数控车床基础知识(培训用).ppt

数控车床基础知识（4学时）工艺员培训用哈尔滨工程大学工程训练中心l基本概念及发展l数控车床的基本构成l数控车床的分类l数控车床加工特点l数控系统第一章 数控车床基础知识程序输入输出装置CNC装置PLC装置伺服系统位置检测系统哈尔滨工程大学工程训练中心一、基本概念l数字控制是一种借助数字、字符或其他符号对某一工作过程（如加工，测量，装配等）进行可编程控制的自动化方法。l数控技术指用数字量及字符发出指令并实现自动控制的技术l数控系统指采用数字控制技术的控制系统l计算机数控系统以计算机为核心的数控系统l数控机床指采用数字控制技术对机床的加工过程进行自动控制的一类机床。l数控加工泛指在数控机床上进行零件加工的工艺过程；l脉冲当量单位脉冲作用下进给轴移动的距离决定数控系统的精度可由运动控制指令（自动）、按键触发或手摇脉冲发生器（手动操作）哈尔滨工程大学工程训练中心主轴转速切削时主轴转动的角速度;进给速度正常切削时刀具行进的线速度;接近速度从安全高度切入工件前的刀具行进的线速度,又称进刀速度;退刀速度刀具离开工件回到安全高度时刀具行进的线速度;在安全高度以上刀具行进的线速度为机床的G00.安全高度保证在此高度上可以快速走刀不发生干涉的高度,应高于零件的最大高度.起止高度刀具退刀时刀具的初始高度,其大于安全高度哈尔滨工程大学工程训练中心数控技术的产生与发展数控技术的产生与发展*1952年，第一台数控机床在MIT问世，成为世界机械工业史上一件划时代的事件，推动了自动化的发展。当时控制程序是记录在纸带上的字符和数字，故称数字控制机床。*1955年，第一台商业数控机床在美国全国机床展览会上展出。“六代”1 电子管，1952，Parsons Corp.,MIT,美空军后勤司令部合作，第一台立式铣；2 晶体管、印刷电路，1959，晶体管元件的出现使电子设备的体积大大减小，数控系统中广泛采用晶体管和印刷电路板，K&T开发第一台加工中心MILWAUKEE-MATIC。3 小规模集成电路,1965,由于它体积小、功耗低，使数控系统的可靠性得以进一步提高。1967英国最初的FMS.4 通用小型计算机,1970，在美国芝加哥国际机床展览会上，首次展出了一台以通用小型计算机作为数控装置的数控系统，特征为许多数控功能由软件完成。5 微处理器，1974，开始出现的以微处理器为核心的数控系统被人们誉为第五代数控系统，近30年来，装备微处理机数控系统的数控机床得到飞速发展和广泛应用。6 基于PC（PC-BASED）的数控,20世纪80年代，基于PC开发式数控系统哈尔滨工程大学工程训练中心 数控机床的组成与结构输入装置输出装置计算机数控装置PLC主轴控制单元主轴机床伺服电机速度控制单元工作台位置检测反馈装置第一章 数控车床基础知识二、数控车床的基本构成哈尔滨工程大学工程训练中心数控车床由五部分组成：主机、数控系统、驱动系统、辅助装置、机外编程器等。车床主机是指其机械部件，主要包括床身、主轴箱、刀架、尾座、进给传动机构等。数控系统是数控车床的控制核心。驱动系统是数控车床的动力部分，主要实现主运动和进给运动。在数控车床中，驱动系统称为伺服系统，由伺服驱动电路和驱动装置两大部分组成。伺服驱动电路接收指令，经过数控系统处理，推动驱动装置运动。驱动装置主要由主轴电机、进给系统的步进电机或交、直流伺服电机等组成。