数控机床的组成及工作原理

第2章数控机床的组成及工作原理本章主要内容：机床数控系统的组成及工作原理。机床数控系统的分类：按加工功能分类，按伺服系统类型分类，按数控装置类型分类，按数控系统功能水平分类，数控机床的坐标系。本章内容的重点：机床数控系统的组成及工作原理，按机床运动轨迹的数控机床分类，伺服系统的分类，数控机床的坐标系。本章内容的难点：数控机床的坐标系。2.1概述数字控制-------用计算机以数字指令方式对控制对象加以控制的一种方法。数控机床-------一种装了程序控制系统（数控系统）的机床。数控技术中常见的英文缩写及中文名称NC------数字控制CNC-----计算机数字控制MNC-----微型计算机数字控制DNC-----直接数字控制（分布式数字控制）PLC-----可编程序逻辑控制器CAD-----计算机辅助设计CAM-----计算机辅助制造FMS-----柔性制造单元CIMS----计算机集成制造系统CAPP----计算机辅助工艺规划数控系统组成及工作过程2.2数控机床的组成程序载体输入装置数控装置伺服驱动装置辅助控制装置检测装置机床（进给运动、主运动、辅助操作）主轴驱动装置1程序及程序载体根据加工工艺编制程序单，并存放在程序载体上，以便输入到数控装置上。程序载体通常有穿孔纸带，磁盘（软盘），U盘等。2输入装置将程序载体上的数控代码变成响应的电脉冲信号，传送并存入数控装置内。输入装置通常有光电阅读机、磁盘驱动器（软驱）等，USB（通用串行总线）控制器。3计算机数控装置及强电控制装置数控装置是一种装备了数控系统软件的专用计算机，是数控机床的核心。a，接收输入装置送来的脉冲信号，经编译、运算和逻辑处理后，输出相应的信号和指令经强电控制装置编译、判断、功率放大后驱动机床相应部件完成规定动作。b，行程开关、监控检测等开关信号经强电控制装置反馈到数控装置进行处理。4伺服驱动系统及位置检测装置伺服驱动系统：由伺服驱动电路（伺服驱动器）和伺服驱动装置（伺服电机），它根据数控装置发来的指令驱动机床的执行部件动作。有开环、半闭环、闭环之分。位置检测装置：在半闭环、闭环系统中间接或直接测量执行部件的实际位移，与指令位移进行比较，以便随时纠正偏差。5机床的机械部件与普通机床相似，包括基础部分（支撑部件）、主运动部件、进给运动执行部件和辅助装置，但具有以下特点：传动结构更为简单，传动链较短，传动及变速系统要便于实现自动化，采用电主轴，伺服传动系统；车床用电主轴铣床用电主轴同步齿形带传动5机床的机械部件与普通机床相似，包括基础部分（支撑部件）、主运动部件、进给运动执行部件和辅助装置，但具有以下特点：机械结构具有较高的动态刚度、阻尼精度、更好的耐磨性及抗震性、热变形小（如：采用花岗岩床身、树脂水泥床身）；5机床的机械部件与普通机床相似，包括基础部分（支撑部件）、主运动部件、进给运动执行部件和辅助装置，但具有以下特点：采用高精度、高效传动部件（如：滚珠丝杆、直线滚动导轨，圆柱滚动导轨，直线电机等）；滚动导轨滚珠丝杆5机床的机械部件与普通机床相似，包括基础部分（支撑部件）、主运动部件、进给运动执行部件和辅助装置，但具有以下特点：采用刀库，自动换刀装置。链式刀库(带机械手)2.3数控机床的基本工作原理CRT显示器零件图数控程序数控手册N1G18N2G51……数控机床数控装置操作面板数控机床的工作原理零件图纸CAD造型模块CAM处理模块输入工艺参数后置处理模块数控机床零件的几何图形输入到计算机中，建立起零件的三维几何模型，通过数控编程模块，指定刀具半径、加工方式及切削用量等工艺参数，就能自动地计算出数控加工刀具中心轨迹数据，再通过调用相应的数控机床后置处理程序，就可生成数控加工程序进行加工，并可在屏幕上动态地模拟刀的加工情况。它具有速度快、精度高、直观性好、使用简便、便于进行干涉碰撞检查等优点。CAD/CAM自动编程三维造型CAD数控自动编程CAM数控加工模拟CAMCAD/CAM流程数控系统的主要工作有输入、译码、数据处理、插补、伺服输出、管理程序等。