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第3章数控机床电气控制系统


  第3章数控机床电气控制系统_机械/仪表_工程科技_专业资料。第3章 数控机床电气控制系统 3.1 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 逻辑控制这三个功能部分组成。 3.1 概 述 数控系统的硬件包括

  第3章 数控机床电气控制系统 3.1 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 逻辑控制这三个功能部分组成。 3.1 概 述 数控系统的硬件包括数字控制装置和驱动装置 两部分组成。 3.1 概 述 3.1.2 数控机床电气控制的数据流 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 (1)具有灵活性 (2)具有通用性(模块化) (3)较强的环境适应性 (4)复杂、高效的数控系统 (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 数控系统的功能和特点 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。 基本功能: (1)控制功能 (2)准备功能 (3)辅助功能 (4)插补功能 (5)进给功能 (6)主轴功能 (7)刀具功能 (8)输入、输出、编程、显示功能 3.2 数控系统的功能和特点 选择功能: (1)固定循环功能 (2)补偿功能 (3)补偿功能 (4)会线 数控系统的功能和特点 3.2.3 数控系统的插补原理 (1)插补的基本概念 在已知曲线的种类、起点、终点的情况下,对 曲线进行数据点的密化,求取密化中间点的过程。 插补器分为硬件插补和软件插补。 3.2 数控系统的功能和特点 (2)插补方法的分类 1)脉冲增量插补 位移分割原理; 逐点比较法;数字积分法; 2)数据采样插补 时间分割原理; 直接函数法、一次近似法(切线法)、二次近 似法(割线 数控系统的功能和特点 (3)典型插补方法简介 逐点比较法直线插补计算过程; 逐点比较法圆弧插补计算过程; 3.2 数控系统的功能和特点 3.2.4 典型数控系统及其应用 FANUC MITSUBISHI ; SIEMENS; HEIDENHAIN ; FAGOR; GE; (1)FANUC系统 1)高可靠性的Power Mate 0 系列(2+2) 2)普及型的 CNC 0-D 系列(3+3) 3)全功能的 0-C 系列(3+3) 4)高性能/价格比的 0i 系列(4+4) 5)具有网络功能的超小、超薄型CNC16i/18i/21i 16i(8+6)、18i(6+4)、21i(4+4) 3.2 数控系统的功能和特点 (2)SIEMENS 1)SINUMERIK 802S/C(3+3) 2)SINUMERIK 802D(4+4) 3)SINUMERIK 810D(6+4) 4)SINUMERIK 840D(全数字31) 3.2 数控系统的功能和特点 (3)FAGOR 1)CNC8070 (16+3+2)pc兼容 2)CNC8055(7+1+1) 3)CNC8040/8055-i(4+1+2)、(7+1+2) 4)CNC8040/8055-i/8055 TCO/MCO 5)CNC8040/8055-i/8055 TC/MC 6)8025/8035 (2-5) 3.2 数控系统的功能和特点 (4)华中数控系统 世纪星:HNC-21T(4)、HNC-21/22M(4), 内嵌式工业PC。 (5)北京航天数控 以PC为基础的模块化。 3.3 数控机床上的可编程控制器(PLC) 1968,通用汽车公司; 1969,美国DEC公司的“PDP-14”; 命名为:可编程序逻辑控制器 PLC “Programmable Logic Controller” 1987,电气制造商协会NEMA命名为 PC “Programmable Controller” 3.3 数控机床上的可编程控制器(PLC) PLC 定义:可编程序控制器是一种数字运算电 子系统,专为在工业环境下运用而设计。