数控机床电气系统.

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1、数控机床电气系统 概说 数控机床概述 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） 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5m，精密级15 5m 或更高； 平

2、均故障间隔时间6000h，伺服系统达 30000h 2.五轴联动加工和复合加工机床 3.智能化、开放式、网络化 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 数控机床工作基本原理 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 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）、

3、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。 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MELDAS 4.海得汉公司Heidenhain 5.华中数控 数控机床控制系统基本结构 计算机数控系统CNC 机床辅助 控制机构 主运动 机构 进给传动 机构 操作面板PLC 主轴伺服单元主轴驱动装置 计算机 数控

4、装置 输入/输出装置 机床I/O电路和装置 进给伺服单元进给驱动装置 测量装置 数控机床电气控制系统组成 数控系统，电源模块, 伺服驱动器，伺服电机 ，伺服主轴驱动器（或变频器），伺服主 轴电机（或 变频主轴电机）, PLC 输入输 出模块, 强电柜的机床电器元器件，各种电 动机、电磁阀，机床操作面板等组成。 数控机床电气控制系统组成作用 数据输入装置：将指令信息和各种应用数 据输入数控系统的必要装置。它可以CNC 键盘(一般输入操作)，数控系统配备的硬盘 及存储卡、个人计算机等等。 数控机床电气控制系统作用 数控系统：是数控机床的中枢，它将接到的全 部功能指令进行解码、运算，然后有序地发出各

5、 种需要的运动指令和各种机床功能的控制指令， 直至运动和功能结束。 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。 数控机床电气控制系统作用 可编程逻辑控制器： 是机床各项功能的逻辑控制中心。它将来自CNC的各种运动 及功能指令进行逻辑排序，使它们能够准确地、协调有序 地安全运行；同时将来自机床的各种信息及工作状态传送 给CNC，使CNC能及时准确地发出进一步

6、的控制指令， 如此实现对整个机床的控制。 PLC多集成于数控系统中，这主要是指控制软件的集成化， 而PLC硬件则在规模较大的系统中往往采取分布式结构。 PLC与CNC的集成是采取软件接口实现的，一般系统都是 将二者间各种通信信息分别指定其固定的存放地址，由系 统对所有地址的信息状态进行实时监控，根据各接口信号 的现时状态加以分析判断，据此作出进一步的控制命令， 完成对运动或功能的控制。 数控机床电气控制系统作用 主轴驱动系统：接受来自CNC的驱动指令 ，经速度与转矩(功率)调节输出驱动信号驱 动主电动机转动，同时接受速度反馈实施 速度闭环控制。它还通过PLC将主轴的各种 现实工作状态通告CNC

7、用以完成对主轴的 各项功能控制。 数控机床电气控制系统作用 进给伺服系统：接受来自CNC对每个运动 坐标轴分别提供的速度指令，经速度与电 流(转矩)调节输出驱动信号驱动伺服电机转 动，实现机床坐标轴运动，同时接受速度 反馈信号实施速度闭环控制。它也通过PLC 与CNC通信，通报现时工作状态并接受 CNC的控制。 数控机床电气控制系统作用 机床电器部分：包括所有的电动机、电磁 阀、制动器、各种开关等。它们是实现机 床各种动作的执行者. 速度测量：通常由集装于主轴和进给电动 机中的测速机来完成。它将电动机实际转 速匹配成电压值送回伺服驱动系统作为速 度反馈信号，与指令速度电压值相比较， 从而实现速

8、度的精确控制。 数控机床电气控制系统作用 位置测量：现代机床多采用光栅尺和数字脉冲编 码器作为位置测量元件。它们对机床坐标轴在运 行中的实际位置进行直接或间接的测量，将测量 值反馈到CNC并与指令位移相比较直至坐标轴到 达指令位置，从而实现对位置的精确控制。 数控机床驱动装置 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。

9、 伺服系统的组成和工作过程 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 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。 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。 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

10、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。 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。 数控机床伺服系统按位置控制分类 1）闭环控制：由于引入

11、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。 2）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 位置检测 控制 系统 3）开环控制：指控制装置与倍控对象之间只有顺向作

12、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。 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、

13、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。 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

14、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。 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

15、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。 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15m ，高精度数控为0.1m）；检测元件的分辨率是决定系统 分辨率和脉冲当

16、量的关键元件（一般数控机床分辨率为 1m，高精度达0.1m） 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。 4、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 024m/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