高級數控機床課件

第1章數控機床的結構、分類與工作原理

第1章數控機床的結構、分類與工作原理11.1數控機床的構成

數控機床是數字控制機床的簡稱，也稱NC機床數控機床一般由數控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)(包含伺服電動機和檢測反饋裝置)、主傳動系統(tǒng)、強電控制柜、機床本體和各類輔助裝置組成。1.1數控機床的構成

數控機床是數字控制機床的簡稱，也稱2數控機床的構成

數控系統(tǒng)是機床實現自動加工的核心。主要有操作系統(tǒng)、主控制系統(tǒng)、可編程控制器、各類輸入輸出接口等組成。伺服系統(tǒng)主要由伺服電動機、驅動控制系統(tǒng)及位置檢測反饋裝置等組成主傳動系統(tǒng)主要由主軸驅動控制系統(tǒng)、主軸電動機以及主軸機械傳動機構等組成強電控制柜主要用來安裝機床強電控制的各種電氣元器件輔助裝置主要包括ATC刀具自動交換機構、APC工件自動交換機構、工件夾緊放松機構、回轉工作臺、液壓控制系統(tǒng)、潤滑裝置、切削液裝置、排屑裝置、限位保護功能等部分數控系統(tǒng)是機床實現自動加工的核心。主要有操作系統(tǒng)、主控制系3機床本體是數控機床機械結構實體。它與傳統(tǒng)的普通機床相比較，同樣由主傳動機構、進給傳動構、工作臺、床身以及立柱等部分組成。

機床本體是數控機床機械結構實體。它與傳統(tǒng)的普通機床相比較，41.2數控機床的分類

按工藝用途劃分金屬切削類數控機床：普通類數控機床、數控加工中心機床金屬成型類數控機床：數控折彎機、數控彎管機、數控轉頭壓力機特種加工及其他類型數控機床：數控線切割機床、數控電火花加工機床、數控激光切割機床、數控火焰切割機、數控三坐標測量機1.2數控機床的分類

按工藝用途劃分5按運動方式劃分數控機床按運動方式可劃分為：

點位控制系統(tǒng)

點位直線控制系統(tǒng)

輪廓控制系統(tǒng)

按運動方式劃分6按控制方式劃分數控機床按運動方式可劃分為：

開環(huán)控制系統(tǒng)

半閉環(huán)控制系統(tǒng)

閉環(huán)控制系統(tǒng)按控制方式劃分7按功能水平劃分按照數控系統(tǒng)的功能水平通常可把數控機床劃分為低、中、高檔三類。高、中檔一般稱為全功能數控機床或標準型數控機床。低檔數控機床屬于經濟型數控機床，是由單板機、單片機和步進電動機組成的數控系統(tǒng)。按功能水平劃分8

點位控制系統(tǒng)：指數控系統(tǒng)只控制刀具或機床工作臺，從一點準確地移動到另一點，而點與點之間運動的軌跡不需要嚴格控制的系統(tǒng)。

返回點位控制系統(tǒng)：9點位直線控制系統(tǒng)：指數控系統(tǒng)不僅控制刀具或機床工作臺從一個點準確地移動到另一個點，而且保證在兩點之間的運動軌跡是一條直線的控制系統(tǒng)。

返回點位直線控制系統(tǒng)：10

輪廓控制系統(tǒng)：指數控系統(tǒng)能夠對兩個或兩個以上的坐標軸同時進行嚴格連續(xù)控制的系統(tǒng)。它不僅能控制移動部件從一點準確地移動到另一個點，而且還能控制整個加工過程每一點的速度與位移量，將零件加工成一定的輪廓形狀。

返回輪廓控制系統(tǒng)：11開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)是指不具有反饋裝置的控制系統(tǒng)。它是根據數控程序指令，經過控制運算發(fā)出脈沖信號，輸送到伺服驅動裝置（步進電動機）使伺服驅動裝置轉過相應的角度，然后經過減速齒輪和絲杠螺母機構，轉換為移動部件的位移。

返回開環(huán)控制系統(tǒng)12

半閉環(huán)控制系統(tǒng)半閉環(huán)控制系統(tǒng)是在開環(huán)控制系統(tǒng)的伺服機構中裝有角位移檢測裝置，通過檢測伺服機構的滾珠絲杠轉角，間接檢測移動部件的位移，然后反饋到數控裝置的比較器中，與輸入原指令位移值進行比較，用比較后的差值進行控制，使移動部件補充位移，直到差值消除為止的控制系統(tǒng)。

