典型电气控制系统分析0PPT课件.ppt

,第四章 典型电气控制系统分析河南理工大学机械与动力工程学院,电气控制系统是金属切削机床的重要组成部分，在机械设备中起着神经中枢的作用。通过它对电动机的控制，能拖动生产机械，实现各种运行状态达到加工生产的目的。不同的生产机械设备，或同类型的机床设备，由于各自的工作方式，工艺要求不同，其电气控制系统也不尽相同。 本章通过对几台典型机床设备的电气控制系统分析，进一步阐明各基本控制环节在各种控制系统中的应用及各典型控制系统的组成。学会根据生产工艺和机械设备对电气控制的要求，进行电气控制电路分析，提高读图能力，为今后进行机械设备的电气控制电路的设计、安装调整、运行打下一定的基础。,第四章 典型电气控制系统分析,读图口诀,一看二想多联系，从左到右顺序查；先主后从再联系，然后还把关键找。找出核心和制约，由右返左作用清；再按顺序想一想，是否静动联得通。从控主，主管从，合作才是真道理；静动得当才逻辑，相互包含是真理。,你中有我，我中有你。静动匹配。,第二节 普通车床的电气控制系统,第四节 双面单工位液压传动组合机床电气控制系统,第五节 起重机电气控制系统,第六节 数控机床控制系统简介,第四章 典型电气控制系统分析,第一节 分析电气控制系统的方法与步骤,第三节 铣床的电气控制系统,（1）机械设备概况调查。了解设备的基本结构及工作原理、设备的传动系统类型及驱动方式、主要技术性能和规格、运动要求等。液压气动传动系统的工作原理、机械设备对电气控制系统的要求。,（2）电气控制系统及电气元件的状况分析。明确电动机作的用途、型号规格以及控制要求，了解各种电器的工作原理、控制作用及功能。,1.分析电气控制系统的方法 ：,4.1 分析电气控制系统的方法与步骤,（3）机械系统与电气控制系统的关系分析。在了解被控设备所采用的电气控制系统结构、电气元件状况的基础上，还应明确机械系统与电气系统之间的联接关系，即信息采集传递和运动输出的形式和方法。信息采集传递是指信号通过设备上的各种操作手柄、挡铁以及各种信息检测机构作用在主令信号发出元件上，并传递到电气控制系统中的过程；运动输出是指电气控制系统中的执行元件将驱动力作用到机械系统上的相应点，并实现设备要求的各种动作。,车削加工一般只需要单向旋转，但在车削螺纹时为避免乱扣，要求主轴反转来退刀，因此要求主轴能正反两个方向旋转。主轴的旋转方向可通过改变主轴电动机转向通过机械手柄（离合器）齿轮组来控制。,中小型普通车床主轴的转速的调节方法有两种：一种是通过改变电动机的磁极对数来改变电动机的转速，以扩大车床主轴的调速范围；另一种是用齿轮变速箱来调速。目前中小型车床多采用不变速的异步电动机拖动，靠齿轮箱的有级调速来实现变速；对于大型或重型车床以及主轴需要无级调速的车床，可用晶闸管控制的直流调速系统。加工螺纹，要求保证工件的旋转速度和刀具的移动速度之间具有严格的比例关系，因此车床溜板箱与主轴之间通过齿轮来连接，刀架的移动和主轴旋转都是由一台电动机来拖动的，而刀具的进给是通过挂轮箱传递给进给箱，通过二者的配合来实现。,根据卧式车床的特点，其电气控制电路应满足以下要求：,（1）主轴转速和进给速度可调（2）主轴能正反两个方向转动（3）主轴电动机起动应平稳主电动机有两种起动方式，即直接起动(小于10kW的电机)和降压起动(大于10kW的电机)。（4）主轴应能迅速停车主电动机的制动也有两种方式，即电气方法实现的能耗制动和反接制动，以及机械的摩擦离合器制动。 （5）车削时的刀具及工件应进行冷却加工时刀具及工件的温度相当高，应设专用电动机拖动冷却泵工作。（6）控制电路应有必要的保护及照明等多电路。,一、CW6163B型万能卧式车床的控制线路,1主电路,包括主电机、冷却电机、刀架快速进给电机等的线路。,2控制电路,主电机M1由SB1SB4四个按钮控制；冷却泵电机M2由按钮SB5和SB6控制；快速电机M3由按钮SB7点动控制。,3. 照明及显示电路,照明及显示电路。信号灯EL2为电源指示灯，EL1为机床工作指示灯：EL为机床照明灯，SA为机床照明开关。,C650卧式车床结构示意图，它主要由床身、主轴、主轴变速箱、尾座、进给箱、丝杠、光杠、刀架和溜板箱等组成。该卧式车床属于中型车床，可加工的最大工件回转直径为1020mm，最大工件长度为3000mm。