数控机床系统结构分析 论文

前言随着电子技术和自动化技术的发展，数控技术的应用越来越广泛。

以微处理器为基础，以大规模集成电路为标志的数控设备，已在我国批量生产、大量引进和推广应用，它们给机械制造业的发展创造了条件，并带来很大的效益。

但同时，由于它们的先进性、复杂性和智能化高的特点，在维修理论、技术和手段上都发生了飞跃的变化，也在其维修理论、技术和手段上带来了很大的变化。

另外任何一台数控设备都是一种过程控制设备，这就要求它在实时控制的每一时刻都准确无误地工作。

任何部分的故障与失效，都会使机床停机，从而造成生产停顿。

因而对数控系统这样原理复杂、结构精密的装置进行维修就显得十分必要了。

尤其对引进的CNC机床，大多花费了几十万到上千万美元。

在许多行业中，这些设备均处于关键的工作岗位，若在出现故障后不及时维修排除故障，就会造成较大的经济损失。

我们现有的维修状况和水平，与国外进口设备的设计与制造技术水平还存在很大的差距，并且在数控机床电气维修技术方面我国还没有形成一套成熟的、完整的理论体系，这就给数控机床的维修与诊断带来了很多的不便，因此，一篇讲座形式的文章不可能把已经形成了一门专门学科的数控机床电气维修技术理论完整地表述出来，本文仅是将许多前辈的经验总结加以适当的归纳整理，以求对该学科理论的发展及工程技术人员的实践有所裨益。

控机床是现代高科技发展的产物，每当一批零件开始加工时，有大量的检测需要完成，包括夹具和零件的装卡、找正、零件编程原点的测定、首件零件的检测、工序间检测及加工完毕检测等。

目前完成这些高精度检测工作的主要手段有手工检测、离线检测和在线检测。

在线检测也称实时检测，是在加工的过程中实时对刀具进行检测，并依据检测的结果做出相应的处理。

在线检测是一种基于计算机自动控制的检测技术，其检测过程由数控程序来控制。

闭环在线检测的优点是：能够保证数控机床精度，扩大数控机床功能，改善数控机床性能，提高数控机床效率。

关键词：数控机床装置检测刀具目录前言 (1)第一章数控机床的组成和结构特点 (3)1.1数控机床的概念 (3)1.2数控机床的结构组成 (3)1.3数控机床的结构特点 (4)第二章数控机床的控制 (5)2.1 数控机床的强电控制系统 (5)2.2数控机床种的伺服系统 (5)2.2.1 伺服系统的组成 (5)2.2.2 伺服系统的分类 (6)2.2.3 进给伺服系统的要求 (8)2.3 数控机床PMC (9)2.3.1 PMC概述 (9)2.3.2 数控机床PMC的动作要求 (10)第三章数控机床的检测系统 (12)3.1 数控机床在线检测系统的组成 (12)3.2 数控机床在线检测的工作原理 (13)3.3 数控机床在线检测编程 (14)3.4 数控机床在线检测系统仿真 (15)第四章数控机床的执行装置 (17)4.1交流伺服电动机的结构和原理 (17)4.2 交流伺服电动机分类和特点 (18)4.3 工作特性和用途 (19)4.4 直流伺服电动机 (20)参考文献 (22)第一章数控机床的组成和结构特点1.1数控机床的概念数控机床是数字控制机床（Computer numerical control machine tools）的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。

该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，从而使机床动作数控折弯机并加工零件。

1.2数控机床的结构组成在数控加工中，数控铣削加工最为复杂，需解决的问题也最多。

除数控铣削加工之外的数控线切割、数控电火花成型、数控车削、数控磨削等的数控编程各有其特点，伺服系统的作用是把来自数控装置的脉冲信号转换成机床移动部件的运动。

具体有以下部分构成：主机他是数控机床的主体，包括机床身、立柱、主轴、进给机构等机械部件。

他是用于完成各种切削加工的机械部件。

数控装置是数控机床的核心，包括硬件（印刷电路板、CRT显示器、键盒、纸带阅读机等）以及相应的软件，用于输入数字化的零件程序，并完成输入信息的存储、数据的变换、插补运算以及实现各种控制功能。

