1、數控機床電氣系統數控機床電氣系統概說概說數控機床概述數控機床概述數控機床的產生數控機床的產生1952年麻省理工學院研制第一臺電子管元件數控機床1958年美國出現自動換刀的加工中心（MC）1967年英國出現幾臺數控機床連接在一起的柔性加工制造系統（FMS）1970年用小型計算機數字控制的數控機床（CNC）1974年微處理器用于數控1980年后出現以加工中心為主體，配上工件自動檢測和卸料的柔性制造單元（FMC），在此基礎上出現計算機集成制造系統（CIMS）數控技術發展趨勢數控技術發展趨勢1.高速高精加工技術及裝備 進給速度60mmin；加速度2g；主軸轉速60000r/min 普通級數控機床達5m

2、，精密級15 5m或更高； 平均故障間隔時間6000h，伺服系統達30000h2.五軸聯動加工和復合加工機床3.智能化、開放式、網絡化數控機床的基本特點數控機床的基本特點加工對象的改型適應性強；加工精度高；生產效率高；自動化程度高；良好經濟效益；有利于生產管理現代化數控機床工作基本原理數控機床工作基本原理1.按照加工零件的信息編制程序，并輸入數控系統；2.數控系統處理運算，按各坐標軸分量送各軸驅動；3.驅動電路經轉換、放大驅動伺服電機，各軸運動；4.反饋控制使刀具、輔助裝置按程序規定順序、軌跡、參數工作數控機床分類數控機床分類1.按運動方式分：點位控制系統（只要求點與點位置，不嚴格軌跡）、點線

3、控制系統（還要點間運動軌跡和直線）、輪廓控制系統（對兩個以上坐標同時嚴格控制，含速度和位移）2.按控制方式分：開環控制系統、半閉環控制系統、閉環控制系統3.按工藝用途分：數控鉆床、車床、銑床、鏜床、磨床；壓床、沖床、彎管機、電火花切割機、火焰切割機；加工中心是帶刀庫和自動換刀裝置的數控機床，一臺機床上實現多種加工。典型數控系統典型數控系統1.西門子SINUMERIK系統2.福士通FANNC系統3.三菱公司MELDAS4.海得漢公司Heidenhain5.華中數控數控機床控制系統數控機床控制系統基本結構基本結構計算機數控系統CNC機床輔助控制機構主運動機構進給傳動機構操作面板PLC主軸伺服單元主

4、軸驅動裝置計算機數控裝置輸入/輸出裝置機床I/O電路和裝置進給伺服單元進給驅動裝置測量裝置數控機床電氣控制系統組成數控機床電氣控制系統組成數控系統，電源模塊, 伺服驅動器，伺服電機，伺服主軸驅動器（或變頻器），伺服主軸電機（或 變頻主軸電機）, PLC 輸入輸出模塊, 強電柜的機床電器元器件，各種電動機、電磁閥，機床操作面板等組成。數控機床電氣控制系統組成作用數控機床電氣控制系統組成作用 數據輸入裝置數據輸入裝置：將指令信息和各種應用數據輸入數控系統的必要裝置。它可以CNC鍵盤(一般輸入操作)，數控系統配備的硬盤及存儲卡、個人計算機等等。數控機床電氣控制系統作用數控機床電氣控制系統作用 數控系

5、統數控系統：是數控機床的中樞，它將接到的全部功能指令進行解碼、運算，然后有序地發出各種需要的運動指令和各種機床功能的控制指令，直至運動和功能結束。根據輸入程序和數據，處理后輸出信號和指令控制機床個部分，按規定有序動作。包括：經插補運輸決定的各坐標軸的進給速度、進給方向和位移量指令；主運動部件的變速、換向和啟停信號；選擇和交換刀具指令信號；控制冷卻和潤滑液系統控制；工件和機床部件松開、夾緊，分度工作臺轉位等輔助信號。數控機床電氣控制系統作用數控機床電氣控制系統作用可編程邏輯控制器可編程邏輯控制器：是機床各項功能的邏輯控制中心。它將來自CNC的各種運動及功能指令進行邏輯排序，使它們能夠準確地、協調

6、有序地安全運行；同時將來自機床的各種信息及工作狀態傳送給CNC，使CNC能及時準確地發出進一步的控制指令，如此實現對整個機床的控制。PLC多集成于數控系統中，這主要是指控制軟件的集成化，而PLC硬件則在規模較大的系統中往往采取分布式結構。PLC與CNC的集成是采取軟件接口實現的，一般系統都是將二者間各種通信信息分別指定其固定的存放地址，由系統對所有地址的信息狀態進行實時監控，根據各接口信號的現時狀態加以分析判斷，據此作出進一步的控制命令，完成對運動或功能的控制。數控機床電氣控制系統作用數控機床電氣控制系統作用 主軸驅動系統主軸驅動系統：接受來自CNC的驅動指令，經速度與轉矩(功率)調節輸出驅動

