3.10機(jī)床控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在機(jī)床設(shè)計(jì)中，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是其重要的組成部分，機(jī)床為了完成復(fù)雜的加工任務(wù)，需要保證各種運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)有序地進(jìn)行，必須設(shè)計(jì)一套完善可靠的控制系統(tǒng)，它的性能直接影響著機(jī)床的性能和加工精度。1.機(jī)床控制系統(tǒng)的功能

機(jī)床控制系統(tǒng)的功能歸納起來主要有以下幾個(gè)方面：在自動(dòng)化機(jī)床上能夠自動(dòng)進(jìn)行工件的裝卸；自動(dòng)進(jìn)行工件的定位、夾緊和松開；控制切削液、排屑等輔助裝置的工作；實(shí)現(xiàn)刀具的自動(dòng)安裝、調(diào)整、夾緊和更換；控制主運(yùn)動(dòng)和各進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度和方向；實(shí)現(xiàn)刀架或工作臺(tái)的路徑控制；對(duì)被加工零件的尺寸進(jìn)行在線或離線測量，進(jìn)行誤差自動(dòng)補(bǔ)償，從而保證加工精度等。3.10.1概述2.機(jī)床控制系統(tǒng)應(yīng)滿足的要求

l）節(jié)省輔助時(shí)間。

2）縮短加工時(shí)間。

3）提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。

4）提高機(jī)床的使用率。

5）改善加工質(zhì)量。分為手動(dòng)、機(jī)動(dòng)、半自動(dòng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)：

手動(dòng)控制系統(tǒng)——由人來操縱手柄、手輪等，通過機(jī)械傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)控制。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、成本低；缺點(diǎn)是操作費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，控制速度和精確度不高。僅用于一般的機(jī)床控制。

機(jī)動(dòng)控制系統(tǒng)——由人來發(fā)出指令，靠電氣、液壓或氣壓傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)控制。其優(yōu)點(diǎn)是操作方便、省時(shí)和省力；但是成本較高。用于操縱較費(fèi)力的場合。

半自動(dòng)控制系統(tǒng)——除了工件的裝卸由人工完成外，機(jī)床的其余操作都實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。如被加工件的形狀比較復(fù)雜，或尺寸和質(zhì)量較大，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裝卸比較困難時(shí)采用之。

自動(dòng)控制系統(tǒng)——包括工件的裝卸在內(nèi)的全部操作都實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。工人的工作是不斷地往料倉或料斗里裝載毛坯，可以同時(shí)監(jiān)視幾臺(tái)機(jī)床的工作。一般自動(dòng)控制系統(tǒng)由三部分組成：發(fā)令器官；執(zhí)行器官；轉(zhuǎn)換器官。

發(fā)令器官用于發(fā)出自動(dòng)控制指令，如分配軸上的凸輪和擋塊、擋鐵和行程開關(guān)、插銷板、仿形機(jī)床的靠模、自動(dòng)測量儀、壓力繼電器、速度繼電器、穿孔帶、磁帶和磁盤及各類傳感器等。

執(zhí)行器官用于最終實(shí)現(xiàn)控制操作的環(huán)節(jié)，如滑塊、撥叉、電磁鐵、伺服電動(dòng)機(jī)或液壓馬達(dá)、機(jī)械手等。3.機(jī)床控制系統(tǒng)的分類（1）按自動(dòng)化程度分類3.9.2機(jī)床的時(shí)間控制時(shí)間控制是按時(shí)間順序發(fā)出控制機(jī)床各工作部件動(dòng)作的指令，是屬于開環(huán)控制。在機(jī)床上常采用凸輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)時(shí)間控制，即機(jī)床各工作部件動(dòng)作時(shí)間的順序和運(yùn)動(dòng)行程的信息都記錄在凸輪上。凸輪裝在分配軸上，分配軸按固定的周期旋轉(zhuǎn)。凸輪上的曲線通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)工作部件按設(shè)定的規(guī)律運(yùn)動(dòng)；凸輪上控制各工作部件的曲線的相位角，決定了各工作部件運(yùn)動(dòng)的先后順序。采用凸輪控制系統(tǒng)，按機(jī)床輔助運(yùn)動(dòng)控制方式不同，有三種形式：不變速的單一分配軸控制系統(tǒng)變速的單一分配軸控制系統(tǒng)

