第二章数控机床的组成和工作原理.

2、数控机床的组成和工作原理2.1概述2.1.1机床的数字控制数字控制（NC）-指用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制的一种方法，简称数控；数控机床（NC机床）-是一种采用计算机技术，利用数字进行控制的高效、能自动化加工的机床，能够按照数字和文字编码方式，把各种机械位移量、工艺参数、辅助功能，用数字、文字符号表示出来，经过程序控制系统（即数控系统的逻辑处理和运算），发出各种控制指令，实现要求的机械动作，自动完成加工任务；数控系统-包含了数控装置和伺服控制部分两部分；2.1.2数控技术-实现FMS和CIMS的基础技术2.2数控机床的组成数控机床由信息输入、信息运算及控制、伺服驱动系统、机床本体、机电接口等五大部分组成。信息运算控制位置控制速度控制机床本体CRT磁盘手摇脉冲发生器信息接口机电接口冷却液电动机限位开关位置反馈速度反馈数控机床的组成示意图2.2数控机床的组成（1）信息输入手动数据输入（MDI）-按键+显示器CRT；磁盘输入；手摇脉冲发生器（电子手轮）输入-调整机床、对刀；通讯接口输入-由上位机输入；（2）信息运算及控制（数控装置-数控机床的核心）数控装置的组成-CPU+存储器+总线+相应的软件；数控装置的主要功能：具有多轴联动、多坐标控制；实现多种函数的插补计算；程序的编辑、输入和修改功能；信息转换功能；补偿功能；多种加工方式选择；故障自诊断功能；显示功能；通讯和联网功能。2.2数控机床的组成（3）伺服驱动系统（装置）主轴驱动单元-实现速度控制；a.伺服驱动装置包括：进给驱动单元-实现速度控制和位置控制；回转工作台和刀库伺服控制装置+相应的伺服电机；直流伺服系统-使用直流伺服电机；交流伺服系统-使用交流伺服电机；b.伺服系统按所用电机的类型分为：安装在伺服电机（或机床的执行部件）上的速度、位移检测元件及其电路；（常用的检测装置-测速电机、旋转变压器、脉冲编码器、感应同步器、光栅、磁性检测元件、霍尔检测元件）2.2数控机床的组成（4）机床本体（主机）数控机床本体由主运动部件、进给运动部件、执行部件和基础部件组成。数控机床与普通机床在结构上的区别有:伺服电机驱动（无级变速）-传动链短、结构简单；采用精密滚珠丝杠和直线滚动导轨-实现快速响应特性；机械结构具有较高的动态特性、动态刚度、阻尼精度、耐磨性及抗热变形性能-实现高精度、高效率、高自动化加工。2.2数控机床的组成（5）机电接口机电接口-指数控装置与机床之间的接口。作用：实现数控机床强电线路与低压下工作的控制电路或弱电线路的连接，将数字控制信息和开关控制信息很好地协调起来，实现机床的正常运转和工作。数控机床的开关量控制（动作控制），一般采用可编程控制器(PC、PLC、PMC)来实现。数控系统-CNC装置+伺服驱动装置+PLC控制+检测装置；伺服系统-伺服驱动单元（速度控制环）+伺服电机+机械传动环节；数控机床的逻辑组成2.2数控机床的组成2.3数控机床的基本工作原理（1）数控机床的加工过程零件几何信息加工工艺信息NC程序计算机数控装置输入各轴驱动电路伺服电机工作转换放大各轴实现运动产品2.3数控机床的基本工作原理（2）点位控制与轮廓加工控制点位控制-控制点到点之间的距离。特点：与刀具路径无关。包括钻、镗、攻螺纹等加工。轮廓加工控制-亦称连续轨迹控制，分为加工平面曲线（X,Y轴运动的合成）和加工空间曲线（X,Y,Z轴运动的合成）两种情况。轮廓加工控制的特点：对各坐标轴的移动量、速度及相互间的比例同时进行控制。2.3数控机床的基本工作原理（2）点位控制与轮廓加工控制点位控制及轮廓加工控制均通过插补运算来实现。插补-指在被加工轨迹的起点和终点之间，插进许多中间点（数据点的密化），然后用已知线型逼近的过程。