第七章 数控机床的机械系统
数控技术自学指导书
《数控技术》自学指导书一、课程名称:数控技术二、自学学时:30课时三、教材名称:《数控技术》,赵玉刚宋现春编著,机械工业出版社四、课程简介:本课程是高等学校机械类专业学生必修的一门专业基础课程。
通过本课程的学习，使学生掌握现代数控技术的基本理论体系、方法和应用工具;具有综合运用所学知识，正确使用数控设备的能力;了解与本课程有关的机电一体化新技术及发展趋势;提高分析问题和动手动脑的综合能力;为学习其他有关课程和将来从事数控技术方面的工程设计与开发打好必要的基础。
本课程主要研究数控机床的工作原理、各组成部分及其在机械生产中的应用．基本教学内容有:数控技术概述、数控加工程序的编制、计算机数控装置、进给伺服系统、数控技术的发展、数控机床的故障诊断与维修等。
六、考核方式：开卷考试七、自学内容指导:第一章绪论1、本章内容概述:了解机床数控技术基本概念及其发展概况;掌握数控机床的工作流程、基本组成、工作原理、分类、特点和适用范围.２、自学学时安排：2学时3、知识点:概述、数控技术概念，数控机床概念。
数控机床的基本工作原理，数控机床的工作流程,数控机床的组成。
数控机床的特点,数控机床的适用范围。
点位、直线、轮廓控制数控机床概念,开环、闭环、半闭环数控机床概念,多轴联动数控机床的含义和实例。
４。
本章重点:点位、直线、轮廓控制数控机床概念,开环、闭环、半闭环数控机床概念,多轴联动数控机床的含义和实例.5。
习题1．数控机床是由哪几部分组成,它的工作流程是什么?2.按伺服系统的控制原理分类，分为哪几类数控机床？各有何特点？4.数控机床有哪些特点？3．什么是点位控制、直线控制、轮廓控制数控机床？三者如何区别?第二章数控机床的加工程序的编制1、本章内容概述:掌握数控编程基础知识;掌握常用G、M指令的编程方法；掌握数控编程的工艺处理原则；了解程序编制中的数学处理方法。
2、自学学时安排：103、知识点:数控编程基本概念，数控编程的一般步骤，数控编程代码的含义，手工编程和自动编程两种方法的异同数控机床的坐标系和坐标轴的确定,机床原点与机床坐标系，工件原点和工件坐标系,绝对坐标与相对坐标,尺寸设定单位,数控加工程序的结构常用的准备功能G指令（包括坐标系相关指令、运动方式相关指令、刀具补偿指令、子程序调用指令),常用的辅助功能M指令，F、S、T指令。
数控机床机电系统概述PPT课件
技术讲座 数控机床机械结构介绍
三、进给机构
采用滚珠丝杠直接与伺服电机直连
注意
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技术讲座 数控机床机械结构介绍
四、辅助装置
1.工作台
各种类型的工作台
数控分度头
数控回转工作台第14页/共56页
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技术讲座 数控机床机械结构介绍
四、辅助装置
2.液压和气动系统
3.润滑系统 4.冷却系统 5.排屑系统 6.自动换刀
技术讲座 数控机床概述
主要有数控车床、数控铣床、 数控磨床
（3）轮廓控制数控机床 2个以上的运动轴联动,加工各种曲线/曲面.数控车、 铣、线切割、加工中心
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3. 按伺服控制方式分
（1）开环控制
技术讲座 数控机床概述
（2）闭环控制
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技术讲座 数控机床概述
（3）半闭环控制
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技术讲座 数控系统介绍
