数控机床的应用与发展

1、山东大学 调研报告 装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度，数控技术 及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业（如信息技术及其产业、航空、航天等国防工业 产业）的使能技术和最基本的装备。马克思曾经说过“各种经济时代的区别，不在于生产什 么，而在于怎样生产，用什么劳动资料生产”。制造技术和装备就是人类生产活动的最基本 的生产资料，而数控技术又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。当今世界各国制造业 广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。 随着社会的进步和科技的发展，现代机械制造工程领域方面越来越多地采用智能化、自动 化,新设备、

2、新技术的应用越来越普遍。我们对市场进行了调研，发现现在机械工业大量采 用数控机床甚至加工中心取代传统的普通机床的机械加工，采用计算机集成系统CIMS取代原 有的生产制造管理过程，使企业生产智能化、集成化、网络化。这将对生产第一线的工作人 员提出越来越高的职业技术要求。 调查的结果表明：在数控技术专业方面人才缺口较大。许多大中小型企业，而石油化工、 机械、钢铁等企业都具备数控技术设备。 为适应生产技术的迅猛发展.提高企业在市场经济中 的竞争能力，不被淘汰,各企业正积极采取有效措施，添置现代新设备。在数控加工技术人才方 面提出更高的要求，要求所需人员即要懂得较深的理论知识，以便使大量的新技术得到利

3、用 与开发，同时在实践技能上更能胜任，由此可见，企业对数控加工技术与应用专业高级技术 型人才和技能型人才的需求日益迫切。 I 山东大学 目 录 第一章绪论1 1.1国内外数控发展概况 1. 1.2数控机床发展趋势 2. 1.2.1 咼速、咼效、咼精度、咼可靠性 2 1.2.2模块化、智能化、柔性化和集成化 4 1.2.3. 开放性4. 1.2.4. 出现新一代数控加工工艺与装备 4 第二章数控机床的组成及基本工作原理6. 2.1数控机床组成 6. 2.1.1输人/输出装置6. 2.1.2 CNC 单元6. 2.1.3伺服系统6. 2.1.4位置反馈系统（检测反馈系统） 7 2.1.5机床的机械

4、部件 7. 2.2、按控制方式分类 .8. 2.2.1开环数控机床 8. 2.2.2半闭环数控机床8. 2.2.3全闭环数控机床9. 第三章磨床的介绍与功能改造1.0 3.1磨床的概述10 3.2磨床的发展动向10 3.3 M1432A 型磨床 .1.1 3.3.1典型加工方法12 3.3.2机床的主要部件1.3 3.4 MK1320A型数控外圆磨床1.5 3.4.1机床的主要组成部件 15 3.4.2机床主要技术参数 1.5 3.4.3机床的传动系统1.6 3.4.4液压系统18 3.5用PLC改造MZ2015自动磨床电气系统 1.8 3.5.1系统的硬件设计1.8 3.5.2软件设计20

5、3.5.3结束语23 第四章毕业实践总结24 参考文献26. III 山东大学 摘 要 数控机床集计算机技术，电子技术，自动控制技术，传感测量，机械制造，是典型的机 电一体化产品。它的发展和应用开创了制造业的新时代，改变了制造业的生产方式，产业结 构，管理方式，使世界制造业的格局发生了巨大的变化。 本文主要讲述了数控机床国内外的发展概况，现代数控技术的发展趋势。介绍了数控机 床的特点，组成与分类，并介绍了可编程控制器（PLC在数控机床中的应用。重点介绍了磨 床的概况，以及现代数控磨床的特点，并用 PLC进行了对MZ2015自动磨床电气系统的改造。 本文在编写过程中，参阅了同行的教材，资料和文献

6、，得到了许多帮助，在此谨致谢意。 关键词：发展趋势组成分类概述结构功能PLC改造 iii 山东大学 ABSTRACT The nu merical con trol engine bed collecti on computer tech no logy, the electr onic tech no logy, the automatic con trol tech no logy, the sensing survey, the machi ne manu facture, is the typical integration of machinery product. It s dev

7、elopment and the application founded the manufacturing in dustry new times, cha nged the manu facturi ng in dustry product ion method, the in dustrial structure, man ages the way, caused the world manu facturi ng in dustry the patter n to have cha nged. This article mainly narrated the numerical con

8、trol engine bed domestic and foreign developme nt survey, the moder n nu merical con trol tech no logy trend of developme nt. I ntroduced the numerical control engine bed characteristic, the composition and the classification, and introduced programmable controller (PLC) in the numerical control eng

9、ine bed application. Introduced with emphasis the grinder survey, as well as the modern numerical control grinder characteristic, and has carried on with PLC to the MZ2015 automatic grinder electrical system tran sformatio n. This article in the compilati on process, has referred colleagues teachi n

10、g material, the material and the literature, obta ined many help, respectfully offers tha nks in this. Key word: Trend of development Textural Classification Outline Structure Function PLC Tran sformatio n. # 山东大学 第一章绪论 1.1国内外数控发展概况 随着科学技术和生产力的迅速发展，人们对机械产品的质量和生产率提出了越来越高的 要求,机械加工工艺过程的自动化成为实现上述要求的最重要措

11、施之一它不仅能够提高产品 质量,生产率，降低生产成本，还能够极大地 工人的劳动条件，减轻劳动强度。 早机械制造业，广泛采用了自动机床，组合机床和以专用机床为主体的自动生产线 ，用多 刀,多工位和多面同时加工，成年累月地进行着单一产品零件的高效率和高度自动化的生产 但这种生产方式需要巨大的初期投资和很长的生产准备期，因此,它仅适用与批量较大的零件 生产。 在机械制造工业中，单件与小批量生产的零件仍然占机械加工总量的80%左右,尤其是航 空,航天,船舶,机床，重型机械,食品加工机械，包装机械和军工产品等，不仅加工批量小，而且 加工零件形状比较复杂，精度要求也很高，好需要经常改型如果仍采用专用化程度

