|
|
马上注册，所有资料全部下载！
您需要 登录 才可以下载或查看，没有账号？立即注册
×
第五章 数控机床及工业机器人
第一节 数控机床
一、什么是数控机床（了解）
数控机床是一种采用计算机，利用数字化信息进行控制，具有高附加值的技术密集型机电一体化产品。
【提示】数字控制，Numerical Control，简写NC；计算机数控，Computerized Numerical Control，简写为CNC。
二、数控机床的发展（了解）
【提示】第一台数控机床于1952年在美国问世，我国数控起床行业起步于1958年。
三、数控机床是如何加工零件的（熟悉）
在进行曲线轮廓加工时，只要知道曲线的种类、起点、终点以及速度等，就可以根据给定的数字函数，如线性函数、圆函数或高次曲线函数，在曲线的起点和终点之间进行数据点的密化，确定一些中间点，从而加工出给定的曲线轮廓，这种方法称为插补。
插补算法是数控加工技术中的一个基本问题。
目前常用的插补算法有两大类：
脉冲形式输出的脉冲增量法 适合于以步进电动机作为驱动元件的开环伺服驱动系统
以数字量形式输出的数字增量法 适合于以交、直流伺服电动机作为驱动元件的闭环（或半闭环）伺服驱动系统
要实现数控加工必须：
（1）具有一个既能接受零件图样加工要求信息，又能按照一定的数学模型进行插补运算，实时地向各坐标轴发出速度控制指令的数字计算机，即控制装置；
（2）具有能够快速响应，并具有足够功率的伺服驱动装置；
（3）具有能够满足上述加工方式的机床主机，辅助装置和刀具。
四、为什么要发展、使用数控机床（掌握）
优点：
1.可加工普通机床不能或者难于加工的型面；
2. 与普通机床加工相比，在数控机床上加工可提高生产率2～3倍，对于一些复杂零件，生产率可提高十几倍甚至几十倍；
3.可以获得高的加工精度和重复精度；
4.广泛的适用性和较大的灵活性；
5.一机多用；
6.减少在制品数量，节约了资金，提高了经济效益；
7.改善环境，降低劳动强度；
8.精确的成本核算和生产进度安排。
表5－1 数控机床与普通机床的性能比较表
序号 项目 数控机床 普通机床
1 加工异型复杂零件的能力 强 弱
2 改变加工对象的柔性程度 高 低
3 加工零件质量和加工精度 高 低
4 加工效率 高 低
5 设备利用率 高 低
6 产品优化设计与CAD（计算机辅助设计）连接功能 高 低
7 前期投资 高 低
8 对操作人员素质的要求 高 低
9 对生产计划、生产准备和生产调度的要求 高 低
10 运行费 低 高
11 维修技术与维修费 高 低
12 对不合格产品再加工（即回用）的费用 低 高
五、数控机床的组成（掌握）
数控机床分成两大部分，即CNC系统和机床主机（包括辅助装置）。
图5－1 数控机床组成框图
（一）CNC系统
由程序、输入输出（I/O）设备、CNC装置、主轴控制单元及进给控制单元组成。
CNC系统 程序 CNC系统的重要组成部分。
输入输出（I/O）设备 主要用于零件加工程序的编制、存储、打印、显示等。
CNC装置 CNC 系统的核心，它由计算机（包括硬件和软件）、可编程控制器（PLC）和接口电路三部分组成。
主轴控制单元 与交、直流主轴电动机及其速度检测元件组成主轴驱动装置。控制主轴的旋转运动。
进给控制单元 与进给伺服电动机及其检测元件组成进给驱动装置。用于控制机床各坐标轴的切削进给运动。
（二）主机
数控机床也有普通机床都具有的床身、立柱、主轴、工作台等关键部件，但在设计上已有很大变化。
为了满足数控机床高自动化、高效率、高精度、高速度、高可靠性的要求，其机械结构具以下一些特点：
高刚度和高抗振性 改进机床结构的阻尼特性 通过机床结构、筋板的合理布局，例如加大主轴的支承轴径，缩短主轴端部的受力悬伸段，床身采用钢板焊接结构等方法来提高刚度。
采用新材料，特殊结构也可以提高动刚度和抗振能力。
小的机床热变形 采用热对称结构及热平衡措施。对于发热部件（如主轴箱、静压导轨液压油等）采取散热、风冷、液冷等控制温升；对切削部位采取强冷措施；
采用热位移补偿。即预测热变形规律，建立数学模型，存入计算机，来进行实时补偿。
高效率、无间隙、低摩擦传动 采用滚动导轨、静压导轨、滚珠丝杠、塑料滑动导轨等高效率、无间隙、低摩擦传动。
简化的机械传动结构 采用高性能、宽调速范围的交直流主轴电动机和伺服电动机，使主轴箱、进给变速箱及其传动系统大为简化，提高传动精度和可靠性。
（三）辅助装置
为了保证数控机床正常运行、功能充分发挥，必须配备必要的辅助装置，包括：电器、液压、气动元件及系统；冷却、排屑、防护、润滑、照明、储运等装置；交换工作台，数控转台，数控分度头；刀具及其监控检测装置等。
六、数控机床的分类（熟悉）
（一）按照能够控制刀具与工件间相对运动的轨迹分类
1.点位控制（或位置控制）数控机床。只能控制工作台（或刀具）从一个位置（点）精确地移动到另一个位置（点），在移动过程中不进行加工，各个运动轴可以同时移动，也可以依次移动。
数控镗床、钻床、冲床。
图5－2 工作台（或刀具）运动轨迹控制示意图
2.轮廓控制数控机床。能够同时对两个或两个以上的坐标轴进行连续控制，不仅控制轮廓的起点和终点，而且还要控制轨迹上每一点的速度和位置，因而能够加工曲线（或曲面）。