采用可编 程序的存储器,用于存储执行逻辑运算,顺序控制, 定时,计算和算术运算等特定功能的用户指令,并 通过数字式或模拟式的输入和输出,控制各种类型 的机械或生产过程。可编程序控制器及其辅助设备 都应按易于构成一个工业控制系统,且他们所具有 的全部功能易于应用的原则设计”。 3.3 数控机床上的可编程控制器(PLC) 3.3.1 PLC的工作原理 1、 硬件组成:中央处理器(CPU)、存储器、 输入/输出单元、编程器、电源和外围设备等组成, 内部通过总线 数控机床上的可编程控制器(PLC) 2、PLC的工作过程 3.3 数控机床上的可编程控制器(PLC) PLC的特点: 1)可靠性高; 2)编程简单、工作可靠; 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 数控机床上的可编程控制器(PLC) 3.3.2 数控机床的PLC (1)数控机床PLC的控制对象 PLC在数控机床中的三种不同的配置方式; 3.3 数控机床上的可编程控制器(PLC) CNC装置和机床输入/输出信号的处理包括: 1)CNC到机床的命令信号: S M T信号。 ①S 主轴功能的编码可用S2位代码或S4位代码直 接指定。 ②T 管理刀库、换刀机械手;刀号、刀位控制; ③M 实现M功能。 2)机床到CNC的反馈信号: 3.3 数控机床上的可编程控制器(PLC) (2)数控机床PLC的形式 内装型结构、独立型结构; 1)内装型PLC 特点: 1)内装型PLC实际上是CNC装置带有的PC功能, 一般作为一种基本的功能提供给用户; 2)内装型PLC的性能指标与CNC装置匹配。 3)内装型PLC一般不具有独立的电源和输入/输出 接口。 4)内装型PLC与CNC装置功能衔接较好。 3.3 数控机床上的可编程控制器(PLC) 2)独立型PLC 独立型PLC的特点: 1)独立型PLC具有完整的功能,可以用于数控机 床中也可用于其他场合; 2)独立性PLC一般采用模块化结构; 3)独立型PLC功能一般比较完善,不只是针对数 控机床。 3.4 伺服系统 3.4.2 步进电动机工作原理 (1)步进电动机 步进电动机是一种将电脉冲信号转换 成相应的机械角位移或线位移的机电执行元 件,它能将指令脉冲转化成步进电机输出轴 的旋转。 3.4 伺服系统 (2)步进电动机的特点: 步进电动机的角位移或线位移与输入的脉冲 个数成正比,它的转速与脉冲频率成正比,能够 快速起动、制动、反转; 在一定频率范围能任意的改变速度且不会失 步,且具有自整步能力。 步进电动机没有周积累误差。 某些种类的步进电动机具有自锁功能。可以 实现自锁。 3.4 伺服系统 (3)步进电动机的分类 1)根据输出转距的大小分为快速步进电动机和功率 步进电动机; 2)根据工作原理可分为励磁式和反应式两大类; A:励磁式步进电动机分为: 感应式(BG) 永磁式(BY) 混合式(BYG) 型号表示:例如 42BYG; 3.4 伺服系统 B:反应式步进电动机(BF) 特点:具有较高的力矩转动惯量比,步进频 率较高,频率响应快,不通电时不自锁、结构简 单、寿命长等特点;广泛用于数控机床中。 反应步进电动机的型号表示 XX BF XXX 例如:110 BF 003 3.4 伺服系统 (4)反应步进电动机工作原理 以三相反应式步进电动机为例说明步进电动 机的工作原理。 1)反应式步进电动机的基本结构 参数: 转子齿数 Zr 定子绕组相数 m 齿距角θt角:θt=360o/ Zr 3.4 伺服系统 2)反应式步进电动机的工作原理。 