教学课件·《数控技术及应用》

1、数控技术及应用0绪 论0.1 机床数控技术组成0.2 数控机床加工特点0.3 数控机床基本控制0.4 数控技术发展趋势0.5 本课程的任务和学习方法0 绪 论10.1 机床数控技术组成1. 数控技术的基本概念数控技术是指，用数字指令来实现一台或多台机械设备运行的控制技术，数控技术所涉及的控制通常是位置、角度、速度等机械量以及与机械能量流向有关的开关量。数控机床就是采用了数控技术的机床，是集机械制造、计算机、自动控制、电机及拖动、电力 电 子 、 传 感 器 、 机 床 电 器 及 PLC 、 气 液 压 以 及 网 络通信等技术为一体的自动化金属切削设备，是典型的机电一体的产品。图 0-1 机

2、床数控技术组成20 绪 论数控装置是数控技术的核心，是一种专门用于数控机床控制的计算机，承担着数控机床运行的数据输入、处理和计算，控制信号的输入和输出，以及网络通信。现代数控装置也称为计算机 数控系统（ C omputer N umerical C ontrol System ，简称 CNC ）。30 绪 论西门子数控系统SINUMERIK 840Dsl 数控系统SINUMERIK 802Dsl 数控系统0 绪 论4FANUC 数控系统0 绪 论FANUC 16i 数控系统FANUC 0iC 数控系统FANUC 30i 数控系统FANUC 0iD 数控系统5华中数控系统0 绪 论6HMC-18

3、0XP 数控系统HMC-18i 数控系统华 中 8 系 列 数 控 系 统72. 数控机床类型（ 1 ） 数 控 车 床图 0-2a 普通型数控车床（平床身）0 绪 论8图 0-2b 多功能数控车床（斜床身）0 绪 论9（ 2 ）数控铣床及加工中心图 0-3a 立式数控铣床0 绪 论10图 0-3b 数控卧式铣镗床0 绪 论11图 0-3c 数控龙门铣床0 绪 论动梁式定梁式12图 0-3d 立式加工中心（斗笠式刀库）0 绪 论13图 0-3e 卧式加工中心0 绪 论（ 3 ）数控磨床图 0-4a 数控平面磨床140 绪 论图 0-4b 数控外圆磨床150 绪 论（ 4 ） 数 控 电 火 花

4、 成 型 机 床 和 线 切 割 机 床图 0-5 数控电火花成型机床160 绪 论图 0-6 数控线切割机床170 绪 论（ 5 ）数控冲床和数控折弯机图 0-7 数控冲床180 绪 论图 0-8 数控折弯机190 绪 论0.2数控机床加工特点零件图编制加工程序输入加工程序加工完成后的工件200 绪 论自动切削工件图 0-9 数控车床加工过程n 加工过程中无需人的过多介入，把人对加工精度的影响降低到最小。n 数控机床本身机械精度和控制精度都较高，加工过程中的每一步严格按照加工程序来执行，保证了零件加工精度以及精度保持的一致性。n 数控机床自动化程度高，如自动换刀、自动对刀等，有效缩短了非切削

5、时间，加工效率高。n 采用标准化和模块化的刀具和夹具后，加工不同的零件只需更换相应的加工程序即可，适应性强。210 绪 论0.3 数控机床基本控制加工中心机械结构电气控制柜220 绪 论1- 回转式刀库 2- Z 轴伺服电动机3- 主轴电动机 4- 松紧刀气缸5- 主轴箱 6- 主轴 7- 工作台8- 床鞍 9- 床身 10- X 轴伺服电动机11-I/O 模块 12- 驱动器（主轴和伺服一体 式驱动器） 13- 电源开关14- 继电器 15- 机床变压器 16- 接触器17- 断路器 18- 电源变压器 19- 开关电源图 0-10 加工中心机械结构和电气控制柜数控车床机械结构及电气控制23

6、0 绪 论图 0-11 数控机床控制组成240 绪 论251. 主轴控制主轴控制涉及到的机电技术包括：主轴结构及主轴机械传动，主轴电动机及驱动，以及主轴速度和位置检测等控制本质 对主轴进行控制，实际上就是对主轴电动机进行控制，即主轴电动机的正反转决定了主轴的转向；主轴电动机的转速决定了主轴的转速。基本功能 正、反转起动及停止，主轴调速，相应数控指令为M03 、 M04 、 M05 及 S 。特殊功能 主轴定向和定位控制、主轴齿轮换挡时的摆动控制、螺纹车削及刚性攻丝同步控制等。0 绪 论卸掉罩壳后主轴电动机及驱动、主轴机械传动实现主轴的起停和转速控制260 绪 论2. 进给控制进给控制涉及到的机

7、电技术包括：进给机械传动机构、进给电动机及驱动、位置和速度检测装置、伺服系统性能及调整等点位控制 加工中心钻孔、扩孔、铰孔、攻丝及镗孔等均为点位控制。点位控制中，刀具从当前位置快速移动到下一位置的过程中不进行切削，移动路径可人为设置，但要保证点与点之间的位置精度。270 绪 论图 0-12a 点位控制轨迹控制 数控铣床、加工中心、数控车床和数控磨床进行轮廓加工均为轨迹控制。轨迹控制中，刀具按规 定 的 路 径 切 削 零 件 ， 既 要 保证位置精度，又要保证刀具运动速度的稳定。刀具进给轨迹图 0-12b 铣削轨迹控制刀具进给轨迹图 0-12c 车削轨迹控制280 绪 论卸掉罩壳后进给电动机及

8、驱动、进给机械传动实现刀架 X 和 Z 轴的进给运动XZ290 绪 论3. 辅助功能的控制辅助功能是数控机床能顺利完成切削加工的重要保证，如数控车床中刀架换刀、液压卡盘和液压尾座的动作，加工中心中的刀库选刀和换刀动作等。辅助功能由 M 指令和 T 指令通过数控系统的 PLC 控制完成。主轴正、反转和停止，冷却及润滑是所有数控机床应具有的辅助功能控制300 绪 论卸掉罩壳后液压卡盘夹紧 / 松开、转塔刀架换刀、液压尾座顶尖的伸出 / 缩回等是数控车床的辅助功能控制310 绪 论数控车床辅助功能32立式加工中心（斗笠式刀库）辅助功能0 绪 论卧式加工中心辅助功能330 绪 论0.4数控技术发展趋势

