数控技术结构1

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1、第第2章章 数控机床的结构数控机床的结构主机结构 数控机床的本体，包括床身、主柱、横梁、滑座、工作台、数控机床的本体，包括床身、主柱、横梁、滑座、工作台、主轴主轴、进给机构进给机构等机械等机械部件。部件。 CNC装置 （详见第三章）数控机床的核心部件，包括计算机、存储器、显示器、键盘、程序输入输出装置及数控机床的核心部件，包括计算机、存储器、显示器、键盘、程序输入输出装置及相应的软件。相应的软件。 驱动装置数控机床执行机构的驱动部件，包括主轴驱动单元，进给驱动单元，主轴电机及进数控机床执行机构的驱动部件，包括主轴驱动单元，进给驱动单元，主轴电机及进给电机等。给电机等。 辅助装置 数控机床的配套

2、部件，包括液压和气动装置、数控机床的配套部件，包括液压和气动装置、位置检测装置位置检测装置、自动换刀装置自动换刀装置、排屑、排屑装置、交换工作台、数控转台和数控分度头、刀具及监控检测装置。装置、交换工作台、数控转台和数控分度头、刀具及监控检测装置。 编程机及辅助设备（如打印机等）（如打印机等）数控机床结构示意图数控机床结构示意图主轴驱动主轴驱动 主轴驱动由主轴及主轴箱，主传动机构，速度计，还可能有一个齿轮传动机构组成。对于车床，主轴通常具有一个螺纹控制。主轴通常是皮带传动，能减小振动。主主 轴轴车床主轴装有装卡装置和工件。铣床和钻床主轴装有刀具。主轴刚性尽可能的好，这样承受沉重的负载时不会发生

3、变形。对于主轴的外形和功能，具有一系列的标准。主主轴驱动主轴箱主轴箱主轴箱通常由铸铁制成，承受主轴的负荷。它必须非常坚固以承受应力。必须消除摩擦热。如果缺少冷却液而使头架内的温度过高 ，头架将扩张。这将影响加工的精度。这种现象叫作热膨胀。主主轴驱动主轴主轴主主轴驱动主传动机构主传动机构机床的主传动机构通常是直流电机（DC）或交流电机（AC）。主传动机构的功率能到达160HP（120KW）。如果主传动机构的速率（r/min）不够，则加入齿轮传动机构，通常是从2个齿轮到4个齿轮的传动。主主轴驱动速速 度度 计计 速度计是一个测量装置，显示CNC系统当前主轴的r/min值。主主轴驱动螺纹控制螺纹控制

4、 车床的螺纹切削，主轴和丝杆必须同步。因为要同步，螺纹控制需要提供CNC系统所需的数据。主主轴驱动进给机构进给机构 滑板通过进给机构起动。主要组件有具有导轨的滑鞍，滚珠丝杆（在NC机床上），进给传动使用的传动带和滑动离合器。另外，每个轴有它们自己的测量系统。传动机构传动机构 伺服传动机构通常用于机床的进给传动。辅助传动装置包括一台伺服电机和一个电子控制模块。直流和交流电机均被用于进给传动。 通过一条齿形带，功率完成从进给驱动装置到滚珠丝杆的传输。进给机构机构滑动离合器滑动离合器 滑动离合器与滚珠丝杆有关。在碰撞时，减小进给驱动的损害。在任何时候滑鞍碰撞到障碍时，可以使进给驱动停止（比如：由于一

5、个程序错误造成的障碍）。 2个极限开关被安装在每个滑鞍上，使CNC系统确认移动的终端。进给机构机构滚珠丝杆滚珠丝杆 通过此装置驱动滑鞍。运动高度精确并且运动平稳。进给机构机构滚珠丝杆原理滚珠丝杆原理 在丝杆和螺母上加工有弧形螺旋槽，当把它们套装在一起时形成螺旋通道，并且在滚道内填满滚珠。当丝杆相对于螺母旋转时，丝杆的旋转面经滚珠推动螺母轴向移动，同时滚珠沿螺旋滚道滚动，使丝杆和螺母的滑动摩擦转变为滚珠与丝杆、螺母之间的滚动摩擦。 滚珠丝杆具有传动效率高、运动平稳、寿命高、反向时无空程死区以及可以预紧以消除间隙并提高系统刚度等特点，除了大型数控机床因移动距离大而采用齿条或涡轮外，各类中、小型数控