返回半閉環(huán)控制系統(tǒng)13閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)是在機床移動部件位置上直接裝有直線位置檢測裝置，將檢測到的實際位移反饋到數控裝置的比較器中，與輸入的原指令位移值進行比較，用比較后的差值控制移動部件作補充位移，直到差值完全消除為止，達到精確定位的控制系統(tǒng)。

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閉環(huán)控制系統(tǒng)141.3機床數字控制的基本原理

“數字控制（NumericalControl，NC）簡稱數控，是一種自動控制技術，是用數字化信號對控制對象加以控制的一種方法。數控機床是采用了數控技術的機床，或者說是裝備了數控系統(tǒng)的機床。計算機數控系統(tǒng)（ComputerNumericalControlSystem）簡稱CNC。1.3機床數字控制的基本原理

“數字控制（Numeric15數控機床的工作過程包括以下幾個方面：

（1）輸入（2）譯碼（3）數據處理（4）插補（5）伺服控制（6）管理程序輸入：給數控系統(tǒng)輸入的有零件加工程序、控制參數和補償數據等。譯碼：輸入的程序段含有零件的輪廓信息（起點、終點、直線或圓弧等）、要求的加工速度以及其他的輔助信息（換刀、換檔、切削液開關等），計算機依靠譯碼程序來識別這些代碼，將加工程序翻譯成計算機內部能識別的語言。數據處理：數據處理程序一般包括刀具半徑補償、速度計算和輔助功能的處理。刀具半徑補償是把零件輪廓軌跡轉化為刀具中心軌跡。速度計算是解決該加工數據段以什么樣的速度運動的問題。加工速度的確定是一個工藝問題。數控系統(tǒng)僅僅是保證這個編程速度的可靠實現。另外，輔助功能如換刀、換檔等亦在這個程序中實現。數控機床的工作過程包括以下幾個方面：（1）輸入（2）譯16插補：計算軌跡的過程稱為插補，即根據給定的曲線類型（如直線、圓弧或高次曲線）、起點、終點以及速度，在起點和終點之間進行數據點的密化。伺服控制：將計算機送出的位置進給脈沖或進給速度指令，經變換和放大后轉化為伺服電動機（步進電動機或交、直流伺服電動機）的轉動，從而帶動機床工作臺移動。管理程序：當一個數據段開始插補時管理程序即著手準備下一個數據段的讀入、譯碼、數據處理，即由它調用各個功能子程序且保證一個數據段加工過程中將下一個數據段準備就緒，一旦本數據段加工完成即開始下一個數據段的插補加工。整個零件加工就是在這種周而復始的過程中完成。插補：計算軌跡的過程稱為插補，即根據給定的曲線類型（如直線、17數控機床的加工過程如圖所示，其中信息輸入、信息處理和伺服執(zhí)行是數控系統(tǒng)的三個基本工作過程。數控機床必須具備信息輸入、信息處理、伺服執(zhí)行以及機床本體四個基本組成部分。數控機床的加工過程如圖所示，其中信息輸入、信息處理和伺服執(zhí)行18輸入介質（有形的信息載體）一般是穿孔紙帶、磁帶、磁盤等。信息處理是數控裝置的核心任務，由計算機來完成。作用是識別輸入介質中每個程序段的加工數據和操作命令，并對其進行換算和插補計算；根據程序信息計算出運動軌跡上的許多中間點的坐標，這些中間點坐標以前一中間點到后一中間點的位移量形式輸出，經接口電路向各坐標軸執(zhí)行部件送出控制信號，控制機床按規(guī)定的速度和方向移動，以完成零件的成形加工。輸入介質（有形的信息載體）一般是穿孔紙帶、磁帶、磁盤等。19

伺服執(zhí)行部分的作用是將插補輸出的位移信息轉換成機床的進給運動。數控系統(tǒng)要求伺服執(zhí)行部件準確、快速地跟隨插補輸出信息執(zhí)行機械運動，這祥數控機床才能加工出高精度的工件。數控機床常用的伺服驅動元件有功率步進電動機、寬調速直流伺服電動機和交流伺服電動機等。伺服執(zhí)行部分的作用是將插補輸出的位移信息轉換成機床的進給運20與傳統(tǒng)機床相比，數控機床的優(yōu)點：(1)具有充分的“柔性”，只需編制零件程序就能加工零件。(2)在切削速度和進給行程的全范圍內均可保持精度且一致性好。(3)生產周期較短。(4)可以加工復雜形狀的零件。(5)機床易于調整，與其他制造方法（如自動機床、自動生產線）相比，調整所需的時間較少。與傳統(tǒng)機床相比，數控機床的優(yōu)點：(1)具有充分的“柔性”，只21數控機床也存在以下缺點：(1)造價相對較高，特別是設備初期投資大。(2)維護比較復雜，需要專門的維護人員。(3)需要高度熟練和經過培訓的零件編程人員。數控機床也存在以下缺點：22數控機床加工零件的操作過程

