第二章 數(shù)控機(jī)床的組成和工作原理

1、2、數(shù)控機(jī)床的組成和工作原理,2.1 概述,2.1.1 機(jī)床的數(shù)字控制,數(shù)字控制（NC）-指用數(shù)字化信號對機(jī)床運(yùn)動及其加工過程進(jìn)行控制的一種方法，簡稱數(shù)控；,數(shù)控機(jī)床（NC機(jī)床）-是一種采用計(jì)算機(jī)技術(shù)，利用數(shù)字進(jìn)行控制的高效、能自動化加工的機(jī)床，能夠按照數(shù)字和文字編碼方式，把各種機(jī)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(yùn)算），發(fā)出各種控制指令，實(shí)現(xiàn)要求的機(jī)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(shí)現(xiàn)FMS和CIMS的基礎(chǔ)技術(shù),2.2 數(shù)控機(jī)床的組成,數(shù)控機(jī)床由信息輸入、信息運(yùn)算及控制、伺服驅(qū)動系統(tǒng)、機(jī)床本體、機(jī)電接口等五大部分組成。,2.2 數(shù)控機(jī)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(jī)床、對刀；,通訊接口輸入-由上位機(jī)輸入；,（2）信息運(yùn)算及控制（數(shù)控裝置-數(shù)控機(jī)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(biāo)控制；實(shí)現(xiàn)多種函數(shù)的插補(bǔ)計(jì)算；程序的編輯、輸入和修改功能；信息轉(zhuǎn)換功能；補(bǔ)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(jī)床的組成,（3）伺服驅(qū)動系統(tǒng)（裝置）,主軸驅(qū)動單元-實(shí)現(xiàn)速度控制；,a.伺服驅(qū)動裝置包括：,進(jìn)給驅(qū)動單元-實(shí)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(jī)；

4、,直流伺服系統(tǒng)-使用直流伺服電機(jī)；,交流伺服系統(tǒng)-使用交流伺服電機(jī)；,b.伺服系統(tǒng)按所用電機(jī)的類型分為：,安裝在伺服電機(jī)（或機(jī)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(jī)、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(jī)床的組成,（4）機(jī)床本體（主機(jī)）,數(shù)控機(jī)床本體由主運(yùn)動部件、進(jìn)給運(yùn)動部件、執(zhí)行部件和基礎(chǔ)部件組成。,數(shù)控機(jī)床與普通機(jī)床在結(jié)構(gòu)上的區(qū)別有:,伺服電機(jī)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(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)特性；,機(jī)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(shí)現(xiàn)高精度、高效率、高自動化加工。,2.2 數(shù)控機(jī)床的組成,（5）機(jī)電接口,機(jī)電接口-指數(shù)控裝置與機(jī)床之間的接口。,作用：實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床強(qiáng)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(shí)現(xiàn)機(jī)床的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和工作。數(shù)控機(jī)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(shí)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(jī)+機(jī)械傳動環(huán)節(jié)；,數(shù)控機(jī)床的邏輯組成,2.2 數(shù)控機(jī)床的組成,2.3 數(shù)控機(jī)床的基本工作原理,（1）數(shù)控機(jī)床的加工過程,,,輸入,,,,,2.3 數(shù)控機(jī)床的基本工作原理,（2）點(diǎn)位控制與輪廓加工控制,點(diǎn)位控制-控制點(diǎn)到點(diǎn)之間的距離。特點(diǎn)：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(yùn)動的合成）和加工空間曲線（X,Y,Z軸運(yùn)動的合成）兩種情況。,輪廓加工控制的特點(diǎn)：對各坐標(biāo)軸的移動量、速度及相互間的比例同時進(jìn)行控制。,2.3 數(shù)控機(jī)床的基本工作原理,（2）點(diǎn)位控制與輪廓加工控制,點(diǎn)位控制及輪廓加工控制均通過插補(bǔ)運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)。,插補(bǔ)-指在被加工軌跡的起點(diǎn)和終點(diǎn)之間，插進(jìn)許多中間點(diǎn)（數(shù)據(jù)點(diǎn)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(bǔ)等等。

8、,數(shù)控系統(tǒng)將插補(bǔ)運(yùn)算的結(jié)果通過伺服驅(qū)動裝置（伺服控制）來實(shí)現(xiàn)機(jī)床各坐標(biāo)軸的運(yùn)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(diǎn)位控制,適用于輪廓控制,定義P17,2.3 數(shù)控機(jī)床的基本工作原理,（3）數(shù)控機(jī)床的基本（電氣）控制要求,運(yùn)動控制,,,位移速度加速度,,,,各伺服軸的插補(bǔ)運(yùn)動控制主軸速度控制主軸定位控制主軸及各軸的插補(bǔ)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(jī)正反

9、轉(zhuǎn)、停止；冷卻泵電機(jī)的啟動和停止；機(jī)械原點(diǎn)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(jī)床常用的調(diào)試功能：P17,,,由邏輯編程實(shí)現(xiàn),由PLC來實(shí)現(xiàn),2.4 數(shù)控機(jī)床的基本類型,（1）點(diǎn)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(diǎn)的位置精度，不控制刀具的運(yùn)動軌跡，刀具運(yùn)動過程中不進(jìn)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(diǎn)與終點(diǎn)間的準(zhǔn)確位置的同時，還要求

