第3章 金屬切削機床10

3.10機床控制系統(tǒng)設(shè)計

在機床設(shè)計中，控制系統(tǒng)的設(shè)計是其重要的組成部分，機床為了完成復雜的加工任務(wù)，需要保證各種運動協(xié)調(diào)有序地進行，必須設(shè)計一套完善可靠的控制系統(tǒng)，它的性能直接影響著機床的性能和加工精度。1.機床控制系統(tǒng)的功能

機床控制系統(tǒng)的功能歸納起來主要有以下幾個方面：在自動化機床上能夠自動進行工件的裝卸；自動進行工件的定位、夾緊和松開；控制切削液、排屑等輔助裝置的工作；實現(xiàn)刀具的自動安裝、調(diào)整、夾緊和更換；控制主運動和各進給運動的速度和方向；實現(xiàn)刀架或工作臺的路徑控制；對被加工零件的尺寸進行在線或離線測量，進行誤差自動補償，從而保證加工精度等。3.10.1概述2.機床控制系統(tǒng)應滿足的要求

l）節(jié)省輔助時間。

2）縮短加工時間。

3）提高勞動生產(chǎn)率。

4）提高機床的使用率。

5）改善加工質(zhì)量。分為手動、機動、半自動和自動控制系統(tǒng)：

手動控制系統(tǒng)——由人來操縱手柄、手輪等，通過機械傳動來實現(xiàn)控制。其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、成本低；缺點是操作費時、費力，控制速度和精確度不高。僅用于一般的機床控制。

機動控制系統(tǒng)——由人來發(fā)出指令，靠電氣、液壓或氣壓傳動來實現(xiàn)控制。其優(yōu)點是操作方便、省時和省力；但是成本較高。用于操縱較費力的場合。

半自動控制系統(tǒng)——除了工件的裝卸由人工完成外，機床的其余操作都實現(xiàn)自動化。如被加工件的形狀比較復雜，或尺寸和質(zhì)量較大，實現(xiàn)自動裝卸比較困難時采用之。

自動控制系統(tǒng)——包括工件的裝卸在內(nèi)的全部操作都實現(xiàn)自動化。工人的工作是不斷地往料倉或料斗里裝載毛坯，可以同時監(jiān)視幾臺機床的工作。一般自動控制系統(tǒng)由三部分組成：發(fā)令器官；執(zhí)行器官；轉(zhuǎn)換器官。

發(fā)令器官用于發(fā)出自動控制指令，如分配軸上的凸輪和擋塊、擋鐵和行程開關(guān)、插銷板、仿形機床的靠模、自動測量儀、壓力繼電器、速度繼電器、穿孔帶、磁帶和磁盤及各類傳感器等。

執(zhí)行器官用于最終實現(xiàn)控制操作的環(huán)節(jié)，如滑塊、撥叉、電磁鐵、伺服電動機或液壓馬達、機械手等。3.機床控制系統(tǒng)的分類（1）按自動化程度分類3.9.2機床的時間控制時間控制是按時間順序發(fā)出控制機床各工作部件動作的指令，是屬于開環(huán)控制。在機床上常采用凸輪機構(gòu)實現(xiàn)時間控制，即機床各工作部件動作時間的順序和運動行程的信息都記錄在凸輪上。凸輪裝在分配軸上，分配軸按固定的周期旋轉(zhuǎn)。凸輪上的曲線通過傳動機構(gòu)驅(qū)動工作部件按設(shè)定的規(guī)律運動；凸輪上控制各工作部件的曲線的相位角，決定了各工作部件運動的先后順序。采用凸輪控制系統(tǒng)，按機床輔助運動控制方式不同，有三種形式：不變速的單一分配軸控制系統(tǒng)變速的單一分配軸控制系統(tǒng)

分配軸和輔軸輪流控制的系統(tǒng)轉(zhuǎn)換器官用于將發(fā)令器官發(fā)出的指令傳送到執(zhí)行器官，并在傳送過程中將指令信號的能量放大，或?qū)㈦娭噶钷D(zhuǎn)換為液壓或氣壓指令，或反之。（2）按控制系統(tǒng)有否反饋進行分類

機床控制系統(tǒng)可分為開環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。（3）按控制方式和內(nèi)容進行分類

