控镗床、数控齿轮加工机床以及数控加工中心等。数控车床数控铣床1.3.1按工艺用途分类MMTCNC•（2）金属成形类数控机床金属成形类数控机床指采用挤、冲、压、拉等成形工艺的数控机床。常用的有数控压力机、数控折弯机、数控弯管机、数控旋压机等。•（3）数控特种加工机床特种加工类数控机床主要有数控电火花成形加工机床、数控电火花线切割机床如图、数控激光切割机床等。•（4）测量、绘图类测量、绘图类数控机床主要有三坐标测量仪、数控对刀仪、数控绘图仪等。1.3.1按工艺用途分类MMTCNC始点终点123451)点位控制（PositioningControl）数控机床：特点：只控制起点和终点的精确位置，与中间过程无关包括：数控钻、数控镗、数控冲床和数控测量机共性：中间过程属“非切削段”1.3.2按运动方式分类MMTCNC加工零件类型：带台阶的圆柱零件、方形零件它是点位控制和单坐标控制的结合，可有多个坐标但不能联动，起终点之间属“切削段”。这类机床不仅能保证刀具在相关点的定位，还要控制刀具沿某一个坐标轴方向作直线运动的速度和路线。该类设备有：简易数控车床、数控铣床等2)点位直线控制数控机床：1.3.2按运动方式分类MMTCNC实现两个或两个以上坐标做关联运动，即联动21XYO移动轨迹始点最终点3)轮廓控制数控机床：控制内容：程序规定的轨迹、速度该类设备有：数控车床、数控铣床、数控磨床和电加工机床等。加工零件类型：可加工曲线、曲面类零件1.3.2按运动方式分类MMTCNC（1）开环控制系统机床伺服系统不带位置检测元件，伺服驱动元件一般为步进电机。精度取决于步进电机的步距精度和机械传动的精度，其线路简单，调整方便，精度低，一般用于小型或经济型数控机床。数控装置脉冲指令步进电机驱动线路工作台1.3.3按控制方式分类MMTCNC（2）闭环控制系统闭环控制系统带有位置检测元件，随时检测工作台的实际位移，并反馈给数控装置，并与设定值进行比较。常使用直流或交流伺服电机，位置检测元件常为直线光栅、磁栅、同步感应器等。闭环控制加工精度高、速度快，但维护困难、成本高系统稳定性较差。数控装置位置控制速度控制伺服电机测速机工作台位置检测器1.3.3按控制方式分类MMTCNC（3）半闭环控制系统位置检测元件安装在伺服电机的轴上或滚珠丝杠的端部，不直接反馈机床的位移量，而是检测伺服机构的转角。精度较闭环系统低，但其结构简单，造价较低不受机械传动装置的影响，调试方便，广泛应用在中等精度及以上的连续控制机床中。数控装置位置控制速度控制伺服电机测速机工作台转角检测器1.3.3按控制方式分类MMTCNC两坐标、三坐标、四坐标、五坐标NC机床１）两坐标NC机床：类型：线切割、二坐标铣（二轴半）用途：可加工二维轮廓零件。2)三轴联动的NC机床:可实现X、Y、Z三个坐标联动用途：可用于加工曲面类零件1.3.4按联动轴数分类MMTCNC3)四坐标联动:除Ｘ、Ｙ、Ｚ外还可和另一旋转轴实现联动用途：可加工各种曲面、四轴直纹面叶轮、螺旋类零件和平面内斜孔的壳体类零件。类别：按旋转轴划分：ＸＹＺＡ、ＸＹＺＢ、ＸＹＺＣ与三坐标机床相比它的加工范围、精度都得到了提高。1.3.4按联动轴数分类MMTCNC用途：理论上可实现空间在不干涉情况下任何复杂结构零件的加工，如加工曲面变斜角、各种叶轮、闭式叶盘、带有空间斜孔的复杂壳体类零件4)五坐标联动：除Ｘ、Ｙ、Ｚ外还可和两个旋转轴实现联动（ＸＹＺＡＢ、ＸＹＺＡＣ、ＸＹＺＢＣ）结构：两个旋转坐标都在主轴上；两个旋转坐标都在工作台上；一个旋转坐标在主轴上，另一个在工作台上1.3.4按联动轴数分类MMTCNC1.3.5按功能水平分类（1）经济型数控机床经济型数控机床大多指采用开环控制系统的数控机床，其功能简单，价格便宜，适用于自动化程度和加工精度要求不高的场合。（2）中档数控车床，中档数控机床大多指采用半闭环控制系统的数控机床，一般具有单色显示的CRT，程序储存和编辑功能，能进行刀尖圆弧半径补偿、固定循环、螺纹切削等功能。（3）多功能型数控机床这类数控机床的功能齐全，价格较贵。加工复杂零件的大中型机床及柔性制造系统、计算机集成制造系统使用的数控机床一般为多功能型。这是指较高档次的数控车床，这类机床一般具备刀尖圆弧半径自动补偿、恒线速度切削、倒角、固定循环、螺纹切削、图形显示、用户宏程序等功能。系统功能高档中档经济型功能无级变速、C轴功能机械变速分辩率0.1μm1μm10μm进给速度15～100m/min15～24m/min8～15m/min伺服驱动闭环半闭环开环电机交、直流伺服电机步进电机联动轴数2～4轴或2～5轴2～3轴通信功能MAP，联网功能RS232CRS485无显示功能三维图形彩显CRT图形显示数码或CRT字符内装PLC有有无主CPU32位或64位16位或32位8位MMTCNC1.4数控机床的坐标系Ncmachinetoolcoordinatesystem第1章绪论Introduction数控机床结构及应用MMTCNC第一章绪论1.4数控机床的坐标系MMTCNC第一章绪论1.刀具相对于静止的工件运动原则即在考虑机床坐标系时,被加工工件的坐标系看作是相对静止的，其目的是编程人员可以根据零件图样来确定机床的加工过程。1.4数控机床的坐标系MMTCNC第一章绪论2.标准坐标系的规定一个直线进给运动或一个圆周进给运动定义为一个坐标轴。标准坐标系是一个用X、Y、Z表示的直线进给运动的直角坐标系，用右手法则判定。大拇指指向X轴正方向，食指指向Y轴正方向，中指指向Z轴正方向。坐标系各坐标轴与机床的主要导轨平行。围绕X、Y、Z轴旋转的坐标轴分别用A、B、C表示，根据右手定则判定，大拇指指向＋X、＋Y、＋Z方向，其他四指旋向分别为+A、+B、+C方向。1.4数控机床的坐标系MMTCNC3.运动部件方向规定机床某一运动部件的正方向，规定为增大刀具与工件距离的方向，而对钻、镗加工，钻入或镗入工件的方向是负方向。4.标准坐标系的原点标准坐标系的原点位置是任意的，A、B、C的旋转运