第一章概述数控机床结构与维护-韩鸿鸾李书伟

数控机床结构与维护数控机床结构与维护主讲：韩鸿鸾数控机床结构与维护第一章概述数控机床是现代机械工业的重要技术装备，也是先进制造技术的基础装备。下图是在数控机床上加工零件。数控机床结构与维护第一节数控机床概述【学习目标】了解数控机床产生的年代与国家掌握数控机床的定义了解数控的特点掌握数控机床的分类掌握闭环、开环、半闭环数控机床的工作原理掌握点位控制数控机床的定位特点数控机床结构与维护【学习内容】一、数控机床的产生1958年，北京机床厂与清华大学合作试制了第一台数控铣床。1970年，北京机床厂的XK5040升降台数控铣床作为商品，小批量生产。1985年，我国数控机床进入了实用阶段。1986到1990年，是我国数控机床的大发展时期。数控机床结构与维护二、数控机床的定义数控机床（NumericalControlMachineTools）是指采用数字控制技术对机床的加工过程进行自动控制的一类机床。国际信息处理联盟（IFIP）第五技术委员会对数控机床定义如下：数控机床是一个装有程序控制系统的机床，该系统能够逻辑地处理具有使用号码或其他符号编码指令规定的程序。定义中所说的程序控制系统即数控系统。数控机床结构与维护三、数控机床的特点1、适用性强数控机床加工形状复杂的零件或新产品时，仅需要少量工夹具。2、适合加工复杂型面的零件由于计算机具有高超的运算能力，可以瞬间准确地计算出每个坐标轴瞬间应该运动的运动量，因此数控机床能完成普通机床难以加工或根本不能加工的复杂型面的零件，如图1-2所示。图1-2复杂型面的零件数控机床结构与维护3、加工精度高、加工质量稳定4、自动化程度高数控机床所需的加工条件，如进给速度、主轴转速、刀具选择等，都是由指令代码事先规定好的，整个加工过程是自动进行的，人为造成的加工误差很小，而且传动中的间隙及误差还可以由数控系统进行补偿。数控机床对零件的加工是按事先编好的程序自动完成的，操作者除了操作键盘，装卸工件，进行关键工序的中间检测以及观察机床运行外，不需要进行繁杂的重复性手工操作，劳动强度与紧张程度均可大为减轻。数控机床结构与维护5、加工生产率高6、一机多用数控机床能够减少零件加工所需的机动时间和辅助时间。某些数控机床，一次装夹几乎能完成零件的全部工序的加工。图1-3车削中心上完成了车、铣、钻等加工数控机床结构与维护7、减轻操作者的劳动强度8、有利于生产管理的现代化9、价格较贵10、调试和维修较复杂，需专门的技术人员数控系统采用数字信息与标准化代码输入，并具有通信接口，易实现数控机床之间的数据通信，最适宜计算机之间的联接，组成工业控制网络。数控机床结构与维护四、数控机床的分类1、按工艺用途分类（1）一般数控机床最普通的数控机床有钻床、车床、铣床、镗床、磨床和齿轮加工机床。图1-4常见数控机床图a）立式数控车床b）卧式数控车床c）立式数控铣床d）卧式数控铣床数控机床结构与维护（2）数控加工中心1）按加工范围分类车削加工中心、钻削加工中心、镗铣加工中心、磨削加工中心、电火花加工中心等。名称图样说明车削加工中心钻削加工中心表1—1常见的加工中心数控机床结构与维护名称图样说明磨削加工中心五轴螺纹磨削加工中心车铣复合加工中心德马吉公司数控机床结构与维护名称图样说明车铣复合加工中心WFL车铣复合加工中心车铣复合加工中心WFL车铣复合加工中心的坐标数控机床结构与维护车铣磨插复合中心瑞士宝美S-191车铣磨插复合中心铣磨复合中心德国罗德斯铣磨复合中心RXP600DSH激光堆焊与高速铣削机床RoedersRFM760激光堆焊与高速铣削机床数控机床结构与维护2）按机床结构分类立式加工中心、卧式加工中心、五面加工中心和并联加工中心(虚拟加工中心)。图1-5常见加工中心图a）立式加工中心b）卧式加工中心数控机床结构与维护3）按数控系统联动轴数分类有2坐标加工中心、3坐标加工中心和多坐标加工中心。4）按精度分类可分为普通加工中心和精密加工中心。