数控车床工作原理哈尔滨工程大学工程训练中心插补运算在组成轨迹的直线段或曲线段的起点和终点之间，按一定的算法进行数据点的密化工作，以确定一些中间点的方法称为“插补”。计算插补点的运算称为插补运算。插补运算的任务就是把这种实时计算出的各个轴的位移指令输入伺服系统，实现成形运动。1.脉冲增量插补法 在计算过程中不断向各个坐标轴发出相互协调的进给脉冲，驱动坐标轴电机运动。常用的有：逐点比较法与数字积分法，用于以步进电动机为驱动装置的开环数控系统。2.数据采样插补法 采用小段直线逼近给定轨迹，插补输出的是下一个插补周期内各轴要运动的距离，故可达到很高的速度，其中计算机通常包含在伺服控制环内。哈尔滨工程大学工程训练中心逐点比较法逐点比较法l 逐点比较法插补运算是以区域判别为特征，每走一步都要将加工点的瞬时坐标与相应给定的图形上的点相比较，判别一下偏差，然后决定下一步的走向。这样就能得到一个接近给定图形的轨迹，其最大偏差不超过一个脉冲当量l 哈尔滨工程大学工程训练中心逐点比较法图示逐点比较法图示哈尔滨工程大学工程训练中心刀架床身主轴箱滚珠丝杠床座尾座数控卧式车床的基本结构高精度导轨二、数控车床的分类1、按主轴位置哈尔滨工程大学工程训练中心主轴刀塔轴向导轨床身数控立式车床的基本结构哈尔滨工程大学工程训练中心2.按刀架数量分类 l单刀架数控车床 数控车床一般都配置有各种形式的单刀架，如四工位卧动转位刀架或多工位转塔式自动转位刀架。l双刀架数控车床 这类车床的双刀架配置平行分布，也可以是相互垂直分布。哈尔滨工程大学工程训练中心3.按控制方式分l开环控制l闭环控制l半闭环控制哈尔滨工程大学工程训练中心4.按数控系统功能l经济型数控车床采用步进电机和单片机对普通车床的进给系统进行改造后形成的简易型数控车床。成本较低，自动化和功能较差，精度不高。l全功能型数控车床由专门数控系统控制，具备数控车床的各种结构特点l车削中心在数控车床的基础上增加其他的附加坐标轴lFMC车床数控车床、机器人组成的柔性加工单元哈尔滨工程大学工程训练中心l加工生产效率高l减轻劳动强度、改善劳动条件 l对零件加工的适应性强、灵活性好，适合加工单件或小批量复杂复杂工件l加工精度高、质量稳定l有利于生产管理的现代化l易于建立计算机通信网络三、数控车床的加工特点哈尔滨工程大学工程训练中心四、数控系统数控车床的数控系统是由CNC装置、输入输出设备、可编程控制器（PLC）、主轴驱动装置和进给驱动装置以及位置测量系统等几部分组成。CNC装置是数控系统的核心部分。图 数控系统框图程序输入设备计算机数字控制装置（CNC装置）可 编 程 控制器（PLC）主轴控制单元速度控制单元输出设备主轴电机进给电机位置检测器机床哈尔滨工程大学工程训练中心 1.程序它是零件加工程序。根据零件图纸，用手工编程或自动编程的方法编制出数控加工程序并存储在一种信息载体上。2.输入输出设备 CNC系统对数控设备进行自动控制所需的各种外部控制信息及加工数据,都是通过输入设备存入CNC装置的存储器中。输入CNC装置的有零件加工程序、控制参数、补偿数据等。输出设备主要的功能为显示、打印、输出加工程序、控制参数、补偿参数等。哈尔滨工程大学工程训练中心 3.CNC装置CNC装置由硬件和软件组成。硬件主要由微处理器、存储器、位置控制、输入/输出接口、可编程控制器、图形控制、电源等模块组成。软件由管理软件和控制软件组成。管理软件系指零件加工程序的输入输出、系统的显示功能和诊断功能。控制软件则包括译码处理、刀具补偿、插补运算、位置控制和速度控制。