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2017SINUMERIK

828D數(shù)控系統(tǒng)連接與調試項目1-1 數(shù)控機床認識01

◆數(shù)控機床組成 02◆常見數(shù)控機床類型03◆典型數(shù)控機床結構目

錄CONTENTS

04◆實訓任務01數(shù)控機床組成數(shù)控機床一.數(shù)控機床作用二.數(shù)控機床組成導讀簡單的說，配置了數(shù)控系統(tǒng)的機床稱為數(shù)控機床。如圖1-1-1所示為第45屆世界技能大賽全國選拔賽數(shù)控車賽項所用數(shù)控車床，數(shù)控車床本體配置SINUMERIK

828D數(shù)控車系統(tǒng)；如圖1-1-2所示為第45屆世界技能大賽全國選拔賽數(shù)控銑賽項、原型制作賽項所用數(shù)控銑床，SINUMERIK828D數(shù)控銑系統(tǒng)。數(shù)控機床是數(shù)字控制機床（Computer

numerical

controlmachine

tools）的簡稱，是一種裝有程序控制系統(tǒng)的自動化機床。該控制系統(tǒng)能夠邏輯地處理具有控制編碼或其他符號指令規(guī)定的程序，并將其譯碼，用代碼化的數(shù)字表示，通過信息載體輸入數(shù)控裝置。經運算處理由數(shù)控裝置發(fā)出各種控制信號，控制機床的動作，按零件圖紙要求的形狀和尺寸，自動地將零件加工出來。數(shù)控機床作用數(shù)控機床基本組成

數(shù)控機床基本組成如圖1-1-3框圖所示，一般由輸入輸出設備、CNC裝置（或稱CNC單元）、伺服單元、驅動裝置（或稱執(zhí)行機構）、可編程控制器PLC及電氣控制裝置、輔助裝置、機床本體及測量反饋裝置組成。數(shù)控機床基本組成數(shù)控機床各部分主要功能如下：1）機床本體

與傳統(tǒng)的機床相比較，數(shù)控機床本體仍然由主傳動裝置、進給傳動裝置、床身及工作臺以及輔助運動裝置、液壓氣動系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、冷卻裝置等組成。但數(shù)控機床本體的整體布局、外觀造型、傳動系統(tǒng)、刀具系統(tǒng)等的結構以及操縱機構發(fā)生了很大的改變,這種變化的目的是為了滿足數(shù)控機床高精度、高速度、高效率以及高柔性的要求。具體體現(xiàn)在以下幾個方面：各部分主要功能

機床剛性大大提高，抗振性能大為改善。通過合理設計結構的斷面形狀和尺寸、合理布置結構上的筋條和筋板、改善構件連接處剛性、合理選擇構件壁厚等措施提高機床結構件靜剛性和固有頻率；通過在機床大型型腔中充填阻尼材料、在大型結構件表面采用阻尼涂層等措施改善抗振性能。采用加寬機床導軌面、改變立柱和床身布局方式、校動平衡等措施，同時借助軟件對機床整體結構進行有限元強度分析，作為改善結構重要依據(jù)，提高機床結構性能。如圖1-1-4所示為數(shù)控機床典型床身設計，采用有效的床身結構設計，合理設計筋板，控制開孔尺寸及合理位置布局，大型型腔填充，有效提高了機床剛性。機床本體

機床熱變形降低

在數(shù)控機床結構設計上將電動機、變速箱、液壓裝置、油箱等發(fā)熱源外置減少熱變形對機床精度影響；通過強制冷卻、良好散熱控制溫升等措施減小部件熱變形；通過絲杠預緊減少絲杠熱變形。

機床傳動結構簡化，數(shù)控機床通過主軸電機、伺服電機自動調速達到加工要求，機械傳動鏈短，機械結構得以簡化。如主軸電機采用電主軸，將電機轉子和機床主軸合二為一，實現(xiàn)零傳動鏈傳動；進給運動采用直線電機，電機直接帶動工作臺作直線運動。如圖1-1-5為西門子公司生產的電主軸；圖1-1-6為西門子公司生產的直線電機。機床本體

機床各運動副的摩擦因數(shù)小。滾動導軌、靜壓導軌、磁懸浮導軌、貼塑導軌的使用能夠減小摩擦系數(shù)和摩擦力；用精密滾珠絲杠副代替滑動絲杠副，能有效減小進給運動部件摩擦力。圖1-1-7為導軌采用滾動導軌塊減小摩擦力；圖1-1-8為數(shù)控機床進給運動采用滾珠絲杠螺母副結構減小摩擦力。機床本體

