搜索
第2章学习情境一系统不能工作故障诊断与维修2．1数控系统概述2.1.1数控系统的基本概念数字控制（NumericalControl）技术，简称数控（NC）技术，是近代发展起来的用数字化信息进行控制的一种自动控制技术。其控制对象可以是各种生产过程，控制参数主要有位移、速度、温度、流量等。采用数控技术的系统称为数控系统。根据不同的被控制对象，有各种各样的数控系统。目前应用最广泛的是机械加工行业中各种机床数控系统。装备了数控系统的机床称为数控机床，如数控车床、数控铣床、数控线切割机床、数控加工中心等。数字控制技术的发展是随着数字电子技术的发展而发展起来的。数控系统的硬件基础是数字逻辑电路，最初的数控系统是由固定的数字逻辑电路组成的专用硬件数控系统，简称NC系统。它的柔性差、功能单一，且成本高，发生故障时维修工作量大，从而限制了它的推广和应用。随着微电子计算机技术的飞速发展，出现了采用计算机或微型计算机的数控系统，由硬件和软件共同完成数控任务，称之为计算机数控系统（ComputerNumericalControl），简称CNC系统。它具有柔性好、功能强、可靠性高、易于实现机电一体化，且性价比高等优点。现代数控系统差不多均为计算机数控系统。由此可知，现代数控设备是集微电子技术、计算机技术、自动控制技术、精密测量技术和机械传动技术为一体的高度智能化的产品。它使得传统的制造业发生了质的变化，从而实现了加工过程的自动化。2.1.2数控系统的组成数控系统一般由输入/输出设备、数控装置、主轴和进给驱动控制装置及可编程序控制器组成，如图2－1所示：图2－1数控系统的组成数控机床是严格按照外部输入的加工程序对加工进行加工的。数控加工程序按零件加工顺序记载机床加工所需的各种信息，有零件加工的轨迹信息（如几何形状、几何尺寸等）、工艺信息（如进给速度、主轴转速等）及开关命令（如换刀、主轴启动/停止、冷却液开/关等）数控装置是数控系统的核心。它的主要功能是正确的识别和解释数控程序，对分析结果进行各种数据计算和逻辑判断处理，完成各种输入、输出任务。其形式可以是由数字逻辑电路构成的专用硬件数控装置NC，也可以是计算机数控装置（CNC）.其数控功能由硬件和软件共同完成。输入/输出设备主要用于程序的编制、存储、打印、显示等，常用的输入/输出设备还带有纸带阅读机、纸带穿孔机或者盒式磁带录音机等，高级的输入/输出设备还包括自动编程机、CAD/CAM系统或上位机等。主轴和进给驱动控制装置位于数控装置和机床之间。主轴驱动装置控制主轴的旋转运动，主要由速度控制单元、主轴电动机组成。而进给驱动装置控制机床各坐标轴的切削进给运动，主要由位置控制单元、速度控制单元、进给电动机和测量反馈单元组成。可编程序控制器也位于数控装置和机床之间，它和数控装置交换控制命令，主要完成机床主轴的起停、转速选择、方向控制、换刀、冷却液开停、液压、气动、润滑系统控制功能及其他机床辅助功能。其形式有内装型和独立型。内装型PLC从属于CNC装置，实际上是CNC装置带有的PLC功能。而独立型PLC独立于CNC装置，能独立完成规定的控制任务，是通用型PLC。2.1.3机床数控系统的工作过程数控系统的工作过程如图2－2所示图2－2数控系统的工作过程1.数据输入输入给数控系统的数据有零件加工程序、控制参数和补偿数据等。2.译码将零件加工程序以程序段为单位进行处理，把其中的零件轮廓信息及其他辅助信息解释成计算机能够识别的数据形式，并以一定是数据格式存放在指定内存中。3.预处理CNC装置内部数据预处理过程指从数控加工程序输入后到插补前的整个过程。由于在编写加工程序时，一般不考虑刀具装置或刀具的几何尺寸等问题，所以数控装置在根据加工程序进行加工之前，先要进行一些数据的预处理。预处理主要包括刀具补偿、进给速度处理、坐标转换等。（1）刀具补偿。包括刀具位置补偿、刀具长度补偿和刀具半径补偿。其任务是将加工前输入的实际刀具参数计算在内，把零件轮廓轨迹转换成刀具中心轨迹。