典型机电一体化系统.docx
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典型机电一体化系统
学生姓名
机电一体化系统设计
结课论文
（德州学院机电工程系）
数控机床系统分析
1机电一体化系统概述,,,,,,,,,,,,,,,2
2数控机床系统简介,,,,,,,,,,,,,,,2
3数控机床系统分析,,,,,,,,,,,,,,,4
1.数控机床的机械系统,,,,,,,,,,,,,,,4
2.数控机床的反馈系统,,,,,,,,,,,,,,,6
3.数控机床的控制系统,,,,,,,,,,,,,,,6
4数控机床的工作过程及日常维护,,,,,,,,,,10
1.数控机床工作过程,,,,,,,,,,,,,,,10
2.数控机床的工作日常维护,,,,,,,,,,,,,,,10
机电一体化系统概述
日本企业界在1970年左右最早提出“机电一体化技术”这一概念，当时他们取名为“Mechatronics”，即结合应用机械技术和电子技术于一体。
随着计算机技术的迅猛发展和广泛应用，机电一体化技术获得前所未有的发展，成为一门综合计算机与信息技术、自动控制技术、传感检测技术、伺服传动技术和机械技术等交叉的系统技术，目前正向光机电一体化技术（Opto-mechatronics）（Opto-mechatronics）（Opto-mechatronics）方向发展，应用范围愈来愈广。
机电一体化技术具体包括以下内容：
（1）机械技术机械技术是机电一体化的基础，机械技术的着眼点在于如何与机电一体化技术相适应，利用其它高、新技术来更新概念，实现结构上、材料上、性能上的变更，满足减小重量、缩小体积、提高精度、提高刚度及改善性能的要求。
在机电一体化系统制造过程中，经典的机械理论与工艺应借助于计算机辅助技术，同时采用人工智能与专家系统等，形成新一代的机械制造技术。
（2）计算机与信息技术其中信息交换、存取、运算、判断与决策、人工智能技术、专家系统技术、神经网络技术均属于计算机信息处理技术。
（3）系统技术系统技术即以整体的概念组织应用各种相关技术，从全局角度和系统目标出发，将总体分解成相互关联的若干功能单元，接口技术是系统技术中一个重要方面，它是实现系统各部分有机连接的保证。
（4）自动控制技术其范围很广，在控制理论指导下，进行系统设计，设计后的系统仿真，现场调试，控制技术包括如高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断校正、补偿、再现、检索等。
（5）传感检测技术
传感检测技术是系统的感受器官，是实现自动控制、自动调节的关键环节。
其功能越强，系统的自动化程序就越高。
现代工程要求传感器能快速、精确地获取信息并能经受严酷环境的考验，它是机电一体化系统达到高水平的保证。
（6）伺服传动技术包括电动、气动、液压等各种类型的传动装置，伺服系统是实现电信号到机械动作的转换装置与部件、对系统的动态性能、控制质量和功能有决定性的影响
二数控机床系统简介
1.数控机床系统概念
数控机床是数字控制机床（Computernumericalcontrol）的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。
该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，从而使机床动作并加工零件。
2.数控机床的组成：
数控机床的组成示意图
1、输入输出装置
输入装置可将不同加工信息传递于计算机。
在数控机床产生的初期，输入装置为穿孔纸带，现已趋于淘汰；目前，使用键盘、磁盘等，大大方便了信息输入工作。
输出指输出内部工作参数（含机床正常、理想工作状态下的原始参数，故障诊断参数等），一般在机床刚工作状态需输出这些参数作记录保存，待工作一段时间后，再将输出与原始资料作比较、对照，可帮助判断机床工作是否维持正常。
