数控技术课件

1、数控技术课件 第六章第六章 典型数控机械典型数控机械 数控车床、加工中心数控车床、加工中心 61 数控车床数控车床 用单片机或单板机、功率步进电机、功能简单、价格低用单片机或单板机、功率步进电机、功能简单、价格低 ：数控系统功能齐全（如：数控系统功能齐全（如C轴、伺服电机、闭环控制等）轴、伺服电机、闭环控制等） 数控技术课件 第六章第六章 典型数控机械典型数控机械 一、数控车床的机械结构及原理一、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 液液压、冷却、润滑系统。压、冷却、润滑系统。

2、 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。比普通车床简单得多。 （一）主传动系统（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、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，其可不要求主轴数控变速，其主传动系统与普通机床类似主传动系统与普通机床类似，依靠机械有级变速。，依靠机械有级变速。例如图例如图61。 数控技术课件数控技术课件2、全功能型的数控车床、全功能型的数控车床 其其主传动系统主传动系统一般采用直流或交流调速主轴电机实现一般采用直流或交流调速主轴电

3、机实现无级调速，无级调速，通过皮带及通过皮带及变速齿轮（变速齿轮（12级）带动主轴旋转，以获得要求的调速范围和输出转矩。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机械部分的有级自动变速 一般采用电磁离合器或一般采用电磁离合器或 液压缸拨动齿轮。如前一章液压缸拨动齿轮。如前一章所述。所述。 全功能型的数控车床，有些包含全功能型的数控车床，有些包含C轴功能轴功能（严格地说，属于（严格地说，属于旋转方向的进给旋转方向的进给运动运动）。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）。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、轴、Z轴轴联动插补和联

4、动插补和C轴、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、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。攻丝及曲面铣加工。 图图65 为为C轴坐标功能的示意图。轴坐标功能的示意图。 数控技术课件数控技术课件2、全功能型的数控车床、全功能型的数控车床 由于由于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，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， 需要专门的需要专门的伺服电机伺服电机，且与，且与主轴电机主轴电机分开分开 其传动有多种结构形式。其传动有多种结构形式。 图图66和图和图67分别为两个系统的分别为两个系统的C轴传动

5、原理图。轴传动原理图。 数控技术课件采用可啮合和脱开的蜗轮副结构（蜗杆采用可啮合和脱开的蜗轮副结构（蜗杆1、蜗轮、蜗轮3）数控技术课件 滑移齿轮滑移齿轮5与主轴齿轮与主轴齿轮7可可啮合，实现啮合，实现C轴运动。轴运动。 滑移齿轮滑移齿轮5与主轴齿轮与主轴齿轮7脱脱离。实现主轴运动。离。实现主轴运动。数控技术课件 3、主轴编码器、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，所以加工螺纹加工螺纹时，必须要时，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

6、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的的齿轮（同步齿形带）与主轴联系，分别如图齿轮（同步齿形带）与主轴联系，分别如图61和和62。数控技术课件数控技术课件数控技术课件 二、进给系统二、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，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，经过由步进电机或伺服电机驱动，经过03级的齿轮传动，

7、级的齿轮传动， 通过滚珠丝杆带动刀架完通过滚珠丝杆带动刀架完成纵向（成纵向（Z向）和横向（向）和横向（X向）的进给运动。向）的进给运动。 图图68 、69、610、611为几种常用的进给传动装置。为几种常用的进给传动装置。数控技术课件 图图68、69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，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。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。 数控技术课件 图图68、69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

8、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，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。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。 数控技术课件 图图610、611中为步进电机，通过变速齿轮与滚珠丝杆相连，可提高中为步进电机，通过变速齿轮与滚珠丝杆相连，可提高输出转矩。输出转矩。 其中齿轮采用其中齿轮采用柔性调整法柔性调整法消除间隙（见消除间隙（见CC）。）。 丝杆螺母付采用丝杆螺母付采用双螺母螺纹调隙双螺母螺纹调隙式结构。式结构。数控技术课件 图图610、611中为步进电机，通过变速齿轮与滚珠丝杆相连，可提高输

9、出中为步进电机，通过变速齿轮与滚珠丝杆相连，可提高输出转矩。转矩。 其中齿轮采用柔性调整法消除间隙（见其中齿轮采用柔性调整法消除间隙（见CC）。）。 丝杆螺母付采用双螺母螺纹调隙式结构丝杆螺母付采用双螺母螺纹调隙式结构数控技术课件 （三）数控车床的刀架（三）数控车床的刀架 1。自动转位刀架。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（在经济型数控车床上大都使用自动转位刀架（4、5、6把刀）把刀），目前使用最多的是目前使用最多的是螺旋转位刀架。螺旋转位刀架。其工作原理如图其工作原理如图612 所示。所示。数控技术课件 1。自动转位刀架。自动转位刀架 换刀时，微电机换刀时，微电机4正转正