分配軸和輔軸輪流控制的系統(tǒng)轉(zhuǎn)換器官用于將發(fā)令器官發(fā)出的指令傳送到執(zhí)行器官，并在傳送過程中將指令信號(hào)的能量放大，或?qū)㈦娭噶钷D(zhuǎn)換為液壓或氣壓指令，或反之。（2）按控制系統(tǒng)有否反饋進(jìn)行分類

機(jī)床控制系統(tǒng)可分為開環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。（3）按控制方式和內(nèi)容進(jìn)行分類

機(jī)床控制系統(tǒng)可分為時(shí)間控制、程序控制、數(shù)字控制、誤差補(bǔ)償控制和自適應(yīng)控制。本節(jié)按這一分類方法在下面進(jìn)行較詳細(xì)的介紹。

1．不變速的單一分配軸控制系統(tǒng)

這類機(jī)床上所有的成形運(yùn)動(dòng)和輔助運(yùn)動(dòng)都由一根分配軸上的凸輪控制。這類控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單。缺點(diǎn)是在加工周期內(nèi)成形運(yùn)動(dòng)和輔助運(yùn)動(dòng)所占的時(shí)間比例是一定的，如果工件的加工時(shí)間較長時(shí)，輔助運(yùn)動(dòng)時(shí)間也將按比例地增加，降低了機(jī)床的生產(chǎn)效率。因此這類控制系統(tǒng)僅用于加工周期較短的小型自動(dòng)機(jī)床上，如單軸橫切或縱切自動(dòng)車床。2.變速的單一分配軸控制系統(tǒng)這類控制系統(tǒng)在機(jī)床工作行程時(shí)根據(jù)工件加工的切削用量，用交換齒輪us調(diào)整分配軸的轉(zhuǎn)速；輔助行程時(shí)則以恒定、較高的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。這類控制系統(tǒng)不管機(jī)床的加工周期長短如何，輔助運(yùn)動(dòng)時(shí)間總是保持不變，提高了機(jī)床的生產(chǎn)效率，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜一些。由于加工控制和輔助控制均在分配軸旋轉(zhuǎn)一圈的時(shí)間內(nèi)完成，適用于輔助控制內(nèi)容比較簡單、輔助時(shí)間在整個(gè)加工循環(huán)周期內(nèi)占較小比例的自動(dòng)機(jī)床上，如多軸自動(dòng)車床。3.分配軸和輔軸輪流控制的系統(tǒng)這類控制系統(tǒng)有一根分配軸Ⅱ和一根輔軸Ⅲ。機(jī)床的分配軸用于機(jī)床所有的成形運(yùn)動(dòng)和部分的輔助運(yùn)動(dòng)，如刀架的快進(jìn)和快退。其轉(zhuǎn)速是根據(jù)加工循環(huán)時(shí)間用交換齒輪us調(diào)整的，每加工一個(gè)工件分配軸旋轉(zhuǎn)一圈。輔軸是由分配軸上的撥輪2觸發(fā)單轉(zhuǎn)離合器M而旋轉(zhuǎn)一圈，用輔軸上的凸輪控制其它的輔助運(yùn)動(dòng)，如送料、夾料、轉(zhuǎn)位等，其轉(zhuǎn)速是恒定不可調(diào)的。如撥輪上有多個(gè)撥爪，可以在一個(gè)加工循環(huán)時(shí)間內(nèi)多次觸發(fā)輔軸轉(zhuǎn)動(dòng)，多次完成同樣的輔助控制。適用于一個(gè)加工循環(huán)時(shí)間內(nèi)需要重復(fù)進(jìn)行多次同樣輔助控制的自動(dòng)機(jī)床上，例如單軸轉(zhuǎn)塔自動(dòng)車床上的轉(zhuǎn)塔，一個(gè)加工循環(huán)內(nèi)需要轉(zhuǎn)位六次。這種情況如采用第二類控制系統(tǒng)，重復(fù)的輔助控制必須在分配軸轉(zhuǎn)一圈的過程中完成，將占用分配軸很大一部分的轉(zhuǎn)角，剩下的較小的轉(zhuǎn)角就難以設(shè)計(jì)凸輪完成加工控制了。3.9.3機(jī)床的程序控制

