數(shù)控機床電氣第章

第1章緒論

1.1數(shù)控機床控制系統(tǒng)的組成

1.2數(shù)控機床的分類

1.3數(shù)控機床技術(shù)的發(fā)展

思考與練習(xí)

1.1數(shù)控機床控制系統(tǒng)的組成

1.1.1數(shù)控機床的組成數(shù)字控制（NC,NumericalControl，簡稱數(shù)控）技術(shù)是用數(shù)字化信息進行控制的自動控制技術(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)的機床即為數(shù)控機床。數(shù)控機床是集機床、計算機、電機、自動控制、傳感檢測等技術(shù)于一體的自動化設(shè)備。數(shù)控機床一般由加工程序、輸入裝置、數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)和輔助控制裝置、檢測反饋系統(tǒng)以及機床本體組成，如圖1-1所示。

圖1-1數(shù)控機床的組成

圖1-2和圖1-3分別為臥式普通車床和數(shù)控車床的傳動系統(tǒng)示意圖?？梢钥闯?，數(shù)控車床與普通車床相比，傳動鏈簡單清晰，其主軸轉(zhuǎn)動和進給軸移動分別由主軸電機和進給電機來驅(qū)動,而輔助運動，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臥式車床傳動系統(tǒng)示意圖

圖1-3臥式數(shù)控車床傳動系統(tǒng)示意圖

圖1-4數(shù)控機床電氣控制柜示意圖

1.1.2數(shù)控機床的工作原理和特點

1.主軸運動和普通機床一樣，主軸運動主要完成切削任務(wù)，其動力約占整臺機床動力的70%～80%。基本控制功能是主軸的正、反轉(zhuǎn)和停止，可自動換擋及無級調(diào)速；對加工中心和有些數(shù)控車床，

還要求主軸進行高精度準(zhǔn)停和分度功能。

2.進給運動進給運動是數(shù)控機床區(qū)別于普通機床最主要的地方，即用電氣驅(qū)動替代了機械驅(qū)動，數(shù)控機床的進給運動是由進給伺服系統(tǒng)完成的。進給伺服系統(tǒng)由進給伺服驅(qū)動裝置、伺服電動機、進給傳動鏈及位置檢測反饋裝置等組成，

如圖1-5所示。

圖1-5數(shù)控機床進給伺服系統(tǒng)

一般說來，數(shù)控機床功能的強弱主要取決于計算機數(shù)控系統(tǒng)(CNC)裝置，而數(shù)控機床性能的優(yōu)劣，如運動速度與精度等，主要取決于進給伺服驅(qū)動系統(tǒng)。為了保證進給運動的位置精度，人們采取了一些有效的措施。如對機械傳動鏈進行預(yù)緊和反向間隙調(diào)整；采用高精度的位置檢測裝置；采用高性能的伺服驅(qū)動裝置和伺服電動機,來提高數(shù)控系統(tǒng)的運算速度等。

3.輸入／輸出（I/O）接口數(shù)控系統(tǒng)對加工程序處理后輸出的控制信號除了對進給運動軌跡進行準(zhǔn)確的控制外，還需要對機床主軸啟/停、換向、刀具更換、工件夾緊/松開以及液壓、冷卻、潤滑、分度工作臺轉(zhuǎn)位等輔助動作進行控制。例如，通過對加工程序中的M代碼指令、機床操作面板上的控制開關(guān)及分布在機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，由數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)的可編程控制器（PLC）進行邏輯運算，輸出控制信號驅(qū)動中間繼電器、接觸器、電磁閥及電磁制動器等輸出元件，

對冷卻泵、潤滑泵、液壓系統(tǒng)和氣動系統(tǒng)進行控制。

數(shù)控機床接口是指數(shù)控裝置與機床電氣設(shè)備之間的電氣連接部分。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)《ISO4336-1981（E）機床數(shù)字控制——數(shù)控裝置和數(shù)控電氣設(shè)備之間的接口規(guī)范》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)備和機床間的連接關(guān)系。

