数控机床原理、结构及维修 第1章 数控机床概述

第1章 数控机床概述
图1-3 Linapod立式虚轴加工中心
1.1 数控机床的产生、特点和应用范围
2 0世纪人类社会最伟大的科技成果之一是计算机的发明与应用，计 算机及控制技术在机械制造设备中的应用是制造业发展最重大的技 术进步。自从1 9 5 2年美国第一台数控机床问世至今已经历了半个 多世纪，现在数控设备已包括车、铣、加工中心、镗、磨、冲压、 电加工以及各类专用加工设备，形成了庞大的数控制造设备家族， 每年全世界数控设备的产量有15万～25万台，产值达数百亿美元。 1.1.1 数控机床的产生
数码管显示或简单
功能较齐全的CRT
功能齐全的CRT
的CRT字符显示
显示或液晶显示
(三维动态图形显示)
无
有
有强功能的PLC，
有轴控制的扩展功能
1.2 数控机床的组成、分类和典型的数控机床
主CPU
表1-1 数控机床分类表
8位或16位CPU
由16位向32位CPU 32位向64位CPU发
过渡
展
1.2 数控机床的组成、分类和典型的数控机床
1.2 数控机床的组成、分类和典型的数控机床
图1-17 XKA5750数控立式铣床 1—底座 2—伺服电动机 3、14—行程限位挡铁 4—强电柜 5—床身 6—横向
限位开关 7—后壳体 8—滑枕 9—万能铣头 10—数控柜 11—操作面板 12—纵向限位开关 13—工作台 15—伺服电动机 16—升降滑座
1.2 数控机床的组成、分类和典型的数控机床
1.2.1 数控机床的组成 由零件的加工过程可知，作为数控机床的基本组成，它应包括： 控制介质(输入／输出设备)、数控装置、伺服驱动和测量反馈装置、 辅助控制装置以及工作本体等部分，如图1⁃5所示。
图1-5 数控机床的组成及框图
1.2 数控机床的组成、分类和典型的数控机床
1.2 数控机床的组成、分类和典型的数控机床
包括驱动、执行和测量反馈装置。 (4)机床本体 数控机床的本体是指其机械结构实体，是实现加工 零件的执行部件。 1)数控机床采用了高性能的主轴及伺服系统，机械传动结构简化， 传动链较短。 2)机械结构具有较高的刚度、阻尼精度及耐磨性，热变形小。 3)更多地采用高效传动部件，如滚珠丝杠副、直线滚动导轨等。
1.1 数控机床的产生、特点和应用范围
1M4.TIF
1)根据零件加工图样进行工艺分析，
1.1 数控机床的产生、特点和应用范围
确定加工方案、工艺参数和位移数据。 2)用规定的程序代码和格式编写零件加工程序单，或用自动编程 软件，进行CAD／CAM工作，直接生成零件的加工程序文件。 3)程序的输入。 4)运行加工程序，进行机床加工试运行、刀具路径模拟等。 5)通过对机床的正确操作，运行程序，完成零件的加工。
(1)控制介质 数控机床工作时，不需要人直接操纵机床，但机床 又必须执行人的意图。 (2)数控装置 数控装置(CNC单元)是数控机床的控制中心，被喻 为“中枢系统”。
图1-6 FANUC数控装置
1.2 数控机床的组成、分类和典型的数控机床
图1-7 SIEMENS数控装置
(3)伺服系统 伺服系统是数控系统的执行机构，
1.2 数控机床的组成、分类和典型的数控机床
(2)主要技术参数 1)主机的主要规格 2)电动机功率： 3)数控装置主要参数： (3)主传动部件特点 主传动部件是机床结构中最主要的部件之一， CK6140的主电动机采用交流变频电动机，实现主轴无级变速，主 轴的支承采用双支承结构，前支承采用高精密双列短圆柱滚子轴 承，后支承采用向心推力球轴承与推力球轴承的组合，使主轴具 有足够的刚度。 2.XKA5750数控铣床 (1)机床的基本构成及基本运动 图1-17是XKA5750数控立式铣床 的外形图，该机床由机床本体部分和控制部分构成。
1.2 数控机床的组成、分类和典型的数控机床
1)床身部件：包括床身与床身底座。 2)主轴箱：主轴箱用于固定机床主轴。 3)床鞍：床鞍包括床鞍与床鞍滑板，床鞍滑板俗称“中滑板”。 4)刀架：刀架固定于床鞍滑板上。 5)尾座：尾座在长轴类零件加工时，起支承作用。 6)数控操作箱：安装显示器、机床操作按钮与部分控制芯板。 7)电气控制箱：电气控制箱内部用于安装各种机床电气控制元件、 数控伺服控制单元及部分控制芯板。
