數(shù)控機(jī)床電氣第1章

第1章緒論1.1數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)的組成1.2數(shù)控機(jī)床的分類1.3數(shù)控機(jī)床技術(shù)的開展思索與練習(xí)1.1數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)的組成1.1.1數(shù)控機(jī)床的組成數(shù)字控制〔NC,NumericalControl，簡(jiǎn)稱數(shù)控〕技術(shù)是用數(shù)字化信息進(jìn)展控制的自動(dòng)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)，配備了數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床即為數(shù)控機(jī)床。數(shù)控機(jī)床是集機(jī)床、計(jì)算機(jī)、電機(jī)、自動(dòng)控制、傳感檢測(cè)等技術(shù)于一體的自動(dòng)化設(shè)備。數(shù)控機(jī)床普通由加工程序、輸入安裝、數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)和輔助控制安裝、檢測(cè)反響系統(tǒng)以及機(jī)床本體組成，如圖1-1所示。圖1-1數(shù)控機(jī)床的組成圖1-2和圖1-3分別為臥式普通車床和數(shù)控車床的傳動(dòng)系統(tǒng)表示圖?？梢钥闯觯瑪?shù)控車床與普通車床相比，傳動(dòng)鏈簡(jiǎn)單明晰，其主軸轉(zhuǎn)動(dòng)和進(jìn)給軸挪動(dòng)分別由主軸電機(jī)和進(jìn)給電機(jī)來驅(qū)動(dòng),而輔助運(yùn)動(dòng)，都是由數(shù)控系統(tǒng)中的可編程控制器(PLC)來控制完成的。如主軸卡盤的松緊和尾座頂尖的伸縮是經(jīng)過PLC控制液壓系統(tǒng)的液壓缸來完成的，從刀庫(kù)中選刀和換刀同樣是經(jīng)M(輔助指令)指令與T(換刀指令)指令由PLC功能指令來完成。圖1-2臥式車床傳動(dòng)系統(tǒng)表示圖圖1-3臥式數(shù)控車床傳動(dòng)系統(tǒng)表示圖圖1-4數(shù)控機(jī)床電氣控制柜表示圖1.1.2數(shù)控機(jī)床的任務(wù)原理和特點(diǎn)1.主軸運(yùn)動(dòng)和普通機(jī)床一樣，主軸運(yùn)動(dòng)主要完成切削義務(wù)，其動(dòng)力約占整臺(tái)機(jī)床動(dòng)力的70%～80%。根本控制功能是主軸的正、反轉(zhuǎn)和停頓，可自動(dòng)換擋及無級(jí)調(diào)速；對(duì)加工中心和有些數(shù)控車床，還要求主軸進(jìn)展高精度準(zhǔn)停和分度功能。2.進(jìn)給運(yùn)動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是數(shù)控機(jī)床區(qū)別于普通機(jī)床最主要的地方，即用電氣驅(qū)動(dòng)替代了機(jī)械驅(qū)動(dòng)，數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是由進(jìn)給伺服系統(tǒng)完成的。進(jìn)給伺服系統(tǒng)由進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)安裝、伺服電動(dòng)機(jī)、進(jìn)給傳動(dòng)鏈及位置檢測(cè)反響安裝等組成，如圖1-5所示。圖1-5數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)普通說來，數(shù)控機(jī)床功能的強(qiáng)弱主要取決于計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)(CNC)安裝，而數(shù)控機(jī)床性能的優(yōu)劣，如運(yùn)動(dòng)速度與精度等，主要取決于進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。為了保證進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的位置精度，人們采取了一些有效的措施。如對(duì)機(jī)械傳動(dòng)鏈進(jìn)展預(yù)緊和反向間隙調(diào)整；采用高精度的位置檢測(cè)安裝；采用高性能的伺服驅(qū)動(dòng)安裝和伺服電動(dòng)機(jī),來提高數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)算速度等。