机床与数控技术 PPT课件

机床与数控技术 1 目录 第一章数控机床概述第二章数控机床的程序编制第三章数控机床的位置检测装置第四章计算机数字控制系统第五章进给伺服系统第六章数控机床的结构设计和总体布局第七章数控机床的主运动部件第八章进给系统的机械传动结构第九章数控机床的刀具与工件交换装置 2 第一章数控机床概述 1 1数控机床及其特点1 2数控机床分类1 3数控机床发展1 4数控机床图片 3 1 1数控机床及其特点数字控制 NumericalControl 是近代发展起来的一种自动控制技术 是用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制的一种方法 简称NC 数控制机床是一个装有程序控制系统的机床 该系统能够逻辑地处理具有使用号码 或其他符号编码指令规定的程序 4 一 数控机床的特点 能够完成很多普通机床难的完成 或有根本不能加工的复杂型面的零件加工 尤其是复杂型面模具 蜗轮叶片螺旋桨加工等 采用数控机床 可提高零件的加工精度 稳定产品的质量 5 可以提高生产率 比普通机床可提高2 3倍 尤其对某些复杂零件的加工 生产率可提高十几倍甚至几十倍 可以实现一机多用 加工中心可以自动换刀 一次装夹后 几乎能完成零件的全部加工部位的加工 可以替代5 7台普通机床 节省厂房面积 6 几乎不需要专用的工装夹具 采用通用的工夹具 只需更换程序 就可适应不同品种及尺寸规格零件的自动加工 减少了在制品 加速了资金流动 提高经济效益 大大减轻了工人劳动强度 7 二 数控的构成 1 主机 数控机床的机械部件 是用于各种切削加工的机械部分 根据不同的零件加工要求 有车 镗 钻 磨 电加工机床 与普通机床相比较 数控机床具有以下特点 由于大多数数控机床采用了高性能的主轴及伺眼传动系统 因此 其机械传动结构得到简化 传动链较短 8 为了适应数控机床连续地自动化加工 其机械结构具有较高的动态刚度 阻尼精度及耐磨性 热变形较小 采用高效传动部件 如滚珠丝杆副 直线滚动导轨等 9 2 CNC装置 数控机床的核心 用于实现输入数字化的零件程序 并完成输入信息的存储 数据变换 插补运算以及实现各种控制功能 其功能包括 多坐标控制 多轴联动 实现多种函数插补 直线 图弧 抛物线等 代码转换 EIA ISO转换 英 公转换 二 十制转换等 10 3 驱动装置 数据机床执行机械的驱动部件 普通机床是主轴箱实现传动与变速 数控机床主轴与进给是由数控装置发出进给指令 通过电气或电液伺服系统实现 4 辅助装置 配套部件 有电器 液压 气动元件及系统 冷却 排屑 防护 润滑 照明 储运等装置 11 5 编程机 手工键盘输入程序或自动编程 对于复杂零件 必须在机外编制 记录在信息载体上 如纸带 磁带 磁盘等 然后送入数控装置 12 图1 1数控机床的基本组成 13 第一章数控机床概述 1 1数控机床及其特点1 2数控机床分类1 3数控机床发展1 4数控机床图片 14 1 2数控机床分类 1 按控制系统的特点分类 点位控制数控机床 控制刀具对工件的定位点坐标 对定位移动过程中的轨迹无要求 不进行切削加工 15 直线控制数控机床控制刀具或工件以适当的进给速度 沿着平行于坐标轴方向直线位移和加工 或同时控制两轴移动 加工45度斜线 也可以有三个坐标轴 用于直线控制的平面铣削加工 16 轮廓控制的数控机床又称为连续控制或多坐标轴联动控制 可以加工复杂零件 与直线控制数控机床相比较 能进行多轴联动和控制 有刀具长度和刀具半径补偿功能 17 图1 2数控机床的开环 半闭环 闭环形式 18 2 按执行机构伺服系统类型分类 开环伺服系统 步进电机为代表 闭环伺服系统 精度高 超精加工场合 半闭环伺服系统 大多数数控机床 19 3 按数控装置类型分类 硬件式 NC 数控 专用逻辑电路实现 不同机床其组合逻辑电路不同 通用性差 灵活性差 制造周期长 成本高 软件式 CNC 数控 采用计算机或小型机 无需改动硬件电路 只需改变系统软件 20 第一章数控机床概述 1 1数控机床及其特点1 2数控机床分类1 3数控机床发展1 4数控机床图片 21 1 3数控机床发展 1 国外数控机床发展40年代初 美国北密执安一个小型飞机企业派尔逊斯 parsonsco 公司实现了采用数字技术进行机构加工 1952年 美国麻省理工学院 MIT 在一台立式铣床上 安装了一套试验性的数控系统 实现了同时控制三轴运动 22 1954年月11月 在派尔逊斯末到基础上 第一台正式数控机床由美国本迪克斯公司 Bendix 生产出来 1959年3月 克耐 杜列克公司 Keaney Trecker 开发生产具有多种刀具 自动模刀 从1960年起 工业发达国家 德 日等都陆续地开发 生产及使用了数控机床 采用电子管式 体积庞大 功耗高 主要应用于军事部门 23 1967年 英国首先把几台数控机床联接成具有柔性的加工系统 这就FMS系统 FlexibleManufacturingSystem 之后 日 美也相继推广与应用 1974年微小处理机直接应用于数控机床 进一步促进了数控机床发展 1980年后 出现了柔性制造系统 FMS 包括几台加工中心 配套工作自动装卸和监控检验装置 24 2 中国数控机床发展50年代末到60年代初 我国数控机床处于研制 开发阶段 1968年研制成了CJK 