(一)输入将数控加工程序和数据输入到数控系统。数控加工程序和数据可以通过磁盘驱动器、光电阅读机，或由计算机通过通讯端口传输而来。通常有两种不同的输入工作方式：1，一次将程序读入数控系统内的存储器；2，边传输边加工，将程序读入一部分到缓冲区，进行加工，同时再读取下一段程序。(二)译码输入的加工程序包含有零件的几何信息G指令(直线或圆弧，起点、终点坐标等)、加工工艺信息S指令与F指令(主轴转速、进给量等)、刀具信息T指令(刀具半径补偿、长度补偿)和辅助信息M指令(主轴正反转、开停，冷却液开停，换刀等)。译码程序将加工程序的代码翻译成计算机内部能识别的机器代码。(三)数据处理数据处理程序包括刀具补偿、速度计算以及辅助功能的处理等。(四)插补插补有直线插补、圆弧插补和抛物线插补等几种。插补是对一条已知曲线在起点和终点之间的数据进行细化的过程，即将一条曲线分解成许多条直线或圆弧所组成。CNC数控系统是边插补边加工的。（五）伺服控制将位置进给脉冲或进给速度指令，经变换放大后转化为伺服电机的转动。（六）管理程序为数据输入，处理及加工过程服务的各个程序进行调度，对面板命令、时钟信号、故障信号等引起的中断进行处理。2.4数控机床的基本类型2.4.1按加工功能分类1点位控制系统只控制刀具或工作台从一点准确地移动到另一点，其运动轨迹不需严格控制，移动过程中不进行切削。如：数控钻床、数控坐标镗床等。2.5坐标的数控钻床(点位控制)两坐标的数控车床(直线控制，X、Z轴)2直线控制系统控制刀具或工作台按平行于坐标轴的方向或按与两坐标轴成45°夹角的方向作直线运动，并对工件进行切削。如：简易数控车床，数控铣床等。3轮廓控制系统（连续切削控制系统）对刀具与工件相对移动的轨迹进行连续控制，其核心装置就是插补器，能走任意斜线或圆弧，可以加工曲面、凸轮、锥度等复杂形状的零件。（1）平面轮廓加工的数控系统这类机床具有两轴联动的插补运算功能和刀具半径补偿功能。如：铣削平面轮廓的数控铣床。（2）空间轮廓加工的数控系统这类机床能加工三维空间内的轮廓曲线，可分为：①2.5轴控制系统：在三坐标系中控制两坐标联动的机床上用“行切法”进行加工。如：数控铣床②三坐标联动系统：能同时控制X、Y、Z三个坐标，刀具可在空间的任意方向上运动，作三维立体加工。③四坐标联动系统：能同时控制四个坐标的运动，在X、Y、Z三个坐标之外再加一个旋转坐标。④五坐标联动系统：能同时控制五个坐标的运动，在X、Y、Z三个坐标之外再加两个旋转坐标。是功能最全、控制最复杂的数控机床，加工程序只能使用自动编程。2.4.2按加工工艺类型分类(1)普通数控机床这类数控机床和传统的通用机床一样，有车、铣、钻、镗、磨床等，而且每一类里又可分为许多品种。如数控铣床中又可分为立铣、卧铣、工具铣、龙门铣等。与通用机床相比，它能加工具有复杂形状的零件。数控车床及床身（2）加工中心在普通数控机床上增加了一个刀具库和自动换刀装置就构成了加工中心。在加工中心上加工零件，可经一次装夹加工除底面外的所有面。数控系统能控制机床自动地更换刀具，连续地自动地进行铣(车)、镗、钻、铰、攻丝、倒角等多工序加工，故又称为多工序数控机床。某些加工中心还可以配上自动交换工作台、机械手，进一步提高加工效率。立式加工中心(3)金属成形类数控机床对金属板件、管件进行成形处理的数控机床。如数控折弯机、数控冲床、数控弯管机、数控回转头压力机等。数控折弯机与机器人Boschert数控冲床(4)数控特种加工机床与传统的切削方式不同，采用如电化学、激光等特殊激光方法。这类机床有数控线(电极)切割机床、数控电火花加工机床、数控激光切割机床等。床机割切线五轴激光切割机Sodick电火花机床数控高压水切割机(5)其它类型数控机床其它类型的数控机床，如数控三坐标测量机等。Zeiss全自动激光测量机激光测量机一开环伺服系统开环伺服系统为无位置反馈的系统，其驱动元件主要是功率步进电机或电液脉冲马达。