(1)數控程序的編制：先根據零件圖樣的要求設計數控加工工藝過程，如工步、加工路線、切削用量、行程等，再按編程手冊的有關規(guī)定編制數控加工程序單。(2)控制介質的制作和程序的輸入：由加工程序單制作控制介質，如穿孔帶、磁帶、磁盤等，再將控制介質記錄的加工信息通過輸入裝置輸入到數控系統(tǒng)中。數控機床加工零件的操作過程

(1)數控程序的編制：先根據零件23(3)加工信息的處理與計算和控制指令的發(fā)出：當加工程序輸入到數控系統(tǒng)后，在控制系統(tǒng)內部的系統(tǒng)程序支持下，系統(tǒng)程序對加工程序進行必要的處理與計算后，發(fā)出相應的控制指令。(4)控制指令的執(zhí)行：運動部件按控制指令進行運動，從而實現零件的數控加工。

(3)加工信息的處理與計算和控制指令的發(fā)出：當加工程序輸入到24第1章數控機床的結構、分類與工作原理

第1章數控機床的結構、分類與工作原理251.1數控機床的構成

數控機床是數字控制機床的簡稱，也稱NC機床數控機床一般由數控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)(包含伺服電動機和檢測反饋裝置)、主傳動系統(tǒng)、強電控制柜、機床本體和各類輔助裝置組成。1.1數控機床的構成

數控機床是數字控制機床的簡稱，也稱26數控機床的構成

數控系統(tǒng)是機床實現自動加工的核心。主要有操作系統(tǒng)、主控制系統(tǒng)、可編程控制器、各類輸入輸出接口等組成。伺服系統(tǒng)主要由伺服電動機、驅動控制系統(tǒng)及位置檢測反饋裝置等組成主傳動系統(tǒng)主要由主軸驅動控制系統(tǒng)、主軸電動機以及主軸機械傳動機構等組成強電控制柜主要用來安裝機床強電控制的各種電氣元器件輔助裝置主要包括ATC刀具自動交換機構、APC工件自動交換機構、工件夾緊放松機構、回轉工作臺、液壓控制系統(tǒng)、潤滑裝置、切削液裝置、排屑裝置、限位保護功能等部分數控系統(tǒng)是機床實現自動加工的核心。主要有操作系統(tǒng)、主控制系27機床本體是數控機床機械結構實體。它與傳統(tǒng)的普通機床相比較，同樣由主傳動機構、進給傳動構、工作臺、床身以及立柱等部分組成。

機床本體是數控機床機械結構實體。它與傳統(tǒng)的普通機床相比較，281.2數控機床的分類

按工藝用途劃分金屬切削類數控機床：普通類數控機床、數控加工中心機床金屬成型類數控機床：數控折彎機、數控彎管機、數控轉頭壓力機特種加工及其他類型數控機床：數控線切割機床、數控電火花加工機床、數控激光切割機床、數控火焰切割機、數控三坐標測量機1.2數控機床的分類

按工藝用途劃分29按運動方式劃分數控機床按運動方式可劃分為：

點位控制系統(tǒng)

點位直線控制系統(tǒng)

輪廓控制系統(tǒng)

按運動方式劃分30按控制方式劃分數控機床按運動方式可劃分為：

開環(huán)控制系統(tǒng)

半閉環(huán)控制系統(tǒng)

閉環(huán)控制系統(tǒng)按控制方式劃分31按功能水平劃分按照數控系統(tǒng)的功能水平通?？砂褦悼貦C床劃分為低、中、高檔三類。高、中檔一般稱為全功能數控機床或標準型數控機床。低檔數控機床屬于經濟型數控機床，是由單板機、單片機和步進電動機組成的數控系統(tǒng)。按功能水平劃分32

點位控制系統(tǒng)：指數控系統(tǒng)只控制刀具或機床工作臺，從一點準確地移動到另一點，而點與點之間運動的軌跡不需要嚴格控制的系統(tǒng)。

返回點位控制系統(tǒng)：33點位直線控制系統(tǒng)：指數控系統(tǒng)不僅控制刀具或機床工作臺從一個點準確地移動到另一個點，而且保證在兩點之間的運動軌跡是一條直線的控制系統(tǒng)。