18晶体管数控系统及X53K 1G立式数控机床 1970年后 数控技术在车 铣 刨 磨等全面展开 但由于电子器件和制造工艺水平差 可靠性差 难以推广 25 1980年后 改革开放 我国从日 美引进了部分数控装置及伺服系统的技术 1982年 国内许多机床厂开始试产数控机床与加工中心 1985年我国数控制机床在引进 消化国外技术基础上 进行了大量开发工作 1990年后 我国数控机床安装逐步向高档数控机床发展 26 3 数控机床的发展趋势 实现长时间 连续自动化加工 高速度 高精度发展 提高机床利用率与生产效率 提高可靠性 27 具有良好的可操作性 人机对话 自动编程 具有强功能内装式机床可编程控制器 具有更高的通信功能 28 第一章数控机床概述 1 1数控机床及其特点1 2数控机床分类1 3数控机床发展1 4数控机床图片 29 1 数控冲床 1 4数控机床图片 30 2 数控钻床 31 3 数控车床 32 4 数控铣床 33 5 数控加工中心 34 思考题目 1 计算机数控 CNC 与群控 DNC CNC FMC与FMS普通机床 数显机床和数控机床数控机床的根本特征 三高一低5 计算机数控 CNC 与计算机集成制造系统 CIMS 35 目录 第一章数控机床概述第二章数控机床的程序编制第三章数控机床的位置检测装置第四章计算机数字控制系统第五章进给伺服系统第六章数控机床的结构设计和总体布局第七章数控机床的主运动部件第八章进给系统的机械传动结构第九章数控机床的刀具与工件交换装置 36 第二章数控机床的程序编制 2 1编程目的2 2手工程序编制2 3数控机床的坐标系2 4指令编程方法与举例2 5程序编制中的数值计算2 6自动编程 下一页 上一页 37 一 目的现代数控机床是按照事先编制好的加工程序自动地对工件进行加工的高效自动化设备 理想的加工程序不仅应保证加工出符合图样要求的合格工件 同时应能使数控机床的功能得到合理的应用与充分的发挥 以使数控机床能安全可靠及高效地工作 2 1编程目的 38 数控机床程序编制过程主要包括 分析零件图样 工艺处理 数据处理 编写程序单 制作控制介质及程序检验 所谓 数控机的程序编制 指由分析零件图样到程序检验的全过程 如图2 l所示 39 图2 1数控编程的基本过程 40 二 步骤与要求1 分析零件图样和工艺处理编程人员需注意如下几点 1 确定加工方案此时应考虑数控机床使用的合理性及经济性 并充分发挥数控机床的功能 41 2 工具的设计和选择应特别注意要迅速完成工件的定位和夹紧过程 以减少辅助时间 使用组合夹具 生产准备周期短 夹具零件可以反复使用 经济效果好 此外 所用夹具应便于安装 便于协调工件和机床坐标系的尺寸关系 42 3 正确地选择对刀点对于数控机床来说 程序编制时正确地选择对刀点是很重要的 对刀点 是指在数控加工时 刀具相对于工件运动的起点 对刀点 也是程序执行的起点 也称为 程序原点 43 对刀点的选择原则如下 1 所选的对刀点 即程序起点 应使程序编制简单 2 对刀点应选在容易找正 并在加工过程中便于检查的位置 3 引起的加工误差小 44 对刀点 刀位点和对刀的关系 1 对刀点 在数控加工时 刀具相对于工件运动的起点 即程序起点 也是程序的终点 2 刀位点 在数控加工程序编制中 用于表示刀具特征的点 也是对刀和加工的基准点 3 对刀 对刀点和刀位点重合的操作 45 4 选择合理的走刀路线1 尽量缩短走刀路线 减少空走刀行程 提高生产效率 2 保证加工零件精度和表面粗糙度的要求 3 有利于简化数值计算 减少程序段数目和编制程序工作量 46 图2 2走刀路线对精度的影响 A中 B差 C好 47 5 合理选择刀具应根据工件材料的性能 机床的加工能力 加工工序的类型 切削用量以及其它与加工有关的因素来正确地选择刀具 对刀具总的要求 安装调整方便 刚性好 精度高 使用寿命长等 48 6 确定合理的切削用量在工艺处理中必须正确确定切削用量 即切削深度和宽度 主轴转速及进给速度等 49 2 数学处理在完成了工艺处理的工作后 下一步需根据零件的几何尺寸 加工路线 计算刀具中心运动轨迹 以获得刀位数据 50 3 编写零件加工程序单制作控制介质及程序检验在完成上述工艺处理及数值计算工作后 即可编写零件加工程序单 51 图2 3旋转类零件车削加工线路 52 图2 4旋转类零件粗 精车削加工线路 53 图2 5旋转类零件车削加工线路 54 图2 6平面类零件铣削加工线路 55 图2 7立体轮廓零件铣削加工线路 三坐标两联动 56 图2 8立体轮廓零件铣削加工线路 三坐标联动 57 图2 9立体轮廓零件铣削加工线路 四坐标联动 58 图2 10立体轮廓零件铣削加工线路 五坐标联动 59 三 数控机床程序编制的方法1 手工编制程序编制零件加工程序的各个步骤 即从零件图样分析及工艺处理 数值计算 书写程序单 穿制纸带直至程序的检验 均由人工完成的即为手工编制程序的过程 亦称为 手工程序编制 60 2 自动程序编制使用计算机 或程编机 进行数控机床程序编制工作 即由计算机 程编机 自动地进行数值计算 编写零件加工程序单 自动输出打印加工程序单并将程序记录到穿孔级带上或其它控制介质上 数控机床的程序编制工作的大部分或全部由计算机完成的过程 即为自动程序编制 61 第二章数控机床的程序编制 2 1编程目的2 2手工程序编制2 