第3章數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)

1、第3章 數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)3.1 概 述3.1.1 數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)的組成 數(shù)控系統(tǒng)通常由人機界面、數(shù)字控制以及機床邏輯控制這三個功能部分組成。3.1 概 述 數(shù)控系統(tǒng)的硬件包括數(shù)字控制裝置和驅(qū)動裝置兩部分組成。3.1 概 述3.1.2 數(shù)控機床電氣控制的數(shù)據(jù)流3.2 數(shù)控系統(tǒng)的功能和特點3.2.1 計算機數(shù)控系統(tǒng)的特點（1）具有靈活性（2）具有通用性（模塊化）（3）較強的環(huán)境適應(yīng)性（4）復(fù)雜、高效的數(shù)控系統(tǒng)（5）高可靠性（6）完善的輸入/輸出通道（7）易于實現(xiàn)機電一體化3.2 數(shù)控系統(tǒng)的功能和特點3.2.2 數(shù)控系統(tǒng)的功能cnc系統(tǒng)的功能通常包括基本功能和選擇功能?；竟δ埽海?）控制

2、功能（2）準(zhǔn)備功能（3）輔助功能（4）插補功能（5）進(jìn)給功能（6）主軸功能（7）刀具功能（8）輸入、輸出、編程、顯示功能3.2 數(shù)控系統(tǒng)的功能和特點選擇功能：（1）固定循環(huán)功能（2）補償功能（3）補償功能（4）會話編程功能（5）加工模擬功能（6）監(jiān)測和診斷功能（7）通信功能3.2 數(shù)控系統(tǒng)的功能和特點3.2.3 數(shù)控系統(tǒng)的插補原理（1）插補的基本概念 在已知曲線的種類、起點、終點的情況下，對曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)點的密化，求取密化中間點的過程。 插補器分為硬件插補和軟件插補。3.2 數(shù)控系統(tǒng)的功能和特點（2）插補方法的分類1）脈沖增量插補 位移分割原理； 逐點比較法；數(shù)字積分法；2）數(shù)據(jù)采樣插補 時間分

3、割原理； 直接函數(shù)法、一次近似法（切線法）、二次近似法（割線法）；3.2 數(shù)控系統(tǒng)的功能和特點（3）典型插補方法簡介逐點比較法直線插補計算過程；逐點比較法圓弧插補計算過程；3.2 數(shù)控系統(tǒng)的功能和特點3.2.4 典型數(shù)控系統(tǒng)及其應(yīng)用 fanuc mitsubishi ; siemens; heidenhain ; fagor; ge;（1）fanuc系統(tǒng)1）高可靠性的power mate 0 系列（2+2）2）普及型的 cnc 0-d 系列（3+3）3）全功能的 0-c 系列（3+3）4）高性能/價格比的 0i 系列（4+4）5）具有網(wǎng)絡(luò)功能的超小、超薄型cnc16i/18i/21i16i（8

4、+6）、18i（6+4）、21i（4+4）3.2 數(shù)控系統(tǒng)的功能和特點（2）siemens1）sinumerik 802s/c（3+3）2）sinumerik 802d（4+4）3）sinumerik 810d（6+4）4）sinumerik 840d（全數(shù)字31）3.2 數(shù)控系統(tǒng)的功能和特點（3）fagor1）cnc8070 （16+3+2）pc兼容2）cnc8055（7+1+1）3）cnc8040/8055-i（4+1+2）、（7+1+2）4）cnc8040/8055-i/8055 tco/mco5）cnc8040/8055-i/8055 tc/mc6）8025/8035 （2-5）3.2

5、 數(shù)控系統(tǒng)的功能和特點（4）華中數(shù)控系統(tǒng) 世紀(jì)星：hnc-21t（4）、hnc-21/22m（4），內(nèi)嵌式工業(yè)pc。（5）北京航天數(shù)控 以pc為基礎(chǔ)的模塊化。3.3 數(shù)控機床上的可編程控制器（plc）1968，通用汽車公司；1969，美國dec公司的“pdp-14”；命名為：可編程序邏輯控制器plc “programmable logic controller”1987，電氣制造商協(xié)會nema命名為pc “programmable controller”3.3 數(shù)控機床上的可編程控制器（plc） plc 定義：可編程序控制器是一種數(shù)字運算電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下運用而設(shè)計。采用可編程序的存儲

