《数控机床电气控制》期末复习指导解析课件.ppt

数控机床电气控制期末复习指导,本次复习的主要内容 1. 介绍考试题目类型 2. 按章节顺序对考试重点以问答形式进行复习，以利于同学们掌握这门课程的主要内容。在复习这些重点内容时，同学们应对教材中的相关内容一起复习，这样印象更加深刻,（一）、考题类型 为了同学们进行期末考试的复习，我们在这里一起熟悉这次考题的类型：一、单选题 1（ ）是用来频繁地接通或分断带有负载（如电动机）的主电路的自动控制电器，按其主触头通过电流的种类不同，分为交流、直流两种。A接触器 B继电器 C接近开关答案：A,2工厂中电火花高频电源等都会产生强烈的电磁波，这种高频辐射能量通过空间的传播，被附近的数控系统所接收。如果能量足够，就会干扰数控机床的正常工作，这种干扰称（ ）。A信号传输干扰 B供电线路的干扰 C 电磁波干扰答案：C二、判断题 （对认为正确的题标注“”、错题标注“”） 例如 1直线控制数控机床的数控装置只要求能够精确地控制从一个坐标点到另一个坐标点的定位精度，而不管是按什么轨迹运动，在移动过程中不进行任何加工。（ ） 答案：(),2对于较大容量（大于10KW）的电动机，因起动电流大（可达额定电流的47倍），一般采用减压起动方式来降低起动电流。（ ）答案：()三、简答题 1PLC的硬件由哪几部分组成？ 答：PLC内部硬件由中央处理单元（CPU）、存储器、输入/输出接口、编程器、电源等几部分组成。,四、分析题 1增量式光电编码器原理示意如图所示，试分析其进行角度测量的原理。并回答为什么要用两个光电管进行光信号检测？,答：当光电盘随被测工作轴一起转动时，每转过一个缝隙，光电管就会感受到一次光线的明暗变化，使光电管的电阻值改变，这样就把光线的明暗变化转变成电信号的强弱变化，而这个电信号的强弱变化近似于正弦波的信号，经过整形和放大等处理，变换成脉冲信号。通过计数器计量脉冲的数目，即可测定旋转运动的角位移。 用两个光电管进行光信号检测，是为了使光敏元件产生两组电信号，该信号彼此相差90相位，用于辨向。,（二）、下面是同学们必须掌握的知识点，在复习中一定要全面理解第1章 绪论一、数控机床进行加工时，对机床的运动进行控制，归纳起来可分为哪几种类别的控制？答：数控机床进行加工时，数控系统必须按照工件加工的要求对机床的运动进行控制，归纳起来可分为三种类别的控制： 1主轴控制 主轴运动和普通机床一样，主轴运动主要完成工件的切削任务。 2进给控制 即用电气自控驱动替代了人工机械驱动，数控机床的进给运动是由进给伺服系统完的。 3辅助控制 数控系统对加工程序处理后输出的控制信号除了对进给运行轨迹进行连续控制外，还要对机床的各种开关状态进行控制，这部分功能一般由可编程序逻辑控制器实现。,图1.3数控机床的基本组成 二、数控机床控制系统由哪几部分组成？答：数控机床控制系统的基本组成包括输入/输出装置、数控装置、伺服驱动装置、机床电气逻辑控制装置、位置检测装置，如图1.3所示。,三、数控机床有哪几种分类方式？并说明是如何分类的。 答： 1、按被控制对象运动轨迹进行分类 1）点位控制的数控机床 点位控制数控机床的数控装置只要求能够精确地控制从一个坐标点到另一个坐标点的定位精度，而不管是按什么轨迹运动，在移动过程中不进行任何加工。 2）直线控制的数控机床 直线控制数控机床一般要在两点间移动的同时进行加工，所以不仅要求有准确的定位功能，还要求从一点到另一点之间按直线规律运动，而且对运动的速度也要进行控制。 3）轮廓控制的数控机床 轮廓控制又称连续控制，大多数数控机床具有轮廓控制功能。