属于这类数控机床的有数控车床、铣床、磨床、电加工机床和加工中心等。
（二）按照伺服驱动系统的控制方式分类
自动控制有闭环控制和开环控制两种基本控制方式。
1.闭环控制数控机床。这类数控机床带有位置检测反馈装置。位置检测装置安装要机床工作台上，用以检测机床工作台的实际运行位置，并与CNC装置的指令位置进行比较，用差值进行控制。
闭环控制数控机床由于能够减小乃至于消除由于传动部件制造、装配所带来的误差，因而加工精度高。缺点：装配、调试难度大。
图5－3 数控机床闭环控制示意图
2.半闭环控制数控机床。将检测元件安装在电动机的端头或丝杠的端头，则为半闭环控制数控机床。由于半闭环的环路内不包括丝杠、螺母副及工作台，所以可以获提比较稳定的控制特性。其控制精度虽不如闭环控制数控机床那样高，但调试比较方便，因而广泛采用。
图5－4 数控机床半闭环控制示意图
3.开环控制数控机床。这类数控机床不带位置检测反馈装置。CNC装置输出的指令脉冲经驱动电路的功率放大，驱动步进电动机转动，再经传动机构带动工作台移动。
开环控制的数控机床工作比较稳定，反应快，调试方便，维修简单，但控制精度和速度都比较低，这类数控机床多为经济型。
图5－5 数控机床开环控制示意图
（三）按照加工方式分类
1.金属切削类。属于此类的有数控车床、钻床、铣床、镗床、磨床、齿轮加工机床和加工中心等。
加工中心是有刀库，并且能够自动换刀的数控机床，运用十分广泛。分为镗铣类加工中心和车削中心。
图5－6 立式和卧式加工中心
【注意】自动换刀装置是加工中心的基本特征，它的投资占到整机投资的30%~50%。加工中心的故障有50%以上与自动换刀装置有关。
2.金属成型类。该类包括数控弯管机、折弯机、冲床、回转压力机等。
3.特种加工类。数控特种加工机床包括数控线切割机床、电火花加工机床及激光切割机等。
4.其他类。如数控火焰切割机床、三坐标测量机等。
（四）按照CNC装置水平分类
按照CNC装置的功能水平可大致把数控机床分为高、中、低（经济型）三档。大体上可从分辨率、进给速度、伺服系统、同时控制轴数（联动轴数）、通信功能、显示功能、有无PLC及主CPU水平等几方面加以区分。
表5－2 按CNC装置功能水平分类表
功能 高档 中档 低档
分辨率（μm） 0.1 1 10
进给速度（m/min） 15～100 15～24 <15
伺服系统 交、直流伺服电动机驱动的闭环、半闭环控制伺服系统 功率步进电动机驱动的开环控制伺服系统
同时控制轴数 3～5轴 2轴（3轴直线）
通信功能 带MAP（或相当）网卡，可以进网 RS－232C、RS－422或DNC通信接口 无或RS－232C通信接口
显示功能 可以进行三维图形显示 CRT（LCD）字符、图形显示 LED显示或CRT字符显示
有无PLC 有 无
主CPU 16位、32位、64位，主流为32位 8位，也有16位
七、数控机床的再生改造（掌握）
相当一部分在用数控机床面临机械精度下降、电气控制元件损坏，许多电气元件已经被淘汰不再生产的问题。要想继续利用这些设备就要进行再生改造。
1.正确估计待改造的数控机床的价值。一般要求可利用的部分其剩余价值不应低于总价值的1/3。剩余价值较大的通常是机械部分及配套附件，而数控系统一般都需要更新。
2.对是否要改造做出判断。设备技术改造应该力求投资不超过同类新设备购置费的40～60%，否则就不值得。
3.再生改造应该全面配套，避免只进行局部改造，否则影响改造后的综合效果。在改造方案中，必须对机床各主要部件的工作寿命进行综合平衡，技术参数要相互匹配。
4.再生改造要与企业的实际生产状况相适应。设备改造的宗旨是以有限的投入创造出较大的经济效益，而不要盲目追求一流水平。
第二节 CNC装置
一、CNC装置所具备的功能（熟悉）
它的功能是：根据输入的零件加工程序、数据和参数，完成数值计算和逻辑判断，进行输入、输出控制。
CNC装置的功能分成为两类：
控制功能、准备功能、插补功能、进给功能、主轴功能、辅助功能、选刀和工作台分度功能、字符显示功能、诊断功能属于数控机床必备的基本功能，价格比较便宜；
补偿功能、固定循环功能、图形显示功能、通信功能及在线自动编程功能属于选择功能，用户可根据需要加以选用。
二、CNC装置的硬件结构
微处理器（CPU）是CNC装置的核心，由运算器和控制器两部分组成。
微处理器的品质决定了CNC装置的档次。CPU的主要指标是主频和字长。主频决定了工作速度、字长指的是同时处理二进制数据的位数。
总线：总线是CNC装置各部分之间传送信息的公共通道。
按照信号的物理意义，总线分为数据总线（双向总线）、地址总线（单项总线）和控制总线。数据总线为各个部分传送数据；地址总线传送的是地址信号；控制总线传输的是控制信号。
接口协议：为使不同的设备能够连接在一起协调地工作，必须对设备的连接进行统一的规定和必要的约束，这种约束就是接口协议。实现接口协议的硬件设备叫接口电路，简称接口。
CNC装置的接口电路包括与机床侧的信号输入输出接口、与上位机的通信接口以及各种标准输入输出设备的接口。
（一）单微处理器结构与多微处理器结构CNC装置（掌握）
1.单微处理器结构CNC装置。
