第1章-数控机床电气控制概述

第1章数控机床电气控制概述1.1数控机床电气控制系统的组成及特点1.2数控机床的分类及性能指标1.3数控机床电气控制系统发展1.4数控机床自动控制基础思考题与习题第1章数控机床电气控制概述第1章数控机床电气控制概述

1.1数控机床电气控制系统的组成及特点

1.1.1数控机床电气控制系统的组成数字控制（NC,NumericalControl，简称数控）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。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。数控机床电气控制系统的组成如图1-1所示。第1章数控机床电气控制概述第1章数控机床电气控制概述图1-1数控机床电气控制系统组成1．数控装置（CNC）

数控装置是数控机床的核心。数控装置从内部存储器中取出或接受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的要求进行运动，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。第1章数控机床电气控制概述第1章数控机床电气控制概述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、反转和准停以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测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。第1章数控机床电气控制概述5．机床强电控制系统机床强电控制系统主要完成对机床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。6．编程装置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。第1章数控机床电气控制概述1.1.2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，而不需改变机械部分和控制部分的硬件，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，消除了操作者的人为误差。所以数控机床的加工精度高，一致性好，加工质量稳定。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。还有自动换刀、自动换速和其他辅助操作自动化等功能，而且无需工序间的检验与测量，故使辅助时间大为缩短。第1章数控机床电气控制概述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则完全可以做到。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。1.2数控机床的分类及性能指标

1.2.1数控机床的分类1.按运动轨迹分类（1）点位控制系统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。图1-2为数控钻床点位控制示意图。（2）直线控制系统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成一定夹角的斜线。数控铣床直线控制如图1-3所示。第1章数控机床电气控制概述第1章数控机床电气控制概述图1-2数控钻床点位控制示意图

图1-3数控铣床直线控制轨迹示意图

图1-4数控铣床轮廓加工示意图第1章数控机床电气控制概述（3）轮廓控制系统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。图1-4为数控铣床轮廓加工示意图。2.按工艺用途分类（1）金属切削类数控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、数控钻床、数控磨床、数控镗床以及加工中心机床等。数控加工中心是带有自动换刀装置，在一次装夹后，可以进行多种工序加工的数控机床。第1章数控机床电气控制概述（2)金属成型类数控机床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。（3)数控特种加工机床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）开环控制系统开环控制系统机床的伺服进给系统中没有位移检测反馈装置，通常使用步进电机作为执行元件。数控装置发出的控制指令经驱动装置直接控制步进电机的运转，然后通过机械传动系统转化成工作台的位移，开环控制系统结构如图1-5所示。第1章数控机床电气控制概述图1-5开环控制系统结构第1章数控机床电气控制概述（2）闭环控制系统闭环控制系统的机床上安装有检测装置，直接对工作台的位移量进行检测，当数控装置发出进给指令信号后，经伺服驱动系统使工作台移动时，安装在工作台上的位置检测装置把机械位移量变为电量，反馈到输入端与输入设定指令信号进行比较，得到的差值经过转换和放大，最后驱动工作台向减少误差的方向移动，直到误差值消除停止移动。闭环系统具有很高的控制精度。图1-6为闭环数控系统的结构图

