數(shù)控機(jī)床原理、結(jié)構(gòu)和維修第1章

1、數(shù)控機(jī)床原理、數(shù)控機(jī)床原理、結(jié)構(gòu)與維修結(jié)構(gòu)與維修數(shù)控機(jī)床概述數(shù)控機(jī)床概述學(xué)習(xí)目的與要求學(xué)習(xí)目的與要求n掌握數(shù)控機(jī)床的組成與工作原理；掌握數(shù)控機(jī)床的組成與工作原理；n掌握數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)與分類；掌握數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)與分類；n 掌握機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的定義、組成掌握機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的定義、組成與工作原理；與工作原理；n 熟悉數(shù)控系統(tǒng)常見的硬、軟件結(jié)熟悉數(shù)控系統(tǒng)常見的硬、軟件結(jié)構(gòu)形式；構(gòu)形式；n了解常見數(shù)控系統(tǒng)，熟悉了解常見數(shù)控系統(tǒng)，熟悉FANUC0i數(shù)控系統(tǒng)；數(shù)控系統(tǒng)；n了解數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展。了解數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展。DMU80FD五軸加工中心和五軸加工中心和虛軸加工中心虛軸加工中心n 德國(guó)DMG集團(tuán)生產(chǎn)的DM

2、U80FD五軸加工中心，具有銑削和車削復(fù)合加工能力。學(xué)習(xí)導(dǎo)引示例學(xué)習(xí)導(dǎo)引示例n圖1 機(jī)床加工回轉(zhuǎn)體零件的實(shí)例圖圖2為為H exa 6 X虛軸加工中心（六根軸端裝有滑板）虛軸加工中心（六根軸端裝有滑板）圖圖3 Linapod立式虛軸加工（桿件位移由滑板移動(dòng)來實(shí)立式虛軸加工（桿件位移由滑板移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。）現(xiàn)。） 圖圖2 圖圖3 nH exa 6 X和和Linapod虛軸加工中心虛軸加工中心11 概述概述n 1.1.1 數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生1949年美國(guó)年美國(guó)Parsons公司接受美國(guó)窄軍的委托，研制一種公司接受美國(guó)窄軍的委托，研制一種計(jì)算裝置，用以實(shí)現(xiàn)日益復(fù)雜的飛機(jī)零部件的自動(dòng)加工。計(jì)算裝置

3、，用以實(shí)現(xiàn)日益復(fù)雜的飛機(jī)零部件的自動(dòng)加工。1952年美罔麻省理工學(xué)院研制出了基于電子管和繼電年美罔麻省理工學(xué)院研制出了基于電子管和繼電器的機(jī)床數(shù)字控制裝置，用于控制銑床系統(tǒng)。它著集成電器的機(jī)床數(shù)字控制裝置，用于控制銑床系統(tǒng)。它著集成電路技術(shù)的發(fā)展，路技術(shù)的發(fā)展， 1965年出現(xiàn)了第三代數(shù)控機(jī)床年出現(xiàn)了第三代數(shù)控機(jī)床小規(guī)模集成電路數(shù)控機(jī)小規(guī)模集成電路數(shù)控機(jī)床，為床，為N C階段（由硬件階段（由硬件(數(shù)控裝置數(shù)控裝置)來實(shí)現(xiàn)來實(shí)現(xiàn) 1970年小型計(jì)算機(jī)開始用于數(shù)控機(jī)床，數(shù)控機(jī)床的發(fā)展年小型計(jì)算機(jī)開始用于數(shù)控機(jī)床，數(shù)控機(jī)床的發(fā)展由此進(jìn)入第二階段，即由此進(jìn)入第二階段，即C N C。 112數(shù)控機(jī)床的特

4、點(diǎn)和應(yīng)用范圍數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍n 數(shù)控機(jī)床是一個(gè)裝有程序控制系統(tǒng)的機(jī)床。n 數(shù)控機(jī)床是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。n 數(shù)控機(jī)床加工零件的過程n 如圖1-4所示。n (1) 工藝分析等。n (2) 編寫零件加工程序單。n (3) 程序的輸入。 n (4) 運(yùn)行加工程序n (5) 機(jī)床完成零件的加工。n圖1-4運(yùn)作運(yùn)作1.2.1 數(shù)控機(jī)床的組成（數(shù)控機(jī)床的組成（圖圖1-5 ） (1) 控制介質(zhì)：控制介質(zhì)：光電紙帶輸入機(jī)等 (2) 數(shù)控裝置數(shù)控裝置: FANUC(日本)、SIEMENS(德國(guó)) (3) 伺服系統(tǒng)：伺服系統(tǒng)：功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、直流伺服電動(dòng)機(jī)直流伺服電動(dòng)機(jī) 等等1.2