6、器，用于存儲執(zhí)行邏輯運算，順序控制，定時，計算和算術(shù)運算等特定功能的用戶指令，并通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌漭o助設(shè)備都應(yīng)按易于構(gòu)成一個工業(yè)控制系統(tǒng)，且他們所具有的全部功能易于應(yīng)用的原則設(shè)計”。3.3 數(shù)控機床上的可編程控制器（plc）3.3.1 plc的工作原理 1、 硬件組成：中央處理器（cpu）、存儲器、輸入/輸出單元、編程器、電源和外圍設(shè)備等組成，內(nèi)部通過總線相連。3.3 數(shù)控機床上的可編程控制器（plc）2、plc的工作過程3.3 數(shù)控機床上的可編程控制器（plc）plc的特點：1）可靠性高；2）編程簡單、工作可靠；3）靈活性好；4）

7、直接驅(qū)動負(fù)載能力強；5）便于實現(xiàn)機電一體化；6）利用其通信網(wǎng)絡(luò)功能可實現(xiàn)計算機網(wǎng)絡(luò)控制；3.3 數(shù)控機床上的可編程控制器（plc）3.3.2 數(shù)控機床的plc（1）數(shù)控機床plc的控制對象 plc在數(shù)控機床中的三種不同的配置方式；3.3 數(shù)控機床上的可編程控制器（plc）cnc裝置和機床輸入/輸出信號的處理包括：1）cnc到機床的命令信號： s m t信號。s 主軸功能的編碼可用s2位代碼或s4位代碼直接指定。t 管理刀庫、換刀機械手；刀號、刀位控制；m 實現(xiàn)m功能。2）機床到cnc的反饋信號：3.3 數(shù)控機床上的可編程控制器（plc）（2）數(shù)控機床plc的形式內(nèi)裝型結(jié)構(gòu)、獨立型結(jié)構(gòu)；1）內(nèi)裝

8、型plc特點：1）內(nèi)裝型plc實際上是cnc裝置帶有的pc功能，一般作為一種基本的功能提供給用戶；2）內(nèi)裝型plc的性能指標(biāo)與cnc裝置匹配。3）內(nèi)裝型plc一般不具有獨立的電源和輸入/輸出接口。4）內(nèi)裝型plc與cnc裝置功能銜接較好。3.3 數(shù)控機床上的可編程控制器（plc）2）獨立型plc獨立型plc的特點：1）獨立型plc具有完整的功能，可以用于數(shù)控機床中也可用于其他場合；2）獨立性plc一般采用模塊化結(jié)構(gòu)；3）獨立型plc功能一般比較完善，不只是針對數(shù)控機床。3.4 伺服系統(tǒng)3.4.2 步進(jìn)電動機工作原理（1）步進(jìn)電動機 步進(jìn)電動機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的機械角位移或線位移的機

9、電執(zhí)行元件，它能將指令脈沖轉(zhuǎn)化成步進(jìn)電機輸出軸的旋轉(zhuǎn)。3.4 伺服系統(tǒng)（2）步進(jìn)電動機的特點： 步進(jìn)電動機的角位移或線位移與輸入的脈沖個數(shù)成正比，它的轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比，能夠快速起動、制動、反轉(zhuǎn)； 在一定頻率范圍能任意的改變速度且不會失步，且具有自整步能力。 步進(jìn)電動機沒有周積累誤差。 某些種類的步進(jìn)電動機具有自鎖功能?？梢詫崿F(xiàn)自鎖。3.4 伺服系統(tǒng)（3）步進(jìn)電動機的分類 1）根據(jù)輸出轉(zhuǎn)距的大小分為快速步進(jìn)電動機和功率步進(jìn)電動機； 2）根據(jù)工作原理可分為勵磁式和反應(yīng)式兩大類； a:勵磁式步進(jìn)電動機分為： 感應(yīng)式（bg） 永磁式（by） 混合式（byg） 型號表示：例如 42byg；3.4 伺

10、服系統(tǒng) b:反應(yīng)式步進(jìn)電動機（bf） 特點：具有較高的力矩轉(zhuǎn)動慣量比，步進(jìn)頻率較高，頻率響應(yīng)快，不通電時不自鎖、結(jié)構(gòu)簡單、壽命長等特點；廣泛用于數(shù)控機床中。 反應(yīng)步進(jìn)電動機的型號表示 xx bf xxx 例如：110 bf 0033.4 伺服系統(tǒng)（4）反應(yīng)步進(jìn)電動機工作原理 以三相反應(yīng)式步進(jìn)電動機為例說明步進(jìn)電動機的工作原理。1）反應(yīng)式步進(jìn)電動機的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)： 轉(zhuǎn)子齒數(shù) zr 定子繞組相數(shù) m 齒距角t角：t=360o/ zr 3.4 伺服系統(tǒng) 2）反應(yīng)式步進(jìn)電動機的工作原理。以三相步進(jìn)電動機為例說明步進(jìn)電動機的工作原理；abca；abca；aabbbcccaa；aacccbbbaa 拍：運