3数控机床的坐标系2 4指令编程方法与举例2 5程序编制中的数值计算2 6自动编程 下一页 上一页 62 2 2手工程序编制 数控机床程序编制各个阶段的工作 如果几乎都是由人来完成的 则叫作手工程序编制 在程程时 必须遵守国家规定的数字控制的有关标准 63 一 数控的主要标准1 ISO标准 InternationalStandardOrganization 国际标准化组织标准2 EIA标准 ElectronicIndustriesAssociation 美国电气工业协会标准3 ASC 码标准 64 二 中国数控的标准与代码1 机械部标准JB3208 83 数字控制机床穿孔带程序段格式中的准备功能G和辅助功能M的代码 2 新国家标准数控机床必须采用ISO标准 65 穿孔纸带及其代码现国内外广泛采用八单位的穿孔纸带作为数控机床的控制介质 穿孔纸带的编码 国际上采用ISO或EIA标准 66 图2 11穿孔纸带 67 图2 12ISO编码特征 68 图2 13EIA编码表 69 图2 13ISO编码表 70 第二章数控机床的程序编制 2 1编程目的2 2手工程序编制2 3数控机床的坐标系2 4指令编程方法与举例2 5程序编制中的数值计算2 6自动编程 下一页 上一页 71 2 3数控机床的坐标系一 数控机床的坐标轴与运动方向为了保证数控机床的运行 操作及程序编制的一致性 数字控制标准统一规定了机床坐标和运动方向的命名原则 72 图2 14右手法则 73 二 绝对坐标系统与增量 相对 坐标系统1绝对坐标刀具 或机床 运动位置的坐标值是相对于固定的坐标原点得出的 即称为绝对坐标 该坐标系称为绝对坐标系统 2相对坐标刀具 或机床 运动位置的坐标值是相对于前一点坐标点得出的 即称为相对坐标 该坐标系称为相对坐标系统 74 图2 15坐标与原点 75 三 机床原点与工件原点1机床原点机床固定的坐标原点 是由制造商确定的固定点 又称为零点 该点在机床说明书上有详细定义 2工件原点编写程序时 由遍程人员在工件图纸上以某一点固定 确立全部工件尺寸 通过原点偏置 使得工件原点和机床原点关系调整极为方便 76 第二章数控机床的程序编制 2 1编程目的2 2手工程序编制2 3数控机床的坐标系2 4指令编程方法与举例2 5程序编制中的数值计算2 6自动编程 下一页 上一页 77 2 4指令编程方法与举例在数控编程中 使用G指令 M指令及F S T指令代码描述数控机床的运行方式 加工种类 主轴的启 停 冷却液开 关辅助功能以及规定进给速度 主轴转速 选择刀具等 下面介绍常用指令 78 一 准备功能指令 亦称 G 指令准备功能指令由字母 G 和其后的2位数字组成 从G00至G99可有100种 该指令的作用 主要是指定数控机床运动方式 为数控系统的插补运算作好准备 所以在程序段中G指令一般位于坐标字指令的前面 常用的G指令有 79 1 G00 快速点定位它命令刀具以点位控制方式从刀具所在点快速移动到下一个目标位置 它只是快速定位 而无运动轨迹要求 80 2 G01 直线插补用于产生直线或斜线运动 可使机床沿X Y Z方向执行单轴运动 或在各坐标平面内执行具有任意斜率的直线运动 也可使机床三轴联动 沿任意空间直线运动 81 3 G02 G03 圆弧插补使机床在各坐标平面内执行圆弧运动 切削出圆弧轮廓 G02为顺时针圆弧插补指令 G03为逆时针圆弧插补指令 使用圆弧插补指令之前 必须根据平面选择指令 指定圆弧插补的平面 82 4 G17 G18 G19 坐标平面选择G17指定零件进行XY平面上的加工G18 G19分别为ZX YZ平面上的加工 这些指令在进行圆弧插补 刀具补偿时必须使用 83 图2 16圆弧顺逆方向和坐标平面的关系 84 5 G40 G41 G42 刀具半径补偿数控装置具有刀具半径补偿功能 为程序编制提供了方便 当编制零件加工程序时 不需要计算刀具中心运动轨迹 而只需按零件轮廓编程 使用刀具半径补偿指令 并在控制面板上利用刀具拨码盘或键盘 CRT MDI 人工输入刀具半径 数控装置便能自动地计算出刀具中心轨迹 并按刀具中心轨迹运动 85 图2 17刀具补偿方式 86 当刀具磨损或刀具重磨后 刀具半径变小 只需手工输入改变后的刀具半径 而不必修改已编好的程序或纸带 在用同一把刀具进行粗 精加工时 设精加工余量为 则粗加工的补偿量为r 而精加工的补偿量改为r即可 87 G41 左偏刀具半径补偿沿刀具运动方向看 假设工件不动 刀具位于零件左侧时的刀具半径补偿 G42 右偏刀具半径补偿沿着刀具运动方向看 假设工件不动 刀具位于零件右侧时的刀具半径补偿 G40 刀具半径补偿撤消使用该指令后使G41 G42指令无效 88 6 G92 预置寄存按照程序规定的尺寸字修改或设置坐标位置 不产生运动 通过该指令设定对刀点 即程序的原点 从而建立一个坐标系 通常称为工件坐标系 该指令只是设定坐标系 刀具或机床并未运动 89 7 G90 G91 绝对尺寸及增量 相对 尺寸程编指令G90 程序段的坐标字按绝对坐标程编 G91 程序段的坐标字按增量 相对 坐标程编 90 8 G04 暂停指令G04F X 使刀具作短时间无进给运动 用于车削环槽 锪平面 钻孔等光整加工 F X 后为暂停时间 单位MS 也可以是工件或刀具的转数 91 二 辅助功能指令 亦称 M 指令辅助功能指令由字母 