数控机床的概述.pptx

2023年3月17日 教学重点、难点 数控机床的组成、工作原理、典型结构数控机床的组成、工作原理、典型结构、第1页/共143页2023年3月17日第一节第一节 数控机床的发展过程数控机床的发展过程一、数控机床的产生 最早出现于二十世纪四十年代初期的美国北密执安的一个小公司，在制造飞机框架和直升机叶片时，利用全数字电子计算机对叶片轮廓的加工路径精确地控制 1952年研制成功了世界第一台数控机床直线插补连续控制的三坐标立式铣床 第2页/共143页2023年3月17日第一代：1952至1959年，采用电子管、继电器元件；第二代：1959年开始，采用了晶体管分立元件；第三代：1965年开始，采用集成电路；第四代：1970年开始，采用大规模集成电路及小型计算机；第五代：1974年开始，采用微型计算机。第3页/共143页2023年3月17日1958年开始研究 1968年研制成功 X53K-1立式铣床1975年研制成功第一台加工中心我国数控机床的发展第4页/共143页2023年3月17日二、数控机床的发展趋势（数控系统）二、数控机床的发展趋势（数控系统）(一)高速度、高精度化(二)多功能化(三)高效化(四)智能化(五)先进制造系统第5页/共143页2023年3月17日数控机床的发展趋势数控机床的发展趋势 （伺服系统（伺服系统 ）（早期）电液脉冲马达-功率步进电动机-（60年代日本）小惯量直流伺服电动机-（70年代美）大惯量直流伺服电动机（宽调速直流伺服电动机）-（80年代美通用电气公司）异步交流伺服电动机第6页/共143页2023年3月17日数控机床的发展趋势数控机床的发展趋势 （整体）（整体）数控机床加工中心（Machining Center)加工单元直接数控系统（Direct NC-DNC）柔性制造单元（Flexible）Manufacturing Cell-FMC）柔性制造系统（Flexible Manufacturing System-FMS）计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufacturing System-CIMS）第7页/共143页2023年3月17日加工中心（加工中心（Machining CenterMachining Center）一次装夹可完成多道工序加工。它配备有装载多把刀具的刀具库，并具有自动更换刀具的功能。返回第8页/共143页2023年3月17日返回加工单元加工单元由数控机床、工业机器人或工件交换机和工件台架组成的加工单元，工件装卸、加工实现了全自动化控制。第9页/共143页2023年3月17日三、三、先进制造系统先进制造系统柔性制造单元（FMCFlexible Manufacturing Cell）柔性制造系统（FMS-Flexible Manufacturing System）计算机集成制造系统第10页/共143页2023年3月17日作业作业字母缩写数控系统的发展趋势第11页/共143页2023年3月17日基本概念基本概念数字控制数字控制数字控制数字控制-（Numerical controlNumerical control）NC.NC.简称数简称数 控。是指利用数字化的代码构成的程序或对设备的控。是指利用数字化的代码构成的程序或对设备的工作过程实现自动控制的一种方法。工作过程实现自动控制的一种方法。数控系统数控系统数控系统数控系统-利用数字控制技术实现的自动控制利用数字控制技术实现的自动控制系统。系统。数控设备数控设备数控设备数控设备-采用数控系统进行控制的机械设备。采用数控系统进行控制的机械设备。其操作命令是数字代码的形式来描述。工作过程是其操作命令是数字代码的形式来描述。工作过程是按照指定的程序自动地进行。按照指定的程序自动地进行。第二节数控机床的组成、工作原理与特点第12页/共143页2023年3月17日 如：数控机床、数控切割机、数控绘图机、数如：数控机床、数控切割机、数控绘图机、数控测量机、数控雕刻机、电脑绣花机、衣料开片机、控测量机、数控雕刻机、电脑绣花机、衣料开片机、数控插件机等。数控插件机等。数控机床数控机床数控机床数控机床-装备了数控系统的机床称之为数控装备了数控系统的机床称之为数控机床。机床。