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1、第1章 数控车床的组成与工作原理课件 高教版 中职 数控车削编程与加工技术（第3版）第第1章章 数控车床的组成与工作原理数控车床的组成与工作原理学习目标与要求学习目标与要求 数控车床的加工特点数控车床的加工特点 数控车床的工作过程与组成数控车床的工作过程与组成 数控车床的工作过程 数控车床的组成 数控系统的主要功能数控系统的主要功能 主轴功能 多坐标控制功能固定循环切削功能 插补功能、辅助功能、刀具功能和补偿功能 其它功能小结小结 了解数控车床与普通车床相比所具有的加工特点。了解数控车床与普通车床相比所具有的加工特点。掌握数控车床的工作原理，各组成部分的性能和特点。掌握数控车床的工作原理，各组
2、成部分的性能和特点。了解车床数控系统所具有的基本功能和特殊功能。了解车床数控系统所具有的基本功能和特殊功能。数控车床与普通车床相比更具特色数控车床与普通车床相比更具特色 高难度加工 高精度零件加工 高效率完成加工 如图1-1所示口小肚大的内成型面零件，不仅在普通车床上难以加工，并且还难以检测。采用数控车床加工时，其车刀刀尖运动的轨迹由加工程序控制，“高难度加工由车床的数控功能即可方便地解决。对由非圆线或列表曲线（如流线型曲线）构成其旋转面的零件，各种非标准螺距的螺纹或变螺距螺纹等多种特殊螺旋类零件，以及表面粗糙度要求非常均匀、且Ra值又较小的变径表面类零件，都可通过车床数控系统所具有的同步运行
3、及恒线速度等功能保证其精度要求。图1-1 特殊内成型面零件 复印机中的回转鼓、录像机上的磁头及激光打印机内的多面反射体等超精零件，其尺寸精度可达0.01m，表面粗糙度值可达Ra0.02m，这些高精度零件均可在高精度的特殊数控车床上加工完成。解说a)同时车削两个相同零件b)分别车削两个不同零件c)连续车削一批复杂零件图图1-2 六轴控制的数控车床加工示意六轴控制的数控车床加工示意 为了进一步提高车削加工的效率，通过增加车床的控制坐标轴，就能在一台数控车床上同时加工出两个多工序的相同或不同的零件，也便于实现一批工序特别复杂零件车削全过程的自动化。图1-2所示为在一台六轴控制的数控车床上，有同轴线的
4、左右两个主轴和前后配置的两个刀架，并在一台数控系统的控制之下进行各种车削加工的示意图。其中，a图表示前后两个刀架同时车削左右主轴上的两个相同零件；b图表示其两个刀架分别车削两个主轴上的不同零件；c图表示在车床左端主轴（第一主轴C1）上装夹有待车削零件的坯件（棒料），先由前置刀架车出有复杂外（内）形轮廓的右端后，通过自动送料机构（图中未画出）将其半成品件连同棒料一起转送到右主轴（第二主轴C2）定位并装夹，然后由后置刀架按所需总长要求切断。这时切断后的棒料由自动送料机将其送回左主轴上的适当位置并夹紧，再重复前述零件右端外（内）形轮廓的左端，从而实现一个复杂零件全部车削过程的不间断加工，大大提高了加
5、工效率。数控车床的工作过程数控车床的工作过程 图1-3 数控车床的工作过程 （1 1）首先根据零件加工图样进行工艺分析，确定加工方案、工艺参数和）首先根据零件加工图样进行工艺分析，确定加工方案、工艺参数和位移数据。位移数据。（2 2）用规定的程序代码和格式规则编写零件加工程序单；或用自动编程）用规定的程序代码和格式规则编写零件加工程序单；或用自动编程软件进行软件进行CAD/CAMCAD/CAM工作，直接生成零件的加工程序文件。工作，直接生成零件的加工程序文件。（3 3）将加工程序的内容以代码形式完整记录在信息介质（如穿孔带或磁）将加工程序的内容以代码形式完整记录在信息介质（如穿孔带或磁带）上。
