1-2 数控车床的工作过程与组成

第一章数控车床的组成与工作原理1-2数控车床工作过程与组成单击此处编辑母版标题样式第一章数控车削编程与加工技术•教学目的与要求:1．掌握数控车床的工作过程及工作原理2．掌握数控车床各组成部分的性能和特点单击此处编辑母版标题样式一、数控车床的工作过程零件图分析程序设计程序编制指令信息输入装置数控装置伺服系统车床主体制成零件处理格式输入送入命令驱动加工第一章数控车削编程与加工技术单击此处编辑母版标题样式（1）首先根据零件加工图样进行工艺分析，确定加工方案、工艺参数和位移数据。（2）用规定的程序代码和格式规则编写零件加工程序单；或用自动编程软件进行CAD/CAM工作，直接生成零件的加工程序文件。（3）将加工程序的内容以代码形式完整记录在信息介质（如穿孔带或磁带）上。（4）通过阅读机把信息介质上的代码转变为电信号，并输送给数控装置。由手工编写的程序，可以通过数控机床的操作面板输入程序；由编程软件生成的程序，通过计算机的串行通信接口直接传输到数控机床的数控单元（MCU）。（5）数控装置将所接受的信号进行一系列处理后，再将处理结果以脉冲信号形式向伺服系统统发出执行的命令。（6）伺服系统接到执行的信息指令后，立即驱动车床进给机构严格按照指令的要求进行位移，使车床自动完成相应零件的加工。第一章数控车削编程与加工技术单击此处编辑母版标题样式二、数控车床的组成数控车床是由数控程序及存储介质、输入输出设备、计算机数控装置、伺服系统、机床本体组成。第一章数控车削编程与加工技术单击此处编辑母版标题样式数控程序是数控车床自动加工零件的工作指令。在对加工零件进行工艺分析的基础上确定零件坐标系在机床坐标系上的相对位置；刀具与零件相对运动的尺寸参数；零件加工的工艺路线或加工顺序、切削加工的工艺参数以及辅助装置的动作等。这样得到零件的所有运动、尺寸、工艺参数等加工信息，然后用标准的文字、数字和符号组成的数控代码，按规定的方法入格式，编制零件加工的数控程序单。编制程序的工作可由人工进行，或者在数控车床以外用自动编程计算机系统来完成，比较先进的数控车床，可以在数控装置上直接编程。程序必须存储在某种存储介质中，如纸带、磁带或磁盘等，采用哪一种存储载体，取决于数控装置的设计类型。（一)、数控程序及存储介质第一章数控车削编程与加工技术单击此处编辑母版标题样式（二）、输入、输出装置存储介质上记载的加工信息需要输入装置输送给机床数控系统，机床内存中的零件加工程序可以通过输出装置传送到存储介质上。输入、输出装置是机床与外部设备的接口，目前输入装置主要是有纸带阅读机、软盘驱动器、RS232C串行通信口、MDI方式等。第一章数控车削编程与加工技术单击此处编辑母版标题样式（三）、CNC装置的数控系统CNC装置是数控加工用专用计算机，除具有一般计算机结构外，还有与数控机床功能有关的功能模块结构和接口单元。CNC装置由硬件和软件组成，软件在硬件的支持下运行，离开软件，硬件便无法工作，两者缺一不可。CNC装置的硬件主要由中央处理单元、各类存储器、输入输出接口、位置控制以及其它各类接口组成。如图1-4所示，各组成部分的作用如下：中央处理单元(CPU)它的作用是实施对整个系统的运算、控制和管理。存储器存储器是用来储存系统软件、零件加工程序以及运算的中间结果等。位置控制主要完成对主轴驱动的控制，以便完成速度控制；通过对伺服系统对坐标轴的运动实施控制。输入输出接口主要用来交换数控装置与外部之间的往来信息。MDI/CRT接口完成手动数据输入和将信息显示在CRT上。