數(shù)控技術(shù)課件

第六章典型數(shù)控機(jī)械

數(shù)控車床、加工中心

§6－1數(shù)控車床經(jīng)濟(jì)型：用單片機(jī)或單板機(jī)、功率步進(jìn)電機(jī)、功能簡單、價(jià)格低

全功能型：數(shù)控系統(tǒng)功能齊全（如C軸、伺服電機(jī)、閉環(huán)控制等）

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第六章典型數(shù)控機(jī)械

一、數(shù)控車床的機(jī)械結(jié)構(gòu)及原理

數(shù)控車床沒有脫離普通車床的結(jié)構(gòu)形式，包括有主傳動(dòng)系統(tǒng)、進(jìn)給系統(tǒng)及液壓、冷卻、潤滑系統(tǒng)。由于數(shù)控機(jī)床常常采用了調(diào)速電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了電氣無級(jí)變速。所以其傳動(dòng)系統(tǒng)比普通車床簡單得多。

（一）主傳動(dòng)系統(tǒng)1、由舊機(jī)床改裝的及一些經(jīng)濟(jì)型的數(shù)控機(jī)床

可不要求主軸數(shù)控變速，其主傳動(dòng)系統(tǒng)與普通機(jī)床類似，依靠機(jī)械有級(jí)變速。例如圖6－1。

232、全功能型的數(shù)控車床

其主傳動(dòng)系統(tǒng)一般采用直流或交流調(diào)速主軸電機(jī)實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，通過皮帶及變速齒輪（1～2級(jí)）帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，以獲得要求的調(diào)速范圍和輸出轉(zhuǎn)矩。機(jī)械部分的有級(jí)自動(dòng)變速

一般采用電磁離合器或

液壓缸撥動(dòng)齒輪。如前一章所述。全功能型的數(shù)控車床，有些包含C軸功能（嚴(yán)格地說，屬于旋轉(zhuǎn)方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)）。以實(shí)現(xiàn)主軸定向停車和圓周進(jìn)給，并在數(shù)控裝置控制下實(shí)現(xiàn)C軸、Z軸聯(lián)動(dòng)插補(bǔ)和C軸、X軸聯(lián)動(dòng)插補(bǔ)。實(shí)現(xiàn)圓柱面上或端面上任意部位的鉆削、銑削、攻絲及曲面銑加工。

圖6－5為C軸坐標(biāo)功能的示意圖。

452、全功能型的數(shù)控車床

由于C軸功能完全不同與主軸功能，實(shí)際上是主軸的一種旋轉(zhuǎn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，

需要專門的伺服電機(jī)，且與主軸電機(jī)分開其傳動(dòng)有多種結(jié)構(gòu)形式。圖6－6和圖6－7分別為兩個(gè)系統(tǒng)的C軸傳動(dòng)原理圖。

6采用可嚙合和脫開的蝸輪副結(jié)構(gòu)（蝸桿1、蝸輪3）7

滑移齒輪5與主軸齒輪7可嚙合，實(shí)現(xiàn)C軸運(yùn)動(dòng)?；讫X輪5與主軸齒輪7脫離。實(shí)現(xiàn)主軸運(yùn)動(dòng)。8

3、主軸編碼器因?yàn)閿?shù)控車床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)與主運(yùn)動(dòng)無機(jī)械鏈聯(lián)系，所以加工螺紋時(shí)，必須要有脈沖編碼器記錄主軸轉(zhuǎn)角，保證主軸每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，螺紋車刀移動(dòng)一個(gè)導(dǎo)程。同時(shí)還保證每次走刀都在工件的同一點(diǎn)切入，不會(huì)亂扣.