2.典型数控系统—802DSL
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3.数控系统原理
技术讲座 数控系统介绍
数 控 系 统
*ESP,*DECx等
G
X
F
Y
保持型继电器 •Counter (C) •Timer (T) •Keep relay (K) •Data table (D) •Variable table (D)
光栅精度是指光栅上任意两点之间的误 差。目前光栅的精度可达 0.001~0.01mm， 通过电子细分电路，分辨率可达 0.0001mm。
29
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光栅工作原理
a
b
技术讲座 数控系统介绍
第7章 数控机床机械装置故障诊断与维修
2)用顺序选刀方式选刀时，必须注意刀具放置在 刀库上的顺序要正确。其他选刀方式也要注意所 换刀具号是否与所需刀具一致，防止换错刀具导 致事故发生。
3)用手动方式往刀库上装刀时，要确保装刀到位、 装牢靠。检查刀座上的锁紧是否可靠。
4)经常检查刀库的回零位置是否正确，检查机床 主轴回换刀点位置是否到位，并及时调整，否则 不能完成换刀动作。 5)要注意保持刀具刀柄和刀套的清洁。 6)开机时，应先使刀库和机械手空运行，检查各 部分工作是否正常，特别是各行程开关和电磁阀 能否正常动作。检查机械手液压系统的压力是否 正常，刀具在机械手上锁紧是否可靠，发现不正 常及时处理。
在操作过程中会出现不正常现象
二、机械部件故障常见类型
1．按照故障发生的原因分 1）磨损性故障：正常磨损而引发的故障； 2）错用性故障：使用不当而引发的故障； 3）先天性故障：由于设计或制造不当而造成机械系统 中存在某种薄弱环节而引发的故障。 2．按照故障的性质分 1）间歇性故障：只是短期内丧失某些功能，稍加修理 调试就能恢复，不需要更换零件； 2）永久性故障：某些零件已损坏，需要更换或修理才 能恢复。
1）突发性故障：不能靠早期测试检测出来的故障； 2）渐发性故障：故障发展有一个过程，可以对其进行 预测和监视。
机械部件故障常见类型
6．按照故障发生的频次 1）偶发性故障：发生频率很低的故障；
2）多发性故障：经常发生的故障。
7．按照故障发生、发展的规律分 1）随机性故障：故障发生的时间是随机的； 2）有规则故障：故障发生比较有规则。
15)经常检查压缩空气气压，并调整到标准要求值。足够 的气压能使主轴锥孔中的切屑和灰尘清理彻底。
七、主轴常见故障诊断与维修
（1）主轴发热 （2）主轴在强力切削时停转
《数控机床故障诊断与维护》课程标准
《数控机床故障诊断与维护》课程标准课程代码：学时：64 学分：4一、课程的地位与任务《数控机床故障诊断与维护》是一门专业课程，先修课程有机械制造、气动液压、电控及PLC 技术应用等。
本课程是机电技术的综合应用，对学习机、电技术综合能力的培养有明显的促进作用。
同时也是数控的一门专业主干核心课程，具有实践性强、应用面广的特点。
通过《数控机床故障诊断与维护》的教学，使学生能够获得数控机床的基本理论和基本知识，初步掌握数控机床故障诊断与维护的基本思路、基本方法和基本原则，具有分析并排除数控机床常见故障的能力。
为今后学习后续课程和从事相关工作打下扎实的基础。
