数控机床控制管理

数控机床控制管理（精选10篇）

数控机床控制管理 篇1

摘要：由于专业特点, 决定了机电类专业学生在实操过程中存在安全风险性, 针对高职机电类专业机床电气控制技术等课程教学中存在的诸多安全隐患, 提出了在教学过程、特别是在课程实践教学过程中引入HSE管理模式, 阐述了HSE管理模式在实践教学中的组织实施过程和做法。实践证明, 这种管理模式强化了教学现场的管理, 对培养学生的安全生产意识及职业素养有很好的效果。

关键词：HSE管理模式,实训教学,安全

为了提高职业教育教学质量, 提高学生职业技能, 职业院校课程教学方法的改革普遍采用了“教、学、做”为一体的教学模式, 以学生为主体, 将实践教学与理论教学有机结合, 培养学生的操作技能和理论知识的同时也培养学生的创新创业能力。“教、学、做”一体化的教学模式强调“做中学、做中教”, 使学生在“做”与“学”的过程中掌握专业知识、学习专业技能, 提高职业素养, 为社会培养高素质技能型人才。但随着这种实践教学活动的频繁开展, 教学过程中的健康、安全、环境等方面的管理显得越来越重要, 特别是安全问题已成为热点问题, 也是家长、学校、社会共同关注的焦点, 更是教育工作者在实施教学过程中首要考虑并注意的问题。安全是一种行为, 但首先是一种意识和习惯, 因此, 首先要培养学生的安全生产意识。近年来, 笔者在进行机床电气控制技术课程教学改革过程中, 探索应用了HSE安全生产管理模式, 不仅降低了教学过程中的安全风险, 规范了实践教学现场的管理, 而且对培养学生的安全生产意识及良好的职业行为习惯有很好的效果。

1 HSE管理管理模式

HSE管理体系是将组织实施健康、安全与环境管理的组织机构、职责、做法、程序、过程和资源等要素有机构成的整体。HSE是健康 (Health) 、安全 (Safety) 和环境 (Environment) 管理体系的简称, H ( 健康) 是指人身体上没有疾病, 在心理上保持一种完好的状态;S ( 安全) 是指在劳动生产过程中的, 努力改善劳动条件, 克服不安全因素, 使劳动生产在保证劳动者健康、企业财产不受损害、人民生命安全的前提下顺利进行;E ( 环境) 是指与人类密切相关的、影响人类生活和生产活动的各种因素的组合, 还包括人类与自然因素间相互形成的生态关系的组合。

HSE是一种事前进行风险分析、确定其自身活动可能发生的危害以及后果, 从而采取有效的防范手段和控制措施防止其发生, 以便减少可能引起的人身伤害、财产安全和环境污染的有效管理模式。HSE管理源于石化行业, 已发展成了一系列安全管理和方法, 这种管理突出强调了事前预防和持续改进, 具有高度自我约束、自我完善、自我激励的作用, 是一种现代管理模式。与传统的安全管理模式比较, HSE管理模式是一种动态管理模式, 重程序、标准管理和事先、事中管理, 重视行为表现。

2 HSE管理在实训教学中的应用

职业教育的特点是以就业为导向, 推行工学结合、突出学生职业能力培养, 达到零距离就业, 因此在学生学习过程中就要培养学生的就业能力, 让学生就业就上岗就要能安全上岗。学校虽然有较完善的实验实训安全管理制度、安全操作规程等, 但要把安全意识和安全生产的良好作风与习惯传输发给学生, 必须落实到具体的每一堂实践教学中。良好的安全意识是防止重大事故发生的第一步, 是判断技术人员合格与否的关键要素, 为了培养合格的生产技术人才, 我们将HSE管理模式引入到了机电一体化技术专业的机床电气控制技术核心技能课程的现实一体教学过程中, 并不断探索与实践, 形成了一套实用的HSE实践教学安全管理模式。现以在维修电工实训室中进行“电动机拆装与检修”为例说明如何将HSE安全管理模式应用到课程的实践教学中。

2.1 学生课前必须具备的基本知识

熟悉电工、电机等方面的基础知识, 课前预习电机拆装检修的操作过程与技术要领, 要求会使用检修工具及相关仪器设备。

2.2 学生分组管理

为了达到较好的教学及管理效果, 人人参与, 贯彻落实HSE安全生产管理模式, 将班级学生分组, 4人一组, 指定一位组长负责本组的安全管理, 特别是电源及工具管理, 给组员分配任务, 并强调各项目安全管理的落实。