工作時(shí)，脈沖編碼器與主軸同步旋轉(zhuǎn)，直接裝在主軸的后方，或通過1：1的齒輪（同步齒形帶）與主軸聯(lián)系，分別如圖6－1和6－2。91011

二、進(jìn)給系統(tǒng)

數(shù)控車床的進(jìn)給系統(tǒng)是數(shù)字控制的主要部分，結(jié)構(gòu)上與普通車床截然不同，由步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)過0~3級(jí)的齒輪傳動(dòng)，

通過滾珠絲桿帶動(dòng)刀架完成縱向（Z向）和橫向（X向）的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。圖6－8、6－9、6－10、6－11為幾種常用的進(jìn)給傳動(dòng)裝置。12圖6－8、6－9中未采用變速齒輪，伺服電機(jī)通過同步齒形帶或聯(lián)軸器直接與滾珠絲桿相連，結(jié)構(gòu)簡單，傳動(dòng)誤差少，但要求電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩較大，能直接帶動(dòng)負(fù)載。

13圖6－8、6－9中未采用變速齒輪，伺服電機(jī)通過同步齒形帶或聯(lián)軸器直接與滾珠絲桿相連，結(jié)構(gòu)簡單，傳動(dòng)誤差少，但要求電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩較大，能直接帶動(dòng)負(fù)載。

14圖6－10、6－11中為步進(jìn)電機(jī)，通過變速齒輪與滾珠絲桿相連，可提高輸出轉(zhuǎn)矩。其中齒輪采用柔性調(diào)整法消除間隙（見C—C）。絲桿螺母付采用雙螺母螺紋調(diào)隙式結(jié)構(gòu)。15圖6－10、6－11中為步進(jìn)電機(jī)，通過變速齒輪與滾珠絲桿相連，可提高輸出轉(zhuǎn)矩。其中齒輪采用柔性調(diào)整法消除間隙（見C—C）。絲桿螺母付采用雙螺母螺紋調(diào)隙式結(jié)構(gòu)16

（三）數(shù)控車床的刀架

1。自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床上大都使用自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架（4、5、6把刀），目前使用最多的是螺旋轉(zhuǎn)位刀架。其工作原理如圖6－12所示。17

1。自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架換刀時(shí)，微電機(jī)4正轉(zhuǎn)——

經(jīng)離合器3——

蝸輪蝸桿副——絲桿螺母副——螺母上升（絲桿2固定），抬起刀架1，使定位用端齒盤的上盤與下盤分離，帶動(dòng)刀架旋轉(zhuǎn)。到位后，發(fā)信號(hào)使電機(jī)4反轉(zhuǎn)，螺母反轉(zhuǎn)，端齒盤的上盤下降，與下盤嚙合并壓緊，完成刀架換位。

182。轉(zhuǎn)塔刀架

利用轉(zhuǎn)塔頭的各刀座來安裝或夾持各種刀具，通過轉(zhuǎn)塔頭的旋轉(zhuǎn)分度定位來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀。轉(zhuǎn)塔頭的軸線與主軸軸線平行。刀位數(shù)可多達(dá)20余種。每當(dāng)一把刀的切削工序完成后，轉(zhuǎn)塔頭根據(jù)指令轉(zhuǎn)過一個(gè)或幾個(gè)刀位，選下一工步所需的刀具。轉(zhuǎn)塔刀架可由電機(jī)或液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。圖6－15為轉(zhuǎn)位傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡圖。193.動(dòng)力刀架車削中心——C軸功能

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（四）床身與導(dǎo)軌

數(shù)控車床的床身由四種結(jié)構(gòu)形式，如圖6－16。水平的床身加工工藝性好，但床身下部空間小，排屑困難，一般只在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床中使用。

中小規(guī)格的現(xiàn)代數(shù)控車床多采用斜床身和平床身與斜滑板的結(jié)構(gòu)，便于排屑，占地面積小，便于操作，容易實(shí)現(xiàn)封閉式防護(hù)和便于安裝機(jī)械手，可實(shí)現(xiàn)單機(jī)自動(dòng)化。

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（四）床身與導(dǎo)軌

經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床一般采用塑料粘接導(dǎo)軌，成本低，性能較好。

滾動(dòng)導(dǎo)軌由于摩擦特性好，數(shù)控機(jī)床應(yīng)用廣泛。22

二、經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床的CNC數(shù)控系統(tǒng)以CKL—6132系統(tǒng)為例，作一介紹。

（一）主要技術(shù)參數(shù)與功能（略）（二）硬件結(jié)構(gòu)