10、刀具的運(yùn)動軌跡為一直線，并能控制位移速度，刀具運(yùn)動過程中進(jìn)行切削加工。,點(diǎn)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(biāo)軸方向進(jìn)行連續(xù)控制的同時，也對位移和速度進(jìn)行連續(xù)控制，刀具運(yùn)動過程中進(jìn)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(yùn)動軌跡分類,2.4 數(shù)控機(jī)床的基本類型,2.4.2 按伺服系統(tǒng)控制方

11、式分類,特點(diǎn)：不帶位置測量元件，對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作情況不進(jìn)行檢查，控制精度較低，成本較低。如：步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)。其精度主要取決于伺服元件和機(jī)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(jī)床的基本類型,2.4.2 按伺服系統(tǒng)控制方式分類,特點(diǎn)：機(jī)床工作臺上裝有位置測量元件（直線位移測量元件），運(yùn)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(diǎn)：通過角位移測量元件間接測量伺服機(jī)構(gòu)中執(zhí)行元件的轉(zhuǎn)角，通過計(jì)算換算出工作臺的實(shí)際位移量，將計(jì)算值與指令值進(jìn)行比較，用比較后的差值進(jìn)行控制機(jī)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(jī)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(jī)床的基本類型,2.4.3 按功能水平分類,2.4 數(shù)控機(jī)床的基本類型,（1）經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床,（2）普及型數(shù)

13、控機(jī)床,（3）高級型數(shù)控機(jī)床,采用單板機(jī)或單片機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，功能簡單，價(jià)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(jī)床及舊機(jī)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(jī)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(shí)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(jī)，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(dá)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(jī)床的基本類型,（1）金屬切削類數(shù)控機(jī)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(jī)床，,（2）板材加工類數(shù)控機(jī)床：數(shù)控壓力機(jī)、數(shù)控折彎機(jī)、數(shù)控剪板機(jī)等等；,（3）特種加工類數(shù)控機(jī)床：數(shù)控電火花線切割機(jī)床、數(shù)控電火花成型機(jī)床、數(shù)控激光加工機(jī)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(jī)床等；,2.5 數(shù)控機(jī)床的坐標(biāo)系和自由度,2.5.

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

16、 軸轉(zhuǎn)動的圓周進(jìn)給坐標(biāo) 軸分別用A、B、C表示， 坐標(biāo)軸相互關(guān)系由右 手螺旋法則而定。,2.5.1 數(shù)控機(jī)床的坐標(biāo)系和運(yùn)動方向的規(guī)定,附加坐標(biāo)軸：平行于主坐標(biāo)系（X,Y,Z）中坐標(biāo)軸的進(jìn)給軸，如第二坐標(biāo)系（U、V、W），第三坐標(biāo)系（P、Q、R）。,（1）Z坐標(biāo)軸,工件旋轉(zhuǎn)的機(jī)床：Z坐標(biāo)平行于工件的旋轉(zhuǎn)軸，刀具 遠(yuǎn)離工件的方向?yàn)槠湔较颍?刀具旋轉(zhuǎn)的機(jī)床： 主軸方向固定，則Z坐標(biāo)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?yàn)閆坐標(biāo)； 主軸方向不確定、能轉(zhuǎn)動： 在轉(zhuǎn)動的范圍內(nèi)只與標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系中的某一坐標(biāo)平行時，則這個坐標(biāo)便是Z坐標(biāo)；若在轉(zhuǎn)動的范圍內(nèi)與多個坐標(biāo)平行時，則取垂直于工件裝夾面的方向?yàn)閆坐標(biāo)。,各坐標(biāo)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(jī)床：Z坐標(biāo)取與工件的安裝表面垂直，工件與刀具的間隔增加方向?yàn)槠湔较颉?Z坐標(biāo)正方向規(guī)定：刀具遠(yuǎn)離

18、工件的方向。,,,,,,,,,,,,,在刀具旋轉(zhuǎn)的機(jī)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(biāo)的正方向指向右邊。,+Z,,,,+X,,（2）X坐標(biāo)軸,Z軸垂直（立式）： 單立柱機(jī)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(jī)床(龍門式機(jī)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(jī)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(biāo)軸,利用已確定的X、Z坐標(biāo)的正方向，用右手定則，確定Y坐標(biāo)的正方向：,右手定則-大拇指指向+X，中指指向+Z，則+Y方向?yàn)槭持钢赶颉?機(jī)床坐標(biāo)的確定方法： 工件相對于刀具做主體運(yùn)動的機(jī)床--與工件運(yùn)動方向平行的坐標(biāo)的正方向和標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系的正方向相反； 刀具相對于工件做主體運(yùn)動的機(jī)床--與刀具運(yùn)動方向平行的坐標(biāo)的正方向和標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)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(biāo) A、B、C,,+X,,+X,,,+Z,,,+X,,+Y,,+A,,+C,輔助坐標(biāo) U、V、W,（1）數(shù)控機(jī)床的坐標(biāo)系與機(jī)床原點(diǎn)機(jī)床坐標(biāo)系-以機(jī)床原點(diǎn)為坐標(biāo)系原

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

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