3.輸入／輸出〔I/O〕接口數(shù)控系統(tǒng)對(duì)加工程序處置后輸出的控制信號(hào)除了對(duì)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)展準(zhǔn)確的控制外，還需求對(duì)機(jī)床主軸啟/停、換向、刀具改換、工件夾緊/松開以及液壓、冷卻、光滑、分度任務(wù)臺(tái)轉(zhuǎn)位等輔助動(dòng)作進(jìn)展控制。例如，經(jīng)過對(duì)加工程序中的M代碼指令、機(jī)床操作面板上的控制開關(guān)及分布在機(jī)床各部位的行程開關(guān)、接近開關(guān)、壓力開關(guān)等輸入元件的檢測(cè)，由數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)的可編程控制器〔PLC〕進(jìn)展邏輯運(yùn)算，輸出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)中間繼電器、接觸器、電磁閥及電磁制動(dòng)器等輸出元件，對(duì)冷卻泵、光滑泵、液壓系統(tǒng)和氣動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)展控制。數(shù)控機(jī)床接口是指數(shù)控安裝與機(jī)床電氣設(shè)備之間的電氣銜接部分。根據(jù)國(guó)際規(guī)范<ISO4336-1981〔E〕機(jī)床數(shù)字控制——數(shù)控安裝和數(shù)控電氣設(shè)備之間的接口規(guī)范>的規(guī)定，接口分為四種類型。圖1-6所示為數(shù)控安裝、數(shù)控設(shè)備和機(jī)床間的銜接關(guān)系。圖1-6數(shù)控安裝、控制設(shè)備與機(jī)床間的銜接關(guān)系第1類：與驅(qū)動(dòng)命令有關(guān)的銜接電路，主要是指與坐標(biāo)軸進(jìn)給驅(qū)動(dòng)和主軸驅(qū)動(dòng)的銜接電路。第2類：數(shù)控安裝與丈量系統(tǒng)和丈量傳感器之間的銜接電路。第3類：電源及維護(hù)電路。第4類：通/斷信號(hào)和代碼信號(hào)銜接電路。第1、2類接口銜接電路傳送的信息是數(shù)控安裝與伺服單元、伺服電機(jī)、位置檢測(cè)和速度檢測(cè)器件間的控制信息及反響信息。它們屬于數(shù)字控制及伺服控制。第3類電源及維護(hù)電路由數(shù)控機(jī)床強(qiáng)電線路中的電源控制電路構(gòu)成。強(qiáng)電線路由電源變壓器、控制變壓器、各種斷路器、維護(hù)開關(guān)、接觸器、熔斷器等銜接而成，以便為輔助交流電機(jī)〔如風(fēng)扇電機(jī)、冷卻泵電機(jī)、光滑泵電機(jī)等〕、電磁鐵、離合器、電磁閥等功率執(zhí)行元件供電。強(qiáng)電線路不能與低壓下任務(wù)的控制電路或弱電線路直接銜接，只需經(jīng)過斷路器、熱動(dòng)開關(guān)、中間繼電器等器件轉(zhuǎn)換成在直流低壓下任務(wù)的觸點(diǎn)的開合任務(wù)，才干成為繼電器邏輯電路和PLC可接納的電信號(hào)，反之亦然。第4類開關(guān)信號(hào)和代碼信號(hào)是數(shù)控安裝與外部傳送的輸入、輸出控制信號(hào)。當(dāng)數(shù)控機(jī)床不帶PLC時(shí)，這些信號(hào)直接在數(shù)控安裝和機(jī)床間傳送。當(dāng)數(shù)控安裝帶有PLC時(shí)，這些信號(hào)除極少數(shù)的高速信號(hào)外，均經(jīng)過PLC傳送。數(shù)控機(jī)床是一種高效能自動(dòng)化加工設(shè)備。與普通機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床具有以下特點(diǎn):〔1〕對(duì)零件加工的順應(yīng)性強(qiáng)、靈敏性好。因數(shù)控機(jī)床能實(shí)現(xiàn)假設(shè)干個(gè)坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)，加工程序可按對(duì)加工零件的要求而變換，而不需改動(dòng)機(jī)械部分和控制部分的硬件，就能順應(yīng)新的任務(wù)要求?！?〕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，完全消除了操作者的人為誤差。