结构：单微处理器CNC装置只有一个微处理器，或虽然有两个以上的微处理器，但其中只有一个微处理器能够控制总线，而其他微处理器不能控制系统总线，不能访问主存储器，各微处理器组成主从结构。
工作方式：集中控制，分时处理。
单微处理器结构的CNC装置几乎都采用以总线为中心的计算机结构。
工作原理：CPU 通过总线与存储器、可编程控制器PLC、位置控制器及各种接口相连。
单微处理器CNC装置中微处理器（CPU）是核心；总线是CNC装置各部分之间传送信息的公共通道。
机床I/O接口要求：必要的电隔离，电平转换和功率放大。
分类：按照印刷电路插接方式的不同，单微处理器结构的CNC 装置可以分为：
（1）大板结构：CNC装置由主板和辅助功能板（卡）组成。
主板为大印刷电路板，CNC装置的主要功能都集在这块板上。板上有微处理器、存储器、定时与中断控制电路、位置控制电路及标准接口等。
辅助功能板为小印刷电路板，如PLC板、I/O控制板、CRT显示控制板、附加存储板等。辅助功能板插在主板的插槽内，受主板驱动。
（2）模块化结构。将CNC装置的配件按功能划分成模板，每个功能模块都制成尺寸相同的印刷电路板，称为功能模板。
常见的功能模板有CNC控制板、位置控制板、PLC板、CRT显示控制板、通信板等。
采用标准总线作为母版。将各功能模板插在母板上。
【提示】由于全部数控功能都由一个微处理器完成，所以，整个CNC装置的功能将受到CPU字长、数据宽度、寻址能力和运算速度等因素的影响。
2.多微处理器结构CNC装置。
与单微处理器结构CNC装置相比，运算速度更高，更适合于多轴控制、高进给速度、高精度、高效率的数控要求。
多微处理器结构CNC装置多采用模块化结构，每个功能模块分管各自的任务。由于采用模块化结构，采取积木方式组成CNC装置，因此具有良好的适应性和扩展性。发生故障时可及时更换模块。
模块化结构的多微处理器结构CNC装置中的基本功能模块一般有以下六种。
（1）CNC管理模块。
（2）CNC插补模块。
（3）位置控制模块。
（4）存储器模块。
（5）PLC模块。
（6）指令、数据的输入输出及显示模块。
多微处理器CNC装置各模块之间的连接和通信主要采用共享总线和共享存储器两类结构。
共享总线结构 将各功能模块插在配有总线插座的机框内，由系统总线把各个模块有效地连接起来，按照要求交换各种控制指令和数据，实现各种预定的功能。
由主模块才有权控制使用总线，某一时刻只能由一个主模块占用总线。 配置灵活，结构简单，容易实现，造价低，因此经常被采用。
缺点是由于各主模块使用总线时会引起“竞争”，而使信息传输效率降低，总线一旦出现故障会影响全局。
共享存储器结构 采用多端口存储器来实现各微处理器之间的互联和通信 功能扩展比较困难，并且多端口存储器不易制造。
（二）专用CNC装置与开放式CNC装置（了解）
专用型CNC装置结构紧凑、布局合理、技术成熟。在制造业中得到广泛应用。但由于采用封闭式的体系结构，系统硬件是专用的，组成系统的功能板及其之间的连接方式都是专门设计而不能通用；系统的软件结构也是专用的，细节对外不公开，不能提供给用户。所以带来很大的不便。
CNC装置的开放化是制造业最终用户、机床生产厂家以及CNC装置生产厂家共同的需求。CNC装置的开放化主要体现在：
（1）系统组成内部的开放化，即系统内部硬、软的公开化。这样，不仅降低了开发成本，而且还能开发出理想的、适合用户需求的各种功能。
（2）系统组成各部分之间的开放化，即各组成部分（如CNC、伺服驱动、主轴驱动等）之间的接口标准化。这样就可以从众多的组件生产厂家中选择最佳组件构成整机。
开放式CNC装置，常称为PC—NC系统，其组成方式一般有以下几种：
组成方式 连接方式 优缺点
PC连接型CNC 现有CNC与PC通过串行通信连接起来 优点：易实现，CNC部分几乎可以不加改动，也可以使用通用软件；
缺点：CNC部分不能实现开放化，系统响应速度慢。
PC内藏型CNC 在CNC内部加装PC，PC与CNC之间通过专用总线连接 优点：CNC部分几乎可以不加改动地使用，数据传输快，系统响应快；
缺点：不能直接使用通用PC。
CNC内藏型PC 通用PC的扩展槽中插入专用CNC，专用CNC具有包括加工轨迹生成等几乎所有的CNC处理功能 优点：能够充分保证系统性能，软件通用性强而且编程处理灵活；
缺点：很难利用现有的CNC资源和系统的可靠性。
全软件型NC CNC的全部功能都由PC完成 优点：硬件通用性强，编程处理灵活；
缺点：在通用PC上较难实现实时处理，较难保证系统性能，而且难以利用现有CNC资源。
三、CNC装置的软件（掌握）
（一）CNC 装置的控制流程
数控机床在工作的全过程中，接受CNC装置的两类控制：实现各坐标轴运行的“数字控制”，即NC控制；完成各种应答动作的“辅助控制”。
译码后的信息分为两路：
图5－9 CNC装置控制流程图
【提示】辅助控制：以低速辅助信息和机床侧各种形成开关、继电器、传感器、按键等开关量信号的状态为根据，通过PLC处理后所进行的控制称为辅助控制，这是完成各种应答运动的顺序控制。
数字控制：高速轨迹信息用于各种坐标运动速度和位移的控制、插补和补偿控制，这类控制叫做数字控制。
1.低速辅助信息
（1）辅助功能 M（主轴起、停，冷却液通、断，刀具更换等）；
（2）主轴转速功能 S（主轴转速设定）；