機(jī)床的加工過程由一系列的動(dòng)作組成，如裝載工件，開機(jī)，選擇主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度，換刀，刀具相對(duì)工件快速接近、工作進(jìn)給和快速后退，停機(jī)，卸下工件等。程序控制是保證這一系列的動(dòng)作按嚴(yán)格的順序協(xié)調(diào)進(jìn)行，完成整個(gè)加工過程。機(jī)床常用的程序控制系統(tǒng)有固定程序控制系統(tǒng)、插銷板可變程序控制系統(tǒng)和可編程序控制系統(tǒng)。1.固定程序控制系統(tǒng)

這類控制系統(tǒng)的程序是固定不可變的，用于專用機(jī)床的程序控制。其控制裝置可以采用凸輪機(jī)構(gòu)、擋鐵／行程開關(guān)；也可以根據(jù)機(jī)床程序控制訊號(hào)之間的邏輯關(guān)系，用各種邏輯元件組成固定的程序控制線路。機(jī)床上常用的邏輯元件有各類繼電器、液控或氣控閥等。2.插銷板可變程序控制系統(tǒng)

設(shè)置程序是采用插銷板，上有許多插銷孔，各個(gè)孔內(nèi)有兩片相互絕緣的銅片，它們分別與程序步進(jìn)器的觸頭和工作部件的繼電器相連。插銷板呈矩陣形式，每一列控制一個(gè)執(zhí)行器官，行序就是程序的步序。如果改變了插銷的組合方式，就改變了工作部件的工作順序。3.可編程序控制系統(tǒng)

可編程序控制器（PLC）實(shí)際上是一臺(tái)可進(jìn)行數(shù)字邏輯運(yùn)算的電子計(jì)算機(jī)，專為工業(yè)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。采用面向控制過程和實(shí)際問題的“工程化語言”編寫的控制程序存儲(chǔ)在它的程序存儲(chǔ)器內(nèi)，運(yùn)行時(shí)逐行調(diào)出進(jìn)行邏輯運(yùn)算，得到工作順序、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和運(yùn)算等指令，并通過數(shù)字式或模擬式輸入輸出裝置控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。它具有體積小、功能強(qiáng)、編程簡單、可靠性高等一系列優(yōu)點(diǎn)，特別是它的抗干擾性能特別強(qiáng)。是當(dāng)今工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的重要支柱。

PLC可根據(jù)控制要求方便地對(duì)其模塊化的硬件模塊進(jìn)行組合，得到具有不同控制內(nèi)容和容量的專用程序控制系統(tǒng)。PLC按控制點(diǎn)數(shù)可以分為大型（1000點(diǎn)以上）、中型（100點(diǎn)以上）和小型三個(gè)檔次，都可以進(jìn)行計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)通訊。小型PLC基本用于邏輯控制，大中型PLC由于運(yùn)行速度快，不僅可以進(jìn)行邏輯控制，還可進(jìn)行模擬量計(jì)算及復(fù)雜運(yùn)算。一般機(jī)床采用小型PLC較多，用于邏輯控制。在PLC多種編程的工具語言中，圖形語言最為方便，其中最常用的是梯形圖，可在圖形編程器上直觀地進(jìn)行編輯修改。3.9.4機(jī)床的數(shù)字控制