12、很高的自 动化机床加工这类产品的零件就显得很不合理 .经常改装和调整装备，对于这种专用的生产线 来说,不仅会大大提高产品的成本，甚至是不可能实现的市场经济体制日日成熟，绝大多数的 产品都已从卖方市场转向买方市场，产品的竞争十分剧烈，迫使生产企业不断更新产品，提高 产品的性能价格比，以满足用户的需要由于这种以大批量生产为主的生产方式使产品的改型 的更新变得十分困难，用户所得到的相对低廉价格的产品是以牺牲用户对产品的某些性能为 代价换取的因此,企业为了保持产品的市场份额，即使是以大批量生产为主的企业也必须改 变产品长期一成不变的传统做法这样,这种“刚性”的自动化生产方式在批量生产中也已日 益暴露其

13、不适应性。 随着计算机技术的高速发展，传统的制造业开始了根本性变革，各工业发达国家投入巨 资，对现代制造技术进行研究开发，提出了全新的制造模式。在现代制造系统中，数控技术 是关键技术，它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术于一体，具 有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举 足轻重的作用。目前，数控技术正在发生根本性变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用 型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上，数控系统实现了超薄型、超小型 化；在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术，数控系 统实现了高速、高精

14、、高效控制，加工过程中可以自动修正、调节与补偿各项参数，实现了 在线诊断和智能化故障处理；在网络化基础上，CAD/CAM与数控系统集成为一体，机床联 网，实现了中央集中控制的群控加工。 长期以来，我国的数控系统为传统的封闭式体系结构，CNC只能作为非智能的机床运动 控制器。加工过程变量根据经验以固定参数形式事先设定，加工程序在实际加工前用手工方 式或通过CAD/CAM及自动编程系统进行编制。CAD/CAM和CNC之间没有反馈控制环节， 整个制造过程中CNC只是一个封闭式的开环执行机构。在复杂环境以及多变条件下，加工过 程中的刀具组合、工件材料、主轴转速、进给速率、刀具轨迹、切削深度、步长、加工

15、余量 等加工参数，无法在现场环境下根据外部干扰和随机因素实时动态调整，更无法通过反馈控 制环节随机修正CAD/CAM中的设定量，因而影响 CNC的工作效率和产品加工质量。由此 可见，传统CNC系统的这种固定程序控制模式和封闭式体系结构，限制了CNC向多变量智 能化控制发展，已不适应日益复杂的制造过程，因此，对数控技术实行变革势在必行。 1.2数控机床发展趋势 为了满足市场和科学技术发展的需要，为了达到现代制造技术对数控技术提出的更高 的要求，当前，世界数控技术及其装备发展趋势主要体现在以下几个方面： 1.2.1咼速、咼效、咼精度、咼可靠性 要提高加工效率，首先必须提高切削和进给速度，同时，还要

16、缩短加工时间；要确保加 工质量，必须提高机床部件运动轨迹的精度，而可靠性则是上述目标的基本保证。为此，必 须要有高性能的数控装置作保证。 1 .咼速、咼效 机床向高速化方向发展，可充分发挥现代刀具材料的性能， 不但可大幅度提高加工效率、 降低加工成本，而且还可提高零件的表面加工质量和精度。超高速加工技术对制造业实现高 效、优质、低成本生产有广泛的适用性。 新一代数控机床（含加工中心）只有通过高速化大幅度缩短切削工时才可能进一步提高 其生产率。超高速加工特别是超高速铣削与新一代高速数控机床特别是高速加工中心的开发 应用紧密相关。90年代以来，欧、美、日各国争相开发应用新一代高速数控机床，加快机床

17、 高速化发展步伐。高速主轴单元（电主轴，转/min）、高速且高加/减速度 的进给运动部件（快移速度 60120m/min,切削进给速度高达60m/min）、高性能数控和伺 服系统以及数控工具系统都出现了新的突破，达到了新的技术水平。随着超高速切削机理、 超硬耐磨长寿命刀具材料和磨料磨具，大功率高速电主轴、高加/减速度直线电机驱动进给部 件以及高性能控制系统（含监控系统）和防护装置等一系列技术领域中关键技术的解决，应 不失时机地开发应用新一代高速数控机床。 依靠快速、准确的数字量传递技术对高性能的机床执行部件进行高精密度、高响应速度 的实时处理，由于采用了新型刀具，车削

18、和铣削的切削速度已达到 5000米8000米/分以上； 主轴转数在30000转/分（有的高达10万转/分）以上；工作台的移动速度：（进给速度），在 分辨率为1微米时，在100米/分（有的到200米/分）以上，在分辨率为0.1微米时，在24 米/分以上；自动换刀速度在1秒以内；小线段插补进给速度达到12米/分。根据高效率、大 批量生产需求和电子驱动技术的飞速发展，高速直线电机的推广应用，开发出一批高速、高 效的高速响应的数控机床以满足汽车、 农机等行业的需求。还由于新产品更新换代周期加快， 模具、航空、军事等工业的加工零件不但复杂而且品种增多。 2 高精度 从精密加工发展到超精密加工（特高精度加

