第三章数控机床电气控制系统辅导材料.docx

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第三章数控机床电气控制系统辅导材料

第三章　数控机床电气控制系统辅导材料

（一）目的与要求

　　使学生掌握数控机床电气控制系统的组成及其各部分的作用、特点、选型。

（二）重点与难点

　　重点是数控系统的基本组成，PLC在数控机床上的作用；难点是数控系统的插补原理和伺服驱动电动机的选型方法。

　　（三）教学内容

　　1．数控机床电气控制系统概述

　　2．数控系统的功能和特点

　　3．数控系统的插补原理

　　4．典型数控系统及其应用

　　5．数控机床上的可编程控制器

　　6．伺服系统

　　（四）教学要求

　　1．掌握数控系统的基本组成并了解其基本工作原理。

　　2．掌握数控系统的特点和功能。

　　3．了解数控系统的各类插补方法的特点和应用。

　　4．了解典型数控系统的应用。

　　5．掌握可编程控制器的作用、组成、特点、常见类型。

　　6．了解可编程控制器在数控机床中常用配置方式。

　　7．掌握伺服系统的作用。

　　8．了解数控机床对伺服系统的要求。

　　9．了解伺服系统对伺服电的要求。

　　10．了解伺服电机的特性和选型方法。

　　（五）内容提要和学习指导

3.1数控机床电气控制系统的概述

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相互依存的功能部件构成，见图3.1为数控系统的基本构成。