6、带）上。（4 4）通过阅读机把信息介质上的代码转变为电信号，并输送给数控装置。）通过阅读机把信息介质上的代码转变为电信号，并输送给数控装置。由手工编写的程序，可以通过数控机床的操作面板输入程序；由编程软件生由手工编写的程序，可以通过数控机床的操作面板输入程序；由编程软件生成的程序，通过计算机的串行通信接口直接传输到数控机床的数控单元成的程序，通过计算机的串行通信接口直接传输到数控机床的数控单元（MCUMCU）。）。（5 5）数控装置将所接受的信号进行一系列处理后，再将处理结果以脉冲）数控装置将所接受的信号进行一系列处理后，再将处理结果以脉冲信号形式向伺服系统统发出执行的命令。信号形式向伺服系统
7、统发出执行的命令。（6 6）伺服系统接到执行的信息指令后，立即驱动车床进给机构严格按照）伺服系统接到执行的信息指令后，立即驱动车床进给机构严格按照指令的要求进行位移，使车床自动完成相应零件的加工。指令的要求进行位移，使车床自动完成相应零件的加工。数控车床的组成数控车床的组成 数控车床是由数控程序及存储介质、输入输出设备、计算机数控装置、伺服系统、机床本体组成，见图1-3。图图1-3 CNC系统图系统图 数控程序是数控车床自动加工零件的工作指令。在对加工零件进行工艺分析的基础上确定零件坐标系在机床坐标系上的相对位置；刀具与零件相对运动的尺寸参数；零件加工的工艺路线或加工顺序、切削加工的工艺参数以
8、及辅助装置的动作等。这样得到零件的所有运动、尺寸、工艺参数等加工信息，然后用标准的文字、数字和符号组成的数控代码，按规定的方法入格式，编制零件加工的数控程序单。编制程序的工作可由人工进行，或者在数控车床以外用自动编程计算机系统来完成，比较先进的数控车床，可以在数控装置上直接编程。程序必须存储在某种存储介质中，如纸带、磁带或磁盘等，采用哪一种存储载体，取决于数控装置的设计类型。数控程序及存储介质数控程序及存储介质 输入、输出装置输入、输出装置 存储介质上记载的加工信息需要输入装置输送给机床数控系统，机床内存中的零件加工程序可以通过输出装置传送到存储介质上。输入、输出装置是机床与外部设备的接口，目
9、前输入装置主要是有纸带阅读机、软盘驱动器、RS232C串行通信口、MDI方式等。CNCCNC装置的数控系统装置的数控系统 CNC装置是数控加工用专用计算机，除具有一般计算机结构外，还有与数控机床功能有关的功能模块结构和接口单元。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装置的硬件主要由中央处理单元、各类存储器、输入输出接口、位置控制以及其它各类接口组成。如图1-4 所示，各组成部分的作用如下：1）中央处理单元(CPU)它的作用是实施对整个系统的运算、控制和管理。2）存储器 存储器是用来储存系统软件、零件加工程序以及运算的中间结果等。3）位
10、置控制 主要完成对主轴驱动的控制，以便完成速度控制；通过对伺服系统对坐标轴的运动实施控制。4）输入输出接口 主要用来交换数控装置与外部之间的往来信息。5）MDI/CRT接口 完成手动数据输入和将信息显示在CRT上。CNC装置硬件结构一般分为单微处理器结构和多微处理器结构。微处理器是CNC装置的核心，由于所有数控功能都由一个CPU来完成，因此CNC装置的功能受微处理器的字长、数据宽度、寻址能力和运算速度等因素的限制。图图1-4 数控装置硬件构成数控装置硬件构成数控车床的进给伺服系统数控车床的进给伺服系统 数数控控机机床床的的进进给给传传动动系系统统常常用用进进给给伺伺服服系系统统来来工工作作，数
