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,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,前言,本书结合当前数控机床的实际应用水平，从应用的角度系统地介绍了数控机床及相关的知识。书中首先介绍了数控机床的基本知识;然后介绍数控机床的各个组成部分:包括计算机数控系统、数控机床的机械结构、位置检测装置和伺服系统;围绕数控机床的应用，介绍了应用数控机床进行加工所需要的技术基拙知识;各类数控机床的数控编程基本知识与方法;介绍并剖析了若干个应用实例;针对数控机床应用中的常见问题;介绍了数控机床的使用与维护常识。,下一页,第1章 数控机床简介,本章概述,本章主要介绍了数控机床的产生与发展，接着重点讲解了数控机床的组成、工作原理、特点及分类，最后简单地介绍其未来发展趋势，难点是数控机床的工作原理。,教学目标,1.了解数控机床的产生和发展过程。,2.理解数控机床的工作原理，掌握数控机床的组成和特点。,3.熟悉数控机床的分类。,4.了解数控机床未来的发展趋势。,下一页,第1章 数控机床简介,1.1 数控机床的产生与发展,1.2 数控机床的组成和工作过程,1.3 数控机床的特点和分类,1.4 数控机床的发展趋势,1.1 数控机床的产生与发展,1.1.1数控机床的产生,美国麻省理工学院和帕森斯公司20世纪50年代在美空军后勤部的资助下，于1952年3月成功研制了世界上第一台有信息存储和处理功能的新型机床，即数控机床(三坐标立式数控铣床)。数控技术及数控机床的诞生，标志生产和控制领域一个崭新时代的到来。科学技术和社会生产力的迅速发展，对机械产品的质量和生产率提出了越来越高的要求。机械加工工艺过程的自动化成为实现上述要求的最重要措施之一。它不仅能够提高产品质量、提高生产率、降低生产成本，还能极大地改善生产者的劳动条件。,返回,下一页,1.1 数控机床的产生与发展,许多企业，诸如汽车、拖拉机、家用电器等制造了，在大批大量的生产条件下，广泛采用自动机床、组合机床和以专用机床为主体的自动生产线，取得了很高的生产效率和十分显著的经济效益。但是，在机械制造工业中并不是所有的产品都具有很大的批量，单件与小批生产的工件仍占机械加工总量的80%左右。尤其是航空、航天、船舶、机床、重型机械、食品加工机械、包装机械和军工等产品，不仅加工批量小，而且所加工工件形状比较复杂，精度要求也很高，还需要经常改型。如果仍采用专用化程度很高的自动化机床加工这类产品的工件就显得很不合理。对于专用生产线，经常进行改装和调整，不仅会大大提高产品的成,下一页,上一页,返回,1.1 数控机床的产生与发展,本，甚至也不能满足加工要求。由于,“,刚性,”,的大量生产方式使产品的改型和更新变得十分困难，而人们又认识到，用户所得到的价格相对低廉的产品是以牺牲产品的某些性能为代价的。因此，为了保持企业产品的市场份额，即使是大量生产的企业也必须改变产品长期一成不变的传统做法。这样，,“,刚性,”,的自动化生产方式即使是在批量生产中也已日益显露其不适应性。,数控机床的产生极其有效地解决了这一系列问题，使多品种、小批量的自动化生产成为可能，为精度高、形状复杂的工件及单件、小批量加工提供了自动化加工手段),上一页,下一页,返回,1.1 数控机床的产生与发展,数字控制机床(Numerically Controlled MachineTool)，简称数控机床，指的是用数字化信息实现控制的机床，或指装备了数控系统的机床。数控机床将加工过程所需的各种操作(如主轴变速、工件松夹、进刀与退刀、开车与停车、自动关停冷却液等)和步骤以及工件的形状尺寸用数字化的代码表示，通过控制介质(如穿孔纸带或磁盘等)将数字信息送人数控装置，数控装置对输入的信息进行处理与运算，发出各种控制信号，控制机床的伺服系统或其他驭动元件，使机床自动加工出所需要的工件。,上一页,下一页,返回,1.1 数控机床的产生与发展,1.1.2数控机床的发展,第一台数控机床的出现引起了世界各国的关注，它的出现不仅解决了复杂曲线与型面的加工问题，而且指出了今后机床自动化的方向，因此世界各国纷纷投入数控机床及其相关技术的研究。经过半个世纪的研究发展，到现在数控机床已是集现代机械制造技术、计算机技术、通信技术、控制技术、液压气动技术及光电技术为一体的，具有高精度、高效率、高自动化和高柔性等特点的机械自动化设备。