数控系统电气控制系统概述

学习情境八数控机床电气控制系统的运行维护8.1数控机床电气控制系统基础8.1.1数控系统电气控制系统概述1.数控机床电气控制系统的组成数字控制（NC，NumericalControl）技术是用数字化信息进行控制的自动控制技术，采用数控技术的控制系统称为数控系统，装备了数控系统的机床即为数控机床。图8-1数控机床电气控制系统组成数控机床电气控制系统由数控装置（CNC，ComputerNumericalControl）、主轴驱动系统、进给伺服系统、检测反馈系统、机床强电控制系统、编程装置等几部分组成。1）数控装置——数控装置（CNC）是数控机床的核心数控装置从内部存储器中取出或接收输入装置送来的数控加工程序，经过数控装置的逻辑电路或系统软件进行编译、运算和逻辑处理后，输出各种控制信息和指令，控制机床各部分的工作，使其进行规定的有序运动和动作零件的轮廓图形往往由直线、圆弧或其他非圆弧曲线组成，刀具在加工过程中必须按零件形状和尺寸要求进行运动，即按图形轨迹移动，但输入的零件加工程序只能是各线段轨迹的起点和终点坐标值等数据，不能满足要求，因此要进行轨迹插补，也就是在线段的起点和终点坐标值之间进行“数据点的密化”，求出一系列中间点的坐标值，并向相应坐标输出脉冲信号，控制各坐标轴（即进给运动的各执行元件）的进给速度、进给方向和进给位移量等2）主轴驱动系统主轴驱动系统主要由主轴驱动装置、主轴电动机、速度检测元件等组成。主轴运动主要完成切削任务，其动力约占整台机床动力的70%～80%。正、反转和准停及自动换挡无级调速是主轴的基本控制功能3）进给伺服系统进给伺服系统由进给伺服驱动装置、各轴进给伺服电动机，以及速度、位置检测元件等组成。进给运动主要完成工件或刀具的X、Y、Z等方向的精准运动4）检测反馈系统检测反馈系统的作用是把检查装置检测到的数控机床位置、速度等物理量转化为电量并反馈至数控装置，以便使控制指标达到预定要求。例如，位置检测装置将数控机床各坐标轴的实际位移量检测出来，经反馈系统输入到机床的数控装置，数控装置将反馈回来的实际位移量值与设定值进行比较，控制驱动装置按照指令设定值运动5）强电控制系统6）编程装置机床强电控制系统主要完成对机床的辅助运动和辅助动作，如刀库、液压系统、气动系统、冷却系统、润滑系统等的控制，以及对各保护开关、行程开关、操作键盘按钮、指示灯、波段开关等的检测和控制数控机床加工程序可通过键盘用手工方式直接输入数控系统，还可由编程计算机或采用网络通信方式传送到数控系统中2．数控机床的特点数控机床是一种高度自动化机加工设备，与普通机床相比有以下特点：（1）对零件加工的适应性强、灵活性好。因为数控机床能实现若干个坐标联动，