11、数控控机机床床伺伺服服系系统统是是以以机机床床移移动部件的位置和速度为控制量的自动控制系统，又称随动系统、拖动系统或伺服系统。动部件的位置和速度为控制量的自动控制系统，又称随动系统、拖动系统或伺服系统。机机床床进进给给伺伺服服系系统统，一一般般由由位位置置控控制制、速速度度控控制制、伺伺服服电电动动机机、检检测测部部件件以以及及机机械械传传动动机机构构五五大大部部分分组组成成。但但习习惯惯上上所所说说的的进进给给伺伺服服系系统统，只只是是指指速速度度控控制制、伺伺服服电电动动机机和和检检测部件三部分，而且，将速度控制部分称之为伺服单元或驱动器。测部件三部分，而且，将速度控制部分称之为伺服单元或
12、驱动器。（1 1）数控车床对进给伺服系统的要求）数控车床对进给伺服系统的要求为为了了提提高高数数控控机机床床的的性性能能，对对机机床床进进给给伺伺服服系系统统提提出出了了很很高高的的要要求求。由由于于各各种种数数控控机机床床所所完完成成的的加加工工任任务务不不同同，所所以以对对进进给给伺伺服服系系统统的的要要求求也也不不尽尽相相同同，但但大大致致可可概概括括为为以以下下几个方面：高精度，快速响应，宽调速范围，低速大转矩，好的稳定性。几个方面：高精度，快速响应，宽调速范围，低速大转矩，好的稳定性。（2 2）伺服系统的类型）伺服系统的类型按照伺服系统的结构特点，伺服单元或驱动器通常有四种基本结构类
13、型：按照伺服系统的结构特点，伺服单元或驱动器通常有四种基本结构类型：开环开环、闭环闭环、半闭环半闭环及混合闭环。而在机床中应用得最为广泛的是半闭环结构，这是由于它的环路中及混合闭环。而在机床中应用得最为广泛的是半闭环结构，这是由于它的环路中非线性因素少，容易整定，可以比较方便地通过补偿来提高位置控制精度，而且电气控非线性因素少，容易整定，可以比较方便地通过补偿来提高位置控制精度，而且电气控制部分与执行机械相对独立，系统通用性强。制部分与执行机械相对独立，系统通用性强。（3 3）数控车床的）数控车床的位置检测装置位置检测装置 数控车床的位置检测装置数控车床的位置检测装置 1）位置检测装置的要求
14、在闭环与半闭环伺服系统中，必须利用位置检测装置把机床运动部件的实际位移量随时检测出来，与给定的控制值（指令信号）进行比较，从而控制驱动系统正确运转，使工作台（或刀具）按规定的轨迹和坐标移动，位置检测装置是伺服系统的重要组成部分，它对于提高数控机床加工精度起着决定性的作用，就好象起着人的眼睛和刻度盘的作用。为此，检测元件应满足的要求是：工作可靠，抗干扰性强；满足数控机床的精度和速度要求；维护方便；成本低。2）位置检测装置的分类 不同类弄的数控机床对于检测系统的精度与速度有不同的要求，一般来说，对于大型数控机床以满足速度要求为主，而对于中小型和高精度数控机床以满足精度要求为主。按常用检测装置的基本
15、工作原理，其分类见表1-1。数字式模拟式增量式增量式绝对式绝对式增量式增量式绝对式绝对式旋转型脉冲编码器圆光栅编码盘旋转变压器圆感应同步器圆磁栅多极旋转变压器三速圆感应同步器直线型长光栅激光干涉仪编码尺直线感应同步器磁珊绝对值式磁尺三速感应同步器机床本体机床本体 机床本体是加工运动的实际机械部件，主要包括：主运动部件，进给运动部件（如工作台、刀架）和支承部件（如床身、立柱等），还有冷却、润滑、转位部件，如夹紧、换刀机械手等辅助装置。数控车床主体通过专门设计，各个部位的性能都比普通车床优越，如结构刚性好，能适应高速和强力车削需要；精度高，可靠性好，能适应精密加工和长时间连续工作等。1主主轴轴 数
