1、任务一认识数控车床结构布局和作用,第一章 数控机床基础知识,11 数控与数控机床12 数控机床的分类和常见数控机床简介13 数控机床的加工特点,引 入,在机械制造工业中，单件与小批量生产的零件（批量在10100件）约占机械加工总量的75%80%。尤其是航空航天、造船、机床、重型机械以及国防工业中使用的零件，精度要求高、形状复杂、加工批量小，用普通机床加工这些零件效率低、劳动强度大，有时甚至不能加工。为了解决这些问题，一种具有高精度、高效率、灵活、通用性强的自动化加工设备数控机床应运而生，它为多品种、小批量，特别是结构复杂、精度要求高的零件提供了自动化加工手段。,11 数控与数控机床,1.1 数
2、控与数控机床的概念数控即数字控制（Numerical Control，简称NC），是20世纪中期发展起来的一种自动控制技术，是用数字化信号进行控制的一种方法。1952美国研制第一台数控机床数控机床（Numerical Control Tool）是用数字化信号对机床的运动及其加工过程进行控制的机床，或者说是装备了数控系统的机床。计算机数控（Computer Numerical Control）系统是采用计算机控制加工功能，实现数字控制，并通过接口与外围设备连接。简称CNC系统。,数控发展史,1949美国空军后勤司令部为了在短时间内制造出经常变更设计的火箭零件与帕森斯公司合作并选择麻省理工学院伺服
3、机构研究所为协作单位于1952年研制成功第一台数控机床。中国从1958年开始研制数控机床。四川德阳中国第二重型机械集团锻造厂三金工车间的DL 250型5米数控超重型卧式车床,1.3 数控机床的工作原理,数控机床加工零件的工作过程如图18所示。加工步骤如下：（1）根据被加工零件的图样与工艺方案，用规定的代码和程序段格式编写出加工程序。（2）将所编写加工程序指令输入到机床数控装置中。（3）数控装置对程序（代码）进行处理之后，向机床各个坐标的伺服驱动机构和辅助控制装置发出控制信号。,（4）伺服机构接到执行信号指令后，驱动机床的各个运动部件，并控制所需的辅助动作。（5）机床自动加工出合格的零件。,图1
4、1,1.2 数控机床的组成,数控机床主要由控制介质、数控装置、伺服装置、辅助控制装置、检测装置和机床本体组成。如图11所示。,控制介质,数控装置,伺服机构,辅助控制装置,检测装置,机床本体,主轴箱,立柱,电气柜,控制面板,主轴,床身,工作台,冷却液箱,控制介质是指将零件加工信息传送到数控装置去的程序载体。随数控装置类型的不同而不同，常用的有磁盘、移动硬盘、Flash（U盘）等（见图12）。,1. 控制介质,a),b),c),图12 常用的控制介质 a) 磁盘 b) 移动硬盘 c) U盘,数控装置是数控机床的核心。如图13所示是某数控车床的数控装置。它由输入装置（如键盘）、控制运算器和输出装置（
5、如显示器）等构成。,2. 数控装置,图13 数控装置,伺服机构是数控机床的执行机构，由驱动装置和执行部件（如伺服电动机）两大部分组成，如图14所示。,a) 驱动装置,b ) 伺服电动机,图14 伺服机构,3. 伺服机构,辅助控制装置是介于数控装置和机床机械、液压部件之间的强电控制装置。由于可编程控制器（PLC）具有响应快、性能可靠、易于使用、编程和修改程序，并可直接驱动机床电气等特点，现已广泛用作数控机床的辅助控制装置。图15所示为某可编程控制器的外观图。,4.辅助控制装置,图15 辅助控制装置,检测反馈装置将数控机床各个坐标轴的实际位移量、速度参数检测出来，转换成电信号，并反馈到机床的数控装
6、置中。检测装置的检测元件有多种，常用的有直线光栅（见 图16）、光电编码器（见图17）、圆光栅、绝对编码尺等。,图17 光电编码器,5. 检测装置,图16 直线光栅,机床本体是数控机床的主体，是用于完成各种切削加工的机械部分，包括主运动部件、进给运动执行部件（如工作台、滑板及其传动部件）和床身、立柱、支承部件等。,6.机床本体,1.4 数控机床的坐标系,数控机床的坐标系通常分为机床坐标系和编程坐标系。（1）机床坐标系（2）编程坐标系（3）对刀点与换刀点,1.4.1 机床坐标系,（1）机床相对运动的规定 （2）机床坐标系的规定 （3）运动方向的规定 （4）坐标轴方向的确定 （5）机床原点 （6）
