第3章 金属切削机床10

3.10机床控制系统设计

在机床设计中，控制系统的设计是其重要的组成部分，机床为了完成复杂的加工任务，需要保证各种运动协调有序地进行，必须设计一套完善可靠的控制系统，它的性能直接影响着机床的性能和加工精度。1.机床控制系统的功能

机床控制系统的功能归纳起来主要有以下几个方面：在自动化机床上能够自动进行工件的装卸；自动进行工件的定位、夹紧和松开；控制切削液、排屑等辅助装置的工作；实现刀具的自动安装、调整、夹紧和更换；控制主运动和各进给运动的速度和方向；实现刀架或工作台的路径控制；对被加工零件的尺寸进行在线或离线测量，进行误差自动补偿，从而保证加工精度等。3.10.1概述2.机床控制系统应满足的要求

l）节省辅助时间。

2）缩短加工时间。

3）提高劳动生产率。

4）提高机床的使用率。

5）改善加工质量。分为手动、机动、半自动和自动控制系统：

手动控制系统——由人来操纵手柄、手轮等，通过机械传动来实现控制。其优点是结构简单、成本低；缺点是操作费时、费力，控制速度和精确度不高。仅用于一般的机床控制。

机动控制系统——由人来发出指令，靠电气、液压或气压传动来实现控制。其优点是操作方便、省时和省力；但是成本较高。用于操纵较费力的场合。

半自动控制系统——除了工件的装卸由人工完成外，机床的其余操作都实现自动化。如被加工件的形状比较复杂，或尺寸和质量较大，实现自动装卸比较困难时采用之。

自动控制系统——包括工件的装卸在内的全部操作都实现自动化。工人的工作是不断地往料仓或料斗里装载毛坯，可以同时监视几台机床的工作。一般自动控制系统由三部分组成：发令器官；执行器官；转换器官。

发令器官用于发出自动控制指令，如分配轴上的凸轮和挡块、挡铁和行程开关、插销板、仿形机床的靠模、自动测量仪、压力继电器、速度继电器、穿孔带、磁带和磁盘及各类传感器等。

执行器官用于最终实现控制操作的环节，如滑块、拨叉、电磁铁、伺服电动机或液压马达、机械手等。3.机床控制系统的分类（1）按自动化程度分类3.9.2机床的时间控制时间控制是按时间顺序发出控制机床各工作部件动作的指令，是属于开环控制。在机床上常采用凸轮机构实现时间控制，即机床各工作部件动作时间的顺序和运动行程的信息都记录在凸轮上。凸轮装在分配轴上，分配轴按固定的周期旋转。凸轮上的曲线通过传动机构驱动工作部件按设定的规律运动；凸轮上控制各工作部件的曲线的相位角，决定了各工作部件运动的先后顺序。采用凸轮控制系统，按机床辅助运动控制方式不同，有三种形式：不变速的单一分配轴控制系统变速的单一分配轴控制系统

分配轴和辅轴轮流控制的系统转换器官用于将发令器官发出的指令传送到执行器官，并在传送过程中将指令信号的能量放大，或将电指令转换为液压或气压指令，或反之。（2）按控制系统有否反馈进行分类

