《改造方案设计》PPT课件.ppt

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1、改造方案设计,机床改造任务数控系统的选型及功能配置进给伺服系统改造主轴控制系统设计,第一部分：机床改造任务,1、收集并分析被改造机床的数据，包括型号规格、机械精度、传动数据等；2、分析改造技术要求，将改造要求分解为具体的技术要求；3、针对被改造机床合理选择数控系统，并说明选择方法；4、根据改造要求和机床数据正确计算伺服参数，合理选用伺服电机、驱动器及检测装置；5、根据改造要求合理选择主轴控制方案；6、列出系统主要部件的配置清单；7、编写机床改造方案书；8、绘制机床整体信号流程图，理解系统结构图和控制信号间的关系；9、查阅数控系统中英文资料，通过阅读说明书掌握端口引脚功能定义和连接方法。,第二部

2、分：数控系统选型及功能配置,数控系统选型及功能配置,数控系统是数控机床的“大脑”，对机床控制信息进行运算及处理。一个数控设备性能的好坏，主要取决于数控系统的性能。因此，数控系统的配置和系统功能选择是机床数控改造的重要环节，配置什麽样的数控系统及选择哪些数控功能，是改造设计中非常关键的环节。如何选择和配置数控系统，是数控设备改造工作的首要问题。如何降低改造成本，使改造项目的综合指标达到最佳，则是用户最关心的问题。,数控系统选型及功能配置,1.数控系统的选型1.1 数控系统设计选型的一般程序 在机床数控改造中，对新型产品的设计选型应遵循ISO9001质量保证体系相关标准的要求，制定一系列规范化的程

3、序，主要包括：1）新产品开发前的市场调研 在开发新的机床产品前，一般应该做广泛深入的市场调研，如对目标客户群的调查走访，对国外同类样机的资料检索及现场考察等。2）形成设计任务书 根据调研结果及可行性论证，确定新产品的市场定位及主要技术指标，最终形成设计任务书。设计任务书即是整个新产品研发的纲领性文件，是包括数控系统选型在内的所有设计工作的基本依据。,数控系统选型及功能配置,1.1 数控系统设计选型的一般程序 3）确定机床的数控设计方案 根据设计任务书的要求，研究确定机床电气系统的整体控制方案，明确主要技术环节的控制方法及相关功能选项。4）筛选出符合要求的数控系统型号 从技术可行性和功能适用性的

4、角度，从众多种类的数控系统中筛选出两种以上型号的数控系统，并与相关供应商联系，制作系统配置清单及询价，以备最终的数控系统选型论证。5）经论证及评审后完成数控系统定型 将备选型号的数控系统相关资料提交设计评审会议（至少两次），经评审组专家质询和充分论证后，最终确定该机床的数控系统标准配置型号。,数控系统选型及功能配置,1.2 影响数控系统设计选型的非功能性因素 数控系统的功能适用性对于数控机床的设计选型是非常重要的限制性因素，但是目前市场上几种主要的数控系统的基本功能选项大同小异，同档次系统的性能指标非常接近，所以最终决定数控机床系统配置型号的往往是那些非功能性因素。1）价格因素 目前，数控机床

5、市场的竞争很激烈，迫使机床制造厂家的设计人员在面对档次和性能接近的数控系统时，必然倾向于选择价格较低的品牌。尤其是对经济型或普及型数控机床而言，其数控系统价值在整机售价中所占的成本比例已接近30%。因此，价格因素在机床设计的系统选型时就显得尤其敏感。,数控系统选型及功能配置,2）系统可靠性 与数控系统相关的故障是数控机床主要的故障源之一。因此，数控系统的可靠性问题是系统设计选型时必须考虑的因素。特别是对数控系统在恶劣电磁环境中的抗干扰能力，必须在系统设计选型时做出相应的可靠性评价。3）系统开放性 对于某些专用的数控机床产品，通常要求数控系统应具有较好的开放性，以便设计人员更加方便地在数控系统的

6、硬件平台上集成相关控制软件。4）贸易条件 除上述价格因素外，数控系统供货商在合同中所承诺的其它贸易条件，如交货期、付款方式、质保期、出口许可证、售后服务、技术支持等也在相当程度上影响到数控系统的设计选型。,数控系统选型及功能配置,5）目标客户的认同度 所设计选型的数控系统型号是否被大多数目标客户所认同和接受，将直接关系到新型机床的市场前景。有实力的机床制造厂家可以向用户提供两种数控系统配置选择，即标准配置和选项配置。当然，这两种数控系统的选型是建立在充分的市场调研基础之上的。在现实中，影响机床制造厂对数控系统设计选型的因素还有很多，譬如机床厂商的行业地位，产品的市场占有率（垄断程度），机床厂商