2、数控装置
数控装置是数控机床的核心与主导，完成所有加工数据的处理、计算工作，最终实现数控机床各功能的指挥工作。
它包含微计算机的电路，各种接口电路、CRT显示器等硬件及相
应的软件。
3、可编程控制器
即PLC它对主轴单元实现控制，将程序中的转速指令进行处理而控制主轴转速；管理刀库，进行自动刀具交换、选刀方式、刀具累计使用次数、刀具剩余寿命及刀具刃磨次数等管理；控制主轴正反转和停止、准停、切削液开关、卡盘夹紧松开、机械手取送刀等动作；还对机床外部开关（行程开关、压力开关、温控开关等）进行控制；对输出信号（刀库、机械手、回转工作台等）进行控制。
4、检测反馈装置
由检测元件和相应的电路组成，主要是检测速度和位移，并将信息反馈于数控装置，实现闭环控制以保证数控机床加工精度。
5、机床主机
数控机床的主体，包括床身、主轴、进给传动机构等机械部件。
3.数控机床特点
数控机床的操作和监控全部在这个数控单元中完成，它是数控机床的大脑。
与普通机床相比，数控机床有如下特点：
加工精度高，具有稳定的加工质量；
可进行多坐标的联动，能加工形状复杂的零件；
加工零件改变时，一般只需要更改数控程序，可节省生产准备时间；
机床本身的精度高、刚性大，可选择有利的加工用量，生产率高（一般为普通机床的3~5倍）；
机床自动化程度高，可以减轻劳动强度；
对操作人员的素质要求较高，对维修人员的技术要求更高。
数控机床系统分析
1.数控机床的机械系统（数控机床本体）数控机床床身是数控机床的基础部分，是机床的硬件。
这一部分包括的系统有：
进给传动的系统、刀具系统、自动的换刀装置、夹具及附件。
一主传动系统数控机床的主传动运动是指生产切屑的传动运动，例如，数控车床上主轴带动工件的旋转运动，立式加工中心上主轴带动铣刀、镗刀和砂轮等的旋转运动。
数控机床的主传动运动是通过主传动电机拖动的。
1、主传动系统作用数控机床主传动系统的作用就是产生不同的主轴切削速度以满足不同的加工条件要求。
2、主传动系统的变速方式
（1）、采用变速齿轮传动采用少数几对齿轮降速，用液压拨叉自动变速，电机主轴仍为无级变速，并实现主轴的正反启动、停止、制动。
该方式扭矩大，噪声大，一般用于较低速加工。
（2）、采用同步齿形带传动采用直流或交流主轴伺服电机，由同步齿形带传动至主轴，该方式主轴箱及主轴结构简单，主轴部件刚性好；传动效率高、平稳、噪声小；不需润滑；但由于输出扭矩小，低速性能不太好，在中档机床中应用较多。
（3）、采用主轴电机直接驱动亦称一体化主轴、电主轴，由主轴电机直接驱动，电机、主轴合二为一，主轴为电机的转子。
该方式处理好散热、润滑非常关键，一般应用于高速机床。
3、主轴部件
（1）、轴承数控机床主轴轴承的支承形式、轴承材料、安装方式均不同于普通机床，其目的是保证足够的主轴精度。
（2）、主轴准停装置满足刀具交换时，刀柄键槽位置必须固定的要求。
（3）、自动夹紧和切屑清除装置自动夹紧一般由液压或气压装置予以实现；而切屑清除则是通过设于主轴孔内的压缩空气喷嘴来实现，其孔眼分布及其角度是影响清除效果的关键。
（4）、润滑与冷却低速时，采用油脂、油液循环润滑；高速时采用油雾、油气润滑方式。
主轴的冷却以减少轴承及切割磁力线发热，有效控制热源为主。
二进给传动系统
1、进给传动系统作用数控机床的进给传动系统负责接受数控系统发出的脉冲指令，并经放大和转换后驱动机床运动执行件实现预期的运动。
2、对进给传动系统的要求为保证数控机床高的加工精度，要求其进给传动系统有高的传动精度、高的灵敏度（响应速度快）、工作稳定、有高的构件刚度及使用寿命、小的摩擦及运动惯量，并能清除
传动间隙。
3、进给系统传动部件
（1）、滚珠丝杠螺母副
数控加工时，需将旋转运动转变成直线运动，故采用丝杠螺母传动机构。