16、控车床主轴的回转精度，直接影响到零件的加工精度；其功率大小与回转速度，影响到加工的效率；其同步运行、自动变速及定向准停等要求，影响到车床的自动化程度。例如，主轴的径向跳动和端面跳动将直接影响到被加工零件的形状和位置精度，并且不可能通过采取其他的工艺（如补偿方法等）措施给予弥补；主轴的功率大小将影响到车床进行强力切削的性能（如受阻降速或闷车）；其同步运行则是自动加工螺纹及螺旋面零件所必须具有的功能等。2床床身身及及导导轨轨 数控车床的床身除了采用传统的铸造床身外，也有采用加强钢筋板或钢板焊接等结构，以减轻其结构重量，提高其刚度。数控车床床身上的导轨结构有传统的滑动导轨（金属型），也有新型的滑动导
17、轨（贴塑导轨）。贴塑导轨的磨擦系数小，耐磨性、耐腐蚀性及吸振性好，润滑条件优越。在倾斜床身，导轨基体上粘贴塑料面后，切屑不易在导轨面上堆积，减轻了清除切屑的工作。3机机械械传传动动机机构构 除了部分主轴箱内的齿轮传动等机构外，数控车床已在原普通车床传动链的基础上，作了大幅度的简化，如取消了挂轮箱、进给箱、溜板箱及其绝大部分传动机构，而仅保留了纵、横进给的螺纹传动机构，并在驱动电动机至丝杆间增设了（少数车床未增设）可消除其侧隙的齿轮副。数控车床主轴变速分为有级变速、无级变速以及分段无级变速三种形式，其中有级变速仅用于经济型数控机床上，大多数数控机床均采用无级变速或分段无级变速。4刀刀架架 刀架是
18、自动转位刀架的简称，它是数控车床普通采用的一种最简单的自动换刀设备。由于自动转位刀架上的各种刀具不能按加工要求自动进行装、卸，故它只能属于自动换刀系统中的初级形式，不能实现真正意义上的自动换刀。刀架的基本结构形式和组合形式分别见图1-6和图1-7。5辅辅助助装装置置 数控车床的辅助装置较多，除了与普通车床所配备的相同或相似的辅助装置外，数控车床还可配备对刀仪、位置检测反馈装置、自动编程系统及自动排屑装置等。图16基本结构形式的自动转位刀架a)四工位刀架b)转塔式刀架图17组合形式的自动转位刀架a)平行交错双刀架b)垂直交错双刀架开环进给伺服系统开环进给伺服系统 开开环环伺伺服服机机构构，即即无
19、无位位置置反反馈馈的的系系统统，是是由由步步进进电电机机驱驱动动线线路路，和和步步进进电电机机组组成成。每每一一脉脉冲冲信信号号使使步步进进电电机机转转动动一一定定的的角角度度，通通过过滚滚珠珠丝丝杠杠推推动动工工作作台台移移动动一一定定的的距距离离。这这种种伺伺服服机机构构比比较较简简单单，工工作作稳稳定定，容容易易掌掌握握使使用用，但但精精度度和和速速度度的的提提高高受受到到限限制制。如如果果负负荷荷突突变变（如如切切深深突突增增），或或者者脉脉冲冲频频率率突突变变（如如加加速速、减减速速），则则数数控控运运动动部部件件将将可可能能发发生生“失失步步”现现象象，从从而而造造成成进进给给运运
20、动动的的速速度度和和行行程程误误差差。故故该该类类控控制制方方式式，仅仅限限于于精精度度不不高高、轻轻载载负负载载变变化化不不大的经济型中、小数控机床的进给传动。大的经济型中、小数控机床的进给传动。半闭环进给伺服系统半闭环进给伺服系统 在机床中应用得最为广泛的是半闭环结构，半闭环伺服机构是由比较线路、伺服放大线路、伺服电机、速度检测器和位置检测器组成。位置检测器装在丝杠或伺服电机端部，利用丝杠的回转角度间接测出工作台的位置。常用的伺服电机有宽调速直流电动机、宽调速交流电动机和电液伺服电机。这种伺服机构所能达到的精度、速度和动态特性优于开环伺服机构，为大多数中小型数控机床所采用。这是由于它的环路