所以數(shù)控機(jī)床的加工精度高，一致性好，加工質(zhì)量穩(wěn)定。〔3〕加工消費(fèi)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(shí)間。還有自動(dòng)換刀、自動(dòng)換速和其他輔助操作自動(dòng)化等功能，而且無需工序間的檢驗(yàn)與丈量，故使輔助時(shí)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)床那么完全可以做到。〔5〕減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善勞動(dòng)條件。數(shù)控機(jī)床的加工，除了裝卸零件、操作鍵盤、察看機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)外，其他機(jī)床動(dòng)作都是按照程序要求自動(dòng)延續(xù)地進(jìn)展切削加工，操作者不需求進(jìn)展繁重的反復(fù)手工操作。因此能減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，改善勞動(dòng)條件。〔6〕有利于消費(fèi)管理。采用數(shù)控設(shè)備，有利于向計(jì)算機(jī)控制和管理消費(fèi)方向開展，為實(shí)現(xiàn)制造和消費(fèi)管理自動(dòng)化發(fā)明了條件。1.2數(shù)控機(jī)床的分類1.按工藝用途分類1)金屬切削類數(shù)控機(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)品種類一樣，有數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控鉆床、數(shù)控磨床、數(shù)控鏜床以及加工中心機(jī)床等。數(shù)控加工中心機(jī)床是帶有自動(dòng)換刀安裝，在一次裝夾后，可以進(jìn)展多種工序加工的數(shù)控機(jī)床。2)金屬成型類數(shù)控機(jī)床金屬成型類數(shù)控機(jī)床有數(shù)控折彎?rùn)C(jī)、數(shù)控彎管機(jī)、數(shù)控壓力機(jī)等。3)數(shù)控特種加工機(jī)床數(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。2.按加工道路分類1)點(diǎn)位控制系統(tǒng)點(diǎn)位控制系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床只需求控制一個(gè)位置到另一個(gè)位置的準(zhǔn)確挪動(dòng)，而不論是按照什么軌跡運(yùn)動(dòng)。在挪動(dòng)過程中不進(jìn)展任何加工。為了準(zhǔn)確定位和提高消費(fèi)率，普通先快速挪動(dòng)到終點(diǎn)附近，然后再減速挪動(dòng)到定位點(diǎn)，以保證良好的定位精度。這類數(shù)控機(jī)床主要有數(shù)控鉆床、坐標(biāo)鏜床、數(shù)控沖床和數(shù)控丈量機(jī)等。圖1-7(a)所示為數(shù)控鉆床點(diǎn)位控制加工表示圖。圖1-7數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)方式(a〕點(diǎn)位控制;(b〕點(diǎn)位直線控制;(c〕輪廓控制2)直線控制系統(tǒng)直線控制系統(tǒng)是指控制刀具或機(jī)床任務(wù)臺(tái)以適當(dāng)速度，沿著平行于某一坐標(biāo)軸方向或與坐標(biāo)軸成45°的斜線方向進(jìn)展直線加工的控制系統(tǒng)。但該系統(tǒng)不能沿恣意斜率的直線進(jìn)展直線加工。普通的簡(jiǎn)易數(shù)控系統(tǒng)均屬于直線控制系統(tǒng)。將點(diǎn)位控制和直線控制結(jié)合起來的控制系統(tǒng)稱為點(diǎn)位直線控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)同時(shí)具有點(diǎn)位控制和直線控制的功能。此外，有些系統(tǒng)還具有刀具選擇、刀具長(zhǎng)度和刀具半徑補(bǔ)償?shù)裙δ?。這一類數(shù)控機(jī)床有數(shù)控鏜銑床、加工中心等。圖1-7(b)為點(diǎn)位直線控制系統(tǒng)加工表示圖。3)輪廓控制系統(tǒng)輪廓控制系統(tǒng)又稱延續(xù)控制系統(tǒng)，其特點(diǎn)是數(shù)控系統(tǒng)可以對(duì)兩個(gè)或兩個(gè)以上的坐標(biāo)軸同時(shí)進(jìn)展延續(xù)控制。