機床控制系統(tǒng)可分為時間控制、程序控制、數(shù)字控制、誤差補償控制和自適應控制。本節(jié)按這一分類方法在下面進行較詳細的介紹。

1．不變速的單一分配軸控制系統(tǒng)

這類機床上所有的成形運動和輔助運動都由一根分配軸上的凸輪控制。這類控制系統(tǒng)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單。缺點是在加工周期內(nèi)成形運動和輔助運動所占的時間比例是一定的，如果工件的加工時間較長時，輔助運動時間也將按比例地增加，降低了機床的生產(chǎn)效率。因此這類控制系統(tǒng)僅用于加工周期較短的小型自動機床上，如單軸橫切或縱切自動車床。2.變速的單一分配軸控制系統(tǒng)這類控制系統(tǒng)在機床工作行程時根據(jù)工件加工的切削用量，用交換齒輪us調(diào)整分配軸的轉(zhuǎn)速；輔助行程時則以恒定、較高的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。這類控制系統(tǒng)不管機床的加工周期長短如何，輔助運動時間總是保持不變，提高了機床的生產(chǎn)效率，但結(jié)構(gòu)復雜一些。由于加工控制和輔助控制均在分配軸旋轉(zhuǎn)一圈的時間內(nèi)完成，適用于輔助控制內(nèi)容比較簡單、輔助時間在整個加工循環(huán)周期內(nèi)占較小比例的自動機床上，如多軸自動車床。3.分配軸和輔軸輪流控制的系統(tǒng)這類控制系統(tǒng)有一根分配軸Ⅱ和一根輔軸Ⅲ。機床的分配軸用于機床所有的成形運動和部分的輔助運動，如刀架的快進和快退。其轉(zhuǎn)速是根據(jù)加工循環(huán)時間用交換齒輪us調(diào)整的，每加工一個工件分配軸旋轉(zhuǎn)一圈。輔軸是由分配軸上的撥輪2觸發(fā)單轉(zhuǎn)離合器M而旋轉(zhuǎn)一圈，用輔軸上的凸輪控制其它的輔助運動，如送料、夾料、轉(zhuǎn)位等，其轉(zhuǎn)速是恒定不可調(diào)的。如撥輪上有多個撥爪，可以在一個加工循環(huán)時間內(nèi)多次觸發(fā)輔軸轉(zhuǎn)動，多次完成同樣的輔助控制。適用于一個加工循環(huán)時間內(nèi)需要重復進行多次同樣輔助控制的自動機床上，例如單軸轉(zhuǎn)塔自動車床上的轉(zhuǎn)塔，一個加工循環(huán)內(nèi)需要轉(zhuǎn)位六次。這種情況如采用第二類控制系統(tǒng)，重復的輔助控制必須在分配軸轉(zhuǎn)一圈的過程中完成，將占用分配軸很大一部分的轉(zhuǎn)角，剩下的較小的轉(zhuǎn)角就難以設(shè)計凸輪完成加工控制了。3.9.3機床的程序控制

機床的加工過程由一系列的動作組成，如裝載工件，開機，選擇主運動和進給運動的速度，換刀，刀具相對工件快速接近、工作進給和快速后退，停機，卸下工件等。程序控制是保證這一系列的動作按嚴格的順序協(xié)調(diào)進行，完成整個加工過程。機床常用的程序控制系統(tǒng)有固定程序控制系統(tǒng)、插銷板可變程序控制系統(tǒng)和可編程序控制系統(tǒng)。1.固定程序控制系統(tǒng)

這類控制系統(tǒng)的程序是固定不可變的，用于專用機床的程序控制。其控制裝置可以采用凸輪機構(gòu)、擋鐵／行程開關(guān)；也可以根據(jù)機床程序控制訊號之間的邏輯關(guān)系，用各種邏輯元件組成固定的程序控制線路。機床上常用的邏輯元件有各類繼電器、液控或氣控閥等。2.插銷板可變程序控制系統(tǒng)

設(shè)置程序是采用插銷板，上有許多插銷孔，各個孔內(nèi)有兩片相互絕緣的銅片，它們分別與程序步進器的觸頭和工作部件的繼電器相連。插銷板呈矩陣形式，每一列控制一個執(zhí)行器官，行序就是程序的步序。如果改變了插銷的組合方式，就改變了工作部件的工作順序。3.可編程序控制系統(tǒng)