數(shù)控機床功能部件增多。數(shù)控機床使用了很多功能部件，如加工中心刀庫、交換工作臺、數(shù)控車床自動排屑裝置、數(shù)控機床在線檢測裝置等，提高數(shù)控機床性能和提高加工效率。如圖1-1-9為加工中心刀庫，可實現(xiàn)加工過程中多工序、多工步自動換刀；圖1-1-10為工件自動加工過程中檢測用的比對儀，可以就近直接檢測加工出的工件，針對車間中的手動或自動測量工序提供高速、可重復及操作簡單的測量解決方案。機床本體CNC單元是數(shù)控機床的核心。CNC單元由信息的輸入、處理和輸出三個部分組成。CNC單元接受數(shù)字化信息，經過數(shù)控裝置的控制軟件和邏輯電路進行譯碼、插補、邏輯處理后，將各種指令信息輸出給伺服系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)驅動執(zhí)行部件作進給運動。圖1-1-11所示為SINUMERIK828D數(shù)控單元PPU240垂直版；圖1-1-12所示為SINUMERIK828D數(shù)控單元PPU240水平版。CNC單元輸入、輸出設備和伺服單元輸入、輸出設備。輸入、輸出設備用于數(shù)控系統(tǒng)與外界進行程序、信號、文件等的傳遞。常見的輸入輸出設備有網線、USB、RS232數(shù)據(jù)線、CF卡、鍵盤等。伺服單元。伺服單元由驅動器、驅動電機組成，并與機床上的執(zhí)行部件和機械傳動部件組成數(shù)控機床的進給系統(tǒng)。它的作用是把來自數(shù)控裝置的脈沖信號轉換成機床移動部件的運動。如圖1-1-13標記處即為由驅動器和驅動電機構成的伺服單元機床操作面板限位開關壓力傳感器可編程控制器可編程控制器（PC，Programmable

Controller）是一種以微處理器為基礎的通用型自動控制裝置，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的。由于最初研制這種裝置的目的是為了解決生產設備的邏輯及開關控制，故把稱它為可編程邏輯控制器（PLC，Programmable

Logic

Controller）。當PLC用于控制機床順序動作時，也可稱之為可編程機床控制器（PMC，Programmable

Machine

Controller）?？删幊虣C床控制器測量裝置也稱反饋元件，包括光柵、旋轉編碼器、激光測距儀、磁柵等。通常安裝在機床的工作臺或絲杠上，它把機床工作臺的實際位移轉變成電信號反饋給CNC裝置，供CNC裝置與指令值比較產生誤差信號，以控制機床向消除該誤差的方向移動。如圖1-1-14所示為西門子公司主軸外置編碼器，用于測量主軸旋轉速度，并將測量結果反饋給數(shù)控系統(tǒng)；圖1-1-15所示為光柵尺，用于測量工作臺實際位移，并將測量結果反饋給數(shù)控系統(tǒng)。測量反饋裝置電氣控制裝置給數(shù)控系統(tǒng)、伺服單元、I/O模塊等提供工作電源和強電，并對整個系統(tǒng)提供各種短路、過載、欠壓等電氣保護和系統(tǒng)安全保護；同時在可編程控制器PLC的輸出接口與機床各類輔助裝置的電氣執(zhí)行元器件之間起橋梁聯(lián)結作用，控制機床輔助裝置的各種交流電動機、液壓系統(tǒng)電磁閥或電磁離合器等。如圖1-1-16為某加工中心電氣控制柜，內有828D系統(tǒng)用伺服放大器，空氣開關、交流接觸器、中間繼電器、開關電源、端子排、變壓器等。電氣控制裝置輔助裝置氣動裝置排屑裝置潤滑裝置數(shù)控機床輔助裝置是保證充分發(fā)揮數(shù)控機床功能所必需的配套裝置。常用的輔助裝置包括：液壓裝置冷卻裝置回轉工作臺02數(shù)控機床的分類及應用按工藝用途分類按運動方式分類按控制方式分類按可控制聯(lián)動坐標軸數(shù)分類按工藝用途分類數(shù)控機床的分類及應用數(shù)控車床適合于回轉體類零件加工，是一種高精度、高效率的自動化機床。機床就具有廣泛的加工工藝性能，可加工內外形狀的圓柱面、圓錐面、圓弧面、各種螺紋、溝槽、蝸桿等復雜工件，具有直線插補、圓弧插補各種補償功能，并在復雜零件的批量生產中發(fā)揮了良好的經濟效果。數(shù)控車床如圖1-1-17所示為斜床身數(shù)控臥式車床，主要由床身部分、主軸箱部分、縱橫向進給裝置、刀架、尾座、冷卻潤滑輔助裝置等部分構成，適合于軸類零件加工。如圖1-1-18所示為數(shù)控立式車床，適用于大型的、具有回轉中心的盤類零件加工。如圖1-1-19所示為數(shù)控立式銑床，