第13页/共143页2023年3月17日内脏手脚头脑五官骨骼驱动装 置伺服电 动 机检测装 置数控系 统机床传动链一、数控机床的组成一、数控机床的组成从仿生学的观点来看，数控机床的组成类似于人的构造及功能人的五大要素人的五大要素数控机床的五大要素数控机床的五大要素第14页/共143页2023年3月17日对应关系内脏：建立了用能量来维持人的 生命和活动的条件（动力）数控机床中的驱动装置和电源 返回第15页/共143页2023年3月17日对应关系对应关系五官：接受外界的信息（传感器）数控机床中位置和速度检测装置及压力、温度传感器返回第16页/共143页2023年3月17日对应关系对应关系骨骼：用来把人体连成一体并规定 其运动（机构）数控机床的机械传动链，如滚珠丝杠螺母副、导轨副、齿轮副及联轴器等 返回返回第17页/共143页2023年3月17日对应关系对应关系手脚：作用于外界（执行器）数控机床的主轴电动机、进给伺服电动机及各种液压缸和汽缸等返回返回第18页/共143页2023年3月17日对应关系对应关系头脑：集中处理全部信息，并对其他要头脑：集中处理全部信息，并对其他要 素和它们间的连接进行有机的统素和它们间的连接进行有机的统 一控制（计算机）一控制（计算机）数控机床的数控机床的数控系统数控系统返回第19页/共143页2023年3月17日对应关系对应关系人体五大要素间的信息传递是靠神经网络人体五大要素间的信息传递是靠神经网络对应于数控机床的各种控制信号、反馈信号对应于数控机床的各种控制信号、反馈信号及驱动线路及驱动线路返回第20页/共143页2023年3月17日加工信息(加 工 程序)机床切削(机床)信息处理(数 控 系统)伺服执行(伺 服 系统)信息反馈(反 馈 系统)信息输入(输 入 装置)辅助控制装置二二 数控机床的（组成）加工过程数控机床的（组成）加工过程第21页/共143页2023年3月17日（1）、加工程序：加工一个零件所需的数据及操作命令构成的零件加工程序。（2）、输入装置：在零件加工前，由操作人员输入数控机床加工程序才能根据加工程序进行加工控制，从而加工出所需的零件。输入时需借助于键盘、（显示器）-输出等，是进行手动数据输入（MDI-Manual Data Input）的主要设备。此外，如：磁盘、磁带和穿孔纸带（存储程序的介质）也可输入；还可用串行通信的方式输入磁带阅读机、纸带阅读机。返回第22页/共143页2023年3月17日（3）、数控系统：主功能是将输入装置传送的数据加工程序，经数控装置系统软件进行译码、插补运算和速度预处理等。译码时将程序区分为：几何数据：刀具相对工件运动路径的数据；利用它可加工出要求的几何形状。工艺数据：主轴转速S和进给速度F等辅助功能的数据。开关功能：对机床电器的开关命令；如：主轴启/停、刀具选择/交换、切削液的开关、润滑液的启/停等。插补器：根据曲线已知的几何数据以及相关的工艺数据中速度信息，计算出曲线起、终点间的一系列中间点，分别向机床各坐标轴发出速度和位移信号，通过各个轴运动的合成，形成符合数控加工程序要求的工件轮廓的刀具的运动轨迹。返回第23页/共143页2023年3月17日（4）、伺服系统：作用是接收数控系统插补的速度和位移的数字信号，转化为模拟信号后控制伺服电动机的运动速度（机床的进给运动）方向。一般由“驱动电路+伺服电机”组成，并与机床的机械传动部件组成数控机床的进给系统。（每个进给运动的执行部件都配有一套伺服驱动装置：开、闭、半闭环之分）常用的伺服电动机有：功率步进电动机、宽调速直流伺服电动机、交流伺服电动机等。返回第24页/共143页2023年3月17日（5）、反馈系统：它与伺服系统配套组成闭环和半闭环伺服驱动系统；通过直接或间接测量将执行部件的实际进给位移检测出来，反馈到数控系统并与指令位移比较，将其误差转换放大后控制执行部件的进给运动，以提高系统精度。（6）、机床：执行部件。如：机床工作台、刀具等。返回第25页/共143页2023年3月17日三、加工特点三、加工特点数控加工与其他加工方法比较，数控机床有以数控加工与其他加工方法比较，数控机床有以下的下的特点特点：第26页/共143页2023年3月17日1 1）优点）优点具有充分的柔性，只需编制零件程序就能加工新零件具有充分的柔性，只需编制零件程序就能加工新零件 在切削速度和进给的全范围内均可保持精度、一致在切削速度和进给的全范围内均可保持精度、一致性好性好 生产周期较短生产周期较短 可以加工形状复杂的零件可以加工形状复杂的零件 易于调整机床，与其它制造方法（如自动机床、自易于调整机床，与其它制造方法（如自动机床、自动生产线）相比，所需调整时间较少动生产线）相比，所需调整时间较少 