,图4-5 C650卧式车床外形图,二、C650卧式车床的电气控制线路,二、C650卧式车床的电气控制线路,电力拖动特点与控制要求：1、主电动机控制要求主电动机M1为三相笼型异步电动机，完成主轴运动和进给运动的拖动。主电动机直接起动，能够正、反两个方向旋转，并可对正、反两个旋转方向进行电气停车制动，为加工、调整方便，还要具有点动功能。进给运动也由主轴电机拖动，主轴电机的动力由主轴箱传递到进给箱，再有光杆或丝杆传到溜板箱。2、冷却泵电动机控制要求冷却泵电动机M2，在加工时带动冷却泵工作提供冷却液，采用直接起动，并且为连续工作状态。3、快速移动电动机控制要求快速移动电动机M3，可根据需要随时手动控制起停。,电气控制系统分析C650卧式车床的电气控制系统如图4-6所示。下面对C650卧式车床的主电路以及控制电路进行具体地分析。,二、C650卧式车床的电气控制线路,图4-6 C650型车床的电气控制原理图,图4-7 C650卧式车床主电路,1主电路分析,图4-7主电动机M1的控制电路,2控制电路,(1)主电动机的点动调整控制,(2)主电动机的正反转控制电路,图 C650卧式车床正反转控制线路,图 C650卧式车床正转控制线路,(2)主电动机的正转控制电路,(2)主电动机的反转控制电路,（3）. 主轴电动机的反接制动控制,4.3 X62W万能升降台铣床电气控制系统,1立柱，2主电动机，3主传动，4进给传动，5铣刀轴，6底槽，7上支撑，8操作手柄，9水平工作台面，10悬梁，11中间支撑，12前支撑，13刀杆X62W型卧式铣床结构,一、铣床的运动形式,主运动 主轴的旋转运动 ，分为顺铣和逆铣；主轴运动与进给运动之间无严格传动比要求，因此主轴由主电机拖动进给运动 工作台在三个相互垂直方向上的直线运动（手动或机动）；进给运动各个方向的运动由一台进给电机拖动。 辅助运动 1、工作台在三个相互垂直方向上的快速直线移动 ；2、工作台上可以安装园工作台进行圆弧、凸轮铣削。,进给电动机经机械传动链，通过机械离合器在选定的进给方向上驱动工作台进给 。,快速移动电磁离合器,铣削加工方式有逆铣与顺铣。卧铣时，在一般情况下铣刀正向安装，要求主轴电动机正向旋转，有时因加工需要铣刀需反向安装时，要求主轴电动机应反向旋转。当铣削方向确定后，在铣削加工过程中则不需要改变旋转方向。因此，对主轴电动机的控制要求是在加工之前选择好转向（正向或反向），而后起动加工。 铣刀是一种多刃刀具，其切削过程是断续的，负载随时间波动，造成拖动的不平衡，为了减小负载波动的影响在主轴上采用飞轮增加惯量，这样又引起主轴在停车时的惯性大，停车时间较长，影响生产效率。为了实现能快速停车的目的，主轴都采用制动停车方式。 铣削时根据工件的加工要求，有纵向、横向和垂直三个方向的进给运动，由一台电动机拖动。进给运动的方向，是通过操作选择运动方向的手柄与开关，配合进给拖动电动机的正、反转来实现的。为了保证机床、刀具的安全，在铣削加工时只允许工件作一个方向的进给运动。在使用圆工作台加工时，不允许工件作纵向、横向和垂直方向的进给运动。为此各向进给运动之间应具有联锁环节。,二、铣床的电力拖动特点,铣床主运动和进结运动间没有比例协调的要求，但从机械结构的合理性考虑，应采用两台电动机单独拖动。在铣削加工中，为了不使工件与铣刀碰撞而造成事故，要求进给拖动一定要在铣刀旋转时才能进行，铣刀停止旋转，进给运动就应该停止或同时停止。因此，要求进给运动电动机与主轴电动机之间要有可靠的联锁。 为适应各种不同的铣削加工要求，铣床主轴及进给运动都应具有一定的调速范围。为了使齿轮在变速时易于相互啮合，要求主轴电动机和进给电动机都应具有变速冲动控制电路。 为使操作者能在铣床正面、侧面方便操作，对主轴起动、停止，工作台进给运动选向及快速移动等控制，设置多地点控制方案。 为保证加工质量和机床设备的安全，要求控制系统中应具有较完善的联锁保护环节。铣削加工中，根据不同的工件材料，也为了延长刀具寿命和提高加工质量，需要切削液对工件刀具进行冷却润滑，而有时又不采用。因此，采用转换开关控制冷却泵电动机单向旋转。此外，还应配有安全照明电路。,二、铣床的电力拖动特点,三、铣床的电气控制系统要求,主轴电动机控制电路空载时直接起动 ，为完成顺铣和逆铣，需要带动铣刀主轴正转和反转； 可在两端进行启停操作为提高工作效率，要求有停车制动控制；换刀时主轴必须处于制动状态； 为保证变速时齿轮易于啮合，要求变速时主电动机有点动控制。