7、信號驅動主電動機轉動，同時接受速度反饋實施速度閉環控制。它還通過PLC將主軸的各種現實工作狀態通告CNC用以完成對主軸的各項功能控制。數控機床電氣控制系統作用數控機床電氣控制系統作用 進給伺服系統進給伺服系統：接受來自CNC對每個運動坐標軸分別提供的速度指令，經速度與電流(轉矩)調節輸出驅動信號驅動伺服電機轉動，實現機床坐標軸運動，同時接受速度反饋信號實施速度閉環控制。它也通過PLC與CNC通信，通報現時工作狀態并接受CNC的控制。數控機床電氣控制系統作用數控機床電氣控制系統作用 機床電器部分機床電器部分：包括所有的電動機、電磁閥、制動器、各種開關等。它們是實現機床各種動作的執行者. 速度測量

8、速度測量：通常由集裝于主軸和進給電動機中的測速機來完成。它將電動機實際轉速匹配成電壓值送回伺服驅動系統作為速度反饋信號，與指令速度電壓值相比較，從而實現速度的精確控制。數控機床電氣控制系統作用數控機床電氣控制系統作用 位置測量位置測量：現代機床多采用光柵尺和數字脈沖編碼器作為位置測量元件。它們對機床坐標軸在運行中的實際位置進行直接或間接的測量，將測量值反饋到CNC并與指令位移相比較直至坐標軸到達指令位置，從而實現對位置的精確控制。數控機床數控機床驅動裝置驅動裝置數控機床驅動裝置以加工指令為輸入量，以機床移動部件為輸出量的控制系統。位置隨動系統以加工指令脈沖為輸入量，以機床移動部件的位置為輸出量

9、的控制系統。數控機床驅動裝置就是位置隨動系統，簡稱伺服系統。 伺服系統是一種能夠跟蹤輸入指令信號而動作，從而獲得準確位置、速度、力輸出的控制系統。典型的伺服系統是位置隨動系統。伺服系統的組成和工作過程伺服系統的組成和工作過程位置控制模塊速度控制模塊SM來自CNC插補運算的位置指令+位置反饋速度反饋+速度指令伺復電機位置檢測裝置伺復驅動速度控制CNC位置控制進給傳動速度檢測裝置工作臺刀具伺服系統結構框圖組成通常由位置控制環和速度控制環 組成。圖中內環是速度控制環，外環是位 置控制環。工作過程插補信號輸送到位置控制模 塊的位置比較電路，與位置檢測反饋來的 信號相比較后，位置比較電路輸出位置移 動信

10、號，經位置控制和速度控制單元輸出 到速度環，直到機床完成進給運動。位置控制環位置控制環1）組成由位置指令、位置檢測裝置、位置反饋比較環節、位置控制模塊、速度控制環、機械傳動裝置組成。2）檢測裝置可采用旋轉變壓器、感應同步器、脈沖編碼器、光柵、磁柵、激光測距等。3）位置控制環功能作用對機床位置坐標軸進行控制，而坐標軸控制是要求最高的控制，不僅要嚴格控制每個軸的運動速度和位置精度，而且在多軸聯動時還要求個移動軸按插補要求協調運動，保證復雜形狀的加工。速度控制環速度控制環1）組成由伺服電機、速度檢測裝置、速度反饋比較環節、速度控制模塊組成。速度控制模塊組成為速度控制系統的核心，2）速度檢測裝置通常采

11、用測速發電機、脈沖編碼器等。3）功能是伺服系統中最基本內容，用來控制電機轉速。數控機床伺服系統按位置控制分類數控機床伺服系統按位置控制分類1）閉環控制：由于引入負反饋并利用偏差控制，即利用被控量的反饋信息，使整個控制過程成為閉合的，因此反饋控制也稱為閉環控制。特點：無論什么原因使被控量偏離期望值而出現偏差，必定產生一個相應控制作用去減小或消除這個偏差，使被控量與期望值一致。具有抑制內外擾動對被控量產生影響的能力，具有較高的控制精度。2）半閉環控制：閉環控制的反饋是將被控量直接測量得到的，若將被控量通過間接測量得到，并反饋到輸入端進行比較，其偏差用于控制的方式。特點：屬反饋控制范疇，控制精度低于