圖1-6數(shù)控裝置、

控制設(shè)備與機床間的連接關(guān)系第1類：與驅(qū)動命令有關(guān)的連接電路，主要是指與坐標(biāo)軸進給驅(qū)動和主軸驅(qū)動的連接電路。第2類：數(shù)控裝置與測量系統(tǒng)和測量傳感器之間的連接電路。第3類：電源及保護電路。第4類：通/斷信號和代碼信號連接電路。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、位置檢測和速度檢測器件間的控制信息及反饋信息。

它們屬于數(shù)字控制及伺服控制。

第3類電源及保護電路由數(shù)控機床強電線路中的電源控制電路構(gòu)成。強電線路由電源變壓器、控制變壓器、各種斷路器、保護開關(guān)、接觸器、熔斷器等連接而成，以便為輔助交流電機（如風(fēng)扇電機、冷卻泵電機、潤滑泵電機等）、電磁鐵、離合器、電磁閥等功率執(zhí)行元件供電。強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，反之亦然。

第4類開關(guān)信號和代碼信號是數(shù)控裝置與外部傳送的輸入、輸出控制信號。當(dāng)數(shù)控機床不帶PLC時，這些信號直接在數(shù)控裝置和機床間傳送。當(dāng)數(shù)控裝置帶有PLC時，這些信號除極少數(shù)的高速信號外，

均通過PLC傳送。

數(shù)控機床是一種高效能自動化加工設(shè)備。與普通機床相比，數(shù)控機床具有以下特點:（1）對零件加工的適應(yīng)性強、靈活性好。因數(shù)控機床能實現(xiàn)若干個坐標(biāo)聯(lián)動，加工程序可按對加工零件的要求而變換，而不需改變機械部分和控制部分的硬件，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)控機床上加工零件，零件加工的精度和質(zhì)量由機床保證，完全消除了操作者的人為誤差。所以數(shù)控機床的加工精度高，一致性好，加工質(zhì)量穩(wěn)定。

（3）加工生產(chǎn)效率高。在數(shù)控機床上可以采用較大的切削用量，有效地節(jié)省了加工時間。還有自動換刀、自動換速和其他輔助操作自動化等功能，而且無需工序間的檢驗與測量，故使輔助時間大為縮短。（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，普通機床無法實現(xiàn)而數(shù)控機床則完全可以做到。

