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数控机床系统结构分析论文
前言
随着电子技术和自动化技术的发展，数控技术的应用越来越广泛。
以微处理器为基础，以大规模集成电路为标志的数控设备，已在我国批量生产、大量引进和推广应用，它们给机械制造业的发展创造了条件，并带来很大的效益。
但同时，由于它们的先进性、复杂性和智能化高的特点，在维修理论、技术和手段上都发生了飞跃的变化，也在其维修理论、技术和手段上带来了很大的变化。
另外任何一台数控设备都是一种过程控制设备，这就要求它在实时控制的每一时刻都准确无误地工作。
任何部分的故障与失效，都会使机床停机，从而造成生产停顿。
因而对数控系统这样原理复杂、结构精密的装置进行维修就显得十分必要了。
尤其对引进的CNC机床，大多花费了几十万到上千万美元。
在许多行业中，这些设备均处于关键的工作岗位，若在出现故障后不及时维修排除故障，就会造成较大的经济损失。
我们现有的维修状况和水平，与国外进口设备的设计与制造技术水平还存在很大的差距，并且在数控机床电气维修技术方面我国还没有形成一套成熟的、完整的理论体系，这就给数控机床的维修与诊断带来了很多的不便，因此，一篇讲座形式的文章不可能把已经形成了一门专门学科的数控机床电气维修技术理论完整地表述出来，本文仅是将许多前辈的经验总结加以适当的归纳整理，以求对该学科理论的发展及工程技术人员的实践有所裨益。
控机床是现代高科技发展的产物，每当一批零件开始加工时，有大量的检测需要完成，包括夹具和零件的装卡、找正、零件编程原点的测定、首件零件的检测、工序间检测及加工完毕检测等。
目前完成这些高精度检测工作的主要手段有手工检测、离线检测和在线检测。
在线检测也称实时检测，是在加工的过程中实时对刀具进行检测，并依据检测的结果做出相应的处理。
在线检测是一种基于计算机自动控制的检测技术，其检测过程由数控程序来控制。
闭环在线检测的优点是：
能够保证数控机床精度，扩大数控机床功能，改善数控机床性能，提高数控机床效率。
关键词：
数控机床装置检测刀具
前言1
第一章数控机床的组成和结构特点3
1.1数控机床的概念3
1.2数控机床的结构组成3
1.3数控机床的结构特点4
第二章数控机床的控制5
2.1数控机床的强电控制系统5
2.2数控机床种的伺服系统6
2.2.1伺服系统的组成6
2.2.2伺服系统的分类6
2.2.3进给伺服系统的要求8
2.3数控机床PMC10
2.3.1PMC概述10
2.3.2数控机床PMC的动作要求10
第三章数控机床的检测系统12
3.1数控机床在线检测系统的组成12
3.2数控机床在线检测的工作原理14
3.3数控机床在线检测编程14
3.4数控机床在线检测系统仿真16
第四章数控机床的执行装置17
4.1交流伺服电动机的结构和原理17
4.2交流伺服电动机分类和特点18
4.3工作特性和用途19
4.4直流伺服电动机20
参考文献22
第一章数控机床的组成和结构特点
1.1数控机床的概念
数控机床是数字控制机床（Computernumericalcontrolmachinetools）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，从而使机床动作数控折弯机并加工零件。
1.2数控机床的结构组成
在数控加工中，数控铣削加工最为复杂，需解决的问题也最多。
除数控铣削加工之外的数控线切割、数控电火花成型、数控车削、数控磨削等的数控编程各有其特点，伺服系统的作用是把来自数控装置的脉冲信号转换成机床移动部件的运动。
具体有以下部分构成：
主机他是数控机床的主体，包括机床身、立柱、主轴、进给机构等机械部件。
他是用于完成各种切削加工的机械部件。