9、1. 高速化2. 高精度化3. 高可靠性4. 多轴联动和功能复合化5. 工业机器人在数控加工生产线中的应用6. 智能化7. 网络化8. 绿色化340 绪 论高 速 化 电 主 轴350 绪 论传统数控机床主轴驱动方式：主轴电动机+机械传动机构+主轴部件电主轴电动机转子为主轴高 速 化 直 线 电 机传统数控机床伺服驱动方式：伺服电动机+滚珠丝杠螺母副+工作台直线电机电动机的定子、转子相对直线运动360 绪 论车铣复合加工中心车铣复合加工中心 是 一 种 以 工序集中为原则的新型数控机床，零件通过一次装夹可完成多种加工工序，如车削、钻孔、攻丝、平面铣削、铣槽等加工工序。37与普通加工时工件在不同

10、机床上加工相比，大大降低了装夹时间，提高了加工效率；同时，减少了装夹定位误差，提高了加工精度。0 绪 论工业机器人在数控加工生产线中的应用0 绪 论桁架式搬运机器人导轨式移动搬运机器人固定式回转搬运机器人380 绪 论39主轴部件中安装有加速度传感器、轴承温度传感器等智 能 化 主 轴 轴 承 故 障 预 警由电流传感器（安装在主轴电动机驱动器中）检测主轴电动机运行电流网 络 化 数 控 机 床 远 程 故 障 诊 断0 绪 论40本课程涉及的学科面广，需要有广泛的专业基础和理论知识。学好本课程的关键在于理论联系实际，要重视实验，善于借鉴，从整体上把握数控机床的运行原理和控制过程，以及加工程序

11、的基本指令和程序编制的方法。0.5本课程的任务和学习方法410 绪 论本章结束，感谢您的聆听学习！数控技术及应用1数控机床机械传动1.1 进给机械传动1.2 主轴机械传动1.3 辅助装置1.4 进给机械传动特性1 数控机床机械传动11.1 进给机械传动1.1.1 滚珠丝杠螺母副1. 作 用滚珠丝杠螺母副是数控机床进给机械传动的重要部件，是一种将旋转运动转换成直线运动的传动部件。图 1-1a 滚珠丝杠与伺服电动机直联图 1-1b 滚珠丝杠通过同步带与伺服电动机连接21 数控机床机械传动2. 滚珠丝杠螺母副的特点（ 1 ） 循 环 方 式图 1-2a 内循环图 1-2b 外循环（ 2 ）丝杠螺距及

12、累积误差3图 1-3a 丝杠螺距由丝杠螺距累积误差引起的机床坐标轴定位误差，可通过数控系统的软件进行补偿（丝杠螺距累积误差补偿），以提高轴的定位精度。1 数控机床机械传动（ 3 ） 定 位 误 差 测 量干涉镜固定，反光镜随运动部件（工作台）移动。激光器发出的输入光束经干涉镜中的半反半透镜后分为两路，一路为参考光束，另一路为测量光束并经角锥反光镜反射。当反射镜随工作台一起移动时，测量光束的光路长度发生改变，由于多普勒效应，测量光束的频率相对参考光束的频率产生平移，由此，测量光束和参考光束在干涉镜处产生干涉，其叠加光束产生明暗相间的周期变化。侦测器通过测量叠加光束明暗变化的条纹，计算出角锥反光镜

13、的移动距离。1 数控机床机械传动41 数控机床机械传动图 1-4 激光干涉仪定位误差测量示意图51 数控机床机械传动6图 1-3b 丝杠螺距累积误差曲线补偿前丝杠螺距累积误差补偿前后定位误差曲线比较1 数控机床机械传动7（ 4 ） 丝 杠 螺 距 累 积 误 差 补 偿误差补偿是人为地造出一种新的误差去抵消当前成为问题的原始误差，以达到减小加工误差，提高零件加工精度的方法。误差补偿采用的是 “ 软 技 术 ” ， 即 将 测 量 得 到 的 实 际 位 置 误 差 按 数 控 系 统 规 定 的 格 式 ， 输入到数控系统中作为补偿值，在系统软件的控制下将补偿值叠加到位置控制指令中。补偿后1

14、数控机床机械传动3. 丝杠螺母预紧图 1-5a 双螺母垫片预紧图 1-5b 单螺母错位预紧由丝杠螺母副反向间隙引起的坐标轴定位误差，可通过数控系统的软件进行补偿（反向间隙补偿），以提高轴的定位精度。8一端固定、一端自由一端固定、一端游动两端固定4. 丝杠支承及预紧（ 1 ） 丝 杠 轴 承 预 紧1 数控机床机械传动图 1-6d 支承 A 结构9支承 B 放大两端固定（ 2 ） 丝 杠 预 紧10图 1-6d 支承 B 结构通过使丝杠产生微拉伸实现丝杠预紧。丝杠预紧一方面能提高丝杠传动刚度，有利于进给传动的稳定性；另一方面还能抵消丝杠传动时的热变形。1 数控机床机械传动5. 反向间隙测量及补偿

15、反向间隙测量循环反向间隙补偿就是数控系统在执行运动指令过程中，当进给方向改变时自动地在位置指令上叠加一个补偿值，以补偿由于反向间隙造成的位置精度的降低，该补偿值就是通过测量得到的反向间隙值。反向间隙补偿值设定在数控系统的参数中。11数 控 车 床 Z 轴 反 向 间 隙 测 量立 式 数 控 铣 床 X 轴 反 向 间 隙 测 量1 数控机床机械传动当伺服电动机连接垂直安装的滚珠丝杠时，由于滚珠丝杠无自锁功能，当机床断电且无锁紧装置时，丝杠在主轴箱或刀架重力的作用下产生自旋，主轴箱或刀架会自行下落。为防止这一现象，在伺服电动机中安装有电磁制动器（又称电磁抱闸），在伺服电动机断电时由抱闸锁紧电动