12、閉環控制，用于被控量測量時結構受限制的場合。結構相對閉環控制 位置檢測控制系統3）開環控制：指控制裝置與倍控對象之間只有順向作用而沒有反向聯系的控制過程。特點：系統的輸出量不會對系統的控制產生影響，是按給定量進行控制的，即控制作用是輸入量產生的，給定一個輸入量就會有一個輸出量相對應，控制精度取決于所用的元件和校準的精度。自動修正偏差的能力，抗擾動性差。但結構簡單、調整方便，成本低在精度要求不高或擾動影響小的情況下有實用價值。4）尺寸及形狀檢測元件用于閉環，回轉測量常用于半閉環。按伺服電機類型分類按伺服電機類型分類1）步進伺服系統屬典型的開環伺服系統，由步進電機及其驅動系統組成。特點：結構簡單、

13、使用維修方便、成本低、控制簡單等；應用：在小型數控機床和速度、精度要求不高場合應用廣泛2）直流伺服系統由直流伺服電機、調速系統、檢測反饋、機械傳動等部分組成。常用的直流伺服電機有小慣量伺服電機和永磁伺服電機（大慣量寬調速）兩類。3）交流伺服系統分為交流同步型伺服電機和交流異步型伺服電機，后者一般用于主軸交流伺服系統，交流同步型伺服電機一般用于進給伺服電機。交流伺服電機沒有直流伺服電機缺點，且有較大的輸出功率、更高的電壓和轉速，基本取代了直流伺服系統。按反饋比較控制方式分類按反饋比較控制方式分類 由于采用位置檢測元件不同，反饋信號不同，分類為：1）脈沖數字比較系統（數字伺服系統）如果插補器輸出的

14、指令信號是數字脈沖，選擇磁柵、光柵、光電編碼器作為機床移動部件位移的檢測裝置，位置反饋信號也是數字脈沖信號，給定量和反饋量就是直接的脈沖比較，該系統就成為脈沖比較伺服系統（數字伺服系統）。2）相位比較系統高精度數控伺服系統中，相位與輻值的檢測元件常用旋轉變壓器、感應同步器、光柵、磁柵等，這些測量元件及檢測電路都可輸出相位比較信號或輻值比較信號。3）輻值比較伺服系統位置元件采用輻值工作狀態，輸出輻值大小與機械位移成正比的模擬信號，將此信號作為位置反饋信號與指令信號比較，實現位置和速度控制構成的閉環系統。 按驅動對象分類按驅動對象分類1）進給伺服系統以機床移動部件的位置和速度為控制量，接受來自插補

15、裝置或插補軟件生成的進給脈沖指令，經過一定的信號變換及電壓、功率放大、檢測反饋，最終實現機床工作臺相對于刀具運動的控制系統。進給伺服系統由控制系統和機械傳動機構（減速齒輪、滾珠絲桿、機械導軌、工作臺拖板等）組成，有開環和閉環兩類，開環系統只能由步進電機驅動，閉環系統分為直流電機和交流電機兩種驅動方式。2）主軸伺服系統主軸的速度控制方式與進給系統基本相同，采用交流或直流調速，重點是轉速和轉矩參數。主軸伺服系統可由數控裝置直接控制，也可由數控裝置通過可編程控制器控制。對進給伺服系統的基本要求對進給伺服系統的基本要求1、高精度、高精度 數控機床的高精度、高效率很大程度取決于進給系統的性能。伺服系統的

16、精度主要指定位精度（一般機床15m，高精度數控為0.1m）；檢測元件的分辨率是決定系統分辨率和脈沖當量的關鍵元件（一般數控機床分辨率為1m，高精度達0.1m）2、穩定性、穩定性 系統在新的輸入指令信號作用下，系統能夠達到新的穩定狀態，當新的輸入指令消失后，系統能夠恢復到原來的穩定狀態下運行。系統要有較強的抗干擾能力。穩定性將直接影響系統的加工精度和表面粗糙度。3、快速響應無超調、快速響應無超調 反映系統的跟蹤精度，會影響加工準確度和表面粗糙度。由于伺服系統頻繁啟動、制動、加速、減速、等動態過程，要求在200ms甚至幾十毫秒內完成。4、調速范圍、調速范圍 指電機提供的最高轉速和最低轉速之比。為保

17、證 最佳切削參數和條件，要求伺服系統轉速在較大 范圍內有良好溫度性。一般數控機床進給速度 024m/min時，要求運行均勻、平穩、無爬 行、速降??；進給速度在1mm/min時，具有一定 的瞬時速度；當進給速度等于0時，要求電機有 電磁轉矩以維持定位精度，即使電機處于伺服鎖 定狀態。5、不受負載影響、不受負載影響 電機的轉動慣量是定植，但負載慣量是變化， 加工過程中變化很大，要求伺服系統在負載變 量和轉矩干擾等使電機負載變化時不影響伺服 系統工作。對主軸伺服系統拖動要求對主軸伺服系統拖動要求 主軸控制涉及數控機床的G、S、M、T控制功能，故要求： 1）調速范圍足夠大為適應各種刀具、工序、材料的加