操作者有空闲时间，空闲时可照料其它加工操作操作者有空闲时间，空闲时可照料其它加工操作第27页/共143页2023年3月17日2 2 2 2）、缺点）、缺点）、缺点）、缺点造价相对较高造价相对较高 维护比较复杂，需专门的维护人员维护比较复杂，需专门的维护人员 需高度熟练和经过培训的零件编程人员需高度熟练和经过培训的零件编程人员第28页/共143页2023年3月17日返回适合于数控机床加工的零件1 1、轮廓形状复杂、加工精度要求高或必须用数、轮廓形状复杂、加工精度要求高或必须用数学方法解决的复杂曲线、曲面的小批量（学方法解决的复杂曲线、曲面的小批量（100100件件左右）零件。左右）零件。2 2、试制中尚需多次改变设计的零件。、试制中尚需多次改变设计的零件。3 3、加工工序较多的零件（如箱体类零件、航空、加工工序较多的零件（如箱体类零件、航空附件壳体等）。附件壳体等）。4 4、价格昂贵的零件（如飞机大梁）。若加工中、价格昂贵的零件（如飞机大梁）。若加工中出现差错而使此类零件报废，将造成巨大的经出现差错而使此类零件报废，将造成巨大的经济损失。济损失。5 5、要求精密复制的零件。、要求精密复制的零件。第29页/共143页2023年3月17日作业作业数控机床由哪几部分组成？各部分的基本作用是数控机床由哪几部分组成？各部分的基本作用是什么？什么？数控机床适用于加工哪些零件？数控机床适用于加工哪些零件？与普通机床相比，数控机床加工有何特点？与普通机床相比，数控机床加工有何特点？第30页/共143页2023年3月17日第三节第三节 数控机床的分类一、按工艺用途分一、按工艺用途分一、按工艺用途分一、按工艺用途分二、按控制的运动轨迹分二、按控制的运动轨迹分二、按控制的运动轨迹分二、按控制的运动轨迹分三、按控制方式分三、按控制方式分三、按控制方式分三、按控制方式分四、按硬件基础分四、按硬件基础分四、按硬件基础分四、按硬件基础分五、按功能水平分五、按功能水平分五、按功能水平分五、按功能水平分六、按加工类型分六、按加工类型分六、按加工类型分六、按加工类型分七、按可联动的轴数分类七、按可联动的轴数分类七、按可联动的轴数分类七、按可联动的轴数分类第31页/共143页2023年3月17日一、按工艺用途分一般数控机床一般数控机床有车、铣、有车、铣、钻、镗、磨等钻、镗、磨等加工中心加工中心在普通数控机床在普通数控机床上加装了刀库和自动换刀装置而上加装了刀库和自动换刀装置而构成的数控机床。特点是工件经构成的数控机床。特点是工件经一次装夹能进行多工序加工。一次装夹能进行多工序加工。第32页/共143页2023年3月17日二、按控制的运动轨迹分1 1 1 1、点位控制系统、点位控制系统、点位控制系统、点位控制系统（Positioning ControlPositioning Control ）点位控制系统只控制刀具点位控制系统只控制刀具点位控制系统只控制刀具点位控制系统只控制刀具相对工件从一点移动到另一相对工件从一点移动到另一相对工件从一点移动到另一相对工件从一点移动到另一点的准确位置，而对于点与点的准确位置，而对于点与点的准确位置，而对于点与点的准确位置，而对于点与点之间移动的轨迹不进行控点之间移动的轨迹不进行控点之间移动的轨迹不进行控点之间移动的轨迹不进行控制，且移动过程中不进行切制，且移动过程中不进行切制，且移动过程中不进行切制，且移动过程中不进行切削。削。削。削。应用：数控钻床、数控镗应用：数控钻床、数控镗应用：数控钻床、数控镗应用：数控钻床、数控镗床、数控冲床、数控测量机、床、数控冲床、数控测量机、床、数控冲床、数控测量机、床、数控冲床、数控测量机、数控弯管机。数控弯管机。数控弯管机。数控弯管机。第33页/共143页2023年3月17日2 2、直线控制系统、直线控制系统（strainght-line Control）直线控制系统不仅控制直线控制系统不仅控制点与点的准确位置，而点与点的准确位置，而且控制两点间刀具移动且控制两点间刀具移动的轨迹是一条直线，且的轨迹是一条直线，且移动过程中刀具能以给移动过程中刀具能以给定的进给速度进行切削。定的进给速度进行切削。应用：数控铣床、数控应用：数控铣床、数控车床、数控镗、铣床、车床、数控镗、铣床、加工中心。加工中心。