驱动装置他是数控机床执行机构的驱动部件，包括主轴驱动单元、进给单元、主轴电机及进给电机等。

他在数控装置的控制下通过电气或电液伺服系统实现主轴和进给驱动。

当几个进给联动时，可以完成定位、直线、平面曲线和空间曲线的加工。

辅助装置指数控机床的一些必要的配套部件，用以保证数控机床的运行，如冷却、排屑、润滑、照明、监测等。

它包括液压和气动装置、排屑装置、交换工作台、数控转台和数控分度头，还包括刀具及监控检测装置等。

编程及其他附属设备可用来在机外进行零件的程序编制、存储等。

1.3数控机床的结构特点数控机床的操作和监控全部在这个数控单元中完成，它是数控机床的大脑。

与普通机床相比，数控机床有如下特点：（1）加工精度高，具有稳定的加工质量；（2）可进行多坐标的联动，能加工形状复杂的零件；（3）加工零件改变时，一般只需要更改数控程序，可节省生产准备时间；（4）机床本身的精度高、刚性大,可选择有利的加工用量，生产率高（一般为普通机床的3~5倍）；（5）机床自动化程度高，可以减轻劳动强度；（6）对操作人员的素质要求较高，对维修人员的技术要求更高。

第二章数控机床的控制2.1 数控机床的强电控制系统合适的强电控制系统，使它能够接受数控系统发出的弱电信号，并将弱电信号放大后去控制强电设备的运转。

同时，数控机床工作时的各种信号又可以用合适的电平回馈给数控系统。

强电系统在设计时应充分考虑避免外界干扰信号的侵入和数控机床本身强电元件起动和停止时可能产生的干扰。

对外界干扰信号（如：大型动力机械起动、电弧焊机焊接时等）采取隔离变压器或自动交流稳压器进行处理可以取得良好的效果对于强电系统内部接触器吸合等产生的干扰信号，使用浪涌抑制元件可以消除其影响；对于数控系统通信使用的控制信号电缆使用单端或两端接地的方式可以有效消除电磁波的干扰；数控机床的控制柜一定要良好接地使其能够良好屏蔽外部的电磁干扰信号；在控制柜内部的数控系统和伺服驱动系统等运动控制系统也应采取良好的接地措施。

2.2数控机床种的伺服系统2.2.1 伺服系统的组成数控伺服系统是指以机床运动部件(如工作台、刀具等)的位置和速度作为控制量的自动控制系统，又称为随动系统闭环伺服系统主要由以下几个部分组成：1)CNC装置接收输入的加工程序指令信息，进行插补运算和位置控制。

2)伺服驱动接收CNC指令信息，进行信号转换和功率放大，驱动伺服电动机运转。

3)执行元件可以是步进电动机、直流或交流伺服电动机等。

4)传动装置包括减速箱和滚珠丝杠等传动链。

5)位置反馈电路检测实际位移量，信号由反馈电路送入位置控制单元，由CNC装置进行位置环控制。

6)速度反馈电路检测速度的实际值，信号由反馈电路送入速度调节单元，进行速度环控制。

2.2.2 伺服系统的分类1.按控制原理分类1)开环伺服系统开环伺服系统是最简单的进给伺服系统，无位置反馈环节，如图所示。

2)闭环伺服系统闭环伺服系统将直线位移检测装置安装在机床的工作台上。

如图所示，2.按用途和功能分类1)进给伺服控制机床各坐标轴的切削进给运动，提供切削过程所需的转矩。

2)主轴伺服实现主轴的旋转运动，一般为无级变速的速度控制系统。

3)刀库伺服实现加工中心选刀时刀库的旋转。

3.按执行元件分类1)步进伺服一般应用于经济型数控机床。

2)直流伺服采用脉宽调制技术的驱动装置，能够适应频繁启动、制动，以及快速定位、切削的要求。

3)交流伺服交流伺服系统在电气传动调速控制领域已广泛应用4.按反馈比较控制分类1)脉冲、数字比较伺服伺服系统将数控装置发出的数字(或脉冲)指令信号与检测装置测得的以数字(或脉冲)形式表示的反馈信号进行比较，获得位置偏差。