6、机床的直线运动进给系统普遍采用滚珠丝杆。 进给机构机构滚珠丝杆的结构示意图滚珠丝杆的结构示意图 1丝杆丝杆 2螺母螺母 3滚珠滚珠 4回珠管回珠管5反向器反向器 外循环式外循环式内循环式内循环式常用的滚珠循环方式有2种：滚珠在循环过程中有时与丝杆脱离接触的称为外循环外循环；始终与丝杆保持接触的称为内内循环循环。 进给机构机构导导 轨轨 导轨是机床的组件（比如工作台），以直线移动。它们必须高度精确能承受小的磨损和摩擦，并且容易润滑和维修。 运动通过调整导轨条的方法被调整。平面导轨平面导轨燕尾导轨燕尾导轨棱柱形导轨棱柱形导轨移动移动固定固定进给机构机构数控机床的定位数控机床的定位 数控机床根据CN

7、C系统的命令完成相关的轴运动。控制系统因此需要感应滑板实际位置的信息。此信息通过一个位置测量系统提供。NC机床的定位机床的定位J 数字式测量是以量化后的数字形式表示被测量。得到的测量信号通常是电脉冲形式，它将脉冲个数计数后以数字形式表示位移。具有信号处理简单，抗干扰性强等优点。J 模拟式测量是以模拟量表示被测量，得到的测量信号是电压或电流，电压或电流的大小反映位移量的大小。它对信号处理的方法相对来说比较复杂，并且需增加滤波器等，来提高抗干扰性。 NC机床的定位机床的定位绝对测量 测量值总是参考于特定的零点。相对测量 测量值总是参考于最后被测量的点，此点相当于零点。常用的检测元件常用的检测元件数

8、字式 模拟式 增量式 绝对式 增量式 绝对式 回转型光电盘、圆光栅 编码盘 旋转变压器、圆型磁尺、圆感应同步器 多极旋转变压器、三速圆感应同步器 直线型 光栅、激光干涉仪 编码尺、多通道投射光栅 感应同步器、磁尺 三速感应同步器、绝对式磁尺 位置测量方法位置测量方法相对位置测量绝对位置测量根据刀架上测量系统的位置直接位置测量间接位置测量相对位置测量相对位置测量 使用一个透镜量杆,它被分成非常小的距离（1/1000mm）。 当一个光源和一个光电元件的传感器沿着此量杆移动，脉冲被送入到光电元件。这些脉冲被计数并且提供信息作为走过距离的值。光源光源光电元件光电元件透镜量杆透镜量杆扫描板扫描板聚光器聚

9、光器位置位置测量方法量方法绝对位置测量绝对位置测量 使用一个代码量杆，能在任何时候从量杆上读取绝对位置（与机床零点有关）。 量杆被分成几个通道，此通道被传感器扫描。 一个绝对测量系统不需要参考点的初始数值。代码量杆代码量杆发光二极管发光二极管传感器传感器位置位置测量方法量方法直接位置测量直接位置测量位置位置测量方法量方法 将检测装置直接安放在机床拖板上，直接测量机床坐标的直线位移量，来保证得到高的准确度。 作为全闭环伺服系统的位置反馈用。缺点缺点 测量装置要和工作台行程等长，所以在大型数控机床上受到一定限制。 间接位置测量间接位置测量 将检测装置（透镜盘，光源，光电元件）直接安装在驱动电动机轴

10、上或滚珠丝杆，通过检测转动件的角位移来间接测量机床坐标的直线位移。 作为半闭环伺服系统的位置反馈用。优点优点是测量方便可靠，无长度限制。缺点缺点是测量信号中增加了由回转运动转变为直线运动的传动链误差，从而影响其测量精度。位置位置测量方法量方法自动换刀装置自动换刀装置 在数控加工中，一些操作是不改变工件的位置而进行的。因此需要一些不同的刀具。 操作者能完成刀具的更换，但是结果是增加了设置的时间。因此应该首选自动更换刀具。 对于自动更换刀具，需结合一个换刀装置，使用转塔刀架或刀库。刀具固定件刀具固定件铣床刀具固定件末端具有一个固位销或夹紧螺栓，夹紧刀具到主轴上。车床一个圆柱刀具固定件被固定到转塔刀