19、工），是世界各工业强国致力发展的方向。 其精度从微米级到亚微米级，乃至纳米级（10nm）,其应用范围日趋广泛。超精密加工主要 包括超精密切削（车、铣）、超精密磨削、超精密研磨抛光以及超精密特种加工（三束加工及 微细电火花加工、微细电解加工和各种复合加工等）。随着现代科学技术的发展，对超精密加 工技术不断提出了新的要求。新材料及新零件的出现，更高精度要求的提出等都需要超精密 加工工艺，发展新型超精密加工机床，完善现代超精密加工技术，以适应现代科技的发展。 当前，机械加工高精度的要求如下：普通的加工精度提高了一倍，达到5微米；精密加 工精度提高了两个数量级，超精密加工精度进入纳米级（ 0.001微

20、米），主轴回转精度要求达 到0.010.05微米，加工圆度为0.1微米，加工表面粗糙度 Ra=0.003微米等。 精密化是为了适应高新技术发展的需要，也是为了提高普通机电产品的性能、质量和可 靠性，减少其装配时的工作量从而提高装配效率的需要。随着高新技术的发展和对机电产品 性能与质量要求的提高，机床用户对机床加工精度的要求也越来越高。为了满足用户的需要， 近10多年来，普通级数控机床的加工精度已由 土 10n提高到土5卩，精密级加工中心的加工 精度则从35 ym,提高到1.5小 3 高可靠性 是指数控系统的可靠性要高于被控设备的可靠性在一个数量级以上，但也不是可靠性越 高越好，仍然是适度可靠，

21、因为是商品，受性能价格比的约束。对于每天工作两班的无人工 厂而言，如果要求在16小时内连续正常工作，无故障率 P （t）= 99%以上的话，则数控机床 的平均无故障运行时间 MTBF就必须大于3000小时。MTBF大于3000小时，对于由不同数 量的数控机床构成的无人化工厂差别就大多了，我们只对一台数控机床而言，如主机与数控 系统的失效率之比为10: 1的话（数控的可靠比主机高一个数量级）。此时数控系统的MTBF 就要大于33333.3小时，而其中的数控装置、主轴及驱动等的MTBF就必须大于10万小时。 3 山东大学一一 当前国外数控装置的 MTBF值已达6000小时以上，驱动装置达30000

22、小时以上。 1.2.2模块化、智能化、柔性化和集成化 1 模块化、专门化与个性化 机床结构模块化，数控功能专门化，机床性能价格比显著提高并加快优化。为了适应数 控机床多品种、小批量的特点，机床结构模块化，数控功能专门化，机床性能价格比显著提 高并加快优化。个性化是近几年来特别明显的发展趋势。 2 智能化 智能化的内容包括在数控系统中的各个方面： 3. 为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如自适应控制，工艺参数自动生成； 4. 为提高驱动性能及使用连接方便方面的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、 自动识别负载自动选定模型、自整定等； 5. 简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动

23、编程，智能化的人机界面等； 6. 智能诊断、智能监控方面的内容，方便系统的诊断及维修等。 7. 柔性化和集成化 数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是：从点（数控单机、加工中心和数控复合加工 机床）、线（FMC、FMS、FTL、FML ）向面（工段车间独立制造岛、 FA）、体（CIMS、分布 式网络集成制造系统）的方向发展，另一方面向注重应用性和经济性方向发展。柔性自动化 技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段，是各国制造业发展的主流趋势， 是先进制造领域的基础技术。其重点是以提高系统的可靠性、实用化为前提，以易于联网和 集成为目标；注重加强单元技术的开拓、完善； CNC单机向高精

24、度、高速度和高柔性方向发 展；数控机床及其构成柔性制造系统能方便地与 CAD、CAM、CAPP、MTS联结，向信息集 成方向发展；网络系统向开放、集成和智能化方向发展。 1.2.3. 开放性 为适应数控进线、联网、普及型个性化、多品种、小批量、柔性化及数控迅速发展的要 求，最重要的发展趋势是体系结构的开放性，设计生产开放式的数控系统，例如美国、欧共 体及日本发展开放式数控的计划等。 1.2.4. 出现新一代数控加工工艺与装备 1. 为适应制造自动化的发展，向 FMC、FMS和CIMS提供基础设备，要求数字控制制 5 山东大学 造系统不仅能完成通常的加工功能，而且还要具备自动测量、自动上下料、自

25、动换刀、自动 更换主轴头（有时带坐标变换）、自动误差补偿、自动诊断、进线和联网等功能，广泛地应用 机器人、物流系统； 2. FMC, FMS Web-based制造及无图纸制造技术； 3 围绕数控技术、制造过程技术在快速成型、并联机构机床、机器人化机床、多功能机 床等整机方面和高速电主轴、直线电机、软件补偿精度等单元技术方面先后有所突破。并联 杆系结构的新型数控机床实用化。这种虚拟轴数控机床用软件的复杂性代替传统机床机构的 复杂性，开拓了数控机床发展的新领域； 4. 以计算机辅助管理和工程数据库、因特网等为主体的制造信息支持技术和智能化决策 系统。对机械加工中海量信息进行存储和实时处理。应用数

26、字化网络技术，使机械加工整个 系统趋于资源合理支配并高效地应用。 5. 由于采用了神经网络控制技术、模糊控制技术、数字化网络技术，机械加工向虚拟制 造的方向发展。 7 第二章数控机床的组成及基本工作原理 2.1数控机床组成 数控机床由：程序、输人/输出装置、CNC单元、伺服系统、位置反馈系统、机床本体 组成。 2.1.1输人/输出装置 1 对于穿孔纸带，配用光电阅读机；（过时、淘汰）； 2对于盒式磁带，配用录放机；（过时、淘汰）； 3. 对于软磁盘，配用软盘驱动器和驱动卡； 4现代数控机床，还可以通过手动方式（MDI方式）； 5. DNC网络通讯、RS232串口通讯。 2.1.2 CNC 单元

