第1章-數(shù)控機(jī)床電氣控制概述

第1章數(shù)控機(jī)床電氣控制概述1.1數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)的組成及特點1.2數(shù)控機(jī)床的分類及性能指標(biāo)1.3數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)發(fā)展1.4數(shù)控機(jī)床自動控制基礎(chǔ)思考題與習(xí)題第1章數(shù)控機(jī)床電氣控制概述第1章數(shù)控機(jī)床電氣控制概述

1.1數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)的組成及特點

1.1.1數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)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(jìn)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(jī)床即為數(shù)控機(jī)床。數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)由數(shù)控裝置（CNC,ComputerNumericalControl）、主軸驅(qū)動系統(tǒng)、進(jìn)給伺服系統(tǒng)、檢測反饋系統(tǒng)、機(jī)床強電控制系統(tǒng)、編程裝置等幾部分組成。數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)的組成如圖1-1所示。第1章數(shù)控機(jī)床電氣控制概述第1章數(shù)控機(jī)床電氣控制概述圖1-1數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)組成1．?dāng)?shù)控裝置（CNC）

數(shù)控裝置是數(shù)控機(jī)床的核心。數(shù)控裝置從內(nèi)部存儲器中取出或接受輸入裝置送來的數(shù)控加工程序，經(jīng)過數(shù)控裝置的邏輯電路或系統(tǒng)軟件進(jìn)行編譯、運算和邏輯處理后，輸出各種控制信息和指令，控制機(jī)床各部分的工作，使其進(jìn)行規(guī)定的有序運動和動作。零件的輪廓圖形往往由直線、圓弧或其他非圓弧曲線組成，刀具在加工過程中必須按零件形狀和尺寸的要求進(jìn)行運動，即按圖形軌跡移動。但輸入的零件加工程序只能是各線段軌跡的起點和終點坐標(biāo)值等數(shù)據(jù)，不能滿足要求，因此要進(jìn)行軌跡插補，也就是在線段的起點和終點坐標(biāo)值之間進(jìn)行“數(shù)據(jù)點的密化”，求出一系列中間點的坐標(biāo)值，并向相應(yīng)坐標(biāo)輸出脈沖信號，控制各坐標(biāo)軸（即進(jìn)給運動的各執(zhí)行元件）的進(jìn)給速度、進(jìn)給方向和進(jìn)給位移量等。第1章數(shù)控機(jī)床電氣控制概述第1章數(shù)控機(jī)床電氣控制概述2．主軸驅(qū)動系統(tǒng)主軸驅(qū)動系統(tǒng)主要由主軸驅(qū)動裝置、主軸電動機(jī)、速度檢測元件等組成。主軸運動主要完成切削任務(wù)，其動力約占整臺機(jī)床動力的70%～80%。正、反轉(zhuǎn)和準(zhǔn)停以及自動換擋無級調(diào)速是主軸的基本控制功能。3．進(jìn)給伺服系統(tǒng)進(jìn)給伺服系統(tǒng)由進(jìn)給伺服驅(qū)動裝置、各軸進(jìn)給伺服電動機(jī)以及速度、位置檢測元件等組成。進(jìn)給運動主要完成工件或刀具的X、Y、Z等方向的精準(zhǔn)運動。4．檢測反饋系統(tǒng)檢測反饋系統(tǒng)的作用是把檢測裝置檢測到的數(shù)控機(jī)床位置、速度等物理量轉(zhuǎn)化為電量并反饋至數(shù)控裝置，以便使控制指標(biāo)達(dá)到預(yù)定要求。例如，位置檢測裝置將數(shù)控機(jī)床各坐標(biāo)軸的實際位移量檢測出來，經(jīng)反饋系統(tǒng)輸入到機(jī)床的數(shù)控裝置，數(shù)控裝置將反饋回來的實際位移量值與設(shè)定值進(jìn)行比較，控制驅(qū)動裝置按照指令設(shè)定值運動。第1章數(shù)控機(jī)床電氣控制概述5．機(jī)床強電控制系統(tǒng)機(jī)床強電控制系統(tǒng)主要完成對機(jī)床輔助運動和輔助動作，如刀庫、液壓系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)等的控制，以及對各保護(hù)開關(guān)、行程開關(guān)、操作鍵盤按鈕、指示燈、波段開關(guān)等的檢測和控制。6．編程裝置數(shù)控機(jī)床加工程序可通過鍵盤用手工方式直接輸入數(shù)控系統(tǒng)，還可由編程計算機(jī)或采用網(wǎng)絡(luò)通信方式傳送到數(shù)控系統(tǒng)中。第1章數(shù)控機(jī)床電氣控制概述1.1.2數(shù)控機(jī)床的特點數(shù)控機(jī)床是一種高度自動化機(jī)加工設(shè)備。與普通機(jī)床相比有以下特點：1．對零件加工的適應(yīng)性強、靈活性好。因數(shù)控機(jī)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(jī)械部分和控制部分的硬件，所以其適應(yīng)性強、靈活性好。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，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。第1章數(shù)控機(jī)床電氣控制概述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)床無法實現(xiàn)而數(shù)控機(jī)床則完全可以做到。5.減輕勞動強度，改善勞動條件。數(shù)控機(jī)床的加工，除了裝卸零件、操作鍵盤、觀察機(jī)床運行外，其他機(jī)床動作都是按照程序要求自動連續(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強度，改善勞動條件。6．有利于生產(chǎn)管理。采用數(shù)控設(shè)備，有利于向計算機(jī)控制和管理生產(chǎn)方向發(fā)展，為實現(xiàn)制造和生產(chǎn)管理自動化創(chuàng)造了條件。1.2數(shù)控機(jī)床的分類及性能指標(biāo)

