数控机床电气第1章.pptx

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1、第1章 绪 论 第1章绪 论 1.1 1.1 数控机床控制系统的组成数控机床控制系统的组成 1.2 1.2 数控机床的分类数控机床的分类 1.3 1.3 数控机床技术的发展数控机床技术的发展 思考思考(sko)(sko)与练习与练习 第一页，共41页。第1章 绪 论 1.1 数控机床数控机床(sh kn j chun)控制系统的组成控制系统的组成 1.1.1 1.1.1 数控机床的组成数控机床的组成 数数字字控控制制（NC,NC,Numerical Numerical ControlControl，简简称称数数控控）技技术术是是用用数数字字化化信信息息进进行行控控制制的的自自动动控控制制技技术

2、术。采采用用数数控控技技术术的的控控制制系系统统称称为为数数控控系系统统，装装备备了了数数控控系系统统的的机机床床即即为为数数控控机机床床。数数控控机机床床是是集集机机床床、计计算算机机、电电机机(dinj)(dinj)、自自动动控控制制、传传感感检检测等技术于一体的自动化设备。测等技术于一体的自动化设备。数数控控机机床床一一般般由由加加工工程程序序、输输入入装装置置、数数控控系系统统、伺伺服服系系统统和和辅辅助助控控制制装装置置、检检测测反反馈馈系系统统以以及及机机床床本本体体组组成成，如如图图1-11-1所示。所示。第二页，共41页。第1章 绪 论 图1-1 数控机床(sh kn j ch

3、un)的组成 第三页，共41页。第1章 绪 论 图1-2和图1-3分别为卧式普通车床和数控车床的传动系统示意图。可以(ky)看出，数控车床与普通车床相比，传动链简单清晰，其主轴转动和进给轴移动分别由主轴电机和进给电机来驱动,而辅助运动，都是由数控系统中的可编程控制器(PLC)来控制完成的。如主轴卡盘的松紧和尾座顶尖的伸缩是通过PLC控制液压系统的液压缸来完成的，从刀库中选刀和换刀同样是经M(辅助指令)指令与T(换刀指令)指令由PLC功能指令来完成。第四页，共41页。第1章 绪 论 图1-2 卧式车床(chchung)传动系统示意图 第五页，共41页。第1章 绪 论 图1-3 卧式数控车床传动系

4、统示意图 第六页，共41页。第1章 绪 论 图1-4 数控机床(sh kn j chun)电气控制柜示意图 第七页，共41页。第1章 绪 论 1.1.2 数控机床的工作数控机床的工作(gngzu)原理和特点原理和特点 1.1.主轴运动主轴运动 和和普普通通机机床床一一样样，主主轴轴运运动动主主要要完完成成切切削削任任务务，其其动动力力约约占占整整台台机机床床动动力力的的70%70%80%80%。基基本本控控制制功功能能是是主主轴轴的的正正、反反转转和和停停止止，可可自自动动(zdng)(zdng)换换挡挡及及无无级级调调速速；对对加加工工中中心心和和有有些些数数控控车车床床，还要求主轴进行高精

5、度准停和分度功能。还要求主轴进行高精度准停和分度功能。第八页，共41页。第1章 绪 论 2.2.进给运动进给运动进进给给运运动动是是数数控控机机床床区区别别于于普普通通机机床床最最主主要要的的地地方方，即即用用电电气气驱驱动动替替代代了了机机械械驱驱动动，数数控控机机床床的的进进给给运运动动是是由由进进给给伺伺服服系系统统完完成成(wn(wn chng)chng)的的。进进给给伺伺服服系系统统由由进进给给伺伺服服驱驱动动装装置置、伺伺服服电电动动机机、进进给给传传动动链链及及位位置置检检测测反反馈馈装装置置等等组组成成，如如图图1-51-5所所示。示。第九页，共41页。第1章 绪 论 图1-5

6、 数控机床(sh kn j chun)进给伺服系统 第十页，共41页。第1章 绪 论 一般说来，数控机床功能的强弱主要取决于计算机数控系统(CNC)装置，而数控机床性能的优劣，如运动速度与精度等，主要取决于进给伺服驱动系统。为了(wi le)保证进给运动的位置精度，人们采取了一些有效的措施。如对机械传动链进行预紧和反向间隙调整；采用高精度的位置检测装置；采用高性能的伺服驱动装置和伺服电动机,来提高数控系统的运算速度等。第十一页，共41页。第1章 绪 论 3.输入输出（I/O）接口 数控系统对加工程序处理后输出的控制信号除了对进给运动轨迹进行准确的控制外，还需要对机床主轴启/停、换向、刀具更换、