第34页/共143页2023年3月17日3 3、轮廓控制系统、轮廓控制系统（Contouring Control）轮廓控制系统（连续控制系统）轮廓控制系统（连续控制系统）能对两个或两个以上的坐标轴能对两个或两个以上的坐标轴同时进行连续控制（坐标联动）同时进行连续控制（坐标联动），连续控制系统是多坐标同时，连续控制系统是多坐标同时控制，信息处理比较复杂，需控制，信息处理比较复杂，需进行插补计算（据给定的运动进行插补计算（据给定的运动代码指令和进给速度计算刀具代码指令和进给速度计算刀具相对工件的运动轨迹相对工件的运动轨迹）然后）然后进行相应的速度和位移控制，进行相应的速度和位移控制，将零件加工成一定形状。将零件加工成一定形状。应用：（功能完善的）数控车应用：（功能完善的）数控车床、数控铣床、数控磨床、数床、数控铣床、数控磨床、数控火焰机及数控线切割机、数控火焰机及数控线切割机、数控加工中心等。控加工中心等。第35页/共143页2023年3月17日3 3 3 3、轮廓控制系统、轮廓控制系统、轮廓控制系统、轮廓控制系统（Contouring ControlContouring Control）轮廓控制系统（连续控制系统）轮廓控制系统（连续控制系统）轮廓控制系统（连续控制系统）轮廓控制系统（连续控制系统）能对两个或两个以上的坐标轴同时能对两个或两个以上的坐标轴同时能对两个或两个以上的坐标轴同时能对两个或两个以上的坐标轴同时进行连续控制（坐标联动），连续进行连续控制（坐标联动），连续进行连续控制（坐标联动），连续进行连续控制（坐标联动），连续控制系统是多坐标同时控制，信息控制系统是多坐标同时控制，信息控制系统是多坐标同时控制，信息控制系统是多坐标同时控制，信息处理比较复杂，需进行插补计算处理比较复杂，需进行插补计算处理比较复杂，需进行插补计算处理比较复杂，需进行插补计算（据给定的运动代码指令和进给速（据给定的运动代码指令和进给速（据给定的运动代码指令和进给速（据给定的运动代码指令和进给速度计算刀具相对工件的运动轨迹度计算刀具相对工件的运动轨迹度计算刀具相对工件的运动轨迹度计算刀具相对工件的运动轨迹）然后进行相应的速度和位移控）然后进行相应的速度和位移控）然后进行相应的速度和位移控）然后进行相应的速度和位移控制，将零件加工成一定形状。制，将零件加工成一定形状。制，将零件加工成一定形状。制，将零件加工成一定形状。应用：（功能完善的）数控车床、应用：（功能完善的）数控车床、应用：（功能完善的）数控车床、应用：（功能完善的）数控车床、数控铣床、数控磨床、数控火焰机数控铣床、数控磨床、数控火焰机数控铣床、数控磨床、数控火焰机数控铣床、数控磨床、数控火焰机及数控线切割机、数控加工中心等及数控线切割机、数控加工中心等及数控线切割机、数控加工中心等及数控线切割机、数控加工中心等第36页/共143页2023年3月17日三、按控制方式分1 1 1 1、开环控制系统、开环控制系统、开环控制系统、开环控制系统（Open Loop ControlOpen Loop Control）不带位置反馈的控制系统。不带位置反馈的控制系统。不带位置反馈的控制系统。不带位置反馈的控制系统。一般用功率步进电动机、电液脉冲马达（由步进一般用功率步进电动机、电液脉冲马达（由步进一般用功率步进电动机、电液脉冲马达（由步进一般用功率步进电动机、电液脉冲马达（由步进电动机和液压扭矩放大器组成）作为执行元件。电动机和液压扭矩放大器组成）作为执行元件。电动机和液压扭矩放大器组成）作为执行元件。电动机和液压扭矩放大器组成）作为执行元件。特点：特点：特点：特点：a a a a、结构简单，运行工作稳定，调试、维修方便，、结构简单，运行工作稳定，调试、维修方便，、结构简单，运行工作稳定，调试、维修方便，、结构简单，运行工作稳定，调试、维修方便，价格低廉。价格低廉。价格低廉。价格低廉。b b b b、精度较低（取决于步进电动机以及传动机构、精度较低（取决于步进电动机以及传动机构、精度较低（取决于步进电动机以及传动机构、精度较低（取决于步进电动机以及传动机构的精度。的精度。的精度。的精度。c c c c、应用于精度要求不高的经济型数控系统中。、应用于精度要求不高的经济型数控系统中。、应用于精度要求不高的经济型数控系统中。、应用于精度要求不高的经济型数控系统中。