数控机床结构与维护图1—6数控机床分类a）点动控制b）直线控制c）轮廓控制2、按加工路线分类（1）点动控制（2）直线控制（3）轮廓控制点位控制方式就是刀具与工件相对运动时，只控制从一点运动到另一点的准确性，而不考虑两点之间的运动路径和方向。直线控制方式就是刀具与工件相对运动时，除控制从起点到终点的准确定位外，还要保证平行坐标轴的直线切削运动。轮廓控制就是刀具与工作相对运动时，能对两个或两个以上坐标轴的运动同时进行控制。数控机床结构与维护3、按可控制联动的坐标轴分类（1）两坐标联动（2）三坐标联动（3）两轴半坐标联动（4）多坐标联动图1—7空间平面和曲面的数控加工c）两坐标联动加工曲面d)五轴联动铣床加工曲面a）零件沟槽面加工b）三坐标联动曲面加工数控机床结构与维护表1—2五轴联动加工中心特点图样说明摆头瑞士威力铭W-418五轴联动加工中心摆头DMG公司的DMU125P数控机床结构与维护铣头与分度头联动回转摇篮德国哈默的C30U不仅能作镜面切削，还可加工伞齿轮、螺旋伞齿轮等工作台两轴回转加工中心数控机床结构与维护摇篮德国哈默的摇篮式可倾工作台摇篮牧野摇篮式加工中心数控机床结构与维护图1—8六轴加工中心数控机床结构与维护4、按控制方式分类数控机床按照对被控量有无检测反馈装置可分为开环控制和闭环控制两种。(1)金属切削类数控机床(2)金属成型类数控机床(3)数控特种加工机床(4)其他类型的数控机床5、按加工方式分类数控机床结构与维护名称实物名称实物数控插齿机数控电火花线切割机床数控滚齿机数控电火花成型机数控刀具磨床数控火焰切割机表1—4各种机床的实物图数控机床结构与维护数控镗床数控激光加工机数控折弯机三坐标测量仪数控全自动弯管机数控对刀仪数控旋压机数控绘图仪数控机床结构与维护第二节数控机床的组成与工作原理【学习目标】掌握数控机床的组成了解数控的工作原理数控机床结构与维护【学习内容】一、数控机床的组成机床I/O电路和装置测量装置主轴驱动装置进给驱动装置主轴伺服单元进给伺服单元计算机数控装置操作装置PLC计算机数控系统机床输入输出设备主运动机构进给控制机构辅助控制机构图1—9数控机床的组成数控机床结构与维护1、输入/输出装置数控机床中必须具备必要的交互装置，即输入/输出装置来完成零件程序的输入/输出过程。现代数控机床常用移动硬盘、Flash（U盘）、CF卡(图1—10)及其他半导体存储器等控制介质。此外，现代数控机床可以不用控制介质，直接由操作人员通过手动数据输入（ManualDataInput，简称MDI）键盘输入零件程序；或采用通信方式进行零件程序的输入/输出。图1—10CF卡数控机床结构与维护2、操作装置操作装置主要由显示装置、NC键盘（功能类似于计算机键盘的按键阵列）、机床控制面板（MachineControlPanel，简称MCP）、状态灯、手持单元等部分组成，如图1—11为FANUC系统的操作装置。图1—11FANUC系统操作装置数控机床结构与维护3、计算机数控装置（CNC装置或CNC单元）计算机数控（CNC）装置是计算机数控系统的核心（如图1—13所示）。其主要作用是根据输入的零件程序和操作指令进行相应的处理（如运动轨迹处理、机床输入输出处理等），然后输出控制命令到相应的执行部件（伺服单元、驱动装置和PLC等），控制其动作，加工出需要的零件。图1—13计算机数控装置数控机床结构与维护4、伺服机构a)b)伺服机构是数控机床的执行机构，由驱动和执行两大部分组成。如图1—14所示。它接受数控装置的指令信息，并按指令信息的要求控制执行部件的进给速度、方向和位移。目前数控机床的伺服机构中，常用的位移执行机构有功率步进电机、直流伺服电动机、交流伺服电动机和直线电动机。图1—14伺服机构a)伺服电动机b）驱动装置数控机床结构与维护5、检测装置检测装置（也称反馈装置）对数控机床运动部件的位置及速度进行检测，它把机床工作台的实际位移或速度转变成电信号反馈给CNC装置或伺服驱动系统，与指令信号进行比较，以实现位置或速度的闭环控制。