数控机床的组成和工作原理课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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,P17,2.3,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,1,m,，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,0.1,m,，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。,X,Y,Z,X、Y、Z,+A、+B、+C,X,Z,Y,+C,+B,+A,2.5.1,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,+X,5,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