其特点是能同时控制两个以上的轴，具有插补功能。它不仅控制起点和终点位置，而且要控制加工过程中每一点的位置和速度，加工出任意形状的曲线或曲面组成的复杂零件。,2、按控制方式分类 1）开环控制数控机床 这类数控机床没有检测反馈装置，数控装置发出的指令信号流程是单向的，其精度主要决定于驱动元件和伺服电机的性能，开环数控机床所用的电动机主要是步进电动机。 2）闭环控制系统 闭环控制系统是指在机床的运动部件上安装位置测量装置。伺服系统采用交伺服电动机、直流伺服电动机。 3）半闭环控制系统 半闭环控制系统是在开环系统的丝杠上或进给电动机的轴上装有角位移检测装置。位置检测元件不直接安装在进给坐标的最终运动部件上，而是中间经过机械传动部件的位置转换(称为间接测量)。,第2章 数控机床强电控制电路一、低压断路器的作用是什么？答：低压断路器又称自动空气开关，它不但能用于正常工作时不频繁接通和断开的电路，而且当电路发生过载、短路或失压等故障时，能自动切断电路，有效地保护串接在它后面的电气设备。因此，低压断路器在机床上使用得越来越广泛。二、交流接触器的作用是什么？答：接触器是一种用来频繁地接通或分断带有负载（如电动机）的主电路自动控制电器。接触器按其主触头通过电流的种类不同，分为交流、直流两种，机床上应用最多的是交流接触器。,三、继电器的作用是什么？电流继电器与电压继电器在结构上的主要区别是什么？答：继电器是一种根据某种输入信号的变化，而接通或断开控制电路，实现控制目的的电器。继电器的输入信号可以是电流、电压等电学量，也可以是温度、速度、时间、压力等非电量，而输出通常是触头的动作（断开或闭合）。 电流继电器与电压继电器在结构上的区别主要是线圈不同。电流继电器的线圈匝数少、导线粗，与负载串联以反映电路电流的变化。电压继电器的线圈匝数多、导线细，与负载并联以反映其两端的电压。 中间继电器实际上也是一种电压继电器，只是它具有数量较多、容量较大的触点，起到中间放大的作用。,四、接近开关作用是什么？答： 接近开关又称无触点行程开关。当运动着的物体在一定范围内与之接近时，接近开关就会发生物体接近而“动作”的信号，以不直接接触方式控制运动物体的位置。 接近开关多为三线制。三线制接近开关有二根电源线（通常为24V）和一根输出线。输出有常开、常闭两种状态。 五、热继电器作用是什么？答：热继电器是利用电流的热效应原理来切断电路的保护电器，主要用于电动机或其他负载的过载保护。当负载电流超过整定电流值并经过一定时间后，发热元件所产生的热量使双金属片受热弯曲，带动动触点与静触点分断，切断电动机的控制回路，使接触器线圈断电释放，从而断开主电路，实现对电动机的过载保护。由此可见，热继电器由于热惯性，当电路短路时不能立即动作使电路立即断开，因此不能作短路保护。,六、电气控制线路电路图一般有哪几类？答： 电气控制系统图有三类：电气原理图、电器元件布置图和电气安装接线图 1.电气原理图 电气原理图是表达所有电器元件的导电部件和接线端子之间的相互关系。 2.电器元件布置图 电气元件布置图主要用来表明各种电气元件在机械设备上和电气控制柜中的实际安装位置，为机械电气控制设备的制造、安装、维修提供必要的资料。 3.电器安装接线图 电气安装接线图是用规定的图形符号，根据原理图，按各电器元件相对位置绘制的实际接线图，它清楚地表明了各电器元件的相对位置和它们之间的电路连接的详细信息。,七、三相异步电动机在何种情况下采用直接起动？答： 为了减小起动电流，电动机在起动时应采用适当的措施。