第一章 緒論(機床電氣控制)

數(shù)控機床電氣控制主講龔航張家界航院機械系目錄數(shù)控機床電氣控制基本知識數(shù)控系統(tǒng)基本知識數(shù)控機床進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)數(shù)控機床主軸控制系統(tǒng)數(shù)控機床PLC控制緒論1946年世界上誕生了第一臺電子計算機。60多年來，以計算機為主導(dǎo)和核心的信息技術(shù)，通過電視、現(xiàn)代通信等手段提高了人類的生活質(zhì)量，更促使生產(chǎn)力飛速向前發(fā)展，開創(chuàng)了人類文明史、生產(chǎn)史的新紀(jì)元。

在1952年，計算機技術(shù)應(yīng)用到了機床上，在美國誕生了世界上第一臺數(shù)控機床。從此，傳統(tǒng)的機床發(fā)生了質(zhì)的變化。1．1數(shù)控技術(shù)發(fā)展的回顧

從第一臺數(shù)控機床誕生至今50多年以來，數(shù)控機床的核心——數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了兩個階段和六代的發(fā)展。1.1.1數(shù)控(NC)階段(1952一1970年)早期的計算機運算速度低，不能適應(yīng)機床實時控制的要求。于是，人們不得不采用數(shù)字邏輯電路，組成機床專用計算機。這種數(shù)控裝置稱為硬件連接數(shù)控裝置(HARD—WIREDNC)，簡稱為數(shù)控(NC)。隨著電子元器件的發(fā)展，這個階段又經(jīng)歷了三代：1952年的第一代——電子管計算機組成的數(shù)控裝置；1959年的第二代——晶體管計算機組成的數(shù)控裝置；1965年的第三代——小規(guī)模的集成電路計算機組成的數(shù)控裝置。1.1.2計算機數(shù)控(CNC)階段(1970年——至今)

1970年研制成功了大規(guī)模集成電路，并用于通用小型計算機。其運算速度有了大幅度的提高，比專用計算機成本低、可靠性高。于是，小型計算機作為數(shù)控系統(tǒng)的核心部件，數(shù)控機床進(jìn)入了計算機數(shù)控(CNC)階段。1971年，美國INTEL公司在世界上第一次將計算機的兩個最核心的部件——運算器和控制器，采用大規(guī)模的集成電路制造技術(shù)，將其集成在一塊芯片上，稱之為微處理器(Microprocessor)，又稱為中央處理單元(CPU)。1974年，微處理器應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)。雖然早期的微處理器速度和功能對數(shù)控裝置來說有局限性，但可以通過多處理器結(jié)構(gòu)來解決相應(yīng)的問題。由于微處理器是通用計算機的核心部件，故此時的數(shù)控系統(tǒng)仍稱為計算機數(shù)控。

緒論

一、數(shù)控技術(shù)發(fā)展的回顧

1.數(shù)控(NC)階段(1952一1970年)

1952年的第一代——電子管計算機組成的數(shù)控裝置；1959年的第二代——晶體管計算機組成的數(shù)控裝置；

1965年的第三代——小規(guī)模的集成電路計算機組成的數(shù)控裝置。

緒論

2.算機數(shù)控(CNC)階段(1970年——至今)

1970年的第四代——小型計算機數(shù)控系統(tǒng)；

1974年的第五代——微處理器組成的數(shù)控系統(tǒng)；

1990年的第六代——基于PC的數(shù)控系統(tǒng)。

緒論

二、現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢

1.高速、高精加工高速主軸單元(電主軸，轉(zhuǎn)速15000－100000r/min)、高速且高加/減速度的進(jìn)給運動部件(快移速度60～120m/min，切削進(jìn)給速度高達(dá)60m/min)、車削和銑削的切削速度已達(dá)到5000～8000m/min以上；主軸轉(zhuǎn)數(shù)在30000轉(zhuǎn)/分(有的高達(dá)10萬r/min)以上；工作臺的移動速度(進(jìn)給速度)：在分辨率為1微米時，在100m/min(有的到200m/min)以上，在分辨率為0.1微米時，在4m/min以上；自動換刀速度在1秒以內(nèi)；小線段插補進(jìn)給速度達(dá)到12m/min。