（2）进给速度处理。进给速度处理是指根据程序中的指令进给速度和操作面板上的倍率旋钮的位置，确定实际加工时刀具的移动速度，然后通过软件来计算各运动坐标方向的分速度。同时，由于当机床起动，停止或加工过程中改变进给速度时，会产生冲击、失步、超程等问题，还需要进行自动加/减速处理。（3）坐标变换。每台机床都设计有一个固定的机械零点。其位置是由机床制造厂所确定的。除机床零点外，每台机床还设置有一个机床参数考点，以此作为CNC装置的坐标计量基准。同时为了编程和加工方便，还设有工件坐标系。所以在加工前需进行坐标变换的处理。4.插补数控装置对加工控制信息预处理完毕后，开始逐段运行加工程序。插不就是根据曲线段已知的几何数据及速度信息，计算出曲线段起点、终点之间的一系列中间点，分别向各个坐标发出方向、大小和速度都确定的协调的运动序列命令，通过各个轴运动的合成，产生数控加工程序要求的工件轮廓的刀具运动轨迹。5.位置控制在闭环控制系统中，在每个采样周期内，将插补计算出的理论位置与实际反馈位置进行比较，用差值去控制进给电动机，同时还要完成位置增益调整和各坐标方向的误差补偿。6.输入/输出处理由数控装置发出的开关命令在系统程序控制下，在各加工程序段插补开始前或完成后，适时输出给机床控制器。主要处理数控装置与机床之间的开关信号。7.显示在机床的运行过程中，数控系统要随时监视数控机床的工作状态，通过显示部件及时向操作者提供系统的工作状态和故障情况。2.1.4数控系统的分类数控系统的分类方法很多，下面针对常见的分类方法作一介绍。1.按被控机床运动轨迹分类（1）点位控制数控系统。这类数控系统控制机床运动部件从一点准确地移动到另一点，在移动过程中不进行加工，因此对两点间的移动速度和运动轨迹没有严格要求。这类数控机床主要有数控钻床、数控坐标镗床、数控冲床等。（2）直线控制数控系统。这类数控系统不仅要控制机床运动部件从一点准确地移动到另一点，还要控制两相关点之间的移动速度和轨迹。这类数控机床主要有简易数控机床、数控镗铣床等。（3）轮廓控制数控系统。这类数控系统能够同时对两个或两个以上运动坐标位移及速度进行连续相关的控制，使其合成的平面或空间的运动轨迹符合被加工工件形状的要求。相应的数控机床主要有数控车床、数控铣床、数控磨床、数控电加工机床等。2.按控制方式分类（1）开环控制数控系统。这类系统不带位置检测装置，CNC装置发出的指令信号流是单向的，往往以步进电动机作为驱动元件，如图2－3所示。CNC装置输出的指令进给脉冲经环形分配器和功率放大后驱动步进电动机转动，再经机床传动机构（此轮箱、丝杠螺母副等。）带动工作台移动。这种机构控制简单、价格低廉，且调试维修方便，被广泛应用于早期的数控装置中。图2－3开环控制系统框图（2）闭环控制数控系统。这类数控系统带有位置检测反馈装置，以直流或交流电动机为驱动元件。按照位置检测装置安装位置的不同，闭环控制数控系统又可以进一步分为全闭环、半闭环控制数控系统。1）全闭环控制数控系统。位置检测装置安装在机床工作台上，用以检测机床工作台的实际运行位置（直线位移），并将其与CNC装置指令位置（或位移）相比较，用差值进行控制。其控制框图如图2－4所示。图2－4全闭环控制系统框图这类控制方式的特点是加工精度高，但由于它将丝杠螺母副及机床工作台这些大惯性环节放在闭环环内，因为机械传动系统的刚性不足及反向间隙等各因素的存在，对系统的稳定性有很大影响，使全闭环控制系统调试比较复杂。2)半闭环控制数控系统。位置检测装置安装在电机轴上或丝杠的一端，通过角位移的测量间接计算出机床工作台的实际运行位置（直线位移），然后将其与CNC装置计算出的指令位置（或位移）相比较，用差值进行控制。其控制框图如图2－5所示。这种系统环路不包括机械传动环节，机械传动的精度误差将影响到被加工工件的精度，使其控制精度不如全闭环控制数控系统，但机械传动带来的误差，可以通过补偿的方法消除，仍可获得满意的精度。因此在实际应用中，这种方式被广泛采用。