（5）器減輕何勞動強慘度，改陡善勞動隔條件。哲數(shù)控機涂床的加岸工，盞除了裝論卸零件區(qū)、操作臂鍵盤、戶觀察機茶床運行資外，其盡他機床努動作都軟是按照至程序要柔求自動擔(dān)連續(xù)地潑進行切哭削加工艱，操作對者不需社要進行架繁重的螺重復(fù)手得工操作泛。因此尋能減輕嗎工人勞鎮(zhèn)動強度裙，改善姓勞動條寒件。諸（6）很有利于生舞產(chǎn)管理?？〔捎脭?shù)控微設(shè)備，有蒙利于向計濱算機控制悅和管理生熔產(chǎn)方向發(fā)驅(qū)展，為實絕現(xiàn)制造和抗生產(chǎn)管理尚自動化創(chuàng)拿造了條件度。1.2數(shù)控機床饅的分類1.按單工藝用途陣分類1)桌金屬切云削類數(shù)省控機床思金屬切伍削類數(shù)繪控機床鞋和傳統(tǒng)誼的通用碌機床產(chǎn)兆品種類吉一樣，掛有數(shù)控?fù)p車床、豪數(shù)控銑采床、數(shù)聽控鉆床浪、數(shù)控依磨床、述數(shù)控鏜到床以及驚加工中臨心機床剃等。數(shù)激控加工枯中心機剖床是帶墨有自動串換刀裝被置，在青一次裝循夾后，迷可以進句行多種燃工序加優(yōu)工的數(shù)眼控機床首。2)爬金屬成趨型類數(shù)滅控機床深金屬成型巖類數(shù)控機揭床有數(shù)控地折彎機、守數(shù)控彎反管機、河數(shù)控壓力竊機等。蕩3)數(shù)瀉控特種加倚工機床數(shù)控特種挨加工機床嫁有數(shù)控線之切割機床百、數(shù)控電晃火花加換工機床銅、數(shù)控激光溫切割機床瞎等。2.慣按加工腦路線分悉類1)前點位控扛制系統(tǒng)法點位控制元系統(tǒng)數(shù)控侍機床只要霜求控制一魚個位置到超另一個位場置的精確第移動，而和不管是按黑照什么軌鄙跡運動。環(huán)在移動過輔程中不進繞行任何加總工。為了愚精確定位照和提高生撈產(chǎn)率，一燈般先快速難移動到終刑點附近，烈然后再減蟻速移動到相定位點，撈以保證良需好的定位狂精度?？圻@類數(shù)控問機床主要快有數(shù)控鉆芽床、坐標(biāo)貿(mào)鏜床、數(shù)拍控沖床和未數(shù)控測量咽機等。通圖1-7貼(a)所憐示為數(shù)控兼鉆床點位歉控制加工荒示意圖。圖1肆-7氏數(shù)控機奏床的運赴動方式屬(a）點位控賊制;(謙b）點位直米線控制;(蹦c）輪廓控制2)直御線控制系帳統(tǒng)直線控制已系統(tǒng)是指剃控制刀具鉛或機床工法作臺以適逐當(dāng)速度，謀沿著平輩行于某一姨坐標(biāo)軸方盲向或與坐柱標(biāo)軸成4蟲5°的斜糟線方向進樹行直線加衛(wèi)工的控制碧系統(tǒng)。但計該系統(tǒng)不區(qū)能沿任意套斜率的直么線進行直仁線加工。嘆一般的簡溫易數(shù)控系窮統(tǒng)均屬于對直線控制競系統(tǒng)。瓶將點位控子制和直線飽控制結(jié)合院起來的控誰制系統(tǒng)稱踏為點位直住線控制系閑統(tǒng)，該系筒統(tǒng)同時具俗有點位控線制和直線沖控制的功廁能。此閉外，有些份系統(tǒng)還具隔有刀具選柄擇、刀具陵長度和刀炒具半徑補他償?shù)裙δ芨?。這一類夠數(shù)控機床毅有數(shù)控鏜存銑床、加捷工中心等有。圖1-系7(b)鏟為點位直欺線控制系摘統(tǒng)加工示豈意圖。3)救輪廓控也制系統(tǒng)還輪廓控制灶系統(tǒng)又稱同連續(xù)控制征系統(tǒng)，其哨特點是數(shù)且控系統(tǒng)能工夠?qū)蓚€等或兩個以煙上的坐標(biāo)償軸同時進蠢行連續(xù)控女制。加工騾時不僅要浙控制起點級和終點，龜還要控制細整個加工疏過程中每吵點的速度康和位置。燃應(yīng)用這濱類控制系努統(tǒng)的數(shù)控爐機床有數(shù)術(shù)控銑床、眨可加工曲判面的數(shù)控跑車床、加豪工中心等孩。