第八篇 数控机床及检测

第二十七课数控机床电气控制概述及自动控制基础1、目的和要求：1）掌握数控机床及伺服系统基本概念；2）掌握位置、速度伺服系统组成、特点、工作过程；3）掌握自动控制分类及特点；4）数控机床对电气控制的要求；5）了解自动控制系统的评价指标。2、重点与难点：1）数控机床有关概念；2）伺服系统、特点及工作过程。3、教学方法设计：讲授。为现场教学掌握数控系统电气自动控制打基础。第七章数控机床驱动装置第一节数控装置驱动概述数控机床驱动装置——以加工指令为输入量，以机床移动部件为输出量的控制系统。位置随动系统——以加工指令脉冲为输入量，以机床移动部件的位置为输出量的控制系统。数控机床驱动装置就是位置随动系统，简称伺服系统。伺服系统——是一种能够跟踪输入指令信号而动作，从而获得准确位置、速度、力输出的控制系统。典型的伺服系统是位置随动系统。7.1一、伺服系统的组成和工作过程1、结构位置控制模块速度控制模块SM来自CNC插补运算的位置指令+—位置反馈速度反馈+—速度指令伺复电机位置检测装置伺复驱动速度控制CNC位置控制进给传动速度检测装置工作台刀具伺服系统结构框图7.12）组成——通常由位置控制环和速度控制环组成。图中内环是速度控制环，外环是位置控制环。3）工作过程——插补信号输送到位置控制模块的位置比较电路，与位置检测反馈来的信号相比较后，位置比较电路输出位置移动信号，经位置控制和速度控制单元输出到速度环，直到机床完成进给运动。7.12、位置控制环1）组成——由位置指令、位置检测装置、位置反馈比较环节、位置控制模块、速度控制环、机械传动装置组成。2）检测装置——可采用旋转变压器、感应同步器、脉冲编码器、光栅、磁栅、激光测距等。3）位置控制环功能作用——对机床位置坐标轴进行控制，而坐标轴控制是要求最高的控制，不仅要严格控制每个轴的运动速度和位置精度，而且在多轴联动时还要求个移动轴按插补要求协调运动，保证复杂形状的加工。7.13、速度控制环1）组成——由伺服电机、速度检测装置、速度反馈比较环节、速度控制模块组成。速度控制模块组成为速度控制系统的核心，2）速度检测装置——通常采用测速发电机、脉冲编码器等。3）功能——是伺服系统中最基本内容，用来控制电机转速。7.1二、数控机床伺服系统分类1、按位置控制方式分1）闭环控制：由于引入负反馈并利用偏差控制，即利用被控量的反馈信息，使整个控制过程成为闭合的，因此反馈控制也称为闭环控制。特点：无论什么原因使被控量偏离期望值而出现偏差，必定产生一个相应控制作用去减小或消除这个偏差，使被控量与期望值一致。具有抑制内外扰动对被控量产生影响的能力，具有较高的控制精度。7.12）半闭环控制：闭环控制的反馈是将被控量直接测量得到的，若将被控量通过间接测量得到，并反馈到输入端进行比较，其偏差用于控制的方式。特点：属反馈控制范畴，控制精度低于闭环控制，用于被控量测量时结构受限制的场合。结构相对闭环控制简单、成本较低。7.13）开环控制：指控制装置与倍控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制过程。特点：系统的输出量不会对系统的控制产生影响，是按给定量进行控制的，即控制作用是输入量产生的，给定一个输入量就会有一个输出量相对应，控制精度取决于所用的元件和校准的精度。自动修正偏差的能力，抗扰动性差。但结构简单、调整方便，成本低在精度要求不高或扰动影响小的情况下有实用价值。4）尺寸及形状检测元件用于闭环，回转测量常用于半闭环。7.12、按伺服电机类型分类1）步进伺服系统——属典型的开环伺服系统，由步进电机及其驱动系统组成。特点：结构简单、使用维修方便、成本低、控制简单等；应用：在小型数控机床和速度、精度要求不高场合应用广泛2）直流伺服系统——由直流伺服电机、调速系统、检测反馈、机械传动等部分组成。常用的直流伺服电机有小惯量伺服电机和永磁伺服电机（大惯量宽调速）两类。