如直线、圆弧、抛物线插补等等。数控系统将插补运算的结果通过伺服驱动装置（伺服控制）来实现机床各坐标轴的运动。伺服控制-分为关断控制和调节控制两种控制方式。适用于点位控制适用于轮廓控制定义P172.3数控机床的基本工作原理（3）数控机床的基本（电气）控制要求运动控制位移速度加速度各伺服轴的插补运动控制主轴速度控制主轴定位控制主轴及各轴的插补控制逻辑控制简单逻辑输入输出控制组合逻辑控制主轴电机正反转、停止；冷却泵电机的启动和停止；机械原点限位开关信号的检测。定时润滑、刀库控制、主轴管理等。（4）数控机床常用的调试功能：P17由逻辑编程实现由PLC来实现2.4数控机床的基本类型（1）点位控制系统-代表：数控钻床，数控镗床，etc.只控制刀具相对于工件定位点的位置精度，不控制刀具的运动轨迹，刀具运动过程中不进行切削。（2）直线控制系统-代表：数控车床，数控铣床，etc.控制起点与终点间的准确位置的同时，还要求刀具的运动轨迹为一直线，并能控制位移速度，刀具运动过程中进行切削加工。点位/直线控制系统-同时具有以上功能，如数控镗铣床，etc.（3）轮廓控制系统-代表：数控铣床，数控车床，etc.对两个或两个以上的坐标轴方向进行连续控制的同时，也对位移和速度进行连续控制，刀具运动过程中进行切削加工。可分为2轴控制，2.5轴控制，3-5轴控制。2.4.1按运动轨迹分类2.4数控机床的基本类型2.4.2按伺服系统控制方式分类特点：不带位置测量元件，对执行机构的动作情况不进行检查，控制精度较低，成本较低。如：步进电机伺服系统。其精度主要取决于伺服元件和机床传动元件。（1）开环伺服系统开环控制系统框图2.4数控机床的基本类型2.4.2按伺服系统控制方式分类特点：机床工作台上装有位置测量元件（直线位移测量元件），运动精度主要取决于检测装置精度，与传动链误差无关；系统不易稳定，调试和维修较复杂。（2）闭环伺服系统闭环控制系统框图2.4.2按伺服系统控制方式分类（3）半闭环伺服系统特点：通过角位移测量元件间接测量伺服机构中执行元件的转角，通过计算换算出工作台的实际位移量，将计算值与指令值进行比较，用比较后的差值进行控制机床的位移，直至差值为0。其控制精度不如闭环控制数控机床，但调试比较方便，成本比闭环系统低，因而被广泛采用。半闭环伺服系统框图2.4数控机床的基本类型2.4.3按功能水平分类2.4数控机床的基本类型（1）经济型数控机床（2）普及型数控机床（3）高级型数控机床采用单板机或单片机数控系统，功能简单，价格低廉，分辨率为0.01mm，最多能控制3个轴。主要用于车床，线切割机床及旧机床改造。分辨率-位移检测系统能够测量的最小位移量。采用16或32位微处理机的中档数控系统，采用半闭环的交流伺服或直流伺服驱动，能实现4轴以下的控制，分辨率为1µm，具有DNC通信接口。采用16或32位微处理机，采用高响应特性的伺服驱动，可控制5个轴，分辨率可达0.1µm，具有MAP制造自动化通信接口及联网功能。2.4.4按工艺用途分类2.4数控机床的基本类型（1）金属切削类数控机床：数控车床、数控铣床、数控钻床、数控磨床与数控齿轮加工机床，（2）板材加工类数控机床：数控压力机、数控折弯机、数控剪板机等等；（3）特种加工类数控机床：数控电火花线切割机床、数控电火花成型机床、数控激光加工机床等等；数控加工中心及其它具有复合加工能力的数控机床等；2.5数控机床的坐标系和自由度2.5.1数控机床的坐标系和运动方向的规定统一规定数控机床坐标系及其运动的方向，可使编程方便，并使编出的程序对同类型机床有通用性；同时也便于维修和使用。我国的标准规定：不管是刀具还是工件移动的机床，都看做是刀具相对静止的加工工件移动。数控机床的每个进给轴定义为坐标系中的一个坐标轴；数控机床坐标系：右手笛卡儿直角坐标系。