1.2.1數(shù)控機(jī)床的分類1.按運動軌跡分類（1）點位控制系統(tǒng)點位控制系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床只要求控制一個位置到另一個位置的精確移動，在移動過程中不進(jìn)行任何加工。為了精確定位和提高生產(chǎn)率，一般先快速移動到終點附近，然后再減速移動到定位點，以保證良好的定位精度，而對移動路徑不作要求。圖1-2為數(shù)控鉆床點位控制示意圖。（2）直線控制系統(tǒng)直線控制系統(tǒng)不僅要求具有準(zhǔn)確的定位功能，而且要控制兩點之間刀具移動的軌跡是一條直線，且在移動過程中刀具能以給定的進(jìn)給速度進(jìn)行切削加工。直線控制系統(tǒng)的刀具運動軌跡一般是平行于各坐標(biāo)軸的直線。特殊情況下，如果同時驅(qū)動兩套運動部件，其合成運動的軌跡與坐標(biāo)軸成一定夾角的斜線。數(shù)控銑床直線控制如圖1-3所示。第1章數(shù)控機(jī)床電氣控制概述第1章數(shù)控機(jī)床電氣控制概述圖1-2數(shù)控鉆床點位控制示意圖

圖1-3數(shù)控銑床直線控制軌跡示意圖

圖1-4數(shù)控銑床輪廓加工示意圖第1章數(shù)控機(jī)床電氣控制概述（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)，其特點是數(shù)控系統(tǒng)能夠?qū)蓚€或兩個以上的坐標(biāo)軸同時進(jìn)行連續(xù)控制。加工時不僅要控制起點和終點，還要控制整個加工過程中每點的速度和位置。圖1-4為數(shù)控銑床輪廓加工示意圖。2.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)品種類類似，有數(shù)控車床、數(shù)控銑床、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)控加工中心是帶有自動換刀裝置，在一次裝夾后，可以進(jìn)行多種工序加工的數(shù)控機(jī)床。第1章數(shù)控機(jī)床電氣控制概述（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。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)中沒有位移檢測反饋裝置，通常使用步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件。數(shù)控裝置發(fā)出的控制指令經(jīng)驅(qū)動裝置直接控制步進(jìn)電機(jī)的運轉(zhuǎn)，然后通過機(jī)械傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成工作臺的位移，開環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1-5所示。第1章數(shù)控機(jī)床電氣控制概述圖1-5開環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第1章數(shù)控機(jī)床電氣控制概述（2）閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)的機(jī)床上安裝有檢測裝置，直接對工作臺的位移量進(jìn)行檢測，當(dāng)數(shù)控裝置發(fā)出進(jìn)給指令信號后，經(jīng)伺服驅(qū)動系統(tǒng)使工作臺移動時，安裝在工作臺上的位置檢測裝置把機(jī)械位移量變?yōu)殡娏?，反饋到輸入端與輸入設(shè)定指令信號進(jìn)行比較，得到的差值經(jīng)過轉(zhuǎn)換和放大，最后驅(qū)動工作臺向減少誤差的方向移動，直到誤差值消除停止移動。閉環(huán)系統(tǒng)具有很高的控制精度。圖1-6為閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