数控装置是数控机床的核心，包括硬件（印刷电路板、CRT显示器、键盒、纸带阅读机等）以及相应的软件，用于输入数字化的零件程序，并完成输入信息的存储、数据的变换、插补运算以及实现各种控制功能。
驱动装置他是数控机床执行机构的驱动部件，包括主轴驱动单元、进给单元、主轴电机及进给电机等。
他在数控装置的控制下通过电气或电液伺服系统实现主轴和进给驱动。
当几个进给联动时，可以完成定位、直线、平面曲线和空间曲线的加工。
辅助装置指数控机床的一些必要的配套部件，用以保证数控机床的运行，如冷却、排屑、润滑、照明、监测等。
它包括液压和气动装置、排屑装置、交换工作台、数控转台和数控分度头，还包括刀具及监控检测装置等。
编程及其他附属设备可用来在机外进行零件的程序编制、存储等。
1.3数控机床的结构特点
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：
（1）加工精度高，具有稳定的加工质量；
（2）可进行多坐标的联动，能加工形状复杂的零件；
（3）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；
（4）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）；
（5）机床自动化程度高，可以减轻劳动强度；
（6）对操作人员的素质要求较高，对维修人员的技术要求更高。
。
第二章数控机床的控制
2.1数控机床的强电控制系统
合适的强电控制系统，使它能够接受数控系统发出的弱电信号，并将弱电信号放大后去控制强电设备的运转。
同时，数控机床工作时的各种信号又可以用合适的电平回馈给数控系统。
强电系统在设计时应充分考虑避免外界干扰信号的侵入和数控机床本身强电元件起动和停止时可能产生的干扰。
对外界干扰信号（如：
大型动力机械起动、电弧焊机焊接时等）采取隔离变压器或自动交流稳压器进行处理可以取得良好的效果
对于强电系统内部接触器吸合等产生的干扰信号，使用浪涌抑制元件可以消除其影响；对于数控系统通信使用的控制信号电缆使用单端或两端接地的方式可以有效消除电磁波的干扰；数控机床的控制柜一定要良好接地使其能够良好屏蔽外部的电磁干扰信号；在控制柜内部的数控系统和伺服驱动系统等运动控制系统也应采取良好的接地措施。
2.2数控机床种的伺服系统
2.2.1伺服系统的组成
数控伺服系统是指以机床运动部件（如工作台、刀具等）的位置和速度作为控制量的自动控制系统，又称为随动系统
闭环伺服系统主要由以下几个部分组成：
1）CNC装置接收输入的加工程序指令信息，进行插补运算和位置控制。
2）伺服驱动接收CNC指令信息，进行信号转换和功率放大，驱动伺服电动机运转。
3）执行元件可以是步进电动机、直流或交流伺服电动机等。
4）传动装置包括减速箱和滚珠丝杠等传动链。
5）位置反馈电路检测实际位移量，信号由反馈电路送入位置控制单元，由CNC装置进行位置环控制。
6）速度反馈电路检测速度的实际值，信号由反馈电路送入速度调节单元，进行速度环控制。
2.2.2伺服系统的分类
1.按控制原理分类
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，如图所示。
2）闭环伺服系统闭环伺服系统将直线位移检测装置安装在机床的工作台上。
如图所示，
2.按用途和功能分类
1）进给伺服控制机床各坐标轴的切削进给运动，提供切削过程所需的转矩。
2）主轴伺服实现主轴的旋转运动，一般为无级变速的速度控制系统。
3）刀库伺服实现加工中心选刀时刀库的旋转。
3.按执行元件分类
1）步进伺服一般应用于经济型数控机床。
2）直流伺服采用脉宽调制技术的驱动装置，能够适应频繁启动、制动，以及快速定位、切削的要求。
3）交流伺服交流伺服系统在电气传动调速控制领域已广泛应用
4.按反馈比较控制分类
1）脉冲、数字比较伺服伺服系统将数控装置发出的数字（或脉冲）指令信号与检测装置测得的以数字（或脉冲）形式表示的反馈信号进行比较，获得位置偏差。