机床控制系统可分为开环、半闭环和闭环控制系统。（3）按控制方式和内容进行分类

机床控制系统可分为时间控制、程序控制、数字控制、误差补偿控制和自适应控制。本节按这一分类方法在下面进行较详细的介绍。

1．不变速的单一分配轴控制系统

这类机床上所有的成形运动和辅助运动都由一根分配轴上的凸轮控制。这类控制系统的优点是结构简单。缺点是在加工周期内成形运动和辅助运动所占的时间比例是一定的，如果工件的加工时间较长时，辅助运动时间也将按比例地增加，降低了机床的生产效率。因此这类控制系统仅用于加工周期较短的小型自动机床上，如单轴横切或纵切自动车床。2.变速的单一分配轴控制系统这类控制系统在机床工作行程时根据工件加工的切削用量，用交换齿轮us调整分配轴的转速；辅助行程时则以恒定、较高的转速旋转。这类控制系统不管机床的加工周期长短如何，辅助运动时间总是保持不变，提高了机床的生产效率，但结构复杂一些。由于加工控制和辅助控制均在分配轴旋转一圈的时间内完成，适用于辅助控制内容比较简单、辅助时间在整个加工循环周期内占较小比例的自动机床上，如多轴自动车床。3.分配轴和辅轴轮流控制的系统这类控制系统有一根分配轴Ⅱ和一根辅轴Ⅲ。机床的分配轴用于机床所有的成形运动和部分的辅助运动，如刀架的快进和快退。其转速是根据加工循环时间用交换齿轮us调整的，每加工一个工件分配轴旋转一圈。辅轴是由分配轴上的拨轮2触发单转离合器M而旋转一圈，用辅轴上的凸轮控制其它的辅助运动，如送料、夹料、转位等，其转速是恒定不可调的。如拨轮上有多个拨爪，可以在一个加工循环时间内多次触发辅轴转动，多次完成同样的辅助控制。适用于一个加工循环时间内需要重复进行多次同样辅助控制的自动机床上，例如单轴转塔自动车床上的转塔，一个加工循环内需要转位六次。这种情况如采用第二类控制系统，重复的辅助控制必须在分配轴转一圈的过程中完成，将占用分配轴很大一部分的转角，剩下的较小的转角就难以设计凸轮完成加工控制了。3.9.3机床的程序控制

机床的加工过程由一系列的动作组成，如装载工件，开机，选择主运动和进给运动的速度，换刀，刀具相对工件快速接近、工作进给和快速后退，停机，卸下工件等。程序控制是保证这一系列的动作按严格的顺序协调进行，完成整个加工过程。机床常用的程序控制系统有固定程序控制系统、插销板可变程序控制系统和可编程序控制系统。1.固定程序控制系统

这类控制系统的程序是固定不可变的，用于专用机床的程序控制。其控制装置可以采用凸轮机构、挡铁／行程开关；也可以根据机床程序控制讯号之间的逻辑关系，用各种逻辑元件组成固定的程序控制线路。机床上常用的逻辑元件有各类继电器、液控或气控阀等。2.插销板可变程序控制系统

设置程序是采用插销板，上有许多插销孔，各个孔内有两片相互绝缘的铜片，它们分别与程序步进器的触头和工作部件的继电器相连。插销板呈矩阵形式，每一列控制一个执行器官，行序就是程序的步序。如果改变了插销的组合方式，就改变了工作部件的工作顺序。3.可编程序控制系统

可编程序控制器（PLC）实际上是一台可进行数字逻辑运算的电子计算机，专为工业应用而设计的。采用面向控制过程和实际问题的“工程化语言”编写的控制程序存储在它的程序存储器内，运行时逐行调出进行逻辑运算，得到工作顺序、计时、计数和运算等指令，并通过数字式或模拟式输入输出装置控制各种类型的机械或生产过程。它具有体积小、功能强、编程简单、可靠性高等一系列优点，特别是它的抗干扰性能特别强。是当今工业自动化领域的重要支柱。

PLC可根据控制要求方便地对其模块化的硬件模块进行组合，得到具有不同控制内容和容量的专用程序控制系统。PLC按控制点数可以分为大型（1000点以上）、中型（100点以上）和小型三个档次，都可以进行计算机联网通讯。小型PLC基本用于逻辑控制，大中型PLC由于运行速度快，不仅可以进行逻辑控制，还可进行模拟量计算及复杂运算。一般机床采用小型PLC较多，用于逻辑控制。在PLC多种编程的工具语言中，图形语言最为方便，其中最常用的是梯形图，可在图形编程器上直观地进行编辑修改。3.9.4机床的数字控制

数字控制系统简称数控系统，它自动阅读输入载体上事先给定的数字，并将其译码、计算、控制，使机床运动部件按给定的规律运动（刀具相对工件），加工出零件。1.机床数字控制的基本原理

机床数控系统需要控制的内容包括：刀架或（和）工作台的运动轨迹以及工作指令（辅助功能）。如图。将各线段的类型、起始和终点坐标值按轨迹走向顺序，用专用的编程语言写成轨迹控制程序。此外，将使用的刀具号、切削速度和进给速度等工作指令插写到轨迹控制程序的相应位置。数控系统逐行读出数控程序上的指令。如是工作指令则通过指令输出装置输出控制信号，实现相应的控制操作，如变速或更换刀具等。如是轨迹指令，则通过插值运算分别向X和Y等坐标的进给伺服系统发出一连串的步进信号。进给伺服系统每接到一个步进信号，就驱动运动部件往规定方向移动一个步距。一般来说，步距长度为0.01-0.001mm。刀具与工件之间的相对运动就是各个坐标方向运动的合成。机床数控系统内运动轨迹的插值运算一般有两种：直线插值和圆弧插值。对于非圆弧曲线只能将其近似成一系列首尾连接的直线或圆弧。右图为直线插值运算的实例。2.数控机床运动部件的伺服驱动系统

