电气控制与电气控制与PLC第五章数控技术基础 第一节 机床数控技术的基本概念 第二节 数控机床程序编制 第三节 插补原理 第四节 数控机床的位置检测装置及伺服系统 第五节 XH714立式加工中心电气控制 1介绍一些基本概念：数控技术、数控系统、计算机数控系 统、数控机床、加工中心；2数控机床的五个重要组成部分；3数控机床的工作原理；4数控机床的分类；5数控机床的特点；6数控机床的适用范围。7. 数控加工编程的基础知识；8. 手工程序编制的内容和步骤； 9. （以上为两学时）主要教学内容主要教学内容9插补运算的方法；10逐点比较法的四个主要的步骤；11直线插补的运算过程，并举例加以说明；12圆弧插补的运算过程，并举例加以说明；13在直线和圆弧插补过程中，涉及其它象限插补运算如何处理的问题。 （以上为两学时）14讲述数控机床常用的位置检测装置的原理及其在伺服驱动系统中的作用；15讲述两种常用的伺服驱动系统：鉴幅式与鉴相式；16讲述XH714立式加工中心中与电气控制有关的数控系统、驱动系统、I/O单元、换刀装置、机床电源及它们之间的连接方式。 （以上为两学时）主要教学内容（续）主要教学内容（续）1数控机床的五个重要组成部分；2数控机床的工作原理；3数控加工程序编制格式和步骤、数控车床和铣床的常用编程指令及方法、编程中的一些技巧。4逐点比较法的四个主要的步骤；5重点通过实例详细介绍直线插补与圆弧插补的整个计算过程。 6重点讲述数控机床常用的位置检测装置的原理及其在伺服驱动系统中的作用以及两种常用的伺服驱动系统：鉴幅式伺服驱动系统与鉴相式伺服驱动系统。 教学重点教学重点1机床坐标系及工件（编程）坐标系的建立，刀具轨迹求解中的基点、节点计算，数控车削加工编程工艺等 ；2直线插补过程中各个公式的推导；3圆弧插补过程中各个公式的推导；4圆弧插补过程中顺圆、逆圆以及过象限圆弧的处理问题。 5 XH714立式加工中心中与电气控制有关的数控系统、驱动系统、I/O单元、换刀装置、机床电源及它们之间的连接方式。 教学难点教学难点 第一节 机床数控技术的基本概念一、基本概念：1数控技术：一种自动控制技术，利用数字化的信息对 机床运动及加工过程进行控制。2数控系统：采用数控技术的控制系统。3计算机数控系统：它是一种采用计算机硬件结构，利 用数控软件来实现数控功能的数控系统4数控机床：用数控技术实现加工控制的机床，称为数 控机床。注意：数控机床与普通机床的区别： 数控机床是按照程序自动加工工件，而普通机床是由人来操作。数控加工中只要改变加工程序就能达到加工不同形状工件的目的，但编程人员必须把加工过程中的所有动作和信息（如主轴转速、进给速度和方向等）按照一定的顺序编写在程序中。二、数控机床的组成： 图5.1.1 数控机床的组成框图1控制介质：存储工件加工程序的媒介物，有穿孔带、穿孔卡片、磁带和磁盘、DNC等。2输入装置：将程序载体中的有关信息送入数控装置。3数控装置：数控机床的核心，包括微型计算机(CPU、存储器、各种I/O接口)、通用输入输出外围设备（如CRT/LED显示器、键盘、操作控制面板等）以及相应的软件。 4伺服系统：数控系统的执行部分，接受数控装置的指令信息，经功率放大后，（光电隔离），严格按照指令信息的要求驱动机床的运动部件，完成指令规定的运动。 5机床的机械部件：主运动系统、进给系统、辅助部分以及一些特殊部件（如自动换刀装置ATC等）。 三、数控机床的工作原理 手工编程与加工 自动编程与加工 四、数控机床的分类1按工艺用途分 （1）普通数控机床：数控车、数控铣 （2）加工中心 （3）特种加工机床：线切割机床（3）特种加工机床：点火花成型加工机床2、按控制系统的特点、按控制系统的特点（1）点位控制：只要精确的控制刀具相对工件从一个坐标点到另一个坐标点的定位精度，而与轨迹运动无关。主要有数控钻床、数控坐标镗床、数控冲床和数控测量机等。（2）点位直线控制：不仅要求具有准确的定位功能，而且要求从一点到另一点按直线运动进行切削加工。如数控车床、数控镗铣床、加工中心等。（3）轮廓切削控制：能够对两个或两个以上的坐标轴同时进行切削加工控制，不仅能够控制机床移动部件的起点与终点坐标，而且能按照需要严格控制刀具移动的轨迹，以加工任意斜率的直线、圆弧、抛物线及其它函数关系的曲线或曲面。