机电一体化系统分析

机电一体化系统分析————数控机床班级：学号：姓名：鉴于这个学期正在上数控机床这门课程，所以选择数控机床的机电一体化系统来进行分析。

数字控制技术是从金属切削机床数控的基础上发展起来的。

自1952年由美国帕森斯公司与麻省理工学院机构实验室研制成功世界上第一台三坐标数控铣床以来，数控机床经历了硬件数控（NC）、计算机数控（CNC）、多机台计算机直接群控（DNC）和微机数控（MNC）五个发展阶段，形成了门类齐全、品种繁多的数控机床，如数控车床、铣床、钻床、磨床和加工中心等。

一数控机床的原理数控机床加工零件时，是将被加工零件的工艺过程、工艺参数等用数控语言编制成加工程序，这些程序是数控机床的工作指令。

将加工程序输入到数控装置，再由数控装置控制机床主运动的变速、起停，进给运动的方向、速度和位移量，以及其它辅助装置严格地按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数进行工作，从而加工出符合要求的零件。

为了提高加工精度，一般还装有位置检测反馈回路，这样就构成了闭环控制系统，其加工过程原理如下图所示。

数控机床工作过程原理图二数控机床的组成从工作原理可以看出，数控机床主要由控制介质、数控装置、伺服检测系统和机床本体等四部分组成，其组成框图如下图所示。

①控制介质。

用于记载各种加工信息（如零件加工的工艺过程、工艺参数和位移数据等），以控制机床的运动，实现零件的机械加工。

常用的控制介质有磁带、磁盘和光盘等。

控制介质上记载的加工信息经输入装置输送给数控装置。

常用的输入装置有磁盘驱动器和光盘驱动器等，对于用微处理机控制的数控机床，也用操作面板上的按钮和键盘将加工程序直接用键盘输入，并在CRT显示器显示。

②数控装置。

数控装置是数控机床的核心，它的功能是接受输入装置输送给的加工信息，经过数控装置的系统软件或电路进行译码、运算和逻辑处理后，发出相应的脉冲指令送给伺服系统，通过伺服系统控制机床的各个运动部件按规定要求动作。

③伺服系统及位置检测装置。

伺服系统由伺服驱动电机和伺服驱动装置组成，它是数控系统的执行部分。

由机床的执行部件和机械传动部件组成数控机床的进给系统，它根据数控装置发来的速度和位移指令控制执行部件的进给速度、方向和位移量。

每个进给运动的执行部件都配有一套伺服系统。

伺服系统有开环、闭环和半闭环之分，在闭环和半闭环伺服系统中，还需配有位置测量装置，直接或间接测量执行部件的实际位移量。

④机床本体及机械部件。

数控机床的本体及机械部件包括：主动运动部件、进给运动执行部件（如工作台、刀架）、传动部件和床身立柱等支承部件，此外还有冷却，润滑、转位和夹紧等辅助装置，对于加工中心类的数控机床，还有存放刀具的刀库，交换刀具的机械手等部件。

三简易数控车床控制系统1）机械结构下图表示一种普通车床改造后的方案。

图中不改变车床主轴箱，即主轴变速仍靠人工控制，走刀丝杠改成滚珠丝杠11，去掉光杠，在走刀段右端增加一个丝杠支承。

丝杠11的右端用纵向步进电动机4直接驱动（或经传动齿轮减速驱动）。

纵向走刀丝杠采用滚珠丝杠的目的是为了提高纵向走刀的移动精度，对于半精加工的车床可直接使用原来的丝杠。

同样，横向走刀丝杠由步进电动机3直接驱动，完成横向走刀的进给和变速。

另外，刀架部分采用了电动刀架实现自动换刀。

为了使车床能实现自动车制螺纹，还要在主轴尾部加接一光电编码器（图中未示出），作为主轴位置检测，使车刀运动与主轴位置相配合。

改造后的车床传动系统1—电动机2—联轴器3—横向步进电机4—纵向步进电机5—联轴器6—纵向微调机构7—横向微调机构8—横向螺母9—纵向螺母10—横向微调机构11—纵向滚珠丝杠1、步进电动机与丝杠联接步进电动机与丝杠的联接要可靠，传动无间隙。

为了便于编程和保证加工精度，一般要求纵向运动的步进当量为0.01mm，横向运动的步进当量为0.005mm，步进电动机与丝杠的联接方式有直连式（同轴连接）和齿轮联接两种形式。

如下图所示。

直连式示意图1—车床支架 2—销钉 3—联轴套 4—步进电动机齿轮连接示意图2、步进电动机与床身的联接步进电动机与床身的联接，不但要求安装方便、可靠，同时又能确保精度。

常用的有固定板联接和变速箱联接两种，如下图所示。

固定板联接示意图1—床身 2—齿轮箱 3—变速齿轮 4—丝杠支架变速箱联接示意图1—床身 2—圆柱套筒 3—联接板 4—步近电动机5—齿轮 6—丝杠托架 7—丝杠3、自动回转刀架加工复杂工件时，需要几把车刀轮换使用，这就要求刀架能自动换位如下图所示。

自动刀架原理示意图当微机系统发出换刀信号后，如果要求的刀号与实际在位的刀号不符，电动机正转，通过螺杆推动螺母使刀台上升到精密端齿盘脱开时的位置，当刀随螺杆体转动至与刀号要求相符的位置时，微机发出反转信号，使电动机反转，于是刀台被定位卡死而不能转动，便缓慢下降至精密端齿盘的啮合位置，实现精密定位并锁紧。

