数控机床原理、结构和维修第1章

1、数控机床原理、数控机床原理、结构与维修结构与维修数控机床概述数控机床概述学习目的与要求学习目的与要求n掌握数控机床的组成与工作原理；掌握数控机床的组成与工作原理；n掌握数控机床的特点与分类；掌握数控机床的特点与分类；n 掌握机床数控系统的定义、组成掌握机床数控系统的定义、组成与工作原理；与工作原理；n 熟悉数控系统常见的硬、软件结熟悉数控系统常见的硬、软件结构形式；构形式；n了解常见数控系统，熟悉了解常见数控系统，熟悉FANUC0i数控系统；数控系统；n了解数控加工技术的发展。了解数控加工技术的发展。DMU80FD五轴加工中心和五轴加工中心和虚轴加工中心虚轴加工中心n 德国DMG集团生产的DM

2、U80FD五轴加工中心，具有铣削和车削复合加工能力。学习导引示例学习导引示例n图1 机床加工回转体零件的实例图图2为为H exa 6 X虚轴加工中心（六根轴端装有滑板）虚轴加工中心（六根轴端装有滑板）图图3 Linapod立式虚轴加工（杆件位移由滑板移动来实立式虚轴加工（杆件位移由滑板移动来实现。）现。） 图图2 图图3 nH exa 6 X和和Linapod虚轴加工中心虚轴加工中心11 概述概述n 1.1.1 数控机床的产生数控机床的产生1949年美国年美国Parsons公司接受美国窄军的委托，研制一种公司接受美国窄军的委托，研制一种计算装置，用以实现日益复杂的飞机零部件的自动加工。计算装置

3、，用以实现日益复杂的飞机零部件的自动加工。1952年美罔麻省理工学院研制出了基于电子管和继电年美罔麻省理工学院研制出了基于电子管和继电器的机床数字控制装置，用于控制铣床系统。它着集成电器的机床数字控制装置，用于控制铣床系统。它着集成电路技术的发展，路技术的发展， 1965年出现了第三代数控机床年出现了第三代数控机床小规模集成电路数控机小规模集成电路数控机床，为床，为N C阶段（由硬件阶段（由硬件(数控装置数控装置)来实现来实现 1970年小型计算机开始用于数控机床，数控机床的发展年小型计算机开始用于数控机床，数控机床的发展由此进入第二阶段，即由此进入第二阶段，即C N C。 112数控机床的特

4、点和应用范围数控机床的特点和应用范围n 数控机床是一个装有程序控制系统的机床。n 数控机床是一种典型的机电一体化产品。n 数控机床加工零件的过程n 如图1-4所示。n (1) 工艺分析等。n (2) 编写零件加工程序单。n (3) 程序的输入。 n (4) 运行加工程序n (5) 机床完成零件的加工。n图1-4运作运作1.2.1 数控机床的组成（数控机床的组成（图图1-5 ） (1) 控制介质：控制介质：光电纸带输入机等 (2) 数控装置数控装置: FANUC(日本)、SIEMENS(德国) (3) 伺服系统：伺服系统：功率步进电动机、功率步进电动机、直流伺服电动机直流伺服电动机 等等1.2

5、数控机床的组成、分类和典型的数控机床数控机床的组成、分类和典型的数控机床 (4) 机床本体：机床本体：主轴、 工作台等 (5) 辅助装置：辅助装置：换刀机构、工换刀机构、工件自动交换机构件自动交换机构 ：图图1-5 1.2.2 数控机床的分类数控机床的分类n (1) 按加工方式和工艺用途分类按加工方式和工艺用途分类n 加工方式：数控车床等。数控冲床等各种功能的数控加工机床。加工方式：数控车床等。数控冲床等各种功能的数控加工机床。 (2) 按加工路线分类按加工路线分类n 点位控制数控机床点位控制数控机床 数控钻床等。数控钻床等。n 直线控制数控机床直线控制数控机床 简易数控车床。简易数控车床。

6、n 轮廓切削轮廓切削(连续轨迹连续轨迹)控制数控机床控制数控机床 数控磨床、加工中心等。数控磨床、加工中心等。 n (3) 按伺服系统类型的分类（有与无按伺服系统类型的分类（有与无带测量反馈装置的控制系统带测量反馈装置的控制系统 ）n 开环伺服系统数控机床：经济型数控和对旧机床的改造开环伺服系统数控机床：经济型数控和对旧机床的改造 n 闭环伺服系统数控机床：用于一些精度要求很高的镗铣床等。闭环伺服系统数控机床：用于一些精度要求很高的镗铣床等。n 半闭环伺服系统数控机床半闭环伺服系统数控机床 ：配备精密滚珠丝杠的半闭环控制系配备精密滚珠丝杠的半闭环控制系统统 （4) 按数控系统功能水平的分类按数