其品种不仅覆盖了全部传统的切削加工机床，而且推广到了锻压机床、电加工机床、焊接机、测量机等各个方面，在各个加工行业中得到了广泛的应用。,下一页,上一页,返回,1.1 数控机床的产生与发展,数控机床相关技术的发展如下:,1.数控系统,(1)数控(NC)阶段,第一代数控系统:1952年-1959年，采用电子管、继电器元件;,第二代数控系统:1959年开始，采用晶体管元件;,第三代数控系统:1965年开始，采用集成电路。,(2)计算机数控(CNC)阶段,第四代数控系统:1970年开始，采用大规模集成电路及小型 计算机;,第五代数控系统:1974年开始，采用微型计算机;,第六代数控系统:1990年开始，基于PC机。,上一页,下一页,返回,1.1 数控机床的产生与发展,随着数控系统的发展，其功能不断增多，柔性不断增强，性能价格比不断提高，与此同时，伺服系统和检测元件的性能不断改善，其控制精度也不断提高。,近10年来，由于国外很多知名公司的潜心研究和大力开发，各种不同层次的数控系统快速产生并迅速发展，数控系统正在发生着日新月异的变化。,2.伺服驱动系统,伺服驭动系统的性能直接影响数控机床的精度和进给速度，是数控机床的一个很重要的环节。伺服驭动系统的发展经历了电一液一电三个阶段。,上一页,下一页,返回,1.1 数控机床的产生与发展,第一阶段采用普通直流电动机作为执行元件，利用电轴的办法进行控制。由于普通直流电动机的低速性能差，灵敏度低，这种伺服驭动系统很快就被淘汰了。,第二阶段以液动机代替直流电动机作为执行元件。这在第一台数控机床出现后，就已经开始研制，但直到20世纪60年代初才全面取代了直流电动机。日本使用的是电液脉冲电动机，西欧、美国则多采用电液伺服阀加上液动机。采用液压驭动后，控制性能有了很大提高，但寿命短、成本高、功率消耗大是其致命的缺点。,到20世纪60年代末期，伺服驭动系统迎来了发展的第三阶段。成功研制了由伺服单元、直流进给伺服电动机和反馈元件组成的进给伺服系统。因其性能完全能满足数控机床的要求、寿命长、可靠性好，伺服驭动系统很快就取代了液压伺服系统。,上一页,下一页,返回,1.1 数控机床的产生与发展,近年来又出现了数字化交流伺服电动机，其性能和可靠性又优于直流伺服电动机。,3.主轴伺服驱动,最早的数控机床的主轴是不受控制的，随着数控机床的发展，要求对主轴进行控制。例如加工中心的出现，就要求控制主轴的启动、停止、正反转和主轴的转速;为了加工螺纹，就要求主轴的回转与X轴联动。因此出现了直流主轴伺服电动机。近年来又被交流主轴伺服电动机所取代。随着对主轴转速要求的不断提高，出现了电动机内装式主轴，即用主轴作为电动机轴，电动机的转子安装在主轴上，定子安装在套筒内，这样就不需要齿轮传动，转速可达每分钟几万到十几万转。,以上所述为数控机床主要组成部分的发展概况。其他相关技术，例如程序载体和输入装置、自动监控技术也得到很大的发展，机床本身的结构设计及其新零配件的使用等也在不断地发展。,上一页,返回,1.2 数控机床的组成和工作过程,1.2.1数控机床的组成,数控机床一般由输入、输出装置、数控装置、可编程控制器、伺服系统、检测反馈装置和机床主机等组成，如,图1-1,所示。,1.输入输出装置,输入装置可将不同加工信息传递于计算机。在数控机床产生的初期，输入装置为穿孔纸带，现已趋于淘汰;目前，使用键盘、磁盘等，大大方便了信息输入工作。,输出指输出内部工作参数(含机床正常、理想工作状态下的原始参数，故障诊断参数等)，一般在机床刚工作状态需输出这些参数做记录保存，待工作一段时间后，再将输出与原始资料作比较、对照，可帮助判断机床工作是否维持正常。,下一页,返回,1.2 数控机床的组成和工作过程,2.数控装置,数控装置是数控机床的核心与主导，完成所有加工数据的处理、计算工作，最终实现数控机床各功能的指挥工作。它包含微计算机的电路，各种接口电路、C RT显示器等硬件及相应的软件。,3.可编程控制器,即PLC，它对主轴单元实现控制，将程序中的转速指令进行处理而控制主轴转速;管理刀库，进行自动刀具交换、选刀方式、刀具累计使用次数、刀具剩余寿命及刀具刃磨次数等管理;控制主轴正反转和停止、准停、切削液开关、卡盘夹紧松开、机械手取送刀等动作;还对机床外部开关(行程开关、压力开关、温控开关等)进行控制;对输出信号(刀库、机械手、回转工作台等)进行控制,。,上一页,下一页,返回,1.2 数控机床的组成和工作过程,4.检测反馈装置,由检测元件和相应的电路组成，主要是检测速度和位移，并将信息反馈于数控装置，实现闭环控制以保证数控机床加工精度。