二、课程的主要内容和学时分配1.课程的主要内容第一章数控机床维修与维护基础第一节数控机床概述(1)数控机床的产生背景(2)数控机床的基本概念(3)数控机床的组成(4)数控机床的工作过程(5)数控机床的种类(6)数控机床的常用数控系统简介第二节数控机床的故障维修基础(1)数控机床的故障定义(2)数控机床常见故障的特点与规律(3)数控机床常见故障的种类(4)数控机床发生故障时的诊断方法第三节数控机床的日常维修维护与保养(1)数控机床日常维修维护工作的内容(2)数控机床机体的维护与保养(3)数控机床电气控制系统的日常维护(4)数控机床维修人员应具备的基本要求(5)数控机床的维修维护的技术资料(6)数控机床故障诊断与维护常用仪器仪表及工具第四节FANUCOi系统数控机床基本操作(1)数控机床面板介绍(2)数控机床的基本操作(3)手动进给操作第二章数控系统硬件故障诊断与维护第一节数控系统硬件概述第二节数控系统硬件的更换方法第三节数控系统硬件故障的诊断方法第四节数控机床的抗干扰措施第三章数控系统软件故障诊断与维护第一节数控系统软件的组成第二节数控系统的参数设置第三节数控系统的参数备份与恢复第四节数控系统软件故障的诊断与处理方法第四章数控机床PLC故障诊断与维护第一节数控机床PLC基础(1)数控机床中PMC的用途(2)数控机床用PLC种类(3)数控机床PLC梯形图程序(4)数控机床PLC梯形图符号第二节数控机床用PLC的操作(1)FANUCOi数控系统的PMC调试功能(2)PMC的基本操作(3)PMC编程实例第三节数控系统PMC故障诊断(1)数控系统PMC的故障类型及原因(2)通过PMC进行故障诊断的方法(3)数控机床PMC控制功能程序分析(4)典型PLC故障的分析与诊断流程第五章数控机床进给伺服系统故障诊断与维护第一节进给伺服系统的概述(1)进给伺服系统的组成(2)数控机床对进给伺服驱动系统的要求(3)进给伺服驱动系统的分类第二节步进电动机伺服系统及工作原理(1)步进进给伺服驱动系统(2)步进电动机进给伺服驱动系统的工作原理(3)步进电动机驱动系统的常见故障与维修第三节交流伺服进给驱动装置的组成及工作原理(1)交流进给伺服系统的特点(2)模拟式交流伺服控制原理(3)数字交流伺服系统控制原理(4)交流伺服系统的维护与调整第四节位置检测装置的组成及工作原理(1)位置检测装置的要求(2)位置检测方式分类(3)位置检测元件及其维护(4)位置检测故障的诊断第六章主轴驱动系统故障诊断与维护第一节数控机床主轴驱动系统基本知识(1)数控机床对主轴传动的要求(2)主轴系统分类及特点(3)主轴伺服系统故障的形式及诊断第二节交流主轴伺服系统概述(1)交流主轴伺服系统的特点(2)交流主轴调速原理(3)交流数字式主轴伺服系统（4）交流模拟式主轴伺服系统第三节交流主轴驱动系统故障诊断与维修（1）交流数字式主轴伺服系统故障的诊断与排除（2）交流模拟式主轴伺服系统故障的诊断与排除（3）主轴伺服系统故障实例及分析第七章数控机床机械结构故障诊断与维护第一节数控机床精度的检验第二节主传动机械结构的维护与维修第三节进给系统机械传动结构的维修第四节换刀装置的维护与故障诊断第五节其它辅助故障诊断与维护2.学时分配本课程在教学过程中，强调基础理论和基本概念的掌握，同时注重学生的实际动手操作，要求能把基础理论应用于实践中，让学生具备处理和排除数控机床基本故障的能力。
数控机床机械系统(工件的定位)
工件定位的精度和误差分析
定位精度
工件在加工过程中实际位置与 理论位置的接近程度。
误差来源
机床、夹具、刀具、工件等因 素引起的误差。
误差分析方法
通过测量、计算、统计分析等 方法分析误差来源和大小。
误差补偿
通过对误差的测量和计算，对 机床或加工过程进行补偿，提
高加工精度。
03
数控机床工件定位的实 现
01
02
03
提高加工精度
数控机床的机械系统能够 实现高精度的加工，从而 提高产品的质量和性能。
提高加工效率
数控机床的自动化程度高， 能够大幅提高加工效率， 降低生产成本。
适应性强