数控机床上一般采用滚珠丝杠，如图所示，它可将滑动摩擦变为滚动摩擦，满足进给系统减少摩擦的基本要求。
该传动副传动效率高，摩擦力小，并可消除间隙，无反向空行程；但制造成本高，不能自锁，尺寸亦不能太大，一般用于中小型数控机床的直线进给。
⑵、回转工作台
为了扩大数控机床的工艺范围，数控机床除了沿X、丫、Z三个坐标轴作直线进给外，往往还需要有绕丫或Z轴的圆周进给运动。
数控机床的圆周进给运动一般由回转工作台来实现，对于加工中心，回转工作台已成为一个不可缺少的部件。
数控机床中常用的回转工作台有分度工作台和数控回转工作台。
（1）分度工作台
分度工作台只能完成分度运动，不能实现圆周进给，它是按照数控系统的指令，在需要分度时将工作台连同工件回转一定的角度。
分度时也可以采用手动分度。
分度工作台一般只能回转规定的角度（如90、60和45度等）。
（2）数控回转工作台
数控回转工作台外观上与分度工作台相似，但内部结构和功用大不相同。
数控回
转工作台的主要作用是根据数控装置发出的指令脉冲信号，完成圆周进给运动，进行各种圆弧加工或曲面加工，它也可以进行分度工作。
3、导轨
导轨是进给传动系统的重要环节，是机床基本结构的要素之一，它在很大程度上决定数控机床的刚度、精度与精度保持性。
目前，数控机床上的导轨形式主要有滑动导轨、滚动导轨和液体静压导轨等。
（1）滑动导轨
滑动导轨具有结构简单、制造方便、刚度好、抗振性高等优点，在数控机床上应用广泛，目前多数使用金属对塑料形式，称为贴塑导轨。
贴塑滑动导轨的特点：
摩擦特性好、耐磨性好、运动平稳、工艺性好、速度较低。
（2）滚动导轨
滚动导轨是在导轨面之间放置滚珠、滚柱或滚针等滚动体，使导轨面之间为滚动摩擦而不是滑动擦擦。
滚动导轨与滑动导轨相比，其灵敏度高，摩擦系数小，且动、静摩擦系数相差很小,因而运动均匀，尤其是在低速移动时，不易出现爬行现象；定位精度高，重复定位精度可达0.2卩m;牵引力小，移动轻便；磨损小，精度保持性好，使用寿命长。
但滚动导轨的抗振性差，对防护要求高，结构复杂，制造困难，成本高。
2.数控机床的反馈系统（测量装置）
一、检测装置作用
检测装置是对数控机床中运动部件的位置及速度进行检测，把测量信号作为反馈信号，并将其转换成数字信号送回计算机与脉冲指令信号进行比较，以控制驱动元件正确运转。
检测装置的精度直接影响数控机床的定位精度和加工精度。
二、对检测装置的要求
数控机床对检测装置的要求是：
高的可靠性及抗干扰能力；满足机床加工精度和加工速度的要求；使用维护方便；成本低等。
三、检测装置的分类
1、直接测量与间接测量
直接测量是指所测对象为被测对象本身，其方式有二：
一是直线测量，即测工作台
直线位移（但检测装置需和行程等长）；二是角度测量，即测主轴旋转角度。
间接测量是指以旋转方式检测装置反映工作台直线位移，该方法使用方便又无长度限制，但精度要受机床传动链精度的影响。
2、增量式和绝对式测量
增量式测量是指只测位移增量，由系统所发脉冲量累计计算位移。
绝对式测量是指被测任一点均从固定的零点起算，被测点均有对应编码。
3、位置检测与速度检测
位置检测指对运动部件的位置作测量，而速度检测则是对运动件速度作测量（如测速发电机）。
数控机床中一般为位置检测。
3.数控机床的控制系统（数控系统）
一、数控系统的组成与作用
1.计算机数控系统（简称CNC系统）由程序、输入输出设备、CNC装置、可编程
控制器（PLC）、主轴驱动装置和进给驱动装置等组成，如图为CNC系统组成框图。
2、数控系统的作用
数控系统接受按零件加工顺序记载机床加工所需的各种信息，并将加工零件图上的
几何信息和工艺信息数字化，同时进行相应的运算、处理，然后发出控制命令，使刀具实现
相对运动，完成零件加工过程。
二、数控系统工作过程
I