第一章数控车削编程与加工技术单击此处编辑母版标题样式图1-4数控装置硬件构成第一章数控车削编程与加工技术单击此处编辑母版标题样式（四）、数控车床的进给伺服系统数控机床的进给传动系统常用进给伺服系统来工作，数控机床伺服系统是以机床移动部件的位置和速度为控制量的自动控制系统，又称随动系统、拖动系统或伺服系统。(1)机床进给伺服系统组成，一般由位置控制、速度控制、伺服电动机、检测部件以及机械传动机构五大部分组成。但习惯上所说的进给伺服系统，只是指速度控制、伺服电动机和检测部件三部分，而且，将速度控制部分称之为伺服单元或驱动器。（2）数控车床对进给伺服系统的要求为了提高数控机床的性能，对机床进给伺服系统提出了很高的要求。由于各种数控机床所完成的加工任务不同，所以对进给伺服系统的要求也不尽相同，但大致可概括为以下几个方面：高精度，快速响应，宽调速范围，低速大转矩，好的稳定性。（3）伺服系统的类型按照伺服系统的结构特点，伺服单元或驱动器通常有四种基本结构类型：开环、闭环、半闭环及混合闭环。而在机床中应用得最为广泛的是半闭环结构，这是由于它的环路中非线性因素少，容易整定，可以比较方便地通过补偿来提高位置控制精度，而且电气控制部分与执行机械相对独立，系统通用性强。（4）数控车床的位置检测装置第一章数控车削编程与加工技术单击此处编辑母版标题样式开环进给伺服系统开环伺服机构，即无位置反馈的系统，是由步进电机驱动线路，和步进电机组成。每一脉冲信号使步进电机转动一定的角度，通过滚珠丝杠推动工作台移动一定的距离。这种伺服机构比较简单，工作稳定，容易掌握使用，但精度和速度的提高受到限制。如果负荷突变（如切深突增），或者脉冲频率突变（如加速、减速），则数控运动部件将可能发生“失步”现象，从而造成进给运动的速度和行程误差。故该类控制方式，仅限于精度不高、轻载负载变化不大的经济型中、小数控机床的进给传动。第一章数控车削编程与加工技术单击此处编辑母版标题样式半闭环进给伺服系统在机床中应用得最为广泛的是半闭环结构，半闭环伺服机构是由比较线路、伺服放大线路、伺服电机、速度检测器和位置检测器组成。位置检测器装在丝杠或伺服电机端部，利用丝杠的回转角度间接测出工作台的位置。常用的伺服电机有宽调速直流电动机、宽调速交流电动机和电液伺服电机。这种伺服机构所能达到的精度、速度和动态特性优于开环伺服机构，为大多数中小型数控机床所采用。这是由于它的环路中非线性因素少，容易整定，可以比较方便地通过补偿来提高位置控制精度。其结构框图如图所示。第一章数控车削编程与加工技术单击此处编辑母版标题样式闭环进给伺服系统闭环伺服机构的工作原理和组成与半闭环伺服机构相同，只是位置检测器安装在工作台上，可直接测出工作台的实际位置，故反馈精度高于半闭环控制，但掌握调试的难度较大，常用于高精度和大型数控机床。闭环伺服机构所用伺服电机与半闭环相同，位置检测器则用长光栅、长感应同步器或长磁栅。一般来说，只在具备传动部件精密度高、性能稳定、使用过程温差变化不大的高精度数控机床上才使用全闭环伺服系统。第一章数控车削编程与加工技术单击此处编辑母版标题样式数控车床的位置检测装置（1）位置检测装置的要求在闭环与半闭环伺服系统中，必须利用位置检测装置把机床运动部件的实际位移量随时检测出来，与给定的控制值（指令信号）进行比较，从而控制驱动系统正确运转，使工作台（或刀具）按规定的轨迹和坐标移动，位置检测装置是伺服系统的重要组成部分，它对于提高数控机床加工精度起着决定性的作用，就好象起着人的眼睛和刻度盘的作用。为此，检测元件应满足的要求是：工作可靠，抗干扰性强；满足数控机床的精度和速度要求；维护方便；成本低。