數(shù)字控制系統(tǒng)簡稱數(shù)控系統(tǒng)，它自動(dòng)閱讀輸入載體上事先給定的數(shù)字，并將其譯碼、計(jì)算、控制，使機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件按給定的規(guī)律運(yùn)動(dòng)（刀具相對(duì)工件），加工出零件。1.機(jī)床數(shù)字控制的基本原理

機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)需要控制的內(nèi)容包括：刀架或（和）工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)軌跡以及工作指令（輔助功能）。如圖。將各線段的類型、起始和終點(diǎn)坐標(biāo)值按軌跡走向順序，用專用的編程語言寫成軌跡控制程序。此外，將使用的刀具號(hào)、切削速度和進(jìn)給速度等工作指令插寫到軌跡控制程序的相應(yīng)位置。數(shù)控系統(tǒng)逐行讀出數(shù)控程序上的指令。如是工作指令則通過指令輸出裝置輸出控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制操作，如變速或更換刀具等。如是軌跡指令，則通過插值運(yùn)算分別向X和Y等坐標(biāo)的進(jìn)給伺服系統(tǒng)發(fā)出一連串的步進(jìn)信號(hào)。進(jìn)給伺服系統(tǒng)每接到一個(gè)步進(jìn)信號(hào)，就驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)部件往規(guī)定方向移動(dòng)一個(gè)步距。一般來說，步距長度為0.01-0.001mm。刀具與工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)就是各個(gè)坐標(biāo)方向運(yùn)動(dòng)的合成。機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)運(yùn)動(dòng)軌跡的插值運(yùn)算一般有兩種：直線插值和圓弧插值。對(duì)于非圓弧曲線只能將其近似成一系列首尾連接的直線或圓弧。右圖為直線插值運(yùn)算的實(shí)例。2.數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

數(shù)控機(jī)床伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)接受數(shù)控裝置插值運(yùn)算生成的步進(jìn)信號(hào)，經(jīng)過功率放大驅(qū)動(dòng)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)部件往規(guī)定方向移動(dòng)。伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)用于控制軸的轉(zhuǎn)角（數(shù)控滾齒機(jī)）、進(jìn)給部件的移動(dòng)距離，進(jìn)行位置控制（數(shù)控鉆床）或軌跡控制（數(shù)控銑床）。

按是否有位置測量反饋裝置，和位置測量反饋裝置安裝的位置不同，伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分開環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)三類。（1）開環(huán)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

開環(huán)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)出指令后，不檢查執(zhí)行部件是否完成相應(yīng)的操作，繼續(xù)發(fā)出下一個(gè)指令。數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的一個(gè)步進(jìn)信號(hào)，通過環(huán)形分配器和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)往設(shè)定方向轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度。這個(gè)角度稱為步距角，是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的一個(gè)重要技術(shù)參數(shù)。通過減速器帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使工作臺(tái)移動(dòng)一個(gè)步距長度，用Q表示。

式中，Q為步距長度（mm)，一般為0.01mm；α為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角（°)；L為滾珠絲杠的導(dǎo)程（mm)；u為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)至傳動(dòng)絲杠之間的傳動(dòng)比。工作臺(tái)的移動(dòng)距離取決于數(shù)控裝置發(fā)出的步進(jìn)信號(hào)數(shù)。位移的精度取決于三方面的因素：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)至工作臺(tái)間傳動(dòng)系的傳動(dòng)精度、步距長度和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作精度。后者與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)精度和可能產(chǎn)生的丟步現(xiàn)象有關(guān)。這類系統(tǒng)的定位精度較低，一般在（±0.01～±0.02)mm；但系統(tǒng)簡單，調(diào)試方便，成本低。適用于精度要求不高的數(shù)控機(jī)床中。（2）閉環(huán)控制系統(tǒng)