　　人机界面：

是数控机床操作人员与数控系统进行信息交换的窗口。

　　数字控制：

是数控系统核心，数字控制包括了轨迹运算和位置调节两大主要功能，以及各种相关的控制，比如加速度控制、刀具参数补偿、零点偏移、坐标旋转与缩放等。

　　逻辑控制：

也叫做可编程控制器机床接口或PLC，是用来完成机床的逻辑控制。

3.1.2数控机床电气控制系统的数据流

　　数据转换流程：

译码→准备→插补→位置控制。

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

　　计算机数控系统有下述主要特点：

1.具有灵活性

2.具有通用性

3.较强的环境适应性

4.复杂、高效的数控功能

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

3.2.2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。

其主要功能如下：

1.控制功能

2.准备功能和辅助功能

3.点位与连续移动功能

4.插补功能

5.固定循环加工功能

6.进给功能

7.主轴速度控制功能

8.刀具管理功能

9.补偿功能

10.人机对话功能

11.程序编制功能

12.输入、输出和通信功能

13.自诊断功能

3.2.3数控系统的插补原理

　　1、插补的基本概念：

数据密化的过程。

对输入数控系统的有限坐标点（例如起点、终点），计算机根据曲线的特征，运用一定的计算方法，自动地在有限坐标点之间生成一系列的坐标数据，以满足加工精度的要求。

　　2、插补方法的分类：

基准脉冲插补和数据采样插补两大类。

（1）基准脉冲插补：

　　1）应用：

适用于以步进电机为驱动装置的开环数控系统。

　　2）特点：

每次插补结束后产生一个行程增量，并以脉冲的方式输出到坐标轴上的步进电机。

　　3）脉冲当量：

单个脉冲使坐标轴产生的移动量，是脉冲分配的基本单位。

一般用δ来表示。

　　4）逐点比较插补法是以折线来逼近直线或圆弧曲线，它与给定的直线或圆弧之间的最大误差不超过一个脉冲当量。

（2）数据采样插补：

　　1）应用：

适用于交、直流伺服电动机驱动的闭环（或半闭环）位置采样控制系统。

　　2）特点：

是插补运算分粗插补和精插补两步进行。

这类插补算法都是采用时间分割的思想，根据程序编制的进给速度，将轮廓曲线分割为采样周期的进给段（轮廓步长），即用直线或圆弧逼近轮廓曲线。

　　3、典型的插补方法简介（了解）

3.2.4典型数控系统及其应用

　　1、数控系统是数控机床的核心。

数控机床根据功能和性能要求，配置不同的数控系统。

　　2、典型数控系统：

　　国外：

FANUC（日本）、SIEMENS（德国）、FAGOR（西班牙）、HEIDENHAIN（德国）、MITSUBISHI（日本）；

　　国内：

华中数控、航天数控。

3.3数控机床上的可编程控制器（PLC）

3.3.1PLC的工作原理

　　1、作用：

代替数控机床上的继电器逻辑，完成逻辑控制。

　　2、组成：

　　硬件组成：

由中央处理器（CPU）、存储器、输入／输出单元、编程器、电源和外部设备等组成，内部通过总线相连。

　　软件组成：

包括系统软件和用户应用软件。

　　4、PLC内部一般采用循环扫描工作方式，在大、中型PLC中还增加了中断工作方式。

　　5、特点：

（1）可靠性高。

（2）编程简单，使用方便。

　　（3）灵活性好。

　　（4）直接驱动负载能力强。

　　（5）便于实现机电一体化。

　　（6）利用其通信网络功能可实现计算机网络控制。

3.3.2数控机床的PLC

3.3.2.1数控机床PLC的控制对象

　　1、PLC处于CNC和MT之间，对NC侧和MT侧的输入、输出信号进行处理。

　　2、PLC在数控机床中三种配置方式：

（1）PLC在机床一侧。

（2）PLC在电气控制柜中。

　　（3）PLC在电气控制柜中，而输入/输出接口在机床一侧。

　　3、CNC装置和机床输入/输出信号的处理包括：

（1）CNC→机床

（2）机床→CNC

3.3.2.2数控机床PLC的形式

　　数控机床用PLC可分为两类：

内装型和独立型。

3.4关于数控伺服系统

　　作用：

伺服系统是把数控信息转化为机床进给运动的执行机构。

3.4.1数控机床对伺服系统的要求

　　1、数控机床对进给伺服系统的要求：

（1）可逆运行

（2）速度范围宽

　　（3）具有足够的传动刚性和高的速度稳定性

　　（4）快速响应并无超调

　　（5）高精度

　　（6）低速大转矩

　　2、伺服系统对伺服电机的要求

（1）调速范围宽、运动平稳。

（2）有过载能力。

　　（3）负载特性硬。

　　（4）电机应能承受频繁启动、制动和反转。

3.4.2伺服电机的特性与选型

　　常用伺服电机：

步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机、电主轴。

　　伺服电机选型要根据机床的设计性能指标，以及机床实际应用条件，来选择合适的伺服电机。

同时需要考虑该电机的过载能力和过载的条件，并且要考虑机床传动系统的丝杠与伺服电机转子的惯量匹配。

（六）增加内容

3.4.2伺服电机的特性与选型

　　伺服电机是数控机床驱动坐标运动的执行部件。

伺服驱动系统控制伺服电机驱动数控机床的传动系统。

因此驱动系统也是数控机床性能的保证。

伺服电机不仅具有恒定输出转矩的特性，既在额定转速范围内可输出恒定的转矩，而且电机还具有非常强的过载能力。

目前数控机床制造商使用的伺服电机有：

步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机、直线电机等，各自的工作原理、控制方式各有差异，使用特性和成本也相差很大，限于篇幅本书就不详细论述，在此我们主要讲述其通用特性和选型，有兴趣的读者可以参考其他资料。

　　伺服电机制造厂商为机床制造厂提供的机械安装和电气数据，便于机床制造厂选择合适的伺服电机并且设计电机在机床上的安装。

在这些数据中对伺服电机的额定速度、额定转矩以及过载能力都有详细的描述。

在机床选配伺服电机时，要根据机床的设计性能指标，比如进给轴的最高速度、加速度、主轴的功率和调速范围，以及机床实际应用条件，比如切削的材料、加工工艺参数、使用的刀具等条件，来选择合适的伺服电机。