如图所示（图中的虚线框为CNC单元）,一个零件程序的执行首先要输入CNC中，经过译码、数据处理、插补、位置控制，由伺服系统执行CNC俞出的指令以驱动机床完成加工。
CNC系统的主要工作包括以下内容：
1、输入
零件程序及控制参数、补偿量等数据的输入，可采用光电阅读机、键盘、磁盘、连接上级计算机的DNC接口、网络等多种形式。
CNC装置在输入过程中通常还要完成无效码删除、代码校验和代码转换等工作。
2、译码
不论系统工作在MDI方式还是存储器方式，都是将零件程序以一个程序段为单位进行处理，把其中的各种零件轮廓信息（如起点、终点、直线或圆弧等）、加工速度信息（F代码）和其他辅助信息（M、S、T代码等）按照一定的语法规则解释成计算机能够识别的数据形式，并以一定的数据格式存放在指定的内存专用单元。
在译码过程中，还要完成对程序段的语
法检查，若发现语法错误便立即报警。
3、刀具补偿
刀具补偿包括刀具长度补偿和刀具半径补偿。
通常CNC装置的零件程序以零件轮廓轨迹编程，刀具补偿作用是把零件轮廓轨迹转换成刀具中心轨迹。
目前在比较好的CNC装置
中，刀具补偿的工件还包括程序段之间的自动转接和过切削判别，这就是所谓的C刀具补偿。
4、进给速度处理
编程所给的刀具移动速度，是在各坐标的合成方向上的速度。
速度处理首先要做的工作是根据合成速度来计算各运动坐标的分速度。
在有些CNC装置中，对于机床允许的最低
速度和最高速度的限制、软件的自动加减速等也在这里处理。
5、插补
插补的任务是在一条给定起点和终点的曲线上进行"数据点的密化"。
插补程序在每个插补周期运行一次，在每个插补周期内，根据指令进给速度计算出一个微小的直线数据段。
通常，经过若干次插补周期后，插补加工完一个程序段轨迹，即完成从程序段起点到
终点的"数据点密化"工作。
6、位置控制
位置控制处在伺服回路的位置环上，这部分工作可以由软件实现，也可以由硬件完成。
它的主要任务是在每个采样周期内，将理论位置与实际反馈位置相比较，用其差值
去控制伺服电动机。
在位置控制中通常还要完成位置回路的增益调整、各坐标方向的螺距误差补偿和反向间隙补偿，以提高机床的定位精度。
7、I/0处理
I/O处理主要处理CNC装置面板开关信号，机床电气信号的输入、输出和控制（如换刀、换挡、冷却等）。
8、显示
CNC装置的显示主要为操作者提供方便，通常用于零件程序的显示、参数显示、刀具位置显示、机床状态显示、报警显示等。
有些CNC装置中还有刀具加工轨迹的静态和动态图形显示。
9、诊断对系统中出现的不正常情况进行检查、定位，包括联机诊断和脱机诊断。
三、数控系统要求、类型及性能评价指标
1、对数控系统的要求
（1）高效要求数控系统有较高的工作速度，能迅速进行复杂信息、数据的处理与计算，以适应数控加工高效要求。
（2）稳定性数控系统应有稳定的工作过程，使数据处理、运算正确无误，从而保证数控加工正常而高精度。
（3）可靠性数控系统的工作应有高的可靠性，使其长时期连续工作而不出现故障。
（4）开放性数控系统应具有良好开放性，使其功能的修改、扩充、适应性，即功能的开发与升级能方便地实现。
2、数控系统类型
数控系统从其发展阶段来看，可分为两种类型：
以电子管、晶体管、集成电路为特征的硬线连接数控系统，即NC系统；
以小型计算机、微处理器、工控PC机为特征的软件数控系统，即CNC系统，现今使用的均为CNC系统。
四．下面从功能方面来讨论各硬件模块的作用。
1.计算机主板和系统总线板（母板）
计算机主板是CNC装置的核心，由于是基于PC机的体系结构，各硬件模块也均与PC机总线标准兼容。
其目的是利用PC机丰富的软件和硬件资源，提高系统的适应性和开放性。
降低价格，缩短新产品的开发周期。
CNC装置的计算机系统与普通的商用PC机在实现结构上略有不同。
