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1、第3章 数控机床电气控制系统3.1 概 述3.1.1 数控机床电气控制系统的组成 数控系统通常由人机界面、数字控制以及机床逻辑控制这三个功能部分组成。3.1 概 述 数控系统的硬件包括数字控制装置和驱动装置两部分组成。3.1 概 述3.1.2 数控机床电气控制的数据流3.2 数控系统的功能和特点3.2.1 计算机数控系统的特点（1）具有灵活性（2）具有通用性（模块化）（3）较强的环境适应性（4）复杂、高效的数控系统（5）高可靠性（6）完善的输入/输出通道（7）易于实现机电一体化3.2 数控系统的功能和特点3.2.2 数控系统的功能CNC系统的功能通常包括基本功能和选择功能。基本功能：（1）控制
2、功能（2）准备功能（3）辅助功能（4）插补功能（5）进给功能（6）主轴功能（7）刀具功能（8）输入、输出、编程、显示功能3.2 数控系统的功能和特点选择功能：（1）固定循环功能（2）补偿功能（3）补偿功能（4）会话编程功能（5）加工模拟功能（6）监测和诊断功能（7）通信功能3.2 数控系统的功能和特点3.2.3 数控系统的插补原理（1）插补的基本概念 在已知曲线的种类、起点、终点的情况下，对曲线进行数据点的密化，求取密化中间点的过程。插补器分为硬件插补和软件插补。3.2 数控系统的功能和特点（2）插补方法的分类1）脉冲增量插补 位移分割原理；逐点比较法；数字积分法；2）数据采样插补 时间分割原
3、理；直接函数法、一次近似法（切线法）、二次近似法（割线法）；3.2 数控系统的功能和特点（3）典型插补方法简介逐点比较法直线插补计算过程；逐点比较法圆弧插补计算过程；3.2 数控系统的功能和特点3.2.4 典型数控系统及其应用 FANUC MITSUBISHI;SIEMENS;HEIDENHAIN;FAGOR;GE;（1）FANUC系统1）高可靠性的Power Mate 0 系列（2+2）2）普及型的 CNC 0-D 系列（3+3）3）全功能的 0-C 系列（3+3）4）高性能/价格比的 0i 系列（4+4）5）具有网络功能的超小、超薄型CNC16i/18i/21i16i（8+6）、18i（6
4、+4）、21i（4+4）3.2 数控系统的功能和特点（2）SIEMENS1）SINUMERIK 802S/C（3+3）2）SINUMERIK 802D（4+4）3）SINUMERIK 810D（6+4）4）SINUMERIK 840D（全数字31）3.2 数控系统的功能和特点（3）FAGOR1）CNC8070（16+3+2）pc兼容2）CNC8055（7+1+1）3）CNC8040/8055-i（4+1+2）、（7+1+2）4）CNC8040/8055-i/8055 TCO/MCO5）CNC8040/8055-i/8055 TC/MC6）8025/8035（2-5）3.2 数控系统的功能和特点
5、（4）华中数控系统 世纪星：HNC-21T（4）、HNC-21/22M（4），内嵌式工业PC。（5）北京航天数控 以PC为基础的模块化。3.3 数控机床上的可编程控制器（PLC）1968，通用汽车公司；1969，美国DEC公司的“PDP-14”；命名为：可编程序逻辑控制器PLC“Programmable Logic Controller”1987，电气制造商协会NEMA命名为PC“Programmable Controller”3.3 数控机床上的可编程控制器（PLC）PLC 定义：可编程序控制器是一种数字运算电子系统，专为在工业环境下运用而设计。采用可编程序的存储器，用于存储执行逻辑运算，顺
6、序控制，定时，计算和算术运算等特定功能的用户指令，并通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其辅助设备都应按易于构成一个工业控制系统，且他们所具有的全部功能易于应用的原则设计”。3.3 数控机床上的可编程控制器（PLC）3.3.1 PLC的工作原理 1、硬件组成：中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出单元、编程器、电源和外围设备等组成，内部通过总线相连。3.3 数控机床上的可编程控制器（PLC）2、PLC的工作过程3.3 数控机床上的可编程控制器（PLC）PLC的特点：1）可靠性高；2）编程简单、工作可靠；3）灵活性好；4）直接驱动负载能力强；5）便于实
7、现机电一体化；6）利用其通信网络功能可实现计算机网络控制；3.3 数控机床上的可编程控制器（PLC）3.3.2 数控机床的PLC（1）数控机床PLC的控制对象 PLC在数控机床中的三种不同的配置方式；3.3 数控机床上的可编程控制器（PLC）CNC装置和机床输入/输出信号的处理包括：1）CNC到机床的命令信号：S M T信号。S 主轴功能的编码可用S2位代码或S4位代码直接指定。T 管理刀库、换刀机械手；刀号、刀位控制；M 实现M功能。2）机床到CNC的反馈信号：3.3 数控机床上的可编程控制器（PLC）（2）数控机床PLC的形式内装型结构、独立型结构；1）内装型PLC特点：1）内装型PLC实