同时需要考虑该电机的过载能力和过载的条件，并且要考虑机床传动系统的丝杠与伺服电机转子的惯量匹配。

如果不能选用合适的伺服电机，可能导致伺服电机长期运行在过载状态下，导致伺服电机的损坏，或机床的加速特性不能达到设计指标的要求。

　　更准确地讲，伺服电机选型的另一个依据是伺服电机的工作制和定额。

根据国标《通用用电设备配电设计规范GB50055-93》。

对电机的工作制进行了明确的定义。

伺服电机的额定功率是以工作制为基准的。

不同工作制的机械应选用相应定额的电动机。

“定额”是“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”。

“工作制”是“电机承受负载情况的说明，包括起动、电制动、空载、断能停转以及这些阶段的持续时间和顺序”。

　　电机的工作制分为9类：

（1）连续工作制—S1；..

（2）短时工作制—S2；..

　　（3）断续周期工作制—S3；..

　　（4）包括起动的断续周期工作制—S4；..

　　（5）包括电制动的断续周期工作制—S5；..

　　（6）连续周期工作制—S6；..

　　（7）包括电制动的连续周期工作制—S7；..

　　（8）包括变速负载的连续周期工作制—S8；..

　　（9）负载和转速非周期变化工作制—S9

　　按此分类，连续工作制（S1）为恒定负载（运行时间足以达到热稳定）；连续周期工作制（包括S6～S8）则为可变负载。

　　电动机的定额分为5类：

（1）最大连续定额（cont或S1）；..

（2）短时定额（例如S2—60min）—..持续运行时间为10、30、60或90min；..

　　（3）等效连续定额（equ）—..制造厂为简化试验而作的规定，与S3～S9工作制之一等效；

　　（4）周期工作定额（例如S3—40%）—..工作制符合S3～S8之一，负载持续率为15％、25％、40％或60％，每一周期为10min；..

