《数控机床调试与维修》项目二：数控机床主要部件认识

1、项目二：数控机床主要部件认识【学习目标】（一）专业能力目标1、能指出数控机床的各组成部件；2、能说出各部分的名称；3、清楚数控机床维修实训台。（二）社会能力目标1. 具有良好的职业道德和敬业精神；2. 具有较强的责任感；3具有团结协作精神；4具有良好的心理素质和身体素质；5具有不断开拓创新的意识。（三）方法能力目标1. 具有通过电教片、网络等现代途径学习和图书查询等自学能力；2. 具有综合运用知识与技术从事程度较复杂的技术工作的能力。【相关知识】任务一 数控机床主要零部件认识一、数控机床组成数控机床一般有输入输出装置、数控装置（CNC）、伺服单元、驱动装置、可编程控制器（PLC）和机床本体等组

2、成。图2-1是数控机床的组成框图。图2-1 数控机床组成1、输入/输出装置 是机床数控系统和操作人员进行信息交流、实现人机对话的交互设备。输入装置可将数控加工程序和其它控制各种控制信息输入数控装置，输出装置可显示输入的内容和数控系统的工作状态等。根据控制存储介质的不同，输入装置可以是光电阅读机、磁带机或磁盘驱动器等。数控机床加工程序也可通过键盘用手工方式直接输入数控系统；数控加工程序还可由编程计算机用RS232C或采用网络通信方式传送到数控系统中。数控机床的输入装置有键盘、磁盘驱动器、光电阅读机等。输出装置有CRT显示器、计算机等。2、CNC装置 CNC装置是计算机数控系统的核心。它接受的是输

3、入装置送来的脉冲信号，信号经过数控装置的系统软件或逻辑电路和进行编译、运算和逻辑处理后，输出各种信号和指令，控制机床的各个部分，使其进行规定的、有序的动作。这些控制信号中最基本的信号是各坐标轴的进给速度、进给方向和位移量指令，还有主轴的变速、换向和启停信号，相关刀具指令信号、切削液、润滑液等辅助指令信号。3、伺服单元 伺服单元接收来自数控装置的速度和位移指令，把微弱信号放大，通过驱动装置转变成机床进给的速度、方向和位移。4、驱动装置 驱动装置把经过伺服单元放大的指令信号变为机械运动，通过机械连接部件驱动机床工作台，使工作台精确定位或按规定的转变运动，加工出合格的零件。5、PLC 数控机床通过C

4、NC和PLC共同完成控制功能，其中CNC主要完成于数字运算和管理等有关的功能，如程序的编辑、插补、译码、刀具运动的位置伺服控制，而PLC主要完成于逻辑运算有关的一些动作。PLC接收CNC的控制代码M、S、T等开关量动作信息，转换成对应的控制信号，控制辅助装置完成机床相应的开关动作，如换刀、切削液的开关等。它还接收机床操作面板的指令，一方面直接控制机床的动作（如手动操作机床），另一方面将一部分指令送往数控装置用于加工过程的控制。6、机床本体 机床本体是加工运动的实际机械部件，包括：主运动部件、进给运动部件、支撑部件、冷却润滑部件以及夹紧、换刀机械手等辅助装置。二、数控机床机械结构1、主传动系统特

5、点及结构(1)数控机床主传动特点1）输出功率大、转速高，使数控机床能实现高速、高效加工。2）主轴速度变换可靠、并能实现无级变速（或分段无级变速），使数控加工始终在最佳状态下进行。(2)主轴传动的配置方式数控机床主传动系统主要有三种配置方式，如图2-2所示。1）带变速齿轮的主传动（见图2-2a），应用滑移齿轮变速，实现分段无级调速。用于大、中型数控机床。2）通过带传动的主传动（见图2-2b），主要应用于小型数控机床，用于低扭矩情况。3）由调速电机直接驱动的主传动（见图2-2c），主轴箱结构简化，提高了主轴的刚度，主要的问题是电动机的发热对主轴精度的影响较大。(3)主轴部件数控机床的主轴部件是机床

