數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)和數(shù)控機(jī)床技術(shù)應(yīng)用

1、數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)和數(shù)控機(jī)床技術(shù)應(yīng)用1.1 數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)的組成 1.1.1 數(shù)控機(jī)床的組成 數(shù)字控制NC, Numerical Control， 簡稱數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字化信息進(jìn)行控制的自動(dòng)控制技術(shù)。 采用數(shù)控技術(shù)的控制系統(tǒng)稱為數(shù)控系統(tǒng)，裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床即為數(shù)控機(jī)床。 數(shù)控機(jī)床是集機(jī)床、計(jì)算機(jī)、電機(jī)、自動(dòng)控制、傳感檢測(cè)等技術(shù)于一體的自動(dòng)化設(shè)備。 數(shù)控機(jī)床一般由加工程序、輸入裝置、數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)和輔助控制裝置、檢測(cè)反響系統(tǒng)以及機(jī)床本體組成，如圖1-1所示。 圖1-1 數(shù)控機(jī)床的組成 圖1-2和圖1-3分別為臥式普通車床和數(shù)控車床的傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖?？梢钥闯?，數(shù)控車床與普通車床相比，傳動(dòng)鏈簡單

2、清晰， 其主軸轉(zhuǎn)動(dòng)和進(jìn)給軸移動(dòng)分別由主軸電機(jī)和進(jìn)給電機(jī)來驅(qū)動(dòng), 而輔助運(yùn)動(dòng)，都是由數(shù)控系統(tǒng)中的可編程控制器(PLC)來控制完成的。 如主軸卡盤的松緊和尾座頂尖的伸縮是通過PLC控制液壓系統(tǒng)的液壓缸來完成的， 從刀庫中選刀和換刀同樣是經(jīng)M(輔助指令)指令與T(換刀指令)指令由PLC功能指令來完成。 圖1-2 臥式車床傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖 圖1-3 臥式數(shù)控車床傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖 圖1-4 數(shù)控機(jī)床電氣控制柜示意圖 1.1.2 數(shù)控機(jī)床的工作原理和特點(diǎn) 1. 主軸運(yùn)動(dòng) 和普通機(jī)床一樣， 主軸運(yùn)動(dòng)主要完成切削任務(wù)，其動(dòng)力約占整臺(tái)機(jī)床動(dòng)力的70%80%。 根本控制功能是主軸的正、 反轉(zhuǎn)和停止，可自動(dòng)換擋及無級(jí)調(diào)

3、速；對(duì)加工中心和有些數(shù)控車床， 還要求主軸進(jìn)行高精度準(zhǔn)停和分度功能。 2. 進(jìn)給運(yùn)動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是數(shù)控機(jī)床區(qū)別于普通機(jī)床最主要的地方，即用電氣驅(qū)動(dòng)替代了機(jī)械驅(qū)動(dòng)，數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是由進(jìn)給伺服系統(tǒng)完成的。進(jìn)給伺服系統(tǒng)由進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)裝置、伺服電動(dòng)機(jī)、 進(jìn)給傳動(dòng)鏈及位置檢測(cè)反響裝置等組成， 如圖1-5所示。 圖1-5 數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng) 一般說來，數(shù)控機(jī)床功能的強(qiáng)弱主要取決于計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)(CNC)裝置，而數(shù)控機(jī)床性能的優(yōu)劣，如運(yùn)動(dòng)速度與精度等， 主要取決于進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。為了保證進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的位置精度， 人們采取了一些有效的措施。 如對(duì)機(jī)械傳動(dòng)鏈進(jìn)行預(yù)緊和反向間隙調(diào)整；采用高精度的位置檢測(cè)裝置；采用