2）相位比较伺服系统伺服系统将指令信号与反馈信号都变成某个载波的相位，然后比较两者相位，获得位置的偏差，实现闭环控制。
3）幅值比较伺服系统伺服系统以位置检测信号幅值的大小来反映机械位移的数值，并以此信号作为位置反馈信号，一般还要将幅值信号转换成数字信号后才能与指令数字信号比较，从而获得位置偏差信号，构成闭环控制系统。
4）全数字伺服系统伺服系统控制技术已从模拟方式、混合方式走向全数字方式。
2.2.3进给伺服系统的要求
1）位移精度高位移精度是指CNC装置发出指令后，机床工作台进给的理论位移量和该指令经伺服系统转化为机床工作台实际位移量之间的符合程度.一般定位精度为0.01～0.001mm，高档设备达到0.1μm以上。
2）调速范围宽调速范围是指机床要求伺服电动机提供的最高转速和最低转速之比，一般要求速比（:
）为24000:
1。
3）动态响应快为了保证轮廓切削精度和加工表面质量，要求伺服系统反映系统跟踪响应速度要快。
4）稳定性好稳定性直接影响加工精度和表面粗糙度，因此要求伺服系统有较强的抗干扰能力，保证进给速度均匀、平稳。
为满足上述四点要求，进给伺服系统对执行元件（伺服电动机）也提出如下的要求：
（1）电动机进给速度在从最低到最高范围内都能平滑地运转。
转矩波动要小，特别在最低转速时，如0.1r/min或更低转速时，仍能保持平稳的速度而无爬行现象。
（2）电动机过载能力强，能够满足低速大转矩的要求。
例如，电动机能在数分钟内过载4～6倍而不损坏。
（3）随着控制信号的变化，电动机应能在较短时间内完成规定的动作，满足快速响应的要求。
同时具有较小的转动惯量和较大的制动转矩，尽可能小的机电时间常数和启动电压。
（4）电动机应能承受频繁的启动、制动
就伺服驱动器的响应速度来看，转矩模式运算量最小，驱动器对控制信号的响应最快;位置模式运算量最大，驱动器对控制信号的响应最慢。
对运动中的动态性能有比较高的要求时，需要实时对电机进行调整。
那么如果控制器本身的运算速度很慢（比如PLC，或低端运动控制器），就用位置方式控制。
如果控制器运算速度比较快，可以用速度方式，把位置环从驱动器移到控制器上，减少驱动器的工作量，提高效率（比如大部分中高端运动控制器）;如果有更好的上位控制器，还可以用转矩方式控制，把速度环也从驱动器上移开，这一般只是高端专用控制器才能这么干，而且，这时完全不需要使用伺服电机。
换一种说法是：
1、转矩控制：
转矩控制方式是通过外部模拟量的输入或直接的地址的赋值来设定电机轴对外的输出转矩的大小，具体表现为例如10V对应5Nm的话，当外部模拟量设定为5V时电机轴输出为2.5Nm:
如果电机轴负载低于2.5Nm时电机正转，外部负载等于2.5Nm时电机不转，大于2.5Nm时电机反转（通常在有重力负载情况下产生）。
可以通过即时的改变模拟量的设定来改变设定的力矩大小，也可通过通讯方式改变对应的地址的数值来实现。
应用主要在对材质的受力有严格要求的缠绕和放卷的装置中，例如饶线装置或拉光纤设备，转矩的设定要根据缠绕的半径的变化随时更改以确保材质的受力不会随着缠绕半径的变化而改变。
2、位置控制：
位置控制模式一般是通过外部输入的脉冲的频率来确定转动速度的大小，通过脉冲的个数来确定转动的角度，也有些伺服可以通过通讯方式直接对速度和位移进行赋值。
由于位置模式可以对速度和位置都有很严格的控制，所以一般应用于定位装置。
应用领域如数控机床、印刷机械等等。
3、速度模式：
通过模拟量的输入或脉冲的频率都可以进行转动速度的控制，在有上位控制装置的外环PID控制时速度模式也可以进行定位，但必须把电机的位置信号或直接负载的位置信号给上位反馈以做运算用。
位置模式也支持直接负载外环检测位置信号，此时的电机轴端的编码器只检测电机转速，位置信号就由直接的最终负载端的检测装置来提供了，这样的优点在于可以减少中间传动过程中的误差，增加了整个系统的定位精度。