緒論

二、現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢

1.高速、高精加工MOV1高速銑削緒論

二、現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢

1.高速、高精加工要達(dá)到上述要求，機床的數(shù)控系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)應(yīng)具有以下特點：

采用高速高精度的數(shù)控系統(tǒng)

采用直線電動機作為進(jìn)給伺服系統(tǒng)

采用高速內(nèi)裝式主軸

采用高速永磁同步電動機

緒論

二、現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢

2.數(shù)控系統(tǒng)具有多軸控制、多軸聯(lián)動和復(fù)合加工的控制功能

5軸(坐標(biāo))聯(lián)動數(shù)控機床，是數(shù)控機床技術(shù)制高點標(biāo)志之一．5軸聯(lián)動數(shù)控銑床主要用于大型螺旋槳空問曲面加工，除X、Y、Z這3軸外，主要還有刀具軸旋轉(zhuǎn)、工作臺旋轉(zhuǎn)這兩種方式的復(fù)合運動。采用5軸聯(lián)動，可以使用刀具的最佳幾何形狀對工件進(jìn)行切削。復(fù)合加工機床在工件一次安裝后，就能完成全部加工工序，不但提高了加工效率，而且提高了精度，實現(xiàn)精益生產(chǎn)。復(fù)合加工機床實現(xiàn)了工序復(fù)合和工種復(fù)合，而工序復(fù)合和工種復(fù)合是機床集成技術(shù)發(fā)展最活躍的因素，是當(dāng)今制造技術(shù)發(fā)展的總趨勢。

五坐標(biāo)高速加工中心緒論

二、現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢

2.數(shù)控系統(tǒng)具有多軸控制、多軸聯(lián)動和復(fù)合加工的控制功能

五坐標(biāo)高速加工中心緒論

二、現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢

2.數(shù)控系統(tǒng)具有多軸控制、多軸聯(lián)動和復(fù)合加工的控制功能

信息化的車銑加工中心復(fù)合加工緒論

二、現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢

3.數(shù)控系統(tǒng)開放化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化

開放結(jié)構(gòu)的NC系統(tǒng)：CNC控制器透明以使機床制造商和最終用戶可以自由地實現(xiàn)自己的思想。機床制造商可以在該開放系統(tǒng)的平臺上增加一定的硬件和軟件構(gòu)成自己的系統(tǒng)。

智能化是指數(shù)控機床控制加工精度和加工效率的智能化。網(wǎng)絡(luò)化可以進(jìn)行跨地域的協(xié)同設(shè)計、協(xié)同制造、信息共享、遠(yuǎn)程監(jiān)控及遠(yuǎn)程服務(wù)緒論

二、現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢

3.數(shù)控系統(tǒng)開放化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化

一種是基于PC的CNC系統(tǒng)(PCBase)，這種系統(tǒng)以PC機為平臺，開發(fā)數(shù)控系統(tǒng)的各種功能，通過伺服卡控制坐標(biāo)軸電動機的運動。

PC嵌入式：系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)為CNC+PC主板(NCBase)，即把一塊PC主板插入傳統(tǒng)的CNC數(shù)控系統(tǒng)中，PC板主要運行在非實時控制的狀態(tài)，而CNC主要運行在以坐標(biāo)軸運動為主的實時控制的狀態(tài)，或CNC作為數(shù)控功能運行，而PC板作為用戶的人機接口平臺。人機接口的開放，而系統(tǒng)的核心并沒有開放。緒論

二、現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢

3.數(shù)控系統(tǒng)開放化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化

與系統(tǒng)連接的伺系統(tǒng)，及外圍部件緒論

二、現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢

3.數(shù)控系統(tǒng)開放化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化

I/O設(shè)備計算機主板顯示卡功能模板m功能模板1電子盤多功能卡位置控制板n位置控制板1PLC模塊主軸控制模板機床I/O控制面板速度控制單元1速度控制單元n功能驅(qū)動1功能驅(qū)動m…………系統(tǒng)總線（BUS）標(biāo)準(zhǔn)PC計算機CNC裝置CNC系統(tǒng)緒論