6、中最关键的部件之一，它直接影响机床的加工质量。主轴部件包括主轴的支承、安装在主轴上的传动零件等。1）主轴部件的支撑。数控机床主轴常用轴承：双列圆柱滚子轴承、60角接触球轴承、双列圆锥滚子轴承、单列圆锥滚子轴承。主轴轴承配置形式见图2-3。 a） b） c）图2-2 数控机床主传动的配置方式a）带变速齿轮的主传动 b）通过带传动的主传动 c）由调速电机直接驱动的主传动双列圆柱滚子轴承+60角接触球轴承（见图2-3a），可满足强力切削的要求。普遍用于各类数控机床的主轴。高精度调心球轴承（见图2-3b），主要用于高速、轻载、精密的数控机床。图2-3 数控机床主轴轴承配置形式双列圆锥滚子轴承+单列圆锥

7、滚子轴承（见图2-3c），能承受重载荷，但限制了主轴的最高转速和精度。适用于中等精度，低速与重载的数控机床。2）主轴准停装置。数控机床为了完成刀具自动交换的动作，必须设置主轴准停机构，通常主轴准停机构有两种方式：机械方式与电气方式，现在数控机床上主要采用的电气方式较多，通过主轴编码器检测定向，进行初定位，然后由定位销插入主轴上的销孔完成精定位。2、进给传动系统特点及结构数控机床的进给传动系统是伺服系统的重要组成部分。数控机床的进给传动系统包括齿轮传动副、丝杠螺母副及其支撑部件等。它是经伺服电动机的旋转运动变为执行部分的直线运动和旋转运动。(1)进给传动系统特点为了保证系统的定位精度，以及快速响

8、应特性和稳定性，进给传动系统的机械传动装置必须具有以下特点：1）有较高的传动刚度2）低摩擦阻力3）无传动间隙4）高灵敏度5）较长的寿命图2-4 滚珠丝杠(2)滚珠丝杠螺母副滚珠丝杠是数控机床上最常使用的传动元件，由丝杠、螺母和位于螺纹滚道之间的滚珠构成，如图2-4所示。其主要功能是将旋转运动转换成线性运动，具有高精度、可逆性和高效率的优点，缺点是不能自锁，垂直安装时需要有制动装置。滚珠丝杠螺母的结构有内循环和外循环两种方式，二者的区别是滚珠返回的方式，外循环是用导管引导，返回的滚珠不合丝杠外圆接触；内循环用反向器，返回的滚珠经反向器和丝杠外圆之间返回。(3)数控机床导轨副数控机床导轨的作用是导

9、向支承。它是进给系统的重要环节，是机床基本结构的要素之一。机床加工精度和使用寿命很大程度上取决于机床导轨的质量。在数控机床上广泛采用滚动导轨以及塑料滑动导轨和静压导轨等。对数控机床导轨的要求：高的导向精度、良好的精度保持性、良好的摩擦特性、运动平稳、高灵敏度、寿命长。塑料滑动导轨的特点：摩擦因数低（0.030.05），减振性好，耐磨性好、维修方便。常用的材料有聚四氟乙烯导轨软带（又称贴塑导轨），环氧性耐磨导轨软涂层（又称涂塑导轨或注塑导轨）。图2-4 滚珠丝杠为了提高数控机床移动部件的运动精度和定位精度，目前数控机床广泛采用滚动导轨。滚动导轨可分为滚珠导轨、滚柱导轨、滚针导轨。特点是：灵敏度高

10、，摩擦阻力小，动静摩擦因数小，因而运动均匀，低速运动时不易出现“爬行”现象；定位精度高，磨损小，精度保持好，寿命长。缺点是抗振性较差，对防护要求较高，结构复杂，制造比较困难，成本较高。直线滚动导轨副有导轨条和滑块两部分组成，导轨条通常为两根，装在支承件上，每根导轨上有两个滑块，固定在移动件动导轨体上如图2-5所示。目前的中小型数控机床上广泛采用这种导轨，见图2-6。 图2-5 滚动导轨图2-6 滚动导轨副静压导轨是指在两个相对运动的导轨面之间通入具有一定压力的润滑油以后，动导轨微微抬起，在导轨面之间充满润滑油形成的油膜，保证导轨面间在液体摩擦状态下工作。与其它形式的导轨相比，其工作寿命长，摩擦