7、控系统功能水平的分类n 按数控系统功能水平可分为低、中、高三档按数控系统功能水平可分为低、中、高三档 :进给当量和进给速进给当量和进给速度、伺服进给系统、主度、伺服进给系统、主CPU等比较等比较 1.2.3典型的数控机床典型的数控机床三种不同生产类型的生产管三种不同生产类型的生产管理特点理特点n1 CK614数控车床数控车床n （1）总体布局）总体布局n数控车床数控车床CK6140型号的含义如下：型号的含义如下：n如图如图1-16所示为所示为CK6140的外形图，主要有床的外形图，主要有床身、主轴箱、刀架、进给系统、冷却、身、主轴箱、刀架、进给系统、冷却、n润滑系统等部分组成。润滑系统等部分组

8、成。n(2) 主要技术参数主要技术参数n 床身上最大工件回转直径床身上最大工件回转直径 400 mmn主电动机主电动机(变频变频) 5.5 kW n2。主要有床身、主轴箱、刀架、进给系统、主要有床身、主轴箱、刀架、进给系统、冷却、润滑系统等部分组成（图冷却、润滑系统等部分组成（图1-16 ）。）。主要部件特点主要部件特点主传动部件是机床结构中最主要的部主传动部件是机床结构中最主要的部件之一，件之一，CK6140的主电动机采用交的主电动机采用交流变频电动机，实现主轴无级变速，流变频电动机，实现主轴无级变速，主轴的支承采用双支承结构配置的是主轴的支承采用双支承结构配置的是立式四工位回转刀架。立式四

9、工位回转刀架。K6140配备的配备的数控系统为数控系统为BEIJING一一FANUC Power Mate 0系统，系统，图图1-16 2. XKA5750数控铣床数控铣床 nXKA5750立卧两用数控铣床立卧两用数控铣床 (1) 机床的基本构成机床的基本构成n 图图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、工作台、工作台13、万能铣头、万能铣头9、各个、各个n方向的伺服进给机构、限位装置、数控方向的伺服进给机构、限位装置、数控n柜柜10、操作面板、操作面板11等构成等构成 (2) 机床的主要技术参数机床的主要技术参数工作台纵向行程工作台纵向行程 1200mm

10、进给速度：纵向进给速度：纵向(X向向) 63000mmminn图图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的交流变频主电动机的交流变频主电动机n高精度的直线滚动导轨，高精度的直线滚动导轨，21把刀具的把刀具的n刀库，能实现四轴联动刀库，能实现四轴联动 n(2) VMC-15加工中心的组成加工中心的组成n1)主传动驱动主传动驱动2)刀库刀库3)进给驱动进给驱动n4)高性能交流向量驱动主轴电动机高性能交流向量驱动主轴电动机n5)FADALCNC 88HS数控系统数控系统n6)VH一一65第四轴旋转头第四轴旋转头n7)TS一一27R对刀仪。对刀仪。（3）VM

11、C-15型技术性能型技术性能n切削进给速度切削进给速度(XYZ) 0.01250minn定位精度定位精度 0.000 2 n 3. VMC-15加工中心的布局与组成加工中心的布局与组成n图图1-181.3 数控系统数控系统n 1.3.1 CNC系统的组成系统的组成n CNC系统是由操作面板、输入输出设备、系统是由操作面板、输入输出设备、CNC装置、可编程装置、可编程控制器控制器(PLC)、主轴伺服单元、进给伺服单元、主轴驱动装置、主轴伺服单元、进给伺服单元、主轴驱动装置和进给驱动装置和进给驱动装置(包括检测装置包括检测装置)等组成（图等组成（图1-19）n（图（图1-19）n1.3.2 CNC

12、装置的功能特点装置的功能特点（1）控制功能：指CNC装置能够控制的以及能够同时控制联动的轴数。n(2)主轴功能：用来指令机床主轴转速、主轴恒定线速度和主轴准停等功能n(3)进给功能:进给速度包括切削进给速度、同步进给速度和快速进给速度等。n(4)准备功能；基本移动、程序暂停、平面选择、坐标设定等。n(5)插补功能：直线插补、圆弧插补功能等n(6)固定循环功能：一些典型的加工工序(如钻孔、铰孔等)n (7) 辅助功能：主轴的正转、反转、停止、冷却泵的打开和关闭、换刀等动作 n(8) 刀具功能：刀具功能用来选择刀具并且指定有效刀具的几何参数地址。n(9) 补偿功能：刀具补偿(刀具半径补偿、刀具长度