基本坐标系：直线进给运动的坐标系（X,Y,Z）。坐标轴相互关系--由右手定则决定。回转坐标：绕X,Y,Z轴转动的圆周进给坐标轴分别用A、B、C表示，坐标轴相互关系由右手螺旋法则而定。XYZX、Y、Z+A、+B、+CXZY+C+B+A2.5.1数控机床的坐标系和运动方向的规定附加坐标轴：平行于主坐标系（X,Y,Z）中坐标轴的进给轴，如第二坐标系（U、V、W），第三坐标系（P、Q、R）。（1）Z坐标轴工件旋转的机床：Z坐标平行于工件的旋转轴，刀具远离工件的方向为其正方向；刀具旋转的机床：主轴方向固定，则Z坐标取与主轴平行；没有主轴或有多个主轴：垂直于工件装夹面的方向为Z坐标；主轴方向不确定、能转动：在转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；若在转动的范围内与多个坐标平行时，则取垂直于工件装夹面的方向为Z坐标。各坐标轴的确定方法：一般先确定Z轴，然后确定X轴和Y轴。工件刀具都不旋转的机床：Z坐标取与工件的安装表面垂直，工件与刀具的间隔增加方向为其正方向。立式5轴数控铣床的坐标系Z坐标正方向规定：刀具远离工件的方向。+Z+Z+Z在刀具旋转的机床上（铣床、钻床、镗床等）--Z轴水平（卧式）：则从刀具(主轴)向工件看时，X坐标的正方向指向右边。+Z+X（2）X坐标轴Z轴垂直（立式）：单立柱机床，从刀具向立柱看时，X的正方向指向右边；+Z立式5轴数控铣床的坐标系+Z+X+X+Z双立柱机床(龙门式机床)：从刀具向左立柱看时，X轴的正方向指向右边。+X在工件旋转的机床上（车床、磨床等），刀具离开工件旋转中心的方向是X轴的正方向。+Z+X（3）Y坐标轴利用已确定的X、Z坐标的正方向，用右手定则，确定Y坐标的正方向：右手定则-大拇指指向+X，中指指向+Z，则+Y方向为食指指向。机床坐标的确定方法：工件相对于刀具做主体运动的机床--与工件运动方向平行的坐标的正方向和标准坐标系的正方向相反；刀具相对于工件做主体运动的机床--与刀具运动方向平行的坐标的正方向和标准坐标系的正方向一致。例：立、卧式数控铣床+Z+X+Z+X+Y+Y+Z+X+Y立式5轴联动数控铣床+Z+X+Y龙门数控铣床+Z+Y+Z+Y/+C+A+C回转坐标A、B、C+X+X5轴数控铣床的坐标系+Z+X+Y+A+C+W辅助坐标U、V、W（1）数控机床的坐标系与机床原点机床坐标系-以机床原点为坐标系原点的坐标系，是机床固有的坐标系，它具有唯一性；机床坐标系是数控机床中所建立的工件坐标系的参考坐标系。注意：机床坐标系一般不作为编程坐标系，仅作为工件坐标系的参考坐标系。2.5.2数控机床的坐标系与工件坐标系（2）数控机床工件原点与工件坐标系工件原点：为编程方便在零件、工装夹具上选定的某一点或与之相关的点。该点也可以是与对刀点重合。工件坐标系：以工件原点为零点建立的坐标系，编程时，所有的尺寸都基于此坐标系计算。工件原点偏置：工件随夹具在机床上安装后，工件原点与机床原点间的距离。现代数控机床均可设置多个工件坐标系，在加工时通过G54-G59指令进行转换。Y轴偏置量X轴偏置量工件原点Z轴偏置量Y轴机床原点X轴Z轴卧式数控机床的坐标系X轴Z轴偏置量Y轴Y轴偏置量X轴偏置量机床原点工件原点立式数控机床的坐标系Z轴（3）数控机床的绝对坐标与相对坐标编程尺寸取值的两种方法：a、绝对坐标取值—以工件坐标系原点为基准给出的零件的坐标值。b、增量坐标取值—零件上后一点的坐标相对于前一点的增量值。2.5.3数控机床的自由度数控机床不受空间6个自由度的限制，只要存在一个能独立运动的直线轴或旋转轴，就称为有一个轴或一个坐标；数控机床在进行连续轨迹控制过程中，若干轴同时动作或同时受控称为联动。能联动的轴数越多，则数控系统的功能越强，加工能力越强；几轴几联动是数控机床的重要技术指标。