三相笼型电动机有直接起动（全电压起动）和间接起动（降压起动）两种方式。直接起动是一种简单、可靠、经济的起动方式，适合小容量电动机。对于较大容量（大于10KW）的电动机，因起动电流大（可达额定电流的47倍），一般采用减压起动方式来降低起动电流。,第3章 数控装置（CNC）的结构一、数控装置是如何构成的？答： 目前的数控装置都是基于微型计算机的硬件和软件来实现其功能，它一方面具有一般微型计算机的基本结构，另一方面，必须编写相应的系统软件来指挥和协调硬件的工作，两者缺一不可。CNC装置的软件由管理软件和控制软件两部分组成。二、数控装置的硬件有哪几种结构类型？答：数控装置是整个数控系统的核心，其硬件结构 1：按CNC装置中各印刷电路板的插接方式可以分为大板式结构和功能模块式结构；2：按CNC装置硬件的制造方式，可以分为专用型结构和个人计算机式结构；3：按CNC装置中微处理的个数可以分为单微处理器结构和多微处理器结构。,三、什么是数控系统的干扰？答： 数控系统的干扰一般是指那些与信号无关的，在信号输入、传输和输出过程中出现的一些不确定的有害的电气瞬变现象。这些瞬变现象会使数控系统中的数据在传输过程中发生变化，增大误差，使局部装置或整个系统出现异常情况，引起故障。四、数控机床有哪些抗干扰措施？答： 1.减少供电线路干扰 数控机床的安置要远离中频、高频的电气设备；要避免大功率起动、停止频繁的设备，电火花设备同数控机床位于同一供电干线上，最好是采用独立的动力线供电。,2.减少机床控制中的干扰3.屏蔽 屏蔽技术利用金属材料制成容器，将需要防护的电路或线路包在其中，可以防止电场或磁场的耦合干扰。4.保证“接地”良好 “接地”是数控机床安装中一项关键的抗干扰技术措施。电网的许多干扰都是通过“接地”这条途径对机床起作用的。,第4章 数控机床的伺服驱动一、闭环伺服系统的由哪两个环组成？答：闭环伺服系统的一般结构通常有位置环和速度环组成。速度环速度控制单元是一个独立的单元部件，它由伺服电动机、伺服驱动装置、测速装置及速度反馈组成；位置环由数控系统中的位置控制、位置检测装置及位置反馈组成。二、试阐述步进电动机的基本结构和工作原理答： 步进电动机是一种将电脉冲信号转换为机械角位移的机电执行元件。 图4.2a)为三相反应式步进电动机的结构图。它是由转子、定子及定子绕组所组成。定子上有六个均布的磁极，直径方向相对的两个极上的线圈串联，构成电动机的一相控制绕组。下面我们分析步进电动机的工作原理：,图4.2b)所示为反应式步进电动机工作原理示意图。其定子、转子是用硅钢片等软磁材料制成的，定子上有A、B、C三对磁极，分别绕有A、B、C三相绕组。三对磁极在空间上相互错开120。转子上有4个齿，无绕组，它在定子磁场中被磁化而呈现极性。当定子A相绕组通电时，形成以A-A为轴线的磁场，转子受磁场拉力作用而产生转矩，使转子的1、3齿和定子的AA极对齐，如图4.2b)所示；当A相断电、B相绕组通电时，以B-B为轴线的磁场使转子的2、4齿和定子的B-B极对齐，转子将在空间逆时针转过30角；当B相断电，C相绕组通电时， 以C-C为轴线的磁场使转子的1、3齿和定子的C-C极对齐，转子将在空间又逆时针转过30角。如此按ABCA的顺序通电，转子就会不断地按逆时针方向转动；如按ACBA的顺序通电，转子就会不断地按顺时针方向转动。 从一相通电换到另一相通电，叫一拍；每一拍转子转动一步，每步转过角度叫步距角，用表示。,图42反应式步进电动机工作原理,图4.5步进电动机控制驱动电路 三、步进电动机的驱动装置由哪两部分组成？