1、1,数 控 技 术,第 五 讲,数控编程培训专用教程,培训主办单位：数控培训中心 （内部专用教程）,主 讲 人：高级数控讲师 莫家数,2,第六章 数控机床的伺服系统,第一节 概述,第二节 进给驱动,第三节 主轴驱动,第四节 检测元件,第五节 位置控制系统,3,第六章第一节概述,一、 伺服的基本概念二、 常用伺服执行元件三、 伺服控制系统分类,4,一、伺服的基本概念 1、伺服系统的概念 伺服系统是以机械位置或角度作为控制量的自动控制系统。,在数控机床中，CNC控制器经过插补运算生成的进给脉冲或进给位移量指令输入到伺服系统， 由伺服系统经变换和功率放大转化为机床机械部件的高精度运动。 伺服系统既是
2、数控机床控制器与刀具、主轴间的信息传递环节，又是能量放大与传递的环节，它的性能在很大程度上决定了数控机床的性能。,5,2、伺服系统的基本技术要求 （1）精度高 伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确程度。,在速度控制中，要求高的调速精度，比较强的抗负载扰动能力。即对静、动态精度要求都比较高。 （2）稳定性好 稳定性是指系统在给定输入或外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态。 随伺服系统要求有较强的抗干扰能力，保证进给速度均匀、平稳。 稳定性直接影响数控价格的精度和表面粗糙度。,6,（3）快速响应 快速响应是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统的跟踪精度。
3、,为了保证轮廓切削形状精度和低的加工表面粗糙度，要求伺服系统跟踪指令信号的响应要快。 这一方面要求过渡过程时间要短，一般在200ms以内，甚至小于几十毫秒； 另一方面要求超调要小。,7,（4）调速范围宽 调速范围RN指生产机械要求电机能提供的最高转速nmax和最低转速nmin之比：RN=nmax/nmin。,通常，nmax和nmin一般对指额定负载时的转速，对于少数负载很轻的机械，也可以是实际负载的转速。,8,1）进给伺服系统的调速要求 数控机床中，进给伺服系统的调速范围与伺服系统的分辨率有关。 一般的调速范围要求在脉冲当量为0.001mm时达到0-24m/min。,进给伺服系统的调速可分为以
4、下几种： 在1-24000mm/min范围，要求速度均匀、稳定、无爬行、速降小。 在1mm/min以下时，具有一定的瞬时速度，而平均速度很低。 在零速时，要求电机有电磁转矩，以维持定位精度，使定位精度满足系统的要求，即处于伺服锁定状态。,9,2）主轴调速范围要求 主轴主要考虑速度控制，其调速系统一般要求1:100-1000范围内的恒转矩调速和1:10以上的恒功率调速，且有足够大的输出功率。,（5）低速大转矩 机床加工的特点是，在低速时进行重切削，因此要求伺服系统在低速时要有大的转矩输出。 进给坐标的伺服控制属于恒转矩控制； 而主轴坐标的伺服控制在低速时为恒转矩控制，在高速时为恒功率控制。,10
5、,二、常用伺服执行元件 伺服电动机是电气伺服驱动系统的执行元件，具有以下要求：,电动机从最低进给速度到最高进给速度范围内都能平滑地运转； 转矩波动要小，尤其在最低速度转速时，如 0.1r/min或更低时，仍有平稳的速度而无爬行。 电动机应具有大的、较长时间的过载能力，以满足低速大转矩的要求。 比如，电动机能在数分钟内过载4-6倍而不损坏。,11,为了满足快速响应要求，即随着控制信号的变化，电动机应能在较短时间内完成必须的动作。 要求电动机必须具有较小的转动惯量和大的堵转转矩，尽可能小的电动机时间常数和起动电压。,电动机必须具有4000rad/s2以上的加速度，才能保证电动机在0.2s以内从静止