21、中非线性因素少，容易整定，可以比较方便地通过补偿来提高位置控制精度。其结构框图如图1-5所示。闭环进给伺服系统闭环进给伺服系统 闭环伺服机构的工作原理和组成与半闭环伺服机构相同，只是位置检测器安装在工作台上，可直接测出工作台的实际位置，故反馈精度高于半闭环控制，但掌握调试的难度较大，常用于高精度和大型数控机床。闭环伺服机构所用伺服电机与半闭环相同，位置检测器则用长光栅、长感应同步器或长磁栅。一般来说，只在具备传动部件精密度高、性能稳定、使用过程温差变化不大的高精度数控机床上才使用全闭环伺服系统。主轴功能主轴功能 除对机床进行无级调速外，还具有同步进给控制、恒线速度控制及主轴最高转速控制等功能。
22、同同步步进进给给控控制制在加工螺纹时，主轴的旋转与进给运动必须保持一定的同步运行关系。如车削等螺距螺纹时，主轴每旋转一周，其进给运动方向（z或x）必须严格位移一个螺距或导程。其控制方法是通过检测主轴转数及角位移原点（起点）的元件（如主轴脉冲发生器）与数控装置相互进行脉冲信号的传递而实现的。恒恒线线速速度度控控制制在车削表面粗糙度要求十分均匀的变径表面，如端面、圆锥面及任意曲线构成的旋转面时，车刀刀尖处的切削速度（线速度）必须随着刀尖所处直径的不同位置而相应自动调整变化。该功能由G96指令控制其主轴转速按所规定的恒线速度值运行，如G96S200表示其恒线速度值为200m/min。当需要恢复恒定转
23、速时，可用G97指令对其注销，如G97S1200r/min。最高转速控制最高转速控制当采用G96指令加工变径表面时，由于刀尖所处直径在不断变化，当刀尖接近工件轴线（中心）位置时，因其直径接近零，线速度又规定为恒定值，主轴转速将会急剧升高。为预防因主轴转速过高而发生事故，该系统则规定可用G50指令限定其恒线速运动中的最高转速，如G50S2000。多坐标控制功能多坐标控制功能 控制系统可以控制坐标轴的数目指的是数控系统最多可以控制多少个坐标轴，其中包括平动轴和回转轴。基本平动坐标轴是X、Y、Z轴；基本回转坐标轴是A、B、C轴。联动轴数是指数控系统按照加工的要求可以控制同时运动的坐标轴的数目。如某型
24、号的数控机床具有X、Y、Z三个坐标轴运动方向，而数控系统只能同时控制两个坐标（XY、YZ或XZ）方向的运动，则该机床的控制轴数为3轴（称为三轴控制），而联动轴数为2轴（称为两联动）。控制功能是指CNC装置能够控制的以及能够同时控制的轴数。控制功能是数控装置的主要性能指标之一。控制轴有移动轴和回转轴，基本轴和附加轴。控制轴数越多，特别是同时控制轴数越多，CNC装置的功能越强，同时CNC装置就越复杂，编制零件加工程序也就越困难。用数控车床加工零件，一些典型的加工工序，如车削外圆、端面、圆锥面、镗孔、车螺纹等，所需完成的动作循环十分典型，将这些典型动作预先编好程序并存储在存储器中，用G代码进行指令。
25、固定循环中的G代码指令的动作程序要比一般的G代码所指令的动作要多得多，因此使用固定循环功能，可以大大简化程序编制。FANUC数控系统具有以下一些循环切削功能。（1）单一固定循环 包括车削外圆、端面的矩形循环和圆锥面的固定循环。（2）多重复合循环 多重复合循环的形式很多，该系统有以下一些循环功能。l外圆、端面的粗车循环外圆、端面的粗车循环 这两种循环均针对成组轮廓的粗车而设置，进给路线也不同于单一的矩形或锥形，编程也比较复杂，其方法是在已编好精车加工路线的程序段之后，将有关精车余量、每次进给的切削深度和退刀量等参数设定后，就可实现其粗车循环。l固定形状的粗车循环固定形状的粗车循环 这种循环加工的