3、按伺服系统的类型、按伺服系统的类型（1）开开环环系系统统：不带位置检测反馈装置，CNC发出的指令信号流是单向的。一般用功率步进电动机作为伺服驱动元件。（2）闭环系统闭环系统：装有位置检测装置。驱动元件：一般采用交直流伺服电动机作为驱动元件。（3）半闭环系统半闭环系统：反馈信号取自于电动机轴或丝杠上，而不是机床的最终运动部件。1性能特点（1）对加工对象的适应性强，灵活性好；（2）加工精度高，避免了人为的干扰因素，产品质量稳定；（3）生产效率高； （4）良好的经济效率；（5）自动化程度高。2使用特点 （1）对操作、维修人员的要求高。 （2）对夹具和刀具的要求。夹具：单件生产，通用夹具；批量生产，专用夹具。刀具：较高的精度、寿命合计和尺寸稳定；可实现机外预调、快速换刀；很好的控制切屑的折断、卷曲和排出；冷却性能好。 五、数控机床的特点六、数控机床的适用范围（1）多品种小批量生产的工件；（2）形状结构复杂的工件；（3）频繁改型的工件；（4）价值昂贵的关键工件；（5）急需工件；（6）批量较大且精度要求高的工件。 第二节 数控机床程序编制 一、数控编程的内容和步骤1内容: 程序编制的过程是把工件加工所需的数据和信息（如工件的材料、形状、尺寸、精度、加工路线、切削用量、数值计算数据等）按数控系统规定的格式和代码，编写程序。之后通过输入装置把程序输入到数控装置中，由数控装置控制数控机床进行加工。 2步骤数控编程的步骤 二、二、数控机床程序编制的方法1手工编程 对于一些形状简单的工件，轨迹坐标计算容易，数控程序短，在程序编制的过程中从工件的图样分析、工艺过程的确定、数值计算到编写加工程序单等全过程一般都由人工完成，这样既经济又及时。2自动编程 对一些形状复杂的非圆曲线、空间曲面、列表曲面等，编程需经过复杂的计算，手工编程就显得十分繁琐，且容易出错，在这种情况下常需采用自动编程来完成，即编程的大部分或全部工作都是由计算机来完成。 目前图形编程软件很多，如北航海尔的制造工程师V2、MasterCAM、UG和Ideas、Pro/E等软件在国内模具加工等数控加工领域中都有应用。三、数控编程的标准规定和代码1两种编程标准 ISO(International Standard Organization)国际标准化组织标准； EIA(Electronic Industries Association)美国电子工业协会标准。 结合我国国情，并根据ISO标准，我国制定了 JB3050-82、JB3051-82、JB3208-83等标准，分别对编码字符、 机床坐标及运动方向和功能代码等作了规定。2、程序结构和程序段格式（1）程序结构 一个完整的程序由程序号、程序的内容和程序结束三部分组成，下面就以CK6028车床上加工阶梯轴的加工程序为例, 具体说明程序结构、程序代码的样式与含义：（2）程序段格式 程序段的格式是指程序段书写规则，它包括机床所要求执行的功能和运动所需要的所有几何数据和工艺数据。一个零件的加工程序由若干以段号大小次序排列的程序段组成，每个程序段由以下几部分组成： N 程序段号 G 准备功能 X、Y、Z 坐标或增量值 F 进给速度 M 辅助功能 S 主轴转速 T 刀具号 从车床实例可看出：程序段由若干程序字组成，其中程序字包括由英文字母表示的地址符和跟随其后的数字、字符组成。* * G指令指令 又称G功能指令、准备功能指令、G功能、G代码。主要是指定数控机床的加工方式，为数控装置的插补运算、刀补运算、固定循环等做好准备，如加工平面的选择、刀具的补偿、插补方式的选择等任务。G指令由字母G和其后跟两位数字组成，即从G00到G99共100种。* * M指令指令 又称辅助功能指令、M功能、M代码。主要是控制机床或系统的辅助功能动作。如切削液的开关、主轴的正反转、程序的结束等功能。 M指令由字母M和其后的两位数字组成，即从M00到M99共100种。 * * F、S、T功能功能 利用字母F、S、T指令后面跟一个数值，分别指定进给速度、主轴转速和所用刀具与刀具补偿号，在一个程序段中，F、S、T均只能有一个，并将接受的代码信息传送给机床。 