,5.机床主机,数控机床的主体，包括床身、主轴、进给传动机构等机械部件。,1.2.2数控机床的工作过程,数控机床的工作大致有如下几个过程，见,图1-2,。,数控加工的准备过程较复杂，内容多，包括对零件的结构认识、工艺分析、工艺方案的制订、加工程序编制、选用工装、辅具及其使用方法等。,机床的调整主要包括刀具命名、调入刀库、工件安装、对刀、测量刀位、机床各部位状态等多项工作内容。,上一页,下一页,返回,1.2 数控机床的组成和工作过程,程序调试主要是对程序本身的逻辑问题及其设计合理性进行检查和调整。,试切加工则是对零件加工设计方案进行动态下的考查，而整个过程均需在前一步实现后的结果评价后再作后一步工作。,试切成功后方可对零件进行正式加工，并对加工后的零件进行结果检测。,前三步工作均为待机时间，为提高工作效率，希望待机时间越短越好，就越有利于机床合理使用。该项指标直接影响对机床利用率的评价(即机床实动率)。,上一页,返回,1.3 数控机床的特点和分类,1.3.1数控机床的特点,1.生产效率高,数控机床的主轴转速、进给速度和快速定位速度高，合理地选择高的切削参数，可以充分发挥刀具的性能，减少切削时间。同时，可以自动完成一些辅助动作，精度高且稳定，不需要在加工过程中进行中间测量，连续完成整个加工过程，减少辅助动作时间和停机时间。因此，数控机床的生产效率高。,2.适应性强，可以完成不同工件的自动加工,适应性即所谓的柔性，是指数控机床随生产对象变化而变化的适应能力。在数控机床上改变加工零件时，只得重新编制程序，输入新的程序后就能实现对新的零件的加工，而不需改变机械部分和控制部分的硬件，且生产过程是自动完成的，这就为复杂结构零件的单件、小批量生产以及试制新产品提供了极大的方便。,下一页,返回,1.3 数控机床的特点和分类,3.良好的经济效益,数控机床虽然设备昂贵，加工时分摊到每个零件上的设备折旧费较高，但在单件、小批量生产的情况下，使用数控机床加工可节省划线工时，减少调整、加工和检验时间，节省直接生产费用。数控机床加工零件一般不需制作专用夹具，节省了工艺装备费用。数控机床加工精度稳定，减少了废品率，使生产成本进一步下降。此外，数控机床可实现一机多用，节省了房面积和建了投资。因此使用数控机床可获得良好的经济效益。,4.有利于生产管理的现代化,数控机床使用数字信息与标准代码处理、传递信息，特别是在数控机床上使用计算机控制，为计算机辅助设计、制造以及管理一体化奠定了基础。,上一页,下一页,返回,1.3 数控机床的特点和分类,5.加工精度高，尺寸一致性好,数控机床具有很高的刚度和热稳定性，其本身精度比较高(一般数控机床的定位精度可达士0.Olmm,重复定位精度可达士0.005 mm，还可以利用软件进行精度校正和补偿。同时，在加工过程中工人不参与操作，工件的加工精度全部由数控机床保证，消除了操作者的人为误差。因此，不但加工精度高，而且尺寸一致性好，加工质量稳定。,6.减轻劳动强度、改善劳动条件,数控机床是自动进行加工的，工件的加工过程不需要人的干预，工人只需要进行装夹工件、启动机床等操作，加工结束自动停车。这样就改善了劳动条件，从而也大大减轻了工人的劳动强度。,上一页,下一页,返回,1.3 数控机床的特点和分类,1.3.2数控机床的分类,数控机床有许多分类方法，但通常按以下最基本的三个方面进行分类:,1.按控制运动轨迹分类,(1)直线控制数控机床直线控制数控机床的特点是机床的运动部件不仅能实现一个坐标位置到另一坐标位置的精确移动和定位，而且能实现平行于坐标轴的直线进给运动或控制两个坐标轴实现斜线的进给运动。用于数控镜床可以在一次安装中对棱柱形工件的平面与台阶进行加工，然后进行点位控制的钻孔、镜孔加工，有效提高了加工精度和生产率。直线控制还可以用于加工阶梯轴或盘类工件的数控车床。,图1-3,所示是直线控制加工示意图。,上一页,下一页,返回,1.3 数控机床的特点和分类,(2)点位控制数控机床点位控制数控机床的特点是机床的运动部件只能够实现从一个位置到另一个位置的精确运动，在运动和定位过程中不进行任何加工工序。数控系统只需要控制行程起点和终点的坐标值，而不控制运动部件的运动轨迹。多用于数控钻床、数控锁床、数控电焊机等。,图1-4,所示为点位控制加工示意图。,(3)轮廓控制数控机床轮廓控制(又称连续控制)数控机床的特点是机床的运动部件能够实现两个或两个以上的坐标轴同时进行联动控制。