2.3 HSE安全生产管理模式的组织实施

按照工作危害分析 (JHA) 对任务活动中存在的风险进行分析并按步实施 ( 如图1 所示) 。

2.3.1 进行工作危害分析

根据学生所掌握的基本知识及电机拆装检修要领, 每组学生对维修电工实训室内环境、设别设施及电机的拆装与检修工作等方面进行危害分析, 并制定减轻危害的措施, 编制工作危害分析记录表 ( 见表1) 。

根据项目任务完成情况将R风险度取值范围划分为轻微风险及可接受风险。

2.3.2 组织实施

工作危害分析合格经过许可后方可按表1 中的工作步骤实施任务, 任务实施过程中, 组长全面管理, 各组员按照自己主管的项目做好安全生产监督, 并做好详细记录, 记录内容包括电机拆装步骤、检验情况, 故障检修过程记录、数据记录、发现的问题等, 每个小组任务完成以后, 交给教师检查, 教师根据学生进行任务实施过程中出现的问题进行讲评、提出整改要求。

2.3.3 工作总结

学生每人按要求写一份总结报告, 组织学生进行经验交流总结, 特别是针对在从事实践活动的过程中安全风险评估、安全应急处理方案等方面的内容进行交流与总结, 将该内容结合学习全过程的表现和任务完成情况纳入到课程成绩考核方案中, 促使学生从思想上高度重视, 并在实施过程中形成一种良好的安全行为习惯。

3 结束语

HSE管理模式应用在实践教学过程中, 一方面保证了学生与教师能以良好的状态进行学习与教学, 保证了实践教学现场及环境的相容性, 为教学顺利进行提供有力的保障。另一方面, HSE管理模式应用在教学过程中, 使学生从思想上更加注意安全风险评估, 安全操作, 让他们牢固树立安全生产的意识, 并将这种良好的安全意识和安全行为习惯带到了各个学习环节, 乃至顶岗实习环节, 所以我们培养的学生进入企业生产岗位后, 适应能力强, 职业素养高, 受到了用人单位的一致好评。今后我们将继续探索实践HSE安全生产管理模式在教学中的应用, 并结合实际情况进行改进, 使这种管理模式更加规范化、标准化、实用化, 逐步形成规范的管理体系在专业教学、特别是实训教学过程中广泛加以实施。

参考文献

[1]郝英.机电工程项目HSE管理体系探究[J].中国科技投资, 2014 (13) :79.

[2]工作危害分析法[J].安全生产与监督, 2013 (3) :53-54.

[3]何军.电机维修与拆装技术[M].北京:机械电子出版社, 2013.

[4]汤美安, 杜泽超, 韩涛.实践教学的HSE管理探讨[J].教育与职业, 2010 (9) :42-44.

数控机床控制管理 篇2

数据机床控制是指通过数控程序，对数控机床下达工作指令，让数控机床按照预定的工作程序，对需要加工的零件进行自动化操作的过程。其操作前，需要先确定零件在机床的安装位置，刀具与零件之间在进行工作时的尺寸参数。机器操作的路线，切削规格等参数等。掌握这些参数之后，才由程序员编制加工的数控操作程序单。然后让电脑按照制定的程序，进行规范的操作的一种深加工过程。

1.2 数控机床的电气控制

数控机床的电气控制主要由电流、位置、速度三个控制环利用串联的原理组成的.。

1)电流环的功能是为伺服电机，提供其所需要的转矩电路。通常情况下，其与电动机之间的匹配调节，是事先就由制造者配备了相应的匹配参数。其反馈信号也在制造时，已经在伺服系统内联接好了。因此不需要事后进行接线与调整;

2)速度环的功能是控制电机的转速，也就是坐标轴在工作时的运行速度的电路。速度调节器其P、I调整值，都是根据骚动坐标轴负载量，或者是机械转动的刚度与间隙等特性来决定的。一旦这些特性发生了变化，就需要对机械的传动系统进行检查和修复，然后再正确调整数控设备速度环的PI调节器;