进给电动机控制电路 工作台纵向与前后运动的方向联锁 工作台垂直上下运动和横向左右运动的方向联锁 圆工作台和长工作台之间的联锁为满足纵向、横向、垂直方向的往返运动，要求进给电动机能正转和反转 工作台的快速移动 以及进给变速时可以进行瞬时点动调整。主轴电动机与进给电动机启、停顺序要求 加工零件时，为保证设备安全，要求主轴电动机启动后进给电动机方能启动,四、X62W万能升降台铣床电气控制电路分析,图4.3.2 X62W型铣床的电气控制系统,X62W万能升降台铣床电气控制线路,一、主电路,二、控制线路,（一）主电动机的控制 1. 主电动机的起动,2. 主电动机的制动,4. 主轴换刀制动,当进行换刀或上刀操作时，为了防止主轴转动造成意外事故，也为了上刀方便，主轴也需处在断电停车和制动的状态。此时可将选择开关SA2的工作状态扳到上刀制动状态位置，即SA21触点断开，切断接触器KM1的线圈电路，使主轴电动机不能起动；SA22触点闭合，同样可接通电磁制动器YB的线圈电路，使主轴处于制动状态不能转动，保证上刀、换刀工作的顺利进行以及人身安全。,3. 主轴换刀制动,4. 主轴变速时的瞬时点动,铣床主轴的变速由机械系统完成，在变速过程中，当选定啮合的齿轮没能进入正常啮合时，要求电动机能点动至合适的位置，保证齿轮正常啮合。,主轴变速时先将变速手柄拉出，将原先啮合好的齿轮脱离，然后转动变速手轮选择转速，转速选定后将变速手柄推回原位，使齿轮在新位置重新啮合。由于齿与齿槽可能对不准，会造成啮合困难。若齿轮不能进入正常啮合状态，则需要主轴有瞬时点动的功能，以调整齿轮相对位置。实现瞬时点动是由复位手柄与行程开关SQ7共同控制的。当变速手柄复位时，在推进的过程中会压动瞬时点动行程开关SQ7，使其动断触点先断开，切断KM1线圈电路的自锁；,4. 主轴变速时的瞬时点动,（二）进给电机的控制, 顺序控制。为防止刀具和机床的损坏，只有主轴旋转后，才允许有进给运动。从图4.3.2中可知，控制主轴电动机的启动接触器KM1辅助动合触点串接在工作台运动控制电路中，这样就可保证只有主轴旋转后工作台才能进给的互锁要求。 水平工作台运动控制。水平工作台移动方向由各自的操作手柄来选择，如图4.3.3所示。一般卧式万能升降台铣床工作台有两个操作手柄，一个为纵向(左右)操作手柄，有右、中、左三个位置；另一个为横向(前后)和垂直(上下)十字复合操作手柄，该手柄有五个位置，即上、下、前、后和中间位置。,SA1为工作台转换开关，它是一种二位式选择开关。当使用水平工作台时，触点SA11与SA13闭合；当使用圆工作台时，触点SA12闭合。,（二）进给电机控制 1. 工作台的左右运动,2. 工作台前后运动,3. 进给变速时的瞬时点动,4. 进给方向的快速移动,图4.3.2 X62W型铣床的电气控制系统,5、圆工作台控制,图4.3.4 工作台控制电路,4.6 数控机床控制系统简介,4.6.1 数控机床概述,一. 数控机床的概念数控即数字控制(Numerical Control，简称NC)。数控技术即NC技术，是指用数字化信息发出指令，借助数字、字符或其它符号对某一工作过程（如加工、测量、装配等）进行可编程控制的自动化技术。 计算机数控(Computerized Numerical Control，简称CNC)，是指用计算机实现部分或全部的数控功能。采用数控技术的自动控制系统为数控系统，采用计算机数控技术的自动控制系统为计算机数控系统，其被控对象可以是生产过程或设备。 如果被控对象是机床，则称为数控机床。,二、数控机床的工作原理,数控机床加工零件,首先要将被加工零件的图样及工艺信息数字化（将机床加工所需操作如，主轴变速、松夹工件、进刀退刀、启停车、选择刀具、供给冷却液、以及工件与刀具的相对位移量等都用数字化的代码表示）,用规定的代码和程序格式编写加工程序,然后将所编写的程序指令输入到机床的数控装置中. 数控装置再将程序(代码)进行译码、运算，向机床各个坐标的伺服机构和辅助控制装置发出信号，驱动机床各运动部件，控制所需要的运动，最后加工出合格零件。,数控机床的工作原理,三、数控机床的工作过程,从自动控制的角度来看，计算机数控(CNC)系统是一种位置（轨迹）、速度（还包括电流）控制系统，其本质上是以多执行部件(各运动轴)的位移量、速度为控制对象并使其协调运动的自动控制系统，是一种配有专用操作系统的计算机控制系统。