3）交流伺服系统——分为交流同步型伺服电机和交流异步型伺服电机，后者一般用于主轴交流伺服系统，交流同步型伺服电机一般用于进给伺服电机。交流伺服电机没有直流伺服电机缺点，且有较大的输出功率、更高的电压和转速，基本取代了直流伺服系统。7.13、按反馈比较控制方式分类由于采用位置检测元件不同，反馈信号不同，分类为：1）脉冲数字比较系统（数字伺服系统）——如果插补器输出的指令信号是数字脉冲，选择磁栅、光栅、光电编码器作为机床移动部件位移的检测装置，位置反馈信号也是数字脉冲信号，给定量和反馈量就是直接的脉冲比较，该系统就成为脉冲比较伺服系统（数字伺服系统）。2）相位比较系统——高精度数控伺服系统中，相位与辐值的检测元件常用旋转变压器、感应同步器、光栅、磁栅等，这些测量元件及检测电路都可输出相位比较信号或辐值比较信号。3）辐值比较伺服系统——位置元件采用辐值工作状态，输出辐值大小与机械位移成正比的模拟信号，将此信号作为位置反馈信号与指令信号比较，实现位置和速度控制构成的闭环系统。7.14、按驱动对象分类1）进给伺服系统——以机床移动部件的位置和速度为控制量，接受来自插补装置或插补软件生成的进给脉冲指令，经过一定的信号变换及电压、功率放大、检测反馈，最终实现机床工作台相对于刀具运动的控制系统。进给伺服系统由控制系统和机械传动机构（减速齿轮、滚珠丝杆、机械导轨、工作台拖板等）组成，有开环和闭环两类，开环系统只能由步进电机驱动，闭环系统分为直流电机和交流电机两种驱动方式。2）主轴伺服系统——主轴的速度控制方式与进给系统基本相同，采用交流或直流调速，重点是转速和转矩参数。主轴伺服系统可由数控装置直接控制，也可由数控装置通过可编程控制器控制。7.1三、对进给伺服系统的基本要求1、高精度数控机床的高精度、高效率很大程度取决于进给系统的性能。伺服系统的精度主要指定位精度（一般机床1—5μm，高精度数控为0.1μm）；检测元件的分辨率是决定系统分辨率和脉冲当量的关键元件（一般数控机床分辨率为1μm，高精度达0.1μm）2、稳定性系统在新的输入指令信号作用下，系统能够达到新的稳定状态，当新的输入指令消失后，系统能够恢复到原来的稳定状态下运行。系统要有较强的抗干扰能力。稳定性将直接影响系统的加工精度和表面粗糙度。3、快速响应无超调反映系统的跟踪精度，会影响加工准确度和表面粗糙度。由于伺服系统频繁启动、制动、加速、减速、等动态过程，要求在200ms甚至几十毫秒内完成。7.14、调速范围指电机提供的最高转速和最低转速之比。为保证最佳切削参数和条件，要求伺服系统转速在较大范围内有良好温度性。一般数控机床进给速度0—24m/min时，要求运行均匀、平稳、无爬行、速降小；进给速度在1mm/min时，具有一定的瞬时速度；当进给速度等于0时，要求电机有电磁转矩以维持定位精度，即使电机处于伺服锁定状态。5、不受负载影响电机的转动惯量是定植，但负载惯量是变化，加工过程中变化很大，要求伺服系统在负载变量和转矩干扰等使电机负载变化时不影响伺服系统工作。7.1四、对主轴伺服系统的要求1、对主轴伺服系统拖动要求主轴控制涉及数控机床的G、S、M、T控制功能，故要求：1）调速范围足够大——为适应各种刀具、工序、材料的加工要求，主轴调速范围要宽。数控机床主轴变速是按指令自动无级调速的，一般要求1：（100—1000）恒转速调速范围、1：10的恒功率调速。主轴驱动方式一般有主轴带齿轮换挡，可以降低主轴转速，增大传动比；二是主轴电动机通过同步齿形带驱动主轴，具有恒功率宽的特点。2）主轴输出功率大——在整个速度范围内均能提供切削所需功率，达到主轴电机最大功率最为理想，即恒功率范围宽。由于电机和驱动的限制，低速段均为恒转矩输出，常采用分段无级变速方法，即在低速段采用机械减速装置，以提高输出转矩。7.12、对主轴驱动的控制要求1）主轴速度调节——是最重要的控制要求，分为有级、无级和分段无级调速三种形式。前者为经济型数控机车。2）主轴定向准停控制——为满足加工中心自动换刀（ATC），主轴必须高精度准停控制，主轴必须能停在固定的径向位置。