27、 CNC单元是数控机床的核心，CNC单元由信息的输入、处理和输出三个部分组成。 CNC单元接受数字化信息，经过数控装置的控制软件和逻辑电路进行译码、插补、逻辑 处理后，将各种指令信息输出给伺服系统，伺服系统驱动执行部件作进给运动。其它的还有 主运动部件的变速、换向和启停信号；选择和交换刀具的刀具指令信号，冷却、润滑的启停、 工件和机床部件松开、夹紧、分度台转位等辅助指令信号等。 准备功能：GOO, G01，G02，G03 辅助功能：M03，M04 刀具、进给速度、主轴：T，F，S 2.1.3伺服系统 由驱动器、驱动电机组成，并与机床上的执行部件和机械传动部件组成数控机床的进给 系统。它的作用是

28、把来自数控装置的脉冲信号转换成机床移动部件的运动。对于步进电机来 说，每一个脉冲信号使电机转过一个角度，进而带动机床移动部件移动一个微小距离。每个 进给运动的执行部件都有相应的伺服驱动系统，整个机床的性能主要取决于伺服系统。如三 轴联动的机床就有三套驱动系统。 11 山东大学一一 脉冲当量：每一个脉冲信号使机床移动部件移动的位移量。常用的脉冲当量为0.001mm/ 脉冲。 2.1.4位置反馈系统（检测反馈系统） 伺服电动机的转角位移的反馈、数控机床执行机构（工作台）的位移反馈。包括光栅、旋 转编码器、激光测距仪、磁栅等。（作业：让同学们网上查找反馈元件，下节课用5分钟自述 所查内容） 反馈装置

29、把检测结果转化为电信号反馈给数控装置，通过比较，计算实际位置与指令位 置之间的偏差，并发出偏差指令控制执行部件的进给运动。 反馈系统包括半闭环、闭环两种系统。 2.1.5机床的机械部件 1 主运动部件 2 进给部件（工作台、刀架） 3 基础支承件（床身、立柱等） 4 辅助部分，如液压、气动、冷却和润滑部分等 5 储备刀具的刀库，自动换刀装置（ATC） 床 辅助动作机构 进给运动机构 机 主运动机构 图2.1数控机床的组成 对于加工中心类的数控机床，还有存放刀具的刀库、交换刀具的机械手等部件，数控机 床机械部件的组成与普通机床相似，但传动结构要求更为简单，在精度、刚度、抗震性等方 面要求更高，而

30、且其传动和变速系统更便于实现自动化扩展，见图2.1。 2.2、按控制方式分类 实际上是按有无反馈及反馈的位置来分。 2.2.1开环数控机床 指不带反馈的控制系统，系统内没有位置反馈元件，通常采用步进电机作为执行机构。 输入的数据经过数控系统的运算，发出指令脉冲，通过环形分配器和驱动电路，使步进电机 转过一个步距角，再经过传动机构带动工作台移动一个脉冲当量的距离。移动部件的移动速 度和位移由输入脉冲的频率和脉冲个数决定的，见图 2.2 : 工作台 图2.2开环系统 2.2.2半闭环数控机床 在驱动电机端部或在传动丝杠端部安装角位移检测装置（光电编码器或感应同步器） 过检测电机或丝杠的转角间接测量

31、执行部件的实际位置或位移，然后反馈到数控系统中。获 得比开环系统更高的精度，但它的位移精度比闭环系统的要低，与闭环系统相比，易于实现 系统的稳定性。现在大多数数控机床都广泛采用这种半闭环进给伺服系统。惯性较大的机床 移动部件不包括在检测范围内，见图 2.3 : 工作合 何服 图2.3半闭环系统 山东大学 223全闭环数控机床 在机床移动部件上直接接有检测装置，将测得的结果直接反馈到数控系统中。实际上是 将位移指令值与位置检测装置测得的实际位置反馈信号，实时进行比较，根据其差值进行控 制，使移动部件按照实际的要求运动，最终实现精确定位，见图 2.4 : 工作台 图2.4全闭环系统 13 第三章磨

32、床的介绍与功能改造 3.1磨床的概述 磨床类机床是以磨料，磨具（砂轮），沙带，油石，研磨料为工具进行磨削加工的机床， 它们是由于精加工和硬表面加工的需要而发展起来的。 磨床（Grinder）广泛用于零件表面的精加工，尤其是淬硬钢件和高硬度特殊材料的精加 工。磨削加工较易获得高的加工精度和小的表面粗糙度值，在一般加工条件下，精度为IT5 IT6级，表面粗糙度为 Ra0.3Ra1.25um；在高精度外圆磨床上精度磨削时，尺寸精度可达 0.2um,圆度可达0.1un,表面粗糙度可控制到 RaO.Olun；精密平面磨削的平面可达 1000: 0.0015。近年来，由于科学技术的发展，对机器及仪器零件的

33、精度和表面粗糙度要求越来越 高，各种高硬度材料应用日益增多，同时，由于磨削本身工艺水平的不断提高，所以磨床的 使用范围日益扩大，在金属切削机床中所占的比重不断上升。目前在工业发达国家中磨床在 金属切削机床中所占的比重约为 31%40%。 为了适应磨削各种加工表面，工件形状及生产批量要求，磨床的种类很多，其中主要类 型有以下几种。 1 外圆磨床。包括万能外圆磨床，外圆磨床，无心外圆磨床等。 2内圆磨床。 包括普通内圆磨床，无心内圆磨床等。 3 平面磨床。 包括卧轴矩台平面磨床，立轴轴矩台平面磨床，卧轴圆台平面磨床，立 轴圆台平面磨床等。 4工具磨床。 包括工具曲线磨床，钻头沟槽磨床，丝锥沟槽磨床