答：步进电机的运行性能，不仅与步进电机本身和负载有关，而且与配套的驱动装置有着十分密切的关系。步进电动机驱动装置由环形脉冲分配器、功率放大驱动电路两大部分组成，如图4.5所示。其中，步进电动机功率放大驱动电路完成由弱电到强电的转换和放大，也就是将逻辑电平信号变换成电机绕组所需的具有一定功率的电流信号。,四、进给伺服装置和主轴伺服装置分别采用什么伺服电动机？并比较直流与交流伺服电动机的优劣。答：主轴伺服装置一般采用交流异步伺服电动机，进给 伺服装置一般采用永磁同步伺服电动机。 常用的位移执行机构有步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机。 由于直流伺服电动机存在着一些固有的缺点， （比如，有电刷，限制了转速的提高，而且结构复杂，价格贵 ），使其应用环境受到限制。交流伺服电动机没有这些缺点，且转子惯量较直流电动机小，使得动态响应好，因此，交流伺服系统得到了迅速发展，已经形成潮流。从20世纪80年代后期开始，大量使用交流伺服系统，目前，已基本取代了直流电动机。,五、试阐述交流伺服电动机的工作原理。并分析如图4.20所示的夹角与负载转矩的关系。答： 如图4.20所示，交流伺服电动机的转子是一个具有两个极的永磁体(也可以是多极的)。按照电动机学原理，当同步型电动机的定子三相绕组接通三相交流电源时，就会产生旋转磁场(Ns，Ss)以同步转速ns逆时针方向旋转。根据两异性磁极相吸的原理，定子磁极Ns(或Ss)紧紧吸住转子，以同步转速ns在空间旋转，即转子和定子磁场同步旋转。 当转子加上负载转矩后，转子磁极轴线将落后定子磁场轴线一个夹角。转子的负载转矩增大时，定子磁极轴线与转子磁极轴线间的夹角增大；当负载转矩减小时角减小。,图4.20永磁式同步型电动机的工作原理,六、交流同步电动机是如何进行变频调速的？答： 由电动机学基本原理可知，交流电动机的同步转速为 n0 60f1/p (r/min) 式中 f1定子供电频率，单位Hz； P电动机定子绕组磁极对数； 从上面的公式可以看出：平滑改变定子供电频率f1而使转速平滑变化，这就是变频调速方法。这是交流电动机的一种理想调速方法。目前，数控机床主要采用变频调速等先进交流调速技术。,七、正弦波脉宽调制(SPWM)变频器采用的重要理论基础是什么？并以此阐述正弦波脉宽调制(SPWM) 逆变器的基本原理。 答：在采样控制理论中有一个重要结论，冲量(窄脉冲的面积)相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。电动机就是一个惯性的环节，该结论是SPWM控制的重要理论基础。 SPWM逆变器输出的是正弦脉宽调制波,如图4.24b)所示。其工作原理是若把一个正弦半波分成N等分，然后把每一等分的正弦曲线与横坐标轴所包围的面积，都用一个与此面积相等的等高矩形脉冲来代替，这样可得到N个等高而不等宽的脉冲序列。根据上述冲量相等效果相同的原理，该矩形脉冲序列与正弦半波是等效的。如果对正弦波的负半周也做同样处理，即可得到相应的2N个脉冲，这就是与正弦波等效的正弦脉宽调制波，如图4.24所示。 通过对等效的正弦脉宽调制波的脉冲调制，就相当于调整了输出的正弦波频率。,a)正弦波的正半波 b)等效的SPWM波形 图4.24与正弦波等效的SPWM波形,八、目前交流主轴驱动中一般采用什么电动机？主轴定向控制的作用是什么？答：目前交流主轴驱动中均采用笼型异步电动机。笼型异步电动机由有三相绕组的定子和有笼条的转子构成。 