3）主轴旋转与坐标轴进给的同步控制——在螺纹加工时，主轴旋转必须与坐标轴进给量保持一定的关系。可采用光电编码器作为主轴脉冲发生器，通过CPU对节距的计算，控制坐标轴进给伺服系统，使进给量与主轴转速保持同步。4）恒速线切割控制——为保证加工面的粗糙度，要求工件与刀尖的接触点的线速度为恒值，为此，随刀具径向进给直径减小，应不断提高主轴转速。5）加减速功能——要求在正、反转时具备自动加减速功能，且时间尽可能短。7.1第二节数控机床概述一.数控机床的产生1952年麻省理工学院研制第一台电子管元件数控机床1958年美国出现自动换刀的加工中心（MC）1967年英国出现几台数控机床连接在一起的柔性加工制造系统（FMS）1970年用小型计算机数字控制的数控机床（CNC）1974年微处理器用于数控1980年后出现以加工中心为主体，配上工件自动检测和卸料的柔性制造单元（FMC），在此基础上出现计算机集成制造系统（CIMS）二数控技术发展趋势1.高速高精加工技术及装备进给速度60mmin；加速度2g；主轴转速60000r/min普通级数控机床达5μm，精密级1—55μm或更高；平均故障间隔时间6000h，伺服系统达30000h2.五轴联动加工和复合加工机床3.智能化、开放式、网络化三数控机床的基本特点加工对象的改型适应性强；加工精度高；生产效率高；自动化程度高；良好经济效益；有利于生产管理现代化四数控机床工作原理1.按照加工零件的信息编制程序，并输入数控系统；2.数控系统处理运算，按各坐标轴分量送各轴驱动；3.驱动电路经转换、放大驱动伺服电机，各轴运动；4.反馈控制使刀具、辅助装置按程序规定顺序、轨迹、参数工作五数控机床组成组成示意图输入装置数控系统伺服系统机床本体测量装置数控机床组成结构图输入/输出装置数控装置NC驱动控制装置机床电气控制装置机床数控机床组成结构框图7.2六数控机床组成部分功能1.输入：常见磁盘和U盘，而R232C通讯、网络传输已经成为趋势；2.数控系统（CNC）：机床的核心，根据输入程序和数据，处理后输出信号和指令控制机床个部分，按规定有序动作。包括：经插补运输决定的各坐标轴的进给速度、进给方向和位移量指令；主运动部件的变速、换向和启停信号；选择和交换刀具指令信号；控制冷却和润滑液系统控制；工件和机床部件松开、夹紧，分度工作台转位等辅助信号。3.伺服驱动系统：由伺服电路和伺服驱动装置组成，与机床的执行部件和机械传动部件组成进给系统。根据速度和位移指令控制执行部件的进给速度和方向。每个执行部件都有一套伺服驱动系统4.机床本体：机械部件包括主运动部件、进给运动执行部件、床身立柱等支撑；冷却、润滑、转位和夹紧辅助装置。对加工中心还有刀库、交换刀具的机械手七数控机床分类1.按运动方式分：点位控制系统（只要求点与点位置，不严格轨迹）、点线控制系统（还要点间运动轨迹和直线）、轮廓控制系统（对两个以上坐标同时严格控制，含速度和位移）2.按控制方式分：开环控制系统、半闭环控制系统、闭环控制系统3.按工艺用途分：数控钻床、车床、铣床、镗床、磨床；压床、冲床、弯管机、电火花切割机、火焰切割机；加工中心是带刀库和自动换刀装置的数控机床，一台机床上实现多种加工。八典型数控系统1.西门子SINUMERIK系统2.福士通FANNC系统3.三菱公司MELDAS4.海得汉公司Heidenhain5.华中数控九数控机床电气控制系统组成：机床用PLC、外围电压电气控制系统、执行机构数控系统两大部分：NC、PLCPLC与NC的关系：NC任务：实现刀具相对于工件各坐标轴几何运动规律PLC任务：辅助设备的控制。即根据CNC内部标志以及机床各控制开关、检测元件、运动部件的状态，按程序设定控制逻辑对刀库运动、换刀机构、冷却液等运动进行控制。两者按此原则分工，但也联系。NC与PLC接口按ISO4336—1981（E）《机床数字控制——数控装置和数控机床电气设备之间的接口规范》数控机床的电气控制内容1、数控机床的电气控制线路与普通机床不同在于除了常用