7、机床参考点,（1） 机床相对运动的规定数控机床的加工动作主要分刀具的动作和工件的动作两部分，在确定机床坐标系的方向时，始终认为工件静止，而刀具是运动的。这样编程人员在不考虑机床上工件与刀具具体运动的情况下，就可以依据零件图样，确定机床的加工过程。,（2） 机床坐标系的规定标准机床坐标系中X、Y、Z坐标轴的相互关系由右手笛卡儿直角坐标系决定，如图110a 所示。1）伸出右手的大拇指、食指和中指，并互为90。大拇指代表X坐标，食指代表Y坐标，中指代表Z坐标。2） 大拇指的指向为X坐标的正方向，食指的指向为Y坐标的正方向，中指的指向为Z坐标的正方向。3）围绕X、Y、Z坐标旋转的旋转坐标分别用A、B、
8、C表示，根据右手螺旋定则，大拇指的指向为Z、Y、Z坐标中任意轴的正向，则其余四指的旋转方向即为旋转坐标A、B、C的正向，如图110b所示。,图110 右手直角坐标系,a),b),(3) 运动方向的规定对于机床坐标系的方向，均将增大刀具与工件距离的方向确定为各坐标轴的正方向，如图111所示为数控车床上两个运动的方向。,（4） 坐标轴方向的确定1）Z坐标的运动方向：是由传递切削的动力的主轴所决定的，即平行于主轴轴线的坐标轴发即为Z坐标，Z坐标的正向为刀具离开工件的方向。如图111所示的数控车床的Z坐标。,2）X坐标X坐标平行于工件的装夹平面，一般在水平面内。确定X坐标的方向时，要考虑两种情况：如果
9、工件做旋转运动，则刀具离开工件回转中心的方向为X坐标的正方向。如图111所示的数控车床的X坐标。如果刀具做旋转运动，则分为两种情况：Z坐标水平时，观察者沿刀具主轴向工件看时，+X运动方向指向右方；Z坐标垂直时，观察者面对刀具主轴向立柱看时，+X运动方向指向右方，如图112所示的立式数控铣床的X坐标。,图112 立式数控铣床的坐标系,3） Y坐标在确定X、Z坐标的正方向后，可以用根据X和Z坐标的方向，按照右手直角坐标系来确定Y坐标的方向。如图112所示的Y坐标。,（4） 坐标轴方向的确定1）Z坐标的运动方向：是由传递切削的动力的主轴所决定的，即平行于主轴轴线的坐标轴发即为Z坐标，Z坐标的正向为刀
10、具离开工件的方向。如图111所示的数控车床的Z坐标。,（5） 机床原点机床原点又称为机床零点，即机床坐标系的原点，是指在机床上设置的一个固定点，它在机床装配、调试时就已确定下来，是数控机床进行加工运动的基准参考点。1）数控车床的机床原点在数控车床上，机床原点一般设在卡盘端面与主轴中心线的交点处，如图113所示。2）数控铣床的原点在数控铣床上，机床原点一般设在X、Y、Z坐标的正方向极限位置上，如图114所示。,图113 数控车床的机床原点,图114 数控铣床的机床原点,（6）机床参考点机床参考点是用于对机床运动进行检测和控制的固定位置点。图115所示为数控车床的参考点与机床原点。,图115 数控
11、车床的参考点,1.4.2 编程坐标系,编程坐标系也称为工件坐标系，是编程人员根据零件图样及加工工艺等建立的坐标系。编程坐标系一般供编程使用，确定编程坐标系时不必考虑工件毛坯在机床上的实际装夹位置。编程坐标系的原点（编程原点）应尽量选择在零件的设计基准或工艺基准上，编程坐标系中各轴的方向应该与所使用的数控机床相应的坐标轴方向一致，如图116所示为车削零件的编程坐标系及编程原点。,图116 编程坐标系,1.4.3 对刀点与换刀点,对刀点是数控加工中刀具相对工件运动的起点，程序也是从这一点开始执行，所以对刀点也称为“起刀点”或“程序起点”。对刀点选择的原则如下：（1）找正容易。（2）编程方便。（3）