11、架上，进行使用。选刀及刀具识别选刀及刀具识别刀库的选刀方式刀库的选刀方式 顺序选刀任意选刀刀具的识别刀具的识别 刀具编码刀座编码 刀具的识别方法刀具的识别方法 记忆方式 条形码识别 存储器识别顺序选刀顺序选刀 刀库中的刀具位置严格按所需加工零件的加工顺序排列，加工时按顺序调刀。 优点：刀库的驱动和控制简单，无需刀具识别装置，维护简单。 缺点：加工不同的工件时必须重新调整刀库中的刀具顺序，操作繁琐，降低系统的柔性。加工同一工件时各工序的刀具不能重复使用，增加了刀具数量和刀库存储量，而且由于刀具的尺寸误差也容易造成加工精度的不稳定。为避免加工事故，操作人员必须在加工前仔细检查刀具的排列顺序。 这种

12、方式适合加工批量较大、工件品种数量较少的中小型自动换刀数控机床。 选刀刀任意选刀任意选刀 需预先将刀库中的每把刀具（或每个刀座）进行编码，使之具有可识别的代码。因此刀具在刀库中的位置不必按照零件的加工顺序排列。换刀时，通过刀具或刀座识别装置来识别和选择所需的刀具。 优点：刀库中刀具的排列顺序与加工零件的加工顺序无关，增加了系统的柔性。同一工具可供不同工件、不同工步共同使用，减少刀具数量和刀库存储量。 缺点：需设置刀具识别装置，使刀库的控制与驱动复杂。需对刀具或刀座编码，增加了辅助工作量。维护比顺序选刀方式要复杂。 这种方式适合于多品种小批量的随机生产，并可加工较复杂的零件。 选刀刀刀具编码刀具

13、编码 此方式对每把组装刀具都进行二进制编码，并设法把此编码信息的载体以某种方式固定在刀具上，由于各种刀具的夹头相同而几何形状和尺寸不同，为便于识别，一般都把代码信息载体固定在组装刀具的夹头上。这样刀具可随机存放在任意刀座内，但刀具夹头必须专门设计和制造。 由于每把刀具都带有专用的编码，使刀具的长度加长，制造困难，刀具刚度降低，同时使得刀库和机械手的结构也变得复杂。 刀具刀具识别刀座编码刀座编码 此方式对刀库的每个刀座进行编码，并将此编码信息的载体以某种方式固定在各相应的刀座上便于识别的地方。 此方式只识别刀座不识别刀具。因此各刀具必须“对号入座”，已使用过的刀具也需放回刀库原来的刀座中，否则将

14、发生错误和混乱。 刀具刀具识别刀具的识别方法刀具的识别方法 刀具编码的识别方法有接触接触式式和非接触式非接触式两类。 前者的编码信息载体和识别装置有磨损问题，因而当前主要采用非接触式。通常应用电磁感应或光电原理实现代码的识别。 此外，图像识别技术也开始用于刀具识别中。 记忆方式记忆方式 把刀具号和刀库上存刀位置（地址）对应地记忆在数控系统的计算机存储器或可编程序控制器的存储器内。刀库上安装位置检测装置，刀库上每个存刀位置（地址）都可通过位置检测装置测出。每次换刀的同时改变存储器内容，始终跟踪记忆哪号刀具放于哪个存刀位置（地址）。 这样刀具可任意取出并送回，而且刀具本身不必设编码元件，省去编码识

15、别装置，使控制大为简化。刀库上还设有机械原点，使每次选刀时就近选取，如对于盘式来说，每次选刀运动或正转或反转都不会超过180。 刀具刀具识别方法方法条形码识别条形码识别 刀具编码与刀具预调工作相结合。预调时，即对刀具进行编码，并通过与预调装置相连的打印机打印出条形码表，由操作者贴到刀具上，然后将刀具投入系统。选刀时，用条形码阅读器进行精确的刀具识别。 编码作业简单，但由于目前大部分机床安装刀具的操作仍然由人工完成，装错的可能性仍然存在。另外，在较脏的环境下，条形码容易从工具上脱落。 刀具刀具识别方法方法存储器识别存储器识别 在刀具上埋入一种以硅片为基本元件的刀具数据载体，用以存储刀具编码及其他