6、起动到1500r/min。 电动机应能承受频繁的起动、制动和反转。常用的伺服执行元件主要有直流伺服电动机、交流伺服电动机、步进电动机和直接驱动电动机。,12,三、伺服控制系统分类1、按控制方式分类 位置控制系统可分为开环、半闭环和闭环三种。,开环控制不需要位置检测及反馈，半闭环、闭环控制需要位置检测及反馈。,13,2、按所驱动的伺服电动机分类（1）步进电动机伺服控制,（2）直流伺服系统 采用直流伺服驱动器将交流电转变为可控制的直流电驱动直流伺服电动机。 直流伺服驱动器所采用晶闸管(SCR)调速系统和晶体管脉宽调制(PWM)调速系统。 （3）交流伺服系统 采用改变交流伺服电动机的供电频率的方法来
7、达到电动机调速的目的,14,3、按进给驱动和主轴驱动分类（1）进给伺服系统 是指一般意义的伺服系统，包括速度控制和位置控制。,进给伺服系统要完成坐标轴的定位和轮廓跟踪功能，是数控机床中要求最高的伺服系统。（2）主轴伺服系统 一般只是一个速度控制系统，主要实现追大洲无级调速和满足功率与扭矩的输出。 对其精度和快速响应要求也没有进给伺服系统高。,15,第六章第二节进给驱动,一、直流伺服电动机速度控制单元二、交流伺服电动机速度控制单元,16,第六章第三节主轴驱动,一、对主轴驱动的要求二、直流主轴驱动系统三、交流主轴控制系统,17,一、对主轴驱动的要求机床主传动主要是旋转运动，无需丝杠或其他直线运动装
8、置。,1、对功率的要求 要求主转动电动机应有2.2-250KW的功率范围，既要能输出大的功率，又要求主轴结构简单。 2、宽调速范围 数控机床要求主驱动系统在1:100-1000范围内进行恒转矩和1:10的恒功率调速，,18,3、定位功能 要求主轴能与进给驱动实行同步控制； 在加工中心上为了自动换刀还要求主轴能进行高精度的准停控制；,为了保证端面加工的表面质量，要求主轴具有恒线速度表面切削功能； 有的数控机床要求具有较大分度控制功能。 现在国际上新生产的数控机床绝大多数采用交流主轴驱动系统。,19,第六章第四节检测元件,一、 概述 二、 光电盘与编码盘 三、 光栅测量装置 四、 感应同步器测量装
9、置 五、 磁尺测量装置,20,一、概述 伺服驱动元件中，步进电机、电液脉冲马达能够按数控装置发出的指令脉冲进行工作，在一般情况下不会失步，不需要位置检测，它们常用于开环系统。,在闭环系统中，常用各种直流电机以至于交流电机作为驱动元件，这就必须要有检测装置。 把位移测量信号作为反馈信号，并将信号转换成数字，送回计算机，和指令脉冲进行比较并控制驱动元件正确运转，所以测量装置是保证数控机床精度的关键。,21,数控机床对位置测量装置的要求是：（1）工作可靠；（2）使用维护方便；（3）满足速度和精度要求，（4）成本低。,22,第六章第五节位置控制系统,一、 步进电动机开环控制 二、 相位控制 三、 幅值
10、控制的组成和工作原理 四、 数字脉冲比较伺服系统 五、 数字伺服系统,23,五、数字伺服系统1、数字伺服系统的特点 数字伺服系统是用计算机软件来实现伺服控制的。,数字伺服系统较多的采用专用硬件数字电路，20世纪90年代起采用DSP和CPU构成的微机作为控制器，甚至直接采用工业PC机作为控制器的软件伺服系统得到充分发展。 其特点包括： （1）采用现代控制理论，通过计算机软件实现最佳最优控制。,24,（2）数字伺服系统是一种离散系统，其校正环节的比例(P)、积分(I)、微分(D)控制，即PID控制可由软件实现。,（3）数字伺服系统在检测灵敏度、时间漂移小、降噪、温度漂移小及抗外部干扰等方面都优于模
11、拟伺服系统和模拟数字混合伺服系统。 （4）高速度、高性能的微处理器的运用，使运算速度大幅度提高，也使得数字伺服系统具有较高的动、静态精度。 （5）伺服控制技术的软件化和硬件的通用化使伺服控制装置的成本大大降低，互换性提高。,25,第七章 数控机床的使用和维修 数控机床具体涉及到微电子、计算机、自动控制、自动检测、以及精密机械等方面最新技术成果，其使用、维修也不尽相同。,第一节 数控机床的选用,第二节 数控机床的安装和调试,第三节 数控机床的验收,第四节 数控机床的维修,26,第七章第一节数控机床的选用,一、 确定典型加工工件 二、 数控机床规格的选择 三、 机床精度的选择 四、 数控系统的选择