图2－5半闭环控制系统框图3.按数控系统功能水平分类按照数控系统的功能水平，数控系统可分为经济型（低档型）、全功能型（中当型）和高档型三种。但不同时期的划分标准不同。（1）经济型数控系统。这一档次的机床通常采用开环控制方式，进给伺服系统大多使用步进电动机驱动，进给分辨率为10um，快速进给速度可达10m/min，仅能满足一般精度要求的加工。这种系统功能简单，价格便宜，适用于精度要求不高的场合及普通机床的数控化改造。（2）全功能型数控系统。这类系统以实用为准，进给分辨率为1um，快速进给速度可达10～20m/min。其功能较多，价格适中，适合目前中国的国情，市场份额较大。（3）高档型数控系统。指加工复杂形状工件的多轴控制数控机床，且自动化程度高，具有高度柔性，进给分辨率为0.1um，最大快速移动速度可达100m/min或更高。这类系统功能强大，价格昂贵。适合于经济实力雄厚，生产规模大的企业。2.1.5数控系统的发展趋势数控系统是随着数控机床的发展而发展起来的。几十年来，数控机床的品种、数量、加工范围和加工精度等方面取得了惊人的变化，大规模集成电路和微型计算机的发展和完善，使数控系统的价格逐年下降，而精度和可靠性则大大提高。目前，数控系统在以下方面有较大的发展空间。1.开放式数控系统目前数控系统正朝着开放体系发展。采用专用计算机组成的数控系统，虽然可以获得很高的性能，如多轴联动，高速、高精度控制，很强大的功能，如图形功能、功能以及通信功能。但由于大批量生产和保密的需要，不同的数控系统生产厂家自行设计其硬件和软件，这样设计出来的专用系统具有不同的软硬件模块、不同的编程语言、五花八门的人机界面等，给用户带来了使用上的复杂性。为解决专用数控系统所存在的问题，近年来，西方各工业发达国家相继提出了向规范化、标准化的方向发展，设计出基于PC的开放式数控系统。2.自适应控制系统数控机床严格按照加工前编制的程序自动进行加工，切削用量是事先选定的。当出现工件加工余量不一致、材料硬度不一致、刀具变钝、工件变形等问题时，普通数控系统不能及时作出反应，可能会造成废品或事故。自适应控制系统能利用各种敏感元件与测量装置，对切削中的某些过程参数（如切削刀、转矩、主轴温度、变形等）不断进行测量，以瞬间测量结果并参照给定的评价指标或最佳条件，对当时的切削状态作出判断，按照一定的处理逻辑对切削用量进行校正，使切削过程按预定的目标进行。因此，自适应控制能充分利用机床和刀具提供的加工条件，提高机床的生产效率和加工精度，减少废品，降低加工成本。目前，计算机数控装置为自适应控制提供了物质条件，只要在传感器检测技术方面有所突破，数控机床的自适应能力必将大大提高。3.计算机群控系统为了提高数控机床的生产率，可用一台大型通用计算机直接监控数台数控机床，形成分布式数字控制DNC（DistributedNumericalControl）系统。DNC原来是直接数字控制（DirectNumericalControl）的英文缩写，表示用计算机直接控制多台机床组成的制造系统，也称群控系统。根据机床群与计算机连接的方式不同，又分为间接型、直接型和计算机网络型。间接型DNC是使用主计算机控制每台数控机床，加工程序全部存放在主计算机内。加工工件时，由计算机将加工程序分送到每台数控机床的数控装置中，每台数控机床仍保留插补运算等控制功能。直接型DNC的机床群中每台机床不再安装数控装置，机床控制器由伺服驱动电路和操作面板组成。加工过程所需要的插补运算功能全部集中由主计算机完成。这种系统内的任何一台数控机床都不能脱离主计算机单独工作。计算机网络DNC，该系统使用计算机网络协调各台数控机床工作，最终可以将该系统与整个工业控制计算机联成网络，形成一个较大的、完整的制造系统。4.柔性制造系统（FMS）柔性制造系统是一种把自动化加工设备、物流自动化处理和信息自动化融为一体的智能化加工系统。进入20世纪80年代后，柔性制造系统得到了迅速发展。柔性制造系统