典型的系统原理见图。开环系统由环形分配器、步进电机功率放大器、步进电机、齿轮箱、丝杠螺母传动副所组成。结构简单，使用维修方便，但精度不高。多用于简易数控机床上。开环伺服系统指令脉冲数控系统环形分配器工作台步进电机齿轮箱步进电机功率放大器2.4.3按伺服系统的类型分类二闭环伺服系统闭环伺服系统是按闭环原理工作的，数控装置将位移指令与位置检测装置测得的实际位置反馈信号随时进行比较，用比较后的差值控制机床移动部件作补充位移，直到差值消除才停止。闭环伺服系统的工作原理图如图所示。其位置检测装置装在机床的移动部件上。定位精度高，结构比较复杂，调试维修较困难，多用于高精度机床上。位移值进给脉冲工作台伺服电机齿轮箱比较环节伺服放大器测量反馈装置反馈脉冲闭环伺服系统三半闭环伺服系统将位置检测装置装在驱动电机的端部或机床传动丝杆的端部上。它可以获得比开环系统高的精度，但机械传动链的误差无法消除，因此比闭环系统精度要低。但其结构比闭环系统要简单，使用维修要方便，应用广泛。角度值进给脉冲工作台伺服电机齿轮箱比较环节伺服放大器测量反馈装置反馈脉冲半闭环伺服系统2.4.4按数控装置类型分类一硬线数控系统（NC）它的输入处理、插补运算和控制功能都由专用的固定组合逻辑电路来实现。通用性、灵活性差，制造周期长，成本高，现已不采用。二计算机数控系统（CNC）它由小型或微型计算机加上通用的大规模集成电路组成。主要功能几乎全部由系统软件控制，通用性、灵活性高，具有真正意义的“柔性”，制造周期短，成本低，现已广泛采用。2.4.5按数控系统功能水平分类mm项目经济型普及型高档型分辨率10um1um0.1um进给速度8-15m/min15-24m/min15-100m/min联动轴数2-3轴2-4轴或3-5轴以上主CPU8位16位、32位甚至采用RISC的64位伺服系统步进电机、开环直流及交流闭环、全数字交流伺服系统内装PLC无有内装PLC，功能极强的内装PLC，甚至有轴控制功能显示功能数码管,简单的CRT字符显示有字符图形或三维图形显示通信功能无RC232C和DNC接口还可能有MAP通讯接口和联网功能m数控系统的功能水平2.5数控机床的坐标系和自由度数控机床的坐标系作用是：为了确定工件在机床中的位置，机床运动部件特殊位置及运动范围，即描述机床运动，产生数据信息而建立的几何坐标系。通过机床坐标系的建立，可确定机床位置关系，获得所需的相关数据。工件坐标系原点机床坐标系原点机床坐标轴的命名2.5.1坐标轴的命名、确定方法和步骤在ISO标准中统一规定采用右手直角笛卡尔坐标系对机床的坐标系进行命名。机床坐标轴的命名方法如图所示。右手的拇指、食指和中指互相垂直，其三个手指所指的方向分别为X轴、Y轴和Z轴的正方向。用字母A、B、C表示绕X、Y、Z轴的转动，其转动的正方向用右手螺旋法则确定。Z坐标方位标准规定：Z坐标平行主轴轴线。若没有主轴(牛头刨床)或者有多个主轴，则选择垂直于工件装夹面的方向为Z坐标。若主轴能摆动：在摆动的范围内只与标准坐标系中的某一坐标平行时，则这个坐标便是Z坐标；若在摆动的范围内与多个坐标平行，则取垂直于工件装夹面的方向为Z坐标。Z坐标正方向的规定：刀具远离工件的方向。确定机床坐标轴时，通常先确定Z轴，再确定X轴和Y轴。X轴的确定:平行于导轨面，且垂直于Z轴的坐标轴为X轴。对于工件旋转的机床（如车床、磨床等），X坐标的方向是在工件的径向上，且平行于横滑座导轨面。刀具远离工件旋转中心的方向为X轴正方向。对于刀具旋转的机床（如立式铣床、钻床等），如果Z轴是垂直的，则面对主轴看立柱时，右手所指的水平方向为X轴的正方向。如果Z轴是水平的(如卧式铣床），则面对主轴看立柱时，左手所指的水平方向为X轴的正方向。Y轴的确定Y坐标轴垂直于X、Z坐标轴。Y运动的正方向根据X坐标和Z坐标的正方向，按照右手笛卡尔直角坐标系来判断。立式铣床卧式铣床附加坐标如果机床除了有X、Y、Z主要直线运动