12、 五、 工时和节拍的估算 六、 自动换刀装置的选择及刀柄的配置 七、 数控机床驱动电动机的选择 八、 机床选择功能及附件的选择,27,一、确定典型加工工件 考虑到数控机床品种多，而且每一种机床的性能只适用于一定的使用范围， 只有在一定的条件下，加工一定的工件才能达到最佳效果。,因此选购数控机床首先必须确定用户所要加工的典型工件。 用户单位在确定典型工件时，应根据添置设备部门的技术改造或生产发展要求，确定有哪些零件的哪些工序准备用数控机床来完成，然后采用成组技术把这些零件进行归类。 一般在工厂车间设备配置中，卧式机床占60-70%，立式机床占30-40%。,28,二、数控机床规格的选择 数控机床
13、的规格应根据确定的典型工件进行。 数控机床的最主要规格就是几个数控坐标的行程范围和主轴电机功率。,机床的三个基本直线坐标(X,Y,Z)行程反映该机床允许的加工空间。 一般情况下加工件的轮廓尺寸应在机床的加工空间范围之内； 选用工作台面比典型零件稍大一些是考虑到安装夹具所需的空间。 工作台面的大小基本上确定了加工空间的大小。,29,主轴电动机功率反映了数控机床的切削效率，也从一个侧面反映了机床在切削时的刚性。,功率较大的直流或交流调速电机可用于高速切削，但在低速切削中转矩受到一定限制。 在选择规格时应考虑产品发展趋势，尺寸大一点，对产品开发的适应能力也强一些。 对少量特殊工件仅靠三个直线坐标加工
14、的数控机床还不能满足要求，要另外增加回转坐标(A,B,C)，或附加坐标(U,V,W)等。,30,三、机床精度的选择 选择机床的精度等级应根据典型零件关键部位加工精度的要求来定。 国产加工中心精度可分为普通型和精密型两种。,31,定位精度和重复定位精度综合反映了该轴各运动元部件的综合精度。 重复定位精度反映了该控制轴在行程内任意定位点的定位稳定性。,铣圆精度是综合评价数控机床有关数控轴的伺服跟随运动特性和数控系统插补功能的指标。 从机床的定位精度可估算出该机床在加工时的相应有关精度。 普通型数控机床进给伺服驱动机构大都采用半闭环方式，对滚珠丝杠受温度变化造成的位置伸长无法检测，因此会影响工件的加
15、工精度。,32,四、数控系统的选择 为了能使数控系统与所需机床相匹配，在选择数控系统时应遵循以下译本原则：,1、根据数控机床类型选择相应的数控系统 数控系统有适用于车、铣、镗、磨、冲压等加工。2、根据数控机床的设计指标选择数控系统 在可供选择的数控系统中，它们的性能高低差别很大。 不宜片面地追求高水平、新系统，而应该对性能和价格等作一个综合分析，选用合适的系统。,33,3、根据数控机床的性能选择数控系统功能 一个数控系统具有很大功能，有的属于基本功能，有的属于选择功能。,对选择功能一定要根据机床性能需要来选择，如果不加分析的都要，许多功能就用不上，会大幅度增加产品成本。4、订购数控系统时要考虑
16、周全 订购时把需要的系统功能一次订全，不能遗漏，避免由于漏订而造成的损失。,34,五、工时和节拍的估算选择机床时必须作可行性分析，一年之内该机床能加工出多少典型零件。,对每个典型零件，可根据准备给机床配置的刀具情况来确定切削用量， 并计算每道工序的切削时间t切及相应辅助时间t辅（t辅10%-20%t切）。 中小型加工中心每次的换刀时间约为10-20s，这时单工序时间为t工序= t切+t辅+（10-20s） 按300个工作日，两班制，一天有效工作时间14-15h计算，可算出机床的年生产能力。,35,六、自动换刀装置的选择及刀柄的配置 自动换刀装置（ATC）是加工中心、车削中心和带交换冲头数控冲床
17、的基本特征。,自动换刀装置的工作质量直接关系到加工中心的整机质量，其投资往往占整机的30%-50%。 用户在满足使用要求的前提下，尽量选用结构简单和可靠性高的ATC，也可相应降低整机的价格。 ATC刀库中储存刀具的数量，有十几把到40、60、100把等。 如果选用的加工中心不准备用于柔性加工单元或FMS中，刀库容量不宜选得太大。,36,七、数控机床驱动电动机的选择 机床的驱动电动机包括进给伺服电动机和主轴电动机两大类。,1、进给驱动伺服电动机的选择 原则上应根据负载条件来选择伺服电动机。 在电动机轴上所加的负载有两种，即阻尼转矩和惯量负载。其值应满足以下条件： 当机床作空载运行时，加在伺服电动