第37页/共143页2023年3月17日第38页/共143页2023年3月17日2 2 2 2、闭环控制、闭环控制、闭环控制、闭环控制（Close Loop ControlClose Loop Control）数控机床数控机床数控机床数控机床这类系统的位置检测装置安装在机床工作台上，将这类系统的位置检测装置安装在机床工作台上，将这类系统的位置检测装置安装在机床工作台上，将这类系统的位置检测装置安装在机床工作台上，将工作台的实际位置检测出来并与工作台的实际位置检测出来并与工作台的实际位置检测出来并与工作台的实际位置检测出来并与CNCCNCCNCCNC装置的指令进行装置的指令进行装置的指令进行装置的指令进行比较，用差值进行控制，如上图结构。比较，用差值进行控制，如上图结构。比较，用差值进行控制，如上图结构。比较，用差值进行控制，如上图结构。特点：特点：特点：特点：可矫正全部传动环节造成的误差，精度很高；可矫正全部传动环节造成的误差，精度很高；可矫正全部传动环节造成的误差，精度很高；可矫正全部传动环节造成的误差，精度很高；（取决于检测装置的精度）（取决于检测装置的精度）（取决于检测装置的精度）（取决于检测装置的精度）不稳定因素多，调试困难；不稳定因素多，调试困难；不稳定因素多，调试困难；不稳定因素多，调试困难；用于高精度设备的控制。如：镗、铣床，超用于高精度设备的控制。如：镗、铣床，超用于高精度设备的控制。如：镗、铣床，超用于高精度设备的控制。如：镗、铣床，超精车床，磨床等；精车床，磨床等；精车床，磨床等；精车床，磨床等；第39页/共143页2023年3月17日3 3 3 3、半闭环控制系统、半闭环控制系统、半闭环控制系统、半闭环控制系统（Semi-Closed Loop ControlSemi-Closed Loop Control）这类系统位置检测装置安装在电动机或丝杠轴端，这类系统位置检测装置安装在电动机或丝杠轴端，这类系统位置检测装置安装在电动机或丝杠轴端，这类系统位置检测装置安装在电动机或丝杠轴端，通过角位移的测量间接得出机床工作台的实际位置，通过角位移的测量间接得出机床工作台的实际位置，通过角位移的测量间接得出机床工作台的实际位置，通过角位移的测量间接得出机床工作台的实际位置，并与并与并与并与CNCCNCCNCCNC装置的指令位置进行比较，用差值进行控制。装置的指令位置进行比较，用差值进行控制。装置的指令位置进行比较，用差值进行控制。装置的指令位置进行比较，用差值进行控制。以交、直流伺服电机作为驱动元件。以交、直流伺服电机作为驱动元件。以交、直流伺服电机作为驱动元件。以交、直流伺服电机作为驱动元件。特点：特点：特点：特点：可矫正部分环节造成的误差，精度比开环的高；可矫正部分环节造成的误差，精度比开环的高；可矫正部分环节造成的误差，精度比开环的高；可矫正部分环节造成的误差，精度比开环的高；反馈过程中不稳定因素少，调试较方便，稳定性反馈过程中不稳定因素少，调试较方便，稳定性反馈过程中不稳定因素少，调试较方便，稳定性反馈过程中不稳定因素少，调试较方便，稳定性好；好；好；好；机械环节（反向间隙、丝杠螺距累积误差）等通机械环节（反向间隙、丝杠螺距累积误差）等通机械环节（反向间隙、丝杠螺距累积误差）等通机械环节（反向间隙、丝杠螺距累积误差）等通过数控系统的参数设置进行补偿，以提高其精度。过数控系统的参数设置进行补偿，以提高其精度。过数控系统的参数设置进行补偿，以提高其精度。过数控系统的参数设置进行补偿，以提高其精度。第40页/共143页2023年3月17日第41页/共143页2023年3月17日四、按硬件基础分1 1 1 1、硬件数控：早期的数控系统采、硬件数控：早期的数控系统采、硬件数控：早期的数控系统采、硬件数控：早期的数控系统采用的是数字逻辑电路，故叫用的是数字逻辑电路，故叫用的是数字逻辑电路，故叫用的是数字逻辑电路，故叫NCNCNCNC系系系系统。功能少，线路复杂、可靠性统。功能少，线路复杂、可靠性统。功能少，线路复杂、可靠性统。功能少，线路复杂、可靠性低，逐渐被淘汰。低，逐渐被淘汰。低，逐渐被淘汰。低，逐渐被淘汰。2 2 2 2、计算机数控：也称微机数控，、计算机数控：也称微机数控，、计算机数控：也称微机数控，、计算机数控：也称微机数控，可完成复杂功能，速度快，性价可完成复杂功能，速度快，性价可完成复杂功能，速度快，性价可完成复杂功能，速度快，性价比高。比高。比高。比高。