,零件图纸与工艺,编程,CNCPLC,操作面板,伺服系统,I/O设备,电气控制,加工成形,机床本体,数控机床的工作过程,四、数控机床的组成,数控机床一般由输入输出设备、计算机数控装置、伺服单元、驱动装置、可编程控制器、检测装置、电气控制装置、机床本体及辅助装置等部分组成。数控机床与普通机床、专用机床相比，具有加工精度高、生产效率高、自动化程度高等优点，主要适合复杂、精密、小批多变的零件加工。数控机床是典型的机电一体化产品，是集机床、计算机、电机拖动、自动控制、检测等技术为一体的自动化设备。,数控机床在加工过程中，必须接受由操作人员输入的零件加工程序，才能加工出所需的零件。同时数控装置还要为操作人员显示必要的信息，例如坐标值、切削方向、报警信号等。另外，输入的程序并非全部正确，有时需要编辑、修改或调试。上述这些工作都属于机床数控系统和操作人员进行信息交流的过程，由输入输出设备来实现。输入输出设备有多种形式，现常用的是键盘和显示器。操作人员一般利用键盘输入、编辑、修改程序及发送操作指令，即进行手工数据输入（Manual Data Input，简称MDI），显然键盘是MDI主要的输入设备。显示器为操作人员提供程序编辑或机床加工等必要的信息，简单的显示器只有若干个数码管，因此显示的信息有限。较高级的系统常常配有CRT显示器或液晶显示器，这样就能显示字符、加工轨迹及图形等更丰富的信息。数控机床早期的输入装置还有穿孔纸带、穿孔卡、磁带、磁盘等，随着CADCAM技术的发展，有些数控机床利用CADCAM软件先在计算机上编程，然后通过计算机与数控系统进行通信，将程序和数据直接传送给数控装置。,1、输入输出设备,CNC装置是数控机床的核心，由硬件和软件两部分组成。其基本功能是：接受输入装置送来的加工程序，进行译码和寄存，然后根据加工程序所指定的零件形状，计算出刀具中心的运动轨迹，并按照程序指定的进给速度，求出每个插补周期内刀具应移动的距离，在每个时间段结束前，把下一个时间段内刀具应移动的距离送给伺服单元。,2、计算机数控（CNC）系统,CNC装置基本配置,2、计算机数控（CNC）系统,伺服系统是数控机床的执行部分。它能将数控装置送来的指令信息加以放大，经功率放大后。通过机床进给传动元件(如齿轮减速箱和滚珠丝杠螺母等)，去驱动机床移动部件(工作台或刀架)，以便精确定位或按照规定的轨迹和速度运动，使机床加工出符合图样要求的零件。信息输入到CNC单元内。 伺服驱动系统包含主轴伺服驱动和进给伺服驱动，由伺服单元和驱动装置组成，它是联系数控系统和机床本体之间的电气环节。当数控系统发出的指令信号与位置反馈信号比较后，形成位移指令，该指令由伺服单元接受，经过变换和放大，再通过驱动装置将其转换成相应坐标轴的进给运动和精确定位运动。 伺服系统中常用的驱动装置有：开环伺服系统常用步进电动机，闭环伺服系统常用脉宽调速直流电动机和交流伺服电机等。,3伺服系统,数控系统除了位置控制功能外，还具有主轴起停、换向、冷却液开关等辅助控制功能，这部分功能由可编程控制器（PLC）和电气控制装置来实现。在数控机床中，CNC系统主要负责完成与数字运算和管理有关的功能，如编辑加工程序、译码、插补运算、位置伺服控制等；而PLC和电气控制装置则负责完成与逻辑开关量控制有关的各种动作，如接受零件加工程序中的M代码（辅助功能）、S代码（主轴转速）、T代码（选刀、换刀）等顺序动作信息，对其进行译码后转换成相应的控制信号，控制辅助装置完成机床的一系列开关动作，诸如工件的夹紧与放松、刀具的选择与更换、冷却液的开和关、分度工作台的转位和锁紧等等。PLC接受来自操作面板和数控系统的指令，一方面通过接口电路直接控制机床动作，另一方面通过伺服驱动系统控制主轴电动机的转动，并可将部分指令送往CNC用于加工过程的控制。,4、数控机床电气逻辑控制装置,5位置检测装置,位置检测装置位置反馈分为伺服电动机的转角位移反馈和数控机床执行机构(工作台)的位移反馈两种，运动部分通过传感器将上述角位移或直线位移转换成电信号，输送给CNC单元，与指令位置进行比较，并由CNC单元发出指令，纠正所产生的误差，适时控制机床的运动位置。主要用来检测工作台的实际位移或丝杠的实际转角，通常安装在机床工作台上或丝杠上，它与伺服驱动系统配合可组成半闭环或闭环伺服驱动系统。在闭环控制系统中，位置检测装置将工作台的实际位移或丝杠的实际转角转换成电信号，并反馈到数控装置，由数控装置计算出实际位置和指令位置之间的差值，并根据这个差值的大小和方向去控制执行部件的进给运动，使之朝着减小误差的方向移动。