（3）刀具功能 T（刀具选择）。
低速辅助信息由 PLC 处理和输出，实现辅助控制。
2.高速轨迹信息
（1）刀具补偿处理（将零件轮廓轨迹转换为刀具中心轨迹）；
（2）进给速度处理（各运动坐标分速度的计算和限速处理）。
【提示】为了完成数控工作，CNC装置还必须具有显示功能、诊断功能及通信功能。
（二）CNC装置的多任务并行处理
从CNC装置的控制流程可以看出，CNC装置的系统软件除了要执行必要的控制任务外，还必须具有管理功能。
图5－10 CNC装置所完成的任务
控制任务包括译码、刀具补偿、速度处理、插补、位置控制等，这类任务要求很强的实时性；
管理任务包括人机界面管理、程序的输入输出、显示、诊断等。相对于控制任务而言，管理任务的特点是实时性要求不高。
CNC装置中的一些管理和控制工作必须同时进行，例如显示和控制任务必须同时进行，以便操作人员及时了解机床运行状态；在加工过程中，译码、刀具补偿、插补和位置控制也必须同时进行，才能保证加工过程的连续。这就是并行处理。
【注意】左侧是管理任务，右侧是控制任务。
四、可编程序控制器
（一）PLC概述（熟悉）
1.组成：
PLC实质上是一种工业控制计算机，它包括硬件和软件两部分。
PLC硬件包括基本组成部分、I/O扩展部分和外部设备三大部分。
基本组成部分是构成PLC的最小系统，包括CPU及存储器、输入接口、输出接口、电源等。
硬件 基本组成部分 CPU 输入输出处理、程序解算、通信处理等。
存储器 其中系统存储器存放 PLC 的系统软件；而用户存储器存放用户程序和 I/O状态。
输入接口、输出接口（I/O接口） 输入接口将采集到的开关和现场设备信号送给CPU，解算后将控制信号经输出接口转换成电压或电流信号驱动现场设备。
电源 提供电能。
I/O扩展部分 当用户所需要的输入、输出点数超过基本系统的输入输出点数时，由 I/O扩展部分扩大系统的总点数。
外部设备 开发 PLC控制系统的辅助设备，主要包括：编程器、 EPROM写入器、磁带机、打印机、监视器等。
软件 系统软件 系统软件由生产厂家编制，用于管理、协调 PLC 各部分的工作，通常被固化在ROM中。
应用软件 应用软件是用户根据控制的需要，用 PLC 语言编写的程序。应用软件一般存在 RAM中，并使用锂电池进行掉电保护；不经常变化的应用软件可以固化在 PLC 提供EPROM 模块中。
【提示】PLC 插上装有用户程序的 EPROM 模块时，PLC优先执行 EPROM模块中的程序；而 PLC 机不插上装有用户程序的 EPROM 模块时，PLC 执行 RAM 区的用户程序。
2.PLC的基本技术指标
存储器容量 一般用K字节（KB）、K位来表示。IK=1024字节。
扫描速度 一般以执行1000步指令所需要的时间来衡量，单位是ms/K，或μs/步。
I/O点数 I/O点数是指PLC外部输入、输出端子总数，这是PLC最重要的一项技术指示。
编程语言 编程语言的指令条数是衡量PLC软件功能强弱的主要指标，指令越多，编程功能越强。
3.PLC的特点。PLC作为一种新型的工业控制器具有以下特点：
（1）控制程序可变，具有良好的柔性。当生产工艺改变或生产设备更新时，无须改变硬件而只要改变相应的程序即可。
（2）采用面向过程的语言，编程方便。目前大多数PLC都使用清晰直观的梯形图指令RLL语言或图形化编程语言SFC。
（3）功能完善。
（4）扩充方便，配置灵活。
（5）系统构成简单，安装调试方便。
（6）可靠性高。可编程控制器使用大规模集成电路，和具有很多触点的继电器系统比较，可靠性要高得多。而且在PLC的设计中采用了容错技术。平均无故障时间（MTBF）超过20000小时，平均修复时间（MTTR）则小于10分钟。另外，在PLC的输出输入中采用屏蔽、滤波、隔离、电源高速等措施，大大提高了抗工业环境干扰的能力。
（二）PLC在数控机床中的应用（掌握）
在中、高档数控机床中，PLC是CNC装置的重要组成部分。
作用：接受来自零件加工程序的开关功能信息（M、S、T 即辅助功能、主轴转速功能和刀具功能）以及机床操作面板上的开关量信号，进行逻辑处理，完成输出控制功能，实现各功能以及操作方式的连锁。
【注意】PLC不处理高速轨迹信息。
数控机床使用的PLC有内装型和独立型。
1.内装型PLC的特点是：
（1）其性能指标由所属CNC装置的性能规格确定。它的硬件和软件被作为CNC装置的基本功能统一设计，具有结构紧凑、适配性强等优点。
（2）它有与CNC共用微处理器和具有专用微处理器两种类型。前者利用CNC微处理器的余力来发挥PLC的功能，I/O点数较少；后者由于有独立的微处理器，多用于顺序程序复杂动作速度要求快的场合。
（3）它与CNC其它电路同装在一个机箱内，共用一个电源和地线。
（4）内装型PLC的硬件电路可与CNC其他电路制作在同一块印刷电路板上，也可以单独制成一块附加印刷电路板，供用户选择。
（5）内装型PLC使用CNC装置本身的I/O接口电路。
（6）采用内装型PLC造价低，具有较高的性能、价格比。
2.独立型PLC的特点是：
（1）可根据数控机床对控制功能的要求灵活选购或自行开发。
（2）有自己的I/O接口电路，PLC本身采取模块化结构。
（3）可以扩大CNC的控制功能，可以形成两个以上的附加轴控制。