5、數(shù)控機(jī)床的組成、分類和典型的數(shù)控機(jī)床數(shù)控機(jī)床的組成、分類和典型的數(shù)控機(jī)床 (4) 機(jī)床本體：機(jī)床本體：主軸、 工作臺(tái)等 (5) 輔助裝置：輔助裝置：換刀機(jī)構(gòu)、工換刀機(jī)構(gòu)、工件自動(dòng)交換機(jī)構(gòu)件自動(dòng)交換機(jī)構(gòu) ：圖圖1-5 1.2.2 數(shù)控機(jī)床的分類數(shù)控機(jī)床的分類n (1) 按加工方式和工藝用途分類按加工方式和工藝用途分類n 加工方式：數(shù)控車床等。數(shù)控沖床等各種功能的數(shù)控加工機(jī)床。加工方式：數(shù)控車床等。數(shù)控沖床等各種功能的數(shù)控加工機(jī)床。 (2) 按加工路線分類按加工路線分類n 點(diǎn)位控制數(shù)控機(jī)床點(diǎn)位控制數(shù)控機(jī)床 數(shù)控鉆床等。數(shù)控鉆床等。n 直線控制數(shù)控機(jī)床直線控制數(shù)控機(jī)床 簡(jiǎn)易數(shù)控車床。簡(jiǎn)易數(shù)控車床。

6、n 輪廓切削輪廓切削(連續(xù)軌跡連續(xù)軌跡)控制數(shù)控機(jī)床控制數(shù)控機(jī)床 數(shù)控磨床、加工中心等。數(shù)控磨床、加工中心等。 n (3) 按伺服系統(tǒng)類型的分類（有與無按伺服系統(tǒng)類型的分類（有與無帶測(cè)量反饋裝置的控制系統(tǒng)帶測(cè)量反饋裝置的控制系統(tǒng) ）n 開環(huán)伺服系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床：經(jīng)濟(jì)型數(shù)控和對(duì)舊機(jī)床的改造開環(huán)伺服系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床：經(jīng)濟(jì)型數(shù)控和對(duì)舊機(jī)床的改造 n 閉環(huán)伺服系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床：用于一些精度要求很高的鏜銑床等。閉環(huán)伺服系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床：用于一些精度要求很高的鏜銑床等。n 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床半閉環(huán)伺服系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床 ：配備精密滾珠絲杠的半閉環(huán)控制系配備精密滾珠絲杠的半閉環(huán)控制系統(tǒng)統(tǒng) （4) 按數(shù)控系統(tǒng)功能水平的分類按數(shù)

7、控系統(tǒng)功能水平的分類n 按數(shù)控系統(tǒng)功能水平可分為低、中、高三檔按數(shù)控系統(tǒng)功能水平可分為低、中、高三檔 :進(jìn)給當(dāng)量和進(jìn)給速進(jìn)給當(dāng)量和進(jìn)給速度、伺服進(jìn)給系統(tǒng)、主度、伺服進(jìn)給系統(tǒng)、主CPU等比較等比較 1.2.3典型的數(shù)控機(jī)床典型的數(shù)控機(jī)床三種不同生產(chǎn)類型的生產(chǎn)管三種不同生產(chǎn)類型的生產(chǎn)管理特點(diǎn)理特點(diǎn)n1 CK614數(shù)控車床數(shù)控車床n （1）總體布局）總體布局n數(shù)控車床數(shù)控車床CK6140型號(hào)的含義如下：型號(hào)的含義如下：n如圖如圖1-16所示為所示為CK6140的外形圖，主要有床的外形圖，主要有床身、主軸箱、刀架、進(jìn)給系統(tǒng)、冷卻、身、主軸箱、刀架、進(jìn)給系統(tǒng)、冷卻、n潤(rùn)滑系統(tǒng)等部分組成。潤(rùn)滑系統(tǒng)等部分組

