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1、数控机床的结构及刀夹具简介数控机床的结构及刀夹具简介沙市大学机械工程学院沙市大学机械工程学院 1本章提要：本章提要： 本章主要介绍数控机床的数控系统硬、软件组成、本章主要介绍数控机床的数控系统硬、软件组成、工作过程、分类及功能；介绍数控机床的机械构工作过程、分类及功能；介绍数控机床的机械构造，主传动系统、进给传动系统，介绍开、闭环造，主传动系统、进给传动系统，介绍开、闭环进给伺服系统、步进电机、交、直流伺服电机，进给伺服系统、步进电机、交、直流伺服电机，常见的自动换刀装置和其它辅助装置；简单介绍常见的自动换刀装置和其它辅助装置；简单介绍数控车床、铣床常见的刀具和典型的工件夹具。数控车床、铣床常
2、见的刀具和典型的工件夹具。22.1 2.1 数控系统的组成及工作过程数控系统的组成及工作过程2.1.1 2.1.1 数控系统的组成数控系统的组成 数控系统是数控机床的核心部分，是整个数控机床的数控系统是数控机床的核心部分，是整个数控机床的运算中心和控制中心，其性能的好坏直接决定了数控机床运算中心和控制中心，其性能的好坏直接决定了数控机床的整体性能的整体性能, ,数控系统由硬件部分和软件部分组成数控系统由硬件部分和软件部分组成: : 31.1.数控系统的硬件组成数控系统的硬件组成： 数控系统的硬件包括微机基本系统、人机对话界面接数控系统的硬件包括微机基本系统、人机对话界面接口、通信接口、进给轴控
3、制接口、主轴控制接口以及辅助口、通信接口、进给轴控制接口、主轴控制接口以及辅助控制接口等控制接口等 。45微机基本系统微机基本系统 通常微机基本系统是由通常微机基本系统是由CPUCPU、存储器、存储器、I/OI/O接口、定时接口、定时器、中断控制器等几个主要部分组成。器、中断控制器等几个主要部分组成。6人机界面接口人机界面接口 数控系统的人机界面包括以下四部分：数控系统的人机界面包括以下四部分：键盘键盘(MDl)(MDl)：用于加工程序的编制以及参数的输入等。：用于加工程序的编制以及参数的输入等。显示器显示器(CRT)(CRT)：用于显示程序、数据以及加工信息等。：用于显示程序、数据以及加工信
4、息等。操作面板：用于对机床进行操作。操作面板：用于对机床进行操作。手摇脉冲发生器手摇脉冲发生器(MPG)(MPG)：通过手摇控制机床运动。：通过手摇控制机床运动。 7华中数控系统操作面板华中数控系统操作面板8广州数控系统操作面板广州数控系统操作面板91011手摇脉冲发生器手摇脉冲发生器12通信接口通信接口 通常数控系统均具有标准的通常数控系统均具有标准的RS232CRS232C串行通信接串行通信接口，因此与外设以及上级计算机连接很方便。口，因此与外设以及上级计算机连接很方便。13进给轴控制接口进给轴控制接口 实现进给轴的位置控制包括三方面的内容：实现进给轴的位置控制包括三方面的内容：进给速度控
5、制进给速度控制、插补运算插补运算和和位置闭环控制位置闭环控制。插。插补方法分为基准脉冲法与数据采样法。基准脉补方法分为基准脉冲法与数据采样法。基准脉冲法就是数控系统系统每次插补的结果以脉冲冲法就是数控系统系统每次插补的结果以脉冲的形式提供给位置控制单元，这种插补方法进的形式提供给位置控制单元，这种插补方法进给速度与控制精度较低，主要应用于开环数控给速度与控制精度较低，主要应用于开环数控系统。系统。14主轴控制接口主轴控制接口 主轴主轴S S功能可分为无级变速、有级变速和分段功能可分为无级变速、有级变速和分段无级变速三大类。当数控机床配有主轴驱动装置无级变速三大类。当数控机床配有主轴驱动装置时，
6、可利用系统的主轴控制接口输出模拟量进行时，可利用系统的主轴控制接口输出模拟量进行无级变速，否则需用无级变速，否则需用MSTMST接口实现有级变速。为接口实现有级变速。为提高低速输出转矩，现代数控机床多采用分段无提高低速输出转矩，现代数控机床多采用分段无级变速。主轴的位置反馈主要用于螺纹切削功能、级变速。主轴的位置反馈主要用于螺纹切削功能、主轴准停功能以及主轴转速监控等。主轴准停功能以及主轴转速监控等。 15MSTMST控制接口控制接口 数控系统的数控系统的MSTMST功能是通过开关量输入输出接功能是通过开关量输入输出接口完成口完成( (除除S S模拟量输出外模拟量输出外) )。数控系统所要执行