34、等。 5 刀具刃磨磨床。 包括万能工具磨床，拉刀刃磨床，滚刀刃磨床等。 6各种专门化磨床。它们专门用于磨削某一类零件的磨床，如曲轴磨床，凸轮轴磨床， 花键轴磨床，球轴承套圆沟磨床，活塞环磨床，叶片磨床，导轴磨床，中心孔磨床等。 7 其他磨床。 如研磨床，抛光机，超精加工机床，砂轮机等。 在生产中应用最广泛的是外圆磨床，内圆磨床及平面磨床三类。 目前，数控磨床的应用也在发展。现在磨床主要发展趋势是：提高机床的加工效率，提 高机床的自动化程度及进一步提高机床的加工精度和减小表面粗糙度值。 3.2磨床的发展动向 在工业、农业、交通运输和国防各个方面，凡要求较高的场合，都离不开自动控制。所 谓自动控制

35、，就是在没有人直接参与的情况下，利用控制装置，对生产过程、工艺参数、目 标要求等进行自动的调节与控制，使之按照预定的方案达到要求的指标。自动控制系统性能 的优劣，将直接影响到产品的产量、质量、成本、劳动条件和预期目标的完成。 到70年代及以后，随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，相继出现了大型多功能数 控机床、数控加工中心、机械手、机器人等机电一体化的高新设备；近年来，由于新器件的 涌现和计算机控制技术的发展，在电力拖动控制方面，原先的晶闸管器件已逐渐被MOSFET 与IGBT所取代，相位控制逐渐被脉宽调制（PWM）控制取代，模拟控制逐渐被数字控制取代， 直流调速（与伺服）逐渐被交流调速（与

36、伺服）取代；在生产制造技术方面，相继出现了计算机辅 助设计CAD、计算机辅助制造CAM、柔性制造系统FMS、虚拟制造系统VMS和计算机集 成制造系统CIMS等高新技术。 如大型加工机床的精密控制。 这是由数控机床群构成的生产线一一由自动控制保证产品的加工精度。其主轴为恒值控 制（恒速），刀架为随动系统（精确定位）加工中心一一往往含有车、铣、钻等多种功能，有刀 具库，能自动换刀等。各厂生产含有各种不同功能的加工中心。带有机械手的点焊生产线（大 批量铆焊加工生产线）要能精密定位及时间控制。机器人控制（自动控制）。 柔性生产线能根据不同的产品要求，通过计算机软件，迅速变更生产的程序和流程，产 生出不

37、同的产品。它在现代个性化生产模式中发挥日益重要的作用。 面对深奥的自动控制理论和浩如烟海的各种自动控制系统，本书只能说是一个入门。在 自动控制原理方面，本书将以经典线性控制理论中常用的时域分析法和频域分析法为主线， 叙述系统数学模型的建立，系统性能的分析（包括系统稳定性、稳态性能和动态性能的分析）， 探讨改善系统性能的途径（系统校正），并适当介绍MATLAB软件在系统性能分析中的应用。 在自动控制系统方面，本书将通过典型的自动控制系统 （如水位、温度控制系统，直流调速系 统，交流调速系统和位置随动系统）和实例分析，来阐述如何分析系统的组成，怎样搞清系统 的工作原理、工作特点和自动调节过程，如何

38、建立系统的数学模型（系统框图）和怎样应用自 控原理来分析系统的性能，探讨改善系统性能的途径。书中在最后还介绍了系统的调试和故 障的排除。 编者期望通过上述内容的阐述，使读者对自动控制系统的工作原理、数学模型、性能分 析、系统校正和系统调试等方面有一个相对完整的认识，能掌握对自动控制系统的一般分析 方法，为读者在自动控制技术方面，打下一个初步的但却是非常重要的基础。 3.3 M1432A型磨床 M1432A型磨床是普通精度级万能外圆磨床，主要用于磨削圆柱形或圆锥形的内可以磨 削阶梯的轴肩和端平面。该机床的工艺范围较广，但磨削效率不够，适用于单件小批生产， 常用于工具车间和机修车间。 机床的组成和

39、主要技术规格： M1432A型万能外圆磨床由床身1, 工件头架2, 工作台8内磨装置3,砂轮架4,尾座6 和由工作台受摇机构，横向进给机构，工作台纵向往复运动液压控制板等组成的控制箱7等 主要部件组成。在床身顶面前部的纵向导轨上装有工作台 8,台面上装有工作头架2和尾座5。 被加工工件支承在头，尾架顶尖上，或用头架上的卡盘夹持，由头架上的传动装置带动旋转， 实现圆周进给运动。尾架在工作台上可左右移动以调整位置，适应装夹不同长度工件的需要。 工作台由液压传动驱动，使其沿床身导轨作往复移动，以实现工件的纵向进给运动；也可用 手轮操作，作手动进给或调整纵向位置。工作台由上下两层组成，上工作台可相对于

40、下工作 台在水平面内偏转一定角度（一般不大于10度），以便磨削锥度不大的锥面。砂轮架 4由主 轴部件和传动装置组成，安装在床身顶面后部的横向导轨上，利用横向进给机构实现横向进 给运动以及调整位移。装在砂轮架的内磨装置3用于磨削内孔，其内圆磨具由单独的电动机 驱动。磨削内孔时，应将内磨装置翻下。万能外圆磨床的砂轮架和头架都可绕垂直轴线转动 一定角度，以便磨削锥度较大的锥面。 此外，在机身内还有液压传动装置，在床身左右侧有冷却液循环装置。 M1432A型万能外圆磨床的主要技术规格如下： 外圆磨削直径为8320MM，最大外圆磨削长度有1000mm, 1500mm, 2000mm三种规 格；内孔磨削直

