数控机床及其传动控制.pdf

收稿日期:2005-12-13作者简介:王春梅(1980-),女,重庆垫江人,硕士研究生,从事液压传动与控制的研究。文章编号:1007-6743(2006)03-0076-04数控机床及其传动控制王春梅1,吴炳胜1,周仕强2(1.河北工程大学水电学院,河北邯郸056038；2.中国水利水电第九工程局,贵阳550002)摘要:详细介绍了数控机床的特点、结构、控制方式,并以CK6132数控车床为例具体说明数控车床的构成、传动过程及其控制方式,以及针对现有的CK6132数控车床存在的问题,提出更新技术,将其控制方式由开环控制方式改为闭环控制,表明了其不仅具有高精度的位置控制功能而且还有极高的稳定性和易调试性。机床精度得以提高,从而使产品质量也得到提高。关键词:数控车床；传动过程；电气控制中图分类号:TP271文献标识码:A随着科学技术的进步,数控机床得到了飞速的发展。机床装备日新月异,机械产品日趋精密,复杂。特别是宇航、精密仪器、军事工业、计算机工业等机械零件要求精度高,形状复杂,批量小,加工困难,生产效率低,只有采用了数控机床,这一系列问题才会得到解决。现代机械产品日趋精密复杂,改型换代频繁,发展现代数控机床是当前机械制造业技术改造、技术更新的必由之路。当前数控车床的控制方式主要有三种:无测量反馈装置的开环控制方式,该方式不具有反馈装置,对实际位移量不进行检测,无反馈与原指令值进行比较,不进行误差校正,系统的位移精度低。编码器等反馈的半闭环控制方式,该方式检测元件安装在中间传动件上,间接测量执行部件的位置,它只能补偿系统环内部部分元件的误差,其精度比闭环方式的低,其结构与调试部较闭环时方式简单。光栅等测量反馈的全闭环控制方式,该方式可以消除整个放大和传动环节的误差、间隙和失动,具有很高的位置控制精度。目前我国在开发性能价格比高、可靠性好、完整配套的数控系统能力还较低,特别是成系列的交流伺服放大器和交流主轴、伺服电机几乎没有。数控技术是数控装置和伺服装置完整结合的技术,缺一都不能很好地发展。对于我国自己开发的数控系统应注重产品的配套及可靠性,提倡创新、加强服务。数控机床最重要的目标是提高加工零件的精度和速度,不断开发高精高速的功能是数控技术创新的体现。本文针对CK6132数控车床的控制方式作出改进,将其开环系统改为闭环系统,使之位置控制精度高,产品质量达到用户要求。1数控机床的特点1)生产柔性大:在数控机床上加工不同零件时,只需改变加工程序即可,而不需要制造或更换许多工具,模具和夹具,这一特点满足了当前产品更新快的市场竞争需要。因此,数控机床特别适合于零件频繁更换或单件和中小批量的生产场合。2)加工精度高:数控机床由精密机械和自动化控制系统组成。所以,数控机床本身具有很高的控制精度和制造精度。数控机床加工零件的过程是按照预定的程序自动进行的,消除了操作者的人为误差,提高了同一批零件加工尺寸的一致性,使加工质量稳定,产品合格率高。3)生产效率高:数控机床具有良好的刚性,可以采用较大的切削用量,并且又是自动进行加工,节省了机动时间。数控机床通常不需要专用的工夹具,因而,可省去工夹具的设计和制造时间,所以,数控机床的生产效率高。4)减轻劳动强度,改善劳动条件:数控机床是按照预先编好的程序自动加工的,操作者只需操作键盘,装卸零件和观察,监视加工过程,不需要进行繁重的,重复性的手工操作,劳动趋于智力型工作。数控机床一般是封闭式加工,既清洁又安全。5)良好的经济效率:数控机床可以提高质量,第23卷第3期河北建筑科技学院学报Vol123No132006年9月JournalofHebeiInstituteofArchitecturalScienceandTechnologySep12006降低材料及资源损耗,降低生产成本；可以缩短产品开发生产的周期,降低生产设备投资的费用,提高生产率。2CK6132数控车床的结构数控机床的种类很多,但其主要是由程序载体,输入装置,数控装置,伺服装置和机床本体及其辅助装置组成。2.1程序载体在加工过程中,机床的全部动作过程和刀具相对于工件的运动轨迹,都是通过编制加工程序以一定的格式和代码,存储在一种载体上,如穿孔纸带,磁带,磁盘等。CK6132数控车床采用磁盘作为存储器。2.2输入装置输入装置的作用是将程序载体内有加工的信息输入到数控装置。根据程序载体的不同,输入装置可以是光电阅读机,录音机或软盘驱动器等。