当夹紧力增大到推动弹簧而窜动压缩触点时，电动机立即停转，并向微机发出换刀完成的应答信号，程序继续执行。

4、电动机尾架有的数控车床为实现轴类零件的自动化加工，采用了电动尾架装置，下图所示是一种适用于经济型数控车床的可控力电动尾架。

电动尾座1—刀位触点 2—胶木板 3—触点 4—刀台 5—螺杆副 6—精密齿盘 7—变速齿轮 8—蜗轮9—滑套式蜗杆 10—停车开关 11—刀架座12—压簧 13—粗定位电动机通电转动，通过一对齿轮副减速，带动丝杠转动，再通过装在轴套上的丝杠螺母使轴套前进，并稍稍压缩蝶形弹簧。

当顶尖推动丝杠转动，迫使顶尖紧顶工件时，丝杠以及螺母不能前进，这样就迫使丝杠后退，压缩蝶形弹簧并使从动齿轮后退。

从动齿轮后退时压下顶杆，顶杆又压下微动开关，切断电机的电源，至此顶紧操作完成。

顶尖后退时，利用一微型限位开关进行限位控制。

电动机控制电路除要有正反转点动控制外，还需有接向微机的开关。

2）控制系统的硬件设计数控机床微机系统有两种基本形式，即经济型和全功能型。

所谓经济型系统是用一个微机芯片作主控单元，伺服系统大都为功率步进电动机，采用开环控制系统，步进当量为0.01~0.005mm/脉冲，机床快速移动速度为5~8m/min，传动精度较低，功能也较为简单。

全功能型的系统用2~4个微机芯片进行控制，各CPU 之间采用标准总线接口，或者采用中断方式通讯。

在主控微机的管理下，各微机分别进行指令识别、插补运算、文本及图形显示、控制信号的输入输出等。

伺服系统一般采用交流或直流电机伺服驱动的闭环或半闭环控制，这种形式可方便地控制进给速度和主轴转速。

机床最快移动速度为8~24m/min，步进当量为0.01~0.001mm/脉冲，控制的轴数多达20~24个，因而广泛用于精密数控车床、铣床、加工中心等精度要求高、加工工序复杂的场合。

下图为一种经济数控系统的硬件框图，适用于普通车床的数控。

3）控制系统的软件设计为了使车床自动加工零件，必须先将人的意图用机器所能接受的语言编制成加工程序，程序格式不同，其设计方法也不同。

数控机床的软件分为系统软件（控制软件）和应用软件（加工软件）两部分。

加工软件是描述被加工零件的几何形状、加工顺序、工艺参数的程序，它用国际标准的数控编程语言编程，有关数控编程的规范和编程方法，可参阅有关的标准手册及文献资料。

控制软件是为完成机床数控而编制的系统软件，因为各数控系统的功能设置、控制方案、硬件线路均不相同，因此在软件结构和规模上相差很大，但从数控的要求上看，控制软件应包括输入数据预处理、插补运算、速度控制、自诊断和管理程序等模块。

1、数据输入模块系统输入的数据主要是零件的加工程序（指令），一般通过键盘、光电读带机或盒式磁带等输入，也有从上一级微机直接传入的（如CAD/CAM系统）。

系统中所设计的输入管理程序通常采用中断方式。

例如，当读带机读入一个数据后，就立即向CPU发出中断，由中断服务程序将该数据读入内存。

每按一次键，键盘就向CPU发出一次中断请求，CPU响应中断后就转入键盘服务程序，对相应的按键命令进行处理。

2、数据处理模块输入的零件加工程序是用标准的数控语言编写的ASCII字符串，因此，需要把输入的数控代码转换成系统能进行运算操作的二进制代码，还要进行必要的单位换算和数控代码的功能识别，以便确定下一步的操作内容。

3、插补运算模块数控系统必须按照零件加工程序中提供的数据，如曲线的种类、起点、终点等，插补原理进行运算，并向各坐标轴发出相应的进给脉冲。

进给脉冲通过伺服系统驱动刀具或工作台作相应的运动，完成程序规定的加工。

插补运算模块除实现插补各种运算外，还有实时性要求，在数控过程中，往往是一边插补一边加工的，因此插补运算的时间要尽可能的短。

4、速度控制模块一条曲线的进给运动往往需要刀具或工作台在规定的时间内走许多步来完成，因此除输出正确的插补脉冲外，为了保证进给运动的精度及平衡性，还应控制进给的速度，在速度变化较大时，要进行自动加减速控制，以避免因速度突变而造成伺服系统的驱动失步。

5、输出控制模块输出控制包括：（1）伺服控制：将插补运算出的进给脉冲转变为有关坐标的进给运动。

（2）误差补偿：当进给脉冲改变方向时，根据机床的精度进行反向间隙补偿处理。

（3）M、S、T等辅助功能的输出：在加工中，需要启动机床主轴、调整主轴速度和换刀等。

因此，软件需要根据控制代码，从相应的硬件输出控制脉冲或电平信号。

6、管理程序管理程序负责对数据输入、处理、插补运算等操作，对加工过程中的各程序模块进行调度管理。

管理程序还要对面板命令、脉冲信号、故障信号等引起的中断进行中断处理。

7、诊断程序系统应对硬件工作状态和电源状况进行监视，在系统初始化过程中还需对硬件的各个资源，如存储器，I/O口等进行检测，使系统出现故障时能及时停车并指示故障类型和故障源。