M 和其后的2位数字组成 从M00至M99可有100种 该指令的作用主要是用于机床加工操作时的工艺性指令 常用的M指令有 92 1 M00 程序停止在完成编有M00令的程序段中的其它指令后 主轴停转 送给停止 冷却液关断 程序序止 当重新按下控制面板上的循环启动按钮 继续执行下一程序段 93 2 M01 计划停止该指令的作用与M00相似 所不同的是 必须在操作面板上 预先按下 任选停止 按钮 当执行完编有M01指令的程序段的其它指令后 程序即序止 如果不按下 任选停止 开关 则MO1指令不起作用 程序继续执行 94 3 M02 程序结束该指令用于程序全部结束 此时主轴进结及冷却液供给全部停下 常用以机床复位及卷回纸带到 程序开始 字符 95 4 M03 主轴顺时针旋转 M04 主轴逆时针旋转 M05 主轴停止 96 5 M06 换刀用于具有刀库的数控机床 加工中心 的换刀功能 97 6 M07 2号冷却液开用于雾状冷却液开 M08 l号冷却液开用于液状冷却液开 M09 冷却液关注销M07 M08 M50及M51指令 98 7 M10 M11 夹紧 松开适用于机床滑座 工件 夹具 主轴等的夹紧或松开 99 8 M30 纸带结束在完成程序段的所有指令后 使主轴 进绘和冷却液停止 常用以使控制找和 或 机床复位 包括将级带倒回到 程序开始 字符 或使环形线带越过接头 或转换到第二台输入机 100 三 其他功能指令 即 F S T 指令F指令 指定机床进给速度1 代码法 F 表示进给速度数列序号 而不是速度大小 2 直接指定法 F 表示进给速度大小 直观 大多数机床采用此方法 101 S指令 指定机床主轴转速该指令是续效指令 单位r min 其后数字与F指令完全相同 102 T指令 指定刀具在自动换刀机床中 用于选择所需刀具 指令以T为首 其后跟两位数字 以代表刀号 103 四 程序结构程序是由若干个程序段组成 程序的开头写有程序号 程序编号 程序结束时 写有程序结束指令 举例如下 104 O0600N1G92X0Y0Z1 0 N2S300M03 N3G90G00X 5 5Y 6 N4Z 1 2M08 N5G41G01X 5 5Y 5 D03F2 4 N6Y0 N7G02X 2 Y3 5R3 5 N8G01X2 Y3 5 105 N9G02X2 Y 3 5R3 5 N10G01X 2 Y 3 5 N11G02X 5 5Y0R3 5 N12G01X5 5Y5 N13G40G00X 5 5Y6 M09 N14Z1 M05 N15X0Y0 N16M30 106 六 程序段格式1 字地址程序段格式目前国内外都广泛采用字地址可变程序段格式 所谓可变程序段即程序段的长度是可变的 程序段序号字字 字程序段结束符N3G90G00X 5 5Y 6 0 直观明了 易写 易检查与修改 107 2 分隔符固定顺序格式该程序段格式的特点是用分隔符将字分开 每个字的顺序及代表的功能是固定不变的 BXBYBJGZ分隔X坐分隔Y坐分隔记数记数加工符号标值符号标值符号长度方向指令 108 该种程序段格式可使数控装置的设计与制造简化 不需地址判断电路 常用于功能不多且较固定的数控装置中 如我国数控线切割数控装置大多采用 3B 或4B 指令 109 1 程序编制实例所示为被加工零件的轮廓ABCDEA 110 A 绝对坐标编程如下 G92X 10Y 10N01G90G17G00X10Y10LFN02G01X30F100LFN03G03X40Y20I0J 10LFN04G02X30Y30I0J 10LFN05G01X10Y20LFN06Y10LFN07G00X 10Z 10M02LF 111 B 增量坐标编程如下 N01G91G17G00X20Y20LFN02G01X20F100LFN03G03X10Y10I0J 10LFN04G02X 10Y10I0J 10LFN05G01X 20Y 10LFN06Y 10LFN07G00X 20Y 20M02LF 112 2 程序编制实例苏州大学工程培训中心示教型数控机床主要组成 数控系统由486以上计算机 控制软件和运动控制卡构成 伺服系统由步进伺服驱动单元和步进电机组成 113 车削如图2 7所示的棒料 20mm 733mm 114 程序清单如下 N0010G92X0Z0 设定坐标系N0020M03 主轴正转N0030S500 主轴转速N0040G04F3 车床升速过程N1010G00W 10 车端面设定车刀尖离工件X5Z10N1020G01U 25F100 车端面N1030G00U18 准备车外圆 14N1040G01W 16 车外圆 115 N1050G00W16 返回N1060G22L2 设定循环2次N1070G00U 2 N1080G01W 16 N1090G00W16 N1100G80 循环结束N1110G00U 2 准备车 12外圆N1120G01W 6 车削外圆N1130G00W6 返回 116 N1140U 12 快进到端面的 0处N1150G03U12W 6R6F30 车园弧N1160G01U2W 10F50 车圆锥N1170U3 退刀N1180U4 退刀N1190G00X0Z0 返回原点N2000T20 换刀 2号割断刀N2010G00W 23 快进 准备割断 117 N2020U 4 快进N2030G01X 