它不仅要控制机床运动部件的起点与终点坐标位置，而且要控制整个加工过程每一点的速度和位移量，即要控制运动轨迹，用于加工平面内的直线、曲线表面或空间曲面。轮廓控制多用于数控铣床、数控车床、数控磨床和各类数控切割机床，取代了所有类型的仿形加工机床，,下一页,上一页,返回,1.3 数控机床的特点和分类,提高了加工精度和生产率，并极大地缩短了生产准备时间。,图1-5,所示是轮廓控制加工示意图。,2.按控制方式分类,(1)开环控制数控机床开环控制系统的特点是系统只按照数控装置的指令脉冲进行工作，而对执行的结果，即移动部件的实际位移不进行检测和反馈。,图1-6,所示是典型的开环控制系统原理图。步进电动机作为驭动元件，数控装置发出指令脉冲，通过环形分配器和功率放大器驭动步进电动机。每一个指令脉冲使步进电动机转一个角度，此角度叫做步进电动机的步距角。齿轮箱、滚珠丝杠传动使工作台产生一定位移，步进电动机转一个步距角使工作台产生的位移量，即是数控装置发出一个指令脉冲而使移动部件产生的相应位移量，通常称为脉冲当量。因此，工作台的位移量与数控装置发出的指令脉冲成正比，移动的速度与脉冲的频率成正比。改变指令脉冲的数目和频率，即可控,制工作台的位移量和速度。这种系统结构简单、调试方便、价格低廉、易于维修，但机床的位置精度完全取决于不仅电,上一页,下一页,返回,1.3 数控机床的特点和分类,动机的步距角精度和机械部分的传动精度，所以很难得到较高的位置精度。目前，开环控制系统多用于经济型数控机床上。,(2)闭环控制数控机床闭环控制系统是在机床最终的运动部件的相应位置安装直线位置检测装置，当数控装置发出位移指令脉冲，经过伺服电动机、机械传动装置驭动运动部件移动时，直线位置检测装置将检测所得位移量反馈给数控装置的比较器，与输入指令进行比较，用差值控制运动部件，使运动部件严格按实际需要的位移量运动。,图1-7,所示为闭环控制系统原理图。,上一页,下一页,返回,1.3 数控机床的特点和分类,闭环控制系统的特点是加工精度高、移动速度快。但是机械传动装置的刚度、摩擦阻尼特性、反向间隙等非线性因素，对系统的稳定性有很大影响，造成闭环控制系统安装调试比较复杂。且直线位移检测装置造价较高，因此闭环控制系统多用于高精度数控机床和大型数控机床。,(3)半闭环控制数控机床半闭环控制系统是在开环控制伺服电动机轴上装有角位移检测装置，通过检测伺服电动机的转角间接地检测出运动部件的位移(或角位移)，并反馈给数控装置的比较器，与输入指令进行比较，用差值控制运动部件。由于半闭环控制的运动部件的机械传动链不包括在闭环之内，机械传动链的误差无法得到校正或消除。惯性较大的机床运动部件不包括在闭环之内，控制系统的调试十分方便，并具有良好的系统稳定性。同时，由于目前广泛采用的滚珠丝杠螺母机构具有良好的精度和精度保持性，且采取了可靠的,消除反向运动间隙的结构，因此，在一般情况下，半闭环控制正成为首选的控制方式并被广泛采用。,图1-8,所示为半闭环控制系统原理图,上一页,下一页,返回,1.3 数控机床的特点和分类,3.按工艺用途分类,(1)一般数控机床它和普通机床的分类方法相似，可分为数控车床、数控钻床、数控铣床、数控锁床、数控磨床和数控齿轮加工机床等。它们和普通机床的工艺用途相似，但生产率和自动化程度比普通机床高，都适合加工单件、小批量、多品种和复杂形状的工件。,(2)数控加工中心这类数控机床是在一般数控机床上加装一个刀库和自动换刀装置，构成一种带自动换刀装置的数控机床。在一次装夹后，可以对工件的大部分表面进行加工，而且具有两种以上的切削功能。例如以钻削为主兼顾铣、锁的数控机床，称为钻削中心;以车削为主兼顾铣、钻的数控机床，称为车削中心;集铣、钻、锁所有功能于一体的数控机床，称为加工中心。,此外，数控机床也可根据其功能水平、联动轴数、数控装置的构成进行分类。如按功能水平分为高档型数控机床、普及型数控机床、经济型数控机床;按联动轴数分为三轴两联动、三轴联动、四轴四联动、五轴五联动机床等;,上一页,返回,1.4 数控机床的发展趋势,1.4.1数控机床的发展趋势,为了满足市场和科学技术发展的需要，为了达到现代制造技术对数控技术提出的更高的要求，数控未来仍然继续向开放式、基于PC的第六代方式、高速化和高精度化、智能化等方向发展。,1.开放式,为适应数控进线、联网、普及型个性化、多品种、小批量、柔性化及数控迅速发展的要求，最重要的发展趋势是体系结构的开放性，设计生产开放式的数控系统，例如美国、欧共体及日本发展开放式数控的计划等。,下一页,返回,1.4 数控机床的发展趋势,2.