閉環(huán)控制系統(tǒng)中，位置檢測傳感器直接安裝在機(jī)床的最終執(zhí)行部件上，直接測量出執(zhí)行部件的實(shí)際位移，與輸入的指令位移進(jìn)行比較，比較后的差值反饋給控制系統(tǒng)，對(duì)執(zhí)行部件的移（轉(zhuǎn)）動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，使機(jī)床向減小差值的方向運(yùn)行，最終使差值等于零或接近于零。檢測反饋裝置有：用光柵、感應(yīng)同步器實(shí)現(xiàn)線位移的檢測，用旋轉(zhuǎn)變壓器、脈沖編碼器實(shí)現(xiàn)角位移的檢測；測速發(fā)電機(jī)作為角速度檢測。從理論上講，閉環(huán)控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)精度主要取決于檢測裝置的精度，可以消除整個(gè)系統(tǒng)的傳動(dòng)誤差和失動(dòng)。但是閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)的剛性、傳動(dòng)部件的回程間隙以及工作臺(tái)低速運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性提出了嚴(yán)格的要求。因這些條件影響著機(jī)床控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。閉環(huán)控制系統(tǒng)所用的電動(dòng)機(jī)有直流伺服電動(dòng)機(jī)或交流伺服電動(dòng)機(jī)。閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是運(yùn)行精度高，但調(diào)試維修都較困難，成本也較高，用于精密型數(shù)控機(jī)床上。（3）半閉環(huán)控制系統(tǒng)

半閉環(huán)控制系統(tǒng)的位置反饋裝置不直接檢測被控制位移，而是檢測與被控位移有關(guān)系的量，反推出位移量。線位移的半閉環(huán)控制系統(tǒng)采用角位移傳感器，如圓光柵、光電編碼器、旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器等，安裝在電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子軸或絲杠上。通過檢測電動(dòng)機(jī)或絲杠的轉(zhuǎn)角，間接測量工作臺(tái)的位移。由于工作臺(tái)位移和絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等沒有包含在反饋回路中，故稱為半閉環(huán)控制系統(tǒng)?？梢詫⒔俏灰苽鞲衅髋c伺服電動(dòng)機(jī)制成一個(gè)部件，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格低，安裝調(diào)試都很方便，應(yīng)用較多。由于機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)和慣性較大的工作臺(tái)沒有包括在系統(tǒng)反饋回路內(nèi)，可以獲得比較穩(wěn)定的控制特性，但絲杠等機(jī)械傳動(dòng)部件的傳動(dòng)誤差不能通過反饋得以矯正。3.計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）機(jī)床現(xiàn)代CNC系統(tǒng)由基于計(jì)算機(jī)的數(shù)控裝置和PLC組成，如圖。數(shù)控裝置——數(shù)控裝置的核心是中央處理器（CPU）或一臺(tái)計(jì)算機(jī)，用來完成信息處理、數(shù)據(jù)和邏輯運(yùn)算，控制系統(tǒng)的運(yùn)行以及管理定時(shí)與中斷信號(hào)等。

可編程序控制——在CNC系統(tǒng)內(nèi)，PLC用于控制機(jī)床各工作部件協(xié)調(diào)地工作，和他們之間的互鎖和關(guān)聯(lián)等。3.9.5誤差自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)

機(jī)床加工產(chǎn)生的誤差來自多方面的原因，數(shù)控機(jī)床采用重要的措施消除這些影響——即不同的補(bǔ)償。補(bǔ)償主要有刀具補(bǔ)償和傳動(dòng)誤差補(bǔ)償。不同原因產(chǎn)生的加工誤差可采用不同的措施進(jìn)行補(bǔ)償。導(dǎo)致加工誤差的原因中，大部分在一段較長的時(shí)間內(nèi)保持著穩(wěn)定的規(guī)律，可以將其規(guī)律精確地測量出來，利