11、因数极低（一般为0.00050.001），有很强的吸振性，导轨运行平稳，无爬行。主要用于高精度、高效率的大型、重型数控机床。3、自动换刀装置自动回转刀架，可以设计成四方刀架和六角刀架等多种形式。多为顺序换刀，换刀时间短，结构简单紧凑，容纳刀具较少。适用各种数控车床、车削加工中心机床。刀库式自动换刀装置，有刀库(图2-7)和刀具交换机构(图2-8)组成，它是目前在多工序数控机床上应用最广泛的换刀方法。 图2-7 刀库图2-8 机械手在带刀库的数控机床中，为实现刀具在主轴上的自动交换，其主轴部件出具有较高的精度和刚度外，还必须带有刀具交换装置和主轴孔内的切屑清除装置。4、回转工作台和分度工作台数控

12、机床的回转工作台(见图2-9)，称为数控机床的第四轴，可以完成圆周进给运动，与X、Y、Z坐标轴联动，加工出各种球、圆弧等，扩大了数控机床可加工零件的范围。主要用于数控镗床和铣床。数控机床的分度工作台（见图2-10）只能完成分度运动，不能实现圆周进给运动。常需要定位机构和分度机构结合在一起，并有夹紧装置保证机床工作时的安全可靠。按定位机构的不同，分为定位销式工作台和齿牙盘式工作台。 图2-9 回转工作台图2-10 分度工作台图2-11 排屑装置5、排屑装置数控机床是一种高效自动机床，自动排屑装置(见图2-11)解决了机床切屑堆积的问题。常用排屑装置有平链式、刮板式、螺旋式排屑装置。三、CNC装置

13、数控系统的核心是计算机数字控制装置（CNC装置）。CNC装置由硬件和软件组成，软件在硬件的支持下运行；离开软件，硬件便无法工作，两者缺一不可。 CNC装置的软件主要由管理软件和控制软件两大部分组成。现代的CNC装置的硬件结构大都采用微处理器。其工作过程是对输入、译码处理、数据处理、插补运算、位置控制、I/O处理、显示和诊断等方面进行控制。CNC装置的功能包括核心功能和可选功能，核心功能是数控装置必备的功能，包括控制功能、准备功能、插补功能、主轴速度功能、进给功能、辅助功能、刀具功能。可选功能是用户很据需要附加的功能，如人机对话、测量和补偿、固定循环等功能。1、日本FANUC（发那科）系列数控系

14、统FANUC公司生产的CNC产品主要有FANUC 3/6/9、FANUCO0、FANUC 10/11/12. FANUC 1516/18/21、FANUC 160/180/210等系列。目前我国用户主要使用的有FANUC0系列、FANUC 16/18/21、FANUC160180/210等系列。 2、德国SIEMENS(西门子)公司的SINUMERIK系列数控系统SINUMERIK系列数控系统主要有SINUMERIK3. SINUMERIK8. SINUMERIK810/820、SINUMERIK850880、SINUMERIK802系列和SINUMERIK840等产品。3、华中数控系统HNC

15、HNC是武汉华中数控研制开发的国产型数控系统（见图2-12），它是我国863计划的科研成果在实践中应用的成功项目，已开发和应用的产品有HNC-1、HNC-2000和世纪星HNC一2122多个系列。另外，典型的数控系统还有西班牙的发格(FAGOR)，日本的三菱(MITSUBISHI)、马扎克(MAZAK)和大隈(OKUMA)，德国的海德汉(HEIDENHAIN)和德马吉(DMG)，美国的法道(FADAL)，法国的扭姆(NUM)等数控系统；国产的数控系统还有广州数控(GSK)、凯恩帝(KND)、航天数控(CASNUC2100)和蓝天数控(LT)等。图2-12华中数控系统(HNC)四、数控机床伺服系