第1章數(shù)控機(jī)床電氣控制概述圖1-6閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖第1章數(shù)控機(jī)床電氣控制概述（3）半閉環(huán)控制系統(tǒng)半閉環(huán)控制系統(tǒng)的機(jī)床是在伺服電機(jī)上同軸安裝了位置檢測裝置，或在滾珠絲杠軸端安裝有角位移檢測裝置，通過測量角位移間接地測出移動部件的直線位移，然后反饋至數(shù)控系統(tǒng)中去。常用的角位移檢測裝置有光電編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器或感應(yīng)同步器等。如圖1-7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饋環(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)量較大的工作臺安排在反饋環(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償（如反向間隙補償、絲杠螺距誤差補償）的措施來減少。第1章數(shù)控機(jī)床電氣控制概述圖1-7半閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖第1章數(shù)控機(jī)床電氣控制概述1.2.2數(shù)控機(jī)床的性能指標(biāo)1．?dāng)?shù)控機(jī)床的運動性能指標(biāo)（1）數(shù)控機(jī)床的可控軸數(shù)和聯(lián)動軸數(shù)數(shù)控機(jī)床的可控軸數(shù)是指數(shù)控機(jī)床數(shù)控裝置能夠控制的坐標(biāo)數(shù)量。數(shù)控機(jī)床可控軸數(shù)與數(shù)控裝置的運算處理能力、運算速度及內(nèi)存容量等有關(guān)。數(shù)控機(jī)床的聯(lián)動軸數(shù)，是指機(jī)床數(shù)控裝置可同時進(jìn)行運動控制的坐標(biāo)軸數(shù)。目前有兩軸聯(lián)動、3軸聯(lián)動、4軸聯(lián)動、5軸聯(lián)動等。3軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床能三坐標(biāo)聯(lián)動，可加工空間復(fù)雜曲面。4軸聯(lián)動、5軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床可以加工飛行器葉輪、螺旋槳等零件。（2）主軸轉(zhuǎn)速數(shù)控機(jī)床主軸一般均采用直流或交流調(diào)速主軸電動機(jī)驅(qū)動，選用高速軸承支承，保證主軸具有較寬的調(diào)速范圍和足夠高的回轉(zhuǎn)精度、剛度及抗震性。目前，數(shù)控機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速已普遍達(dá)到5000～10000r／min，有利于對各種小孔加工，提高零件加工精度和表面質(zhì)量。第1章數(shù)控機(jī)床電氣控制概述（3）進(jìn)給速度數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給速度是影響零件加工質(zhì)量、生產(chǎn)效率以及刀具壽命的主要因素。它受數(shù)控裝置的運算速度、機(jī)床運動特性、剛度等因素的限制。（4）坐標(biāo)行程一般數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)軸X、Y、Z的行程大小，構(gòu)成數(shù)控機(jī)床的空間加工范圍。坐標(biāo)行程是直接體現(xiàn)機(jī)床加工能力的指標(biāo)參數(shù)。（5）刀庫容量和換刀時間刀庫容量和換刀時間對數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)率有著直接的影響。刀庫容量是指刀庫能存放加工所需要刀具的數(shù)量。中小型數(shù)控加工中心多為16—60把刀具，大型加工中心可達(dá)100把刀具。換刀時間是指帶有自動交換刀具系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床，將主軸上使用的刀具與裝在刀庫上的下一工序需用的刀具進(jìn)行交換所需要的時間。第1章數(shù)控機(jī)床電氣控制概述2．?dāng)?shù)控機(jī)床的精度指標(biāo)（1）定位精度定位精度是指數(shù)控機(jī)床工作臺等移動部件移動到指令位置的準(zhǔn)確程度，即實際移動位置與指令要求位置的一致性，移動部件實際位置與指令位置之間的誤差稱為定位誤差。被控制機(jī)床坐標(biāo)的誤差(即定位誤差)包括驅(qū)動此坐標(biāo)軸控制系統(tǒng)(伺服系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)、進(jìn)給系統(tǒng)等)的誤差，也包括移動部件導(dǎo)軌的幾何誤差等。定位誤差將直接影響零件加工的位置精度。（2）重復(fù)定位精度重復(fù)定位精度是指在同一條件下，用相同的方法，重復(fù)進(jìn)行同一動作時，控制對象到達(dá)同一指令位置的一致程度。即在同一臺數(shù)控機(jī)床上，應(yīng)用相同程序相同代碼加工一批零件，所得到的連續(xù)結(jié)果的一致程度，也稱為精密度。重復(fù)定位精度受伺服系統(tǒng)特性、進(jìn)給系統(tǒng)的間隙、剛性以及摩擦特性等因素影響。第1章數(shù)控機(jī)床電氣控制概述（3）分辨率與脈沖當(dāng)量分辨率是指兩個相鄰的分散細(xì)節(jié)之間可以分辨的最小間隔。對數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)而言，分辨率是可以控制的最小位移增量，其數(shù)值的大小決定數(shù)控機(jī)床的加工精度和表面質(zhì)量。數(shù)控裝置發(fā)出一個脈沖信號，機(jī)床移動部件的位移量叫做脈沖當(dāng)量。脈沖當(dāng)量是設(shè)計數(shù)控機(jī)床原始數(shù)據(jù)之一，脈沖當(dāng)量越小，數(shù)控機(jī)床的加工精度和加工表面質(zhì)量越高。1.3數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)發(fā)展