16、机转子，不使丝杠转动。斜 床 身 数 控 车 床 X 轴 伺服电动机（带电磁抱闸）6. 垂直轴防下滑与平衡（ 1 ） 电 磁 制 动 器 防 下 滑立 式 数 控 铣 床 / 加 工 中 心 Z 轴伺服电动机（带电磁抱闸）121 数控机床机械传动链条主轴箱（ 2 ） 平 衡 方 式n 平衡块13图 1-7a 平衡块平衡1 数控机床机械传动n 平衡液压缸平衡液压缸14图 1-7ba 液压平衡1 数控机床机械传动1 数控机床机械传动图 1-8a 矩形 - 矩形组合1.1.2 导 轨1. 滑动导轨（ 1 ） 导 轨 类 型 及 导 向 方 式15铸铁 - 铸铁摩擦系数为 0.18压板用来调整导轨支承

17、面的间隙，保证在垂直面内的直线移动精度，并承受颠覆力矩。镶条用来调整导轨侧面的间隙，保证导轨在水平面内直线移动精度。16AB1 数控机床机械传动图 1-8b 三角形 - 矩形组合以三角形导轨作为主要导向面，侧向间隙能自动补偿，无需镶条调整。n 压板调整方式修磨刮研式垫片式1 数控机床机械传动17镶条式图 1-9a 压板n 镶条调整方式平镶条斜镶条1 数控机床机械传动18图 1-9b 镶条（ 2 ） 塑 料 导 轨金属对金属的滑动导轨由于 静 摩 擦 系 数 和 动 摩 擦 系 数 不 同 ， 存 在 低 速爬行 的现象，表现为，在低速进给（ 0.05mm/min ）切削时，刀架或工作台时走时停

18、，机床产生振动，影响工件表面加工质量。为了改善滑动导轨的摩擦特性，提高导轨的耐磨性和定位精度，数控机床滑动导轨常采用 塑料导轨 。塑料导轨是一种由高分子材料制成的复合材料，也称机床导轨软带，含有丰富的固体润滑剂微粒，具有优异的摩擦和磨损特性。导轨软带用粘接剂粘贴在打磨后的金属导轨面上，一般粘贴在滑动导轨副的短导轨（动导轨，如车床溜板导轨）上，与长导轨（静导轨）配合滑动。1 数控机床机械传动19201 数控机床机械传动图 1-10 塑料导轨结构示意图铸铁 - 聚四氟乙烯摩擦系数为 0.06高耐磨： 耐磨性是铸铁导轨的 10 倍，导轨精度保持性好。低摩擦： 摩擦系数 0.06 ，仅为铸铁导轨的 1

19、/3 ，大大降低了驱动能耗。无爬行： 动、静摩擦系数接近，微动进给定位好，运行平稳。吸振好： 可减少噪音和振动，提高加工精度。润滑佳： 自润滑性能好，即使润滑系统出现故障也可避免导轨擦伤。维修易： 导轨维修只需更换新的软带。211 数控机床机械传动2. 滚动导轨当滑块与导轨作相对运动时，滚动体沿着导轨上的滚道滚动，在滑块端部滚动体通过反向器再进入滚道，由此循环运动。反向器两端装有防尘密封端盖，可有效防止灰尘进入滑块中。滑块中滚动体采用脂润滑或通过油嘴进行油润滑。反向器滑轨滑块滚珠滚珠滚动导轨摩擦系数为 0.0020.003油嘴图 1-11a 滚动导轨组成滚柱滚柱滚动导轨摩擦系数为 0.0050

20、.011 数控机床机械传动螺钉固定压板固定楔形块固定22图 1-11c 导轨和滑块侧向定位固定方式图 1-11b 导轨安装位置3. 滚动导轨块单列滚柱循环双列滚柱循环123456231- 防护板 2- 盖板 3- 滚柱 4- 导向片 5- 保持器 6- 本体图 1-12a 结构组成图 1-12b 单列滚动导轨块安装示意图1 数控机床机械传动1 数控机床机械传动1.2 主轴机械传动1.2.1 数控机床主轴传动方式1. 带传动24图 1-13 带传动2. 齿轮换挡传动滑移齿轮中间轴（花键轴）25图 1-14 主轴齿轮液压换挡变速1 数控机床机械传动1 数控机床机械传动主轴采用齿轮换挡变速的目的：获

21、得主轴低速大转矩，并扩大恒功率调速范围。261 数控机床机械传动3. 主轴直接驱动卸掉罩壳后27某型号主轴直接驱动结构示意图图 1-15 主轴直接驱动1 数控机床机械传动1.2.2 数控车床主轴1. 主轴部件图 1-16 数控车床主轴部件及内部结构1- 主轴电动机 2- 主轴编码器 3- 皮带轮4- 编码器同步带轮 5- 后轴承圆螺母6- 后端角接触球轴承 7- 前端轴承圆螺母8- 后端角接触球轴承组 9- 法兰10- 密封圈 11- 主轴281 数控机床机械传动2. 主轴辅助装置（ 1 ）主轴编码器（必装）主轴编码器1:1 同步带连接主轴编码器用于检测主轴的实际转速和角位移。29（ 2 ）

22、主 轴 液 压 卡 盘 （ 选 装 ）卸掉主轴箱、主轴及主轴编码器后30图 1-17a 主轴液压卡盘组成1 数控机床机械传动1 数控机床机械传动31图 1-17b 主轴液压卡盘结构减 压 阀 1 调 定 压 力 为 高 压 ， 减 压 阀 2 调 定 压力为低压，电磁阀 3 用于高压和低压切换，电磁阀 4 用于夹紧和松开切换。液压卡盘的夹紧和松开由数控系统的 PLC 控制。图 1-18 主轴液压卡盘的液压系统1.2.3 数控铣床及加工中心主轴1 数控机床机械传动32主轴部件图 1-19 立式加工中心主轴1 数控机床机械传动33图 1-20 主轴内部结构及组成过滤器减压阀油雾器图 1-21 主轴

