数控技术课件

第六章典型数控机械

数控车床、加工中心

§6－1数控车床经济型：用单片机或单板机、功率步进电机、功能简单、价格低

全功能型：数控系统功能齐全（如C轴、伺服电机、闭环控制等）

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第六章典型数控机械

一、数控车床的机械结构及原理

数控车床没有脱离普通车床的结构形式，包括有主传动系统、进给系统及液压、冷却、润滑系统。由于数控机床常常采用了调速电机，实现了电气无级变速。所以其传动系统比普通车床简单得多。

（一）主传动系统1、由旧机床改装的及一些经济型的数控机床

可不要求主轴数控变速，其主传动系统与普通机床类似，依靠机械有级变速。例如图6－1。

232、全功能型的数控车床

其主传动系统一般采用直流或交流调速主轴电机实现无级调速，通过皮带及变速齿轮（1～2级）带动主轴旋转，以获得要求的调速范围和输出转矩。机械部分的有级自动变速

一般采用电磁离合器或

液压缸拨动齿轮。如前一章所述。全功能型的数控车床，有些包含C轴功能（严格地说，属于旋转方向的进给运动）。以实现主轴定向停车和圆周进给，并在数控装置控制下实现C轴、Z轴联动插补和C轴、X轴联动插补。实现圆柱面上或端面上任意部位的钻削、铣削、攻丝及曲面铣加工。

图6－5为C轴坐标功能的示意图。

452、全功能型的数控车床

由于C轴功能完全不同与主轴功能，实际上是主轴的一种旋转进给运动，

需要专门的伺服电机，且与主轴电机分开其传动有多种结构形式。图6－6和图6－7分别为两个系统的C轴传动原理图。

6采用可啮合和脱开的蜗轮副结构（蜗杆1、蜗轮3）7

滑移齿轮5与主轴齿轮7可啮合，实现C轴运动。滑移齿轮5与主轴齿轮7脱离。实现主轴运动。8

3、主轴编码器因为数控车床的进给运动与主运动无机械链联系，所以加工螺纹时，必须要有脉冲编码器记录主轴转角，保证主轴每转一转，螺纹车刀移动一个导程。同时还保证每次走刀都在工件的同一点切入，不会乱扣.

工作时，脉冲编码器与主轴同步旋转，直接装在主轴的后方，或通过1：1的齿轮（同步齿形带）与主轴联系，分别如图6－1和6－2。91011

二、进给系统

数控车床的进给系统是数字控制的主要部分，结构上与普通车床截然不同，由步进电机或伺服电机驱动，经过0~3级的齿轮传动，

通过滚珠丝杆带动刀架完成纵向（Z向）和横向（X向）的进给运动。图6－8、6－9、6－10、6－11为几种常用的进给传动装置。12图6－8、6－9中未采用变速齿轮，伺服电机通过同步齿形带或联轴器直接与滚珠丝杆相连，结构简单，传动误差少，但要求电机的输出转矩较大，能直接带动负载。

13图6－8、6－9中未采用变速齿轮，伺服电机通过同步齿形带或联轴器直接与滚珠丝杆相连，结构简单，传动误差少，但要求电机的输出转矩较大，能直接带动负载。

14图6－10、6－11中为步进电机，通过变速齿轮与滚珠丝杆相连，可提高输出转矩。其中齿轮采用柔性调整法消除间隙（见C—C）。丝杆螺母付采用双螺母螺纹调隙式结构。15图6－10、6－11中为步进电机，通过变速齿轮与滚珠丝杆相连，可提高输出转矩。其中齿轮采用柔性调整法消除间隙（见C—C）。丝杆螺母付采用双螺母螺纹调隙式结构16

（三）数控车床的刀架

1。自动转位刀架在经济型数控车床上大都使用自动转位刀架（4、5、6把刀），目前使用最多的是螺旋转位刀架。其工作原理如图6－12所示。17

1。自动转位刀架换刀时，微电机4正转——

经离合器3——

蜗轮蜗杆副——丝杆螺母副——螺母上升（丝杆2固定），抬起刀架1，使定位用端齿盘的上盘与下盘分离，带动刀架旋转。到位后，发信号使电机4反转，螺母反转，端齿盘的上盘下降，与下盘啮合并压紧，完成刀架换位。

182。转塔刀架

利用转塔头的各刀座来安装或夹持各种刀具，通过转塔头的旋转分度定位来实现自动换刀。转塔头的轴线与主轴轴线平行。刀位数可多达20余种。每当一把刀的切削工序完成后，转塔头根据指令转过一个或几个刀位，选下一工步所需的刀具。转塔刀架可由电机或液压马达驱动。图6－15为转位传动机构简图。193.动力刀架车削中心——C轴功能

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（四）床身与导轨

数控车床的床身由四种结构形式，如图6－16。水平的床身加工工艺性好，但床身下部空间小，排屑困难，一般只在经济型数控车床中使用。

中小规格的现代数控车床多采用斜床身和平床身与斜滑板的结构，便于排屑，占地面积小，便于操作，容易实现封闭式防护和便于安装机械手，可实现单机自动化。

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（四）床身与导轨

经济型数控车床一般采用塑料粘接导轨，成本低，性能较好。

滚动导轨由于摩擦特性好，数控机床应用广泛。22

二、经济型数控车床的CNC数控系统以CKL—6132系统为例，作一介绍。

（一）主要技术参数与功能（略）（二）硬件结构

该机的控制系统框图如图6－17所示

该机控制系统以一台16位工控机为主机，以Z80CPU微处理器为核心的单板机作从机，构成二级控制系统。主机担负数据处理、插补控制及一些功能管理等任务；

从机担负辅助机能的控制任务（如调速、换刀等），还担任手动操作方面的控制任务。。

2324（二）硬件结构主机可利于进一步开发，其接口电路，其中：8255主要用来传送数据和扫描开关量，并控制伺服驱动系统。8253主要用来采集主轴脉冲信号和作为G00快速进给的定时控制，8279用于中断控制。