现代数控机床可以利用机床上的CRT(液晶)显示屏及键盘手动输入加工程序指令(即MDI方式输入)；也可以利用CAD/CAM软件在计算机上编程,然后通过计算机通讯方式将程序传送到数控装置。CK6132数控车床采用3203240LCD液晶显示器和轻触式薄膜面板手动输入加工程序指令,也可以利用MasterCom软件在计算机上编程,然后通过计算机用RS232通讯接口串行通信方式将程序传送到数控装置。2.3数控装置数控装置是数控机床的核心,数控装置通常由专用(通用)计算机,输入输出接口板及机床控制器等组成。其功能是完成输入信息的存储,数据的变换,插补运算及实现各种控制。CK6132数控车床采用大规模可编程门列矩阵PLD技术实现各种控制。2.4伺服系统伺服系统是数控机床的执行机构,其作用是把来自数控装置的脉冲信号转化为机床移动部件的运动。伺服系统的性能影响机床加工精度,零件的表面质量和生产率的高低,CK6132数控车床采用伺服驱动器,混合式步进电机(分别用110BYG3801型号和110BYG3601型号带动X轴和Z轴进给),丝杠副等把脉冲信号转化为机床移动部件的运动。2.5机床本体机床本体是数控机床的主体,是用于完成各种切削加工的机械部分,与传统机床相比,具有结构简单,精度高,结构刚性好,可靠性高,传动效率高等特点。3传动及控制3.1传动部分CK6132数控车床的加工过程是通过主轴卡盘的转动和刀架的移动(X向,Z向)来实现的,CK6132数控车床的主轴卡盘的转动是通过三相交流/3KW,1440rpm的电机作为执行元件,并以带传动(B型三角带,103的皮带轮),齿轮传动(材料分别为45#钢,HT200等)来改变传送距离及其旋转的方向和大小,满足主轴卡盘的转速。第3期王春梅等:数控机床及其传动控制77刀架的移动是采用混合式步进电机(分别用110BYG3801型号和110BYG3601型号)作为执行元件,步进电机又称脉冲电机,它是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。其输入一个脉冲就转动一步,即每当电动机绕组接受一个电脉冲,转子就转过一个相应的步距角。转子角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲数及频率成正比,并在时间上与输入脉冲同步。只要控制输入电脉冲的数量,频率以及电动机组的通电顺序,电动机即可获得所需的转角,转速及转向,很容易实现数字控制。通过丝杠副将电机的转动转变成刀架的直线进给。Z向滚珠丝杠的导程为T=6,X向滚珠丝杠副的导程为T=4。丝杠的轴承组合及轴承座以及其他零件的连接刚性不足,将严重影响滚珠丝杠副的传动精度和刚度,因此在实际安装时应认真考虑。为了提高轴向刚度,常用止推轴承组合来支承丝杠,当轴向载荷较小时,也可用角接触球轴承来支承丝杠。CK6132数控车床采用一对8104型号平底推力球轴承安装在床身来支承Z向丝杠,采用一对8103型号的平底推力球轴承安装在拖板上来支承X向丝杠。3.2电气控制原理1)主轴电机的转速控制:由于变频器可提供几赫兹到几万赫兹的频率信号,改变电源的频率,就可以调节主电机的速度。因为主电机是采用的交流伺服电机,交流伺服电机的基本原理是检测SM(同步)型和IM(感应)型的气隙磁场的大小和方向,用电子变换器代替整流子和电刷,并通过与气隙磁场方向相同的磁化电流和与气隙磁场方向垂直的有效电流来控制其主磁通量和转矩,所以电流的频率改变,电动机的转速改变,通过传动部分后的主轴卡盘的转速也就改变。2)刀架的速度方向和大小的控制:刀架部分的进给采用混合式步进电机作为执行元件,步进电动机的运行特性与配套使用的驱动电源(驱动器)有密切关系。驱动电源由脉冲分配器,功率放大器等组成,驱动电源是将变频信号源(微机或数控装置等)送来的脉冲信号及方向信号按要求的配电方式自动地循环供给电动机各相绕组,以驱动电动机转子正,反向旋转。变频信号源是可提供从几赫兹到几万赫兹的频率信号连续可调的脉冲脉冲发生器。因此,只要控制点脉冲的数量及频率就可精确控制步进电机的转角及转速。3)电动刀架的换刀控制:当系统执行T(换刀)指令,如T1(换成第一把刀),若刀架不在1号刀位,则系统发生信号,继电器吸合,刀架正转,当转到1号刀位时,该刀位霍尔元件发出低电平信号,系统接收到该信号后发出刀架反转信号,此时继电器断开,反向继电器吸合,刀架电机反转锁紧,延时后反转信号断开。