7、的。数控系统所要执行的MSTMST功能，通过开关量输出接口送至强电箱，而机床与强功能，通过开关量输出接口送至强电箱，而机床与强电侧的信号则通过开关量输入接口送至数控系统。因电侧的信号则通过开关量输入接口送至数控系统。因为为MSTMST功能的开关量控制逻辑关系复杂，在数控机床功能的开关量控制逻辑关系复杂，在数控机床中大量采用中大量采用PLCPLC可编程控制器来实现可编程控制器来实现MSTMST功能。功能。 162.2.数控系统的软件组成数控系统的软件组成 数控系统系统软件是为实现数控系统系统各数控系统系统软件是为实现数控系统系统各项功能所编制的专用软件，也叫控制软件。项功能所编制的专用软件，也叫
8、控制软件。 一般由输入一般由输入数据处理程序数据处理程序、插补运算程序插补运算程序、速度控制程序速度控制程序、管理程序管理程序和和诊断程序诊断程序等组成。等组成。17输入数据处理程序输入数据处理程序 它接收它接收输入输入的零件加工程序，将标准代码表示的的零件加工程序，将标准代码表示的加工指令和数据进行加工指令和数据进行译码译码、数据处理数据处理，并按规定的格，并按规定的格式存放式存放。 18插补计算程序插补计算程序 数控系统系统根据工件加工程序中提供的数据，数控系统系统根据工件加工程序中提供的数据，如曲线的种类、起点、终点等进行运算。根据运算如曲线的种类、起点、终点等进行运算。根据运算结果，分
9、别向各坐标轴发出进给脉冲，这个过程称结果，分别向各坐标轴发出进给脉冲，这个过程称为为插补运算插补运算。进给脉冲通过伺服系统驱动工作台或。进给脉冲通过伺服系统驱动工作台或刀具作相应的运动，完成程序规定的加工任务。刀具作相应的运动，完成程序规定的加工任务。 19速度控制程序速度控制程序 速度控制程序根据给定的速度值控制插补运算的速度控制程序根据给定的速度值控制插补运算的频率，以保预定的进给速度。在速度变化较大时，需频率，以保预定的进给速度。在速度变化较大时，需要进行自动要进行自动加减速控制加减速控制，以避免因速度突变而造成驱，以避免因速度突变而造成驱动系统失步。动系统失步。20管理程序管理程序 管
10、理程序负责对数据输入、数据处理、插补运算管理程序负责对数据输入、数据处理、插补运算等为加工过程服务的各种程序进行调度管理。管理程等为加工过程服务的各种程序进行调度管理。管理程序还要对面板命令、时钟信号、故障信号等引起的中序还要对面板命令、时钟信号、故障信号等引起的中断进行处理。断进行处理。 21诊断程序诊断程序 诊断程序的功能是在程序运行中及时发现系统的诊断程序的功能是在程序运行中及时发现系统的故障，并指出故障的类型。也可以在运行前或故障发故障，并指出故障的类型。也可以在运行前或故障发生后，检查系统各主要部件生后，检查系统各主要部件（CPUCPU、存储器、接口、存储器、接口、开关、伺服系统等）
11、开关、伺服系统等）的功能是否正常，并指出发生故的功能是否正常，并指出发生故障的部位。障的部位。222.1.2 2.1.2 数控系统的工作过程数控系统的工作过程 一个零件程序的执行首先要输入数控系统中，经过一个零件程序的执行首先要输入数控系统中，经过译码、数据处理、插补、位置控制，由伺服系统执行数译码、数据处理、插补、位置控制，由伺服系统执行数控系统输出的指令以驱动机床完成加工。控系统输出的指令以驱动机床完成加工。 23241.1.输入输入 零件程序及控制参数、补偿量等数据的输入，可采零件程序及控制参数、补偿量等数据的输入，可采用光电阅读机、键盘、磁盘、连接上级计算机的用光电阅读机、键盘、磁盘、