F功能也称进给功能，数控系统不同，F功能的表示方法也不同，用字母F后面跟一位、二位、三位、四位或五位数字表示，如跟两位时的表示方式即为F，其数值有的代表具体的进给数值，有的代表某种进给速度的编码号。单位一般为mm/min，当进给速度与主轴转速有关时（如车削螺纹）单位为mm/r 。3、坐标系、坐标系 （1）坐标系规定 我国制定了JB3051-82。规定直线运动的坐标轴由X、Y、Z表示，围绕X、Y、Z轴旋转的圆周进给坐标轴分别用A、B、C表示。对坐标轴和运动方向命名的内容和原则是：标准坐标系各轴之间的关系：在机床上建立一标准坐标系，也称机床坐标系，其中坐标系中的X、Y、Z轴的关系用右手迪卡儿原则确定。大拇指指向X轴的正方向，食指指向Y轴的正方向，则中指指向为Z轴的正方向。A、B、C的方向由右手螺旋法确定 。 （2） 绝对坐标和增量坐标： 绝对坐标：刀具运动轨迹的坐标值均以某一固定原点而标准的坐标，用X、Y、Z表示； 增量坐标：运动轨迹的坐标值是以相对于前一位置来计算的，用U、V、W表示（各种不同的系统不尽相同）。四、编程实例加工工件图样 逐点比较法 脉冲增量插补法 数字积分法、 比较积分法数据采样插补法 第三节 插补原理一、插补的定义二、常用的插补方法 数控机床加工的零件，其外形往往由复杂的曲面组成，这就要求数控装置根据控制指令和数据，一边计算，一边根据计算结果向各个坐标方向分配进给脉冲，从而控制刀具相对于工件表面的运动轨迹，把工件加工成所要求的形状和尺寸。数控装置所进行的这种计算就叫插补运算。三、逐点比较法插补原理 通过比较刀具与加工零件轮廓曲线的相对位置，确定刀具的运动方向，即每走一步都要将加工瞬时坐标同规定的零件轮廓相比较。每进给一步都要经过四个工作节拍：偏差判别、坐标进给、新偏差计算、终点判别。 （1）偏差判别 判别刀具当前位置相对于给定轮廓的偏离情况，以此决定刀具移动方向。（2）坐标进给 根据偏差判别结果，控制刀具相对于工件轮廓进给一步，即向给定的轮廓靠拢，减少偏差。（3）新偏差计算 由于刀具进给已改变了位置，因此应计算出刀具当前位置的新偏差，为下一次判别作准备。（4）终点判别 判别刀具是否已到达被加工轮廓线段的终点。若已到达终点，则停止插补，否则继续。四、直线插补1直线插补原理A)偏差判别 从上图可看出，只要比较动点所连直线与X轴夹角和OE与X轴夹角的大小，即两角度的正切值就可判断出刀具下一步应沿X或Y运动及其方向，由此推出偏差判别函数：B)坐标进给 进给方向由偏差判别的结果决定，即 F=0，沿X正方向进给一步； F=0，沿X正方向进给一步：F0，沿Y正方向进给一步： D)终点判别 终点判别可采用两种方法：终点坐标法，即将动点作标与终点坐标进行比较，判断两者是否相等；总步长法，即首先求得总步长，每进给一步从总步长中减1，直至为0。 2直线插补软件流程图 逐点比较法第一象限直线插补软件流程图3直线插补实例例：例：设欲加工第一象限直线OE，终点坐标为xe=3，ye=5，用逐点比较法加工直线OE。解：解：总步数n=3+5=8； 开始时刀具在直线起点，既在直线上，故Fo=0，其插补运算过程如下表所示，插补轨迹见右图。 五、圆弧插补1圆弧插补原理A)偏差判别函数及进给B) 令偏差判别函数为：，应进给，新偏差为 ，应进给，新偏差为 B）终点判别圆弧的终点坐标判别与直线插补相同。2圆弧插补软件流程图逐点比较法第一象限逆圆软件流程图 3圆弧插补实例例：例：设AB为第一象限逆圆弧，起点为A（5，0），终点为B（0，5），用逐点比较法加工圆弧AB。解：解：n= | 5 0 | + | 0 5 | =10 开始加工时刀具在起点，即在圆弧上，Fo=0。加工运算过程见表5-4，插补轨迹见右图 六、象限处理与坐标变换1.直线插补的象限处理直线插补四个象限进给方向 四象限直线插补软件流程图如下图所示：2圆弧插补的象限处理 前面介绍的圆弧插补公式也只适合于第一象限的逆圆弧，若想处理其他象限的圆弧，需进行以下进给方向的处理。 圆弧插补四个象限进给方向 四象限圆弧插补软件流程图如图所示： 第四节 数控机床的位置检测装置及伺服系统一、数控机床的位置检测装置1位置检测装置的作用 测出工作机构的实际位置，并将实际位置输入计算机，以便和预先给定的理想位置相比较。