可編程序控制器（PLC）實際上是一臺可進行數(shù)字邏輯運算的電子計算機，專為工業(yè)應用而設(shè)計的。采用面向控制過程和實際問題的“工程化語言”編寫的控制程序存儲在它的程序存儲器內(nèi)，運行時逐行調(diào)出進行邏輯運算，得到工作順序、計時、計數(shù)和運算等指令，并通過數(shù)字式或模擬式輸入輸出裝置控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。它具有體積小、功能強、編程簡單、可靠性高等一系列優(yōu)點，特別是它的抗干擾性能特別強。是當今工業(yè)自動化領(lǐng)域的重要支柱。

PLC可根據(jù)控制要求方便地對其模塊化的硬件模塊進行組合，得到具有不同控制內(nèi)容和容量的專用程序控制系統(tǒng)。PLC按控制點數(shù)可以分為大型（1000點以上）、中型（100點以上）和小型三個檔次，都可以進行計算機聯(lián)網(wǎng)通訊。小型PLC基本用于邏輯控制，大中型PLC由于運行速度快，不僅可以進行邏輯控制，還可進行模擬量計算及復雜運算。一般機床采用小型PLC較多，用于邏輯控制。在PLC多種編程的工具語言中，圖形語言最為方便，其中最常用的是梯形圖，可在圖形編程器上直觀地進行編輯修改。3.9.4機床的數(shù)字控制

數(shù)字控制系統(tǒng)簡稱數(shù)控系統(tǒng)，它自動閱讀輸入載體上事先給定的數(shù)字，并將其譯碼、計算、控制，使機床運動部件按給定的規(guī)律運動（刀具相對工件），加工出零件。1.機床數(shù)字控制的基本原理

機床數(shù)控系統(tǒng)需要控制的內(nèi)容包括：刀架或（和）工作臺的運動軌跡以及工作指令（輔助功能）。如圖。將各線段的類型、起始和終點坐標值按軌跡走向順序，用專用的編程語言寫成軌跡控制程序。此外，將使用的刀具號、切削速度和進給速度等工作指令插寫到軌跡控制程序的相應位置。數(shù)控系統(tǒng)逐行讀出數(shù)控程序上的指令。如是工作指令則通過指令輸出裝置輸出控制信號，實現(xiàn)相應的控制操作，如變速或更換刀具等。如是軌跡指令，則通過插值運算分別向X和Y等坐標的進給伺服系統(tǒng)發(fā)出一連串的步進信號。進給伺服系統(tǒng)每接到一個步進信號，就驅(qū)動運動部件往規(guī)定方向移動一個步距。一般來說，步距長度為0.01-0.001mm。刀具與工件之間的相對運動就是各個坐標方向運動的合成。機床數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)運動軌跡的插值運算一般有兩種：直線插值和圓弧插值。對于非圓弧曲線只能將其近似成一系列首尾連接的直線或圓弧。右圖為直線插值運算的實例。2.數(shù)控機床運動部件的伺服驅(qū)動系統(tǒng)

數(shù)控機床伺服驅(qū)動系統(tǒng)接受數(shù)控裝置插值運算生成的步進信號，經(jīng)過功率放大驅(qū)動機床的運動部件往規(guī)定方向移動。伺服驅(qū)動系統(tǒng)用于控制軸的轉(zhuǎn)角（數(shù)控滾齒機）、進給部件的移動距離，進行位置控制（數(shù)控鉆床）或軌跡控制（數(shù)控銑床）。

按是否有位置測量反饋裝置，和位置測量反饋裝置安裝的位置不同，伺服驅(qū)動系統(tǒng)分開環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)三類。（1）開環(huán)伺服驅(qū)動系統(tǒng)

開環(huán)伺服驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)出指令后，不檢查執(zhí)行部件是否完成相應的操作，繼續(xù)發(fā)出下一個指令。數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的一個步進信號，通過環(huán)形分配器和步進電動機驅(qū)動電路控制步進電動機往設(shè)定方向轉(zhuǎn)動一定的角度。這個角度稱為步距角，是步進電動機的一個重要技術(shù)參數(shù)。通過減速器帶動絲杠轉(zhuǎn)動，從而使工作臺移動一個步距長度，用Q表示。