12、对刀误差小。（4）加工时检查方便、可靠。,1.数控车床布局,数控车床按床身导轨位置的不同分： 立床身；排屑方便。斜床身：排屑比较方便。横床身：在加工中不容易进行加工观察与 排屑操作，但制作成本较低。,二、数控机床布局特点,4、不同布局影响机床操作方便程度,（b）为倾斜床身-倾斜滑板，排屑亦较方便，中小规格的数控车床其床身的倾斜度以60为宜；（c）水平床身-倾斜滑板，具有水平床身工艺性好，宽度方向的尺寸小，且排屑方便，是卧式数控车床的最佳布局形式。,数控斜床身车床,数控车床的主要内部结构,图11,1.2 数控机床的组成,数控机床主要由控制介质、数控装置、伺服装置、辅助控制装置、检测装置和机床本体
13、组成。如图11所示。,控制介质,数控装置,伺服机构,辅助控制装置,检测装置,机床本体,主轴箱,立柱,电气柜,控制面板,主轴,床身,工作台,冷却液箱,数控车床的组成及其作用,组成：床身、主轴箱、刀架进给系统、尾座、液压系统、润滑系统排屑器等组成 1、床身，主要有水平、倾斜、水平床身斜滑鞍。中小车床采用倾斜床身和水平床身斜滑鞍较多，大型车床 和精密车床采用水平床身较多。 主轴传动系统及主轴部件 直流或交流伺服电机.齿形带主轴 实现自动无极调速及恒切速度控制。,主轴脉冲编码器,同步齿形带,主轴电机,主轴,数控机床主传动系统主要有以下三种配置方式： （1）带有变速齿轮的主传动（如图a） （2）通过带传
14、动的主传动（如图b） （3）由伺服电动机直接驱动的主传动（如图c）,2.2.2 数控机床主轴的变速形式,2.2.2 数控机床主轴的变速形式,(1)带有变速齿轮的主传动通过少数几对齿轮变速，使之成为分段无级变速，确保低速时有足够的扭矩，以满足主轴输出扭矩特性的要求。滑移齿轮的移位大都采用液压拨叉或直接由液压缸带动齿轮来实现。,（2）通过带传动的主传动,2.2.2 数控机床主轴的变速形式,2.2.2 数控机床主轴的变速形式,(3)由伺服电动机直接驱动的主传动这种主传动方式大大简化了主轴箱 体与主轴的结构，有效地提高了主轴部 件的刚度，但主轴输出扭矩小，电动机 发热对主轴的精度影响较大，主要用于 高
15、速轻载的中小型机床。,2.2.3 数控机床的主轴部件,机床的主轴部件是机床重要的部件之一，它带动工件或刀具执行机床的切削运动。因此数控机床主轴部件的精度、抗振性和热变形对加工质量有直接的影响。 主轴部件包括： 1 主轴轴承 2 刀具的自动夹紧机构 3 主轴的准停装置,2.2.3 数控机床的主轴部件,(1)数控机床的主轴轴承配置形式如图所示： 前支承采用圆锥孔双列圆柱滚子轴承和双向推力角接触球轴承组合，后支承采用成对角接触球轴承（a）。 前轴承采用高精度角接触球轴承（b）。 双列圆锥滚子轴承和单列圆锥滚子轴承（c）。,2.2.3 数控机床的主轴部件,（2）主轴结构,数控车床主轴结构,2.2.3
16、数控机床的主轴部件, 刀具的自动夹紧机构它主要由拉杆7、拉杆端部的四个钢球3、碟形弹簧8、活塞10、液压缸11等组成。,2.2.3 数控机床的主轴部件, 主轴的准停装置。主轴准停装置具有准确定位的功能，将主轴准确地停在某一固定位置，以便在该处进行换刀等动作。主轴准停装置主要分为机械方式和电气方式两种。,机械式主轴准停装置,1-定位盘； 2-接近体； 3-无触点开关； 4-定位液压缸,2.2.3 数控机床的主轴部件,1-指令 2-强电时序电路 3-伺服单元 4-主轴电机 5-同步齿形带 6-位置控制电路 7-主轴端面键 8-主轴 9-发磁体 10-磁传感器11-放大器 12-定向电路,电气式主轴
17、准停装置原理图,2.2.3 数控机床的主轴部件,(3)电主轴与高速主轴系统在高速机床上，大多数使用电动机转子和主轴一体的电主轴，可以使主轴的转速达到数万转，甚至几十万转每分钟，主轴传动系统的结构简单、刚性更高。,电主轴结构原理图 1-引出线 2-定子 3-转子 4-套筒 5-绕组 6-外壳,2.2.3 数控机床的主轴部件,电主轴传动的特点：(1)机械结构最为简单，传动惯量小，因而快速响应性好，能实现极高的速度、加（减）速度和定角速度的快速准停（C轴控制）。(2)通过采用交流变频调速或磁场矢量控制的交流主轴驱动装置，输出功率大，调速范围宽，并有比较理想的转矩功率特性。(3)可以实现了主轴部件的单