第1章数控机床电气控制概述图1-6闭环数控系统的结构图第1章数控机床电气控制概述（3）半闭环控制系统半闭环控制系统的机床是在伺服电机上同轴安装了位置检测装置，或在滚珠丝杠轴端安装有角位移检测装置，通过测量角位移间接地测出移动部件的直线位移，然后反馈至数控系统中去。常用的角位移检测装置有光电编码器、旋转变压器或感应同步器等。如图1-7所示为半闭环控制系统结构图。由于在半闭环控制系统中，进给传动链中的滚珠丝杠副、导轨副等机构的误差都没有全部包括在反馈环路内，因此其位置控制精度低于闭环伺服系统。但是，由于把惯性质量较大的工作台安排在反馈环之外，因此半闭环伺服系统稳定性能好，调试方便，目前应用比较广泛。至于传动链误差，可以通过适当提高丝杠、螺母等机械部件的精度以及采用误差软件补偿（如反向间隙补偿、丝杠螺距误差补偿）的措施来减少。第1章数控机床电气控制概述图1-7半闭环控制系统结构图第1章数控机床电气控制概述1.2.2数控机床的性能指标1．数控机床的运动性能指标（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。目前有两轴联动、3轴联动、4轴联动、5轴联动等。3轴联动数控机床能三坐标联动，可加工空间复杂曲面。4轴联动、5轴联动数控机床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，选用高速轴承支承，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，有利于对各种小孔加工，提高零件加工精度和表面质量。第1章数控机床电气控制概述（3）进给速度数控机床的进给速度是影响零件加工质量、生产效率以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。（4）坐标行程一般数控机床坐标轴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的影响。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交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需用的刀具进行交换所需要的时间。第1章数控机床电气控制概述2．数控机床的精度指标（1）定位精度定位精度是指数控机床工作台等移动部件移动到指令位置的准确程度，即实际移动位置与指令要求位置的一致性，移动部件实际位置与指令位置之间的误差称为定位误差。被控制机床坐标的误差(即定位误差)包括驱动此坐标轴控制系统(伺服系统、检测系统、进给系统等)的误差，也包括移动部件导轨的几何误差等。定位误差将直接影响零件加工的位置精度。（2）重复定位精度重复定位精度是指在同一条件下，用相同的方法，重复进行同一动作时，控制对象到达同一指令位置的一致程度。即在同一台数控机床上，应用相同程序相同代码加工一批零件，所得到的连续结果的一致程度，也称为精密度。重复定位精度受伺服系统特性、进给系统的间隙、刚性以及摩擦特性等因素影响。第1章数控机床电气控制概述（3）分辨率与脉冲当量分辨率是指两个相邻的分散细节之间可以分辨的最小间隔。对数控机床电气控制系统而言，分辨率是可以控制的最小位移增量，其数值的大小决定数控机床的加工精度和表面质量。数控装置发出一个脉冲信号，机床移动部件的位移量叫做脉冲当量。脉冲当量是设计数控机床原始数据之一，脉冲当量越小，数控机床的加工精度和加工表面质量越高。1.3数控机床电气控制系统发展

1.3.1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机的位移量，并能控制伺服电机高速度准确地运动。此外，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CNC速度的最有效的手段。第1章数控机床电气控制概述2．智能化数控系统应用高技术的重要目标是智能化。智能化技术主要体现在以下几个方面：(1)自适应控制技术自适应控制系统(AC，adaptivecontr01)可对机床主轴转矩、功率、切削力、切削温度、刀具磨损等参数值进行自动测量，并由CPU进行比较运算后，发出修改主轴转速和进给量大小的信号，确保AC系统处于最佳切削状态，从而在保证加工质量条件下，使加工成本最低或生产率最高。(2)附加人机会话自动编程功能建立切削用量专家系统和示教系统，从而提高编程效率和降低对编程操作人员技术水平的要求。(3)具有设备故障自诊断功能数控系统出了故障，控制系统能够进行自诊断，并自动采取排除故障的措施，以适应长时间无人操作环境的要求。

第1章数控机床电气控制概述第1章数控机床电气控制概述3．小型化4．计算机群控计算机群控也叫做计算机直接数控系统(DNC)，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。5．具有更高的通信功能1.3.2伺服系统的发展早期的数控机床伺服系统多采用晶闸管直流驱动系统，但是由于直流电动机受机械换向的影响和限制，大多数直流驱动系统适用性差，维护比较困难，而且其恒功率调速范围较小。上世纪80年代后期，随着交流调速理论、微电子技术和大功率半导体技术的发展，交流驱动系统进入实用阶段，在数控机床的伺服驱动系统中得到了广泛的应用。目前，交流伺服驱动系统已经基本取代了直流伺服驱动系统。1.4数控机床自动控制基础

1.4.1自动控制系统自动控制系统，是指利用控制装置操纵被控对象，使被控对象自动地按照给定的规律运行使被控量等于给定值或根据输入信号的变化按所需规律去变化，如图1-8所示。第1章数控机床电气控制概述第1章数控机床电气控制概述图1-8自动控制示意图第1