第42页/共143页五、按功能水平分类型类型类型类型性能指标性能指标性能指标性能指标CPUCPUCPUCPU（位）（位）（位）（位）显示器显示器显示器显示器执行元件执行元件执行元件执行元件脉冲当脉冲当脉冲当脉冲当量量量量（mmmmmmmm）快进速快进速快进速快进速度度度度（m/mim/mim/mim/min n n n）1 1 1 1、低档、低档、低档、低档 数码管数码管数码管数码管/简单简单简单简单CRTCRTCRTCRT步进电步进电步进电步进电动机动机动机动机0.01-0.01-0.01-0.01-0.0050.0050.0050.0054-104-104-104-102 2 2 2、中档、中档、中档、中档 16/3216/3216/3216/32较齐全较齐全较齐全较齐全CRTCRTCRTCRT半闭环直流半闭环直流半闭环直流半闭环直流/交流交流交流交流伺服系统伺服系统伺服系统伺服系统0.005-0.005-0.005-0.005-0.0010.0010.0010.00115-2415-2415-2415-243 3 3 3、高档、高档、高档、高档 32/6432/6432/6432/64CRTCRTCRTCRT（三维图形（三维图形（三维图形（三维图形显示）显示）显示）显示）闭环直流闭环直流闭环直流闭环直流/交流伺交流伺交流伺交流伺服系统服系统服系统服系统0.001-0.001-0.001-0.001-0.00010.00010.00010.000115-10015-10015-10015-100第43页/共143页2023年3月17日六、按加工方式分类1 1 1 1、金属切削类数控机床、金属切削类数控机床、金属切削类数控机床、金属切削类数控机床此类数控机床有数控车床、数控钻床、数控铣床、此类数控机床有数控车床、数控钻床、数控铣床、此类数控机床有数控车床、数控钻床、数控铣床、此类数控机床有数控车床、数控钻床、数控铣床、数控镗床、数控磨床和加工中心等。数控镗床、数控磨床和加工中心等。数控镗床、数控磨床和加工中心等。数控镗床、数控磨床和加工中心等。2 2 2 2、金属成型类数控机床、金属成型类数控机床、金属成型类数控机床、金属成型类数控机床此类数控机床有数控折弯机、数控弯管机、数控回此类数控机床有数控折弯机、数控弯管机、数控回此类数控机床有数控折弯机、数控弯管机、数控回此类数控机床有数控折弯机、数控弯管机、数控回转头压力机等。转头压力机等。转头压力机等。转头压力机等。3 3 3 3、特种加工类数控机床、特种加工类数控机床、特种加工类数控机床、特种加工类数控机床此类数控机床包括数控线切割机床、数控电火花加此类数控机床包括数控线切割机床、数控电火花加此类数控机床包括数控线切割机床、数控电火花加此类数控机床包括数控线切割机床、数控电火花加工机床、数控激光切割机等。工机床、数控激光切割机等。工机床、数控激光切割机等。工机床、数控激光切割机等。4 4 4 4、其他类数控机床、其他类数控机床、其他类数控机床、其他类数控机床如数控火焰切割机、数控三坐标测量仪等。如数控火焰切割机、数控三坐标测量仪等。如数控火焰切割机、数控三坐标测量仪等。如数控火焰切割机、数控三坐标测量仪等。第44页/共143页2023年3月17日七、按可联动的轴数分类1 1、两轴控制、两轴控制2 2、2.52.5轴控制（两个轴是连续控制，第三轴是点位或直线控制）轴控制（两个轴是连续控制，第三轴是点位或直线控制）3 3、多轴控制、多轴控制第45页/共143页2023年3月17日七、按可联动的轴数分类1 1、两轴控制、两轴控制2 2、2.52.5轴控制（两个轴轴控制（两个轴是连续控制，第三轴是是连续控制，第三轴是点位或直线控制）点位或直线控制）3 3、多轴控制、多轴控制第46页/共143页2023年3月17日第四节数控机床的典型结构第47页/共143页2023年3月17日数控机床与普通机床的区别数控机床是典型的机电一体化产品；其结构与普通数控机床是典型的机电一体化产品；其结构与普通机床有许多相似之处，但不是简单地将传统机床配备机床有许多相似之处，但不是简单地将传统机床配备上数控系统，也不是在传统机床的基础上仅对局部加上数控系统，也不是在传统机床的基础上仅对局部加以改进。以改进。传统机床存在的弱点：刚性不足、抗振性差、热变传统机床存在的弱点：刚性不足、抗振性差、热变形大、滑动面的摩擦阻力大及传动元件间存在间隙等。形大、滑动面的摩擦阻力大及传动元件间存在间隙等。数控机床的特点对结构的影响：自动化、高精度大数控机床的特点对结构的影响：自动化、高精度大功率、多功能多工序、高可靠性等推动了其结构的改功率、多功能多工序、高可靠性等推动了其结构的改变。变。