11、行通電方式；k：有通電方式變化k=2；沒有通電方式變化k=1；令運行節(jié)拍：n=mk 則步距角s = t /n（s = 360o/ mkzr ）3.4 伺服系統(tǒng)（1）三相單三拍abca；abca；（2）三相單雙六aabbbcccaa；aacccbbbaa 3.4 伺服系統(tǒng) （3）步進(jìn)電動機的主要特征（參數(shù)） 1）相數(shù)和步距角： s = 360o/ mkzr 2）步進(jìn)電動機轉(zhuǎn)速： n=60*f* s / 360 3）啟動頻率 4）矩頻特性曲線 5）加減速特性3.4 伺服系統(tǒng) （4）步進(jìn)電動機的選用注意事項1）必須保證步進(jìn)電動機的輸出轉(zhuǎn)距大于負(fù)載轉(zhuǎn)距，使電動機的矩頻特性有一定的裕量。2）要求計算的機

12、械系統(tǒng)負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量與步進(jìn)電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量匹配，并有一定余量。3）使最高連續(xù)工作頻率能滿足產(chǎn)品快速移動的要求。4）使步進(jìn)電動機的步距角與機械系統(tǒng)相匹配，以得到機床所要求的脈沖當(dāng)量。3.4 伺服系統(tǒng)3.4.1 數(shù)控機床對伺服系統(tǒng)的要求 數(shù)控伺服系統(tǒng)是指以機床運動部件位置和速度為直接控制量的自動控制系統(tǒng)。又稱隨動系統(tǒng)。 數(shù)控伺服系統(tǒng)是cnc系統(tǒng)的組成部分，位于cnc裝置與機床主體之間。 其主要功能是從數(shù)控裝置接收控制電信號，將其處理放大去驅(qū)動伺服系統(tǒng)中的驅(qū)動元件（伺服電動機），將控制電信號的變化轉(zhuǎn)換成伺服電動機輸出軸的角位移或角速度的變化，從而帶動機床各部件的運動。3.4 伺服系統(tǒng)數(shù)控機床對伺服

13、驅(qū)動系統(tǒng)的要求1）可逆運行2）調(diào)速范圍寬高級：0240m/min；一般024m/min；要求：在124000mm/min范圍內(nèi)，速度均勻、穩(wěn)定、無爬行。在1mm/min以下時具有一定的瞬時速度。在零速度時，能夠保持靜止。3.4 伺服系統(tǒng)數(shù)控機床對伺服驅(qū)動系統(tǒng)的要求3）具有足夠的傳動剛度和速度穩(wěn)定性靜態(tài)速度降小于5%；動態(tài)速度降小于10%4）響應(yīng)快速并無超調(diào)5）高精度6）低速大轉(zhuǎn)矩3.4 伺服系統(tǒng)7）伺服系統(tǒng)對伺服電動機的要求從最低速度到最高速度電動機都能平穩(wěn)運行，轉(zhuǎn)矩波動要小。電動機應(yīng)具有較長時間的過載能力，以滿足加減速的要求。電動機應(yīng)有較小的轉(zhuǎn)動慣量和較大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。電動機應(yīng)能承受頻繁啟動、

14、制動和反轉(zhuǎn)。8）伺服驅(qū)動元件的類型與歷史 50年代，步進(jìn)電動機系統(tǒng)； 6070年代，步進(jìn)電動機+電液脈沖馬達(dá)系統(tǒng)； 7080年代，直流伺服電動機系統(tǒng)； 90年代，交流伺服電動機系統(tǒng)；3.4 伺服系統(tǒng)3.4.3 伺服電動機的特性與選型伺服電動機的特性參數(shù)：額定速度、額定轉(zhuǎn)矩、過載能力、速度轉(zhuǎn)矩圖（機械特性曲線）、軸端徑向受力圖等；選型因素：機械系統(tǒng)參數(shù)、機械系統(tǒng)動態(tài)性能參數(shù)；伺服電動機的工作制和定額；工作制：電動機承受負(fù)載情況的說明，包括啟動、電制動、空載、段能停轉(zhuǎn)以及這些階段的持續(xù)時間和順序。定額：由制造廠對符合指定條件的電機所規(guī)定的，并在銘牌上標(biāo)明電量和機械量的全部數(shù)值及其持續(xù)時間和順序。3.4 伺服系統(tǒng)電動機工作制分為9類；s1連續(xù)工作制；s2短時工作制；s3斷續(xù)周期工作制；s4包括啟動的斷續(xù)周期工作制；s5包括電制動的斷續(xù)周期工作制；s6連續(xù)周期工作制；s