8、际上是CNC装置带有的PC功能，一般作为一种基本的功能提供给用户；2）内装型PLC的性能指标与CNC装置匹配。3）内装型PLC一般不具有独立的电源和输入/输出接口。4）内装型PLC与CNC装置功能衔接较好。3.3 数控机床上的可编程控制器（PLC）2）独立型PLC独立型PLC的特点：1）独立型PLC具有完整的功能，可以用于数控机床中也可用于其他场合；2）独立性PLC一般采用模块化结构；3）独立型PLC功能一般比较完善，不只是针对数控机床。3.4 伺服系统3.4.2 步进电动机工作原理（1）步进电动机 步进电动机是一种将电脉冲信号转换成相应的机械角位移或线位移的机电执行元件，它能将指令脉冲转化成
9、步进电机输出轴的旋转。3.4 伺服系统（2）步进电动机的特点：步进电动机的角位移或线位移与输入的脉冲个数成正比，它的转速与脉冲频率成正比，能够快速起动、制动、反转；在一定频率范围能任意的改变速度且不会失步，且具有自整步能力。步进电动机没有周积累误差。某些种类的步进电动机具有自锁功能。可以实现自锁。3.4 伺服系统（3）步进电动机的分类 1）根据输出转距的大小分为快速步进电动机和功率步进电动机；2）根据工作原理可分为励磁式和反应式两大类；A:励磁式步进电动机分为：感应式（BG）永磁式（BY）混合式（BYG）型号表示：例如 42BYG；3.4 伺服系统 B:反应式步进电动机（BF）特点：具有较高的
10、力矩转动惯量比，步进频率较高，频率响应快，不通电时不自锁、结构简单、寿命长等特点；广泛用于数控机床中。反应步进电动机的型号表示 XX BF XXX 例如：110 BF 0033.4 伺服系统（4）反应步进电动机工作原理 以三相反应式步进电动机为例说明步进电动机的工作原理。1）反应式步进电动机的基本结构参数：转子齿数 Zr 定子绕组相数 m 齿距角t角：t=360o/Zr 3.4 伺服系统 2）反应式步进电动机的工作原理。以三相步进电动机为例说明步进电动机的工作原理；ABCA；ABCA；AABBBCCCAA；AACCCBBBAA 拍：运行通电方式；K：有通电方式变化k=2；没有通电方式变化k=1
11、；令运行节拍：N=mk 则步距角s=t/N（s=360o/mkZr）3.4 伺服系统（1）三相单三拍ABCA；ABCA；（2）三相单双六AABBBCCCAA；AACCCBBBAA 3.4 伺服系统（3）步进电动机的主要特征（参数）1）相数和步距角：s=360o/mkZr 2）步进电动机转速：n=60*f*s/360 3）启动频率 4）矩频特性曲线 5）加减速特性3.4 伺服系统（4）步进电动机的选用注意事项1）必须保证步进电动机的输出转距大于负载转距，使电动机的矩频特性有一定的裕量。2）要求计算的机械系统负载转动惯量与步进电动机转子的转动惯量匹配，并有一定余量。3）使最高连续工作频率能满足产品
12、快速移动的要求。4）使步进电动机的步距角与机械系统相匹配，以得到机床所要求的脉冲当量。3.4 伺服系统3.4.1 数控机床对伺服系统的要求 数控伺服系统是指以机床运动部件位置和速度为直接控制量的自动控制系统。又称随动系统。数控伺服系统是CNC系统的组成部分，位于CNC装置与机床主体之间。其主要功能是从数控装置接收控制电信号，将其处理放大去驱动伺服系统中的驱动元件（伺服电动机），将控制电信号的变化转换成伺服电动机输出轴的角位移或角速度的变化，从而带动机床各部件的运动。3.4 伺服系统数控机床对伺服驱动系统的要求1）可逆运行2）调速范围宽高级：0240m/min；一般024m/min；要求：在12
13、4000mm/min范围内，速度均匀、稳定、无爬行。在1mm/min以下时具有一定的瞬时速度。在零速度时，能够保持静止。3.4 伺服系统数控机床对伺服驱动系统的要求3）具有足够的传动刚度和速度稳定性静态速度降小于5%；动态速度降小于10%4）响应快速并无超调5）高精度6）低速大转矩3.4 伺服系统7）伺服系统对伺服电动机的要求从最低速度到最高速度电动机都能平稳运行，转矩波动要小。电动机应具有较长时间的过载能力，以满足加减速的要求。电动机应有较小的转动惯量和较大的堵转转矩。电动机应能承受频繁启动、制动和反转。8）伺服驱动元件的类型与历史 50年代，步进电动机系统；6070年代，步进电动机+电液脉
14、冲马达系统；7080年代，直流伺服电动机系统；90年代，交流伺服电动机系统；3.4 伺服系统3.4.3 伺服电动机的特性与选型伺服电动机的特性参数：额定速度、额定转矩、过载能力、速度转矩图（机械特性曲线）、轴端径向受力图等；选型因素：机械系统参数、机械系统动态性能参数；伺服电动机的工作制和定额；工作制：电动机承受负载情况的说明，包括启动、电制动、空载、段能停转以及这些阶段的持续时间和顺序。定额：由制造厂对符合指定条件的电机所规定的，并在铭牌上标明电量和机械量的全部数值及其持续时间和顺序。3.4 伺服系统电动机工作制分为9类；S1连续工作制；S2短时工作制；S3断续周期工作制；S4包括启动的断续周期工作制；S5包括电制动的断续周期工作制；S6连续周期工作制；S7包括电制动的连续周期工作制；S8包括变速负载的连续周期工作制；S9负载和转速非周期变化工作制；3.4 伺服系统电动机定额分为5类：最大连续定额；短时定额；等效连续定额；周期工作定额；非周期定额；3.4 伺服系统（1）进给轴的伺服电动机3.4 伺服系统惯量匹配41LMLMJJJJJJT 3.4 伺服系统伺服电动机的轴端受力3.4 伺服系统伺服电动机过载能力3.4 伺服系统（2）主轴电动机主轴电动机的特性主轴的工作点过载能力轴端受力主轴总成的动平衡