从系统的可靠性出发，其主板与母板是分离的，即系统总线是一单独的无源母板，主板则做成插卡形式，且集成度更高，即所谓的ALL-IN-ONE主板。
这种主板主要包括以下的功能结构：
①CPU芯片及其外围芯片。
②内存单元、cache及其外围芯片。
③通信接口（串口，并口，键盘接口）。
④软、硬驱动器接口。
各功能结构的组成原理与普通微型计算机的原理完全一样，这里不再赘述。
计算机主板的主要作用是。
对输入到CNC装置中的各种数据、信息（零件加工程序，各种I／O信息等）进行相应的算术和逻辑运算，并根据其处理结果，向其他功能模块发出控制命令，传送数据，使用户的指令得以执行。
系统总线（母板）是由一组传送数字信息的物理导线组成的，它是CNC装置内部进行数据或信息交换的通道，组成原理与普通微型计算机的原理完全一样。
一般作为工业用Pc机的总线母板是独立的无源四层印制电路板，即该板的两面为信号线走线面，而在中间为电源和地线，其可靠性高于两层板。
其规格有6槽、8槽、12槽和14槽等，用户可根据CNC装置功能板的多少进行选择。
2.显示模块
显示模块即显示卡是一个通用性很强的模块。
在CNC装置中，CRT显示是一种非常重要的功能，它是人机交流的重要媒介，向用户提供了一个直观的操作环境，使用户能快速地熟悉其操作过程。
显示卡的主要作用是：
接收来自CPU勺控制命令和显示用的数据，经与CRT的扫描信号调制后，产生CRT显示器所需要的视频信号，由CRT中的电子枪对屏幕进行扫描，从而产生所需要的画面。
显示卡这种硬件不仅随时可以在市场上买到，而且它还有非常丰富的支持软件，因此无需用户自己开发。
3.输入／输出模块
输A/出模块也是标准的PC机模块
--多功能卡，一般不需要用户自己开发。
输A/出模块是CNC装置与外界进行数据和信息交换的接口板，即CNC装置中的CPU通过该接口可以从外部输入设备获取数据，也可以将CNC装置中的数据送给外部输出设备。
如果计算机主板是ALL-IN-ONE主板，由于主板已集成此功能，则此板可省略。
以上三部分，再配上键盘、电源和机箱，实际上是一部通用的微型计算机系统，这个系统是CNC装置的核心。
从某种意义上讲，其档次和性能决定了CNC装置的档次和性能，因此，CNC装置计算机子系统的合理选用是至关重要的。
4.电子盘（存储模块）
电子盘是CNC装置特有的存储模块。
在CNC装置中它用来存放下列数据和参数：
①系统软件和系统固有数据；②系统的配置参数（系统所能控制的进给轴数，轴的定义，系统增益等）；③用户的零件加工程序。
在CNC装置中，常采用电子存储器件作为外存储器，而不采用磁性存储器件，主要是考虑到CNC装置的工作环境有可能受到电磁干扰，磁性器件的可靠性低，而电子存储器件的抗电磁干扰能力相对来讲要强一些。
又因为这些由电子器件组成的存储单元是按磁盘的管理方式进行的，故称其为电子盘。
5.PLC控制模块
CNCS统对设备的控制分为两类：
一类是对各坐标轴的速度和位置的“轨迹控制”；另一类是对设备动作的“顺序控制”。
对数控机床而言，“顺序控制”是指在数控机床运行过程中，以CNC内部和机床各行程开关、传感器、按钮、继电器等开关量信号状态为条件，并按预先规定的逻辑顺序对诸如主轴的起停、换向，刀具的更换，工件的夹紧、松开，液压、冷却、润滑系统的运行等进行的控制。
在CNC装置中实现顺序控制的模块是PLC控制模块。
该模块主要接收来自操作面板、机床上的各行程开关、传感器、按钮、强电柜里的继电器以及主轴控制、刀库控制的有关信号，经处理后控制相应器件的运行。
6.功能接口模块功能接口模块是实现用户特定功能要求的接口板，如对仿形数控铣床需增加仿形控制
器、激光切割机的焦点自动跟踪功能（Z轴浮动控制器）、刀具监控系统中的信号采集器等。
所有增加的功能，必须在CNC装置中增加相应的接口板才能实现。
就目前的情况而言，用户特殊的功能要求，必须向CNC系统的生产厂家定制，一般来讲用户自己是无法办到的。