16、统数控机床的伺服系统是指以机床移动部件位移和速度为控制对象的自动控制系统，伺服系统一般有驱动控制单元、驱动元件、机械传动部件、执行元件和检测反馈环节等组成。进给伺服系统按控制方式可分为开环、闭环和半闭环三种。1、开环控制数控机床开环控制数控机床的特点是不带测量反馈装置，一般由功率步进电动机作为伺服执行机构，数控装置发出的脉冲指令通过环形分配器和驱动电路，使步进电动机转过相应的步距角，再经过传动系统，带动工作台或刀架移动。移动部件的速度与位移量是由输入脉冲的频率和脉冲数决定的，位移精度则主要取决于该系统各有关部件的制造精度。开环控制数控机床具有结构简单、系统稳定、容易调试、成本低等优点，但是系统

17、对移动部件的误差没有补偿和校正，所以精度低。这类系统一般适用于经济型数控机床和旧机床的数控化改造。2、半闭环控制数控机床半闭环控制数控机床的特点是在伺服电动机或丝杠上装有角位移检测装置，通过检测电动机和丝杠旋转角度来间接检测工作台的实际位置或位移，因此，丝杠的螺距误差和齿轮或同步带轮等引起的误差都难以消除，但大部分都可用误差补偿的方法提高运动精度，因此这类系统在现代数控机床中得到了广泛应用。3、全闭环控制数控机床全闭环控制数控机床的特点是在机床的运动部件上安装位置测装置，加工中将测量到的实际位置值反馈到数控装置中，与输入的指令位置相比较，比较的差值控制移动部件，直到差值为零，即实现移动部件的最

18、终精确定位。从理论上，闭环控制系统的控制精度主要取决于检测装置的精度。这类系统主要用于高精度的数机床中。步进电机是开环控制系统的驱动元件，输入信号为电脉冲，执行件的运动方向由步进电机的各相通电顺序来决定，脉冲的数量代表了位移量，进给脉冲的频率决定了移动的速度，步进电机的控制精度由步距角决定。伺服电机可使控制速度、位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象，包括直流和交流伺服电机。主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。交流伺服电机是目前闭环控制系统和半闭环控制系统常用驱动元件，控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。五、数控机床检测装置数控机床检

19、测装置的作用是检测位移和速度并向控制装置发出反馈信息。闭环数控机床的加工精度主要由检测环节的精度决定。数控机床对检测装置的要求：高可靠性和高干扰性，满足精度和速度要求、使用维护方便，适合机床运行环境。目前数控机床常用的位置检测装置有：脉冲编码器、光栅尺。1、脉冲编码器 脉冲编码器是一种角位移检测装置，它是把机械转角变成电脉冲输出信号来进行检测的，如图2-13所示。按工作原理可分为光电式、接触式和电磁感应式三种，数控机床常采用光电式脉冲编码器。将脉冲编码器装在电机轴上，测量其角位移，可以构成半闭环伺服进给系统。数控机床主轴编码器起到了联系对主轴转动与进给运动的作用。主要用途：一是用于主轴准停；二是用于车螺纹时的进刀点和退刀点，以免乱扣。2、光栅尺 如图2-14所示，光栅尺是一种高精度的位置检测装置，直线光栅尺测量直线位移，圆光栅尺用来测量转角位移。是闭环控制系统常用检测元件之一。图2-13 脉冲编码器图2-14 光栅尺任务小节本节重点阐述了数控机床的组成及主要部件的作用，主轴传动的配置方式有：带变速齿轮的主传动；通过带传动的主传动；由调速电机直接驱动的主传动。数控机床的进给传动系统包括齿轮传动副、丝杠螺母副及其支撑部件等，它是经伺服电动机的旋转运动变为执行部分的直