25 工进 割断N2040G00U25 快退N2050G00X0Z0 返回原点N2060T10 换刀 1号左车刀N2070M05 主轴停转N2080M02 程序结束 118 第二章数控机床的程序编制 2 1编程目的2 2手工程序编制2 3数控机床的坐标系2 4指令编程方法与举例2 5程序编制中的数值计算2 6自动编程 下一页 上一页 119 2 5程序编制中的数值计算 一 基点 插补直线与园弧 程序编制中的数值计算 就是求直线段和园弧段的交点和切点 基点 120 二 节点 插补非园曲线 渐开线 阿基米德螺旋线等 程序编制中的数值计算 先用小段直线或园弧逼近非园曲线 一次逼近 然后再求直线段和园弧段的交点和切点 节点 121 三 无曲线方程的数据点 1 曲线拟合 插值法 2 曲线逼近 122 四 非园曲线的节点计算 1 等间距直线逼近法 误差 123 1 等间距直线逼近法 原理 124 2 等弦长直线逼近法 125 3 等误差直线逼近法 126 4 圆弧逼近法 127 第二章数控机床的程序编制 2 1编程目的2 2手工程序编制2 3数控机床的坐标系2 4指令编程方法与举例2 5程序编制中的数值计算2 6自动编程 下一页 上一页 128 2 6自动编程 硬件部分由计算机打印机 绘图机 穿孔机或磁带及磁泡盒等外部设备组成 软件主要包括数控语言及程序系统 编译程序 129 计算机数控自动编程的整个过程是由计算机自动完成的 程序编制人员只需根据零件图样的要求 使用数控语言编写出零件加工源程序 将该源程序送入计算机 经过计算处理后 计算机便自动地输出零件加工程序单 绘出零件加工走刀中心轨迹图 打出穿孔纸带 130 图2 18自动编程的框架 131 目录 第一章数控机床概述第二章数控机床的程序编制第三章数控机床的位置检测装置第四章计算机数字控制系统第五章进给伺服系统第六章数控机床的结构设计和总体布局第七章数控机床的主运动部件第八章进给系统的机械传动结构第九章数控机床的刀具与工件交换装置 132 第三章数控机床的位置检测装置 下一页 上一页 3 1位置检测装置的要求3 2感应同步器位置检测装置3 3旋转变压器位置检测装置3 4磁尺位置检测装置3 5光栅位置检测装置3 6脉冲编码器 133 一 基本要求 1 受温度湿度的影响小 工作可靠 能长期保持精度 抗干扰能力强 2 在机床执行部件移动范围内 能满足精度和速度的要求 3 使用维护方便 适应机床工作环境 4 成本低 3 1位置检测装置的要求 134 二 位置检测装置的分类1 数字式测量1 被测的量转换为脉冲个数 便于显示和处理 2 测量精度取决与测量单位 和量程基本无关 3 测量装置比较简单 脉冲信号抗干扰能力较强 135 2 模拟式测量1 直接测量被测量的量 无须变换 2 在小量程内实现较高精度的测量 技术上较为成熟 136 3 增量式测量只测量位移量 装置简单 典型元件 感应同步器 光栅 磁尺等 4 绝对式测量测量方便 不会丢失信号 典型元件 编码器等 137 5 直接测量检测装置安装在工作台上 如光栅 感应同步器等 6 间接测量检测装置安装在滚珠丝杠或驱动电机上 如旋转变压器等 138 第三章数控机床的位置检测装置 下一页 上一页 3 1位置检测装置的要求3 2感应同步器位置检测装置3 3旋转变压器位置检测装置3 4磁尺位置检测装置3 5光栅位置检测装置3 6脉冲编码器 139 3 2感应同步器位置检测装置 一 感应同步器的工作原理利用电磁耦合原理 将位移或转角转变为电信号 借以进行位置检测和反馈控制 在数控机床上应用极为普遍 140 图3 1定尺与滑尺 A 正弦激磁绕组B 余弦激磁绕组 141 图3 1滑尺在不同位置时定尺上的感应电压 142 二 感应同步器的分类1 直线感应同步器 1 标准式 精度高 2 窄长式 仅标准式1 2 窄小机床用 3 带式 普及型使用 数控改装用2 圆感应同步器 143 图3 3感应同步器定子与转子示意图 144 图3 4感应同步器定子与转子示意图 145 图3 5双排或多层印刷绕组感应同步器提高精度 146 三 鉴相型系统的工作原理鉴相型系统是通过检测感应电压的相位来测量位移 147 图3 6鉴相型系统结构图 148 四 鉴幅型系统的工作原理鉴幅型系统是通过检测感应电压的幅值来测量位移 149 图3 7鉴幅型系统结构图 150 四 感应同步器的特点及使用时应注意的事项1 精度高直接测量 无中间机械转换装置 精度高 精度正负0 001mm 重复精度0 0002mm 灵敏度0 00005mm 151 2 可拼接成各种需要的长度多块定尺接长 总长度精度保持或略低于单块定尺精度 152 图3 8感应同步器定尺接长 153 3 对环境的适应性强基尺与安装部件具有相近的膨胀系数 非接触式电磁耦合元件 非导磁性材料用作保护层 154 4 使用寿命长无接触 无磨损产生 用钢带或折罩覆盖 防止切屑和切削液进入 155 5 注意安装间隙控制在 0 02 0 25 正负0 05mm 晃动量 0 01mm 间隙过大 测量信号的灵敏度减低 156 第三章数控机床的位置检测装置 下一页 上一页 3 1位置检测装置的要求3 2感应同步器位置检测装置3 3旋转变压器位置检测装置3 4磁尺位置检测装置3 5光栅位置检测装置3 6脉冲编码器 157 第三章数控机床的位置检测装置 下一页 上一页 