加工時(shí)不僅要控制起點(diǎn)和終點(diǎn)，還要控制整個(gè)加工過程中每點(diǎn)的速度和位置。運(yùn)用這類控制系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床有數(shù)控銑床、可加工曲面的數(shù)控車床、加工中心等。圖1-7(c)為數(shù)控銑床輪廓加工表示圖。3.按伺服系統(tǒng)的類型分類1)開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)機(jī)床的伺服進(jìn)給系統(tǒng)中沒有位移檢測(cè)反響安裝，通常運(yùn)用步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件。數(shù)控安裝發(fā)出的控制指令直接驅(qū)動(dòng)安裝控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，然后經(jīng)過機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成任務(wù)臺(tái)的位移，如圖1-8所示。圖1-8開環(huán)控制系統(tǒng)的構(gòu)造圖2)閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)控制的機(jī)床上安裝有檢測(cè)安裝，直接對(duì)任務(wù)臺(tái)的位移量進(jìn)展檢測(cè)，如圖1－9所示。當(dāng)數(shù)控安裝發(fā)出指令進(jìn)給信號(hào)后，經(jīng)伺服驅(qū)動(dòng)使任務(wù)臺(tái)挪動(dòng)時(shí)，安裝在任務(wù)臺(tái)上的位置檢測(cè)安裝把機(jī)械位移量變?yōu)殡妳⒘?，反響到輸入端與輸入指令信號(hào)進(jìn)展比較，得到的差值經(jīng)過轉(zhuǎn)換和放大，最后驅(qū)開任務(wù)臺(tái)向減少誤差的方向挪動(dòng)，直到差值消除時(shí)才停頓挪動(dòng)。由于閉環(huán)系統(tǒng)的位置檢測(cè)包含了進(jìn)給傳動(dòng)鏈的全部誤差，如絲杠螺母副、導(dǎo)軌副的間隙等，因此可到達(dá)很高的控制精度。位置檢測(cè)安裝有光柵、感應(yīng)同步器和磁柵等。圖1-9閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的構(gòu)造圖3)半閉環(huán)控制系統(tǒng)半閉環(huán)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)的機(jī)床是在伺服電機(jī)上同軸安裝的，或在滾珠絲杠軸端安裝有角位移檢測(cè)安裝，經(jīng)過丈量角位移間接地測(cè)出挪動(dòng)部件的直線位移，然后反響至數(shù)控系統(tǒng)中去。常用的角位移檢測(cè)安裝有光電編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器或感應(yīng)同步器等。如圖1-10所示為半閉環(huán)控制系統(tǒng)構(gòu)造圖。由于在半閉環(huán)控制系統(tǒng)中，進(jìn)給傳動(dòng)鏈中的滾珠絲杠副、導(dǎo)軌副等機(jī)構(gòu)的誤差都沒有全部包括在反響環(huán)路內(nèi)，因此其位置控制精度低于閉環(huán)伺服系統(tǒng)。但是，由于把慣性質(zhì)量較大的任務(wù)臺(tái)安排在反響環(huán)之外，因此半閉環(huán)伺服系統(tǒng)穩(wěn)定性能好，調(diào)試方便，目前運(yùn)用比較廣泛。至于傳動(dòng)鏈誤差，可以經(jīng)過適當(dāng)提高絲杠、螺母等機(jī)械部件的精度以及采用誤差軟件補(bǔ)償〔如反向間隙補(bǔ)償、絲杠螺距誤差補(bǔ)償〕的措施來減少。圖1-10半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)構(gòu)造圖1.3數(shù)控機(jī)床技術(shù)的開展1.3.1數(shù)控機(jī)床的開展數(shù)控機(jī)床的開展大致閱歷了以下六個(gè)階段:第一階段，1952年，出現(xiàn)了第一臺(tái)電子管數(shù)控系統(tǒng)。第二階段，1960年，出現(xiàn)了晶體管和印刷電路板的數(shù)控系統(tǒng)。第三階段，1965年，出現(xiàn)了小規(guī)模集成電路的數(shù)控系統(tǒng)。