数控机床上常用的检测装置有光栅、编码器等（如图1—15所示）。a)b)a)光栅b)光电编码器图1—15检测装置数控机床结构与维护6、可编程控制器可编程控制器（简称PC）主要完成与逻辑运算有关的一些顺序动作的I/O控制，它和实现I/O控制的执行部件一起，共同完成以下任务：1)接受CNC装置的控制代码M（辅助功能）、S（主轴功能）、T（刀具功能）等顺序动作信息，对其进行译码，转换成对应的控制信号，2)接受机床控制面板和机床侧的I/O信号，一部分信号直接控制机床的动作，另一部分信号送往CNC装置，经其处理后输出指令控制CNC系统的工作状态和机床的动作。图1—16可编程控制器数控机床结构与维护7、可编程控制器机床是数控机床的主体，是数控系统的被控对象，是实现制造加工的执行部件。它主要由主运动部件、进给运动部件、支承件以及特殊装置和辅助装置组成。图1—17数控车床的组成数控机床结构与维护图1—18加工中心组成数控机床结构与维护二、数控机床的工作原理数控机床的主要任务就是根据输入的零件程序和操作指令，进行相应的处理，控制机床各运动部件协调动作，加工出合格的零件，如图1—20所示。图1—20数控机床的工作原理数控机床结构与维护自动托盘更换系统数控机床结构与维护图1—21数控系统对零件程序的处理流程数控机床结构与维护第三节数控技术的发展【学习目标】了解数控系统与数控机床制造材料的发展掌握数控机床结构的发展知道加工方法与制造系统的发展数控机床结构与维护【学习内容】一、数控系统的发展开放式数控系统逐步得到发展和应用小型化以满足机电一体化的要求改善人机接口，方便用户使用提高数控系统产品的成套性研究开发智能型数控系统数控机床结构与维护b)二、制造材料的发展聚合物混凝土的配方很多，通常是将花岗岩和其他矿物质粉碎成细小的颗粒，以环氧树脂为粘结剂，以一定比例充分混合后浇注到模具中，借助振动排除气泡，固化约12h后出模。图1—22a所示为用聚合物混凝土制造的机床底座，图1—22b所示为在铸铁中填充混凝土或聚合物混凝土，都能提高振动阻尼性能，其减振性能是铸铁件的8—10倍。图1—22聚合物混凝土的应用a)数控机床结构与维护三、结构的发展1、新结构（1）箱中箱结构为了提高刚度和减轻重量，采用框架式箱形结构，将一个框架式箱形移动部件嵌入另一个框架箱中。图1—23箱中箱结构（2）台上台结构如立式加工中心，为了扩充其工艺功能，常使用双重回转工作台，即在一个回转工作台上加装另一个(或多个)回转工作台。f)可倾转台h)多轴转台图1—24台上台结构数控机床结构与维护（3）主轴摆头卧式加工中心中，为了扩充其工艺功能，常使用双重主轴摆头，如图1—25(主轴及其回转均为零链传动)所示，两个回转轴为C和B。（4）重心驱动图1—26重心驱动图1—25主轴摆头对于龙门式机床，横梁和龙门架用两根滚珠丝杠驱动，形成虚拟重心驱动。如图1-26a所示，Z1和Z2：形成横梁的垂直运动重心驱动，X1和X2形成龙门架的重心驱动。数控机床结构与维护（5）螺母旋转的滚珠丝杠副a）螺母旋转的滚珠丝杠副b）重型机床的工作台驱动方式图1—27螺母旋转的滚珠丝杠副驱动重型机床的工作台行程通常有几米到十几米，过去使用齿轮齿条传动。为消除间隙使用双齿轮驱动，但这种驱动结构复杂，且高精度齿条制造困难。目前使用大直径(直径已达200～250mm，长度通过接长可达20m的滚珠丝杠副，通过丝杠固定、螺母旋转来实现工作台的移动，如图1—27所示。数控机床结构与维护图1—28电磁伸缩杆（6）电磁伸缩杆近年来，将交流同步直线电动机的原理应用到伸缩杆上，开发出一种新型位移部件，称之为电磁伸缩杆。它的基本原理是在功能部件壳体内安放环状双向电动机绕组，中间是作为次级的伸缩杆，伸缩杆外部有环状的永久磁铁层。如图1—28所示。数控机床结构与维护（7）球电动机球电动机是德国阿亨工业大学正在研制的一种具有创意的新型电动机，是在多棱体的表面上间隔分布着不同极性的永久磁铁，构成一个