4、高性能的伺服驅(qū)動(dòng)裝置和伺服電動(dòng)機(jī), 來提高數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)算速度等。 3. 輸入輸出I/O接口 數(shù)控系統(tǒng)對(duì)加工程序處理后輸出的控制信號(hào)除了對(duì)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行準(zhǔn)確的控制外，還需要對(duì)機(jī)床主軸啟/停、換向、 刀具更換、工件夾緊/松開以及液壓、冷卻、潤滑、分度工作臺(tái)轉(zhuǎn)位等輔助動(dòng)作進(jìn)行控制。例如，通過對(duì)加工程序中的M代碼指令、機(jī)床操作面板上的控制開關(guān)及分布在機(jī)床各部位的行程開關(guān)、接近開關(guān)、壓力開關(guān)等輸入元件的檢測(cè)，由數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)的可編程控制器PLC進(jìn)行邏輯運(yùn)算，輸出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)中間繼電器、接觸器、電磁閥及電磁制動(dòng)器等輸出元件， 對(duì)冷卻泵、潤滑泵、液壓系統(tǒng)和氣動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行控制。 數(shù)控機(jī)床接口是指數(shù)控裝置與機(jī)床電氣

5、設(shè)備之間的電氣連接局部。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)?ISO4336-1981E機(jī)床數(shù)字控制數(shù)控裝置和數(shù)控電氣設(shè)備之間的接口標(biāo)準(zhǔn)?的規(guī)定，接口分為四種類型。 圖1-6所示為數(shù)控裝置、 數(shù)控設(shè)備和機(jī)床間的連接關(guān)系。 圖 1-6 數(shù)控裝置、 控制設(shè)備與機(jī)床間的連接關(guān)系第1類：與驅(qū)動(dòng)命令有關(guān)的連接電路，主要是指與坐標(biāo)軸進(jìn)給驅(qū)動(dòng)和主軸驅(qū)動(dòng)的連接電路。 第2類： 數(shù)控裝置與測(cè)量系統(tǒng)和測(cè)量傳感器之間的連接電路。 第3類： 電源及保護(hù)電路。 第4類： 通/斷信號(hào)和代碼信號(hào)連接電路。 第1、 2類接口連接電路傳送的信息是數(shù)控裝置與伺服單元、伺服電機(jī)、位置檢測(cè)和速度檢測(cè)器件間的控制信息及反響信息。 它們屬于數(shù)字控制及伺服控制。

6、 第3類電源及保護(hù)電路由數(shù)控機(jī)床強(qiáng)電線路中的電源控制電路構(gòu)成。強(qiáng)電線路由電源變壓器、 控制變壓器、各種斷路器、保護(hù)開關(guān)、接觸器、熔斷器等連接而成，以便為輔助交流電機(jī)如風(fēng)扇電機(jī)、冷卻泵電機(jī)、潤滑泵電機(jī)等、電磁鐵、離合器、電磁閥等功率執(zhí)行元件供電。強(qiáng)電線路不能與低壓下工作的控制電路或弱電線路直接連接，只有通過斷路器、熱動(dòng)開關(guān)、中間繼電器等器件轉(zhuǎn)換成在直流低壓下工作的觸點(diǎn)的開合工作，才能成為繼電器邏輯電路和PLC可接收的電信號(hào)，反之亦然。 第4類開關(guān)信號(hào)和代碼信號(hào)是數(shù)控裝置與外部傳送的輸入、 輸出控制信號(hào)。當(dāng)數(shù)控機(jī)床不帶PLC時(shí)，這些信號(hào)直接在數(shù)控裝置和機(jī)床間傳送。當(dāng)數(shù)控裝置帶有PLC時(shí)，這些信號(hào)除

7、極少數(shù)的高速信號(hào)外， 均通過PLC傳送。 數(shù)控機(jī)床是一種高效能自動(dòng)化加工設(shè)備。與普通機(jī)床相比， 數(shù)控機(jī)床具有以下特點(diǎn):1 對(duì)零件加工的適應(yīng)性強(qiáng)、靈活性好。因數(shù)控機(jī)床能實(shí)現(xiàn)假設(shè)干個(gè)坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)，加工程序可按對(duì)加工零件的要求而變換，而不需改變機(jī)械局部和控制局部的硬件，就能適應(yīng)新的工作要求。 2 加工精度高、加工質(zhì)量穩(wěn)定。在數(shù)控機(jī)床上加工零件，零件加工的精度和質(zhì)量由機(jī)床保證，完全消除了操作者的人為誤差。所以數(shù)控機(jī)床的加工精度高，一致性好，加工質(zhì)量穩(wěn)定。 3 加工生產(chǎn)效率高。 在數(shù)控機(jī)床上可以采用較大的切削用量，有效地節(jié)省了加工時(shí)間。還有自動(dòng)換刀、 自動(dòng)換速和其他輔助操作自動(dòng)化等功能，而且無需工序間的檢驗(yàn)