基于PC的第六代方式,基于PC所具有的开放性、低成本、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统生产了家会走上这条道路。至少采用PC机作为它的前端机来处理人机界面、编程、联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。PC机所具有的友好的人机界面，将普及到所有的数控系统。远程通信，远程诊断和维修将更加普遍。,3.高速化、高效化,机床向高速化方向发展，可充分发挥现代刀具材料的性能，不但可大幅度提高加工效率、降低加工成本，而且还可提高零件的表面加工质量和精度。超高速加工技术对制造业实现高效、优质、低成本生产有广泛的适用性。20世纪90年代以来，随着超高速切削机制、超硬耐磨、长寿命刀具材料和磨料磨具，大功率高速电主轴、高加/减速度直线电机驭动进给部件以及高性能控制系统(含监控系统)和防护装置等一系列技术领域中关键技术的解决，,欧、美、日各国争相开发应用,上一页,下一页,返回,1.4 数控机床的发展趋势,新一代高速数控机床，加快机床高速化发展步伐。高速主轴单元(电主轴，转速15 000-100 000r/min)、高速且高加/减速度的进给运动部件(快移速度60-120m/min,切削进给速度高达60m/min)、高性能数控和伺服系统以及数控工具系统都出现了新的突破，达到了新的技术水平。,根据高效率、大批量生产需求和电子驭动技术的飞速发展，高速直线电机的推广应用，开发出一批高速、高效的高速响应的数控机床以满足汽车、农机等行业的需求。还由于新产品更新换代周期加快，模具、航空、军事等工业的加工零件不但复杂而且品种增多。,上一页,下一页,返回,1.4 数控机床的发展趋势,4.高精密化,精密化是为了适应高新技术发展的需要，也是为了提高普通机电产品的性能、质量和可靠性，减少其装配时的工作量，从而提高装配效率的需要。从精密加工发展到超精密加工(特高精度加工)，是世界各工业强国致力发展的方向。其精度从微米级到亚微米级，乃至纳米级(0,对于第一象限的逆圆，为了逼近圆弧，应沿一X方向进给一步，其新动点的坐标值为X,i+1,=X,i-1,Y,i+1,=Y,i,，新动点的偏差函数为,若F,i,0，为了逼近圆弧，应沿+Y方向进给一步，其新动点的坐标值为X,i+1,=X,i,，Y,i+1,=Y,i+1,，新动点的偏差函数为,上一页,下一页,返回,2.4 插补原理,由式(2-4)和式(2-5)可知，只要知道前一点的偏差函数，就可以求出新一点的偏差函数。因为加工是从圆弧的起点开始的，起点的偏差函数值F,0,=0，所以新加工的偏差函数值F,i+1,总可以根据前一点的偏差函数值F,i,计算出来。,(2)终点判别法圆弧插补的终点判别方法和直线插补相同。可将从起点到终点X,Y轴步数的总和 存入一个计数器，每走一步，从 中减去1，当 时发出终点到达信号。,(3)插补计算过程圆弧插补过程和直线插补计算过程相同，但是偏差计算公式不同，而且在偏差计算的同时还要进行动点坐标值计算，以便为下一点的偏差计算做好准备。,上一页,返回,2.5 可编程控制器的类型及工作原理,可编程控制器(PLC)是一类以微处理器为基础的通用型自动控制装置。它一般以顺序控制为主，回路调节为辅，能够完成逻辑、顺序、计时、计数和算术运算等功能，既能控制开关量，也能控制模拟量。由于广泛采用了PLC来代替继电器控制，因此使得数控机床的结构更紧凑，功能更丰富，响应速度和可靠性更高。在数控机床、加工中心等自动化程度很高的加工设备和生产制造系统中，PLC是不可缺少的控制装置。,2.5.1 可编程控制器(PLC)类型,数控机床用PLC可分为两类:一类是专为实现数控机床顺序控制而设计制造的内装型PLC;另一类是那些输入输出接口技术规范、输入/输出点数、程序存储量以及运算和控制功能等均能满足数控机床控制要求的独立型PLC。,下一页,返回,2.5 可编程控制器的类型及工作原理,1.内装型PLC,内装型PLC从属于计算机数控系统，PLC与计算机数控系统间的信号传送在计算机数控系统内部即可实现。PLC与机床则通过I/O接口电路实现信号传送。内装型PLC有以下特点:,(1)内装型PLC实际上是计算机数控系统带有的PLC功能，一般作为一种基本的功能提供给用户。,(2)内装型PLC的性能指标(输入/输出点数、程序最大步数、每步执行时间、程序扫描时间、功能指令数目等)是根据所从属的计算机数控系统的规格、性能、适用机床的类型等确定的。