其原因是因为现在的CNC系统是封闭的，而不是开放的。
数控技术的发展趋势之一就是研究开放式结构的CNC系统。
一旦研制成功并推广使用，用户即可根据自己的要求来增减CNC系统
的功能，这正是人们所追求的目标。
7.位置控制模块
位置控制模块是进给伺服系统的重要组成部分，是实现轨迹控制时，CNC装置与伺服驱
动系统连接的接口模块。
在数控机床中，通常由若干进给伺服系统控制的进给轴构成成形运动系统，每个坐标轴（进给轴）都有一套独立的位置控制器。
该位置控制器的作用是：
接收CNC插补运算后输出的位置控制命令（如△Z等），经相应调节运算（位置控制
通常采用比例调节运算）和相应的变换（如D/A转换、脉冲变换等）。
输出速度控制指令给速度控制单元，去控制伺服电机运行。
对于闭环控制或半闭环控制，还要回收实际位置信号和实际速度信号，以供位置和速度闭环控制运算使用。
8.步进电机
步进电机控制系统的组成：
控制系统中PLC用来产生控制脉冲；通过PLC编程输
出一定数量的方波脉冲，控制步进电机的转角进而控制伺服机构的进给量；同时通过编程控制脉冲频率一一既伺服机构的进给速度；环行脉冲分配器将可编程控制器输出的控制脉冲按步进电机的通电顺序分配到相应的绕组。
PLC控制的步进电机可以采用软件环行分配器，也
可以采用如图1所示的硬件环行分配器。
采用软环占用的PLC资源较多，特别是步进电机绕组相数M>4时，对于大型生产线应该予以充分考虑。
采用硬件环行分配器，虽然硬件结构稍微复杂些，但可以节省占用PLC的I/O口点数，目前市场有多种专用芯片可以选用。
步进电机功率驱动器将PLC输出的控制脉冲放大到几十~上百伏特、几安~十几安的驱动能力。
一般PLC的输出接口具有一定的驱动能力，而通常的晶体管直流输出接口的负载能力仅为十几~
几十伏特、几十~几百毫安。
但对于功率步进电机则要求几十~上百伏特、几安~十几安的驱动能力，因此应该采用驱动器对输出脉冲进行放大。
PLC的软件控制逻辑
步进电机的输入脉冲总数和脉冲频率受到相应的控制。
因此在控制软件上设置一个脉冲总数和脉冲频率可控的脉冲信号发生器；对于频率较低的控制脉冲，可以利用PLC中
的定时器构成，如图所示。
脉冲频率可以通过定时器的定时常数控制脉冲周期，脉冲总数控制则可以设置一脉冲计数器C1Q当脉冲数达到设定值时，计数器C10动作切断脉冲发生器回路，使其停止工作。
伺服机构的步进电机无脉冲输入时便停止运转，伺服执行机构定位。
当伺服执行机构的位移速度要求较高时，可以用PLC中的高速脉冲发生器。
不同的PLC其高
速脉冲的频率可达4000~6000Hz对于自动线上的一般伺服机构，其速度可以得到充分满足。
四数控机床的工作过程及日常维护
1.数控机床工作过程
数控装置根据程序的坐标代码，作插补运算并输出插补控制信号，插补控制信号控制
伺服驱动系统驱动执行部件作进给运动，从而确定了机床的进给运动的方向、速度、位移量数控装置根据辅助机能代码输出辅助机能控制信号驱动强电控制装置，控制主运动部件的
变速、换向和启停，控制刀具的选择和交换，控制冷却、润滑的启停，控制工件和机床部
件的松开和夹紧，控制分度工作台的转位等辅助机能。
首先要由编程人员或操作者通过对零件图作深入分析，特别是…机床运动机构的运动
结果是刀具与工件产生相对运动，实现切削加工，最终加工出所需的零件
2.数控机床的工作日常维护
为了使数控机床保持良好状态，除了发生故障应及时修理外，坚持经常的维护保养是十分重要的。
坚持定期检查，经常维护保养，可以把许多故障隐患消灭在萌芽之中，防止或减少事故的发生。
不同型号的数控车床日常保养内容和要求不完全一样，对于具体的机床，应按说明
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