該機(jī)的控制系統(tǒng)框圖如圖6－17所示

該機(jī)控制系統(tǒng)以一臺(tái)16位工控機(jī)為主機(jī)，以Z80CPU微處理器為核心的單板機(jī)作從機(jī)，構(gòu)成二級(jí)控制系統(tǒng)。主機(jī)擔(dān)負(fù)數(shù)據(jù)處理、插補(bǔ)控制及一些功能管理等任務(wù)；

從機(jī)擔(dān)負(fù)輔助機(jī)能的控制任務(wù)（如調(diào)速、換刀等），還擔(dān)任手動(dòng)操作方面的控制任務(wù)。。

2324（二）硬件結(jié)構(gòu)主機(jī)可利于進(jìn)一步開發(fā)，其接口電路，其中：8255主要用來傳送數(shù)據(jù)和掃描開關(guān)量，并控制伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。8253主要用來采集主軸脈沖信號(hào)和作為G00快速進(jìn)給的定時(shí)控制，8279用于中斷控制。

Z80單板機(jī)的PIO接口電路用于掃描開關(guān)和強(qiáng)電控制，CTC接口電路用于主軸直流調(diào)速和刀具快速移動(dòng)的定時(shí)控制。

主軸脈沖發(fā)生器與主軸同步回轉(zhuǎn)。它起兩個(gè)作用：一方面用于進(jìn)給控制，另一方面用于主軸調(diào)速的數(shù)字反饋。

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（三）軟件結(jié)構(gòu)

1。軟件的總體結(jié)構(gòu)

該車床的軟件總體框圖如圖6－18所示。經(jīng)濟(jì)型，功能簡單，速度要不高，車床——無刀具半徑補(bǔ)償計(jì)算，開環(huán)中斷很少（讀入）譯碼一段——加工一段2627

2。特殊功能模塊程序設(shè)計(jì)

（1）螺紋切削處理軟件

加工螺紋時(shí)，與主軸同步回轉(zhuǎn)的主軸脈沖發(fā)生器每轉(zhuǎn)發(fā)出二組脈沖：

一組脈沖為每轉(zhuǎn)發(fā)1024個(gè)，用于控制主軸每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，刀架在z向移動(dòng)一個(gè)螺距值。

另一組脈沖每轉(zhuǎn)發(fā)一個(gè)脈沖，用于保證每次走刀是在同一切削點(diǎn)切入加工，以免亂扣。

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2。特殊功能模塊程序設(shè)計(jì)

（1）螺紋切削處理軟件為實(shí)現(xiàn)主軸每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，刀架在Z向移動(dòng)一個(gè)螺距P（對(duì)應(yīng)F個(gè)脈沖，F(xiàn)=P/

)

，可以采用數(shù)字積分法（DDA法），原理如下：用兩個(gè)存儲(chǔ)單元，其中一個(gè)用來寄存螺距值JV（嚴(yán)格地說，是經(jīng)過換算，正比于實(shí)際螺距值的數(shù)）作為被積函數(shù)，另一個(gè)用來寄存余數(shù)JR（累加器）。采用中斷方式，主軸脈沖發(fā)生器每發(fā)一個(gè)脈沖，就產(chǎn)生一次中斷，每次中斷進(jìn)行一次累加運(yùn)算（被積函數(shù)往累加器累加）。當(dāng)累加器有溢出時(shí)，即向Z方向發(fā)送一個(gè)進(jìn)給脈沖。

29主軸每轉(zhuǎn)中發(fā)1024個(gè)脈沖，累加運(yùn)算1024次，進(jìn)給方向共發(fā)P/

個(gè)脈沖（P為實(shí)際的螺距，單位mm；為脈沖當(dāng)量），就保證了主軸每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，刀架在Z向移動(dòng)一個(gè)螺距值P。

設(shè)余數(shù)寄存器的容量為R，則有關(guān)系式：

RP/=JV1024

由上式可求得寄存螺距值JV

（被積函數(shù)）.