因此，位置检测装置的精度决定了数控机床的加工精度。,5位置检测装置,感应同步器测量装置,旋转变压器位移检测,编码器测量,编码器是将角位移或直线位移转换为电信号的装置。前者称为码盘，后者称为码尺。,光栅位置检测装置,分为直线式和旋转式两类。分别用于直线位移和角位移测量,除了主运动系统、进给系统（如工作台、刀架）、以及辅助部分（如液压、气动、冷却和润滑部分等）和支撑部件（如床身、立柱）等一般部件外，尚有些特殊部件，如储备刀具的刀库、自动换刀装置(ATC)、自动托盘交换装置等。,机床本体是用于完成各种切削加工的机械部分，包括主运动部件、进给运动部件、床身立柱等支撑部件。数控机床的组成与普通机床相似，但实际使用时由于切削用量大、连续加工发热量大等因素对加工精度会有一定影响，且加工过程属于自动控制，因此数控机床在精度、静刚度、动刚度和热刚度等方面都提出了更高的要求，而传动链则要求尽可能的简单。辅助装置主要包括换刀、夹紧、润滑、冷却、排屑、防护、照明等一系列装置，它的作用是保证安全、方便地使用数控机床，使其功能充分发挥。,6、机床本体与辅助装置,五、数控机床的应用,数控技术不仅应用于车、铣、镗、磨、线切割、电火花、锻压、激光等数控机床，而且应用于配备自动换刀的加工中心，带有自动检测、工况自动监控及自动交换工件的柔性制造单元已用于生产。高速化、高精度化、高可靠性、高柔性化、高一体化、网络化和智能化是现代数控机床的发展趋势。,数控车床,数控铣床,数控钻床,加工中心,QT200全功能数控车床8位转塔刀台/8位,数控雕刻机床,三座标测量机,数控电火花成型机,快速成型设备,数控多工位冲床,数控弯管机,数控卷簧机,5轴联动的加工中心加工工件,六、数控机床的特点及优势,（1）采用了高性能的主轴及伺服传动系统，机械结构得到简化，传动链较短；（2）为了使连续性自动化加工，机械结构具有较高的动态刚度及耐磨性，热变形小； （3）更多的采用高效率、高精度的传动部件，如滚珠丝杠、直线滚动导轨等；（4）加工中心带有刀库、自动换刀装置（5）采用辅助装置：冷却、排屑、防护、润滑、储运等装置,1. 设计特点,六、数控机床的特点及优势,适应性强，适合加工单件小批量、复杂零件 加工零件一致性好、重复精度高高自动化、高效率只要改变程序就可改变加工件，不需要大量复杂工装夹具可以采用复合工艺有利于生产管理的现代化,2. 优势,4.6.2 计算机数控（CNC）系统,计算机数控(CNC)系统是数控机床的核心部分，其主要任务是控制机床的运动，完成各种零件的自动加工。在进行零件加工时，CNC装置首先接收数字化的零件图样和工艺要求等信息，再进行译码和预处理，然后按照一定的数学模型进行插补运算，用运算结果实时地对机床的各运动坐标进行速度和位置控制。计算机数控（CNC)系统由硬件和软件组成，是一种采用存储程序的专用计算机，计算机通过运行存储器内的程序，使数控机床按照操作者的要求，有条不紊地进行加工，实现对机床的数字控制功能。,如图所示，为CNC装置硬件的基本组成框图，由图可知，它不仅具有一般微型计算机的基本硬件结构，如微处理器(CPU)、总线、存储器、IO接口等；而且还具有完成数控机床特有功能所需的功能模块和接口单元，如手动数据输入(MDI)接口、PLC接口、纸带阅读机接口等。,1、CNC装置的硬件结构,2、CNC装置的软件,CNC装置在上述硬件的基础上，还必须配合相应的系统软件来指挥和协调硬件的工作，二者缺一不可。数控装置的软件是实现部分或全部数控功能的专用系统软件，图4.6.3是数控系统软件组成框图，由图可知，它由管理软件和控制软件两部分组成。其中管理软件主要为某个系统建立一个软件环境，协调各软件模块之间的关系，并处理一些实时性不太强的软件功能，如数控加工程序的输入输出及其管理、人机对话显示及诊断等；控制软件的作用是根据用户编制的加工程序，控制机床运行，主要完成系统中一些实时性要求较高的关键控制功能，如译码、刀具补偿、插补运算、位置控制等。,3、CNC装置的工作过程,（1）零件程序的输入。（2）译码处理。 （3）数据处理。 （4）插补运算。 （5）位置控制。 （6）IO处理。 （7）显示。 （8）诊断。,4.6.3 伺服系统,数控机床伺服控制系统是以机床移动部件的位置和速度为被控制量的自动控制系统，它包括进给伺服系统和主轴伺服系统。其中进给伺服系统是控制机床坐标轴的切削进给运动，以直线运动为主；主轴伺服系统是控制主轴的切削运动，以旋转运动为主。