数控机床无论是基础大件、主传动系统、进给传动数控机床无论是基础大件、主传动系统、进给传动系统、刀具系统、辅助功能等部件结构，同还是整体系统、刀具系统、辅助功能等部件结构，同还是整体布局、外部造型等都与传统机床相比有独特的机械结布局、外部造型等都与传统机床相比有独特的机械结构构第48页/共143页2023年3月17日数控机床的机床本体的组成（1 1 1 1）机床基础件；）机床基础件；（2 2 2 2）主传动系统；）主传动系统；（3 3 3 3）进给系统；）进给系统；（4 4 4 4）实现某些部件动作和某些辅助功能的装置，如液压、气动、）实现某些部件动作和某些辅助功能的装置，如液压、气动、润滑、冷却以及防护、排屑等装置；润滑、冷却以及防护、排屑等装置；（5 5 5 5）实现工件回转、分度定位的装置和附件，如回转工作台；）实现工件回转、分度定位的装置和附件，如回转工作台；（6 6 6 6）刀库、刀架和自动换刀装置（）刀库、刀架和自动换刀装置（ATCATCATCATC）；）；（7 7 7 7）自动托盘交换装置（）自动托盘交换装置（APCAPCAPCAPC）；）；（8 8 8 8）特殊功能装置，如刀具破损检测、精度检测和监控装置等；）特殊功能装置，如刀具破损检测、精度检测和监控装置等；（9 9 9 9）为完成自动化控制功能的各种反馈信号装置及元件。）为完成自动化控制功能的各种反馈信号装置及元件。第49页/共143页2023年3月17日本节内容一、数控机床的主传动系统及主轴部件二、数控机床进给系统的机械传动机构三、数控机床导轨四、回转工作台 第50页/共143页2023年3月17日一 、数控机床的主传动系统 及主轴部件(一一)数控机床主传动系统与普通机床数控机床主传动系统与普通机床比较特点：比较特点：1.1.所选用电机的区别所选用电机的区别2.2.转速高，功率大转速高，功率大3.3.变速范围大变速范围大4.4.主轴速度的变换迅速可靠主轴速度的变换迅速可靠第51页/共143页2023年3月17日（二）数控机床主轴变速（二）数控机床主轴变速的传动方式的传动方式 主传动要求较大的调速范主传动要求较大的调速范围围 1.1.带有变速齿轮的主传动带有变速齿轮的主传动（图（图a a）2.2.通过带传动的主传动通过带传动的主传动（图（图b b）3.3.由伺服电动机直接驱动由伺服电动机直接驱动的主传动（图的主传动（图c c）第52页/共143页2023年3月17日（三）主轴部件（三）主轴部件1.1.数控机床的主轴轴承配数控机床的主轴轴承配置的三种主要形式置的三种主要形式 前支承采用圆锥孔双列前支承采用圆锥孔双列圆柱滚子轴承和双向推力圆柱滚子轴承和双向推力角接触球轴承组合，后支角接触球轴承组合，后支承采用成对角接触球轴承承采用成对角接触球轴承（a a）前轴承采用高精度角接前轴承采用高精度角接触球轴承，后支承的球轴触球轴承，后支承的球轴承具有较好的高速性能承具有较好的高速性能（b b）双列圆锥滚子轴承和单双列圆锥滚子轴承和单列圆锥滚子轴承（列圆锥滚子轴承（c c）第53页/共143页2023年3月17日2.2.主轴结构主轴结构 刀具的自动夹紧机构刀具的自动夹紧机构 主要由拉杆主要由拉杆7 7、拉杆端部的四个钢球、拉杆端部的四个钢球3 3、碟、碟形弹簧形弹簧8 8、活塞、活塞1010、液压缸、液压缸1111等组成。等组成。主轴的准停装置主轴的准停装置第54页/共143页2023年3月17日二、数控机床进给系统的机械传动机构（一）对进给系统机械传动机构的要求（一）对进给系统机械传动机构的要求 包括齿轮传动副（或蜗杆蜗轮副）、丝杠螺包括齿轮传动副（或蜗杆蜗轮副）、丝杠螺母副等及其支承部件（轴承座等）母副等及其支承部件（轴承座等）1.1.高传动刚度高传动刚度2.2.抗振性抗振性3.3.低摩擦低摩擦4.4.低惯量低惯量5.5.无间隙无间隙第55页/共143页2023年3月17日（二）滚珠丝杠螺母副（二）滚珠丝杠螺母副 1.1.工作原理和特点工作原理和特点滚珠丝杠螺母副由于在丝滚珠丝杠螺母副由于在丝杠和螺母之间放入了滚珠，杠和螺母之间放入了滚珠，变滑动摩擦为滚动摩擦，因变滑动摩擦为滚动摩擦，因而大大地减小了摩擦阻力，而大大地减小了摩擦阻力，提高了传动效率。提高了传动效率。图为滚珠丝杠螺母副的结图为滚珠丝杠螺母副的结构示意图。丝杠和螺母构示意图。丝杠和螺母上均有圆弧型面的螺旋槽，上均有圆弧型面的螺旋槽，将它们装在一起便形成了螺将它们装在一起便形成了螺旋滚道，滚珠在其间既自转旋滚道，滚珠在其间既自转又循环滚动。