7、与系统供应商的关系，国家的政策导向，设计人员对系统的熟悉程度等。,数控系统选型及功能配置,1.3 数控系统的选型1）应根据机床的性能需要来恰当选择数控系统的功能配置 在订购数控机床时，既要把必需的数控选项功能订全，不能遗漏，同时也要避免因片面追求高的性能指标，以致因使用率不高而造成不必要的资金浪费。某些选项功能并不实用，但价格不菲。例如，通过以太网口实现对机床故障的远程诊断功能，在实验室完全可以实现。但在实际的工业现场中并非配置一个以太网接口那么简单，不但要有专门软件来支持，而且必须有相应的响应机制才行。,数控系统选型及功能配置,1.3 数控系统的选型2）在数控系统的选型时注重长期运行成本的估

8、算在计算数控机床的投资回报率时，既要计算一次性采购成本，还要加上其长期的运行成本，包括能耗费用、人员工资、维修费用等。因此，在进行数控系统选型时，应尽量选择技术成熟的新型系统。虽然初次购置费用会有所增加，但可以保证相对较长时期的备件供应，同时，在系统淘汰前的维修费用也会大大降低。另外，应尽量避免选购二手的进口数控系统。3）对老旧的数控机床进行改造，应尽量选择与原有数控设备相同的数控系统品牌,数控系统选型及功能配置,1.3 数控系统的选型对老旧的数控机床进行改造时,数控系统的选型应优先考虑选择与原有数控设备相同的数控系统品牌，这样可以减少原有操作人员和维修人员的培训费用和时间，尽早使新机床投入使

9、用产生效益，因人为操作原因造成的机床故障发生几率也会大大降低。原有的零件程序一般都可以不经修改直接调用。4）数控系统的可靠性和售后服务质量对机床用户至关重要算在选购数控系统前应向有经验的业内人士或企业咨询、考察，特别要重视他们对相关数控系统的可靠性评价，并以此作为数控系统选型的重要参考依据。尽量选择信誉度较好的机床厂商，以保证获得快捷专业的售后服务保障。,数控系统选型及功能配置,2 数控系统功能选择 2.1数控系统功能选择的依据 数控系统主要由控制单元、伺服驱动和测量系统三部分组成。在数控系统的设计选型中，数控功能选择也是围绕这三个部分展开的。大致包括以下几点：1）根据机床的几何结构和传动结构

10、及其运动插补关系确定数控通道数（坐标系个数）和伺服轴（直线轴和回转轴）个数，插补算法的选择等；2）根据机床的精度要求确定数控系统的位置控制方式：开环/半闭环/全闭环；以及对数控系统的多程序预读、光滑控制、轮廓优化等多方面的性能要求；3）根据机床的加工范围和规格确定各个数控轴的行程，同时通过对加工范围所覆盖的典型零件的加工工艺和工序流程的分析，进而确定合理的轴进给速度和主轴转速；,数控系统选型及功能配置,2.1 数控系统功能选择的依据 4）根据机床的控制动作及其复杂程度，如是否配置刀库、交换工作台、自动上下料装置等辅助机构、有无加工工件的节拍要求等，确定数控系统的档次要求（包括内置CPU个数，可

11、扩展的外部I/O点数以及多任务处理能力等）。2.2 数控功能的选择各知名品牌的数控系统的基本功能差别不大，所以，合理地选择适合机床的可选功能，放弃可有可无或不实用的可选功能，对提高产品的性能/价格比大有好处。下面例举了几种数控功能，在选配数控系统时是必须加以考虑的:,数控系统选型及功能配置,2.2 数控功能的选择1）控制轴 数控系统控制轴的数量也是选择的关键。控制轴可分为直线进给轴和旋转轴，按控制轴的数量可分为两轴联动、三轴联动、多轴联动等。控制轴的数量越多，机床所能加工的形状越复杂，但其成本就越高。目前车床一般用两个直线移动轴联动，有时会附加一个直线移动轴或旋转轴。铣床一般用三个直线移动轴联