2数控机床伺服系统对位置检测元件的要求（1）高的可靠性和抗干扰能力；（2）在机床执行部件移动范围内，能满足精度与速度要求；（3）使用维护方便，能适应生产现场的工作环境；（4）成本低、寿命长；（5）便于与数控系统相连。3位置检测元件 常用的位置检测元件包括旋转变压器、感应同步器、光栅、光电盘、编码盘等。（1）旋转变压器 旋转变压器的结构 旋转变压器是一种测量角位移的检测元件，其结构类似与小型交流电动机，由定子和转子组成。如下图所示： 工作原理 旋转变压器的工作原理与普通变压器基本相似，定子绕组作为变压器的一次侧接受励磁电压，转子绕组作为变压器的二次侧，通过电磁耦合得到感应电动势。一、二次绕组之间随着转子的角位移发生相对位置变化，因此其输出电压的大小也随之变化。工作方式 旋转变压器的工作方式通常为鉴相和鉴幅两种。鉴相工作方式是通过旋转变压器转子绕组输出电压的相位确定被测角位移。鉴幅工作方式是通过旋转变压器转子绕组输出电压的幅值确定被测角位移 （2）光栅 它是测量数控机床工作台位移的光电检测元件，主要由光源、聚光镜、主光栅、指示光栅和光敏元件组成，如图所示：光栅标尺检测位移 （3）磁栅 它是测量直线位移的一种数字式传感器，按结构可分为直线磁栅和圆磁栅，分别用于直线位移和角度位移的测量。（4）脉冲编码器 它是一种光学式位置检测元件，编码盘直接装在旋转轴上，以测出轴的旋转角度和速度变化，其输出信号为电脉冲。二、伺服驱动系统1伺服驱动系统的作用 完成机床移动部件（如工作台、主轴或刀具进给等）的位置和速度检测。2伺服驱动系统的分类 伺服驱动系统通常可分为开环系统和闭环系统。开环系统通常使用步进电机，而闭环通常使用直流伺服电机或交流伺服电机。 按比较方式的不同，伺服驱动系统又可分为鉴相式伺服系统和鉴幅式伺服系统3鉴相式伺服系统 鉴相式伺服系统是采用相位比较方法实现位置闭环及半闭环控制的伺服系统，其框图如下所示：鉴相式伺服系统框图 当以旋转变压器为测量元件组成的半闭环伺服系统如下图所示：4鉴幅式伺服系统 鉴幅式伺服系统是以位置测量信号的幅值大小来反映机械位移的数值，并以此作为位置反馈信号与指令信号进行比较构成的闭环控制系统。其原理方框图如下图所示：鉴幅式伺服系统框图 第五节 XH714立式加工中心电气控制 一、XH714立式加工中心的结构1 XH714立式加工中心介绍 XH714立式加工中心是一种中小规格、高效通用的数控机床。该机床设有可容纳20把刀具的自动换刀系统，并配有三菱MELDAS50数控系统，通过编程，在一次装夹中可自动完成铣、镗、钻、绞、攻螺纹等多种工序的加工。若选用数控转台，可实现四轴控制。 2 XH714立式加工中心的结构 3 XH714立式加工中心的传动链 二、XH714数控系统 XH714加工中心采用的MELDAS50数控系统，其控制单元如右图，通信终端系统面板示意图见下：三、XH714伺服系统 伺服进给采用三菱HA系列交流伺服电机及MDS-A-SVJ交流伺服驱动装置，通过交流伺服电机内装编码器实现半闭环的位置控制。 MDS-A-SVJ交流伺服驱动单元和HA系列交流伺服电机示意图见图5.5.5。 数控系统与伺服驱动、主轴驱动等装置的连接如右图5.5.6。四、I/O控制 输入/输出信号经I/O单元进行PLC控制。I/O单元示意图如图所示。1机床操作面板信号输入 输入信号主要由操作面板输入，机床面板示意图如下所示。面板开关与I/O单元DI-L口的连接方式如下图所示： 2换刀控制 换刀控制是数控机床PLC控制中较复杂的一个内容，涉及到刀库的选刀及机械手的换刀控制。本机床采用主轴箱上下运动的自卸式换刀方式。有关换刀控制的输入/输出信号见图5.5.10。 控制换刀的交、直流控制回路见图5.5.11。 机床从外部动力线获得三相交流380V电源后，在电控柜中进行再分配，以获得AC100V CNC 系统电源；三相200-230V 驱动装置电源；单相AC100V交流接触器线圈电压及DC +24V稳压电源，同时进行电源保护，如熔断器、断路器等。 3机床电源电源配置图