机电一体化系统分析
————数控机床
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鉴于这个学期正在上数控机床这门课程，所以选择数控机床的机电一体化系统来进行分析。
数字控制技术是从金属切削机床数控的基础上发展起来的。自1952年由美国帕森斯公司与麻省理工学院机构实验室研制成功世界上第一台三坐标数控铣床以来，数控机床经历了硬件数控（NC）、计算机数控（CNC）、多机台计算机直接群控（DNC）和微机数控（MNC）五个发展阶段，形成了门类齐全、品种繁多的数控机床，如数控车床、铣床、钻床、磨床和加工中心等。
一数控机床的原理
数控机床加工零件时，是将被加工零件的工艺过程、工艺参数等用数控语言编制成加工程序，这些程序是数控机床的工作指令。将加工程序输入到数控装置，再由数控装置控制机床主运动的变速、起停，进给运动的方向、速度和位移量，以及其它辅助装置严格地按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数进行工作，从而加工出符合要求的零件。为了提高加工精度，一般还装有位置检测反馈回路，这样就构成了闭环控制系统，其加工过程原理如下图所示。
数控机床工作过程原理图
二数控机床的组成
从工作原理可以看出，数控机床主要由控制介质、数控装置、伺服检测系统和机床本体等四部分组成，其组成框图如下图所示。
①控制介质。用于记载各种加工信息（如零件加工的工艺过程、工艺参数
和位移数据等），以控制机床的运动，实现零件的机械加工。常用的控制
介质有磁带、磁盘和光盘等。控制介质上记载的加工信息经输入装置输
送给数控装置。常用的输入装置有磁盘驱动器和光盘驱动器等，对于用
微处理机控制的数控机床，也用操作面板上的按钮和键盘将加工程序直
接用键盘输入，并在CRT显示器显示。
②数控装置。数控装置是数控机床的核心，它的功能是接受输入装置输送
给的加工信息，经过数控装置的系统软件或电路进行译码、运算和逻辑
处理后，发出相应的脉冲指令送给伺服系统，通过伺服系统控制机床的
各个运动部件按规定要求动作。
③伺服系统及位置检测装置。伺服系统由伺服驱动电机和伺服驱动装置组
成，它是数控系统的执行部分。由机床的执行部件和机械传动部件组成
数控机床的进给系统，它根据数控装置发来的速度和位移指令控制执行
部件的进给速度、方向和位移量。每个进给运动的执行部件都配有一套
伺服系统。伺服系统有开环、闭环和半闭环之分，在闭环和半闭环伺服
系统中，还需配有位置测量装置，直接或间接测量执行部件的实际位移
量。
④机床本体及机械部件。数控机床的本体及机械部件包括：主动运动部件、
进给运动执行部件（如工作台、刀架）、传动部件和床身立柱等支承部件，此外还有冷却，润滑、转位和夹紧等辅助装置，对于加工中心类的数控机床，还有存放刀具的刀库，交换刀具的机械手等部件。
三简易数控车床控制系统
1）机械结构
下图表示一种普通车床改造后的方案。图中不改变车床主轴箱，即主轴变速仍靠人工控制，走刀丝杠改成滚珠丝杠11，去掉光杠，在走刀段右端增加一个丝杠支承。丝杠11的右端用纵向步进电动机4直接驱动（或经传动齿轮减速驱动）。纵向走刀丝杠采用滚珠丝杠的目的是为了提高纵向走刀的移动精度，对于半精加工的车床可直接使用原来的丝杠。同样，横向走刀丝杠由步进电动机3直接驱动，完成横向走刀的进给和变速。另外，刀架部分采用了电动刀架实现自动换刀。为了使车床能实现自动车制螺纹，还要在主轴尾部加接一光电编码器（图中未示出），作为主轴位置检测，使车刀运动与主轴位置相配合。