12、动，有时会附加一个直线移动轴或旋转轴。高档的系统则联动的轴更多，代表机床制造业最高境界的是五轴联动数控机床系统，其中三个轴为直线移动轴，两个旋转轴，五轴联动时可加工出复杂的空间曲面。当然这需要高档的数控系统、伺服系统以及软件的支持，对机床的要求也极高。控制轴越多，数控系统的价格成几何级数增长。因此，在选择数控系统时，要根据机床本身的运动轴进行选择，多余的控制轴并不能提高机床的控制精度，反而增加了数控系统的成本。,数控系统选型及功能配置,2.2 数控功能的选择2）图形显示功能 该功能用于模拟零件加工过程，显示真实刀具在毛坯上的切削路径，可以选择直角坐标系中的二个不同平面，也可选择不同视角的三维立

13、体，可以在加工的同时作实时的显示，也可在机械锁定的方式下作加工过程的快速描绘，是一种检验零件加工程序，提高编程效率和实时监视的有效工具。,数控系统选型及功能配置,2.2 数控功能的选择3）图形显示功能 由非圆曲线或面组成的零件加工程序的编制是十分困难的，通常的办法是借助于通用计算机的计算，将它们细分为微小的三维直线段组成的加工程序，在模具加工中这种长达几百KB的加工程序是经常遇到的，而一般数控系统提供的程序存储容量为64128KB，这给模具加工带来很大困难。DNC通讯功能具有两种工作方式，其一是一次地将通用计算机中的程序传送到数控系统的加工程序的存储区内(如果它的容量足够大的话)，其二是将通用

14、计算机中的程序一段一段地传送到数控系统的缓冲存储器中，边加工边传送，直到加工结束。彻底解决了大容量程序零件的加工问题，虽然选用这项功能需要增加一定的费用，但它确实是一项实用功能，因此建议在选择数控系统时将DNC传输功能选做必备功能。,数控系统选型及功能配置,2.2 数控功能的选择4）刚性攻丝 攻螺纹是数控机床的一项常用功能，到底采用什么方式是一个值得考虑的问题。刚性攻螺纹功能必须采用伺服电机驱动主轴，不仅要求在主轴上增加一个位置传感器，而且对主轴传动机构的间隙和惯量都有严格地要求，电气设计和调整也有一定的工作量，所以这个功能的成本是不能忽略的。对用户来说，如果可以通过采用弹性缩卡头进行柔性攻螺

15、纹，或者机床本身的转速并不高时，就不必选用刚性攻螺纹功能。5）固定循环 改功能用于将常用的加工工序（例如钻孔、镗孔、攻丝及腔体和周边加工等）编写成参数式的固定循环程序，编程时由用户填入相应的数据（如基面、孔深、每次切入量以及主轴转速和进给速度等）就可完成预定的加工工序，并可多次重复使用。,数控系统选型及功能配置,2.2 数控功能的选择6）座标计算功能 利用数控系统的实时计算能力，将以各种规则分布的孔加工工序（例如斜线、圆周和网格等）编写成参数式的固定循环程序，编程时由用户填入相应的数据（如角度、半径、孔数、行数和列数等）就可完成预定的加工工序。7）刀具寿命管理功能 在加工中心上是否要选用刀具寿

16、命管理功能，必须考虑加工零件的批量、刀具和毛坯质量的一致性以及刀库的容量等因素，否则，不仅会造成许多人为的错误，影响生产的正常进行，而且备用刀具占用的刀位也将大大减少刀库的有效容量，使一些复杂零件因刀位不足而无法加工。造，应尽量选择与原有数控设备相同的数控系统品牌,数控系统选型及功能配置,2.2 数控功能的选择上述这类问题在数控机床的功能配置时是经常遇到的，作为一个数控机床的设计人员必须清楚了解数控系统的各种功能用途，根据机床的实际情况为用户配置经济合理、功能和价格比都比较高的数控机床，减少不必要的浪费。,总结：在选择数控系统时，主要参考一下几个方面：（1）了解坐标轴数和联动轴数。（2）区分模

17、拟系统和数字系统。（3）注意反馈元件的形式。（4）明确I/O点数，以确定I/O板卡的类型和数量。（5）确定PLC型号，选择梯形图开发软件。（6）数控功能的选择。（7）数控系统资料的订购，主要包括硬件连接手册、PLC编程手册、参数说明、维修说明和调试手册等。,数控系统选型及功能配置,数控系统选型及功能配置,3 常用数控系统性能及结构特点3.1西门子数控系统（SINUMERIK）SIEMENS公司是生产数控系统的著名厂家，其生产的SINUMERIK和SIMODRIVE可以被广泛应用于汽车工业、模具制造业、航空制造业、消费类物品制造业、能源和动力设备制造业等制造自动化领域，无论是高技术高精度机床，还

