1、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
2、控制、伺服驱动系统、机床本体、机电接口等五大部分组成。,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
3、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
4、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
5、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,输入,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
6、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
7、：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
8、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
9、,（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
10、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1m，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0.1m，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
11、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。,2.5.1 数控机床的
12、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
13、的安装表面垂直，工件与刀具的间隔增加方向为其正方向。,Z坐标正方向规定：刀具远离工件的方向。,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,+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,（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
14、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,+Z,+X,+Z,+X,+Y,龙门数控铣床,+Z,+Y,+Z,+Y/,+C,+C,回转坐标 A、B、C,+X,+X,+Z,+X,+Y,+A,+C,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
15、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。,（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。,