18、元化。,3.进给传动系统,见下图：横向进给传动系统是带动刀架做横向X轴移动的装置，它控制机件的径向尺寸，纵向进给传动系统是带动刀架做横向Y轴移动的装置，它控制机件的轴向尺寸,5.3.1 数控机床进给传动系统的基本结构,进给传动系统组成,传动机构传动齿轮或同步带,运动变换机构丝杠螺母副、蜗杆蜗轮副、齿轮齿条副等,导向机构滑动导轨、滚动导轨、静压导轨、轴承,执行件工作台,5.3 数控机床的进给运动,数控车床的进给传动系统简图,5.3 数控机床的进给运动,工作原理：丝杆（螺母）旋转，滚珠在封闭滚道内沿滚道滚动、迫使螺母（丝杆）轴向移动,5.3.2 滚珠丝杠螺母副,5.3 数控机床的进给运动,滚珠丝杠
19、螺母副具有传动效率高达85%96%，约为一般滑动丝杠副的24倍； 启动时无颤振，低速时无爬行； 静、动摩擦系统几乎相等； 寿命长，磨损小、精度保持性好； 可预紧消隙，提高系统的刚度。,滚珠丝杠螺母副特点：,5.3 数控机床的进给运动,1滚珠丝杠螺母副的结构,1-丝杠 2-螺母 3-滚珠4-回珠管 5反向器,5.3 数控机床的进给运动,滚珠在循环过程中回珠时与丝杠脱离接触的结构；采用弧形铜管形成滚珠返回通道，由弯管的端部引导滚珠； 其工作圈数是2.5圈或3.5圈 ，12列。,2. 滚珠丝杠螺母副的分类,（1） 外循环,5.3 数控机床的进给运动,（2） 内循环,1-丝杠 2-螺母 3-滚珠 4-
20、反向器,滚珠在循环过程中始终与丝杠保持接触的结构。采用圆柱凸键反向器实现滚珠循环，反向器嵌入螺母内。工作圈数是3列。,5.3 数控机床的进给运动,3滚珠丝杠螺母副轴向间隙调整,轴向间隙通常是指丝杠和螺母无相对转动时，丝杠和螺母之间的最大轴向窜动量。,（1）双螺母垫片调隙式,5.3 数控机床的进给运动,4.自动回转刀架,刀架是数控车床的重要部件，用于安装各种切削加工刀具。其结构直接影响机床的切削性能和工作效率，常见刀架分立式转塔刀架卧式转塔刀架。转塔式刀架普遍采用，他通过转塔头的旋转、分度定位来实现机床的切削加工。,数控机床的机械结构与部件,6.4 数控机床自动换刀系统,回转刀架换刀,第6章 数
21、控机床的机械结构与部件,6.4 数控机床自动换刀系统,（5） 机床原点机床原点又称为机床零点，即机床坐标系的原点，是指在机床上设置的一个固定点，它在机床装配、调试时就已确定下来，是数控机床进行加工运动的基准参考点。1）数控车床的机床原点在数控车床上，机床原点一般设在卡盘端面与主轴中心线的交点处，如图113所示。2）数控铣床的原点在数控铣床上，机床原点一般设在X、Y、Z坐标的正方向极限位置上，如图114所示。,图113 数控车床的机床原点,图114 数控铣床的机床原点,（6）机床参考点机床参考点是用于对机床运动进行检测和控制的固定位置点。图115所示为数控车床的参考点与机床原点。,图115 数控
22、车床的参考点,1.4.2 编程坐标系,编程坐标系也称为工件坐标系，是编程人员根据零件图样及加工工艺等建立的坐标系。编程坐标系一般供编程使用，确定编程坐标系时不必考虑工件毛坯在机床上的实际装夹位置。编程坐标系的原点（编程原点）应尽量选择在零件的设计基准或工艺基准上，编程坐标系中各轴的方向应该与所使用的数控机床相应的坐标轴方向一致，如图116所示为车削零件的编程坐标系及编程原点。,图116 编程坐标系,1.4.3 对刀点与换刀点,对刀点是数控加工中刀具相对工件运动的起点，程序也是从这一点开始执行，所以对刀点也称为“起刀点”或“程序起点”。对刀点选择的原则如下：（1）找正容易。（2）编程方便。（3）