返回點位直線控制系統(tǒng)：34

輪廓控制系統(tǒng)：指數控系統(tǒng)能夠對兩個或兩個以上的坐標軸同時進行嚴格連續(xù)控制的系統(tǒng)。它不僅能控制移動部件從一點準確地移動到另一個點，而且還能控制整個加工過程每一點的速度與位移量，將零件加工成一定的輪廓形狀。

返回輪廓控制系統(tǒng)：35開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)是指不具有反饋裝置的控制系統(tǒng)。它是根據數控程序指令，經過控制運算發(fā)出脈沖信號，輸送到伺服驅動裝置（步進電動機）使伺服驅動裝置轉過相應的角度，然后經過減速齒輪和絲杠螺母機構，轉換為移動部件的位移。

返回開環(huán)控制系統(tǒng)36

半閉環(huán)控制系統(tǒng)半閉環(huán)控制系統(tǒng)是在開環(huán)控制系統(tǒng)的伺服機構中裝有角位移檢測裝置，通過檢測伺服機構的滾珠絲杠轉角，間接檢測移動部件的位移，然后反饋到數控裝置的比較器中，與輸入原指令位移值進行比較，用比較后的差值進行控制，使移動部件補充位移，直到差值消除為止的控制系統(tǒng)。

返回半閉環(huán)控制系統(tǒng)37閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)是在機床移動部件位置上直接裝有直線位置檢測裝置，將檢測到的實際位移反饋到數控裝置的比較器中，與輸入的原指令位移值進行比較，用比較后的差值控制移動部件作補充位移，直到差值完全消除為止，達到精確定位的控制系統(tǒng)。

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閉環(huán)控制系統(tǒng)381.3機床數字控制的基本原理

“數字控制（NumericalControl，NC）簡稱數控，是一種自動控制技術，是用數字化信號對控制對象加以控制的一種方法。數控機床是采用了數控技術的機床，或者說是裝備了數控系統(tǒng)的機床。計算機數控系統(tǒng)（ComputerNumericalControlSystem）簡稱CNC。1.3機床數字控制的基本原理

“數字控制（Numeric39數控機床的工作過程包括以下幾個方面：

（1）輸入（2）譯碼（3）數據處理（4）插補（5）伺服控制（6）管理程序輸入：給數控系統(tǒng)輸入的有零件加工程序、控制參數和補償數據等。譯碼：輸入的程序段含有零件的輪廓信息（起點、終點、直線或圓弧等）、要求的加工速度以及其他的輔助信息（換刀、換檔、切削液開關等），計算機依靠譯碼程序來識別這些代碼，將加工程序翻譯成計算機內部能識別的語言。數據處理：數據處理程序一般包括刀具半徑補償、速度計算和輔助功能的處理。刀具半徑補償是把零件輪廓軌跡轉化為刀具中心軌跡。速度計算是解決該加工數據段以什么樣的速度運動的問題。加工速度的確定是一個工藝問題。數控系統(tǒng)僅僅是保證這個編程速度的可靠實現。另外，輔助功能如換刀、換檔等亦在這個程序中實現。數控機床的工作過程包括以下幾個方面：（1）輸入（2）譯40插補：計算軌跡的過程稱為插補，即根據給定的曲線類型（如直線、圓弧或高次曲線）、起點、終點以及速度，在起點和終點之間進行數據點的密化。伺服控制：將計算機送出的位置進給脈沖或進給速度指令，經變換和放大后轉化為伺服電動機（步進電動機或交、直流伺服電動機）的轉動，從而帶動機床工作臺移動。管理程序：當一個數據段開始插補時管理程序即著手準備下一個數據段的讀入、譯碼、數據處理，即由它調用各個功能子程序且保證一個數據段加工過程中將下一個數據段準備就緒，一旦本數據段加工完成即開始下一個數據段的插補加工。整個零件加工就是在這種周而復始的過程中完成。插補：計算軌跡的過程稱為插補，即根據給定的曲線類型（如直線、41數控機床的加工過程如圖所示，其中信息輸入、信息處理和伺服執(zhí)行是數控系統(tǒng)的三個基本工作過程。數控機床必須具備信息輸入、信息處理、伺服執(zhí)行以及機床本體四個基本組成部分。數控機床的加工過程如圖所示，其中信息輸入、信息處理和伺服執(zhí)行42輸入介質（有形的信息載體）一般是穿孔紙帶、磁帶、磁盤等。信息處理是數控裝置的核心任務，由計算機來完成。作用是識別輸入介質中每個程序段的加工數據和操作命令，并對其進行換算和插補計算；根據程序信息計算出運動軌跡上的許多中間點的坐標，這些中間點坐標以前一中間點到后一中間點的位移量