18、是经济型数控设备，都有相应的产品。SINUMERIK系列的主要型号有：SINUMERIK 801，SINUMERIK 802C/S base line，SINUMERIK 802D solution line，SINUMERIK 810D，SINUMERIK 828D，SINUMERIK 840D，SINUMERIK 840Di等。,SiChuan Engineering Technical College-1959,数控系统选型及功能配置,数控产品结构,SiChuan Engineering Technical College-1959,数控系统选型及功能配置,1个通道，1个方式组可带4个进

19、给轴+1个主轴+1个PLC轴,用于步进电机及模拟驱动的数控系统,SiChuan Engineering Technical College-1959,2023/7/16,SINUMERIK 802S/C base line提供了完整的机床数控解决方案应用范围：可用于车床铣床及传统伺服机床简便快捷的调试方式丰富的数控加工功能带有循环及轮廓路径支持的DIN 66025 编程,802C base line,MSTT,交流主轴电机,OP020,ECU,SIMODRIVE611 A/D 驱动系统,步进电机,交流伺服电机,802S base line,FM 步进驱动,1个通道，1个方式组可带3个进给轴+1

20、个主轴,数控系统选型及功能配置,Sinumerik 802D,SiChuan Engineering Technical College-1959,2023/7/16,配备机床控制面板优化的车铣加工功能PROFIBUS DP现场总线作为驱动与外围设备的通用联结方式ISO 方言支持,I/O 模块,PCU,MCP,SIMODRIVE 611 Ue驱动系统,I/O 模块,交流主轴电机,交流伺服电机,操作面板,1个通道，1个方式组可带4个进给轴+1个主轴,数控系统选型及功能配置,Sinumerik 802D sl,SiChuan Engineering Technical College-1959,2

21、023/7/16,创新的系统设计 TFT彩色液晶显示器超薄的厚度易于安装操作面板中集成了NC、PLC、HMI和驱动简练、节约空间的结构IP65前端保护级更宽的电源容差：+20%/-15%更为经济连接方式 更加简单、快速的调试操作更为简便PLC梯图在线显示维护方便无硬盘无电池无风扇长寿命背景光源更多的功能，提供更宽的市场,I/O 模块,操作面板,PCU,MCP,SINAMICS S120驱动系统,I/O 模块,1个通道，1个方式组可带4个进给轴+1个主轴,交流主轴电机,交流伺服电机,2023/7/16,全面优化的数控系统，驱动及电机紧凑的系统结构，出色的系统性能先进的车削铣削技术 整合了SIMO

22、DRIVE 611D驱动系统的卓越表现能够与Sinumerik 840D完美的配合,PCU 20/50/70,SIMATIC S7-300 I/O,MCP,I/R 模块,CCU,2个通道，2个方式组可带6个轴，包括2个主轴,交流主轴电机,交流伺服电机,SINUMERIK 810D,数控系统选型及功能配置,2023/7/16,Windows NT架构下基于PC机的全数控软件，具有开放性的软硬件系统适于各种应用，如木材加工，玻璃加工，包装工业，组装与生产流程等PROFIBUS DP作为驱动与输入输出模块间的通用现场总线连接能够与Sinumerik 840D完美的配合,操作前面办,MCP,POSMO

23、 CA/CD,带MCI板的PCU 50/70,POSMO SI,ET 200M,SIMODRIVE 611 U驱动系统,6通道，6方式组可带多达18个进给轴/主轴,交流伺服电机,交流伺服电机,SINUMERIK 840D,数控系统选型及功能配置,2023/7/16,NCU 573.4CPU Pentium III1231 进给轴/主轴10 方式组s/10 通道 User 内存(GA 2.5MB)PLC 内存(GA 96KB;480KB max.),NCU 572.4CPU AMD K6-21231 进给轴/主轴10 方式组s/10 通道 User 内存(GA 0.5MB;2.5MB max.)

24、PLC 内存(GA 96KB;480KB max.),NCU 561.4CPU AMD K6-22 进给轴/主轴1 方式组/2 通道 User 内存(GA 0.5MB;2.5MB max.)PLC 内存(GA 96KB;480KB max.),NCU 571.4CPU AMD K6-226 进给轴/主轴1 方式组/2 通道User 内存(GA 0.5MB;2.5MB max.)PLC 内存(GA 96KB;480KB max.),数控系统选型及功能配置,SiChuan Engineering Technical College-1959,3.2FANUC数控系统 日本FANUC公司自50年代末

