1、機電一體化系統分析 數控機床班級： 學號：姓名：鑒于這個學期正在上數控機床這門課程，所以選擇數控機床的機電一體化系統來進行分析。數字控制技術是從金屬切削機床數控的基礎上發展起來的。自1952年由美國帕森斯公司與麻省理工學院機構實驗室研制成功世界上第一臺三坐標數控銑床以來，數控機床經歷了硬件數控（NC）、計算機數控（CNC）、多機臺計算機直接群控（DNC）和微機數控（MNC）五個發展階段，形成了門類齊全、品種繁多的數控機床，如數控車床、銑床、鉆床、磨床和加工中心等。一 數控機床的原理數控機床加工零件時，是將被加工零件的工藝過程、工藝參數等用數控語言編制成加工程序，這些程序是數控機床的工作指令。將

2、加工程序輸入到數控裝置，再由數控裝置控制機床主運動的變速、起停，進給運動的方向、速度和位移量，以及其它輔助裝置嚴格地按照加工程序規定的順序、軌跡和參數進行工作，從而加工出符合要求的零件。為了提高加工精度，一般還裝有位置檢測反饋回路，這樣就構成了閉環控制系統，其加工過程原理如下圖所示。數控機床工作過程原理圖二 數控機床的組成 從工作原理可以看出，數控機床主要由控制介質、數控裝置、伺服檢測系統和機床本體等四部分組成，其組成框圖如下圖所示。 控制介質。用于記載各種加工信息（如零件加工的工藝過程、工藝參數和位移數據等），以控制機床的運動，實現零件的機械加工。常用的控制介質有磁帶、磁盤和光盤等。控制介質

3、上記載的加工信息經輸入裝置輸送給數控裝置。常用的輸入裝置有磁盤驅動器和光盤驅動器等，對于用微處理機控制的數控機床，也用操作面板上的按鈕和鍵盤將加工程序直接用鍵盤輸入，并在CRT顯示器顯示。  數控裝置。數控裝置是數控機床的核心，它的功能是接受輸入裝置輸送給的加工信息，經過數控裝置的系統軟件或電路進行譯碼、運算和邏輯處理后，發出相應的脈沖指令送給伺服系統，通過伺服系統控制機床的各個運動部件按規定要求動作。 伺服系統及位置檢測裝置。伺服系統由伺服驅動電機和伺服驅動裝置組成，它是數控系統的執行部分。由機床的執行部件和機械傳動部件組成數控機床的進給系統，它根據數控裝置發來的速度和位移指令控制

4、執行部件的進給速度、方向和位移量。每個進給運動的執行部件都配有一套伺服系統。伺服系統有開環、閉環和半閉環之分，在閉環和半閉環伺服系統中，還需配有位置測量裝置，直接或間接測量執行部件的實際位移量。 機床本體及機械部件。數控機床的本體及機械部件包括：主動運動部件、進給運動執行部件（如工作臺、刀架）、傳動部件和床身立柱等支承部件，此外還有冷卻，潤滑、轉位和夾緊等輔助裝置，對于加工中心類的數控機床，還有存放刀具的刀庫，交換刀具的機械手等部件。三 簡易數控車床控制系統1）機械結構下圖表示一種普通車床改造后的方案。圖中不改變車床主軸箱，即主軸變速仍靠人工控制，走刀絲杠改成滾珠絲杠11，去掉光杠，在走刀段右

5、端增加一個絲杠支承。絲杠11的右端用縱向步進電動機4直接驅動（或經傳動齒輪減速驅動）。縱向走刀絲杠采用滾珠絲杠的目的是為了提高縱向走刀的移動精度，對于半精加工的車床可直接使用原來的絲杠。同樣，橫向走刀絲杠由步進電動機3直接驅動，完成橫向走刀的進給和變速。另外，刀架部分采用了電動刀架實現自動換刀。為了使車床能實現自動車制螺紋，還要在主軸尾部加接一光電編碼器（圖中未示出），作為主軸位置檢測，使車刀運動與主軸位置相配合。改造后的車床傳動系統1電動機 2聯軸器 3橫向步進電機 4縱向步進電機 5聯軸器 6縱向微調機構 7橫向微調機構 

6、;8橫向螺母 9縱向螺母 10橫向微調機構 11縱向滾珠絲杠 1、步進電動機與絲杠聯接 步進電動機與絲杠的聯接要可靠，傳動無間隙。為了便于編程和保證加工精度，一般要求縱向運動的步進當量為0.01mm，橫向運動的步進當量為0.005mm，步進電動機與絲杠的聯接方式有直連式（同軸連接）和齒輪聯接兩種形式。如下圖所示。直連式示意圖1車床支架 2銷釘 3聯軸套 4步進電動機齒輪連接示意圖2、步進電動機與床身的聯接步進電動機與床身的聯接，不但要求安裝方便、可靠，同時又能確保精度。常用的有固定板聯接和變速箱聯接兩種，如下圖所示。固定板聯接示意圖 1床身 2齒輪箱 3

7、變速齒輪 4絲杠支架 變速箱聯接示意圖1床身 2圓柱套筒 3聯接板 4步近電動機 5齒輪 6絲杠托架 7絲杠3、自動回轉刀架 加工復雜工件時，需要幾把車刀輪換使用，這就要求刀架能自動換位如下圖所示。自動刀架原理示意圖 當微機系統發出換刀信號后，如果要求的刀號與實際在位的刀號不符，電動機正轉，通過螺桿推動螺母使刀臺上升到精密端齒盤脫開時的位置，當刀隨螺桿體轉動至與刀號要求相符的位置時，微機發出反轉信號，使電動機反轉，于是刀臺被定位卡死而不能轉動，便緩慢下降至精密端齒盤的嚙合位置，實現精密定位并鎖緊。當夾緊力增大到推動彈簧而竄動壓縮觸點時，電動機立即停轉，并向微機發出換刀完成的應答信號，程序繼續執