適合于加工具備平面、輪廓、孔系、溝槽等要素的盤類零件加工。數(shù)控銑床對零件加工的適應性強、靈活性好，能加工輪廓形狀特別復雜或難以控制尺寸的零件，如模具類零件、殼體類零件等。按照數(shù)控銑床主軸布局形式不同，數(shù)控銑床分為立式銑床和臥式銑床。如圖1-1-20

所示為數(shù)控臥式銑床，通常具備回轉工作臺，適合于箱體類零件加工。數(shù)控銑床加工中心的典型特征是具有刀庫和自動換刀裝置。常見加工中心類型如表1-1-1所示。數(shù)控加工中心如圖1-1-21所示為車銑復合加工中心，用于船用柴油機曲軸零件加工。三坐標測量儀是指在一個六面體的空間范圍內，能夠對幾何形狀、長度及圓周分度等要素進行高精度測量。具有可作三個方向移動的探測器，可在三個相互垂直的導軌上移動，以接觸或非接觸等方式傳遞訊號，三個軸的位移測量系統(tǒng)（如光柵尺）經數(shù)據(jù)處理器或計算機等計算出工件的各點（x，y，z）及各項功能測量數(shù)據(jù)。三坐標測量機如圖1-1-22所示為三坐標測量機外形，三坐標測量儀的測量功能包括尺寸精度、定位精度、幾何精度及輪廓精度檢測等，廣泛的應用于機械、電子、汽車、航空、船舶、軍工、模具等行業(yè)中的箱體、機架、齒輪、凸輪、蝸輪、蝸桿、葉片、曲線、曲面等的測量。按運動方式分類數(shù)控機床的分類及應用如圖1-1-24所示為在數(shù)控鉆床上進行孔系加工圖例，數(shù)控鉆床坐標軸移動時嚴格控制孔中心距圖紙要求尺寸，刀具在移動過程中不進行加工。點位控制數(shù)控機床的特點是機床的運動部件只能夠實現(xiàn)從一個位置到另一個位置的精確運動，而不考慮兩點之間的路徑和方向，在運動和定位過程中不進行任何加工工序。如數(shù)控鉆床、數(shù)控坐標鏜床、數(shù)控點焊機等。點位控制機床直線控制是機床的運動部件不僅要實現(xiàn)一個坐標位置到另一個位置的精確移動和定位，而且能實現(xiàn)平行于坐標軸的直線進給運動或控制兩個坐標軸實現(xiàn)斜線進給運動。這類數(shù)控機床主要有簡易數(shù)控車床、數(shù)控鏜銑床和數(shù)控磨床等，相應的數(shù)控裝置稱之為直線數(shù)控裝置。如圖1-1-25所示為直線加工圖例。在立式銑床上用平面銑刀銑削平面時，刀具沿X方向、Y方向做直線運動，直至完成整個平面加工。直線控制機床輪廓控制是指刀具與工件相對運動時，能對兩個或兩個以上坐標軸的運動同時進行聯(lián)動控制。它不僅要求控制機床運動部件的起點與終點坐標位置，而且要求精準控制機床坐標軸運動軌跡，控制整個加工過程中每一點的速度和位移量，實現(xiàn)直線、曲線或在空間曲面的加工。常見有數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控磨床、各種加工中心、車銑復合機床等。輪廓控制機床圖1-1-26所示為在數(shù)控車床上加工曲面圖例；圖1-1-27為在數(shù)控鏜銑加工中心進行工件三維曲面加工圖例。按控制方式分類數(shù)控機床的分類及應用開環(huán)控制系統(tǒng)數(shù)控機床中沒有檢測反饋裝置，不檢測運動的實際位置，沒有位置反饋信號。指令信息在控制系統(tǒng)中單方向傳送，不反饋。這類機床通常用步進電機作為執(zhí)行機構。輸入數(shù)據(jù)經過數(shù)控系統(tǒng)的運算，發(fā)出脈沖指令，使步進電機轉過相應的步距角，再通過機械傳動機構轉換為工作臺的直線移動，移動部件的移動速度和位移量由輸入脈沖的頻率和脈沖個數(shù)所決定。如圖1-1-28所示為數(shù)控系統(tǒng)開環(huán)控制原理圖，這種控制方式的最大特點是控制方便、結構簡單、價格便宜，控制系統(tǒng)穩(wěn)定。但由于機械傳動的誤差沒有經過反饋校正，故位移精度不高。