（4）在性价比不如内装型PLC。
总的来看，单微处理器的CNC装置采用内装型PLC为多，而独立型PLC主要用在多微处理器CNC装置，FMC或FMS、FA、CIMS中，具有较强的数据处理、通信和诊断功能，成为CNC与上级计算机联网的重要设备。
单机CNC系统中的内装型和独立型PLC的作用是一样的，主要是协助CNC装置实现低速辅助信息的控制。
（三）PLC在工业控制中应用简述（了解）
PLC除了在CNC中使用外，还广泛用于冶金、机械、石油化工、能源交通乃至娱乐等各行业。
1.PLC的应用类型
（1）顺序控制和开关逻辑控制类型。这是最基本控制方式，已取代了传统的继电器。
（2）闭环过程控制类型。
（3）组合数字控制类型。
（4）组成多级控制系统类型。
（5）控制机器人类型。
2.PLC在位置控制中的应用
PLC制造厂商提供的单轴或多轴位置控制模块。位置控制模块即可根据来自现场的监测信号和PLC的命令来调整控制输出，移动一轴或数轴到达目标位置。特别适用于机床的点位直线伺服控制。
五、CNC装置的选择（熟悉）
1.根据数控机床的加工类别，有针对性的选择。
2.根据数控机床的设计指标和性价比进行选择。
3.具备基本功能的CNC装置相对便宜，而带有选择功能的CNC装置比较贵。所以，对于选择功能，需要的再选。
4.一次考虑周全，不要遗漏。
第三节 数控机床的伺服驱动系统
一、概述（熟悉）
伺服驱动系统简称伺服系统（Serve system），是一种以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。
伺服系统的性能在很大程度上决定了数控机床的性能。
（一）伺服驱动系统的分类
按控制对象和使用目的 进给伺服系统 用于控制机床各坐标轴的切削进给运动，是一种精密的位置跟踪、定位系统，它包括速度控制和位置控制。
主轴伺服系统 用于控制机床主轴的旋转运动和切削过程中的转矩和功率，一般只以速度控制为主。
辅助伺服系统 用在各类加工中心或多功能数控机床中，用来控制刀库、料库等辅助系统，一般多采用简易的位置控制。
按伺服系统调节理论 数控机床的进给伺服系统可分为开环、闭环和半闭环系统。
按驱动部件的动作原理 电液控制系统和电气控制系统，其中，电气控制系统分为步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机驱动系统。
按反馈比较控制方式 脉冲比较、相位比较、幅值比较和全数字等伺服系统。
（二）数控机床对伺服驱动系统的要求
对进给伺服驱动系统的要求：
高精度 要求伺服系统准确定位，即定位误差特别是重复定位误差要小，并且伺服系统的跟随精度高，即跟随误差小。一般定位精度达到μm级，高的要求达到±0.01～±0.005μm。
快速响应，无超调 加工过程中，为了提高生产率和保证加工质量，要求加（减）速度足够大，以便缩短伺服系统过渡过程时间。一般电动机速度从零变到最高速，或从最高速降至零，时间在200毫秒以下，甚至小于几十毫秒。
调速范围宽 为保证在任何情况下都能得到最佳切削条件，要求进给驱动必须具有足够宽的调速范围（至少达到1：1000，有些高性能系统已能达到1：100000）。而且通常是无级调速。
低速大转矩 具有较强的过载能力。力矩波动要小，一般允许的波动数在3%左右。
可靠性高 对环境的适应性强，性能稳定，使有寿命长，平均无故障间隔时间长。
对主轴驱动系统的要求：
主轴驱动系统不仅应该具有宽的调速范围，而且能在尽可能宽的速度范围内保持恒功率输出。为了满足不同数控机床的加工要求，还对主轴驱动系统提出一些特殊要求，如：
为了能在数控车床等机床上加工螺纹，要求主轴驱动与进给驱动实行同步控制；
为了保证端面加工的表面粗糙度，要求数控车床、磨床等机床的主轴驱动系统具有恒线速切削功能；
在加工中心上，由于自动换刀的需要，要求主轴驱动系统具有高精度的停位控制功能；
有的数控机床还要求主轴驱动系统具有角度的控制功能。
二、步进电动机及其驱动（掌握）
步进电动机伺服驱动系统主要用于开环位置控制。比较简单，控制和维修也比较方便。由于开环系统精度不高，且步进电动机的功率和速度也不高，因此这种驱动系统仅用于小容量、速度低和精度不太高的经济型数控机床和电加工机床、计算机的打印机、绘图仪等外部设备。
（一）步进电动机
步进电动机是一种同步电动机，是一种将电脉冲信号转换成角位移（或直线位移）的执行元件。
【提示】脉冲数增加，角（或直线）位移随之增加；脉冲频率高，电动机旋转速度就快，反之则慢；分配脉冲的相序改变，电动机便反转。
步进电动机绕组所加电源是脉冲电压，也称为脉冲电动机。步进电动机的种类很多，有多种分类方法。若按工作原理分类，则可将步进电动机分为：反应式（磁阻式）、电磁式、永磁式和永磁感应子式步进电动机。其中反应式和永磁感应子式步进电动机比较常用。
优点 （1）步进电动机的转速主要取决于脉冲的频率，转数取决于脉冲数。
（2）步进电动机的步距值不受各种干扰因素的影响。
（3）步进电动机每走一步所转过的角度（实际步距值）与理论步距值之间总有一定的误差。从某一步到任何一步，也总会有一定的累积误差，但每转一圈的累积误差为零。步距误差不长期积累。
缺点 过载能力比较差。
1.反应式步进电动机