41、径为 13100mm,最大内孔磨削长度为125mm；外圆磨削时砂轮转速为 1670r/min;内圆磨削时砂轮转速有 1000r/min, 1500r/min两种。 3.3.1典型加工方法 磨床上几种典型表面的加工示意图附2。分析这几种典型表面的加工情况可知，机床应 具有下列运动：磨外圆时砂轮的旋转主运动nt;磨内孔时砂轮的旋转主运动 nt;工件旋转圆 周进给运动nw；工件往复纵向进给运动fa；砂轮横行进给运动fr （往复纵磨时为周期间隙进 给；切入磨削时连续进给）。 此外，机床还具有两个辅助运动：为装卸和测量工件方便所需的砂轮架横向快速进退运 动；为装卸工件所需要的尾座筒的伸缩移动。 机床的机

42、械传动系统 M1432A型万能外圆磨床各部件的运动，由液压和机械传动装置来实现。其中工作台纵 向直线进给运动，砂轮架的快速前进和后退，砂轮架丝杠螺母副间隙消除机构以及工作台的 液压传动与手动互锁机构等均由液压传动配合机械装置来实现，其他运动都由机械传动系统 山东大学一一 来完成。M1432A型万能外圆磨床的机械传动系统图。 1. 砂轮主轴的旋转运动 砂轮主轴由1440r/min,4kM的电动机驱动，经四根V型带直接传动，使主轴获得1670r/min 的转动。 2. 内圆磨具主轴的旋转主运动 内圆磨具主轴由内磨装置上的 2840r/min, 1.1kV的电动机驱动，经平行带直接传动，可 更换带轮

43、1000r/min和1500r/min两种转速。 3. 工件头架主轴的圆周进给运动 工件头架主轴由双速（700/1350r/min, 0.551.1kW）驱动，经V型带塔轮的两级带传动， 使头架主轴带动工件实现圆周进给运动。 4. 工作台的运动 工作台的纵向进给运动是由液压系统来实现的，调整机床及磨削阶梯轴的台阶使，工作 台还可由手轮A驱动。 机构中设置一互锁油缸，当工作台液压传动时，互锁油缸上腔通压力油，使齿轮 z18与 Z72脱开。手动纵向直线移动不器作用；当工作台不用液压传动时，互锁油缸上腔通油池， 在互锁油缸内弹簧的作用下，使齿轮z18与z72重新啮合和传动，转动手轮A，经齿轮副15/

44、72 和18/72，z18齿轮及齿条，实现工作台手动纵向直线移动。 5. 砂轮架的横行进给 横向进给运动，可通过摇动手轮 B来实现，也可由进给液压缸的柱塞 G驱动，实现周期 性的自动进给。传动线路表达式为 手轮（手动进给）一VIII 50/50 （ET粗进给）.IX 44/88横向 进给油缸柱塞G （自动进给）20/50 （EJ细进给）J进给丝杠 3.3.2机床的主要部件 1 .主轴部件 （1）砂轮架。砂轮架由壳体，砂轮主轴及其轴承，传动装置与滑板等组成。砂轮主轴及 其支承部分的结构将直接影响工件的加工精度和表面粗糙度，因而是砂轮架部件的关键部分， 它应保证砂轮主轴有较高的旋转精度，刚度，抗振

45、性及耐磨性。 砂轮架中，砂轮主轴5以两端锥体定位，前端通过压盘 1安装砂轮，后端通过锥体安装 带轮13。主轴的前，后支承均采用 短三瓦”动压滑动轴承，每个轴承由均布在圆周上的三块 扇形轴瓦19组成。每块轴瓦都支承在球头螺钉 20的球形端头上，由于球头中心在周向偏离 轴瓦对称中心，当主轴高速旋转时，在轴瓦与主轴轴颈之间形成三个楔形缝隙，于是在三块 15 山东大学 轴瓦处形成三个压力油楔，砂轮主轴在三个油楔压作用下，悬浮在轴承中心而呈纯液体磨檫 状态。调整球头螺钉的位置，既可调整主轴轴颈与轴瓦之间的间隙。通常间隙应保持0.01 0.02mm。调整好以后，用螺套21和锁紧螺钉22锁紧，以防止球头锁钉

46、松动而改变轴承间隙， 最后用圭寸口螺钉密圭寸。 砂轮主轴5由止推环8和推力球轴承10作轴向定位，并承受左右两个方向的轴向力，推 力球轴承的间隙由装在带轮内的六根弹簧 11通过销子14自动消除。 砂轮工作时的圆周速度很高，为了保证砂轮运转平稳，采用带传动直接传动砂轮主轴。 装载主轴上的零件都经仔细校正静平衡，整个主轴部件还要经过平衡校正。 砂轮架壳体4内装润滑油主轴轴承(通常用2号主轴油并经严格过滤)，油面高度可通过 油标观察。主轴两端采用橡胶油密封。 砂轮架壳体用T型螺钉紧固在滑板16上，它可绕滑板上的定位轴销17回转一定角度， 以磨削锥度大的短锥体。磨削时，通过横向进给机构和半螺母 18,使