23、松紧刀气动控制回路1 数控机床机械传动341.3 辅助装置数控车床辅助装置n 冷却和润滑n 刀架n 液压卡盘及尾架等数控铣床及加工中心辅助装置n 冷却和润滑n 主轴松紧刀装置n 刀库及换刀装置n 数控转台等辅助装置的动作由数控系统的 PLC 进行控制1 数控机床机械传动35换刀指令（ T ） 刀架电动机正转 刀架体抬起 刀架体正向旋转选刀 电动机停止并反转 刀 架 体 落 下 并 锁 紧1.3.1 数控车床刀架1. 四方电动刀架36图 1-22 四方电动刀架1 数控机床机械传动端面分度齿盘（鼠齿盘）凸轮绝对式码盘和接近开关2. 转塔刀架1 数控机床机械传动37图 1-23 液压转塔刀架换刀过程

24、： 刀塔松开伸出 分度 预定位 精定位 缩回夹紧液压马达通过驱动凸轮和齿轮机构实现刀塔分度（双向旋转和就近选刀），液压缸通过带动刀塔主轴实现刀塔夹紧和松开，刀塔定位由端面齿盘实现，选刀由凸轮绝对式码盘和接近开关来检测。1 数控机床机械传动液压马达刀塔松开刀塔夹紧38电动转塔刀架n 刀 塔 无 需 伸 出 和 缩 回 就 可 进 行 松 开 、 分 度 和 夹 紧刀塔电动机通过齿轮和凸轮等传动机构实现刀塔分度和夹紧、松开控制，刀盘由端齿盘实现定位。刀塔电动机的正、反转和停 止 由 数 控 系 统 的 PLC 和继 电 器 - 接 触 器 控 制 。1- 刀塔电动机 2- 齿轮 3- 电机齿轮 4

25、- 行星齿轮 5- 空套齿轮6- 锁紧接近开关 7- 预分度到位接近开关 8- 预分度电磁铁9- 插销 10- 刀塔 11- 挡圈 12- 定齿盘 13- 分度主轴 14- 动齿盘15- 弹簧 16- 滚轮架 17- 滚轮 18- 驱动齿轮 19- 箱体20- 绝对式编码器 21- 后盖 22- 刀塔电动机电磁抱闸n 刀 塔 可 双 向 回 转 和 任 意 刀 位 就 近 选 刀1 数控机床机械传动39刀塔电动机伺服转塔刀架伺服电动机用伺服电动机进行刀塔分度，实现双向转位及最短路径选刀；用液压缸实现刀塔的夹紧和松开，刀塔由端齿盘实现定位。刀 塔 伺 服 电 动 机 作 为 数 控 系 统 的

26、PLC 轴 ， 通 过 传 动 机 构 对 刀塔进行分度和定位。伺服电动机的运行是通过数控系统专门功能的 PLC 程 序 和 伺 服 驱 动 器 来 完 成 的 。 PLC 轴 在 数 控 机 床 中 特 别 适用于刀库或刀架选刀、回转工作台分度定位等场合。1 数控机床机械传动40钻孔攻丝铣键槽铣曲线槽铣侧平面动力刀架在伺服转塔刀架上搭载驱动模块，为加工刀位上的旋转刀具提供动力。配合主轴 C 轴功能，在数控车床上实现钻孔、攻丝及铣削等加工。配置动力刀架的数控车床又称为“ 车削中心 ”。刀塔VDI 动力刀座1 数控机床机械传动41单伺服动力刀架 刀塔转位和刀具旋转由同一个伺服电动机驱动实现。双伺

27、服动力刀架 刀塔转位和刀具旋转分别由伺服电动机和动力头电动机驱动实现。1 数控机床机械传动421.3.2 车床液压尾架1 数控机床机械传动43图 1-24 液压尾座1.3.3 加工中心刀库及换刀1. 斗笠式刀库（适用于立式加工中心）（ 1 ） 结 构 及 动 作 过 程44绝对式换刀： 每次换刀后， 刀座号与刀具号是一一对应的。图 1-25 斗笠式刀库的结构1 数控机床机械传动图 1-26 刀库气缸气动控制回路1 数控机床机械传动45（ 2 ） 换 刀 过 程1 ） 数 控 系 统 得 到 换 刀 指 令 后 ， 主 轴 自 动返回到换刀点，同时主轴实现准停控制。2 ） 刀盘旋转，将与当前主轴

28、上刀具号（设为旧刀具）对应的刀座号转到换刀点。3 ） 刀 盘 从 原 位 由 气 缸 活 塞 推 出 ， 当 卡 夹抓住主轴上旧刀具时，抓刀到位开关接通，表示抓刀完成。4 ） 主 轴 松 紧 刀 气 缸 动 作 ， 主 轴 旧 刀 具 松 刀 ， 且 对 主 轴 锥 孔 吹 气 ， 当 主 轴 松 刀 到 位开关接通时，表示松刀完成。5 ） 主 轴 上 移 ， 主 轴 中 旧 刀 具 留 在 刀 夹 上 ， 拔 刀 完 成 。6 ） 刀 库 再 次 旋 转 ， 将 指 令 刀 具 （ 设 为 新 刀 具 ） 对 应 的 刀 座 号 转 到 换 刀 点 ， 选 刀 完成。7 ） 主 轴 再 次

29、下 移 至 换 刀 点 ， 新 刀 具 插 入 主 轴 锥 孔 中 ， 插 刀 完 成 。8 ） 主 轴 松 紧 气 缸 动 作 ， 新 刀 具 在 主 轴 中 紧 刀 ， 当 主 轴 紧 刀 到 位 开 关 接 通 时 ， 表 示紧刀完成。9 ） 刀 盘 气 缸 活 塞 缩 回 ， 当 刀 库 复 位 开 关 接 通 ， 换 刀 过 程 结 束 。1 数控机床机械传动462. 圆盘式刀库及换刀机械手（适用于卧式加工中心）A换刀机械手1 数控机床机械传动47刀套主轴1 数控机床机械传动48换刀机械手图 1-27 圆盘式刀库换刀时机械手和刀套的状态随机式换刀： 每次换刀后，同一个刀套中的刀具号是

