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

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)了電氣無級變速。所以其傳動系統(tǒng)比普通車床簡單得多。

（一）主傳動系統(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，其主傳動系統(tǒng)與普通機(jī)床類似，依靠機(jī)械有級變速。例如圖6－1。

2、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，

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

采用可嚙合和脫開的蝸輪副結(jié)構(gòu)（蝸桿1、蝸輪3）

3、主軸編碼器因?yàn)閿?shù)控車床的進(jìn)給運(yùn)動與主運(yùn)動無機(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。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，傳動誤差少，但要求電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩較大，能直接帶動負(fù)載。

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，傳動誤差少，但要求電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩較大，能直接帶動負(fù)載。

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)。

（三）數(shù)控車床的刀架

1。自動轉(zhuǎn)位刀架在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床上大都使用自動轉(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。

1。自動轉(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，帶動刀架旋轉(zhuǎn)。到位后，發(fā)信號使電機(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。

2。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。圖6－15為轉(zhuǎn)位傳動機(jī)構(gòu)簡圖。

（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)自動化。

（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。

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

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)任手動操作方面的控制任務(wù)。。

（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)動系統(tǒng)。8253主要用來采集主軸脈沖信號和作為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。

（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

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向移動一個(gè)螺距P（對應(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。

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CTC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6-20

（2）刀具選擇的軟件設(shè)計(jì)

自動轉(zhuǎn)位刀架的軟件控制過程：當(dāng)前刀位轉(zhuǎn)動角轉(zhuǎn)動時(shí)間到

刀位與指令值比較電機(jī)反轉(zhuǎn)結(jié)束指令刀位

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

外形圖如圖6－21。

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

主傳動：

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（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（十字滑臺、垂向滑座）進(jìn)給運(yùn)動中無傳動齒輪，電機(jī)直接帶動絲桿。

三、機(jī)床的自動換刀裝置

自動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。自動換刀的工作過程見圖6－23。在整個(gè)換刀過程中各項(xiàng)動作均由限位開關(guān)控制，只有前一個(gè)動作完成后，才能進(jìn)行下一個(gè)動作，從而保證運(yùn)動的可靠性。

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)動系統(tǒng)。進(jìn)給驅(qū)動電機(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。

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FCMD.

（5）偏移補(bǔ)償控制：當(dāng)無