8、與測(cè)量， 故使輔助時(shí)間大為縮短。 4 能完成復(fù)雜型面的加工。許多復(fù)雜曲線和曲面的加工， 普通機(jī)床無法實(shí)現(xiàn)而數(shù)控機(jī)床那么完全可以做到。 5 減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善勞動(dòng)條件。數(shù)控機(jī)床的加工， 除了裝卸零件、操作鍵盤、觀察機(jī)床運(yùn)行外，其他機(jī)床動(dòng)作都是按照程序要求自動(dòng)連續(xù)地進(jìn)行切削加工，操作者不需要進(jìn)行繁重的重復(fù)手工操作。因此能減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，改善勞動(dòng)條件。 6 有利于生產(chǎn)管理。采用數(shù)控設(shè)備，有利于向計(jì)算機(jī)控制和管理生產(chǎn)方向開展，為實(shí)現(xiàn)制造和生產(chǎn)管理自動(dòng)化創(chuàng)造了條件。 1.2 數(shù)控機(jī)床的分類 1. 按工藝用途分類1) 金屬切削類數(shù)控機(jī)床金屬切削類數(shù)控機(jī)床和傳統(tǒng)的通用機(jī)床產(chǎn)品種類一樣，有數(shù)控車床、數(shù)控銑床

9、、數(shù)控鉆床、數(shù)控磨床、數(shù)控鏜床以及加工中心機(jī)床等。數(shù)控加工中心機(jī)床是帶有自動(dòng)換刀裝置，在一次裝夾后，可以進(jìn)行多種工序加工的數(shù)控機(jī)床。 2) 金屬成型類數(shù)控機(jī)床金屬成型類數(shù)控機(jī)床有數(shù)控折彎機(jī)、 數(shù)控彎管機(jī)、 數(shù)控壓力機(jī)等。 3) 數(shù)控特種加工機(jī)床數(shù)控特種加工機(jī)床有數(shù)控線切割機(jī)床、 數(shù)控電火花加工機(jī)床、 數(shù)控激光切割機(jī)床等。 2. 按加工路線分類1) 點(diǎn)位控制系統(tǒng)點(diǎn)位控制系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床只要求控制一個(gè)位置到另一個(gè)位置的精確移動(dòng)，而不管是按照什么軌跡運(yùn)動(dòng)。在移動(dòng)過程中不進(jìn)行任何加工。為了精確定位和提高生產(chǎn)率，一般先快速移動(dòng)到終點(diǎn)附近，然后再減速移動(dòng)到定位點(diǎn)，以保證良好的定位精度。 這類數(shù)控機(jī)床主要有數(shù)控

10、鉆床、坐標(biāo)鏜床、數(shù)控沖床和數(shù)控測(cè)量機(jī)等。 圖1-7(a)所示為數(shù)控鉆床點(diǎn)位控制加工示意圖。 圖 1-7 數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)方式(a 點(diǎn)位控制; (b 點(diǎn)位直線控制; (c 輪廓控制 2) 直線控制系統(tǒng)直線控制系統(tǒng)是指控制刀具或機(jī)床工作臺(tái)以適當(dāng)速度， 沿著平行于某一坐標(biāo)軸方向或與坐標(biāo)軸成45的斜線方向進(jìn)行直線加工的控制系統(tǒng)。但該系統(tǒng)不能沿任意斜率的直線進(jìn)行直線加工。一般的簡易數(shù)控系統(tǒng)均屬于直線控制系統(tǒng)。 將點(diǎn)位控制和直線控制結(jié)合起來的控制系統(tǒng)稱為點(diǎn)位直線控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)同時(shí)具有點(diǎn)位控制和直線控制的功能。 此外，有些系統(tǒng)還具有刀具選擇、刀具長度和刀具半徑補(bǔ)償?shù)裙δ堋＿@一類數(shù)控機(jī)床有數(shù)控鏜銑床、加工中心