其硬件和软件部分是被作为计算机数控系统的基本功能或附加功能与计算机数控系统统一设计制造的，因此系统硬件和软件整体结构十分紧凑。PLC所具有的功能针对性强，技术指标较合理、实用，较适合于单台数控机床及加工中心等场合。,上一页,下一页,返回,2.5 可编程控制器的类型及工作原理,(3)在系统结构上，内装型PLC可与计算机数控系统共用CPU，也可以单独使用一个CPU。内装型PLC一般单独制成一块附加板，插装在计算机数控系统主板的插座上，不单独配备I/0接口，而是使用计算机数控系统本身的I/O接口。,(4)采用内装型PLC结构的计算机数控系统也可以具有某些高级的控制功能，如梯形图编辑和传送功能等。,目前世界上著名的了家如FANUC公司、SIEMENS公司、北京FANUC等均配置了内装型PLC。,2.独立型PLC,独立型PLC独立于计算机数控系统，具有完备的硬件和软件功能，能够独立完成规定的控制任务。采用独立型PLC的计算机数控系统枢图如,图2-20,所示。,上一页,下一页,返回,2.5 可编程控制器的类型及工作原理,独立型PLC有以下特点:,独立型PLC的基本功能结构与通用型PLC完全相同;,独立型PLC在数控机床的应用中一般采用中型或大型PLC,I/O点数一般在200点以上，所以多采用积木式模块化结构，具有安装方便、功能易于扩展和变更等优点;,独立型PLC的输入、输出点数可以通过输入、输出模块的增减灵活配置，有的独立型PLC还可以通过多个远程终端连接器构成有大量输入、输出点的网络，以实现大范围的集中控制。,上一页,下一页,返回,2.5 可编程控制器的类型及工作原理,2.5.2可编程控制器(PLC)的工作原理,如前所述，PLC实质上是一种专用微机，它也由软硬件两部分组成，在软件的控制下，PLC才能正常地工作。,软件分为系统软件和应用软件两部分。系统软件一般用来管理、协调PLC各部分工作，编译、解释用户程序，进行故障诊断等，是制造商为充分发挥PLC的功能和方便用户而设计的，通常都固化在ROM中，与PLC的硬件部分一起提供给用户，是PLC的重要组成部分。,应用软件是用户解决具体问题而编制的程序，属于专用程序。一台PLC装入不同的应用软件，就能实现不同的控制任务。,上一页,下一页,返回,2.5 可编程控制器的类型及工作原理,PLC是采用顺序扫描工作的方式，其基本工作过程如下:,输入采样在系统软件的控制下，顺序扫描各输入点，读入各输入点状态;,程序执行顺序扫描程序中的各条指令，根据输入状态和指令内容进行逻辑运算;,输出刷新根据逻辑运算的结果，向各输出点发出相应的控制信号，实现所要求的逻辑控制功能。,除此之外，为了提高PLC系统的可靠性和其他操作，PLC在工作期间，通常还要进行故障诊断、与编程器通信等工作，整个扫描过程如,图2-21,所示。,上述过程执行完毕后，又重新开始，反复地执行。每执行一遍所需要的时间称为PLC的扫描周期。由于PLC扫描很快，扫描周期通常为毫秒级，满足工业设备控制要求。,上一页,返回,2.6 数控化改造中数控系统的选择,数控系统主要有三种类型，改造时，应根据具体情况进行选择,步进电机拖动的开环系统。该系统的伺服驱动装置主要是步进电机、功率步进电机、电液脉冲电动机等。由数控系统送出的进给指令脉冲，经驱动电路控制和功率放大后，使步进电机转动，通过齿轮副与滚珠丝杠副驱动执行部件。只要控制指令脉冲的数量、频率以及通电顺序，便可控制执行部件运动的位移量、速度和运动方向。这种系统不需要将所测得的实际位置和速度反馈到输入端，故称之为开环系统，该系统的位移精度主要决定于步进电机的角位移精度，齿轮丝杠等传动元件的节距精度，所以系统的位移精度较低。该系统结构简单，调试维修方便，工作可靠，成本低，易改装成功,下一页,返回,2.6 数控化改造中数控系统的选择,异步电动机或直流电机拖动，光栅测量反馈的闭环数控系统。该系统与开环系统的区别是:由光栅、感应同步器等位置检测装置测得的实际位置反馈信号，随时与给定值进行比较，将两者的差值放大和变换，驱动执行机构，以给定的速度向着消除偏差的方向运动，直到给定位置与反馈的实际位置的差值等于零为止。闭环进给系统在结构上比开环进给系统复杂，成本也高，对环境室温要求严。设计和调试都比开环系统难。但是可以获得,比开环进给系统更高的精度，更快的速度，驱动功率更大的特性指标。可根据产品技术要求，决定是否采用这种系统。,上一页,下一页,返回,2.6 数控化改造中数控系统的选择,交/直流伺服电机拖动，编码器反馈的半闭环数控系统。