1.2 数控机床的组成、分类和典型的数控机床
用比较的差值进行控制。
图1-15 半闭环伺服系统框图
4.按数控系统功能水平的分类
1.2 数控机床的组成、分类和典型的数控机床
表1-1 数控机床分类表
功能
进给当量和进给速 度
低档数控机床
中档数控机床
进给当量为10μm， 进给当量为1μm，
进给速度为8～15m/m 进给速度为15～24m/
1.2.3 典型的数控机床 1.CK6140数控车床 (1)总体布局 CK6140数控车床的总体布局是在C6140普通车床的 基础上设计开发的数控产品。
图1-16 CK6140数控车床的外形图 1—床身 2—主轴箱 3—电气控制箱 4—数控操作箱 5—刀架
6—尾座 7—床鞍及中滑板 8—卡盘脚踏开关
1.2 数控机床的组成、分类和典型的数控机床
4)高性能交流向量驱动主轴电动机：具有主轴周向定位即准停功 能，变频无级调速，低速挡范围为150～2500r／min，恒转矩；高 速挡范围2500～7500r／rain，恒功率。 5)FADALCNC 88HS数控系统：由机床制造公司生产的数控系统， 所有的机床功能以菜单形式用英文快速显示，不需要繁琐的键盘 输入，具有功能强大、易于使用的特点，另外还具有图形显示功 能。 6)VH-65第四轴旋转头：除了VMC-15型的标准配置以外，该加工 中心还具有第四轴旋转头和对刀仪两项附加部件。 7)TS-27R对刀仪：英国RENISHAW的TS-27R对刀仪能测量刀具直 径、长度，并对其进行补偿。 (3)VMC-5型自动换刀数控镗铣床的技术性能
世界第一台数控机床
1.1 数控机床的产生、特点和应用范围
1949年美国Parsons公司接受美国空军的委托，研制一种计算装置， 用以实现日益复杂的飞机零部件的自动加工。1952年美国麻省理工 学院和Parsons CO.合作研制出了基于电子管和继电器的机床数字控 制装置，用于控制铣床系统为数控机床第一代产品。第二代为晶体 管数控系统。随着集成电路技术的发展，1965年出现了第三代数控 机床—小规模集成电路数控机床，以上第二三代为数控机床发展的 第一阶段，称为NC阶段，即逻辑数字控制阶段，其特点是数控系统 的所有功能均由硬件(数控装置)来实现，故又称为硬件数控。1970 年小型计算机开始用于数控机床，数控机床的发展由此进入第二阶 段，称为CNC阶段，即计算机数字控制阶段。 1974年微处理器应用于数控机床，使数控机床进入快速发展，迅速 普及阶段。
1.2 数控机床的组成、分类和典型的数控机床
图1-14 闭环伺服系统框图
(3)半闭环伺服系统数控机床 半闭环控制系统如图1-15所示，它 在开环控制系统的丝杠端头或电动机端头上装有检测装置，通过 检测丝杠的角位移(转角)和转速，间接地检测移动部件的实际位移 量，然后反馈到CNC装置中进行位置比较，
1.1 数控机床的产生、特点和应用范围
1.1.2 数控机床的特点和应用范围 数控机床是采用了数控技术的机床，或者说是装备了数控系统的机 床。国际信息处理联盟(International Federation of Information Process ing，IFIP)第五技术委员会对数控机床定义如下：数控机床是一个装 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。也可通俗的说就是利用数字化信息对 机械运动和加工过程进行控制的技术，采用了数控技术的机床为数 控机床
1.2 数控机床的组成、分类和典型的数控机床
图1-12 数控机床分类 a)点位控制 b)直线控制 c)轮廓控制
3.按伺服系统类型的分类 (1)开环伺服系统数控机床 开环伺服系统是不带测量反馈装置的 控制系统，如图1-13所示。
1.2 数控机床的组成、分类和典型的数控机床
图1-13 开环伺服系统框图
1.2 数控机床的组成、分类和典型的数控机床