25、期生产数控系统以来，已开发出40多种系列的数控系统，特别是70年代中期开发出FS5、FS7系统以后，所生产的系统都是CNC系统。从此，FANUC公司的CNC系统大量进入中国市场，在中国CNC市场上处于举足轻重的地位。80年代，FANUC公司较有代表性的系统是F6和F11系列。80年代，其主要产品有F0和F15系列。目前，以F0i与F16i、18i最为常见。,数控系统选型及功能配置,SiChuan Engineering Technical College-1959,FANUC数控系统的特点：（1）FANUC 0i系统与FANUCl6/18/21等系统的结构相似，均为模块化结构。其集成度较FAN

26、UC 0系统的集成度更高，因此0i控制单元的体积更小，便于安装排布。（2）采用全字符键盘，可用B类宏程序编程，使用方便。（3）用户程序区容量比0MD系统大一倍，有利于较大程序的加工。（4）使用编辑卡编写或修改梯形图，携带与操作都很方便。（5）使用存储卡存储或输入机床参数、PMC程序以及加工程序，操作简单方便。（6）系统具有HRV(高速矢量响应)功能，伺服增益设定比0MD系统高一倍，理论上可使轮廓加工误差减少一半。,数控系统选型及功能配置,SiChuan Engineering Technical College-1959,（7）机床运动轴的反向间隙，在快速移动或进给移动过程中由不同的间隙补偿参

27、数自动补偿。（8）0i系统可预读12个程序段，比0MD系统多。（9）与0MD系统相比，0i系统的PMC程序基本指令执行周期短，容量大，功能指令更丰富，使用更方便。（10）0i系统的界面、操作、参数等与18i、16i、21i基本相同。（11）0i系统比0M、0T等产品配备了更强大的诊断功能和操作信息显示功能，给机床用户使用和维修带来了极大方便。（12）在软件方面0i系统比0系统也有很大提高，特别在数据传输上有很大改进。,数控系统选型及功能配置,A useful standard packageMany useful CNC functions for lathe or machiningare

28、included as a standard package.10.4or 8.4color LCD/9monochrome CRTHigh contrast 10.4or 8.4color LCD or standard 9 monochrome CRT is available.Supporting high performance and advanced FANUC standard servo motorFANUC AC servo motor i、C、series and I/O-Link motor connection are available.,9单色CRT/MDI+机床操

29、作面板9monochrome CRT/MDI+Operators panel,8.4彩色LCD/MDI+机床操作面板8.4color LCD/MDI+Operators panel,CNC控制器CNC controller,伺服放大器Servo amplifier,交流伺服电机AC servo motor,绝大部分功能以标准软件功能包方式提供Many useful CNCfunctions areincluded as astandard package,丰富的标准功能包车床、加工中心控制用的绝大部分功能以标准软件功能包的方式提供。10.4or 8.4彩色 LCD/9单色 CRT可选用高分辨率

30、10.4or 8.4彩色 LCD 或标准的9单色CRT作显示器。可选用高性能高质量FANUC标准交流伺服电机可选用全系列FANUC交流伺服电机i、C、系列及I/O-Link 电机。,BEIJING-FANUC Series 0i,可选择下列显示单元,8.4”彩色 TFT LCD/MDI,9”单色 CRT/MDI,分离型 8.4”color TFT LCD and MDI,分离型 10.4”彩色 TFT LCD,分离型全键MDI,BEIJING-FANUC Series 0i 显示单元,功能包规格Package specification,BEIJING-FANUC Series 0i,Comm

31、unication with Personal ComputerData transfer between CNC and the commercial PC by high-speed serial bus(HSSB)DNC operation management packageNC Program drip feeding function with high speed from HD in PC to CNC Advanced preview control(Look ahead multi-blocks)High-speed machining realized by the lo

32、ok ahead multi-blocks,通过HSSB与计算机通讯用高速串行总线（HSSB）进行CNC和计算机之间的高速通讯。DNC运行管理软件一边将计算机硬盘上的NC程序传送到CNC系统中，一边进行加工。提前预测控制（预读多个程序段）用预读多段控制实现高速加工,DNC运行管理软件包DNC operation management package,BEIJING-FANUC Series 0i,网络功能,以太网为标准配置。(FS16i/18i）,接线少,使用超高速串行数据通讯，接线电缆少。,高速高精度加工,纳米CNC系统(FS16i-MB)以纳米为单位进行插补、位置检出、伺服控制。,维修方便