8、成。n(2) 主要技術(shù)參數(shù)主要技術(shù)參數(shù)n 床身上最大工件回轉(zhuǎn)直徑床身上最大工件回轉(zhuǎn)直徑 400 mmn主電動(dòng)機(jī)主電動(dòng)機(jī)(變頻變頻) 5.5 kW n2。主要有床身、主軸箱、刀架、進(jìn)給系統(tǒng)、主要有床身、主軸箱、刀架、進(jìn)給系統(tǒng)、冷卻、潤(rùn)滑系統(tǒng)等部分組成（圖冷卻、潤(rùn)滑系統(tǒng)等部分組成（圖1-16 ）。）。主要部件特點(diǎn)主要部件特點(diǎn)主傳動(dòng)部件是機(jī)床結(jié)構(gòu)中最主要的部主傳動(dòng)部件是機(jī)床結(jié)構(gòu)中最主要的部件之一，件之一，CK6140的主電動(dòng)機(jī)采用交的主電動(dòng)機(jī)采用交流變頻電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)主軸無級(jí)變速，流變頻電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)主軸無級(jí)變速，主軸的支承采用雙支承結(jié)構(gòu)配置的是主軸的支承采用雙支承結(jié)構(gòu)配置的是立式四工位回轉(zhuǎn)刀架。立式四

9、工位回轉(zhuǎn)刀架。K6140配備的配備的數(shù)控系統(tǒng)為數(shù)控系統(tǒng)為BEIJING一一FANUC Power Mate 0系統(tǒng)，系統(tǒng)，圖圖1-16 2. XKA5750數(shù)控銑床數(shù)控銑床 nXKA5750立臥兩用數(shù)控銑床立臥兩用數(shù)控銑床 (1) 機(jī)床的基本構(gòu)成機(jī)床的基本構(gòu)成n 圖圖1-17由底座由底座1、床身、床身5、升降滑座、升降滑座16、n滑枕滑枕8、工作臺(tái)、工作臺(tái)13、萬能銑頭、萬能銑頭9、各個(gè)、各個(gè)n方向的伺服進(jìn)給機(jī)構(gòu)、限位裝置、數(shù)控方向的伺服進(jìn)給機(jī)構(gòu)、限位裝置、數(shù)控n柜柜10、操作面板、操作面板11等構(gòu)成等構(gòu)成 (2) 機(jī)床的主要技術(shù)參數(shù)機(jī)床的主要技術(shù)參數(shù)工作臺(tái)縱向行程工作臺(tái)縱向行程 1200mm

10、進(jìn)給速度：縱向進(jìn)給速度：縱向(X向向) 63000mmminn圖圖1-17n(1)VMC-15加工中心的布局加工中心的布局n立式、立式、112 kW的交流變頻主電動(dòng)機(jī)的交流變頻主電動(dòng)機(jī)n高精度的直線滾動(dòng)導(dǎo)軌，高精度的直線滾動(dòng)導(dǎo)軌，21把刀具的把刀具的n刀庫(kù)，能實(shí)現(xiàn)四軸聯(lián)動(dòng)刀庫(kù)，能實(shí)現(xiàn)四軸聯(lián)動(dòng) n(2) VMC-15加工中心的組成加工中心的組成n1)主傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)主傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)2)刀庫(kù)刀庫(kù)3)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)n4)高性能交流向量驅(qū)動(dòng)主軸電動(dòng)機(jī)高性能交流向量驅(qū)動(dòng)主軸電動(dòng)機(jī)n5)FADALCNC 88HS數(shù)控系統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)n6)VH一一65第四軸旋轉(zhuǎn)頭第四軸旋轉(zhuǎn)頭n7)TS一一27R對(duì)刀儀。對(duì)刀儀。（3）VM

11、C-15型技術(shù)性能型技術(shù)性能n切削進(jìn)給速度切削進(jìn)給速度(XYZ) 0.01250minn定位精度定位精度 0.000 2 n 3. VMC-15加工中心的布局與組成加工中心的布局與組成n圖圖1-181.3 數(shù)控系統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)n 1.3.1 CNC系統(tǒng)的組成系統(tǒng)的組成n CNC系統(tǒng)是由操作面板、輸入輸出設(shè)備、系統(tǒng)是由操作面板、輸入輸出設(shè)備、CNC裝置、可編程裝置、可編程控制器控制器(PLC)、主軸伺服單元、進(jìn)給伺服單元、主軸驅(qū)動(dòng)裝置、主軸伺服單元、進(jìn)給伺服單元、主軸驅(qū)動(dòng)裝置和進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置和進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置(包括檢測(cè)裝置包括檢測(cè)裝置)等組成（圖等組成（圖1-19）n（圖（圖1-19）n1.3.2 CNC