工作过程：当A、B、C三对磁极的绕组依次轮流通过直流电时，则A、B、C三对磁极就依次轮流产生磁场吸引转子转动。
首先，当A相绕组通电，B、C两相断电时，转子的齿1、3分别被定子磁极A—A’吸引而对齐。
然后，A相断电，B相通电，于是转子的2、4两齿被定子磁极B—B’吸引，这时转子逆时针转了30o，接下去B相断电，C相通电，转子1、3齿与定子磁极C-C′轴线对齐，转子又逆时针转过了30 o。
这种按A→B→C→A→B→C→A……顺序轮流通电的方式称为三相单三拍。“三相”是指定子有三相绕组A、B、C，“单”是指每次只有一相绕组单独通电，“三拍”是指经过三次经过切换控制绕组的通电状态为一个循环。每一拍，即输入一个脉冲信号，都使转子转过一个角度，称之为步距角θs。其计算公式如下：
步进电动机也可以采用三相单、双拍通电方式，通电顺序为A→AB→B→BC→C→CA→A……三相绕组经过六次切换完成一个循环，因而称为三相单双六拍。
步距角：
而一圈是360°
所以一个脉冲，转动的圈数是
转速： 转/分
即步进电机转速取决于脉冲频率、转子齿数和运行拍数。
【提示】步进电动机的转子齿数多，齿距角就小，步距角也就越小，位置精确度就越高。转子齿数多，步距角就小。
除三相反应式步进电动机外，还有四相、五相、六相反应式步进电动机。
2.永磁感应子式步进电动机
定子转子的齿距通常相同。
由于在磁路中含有永久磁钢，所以，永磁感应子式步进电动机的定子绕组断电后，仍有一定的定位转矩。
3.步进电动机的主要性能指标。步进电动机的主要性能指标有：
步距精度 空载时，以单脉冲输入，步进电动机的实际步距角与理论步距角之差称为静态步距角误差，以偏差的角度或相对百分数来衡量。我国生产的步进电动机的步距精度一般在±10～±30分的范围，有些可达±2～±5分。
最大静转距 转子处于静止状态时，能与最大负载转矩相平衡的电磁转矩称为步进电动机的最大静转矩。它是衡量步进电动机带负载能力的主要指标。
起动频率 使步进电动机能够由静止定位状态不失步地起动，并进入正常运行的控制脉冲最高频率，称为起动频率。在电动机空载情况下，称为空载起动频率。在有负载情况下，不失步起动所允许的最高频率将大大降低。
连续运行频率 步进电动机起动后，其转速将跟随控制脉冲频率连续上升而不失步的控制脉冲的最高频率，称为连续运行频率的最高工作频率。步进电动机的连续运行频率随负载的增大而下降，但步进电动机连续运行频率远高于其起动频率。
（二）步进电机对驱动电源的要求（了解）
1.电源的相数、电压、电流、通电方式与步进电机的要求相适应；
2.满足起动频率和运行频率的要求；
3.工作可靠、抗干扰能力强；
4.成本低，效率高，安装和维护方便；
驱动电源由环形分配器和功率驱动器组成。
三、直流伺服电动机及其速度控制
以直流伺服电动机作为驱动元件的伺服系统即为直流伺服系统。直流伺服电动机具有良好的调速性能，尤其是他励（永磁）直流伺服电动机，其机械特性比较硬，即电动机的转速随负载的增加降幅很小，可以看成是一种恒速电动机。
（一）直流伺服电动机（掌握）
1.直流主轴电动机。直流主轴电动机的结构与普遍直流电动机的结构基本相同。
不同点：在主磁极上有补偿绕组；采用轴向强迫通风冷却或热管冷却；尾部有测速反馈元件（主要是测速发电机）。
在基本速度nj以下为恒转矩范围，在基本速度nj以上为恒功率范围。通常恒转矩速度范围与恒功率速度范围之比为1:2。
【提示】直流主轴电动机一般能承受150%的过载载荷，过载时间随生产厂家而已，1~30min不等。
2.进给直流伺服电动机
多采用永磁直流伺服电动机作为驱动元件。
永磁直流伺服电动机由电动机本体和检测部件组成。电动机本体主要由机壳、定子磁极和转子三部分组成。永磁直流伺服电动机的定子磁极是一个永磁体，不需要励磁功率。在同样的输出功率时体积和重量较小。反馈用的检测部件（测速发电机、旋转变压器及脉冲编码器）同轴安装在电动机的尾部（非轴伸出端）。
永磁直流伺服电动机的转子分为小惯量型和普通型两类。
小惯量型转子又可分无槽转子、空心杯形转子和印刷绕组转子。
优点：是转子惯量小，适合于快速响应的伺服系统。
缺点：过载能力低；当用于数控机床等进给伺服系统中时，由于转子惯量与机械传动系统匹配较差，电动机与机械传动系统不能直接相连，必须采取一些措施。
普通型转子永磁直流伺服电动机具有以下一些特点：
（1）低速时输出的转矩大，惯量比较大，能与机械传动系统直接相连，省去齿轮等传动机构，从而有利于减小机械振动和噪声，以及齿隙误差。
（2）转子的热容量大，电动机的过载性能好，一般能加倍过载几十分钟。
（3）调速范围宽，当与高性能速度控制单元组成速度控制系统时，调速范围可达1:1000以上。
（4）转子惯量比较大，为了满足快速响应的要求，需要加大电源容量。
（5）转子温升高（电动机允许温升可达1500 C～1800 C）可通过转轴传到机械上去，这会影响精密机械的精度。
伺服电动机的工作区域被温度极限线、转速极限线、换向极限线、转矩极限线以及瞬时换向极限线划分成三个区域：
Ⅰ 区为连续工作区，在该区域内转矩和转速的任意组合都可以长时间连续工作。
Ⅱ 区为断续工作区，在该区域内电动机只能按允许的工作时间和断电时间歇工作。
Ⅲ 区为加速和减速区，在该区域内电动机只能作加速或减速，工作极短的时间。