7、工件夹紧/松开以及液压、冷却、润滑、分度工作台转位等辅助动作进行控制。例如，通过对加工程序中的M代码指令、机床操作面板上的控制开关及分布在机床各部位(bwi)的行程开关、接近开关、压力开关等输入元件的检测，由数控系统内的可编程控制器（PLC）进行逻辑运算，输出控制信号驱动中间继电器、接触器、电磁阀及电磁制动器等输出元件，对冷却泵、润滑泵、液压系统和气动系统进行控制。第十二页，共41页。第1章 绪 论 数控机床接口是指数控装置与机床电气设备之间的电气连接部分。根据国际标准ISO4336-1981（E）机床数字控制(shzkngzh)数控装置和数控电气设备之间的接口规范的规定，接口分为四种类型。图

8、1-6所示为数控装置、数控设备和机床间的连接关系。第十三页，共41页。第1章 绪 论 图 1-6 数控装置、控制(kngzh)设备与机床间的连接关系第十四页，共41页。第1章 绪 论 第1类：与驱动命令有关(yugun)的连接电路，主要是指与坐标轴进给驱动和主轴驱动的连接电路。第2类：数控装置与测量系统和测量传感器之间的连接电路。第3类：电源及保护电路。第4类：通/断信号和代码信号连接电路。第1、2类接口连接电路传送的信息是数控装置与伺服单元、伺服电机、位置检测和速度检测器件间的控制信息及反馈信息。它们属于数字控制及伺服控制。第十五页，共41页。第1章 绪 论 第3类电源及保护电路由数控机床强

9、电线路中的电源控制电路构成。强电线路由电源变压器、控制变压器、各种断路器、保护开关、接触器、熔断器等连接而成，以便为辅助交流电机（如风扇电机、冷却泵电机、润滑泵电机等）、电磁铁、离合器、电磁阀等功率执行元件供电。强电线路不能与低压下工作的控制电路或弱电线路直接连接，只有通过断路器、热动开关、中间继电器等器件转换成在直流低压下工作的触点的开合工作，才能(cinng)成为继电器逻辑电路和PLC可接收的电信号，反之亦然。第十六页，共41页。第1章 绪 论 第4类开关信号和代码信号是数控装置与外部传送的输入、输出控制信号。当数控机床不带PLC时，这些(zhxi)信号直接在数控装置和机床间传送。当数控装

10、置带有PLC时，这些(zhxi)信号除极少数的高速信号外，均通过PLC传送。第十七页，共41页。第1章 绪 论 数控机床是一种高效能自动化加工设备(shbi)。与普通机床相比，数控机床具有以下特点:（1）对零件加工的适应性强、灵活性好。因数控机床能实现若干个坐标联动，加工程序可按对加工零件的要求而变换，而不需改变机械部分和控制部分的硬件，就能适应新的工作要求。（2）加工精度高、加工质量稳定。在数控机床上加工零件，零件加工的精度和质量由机床保证，完全消除了操作者的人为误差。所以数控机床的加工精度高，一致性好，加工质量稳定。第十八页，共41页。第1章 绪 论（3）加工生产效率高。在数控机床上可以采

11、用较大的切削用量，有效地节省了加工时间。还有自动换刀、自动换速和其他辅助操作自动化等功能，而且无需(wx)工序间的检验与测量，故使辅助时间大为缩短。（4）能完成复杂型面的加工。许多复杂曲线和曲面的加工，普通机床无法实现而数控机床则完全可以做到。第十九页，共41页。第1章 绪 论（5）减轻劳动强度(lodng qind)，改善劳动条件。数控机床的加工，除了装卸零件、操作键盘、观察机床运行外，其他机床动作都是按照程序要求自动连续地进行切削加工，操作者不需要进行繁重的重复手工操作。因此能减轻工人劳动强度(lodng qind)，改善劳动条件。（6）有利于生产管理。采用数控设备，有利于向计算机控制和管

12、理生产方向发展，为实现制造和生产管理自动化创造了条件。第二十页，共41页。第1章 绪 论 1.2 数控机床数控机床(sh kn j chun)的分类的分类 1.按工艺用途分类1)金属切削类数控机床金属切削类数控机床和传统的通用机床产品种类一样，有数控车床、数控铣床、数控钻床(zun chung)、数控磨床、数控镗床以及加工中心机床等。数控加工中心机床是带有自动换刀装置，在一次装夹后，可以进行多种工序加工的数控机床。第二十一页，共41页。第1章 绪 论 2)金属成型类数控机床金属成型类数控机床有数控折弯机、数控弯管机、数控压力机等。3)数控特种加工机床数控特种加工机床有数控线切割机床、数控电火花