圖1-7(c燒)為數(shù)控銑鼠床輪廓加制工示意圖維。3.解按伺服貸系統(tǒng)的滅類型分兇類1)開擱環(huán)控制系舒統(tǒng)開環(huán)控蜻制系統(tǒng)舍機床的第伺服進嚇給系統(tǒng)扒中沒有童位移檢稍測反饋混裝置，籃通常鳴使用步納進電機補作為執(zhí)揀行元件用。數(shù)控鬧裝置發(fā)狹出的控焦制指令鄰直接驅(qū)芳動裝置粱控制步厭進電機億的運轉(zhuǎn)權(quán)，然后筒通過機敵械傳動此系統(tǒng)轉(zhuǎn)救化成工壇作臺的頂位移，停如圖1-8所示。圖1-8開環(huán)控制那系統(tǒng)的結(jié)頌構(gòu)圖2)咸閉環(huán)控制咳系統(tǒng)閉環(huán)控尸制系統(tǒng)王控制的抖機床上巴安裝有集檢測裝勢置，直僅接對工婚作臺的緩位移量鄉(xiāng)豐進行檢懷測，初如圖1蜂－9所襪示。當(dāng)升數(shù)控裝麗置發(fā)出朗指令進鍋給信號璃后，經(jīng)吼伺服驅(qū)王動使工蠅作臺移土動時，鞠安裝在捕工作臺雖上的位獻置檢測受裝置把皆機械位蠟移量變剛為電參阿量，反爐饋到輸構(gòu)入端與旨輸入指避令信號騙進行比優(yōu)較，得裂到的差汁值經(jīng)過筐轉(zhuǎn)換和魄放大，憂最后鐘驅(qū)動工乒作臺向灣減少誤襯差的方盤向移動上，直到春差值消污除時才盾停止移岸動。棟由于閉毒環(huán)系統(tǒng)董的位置昌檢測包怕含了進吸給傳動盞鏈的全際部誤差刑，如絲敢杠螺母賴副、導(dǎo)茶軌副的銳間隙等駐，因此貸可達到防很高的圣控制精叫度。位置檢耽測裝置感有光柵琴、感應(yīng)饑同步器妥和磁柵針等。圖1-9閉環(huán)數(shù)控川系統(tǒng)的結(jié)烏構(gòu)圖3)半急閉環(huán)控制林系統(tǒng)半閉環(huán)佳控制系衫統(tǒng)控制隊系統(tǒng)的莫機床是駐在伺服櫻電機上時同軸安豪裝的，興或在滾悔珠絲杠剩軸端安售裝有角終位移檢迎測裝置砍，通過幅測量角膏位移間膠接地測況出移動辛部件的繪直線位遠移，然齡后反饋惕至數(shù)控木系統(tǒng)中餡去。常抖用的角昂位移檢渴測裝置聾有光電他編碼器胃、旋轉(zhuǎn)姨變壓器斬或感應(yīng)若同步器尊等。如圖1軟-10衰所示為打半閉環(huán)秀控制系膛統(tǒng)結(jié)構(gòu)約圖。由先于在半歇閉環(huán)控妥制系統(tǒng)舅中，進仰給傳動覽鏈中的挑滾珠絲慶杠副、亮導(dǎo)軌副脅等機構(gòu)證的誤差戰(zhàn)都沒有災(zāi)全部包廊括在反還饋環(huán)路或內(nèi)，水因此其始位置控樓制精度糊低于閉如環(huán)伺服隆系統(tǒng)。銹但是，擺由于把不慣性質(zhì)虜量較大版的工作好臺安排賓在反饋南環(huán)之外敲，因此撥半閉環(huán)固伺服系織統(tǒng)穩(wěn)定剛性能好項，調(diào)側(cè)試方便勝，目混前應(yīng)用財比較廣嗽泛。至斗于傳動堆鏈誤差富，可以房誠通過適悅當(dāng)提高讀絲杠、處螺母協(xié)等機械鎮(zhèn)部件的賣精度以柴及采用僵誤差軟杜件補償摩（如反筑向間隙愧補償、愉絲杠螺元距誤差那補償）腸的措施教來減少稈。圖1-10半閉環(huán)叼數(shù)控系龍統(tǒng)結(jié)構(gòu)芳圖1.3數(shù)控機床菜技術(shù)的發(fā)紋展1.3瓦.1數(shù)控機刃床的發(fā)曬展數(shù)控機袖床的發(fā)妹展大致干經(jīng)歷了加以下六趨個階段用:第一階段做，19排52年，仰出現(xiàn)了做第一臺電嗓子管數(shù)控鳴系統(tǒng)。第二階舍段，薦196乒0年，落出現(xiàn)匙了晶體硬管和印做刷電路論板的數(shù)也控系統(tǒng)鈔。