16、特征数据（一般每个载体能够存储64个刀具特征）。这种装置的优点是一旦刀具准备好，就可以用于系统中任意一台机床的任何刀位上，而不需要“对号入座”。 缺点是存储次数太多会降低刀具数据载体的寿命。一般在刀具数据载体的寿命期限内，可以进行一万多次存储循环。 此方法可存储信息量多，使用也较方便可靠。 刀具刀具识别方法方法自动换刀装置类型自动换刀装置类型类别型式 特点 适用范围 转塔式 回转刀架 多为顺序换刀，换刀时间短、结构简单紧凑、容纳刀具较少 各种数控车床，数控车削加工中心 转塔头 顺序换刀，换刀时间短，刀具主轴都集中在转塔头上，结构紧凑。但刚性较差，刀具主轴数受限制 数控钻、镗、铣床 刀库式 刀具

17、与主轴之间直接换刀 换刀运动集中，运动部件少。但刀库容量受限。 各种类型的自动换刀数控机床，尤其是对使用回转类刀具的数控镗、铣床类立式、卧式加工中心机床，要根据工艺范围和机床特点，确定刀库容量和自动换刀装置类型 用机械手配合刀库进行换刀 刀库只有选刀运动，机械手进行换刀运动，刀库容量大 回转刀架回转刀架 回转刀架是一种最简单的自动换刀装置，常用于数控车床。根据不同的加工对象，它可以设计成四方刀架、六角刀架等多种形式。 回转刀架可在回转轴径向和轴向安装或夹持各种不同用途的刀具，通过回转刀架的转位实现换刀。 回转刀架的工位数最多可达20余个，但最常用的是8、10、12和16工位4种。 自自动换刀装

18、置刀装置转塔头转塔头 使用旋转刀具的数控机床采用转塔头转位更换主轴头。这种机床的主轴头就是转塔头，在转塔的各主轴头上，根据加工的工序预先安装所用刀具，转塔依次转位，就可以实现自动换刀。 主轴头有卧式和立式两种，工作时只有位于加工位置的主轴头才与主运动接通，而其他处于不加工位置的主轴都与主运动脱开。 转塔主轴头换刀通常只适用于工序较少，精度要求不太高的零件在数控机床上加工。 自自动换刀装置刀装置刀库式自动换刀装置刀库式自动换刀装置 刀库式自动换刀装置由刀库和刀具交换机构组成，它是多工序数控机床上应用最广泛的换刀方法。刀库是用来存储加工刀具及辅助工具的地方。加工时调用所需的刀具，一个加工操作完成后

19、调回刀具。 刀库的容量首先要考虑加工工艺的需要。刀库存储刀具量在2040把范围的居多，少于10把刀或超过60把刀的不常采用。 自自动换刀装置刀装置刀库类型刀库类型盘式刀库链式刀库鼓轮弹仓式刀库 格子箱式刀库 刀刀库盘式刀库盘式刀库 结构简单，应用较多，但由于刀具环形排列，空间利用率低，因此刀具在盘中多采用双环或多环排列，以增加空间利用率。但这样做会使刀库的外径过大，转动惯量过大，选刀时间过长，因此盘式刀库一般用于刀具较少的刀库。 刀具的存储量一般为1540把。 刀刀库盘式刀库盘式刀库以下刀库结构简单紧凑，取刀方便，应用广泛。 轴向 径向 斜向 刀具可作90翻转 为适应机床主轴电布局，刀库上刀具

20、轴线相对于刀库轴线可以按不同方向配置，如轴向、径向和斜向。 采用此结构可简化取刀动作。 刀刀库盘式刀库盘式刀库刀刀库链式刀库链式刀库 结构紧凑，刀库容量较大，链环的形状可以根据机床的布局制成各种形状，也可将换刀位突出以便于换刀。当链式刀库需要增加刀具数量时，只需增加链条的长度即可。在一定范围内，不用改变线速度和惯量。 一般当刀具数量在30120把时，多采用链式刀库。 刀刀库链式刀库链式刀库刀刀库鼓轮弹仓式刀库鼓轮弹仓式刀库 此刀库结构十分紧凑，在相同的空间内，它的刀库容量最大，但选刀和取刀的动作较复杂。 为刀具呈轴向布置的多层鼓轮式刀库，刀库容量大，需径向装、取刀。 刀刀库格子箱式刀库格子箱式