8、行。4、電動機尾架 有的數控車床為實現軸類零件的自動化加工，采用了電動尾架裝置，下圖所示是一種適用于經濟型數控車床的可控力電動尾架。電動尾座1刀位觸點 2膠木板 3觸點 4刀臺 5螺桿副 6精密齒盤 7變速齒輪 8蝸輪9滑套式蝸桿 10停車開關 11刀架座 12壓簧 13粗定位電動機通電轉動，通過一對齒輪副減速，帶動絲杠轉動，再通過裝在軸套上的絲杠螺母使軸套前進，并稍稍壓縮蝶形彈簧。當頂尖推動絲杠轉動，迫使頂尖緊頂工件時，絲杠以及螺母不能前進，這樣就迫使絲杠后退，壓縮蝶形彈簧并使從動齒輪后退。從動齒輪后退時壓下頂桿，頂桿又壓下微動開關，切斷電機的電源，至此頂緊操作完成。頂尖后退時，利用一微型限

9、位開關進行限位控制。電動機控制電路除要有正反轉點動控制外，還需有接向微機的開關。2）控制系統的硬件設計數控機床微機系統有兩種基本形式，即經濟型和全功能型。所謂經濟型系統是用一個微機芯片作主控單元，伺服系統大都為功率步進電動機，采用開環控制系統，步進當量為0.010.005mm/脈沖，機床快速移動速度為58m/min，傳動精度較低，功能也較為簡單。全功能型的系統用24個微機芯片進行控制，各CPU之間采用標準總線接口，或者采用中斷方式通訊。在主控微機的管理下，各微機分別進行指令識別、插補運算、文本及圖形顯示、控制信號的輸入輸出等。伺服系統一般采用交流或直流電機伺服驅動的閉環或半閉環控制，這種形式可

10、方便地控制進給速度和主軸轉速。機床最快移動速度為824m/min，步進當量為0.010.001mm/脈沖，控制的軸數多達2024個，因而廣泛用于精密數控車床、銑床、加工中心等精度要求高、加工工序復雜的場合。下圖為一種經濟數控系統的硬件框圖，適用于普通車床的數控。3）控制系統的軟件設計為了使車床自動加工零件，必須先將人的意圖用機器所能接受的語言編制成加工程序，程序格式不同，其設計方法也不同。數控機床的軟件分為系統軟件（控制軟件）和應用軟件（加工軟件）兩部分。加工軟件是描述被加工零件的幾何形狀、加工順序、工藝參數的程序，它用國際標準的數控編程語言編程，有關數控編程的規范和編程方法，可參閱有關的標準

11、手冊及文獻資料。 控制軟件是為完成機床數控而編制的系統軟件，因為各數控系統的功能設置、控制方案、硬件線路均不相同，因此在軟件結構和規模上相差很大，但從數控的要求上看，控制軟件應包括輸入數據預處理、插補運算、速度控制、自診斷和管理程序等模塊。 1、數據輸入模塊   系統輸入的數據主要是零件的加工程序（指令），一般通過鍵盤、光電讀帶機或盒式磁帶等輸入，也有從上一級微機直接傳入的（如CAD/CAM系統）。系統中所設計的輸入管理程序通常采用中斷方式。例如，當讀帶機讀入一個數據后，就立即向CPU發出中斷，由中斷服務程序將該數據讀入內存。每按一次鍵，鍵盤就

12、向CPU發出一次中斷請求，CPU響應中斷后就轉入鍵盤服務程序，對相應的按鍵命令進行處理。 2、數據處理模塊   輸入的零件加工程序是用標準的數控語言編寫的ASCII字符串，因此，需要把輸入的數控代碼轉換成系統能進行運算操作的二進制代碼，還要進行必要的單位換算和數控代碼的功能識別，以便確定下一步的操作內容。 3、插補運算模塊   數控系統必須按照零件加工程序中提供的數據，如曲線的種類、起點、終點等，插補原理進行運算，并向各坐標軸發出相應的進給脈沖。進給脈沖通過伺服系統驅動刀具或工作臺作相應的運動，完成程序規定的加工。

13、插補運算模塊除實現插補各種運算外，還有實時性要求，在數控過程中，往往是一邊插補一邊加工的，因此插補運算的時間要盡可能的短。 4、速度控制模塊   一條曲線的進給運動往往需要刀具或工作臺在規定的時間內走許多步來完成，因此除輸出正確的插補脈沖外，為了保證進給運動的精度及平衡性，還應控制進給的速度，在速度變化較大時，要進行自動加減速控制，以避免因速度突變而造成伺服系統的驅動失步。 5、輸出控制模塊    輸出控制包括： （1）伺服控制：將插補運算出的進給脈沖轉變為有關坐標的進給運動。 （2）誤差補償：當進給脈沖改變方向時，根據機床的精度進行反向間隙補償處理。 （3）M、S、T等輔助功能的輸出：在加工中，需要啟動機床主軸、調整主軸速度和換刀等。因此，軟件需要根據控制代碼，從相應的硬件輸出控制脈沖或電平信號。