选择进给伺服电动机时，一定要满足以下条件：
1.机床空载运行时，应在转矩－速度特性曲线的连续工作区；
2.电动机加减速过程中的转矩应在加减速区；
3.频繁起动、制动以及周期变化的负载，必须检查一个周期内转矩的均方根值，并应小于电动机的连续额定转矩；
4.最大负载转矩、加载周期以及过载时间都应在特性曲线允许的范围以内。
【拓展】均方根值的计算方法是先平方、再平均、然后开方。
（二）直流伺服电动机的速度控制方法（熟悉）
1.直流主轴电动机的速度控制方法
其中，励磁磁通Φ和转子回路电流Ia是相互独立的，可以分别进行调节，从而得到良好的静态和动态转矩控制特性。
直流主轴电动机的调速系统为双域调速系统，由转子绕组控制回路和磁场控制回路两部分组成。
在转子绕组控制回路中，通过改变转子绕组电压（即外加电压）调速，适于基本速度以下的恒转矩范围。
在磁场控制回路中，通过改变励磁电流If （即改变磁通φ）调速，为恒功率调速，适于基本速度以上的恒功率范围。
2.永磁直流伺服电动机的速度控制。
用于数控机床进给伺服系统中的永磁直流伺服电动机多采用改变外加电压的调速方法。这种调速方法具有恒转矩调速特性、机械特性好、经济性能好等特点。
常采用的调速系统有两种，即晶闸管调速系统和晶体管脉宽调制调速系统。
四、交流伺服电动及其速度控制
直流伺服电动机具有优良的调速性能，但它的电刷和换向器容易磨损，需要经常维护；由于换向器换向时会产生火花而使最高转速受到限制；直流电动机结构复杂，制造困难，成本高。因此，20世纪80年代中期以来，交流伺服电动机得到飞速发展，交流伺服系统正在逐步取代直流伺服系统。
（一）交流伺服电动机（掌握）
1.交流主轴电动机
是经过专门设计的鼠笼式三相异步电动机。特点是：
（1）没有外壳，定子铁芯直接暴露在空气中，而且有轴向通风孔，以利于电动机冷却、缩小电动机体积，增大了电动机的功率。
（2）转子做成细长型，以便减小转子的转动惯量。
（3）尾部都同轴安装有脉冲发生器（或脉冲编码器）。
交流主轴电动机的功率一速度特性曲线与直流主轴电动机相类似：在基本速度以下为恒转矩区域，在基本速度以上为恒功率区域。
恒功率的速度范围只有1:3的速度比，当速度超过一定值后，功率一速度特性曲线会向下倾斜。
交流主轴电动机也具有一定的过载能力，一般能在额定负载的1.2～1.5倍负载下工作几分钟至半个小时。
【链接】直流主轴电动机一般能承受150%的过载载荷，过载时间随生产厂家而已，1~30min不等。
2.永磁同步交流伺服电动机。主要由定子、转子和检测部件三部分组成：
定子形状与普通感应电动机的定子相似，具有齿槽，内有三相绕组，外表面多呈多边形，且无外壳，这样有利于散热。
转子是永久磁铁。当定子三相绕组接上电源后，就产生一个旋转磁场，该旋转磁场吸引永磁转子同步旋转。
转子转速为：
式中：nr——转子转速； ns——定子旋转磁场转速； f—电源频率； Ｐ——磁极对数。
【注意】无转差率，旋转磁场的转速和永磁转子同步旋转。而交流三项异步电动机的转速还需要考虑转差率。
交流伺服电动机的性能用特性曲线和数据表来描述。其中最重要的是电动机的工作曲线，即转矩一速度特性曲线。
交流伺服电动机的机械特性要比直流伺服电动机的机械特性更硬，其直线更接近水平线。另外，断续工作区的范围更为扩大，尤其是在高速区域，这将有利于提高电动机的加、减速能力。
（二）交流伺服电动机的速度控制方法（熟悉）
1.交流主轴电动机的速度控制
广泛采用矢量控制调速。
对于交流主轴电动机而言，气隙磁通和转子电流不是独立变量，它们都是转差率S的函数，无法分开进行独立控制。另外，被控量是既有大小又有相位的矢量，比标量难控制得多。将交流矢量转换成标量，从而将交流电动机模拟成直流电动机来控制它的转矩，称为交流矢量的直流标量化。
【拓展】矢量又有数值又有方向，如速度，加速度等；标量只有数值没有方向，如质量。交流电是有相位的，而直流电却没有。
2.永磁同步交流伺服电动机的速度控制
由同步电动机的转速计算公式可知，可以通过改变电源频率来实现调速的要求。改变频率可以采用交—直—交变频器或交—交变频器。
【链接】在第三章的直流电动机中，改变电源频率还有“变频机组”，这种方式运用很少。
第四节 工业机器人
国家标准GB/T12643－90将工业机器人定义为：
工业机器人是一种能自动定位控制，可重复编程、多功能、多自由度的操作机。能搬运材料、零件或操持工具，用以完成各种作业。工业机器人不同于机械手。工业机器人具有独立的控制系统，可以通过编程实现动作程序的变化；而机械手只能完成简单的搬运、抓取及上下料工作，它一般作为自动机或自动线上的附属装置，工作程序固定不变。
一、工业机器人的组成和分类
（一）工业机器人的组成（熟悉）
工业机器人一般由操作机、驱动装置和控制系统三部分组成。
1.操作机。也称执行机构，由末端执行器、手腕、手臂和机座组成。
末端执行器又称手部，是操作机直接执行操作的装置。其上可安装夹持器、工具、传感器等。夹持器分为机械夹紧、磁力夹紧、液压张紧和真空抽吸四种。
2.驱动装置。驱动装置为操作机工作提供动力。按所采用的动力源分为电动、液动和气动三种类型。
3.控制系统。控制系统分为开环控制系统和闭环控制系统，其功能是控制工业机器人按照要求动作。一般设计成二级计算机控制或三级计算机控制。