以三相步进电动机为例说明步进电动机的工作原 理;A—B—C—A;A—B—C—A;A—AB—B—BC— C—CA—A;A—AC—C—CB—B—BA—A 拍:运行通电方式;K:有通电方式变化 k=2;没有通电方式变化k=1; 令运行节拍:N=mk 则步距角θs = θt /N (θs = 360o/ mkZr ) 3.4 伺服系统 (1)三相单三拍 A—B—C—A; A—B—C—A; (2)三相单双六 A—AB—B—BC—C—CA—A; A—AC—C—CB—B—BA—A 3.4 伺服系统 (3)步进电动机的主要特征(参数) 1)相数和步距角: θs = 360o/ mkZr 2)步进电动机转速: n=60*f* θs / 360 3)启动频率 4)矩频特性曲线)步进电动机的选用注意事项 1)必须保证步进电动机的输出转距大于负载 转距,使电动机的矩—频特性有一定的裕量。 2)要求计算的机械系统负载转动惯量与步进 电动机转子的转动惯量匹配,并有一定余量。 3)使最高连续工作频率能满足产品快速移动 的要求。 4)使步进电动机的步距角与机械系统相匹配, 以得到机床所要求的脉冲当量。 3.4 伺服系统 3.4.1 数控机床对伺服系统的要求 数控伺服系统是指以机床运动部件位置和速度 为直接控制量的自动控制系统。又称随动系统。 数控伺服系统是CNC系统的组成部分,位于 CNC装置与机床主体之间。 其主要功能是从数控装置接收控制电信号,将 其处理放大去驱动伺服系统中的驱动元件(伺服电 动机),将控制电信号的变化转换成伺服电动机输 出轴的角位移或角速度的变化,从而带动机床各部 件的运动。 3.4 伺服系统 数控机床对伺服驱动系统的要求 1)可逆运行 2)调速范围宽 高级:0~240m/min;一般0~24m/min; 要求:①在1~24000mm/min范围内,速度均匀、 稳定、无爬行。 ②在1mm/min以下时具有一定的瞬时速度。 ③在零速度时,能够保持静止。 3.4 伺服系统 数控机床对伺服驱动系统的要求 3)具有足够的传动刚度和速度稳定性 静态速度降小于5%;动态速度降小于10% 4)响应快速并无超调 5)高精度 6)低速大转矩 3.4 伺服系统 7)伺服系统对伺服电动机的要求 ①从最低速度到最高速度电动机都能平稳运行,转 矩波动要小。 ②电动机应具有较长时间的过载能力,以满足加减 速的要求。 ③电动机应有较小的转动惯量和较大的堵转转矩。 ④电动机应能承受频繁启动、制动和反转。 8)伺服驱动元件的类型与历史 ① 50年代,步进电动机系统; ② 60~70年代,步进电动机+电液脉冲马达系统; ③ 70~80年代,直流伺服电动机系统; ④ 90年代,交流伺服电动机系统; 3.4 伺服系统 3.4.3 伺服电动机的特性与选型 伺服电动机的特性参数:额定速度、额定转矩、过载 能力、速度转矩图(机械特性曲线)、轴端径向受力图等; 选型因素: ①机械系统参数、机械系统动态性能参数; ②伺服电动机的工作制和定额; 工作制:电动机承受负载情况的说明,包括启动、电 制动、空载、段能停转以及这些阶段的持续时间和顺序。 定额: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。 3.4 伺服系统 电动机工作制分为9类; S1连续工作制; S2短时工作制; S3断续周期工作制; S4包括启动的断续周期工作制; S5包括电制动的断续周期工作制; S6连续周期工作制; S7包括电制动的连续周期工作制; S8包括变速负载的连续周期工作制; S9负载和转速非周期变化工作制; 3.4 伺服系统 电动机定额分为5类: 最大连续定额; 短时定额; 等效连续定额; 周期工作定额; 非周期定额; 3.4 伺服系统 (1)进给轴的伺服电动机 3.4 伺服系统 ①惯量匹配 T ? J??? J ? JM ? JL 1? JM ? 4 JL 3.4 伺服系统 ②伺服电动机的轴端受力 3.4 伺服系统 ③伺服电动机过载能力 3.4 伺服系统 (2)主轴电动机 ①主轴电动机的特性 ②主轴的工作点 ③过载能力 ④轴端受力 ⑤主轴总成的动平衡

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