18、工要求，主軸調速范圍要寬。數控機床主軸變速是按指令自動無級調速的，一般要求1：（ 1001000）恒轉速調速范圍、1：10的恒功率調速。主軸驅動方式一般有主軸帶齒輪換擋，可以降低主軸轉速，增大傳動比；二是主軸電動機通過同步齒形帶驅動主軸，具有恒功率寬的特點。2）主軸輸出功率大在整個速度范圍內均能提供切削所需功率，達到主軸電機最大功率最為理想，即恒功率范圍寬。由于電機和驅動的限制，低速段均為恒轉矩輸出，常采用分段無級變速方法，即在低速段采用機械減速裝置，以提高輸出轉矩。對主軸驅動的控制要求對主軸驅動的控制要求1）主軸速度調節是最重要的控制要求，分為有級、無級和分段無級調速三種形式。前者為經濟型數

19、控機車。2）主軸定向準?？刂茷闈M足加工中心自動換刀（ATC），主軸必須高精度準停控制，主軸必須能停在固定的徑向位置。3）主軸旋轉與坐標軸進給的同步控制在螺紋加工時，主軸旋轉必須與坐標軸進給量保持一定的關系。可采用光電編碼器作為主軸脈沖發生器，通過CPU對節距的計算，控制坐標軸進給伺服系統，使進給量與主軸轉速保持同步。4）恒速線切割控制為保證加工面的粗糙度，要求工件與刀尖的接觸點的線速度為恒值，為此，隨刀具徑向進給直徑減小，應不斷提高主軸轉速。5）加減速功能要求在正、反轉時具備自動加減速功能，且時間盡可能短。PLC和和NC的關系的關系NCNC：實現刀具相對于工件各坐標軸幾何運動規律的數字控制（即

20、是實現機床運動軌跡的控制、實現零件的輪廓控制）。這一部分工作由數控系統中NC部分來完成。PLC:PLC:實現機床外圍、輔助電氣設備的控制(包括冷卻系統、照明系統、操作面板、換刀系統等等）是由PLC來完成的。PLC用于數控機床通常稱之為可編程序機床控制器可編程序機床控制器；稱之為PMC（programmable machine tool controller）PLC在數控機床中的應用在數控機床中的應用1、PLC在數控機床中的兩種應用形式： 內裝式（集成式，NC和PLC集合在一起，整體設計、信息交換速度快、系統可靠，高檔機床用） 獨立式（外裝式，獨立于NC，是能夠獨立完成功能的PLC。方便擴展、選

21、擇余地大，方便對控制規模調整） 2.PLC和外部信息交換：和機床側開關量信號通過I/O單元輸入PLC或輸出到機床；CNC廠家設計CNC信息直接送入PLC相關寄存器，如M、S、T功能，不可更改；PLC 送CNC的信號地址與含義由CNC廠家確定。PLC在數控機床中的應用在數控機床中的應用3.PLC在數控機床中的工作流程： 輸入采樣、程序執行、輸出刷新等4.PLC在數控機床中的功能操作面板的控制機床面板信號直接進入PLC，系統面板控制信號先經NC，NC再送PLC；機床外部開關輸入信號機床側的邏輯信號送入運算（行程、接近、模擬選擇開關等）輸出信號控制經繼電器、接觸器、電磁閥等輸出控制功能實現系統送來的

22、T指令給PLC ，進行換刀M功能系統送M指令PLC，控制主軸正反轉和停止PLC和外圍電路的關系和外圍電路的關系PLC對外圍電路的控制：PLC接收CNC控制信號及外電路反饋信號，經過邏輯運算、處理，其結果通過輸出口（或模塊）輸出，有的信號通過中間繼電器控制接觸器然后控制具體的執行機關動作。也有直接控制外部設施的。PLC接收外邊反饋信號，以監控設備設施的狀態。溫度傳感器、震動傳感器、行程開關、接近開關等，通過之間環節或直接進入PLC。PLC對外部控制的關鍵點是外部的輸入信號和輸出到外部的控制命令，要與PLC 的內部信號處理對應，即地址分配準確PLC和機床外圍電路的關系和機床外圍電路的關系1.外圍電路（強電回路）是不能夠直接和PLC相互連接的，所以外圍電路和PLC相互連接必須要通過中間的繼電器回路的轉換。2.進入PLC的必須要轉換成弱電信號，用于控制外圍電路的，必須要把PLC輸出的弱電信號轉換成強電信號。系統面板信號NCPLC機床面板信號機床機床面板信號PLC機床系統面板的信號NC PLC 外圍輔助設備 PLCNC指令外部反饋直接控制外部設備小功率設備由繼電器、接觸器等組成的外圍電路輔助設備PLCPLC和外圍電路的關系和外圍電路的關系PLC和外部的信息交換和外部的信息交換1、機床側至PLC： 機床側的信號通過I/O單元接口輸入到PLC