10、转经离合器经离合器3 蜗轮蜗杆副蜗轮蜗杆副丝杆螺母丝杆螺母副副螺母上升（丝杆螺母上升（丝杆2固定），抬起刀架固定），抬起刀架1，使定位用端齿盘的上盘与下盘分，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。降，与下盘啮合并压紧，完成刀架换位。 数控技术课件2。转塔刀架。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分度定位来来实现自动换刀。实现自动换刀。转塔头

11、的轴线与主轴轴线平行转塔头的轴线与主轴轴线平行。 刀位数可多达刀位数可多达20余种。余种。 每当一把刀的切削工序完成后，转塔头根据指令转过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。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。图转塔刀架可由电机或液压马达驱动。图615为转位传动机构简图。为转位传动机构简图。数控技术课件3. 动力刀架动力刀架车削中心车削中心C轴功能轴功能 数控技术课件 （四）四） 床身与导轨床身与导轨 数控车床的床身由四种结构形式，如图数控车床的床身由四种结构形式，如图616。 水平的床身水平的床身加工工艺性好

12、，但床身下部空间小，排屑困难，一般只在经济型数加工工艺性好，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。控车床中使用。 中小规格的现代数控车床多采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斜床身和平床身与斜滑板的结构，的结构，便于排屑，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。动化。 数控技术课件 （四）四） 床身与导轨床身与导轨 经济型数控车床一般采用经济型数控车床一般采用塑料粘接导轨塑料粘接导轨，成本低，性能较好。，成本低，性能较好。 滚动导轨滚动导轨由

13、于摩擦特性好，数控机床应用广泛。由于摩擦特性好，数控机床应用广泛。数控技术课件 二、经济型数控车床的二、经济型数控车床的CNC数控系统数控系统 以以CKL6132系统为例，作一介绍。系统为例，作一介绍。 （一）（一） 主要技术参数与功能（略）主要技术参数与功能（略） （二）硬件结构（二）硬件结构 该机的控制系统框图如图该机的控制系统框图如图617所示所示 该机控制系统以一台该机控制系统以一台16位工控机为主机，以位工控机为主机，以Z80 CPU微处理器为核心的单板微处理器为核心的单板机作从机，构成机作从机，构成二级控制系统。二级控制系统。 主机担负主机担负数据处理、插补控制及一些功能管理等任务

14、；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（如调速、换刀等），还担任手动操作方面的控制任务。控制任务。 数控技术课件数控技术课件（二）硬件结构（二）硬件结构 主机可利于进一步开发，其主机可利于进一步开发，其接口电路，接口电路，其中：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。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，快速进给的定时控制， 8279用于中断控制。用于中断控制。 Z

15、80单板机的单板机的PIO接口电路接口电路用于扫描开关和强电控制，用于扫描开关和强电控制，CTC接口电路接口电路用于主轴用于主轴直流调速和刀具快速移动的定时控制。直流调速和刀具快速移动的定时控制。 主轴脉冲发生器主轴脉冲发生器与主轴同步回转。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。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。 数控技术课件 （三）软件结构（三）软件结构 1。软件的总体结构。软件的总体结构 该车床的软件总体框图如图该车床的软件总体框图如图618所示。所示。 经济型，功能简单，速度要经济型，功能简单，速度要不不高，高，

16、 车床车床无刀具半径补偿计算，无刀具半径补偿计算， 开环开环 中断中断 很少很少 （读入）（读入）译码一段译码一段加工一段加工一段数控技术课件数控技术课件 2。特殊功能模块程序设计。特殊功能模块程序设计 （1） 螺纹切削处理软件螺纹切削处理软件 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：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： 一组脉冲一组脉冲为每转发为每转发1024个，用于控制主轴每转一转，刀架在个，用于控制主轴每转一转，刀架在z向移动一个螺向移动一个螺距值距值。 另一组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，脉冲每转发一个脉冲

17、，用于保证每次走刀是在同一切削点切入加工，以免乱扣。以免乱扣。 数控技术课件 2。特殊功能模块程序设计。特殊功能模块程序设计 （1） 螺纹切削处理软件螺纹切削处理软件 为实现主轴每转一转，刀架在为实现主轴每转一转，刀架在Z向移动一个螺距向移动一个螺距P（对应（对应F个脉冲，个脉冲，F=P/ ) ，可以采用数字积分法（可以采用数字积分法（DDA法），原理如下法），原理如下： 用两个存储单元，其中一个用来用两个存储单元，其中一个用来寄存螺距值寄存螺距值JV（严格地说，是经过换算，正（严格地说，是经过换算，正比于实际螺距值的数）作为比于实际螺距值的数）作为被积函数被积函数，另一个用来寄存余数，另一个