改造后的车床传动系统
1—电动机2—联轴器3—横向步进电机4—纵向步进电机5—联轴器6—纵向微调机构7—横向微调机构8—横向螺母9—纵向螺母10—横向微调机构11—纵向滚珠丝杠
1、步进电动机与丝杠联接
步进电动机与丝杠的联接要可靠，传动无间隙。为了便于编程和保证加工精度，一般要求纵向运动的步进当量为0.01mm，横向运动的步进当量为0.005mm，步进电动机与丝杠的联接方式有直连式（同轴连接）和齿轮联接两种形式。如下图所示。
直连式示意图
1—车床支架 2—销钉 3—联轴套 4—步进电动机
齿轮连接示意图
2、步进电动机与床身的联接
步进电动机与床身的联接，不但要求安装方便、可靠，同时又能确保精度。常用的有固定板联接和变速箱联接两种，如下图所示。
固定板联接示意图
1—床身 2—齿轮箱 3—变速齿轮 4—丝杠支架
变速箱联接示意图
1—床身 2—圆柱套筒 3—联接板 4—步近电动机
5—齿轮 6—丝杠托架 7—丝杠
3、自动回转刀架
加工复杂工件时，需要几把车刀轮换使用，这就要求刀架能自动换位如下图所示。
自动刀架原理示意图
当微机系统发出换刀信号后，如果要求的刀号与实际在位的刀号不符，电动机正转，通过螺杆推动螺母使刀台上升到精密端齿盘脱开时的位置，当刀随螺杆体转动至与刀号要求相符的位置时，微机发出反转信号，使电动机反转，于是刀台被定位卡死而不能转动，便缓慢下降至精密端齿盘的啮合位置，实现精密定位并锁紧。当夹紧力增大到推动弹簧而窜动压缩触点时，电动机立即停转，并向微机发出换刀完成的应答信号，程序继续执行。
4、电动机尾架
有的数控车床为实现轴类零件的自动化加工，采用了电动尾架装置，下图所示是一种适用于经济型数控车床的可控力电动尾架。
电动尾座
1—刀位触点 2—胶木板 3—触点 4—刀台 5—螺杆副 6—精密齿盘7—变速齿轮8—蜗轮9—滑套式蜗杆10—停车开关11—刀架座12—压簧 13—粗定位
电动机通电转动，通过一对齿轮副减速，带动丝杠转动，再通过装在轴套上的丝杠螺母使轴套前进，并稍稍压缩蝶形弹簧。当顶尖推动丝杠转动，迫使顶尖紧顶工件时，丝杠以及螺母不能前进，这样就迫使丝杠后退，压缩蝶形弹簧并使从动齿轮后退。从动齿轮后退时压下顶杆，顶杆又压下微动开关，切断电机的电源，至此顶紧操作完成。顶尖后退时，利用一微型限位开关进行限位控制。电动机控制电路除要有正反转点动控制外，还需有接向微机的开关。
2）控制系统的硬件设计
数控机床微机系统有两种基本形式，即经济型和全功能型。所谓经济型系统是用一个微机芯片作主控单元，伺服系统大都为功率步进电动机，采用开环控制系统，步进当量为0.01~0.005mm/脉冲，机床快速移动速度为5~8m/min，传动精度较低，功能也较为简单。全功能型的系统用2~4个微机芯片进行控制，各CPU 之间采用标准总线接口，或者采用中断方式通讯。在主控微机的管理下，各微机分别进行指令识别、插补运算、文本及图形显示、控制信号的输入输出等。伺服系统一般采用交流或直流电机伺服驱动的闭环或半闭环控制，这种形式可方便地控制进给速度和主轴转速。机床最快移动速度为8~24m/min，步进当量为0.01~0.001mm/脉冲，控制的轴数多达20~24个，因而广泛用于精密数控车床、铣床、加工中心等精度要求高、加工工序复杂的场合。
下图为一种经济数控系统的硬件框图，适用于普通车床的数控。