3 1位置检测装置的要求3 2感应同步器位置检测装置3 3旋转变压器位置检测装置3 4磁尺位置检测装置3 5光栅位置检测装置3 6脉冲编码器 158 3 3旋转变压器位置检测装置 旋转变压器是一种角度测量元件 它是一种小型交流电机 一 旋转变压器的工作原理电磁耦合原理 精度较低 用于精度不高或大型机床粗测或中测系统中 159 图3 9旋转变压器工作原理 一种接法 160 图3 10旋转变压器工作原理 另一种接法 161 二 磁阻式多极旋转变压器又称 细分解算器无接触式磁阻可变的耦合变压器 162 第三章数控机床的位置检测装置 下一页 上一页 3 1位置检测装置的要求3 2感应同步器位置检测装置3 3旋转变压器位置检测装置3 4磁尺位置检测装置3 5光栅位置检测装置3 6脉冲编码器 163 3 4磁尺位置检测装置 磁尺位置检测装置是由磁性标尺磁头和检测电路组成 磁尺安装简单 制作方便 对环境要求低 抗干扰能力强 可制作高精度磁尺 164 图3 11磁尺工作原理 165 一 磁性标尺非导磁材料 铜 不锈钢 玻璃等 录制磁信号节距 0 05 0 1 0 2 1mm塑料保护层 1 2微米 166 1 平面实体型磁尺长度小于600mm 可接长使用 167 2 带状磁尺磁尺与磁头有接触 所以有磨损 安装精度要求不高 168 图3 12带状磁尺 169 3 线状磁尺线膨胀系数大 一般长度小于1 5m 机械结构小 用于小型精密数控机床 微型量仪或测量机上 170 图3 13线状磁尺 171 4 圆型磁尺检测角位移 172 图3 14园型磁尺 173 二 磁头磁头是进行磁电转换的变换器 普通录音机 速度响应型磁头数控机床 磁通响应型磁头 174 图3 15单头检测 175 图3 16双头检测 176 三 检测线路1 鉴幅型系统工作原理2 鉴相型系统工作原理 177 图3 17磁尺检测线路 178 图3 18磁尺检测线路 鉴幅型 179 图3 18磁尺检测线路 鉴相型 180 四 磁尺特点 1 磁尺制造工艺简单 录磁 去磁都比较方便 若采用激光录磁 可得到更高精度 2 可以制作较长 应用于大型机床 3 难以跟上高的移动速度 24m min 181 第三章数控机床的位置检测装置 下一页 上一页 3 1位置检测装置的要求3 2感应同步器位置检测装置3 3旋转变压器位置检测装置3 4磁尺位置检测装置3 5光栅位置检测装置3 6脉冲编码器 182 3 5光栅位置检测装置 一 光栅检测的工作原理及分类1 应用于数控闭环系统中 2 测量长度 角度 速度 加速度等 183 图3 20直线光栅检测结构图1 光源2 聚光镜3 标尺光栅4 指示光栅5 硅光电池 184 图3 21园光栅检测角位移 185 图3 22光栅莫尔条纹放大图 186 1 放大作用Wc sin 若 0 01mm 通过减小 当Wc 10mm时 其放大倍数相当于1000倍 187 2 平均效应线纹密度的平均效应 3 莫尔条纹的移动规律当光栅向左或向右移动一个栅距 莫尔条纹也相应向上或向下移动一个节距 188 三 直线光栅检测装置的辨向一个光电元件所得到的信号只能计数 不能辨别运动方向 因此必须至少两个光电元件才能光栅检测工作 189 四 提高光栅分辨精度的措施1 提高刻线精度和增加线纹密度 但不超过200线 毫米 2 采用倍频方法来提高分辨率 190 五 光栅检测装置的特点1 制作精确 误差均化作用 倍频提高 所以精度高 2 无接触 无磨损 精度长期保持 3 光栅角度与间隙要求保持不变 调试困难 对环境要求高 需有防护罩 高精度测量最好在温室中工作 191 3 6脉冲编码器 一 原理1 光电感应获取脉冲信号 2 光学式位置检测元件 非接触式 无磨损 3 由于光电变换器精度提高 可得到较快的相应速度 4 分为增量式与绝对值式 192 二 增量式编码器1 相对于前一点或转数计数 2 若因停电或刀具破损而停机 事后不能再找到原前执行部件的正确位置 193 图3 23增量式编码器结构图 194 三 绝对值式编码器1 通过读取编码器上的图案来表示数值 克服增量式的缺点 2 由于图案转移点不明确 在使用中产生较多的误读 195 图3 23绝对式编码器结构图 196 四 葛莱编码器 循环码盘 1 每个十进制数字之间只有一位二进制码不同 能把误读控制在一个信号之内 提高了精度 2 原码10111转换循环码 101111011最终结果 11100 197 图3 24葛莱编码器 循环码盘 198 第四章计算机数字控制系统 4 1概述4 2插补原理 下一页 上一页 199 4 1概述 一 数控系统的硬件组成1 微型机2 外部设备3 输入 输出设备4 操作面版 200 图4 1加工机床界面 201 图4 2数控机床界面 MDI 202 图4 3数控机床界面 MDI 203 二 数控系统软件1 Siemens公司产品2 FANUC公司产品 204 图4 4数控系统与编辑器 205 三 CNC数控系统的特点1 较高的可靠性和可维修性2 环境适应性强3 控制实时性4 较完善的输入输出通道5 适当的计算精度和运算 206 4 2插补原理 一 主要问题为了满足几何尺寸精度的要求 刀具中心轨迹应该准确地依照工件的轮廓形状来生成 然而 对于简单的曲线 数控装置易于实现 但对于较复杂的形状 若直接生成 势必会使算法变得很复杂 