数控机床的机械系统可以 根据不同的加工需求进行 调整和优化，具有很强的 适应性。
02
工件定位原理
定位的基本概念
定位
确定工件在机床中的正确 位置，使其在加工过程中 保持稳定。
数控机床机械系统（工件的定位
目录
• 数控机床机械系统概述 • 工件定位原理 • 数控机床工件定位的实现 • 工件定位的误差控制 • 工件定位技术的发展趋势
01
数控机床机械系统概述
数控机床的定义与特点
01
数控机床是一种高精度、高效率 的自动化机床，通过数字控制技 术实现加工过程的自动化。
02
数控机床的特点包括高精度、高 效率、高可靠性、可加工复杂零 件等。
工件装夹不牢固
工件在加工过程中由于装夹不牢固，产生松动或位移，导致定位误 差的产生。
定位误差的测量与计算
直接测量法
01
通过高精度的测量设备对工件进行测量，比较实际值与理论值
之间的差异，从而计算定位误差。
间接测量法
数控技术 第七章 数控机床的进给伺服系统
三 步进电动机的基本控制方法
（2） 双电压功率放大电路 优点：功耗低，改善了脉冲 优点：功耗低， 前沿。 前沿。 缺点：高低压衔接处电流波 缺点： 形呈凹形， 形呈凹形，使步进电机 输出转矩降低， 输出转矩降低，适用于 大功率和高频工作的步 进电机。 进电机。
三 步进电动机的基本控制方法
（3） 斩波恒流功放电路 优点： 优点：1）R3较小（小 R3较小（ 较小 于兆欧） 于兆欧）使整个 系统功耗下降， 系统功耗下降， 效率提高。 效率提高。 2）主回路不串 电阻， 电阻，电流上升 快，即反应快。 即反应快。 3）由于取样绕 组的反馈作用， 组的反馈作用， 绕组电流可以恒定在确定的数值上， 绕组电流可以恒定在确定的数值上，从而保证在很大频率范 围内，步进电机能输出恒定的转矩。 围内，步进电机能输出恒定的转矩。
二 数控机床对伺服系统的基本要求
1 高精度 一般要求定位精度为0.01~0.001mm； ； 一般要求定位精度为 高档设备的定位精度要求达到0.1um以上。 以上。 高档设备的定位精度要求达到 以上 2 快速响应 3 调速范围宽 调速范围指的是 max/nmin 。 调速范围宽:调速范围指的是 调速范围指的是:n 进给伺服系统:一般要求 进给伺服系统 一般要求0~30m/min，有的已达到 一般要求 ，有的已达到240m/min 主轴伺服系统:要求 主轴伺服系统 要求1:100~1:1000恒转矩调速 要求 恒转矩调速 1:10以上的恒功率调速 以上的恒功率调速
一 直流伺服电动机调速原理
7-30 直流电动机的机械特性
二 直流电动机的PWM调速原理 直流电动机的 调速原理
7-24 脉宽调制示意图 脉宽调制示意图
Ud =
τ
T
U = δ T U δ T 称为导通率
数控机床的控制系统概述
第七章数控机床的控制系统概述学习目的：1．什么是数控技术、数控系统和数控机床，数控系统对机床的控制包括哪几方面？2．数控机床控制系统组成有哪些，他们的作用各是什么？3．数控机床的控制方式有几种，各有什么特点？4．数控机床的接口有几类，他们的接口规范是什么？第一节数控机床的控制系统一、数字控制技术简介1．数字控制技术数字控制（Numerical Control）技术，简称数控技术，是用数字化信号对机床运动及其加工过程进行自动控制的一种方法。
数控技术不仅用于机床的控制，而且还用于其它设备的控制，产生了诸如数控绘图机、数控测量机等数控设备。
2．数控系统和数控机床用数字控制技术实现自动控制的系统称为数控系统。
数控系统中的控制信息是数字量，其硬件基础是数字逻辑电路。
最初数控系统是由数字逻辑电路构成的，所以也成为硬件数控系统。