式中，Q為步距長度（mm)，一般為0.01mm；α為步進電動機的步距角（°)；L為滾珠絲杠的導程（mm)；u為步進電動機至傳動絲杠之間的傳動比。工作臺的移動距離取決于數(shù)控裝置發(fā)出的步進信號數(shù)。位移的精度取決于三方面的因素：步進電動機至工作臺間傳動系的傳動精度、步距長度和步進電動機的工作精度。后者與步進電動機的轉(zhuǎn)動精度和可能產(chǎn)生的丟步現(xiàn)象有關(guān)。這類系統(tǒng)的定位精度較低，一般在（±0.01～±0.02)mm；但系統(tǒng)簡單，調(diào)試方便，成本低。適用于精度要求不高的數(shù)控機床中。（2）閉環(huán)控制系統(tǒng)

閉環(huán)控制系統(tǒng)中，位置檢測傳感器直接安裝在機床的最終執(zhí)行部件上，直接測量出執(zhí)行部件的實際位移，與輸入的指令位移進行比較，比較后的差值反饋給控制系統(tǒng)，對執(zhí)行部件的移（轉(zhuǎn)）動進行補償，使機床向減小差值的方向運行，最終使差值等于零或接近于零。檢測反饋裝置有：用光柵、感應同步器實現(xiàn)線位移的檢測，用旋轉(zhuǎn)變壓器、脈沖編碼器實現(xiàn)角位移的檢測；測速發(fā)電機作為角速度檢測。從理論上講，閉環(huán)控制系統(tǒng)的運動精度主要取決于檢測裝置的精度，可以消除整個系統(tǒng)的傳動誤差和失動。但是閉環(huán)控制系統(tǒng)對機床結(jié)構(gòu)的剛性、傳動部件的回程間隙以及工作臺低速運動的穩(wěn)定性提出了嚴格的要求。因這些條件影響著機床控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。閉環(huán)控制系統(tǒng)所用的電動機有直流伺服電動機或交流伺服電動機。閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點是運行精度高，但調(diào)試維修都較困難，成本也較高，用于精密型數(shù)控機床上。（3）半閉環(huán)控制系統(tǒng)

半閉環(huán)控制系統(tǒng)的位置反饋裝置不直接檢測被控制位移，而是檢測與被控位移有關(guān)系的量，反推出位移量。線位移的半閉環(huán)控制系統(tǒng)采用角位移傳感器，如圓光柵、光電編碼器、旋轉(zhuǎn)式感應同步器等，安裝在電動機的轉(zhuǎn)子軸或絲杠上。通過檢測電動機或絲杠的轉(zhuǎn)角，間接測量工作臺的位移。由于工作臺位移和絲杠傳動機構(gòu)等沒有包含在反饋回路中，故稱為半閉環(huán)控制系統(tǒng)?？梢詫⒔俏灰苽鞲衅髋c伺服電動機制成一個部件，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，價格低，安裝調(diào)試都很方便，應用較多。由于機械傳動環(huán)節(jié)和慣性較大的工作臺沒有包括在系統(tǒng)反饋回路內(nèi)，可以獲得比較穩(wěn)定的控制特性，但絲杠等機械傳動部件的傳動誤差不能通過反饋得以矯正。3.計算機數(shù)控（CNC）機床現(xiàn)代CNC系統(tǒng)由基于計算機的數(shù)控裝置和PLC組成，如圖。數(shù)控裝置——數(shù)控裝置的核心是中央處理器（CPU）或一臺計算機，用來完成信息處理、數(shù)據(jù)和邏輯運算，控制系統(tǒng)的運行以及管理定時與中斷信號等。

可編程序控制——在CNC系統(tǒng)內(nèi)，PLC用于控制機床各工作部件協(xié)調(diào)地工作，和他們之間的互鎖和關(guān)聯(lián)等。3.9.5誤差自動補償系統(tǒng)

機床加工產(chǎn)生的誤差來自多方面的原因，數(shù)控機床采用重要的措施消除這些影響——即不同的補償。補償主要有刀具補償和傳動誤差補償。不同原因產(chǎn)生的加工誤差可采用不同的措施進行補償。導致加工誤差的原因中，大部分在一段較長的時間內(nèi)保持著穩(wěn)定的規(guī)律，可以將其規(guī)律精確地測量出來，利