第一章 緒論(機(jī)床電氣控制)

1、主講主講 龔航龔航張家界航院機(jī)械系張家界航院機(jī)械系目 錄數(shù)控機(jī)床電氣控制基本知識(shí)數(shù)控系統(tǒng)基本知識(shí)數(shù)控機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床主軸控制系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床PLC控制緒 論 1946年世界上誕生了第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)。60多年來，以計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到了機(jī)床上，在美國誕生了世界上第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床。從此，傳統(tǒng)的機(jī)床發(fā)生了質(zhì)的變化。11 數(shù)控技術(shù)發(fā)展的回顧 從第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床誕生至今50多年以來，數(shù)控機(jī)床的核心數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了兩個(gè)階段和六代的發(fā)展。1.1.1 數(shù)控(N

2、C)階段(1952一1970年) 早期的計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度低，不能適應(yīng)機(jī)床實(shí)時(shí)控制的要求。于是，人們不得不采用數(shù)字邏輯電路，組成機(jī)床專用計(jì)算機(jī)。這種數(shù)控裝置稱為硬件連接數(shù)控裝置(HARDWIRED NC)，簡稱為數(shù)控(NC)。隨著電子元器件的發(fā)展，這個(gè)階段又經(jīng)歷了三代：1952年的第一代電子管計(jì)算機(jī)組成的數(shù)控裝置；1959年的第二代晶體管計(jì)算機(jī)組成的數(shù)控裝置；1965年的第三代小規(guī)模的集成電路計(jì)算機(jī)組成的數(shù)控裝置。1.1.2 計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)。其運(yùn)算速度有了大幅度的提高，比專用計(jì)算機(jī)成本低、可靠性高。于是，小型計(jì)算

3、機(jī)作為數(shù)控系統(tǒng)的核心部件，數(shù)控機(jī)床進(jìn)入了計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)階段。1971年，美國INTEL公司在世界上第一次將計(jì)算機(jī)的兩個(gè)最核心的部件運(yùn)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(duì)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(jì)算機(jī)的核心部件，故此時(shí)的數(shù)控系統(tǒng)仍稱為計(jì)算機(jī)數(shù)控。 緒 論 一、數(shù)控技術(shù)發(fā)展的回顧數(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

4、子管計(jì)算機(jī)組成的數(shù)控裝置；1959年的第二代晶體管計(jì)算機(jī)組成的數(shù)控裝置；1965年的第三代小規(guī)模的集成電路計(jì)算機(jī)組成的數(shù)控裝置。 緒 論 2.算機(jī)數(shù)控(CNC)階段(1970年至今) 1970年的第四代小型計(jì)算機(jī)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(shì)數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) 1.高速、高精加工 高速主軸單元(電主軸，轉(zhuǎn)/min)、高速且高加/減速度的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)部件(快移速度60120m/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50008000m/min以上；主軸轉(zhuǎn)數(shù)

5、在30000轉(zhuǎn)/分(有的高達(dá)10萬r/min)以上；工作臺(tái)的移動(dòng)速度(進(jìn)給速度)：在分辨率為1微米時(shí)，在100m/min(有的到200m/min)以上，在分辨率為0.1微米時(shí)，在4m/min以上；自動(dòng)換刀速度在1秒以內(nèi)；小線段插補(bǔ)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(shì)數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) 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(shì)數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) 1.高速、高精加工 要達(dá)到上述要求，機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)具有以下特點(diǎn)：采用高速高精度的數(shù)控系統(tǒng) 采用直線電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī) 緒 論 二、現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)

6、發(fā)展趨勢(shì)數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) 2.數(shù)控系統(tǒng)具有多軸控制、多軸聯(lián)動(dòng)和復(fù)合加工的控制功能 5軸(坐標(biāo))聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床，是數(shù)控機(jī)床技術(shù)制高點(diǎn)標(biāo)志之一5軸聯(lián)動(dòng)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(tái)旋轉(zhuǎn)這兩種方式的復(fù)合運(yùn)動(dòng)。采用5軸聯(lián)動(dòng)，可以使用刀具的最佳幾何形狀對(duì)工件進(jìn)行切削。復(fù)合加工機(jī)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(shí)現(xiàn)精益生產(chǎn)。復(fù)合加工機(jī)床實(shí)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(jī)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(shì)。 五坐標(biāo)高速加工中心五坐標(biāo)高速加工中心緒 論 二、現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)發(fā)展

7、趨勢(shì)數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) 2.數(shù)控系統(tǒng)具有多軸控制、多軸聯(lián)動(dòng)和復(fù)合加工的控制功能 五坐標(biāo)高速加工中心五坐標(biāo)高速加工中心緒 論 二、現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) 2.數(shù)控系統(tǒng)具有多軸控制、多軸聯(lián)動(dòng)和復(fù)合加工的控制功能 信息化的車銑加工中心復(fù)合加工復(fù)合加工緒 論 二、現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) 3.數(shù)控系統(tǒng)開放化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化數(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(jī)床制造商和最終用戶可以自由地實(shí)現(xiàn)自己的思想。機(jī)床制造商可以在該開放系統(tǒng)的平臺(tái)上增加一定的硬件和軟件構(gòu)成自己的系統(tǒng)。 緒 論 二、現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) 3.數(shù)控系統(tǒng)開放化、