33、,利用互联网进行远程诊断。,FANUC Series 16i/18i/21i-MODEL B 是集彩色液晶显示器一体化并具有网络接口的超小型、超薄型CNC系统。,Network,-Ethernet as standard(FS16i/18i）,Reduced Wiring,-Reduction of Cable by Ultra-high-speed Serial Data Transfer,High-speed,High-precision,-Nano CNC system-interpolation,detection,control with the scale of nanometer

34、(FS16i-MB),Maintenance,-Remote Diagnosis by Internet,Series 16i/18i/21i MODEL B is a series of Ultra-Compact,Ultra-Thin CNC integrated LCD and network features.,FANUC Series 16i/18i/21i-MODEL B,3.3华中数控简介武汉华中数控股份有限公司创立于1994年，主导产品包括数控系统和伺服驱动。其中具有自主知识产权的华中“世纪星”高档、中档、普及型系列数控系统产品，年销售近万台套，与国内数十家著名主机厂实现了批量

35、配套；五轴联动数控产品打破国外技术封锁，已有近百台成功应用在航空、船舶、汽车、电力等行业工业用户中。,SiChuan Engineering Technical College-1959,数控系统选型及功能配置,世纪星HNC-21/22M数控系统简介华中“世纪星”系列数控系统HNC-21/22M采用先进的开放式体系结构，内置嵌入式工业PC，配置8.4”或10.4”彩色夜景显示屏和通用工程面板，集成进给轴接口、主轴接口、手持单元接口、内嵌式PLC接口于一体，采用电子盘程序存储方式以及软驱、DNC、以太网等程序交换功能、具有低价格、高性能、配置灵活、结构紧凑、易于使用、可靠性高的特点。主要应用于铣

36、、加工中心等各类数控机床的控制。,SiChuan Engineering Technical College-1959,数控系统选型及功能配置,第三部分：进给伺服系统改造,进给伺服系统改造,本部分内容,进给伺服控制系统技术要求进给伺服系统的类型步进电机驱动的改造方案及相关计算交流伺服系统的半闭环改造方案及相关计算交流伺服系统的全闭环改造方案及相关计算,1.数控机床对进给伺服系统的要求,1.1可逆运行可逆运行要求能灵活地正反向运行。在加工过程中，机床工作台处于随动状态，根据加工轨迹的要求，随时实现正向或反向运动。要求在方向变化时，不应有反向间隙和运动损失。从能量角度看，应该实现能量的可逆转换，即

37、在加工运行时，电动机从电网吸收能量改变为机械能；在制动时应把电动机的机械惯性能量变为电能回馈给电网，以实现快速制动。1.2高精度数控机床是按预定的程序自动进行加工的，不同于普通机床用手动操作来调整和补偿各种因素对加工精度的影响，故要求数控机床的实际位移与指令位移之差要小。现代数控机床的位移精度一般为0.010.001，甚至可高达0.1m，以保证加工质量的一致性，保证复杂曲线、曲面零件的加工精度,1.数控机床对进给伺服系统的要求,1.3调速范围宽调速范围是指最高进给速度和最低进给速度之比。由于加工所用刀具、被加工零件材质以及零件加工要求的变化范围很广，为了保证在所有加工情况下都能得到最佳的切削条

38、件和加工质量，要求进给速度能在很大的范围内变化，即有很大的调速范围。目前最先进水平是在脉冲当量或最小设定单位为1m的情况下，进给速度能在0240mmin的范围内连续可调。一般数控机床的进给速度能在0240mmin的范围之内连续可调并能满足加工要求。在这一调速范围内，要求速度均匀、稳定，低速时无爬行。还要求在零速时伺服电机处于电磁锁住状态，以保证定位精度不变。1.4快速响应并无超调要求有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应要快。伺服系统处于频繁地启动、制动、加速、减速等动态过程中，为了提高生产率和保证加工质量，则要求加、减速度足够大，以缩短过渡过程时间。当负载突变时，过渡过程前沿要陡，恢

39、复时间要短，且无振荡。这样才能得到光滑的加工表面。,1.数控机床对进给伺服系统的要求,1.5低速大转矩机床加工，大多是低速时进行切削，即在低速时进给驱动要有大的转矩输出。,2.1开环伺服系统开环伺服系统是最简单的进给伺服系统，无位置反馈环节。伺服驱动装置主要是步进电机、功率步进电机、电液脉冲电机等。由数控系统发出的指令脉冲，经驱动电路控制和功率放大后，使步进电机转动，通过齿轮副与滚珠丝杠螺母副驱动执行部件。控制指令脉冲的数量、频率以及通电顺序，便可控制执行部件运动的位移量、速度和运动方向。系统的位移精度主要取决于步进电机的角位移精度、齿轮丝杠等传动元件的节距精度以及系统的摩擦阻尼特性等。开环伺