12、连接上级计算机的DNC DNC 接口、接口、网络等多种形式。网络等多种形式。 252.2.译码译码 不论系统工作在不论系统工作在MDIMDI方式还是存储器方式，都是将零件方式还是存储器方式，都是将零件程序以一个程序段为单位进行处理，把其中的各种零件轮程序以一个程序段为单位进行处理，把其中的各种零件轮廓信息廓信息( (如起点、终点、直线或圆弧等如起点、终点、直线或圆弧等) )、加工速度信息、加工速度信息(F (F 代码代码) )和其他辅助信息和其他辅助信息(M(M、S S、T T代码等代码等) )按照一定的语法规按照一定的语法规则解释成计算机能够识别的数据形式，并以一定的数据格则解释成计算机能够
13、识别的数据形式，并以一定的数据格式存放在指定的内存专用单元。在译码过程中，还要完成式存放在指定的内存专用单元。在译码过程中，还要完成对程序段的语法检查，若发现语法错误便立即报警。对程序段的语法检查，若发现语法错误便立即报警。263.3.刀具补偿刀具补偿 刀具补偿包括刀具长度补偿和刀具半径补偿。通常数刀具补偿包括刀具长度补偿和刀具半径补偿。通常数控系统装置的零件程序以零件轮廓轨迹编程，刀具补偿作控系统装置的零件程序以零件轮廓轨迹编程，刀具补偿作用是把零件轮廓轨迹转换成刀具中心轨迹。目前在比较好用是把零件轮廓轨迹转换成刀具中心轨迹。目前在比较好的数控系统装置中，刀具补偿的工件还包括程序段之间的的数
14、控系统装置中，刀具补偿的工件还包括程序段之间的自动转接和过切削判别，这就是所谓的自动转接和过切削判别，这就是所谓的数控系统刀具补偿数控系统刀具补偿。 274.4.进给速度处理进给速度处理 编程所给的刀具移动速度，是在各坐标的合成方向上编程所给的刀具移动速度，是在各坐标的合成方向上的速度。速度处理首先要做的工作是根据合成速度来计算的速度。速度处理首先要做的工作是根据合成速度来计算各运动坐标的分速度。各运动坐标的分速度。 285.5.插补插补 插补的任务是在一条给定起点和终点的曲线上进行插补的任务是在一条给定起点和终点的曲线上进行“ “ 数据点的密化数据点的密化 ” ”。插补程序在每个插补周期运行
15、一次，。插补程序在每个插补周期运行一次，在每个插补周期内，根据指令进给速度计算出一个微小的在每个插补周期内，根据指令进给速度计算出一个微小的直线数据段。通常，经过若干次插补周期后直线数据段。通常，经过若干次插补周期后 ，插补加工，插补加工完一个程序段轨迹，即完成从程序段起点到终点的完一个程序段轨迹，即完成从程序段起点到终点的“数据数据点密化点密化”工作。工作。 296.6.位置控制位置控制 位置控制处在伺服回路的位置环上，这部分工作可位置控制处在伺服回路的位置环上，这部分工作可以由软件实现，以由软件实现， 也可以由硬件完成。它的主要任务是在也可以由硬件完成。它的主要任务是在每个采样周期内，将理
16、论位置与实际反馈位置相比较，每个采样周期内，将理论位置与实际反馈位置相比较， 用其差值去控制伺服电动机。在位置控制中通常还要完用其差值去控制伺服电动机。在位置控制中通常还要完成位置回路的增益调整、各坐标方向的螺距误差补偿和成位置回路的增益调整、各坐标方向的螺距误差补偿和反向间隙补偿，以提高机床的定位精度。反向间隙补偿，以提高机床的定位精度。 307.I/0 7.I/0 处理处理 I/O I/O 处理主要处理数控系统装置面板开关信号，机床处理主要处理数控系统装置面板开关信号，机床电气信号的输入、输出和控制电气信号的输入、输出和控制( (如换刀、换挡、冷却等如换刀、换挡、冷却等) )。 318.8
17、.显示显示 数控系统系统的显示主要是为操作者提供方便，显示数控系统系统的显示主要是为操作者提供方便，显示装置有装置有CRTCRT显示器或显示器或LCDLCD数码显示器，一般位于机床的控制数码显示器，一般位于机床的控制面板上。通常有零件程序的显示、参数的显示、刀具位置面板上。通常有零件程序的显示、参数的显示、刀具位置显示、机床状态显示、报警信息显示等。显示、机床状态显示、报警信息显示等。 329.9.诊断诊断 对系统中出现的不正常情况进行检查、定位，包括联对系统中出现的不正常情况进行检查、定位，包括联机诊断和脱机诊断。机诊断和脱机诊断。 332.2 2.2 数控系统的分类、性能指标及功能数控系统