13、补偿等)和丝杠螺距误差补偿等n(10) 通信功能：与外界进行信息和数据传送的功能n(11) 自诊断功能：查找故障的部位，进行远程诊断 n(12) 显示功能：CRT显示器或液晶显示器 1.3.3 CNC装置硬件结构装置硬件结构n 数控系统主要包括微处理器、存储器、外围逻辑电路及数控系统与其他组成部分联系的接口等。其原理是根据输入的数据段插补出理想的运动轨迹，然后输出到执行部件(伺服单元、驱动装置和机床)，加工出所需要的零件。n 1计算机主板计算机主板n CPU芯片及其外围芯芯片及其外围芯片；片；n 内存单元、外围芯片；内存单元、外围芯片；n 通信接口；通信接口；n 软、硬驱动器接口。软、硬驱动器

14、接口。图图1-20 华中华中I型数控系统硬件结构型数控系统硬件结构n n2系统总线系统总线(母板母板)：数据总线数据总线 地址总线地址总线 控制控制总线总线n3显示模块显示模块(显示卡显示卡)：VGA卡、卡、SVGA卡，早期的有卡，早期的有CGA、EGA等。等。n4输入输出模块输入输出模块(多功能卡多功能卡)： 输入设备：纸带阅输入设备：纸带阅读机；读机；输出设备：打印机、纸带穿孔机；输出设备：打印机、纸带穿孔机； 输入输输入输出设备：磁盘驱动器、录音机、磁带机等；出设备：磁盘驱动器、录音机、磁带机等； 通信接口：通信接口：RS232。n5存储模块存储模块 ： 磁性存储器件，如软磁盘、硬磁盘，

15、磁性存储器件，如软磁盘、硬磁盘，它们都是可随机读写的；它们都是可随机读写的； 光存储器件，如光盘；光存储器件，如光盘； 半半导体存储器件。导体存储器件。 1.3.4 CNC装置软件结构装置软件结构 1. CNC软件的组成软件的组成 CNC装置的软件又称系统软件，由管理软件和控制软件两部分组成。 图图1-23 CNC装置的软件框图装置的软件框图(1)输入程序(2)译码程序译码程序(3)数据处理和插补计算数据处理和插补计算 (4)伺服伺服(位置位置)控制控制 (5)管理与诊断程序管理与诊断程序 2. CNC软件与硬件的关系软件与硬件的关系3. CNC软件的结构特点软件的结构特点多任务并行处理多任务

16、并行处理(1) (2) 前后台型软件结构前后台型软件结构1.3.5 辅助控制接口模块辅助控制接口模块n 对信号进行相应的转换，以满足数控装置输入输出的要求。 阻断外部的干扰信号进入计算机，防止噪声引起误动作。 1.3.6 数控系统的数控系统的PLC 数控机床用的PLC一般分为以下两类。 一类是数控系统的生产厂家为实现数控机床的顺序控制，而将CNC和PLC综合起来设计，称为内装型(Builtinmype)PLC(或称集成式、内含式)。 另一类则是独立型另一类则是独立型PLC，或称为，或称为“通用型通用型”PLC，它是适，它是适应范围较广、功能齐全、通用化程度较高的应范围较广、功能齐全、通用化程度

17、较高的PLC。如西班牙的。如西班牙的FAGOL4500，西门子的，西门子的810D和和840D系统等。系统等。 1.3.7 位置控制模块位置控制模块(伺服系统伺服系统) 1位置控制模块的工作过程2位置控制模块组成原理 3测量反馈装置 1.3.8 功能接口模块功能接口模块n 该模块是实现用户特定功能要求的接口板，如：刀具监控系统中的信号采集器等。 【 实例实例1-1 】FANUC 0i系列数控系统 表表1-3 我国目前使用我国目前使用FANUC 0i系列的部分数控机床系列的部分数控机床机床名称型 号生产厂家车削中心CH 6 1 3 2沈阳第一机床数控铣床XK 5 0 3 2南通纵横国际股份有限公

18、司立式加工中心TH5 6系列江苏多棱数控机床股份有限公司立式加工中心X H A7 8系列北京第一机床厂FA N UC O i系列具有主要特点：n (1) FAN UC 0 i系统与系统与FS161 8等系统的结构相似，均为模块化结构。等系统的结构相似，均为模块化结构。 (2) 可用可用B类宏程序编程，使用方便。类宏程序编程，使用方便。 (3) 使用编辑卡编写或修改梯形图，携带与操使用编辑卡编写或修改梯形图，携带与操作都很方便作都很方便 (4) 使用存储卡存储或输入机床参数、使用存储卡存储或输入机床参数、P MC程序程序 (5) 系统具有系统具有H RV(高速矢量口向应高速矢量口向应)功能，伺服增益设定比功能，伺服增益设定比F A N UC 0 MD系统高一倍系统高一倍 (6) FA N UC 0 i系统可