　　（5）非周期定额（S9）。

　　对于工作在连续工作制的电机，电机绕组的平均温升也是影响电机特性的技术指标。

100K对应于根据温升等级F的应用。

60K表示基于温升等级B的应用。

在下面的情况下应选用绕组温升60K的电机。

（1）出于安全原因，内部温度必须小于90°C。

（2）当电机的轴端温度对所连接的机械部件有负面影响时。

　　电机的其他数据均适用于40°C环境或冷却介质温度。

　　1、关于进给轴的伺服电机

　　在图3.14中描述了某型号伺服电机的基本特性。

可以看出，在额定转速范围内伺服电机可以输出基本恒定的转矩。

另外伺服电机具有很强的过载能力。

在S3-25%的工作条件下，过载能力几乎达到300%。

但是过载运行的时间是有限制的。

就是说所有伺服电机的过载都是短时的。

具体的过载时间范围，由伺服电机的制造厂商根据电机的工作制提供。

图3.14只是某个伺服电机的特性的实例。

在实际选择伺服电机时，有关过载的时间参数，应以所选用的伺服电机的技术指标为准。

图3.14某伺服电机的基本特性：

速度——转矩图

（1）惯量匹配

　　在机床的机械设计完成后，需要根据各个坐标传动系统的机械数据，以及该轴的设计指标，来选择合适的伺服电机。

由于伺服电机是在其恒转矩范围内工作，所以首先应按照各个坐标传动系统所需要的转矩选择伺服电机。

每个坐标轴需要的转矩与工作台的质量、导轨的摩擦系数，以及丝杠的惯量等参数相关，并且还要考虑切削时需要的动力。

在某些应用场合，根据上述条件选出的伺服电机并不一定能够满足机床的性能指标。

比如用于模具加工的机床，不仅需要伺服电机能够产生足够的转矩驱动机床的坐标轴，而且还需要机床的各个坐标具有非常高的加速特性。

这时只考虑伺服电机的转矩是不够的，还需要考虑伺服电机转子与滚珠丝杠的惯量匹配问题，还需要考虑电机丝杠的连接方式。

伺服电机与丝杠的惯量是否匹配，将直接影响该坐标轴的加速度特性。

如果电机的惯量过小，尽管其转矩已经满足设计要求，但是机床坐标轴的加速度可能满足不了要求。

如果丝杠和电机转子不能做到惯量匹配，机床坐标轴的快速性就不能得到保证。

对于用于模具加工的机床，就可能影响工件加工的尺寸精度和表面粗糙度。

　　一般情况下电机惯量与丝杠惯量应满足以下关系：

　　惯量电机≥惯量丝杠/3

（2）伺服电机的轴端受力

　　伺服电机对其轴端的径向受力有严格的要求。

在图3.15中描述了某型号伺服电机对轴端径向受力的定义。

图中F为作用在电机轴的径向力，x为径向力作用在轴向的距离（单位：

mm），l为轴长度（单位：

mm）。

在图3.16中为该型号伺服电机轴端径向力的技术指标。

可以看出，伺服电机的工作速度越高，其轴端允许的径向受力越小。

如果伺服电机需要在3000r/min的速度下长时间运行，那么在机械设计上，要考虑伺服电机轴端与丝杠的连接方式对电机轴端施加的径向力。

如果超出伺服电机允许的范围，伺服电机轴承的使用寿命缩短，而且可能导致伺服电机的轴承损坏。

图3.15伺服电机轴端径向受力定义

图3.16某型号伺服电机轴端径向受力的指标

　　因而在机床的设计和装配中，必须考虑伺服电机轴端与丝杠的连接时，作用在电机轴端的悬臂力（或称径向力）。

对于刚性直接连接方式，在装配上应严格保证丝杠与伺服电机轴的同心。

否则在伺服电机转动时，会在电机轴端产生周期性变化的悬臂力；如果在设计和装配上不能严格保证同心，可采用弹性连轴节；对于采用同步齿型带连接方式，齿型带的装配会产生不同的结果，齿型带过松，在伺服电机轴端的径向力小，但影响机床坐标轴的定位精度和动态特性。