18、机轴上的负载转矩应在转矩速度特性曲线的连续工作区。 最大负载转矩、加载周期及过载时间都应在提供的特性曲线的允许范围以内。,37,电动机在加速或减速过程中的转矩应在加减速区（或间断工作区）之内。,对要求频繁起、制动及周期性变化的负载，必须检查它在一个周期中的转矩均方根值，并应小于电动机的连续额定转矩。加在电动机轴上的负载惯量大小对电动机的灵敏度和整个伺服系统精度将产生影响。 推荐对电动机惯量JM和负载惯量JL之间的关系为：,38,2、主轴电动机的选择 选择主轴电动机功率的原则按以下几条原则，综合考虑来选择主轴电动机的功率。,所选择电动机应能满足机床设计切削功率要求。 根据要求的主轴加减速时间计算
19、出的电动机功率不应超过电动机的最大输出功率。 在要求主轴频繁起、制动的场合，必须计算出平均功率，其值不能超过电动机连续额定输出功率。 在要求有恒表面速度控制的场合，则恒表面速度控制所需的切削功率和加速所需功率两者之和应在电动机能够提供的功率范围之内。,39,八、机床选择功能及附件的选择 选择选择件、选择功能及附件的基本原则是：全面配置、长远综合考虑。,对一些价格增加不多，但对使用带来很多方便的，应尽可能配置齐全，附件也应配置成套。 用户单位选用的机床，数控系统不宜太多太杂，否则会给维护修理带来极大困难。 对可以多台机床合用的附件，只要接口通用，应多台机床合用，可减少投资。 要选择与生产能力相应
20、的冷却、防护及排屑装置。,40,第七章第二节数控机床的安装和调试 数控机床的安装与调试工作是指数控机床运到用户后，将它安装到工作现场，直至能正常工作的这一阶段所做的工作。,一、 机床初就位和连接 二、 数控系统的连接和调整 三、 通电试车 四、 机床精度和功能的调试 五、 试运行,41,第七章第三节数控机床的验收,一、 验收的基本概念 二、 机床外观检查 三、 机床性能及NC功能试验 四、 机床几何精度检查 五、 机床定位精度检查 六、 机床切削精度检查,42,第七章第四节数控机床的维修,一、数控机床维修的基本概念 二、 预防性维护 三、 常见故障分类 四、 故障的判断及处理 五、 旧数控机床
21、再生改造,43,一、数控机床维修的基本概念 1、可靠性 所谓可靠性是指在规定的条件下（如环境温度下、使用条件及使用方法等）数控机床维持无故障工作的能力。衡量指标如下。,平均无故障时间tMTBF是指一台数控机床在使用中两次故障间隔的平均时间。 即数控机床在寿命范围内总工作时间和总故障次数之比，即,44,平均修复时间tMTTR是指数控机床从出现故开始直至能正常使用所用的平均修复时间。 有效度A。是指一台可维修的机床，在某一时间段内，维持其性能的概率。,是从可靠度和可维修度对数控机床的正常功率概率进行综合评价的尺度。 有效度A是一个小于1的数，但越接近1越好。,45,三、常见故障分类 数控机床的故障
22、可按故障的性质、产生的原因等作多种分类。,以故障出现的必然性和偶然性，可分为系统性故障和随机性故障。 系统性故障是指只要满足一定的条件，机床或数控系统部分必然出故障。 随机性故障，是指在同一的条件下只偶然出现一两次，其分析和排除较为困难。 以故障出现时有无自诊断显示功能，分为有诊断显示故障和无诊断显示故障。 有诊断显示故障一般都与控制部分有关；而无诊断显示故障往往机床停在某一位置不动，手动失灵。,46,以故障出现有无破坏性而分为破坏性故障和非破坏性故障。以机床的运动品质特性来衡量，是机床运动品质特性下降的故障。,此时机床仍可照常运行，但加工不出合格零件。从发生故障的部位可分为硬件故障和软件故障两种。 硬件故障指只有更换已损坏的器件故障才能排除。 另一类是程序编制等错误造成的软故障，只要相应改变程序内容或修改参数等就能排除故障。,