CNC（计算机数控装置）装置的性能决定数控系统的性能。主要用于控制机床运动，完成各种曲线轮廓的加工。哈尔滨工程大学工程训练中心4.可编程控制器(Programmable Logic Controller)可编程控制器(PLC)主要完成数控设备的各种执行机构的逻辑顺序控制，即用PLC程序代替用继电器控制线路，实现数控设备的辅助M功能、主轴转速S功能、刀具T功能的译码和控制。数控设备用PLC有内装型和独立型两种。内装型PLC从属于CNC装置，PLC硬件电路可与CNC装置其它电路制作在同一块印刷板上，也可以作成独立的电路板。独立型PLC独立CNC装置，本身具有完备的硬、软件功能，可以独立完成所规定的控制任务。哈尔滨工程大学工程训练中心伺服系统是数控机床与机床本体间的传动联系环节，是机床的动力装置。其将来自数控装置的脉冲信号转换为机床移动部件的运动，使工作台精确定位或按规定的轨迹做严格的相对运动，以加工出符合图纸的零件。构成驱动装置、伺服电机、传动丝杠等分类开环系统、闭环系统、半闭环系统驱动电机：步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机及直线电机5.伺服系统哈尔滨工程大学工程训练中心特点：特点：没有位置检测反馈和校正控制装置没有位置检测反馈和校正控制装置 数控装置发出信号的流程是单向的数控装置发出信号的流程是单向的 速度和加工精度低，其精度取决于伺服系统速度和加工精度低，其精度取决于伺服系统 的性能的性能执行机构通常采用功率步进电动机或电液脉执行机构通常采用功率步进电动机或电液脉冲马达。冲马达。成本低，适用于中、小型数控机床成本低，适用于中、小型数控机床 数控装置数控装置驱动电路驱动电路步进电动机步进电动机工作台工作台指令脉冲指令脉冲齿轮箱齿轮箱=t360i（1 1）开环伺服系统）开环伺服系统哈尔滨工程大学工程训练中心2.步进电动机的控制原理步进电动机的控制原理 步进电动机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移或线步进电动机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的控制电动机。位移的控制电动机。位移量的控制位移量的控制 向步进电动机送一个控制脉冲，其转轴就转向步进电动机送一个控制脉冲，其转轴就转过一个角度或移动一个直线位移，称为一步；脉冲数增加，角过一个角度或移动一个直线位移，称为一步；脉冲数增加，角位移位移(或线位移或线位移)随之增加，即随之增加，即脉冲数决定位移量。脉冲数决定位移量。进给速度的控制进给速度的控制 脉冲频率高，则步进电动机的旋转速度就脉冲频率高，则步进电动机的旋转速度就高，反之则低，即高，反之则低，即脉冲频率决定进给速度脉冲频率决定进给速度 运动方向的控制运动方向的控制 改变分配脉冲的改变分配脉冲的相序相序，实现步进电动机的，实现步进电动机的正、反转，从而改变运动方向。正、反转，从而改变运动方向。与一般交流和直流电动机所不同的是，步进电动机定子与一般交流和直流电动机所不同的是，步进电动机定子绕组所加的电源形式为脉冲电压，而不是正弦电压或者恒定绕组所加的电源形式为脉冲电压，而不是正弦电压或者恒定直流电压。直流电压。