11、等。圖1-7(b)為點(diǎn)位直線控制系統(tǒng)加工示意圖。 3) 輪廓控制系統(tǒng)輪廓控制系統(tǒng)又稱連續(xù)控制系統(tǒng)，其特點(diǎn)是數(shù)控系統(tǒng)能夠?qū)蓚€(gè)或兩個(gè)以上的坐標(biāo)軸同時(shí)進(jìn)行連續(xù)控制。加工時(shí)不僅要控制起點(diǎn)和終點(diǎn)，還要控制整個(gè)加工過程中每點(diǎn)的速度和位置。 應(yīng)用這類控制系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床有數(shù)控銑床、可加工曲面的數(shù)控車床、加工中心等。圖1-7(c)為數(shù)控銑床輪廓加工示意圖。 3. 按伺服系統(tǒng)的類型分類1) 開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)機(jī)床的伺服進(jìn)給系統(tǒng)中沒有位移檢測(cè)反響裝置， 通常使用步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件。數(shù)控裝置發(fā)出的控制指令直接驅(qū)動(dòng)裝置控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，然后通過機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成工作臺(tái)的位移，如圖1-8所示。 圖1-8 開環(huán)

12、控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖 2) 閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)控制的機(jī)床上安裝有檢測(cè)裝置，直接對(duì)工作臺(tái)的位移量進(jìn)行檢測(cè)， 如圖19所示。當(dāng)數(shù)控裝置發(fā)出指令進(jìn)給信號(hào)后，經(jīng)伺服驅(qū)動(dòng)使工作臺(tái)移動(dòng)時(shí)，安裝在工作臺(tái)上的位置檢測(cè)裝置把機(jī)械位移量變?yōu)殡妳⒘浚错懙捷斎攵伺c輸入指令信號(hào)進(jìn)行比較，得到的差值經(jīng)過轉(zhuǎn)換和放大， 最后驅(qū)開工作臺(tái)向減少誤差的方向移動(dòng)，直到差值消除時(shí)才停止移動(dòng)。 由于閉環(huán)系統(tǒng)的位置檢測(cè)包含了進(jìn)給傳動(dòng)鏈的全部誤差，如絲杠螺母副、導(dǎo)軌副的間隙等，因此可到達(dá)很高的控制精度。 位置檢測(cè)裝置有光柵、感應(yīng)同步器和磁柵等。 圖1-9 閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖 3) 半閉環(huán)控制系統(tǒng)半閉環(huán)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)的機(jī)床是在伺服電機(jī)

13、上同軸安裝的，或在滾珠絲杠軸端安裝有角位移檢測(cè)裝置，通過測(cè)量角位移間接地測(cè)出移動(dòng)部件的直線位移，然后反響至數(shù)控系統(tǒng)中去。常用的角位移檢測(cè)裝置有光電編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器或感應(yīng)同步器等。 如圖1-10所示為半閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。由于在半閉環(huán)控制系統(tǒng)中，進(jìn)給傳動(dòng)鏈中的滾珠絲杠副、導(dǎo)軌副等機(jī)構(gòu)的誤差都沒有全部包括在反響環(huán)路內(nèi)， 因此其位置控制精度低于閉環(huán)伺服系統(tǒng)。但是，由于把慣性質(zhì)量較大的工作臺(tái)安排在反響環(huán)之外，因此半閉環(huán)伺服系統(tǒng)穩(wěn)定性能好， 調(diào)試方便， 目前應(yīng)用比較廣泛。至于傳動(dòng)鏈誤差，可以通過適當(dāng)提高絲杠、 螺母等機(jī)械部件的精度以及采用誤差軟件補(bǔ)償如反向間隙補(bǔ)償、絲杠螺距誤差補(bǔ)償?shù)拇胧﹣頊p少。 圖1