(2)机床的主要技术参数 3.VMC-15加工中心的布局与组成 (1)VMC-15加工中心的布局 VMC-15加工中心是美国FAD百度文库L公司 的产品，布局形式为立式。
1.2 数控机床的组成、分类和典型的数控机床
图1-18 VMC-15型加工中心的外形图 1—对刀仪 2—工作台(X，Y轴进给) 3—第四轴旋转头
图1-8 床身
1.2 数控机床的组成、分类和典型的数控机床
图1-9 APC
1.2 数控机床的组成、分类和典型的数控机床
(5)辅助装置 辅助装置主要包括换刀机构、工件自动交换机构、 工件夹紧机构、润滑装置、冷却装置、照明装置、排屑装置、液 压气动系统、过载保护与限位保护装置等。
1.2 数控机床的组成、分类和典型的数控机床
in
min
高档数控机床
进给当量为0．1μm， 进给速度为15～100m /min
伺服进给系统 联动轴数 通信功能 显示功能 内装PLC
开环、步进电动机 半闭环直流伺服系 闭环伺服系统，交 统或交流伺服系统 流、直流伺服电动机
2～3轴 无
3～4轴 RS232或DNC接口
3轴以上
RS232、RS485、D NC、MAP接口
数控机床原理、结构与维修
主编
第1章 数控机床概述
1.1 数控机床的产生、特点和应用范围 1.2 数控机床的组成、分类和典型的数控机床 1.3 数控系统 1.4 数控机床的现状和发展趋势
第1章 数控机床概述
图1-1 德国的DMU80FD五轴加工中心
第1章 数控机床概述
图1-2 Hexa 6X虚轴加工中心
1.3 数控系统
1.3.1 CNC系统的组成 CNC系统(又称计算机数控系统)是数控机床的重要部分，它随着计 算机技术的发展而发展。现在的数控装置都是由计算机完成以前 由硬件数控所做的工作。数控系统是由操作面板、输入输出设备、 CNC装置、可编程序控制器(PLC)、主轴伺服单元、进给伺服单元、 主轴驱动装置和进给驱动装置(包括检测装置)等组成，有时也称为 CNC系统。CNC系统框图见图1⁃19所示。CNC系统的核心是CNC 装置。CNC装置由硬件和软件组成，CNC装置的软件在硬件的支 持下，合理地组织、管理整个系统正常运行。随着计算机技术的 发展，CNC装置性能越来越优，价格越来越低。
(2)闭环伺服系统数控机床 闭环伺服系统如图1-14所示，它在机 床移动部件的位置上直接装有直线位置检测装置，检测刀具或工 作台的实际位移值并将检测到的位移值及时反馈到CNC装置中，
1.2 数控机床的组成、分类和典型的数控机床
与所要求的位移指令值进行比较，用比较的差值进行控制，直到 差值消除为止。
4—刀库 5—防护装置 6—主轴箱(Z轴进给) 7—操作面板
1.2 数控机床的组成、分类和典型的数控机床
(2)VMC-15加工中心的组成 1)主传动驱动：主电动机通过传动比为1∶1的V带直接驱动主轴， 无齿轮传动，具有噪声小、热量少、振动较小及功率损失小等优 点。 2)刀库：21把刀具的刀库，其换刀过程靠刀库的移动、转位以及 主轴箱的上、下移动来完成，无须机械手交换刀具，结构简单， 动作可靠。 3)进给驱动：X、Y、Z向的进给运动是由交流伺服电动机通过联轴 器直接驱动滚珠丝杠来实现的，其最高移动速度为400in／min(英 寸每分钟，1 in=2.54 cm)。
图1-10 刀库
1.2 数控机床的组成、分类和典型的数控机床
图1-11 排屑示意图
1.2 数控机床的组成、分类和典型的数控机床
1.2.2 数控机床的分类 数控机床通常按以下最基本的几个方面进行分类： 1.按加工方式和工艺用途分类 2.按加工路线分类 (1)点位控制数控机床 点位控制方式就是刀具与工件相对运动时， 只控制从一点运动到另一点的准确性，而不考虑两点之间的运动路 径和方向，如图1-12a所示。 (2)直线控制数控机床 直线控制方式就是刀具与工件相对运动时， 除控制从起点到终点的准确定位外，还要保证平行坐标轴的直线切 削运动，如图1-12b所示。 (3)轮廓切削(连续轨迹)控制数控机床 轮廓控制就是刀具与工作相 对运动时，能对两个或两个以上坐标轴的运动同时进行控制。