哈尔滨工程大学工程训练中心特点：特点：e=0，工作台停止，工作台停止 检测工作台直线位移（检测元件：感应同步器、光栅）检测工作台直线位移（检测元件：感应同步器、光栅）驱动元件：宽调速直流或交流伺服电机驱动元件：宽调速直流或交流伺服电机 加工精度高，但结构复杂，造价高，调试维修困难加工精度高，但结构复杂，造价高，调试维修困难 适用于精度要求高的大型和精密机床适用于精度要求高的大型和精密机床 数控装置数控装置位置比较位置比较 电路电路 伺服伺服电动机电动机工作台工作台指令脉冲指令脉冲齿轮箱齿轮箱速度控制速度控制 电路电路 测量装置测量装置检测元件检测元件测速元件测速元件（2 2）闭环数控机床）闭环数控机床哈尔滨工程大学工程训练中心特点：特点：检测丝杠或电动机轴旋转角位移检测丝杠或电动机轴旋转角位移 角位移检测元件：旋转变压器、脉冲编码器、圆光栅角位移检测元件：旋转变压器、脉冲编码器、圆光栅 精度低于闭环系统精度低于闭环系统 系统调试较容易，稳定性也较好系统调试较容易，稳定性也较好 数控装置数控装置位置比较位置比较 电路电路 伺服伺服电动机电动机工作台工作台指令脉冲指令脉冲齿轮箱齿轮箱速度控制速度控制 电路电路 测量装置测量装置检测元件检测元件测速元件测速元件（3 3）半闭环数控机床）半闭环数控机床哈尔滨工程大学工程训练中心6.位置检测装置系统(1)位置检测装置的作用 测出工作机构的实际位置，并将实际位置输入计算机，以便和预先给定的理想位置相比较。检测装置的精度直接影响数控机床的定位精度与加工精度。(2)伺服系统对位置检测元件的要求高的可靠性和抗干扰能力；在机床执行部件移动范围内，能满足精度与速度要求；使用维护方便，能适应生产现场的工作环境；成本低、寿命长；便于与数控系统相连.哈尔滨工程大学工程训练中心2727（3 3 3 3）、检测装置的分类）、检测装置的分类）、检测装置的分类）、检测装置的分类 直线型直线型直线型直线型 直线位移检测装置直线位移检测装置直线位移检测装置直线位移检测装置 位置检测装置位置检测装置位置检测装置位置检测装置 旋转型旋转型旋转型旋转型检测装置检测装置检测装置检测装置 角度位移检测装置角度位移检测装置角度位移检测装置角度位移检测装置 速度检测装置速度检测装置速度检测装置速度检测装置 感应同步器感应同步器感应同步器感应同步器 直线型检测装置直线型检测装置直线型检测装置直线型检测装置 光光光光 栅栅栅栅 磁磁磁磁 栅栅栅栅 旋转变压器旋转变压器旋转变压器旋转变压器 旋转型检测装置旋转型检测装置旋转型检测装置旋转型检测装置 脉冲编码器脉冲编码器脉冲编码器脉冲编码器 测速发电机测速发电机测速发电机测速发电机哈尔滨工程大学工程训练中心旋转变压器 旋转变压器是一种测量角位移角位移的检测元件，其结构类似与小型交流电动机，由定子和转子组成。输出电压与角位移成连续函数关系。如图所示：哈尔滨工程大学工程训练中心工作原理 旋转变压器的工作原理与普通变压器基本相似，定子绕组作为变压器的一次侧接受励磁电压，转子绕组作为变压器的二次侧，通过电磁耦合得到感应电动势。一、二次绕组之间随着转子的角位移发生相对位置变化，因此其输出电压的大小也随之变化。旋转变压器转子轴与电机轴或丝杠连接在一起，实现角度测量工作方式 旋转变压器的工作方式通常为鉴相和鉴幅两种。鉴相工作方式是通过旋转变压器转子绕组输出电压的相位确定被测角位移。鉴幅工作方式是通过旋转变压器转子绕组输出电压的幅值确定被测角位移特点 结构简单，动作灵敏，对环境无特殊要求，维护方便输出信号幅度大，抗干扰能力强，工作可靠，广泛应用于数控机床上。