12、裝置的功能特點(diǎn)裝置的功能特點(diǎn)（1）控制功能：指CNC裝置能夠控制的以及能夠同時(shí)控制聯(lián)動(dòng)的軸數(shù)。n(2)主軸功能：用來指令機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速、主軸恒定線速度和主軸準(zhǔn)停等功能n(3)進(jìn)給功能:進(jìn)給速度包括切削進(jìn)給速度、同步進(jìn)給速度和快速進(jìn)給速度等。n(4)準(zhǔn)備功能；基本移動(dòng)、程序暫停、平面選擇、坐標(biāo)設(shè)定等。n(5)插補(bǔ)功能：直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)功能等n(6)固定循環(huán)功能：一些典型的加工工序(如鉆孔、鉸孔等)n (7) 輔助功能：主軸的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止、冷卻泵的打開和關(guān)閉、換刀等動(dòng)作 n(8) 刀具功能：刀具功能用來選擇刀具并且指定有效刀具的幾何參數(shù)地址。n(9) 補(bǔ)償功能：刀具補(bǔ)償(刀具半徑補(bǔ)償、刀具長(zhǎng)度

13、補(bǔ)償?shù)?和絲杠螺距誤差補(bǔ)償?shù)萵(10) 通信功能：與外界進(jìn)行信息和數(shù)據(jù)傳送的功能n(11) 自診斷功能：查找故障的部位，進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷 n(12) 顯示功能：CRT顯示器或液晶顯示器 1.3.3 CNC裝置硬件結(jié)構(gòu)裝置硬件結(jié)構(gòu)n 數(shù)控系統(tǒng)主要包括微處理器、存儲(chǔ)器、外圍邏輯電路及數(shù)控系統(tǒng)與其他組成部分聯(lián)系的接口等。其原理是根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)段插補(bǔ)出理想的運(yùn)動(dòng)軌跡，然后輸出到執(zhí)行部件(伺服單元、驅(qū)動(dòng)裝置和機(jī)床)，加工出所需要的零件。n 1計(jì)算機(jī)主板計(jì)算機(jī)主板n CPU芯片及其外圍芯芯片及其外圍芯片；片；n 內(nèi)存單元、外圍芯片；內(nèi)存單元、外圍芯片；n 通信接口；通信接口；n 軟、硬驅(qū)動(dòng)器接口。軟、硬驅(qū)動(dòng)器

14、接口。圖圖1-20 華中華中I型數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)型數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)n n2系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線(母板母板)：數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線 地址總線地址總線 控制控制總線總線n3顯示模塊顯示模塊(顯示卡顯示卡)：VGA卡、卡、SVGA卡，早期的有卡，早期的有CGA、EGA等。等。n4輸入輸出模塊輸入輸出模塊(多功能卡多功能卡)： 輸入設(shè)備：紙帶閱輸入設(shè)備：紙帶閱讀機(jī)；讀機(jī)；輸出設(shè)備：打印機(jī)、紙帶穿孔機(jī)；輸出設(shè)備：打印機(jī)、紙帶穿孔機(jī)； 輸入輸輸入輸出設(shè)備：磁盤驅(qū)動(dòng)器、錄音機(jī)、磁帶機(jī)等；出設(shè)備：磁盤驅(qū)動(dòng)器、錄音機(jī)、磁帶機(jī)等； 通信接口：通信接口：RS232。n5存儲(chǔ)模塊存儲(chǔ)模塊 ： 磁性存儲(chǔ)器件，如軟磁盤、硬磁盤，