现代数控系统采用存储程序的专用计算机或通用计算机来实现部分或全部基本数控功能，所以成为计算机数控系统（Comouter Numerical Control），简称CNC系统。
计算机数控系统是在硬件和软件共同作用下完成数控任务的，具有真正的“柔性”。
数控系统对机床的控制包括顺序控制和数字控制两个方面。
顺序控制是指对刀具交换、主轴调速、冷却液开关、工作台的极限位置等一类开关量的控制。
数字控制是指机床进给运动的控制，用于实现对工作台或刀架的位移、速度这一类数字量的控制。
数控系统与机床的有机结合称为数控机床，如数控车床、数控铣床、数控加工中心等。
数控机床是机电一体化的典型产品，是集机床、计算机、电力拖动、自动控制、检测等技术为一体的自动化设备。
二、数控机床控制系统的组成序记载机床加工所需的各种信息，包括零件的加工轨迹、工艺信息及开关命令。
输入装置是将程序载体上的数控编码转换成相应的脉冲信息，传送并存入数控装置内。
输出装置显示输入的内容及数控工作状态等信息，监控数控系统的运行。
常用的输入/输出装置有光电阅读机、磁带录放机、磁盘驱动器、键盘和CRT显示器等。
7 机床数控技术-第7章 进给系统的机械传动结构-JIN
7.2 齿轮传动副
1.圆柱齿轮传动消除间隙
图示为另一种双片齿轮周 向弹簧错齿消隙结构，两 片薄齿轮1和2套装一起， 每片齿轮各开有两条周向 通槽，在齿轮的端面上装 有短柱3，用来安装弹簧4。 装配时使弹簧4具有足够的 拉力，使两个薄齿轮的左 右面分别与宽齿轮的左右 面贴紧，以消除齿侧间隙。 适合读数装置，不适合驱 动装置。
6.滚珠丝杆副的支承方式 2）一端装止推轴承，另一端装向心深沟球轴承（双推－支承 式）
图7-16（ b）一端装止推轴承，另一端装向心球轴承
此种方式可用于丝杠较长的情况。为了减少丝杠热变形的影 响，热源应远离推力轴承一端。
7.3 滚珠丝杠螺母传动装置及支承
6.滚珠丝杆副的支承方式 3）两端装推力轴承（单推—单推式或双推—单推式）
结构简单，工艺性好，承载 能力较高，但径向尺寸较大。应 用最为广泛，也可用于重载传动 系统。
7.3 滚珠丝杠螺母传动装置及支承
7.3.1
2）内循环反向器式
靠螺母上安装的反 向器接通相邻滚道， 使滚珠成单圈循环， 反向器２的数目与滚 珠圈数相等。
丝杠螺母尺寸较小、 结构紧凑，刚度好，滚 珠流通性好，摩擦损失 小，但制造较困难。适 用于高灵敏、高精度的 进给系统，不宜用于重 载传动中。
7.3 滚珠丝杠螺母传动装置及支承
4.滚珠丝杆副间隙的调整 1）双螺母垫片式消隙
调整垫片1的厚度，可使 两螺母2产生相对位移，以 达到消除间隙、产生预紧拉 力之目的。其特点是结构简 单刚度高、预紧可靠，但使 用中调整不方便。
（b）端部加垫片 （a）中间加垫片
7.3 滚珠丝杠螺母传动装置及支承
4.滚珠丝杆副间隙的调整 2）双螺母螺纹式消隙
7.1 概述 7.2 齿轮传动副 7.3 滚珠丝杠螺母传动装置及支承 7.4 数控机床导轨
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技能目标
通过将数控铣床在切削加工时采用顺铣与普通铣床在加工时选择逆 铣进行对分析，学习数控机床较普通机床在机械系统中所具备的特点， 掌握数控机床机械系统不同部件的工作原理，同时提升分析问题的能力， 具体如下。 (1) 掌握从机械系统角度考虑工艺问题的能力。 (2) 具备分析机械系统故障产生原因的能力。
数控机床主传动系统的变速方式
接触式密封
非接触式密封
主轴准停换刀示意图
主轴准停镗背孔示意图
机械准停原理示意图
磁传感器准停控制系统构成
磁传感器准停时序
编码器型主轴准停结构
数控系统控制主轴准停结构
电机与丝杠间的连接形式
滚珠丝杠螺母副结构
结构垫片调隙式
螺纹调隙式