13、加工机床、数控激光(jgung)切割机床等。第二十二页，共41页。第1章 绪 论 2.按加工路线分类1)点位控制系统点位控制系统数控机床只要求控制一个位置(wi zhi)到另一个位置(wi zhi)的精确移动，而不管是按照什么轨迹运动。在移动过程中不进行任何加工。为了精确定位和提高生产率，一般先快速移动到终点附近，然后再减速移动到定位点，以保证良好的定位精度。这类数控机床主要有数控钻床、坐标镗床、数控冲床和数控测量机等。图1-7(a)所示为数控钻床点位控制加工示意图。第二十三页，共41页。第1章 绪 论 图 1-7 数控机床的运动方式(a）点位控制(kngzh);(b）点位直线控制(kngzh

14、);(c）轮廓控制(kngzh)第二十四页，共41页。第1章 绪 论 2)直线控制系统直线控制系统是指控制刀具或机床工作台以适当速度，沿着平行于某一坐标轴方向或与坐标轴成45的斜线方向进行直线加工的控制系统。但该系统不能沿任意斜率的直线进行直线加工。一般的简易数控系统均属于直线控制系统。将点位控制和直线控制结合起来(q li)的控制系统称为点位直线控制系统，该系统同时具有点位控制和直线控制的功能。此外，有些系统还具有刀具选择、刀具长度和刀具半径补偿等功能。这一类数控机床有数控镗铣床、加工中心等。图1-7(b)为点位直线控制系统加工示意图。第二十五页，共41页。第1章 绪 论 3)轮廓控制系统轮

15、廓控制系统又称连续控制系统，其特点是数控系统能够对两个或两个以上(yshng)的坐标轴同时进行连续控制。加工时不仅要控制起点和终点，还要控制整个加工过程中每点的速度和位置。应用这类控制系统的数控机床有数控铣床、可加工曲面的数控车床、加工中心等。图1-7(c)为数控铣床轮廓加工示意图。第二十六页，共41页。第1章 绪 论 3.按伺服系统的类型分类1)开环控制系统开环控制系统机床的伺服进给系统中没有位移检测反馈装置，通常使用步进电机作为执行元件。数控装置发出的控制指令直接驱动装置控制步进电机的运转，然后(rnhu)通过机械传动系统转化成工作台的位移，如图1-8所示。第二十七页，共41页。第1章 绪

16、 论 图1-8 开环控制系统(kn zh x tn)的结构图 第二十八页，共41页。第1章 绪 论 2)闭环控制系统闭环控制系统控制的机床上安装(nzhung)有检测装置，直接对工作台的位移量进行检测，如图19所示。当数控装置发出指令进给信号后，经伺服驱动使工作台移动时，安装(nzhung)在工作台上的位置检测装置把机械位移量变为电参量，反馈到输入端与输入指令信号进行比较，得到的差值经过转换和放大，最后驱动工作台向减少误差的方向移动，直到差值消除时才停止移动。由于闭环系统的位置检测包含了进给传动链的全部误差，如丝杠螺母副、导轨副的间隙等，因此可达到很高的控制精度。位置检测装置有光栅、感应同步器

17、和磁栅等。第二十九页，共41页。第1章 绪 论 图1-9 闭环数控系统的结构图 第三十页，共41页。第1章 绪 论 3)半闭环控制系统半闭环控制系统控制系统的机床(jchung)是在伺服电机上同轴安装的，或在滚珠丝杠轴端安装有角位移检测装置，通过测量角位移间接地测出移动部件的直线位移，然后反馈至数控系统中去。常用的角位移检测装置有光电编码器、旋转变压器或感应同步器等。第三十一页，共41页。第1章 绪 论 如图1-10所示为半闭环控制系统结构图。由于在半闭环控制系统中，进给传动链中的滚珠丝杠副、导轨副等机构的误差都没有全部包括在反馈环路内，因此其位置控制精度低于闭环伺服系统。但是，由于把惯性质量

18、较大的工作台安排在反馈环之外，因此半闭环伺服系统稳定性能好，调试方便，目前应用比较广泛。至于传动链误差，可以通过适当提高丝杠、螺母等机械部件的精度以及采用(ciyng)误差软件补偿（如反向间隙补偿、丝杠螺距误差补偿）的措施来减少。第三十二页，共41页。第1章 绪 论 图1-10 半闭环数控系统结构图 第三十三页，共41页。第1章 绪 论 1.3 数控机床技术数控机床技术(jsh)的发展的发展 1.3.1 数控机床数控机床(sh kn j chun)的发展的发展 数控机床的发展大致经历了以下六个阶段:第一阶段，1952年，出现(chxin)了第一台电子管数控系统。第二阶段，1960年，出现(ch