40、服系统的结构简单，调试、维修方便，成本低廉，但精度差，一般用于经济型数控机床。,2.进给伺服系统的类型,开环伺服系统示意图,2.进给伺服系统的类型,2.2闭环伺服系统 闭环伺服系统所用的伺服驱动装置主要是直流或交流伺服电机以及电液伺服阀液压马达。与开环进给系统最主要的区别是：安装在执行部件上的位置检测装置，测量执行部件的实际位移量并转换成电脉冲，反馈到输入端并与输人位置指令信号进行比较，求得误差，依此构成闭环位置控制。由于采用了位置检测反馈装置，所以闭环伺服系统的位移精度主要取决于检测装置的精度。闭环伺服系统的定位精度一般可达0.01mm0.005 mm。,2.进给伺服系统的类型,闭环伺服系统

41、示意图,2.进给伺服系统的类型,2.3半闭环伺服系统半闭环伺服系统是将检测元件安装在中间传动件上，间接测量执行部件的位置。闭环系统可以消除机械传动机构的全部误差，而半闭环系统只能补偿系统环路内部分元件的误差。半闭环系统的精度比闭环系统的精度要低一些，但是它的结构与调试都比较简单。,半闭环伺服系统示意图,说明：采用直流或交流伺服电机的闭环和半闭环伺服系统，具有较高的精度、速度和动态特性，在数控机床中得到广泛应用。闭环伺服系统的设计和调试都较开环系统困难。目前数控机床上使用半闭环伺服系统较多，只有在高精度数控机床上才使用全闭环伺服系统。,2.进给伺服系统的类型,2.4全数字伺服系统随着微电子技术、

42、计算机技术和伺服控制技术的发展，数控机床的伺服系统已经开始采用高速度、高精度的全数字伺服系统。由位置、速度和电流构成的三环反馈全部数字化，应用数字PID算法，用PID程序来代替PID调节器的硬件，使用灵活，柔性好。数字伺服系统采用了许多新的控制技术和改进伺服性能的措施，使控制精度和品质大大提高。,2.进给伺服系统的类型,位置、速度、电流三环结构示意图,2.进给伺服系统的类型,开环步进伺服系统配置:步进电机+步进电机驱动器优点：线路简单，成本底、技术难度低，调试简单。缺点：精度较差，高速性能差，低速时噪音和振动大。使用场合 对小型机床的经济型改造说明：采用细分技术后可以提高精度和分辨率。,3.步

43、进电机驱动的改造方案及相关计算,3.1相关计算(1)脉冲当量 脉冲当量=：步进电机步距角 K：丝杆螺距 i：步进电机与丝杆之间的传动比(2)分辨率 同上,3.步进电机驱动的改造方案及相关计算,(3)步进电机扭矩,切削力及摩擦力之和 丝杠螺旋角度 丝杠直径 传动比,3.步进电机驱动的改造方案及相关计算,(4)步进电机的转速,轴最大速度 螺距 传动比,3.步进电机驱动的改造方案及相关计算,(5)步进电机步距角,步距角 螺距 分辨率 传动比,3.步进电机驱动的改造方案及相关计算,练习：采用步进电机对C616车床Z轴进行数控改造，已知Z轴丝杆螺距为6mm、直径为40mm，丝杆与步进电机间传动比为1:1

44、，最大切削力及摩擦力的和为4500N,最大速度为2000mm/min，进给分辨率0.01mm，计算所选步进电机的扭矩和步距角及速度。,3.步进电机驱动的改造方案及相关计算,3.2步进电机选择要点根据切削力的要求结合传动系统参数选择步进电机扭矩和驱动器的功率。根据切削最高速进给度选择步进电机转速和驱动器的频率范围。根据精度要求和最小分辨率的要求结合机械传动参数选择电机的步距角。根据系统接口类型选择驱动器接口类型。转动惯量要与机械负载匹配。选择安装方式。,3.步进电机驱动的改造方案及相关计算,3.3步进电机注意事项步进电机转速较低，一般在1000转以下只能用于低速机床。随着步进电机转速的升高到一定