15、磁性存儲(chǔ)器件，如軟磁盤、硬磁盤，它們都是可隨機(jī)讀寫的；它們都是可隨機(jī)讀寫的； 光存儲(chǔ)器件，如光盤；光存儲(chǔ)器件，如光盤； 半半導(dǎo)體存儲(chǔ)器件。導(dǎo)體存儲(chǔ)器件。 1.3.4 CNC裝置軟件結(jié)構(gòu)裝置軟件結(jié)構(gòu) 1. CNC軟件的組成軟件的組成 CNC裝置的軟件又稱系統(tǒng)軟件，由管理軟件和控制軟件兩部分組成。 圖圖1-23 CNC裝置的軟件框圖裝置的軟件框圖(1)輸入程序(2)譯碼程序譯碼程序(3)數(shù)據(jù)處理和插補(bǔ)計(jì)算數(shù)據(jù)處理和插補(bǔ)計(jì)算 (4)伺服伺服(位置位置)控制控制 (5)管理與診斷程序管理與診斷程序 2. CNC軟件與硬件的關(guān)系軟件與硬件的關(guān)系3. CNC軟件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)軟件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)多任務(wù)并行處理多任務(wù)

16、并行處理(1) (2) 前后臺(tái)型軟件結(jié)構(gòu)前后臺(tái)型軟件結(jié)構(gòu)1.3.5 輔助控制接口模塊輔助控制接口模塊n 對(duì)信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換，以滿足數(shù)控裝置輸入輸出的要求。 阻斷外部的干擾信號(hào)進(jìn)入計(jì)算機(jī)，防止噪聲引起誤動(dòng)作。 1.3.6 數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)的PLC 數(shù)控機(jī)床用的PLC一般分為以下兩類。 一類是數(shù)控系統(tǒng)的生產(chǎn)廠家為實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的順序控制，而將CNC和PLC綜合起來設(shè)計(jì)，稱為內(nèi)裝型(Builtinmype)PLC(或稱集成式、內(nèi)含式)。 另一類則是獨(dú)立型另一類則是獨(dú)立型PLC，或稱為，或稱為“通用型通用型”PLC，它是適，它是適應(yīng)范圍較廣、功能齊全、通用化程度較高的應(yīng)范圍較廣、功能齊全、通用化程度

17、較高的PLC。如西班牙的。如西班牙的FAGOL4500，西門子的，西門子的810D和和840D系統(tǒng)等。系統(tǒng)等。 1.3.7 位置控制模塊位置控制模塊(伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)) 1位置控制模塊的工作過程2位置控制模塊組成原理 3測(cè)量反饋裝置 1.3.8 功能接口模塊功能接口模塊n 該模塊是實(shí)現(xiàn)用戶特定功能要求的接口板，如：刀具監(jiān)控系統(tǒng)中的信號(hào)采集器等。 【 實(shí)例實(shí)例1-1 】FANUC 0i系列數(shù)控系統(tǒng) 表表1-3 我國(guó)目前使用我國(guó)目前使用FANUC 0i系列的部分?jǐn)?shù)控機(jī)床系列的部分?jǐn)?shù)控機(jī)床機(jī)床名稱型 號(hào)生產(chǎn)廠家車削中心CH 6 1 3 2沈陽第一機(jī)床數(shù)控銑床XK 5 0 3 2南通縱橫國(guó)際股份有限公

18、司立式加工中心TH5 6系列江蘇多棱數(shù)控機(jī)床股份有限公司立式加工中心X H A7 8系列北京第一機(jī)床廠FA N UC O i系列具有主要特點(diǎn)：n (1) FAN UC 0 i系統(tǒng)與系統(tǒng)與FS161 8等系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相似，均為模塊化結(jié)構(gòu)。等系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相似，均為模塊化結(jié)構(gòu)。 (2) 可用可用B類宏程序編程，使用方便。類宏程序編程，使用方便。 (3) 使用編輯卡編寫或修改梯形圖，攜帶與操使用編輯卡編寫或修改梯形圖，攜帶與操作都很方便作都很方便 (4) 使用存儲(chǔ)卡存儲(chǔ)或輸入機(jī)床參數(shù)、使用存儲(chǔ)卡存儲(chǔ)或輸入機(jī)床參數(shù)、P MC程序程序 (5) 系統(tǒng)具有系統(tǒng)具有H RV(高速矢量口向應(yīng)高速矢量口向應(yīng))功能，伺服增益設(shè)定比功能，伺服增益設(shè)定比F A N UC 0 MD系統(tǒng)高一倍系統(tǒng)高一倍 (6) FA N UC 0 i系統(tǒng)可