如果说CNC装置是数控机床发布命令的“大脑”，伺服驱动系统则为数控机床的“四肢”，因此是执行机构。 伺服控制系统是连接CNC装置和机床机械传动部件的环节，包含机械传动、电气驱动、检测、自动控制等方面的内容。,一、伺服系统的组成,数控机床伺服系统的一般组成结构如图所示，包含驱动电路、执行元件、传动机构、检测元件及反馈电路等部分。,二.数控机床对伺服系统的要求,（1）可逆运行（2）精度高（3）调速范围宽（4）稳定性好（5）快速响应（6）低速大转矩,数控机床规格繁多，据不完全统计已有400多个品种规格。可以按照多种原则来进行分类。但归纳起来，常见的是以下面3种方法来分类的。 1. 按工艺用途分类2. 按运动轨迹分类3. 按伺服系统的控制方式分类,三.伺服系统分类,1.按工艺用途分类,一般数控机床：车铣镗钻磨等，功能与通用机床相似；但是可以加工复杂形状的零件。 数控加工中心：在数控铣、镗、钻床的基础上增加了自动换刀装置。带刀库，一次装夹后可完成多工序加工。多坐标数控机床：坐标轴大于3，能加工复杂形状零件。,2. 按运动轨迹分类,点位控制数控机床：点点位置精确控制，保证的是定位精度，以慢快慢的运动方式 如：钻床、冲床、测量机等点位直线控制数控机床：位置控制+速度和路线控制，只能沿某个坐标轴方向（平行或45）切削加工轮廓控制数控机床：每点的位置+速度+路线控制，可对2坐标或2坐标以上坐标轴进行控制,按运动轨迹分类,按运动轨迹分类,按运动轨迹分类,3. 按伺服系统的控制方式分类,（1） 开环控制数控机床（2） 闭环控制数控机床（3） 半闭环控制数控机床,（1）开环伺服系统数控机床,这类机床的数控系统将零件的程序处理后，输出数字指令信号给伺服系统，驱动机床运动，没有来自位置传感器的反馈信号。,开环伺服系统数控机床特点： 没有反馈信号。 精度低。 系统稳定性好。 设计和调整方便。开环伺服系统数控机床应用： 多应用于经济型数控和对旧机床的改造上。,（2）闭环伺服系统数控机床,在机床移动部件的位置上直接装有直线位置检测装置，检测刀具或工作台的实际位移值并将检测到的位移值及时反馈到CNC装置中，与所要求的位移指令值进行比较，用比较的差值进行控制，直到差值消除为止。,闭环伺服系统数控机床特点： 有位置反馈信号。 很高的加工精度。 设计和调整有较大的难度。 系统不稳定。 检测直线位移。 闭环伺服系统数控机床应用： 用于一些精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精铣床等。,（3）半闭环伺服系统数控机床,它是在开环控制系统的丝杠端头或电动机端头上装有检测装置，通过检测丝杠的角位移（转角）和转速，间接地检测移动部件的实际位移量，然后反馈到CNC装置中进行位置比较，用比较的差值进行控制。,半闭环伺服系统数控机床特点： 精度介于开环、闭环之间。 设计和调整较容易。 系统的较稳定。 检测角位移。,半闭环伺服系统数控机床应用： 配备精密滚珠丝杠的半闭环控制系统得到广泛采用。,滚珠丝杠结构示意图 1-丝杠 2-滚珠 3-回珠管 4-螺母,4.按数控系统功能水平的分类,数控机床按数控系统功能水平可分为低、中、高三档。,四、常用驱动元件,驱动元件是伺服系统的关键部件，对系统的特性有极大的影响，它的发展和进步是推动数控机床发展的重要因素。驱动元件的发展大致分为以下几个阶段： 50年代，采用步进电机。目前只应用于经济型数控机床。 6070年代，采用步进电机和电液伺服电机。现已基本不用。 7080年代，采用直流伺服电机，目前在我国广泛使用。 80年代以后，采用交流伺服电机，是比较理想的驱动元件。,步进电机是一种将电脉冲信号转换成机械角位移的特殊电机。步进电机的转子上无绕组且制有若干个均匀分布的齿，在定子上有励磁绕阻。当有脉冲输入时，转子就转过一个固定的角度，其角位移量与输入脉冲个数严格地成正比，在时间上也与输入脉冲同步。当无脉冲时，在绕组电源的激励下，气隙磁场能使转子保持原有位置不变而处于定位状态。,1、步进电机,按其运动方式分：有旋转式、直线运动式、平面运动式和滚切运动式。按其励磁相数 可分为三相、四相、五相、六相甚至八相步进电机等；按使用场合分：有功率步进电机和控制步进电机；按其工作原理分：有磁电式、反应式（磁阻式）、永磁感应式步进电机等；按使用频率分：有高频步进电机和低频步进电机；按结构分：有单段式（径向式）、多段式（轴向式）等。