如果齿型带装配过紧，对伺服电机轴端的径向力过大，当伺服电机长期在高速状态运行时，会影响伺服电机的轴承寿命。

　　（3）伺服电机过载能力

　　众所周知，伺服电机具有很强的过载能力，有些甚至可达300%的过载，但是伺服电机的过载是有条件的，这个条件就是过载的时间限制。

图3.17是某型号伺服电机在额定电流下工作时允许的过载能力，图3.18是该伺服电机在零电流下工作时允许的过载能力。

图中In为额定电流，Imax为最大电流。

驱动器对于允许的过载输出电流，以及过载的时间地都有严格的限制。

图3.17伺服电机的峰值电流（带预置负载）

图3.18伺服电机的峰值电流（无预置负载）

　　假如在应用过程中驱动器出现了电流过载报警，表明实际的电流已经超过了设定的过载极限和设定的过载时间。

要想排除报警，就必须的要查明过载的原因。

在没有任何根据的情况下，为了消除报警而放大过载极限和过载时间的做法都是错误的。

结果可能导致伺服电机或驱动器的损坏。

因此在数控机床的设计时，应根据机床的设计指标选择合适的伺服电机，以避免伺服系统长期处于过载状态运行。

　　关于伺服电机选择依据，首先是在机床设计时定义的性能指标，比如坐标轴的最高速度和最大加速度，加工时作用在该坐标轴上的最大分力。

其次是机械部件的数据，比如伺服电机与丝杠的连接方式（直连方式、减速方式等）、工作台的质量和丝杠的惯量等，另外还需要考虑伺服电机的工作温升。

通常数控系统的供货商会提供相应的工具软件，用于计算、分析，并确定合适型号的伺服电机。

另外很多机床制造厂通常根据自己的经验选择伺服电机，这种经验是建立在批量生产的基础上的。

对于新型号的机床则需要精密计算，或利用系统提供的软件工具来选择匹配的伺服电机。

　　2、关于主轴电机

　　主轴是产生主切削运动的动力源，主轴不仅要在高速旋转的情况下承载切削时传递的主轴电机的动力，而且还要保持非常高的精度。

主轴是一台数控机床中最关键的部件，主轴的技术指标也决定了机床的技术水平。

主轴在结构上分为机械主轴和电主轴。

机械主轴由刀具的装卡机构、轴承、主轴冷却系统以及配套的主轴电机、测量部件及驱动装置等构成。

有的主轴还配备了液压或气动的换挡机构。

电主轴的特点是主轴电机被集成到主轴的机械部件中，构成一个整体结构的主轴系统。

用于电主轴的主轴电机的供货商一般只提供主轴电机的转子和定子，由机床制造厂根据自己的主轴的机械结构将转子和定子以及松刀机构集成到主轴中，构成一个完整的电主轴。

也有一些厂商可提供完整的电主轴产品，比如德国WEIS公司电主轴系列可直接用于车床和铣床。

图3.19所描述的一个电主轴的内部结构。

由于采用电主轴，缩短了机床的生产周期，降低了生产的成本，而且提高了机床的性能。

图3.19某主轴电机的内部结构

　　本节只描述用于机械主轴的主轴电机。

介绍主轴电机的性能和正确设计使用的方法。

以避免主轴电机在机床的使用过程中的可能出现的故障。

有关电主轴的技术要求，与机械主轴电机基本相同。

（1）主轴电机的特性

　　在描述主轴特性的参数中，有一个重要的数据——额定转速。

图3.20为某一型号3.5kW主轴电机的特性曲线。

在特性曲线图中可以看出，当主轴的转速小于额定转速时，主轴工作在恒转矩区；当主轴的转速大于额定转速时，主轴工作在恒功率区。

主轴的额定转越低，表示主轴进入恒功率区的速度也越低。

（2）主轴的工作点

在机床设计时，需要根据机床切削的指标定义机床的技术指标。

其中主轴的输出功率和主轴的调速范围为关键的技术指标。

比如主轴的输出功率为3.5kW，调速范围为1500~8000r/min。

根据图3.20所示的主轴电机的特性曲线，可以看出，主轴与主轴电机之间采用1:

1的直连方式，即可实现上述技术指标。

虽然主轴电机的速度可以在零速到标定的最大速度之间连续变化，但在额定输出功率下的调速范围，为额定转速到最大转速。

当主轴在低于额定转速下工作时，主轴的输出功率不能达到主轴电机的额定功率。

即使在低于额定转速的工作区主轴电机可以在过载状态运行，输出更高的功率，甚至输出功率可高于额定功率，但在过载的状态下主轴是不能长时间工作。

图3.20某主轴电机的特性曲线

　　　　因此在数控机床的设计阶段，必须明确主轴的输出功率和调速范围等技术指标。

否则用户在切削时可能出现由于主轴输出功率不够造成的主轴“闷车”而不能完成用户加工程序中所要求的切削用量。

就以主轴与主轴电机1:

1直连的机床为例，如果加工的工艺要求主轴需要在500r/min时进行切削，根据主轴电机的特性曲线，此时主轴的实际输出功率只有额定功率的1/3。

如果用户需要机床的主轴在500r/min下，能够产生3.5kW的功率输出，根据该主轴电机的特性曲线，可确定在该转速下主轴电机不能产生所需要的功率。

这时就需要考虑更改机床的设计。

方案之一是主轴机械结构不变，主轴与主轴电机之间仍然采用1:

1直连方式，而选择另一型号的主轴电机使其在500r/min下可以产生大于等于3.5kW的输出功率。

解决方案之二是改变主轴的机械结构，增加主轴减速机构。

比如采用3:

1的减速器，主轴电机运转在1500r/min时就可以输出3.5kW的功率。

但是减速器影响了主轴的最高速度。

主轴电机的最高转转速为9000r/min，增加3:

1的减速器后，主轴的最高转速只能达到3000r/min。

这时主轴的调速范围就变为500~3000r/min。

还有一种方案是采用主轴换挡机构，需要低速加工时采用3:

1挡，而需要高速加工时，采取1:

1挡。

这样不仅满足低速状态下可以产生足够的转矩，而且可以保证主轴的调速范围。

　　（3）过载能力

　　主轴电机同样具有很强的过载能力。

对于前面讨论的主轴工作点选择的问题，有些错误的观点认为，在恒转矩区工作时，可通过主轴电机的过载提高其输出功率。

这种观点的错误之处是主轴不能长时间过载。

伺服主轴所允许的过载只是短时的。

特别时在主轴电流达到驱动器的最大设计电流时，所允许的驱动电流过载的时间就更短。

　　图3.21所示为在没有达到主轴驱动器最大电流时的所允许的过载。

图3.22所示为在达到主轴驱动器最大电流时的所允许的过载。

图中Is6为连续周期工作制的电流。

图3.21某主轴电机工作在S6的过载时间

图3.22某主轴电机过载到最大电流的时间

　　伺服主轴具有很强的过载能力。

在使用过程中过载是允许的，但是过载的时间是短暂的。

在设计主轴的性能指标时，一定要正确的选择主轴的工作点。

在数控机床出厂时，应为用户提供主轴的功率特性，以指导用户正确使用主轴。

作为机床的使用者，也需要了解数控机床主轴的特性，以便在加工程序中正确地选择切削用量，保证主轴的输出功率得以充分地利用。

图3.23某主轴电机允许的轴端悬臂力

　　（4）轴端受力

由于主轴轴承的设计承载能力，主轴电机对于不同速度下作用在其轴端的悬臂力有明确的要求。

图3.23中的曲线描述了某型号主轴电机在不同转速下所允许的最大悬臂力。

如果施加在主轴电机轴端的悬臂力大于允许值，将影响主轴电机轴承的使用寿命，甚至可能导致主轴电机轴的断裂。

因此在主轴机械设计中要考虑主轴电机的轴端悬臂力，并且在主轴电机的安装时，保证施加在主轴轴端的悬臂力不大于设计指标。

如果某机床主轴的设计指标要求主轴电机长期在高速下运行，应考虑在采购主轴电机时选用增速型主轴电机。

　　（5）主轴总成的动平衡

　　主轴在高速加工时，如果主轴的旋转部件不能做到动平衡，在高速旋转运动中会产生震动，影响加工质量。

主轴部件不平衡的原因来自其运动部件的机械结构、材料的不均匀性和加工及装配的不一致性。

而对于主轴电机来说，其不平衡的问题来自其轴的安装形式。

带有光轴主轴电机，在出厂时已经进行了平衡的调整，可以达到动平衡；而带键轴的主轴电机，在出厂前也进行了全键平衡和半键平衡的调整。

也就是说主轴电机在出厂时已经具备了动平衡的特性。

　　当主轴电机的轴与皮带轮连接在一起后，必须整体进行动平衡的调整。

这样才能保证主轴电机的轴在安装了皮带轮候仍然可以达到动态平衡。

如果主轴在高速运行时，比如主轴转速大于3000r·min-1，产生了高频的振动。

其原因必然是动平衡的问题。

动平衡的问题只能通过机械调整消除。

　　（6）惯量匹配

　　主轴电机与主轴的惯量匹配的影响主轴的加速特性，主轴加速特性直接影响主轴的快速定向和高速攻丝加工等功能。

如果主轴电机通过减速器与主轴连接，在设计时也要考虑主轴电机转子的惯量与负载（连轴节及减速器）之间的惯量匹配。