数控机床伺服驱动系统接受数控装置插值运算生成的步进信号，经过功率放大驱动机床的运动部件往规定方向移动。伺服驱动系统用于控制轴的转角（数控滚齿机）、进给部件的移动距离，进行位置控制（数控钻床）或轨迹控制（数控铣床）。

按是否有位置测量反馈装置，和位置测量反馈装置安装的位置不同，伺服驱动系统分开环、闭环和半闭环三类。（1）开环伺服驱动系统

开环伺服驱动系统发出指令后，不检查执行部件是否完成相应的操作，继续发出下一个指令。数控系统发出的一个步进信号，通过环形分配器和步进电动机驱动电路控制步进电动机往设定方向转动一定的角度。这个角度称为步距角，是步进电动机的一个重要技术参数。通过减速器带动丝杠转动，从而使工作台移动一个步距长度，用Q表示。

式中，Q为步距长度（mm)，一般为0.01mm；α为步进电动机的步距角（°)；L为滚珠丝杠的导程（mm)；u为步进电动机至传动丝杠之间的传动比。工作台的移动距离取决于数控装置发出的步进信号数。位移的精度取决于三方面的因素：步进电动机至工作台间传动系的传动精度、步距长度和步进电动机的工作精度。后者与步进电动机的转动精度和可能产生的丢步现象有关。这类系统的定位精度较低，一般在（±0.01～±0.02)mm；但系统简单，调试方便，成本低。适用于精度要求不高的数控机床中。（2）闭环控制系统

闭环控制系统中，位置检测传感器直接安装在机床的最终执行部件上，直接测量出执行部件的实际位移，与输入的指令位移进行比较，比较后的差值反馈给控制系统，对执行部件的移（转）动进行补偿，使机床向减小差值的方向运行，最终使差值等于零或接近于零。检测反馈装置有：用光栅、感应同步器实现线位移的检测，用旋转变压器、脉冲编码器实现角位移的检测；测速发电机作为角速度检测。从理论上讲，闭环控制系统的运动精度主要取决于检测装置的精度，可以消除整个系统的传动误差和失动。但是闭环控制系统对机床结构的刚性、传动部件的回程间隙以及工作台低速运动的稳定性提出了严格的要求。因这些条件影响着机床控制系统的稳定性。闭环控制系统所用的电动机有直流伺服电动机或交流伺服电动机。闭环控制系统的特点是运行精度高，但调试维修都较困难，成本也较高，用于精密型数控机床上。（3）半闭环控制系统

半闭环控制系统的位置反馈装置不直接检测被控制位移，而是检测与被控位移有关系的量，反推出位移量。线位移的半闭环控制系统采用角位移传感器，如圆光栅、光电编码器、旋转式感应同步器等，安装在电动机的转子轴或丝杠上。通过检测电动机或丝杠的转角，间接测量工作台的位移。由于工作台位移和丝杠传动机构等没有包含在反馈回路中，故称为半闭环控制系统。可以将角位移传感器与伺服电动机制成一个部件，使系统结构简单，价格低，安装调试都很方便，应用较多。由于机械传动环节和惯性较大的工作台没有包括在系统反馈回路内，可以获得比较稳定的控制特性，但丝杠等机械传动部件的传动误差不能通过反馈得以矫正。3.计算机数控（CNC）机床现代CNC系统由基于计算机的数控装置和PLC组成，如图。数控装置——数控装置的核心是中央处理器（CPU）或一台计算机，用来完成信息处理、数据和逻辑运算，控制系统的运行以及管理定时与中断信号等。

可编程序控制——在CNC系统内，PLC用于控制机床各工作部件协调地工作，和他们之间的互锁和关联等。3.9.5误差自动补偿系统

机床加工产生的误差来自多方面的原因，数控机床采用重要的措施消除这些影响——即不同的补偿。补偿主要有刀具补偿和传动误差补偿。不同原因产生的加工误差可采用不同的措施进行补偿。导致加工误差的原因中，大部分在一段较长的时间内保持着稳定的规律，可以将其规律精确地测量出来，利