18、用来寄存余数JR（累加器累加器）。）。 采用中断方式，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，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（每次中断进行一次累加运算（被积函数被积函数往往累加器累加）累加器累加）。 当累加器有溢出时，即向当累加器有溢出时，即向Z方向发送一个进给脉冲。方向发送一个进给脉冲。 数控技术课件 主轴每转中发主轴每转中发1024个脉冲，累加运算个脉冲，累加运算1024次，进给方向共发次，进给方向共发P/ 个脉冲（个脉冲（P为实际的螺距，为实际的螺距，单位单位mm； 为脉冲当量），为脉冲当量）， 就保证了就保证了主轴每转一转，刀

19、架在主轴每转一转，刀架在Z向移动一向移动一个螺距值个螺距值P。 设设余数寄存器的容量为余数寄存器的容量为R， 则有关系式：则有关系式： R P/ =JV 1024 由上式可求得由上式可求得寄存螺距值寄存螺距值JV （被积函数）（被积函数）. 书上：书上： JV=F=P/ 则则 R=1024 图图619为为DDA法法数控技术课件CTC常数设置法在单片机中可以利用在单片机中可以利用T0或或T1计数器计数器图图6-20数控技术课件 （2） 刀具选择的软件设计刀具选择的软件设计 自动转位刀架的软件控制过程：自动转位刀架的软件控制过程： 当前刀位当前刀位 转动角转动角 转动转动时间到时间到 刀位与指令值

20、刀位与指令值比较比较 电机反转电机反转 结束结束 指令刀位指令刀位数控技术课件 62 立式加工中心立式加工中心 以以XHK716型立式加工中心为例型立式加工中心为例 一、机床的用途与主要技术性能一、机床的用途与主要技术性能 用途：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，自动换刀、三坐标直线插补、任意二轴圆弧插补、闭环控制， 数控系统采用数控系统采用FANUC-6MB系统系统，适合于复杂型面零件的多工序加工。，适合于复杂型面零件的多工序加工。 技术参数（略）技术参数（略） 二、机床的组成和传动系统二、机床的组成和传动系统 组成：组成：机床部件、主轴箱、进给系统、自动换刀装置、

21、液压系统、气动系统机床部件、主轴箱、进给系统、自动换刀装置、液压系统、气动系统 外形图如图外形图如图621 。 数控技术课件数控技术课件二、机床的组成和传动系统二、机床的组成和传动系统 图图622为机床的传动系统原理图。为机床的传动系统原理图。 主传动：主传动： 宽调速直流电机宽调速直流电机1 轴轴I、 II、 III、 IV 主轴主轴3， 其中其中III轴到轴到IV 轴，由两档变速轴，由两档变速 进给运动（三个方向）：进给运动（三个方向）： 直流伺服电机（直流伺服电机（4、7、9） 张紧环结合子（张紧环结合子（5、6、8） 滚珠丝杆滚珠丝杆 工作台（十字滑台、垂向滑座）工作台（十字滑台、垂向

22、滑座） 进给运动中无传动齿轮，电机直接带动丝杆。进给运动中无传动齿轮，电机直接带动丝杆。数控技术课件数控技术课件 三、机床的自动换刀装置三、机床的自动换刀装置 自动换刀装置由单盘式刀库自动换刀装置由单盘式刀库12、刀库底座、刀库底座11、液压马达、液压马达10、双臂回转机械手、双臂回转机械手组成，见图组成，见图622及图及图621。其中机械手安装在主轴箱的左侧面，换刀时可随同。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。主轴箱一起在立柱上运动。 自动换刀的工作过程见图自动换刀的工作过程见图623。 在整个换刀过程中各项动作均由在整个换刀过程中各项动作均由限位开关限位开关

23、控制，只有前一个动作完成后，才控制，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。能进行下一个动作，从而保证运动的可靠性。 数控技术课件数控技术课件 四、四、FANUC-6MB数控系统的基本功能数控系统的基本功能 （一）概述（一）概述 图图626为为FANUC系统的结构。系统的结构。 每个进给坐标轴都配有一套伺服驱动系统。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。晶体管脉宽调速电路。 系统的位置控制框图如图系统的位置控制框图如图627所示。所示。 CPU输出的位置指令经过专用大规模集成电路输出的位置指令经过专用大规模集成电路位置控制芯片位置控制芯片MB8739处理后，处理后，送往送往D/A，再经速度控制单元控制电机运动。再经速度控制单元控制电机运动。 数控技术课件数控技术课件 位置控制芯片位置控制芯片MB8739是是FANUC公司专门设计的，它包括位置测量与反馈的公司专门设计的，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：全部线路，集成都非常高。其结构主要包括以下几部分： （1）DDA插补器插补器：该插补器作