1.3.1數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢1．高速度高精度化數(shù)控系統(tǒng)的高速度高精度化要求數(shù)控系統(tǒng)在讀入加工指令數(shù)據(jù)后，能高速度計算出伺服電機(jī)的位移量，并能控制伺服電機(jī)高速度準(zhǔn)確地運動。此外，要實現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)的高速度化，還必須要求主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給率、刀具交換、托板交換等實現(xiàn)高速度化。提高微處理器的位數(shù)和速度是提高CNC速度的最有效的手段。第1章數(shù)控機(jī)床電氣控制概述2．智能化數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用高技術(shù)的重要目標(biāo)是智能化。智能化技術(shù)主要體現(xiàn)在以下幾個方面：(1)自適應(yīng)控制技術(shù)自適應(yīng)控制系統(tǒng)(AC，adaptivecontr01)可對機(jī)床主軸轉(zhuǎn)矩、功率、切削力、切削溫度、刀具磨損等參數(shù)值進(jìn)行自動測量，并由CPU進(jìn)行比較運算后，發(fā)出修改主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量大小的信號，確保AC系統(tǒng)處于最佳切削狀態(tài)，從而在保證加工質(zhì)量條件下，使加工成本最低或生產(chǎn)率最高。(2)附加人機(jī)會話自動編程功能建立切削用量專家系統(tǒng)和示教系統(tǒng)，從而提高編程效率和降低對編程操作人員技術(shù)水平的要求。(3)具有設(shè)備故障自診斷功能數(shù)控系統(tǒng)出了故障，控制系統(tǒng)能夠進(jìn)行自診斷，并自動采取排除故障的措施，以適應(yīng)長時間無人操作環(huán)境的要求。

第1章數(shù)控機(jī)床電氣控制概述第1章數(shù)控機(jī)床電氣控制概述3．小型化4．計算機(jī)群控計算機(jī)群控也叫做計算機(jī)直接數(shù)控系統(tǒng)(DNC)，它是用一臺大型通用計算機(jī)為數(shù)臺數(shù)控機(jī)床進(jìn)行自動編程，并直接控制一群數(shù)控機(jī)床的系統(tǒng)。5．具有更高的通信功能1.3.2伺服系統(tǒng)的發(fā)展早期的數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)多采用晶閘管直流驅(qū)動系統(tǒng)，但是由于直流電動機(jī)受機(jī)械換向的影響和限制，大多數(shù)直流驅(qū)動系統(tǒng)適用性差，維護(hù)比較困難，而且其恒功率調(diào)速范圍較小。上世紀(jì)80年代后期，隨著交流調(diào)速理論、微電子技術(shù)和大功率半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，交流驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)入實用階段，在數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。目前，交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)已經(jīng)基本取代了直流伺服驅(qū)動系統(tǒng)。1.4數(shù)控機(jī)床自動控制基礎(chǔ)

1.4.1自動控制系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)，是指利用控制裝置操縱被控對象，使被控對象自動地按照給定的規(guī)律運行使被控量等于給定值或根據(jù)輸入信號的變化按所需規(guī)律去變化，如圖1-8所示。第1章數(shù)控機(jī)床電氣控制概述第1章數(shù)控機(jī)床電氣控制概述圖1-8自動控制示意圖第1