30、变化的刀库选刀刀套翻转机械手抓刀机械手拔刀刀具交换机械手插刀机械手和刀套复位换刀过程分解图1 数控机床机械传动49换刀位置刀套转盘电动机n 若指令刀具不在换刀位置，转盘电动机正传或反转，以最短路径方式将指令刀具转到换刀位置。（ 1 ） 选 刀执行 T 指令时n 若刀库中无 T 指令刀具，数控系统发出 T 码错误报警。n 若指令刀具已在主轴上，则完成换刀控制。n 若指令刀具就在换刀位置，转盘电动机不动作，等待机械手交换刀具。1 数控机床机械传动50（ 2 ） 刀 套 翻 转当所选刀具所在刀套转到换刀位置时，刀套后部的滚子进入到拨叉内，气缸前腔进气，活塞上移并带动拨叉使刀套绕销 轴 向 下 翻 转

31、 90 ， 刀 套 向 下翻转检测开关发出信号；气缸后腔进气时，活塞下移并带动拨 叉 使 刀 套 向 上 翻 转 90 ， 刀套复位检测开关发出信号。51图 1-28 刀套翻转示意图1 数控机床机械传动（ 3 ） 凸 轮 式 换 刀 机 械 手换刀机械手刀套主轴1 数控机床机械传动52图 1-29 凸轮式换刀机械手机械手动作过程：原位抓刀拔刀（主轴松刀）交换插刀（主轴紧刀）复位链式刀库链式刀库一般应用于大型的卧式加工中心，可以存储较多的刀具，一般都在 20 把以上，有些可以达到 120 把以上。刀库中的刀套通过链条进行传动，当指定的刀具随刀套转到换刀位置后，由换刀机械手将刀具装到机床主轴中。刀

32、库电动机有普通三相交流异步电动机，或伺服电动机。1 数控机床机械传动531 数控机床机械传动54链轮 1链轮 2减速器刀套翻转气缸刀库电动机机械手电动机换刀机械手链条刀套1.3.4 数控分度工作台和回转工作台1. 分度工作台分度工作台常用于卧式铣镗床及加工中心中，完成工件的转位换面，实现工件一次装夹，多工序的加工。1 数控机床机械传动55分度方式n 分 度 工 作 台 只 能 完 成 分 度 运 动 ， 不 能 实 现 圆 周 进 给 运 动n 分度工作台分度动作由数控系统的PLC控制定位销式分度工作台靠定位销和定位孔实现分度，分度角度由定位孔在圆周上的分度数量决定，常见的有 0 、90 、

33、180 和 270 。端齿盘（鼠齿盘）式分度工作台分度定位精度高，通常为 2 ，最高可达 0.4 ；采用多齿重复定位，重复定位精度稳定，定位刚度高，承载能力强。1 数控机床机械传动561 数控机床机械传动分度过程：分度开始 工作台松开并抬起 工作台回转 分度到位，定位销配合 工作台下降并锁紧 分度完成图 1-30 定位销式数控分度工作台1- 工作台 2- 转台轴 3- 六角螺钉 4- 轴套 5- 消隙液压缸6- 定位衬套 7- 定位销 8- 夹紧液压缸 9- 齿轮10- 夹紧液压缸活塞 11- 弹簧 12- 双列滚柱轴承 13- 止推螺钉14- 中央液压缸活塞 15- 中央液压缸 16- 液压

34、油管道17 、 18- 止推轴承 19- 转台座57端齿盘式分度工作台分度过程：分度开始 工作台松开并抬起（ 液压缸动作，夹紧盘松 开 ，工 作 台 抬 起 ） 工 作 台 回 转 分 度 （ 电 动 机 带 动 蜗 轮 - 蜗 杆 使 工 作 台旋转） 工作台下降并夹紧 （液压缸动作，夹紧 盘 夹 紧 ， 工 作 台下降） 分度结束1 数控机床机械传动581 数控机床机械传动2. 数控回转工作台伺服电动机及蜗轮-蜗杆传动方式直接驱动电动机传动方式既能作为回转坐标轴与其他轴实现插补联动，又能作为分度工作台实现任意角度的分度，完成工件的转位换面。591 数控机床机械传动图 1-31 卧式数控回转

35、工作台1- 蜗杆 2- 蜗轮 3 、 4- 夹紧瓦 5- 夹紧液压缸6- 活塞 7- 弹簧 8- 钢球 9- 底座 10- 圆光栅采用伺服电动机通过蜗轮-蜗杆传动，由编码器或圆光栅进行角度检测，组成位置半闭环或闭环伺服系统。60摇篮式数控回转工作台（双轴）卧式数控回转工作台（单轴）1 数控机床机械传动611.4 进给机械传动特性1.4.1 负载转矩F V L P b2 i M bT V 1. 切削转矩轴向切削力 F VL 折算到电动机轴上的转矩F VL 切削力在轴向的分力（ N ）P b 丝杠螺距（ m ）i 减速比（ i 1 ） M 减速装置效率，当伺服电动机与丝杠直连时， i 和 M 均为

36、 1 b 滚珠丝杠螺母副传动效率1 数控机床机械传动62图 1-32 进给传动系统的负载组成1 数控机床机械传动2. 摩擦转矩（ 1 ） 导 轨 摩 擦 转 矩 g P bT g ( mg cos F VT F gp )2 i M b导轨摩擦力折算到电动机轴上的摩擦转矩 g 导轨摩擦系数m 工件、工作台及拖板质量（ kg ）g 重力加速度， g =9.81m/s 2 轴倾斜角度，由机床结构决定，水平轴 =0 ，垂直轴 =90 F VT 切削力在垂直方向的分力（ N ）F gp 滚动导轨预载荷（预紧力）（ N ）631 数控机床机械传动（ 2 ） 防 护 罩 摩 擦 转 矩图 1-33 多级伸缩

37、式防护罩表1-1刮板与防护罩之间的摩擦阻力P b F s BT s 2 i M b防护罩产生的摩擦力折算到电动机轴上的摩擦转矩641 数控机床机械传动（ 3 ） 丝 杠 支 承 轴 承 摩 擦 转 矩 b d bT b ( F bp F sp )2 i M轴承及丝杠预紧力折算到电动机轴上的摩擦转矩 b 支承轴承摩擦系数，一般为 0.0030.005d b 支承轴承平均直径（ m ）F bp 支承轴承预紧力（ N ）F sp 丝杠预紧力（ N ）总摩擦转矩 T R 为： T R = T g + T s + T b65mg sin P b2 i M b3. 重力转矩T G 主轴箱或刀架折算到电动机