47、滑板带着砂轮架沿横向 滚动导轨作横向进给运动或快速进退移动 (2) 内磨装置 万能外圆磨床除能磨削外回转面外，还可磨削内孔，所以设有内磨装置， 附5。内磨装置通常一铰链连接方式装在砂轮架的前上方，使用时翻下， 5位置；不用时翻向 上方，附1位置。为了保证工作安全，机床上设有电气连锁装置，当内磨装置翻下时，压下 相应的行程开关并发出电气信号，使砂轮架不能前后快速移动，且只有在这种情况下才能起 动内磨装置的电动机，以防止工作过程中因误操作而发生意外。 内圆磨具是磨内孔用的砂轮主轴部件。它做成独立的部件，安装在支架的孔中，可以很 方便地进行更换。通常每台万能外圆磨床备有几套尺寸与极限工作转速不同的内

48、圆磨具，供 磨削不同直径的内孔时选用。内磨主轴前后支承各为两个角接触球轴承，均匀分布的8个弹 簧3的作用力通过套筒2和4顶紧轴承外圆。当轴承磨损产生间隙或主轴受热伸长时，由弹 簧自动补偿调整，从而保证了主轴的高刚度和稳定的预紧力。主轴的前端有一莫氏锥孔，可 根据磨削孔的深度安装不同的接长轴1;后端有一外锥面，以安装平带轮，由电动机通过平 带直接传动主轴。 2工件头架 工件头架结构见附6所示，头架主轴和前顶尖根据不同的加工情况，可以转动或固定不 动。 (1) 工件支承在前，后顶尖拨盘 9的拨杆7拨动工件夹头，使工件旋转，这时头架主轴 和前顶固定不动。固定主轴的方法是拧紧螺杆 2,使磨檫环1顶紧主

49、轴后端，则主轴及前顶 尖固定不动，避免了主轴回转精度误差对加工精度的影响。 (2) 用三爪自定心或四爪单动卡盘装夹工件。这时，在头架主轴前端安装卡盘，卡盘固 17 山东大学一一 定在法兰盘22上，法兰盘22装在主轴的锥孔中，并用拉杆拉紧，运动由拨盘9经拨销21带 动法兰盘22及卡盘旋转，于是，头架主轴由法兰盘 22带动，也随之一起转动。 （3）自磨主轴顶尖。此时将主轴放松，把主轴顶尖装入主轴锥孔，同时用拨块19将拨盘 9和主轴10相连，使拨盘9直接带动主轴和顶尖旋转依靠机床自身修磨以提高工件的定位精 度。 头架体14可绕底座15上的轴销16传动，调整头架角度位置的范围为 090度。 3.4 M

50、K1320A型数控外圆磨床 MK1320A型数控外圆磨床适用于磨削外圆柱面，圆锥面，轴向端面和多阶轴工件，机 床加工精度和磨削粗糙度稳定达到有关数控外圆磨床的标准。机床广泛用于工具，机修车间 及中小批量生产的生产车间中。 3.4.1机床的主要组成部件 MK1320A型数控外圆磨床 主要由床身，下工作台，上工作台，头架，砂轮架主轴，尾 座，控制箱，检测箱和操作台等组成，配置了 FANC-0数控系统。其中，砂轮架，头架和工 作台均可转动调整；砂轮架主轴的 X向运动（砂轮横行进给）由伺服电动机通过滚珠丝杠螺 母副直接拖动，系统分辨率为 0.001m m,并带有砂轮自动修正，补偿，砂轮过载保护和卡盘

51、禁区保护等功能；床身与工作台面间导轨为贴塑导轨，磨檫系度小。 机床还装有端面测量仪器和外圆测量仪。端面测量仪可测定工件轴向位置，并将测定输 入数控系统，系统自动进行数据处理后，得出工件轴向偏移量，反馈给系统自动设备加工原 点的偏移，使加工程序按偏移后几加工原点运动，以满足加工要求。这种控制方式需要测量 仪和数控系统的支持，当不具备这一条件时，则需要头架主轴作轴向自动（机械方式）调整， 从而使工件轴向位置到达初始设定位置。外圆测量仪的两根测量杆一直卡在工件的被检测轴 颈上，在加工中，一边磨削一边检测磨削余量的大小，发出粗，精磨削和光整磨削的信号， 通过数控系统及伺服电动机实现砂轮架 X向进给的快

52、，慢，停和退等动作，使磨削工件的尺 寸稳定地达到要求。 3.4.2机床主要技术参数 MK1320A型数控外圆磨床的主要技术参数如下： 最大磨削长度500mm中心高125mm 磨削直径范围8200mm 机床尺寸 工作精度 圆度 工作台 最大移动量 脉冲当量 砂轮架 最大移动量 脉冲当量 头架 拨盘转速 头架主轴锥孔莫氏锥度 尾座 顶尖套筒的最大移动量 343机床的传动系统 山东大学一一 2000mm*1420mm*1600mm 0.003mm粗糙度R 500mm 0.001mm脉冲 150mm 0.001mm/脉冲 40 500r/min 3号 25mm 0.4um 移动速度 上工作台回转角度

53、0.1 4m/min +9 -5 主轴转速2230r/mi n,1845r/min 最大砂轮直径线速度45m/s,35m/s 头架主轴最大移动量2.5mm 顶尖套筒锥孔莫氏锥度3号 MK1320A型数控外圆磨床的传动系统是由数控装置， 交流伺服系统，电动机及机械传动 装置等组成的，机械传动系统。 砂轮架主轴II轮架主轴电动机2经L型带传动实现旋转主运动。机床的X向和Z向运动 均由伺服系统控制，上架进给伺服电动机5通过进给丝杠IV，进给螺母4驱动X向砂轮架进 给运动；工作台Z向进给电动机6通过滚珠丝杠螺母副驱动工作台真相进给运动。头架主轴 电动机1经同步带轮驱动头架主轴1,再带动工件转动，头架电