19、xin)了晶体管和印刷电路板的数控系统。第三阶段，1965年，出现(chxin)了小规模集成电路的数控系统。第三十四页，共41页。第1章 绪 论 第四阶段，1970年，出现了小型计算机数控系统的硬件，并以软件形式实现数控功能的数控系统。第五阶段，1974年，出现微处理器或微型计算机数控系统。第六阶段，20世纪(shj)90年代后期，出现了PC+CNC(CNC为专用计算机数控系统)智能数控系统。以个人计算机(PC机)为控制系统的硬件部分，Windows NT为PC机的操作系统平台，在PC机上安装NC软件系统，即为加工中心的控制系统。德国Roeders公司生产的RFM600型加工中心就是典型的PC

20、+CNC系统。第三十五页，共41页。第1章 绪 论 PC+CNC系统的优点集中表现为如下几点：(1)与PC硬件(yn jin)的完全通用，使数控系统能随着PC技术的升级而升级，系统维护方便。(2)充分共享PC丰富的软件资源。(3)由于PC机有标准的接口，方便地接入局域网及Internet，易于实现网络化制造。第三十六页，共41页。第1章 绪 论 1.3.2 1.3.2 数控伺服系统的发展趋势数控伺服系统的发展趋势1.1.全数字式控制系统全数字式控制系统2.2.采用高分辨率的位置检测采用高分辨率的位置检测(jin c)(jin c)装置装置 3.3.采用误差软件补偿措施采用误差软件补偿措施 4.

21、4.采用前馈控制技术采用前馈控制技术 5.5.采用摩擦非线性误差补偿的控制技术采用摩擦非线性误差补偿的控制技术 第三十七页，共41页。第1章 绪 论 1.3.3 以数控机床为基础以数控机床为基础(jch)的生产自动化系统的生产自动化系统 1.计算机直接数控系统（DNC）计算机直接数控系统就是用一台中央计算机直接控制和管理(gunl)数台数控设备进行零件加工或装配的系统，也称计算机群控系统。中央计算机主要对多台数控系统进行数控加工程序和有关数据的分配，并分时监控各台数控系统的运行，这样会进一步提高数控机床的生产率。第三十八页，共41页。第1章 绪 论 2.2.柔性制造单元（柔性制造单元（FMCF

22、MC）和柔性制造系统（）和柔性制造系统（FMSFMS）柔柔性性制制造造单单元元由由数数控控加加工工中中心心与与工工件件(gngjin)(gngjin)自自动动交交换换装装置置组组成成，可可以以实实现现单单工工序序或或双双工工序序加加工工的的可可变变加加工工单单元元。柔柔性性制制造造单单元元既既可可作作为为组组成成柔柔性性制制造造系系统统的的基基础础，也也可可用用作作独独立立的的自自动动化化加加工工设设备备。柔柔性性制制造造系系统统是是将将一一群群数数控控机机床床与与工工件件(gngjin)(gngjin)、刀刀具具、夹夹具具及及切切屑屑的的自自动动传传输输线线相相配配合合，并并由由计计算算机机

23、统统一一管管理理与与控控制制的的制制造造系系统统。柔柔性性制制造造系系统统是是当当前前机机械械制制造造技技术术发发展展的的方方向向，能能解解决决机机械械加加工工中高度自动化和高度柔性化的矛盾，使两者有机地结合于一体。中高度自动化和高度柔性化的矛盾，使两者有机地结合于一体。第三十九页，共41页。第1章 绪 论 3.3.计算机集成制造系统（计算机集成制造系统（CIMSCIMS）随随着着制制造造技技术术的的发发展展，不不仅仅需需要要发发展展车车间间制制造造过过程程自自动动化化，而而且且要要实实现现从从生生产产决决策策、产产品品设设计计、市市场场预预测测、直直到到销销售售的的整整个个生生产产活活动动的

24、的自自动动化化，这这样样一一个个全全面面、完完整整功功能能的的生生产产制制造造系系统统就就是是计计算算机机集集成成制制造造系系统统（CIMSCIMS）。它它可可以以(ky)(ky)将将一一个个制制造造企企业业的的生生产产活活动动进进行行有有机机的的集集成成，以以实实现现更更高高效效益益，更更高高柔柔性性的的智智能能化化生生产产。虽虽然然CIMSCIMS涉涉及及的的领领域域相相当当广广泛泛，但但数数控控机机床床仍仍然然是是CIMSCIMS不不可可缺缺少的基本工作单元。少的基本工作单元。第四十页，共41页。第1章 绪 论 思思 考考 与与 练练 习习 1-1 何谓数控机床？数控机床与普通机床有何不同？1-2 数控机床的电气控制系统由哪些装置(zhungzh)组成？1-3 点位控制、点位直线控制和轮廓控制各有何特点？1-4 说明开环、半闭环和闭环伺服系统的组成及各自的特点？1-5 简述数控伺服系统的发展趋势。1-6 为什么说数控技术是FMS和CIMS的重要技术基础？第四十一页，共41页。