38、轴上的重力转矩进给机械传动系统各负载折算到电动机轴上的负载转矩 T L 为：T L = T V + T R + T G1 数控机床机械传动661 数控机床机械传动1.4.2 负载惯量1. 旋转运动部件惯量432 i d lJ r 滚珠丝杠、齿轮或同步带轮惯量折算到电动机轴上的惯量 旋转部件材料密度（ kg/m 3 ）d 实 心 圆 柱 体 直 径 （ m ）l 实心圆柱体长度（ m ）6722. 直线运动部件惯量 P b J l m 2 i 工作台和工件、主轴箱或刀架等直线运动部件折算到电动机轴上的惯量负载折算到电动机轴上的惯量 J L 为：J L =J r +J l1 数控机床机械传动681

39、 数控机床机械传动1.4.3 动态特性图 1-34 进给机械传动模型及传递函数km n c2 mk r n 1 2 2阻尼比 固有频率谐振频率提高刚 度 可 以 提 高 机 械 传 动 系 统的固有频率， 以 避 免 系 统 产 生 振 动 ，增加机械传动 运 行 的 稳 定 性 ， 以 及 减少系统的死区 误 差 （ 失 动 量 ） 。 数 控机床进给机械 传 动 所 采 取 的 各 种 调 整手段，如消除 传 动 间 隙 ， 丝 杠 、 导 轨及轴承的预紧 等 ， 都 是 为 了 达 到 提 高刚度的目的。69本章结束，感谢您的聆听学习！数控技术及应用2主轴电动机及驱动2.1 三相交流异步

40、电动机及变频调速2.2 由变频器组成的模拟主轴2.3 交流主轴电动机及驱动器2.4 主轴伺服功能2.5 主轴电动机选择现代数控机床广泛采用交流主轴电动机及变频驱动普通（变频专用）三相交流异步电动机变频器主轴专用三相交流异步电动机专用变频器2 主轴电动机及驱动1主轴普通三相交流异步电动机主轴主轴专用三相交流异步电动机（ FA N U C 交 流主轴电动机）2 主轴电动机及驱动图 3-1b 变频专用异步电动机2.1 三相交流异步电动机及变频调速2.1.1 三相交流异步电动机1. 结构组成电源接线盒风扇电机电源接线盒2图 3-1a 三项交流异步电动机内部结构及组成2. 运行原理Y （ 星 形 ） 接

41、 法 接 法n M n 0n M n 0电动机状态发电机状态三相电源f 三相电源频率（ Hz ）n 0 磁场转速（ r/min ）n M - 转子转速（ r/min ）2 主轴电动机及驱动32.1.2 变频调速频率给定电压变频器输出电源频率 f电动机转速 n M3380V/50Hz频率给定电压（ 0 10V ）f （ 0Hz 最高运行频率）2 主轴电动机及驱动4f N (50Hz)0f maxf/ HzP /kW 、 T /NmP NT N额定转速以下 恒转矩调速额定转速以上 恒功率调速PT5图 2-3 变频调速时电动机转矩、功率与频率的关系2 主轴电动机及驱动2 主轴电动机及驱动2.1.3

42、变频器1. 变频控制图 2-4a 变频器控制信号及输出电压和电流图 2-4b 频率给定电压变频器根据频率给定信号（如 0 +10V 电压），将输入的三相 380V/50Hz正弦波交流电经内部控制电路 和 功 率 开关，输出电压和频率可变的、 与 正 弦 波等效的三相方波电压，从而实 现 对 电 动机的变频调速。62 主轴电动机及驱动控制电路板和接线端子座2. 变频器基本组成主电路板1- 外壳 2- 操作及显示面板 3- 接线端子座4- 控制电路板 5- 散热风扇 6- 限流电阻7- 工频变压器 8- 接触器 9- 整流模块10- 逆变模块 11- 热敏电阻12- 制动电阻 13- 滤波电容卸掉

43、控制电路板和接线端子座后72 主轴电动机及驱动图 2-5 变频器的基本组成8控制及驱动电路频率给定电 压 型 “ 交 直 交 ” 变 频 器 ： 整 流 滤 波 逆 变控制电路根据频率给定设定值，经SPWM （ 正 弦 波 脉 冲宽度调制）等处理，输出控制信号，使IGBT （ IPM ）逻辑导通或截止，最终输出三相高频方波电压，该方波电压与正弦波交流电压等效，具有电压和频率同时改变的特点，满足交流电动机变频调速的要求。2 主轴电动机及驱动9（ 1 ）变频器主电路2 主轴电动机及驱动图 2-6a 能耗制动方式的主电路10n 由二极管组成全波整流电路。n 变频器上电时由限流电阻进行限流，防止对电容

44、冲击，当母线电压上升到规定值时，限流电阻短接，母线电压建立。n 电动机减速和制动时，电动机处于发电机状态，引起母线电压升高，当母线电压达到一定值时，制动单元动作，接入能耗制动电阻，电动机为能耗制动状态。2 主轴电动机及驱动11图 2-6b 回馈制动方式的主电路n 由 IGBT （ IPM ）组成整流和逆变电路。n 变频器上电时，控制电路使输入端 IGBT （ IPM ）为整流状态，对电容进行充电，母线电压上升，并使母线电压保持稳定。n 电动机减速和制动时，电动机处于发电机状态，引起母线电压升高，当母线电压达到一定值时，输入端 IGBT （ IPM ）为逆变状态，将母线电压逆变成三相交流电反馈给