54、动机为变频调速， 机床的典型结构 1 砂轮架 砂轮架结构附所示。砂轮架整体可沿定位轴12相对上滑座回转一定角度，以磨削锥度大 的短锥体。上滑座与下滑座通过三角形导轨支承，可使砂轮架作横行进给运动或快速移动。 主轴7的两端以锥体定位分别安装砂轮和带轮，前端通过砂轮卡盘1安装砂轮，并用轴端的 左旋螺母压紧，后端通过锥体安装带轮 L-主轴螺纹螺距，L=6mm m-齿轮磨具，m=1.5mm z-齿轮齿数，z=34 贝UL=2.6 mm 头架体15可绕中心定位轴相对底座16转动调整。 头架拨盘的旋转通过变频控制器实现无级调速。 3工作台 工作台的Z向往复进给运动由伺服电动机直接带动滚珠丝杠螺母副实现。工

55、作台分上下 两层，上层的回转调速可用于加工带锥度的工件。下工作台的导轨为贴塑导轨。 344液压系统 MK1320A型数控外圆磨床的液压系统附所示。液压系统由定量螺杆泵供油，调整溢流阀 Y1可以调整系统的工作油压力，同时也起到保持工作压力的作用。该系统的工作压力为0.81 MPa。控制阀组采用标准的叠加式阀组。 1 头架主轴的移动 电磁阀YV1可实现主轴的快速进给，快退运动；若电磁阀 YV6得电，则使主轴慢速进 给。快慢速的转换由测量装置控制。 2 测量仪的移动 电磁阀YV3和电磁阀YV4分别控制轴向测量仪，径向测量仪的进退。 3 尾架套筒的移动 当电磁阀YV5处于吸合位置时，压力油进入尾架的油

56、缸，使套筒缩进，当电磁阀 YV5 复位时，尾架油缸内的油在弹簧力的作用下，通过电磁阀 YV5回油池，套筒在弹簧力的作用 下伸出。 3.5用PLC改造MZ2015自动磨床电气系统 数控设备用可编程控制器主要完成数控设备的各种执行机构的逻辑顺序控制，即用PLC 程序代替用继电器控制线路，实现数控设备的辅助功能、主轴转速功能、刀具功能的译码和 控制。 数控设备用PLC有内装型和独立型两种。内装型 PLC从属于CNC装置，PLC硬件电路 可与CNC装置其它电路制作在同一块印刷板上，也可以作成独立的电路板。独立型 PLC独 立CNC装置，本身具有完备的硬、软件功能，可以独立完成所规定的控制任务。 3.5

57、.1系统的硬件设计 任何一种继电器系统都有三个部分组成，即输入部分，逻辑部分和输出部分。系统输入 部分由所有行程开关、仪表触点、方式选择开关、控制按钮等组成。逻辑部分是指由各种继 电器及其触点组成的实现一定逻辑功能的控制线路，输出部分包括电磁阀线圈，指示灯和接 通各种负载的接触器线圈。在控制系统中使用PLC就是代替继电器控制系统中的逻辑线路部 21 山东大学一一 分。原MZ2015磨床的电气系统，所有行程开关（SQ1SQ17）,选择开关（SA3），仪表触点 （KA1KA4），控制按钮（SB2,SB5）等为系统的输入信号；而电磁阀线圈（YV1YV13） 指示灯，电磁信号等为系统的输出信号。系统的

58、硬件构成如图3.1所示，为了节省输出点数， SB5 QS KM KAj KA5 XA4 2L ySQ2 SQl xo XI XI X3 X4 Xi 血 xw XU XU X15 XU XI? xto Xll X22 xn X34 X25 XU XII WM 3 SA YV SD1O 疏曼 YVlf 壮器器二YUYnYUwYlJYW盅卷M5盂 8 8 亘9W wa 1YV& - 图3.1硬件结构图 各电磁阀的状态指示灯并联在其线圈两端；系统的调整操作采用由PLC的丫1和丫2输出 调整信号在外布景相应开关控制。同时为了保护 PLC输出继电器，在电磁阀两端各并联一只 二极管，防止在电感性负载断开时产

59、生很高的感应电动势或浪涌电流对PLC输出点及内部电 源的冲击，二极管的额定电流通常选为 1A，额定电压大于电源电压的3倍。 # 山东大学 3.5.2软件设计 1 .程序结构 原机床包括自动、半自动、调整和长期修整4种工作方式, 由万能转换开关选择 用PLC 改造后，此部分的接线要重新安排，可选用转换开关的两组触点 SA3 1 和 SA3 - 2 (对应 PLC 输入端子X20和X21），使其分别在4种工作情况下，满足表 3.1所示的通断状态 方式 SA3-1( X20) SA3-2 (X21) 长修 0 0 调整 0 1 r 半自动 1 0 自动 1 1 表3.1开关方式状态 表3.1中“0表

60、示断开, “1表示接通。如用二进制表示 X20和X21的状态，即为00,0 图3.2工作方式梯形图 1、10和11四种。如图3.2所示，自动方式时驱动 M10，半自动时驱动M11，调整时驱 动M12，长修时驱动M13。这样可安排出如图3.3所示的程序结构图。 山东大学 图3.3程序结构图 2 矩阵电路的编程处理 矩阵二极管顺序控制电路是原床电气系统中的重要组成部分，PLC梯形图的转换原理, 如图3.4所示。其动作如下: 图3.4二极管顺序控制原理示意图及对应梯形图 （1）SA1合上，SA2打开，KA5线圈通电吸合并自锁，此时 KA5线圈及R上的电 压基本相等，约为12V，KA6线圈被短路脱吸。