2.3数控机床PMC
2.3.1PMC概述
PMC又称为数控机床内置式PLC，是对数控系统功能进行的二次开发。
NC模块、PMC模块在数控系统中的关系如图所示。
2.3.2数控机床PMC的动作要求
①具有加工中心的基本控制功能；
②具有刀库管理和自动换刀控制功能；
③具有双工作台交换功能；
④具有工作台定角度分度定位控制功能；
⑤具有故障诊断、显示和报警功能。
2.3.3PMC程序总体结构
1．模块化的PMC软件开发思想
每一个模块完成特定的功能。
每一个子模块都可以在NC的人—机接口PLC参数设置栏中设置开关条件。
2．PMC软件的总体结构
（1）头文件
PMC程序所需要的基本规范和数学定义等称为头文件
（2）变量声明
接口、变量等定义
定义PMC的输入点
定义PMC的输出点
定义动作停留时间的长短、位移的距离、运动的速度等等。
（3）约定：
如果参数用以表示时间，其单位时间为1/512s；如果参数用以表示长度，其单位长度为1/1000mm；如果参数用以表示速度，其单位为mm/min。
（4）PMC软件组成
PMC软件分为初始化、运行和关闭三个组成部分。
第三章数控机床的检测系统
3.1数控机床在线检测系统的组成
数控机床在线检测系统分为两种，一种为直接调用基本宏程序，而不用计算机辅助；另一种则要自己开发宏程序库，借助于计算机辅助编程系统，随时生成检测程序，然后传输到数控系统中，系统结构如图1所示。
图为计算机辅助在线检测系统组成
数控机床的在线检测系统由软件和硬件组成。
硬件部分通常由以下几部分组成：
（1）机床本体
机床本体是实现加工、检测的基础，其工作部件是实现所需基本运动的部件，它的传动部件的精度直接影响着加工、检测的精度。
（2）数控系统
目前数控机床一般都采用CNC数控系统，其主要特点是输入存储、数控加工、插补运算以及机床各种控制功能都通过程序来实现。
计算机与其他装置之间可通过接口设备联接，当控制对象或功能改变时，只需改变软件和接口。
CNC系统一般由中央处理存储器和输入输出接口组成，中央处理器又由存储器、运算器、控制器和总线组成。
（3）伺服系统
伺服系统是数控机床的重要组成部分，用以实现数控机床的进给位置伺服控制和主轴转速（或位置）伺服控制。
伺服系统的性能是决定机床加工精度、测量精度、表面质量和生产效率的主要因素。
（4）测量系统
测量系统有接触触发式测头、信号传输系统和数据采集系统组成，是数控机床在线检测系统的关键部分，直接影响着在线检测的精度。
其中关键部件为测头，使用测头可在加工过程中进行尺寸测量，根据测量结果自动修改加工程序，改善加工精度，使得数控机床既是加工设备，又兼具测量机的某种功能。
目前常用的雷尼绍测头，是英国雷尼绍公司的产品，如图2所示。
它们用于数控车床、加工中心，数控磨床、专机等大多数数控机床上。
测头按功能可分为工件检测测头和刀具测头；按信号传输方式可分为硬线连接式、感应式、光学式和无线电式；按接触形式可分为接触测量和非接触测量。
用户可根据机床的具体型号选择合适的配置。
（5）计算机系统
在线检测系统利用计算机进行测量数据的采集和处理、检测数控程序的生成、检测过程的仿真及与数控机床通信等功能。
在线检测系统考虑到运行目前流行的Windows和CAD/CAM/CAPP/CAM以及VC++等软件，以及减少测量结果的分析和计算时间，一般采用Pentium级别以上的计算机。
3.2数控机床在线检测的工作原理
实现数控机床的在线检测时，首先要在计算机辅助编程系统上自动生成检测主程序，将检测主程序由通信接口传输给数控机床，通过G31跳步指令，使测头按程序规定路径运动，当测球接触工件时发出触发信号，通过测头与数控系统的专用接口将触发信号传到转换器，并将触发信号转换后传给机床的控制系统，该点的坐标被记录下来。
信号被接收后，机床停止运动，测量点的坐标通过通信接口传回计算机，然后进行下一个测量动作。