14、-10 半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 1.3 數(shù)控機(jī)床技術(shù)的開展 1.3.1 數(shù)控機(jī)床的開展 數(shù)控機(jī)床的開展大致經(jīng)歷了以下六個(gè)階段:第一階段， 1952年， 出現(xiàn)了第一臺(tái)電子管數(shù)控系統(tǒng)。 第二階段， 1960年， 出現(xiàn)了晶體管和印刷電路板的數(shù)控系統(tǒng)。 第三階段， 1965年， 出現(xiàn)了小規(guī)模集成電路的數(shù)控系統(tǒng)。 第四階段，1970年，出現(xiàn)了小型計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的硬件， 并以軟件形式實(shí)現(xiàn)數(shù)控功能的數(shù)控系統(tǒng)。 第五階段，1974年，出現(xiàn)微處理器或微型計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)。 第六階段，20世紀(jì)90年代后期，出現(xiàn)了PC+CNC(CNC為專用計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng))智能數(shù)控系統(tǒng)。以個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC機(jī))為控制系統(tǒng)的硬件局部，Win

15、dows NT為PC機(jī)的操作系統(tǒng)平臺(tái)，在PC機(jī)上安裝NC軟件系統(tǒng)，即為加工中心的控制系統(tǒng)。德國Roeders公司生產(chǎn)的RFM600型加工中心就是典型的PC+CNC系統(tǒng)。 PC+CNC系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)集中表現(xiàn)為如下幾點(diǎn)： (1) 與PC硬件的完全通用， 使數(shù)控系統(tǒng)能隨著PC技術(shù)的升級(jí)而升級(jí)， 系統(tǒng)維護(hù)方便。 (2) 充分共享PC豐富的軟件資源。 (3) 由于PC機(jī)有標(biāo)準(zhǔn)的接口， 方便地接入局域網(wǎng)及Internet， 易于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化制造。 1.3.2 數(shù)控伺服系統(tǒng)的開展趨勢(shì)1. 全數(shù)字式控制系統(tǒng)2. 采用高分辨率的位置檢測(cè)裝置 3. 采用誤差軟件補(bǔ)償措施 4. 采用前饋控制技術(shù) 5. 采用摩擦非線性誤差

16、補(bǔ)償?shù)目刂萍夹g(shù) 1.3.3 以數(shù)控機(jī)床為根底的生產(chǎn)自動(dòng)化系統(tǒng) 1. 計(jì)算機(jī)直接數(shù)控系統(tǒng)DNC 計(jì)算機(jī)直接數(shù)控系統(tǒng)就是用一臺(tái)中央計(jì)算機(jī)直接控制和管理數(shù)臺(tái)數(shù)控設(shè)備進(jìn)行零件加工或裝配的系統(tǒng)，也稱計(jì)算機(jī)群控系統(tǒng)。中央計(jì)算機(jī)主要對(duì)多臺(tái)數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)控加工程序和有關(guān)數(shù)據(jù)的分配，并分時(shí)監(jiān)控各臺(tái)數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)行，這樣會(huì)進(jìn)一步提高數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)率。 2. 柔性制造單元FMC和柔性制造系統(tǒng)FMS 柔性制造單元由數(shù)控加工中心與工件自動(dòng)交換裝置組成， 可以實(shí)現(xiàn)單工序或雙工序加工的可變加工單元。 柔性制造單元既可作為組成柔性制造系統(tǒng)的根底，也可用作獨(dú)立的自動(dòng)化加工設(shè)備。 柔性制造系統(tǒng)是將一群數(shù)控機(jī)床與工件、刀具、夾具及切屑的自動(dòng)傳輸線相配合，并由計(jì)算機(jī)統(tǒng)一管理與控制的制造系統(tǒng)。 柔性制造