2)相位比较伺服系统伺服系统将指令信号与反馈信号都变成某个载波的相位，然后比较两者相位，获得位置的偏差，实现闭环控制。

3)幅值比较伺服系统伺服系统以位置检测信号幅值的大小来反映机械位移的数值，并以此信号作为位置反馈信号，一般还要将幅值信号转换成数字信号后才能与指令数字信号比较，从而获得位置偏差信号，构成闭环控制系统。

4)全数字伺服系统伺服系统控制技术已从模拟方式、混合方式走向全数字方式。

2.2.3 进给伺服系统的要求1)位移精度高位移精度是指CNC装置发出指令后，机床工作台进给的理论位移量和该指令经伺服系统转化为机床工作台实际位移量之间的符合程度.一般定位精度为0.01～0.001mm，高档设备达到0.1μm以上。

2)调速范围宽调速范围是指机床要求伺服电动机提供的最高转速和最低转速之比，一般要求速比(:)为24000:1。

3)动态响应快为了保证轮廓切削精度和加工表面质量，要求伺服系统反映系统跟踪响应速度要快。

4)稳定性好稳定性直接影响加工精度和表面粗糙度，因此要求伺服系统有较强的抗干扰能力，保证进给速度均匀、平稳。

为满足上述四点要求，进给伺服系统对执行元件（伺服电动机）也提出如下的要求：(1)电动机进给速度在从最低到最高范围内都能平滑地运转。

转矩波动要小，特别在最低转速时，如0.1r/min或更低转速时，仍能保持平稳的速度而无爬行现象。

(2)电动机过载能力强，能够满足低速大转矩的要求。

例如，电动机能在数分钟内过载4～6倍而不损坏。

(3)随着控制信号的变化，电动机应能在较短时间内完成规定的动作，满足快速响应的要求。

同时具有较小的转动惯量和较大的制动转矩，尽可能小的机电时间常数和启动电压。

(4)电动机应能承受频繁的启动、制动就伺服驱动器的响应速度来看，转矩模式运算量最小，驱动器对控制信号的响应最快;位置模式运算量最大，驱动器对控制信号的响应最慢。

对运动中的动态性能有比较高的要求时，需要实时对电机进行调整。

那么如果控制器本身的运算速度很慢(比如PLC，或低端运动控制器)，就用位置方式控制。

如果控制器运算速度比较快，可以用速度方式，把位置环从驱动器移到控制器上，减少驱动器的工作量，提高效率(比如大部分中高端运动控制器);如果有更好的上位控制器，还可以用转矩方式控制，把速度环也从驱动器上移开，这一般只是高端专用控制器才能这么干，而且，这时完全不需要使用伺服电机。

换一种说法是：1、转矩控制：转矩控制方式是通过外部模拟量的输入或直接的地址的赋值来设定电机轴对外的输出转矩的大小，具体表现为例如10V对应5Nm的话，当外部模拟量设定为5V时电机轴输出为2.5Nm:如果电机轴负载低于2.5Nm时电机正转，外部负载等于2.5Nm时电机不转，大于2.5Nm时电机反转(通常在有重力负载情况下产生)。

可以通过即时的改变模拟量的设定来改变设定的力矩大小，也可通过通讯方式改变对应的地址的数值来实现。

应用主要在对材质的受力有严格要求的缠绕和放卷的装置中，例如饶线装置或拉光纤设备，转矩的设定要根据缠绕的半径的变化随时更改以确保材质的受力不会随着缠绕半径的变化而改变。