,（一）步进电机的分类,尽管步进电机种类很多，其基本原理实质都是一致的。现以三相反应式步进电机为例，说明其工作原理:在步进电机定子上有三对磁极，上面绕有励磁绕组，分别称为A相、B相和C相。转子上带有等距小齿（图中有四个齿）,如果先将A相加上电脉冲，则有：,A,A,B,B,C,C,1,2,3,4,(a) A相通电,（二）步进电机工作原理,A,A,B,B,C,C,1,2,3,4,如果将B相加上电脉冲，则有：,(b)B相通电,转子逆时针旋转,30,。,A,A,B,B,C,C,1,2,3,4,(a) A相通电,（二）步进电机工作原理,如果再将C相加上电脉冲，则有：,A,A,B,B,C,C,1,2,3,4,(c)C相通电,转子逆时针旋转,30,。,A,A,B,B,C,C,1,2,3,4,(b)B相通电,转子逆时针旋转,30,。,A,A,B,B,C,C,1,2,3,4,(a) A相通电,（二）步进电机工作原理,这种三相励磁绕组依次单独通电，切换三次为一个循环，称为三相单三拍通电方式。由于每次只有一相磁极通电，易在平衡位置附近发生振荡，而且在各相磁极通电切换的瞬间，电机失去自锁力，容易造成失步。为改善其工作性能，可采用三相六拍的通电方式，其通电方式及通电顺序为AABBBCCCAA或者AACCCBBBAA 这种通电方式当由A相通电转为AB相共同通电时，转子磁极将同时受到A相与B相的吸引，它就停在AB两相磁极中间，这时它转过的角度是15。这种通电方式在切换时，始终有一相磁极不断电，故而工作较稳定，且在相同频率下，每相导通的时间增加，平均电流增加，从而可以提高电磁转矩、启动频率及连续运行频率等特性。 显然，通入脉冲频率越高，电机的转速就越高，且电机每步转过的角度越小，所能达到的位置精度也越高。,。,（二）步进电机工作原理,（）步距角 步进电机每接受一个脉冲，转子所转过的角度，称为步距角。它是决定开环伺 服系统脉冲当量的重要参数。360mkz 式中 步距角； m 定子励磁绕组的相数； z 转子齿数； k 通电方式系数，单拍时，k=1；双拍时，k2。,。,（三）步进电机的主要特性参数,（2）最大启动转矩 步进电机在启动时能带动的最大负载转矩，如步进电机的负载转矩超过此值，则电机不能启动。其值越大， 则承载能力越强。 （3）起动频率 步进电机在启动时，从静止状态突然启动而不丢步的最高频率。它与负载惯量有关，一般地它随负载的增加而减小。,（4）连续运行最高频率 步进电机启动之后，控制脉冲的频率可进一步提高。能够跟上控制脉冲的频率而不失步的最高频率，称为连续运行最高频率。它随负载的增加而下降，它比最高启动频率大许多，因它不需克服惯性力矩。它代表着步进电机的最高转速。目前世界最高值可达7000rmin。,脉冲分配器：通过脉冲指令，按一定顺序导通或截止功率放大器，使电机相应的励磁绕组通电或 断电的装置叫脉冲分配器，也叫环形分配器。它由门电路、触发器等基本逻辑功能元件组成。步进电机的正转与反转，由方向指令控制。步进电机的转角与转速分别由指令脉冲的频率与数量决定。脉冲分配可由硬件或软件来实现。,脉冲分配器,功率放大器,步进电机,进给脉冲,运动方向,（四）步进电机的驱动 根据步进电机的工作原理，我们知道步进电机的角位移量与指令脉冲的个数成正比，旋转方向与通电方向有关。因此步进电机的驱动电路，必须能控制步进电机各相励磁绕组电信号的通电断电变化频率、次数和通电顺序。这个工作由脉冲分配器和功率放大器来完成。,由于数控机床的自身特点，如位移精度高、调速范围广、承载能力强、运动稳定性好、响应速度快等，对伺服电机的要求较高，特别是要具有较大的转矩惯量比。直流伺服电机具有较好的调速特性，尤其是直流电机具有较硬的机械特性，因此直流电机在数控机床中使用较广泛。然而一般的直流电机因其转子转动惯量较大，其输出转矩相对小，动态特性不好，不能满足机械加工的要求，特别是在低速运转条件下更是如此。因此，直流电机必须改进结构提高其特性，才能用于数控机床的伺服系统。,2、直流伺服电机,1小惯量直流伺服电机 为使转子转动惯量尽可能的小，这种电机一般都做成细长形，转子光滑无槽。其特点是转动惯量比一般直流电机小一个数量级，机械时间常数小，加减速能力强，响应快，动态特性好。再加上其气隙尺寸大，采用高磁能永久磁铁，励磁绕组在铁心表面，因而绕组自磁小，电枢电流可增大。所以其瞬时峰值转矩可为额定转矩的十倍以上，调速范围宽，低速运转平稳。