第三階賊段，196糾5年，出現(xiàn)了小癥規(guī)模集成牌電路的數(shù)豎控系統(tǒng)。第四階段廊，197戶0年，出育現(xiàn)了小型儉計算機數(shù)焦控系統(tǒng)的肺硬件，閘并以軟件笨形式實現(xiàn)品數(shù)控功能于的數(shù)控系它統(tǒng)。第五階段患，197欄4年，出獅現(xiàn)微處理大器或微型朋計算機數(shù)固控系統(tǒng)。第六階榮段，2艘0世紀(jì)鑰90年啦代后期初，出現(xiàn)毛了PC名+CN傅C(C舍NC為蜜專用計旨算機數(shù)銷控系統(tǒng)濾)智能逝數(shù)控系狗統(tǒng)。以昏個人計槍算機(幅PC機炊)為控間制系統(tǒng)含的硬件輪部分，胸Win粱dow傳sN議T為P蜻C機的趨操作系殃統(tǒng)平臺稱，在P渠C機上滲安裝N硬C軟件往系統(tǒng)，彈即為加邁工中心塌的控制胞系統(tǒng)。離德國Roed策ers公司生產(chǎn)袋的RFM6貢00型加工中累心就是典國型的PC+冷CNC系統(tǒng)。PC+皂CNC泥系統(tǒng)的康優(yōu)點集映中表現(xiàn)幼為如下圓幾點：丑(1)隆與PC硬作件的完全都通用，委使數(shù)控系神統(tǒng)能隨著去PC技術(shù)副的升級而豆升級，毅系統(tǒng)維護章方便。楚(2)暴充分叛共享P鈴C豐富饞的軟件西資源。垃(3)由于PC機有標(biāo)準(zhǔn)瓜的接口，方便地接近入局域網(wǎng)鍛及Int內(nèi)ern商et，易于實現(xiàn)棒網(wǎng)絡(luò)化制鋒造。1.3.炒2數(shù)控畝伺服系統(tǒng)先的發(fā)展趨墓勢1.全余數(shù)字式控昂制系統(tǒng)2.采用高室分辨率具的位置遲檢測裝粥置3.采用誤質(zhì)差軟件醫(yī)補償措素施4.采用前饋隙控制技術(shù)5.采用摩裕擦非線呢性誤差兇補償?shù)恼x控制技憤術(shù)1.3.斜3以數(shù)控機萌床為基礎(chǔ)三的生產(chǎn)自騰動化系統(tǒng)1.回計算機中直接數(shù)航控系統(tǒng)偵（DN姑C）計算機直佩接數(shù)控系油統(tǒng)就是用引一臺中央凍計算機直犧接控制和養(yǎng)管理數(shù)臺術(shù)數(shù)控設(shè)備罪進行零件權(quán)加工或裝苗配的系統(tǒng)章，也稱計集算機群控意系統(tǒng)。中猾央計算機衫主要對多證臺數(shù)控系蓮統(tǒng)進行數(shù)赴控加工程勞序和有關(guān)晴數(shù)據(jù)的分樣配，并分峰時監(jiān)控各軍臺數(shù)控系次統(tǒng)的運行裂，這樣會繪進一步提棉高數(shù)控機貍床的生產(chǎn)合率。2.佛柔性制涌造單元掛（FM凈C）和己柔性制按造系統(tǒng)趕（FM睛S）柔性制磨造單元撞由數(shù)控樣加工中慰心與工養(yǎng)件自動襖交換裝粥置組成低，可找以實現(xiàn)響單工序堆或雙工少序加工阿的可變她加工單尺元。筒柔性制妥造單元淡既可作掉為組成程柔性制爺造系統(tǒng)界的基礎(chǔ)譜，也可館用作獨饑立的自柔動化加畜工設(shè)備帝。柔性制造季系統(tǒng)是將擔(dān)一群數(shù)控品機床與工爸件、刀具共、夾具及昏切屑的自辜動傳輸線測相配合，柳并由計算井機統(tǒng)一管鍵理與控制批的制造系牙統(tǒng)。柔性制造刃系統(tǒng)是當(dāng)府前機械制圾造技術(shù)發(fā)糟展的方向通，能解決殊機械加工別中高度自陰動化和高既度柔性化心的矛盾，垃使兩者有方機地結(jié)合慣于一體。3.拍計算機嘉集成制豈造系統(tǒng)南（CI英MS）隨著制造魔技術(shù)的發(fā)木展，不僅場需要發(fā)展缸車間制造強過