上位机通过监测CNC系统返回的测量值，可对系统测量结果进行计算补偿及可视化等各项数据处理工作。
测量典型几何形状时检测路径的步骤为：
①确定零件的待测形状特征几何要素；
②确定零件的待测精度特征；
③根据测量的形状特征几何要素和精度特征，确定检测点数及分布；
④根据测点数及分布形式建立数学计算公式；
⑤确定检测零件的工件坐标系；
⑥根据检测条件确定检测路径。
3.3数控机床在线检测编程
在线检测技术的关键主要体现在检测程序的编制上，检侧程序编制质量的优劣直接影响到检测效果。
目前检测软件有商业化软件和自主开发的软件。
商业化软件如英国DELCAM公司新版本的PowerInspect，是一款开放的检测软件，不受测量设备的限制，既可以在线检测，也可以脱机检测。
不仅提供在线检测的功能，还能够在检测前针对读取的CAD模型进行检测路径的编程工作，并进行检测的仿真。
随后可以把编制好的程序传输给CNC检测设备，进行自动检测。
又如雷尼绍公司基于PC机的在机检测软件OMV（onmachineverification），该软件专为数控机床配用系统而编写，主要应用于：
根据原始CAD数据，检测样件、复杂零件及大型零件、多工序零件以及模具。
自主开发软件的编程方式有：
基于C、C++、VC++、VB、Delphi开发平台的在线检测编程和基于CAD开发平台的在线检测编程。
基于VC++语言的在线检测编程结构框图如图所示。
图示基于VC++语言的在线检测系统结构框图
检测部分主要模块的功能如下：
（1）测量主程序自动生成模块：
主要完成零件待测信息的输入，生成检测主程序。
（2）误差补偿模块：
对测量过程中所产生的误差进行补偿，提高测量精度。
（3）通信模块：
完成主程序与被调用宏程序的发送及测量点坐标信息的接收。
（4）测量宏程序模块：
实现宏程序的管理和内部调用。
主模块要实现对宏程序的查找、增添、修改及删除等操作。
（5）数据处理模块：
对测量点坐标进行补偿，完成各种尺寸及精度计算。
通过打开测量结果数据文件，获得测量点坐标信息，经过相应的运算过程最终得到所测值。
基于CAD开发平台的在线检测自动编程是采用AutoCAD作为系统集成开发平台，并采用ObjectARY作为二次开发工具，开发该系统可弥补CAD/CAM系统所欠缺的功能，实现检测程序的图形化编制，即CAD在线检测。
3.4数控机床在线检测系统仿真
目前数控机床在线检测借鉴于CAD/CAM技术的发展思路可开发相应的在线检测仿真系统。
仿真系统以图形化的方式再现数控机床在线检测过程，可形象直观地对检测路径规划进行检查，提前发现宏程序编制中的错误，以避免在真实检测过程中对在线检测系统所造成的破坏。
以VC++作为系统开发工具，OpenGL作为三维场景开发工具，按照面向对象的程序设计思想开发数控机床在线检测仿真系统的过程是：
（1）虚拟检测环境的建立
采用OpenGL标准进行图形处理工作。
OpenGL是一个图形硬件的软件接口，利用它可进行几何建模、图形变换、渲染、光照、材质等多种操作，大部分对于图形的底层处理工作都由一些专门的函数来处理。
（2）检测信息的提取
在线检测仿真系统，必须在仿真过程中，如实地反映测量宏程序的每一条语句，即利用测量宏程序驱动检测仿真过程的进程。
因而该仿真系统应具备完整的检测信息提取能力，能实现对测量程序的语法检查，能实现相关的计算与判断，最为重要的是能够提取出测头的运动轨迹，以驱动测头的检测仿真。
（3）虚拟测头的驱动
在线检测系统是利用测头与待测物体的碰撞来确定接触点的位置信息的，因而检测仿真必须逼真的再现这一过程，这也是整个仿真系统的核心问题。
为保证测头可靠地撞击上待测物体，应使测头检测运动的最远行程大于测头到实际接触点位置的距离，即实际接触点位于测量起始点与测头最远行程点之间的直线段上。
第四章数控机床的执行装置
