数控机床电气系统

1、数控机床电气系统数控机床电气系统概说概说数控机床概述数控机床概述数控机床的产生数控机床的产生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

2、，精密级15 5m或更高； 平均故障间隔时间6000h，伺服系统达30000h2.五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

3、控制系统（还要点间运动轨迹和直线）、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MELDAS4.海得汉公司Heidenhain5.华中数控数控机床控制系统数控机床控制系统基本结构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

4、轴驱动装置计算机数控装置输入/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控机床电气控制系统组成作用 数据输入装置数据输入装置：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机床电气控制系统作用 数控系

5、统数控系统：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数控机床电气控制系统作用可编程逻辑控制器可编程逻辑控制器：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

6、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数控机床电气控制系统作用 主轴驱动系统主轴驱动系统：接受来自CNC的驱动指令，经速度与转矩(功率)调节输出驱动

7、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数控机床电气控制系统作用 进给伺服系统进给伺服系统：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数控机床电气控制系统作用 机床电器部分机床电器部分：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

8、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，从而实现速度的精确控制。数控机床电气控制系统作用数控机床电气控制系统作用 位置测量位置测量：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。数控机床数控机床驱动装置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

9、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。伺服系统的组成和工作过程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

10、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

11、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数控机床伺服系统按位置控制分类1）闭环控制：由于引入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

12、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、

13、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、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

14、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

15、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对进给伺服系统的基本要求1、高精度、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

16、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、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、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、调速范围 指电机提供的最高转速和最低转速之比。为保

17、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、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 量和转矩干扰等使电机负载变化时不影响伺服 系统工作。对主轴伺服系统拖动要求对主轴伺服系统拖动要求 主轴控制涉及数控机床的G、S、M、T控制功能，故要求： 1）调速范围足够大为适应各种刀具、工序、材料的加

18、工要求，主轴调速范围要宽。数控机床主轴变速是按指令自动无级调速的，一般要求1：（ 1001000）恒转速调速范围、1：10的恒功率调速。主轴驱动方式一般有主轴带齿轮换挡，可以降低主轴转速，增大传动比；二是主轴电动机通过同步齿形带驱动主轴，具有恒功率宽的特点。2）主轴输出功率大在整个速度范围内均能提供切削所需功率，达到主轴电机最大功率最为理想，即恒功率范围宽。由于电机和驱动的限制，低速段均为恒转矩输出，常采用分段无级变速方法，即在低速段采用机械减速装置，以提高输出转矩。对主轴驱动的控制要求对主轴驱动的控制要求1）主轴速度调节是最重要的控制要求，分为有级、无级和分段无级调速三种形式。前者为经济型数

19、控机车。2）主轴定向准停控制为满足加工中心自动换刀（ATC），主轴必须高精度准停控制，主轴必须能停在固定的径向位置。3）主轴旋转与坐标轴进给的同步控制在螺纹加工时，主轴旋转必须与坐标轴进给量保持一定的关系。可采用光电编码器作为主轴脉冲发生器，通过CPU对节距的计算，控制坐标轴进给伺服系统，使进给量与主轴转速保持同步。4）恒速线切割控制为保证加工面的粗糙度，要求工件与刀尖的接触点的线速度为恒值，为此，随刀具径向进给直径减小，应不断提高主轴转速。5）加减速功能要求在正、反转时具备自动加减速功能，且时间尽可能短。PLC和和NC的关系的关系NCNC：实现刀具相对于工件各坐标轴几何运动规律的数字控制（即

20、是实现机床运动轨迹的控制、实现零件的轮廓控制）。这一部分工作由数控系统中NC部分来完成。PLC:PLC:实现机床外围、辅助电气设备的控制(包括冷却系统、照明系统、操作面板、换刀系统等等）是由PLC来完成的。PLC用于数控机床通常称之为可编程序机床控制器可编程序机床控制器；称之为PMC（programmable machine tool controller）PLC在数控机床中的应用在数控机床中的应用1、PLC在数控机床中的两种应用形式： 内装式（集成式，NC和PLC集合在一起，整体设计、信息交换速度快、系统可靠，高档机床用） 独立式（外装式，独立于NC，是能够独立完成功能的PLC。方便扩展、选

21、择余地大，方便对控制规模调整） 2.PLC和外部信息交换：和机床侧开关量信号通过I/O单元输入PLC或输出到机床；CNC厂家设计CNC信息直接送入PLC相关寄存器，如M、S、T功能，不可更改；PLC 送CNC的信号地址与含义由CNC厂家确定。PLC在数控机床中的应用在数控机床中的应用3.PLC在数控机床中的工作流程： 输入采样、程序执行、输出刷新等4.PLC在数控机床中的功能操作面板的控制机床面板信号直接进入PLC，系统面板控制信号先经NC，NC再送PLC；机床外部开关输入信号机床侧的逻辑信号送入运算（行程、接近、模拟选择开关等）输出信号控制经继电器、接触器、电磁阀等输出控制功能实现系统送来的

22、T指令给PLC ，进行换刀M功能系统送M指令PLC，控制主轴正反转和停止PLC和外围电路的关系和外围电路的关系PLC对外围电路的控制：PLC接收CNC控制信号及外电路反馈信号，经过逻辑运算、处理，其结果通过输出口（或模块）输出，有的信号通过中间继电器控制接触器然后控制具体的执行机关动作。也有直接控制外部设施的。PLC接收外边反馈信号，以监控设备设施的状态。温度传感器、震动传感器、行程开关、接近开关等，通过之间环节或直接进入PLC。PLC对外部控制的关键点是外部的输入信号和输出到外部的控制命令，要与PLC 的内部信号处理对应，即地址分配准确PLC和机床外围电路的关系和机床外围电路的关系1.外围电路（强电回路）是不能够直接和PLC相互连接的，所以外围电路和PLC相互连接必须要通过中间的继电器回路的转换。2.进入PLC的必须要转换成弱电信号，用于控制外围电路的，必须要把PLC输出的弱电信号转换成强电信号。系统面板信号NCPLC机床面板信号机床机床面板信号PLC机床系统面板的信号NC PLC 外围辅助设备 PLCNC指令外部反馈直接控制外部设备小功率设备由继电器、接触器等组成的外围电路辅助设备PLCPLC和外围电路的关系和外围电路的关系PLC和外部的信息交换和外部的信息交换1、机床侧至PLC： 机床侧的信号通过I/O单元接口输入到PLC