又循环滚动。滚珠丝杠螺母副示意图滚珠丝杠螺母副示意图 -丝杠丝杠;-螺母螺母;-滚珠滚珠第56页/共143页2023年3月17日滚珠丝杠螺母副与普通丝杠螺母副比具有滚珠丝杠螺母副与普通丝杠螺母副比具有优点：优点：（1 1）传动效率高，摩擦损失小。）传动效率高，摩擦损失小。（2 2）运动平稳无爬行。）运动平稳无爬行。（3 3）传动精度高，反向时无空程。）传动精度高，反向时无空程。（4 4）磨损小。）磨损小。（5 5）运动具有可逆性。）运动具有可逆性。滚珠丝杠螺母副的滚珠丝杠螺母副的缺点缺点：（1 1）由于结构复杂，故制造成本高。）由于结构复杂，故制造成本高。（2 2）由于不能自锁，特别是在用作垂直安装的滚珠）由于不能自锁，特别是在用作垂直安装的滚珠丝杠传动，会因部件的自重而自会因部件的自重而自动丝杠传动，会因部件的自重而自会因部件的自重而自动下降。当向下驱动部件时，由于部件的自重和惯性，当下降。当向下驱动部件时，由于部件的自重和惯性，当传动切断时，不能立即停止运动，必须增加制动装置。传动切断时，不能立即停止运动，必须增加制动装置。第57页/共143页2023年3月17日2.2.结构类型结构类型 滚珠丝杠螺母副按其中的滚珠循环方式可分为滚珠丝杠螺母副按其中的滚珠循环方式可分为两种：外循环和内循环。两种：外循环和内循环。（1 1）外循环：滚珠在循环过程结束后，通过）外循环：滚珠在循环过程结束后，通过螺母外表面上的螺旋槽或插管返回丝杠螺母间螺母外表面上的螺旋槽或插管返回丝杠螺母间重新进入循环。重新进入循环。图示为常用的一种形式：在螺母外圆上装有螺图示为常用的一种形式：在螺母外圆上装有螺旋形的插管，其两端插入滚珠螺母工作始末两旋形的插管，其两端插入滚珠螺母工作始末两端孔中，以引导滚珠通过插管，形成滚珠的多端孔中，以引导滚珠通过插管，形成滚珠的多圈循环链。圈循环链。这种形式结构简单，工艺性好，承载能力较高，这种形式结构简单，工艺性好，承载能力较高，但径向尺寸较大。也可用于重载传动系统中。但径向尺寸较大。也可用于重载传动系统中。第58页/共143页2023年3月17日滚珠的外循环结构第59页/共143页2023年3月17日（2 2）内循环：靠）内循环：靠螺母上安装的反向螺母上安装的反向器接通相邻滚道，器接通相邻滚道，使滚珠成单圈循环。使滚珠成单圈循环。反向器的数目与滚反向器的数目与滚珠圈数相等。珠圈数相等。这种形式结构紧这种形式结构紧凑，刚性好，滚珠凑，刚性好，滚珠流通性好，摩擦损流通性好，摩擦损失小，但制造较难。失小，但制造较难。适用于高灵敏、高适用于高灵敏、高精度的进给系统，精度的进给系统，不宜用于重载传动不宜用于重载传动中。中。滚珠的内循环结构滚珠的内循环结构第60页/共143页2023年3月17日3.3.滚珠丝杠螺母副的预紧滚珠丝杠螺母副的预紧 滚珠丝杠螺母副的预紧是通过改变两个螺母的相对滚珠丝杠螺母副的预紧是通过改变两个螺母的相对位置，使每个螺母中的滚珠分别接触丝杠滚道的左右位置，使每个螺母中的滚珠分别接触丝杠滚道的左右两侧实现的。通过预紧可以消除滚珠丝杠螺母副的轴两侧实现的。通过预紧可以消除滚珠丝杠螺母副的轴向间隙并提高轴向刚度。向间隙并提高轴向刚度。（1 1）双螺母垫片式预紧）双螺母垫片式预紧 第61页/共143页2023年3月17日（2）双螺母螺纹式预紧第62页/共143页2023年3月17日三、数控机床导轨（一）对导轨的基本要求（一）对导轨的基本要求（1 1）导向精度）导向精度 （2 2）精度保持性）精度保持性 （3 3）低速运动平稳性）低速运动平稳性 （4 4）结构简单、工艺性好）结构简单、工艺性好 即：即：高速进给时不振动，低速进给时不爬行；高速进给时不振动，低速进给时不爬行；有高的灵敏度，能在重载下长期连续工作；有高的灵敏度，能在重载下长期连续工作；耐磨性要高，精度保持性要好等耐磨性要高，精度保持性要好等第63页/共143页2023年3月17日（二）数控机床导轨的分类和特点（二）数控机床导轨的分类和特点 1 1、滑动导轨、滑动导轨 聚四氟乙烯导轨软带聚四氟乙烯导轨软带 以聚四氟乙烯为基体，加入青铜粉、二硫化钼和石墨等填充剂以聚四氟乙烯为基体，加入青铜粉、二硫化钼和石墨等填充剂混合烧结而成；混合烧结而成；具有摩擦特性好、耐磨性好、减振性好等优点；缺点是具有摩擦特性好、耐磨性好、减振性好等优点；缺点是承载能承载能力低、尺寸稳定性较差力低、尺寸稳定性较差；该种软