18、的分类、性能指标及功能2.2.1 2.2.1 数控系统的分类数控系统的分类 就系统硬件和软件组成及其结构形式而言，当今世界就系统硬件和软件组成及其结构形式而言，当今世界的各种数控系统大致可分为以下四种类型的各种数控系统大致可分为以下四种类型: :341.1.传统专用型数控系统传统专用型数控系统 这类数控系统的硬件由数控系统生产厂家自行开发，这类数控系统的硬件由数控系统生产厂家自行开发，具有很强的专用性，经过了长时间的使用，质量和性能稳具有很强的专用性，经过了长时间的使用，质量和性能稳定可靠。但由于其采用一种完全封闭的体系结构，往往存定可靠。但由于其采用一种完全封闭的体系结构，往往存在以下缺点：
19、在以下缺点：用户的应用、维修以及操作人员培训完全用户的应用、维修以及操作人员培训完全依赖于数控系统生产厂家，系统维护费用较高；依赖于数控系统生产厂家，系统维护费用较高；系统功系统功能的扩充以及更新完全依赖于公司的技术水平，周期比较能的扩充以及更新完全依赖于公司的技术水平，周期比较长；长；大量市售廉价通用软硬件在专用数控系统上无法使大量市售廉价通用软硬件在专用数控系统上无法使用，功能比较单一。用，功能比较单一。352.PC2.PC嵌入嵌入NCNC结构的开放式数控系统结构的开放式数控系统 这类数控系统与传统专用型数控系统相比，结构上具这类数控系统与传统专用型数控系统相比，结构上具备一些开放性，功能
20、十分强大，但系统软硬件结构十分复备一些开放性，功能十分强大，但系统软硬件结构十分复杂，系统价格也十分昂贵，一般的中小型数控机床生产厂杂，系统价格也十分昂贵，一般的中小型数控机床生产厂家没有经济能力去购买。家没有经济能力去购买。363.NC3.NC嵌入嵌入PCPC结构的开放式数控系统结构的开放式数控系统 这种数控系统的硬件部分由开放式体系结构的运动控这种数控系统的硬件部分由开放式体系结构的运动控制卡与制卡与PCPC机构成，具有很强的运动控制和机构成，具有很强的运动控制和PLCPLC控制能力。控制能力。开放性能比较好，并且对功能进行改进也比较方便，系统开放性能比较好，并且对功能进行改进也比较方便，
21、系统的控制功能主要由运动控制卡来实现，机床硬件发生改变的控制功能主要由运动控制卡来实现，机床硬件发生改变时，只需要修改相应部分的控制软件，并且系统性价比也时，只需要修改相应部分的控制软件，并且系统性价比也比较高，能够满足大多数的数控机床生产厂家的需要。比较高，能够满足大多数的数控机床生产厂家的需要。 374.4.全软件型的开放式数控系统全软件型的开放式数控系统 这是一种最新型的开放式体系结构的数控系统，所有这是一种最新型的开放式体系结构的数控系统，所有的数控功能的数控功能( (包括插补、位置控制等包括插补、位置控制等) )全部都是由计算机软全部都是由计算机软件来实现的。与前几种数控系统相比，全
22、软件型开放式数件来实现的。与前几种数控系统相比，全软件型开放式数控系统具有最高的性价比，因而最有生命力。控系统具有最高的性价比，因而最有生命力。 382.2.2 2.2.2 数控系统的功能数控系统的功能1.1.控制轴数与联动轴数控制轴数与联动轴数 数控系统装置能控制的轴数以及能同时控制数控系统装置能控制的轴数以及能同时控制( (即联动即联动) )的轴数是其主要性能之一。控制轴数说明数控系统最多可的轴数是其主要性能之一。控制轴数说明数控系统最多可以控制多少坐标轴，其中包括移动轴和回转轴。以控制多少坐标轴，其中包括移动轴和回转轴。 392.2.准备功能准备功能 准备功能也称为准备功能也称为G G功