伺服电动机（或称执行电动机）是自动控制系统和计算装置中广泛应用的一种执行元件。
其作用为把接受的电信号转换为电动机转轴的角位移或角速度。
按电流种类的不同，伺服电动机可分为直流和交流两大类。
在自动控制系统中，伺服电动机是一个执行元件，它的作用是把信号（控制电压或相位）变换成机械位移，也就是把接收到的电信号变为电机的一定转速或角位移。
其容量一般在0.1-100W,常用的是30W以下。
4.1交流伺服电动机的结构和原理
交流伺服电动机的定子绕组和单相异步电动机相似，它的定子上装有两个在空间相差90°电角度的绕组，即励磁绕组和控制绕组。
运行时励磁绕组始终加上一定的交流励磁电压，控制绕组上则加大小或相位随信号变化的控制电压。
转子的结构形式笼型转子和空心杯型转子两种。
笼型转子的结构与一般笼型异步电动机的转子相同，但转子做的细长，转子导体用高电阻率的材料作成。
其目的是为了减小转子的转动惯量，增加启动转矩对输入信号的快速反应和克服自转现象。
空心杯形转子交流伺服电动机的定子分为外定子和内定子两部分。
外定子的结构与笼型交流伺服电动机的定子相同，铁心槽内放有两相绕组。
空心杯形转子由导电的非磁性材料（如铝）做成薄壁筒形，放在内、外定子之间。
杯子底部固定于转轴上，杯臂薄而轻，厚度一般在0.2—0.8mm，因而转动惯量小，动作快且灵敏。
交流伺服电动机的工作原理和单相异步电动机相似，LL是有固定电压励磁的励磁绕组，LK是有伺服放大器供电的控制绕组，两相绕组在空间相差90°电角度。
如果IL与Ik的相位差为90°，而两相绕组的磁动势幅值又相等，这种状态称为对称状态。
与单相异步电动机一样，这时在气隙中产生的合成磁场为一旋转磁场，其转速称为同步转速。
旋转磁场与转子导体相对切割，在转子中产生感应电流。
转子电流与旋转磁场相互作用产生转矩，使转子旋转。
如果改变加在控制绕组上的电流的大小或相位差，就破坏了对称状态，使旋转磁场减弱，电动机的转速下降。
电机的工作状态越不对称，总电磁转矩就越小，当除去控制绕组上信号电压以后，电动机立即停止转动。
这是交流伺服电动机在运行上与普通异步电动机的区别。
交流伺服电动机有以下三种转速控制方式：
（1）幅值控制 控制电流与励磁电流的相位差保持90°不变，改变控制电压的大小。
（2）相位控制 控制电压与励磁电压的大小，保持额定值不变，改变控制电压的相位。
（3）幅值—相位控制 同时改变控制电压幅值和相位。
交流伺服电动机转轴的转向随控制电压相位的反相而改变。
4.2交流伺服电动机分类和特点
1.分类和特点
交流伺服电动机可分为异步型和同步型。
异步型交流伺服电动机，又称为交流感应电动机，具有转子重量轻、惯量小，响应速度快等特点。
同步型交流伺服电动机的转子受到定子电路旋转磁场的吸引，与旋转磁场的转速始终保持同步。
同步型交流伺服电动机，按转子结构又分为电磁式及非电磁式两大类。
非电磁式又分为磁滞式、永磁式和反应式，
2.工作原理
当定子三相绕组通上交流电源后，就产生一个旋转磁场。
旋转磁场将以同步转速旋转。
根据磁极的同性相斥，异性相吸的原理，定子旋转磁极与转子的永磁磁极互相吸引，带动转子一起同步旋转。
当转子加上负载转矩之后，转子磁极轴线将落后定子磁场轴线一个角，随着负载增加，角也随之增大，负载减小时，角也减小。
只要不超过一定限度，转子始终跟着定子的旋转磁场以恒定的同步转速旋转。
当负载超过一定极限后，转子不再按同步转速旋转。
3.永磁同步伺服电动机的特点
（1）机械特性硬交流伺服电动机的机械特性（转速与转矩关系曲线）非常硬，接近水平直线。
另外，断续工作区范围大，尤其是在高速区，这有利于提高电动机的加、减速能力。
（2）高可靠性用电子逆变器取代了直流电动机换向器和电刷，交流伺服电动机工作寿命由轴承决定。
（3）热
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