45、电网，电动机为回馈制动状态。2 主轴电动机及驱动12（ 2 ） 控 制 电 路n 脉冲宽度调制（ PWM ）技术基本思想： 控制逆变器中的 IGBT 或 IPM 的开通或关断，输出电压幅值相等、宽度按一定规律变化的高频脉冲序列，以代替期望的输出电压。技 术 手 段 ： 正 弦 波 PWM （ SPWM ） 技 术 、 电 流 跟 踪PWM （ CFPWM ）技术、电压空间矢量 PWM（ SVPWM ）技术等。2 主轴电动机及驱动132 主轴电动机及驱动例：正弦波脉冲宽度调制（ SPWM ）以 U 相 为 例 ， 载 波 信 号 与 电 压 控 制 信 号 （ 又 称 调 制 波 ） 进 行 调

46、 制 ， 当 控 制信号大于载波时，逆变电路中 U 相上桥臂 IGBT 导通， U 相电压为 U PN /2 ；当控制信号小于载波时，逆变电路中 U 相下桥臂 IGBT 导通， U 相电压为 U PN /2 ，最 终 获 得 U 相 幅 值 相 等 、 宽 度 按 正 弦 波 变 化 的 脉 冲 序 列 电 压 。14图 2-7 SPWM变频调速控制方式U / f 控制方式的调速系统矢量控制调速系统基于动态模型的高性能交流电动机调速系统直接转矩控制调速系统2 主轴电动机及驱动15n U / f 控制通过控制定子电压来实现变频调速2 主轴电动机及驱动16U / f 控制时的电压和频率关系异步电动

47、机变压变频（ U / f ）调速机械特性n 额定频率 f N 以下进行 U / f 控制时，保持 U / f 值不变，即定、转子间气隙磁通 m 不变，机械特性是平行下移的。频率较高时，最大电磁转矩 T Mm 基本不变，但频率较低时，由于受定子绕组电阻和漏感的影响，最大转矩会降低，严重时会影响带载能力，为此要进行低频电压补偿，以提升低频时的转矩，如图中虚线所示。额定频率以下的 U / f 控制通过低频电压补偿后，电动机最大电磁转矩基本保持不变，不受频率的影响，为 恒转矩调速 。n 额 定 频 率 f N 以 上 进 行 U / f 控 制 时 ， 因为受额定电压的 限 制 ， 电 压 保 持 额

48、 定 电压不变，频率上升后， U / f 值下降，则气隙磁通 m 减小，机械特性基本上是平行上移的，但 最 大 转 矩 减 小 ， 电 动 机输出功率保持不 变 ， 不 受 频 率 的 影 响 ，为 恒功率调速 。2 主轴电动机及驱动17n U / f 控制方式的变频调速 通 常 无 需 在 电 动 机 轴 端 安 装 编码器，即速度开环控制，能满足一般的速度控制要求。n 在低频运行时有电动机转矩下降的现象，可通过变频器的电压补偿（又称转矩提升）功能来改善。n U / f 控 制 方 式 的 变 频 器 通 常 用 于 普 通 数 控 车 床 的 主 轴 控制中，为扩大主轴的恒功率调速范围，提

49、高低速大转矩，主轴可采用齿轮换挡。2 主轴电动机及驱动18F 0UVWI d旋转的两相直流绕组I qqn 矢量控制根 据 旋 转 磁 势 F 相 等 的 原 则 ， 将 静 止 的 三 相 交 流 绕 组 （ 三 相 静 止坐标系 U 、 V 、 W ）等效变换成旋转的正交直流绕组（两相旋转正交坐标系 d 、 q ），此变换可逆。若将转子磁链 2 方向定向到与 d 轴一致，即构成按 转子磁链定向的 矢量控制。矢量变换逆变换I d 励磁电流I q 转矩电流 0F 2d静止的三相交流绕组图 2-8a 矢量变换2 主轴电动机及驱动19I d 励磁电流I q 转矩电流等效的直流电动机三相异步电动机定子

50、电流 i U 、 i U 、 i W2 主轴电动机及驱动通过控制定子电流来实现变频调速2021图 2-8b 控制框图矢量控制方式的变频器根据电动机上是否有编码器进行速度检测，分为有编码器的矢量控制（速度闭环）和无编码器（速度开环）的矢量控制。矢量变频具有优异的调速性能，表现为速度精度高、调速范围宽、低频转矩大等，矢量变频器通常用于高性能的数控机床主轴控制中，除了速度控制外，还可进行主轴定向、定位、刚性攻丝及主轴伺服等控制。2 主轴电动机及驱动2 主轴电动机及驱动2.2 由变频器组成的模拟主轴2.2.1 模拟主轴配置M03M04M05S22图 2-9a 模拟主轴组成0 10V 模拟电压2 主轴电

51、动机及驱动23图 2-9b 变频器接线2.2.2 数控系统与变频器间的控制信号1. 数控系统到变频器的信号（ 1 ） 变 频 器 频 率 给 定 电 压将 程 序 中 的 主 轴 转 速 指 令 （ S 指 令 ） 转 换 成 相 应 的 模 拟 电 压 （ 0 10V ），经数控系统模拟输出接口传送到变频器频率给定端。（ 2 ） 变 频 器 运 行 开 关 输 入 信 号n 主轴正、反转信号n 主轴点动信号n 主轴加速、减速信号n 系统报警信号n 系统复位信号2 主轴电动机及驱动242. 变频器到数控系统的信号（ 1 ） 变 频 器 故 障 信 号当变频器出现故障时，变频器报警输出端内部常闭

52、触点断开，经外部控制电路将 变 频 器 输 入 电 源 断 开 ， 变 频 器 无 电 源 输 出 ， 主轴电动机停止转动。（ 2 ） 变 频 器 运 行 状 态 开 关 输 出 信 号n 主轴速度到达信号n 主轴零速信号2 主轴电动机及驱动253. 变频器主要参数设定（ 1 ） 控 制 方 式 选 择n U/f 控制 （模拟主轴常用）n 无编码器矢量控制 （模拟主轴常用）n 有编码器矢量控制（ 2 ） 频 率 给 定 方 式 选 择n 变频器操作面板给定n 变频器模拟量外部端子给定 （模拟主轴常用）n 总线通信给定2 主轴电动机及驱动26（ 3 ） 加、减速时间设定设定过短会引起过电流报警设