1、2—锁紧螺母
齿差调隙式
基础知识
数控设备机械系统结构的组成 数控机床机械系统结构的主要组成部分与普通机床相似，有以下 几部分。 (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) 主传动系统及主轴部件，使刀具(或工件)产生主运动。 伺服系统，以机械位置或速度为控制对象的自动控制系统。 进给传动系统，使工件(或刀具)产生进给运动。 基础部分，包括床身、立柱、拖板、工作台等。 换刀装置，实现刀具的自动更换。 辅助装置，包括润滑、冷却、照明、排屑等系统。 特殊功能装置，如质量检测等。
滚珠丝杠的支承形式
偏心套式间隙消除机构
圆柱齿轮轴向垫片间隙消除机构
周向弹簧式调隙机构
1—短柱；2—弹簧；3、4——薄片齿轮
可调拉簧式调隙机构
1、2—薄片齿轮；3—凸耳；4—弹簧；5、6—螺母；7—螺钉
斜齿轮调隙机构
1、2—薄片齿轮；3—宽齿轮；4—调整螺母；5—弹簧；6—垫片
锥齿轮轴向压簧调隙机构
第七章 数控机床的机械系统
第七章 数控机床的机械系统
学习要点
数控机床的机械系统是指数控机床的本机，它包括主运动传动系统、 进给运动传动系统、自动换刀系统等。它是由传动件、轴系、转动部件、 移动部件及导轨等构成的。 用数控机床进行加工，要求在保证质量的前提下有更好的经济性。 数控机床价格昂贵，每小时的加工费用比传统机床要高很多。为提高加 工效率并获得好的加工效果，数控机床使用的刀具、夹具、切削液等方 面较普通设备都采取了改进的措施。这些措施都会增加机床的负载，因 而对机床的刚度和寿命提出了新的要求，机床的结构必须具有很高的强 度、刚度、抗振性和可靠性。 本章通过基础知识的学习，将获得以下知识。 (1) 掌握数控机床机械系统结构的要求及特点。 (2) 掌握数控机床主运动部件机械结构。 (3) 掌握数控机床进给运动部件机械结构。
1—斜镶条；2—压板；3—直镶条
矩形导轨垂直方向间隙的调整
1—压板；2—接合面；3—调整螺钉；4—调整垫片
几种提高连接刚度的结构
本章小结
至此完成了本章的知识学习和项目训练，主要内容有以下5个方面。 (1) 理解数控机床机械系统结构的要求及特点。 (2) 学习数控机床主运动部件机械结构。 (3) 学习数控机床进给运动部件机械结构。 (4) 学习自动换刀装置的机械结构。 (5)通过项目的训练，巩固对加工现象和工艺设计的分析能力，锻 炼对问题原因的阐述能力。这些流程和方法是有规律可循的，一定要通 过不断的思考和练习，注意总结和归纳，以加强理解，为以后的编程打 下良好的基础。
项目案例导入
分析数控铣床加工时宜采用顺铣的原因 如图7.1所示，在刀具进行数控铣削加工时通常采用顺 铣(downcut/downmilling)加工，但普通设备通常采用逆铣 (upcut/upmilling)加工，这是为什么？下面就通过本章的 项目来一步步地揭开其中的奥秘。
项目任务分析
通过对本章知识的学习了解数控设备工作时主运动和进给运动的 机械系统工作原理，找出数控机床采用顺铣加工的原因，设计工作过 程如下。 (1) 学习并理解相关的基础知识。 (2) 小组讨论顺铣加工和逆铣加工的区别，作为下一步工作的依 据。 (3) 为了提高工作效率，制订工作计划。 (4) 阐述数控加工采用顺铣加工的原因。 (5) 对工作过程进行检查与评估。
1、4—锥齿轮；2、3—键；5—压簧；6—螺母；7—传动轴
锥齿轮周向弹簧调隙机构
1—大片锥齿轮；2—小片锥齿轮；3—锥齿轮 4—镶块；5—弹簧；6—止动螺钉；7—凸爪；8—圆弧槽
齿轮齿条的双齿轮调隙机构
1、6—小齿轮；2、5—大齿轮；3、7—齿条；4—预载装置
导轨的截面形状
燕尾导轨及其组合的间隙调整