45、程度，其转矩会快速下降，因此要有一定的转速余量。步进电机无过载能力，因此在选用时要有较高的扭矩余量转速、扭矩余量一般要求达到50%目前常用步进电机的最大力矩不超过45Nm，力矩越大，成本越高，如果您所选择的电机力矩较大或超过此范围，可以考虑加配减速装置。,3.步进电机驱动的改造方案及相关计算,步进电机选型表（一）,步进电机选型表（二）,课外作业根据上次练习的计算结果，选择两种不同品牌的步进电机，并选择驱动器型号（通过网络查询资料）,3.步进电机驱动的改造方案及相关计算,4.1相关计算（1）伺服电机的最大转速,轴最大速度 螺距 传动比,4.交流伺服电机驱动方案及相关计算,（2）伺服电机最大扭矩,

46、切削力及摩擦力之和 丝杠螺旋角度 丝杠直径 传动比,4.交流伺服电机驱动方案及相关计算,（3）伺服电机编码器线数计算,编码器线数 螺距 分辨率 传动比,(伺服电机采用正交脉冲输出,且与电机轴之间传动比为1),4.交流伺服电机驱动方案及相关计算,（4）伺服电机转动惯量选择负载惯量应限制在25倍电机惯量之内(如果超过25倍也可以使用，但调整范围将会减小，时间常数将会增加)。式中：JM电机惯量，kgm2；JL转换到电机轴上的负载惯量，kgm2；,4.交流伺服电机驱动方案及相关计算,（5）电机扭矩选择原则加减速扭矩应限定在伺服驱动系统最大输出扭矩的80以内，不管是线形加速度还是角加速度，都可以参考下列

47、公式计算：式中：Tamax电机最大输出扭矩，Nm；Tmax加减速最大扭矩，正常状态下，工作状态载荷扭矩应不超过电机额定扭矩的80。式中：Te电机额定扭矩，Nm；T 工作状态载荷扭矩，Nm。,4.交流伺服电机驱动方案及相关计算,4.2闭环系统检测装置分辨率选择由于闭还系统直接测量机床位移,因此检测装置的分辨率就是系统的分辨率.4.3伺服电机选型工程实例(来自德阳嘉龙机械）机床类型：落地式镗铣床X轴相关信息：最大移动速度：2000mm/min滚珠丝杠螺距：20mm设计最大切削力：4T移动部件重量：35吨分辨率：1um摩擦系数：0.02系统选用802SL伺服电机与丝杠之间采用减速器连接，减速器减速比

48、待定,4.交流伺服电机驱动方案及相关计算,第四部分主轴控制系统设计,主轴控制系统设计,主轴控制系统需要完成的控制功能对主轴的性能要求主轴控制系统改造方案变频器的使用,1.主轴控制系统需要完成的控制功能,(1)实现主轴转速调节 数控机床主轴的速度是由数控加工程序中的指令控制的，要求能在较大的转速范围内进行无级连续调速，减少中间传动环节，简化主轴的机械结构，一般要求主轴具备1（1001000）的恒转矩调速范围和110的恒功率调速范围。(2)正、反转及停止功能 数控机床要求主轴在正、反转动时均可进行加减速控制，即要求主轴有四象限驱动能力，并尽可能缩短加减速时间。(3)螺纹加工功能 在车削中心上，为了

49、使之具有螺纹车削功能，要求主轴与进给驱动实行同步控制，即主轴具有旋转进给轴（C轴）的控制功能。,1.主轴控制系统需要完成的控制功能,(4)准停功能 在加工中心上自动换刀时，主轴须停止在一个固定不变的方位上，以保证换刀位置的准确以及某些加工工艺的需要，即要求主轴具有高精度的准停功能。(5)配合进给实现恒线速度 利用车床和磨床进行工件端面加工时，为了保证端面加工时粗糙度的一致性，要求刀具切削的线速度为恒定值。,2.对主轴的性能要求,有较大的调速范围，以满足各种工况的切削，获得最合理的切削速度和效果。输出扭矩大，尤其在低转速时要求扭矩更大，以满足切削要求。起、停速度要快，从而提高切削效率。,3.主轴

50、控制系统改造方案,3.1方案1配置：保留原有机械变速机构如果需要加工螺纹则加装编码器转轴电机的正、反转改由数控系统的PLC控制特点：费用低、工作量小不能实现无级调速，S功能无效使用场合经济型改造,3.主轴控制系统改造方案,3.2方案2设备配置 直流电动机（需配测速发电机）+直流调速器+编码器特点 性能优良，起动力矩大，响应快，低速性能好应用场合 使用于大型机床说明 如果不需要加工螺纹可以不配编码器缺点：由于直流电机有机械换向机构，因此维护工作量较大。电机结构复杂，价格较贵。,3.3方案3设备配置 交流电动机+变频调速器+编码器特点 应用场合 用于对主轴性能要求不高的场合，比较经济。说明 如果不