主要使用无刷旋转变压器哈尔滨工程大学工程训练中心旋转变压器分类l按有无电刷分：接触式和无接触式l按极对数分：单对极和多对极l按输出电压与转子转角间函数关系：正余弦旋转变压器、线性旋转变压器、比例式旋转变压器及特殊函数旋转变压器旋转变压器结构由角位移计算直线位移？安装在丝杠时，当角度从0变到360，表示丝杠的螺母走了一个导程，就间接的测量了的直线位移大小要检测工作台的绝对位置，需加一台绝对位置计数器，累计所走的导程数，折算成位移总长度。哈尔滨工程大学工程训练中心光栅 它是测量数控机床工作台位移位移的光电检测元件，主要由光源、聚光镜、主光栅、指示光栅和光敏元件组成，多用于闭环系统。分为物理光栅（衍射光栅）和计量光栅（利用光的透射和反射现象）。按形状分为直线光栅和圆光栅。如图所示：光栅标尺检测位移 哈尔滨工程大学工程训练中心光栅的结构组成：标尺光栅、光栅读数头标尺光栅与行程等长，通常光栅长度为1m,可接长安装：标尺光栅一般安装在机床活动部件上（如工作台或丝杠上）光栅读数头安装在机床固定部件上。指示光栅装在光栅读数头中特点 优点：1）精度高 测直线：精度 0.5-3mm，分辨率 0.1mm 2）易实现动态测量和自动化测量 3）较强的抗干扰能力 缺点：1）对环境要求高，怕振动，怕油污 2）高精度光栅制作成本高 目前多用于精密定位的数控机床，数显机床中也应用较多。哈尔滨工程大学工程训练中心磁栅 它是测量直线位移位移的一种数字式传感器，按结构可分为直线磁栅和圆磁栅，分别用于直线位移和角度位移的测量。原理同普通录音机。光电式编码器（盘）它是一种光学式增量式位置检测元件，是一种旋转式脉冲发生器。编码盘直接装在旋转轴上，以测出轴的旋转角度和速度变化，其输出信号为电脉冲。常用检测元件。优点：没有接触磨损，码盘寿命长，允许转速高，最外圈每片宽度可做的很小，因而精度高。缺点：结构复杂，价格高，光源寿命短。测速发电机速度检测。用以测量电机的转速，安装在伺服电动机轴的一端，与伺服电机构成一体。接触式绝对值编码盘（器）直接编码式测量元件。可直接把被测转角或位移转换成相应的代码，指示的是绝对位置而无绝对误差，电源切断后不会推动位置信息。优点：结构简单、体积小、输出信号强。缺点：寿命低，转速不能太高，精度受码道数限制。使用范围有限。哈尔滨工程大学工程训练中心感应同步器与旋转变压器一样，是一种精密位移测量元件，是根据电磁耦合原理将位移或转角转换成电信号，其输出电压随被测直线位移或角位移而改变。根据用途和结构特点分：直线式和旋转式两类。直线式：定尺、滑尺，测直线位移，用于闭环伺服系统旋转式：定子、转子，测角位移，用于半闭环伺服系统感应同步器结构哈尔滨工程大学工程训练中心“节距”是衡量感应同步器精度的主要参数。标准感应同步器定尺长250mm，滑尺长100mm，节距为2mm感应同步器的安装定尺安装在机床的不动部件上滑尺安装在机床的移动部件上。安装防护罩：防止切屑和油污浸入必须保持定尺和滑尺平行、两平面的间隙约为0.250.05mm同步器标准定尺长一般为250mm，可将其接长，接好后用激光干涉仪或量块加千分表进行全长误差测量，使累积误差小于等于单块定尺的最大偏差哈尔滨工程大学工程训练中心感应同步器的特点感应同步器的特点l 精度高精度高 输出的电压是许多对极感应电压的平均值l 适用性强适用性强 电磁感应，不怕油污和灰尘，不易受干扰l 可用于长距离测量可用于长距离测量 可多根定尺接长l使用寿命长，维护简单使用寿命长，维护简单l工艺性好，成本低工艺性好，成本低 应用广泛应用广泛