二、現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢

3.數(shù)控系統(tǒng)開放化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化

SIN840C的最大配置接口緒論

三、數(shù)控機床的機械參數(shù)及其對系統(tǒng)的影響

數(shù)控機床的主軸、進(jìn)給軸伺服控制系統(tǒng)大多數(shù)是機電式的，其輸出都包含有某種類型的機械環(huán)節(jié)和元件，它們是控制系統(tǒng)的重要組成部分，其性能直接影響數(shù)控機床的品質(zhì)。從機械角度來看，需要考慮的包括：有關(guān)的負(fù)載，驅(qū)動力或驅(qū)動力矩，摩擦力或摩擦力矩，死區(qū)、傳動系統(tǒng)的間隙、剛性、慣性矩和共振頻率等。

緒論

三、數(shù)控機床的機械參數(shù)及其對系統(tǒng)的影響

摩擦力可分為三類：黏性摩擦力、庫侖摩擦力和靜摩擦力。黏性摩擦力是和運動速度成正比的摩擦.力庫侖摩擦力是物體運動時接觸面對運動物體所呈現(xiàn)的阻力(或阻力矩)，它是一個常數(shù).靜摩擦力是物體有運動傾向但仍處于靜止時呈現(xiàn)的摩擦力，最大值發(fā)生在開始運動的瞬間，一旦運動開始，靜摩擦力即消失。

1.摩擦

緒論

三、數(shù)控機床的機械參數(shù)及其對系統(tǒng)的影響

1.摩擦

在低速時，由于靜摩擦力和動摩擦力的交替作用而可能出現(xiàn)爬行現(xiàn)象．即系統(tǒng)在低速運行時，出現(xiàn)時啟時停、時快時慢的不平穩(wěn)運動。

摩擦引起低速爬行及減少爬行的措施

在數(shù)控機床上產(chǎn)生低速爬行主要是因機床導(dǎo)軌與工作臺之間的摩擦力而引起的，因此，減少低速爬行的措施是減少機床導(dǎo)軌靜、動摩擦系數(shù)的差，減少滑動面的摩擦阻力，提高傳動件的剛度。目前采用得較多的方法是在滑動面上貼塑料導(dǎo)軌軟帶。

緒論

三、數(shù)控機床的機械參數(shù)及其對系統(tǒng)的影響

1.摩擦

摩擦引起低速爬行及減少爬行的措施

緒論

三、數(shù)控機床的機械參數(shù)及其對系統(tǒng)的影響

1.摩擦

摩擦引起系統(tǒng)的失動

定位精度：伺服系統(tǒng)按照允許的輸入位移指令進(jìn)行定位時可能產(chǎn)生的最大偏差，主要表示伺服系統(tǒng)準(zhǔn)確執(zhí)行定位指令的能力。

失動則表示指令位置沒有達(dá)到的情況。在評價系統(tǒng)的失動時，通常把它折合成直線運動，按雙向趨近，如圖1－7所示，即把從右邊和左邊向同一點定位時平均值之差定義為失動量。

失動可以是由于伺服驅(qū)動系統(tǒng)滾珠絲杠與螺母的間隙、傳動鏈的扭轉(zhuǎn)(角度變形，即扭曲)或負(fù)載構(gòu)件的撓曲(軸向壓縮變形)等因素所引起，而摩擦則以間接的方式助長系統(tǒng)的失動。

緒論

三、數(shù)控機床的機械參數(shù)及其對系統(tǒng)的影響

1.摩擦

摩擦引起系統(tǒng)的失動緒論

三、數(shù)控機床的機械參數(shù)及其對系統(tǒng)的影響

2.間隙

間隙的存在對于工作在可逆運轉(zhuǎn)的傳動裝置中就造成了回差，其輸出、輸入關(guān)系具有滯環(huán)特性，如圖所示，是非單值的非線性關(guān)系。

運動副的傳動間隙是導(dǎo)致反向誤差的主要因素之一。影響加工精度，易使系統(tǒng)不穩(wěn)定，產(chǎn)生自激振蕩。緒論

三、數(shù)控機床的機械參數(shù)及其對系統(tǒng)的影響

3.剛度與扭轉(zhuǎn)諧振

4.質(zhì)量與慣量

5.關(guān)于增量運動系統(tǒng)的最佳設(shè)計緒論