書上：JV=F=P/

則R=1024

圖6－19為DDA法30CTC常數(shù)設(shè)置法

在單片機(jī)中可以利用T0或T1計(jì)數(shù)器

圖6-2031

（2）刀具選擇的軟件設(shè)計(jì)

自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架的軟件控制過程：當(dāng)前刀位轉(zhuǎn)動(dòng)角轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間到

刀位與指令值比較電機(jī)反轉(zhuǎn)結(jié)束指令刀位32

6－2立式加工中心

以XHK716型立式加工中心為例

一、機(jī)床的用途與主要技術(shù)性能

用途：自動(dòng)換刀、三坐標(biāo)直線插補(bǔ)、任意二軸圓弧插補(bǔ)、閉環(huán)控制，

數(shù)控系統(tǒng)采用FANUC-6MB系統(tǒng)，適合于復(fù)雜型面零件的多工序加工。技術(shù)參數(shù)（略）

二、機(jī)床的組成和傳動(dòng)系統(tǒng)組成：機(jī)床部件、主軸箱、進(jìn)給系統(tǒng)、自動(dòng)換刀裝置、液壓系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)

外形圖如圖6－21。

3334二、機(jī)床的組成和傳動(dòng)系統(tǒng)圖6－22為機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng)原理圖。

主傳動(dòng)：

寬調(diào)速直流電機(jī)1—

軸I、II、III、IV—

主軸3，其中III軸到IV軸，由兩檔變速

進(jìn)給運(yùn)動(dòng)（三個(gè)方向）：

直流伺服電機(jī)（4、7、9）

—

張緊環(huán)結(jié)合子（5、6、8）—

滾珠絲桿—

工作臺(tái)（十字滑臺(tái)、垂向滑座）進(jìn)給運(yùn)動(dòng)中無傳動(dòng)齒輪，電機(jī)直接帶動(dòng)絲桿。3536

三、機(jī)床的自動(dòng)換刀裝置

自動(dòng)換刀裝置由單盤式刀庫12、刀庫底座11、液壓馬達(dá)10、雙臂回轉(zhuǎn)機(jī)械手組成，見圖6－22及圖6－21。其中機(jī)械手安裝在主軸箱的左側(cè)面，換刀時(shí)可隨同主軸箱一起在立柱上運(yùn)動(dòng)。自動(dòng)換刀的工作過程見圖6－23。在整個(gè)換刀過程中各項(xiàng)動(dòng)作均由限位開關(guān)控制，只有前一個(gè)動(dòng)作完成后，才能進(jìn)行下一個(gè)動(dòng)作，從而保證運(yùn)動(dòng)的可靠性。3738

四、FANUC-6MB數(shù)控系統(tǒng)的基本功能

（一）概述

圖6－26為FANUC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。每個(gè)進(jìn)給坐標(biāo)軸都配有一套伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。進(jìn)給驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用直流伺服電機(jī)應(yīng)用PWM晶體管脈寬調(diào)速電路。系統(tǒng)的位置控制框圖如圖6－27所示。CPU輸出的位置指令經(jīng)過專用大規(guī)模集成電路位置控制芯片MB8739處理后，送往D/A，再經(jīng)速度控制單元控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)。

3940位置控制芯片MB8739是FANUC公司專門設(shè)計(jì)的，它包括位置測量與反饋的全部線路，集成都非常高。其結(jié)構(gòu)主要包括以下幾部分：

（1）DDA插補(bǔ)器：該插補(bǔ)器作細(xì)插補(bǔ)，它的輸入是第一級(jí)軟件插補(bǔ)一個(gè)插補(bǔ)周期的信息。

（2）誤差寄存器：實(shí)現(xiàn)指令位置與實(shí)際位置的比較，并寄存比較后的跟隨誤差（實(shí)際上是多位可逆計(jì)數(shù)器）

（3）位置增益調(diào)整：對(duì)位置誤差乘以一定的比例系數(shù)，用來調(diào)整整個(gè)位置伺服系統(tǒng)的開環(huán)增益KV。KV是由軟件根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的要求設(shè)定的。

（4）PWM脈寬調(diào)制電路：將位置誤差調(diào)制成某一固定頻率、且寬度（占空比）與誤差值成正比的矩形脈沖波，經(jīng)PWM后，輸出誤差指令F