Z80单板机的PIO接口电路用于扫描开关和强电控制，CTC接口电路用于主轴直流调速和刀具快速移动的定时控制。

主轴脉冲发生器与主轴同步回转。它起两个作用：一方面用于进给控制，另一方面用于主轴调速的数字反馈。

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（三）软件结构

1。软件的总体结构

该车床的软件总体框图如图6－18所示。经济型，功能简单，速度要不高，车床——无刀具半径补偿计算，开环中断很少（读入）译码一段——加工一段2627

2。特殊功能模块程序设计

（1）螺纹切削处理软件

加工螺纹时，与主轴同步回转的主轴脉冲发生器每转发出二组脉冲：

一组脉冲为每转发1024个，用于控制主轴每转一转，刀架在z向移动一个螺距值。

另一组脉冲每转发一个脉冲，用于保证每次走刀是在同一切削点切入加工，以免乱扣。

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2。特殊功能模块程序设计

（1）螺纹切削处理软件为实现主轴每转一转，刀架在Z向移动一个螺距P（对应F个脉冲，F=P/

)

，可以采用数字积分法（DDA法），原理如下：用两个存储单元，其中一个用来寄存螺距值JV（严格地说，是经过换算，正比于实际螺距值的数）作为被积函数，另一个用来寄存余数JR（累加器）。采用中断方式，主轴脉冲发生器每发一个脉冲，就产生一次中断，每次中断进行一次累加运算（被积函数往累加器累加）。当累加器有溢出时，即向Z方向发送一个进给脉冲。

29主轴每转中发1024个脉冲，累加运算1024次，进给方向共发P/

个脉冲（P为实际的螺距，单位mm；为脉冲当量），就保证了主轴每转一转，刀架在Z向移动一个螺距值P。

设余数寄存器的容量为R，则有关系式：

RP/=JV1024

由上式可求得寄存螺距值JV

（被积函数）.

书上：JV=F=P/

则R=1024

图6－19为DDA法30CTC常数设置法

在单片机中可以利用T0或T1计数器

图6-2031

（2）刀具选择的软件设计

自动转位刀架的软件控制过程：当前刀位转动角转动时间到

刀位与指令值比较电机反转结束指令刀位32

6－2立式加工中心

以XHK716型立式加工中心为例

一、机床的用途与主要技术性能

用途：自动换刀、三坐标直线插补、任意二轴圆弧插补、闭环控制，

数控系统采用FANUC-6MB系统，适合于复杂型面零件的多工序加工。技术参数（略）

二、机床的组成和传动系统组成：机床部件、主轴箱、进给系统、自动换刀装置、液压系统、气动系统

外形图如图6－21。

3334二、机床的组成和传动系统图6－22为机床的传动系统原理图。

主传动：

宽调速直流电机1—

轴I、II、III、IV—

主轴3，其中III轴到IV轴，由两档变速

进给运动（三个方向）：

直流伺服电机（4、7、9）

—

张紧环结合子（5、6、8）—

滚珠丝杆—

工作台（十字滑台、垂向滑座）进给运动中无传动齿轮，电机直接带动丝杆。3536

三、机床的自动换刀装置

自动换刀装置由单盘式刀库12、刀库底座11、液压马达10、双臂回转机械手组成，见图6－22及图6－21。其中机械手安装在主轴箱的左侧面，换刀时可随同主轴箱一起在立柱上运动。自动换刀的工作过程见图6－23。在整个换刀过程中各项动作均由限位开关控制，只有前一个动作完成后，才能进行下一个动作，从而保证运动的可靠性。3738

四、FANUC-6MB数控系统的基本功能

（一）概述

图6－26为FANUC系统的结构。每个进给坐标轴都配有一套伺服驱动系统。进给驱动电机采用直流伺服电机应用PWM晶体管脉宽调速电路。系统的位置控制框图如图6－27所示。CPU输出的位置指令经过专用大规模集成电路位置控制芯片MB8739处理后，送往D/A，再经速度控制单元控制电机运动。

3940位置控制芯片MB8739是FANUC公司专门设计的，它包括位置测量与反馈的全部线路，集成都非常高。其结构主要包括以下几部分：

（1）DDA插补器：该插补器作细插补，它的输入是第一级软件插补一个插补周期的信息。

（2）误差寄存器：实现指令位置与实际位置的比较，并寄存比较后的跟随误差（实际上是多位可逆计数器）

（3）位置增益调整：对位置误差乘以一定的比例系数，用来调整整个位置伺服系统的开环增益KV。KV是由软件根据实际系统的要求设定的。

（4）PWM脉宽调制电路：将位置误差调制成某一固定频率、且宽度（占空比）与误差值成正比的矩形脉冲波，经PWM后，输出误差指令F