加工程序可按对加工零件的要求而变换而不需要改变机械部分的硬件，所

以其适应性强、灵活性好（2）加工精度高、加工质量稳定。在数控机床上加工零件，零件加工的精度和

质量由机床保证，避免了操作者的人为误差（3）加工生产效率高。在数控机床上可以采用较大的切削用量，有效地

节省了加工时间；具有自动换刀、自动换速和其他辅助操作自动化

等功能，且无需工序间的检验与测量，故使辅助时间大为缩短。（4）能完成复杂型面的加工。许多复杂曲线和曲面的加工，普通机床无

法实现而数控机床完全可以做到。（5）减轻劳动强度，改善劳动条件。数控机床的加工，除了装卸零件、

操作键盘、观察机床运行外，其他机床动作都是按照程序要求自

动连续地进行切削加工，操作者不需要进行繁重的重复手工操作，

因此能减轻工人的劳动强度，改善劳动条件。（6）有利于生产管理。采用数控设备，有利于向计算机控制和管理生

产方向发展，为实现制造和生产管理自动化创造了条件。3．数控机床的分类1）按运动轨迹分类（1）点位控制系统：图8-2数控钻床点位控制示意图点位控制系统数控机床只要求控制一个位置到另一个位置的精确移动，在移动过程中不进行任何加工。为了精确定位和提高生产率，一般先快速移动到终点附近，然后再减速移动到定位点，以保证良好的定位精度，而对移动路径不作要求。（2）直线控制系统：图8-3数控铣床直线控制示意图直线控制系统不仅要求具有准确的定位功能，而且要控制两点之间刀具移动的轨迹是一条直线，且在移动过程中刀具能以给定的进给速度进行切削加工。直线控制系统的刀具运动轨迹一般是平行于各坐标轴的直线。特殊情况下，如果同时驱动两套运动部件，其合成运动的轨迹与坐标轴呈一定夹角的斜线。（3）轮廓控制系统：图8-4数控铣床轮廓控制示意图轮廓控制系统又称连续控制系统，其特点是数控系统能够对两个或两个以上的坐标轴同时进行连续控制。加工时不仅要控制起点和终点，还要控制整个加工过程中每点的速度和位置。2）按工艺用途分类（1）金属切削类数控机床：（2）金属成型类数控机床：（3）数控特种加工机床：金属切削类数控机床和传统的通用机床产品种类类似，有数控车床、数控铣床、数控磨床、数控镗床及加工中心机床等金属成型类数控机床有数控折弯机、数控弯管机、数控压力机等数控特种加工机床有数控线切割机床、数控电火花加工机床、数控激光切割机床等3）按伺服系统的类型分类（1）开环控制系统：图8-5开环控制系统结构（2）闭环控制系统：图8-6闭环数控系统的结构（3）半闭环数控系统：图8-7半闭环控制系统结构4．数控机床的性能指标（1）数控机床的可控轴数和联动轴数：数控机床的可控轴数是指数控机床数控装置能够控制的坐标数量。

数控机床的可控轴数与数控装置的运算处理能力、运算速度及内存容量等有关。

数控机床的联动轴数是指机床数控装置可同时进行运动控制的坐标轴数。两轴联动3轴联动4轴联动5轴联动——可加工空间复杂曲面——可以加工飞行器叶轮、螺旋桨等零件（2）主轴转速：数控机床主轴一般均采用直流或交流调速主轴电动机驱动，选用高速轴承支撑，保证主轴具有较宽的调速范围和足够高的回转精度、刚度及抗震性。目前，数控机床主轴转速已普遍达到5000～10000r/min，有利于对各种小孔的加工，提高零件加工精度和表面质量。（3）进给速度：（4）坐标行程：数控机床的进给速度是影响零件加工质量、生产效率及刀具寿命的主要因素。它受数控装置的运算速度、机床运动特性、刚度等因素的限制数控机床坐标轴X、Y、Z的行程大小构成数控机床的空间加工范围。坐标行程是直接体现机床加工能力的指标参数（5）刀库容量和换刀时间：刀库容量和换刀时间对数控机床的生产率有着直接影响。刀库容量是指刀库能存放加工所需要刀具的数量。中小型数控加工中心多为16～60把刀具，大型加工中心可达100把刀具。换刀时间是指带有自动变换刀具系统的数控机床，将主轴上使用的刀具与装在刀库上的下一工序所需用的刀具进行交换所需要的时间5．数控机床电气控制的发展1）数控系统的发展趋势（1）高速度高精度化：数控系统的高速度高精度化要求数控系统在读入加工指令数据后，能高速度计算出伺服电动机的位移量，并能控制伺服电动机高速度准确运动。要实现生产系统的高速度化，还必须要求主轴转速、进给率、刀具交换、托板交换等实现高速度化。提高微处理器的位数和速度是提高数控装置速度的最有效手段。（2）智能化：数控系统应用高技术的重要目标是智能化，主要体现在以下几个方面：①自适应控制技术：②附加人机会话自动编程功能：③具有设备故障自诊断功能：（3）计算机群控：计算机群控也叫做计算机直接数控系统，它是用一台大型通用计算机为数台数控机床进行自动编程，并直接控制一群数控机床的系统。（4）小型化。（5）具有更高的通信功能。2）伺服系统的发展早期的数控机床伺服系统多