半闭环系统检测元件安装在中间传动件上，间接测量执行部件的位置。它只能补偿系统环路内部部分元件的误差，因此，它的精度比闭环系统的精度低，但是它的结构与调试都较闭环系统简单。在将角位移检测元件与速度检测元件和伺服电机做成一个整体时则无须考虑位置检测装置的安装问题。当前生产数控系统的公司了家比较多，国外著名公司的如德国SIEMENS公司、日本,FANUC公司;国内公司如中国珠峰公司、北京航天机床数控系统集团公司、华中数控公司和沈阳高档数控国家工程研究中心。选择数控系统时主要是根据数控改造后机床要达到的各种精度、驱动电机的功率和用户的要求。,上一页,返回,图2-1微处理机数控系统,返回,图2-2某经济型数控系统面板图,返回,图2-3数控装置的主要工作讨程,返回,图2-4单微处理器CNC装置的组成框图,返回,图2-5自动升降谏处理,返回,图2-6多微处理器共享总线结构框图,返回,图2-7多微处理器共享存储器结构框图,返回,图2-8系统软件的组成,返回,图2-9三种典型CNC装置的软硬件界面,返回,图2-10软件任务的并行处理,返回,图2-11资源分时共享并行处理,返回,图2-12时间重叠流水处理,返回,图2-13背景程序结构,返回,图2-14自动加工方式程序框图,返回,图2-15实时中断服冬程序流程图,返回,图2-16用微小直线段来拟合曲线,返回,图2-17第一象限动点与直线之间的关系,返回,图2-18逐点比较法工作循环图,返回,图2-19第一象限准圆弧,返回,图2-20独立型PLC的计算机数控系统,返回,图2-21 PLC的扫描工作付程,返回,第3章 数控机床的机械结构,本章概述,本章首先简单介绍了数控机床的机械结构特点，第二节重点讲解了数控机床主传动系统，第三节对数控机床进给系统进行了简单介绍，最后两节分别对自动换刀装置和回转工作台两部件详细介绍。,教学目标,1.掌握数控机床的主要结构特点。,2.掌握机床主传动系统的功能，理解主轴的调速方法。,3.掌握数控机床进给系统的特点，理解滚珠丝杠螺母副工作原理并明确其分类，了解齿轮传动副实现消隙的方法，知道数控机床常用导轨分类。,4.了解数控车床刀架，熟悉回转刀架换刀过程，掌握刀具的交换方式及应用场合。,5.了解数控回转工作台的工作原理。,下一页,第3章 数控机床的机械结构,3.1 数控机床的机械结构特点,3.2 数控机床主传动系统,3.3数控机床进给系统简介,3.4自动换刀装置,3.5回转工作台,3.6 小锦囊,3.1 数控机床的机械结构特点,数控机床是高精度和高生产率的自动化机床，其加工过程中的动作顺序、运动部件的坐标位置及辅助功能，都是通过数字信息自动控制的，操作者在加工过程中无法干预，不能像在普通机床上加工零件那样，对机床本身的结构和装配的薄弱环节进行人为补偿，所以数控机床几乎在任何方面均要求比普通机床设计得更为完善，制造得更为精密。为满足高精度、高效率、高自动化程度的要求，数控机床的结构设计已形成自己的独立体系，在这一结构的完善过程中，数控机床出现了不少完全新颖的结构及元件。数控机床的主要结构特点如下:,返回,下一页,3.1 数控机床的机械结构特点,1.高灵敏度,数控机床通过数字信息来控制刀具与工件的相对运动，它要求在相当大的进给速度范围内都能达到较高的精度，因而运动部件应具有较高的灵敏度。导轨部件通常用滚动导轨、塑料导轨、静压导轨等，以减少摩擦力，使其在低速运动时无爬行现象。工作台、刀架等部件的移动，由交流或直流伺服电机驭动，经滚珠丝杠传动，减少了进给系统所需要的驭动扭矩，提高了定位精度和运动平稳性。,2.高抗振性,数控机床的一些运动部件，除应具有高刚度、高灵敏度外，还应具有高抗振性，即在高速重切削情况下应无振动，以保证加工工件的高精度和高的表面质量。特别要注意的是避免切削时的谐振，因此对数控机床的动态特性提出更高的要求。改善动态特性的方法是:提高系统的静刚度，增加阻尼(例如，采用三支承主轴，后支承就有利于消振)以及调整构件的质量和自振频率，通过高速回转部分的动平衡降低扰动作用程度，等等。,上一页,返回,下一页,3.1 数控机床的机械结构特点,3.高精度保持性,为了加快数控机床投资的回收，务必经常使机床保持很高的开动比(比普通机床高2-3倍)，因此必须提高机床的寿命和精度保持性，在保证尽可能地减少电气和机械故障的同时，要求数控机床在长期使用过程中不丧失精度。除各有关零件应正确选择材料，以防使用中的变形和快速磨损外，还要求采取一些工艺措施，如淬火和磨削导轨、粘贴抗磨塑料导轨等，以提高运动部件的耐磨性。