開環(huán)控制系統(tǒng)數(shù)控機床在全閉環(huán)控制系統(tǒng)數(shù)控機床中，伺服軸的位置檢測裝置（一般是光柵尺）安裝在機床工作臺上，用以直接檢測機床工作臺的實際運行位置（直線位移），并將其與CNC裝置計算出的指令位置（或位移）相比較，用差值進行控制以使坐標軸到達準確位置。全閉環(huán)控制消除了從電動機到機床移動部件整個機械傳動鏈中的傳動誤差，最終實現(xiàn)精確定位。如圖1-1-29所示為數(shù)控系統(tǒng)全閉環(huán)控制原理圖。由于在整個控制環(huán)內，許多機械傳動環(huán)節(jié)的摩擦特性、剛性和間隙均為非線性，并且整個機械傳動鏈的動態(tài)響應時間與電氣響應時間相比又非常大，這為整個閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性校正帶來很大困難，系統(tǒng)的設計和調整也都相當復雜。全閉環(huán)控制方式主要用于精度要求很高的超精車床、鏜銑床、超精銑床、數(shù)控精密磨床和精密加工中心。全閉環(huán)控制系統(tǒng)數(shù)控機床在半閉環(huán)控制系統(tǒng)數(shù)控機床中，檢測傳感器直接安裝在伺服電機的軸端或安裝在絲杠的端部，以測量電機輸出軸旋轉位移角或絲杠旋轉位移角。它所檢測得到的不是工作臺的實際位移量，而是與位移量有關的旋轉軸的轉角量，然后反饋到數(shù)控裝置的比較器中，與輸入原指令位移值進行比較，用比較后的差值進行控制，使移動部件補充位移，直到差值消除為止，其精度比閉環(huán)系統(tǒng)稍差。如圖1-1-30所示為數(shù)控系統(tǒng)半閉環(huán)控制原理圖。由于大部分機械傳動環(huán)節(jié)未包括在系統(tǒng)閉環(huán)環(huán)路內，因此可獲得較穩(wěn)定的控制特性。但是絲杠等機械傳動誤差不能通過反饋來隨時校正，可采用軟件定值補償方法來適當提高其精度。這種系統(tǒng)結構簡單，便于調整，檢測元件價格也較低，是目前廣泛使用的一種數(shù)控系統(tǒng)。半閉環(huán)控制系統(tǒng)數(shù)控機床按可控制聯(lián)動坐標軸數(shù)分類數(shù)控機床的分類及應用5坐標聯(lián)動五軸聯(lián)動是指在一臺機床上有五個坐標軸（三個直線坐標軸和兩個旋轉坐標軸），在數(shù)控系統(tǒng)控制下同時協(xié)調運動進行加工。五軸聯(lián)動數(shù)控機床是一種科技含量高、精密度高專門用于加工復雜曲面的機床，對航空、航天、軍事、科研、精密器械、高精醫(yī)療設備等行業(yè)，有著舉足輕重的影響力。4坐標聯(lián)動數(shù)控機床能同時控制四個坐標軸的聯(lián)動，其中一個軸為回轉軸。如圖1-1-31所示為四軸控制數(shù)控機床，具有繞Y軸回轉的回轉工作臺。。2坐標聯(lián)動數(shù)控機床能同時控制兩個坐標軸聯(lián)動。如數(shù)控車床同時控制X和Z運動，可用于加工各種曲線輪廓的回轉體類零件，一般的數(shù)控車床屬于2坐標聯(lián)動機床。3坐標聯(lián)動數(shù)控機床能同時控制三個坐標軸聯(lián)動。如數(shù)控銑床稱為三坐標數(shù)控銑床，可用于加工曲面零件。2.5軸坐標聯(lián)動數(shù)控機床本身有三個坐標能作三個方向的運動，但控制裝置只能同時控制兩個坐標聯(lián)動，而第三個坐標只能作等距周期移動。數(shù)控機床可控制聯(lián)動坐標軸數(shù)是指數(shù)控裝置所能同時控制的移動坐標軸數(shù)目。03典型數(shù)控機床結構數(shù)控車床組成數(shù)控車床的結構包括主運動傳動裝置、伺服進給傳動裝置、液壓與氣壓傳動裝置、床身部件、機床輔助裝置等。數(shù)控車床運動如圖1-1-33所示為數(shù)控車床傳動鏈示意圖，從圖中可以看出：主運動主軸電機通過同步齒形帶傳動機床主軸旋轉，通