,调速直流伺服电机是在维持一般直流电机转动惯量不变的前提下，通过提高转矩来改善其特性，电机定于采用矫顽力强的永磁材料。这种材料可使电机电流过载10倍而不会去磁，因而提高了电机的瞬时加速力矩，改善了动态响应，因此调速直流伺服电机具有以下特性：（1）动态响应好 （2）过载能力强 （3）转矩大 （4）调速范围宽 调速范围可达0.12000r/min。（5）可直接接有高精度检测元件,2 调速直流电机 小惯量直流电机是从减小转子的转动惯量来改善电机动态特性的，然而正是因其惯量小，热容量也小，过载时间不能过长。其另一特点是转速高，惯量小，而机床的惯量大，两者之间必须使用齿轮减速才能很好地匹配。这在客观上就需要一种大转矩、低转速的电机。,3直流伺服电机的调速 对于直流电机的调速，在理论上有三种方法：改变电枢回路电阻；改变气隙磁通量；改变外加电压。用于数控机床的电机要求既能正转、反转，又能快速制动。因此数控机床的伺服系统一般都是可逆系统，但前两种方法不能满足数控机床的要求。因此，主要采用调整电枢电压的方法来调节直流伺服电机的转速，它的供电系统能灵活地控制直流电压的大小和方向。目前主要用晶闸管控制方式（SCRM）和脉宽调制方式 （PWMM）来提供可调的直流电源。,（） 晶闸管控制方式，用 SCR三相全控桥式整流，通过改变触发角来改变电压，从而达到调节直流伺服电机的目的，此方法以前应用较广。缺点是其电枢电流脉动频率低，波形差，使电机的工作情况恶化，从而限制了调速范围的进一步扩大。,（）近年来，晶体管脉宽调制方式在世界上得到了广泛应用，并且逐步取代晶闸管控制方式。,M,T,2,T,U,t,如图所示开关K周期性的开关,周期为T,接通时间为,外加电源电压U为常数，则加到电枢上的波形是一个高为U，宽为，周期为T的方波。则它的平均值为：Ua= Udt/T= U/T=TU 其中T/T,K,Ua,0,T,由上式可知： 当T不变时，只要连续地改变（0T）就可使电枢电压平均值连续地由0U变化，从而改变电机的转速。实际上的PWM系统用大功率M极管代替开关K，其开关频率是2000Hz，Tl2000s0.5ms。图中二极管为续流二极管，当K断开时，由于电枢电感的存在，电机电枢电流Ia可通过它形成回路而继续流通。,直流电机的优缺点,直流电机的优点：晶体管脉宽调制系统，因晶体管的开关频率很高，其输出电流接近于纯直流，使电机调速平稳。另一方面，转子也跟不上如此高的频率变化，避开了机械谐振，使机械工作平稳。这种方式还具有优良的动态硬度，电机既能驱动负载，也能制动负载，因而响应很快。与晶闸管比较，在相同的输出转矩下（即平均电流相同）运行效率高，发热小，低速下限更小，调速范围更宽。直流电机的缺点：它的电刷和换向器易磨损，换向时产生火花，使电机的最高转速受到限制，也使应用环境受限制，其结构复杂，成本高。,（1）交流伺服系统的优点：交流异步电机结构简单，成本低廉，无直流伺服电机的缺点，而且转子惯量较直流电机的小，这意味着动态响应更好。交流电机容量也比直流容量大，可达更高的电压和转速。一般在同样体积下，交流电机的输出功率比直流电机可以提高1070。是当前机床进给驱动系统的一个新动向。,3、交流伺服电机,（2）交流伺服系统的电机类型：可以采用交流异步电机，也可采用交流同步电机。交流异步电机所采用的电流有三相和单相两种。交流同步电机的磁势源可以是电磁式、永磁式和反应式等多种，在数控机床进给伺服系统中多采用永磁式同步电机。,（3）永磁式同步电机的特点是：结构简单，运行可靠，效率高。在结构上采取措施如采用高剩磁感应、高矫顽力和稀土类磁铁，可比直流电机在外形尺寸上减少约50，重量上减轻近60，转子惯量减至20，因而可得到比直流伺服电机更硬的机械性能和宽的调速范围。,（4）交流伺服电机的调速：目前用得较多的是用计算机对交流电机的磁场作矢量变换控制。它的基本原理是通过矢量变换，把交流电机等效为直流电机，其思路是按照产生同样的旋转磁场这一等效原则进行的。（5）步骤：先将交流电机的三相绕组等效成二相绕组，再进一步等效为两个正交的直流绕组，构成正交的坐标系的两个轴。一个相当于直流电机的励磁绕组，一个相当于直流电机的电枢绕组。在旋转的正交坐标系中，交流电机的数学模型和直流电机的数学模型是一样的，从而使交流电机像直流电机一样，能对其转矩进行有效控制。,日本 FANUC,德国肖特,美国哈挺,瑞士米克朗,德国斯宾纳TC系列,美国新新那提,日本东芝,韩国现代,