,4.刀具先进,一般的数控机床，其主轴转速要比普通机床主轴转速高1一2倍，某些特殊用途的数控机床，其主轴转速高达数万转。因此，数控机床使用的刀具较普通机床用的刀具严格得多，刀具应有高强度和高耐用度，其结构也要合理。这就需要采用新型高速钢和超细粒度硬质合金、立方氮化硼等优质材料制造数控加工刀具，刀具表面进行涂镀处理，以提高刀具寿命，,下一页,上一页,返回,3.1 数控机床的机械结构特点,并且优选刀具参数。就目前我国数控加工刀具的使用来看，还应通过提高刀具材质、加强刀具几何参数和切削用量的研究，开展表面处理技术、刃磨技术以及刀具在线检测技术的研究，来提高刀具质量并为刀具选择及使用提供依据。,5.高刚度,数控机床要在高速和重负荷条件下工作，因此，机床的床身、立柱、主轴、工作台、刀架等主要部件，均需具有很高的刚度，工作中应无变形或振动。例如:有的床身采用双壁结构，并配置有斜肋板及加强肋，使其具有较高的抗弯刚度和抗扭刚度;为提高主轴部件的刚度，除主轴部件在结构上采取必要的措施以外，还要采用高刚度的轴承，并适当预紧;增加刀架底座尺寸，减少刀具的悬伸，以适应稳定的重切削，等等。,上一页,下一页,返回,3.1 数控机床的机械结构特点,6.热变形小,机床的主轴、工作台、刀架等运动部件，在运动中常易产生热量，而工艺过程的自动化和精密加工的发展，对机床的加工精度和精度稳定性提出了越来越高的要求。为保证部件的运动精度，要求各运动部件的发热量最少，以防产生热变形。为此，机床结构根据热对称的原则设计，并改善主轴轴承、丝杠螺母副、高速运动导轨副的摩擦特性。如MJ-SOCNC数控车床主轴箱壳体即按热对称原则设计，并在壳体外缘上铸有密集的散热片结构，主轴轴承采用高性能油脂润滑，并严格控制注入量，使主轴温升很低。对于产生大量切屑的数控机床，一般都带有良好的自动排屑装置，等等。,7.高可靠性,数控机床在自动或半自动条件下工作，尤其在柔性制造系统中的数控机床，可在24 h运转中实现无人管理，这就要求机床具有高的可靠性。为此，要提高数控装置及机床结构的可靠性，像在工作中动作频繁的刀库、换刀机构、托盘、工件交换装置等部件，必须保证在长期工作中十分可靠。,上一页,返回,3.2 数控机床主传动系统,机床的主传动系统将电动机的转矩和功率传递给主轴部件，使安装在主轴内的工件或刀具实现主运动。,3.2.1主传动系统的特点,数控机床与普通机床相比具有以下特点:,主轴转速范围宽，且能实现自动无级变速，可适应各种加工的需要;,传动链短，以保证机床主传动的精度;,为了实现刀具的快换或自动装却，主轴上还必须装有刀具自动夹紧、主轴准停和主轴孔内切屑清除装置。,下一页,返回,3.2 数控机床主传动系统,二、数控机床主轴的调速方法,数控机床的调速是按照控制指令自动执行的，因此变速机构必须适应自动操作的要求。在主传动系统中，目前多采用变频交流电动机和交流调速电动机无级调速系统。在实际生产中，一般要求数控机床在中、高速段为恒功率输出，在低速段为恒转矩输出。为了保证数控机床低速时的扭矩和主轴的变速范围尽可能大，大中型数控机床多采用无级变速与分级变速串联，即在交流电动机无级变速的基础上配以齿轮变速，使之成为分段无级调速。,数控机床主传动系统主要有四种配置方式，如,图3-1,所示。,上一页,下一页,返回,3.2 数控机床主传动系统,1.通过带传动的主传动,如,图3-1,(a)所示，这种传动主要应用在转速较高、变速范围不大的机床上。电动机本身的调速就能够满足要求，不用齿轮变速，可以避免齿轮传动引起的振动与噪声。它适用于高速、低扭矩特性要求的主轴。常用的带传动有V带传动和同步齿形带传动。,2.带有变速齿轮的主传动,这是大、中型数控机床采用的一种配置方式。如图3-1 (b)所示，通过少数几对齿轮降速，扩大输出扭矩，以满足主轴低速时对输出扭矩特性的要求。一部分小型数控机床也采用此种传动方式，以获得强力切削时所需要的扭矩。滑移齿轮的移位大都采用液压拨叉或直接由液压缸带动齿轮来实现。,上一页,下一页,返回,3.2 数控机床主传动系统,3.内装电动机主轴传动结构,如图3-1(c)所示，这种主传动方式大大简化了主轴箱体与主轴的结构，有效地提高了主轴部件的刚度，但主轴输出扭矩小，电动机发热对主轴精度影响较大。,4.用两个电动机分别驱动主轴,如图3-1(d)所示，这是上述两种
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