23、能，用来指令机床动作方式，包功能，用来指令机床动作方式，包括基本移动、程序暂停、平面选择、坐标设定、刀具补偿、括基本移动、程序暂停、平面选择、坐标设定、刀具补偿、基准点返回、固定循环、公英制转换等。基准点返回、固定循环、公英制转换等。403.3.插补功能插补功能 插补功能是指数控机床能够实现的线型能力，如直线、插补功能是指数控机床能够实现的线型能力，如直线、圆弧、螺旋线、抛物线、正弦曲线等。机床插补功能越强，圆弧、螺旋线、抛物线、正弦曲线等。机床插补功能越强，说明能够加工的轮廓种类越多。说明能够加工的轮廓种类越多。414.4.进给功能进给功能 进给功能包括快速进给进给功能包括快速进给( (空行
24、程空行程) )、切削进给、手动连、切削进给、手动连续进给、点动进给、进给率修调续进给、点动进给、进给率修调( (倍率开关倍率开关) )、自动加减速、自动加减速功能等。功能等。425.5.主轴功能主轴功能 主轴功能可实现恒转速、恒线速、定向停止及转速修主轴功能可实现恒转速、恒线速、定向停止及转速修调调( (倍率开关倍率开关) )。恒线速即主轴自动变速，使刀具对工件切。恒线速即主轴自动变速，使刀具对工件切削点的线速度保持不变。主轴定向停止及其周向准确定位。削点的线速度保持不变。主轴定向停止及其周向准确定位。436.6.刀具功能刀具功能 刀具的自动选择和自刀具功能是指动换刀。刀具的自动选择和自刀具功
25、能是指动换刀。 447.7.刀具补偿刀具补偿 刀具补偿包括刀具位置补偿、半径补偿和长度补偿。刀具补偿包括刀具位置补偿、半径补偿和长度补偿。半径补偿为车刀的刀尖半径、铣刀半径的补偿；长度补偿半径补偿为车刀的刀尖半径、铣刀半径的补偿；长度补偿为铣床、加工中心沿加工深度方向对刀具长度变化的补偿为铣床、加工中心沿加工深度方向对刀具长度变化的补偿。458.8.机械误差补偿机械误差补偿 机械误差补偿是指系统可自动补偿机械传动部件因间机械误差补偿是指系统可自动补偿机械传动部件因间隙产生的误差。隙产生的误差。469.9.操作功能操作功能 数控机床通常有单程序段的执行和跳段执行、试运行，数控机床通常有单程序段的
26、执行和跳段执行、试运行，图形模拟、机械锁住、暂停和急停等功能，有的还有软件图形模拟、机械锁住、暂停和急停等功能，有的还有软件操作功能。操作功能。4710.10.程序管理功能程序管理功能 程序管理功能是指对加工程序的检索、编制、修改、程序管理功能是指对加工程序的检索、编制、修改、插入、删除、更名、锁住、在线编辑即后台编辑插入、删除、更名、锁住、在线编辑即后台编辑( (在执行在执行自动加工的同时进行编辑自动加工的同时进行编辑) )以及程序的存储通信等。以及程序的存储通信等。 4811.11.图形显示功能图形显示功能 图形显示功能是利用监示器图形显示功能是利用监示器(CRT)(CRT)进行二维或三维
27、、进行二维或三维、单色或彩色、图形可缩放、坐标可旋转的刀具轨迹动态显单色或彩色、图形可缩放、坐标可旋转的刀具轨迹动态显示。示。 4912.12.辅助编程功能辅助编程功能 如固定循环、镜像、图形缩放、子程序、宏程序坐如固定循环、镜像、图形缩放、子程序、宏程序坐标旋转、极坐标等辅助编辑功能，可减少手工编程的工作标旋转、极坐标等辅助编辑功能，可减少手工编程的工作量和难度，尤其适合三维复杂和大工作量零件。量和难度，尤其适合三维复杂和大工作量零件。 5013.13.自诊断报警功能自诊断报警功能 自诊断报警功能是指数控系统对其软、硬件故障的自自诊断报警功能是指数控系统对其软、硬件故障的自我诊断能力。该功能
28、用于监视整个加工过程是否正常，并我诊断能力。该功能用于监视整个加工过程是否正常，并及时报警，从而防止故障的发生或扩大。及时报警，从而防止故障的发生或扩大。 5114.14.通信与通信协议通信与通信协议 数控系统都配有数控系统都配有RS232CRS232C或或DNCDNC接口，为进行高速传输接口，为进行高速传输设有缓冲区。根据使用要求的不同，对性能指标和功能的设有缓冲区。根据使用要求的不同，对性能指标和功能的考虑也会多种多样，因此选择数控系统时应根据实际需要考虑也会多种多样，因此选择数控系统时应根据实际需要决策。决策。52课后小结：课后小结：5353课后作业课后作业教材教材P27、思考与练习题、思考与练习题2-1 2-2 54谢谢听讲谢谢听讲欢迎提出宝贵意见和建议欢迎提出宝贵意见和建议55