主轴定向控制又称主轴准停控制，即当主轴停止时能控制其停在固定位置，对M06和M19指令有效。其作用如下。 在加工中心中进行刀具交换 在精镗孔退刀时，为了避免刀尖划伤已加工表面,第5章 数控机床的位置检测装置 一、数控机床对检测装置的基本要求是什么？ 1）稳定可靠、抗干扰能力强。数控机床的工作环境存在油污、潮湿、灰尘、冲击振动等，检测装置要能够在这样的恶劣环境下工作稳定，并且受环境温度影响小，能够抵抗较强的电磁干扰。 2）满足精度和速度的要求。为保证数控机床的精度和效率，检测装置必须具有足够的精度和检测速度，位置检测装置分辨率应高于数控机床的分辨率一个数量级。 3）安装维护方便、成本低廉。受机床结构和应用环境的限制，要求位置检测装置体积小巧，便于安装调试。尽量选用价格低廉，性能价格比高的检测装置。 数控机床加工精度，在很大程度上取决于数控机床位置检测装置的精度，因此，位置检测装置是数控机床的关键部件之一，它对于提高数控机床的加工精度有决定性的作用。,二、常用位置检测装置是如何进行分类的？答：根据位置检测装置安装形式和测量方式, 数控机床测量方式可按以下几种方式分类： 1绝对式和增量式 按检测量的测量基准，可分为绝对式和增量式测量 绝对式位置检测是：每个被测点的位置都从一个固定的零点算起。 增量式位置检测是：只测位移增量，每检测到位置移动一个基本单位时，输出一个脉冲波，通过脉冲计数便可得到位移量。 2.直接测量和间接测量 按被测量和所用检测元件的位置关系，可分为直接测量和间接测量。 若位置检测装置所测量的对象就是被测量本身，叫做直接测量。采用安装在电机或丝杠轴端的回转型检测元件间接测量机床直线位移的检测方法，叫做间接测量。,三、位置检测装置常用的性能指标有哪些？答： 位置检测装置安装在伺服驱动系统中，由于所测量的各种物理量是不断变化的，因此传感器的测量输出必须能准确、快速地跟随并反映这些被测量的变化。位置检测装置的主要性能指标包括如下几项内容。 1.精度 符合输出量与输入量之间特定函数关系的准确程度称作精度，数控机床用传感器要满足高精度和高速实时测量的要求。数控机床加工精度，在很大程度上取决于数控机床位置检测装置的精度。 2.分辨率 位置检测装置能检测的最小位置变化量称作分辨率。分辨率应适应机床精度和伺服系统的要求。分辨率的高低，对系统的性能和运行平稳性具有很大的影响。一般按机床加工精度的13110选取检测装置的分辨率。 3.灵敏度 输出信号的变化量相对于输入信号变化量的比值为灵敏度。实时测量装置不但要灵敏度高，而且输出、输入关系中各点的灵敏度应该是一致的。,四、试阐述旋转编码器的工作原理。答： 旋转编码器是一种旋转式的角位移检测装置，在数控机床中得到了广泛的使用。旋转编码器通常安装在被测轴上，随被测轴一起转动，直接将被测角位移转换成数字(脉冲)信号，所以也称为旋转脉冲编码器，这种测量方式没有累积误差。旋转编码器也可用来检测转速。图5.2增量式光电编码器外形结构图,当光电盘随被测工作轴一起转动时，每转过一个缝隙，光电管就会感受到一次光线的明暗变化，使光电管的电阻值改变，这样就把光线的明暗变化转变成电信号的强弱变化，而这个电信号的强弱变化近似于正弦波的信号，经过整形和放大等处理，变换成脉冲信号。通过计数器计量脉冲的数目，即可测定旋转运动的角位移；通过计量脉冲的频率，即可测定旋转运动的转速，测量结果可以通过数字显示装置进行显示或直接输入到数控系统中。 增量式光电编码器外形结构见图5.2。实际应用的光电编码器的光栏板上有两组条纹A、A和B、B，A组与B组的条纹彼此错开14节距，两组条纹相对应的光敏元件所产生的信号彼此相差90相位，用于辨向。 