（二）工业机器人的分类（了解）
1.按坐标形式分。
（1）直角坐标式（PPP）。机器人末端执行器（手部）空间位置的改变是通过三个互相垂直的坐标x、y、z轴的移动来实现的。
（2）圆柱坐标式（RPP）。机器人末端执行器空间位置的改变是由两个移动坐标和一个旋转坐标实现的。
（3）球坐标式（RRP）。又称极坐标式，机器人手臂的运动由一个直线运动和二个转动组成，即沿x轴的伸缩，绕y轴的俯仰和绕z轴的回转。
（4）关节坐标式（RRR）。又称回转坐标式，分为垂直关节坐标和平面（水平）关节坐标。
2.按驱动方式分：
（1）电力驱动。使用最多，驱动元件可以是步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机。目前交流伺服电动机是主流。
（2）液压驱动。有很大的抓取能力（可抓取高达上千牛力），液压力可达7Mpa，液压传动平稳，防爆性好，动作也较灵敏，但对密封性要求高，对温度敏感。
（3）气压驱动。结构简单、动作迅速、价格低，但由于空气可压缩而使工作速度稳定性差，气压一般为0.7MPa，抓取力小（几十牛力至一百牛力）。
3.按控制方式分。
（1）点位控制。适用于上下料、点焊、卸运等作业。
（2）连续轨迹控制。采用这种控制方式的机器人，常用于焊接、喷漆和检测等作业。
二、工业机器人的特性参数和技术要求（熟悉）
（一）特性参数
表5—3 工业机器人的主要特性参数
项目名称 说明
坐标形式 常用的坐标形式有直角坐标、圆柱坐标、球坐标、关节坐标等
运动自由度数 自由度数表示机器人动作的灵活程度；机器人的自由度一般少于6个，也有多于6个的（三个移动三个转动）
各自由度的动作范围 自由度的动作范围是指各关节的活动范围；各关节的基本动作范围决定了机器人操作机工作空间的形状和大小
各自由度的动作速度 各自由度的动作速度是指各关节的极限速度
额定负载 额定负载是指在规定性能范围内，在手腕机械接口处所能承受的最大负载允许值
精度 精度主要包括位姿精度、位姿重复性、轨迹精度、轨迹重复性等
（二）技术要求
1.外观和结构。工业机器人要求布局合理、操作方便、造型美观、便于维修；无漏油、漏气现象；润滑冷却情况良好；机构动动应灵活、平稳、可靠。
2.电气设备。动力线与信号线尽可能分开远离，信号线应采用屏蔽、双绞等抗干扰技术；在运动中突然停电后，恢复供电时不得自行接通；非接地处的绝缘电阻不得小于5MΩ；电子元器件一般应进行老化处理；控制柜应具有良好的通风、散热措施；电源电压波动允许±10%，频率允许50±1HZ。
3.可靠性。采用平均无故障工作时间（MTBF）及可维修时间（MTTR）作为衡量可靠性的指标。
4.安全性。安全性要求应满足《工业机器人安全规范》（GB11291－89）的规定。
三、工业机器人的编程方式（了解）
示教编程方式 手把手示教编程；示教盒示教编程
语言编程方式 动作级语言、对象级语言、任务级语言
动作级语言，是直接记述工业机器人手臂、手腕等动作的语言系统，如VAL语言。
对象级语言主要面向作业对象和装配操作，是一种以描述操作物体间关系为中心的语言系统，如AML、AUTOPASS等。
任务级语言允许使用者对任务目标直接下达指令，而不必规定任务细节，是比较高级的机器人语言。
【提示】对于重复操作型机器人，所面对的作业任务比较简单，一般采用示教编程方式编程。对于动作复杂，操作精度要求高的工业机器人（如装机器人），采用工业机器人语言编程方式编程。
第五节 FMC与FMS
一、柔性制造单元FMC（熟悉）
柔性制造单元的构成常有两种形式：
（一）托板存储库式FMC
这种 FMC 以托板交换为特征，托板可同时沿托板库的长圆形轨道运行，实现托板的输送和定位。
托板的选定和定位由PLC进行控制。
（二）机器人直接搬运式FMC由加工中心、数控机床配上工业机器人和工件传输系统组成。有些单元还包括清洗设备在内。
柔性制造单元既可以作为独立使用的加工生产设备，又可作为更大、更复杂的柔性制造系统和柔性自动线的基本组成模块。
二、柔性制造系统FMS（了解）
（一）柔性制造系统的组成
1.加工系统。由加工中心或加工中心与数控机床混合组成的加工设备。机床的配置要满足“互补”和“互替”两方面的要求。
2.物流系统。包括工件与刀具夹具的输送、装卸及仓库存储等装置。在FMS中，工件夹具的存储多用立体仓库，并由仓库计算机进行控制和管理。
3.信息流系统。该系统为协调多台机床加和物料输送的计算系统。
（二）柔性制造系统的基本功能
1.自动加工功能（包括检验、清洗等）；
2.自动搬运功能；
3.将以上两者综合起来的综合软件功能。
（三）FMS的柔性主要表现在以下几个方面：
1.随机加工能力。即同时加工一个以上零件的能力，并且工件在品种、类型、要求或数量方面有变化时，都能很好地适应。
2.容忍故障能力。机床出现故障时，可自动安排其他机床代替，工件运输系统会相应调整工件的运输路线，使之继续运行。
3.工作和生产能力的柔性。
4.系统生产纲领的柔性。
三、CIMS概述（计算机集成制造系统）
|
|
|手机版|小黑屋|最新帖子|国和论坛
( 京ICP备12043779号-9 )
发表于 2016-8-18 13:04:23