8、智能化和網(wǎng)絡(luò)化數(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)(PC Base)，這種系統(tǒng)以PC機(jī)為平臺(tái)，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(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)。 PC嵌入式：系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)為CNC+PC主板(NC Base)，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(yùn)行在非實(shí)時(shí)控制的狀態(tài)，而CNC主要運(yùn)行在以坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)為主的實(shí)時(shí)控制的狀態(tài)，或CNC作為數(shù)控功能運(yùn)行，而PC板作為用戶的人機(jī)接口平臺(tái)。人機(jī)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(shì)數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) 3.數(shù)控?cái)?shù)控系統(tǒng)開系統(tǒng)開放化、放化、智能化智能化和網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)化化 與系與系統(tǒng)連統(tǒng)

9、連接的接的伺系伺系統(tǒng)，統(tǒng)， 及外及外圍部圍部件件緒 論 二、現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) 3.數(shù)控系統(tǒng)開放化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)開放化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化 I/O設(shè)備計(jì)算機(jī)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(jī)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(dòng)1功能驅(qū)動(dòng)m系 統(tǒng) 總 線（BUS）標(biāo)準(zhǔn)PC計(jì)算機(jī)CNC裝置CNC系統(tǒng)緒 論 二、現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) 3.數(shù)控?cái)?shù)控系統(tǒng)開系統(tǒng)開放化、放化、智能化智能化和網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)化化 緒 論 三、數(shù)控機(jī)床的機(jī)械參數(shù)及其對(duì)系統(tǒng)的影響 數(shù)控機(jī)床的主軸、進(jìn)給軸伺服控制系統(tǒng)

10、大多數(shù)是機(jī)電式的，其輸出都包含有某種類型的機(jī)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(jī)床的品質(zhì)。從機(jī)械角度來看，需要考慮的包括：有關(guān)的負(fù)載，驅(qū)動(dòng)力或驅(qū)動(dòng)力矩，摩擦力或摩擦力矩，死區(qū)、傳動(dòng)系統(tǒng)的間隙、剛性、慣性矩和共振頻率等。 緒 論 三、數(shù)控機(jī)床的機(jī)械參數(shù)及其對(duì)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(yùn)動(dòng)速度成正比的摩擦.力庫侖摩擦力是物體運(yùn)動(dòng)時(shí)接觸面對(duì)運(yùn)動(dòng)物體所呈現(xiàn)的阻力(或阻力矩)，它是一個(gè)常數(shù).靜摩擦力是物體有運(yùn)動(dòng)傾向但仍處于靜止時(shí)呈現(xiàn)的摩擦力，最大值發(fā)生在開始運(yùn)動(dòng)的瞬間，一旦運(yùn)動(dòng)開始，靜摩擦力即消失 。 1.摩擦摩擦 緒 論

11、三、數(shù)控機(jī)床的機(jī)械參數(shù)及其對(duì)系統(tǒng)的影響 1.摩擦摩擦 在低速時(shí)，由于靜摩擦力和動(dòng)摩擦力的交替作用而可能出現(xiàn)爬行現(xiàn)象爬行現(xiàn)象即系統(tǒng)在低速運(yùn)行時(shí)，出現(xiàn)時(shí)啟時(shí)停、時(shí)快時(shí)慢的不平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。 摩擦引起低速爬行及減少爬行的措施 在數(shù)控機(jī)床上產(chǎn)生低速爬行主要是因機(jī)床導(dǎo)軌與工作臺(tái)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(jī)床導(dǎo)軌靜、動(dòng)摩擦系數(shù)的差，減少滑動(dòng)面的摩擦減少機(jī)床導(dǎo)軌靜、動(dòng)摩擦系數(shù)的差，減少滑動(dòng)面的摩擦阻力，提高傳動(dòng)件的剛度。阻力，提高傳動(dòng)件的剛度。目前采用得較多的方法是在滑動(dòng)面上貼塑料導(dǎo)軌軟帶。 緒 論 三、數(shù)控機(jī)床的機(jī)械參數(shù)及其對(duì)系統(tǒng)的影響 1.摩擦摩擦 摩擦引起低速爬行及減少爬行的措施

12、緒 論 三、數(shù)控機(jī)床的機(jī)械參數(shù)及其對(duì)系統(tǒng)的影響 1.摩擦摩擦 摩擦引起系統(tǒng)的失動(dòng) 定位精度定位精度：伺服系統(tǒng)按照允許的輸入位移指令進(jìn)行定位時(shí)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(dòng)失動(dòng)則表示指令位置沒有達(dá)到的情況。在評(píng)價(jià)系統(tǒng)的失動(dòng)時(shí)，通常把它折合成直線運(yùn)動(dòng)，按雙向趨近，如圖17所示，即把從右邊和左邊向同一點(diǎn)定位時(shí)平均值之差定義為失動(dòng)量。 失動(dòng)失動(dòng)可以是由于伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)滾珠絲杠與螺母的間隙、傳動(dòng)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(dòng)。 緒 論 三、數(shù)控機(jī)床的機(jī)械參數(shù)及其對(duì)系統(tǒng)的影響 1.摩擦摩擦 摩擦引起系統(tǒng)的失動(dòng) 緒 論 三、數(shù)控機(jī)床的機(jī)械參數(shù)及其對(duì)系統(tǒng)的影響 2.間隙間隙 間隙的存在對(duì)于工作在可逆運(yùn)轉(zhuǎn)的傳動(dòng)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(yùn)動(dòng)副的傳動(dòng)間隙是導(dǎo)致反向誤差反向誤差的主要因素之一。影響加工影響加工精度，易使系統(tǒng)不穩(wěn)定，產(chǎn)生自激振蕩。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(jī)床的機(jī)械參數(shù)及其對(duì)系統(tǒng)的影響 3.剛度與扭轉(zhuǎn)諧振剛度與扭轉(zhuǎn)諧振 4.質(zhì)量與慣量質(zhì)量與慣量 5