此外，在光电码盘的里圈里还有一条透光条纹C(零标 志刻线)，用以每转产生一个脉冲，该脉冲信号又称零标志脉冲，作为测量基准。,第6章 数控机床的可编程控制器（PLC） 一、最初，可编程控制器是用来替代哪些传统电器的？目前它一般用来实现数控机床是哪些控制功能？答：传统的继电接触器控制具有结构简单、易于掌握、价格便宜等优点，在工业生产中应用甚广。但是，这些控制装置体积大、动作速度较慢、耗电较多、功能少，特别是传统的继电器接触器控制采用的是固定接线方式，一旦生产过程有所变动，就得重新设计线路和连线安装，不利于产品的更新换代，目前大都用可编程控制器取代。 可编程控制器用来实现控制数控机床的主轴起停、换刀、冷却液开停等辅助控制功能。,二、可编程序控制器的主要特点有哪些？答： 1.可靠性高、抗干扰能力强 工业生产一般对控制设备的可靠性有很高的要求：要能够在恶劣的环境中可靠地工作，控制设备应具有很强的抗干扰能力。 2. 控制系统构成简单、通用性强 PLC是一种存储程序控制器，其输入和输出设备与继电接触器控制系统类似，但它们可直接连接在PLC的I/O端。 3.编程简单、使用、维护方便 编程简单是PLC优于微机的另一特点。PLC的设计宗旨之一是方便使用，目前大多数的PLC均可采用与实际电路接线图非常接近的梯形图编程，这种编程语言形象直观，易于掌握，只要具有一定电工和工艺知识的人就可在短时间内学会。,4.组合方便、功能强、应用范围广 现代的PLC不仅具有逻辑运算、定时、计数、步进等功能，而且还能完成A/D（模拟量/数字量）、D/A（数字量/模拟量）转换，数字运算和数据处理以及通信联网、生产过程控制等。 5.体积小、重量轻、功耗低 PLC采用了半导体集成电路，外形尺寸很小，重量轻，同时功耗也很低，空载功耗约l.2W。 三、 PLC的程序是用什么方式表达的？答： PLC备有多种编程语言，供用户选用。由于PLC是为在工业环境中应用而设计的，对PLC编程时可以不考虑其内部的复杂结构，也不必使用计算机的编程语言，而把PLC内部看作是由许多“软继电器”等逻辑部件组成的。利用PLC所提供的编程语言，按照用户不同的控制任务和要求编制不同的应用程序，这就是PLC的应用程序设计。,四、PLC中常用的编程语言有哪些？答： 1.梯形图编程 梯形图是各种PLC通用的一种图形编程语言，在形式上类似于继电器控制电路。它直观、易懂，是目前应用最多的一种编程语言。 2.语句表编程 语句表又叫做指令表，在形式上类似于计算机汇编语言。它是用指令的助记符来编程的，通常一条指令由步序号、助记符和元件号三部分组成。,四、 S7-200 PLC基本指令举例 二进制逻辑操作说明：下图中，左边为梯形图编程表达方式，右边为语句表编程表达方式。,图6.10 装载位操作指令的应用示例 如图6.10所示的逻辑操作指令功能是：当输入点I0.0与输入点I 0.1的状态都为“1”（即接通状态）时，输出Q 0.0为“l”，上面的输入点I0.0与输入点I 0.1的逻辑关系为“与” ；而输入点I0.0或输入点I0.1只要某一个为“l”状态，即可使Q 0.2输出“l”，这时输入点I0.0与输入点I 0.1的逻辑关系为“或” 。,图6.13复杂逻辑关系及程序表达方法 例6-1：分析图6.13左图所示的梯形图，写出对应的指令表。分析：图6.13所示的程序中第一段为“或”装载关系，第二段为“与”装载关系。也就是说：第一段的OLD指令把两个串联环节“并联”起来，而第二段的ALD指令把两个并联环节“串联”起来。,