53、定过短会引起直流母线过电压报警2 主轴电动机及驱动27图 2-10 变频器加减速时间变频器具有电 动 机 过 载 保 护 功能。电动机热保护动作时间 符 合 反时限特性，即过载倍数越大 ， 则 动作时间越短。例如，变频器在50Hz 运 行 时 ， 过 载 1.5 倍 的 动 作 时间 为 1min ， 即 电 动 机 过 载 1.5 倍 保持 时 间 为 1min ， 若 在 1min 内 过 载未降低，则变频器产生过载 报 警 并跳闸保护。2 主轴电动机及驱动（ 4 ） 停止方式选择n 减速停止n 自由停止n 直流制动停止等（ 5 ） 电 动 机 热 保 护 动 作 时 间28图 2-11

54、1PH7 交流主轴电动机1- 前端盖 2- 笼型转子 3- 定子三相绕组 4- 接线盒5- 后端盖 6- 编码器 7- 编码器端盖 8- 风扇及风扇电动机2 主轴电动机及驱动2.3 交流主轴电动机及驱动器2.3.1 交流主轴电动机1. 基本结构29电源接线盒（含主轴电动机三相电源、散热风扇电动机三相电源、热敏电阻电缆）2 主轴电动机及驱动图 2-12 FANUC 交流主轴电动机n i 系列： 高性能主轴电动机，有标准型、变极宽调速型和主轴直接连接型，与 i 系列驱动器配套。n i 系列： 普及型主轴电动机，有标准型、宽调速型，与 i SVSP 系列驱动器配套。302. 工作制S1 连 续 工

55、作 制 在 电 动 机 温 升 不 超 过 允许温升的条件下，电动机能长期工作的区域称为连续工作区。S3 断 续 周 期 工 作 制 按 一 系 列 相 同 的 工作周期运行，每一周期包括一段恒定负载运行时间和一段停止时间，在每一周期中，电动机温升不超过允许温升。S6 连 续 周 期 工 作 制 按 一 系 列 相 同 的 工作周期运行，每一周期包括一段恒定负载运行时间和一段空载运行时间，无停止时间。2 主轴电动机及驱动31图 2-13 FANUC iI 30/6000 主轴电动机输出特性2 主轴电动机及驱动322.3.2 交流主轴电动机驱动器1. FANUCi 系列驱动器i 系列驱动器是一种

56、直流共母线、模块化的矢量控制变频器。2 主轴电动机及驱动332 主轴电动机及驱动图 2-15 电源模块和主轴模块接线JY134（ 1 ） 电 源 模 块电源模块由主电路板和控制电路板组成，控制电路板可以从主电路板中拔出和插入。主电路板包括整流、滤波电路，以生成直流母线电压；控制电路除了对直流母线进行监控外，还进行急停控制等。另外，电源模块中还有辅助 电 源 ， 生 成 5V 、 15V 以 及 24V 控 制 电源，供内部控制电路用。n PSM 电源模块 该模块输入电源为三相交流 200 240V ， 直 流 母 线 电 压为 300V ，电网回馈制动方式。n PSMR 电源模块 该模块输入电

57、源为三相交流 200 240V ，直流母线电压为 300V ，能耗制动电阻制动方式。n PSM-HV 电 源 模 块 该 模 块 输 入 电 源 为 三 相 400 480V ， 直 流 母 线 电 压为 600V ，电网回馈制动方式。2 主轴电动机及驱动35（ 2 ） 主 轴 模 块主轴模块由主电路板和控制电路板组成，控制电路板可从主电路板中拔出和插入 。 主 电 路 板 包 括 IPM 逆 变 电 路 ； 控 制 电路板通过与数控系统的串行通信，以及主轴电动机上的磁电传感器或主轴编码器的反馈信号，经矢量变换运算，最后控制IPM 的 导 通 或 截 止 ， 生 成 三 相 交 流 电 供 主

58、轴电动机实现变频调速。另外，控制电路板还有温度、电流及电压等检测电路，用于状态监控和报警。2 主轴电动机及驱动362 主轴电动机及驱动2. FANUC i 系列 SVSP 驱动器 i SVSP 驱 动 器 是 电源、主轴驱动和伺服驱动集成为一体的变频器，有 1 个主轴加 2 个伺服轴、1 个主轴加 3 个伺服轴两种规格，分别用于数控车床和数控铣床的主轴和伺服驱动。372 主轴电动机及驱动三相电源输入直流母线电压主轴电动机三相电源主轴控制的接口信号串行主轴输入信号接口第 2 串 行 主 轴 信 号 输 出 接 口主轴电动机内置磁电传感器接口主轴一转位置信号或主轴独立编码器连接接口主轴 C S 轴

59、传感器信号接口电池盒安装位置38图 2-16 i 系列 SVSP 驱动器2.3.3 FANUC 串行主轴配置1. 主轴电动机内装磁传感器39图 2-17 主轴动机内装传感器（ MZi ）的配置2 主轴电动机及驱动2. 主轴外接独立编码器1:12 主轴电动机及驱动40图 2-18 主轴外接独立编码器3. 主轴外接接近开关主轴感应块接近开关2 主轴电动机及驱动41图 2-19 主轴外接接近开关2 主轴电动机及驱动2.3.4 电主轴电主轴是一种将电动机与高精度主轴结合在一起的装置。42n 电主轴由变频器驱动，最高转速可达 100000r/min 以上。n 电主轴内部有冷却管道，通过外部的热交换器对电

60、动机进行循环冷却。n 主轴轴承采用气雾润滑的方式，通过压缩空气将润滑油定时、定量地打到主轴轴承上。n 电主轴安装有编码器，用于主轴速度和位置检测。n 电主轴中还安装有温度传感器， 对 电 动 机 温 度 进 行 检 测 ， 有 的 电 主 轴 还 安 装有轴向位移传感器，对主轴热变形产生的 轴 向 位 移 进 行 检 测 ， 由 数 控 系 统 进 行补偿。n 电主轴后端有松、紧刀气缸，通 过 拉 杆 、 碟 形 弹 簧 和 卡 爪 对 刀 柄 进 行 夹 紧 和松开。2 主轴电动机及驱动43普通数控铣床 / 加工中心主轴中的 7:24 锥柄，当主轴转速 升 高 到 10000r/min 时