21、刀库 密集形的鼓轮弹仓式或格子式刀库，虽然占地面积小，结构紧凑，在相同的空间内可容纳的刀具数目较多，但是由于它的选刀和取刀动作复杂，现在已很少用于单机加工中心，多用 于柔性制造系统（FMS）的集中供刀系统。 单面格子箱式刀库单面格子箱式刀库 多面格子箱式刀库多面格子箱式刀库 刀刀库刀具交换装置刀具交换装置 刀刀具具交交换换装装置置:数控机床的自动换刀装置中，实现刀库与机床主轴之间传递和装卸刀具的装置。 刀具的交换方式和它们的具体结构对机床的生产率和工作可靠性有着直接的影响。 刀具的交换装置通常有： 1) 利用刀库与机床主轴的相对运动实现刀具交换的装置 2) 采用机械手的刀具交换装置利用刀库与机

22、床主轴的利用刀库与机床主轴的相对运动实现刀具交换相对运动实现刀具交换的装置的装置 此装置在换刀时必须首先将用过的刀具送回刀库，然后再从刀库中取出新刀具，这2个动作不可能同时进行，因此换刀时间较长。此刀具交换装置要求把刀库安置在主轴箱可以运动到的位置，或者是整个刀库或某一刀位移动到主轴箱可达到的位置。刀库中刀具指向与主轴上装刀后刀具指向必须一致。 优点是结构简单，换刀可靠。 缺点是刀库容量不大，换刀时间长。适合于中小型加工中心采用。采用机械手的刀具交换装置采用机械手的刀具交换装置 此装置是由刀库、机械手（有的还有运刀装置）结合共同完成自动刀具交换。因为机械手换刀有很大的灵活性，而且可以减少换刀时

23、间，所以应用得最为广泛。由于有机械手的刀具交换装置所涉及到得刀库位置和机械手的换刀动作不同时，其换刀的过程也不尽相同。 常见机械手的形式常见机械手的形式 单臂单爪回转式机械手 单臂双爪回转式机械手 双臂回转式机械手 机械手的手臂可回转不同角度来进行自动换刀，手臂上一个卡爪要执行刀库或主轴上的装卸刀。换刀时间较长。 机械手的手臂上有2个卡爪，其中一个卡爪从主轴取下“旧刀”送回刀库，另一卡爪则由刀库取出“新刀”送到主轴。换刀时间比单爪机械手短。 机械手的两臂上各有1个卡爪，2个卡爪可同时抓取刀库及主轴上的刀具，回转180后又同时将刀具放回刀库及装入主轴。换刀时间较前两种单臂机械手均短，是最常用的一

24、种形式。 常见机械手的形式常见机械手的形式 双机械手 双臂往复交叉式机械手 双臂端面夹紧式机械手 此种机械手相当于2个单臂单爪机械手，互相配合起来进行自动换刀。其中一个机械手从主轴上取下“旧刀”送回刀库；另一个机械手由刀库里取出“新刀”装入机床主轴。 此种机械手的两手臂可以往复运动并交叉成一定的角度。一个手臂从主轴上取下“旧刀”送回刀库；另一个手臂由刀库里取出“新刀”装入机床主轴。整个机械手可沿某导轨直线移动或绕某个转轴回转，以实现刀库与主轴间的运刀工作。 此种机械手只是在夹紧部位上与前几种不同。前几种机械手均靠夹紧刀柄的外圆表面以抓取刀具，这种机械手则夹紧刀柄的两个端面。 数据的输入数据的输入/输出输出手动输入手动输入 存储介质存储介质输出装置输出装置数据的传输数据的传输直接数控直接数控 Direct Numerical Control 用计算机作为一台或多台CNC机床的部分或全部控制装置。 DNC计算机必须具备以下条件： 能实现双向数据传输。 能删除存储程序。 如果CNC系统存储性能不足，能 自动更改召集和传送程序的顺序。