（2）位置检测装置的分类不同类弄的数控机床对于检测系统的精度与速度有不同的要求，一般来说，对于大型数控机床以满足速度要求为主，而对于中小型和高精度数控机床以满足精度要求为主。按常用检测装置的基本工作原理，其分类见表1-1。第一章数控车削编程与加工技术单击此处编辑母版标题样式数字式模拟式增量式绝对式增量式绝对式旋转型脉冲编码器圆光栅编码盘旋转变压器圆感应同步器圆磁栅多极旋转变压器三速圆感应同步器直线型长光栅激光干涉仪编码尺直线感应同步器磁珊绝对值式磁尺三速感应同步器表1-1第一章数控车削编程与加工技术单击此处编辑母版标题样式机床本体1．主轴2．床身及导轨3．机械传动机构4．刀架5．辅助装置第一章数控车削编程与加工技术机床本体是加工运动的实际机械部件，主要包括：主运动部件，进给运动部件（如工作台、刀架）和支承部件（如床身、立柱等），还有冷却、润滑、转位部件，如夹紧、换刀机械手等辅助装置。数控车床主体通过专门设计，各个部位的性能都比普通车床优越，如结构刚性好，能适应高速和强力车削需要；精度高，可靠性好，能适应精密加工和长时间连续工作等。主要包括以下几个部分：单击此处编辑母版标题样式1．主轴数控车床主轴的回转精度，直接影响到零件的加工精度；其功率大小与回转速度，影响到加工的效率；其同步运行、自动变速及定向准停等要求，影响到车床的自动化程度。第一章数控车削编程与加工技术单击此处编辑母版标题样式第一章数控车削编程与加工技术2．床身及导轨数控车床的床身除了采用传统的铸造床身外，也有采用加强钢筋板或钢板焊接等结构，以减轻其结构重量，提高其刚度。数控车床床身上的导轨结构有传统的滑动导轨（金属型），也有新型的滑动导轨（贴塑导轨）。贴塑导轨的磨擦系数小，耐磨性、耐腐蚀性及吸振性好，润滑条件优越。在倾斜床身，导轨基体上粘贴塑料面后，切屑不易在导轨面上堆积，减轻了清除切屑的工作。单击此处编辑母版标题样式3．机械传动机构除了部分主轴箱内的齿轮传动等机构外，数控车床已在原普通车床传动链的基础上，作了大幅度的简化，如取消了挂轮箱、进给箱、溜板箱及其绝大部分传动机构，而仅保留了纵、横进给的螺纹传动机构，并在驱动电动机至丝杆间增设了（少数车床未增设）可消除其侧隙的齿轮副。数控车床主轴变速分为有级变速、无级变速以及分段无级变速三种形式，其中有级变速仅用于经济型数控机床上，大多数数控机床均采用无级变速或分段无级变速。第一章数控车削编程与加工技术单击此处编辑母版标题样式第一章数控车削编程与加工技术4．刀架刀架是自动转位刀架的简称，它是数控车床普通采用的一种最简单的自动换刀设备。由于自动转位刀架上的各种刀具不能按加工要求自动进行装、卸，故它只能属于自动换刀系统中的初级形式，不能实现真正意义上的自动换刀。刀架的基本结构形式和组合形式分别见图1-6和图1-7。单击此处编辑母版标题样式第一章数控车削编程与加工技术5．辅助装置数控车床的辅助装置较多，除了与普通车床所配备的相同或相似的辅助装置外，数控车床还可配备对刀仪、位置检测反馈装置、自动编程系统及自动排屑装置等。单击此处编辑母版标题样式图1—6基本结构形式的自动转位刀架a)四工位刀架b)转塔式刀架图1—7组合形式的自动转位刀架a)平行交错双刀架b)垂直交错双刀架第一章数控车削编程与加工技术单击此处编辑母版标题样式小结课后作业习题一：2、3、4、5第一章数控车削编程与加工技术通过本次课的学习，我们掌握了数控机床的工作过程及工作原理，对其各组成部分的性能和特点有了一定的认识，大家课后再认真研读本节课的相关内容，加深印象。