4CK6132数控车床控制的更新由于CK6132数控车床采用开环控制导致速度的不稳定,可以采用光电编码器、光栅尺作为位置检测元件,从而实现闭环控制。如果负载增加,则电动机转速下降,要实现匀速控制可利用编码器测出电动机的实际转速(编码器两次发出脉冲信号的时间间隔)和光栅尺检测机床直线运动部件的线位移作为反馈信号,从而补偿由负载所引起的转速变化。使运动精度提高,零件加工精度达到用户的要求。4.1闭环方式与开环控制方式的区别无测量反馈装置的开环控制方式:该方式的驱动装置主要是步进电机、电液脉冲马达等,由数控系统送出的进给指令脉冲,经驱动电路控制和功率放大后,使步进电机转动,通过齿轮副与滚珠丝杠副驱动执行部件。只要控制指令脉冲的数量、频率以及通电顺序,便可控制执行部件运动的位移量、速度和运动方向。系统位移精度主要取决于步进电机的角位移精度,齿轮丝杠等传动元件的节距精度。该方式不具有反馈装置,对实际位移量不进行检测,无反馈与原指令值进行比较,不进行误差校正,系统的位移精度低。但具有结构简单,调试维修方便,成本低,易改装等特点。闭环方式与开环控制方式的区别是:由光栅、感应同步器等位置检测装置测得的实际位置反馈信号,适时与给定值进行比较,将两者的差值放大和变换,驱动执行机构,以给定的速度向着消除偏差的方向运动,直到给定位置、反馈的实际位置的差值等于零为止。闭环控制方式在结构上比开环控制方式复杂,成本也较高,对环境条件要求也比较高设计和调试都比开环方式难,但可获得比开环控制方式更高的精度,更快的速度,驱动功率更大的特性指标。该方式可以消除整个放大和传动环节的误差、间隙和失动,具有很高的位置控制精度。因位置环内许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的,易造成系统的不稳定,使设计、安装和调试都很困难。其主要用于精度要求很高镗铣床、超精车床、超精磨床等。78河北建筑科技学院学报2006年4.2新的控制方案高精度的位置控制技术是开发精密数控机床的关键技术。目前在精密数控机床上常用的控制技术主要有半闭环控制和全闭环控制两类,其中半闭环控制的反馈信号来自于安装在电机轴上的编码器,由于其反馈回路中避开了系统刚度和摩擦等引起的非线性因素而产生的振荡、扰动,所以调试容易、稳定性好,但无法消除丝杠螺母等回路外的因素导致的误差,因此控制精度有限。全闭环控制系统的反馈信号来自于安装在机床直线运动部件上的光栅尺等线位移检测元件,以机床刀具加工部位的位置为目标,将所有产生误差的因素都包括在反馈回路中,从而消除了进给传动系统的全部误差,所以控制精度很高,但由于控制回路中包括了非线性因素等各种复杂因素,因此系统稳定性差。为了克服以上两种控制的不足,将CK6132数控机床的伺服控制系统采用双闭环控制的策略,来兼顾伺服控制系统的精度与稳定性,外环为全闭环控制回路,外环反馈利用精密光栅尺实现,主要实现补偿传动系统误差,保证伺服精度的功能；内环为半闭环控制回路,内环反馈通过装在伺服电机上的光电编码器来实现,主要实现提高伺服控制系统的稳定性的功能。如图2所示。双闭环控制不仅具有全闭环控制系统的位置控制精度,而且还具有半闭环控制系统的稳定性。5结束语随着机械技术,微电子技术飞速发展,二者的相互渗透越来越快,机电有机结合的系统(产品)实现短、小、薄和智能化,达到节省能源,节省材料,实现多功能,高性能和可靠性目的,数控机床的研制也进入了高速发展的阶段,由于计算机技术的发展,数控机床已研制出3、4、5、6坐标系的数控机床。现在世界许多发达国家已经广泛应用数控机床,其产量和应用已成为衡量一个国家工业化程度和技术的重要标志之一,所以数控机床技术的更新换代周期将会越来越短。参考文献:1王宝成.数控机床与编制M.天津:天津大学出版社,2004.2邱士安.机电一体化技术M.西安:西安电子科技大学出版社,2004.TransmissionandcontrolofthenumericalcontrolmachinetoolWANGChun2mei,WUBing2sheng,ZHOUShi2qiang(1.InstituteofHydropower,HebeiUniversityofEngineering,Handan056021,China；2.Sinohydroengineeringbureau9,guiyang550002,China)Abstract:Thisarticledetailst