计算机的工作量也相应地大大增加 207 一次逼近 拟合 在实际应用中 常常采用一小段直线或圆弧去进行逼近 有些场合也可以用抛物线 椭圆 双曲线和其他高次曲线去逼近 或称为拟合 208 2 二次逼近 插补 插补是指数据密化的过程 在对数控系统输入有限坐标点 例如起点 终点 的情况下 计算机根据线段的特征 直线 圆弧 椭圆等 运用一定的算法 自动地在有限坐标点之间生成一系列的坐标数据 即所谓数据密化 从而自动地对各坐标轴进行脉冲分配 完成整个线段的轨迹运行 以满足加工精度的要求 209 在CNC或MNC中 以软件 程序 完成插补或软 硬件结合实现插补 而在NC中有一个专门完成豚冲分配计算 即插补计算 的计算装置 插补器 无论是软件数控还是硬件数控 其插补的运算原理基本相同 其作用都是根据给定的信息进行数字计算 在计算过程中不断向各个坐标发出相互协调的进给脉冲 使被控机械部件按指定的路线移动 210 除了要保证插补计算的精度之外 还要求算法简单 这对于硬件数控来说 可以简化控制电路 采用较简单的运算器 而对于计算机数控系统来称则能提高运算速度 使控制系统较快且均匀地输出进给脉冲 经过多年的发展 插补原理不断成熟 类型众多 211 二 插补方式1 以产生的数学模型来分 有直线插补 二次曲线插补等 2 从插补计算输出的数值形式来分 基准脉冲插补 又称脉冲增量插补 数据采样插补 212 在基准脉冲插补中 按基本原理又分为 1 以区域判别为特征的逐点比较法插补 2 以比例乘法为特征的数字脉冲乘法器插补 3 以数字积分法进行运算的数字积分插补 4 以矢量运算为基础的矢量判别法插补 5 兼备逐点比较和数字积分特征的比较积分法插补 213 一 特点逐点比较法是我国数控机床中广泛采用的一种插补方法 它能实现直线 圆弧和非圆二次曲线的插补 插补精度较高 4 3逐点比较法 214 二 逐点比较法顾名思义 就是每走一步都要将加工点的瞬时坐标同规定的图形轨迹相比较 判断其偏差 然后决定下一步的走向 如果加工点走到图形外面去了 那么下一步就要向图形里面走 如果加工点在图形里面 那么下一步就要向图形外面走 以缩小偏差 这样就能得出一个非常接近规定图形的轨迹 最大偏差不超过一个脉冲当量 215 在逐点比较法中 每进给一步都须要进行偏差判别 坐标进给 新偏差计算和终点比较四个节拍 1 判别 根据偏差值确定刀具位置是在直线的上方 或线上 还是在直线的下方 2 进给 根据判别的结果 决定控制哪个坐标 x或y 移动一步 216 逐点比较法直线插补 图4 5直线插补过程 217 已知加工点的坐标为 xi yj 时偏差 Fij xe yj ye xi若Fij 0时 则向x轴发出一个进给脉冲 刀具从这点即 xi yj 点向x方向前进一步 到达新加工点P xi l yj xi 1 xi 1 因此新加工点P xi l yj 的偏差值为Fi 1 j xe yj xi 1 ye xe yj xi 1 ye xe yj xi ye ye Fij ye即Fi 1 j Fij ye 218 如果某一时刻 加工点P xi yj 的Fij 0 则向y轴发出一个进给脉冲 刀具从这一点向y方向前进一步 新加工点P xi yj 1 的偏差值为Fi j 1 xe yj 1 xi ye xe yj 1 xi ye xe yj xi ye xe Fij xe即Fi j 1 Fij xe 219 逐点比较法圆弧插补加工一个圆弧 很容易联想到把加工点到圆心的距离和该圆的名义半径相比较来反映加工偏差 220 图4 6圆弧插补过程 221 若P xi yj 在圆弧外或圆弧上 满足Fij 0的条件时 应向x轴发出一个负向运动的进给脉冲 一 x 即向圆内走一步 若P xi yj 在圆弧内侧 即满足Fij 0的条件 则向y轴发出一个正向运动的进给脉冲 y 即向圆弧外走一步 为了简化偏差判别式的运算 仍用递推法来推算下j步新的加工偏差 222 设加工点P xi yj 在圆弧外或圆弧上 则加工偏差为Fij xi2 x02 yj2 y02 0 x坐标需向负方向进给一步 一 x 移到新的加工点P xi l yj 位置 此时新加工点的x坐标值为xi一1 y坐标值仍为yj 新加工点P xi 1 yj 的加工偏差为Fi 1 j xi 1 2 x02 yj2 y02经展开并整理 得Fi 1 j Fij 2xi 1 223 设加工点P xi yj 在圆弧的内侧 则Fij 0那么 y坐标需向正方向进给一步 y 移到新加工点P xi yj 1 此时新加工点的x坐标值仍为Xi y坐标值则改为yj 1 新加工点P xi yj 1 的加工偏差为Fi j 1 xi2 x02 yj 1 2 y02展开上式 并整理得Fi j 1 Fij 2yj 1 224 可见 圆弧插补偏差计算的递推公式也是比较简单的 但计算偏差的同时 还要对动点的坐标进行加1 减1运算 为下一点的偏差计算做好准备 和直线插补一样 除偏差计算外 还要进行终点判别计算 每走一步 都要从两坐标方向总步数中减去1 直至总步数被减为零 发终点到达信号 时为止 才终止计算 225 三 坐标转换和终点判别问题1 象限与坐标变换前面所讨论的用逐点比较法进行直线及圆弧插补的原理和计算公式 只适用于第1象限直线和第I象限逆时针圆弧那种特定的情况 226 对于不同象限的直线和不同象限 不同走向的圆弧来说 