第四階段，1970年，出現(xiàn)了小型計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的硬件，并以軟件方式實(shí)現(xiàn)數(shù)控功能的數(shù)控系統(tǒng)。第五階段，1974年，出現(xiàn)微處置器或微型計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)。第六階段，20世紀(jì)90年代后期，出現(xiàn)了PC+CNC(CNC為公用計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng))智能數(shù)控系統(tǒng)。以個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC機(jī))為控制系統(tǒng)的硬件部分，WindowsNT為PC機(jī)的操作系統(tǒng)平臺(tái)，在PC機(jī)上安裝NC軟件系統(tǒng)，即為加工中心的控制系統(tǒng)。德國(guó)Roeders公司消費(fèi)的RFM600型加工中心就是典型的PC+CNC系統(tǒng)。PC+CNC系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)集中表現(xiàn)為如下幾點(diǎn)：(1)與PC硬件的完全通用，使數(shù)控系統(tǒng)能隨著PC技術(shù)的晉級(jí)而晉級(jí)，系統(tǒng)維護(hù)方便。(2)充分共享PC豐富的軟件資源。(3)由于PC機(jī)有規(guī)范的接口，方便地接入局域網(wǎng)及Internet，易于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化制造。1.3.2數(shù)控伺服系統(tǒng)的開展趨勢(shì)1.全數(shù)字式控制系統(tǒng)2.采用高分辨率的位置檢測(cè)安裝3.采用誤差軟件補(bǔ)償措施4.采用前饋控制技術(shù)5.采用摩擦非線性誤差補(bǔ)償?shù)目刂萍夹g(shù)1.3.3以數(shù)控機(jī)床為根底的消費(fèi)自動(dòng)化系統(tǒng)1.計(jì)算機(jī)直接數(shù)控系統(tǒng)〔DNC〕計(jì)算機(jī)直接數(shù)控系統(tǒng)就是用一臺(tái)中央計(jì)算機(jī)直接控制和管理數(shù)臺(tái)數(shù)控設(shè)備進(jìn)展零件加工或裝配的系統(tǒng)，也稱計(jì)算機(jī)群控系統(tǒng)。中央計(jì)算機(jī)主要對(duì)多臺(tái)數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)展數(shù)控加工程序和有關(guān)數(shù)據(jù)的分配，并分時(shí)監(jiān)控各臺(tái)數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)，這樣會(huì)進(jìn)一步提高數(shù)控機(jī)床的消費(fèi)率。2.柔性制造單元〔FMC〕和柔性制造系統(tǒng)〔FMS〕柔性制造單元由數(shù)控加工中心與工件自動(dòng)交換安裝組成，可以實(shí)現(xiàn)單工序或雙工序加工的可變加工單元。柔性制造單元既可作為組成柔性制造系統(tǒng)的根底，也可用作獨(dú)立的自動(dòng)化加工設(shè)備。柔性制造系統(tǒng)是將一群數(shù)控機(jī)床與工件、刀具、夾具及切屑的自動(dòng)傳輸線相配合，并由計(jì)算機(jī)一致管理與控制的制造系統(tǒng)。柔性制造系統(tǒng)是當(dāng)前機(jī)械制造技術(shù)開展的方向，能處理機(jī)械加工中高度自動(dòng)化和高度柔性化的矛盾，使兩者有機(jī)地結(jié)合于一體。3.計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)〔CIMS〕隨著制造技術(shù)的開展，不僅需求開展車間制造過程自動(dòng)化，而且要實(shí)現(xiàn)從消費(fèi)決策、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、市場(chǎng)預(yù)測(cè)、直到銷售的整個(gè)消費(fèi)活動(dòng)的自動(dòng)化，這樣一個(gè)全面、完好功能的消費(fèi)制造系統(tǒng)就是計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)〔C