23、对刀误差小。（4）加工时检查方便、可靠。,12 数控机床的分类和常见数控机床简介,1.2.1 数控机床的分类 按控制运动的方式分类(1) 点位控制数控机床(2) 直线控制数控机床(3) 轮廓控制数控机床,(1) 点位控制数控机床,点拉控制数控机床的特点是只控制从一点到另一点位置的精确定位,而不控制移动轨迹,在移动和定位过程中不进行任何加工,如图119所示。,(2) 直线控制数控机床,直线控制数控机床也自然数为点位直线控制机床。其特点是机床移动部件不仅要实现由一个位置到另一个位置的精确定位，而且要控制工作台以给定的速度，沿平行坐标轴方向进行直线切削运动（有些机床还可以进行45斜率直线的加工），如
24、图120所示。,(3) 轮廓控制数控机床,轮廓控制数控机床是对两个或两个以上轴同时进行控制。它不仅要控制机床移动部件的起点和终点，而且要控制加工过程中每一点的速度、方向和位移量，运动轨迹是任意的直线、圆弧、螺旋线等，将工件加工成一定的轮廓形状，如图121所示。,图120 直线控制加工图,图121 轮廓控制加工图,2. 按伺服系统的特点分类,（1）开环控制数控机床开环控制数控机床的特点是其控制系统不带反馈装置，执行机构通常采用功率步进电动机或电流脉冲马达，如图122所示。,（2） 闭环控制数控机床闭环控制数控机床的特点是在机床移动部件上直线安装直线位移检测装置（如直线光栅等），将测量的实际位移值
25、反馈到数控装置中，与输入的指令位移值进行比较，用比较的差值对机床进行控制，直至差值消除为止，使移动部件按照实际需要的位移量运动，最终实现移动部件的精确运动和定位，从而使加工精度大大提高。,（3） 半闭环控制数控机床半闭环控制数控机床的特点是在伺服电动机的轴或数控机床的传动丝杠上装有角度检测装置（如光电编码器等），通过检测丝杠的转角间接地检测移动部件的实际位移，然后反馈到数控装置中去，与输入的指令位移值进行比较，用比较的差值对机床进行控制。,图124 半闭环电路图,图123 闭环电路图,3. 按数控机床的显示分类,（1）低档数控机床 （2）中档数控机床 （3）高档数控机床,1.2.2 常见数控机
26、床简介,1.数控车床数控车床一般具有两轴联动功能，Z轴是与主轴方向平行的运动轴，X轴是在水平面向内与主轴方向垂直的运动轴。图125所示为一台数控车床的外观图。,图125 数控车床,2.数控铣床世界上第一台数控机床就是数控铣床，它适于加工三维复杂曲面，在汽车、航空航天、模具等行业被广泛采用。图126所示为数控铣床，随着时代的发展，数控铣床趋于加工中心。,图126 数控铣床,3. 加工中心,数控加工中心是具有自动刀具交换装置，并能进行多种工序加工的数控机床。在其上工件可在一次装夹中进行铣、镗、钻、扩、铰、攻螺纹等多工序的加工。,图127立式加工中心,4.数控磨床,数控磨床主要用于加工高硬度、高精度
27、表面，可分为数控平面磨床、数控内圆磨床、数控轮廓磨床等。,5. 数控钻床,数控钻床主要具备钻孔、攻螺纹等功能，同时也具备简单的铣削功能，刀库可存放多种刀具。数控钻床可分为数控立式钻床和数控卧式钻床。图128所示为一台数控立式钻床外观图。,图128 数控立式钻床,6. 数控电火花成形机床,数控电火花成形机床属于一种特种加工机床。其工作原理是利用两个不同极性的电极在绝缘液体中产生放电现象，去除材料进而完成加工。图129所示为一台数控电火花成形机床的外观图。,图129 数控电火花成形机床,7. 数控线切割机床,数控线切割机床的工作原理与数控电火花成形机床一样，其电极是电极丝，加工液一般采用去离子水。图130所示为一台数控线切割机床的外观图。,图130 数控线切割机床,13 数控机床的加工特点,一. 加工精度高 对加工对象的适应性强 自动化程度高 生产效率高 良好的经济效益 有利于现代化管理,思考与练习,1.简述数控、数控机床的概念2.数控机床由哪些部分组成?各有什么作用?3.简述数控机床的工作过程4.数控机床的X、Y、Z坐标轴及其正方向是如何规 定的?5.数控机床的机床原点、编程原点、参考点有什么区别?6.点位控制、直线控制、轮廓控制数控机床各有何特点?7.开环、闭环、半闭控制数控机床各有何特点?8.数控机床的加工特点是什么?,谢谢观赏 制作人：胡可威尹 凌,