其插扑计算公式和脉冲进给方向都是不同的 为了将各象限直线的插补公式统一于第1象限的公式 将不同象限 不同走向的8种圆弧的插补公式统一于第I象限逆圆的计算公式 就需要将坐标和进给方向根据象限等的不同而进行变换 这样不管哪个象限的圆弧和直线都按第1象限逆圆和直线进行插补计算 227 2 逐点比较法的终点判别 1 设置一个终点减法计数器JE 插补运算开始前记入该程序x及y坐标的加工总长 即x和y的位移总步数 在插补过程中 x或y向每走一步 就从总步数中减去1 直至JE中存数被减为零 表示到达终点 这种方法 前例已作介绍 228 2 设置两个计数器JEx及JEy分别控制两个坐标轴的加工长度 若沿X轴移动一步 从JEx中减1 同样 若沿y轴移动一步 从JEy中减1 当JEx及JEy中存数均被减为零时 表示到达终点 229 3 设置一个终点减法计数器JE 插补运算开始前记入该程序x坐标轴 或y轴 上的投影加工总长度Ex或Ey 应选取Ex或Ey中较大的坐标值作为终点判别坐标 在插补过程中 若JE中寄存的是Ex 则每当沿x轴走一步 即从JE存数中减去1 若JE中寄存Ey 每当沿y轴走一步 即从JE中减去1 直至JE存数被减为零 表示到达终点 230 四 逐点比较法的合成进给速度从前面的讨论知道 插补器向各个坐标分配进给脉冲 这些脉冲造成坐标的移动 因此 对于某一坐标而言 进给脉冲的频率就决定了进给速度 Vx 60 fx 231 目录 第一章数控机床概述第二章数控机床的程序编制第三章数控机床的位置检测装置第四章计算机数字控制系统第五章进给伺服系统第六章数控机床的结构设计和总体布局第七章数控机床的主运动部件第八章进给系统的机械传动结构第九章数控机床的刀具与工件交换装置 232 第五章进给伺服系统 5 1概述 5 2数控进给系统的伺服驱动装置 233 5 1概述数控机床伺服驱动系统是指以机床移动部件 如工作台 动力头等 本书仅以工作台为例 的位置和速度作为控制量的自动控制系统 又称拖动系统 234 一 伺服驱动系统的性能对数控机床伺服驱动系统的主要性能要求有下列几点 1 进给速度范围要大不仅要满足低速切削进给的要求 如5mm min 还要能满足高速进给的要求 如10000mm min 235 2 伺服系统的工作稳定性要好要具有较强的抗干扰能力 保证进给速度均匀 干稳 从而使得能够加工出粗糙度低的零件 3 跟随误差要小即伺服系统的速度响应要快 236 4 位移精度要高伺服系统的位移精度是指指令脉冲要求机床工作台进给的位移量和该指令脉冲经伺服系统转化为工作台实际位移量之间的符合程度 两者误差愈小 伺服系统位移精度愈高 237 二 数控机床伺服驱动系统的基本组成数控机床伺服驱动系统的基本组成如图5 1所示 数控机床的伺服驱动系统按有无反馈检测单元分为开环和闭环两种类型 见数控机床伺服驱动系统分类 238 图5 1步进电机工作系统 239 1 开环伺服系统由驱动控制单元 执行元件和机床组成 通常 执行元件选用步进电机 执行元件对系统的特性具有重要影响 240 2 闭环伺服驱动系统由执行元件 驱动控制单元 机床 以及反馈检测单元 比较控制环节组成 反馈检测单元将工作台的实际位置检测后反馈给比较控制环节 比较控制环节将指令信号和反馈信号进行比较 以两者的差值作为伺服系统的跟随误差经驱动控制单元 驱动和控制执行元件带动工作台运动 241 第五章进给伺服系统 5 1概述 5 2数控进给系统的伺服驱动装置 242 5 2数控进给系统的伺服驱动装置1 步进电机的分类步进电机的分类方式很多 常见的分类方式有按产生力矩的原理 按输出力矩的大小以及按定子的数量进行分类等 根据不同的分类方式 可将步进电机分为多种类型 243 单定子径向分相反应式伺服步进电机结构原理 图5 2 244 步进电机的齿距 图5 3 245 五定子 轴向分相 反应式伺服步进电机的结构 原理图5 4 246 目录 第一章数控机床概述第二章数控机床的程序编制第三章数控机床的位置检测装置第四章计算机数字控制系统第五章进给伺服系统第六章数控机床的结构设计和总体布局第七章数控机床的主运动部件第八章进给系统的机械传动结构第九章数控机床的刀具与工件交换装置 247 第六章数控机床的结构设计和总体布局 6 1数控机床的结构设计 6 2数控机床的总体布局 248 6 1数控机床的结构设计一 数控机床的结构设计要求1 自动保证稳定的加工精度2 提高加工能力和切削效率3 提高使用效率 249 二 提高机床的结构刚度1 合理选择构件的结构形式 图6 1 1 正确选择截面的形状和尺寸2 合理选择及布置隔板和筋条 250 3 提高构件的局部刚度 图6 2 251 4 选用焊接结构的部件 图6 3 252 三 合理的结构布局可以提高刚度 图6 4 253 四 提高机床的抗震性1 强迫震动机床强迫震动的震源是 高速转动零部件的动态不平衡力 往复运动件的换向冲击力 2 自激震动切削过程中 由于切削前的表面有不规则的波纹度 或材质的不均匀 使切削力不是稳态值 254 第六章数控机床的结构设计和总体布局 6 1数控机床的结构设计 6 2数控机床的总体布局 255 6 2数控机床的总体布局一 总布局与工件形状 尺寸和重量的关系 图6 5 a 是加工较轻升降台铣床 b 是改由铣头带着刀具来完成垂直进给运动 c 是龙门式数控铣床 d 是合理的布局方案 25