數(shù)控系統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)概述

學(xué)習(xí)情境八數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)8.1數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)基礎(chǔ)8.1.1數(shù)控系統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)概述1.數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)的組成數(shù)字控制（NC，NumericalControl）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。圖8-1數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)組成數(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(qiáng)電控制系統(tǒng)、編程裝置等幾部分組成。1）數(shù)控裝置——數(shù)控裝置（CNC）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收輸入裝置送來的數(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(yùn)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(yùn)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要求進(jìn)行運(yùn)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(diǎn)和終點(diǎn)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(bǔ)，也就是在線段的起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)值之間進(jìn)行“數(shù)據(jù)點(diǎn)的密化”，求出一系列中間點(diǎn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)動主要完成工件或刀具的X、Y、Z等方向的精準(zhǔn)運(yùn)動4）檢測反饋系統(tǒng)檢測反饋系統(tǒng)的作用是把檢查裝置檢測到的數(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(shí)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(shí)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(yùn)動5）強(qiáng)電控制系統(tǒng)6）編程裝置機(jī)床強(qiáng)電控制系統(tǒng)主要完成對機(jī)床的輔助運(yùn)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2．?dāng)?shù)控機(jī)床的特點(diǎn)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(diǎn)：（1）對零件加工的適應(yīng)性強(qiáng)、靈活性好。因為數(shù)控機(jī)床能實(shí)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要改變機(jī)械部分的硬件，所

以其適應(yīng)性強(qiáng)、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，避免了操作者的人為誤差（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；具有自動換刀、自動換速和其他輔助操作自動化

等功能，且無需工序間的檢驗與測量，故使輔助時間大為縮短。（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(shí)現(xiàn)而數(shù)控機(jī)床完全可以做到。（5）減輕勞動強(qiáng)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(yùn)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，

因此能減輕工人的勞動強(qiáng)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(shí)現(xiàn)制造和生產(chǎn)管理自動化創(chuàng)造了條件。3．?dāng)?shù)控機(jī)床的分類1）按運(yùn)動軌跡分類（1）點(diǎn)位控制系統(tǒng)：圖8-2數(shù)控鉆床點(diǎn)位控制示意圖點(diǎn)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(diǎn)附近，然后再減速移動到定位點(diǎn)，以保證良好的定位精度，而對移動路徑不作要求。（2）直線控制系統(tǒng)：圖8-3數(shù)控銑床直線控制示意圖直線控制系統(tǒng)不僅要求具有準(zhǔn)確的定位功能，而且要控制兩點(diǎn)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(yùn)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(yùn)動部件，其合成運(yùn)動的軌跡與坐標(biāo)軸呈一定夾角的斜線。（3）輪廓控制系統(tǒng)：圖8-4數(shù)控銑床輪廓控制示意圖輪廓控制系統(tǒng)又稱連續(xù)控制系統(tǒng)，其特點(diǎn)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(diǎn)和終點(diǎn)，還要控制整個加工過程中每點(diǎn)的速度和位置。2）按工藝用途分類（1）金屬切削類數(shù)控機(jī)床：（2）金屬成型類數(shù)控機(jī)床：（3）數(shù)控特種加工機(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)控磨床、數(shù)控鏜床及加工中心機(jī)床等金屬成型類數(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)：圖8-5開環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（2）閉環(huán)控制系統(tǒng)：圖8-6閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)（3）半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)：圖8-7半閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)4．?dāng)?shù)控機(jī)床的性能指標(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)床的可控軸數(shù)與數(shù)控裝置的運(yùn)算處理能力、運(yùn)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(yùn)動控制的坐標(biāo)軸數(shù)。兩軸聯(lián)動3軸聯(lián)動4軸聯(lián)動5軸聯(lián)動——可加工空間復(fù)雜曲面——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，選用高速軸承支撐，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，有利于對各種小孔的加工，提高零件加工精度和表面質(zhì)量。（3）進(jìn)給速度：（4）坐標(biāo)行程：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)效率及刀具壽命的主要因素。它受數(shù)控裝置的運(yùn)算速度、機(jī)床運(yùn)動特性、剛度等因素的限制數(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變換刀具系統(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所需用的刀具進(jìn)行交換所需要的時間5．?dāng)?shù)控機(jī)床電氣控制的發(fā)展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動機(jī)的位移量，并能控制伺服電動機(jī)高速度準(zhǔn)確運(yùn)動。要實(shí)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(shí)現(xiàn)高速度化。提高微處理器的位數(shù)和速度是提高數(shù)控裝置速度的最有效手段。（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，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：①自適應(yīng)控制技術(shù)：②附加人機(jī)會話自動編程功能：③具有設(shè)備故障自診斷功能：（3）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)，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)。（4）小型化。（5）具有更高的通信功能。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