26、特点是，每次循环进给的路线形式（由精车路线提供）均固定不变，只改变其循环起点的位置。该循环功能适用于已经过铸造或模锻等基本形成的坯件粗车。l精车复合循环精车复合循环 该循环加工的特点与固定形状的粗车循环相仿，但因适用于经粗车后的精车，故不需设定x和z轴方向的总退刀量及循环次数等参数，而仅需指定精车路线中各程序段的第一条和最后一条程序段的顺序号即可。l端面、钻孔复合循环端面、钻孔复合循环 这种循环功能用断续切削端面及钻孔，以利于刀具冷却或排屑。外圆、车槽复合循环外圆、车槽复合循环 该功能有于断续车削外圆或车外沟槽。例如用刀宽较小的车槽刀断续车削z向尺寸较宽的矩形外沟槽时，就可采用该循环功能。固定
27、循环切削功能固定循环切削功能 插补、辅助、刀具功能及补偿功能插补、辅助、刀具功能及补偿功能插补功能插补功能 CNC装置是通过软件进行插补计算，连续控制时实时性很强，计算速度很难满足数控机床对进给速度和分辨率的要求。因此实际的CNC装置插补功能被分为粗插补和精插补。进行轮廓加工的零件的形状，大部分是直线和圆弧构成，有的是由更复杂的曲线构成，因此有直线插补、圆弧插补、抛物线插补、极坐标插补、螺旋线插补、样条曲线插补等。实现插补运算的方法有逐点比较法和数字积分法等。辅助功能辅助功能 辅助功能是数控加工中不可缺少的辅助操作，用地址M和它后续的数字表示。在ISO标准中，可有M00M99共100种。辅助功
28、能用来规定主轴的起、停，冷却液的开、关等。刀具功能刀具功能 刀具功能是用来选择刀具，用地址T和它后续的数值表示。刀具功能一般要和辅助功能一起使用。补偿功能补偿功能 加工过程中由于刀具磨损或更换刀具，以及机械传动中的丝杠螺距误差和反向间隙，将使实际加工出的零件尺寸与程序规定的尺寸不一致，造成加工误差。因此数控车床CNC装置设计了补偿功能，它可以把刀具磨损、刀具半径的补偿量、丝杠的螺距误差和反向间隙误差的补偿量输入到CNC装置的存储器，它就按补偿量重新计算刀具的运动轨迹和坐标尺寸，从而加工出符合要求的零件。自动返回参考点功能自动返回参考点功能 该系统规定有刀具从当前位置快速返回至参考点位置功能，其
29、指令为G28。该功能既适用于单坐标轴返回，又适用于x和z两个坐标轴同时返回。螺纹车削功能螺纹车削功能 该功能可控制完成各种等螺距（米制或英制）螺纹的加工，如圆柱（右、左旋）、圆锥及端面螺纹等。字符显示功能字符显示功能CNC装置可以配置单色或彩色CRT，通过软件和接口实现字符和图形显示。可以显示加工程序、参数、各种补偿量、坐标位置、故障信息、零件图形、动态刀具运动轨迹等。自诊断功能自诊断功能CNC装置中设置了各种诊断程序，可以防止故障的发生或扩大。在故障出现后可迅速查明故障类型及部位，减少因故障而造成的停机时间。通信功能通信功能 通常具有RS232C接口，有还备有DNC接口。现在部分数控机床还具有网卡，可以接入互联网。o在线编程功能在线编程功能 此功能可以在数控加工过程中进行，因此不占用机时。在线编程时使用的自动编程软件有：人机交互式自动编程系统、APT语言编程系统、蓝图直接编程系统等。本章主要介绍了数控车床的加工特点、控制原理和组成，以及车床数控系统的主要功能。1数控车床与普通车床相比，在高难度加工、高精度加工、高效率完成加工方面更具特色；2数控车床是一种高度自动化的机床，在加工工艺与加工表面形成方法上，与普通机床是基本相同的，最根本的不同在于实现自动化控制的原理与方法上，数控车床通过数字化程序控制零件的自动加工。