3)位置环是对各坐标轴按照程序设备的指令进行工作，用于精确定位它位置的控制环节。位置环的正确运行与否，直接影响到坐标轴的工作精度。位置环的工作包括两部分。

其一，位置环是测量元件的精度是否与CNC系统脉冲当量匹配。测量元件每次移动的距离，外部倍频电路是否与系统庙宇的分辨率相符。测量元件与分辨率肪冲比必须达到100倍频方，才算合格。比如，位置测量时，元件脉冲次数10/mm，那么系统的分辨率应为0.001mm才算匹配。

其二，对位置环KV值的设定和调节。KV值一般是被当作机床数据进行设置的，数控系统中，对KV值的数值单位和设置地位都进行指定。速度环在进行最佳化调节后。KV值则是鉴定机床性能好坏，工作精度是否准确的重要因素。KV值体现了机床运动坐标，运动时性能的优势程度。关于KV值的设置，需要参考和符合以下公式：

KV=V/△其中KV即位置环增益系数 V即坐标运行速度，m/min △即跟踪误差，mm 注意不同的单位，数据参数代表的涵义也不一样。

2 数控机床维修方法

2.1 故障检查

首先要对进行进行检查，查找机床究竟问题出在哪里，先可对机器的使用人员进行询问，再进行目测，触摸机器的各个线路是否完好，检查是否短路。再通电进行检测，如果不行，再利用进行检查，对机器的信号与报警装置，接口状态，参数调整等各种方法，直到查出机床的问题为止。故障检查这一步就算结束了。它是机床维修前的基础工作。只有正确地发现其问题，才能有针对性地对其进行修理。

2.2 维修方法

故障排查出来之后，再进行机床的维修，这里给大家介绍几种常见的机床障维修方法。

1)电源：电源是整个机床是否能够顺利工作的能量来源，它的损坏轻则会导致程序数据丢失，产生停机现象。重者可能毁坏整个系统。在我国，由于电力系统不是很充沛，所以经常导致电源的损坏，电源损坏应及时维修。然而做好提前的准备，才是预防电源损坏的根源。因此我们在设计机床的供电系统时，就尽量为它提供单独的配电箱，在电网供电质量不良的地方，三相交流稳压装置，也是必须事先配备的。接入数控机订的电源中线与接地线一定要分开，并且使用三相五线制等;

2)位置环故障：首先，位置环报警可能产生的原因是位置测量回路开路、测量元件已经损坏、接口信号损坏等。其次，坐标轴在脱离指令下运动，可是造成的原因是漂移可能过大;位置环或速度环接成正反馈;元件损坏等;

3)机床坐标查找不到零点。可能造成的原因是零方向与零点远离;编码器损坏光栅零点标、回零差事开关失灵等;

4)机床动态性差：其中原因可能是机械传动系统磨损严重，或者间隙过大造成的。或者是导轨润滑工作做得不充分。对于电气控制系统，造成这样的问题可能原因是速度、位置环和相关参数，已经不处于最佳匹配状态。应在故障排除后，及时进行调整，使得达到最佳效果。

诸如此类等等问题，故障在查出之后，立即根据相关的维修方案进行正确地修理，对各种电路，参数，控制系统，电源等问题，进行仔细确认，然后针对性地调整维护方案，并且把每次维修的记录地都记载下来，以便下一次遇到同样的情况，好迅速地作出处理。

3 结论

根据以上依据，我们可以得知，数控机床的控制与维修技术，在我国虽然还没有形成非常完善的理论体系。但是只要我们仔细地摸索排查，利用自己和别人总结出来的经验，记载下来，对我国未来制定完整的数控机床控制技术和机床维修技术，无疑有着重大的借鉴意义。

参考文献

[1]赵俊生.数控机床电气控制技术基础.[M].2版，科学养鱼，，1.

[2]潘耀佳.数控机床维修技术浅谈[J].城市建设理论研究.(1).

[3]范宋兵，罗四红.伺服控制示意图在数控机床维修中的应用[J].制造技术与机床.2009(12).

[4]何荣誉. 以“说课”形式谈高职《数控机床控制技术》课程教学[J].职业时空，2012(8).

[5]李周平.基于直线电机的数控机床驱动控制技术[J].现代电子技术，2012(3).

[6]王侃夫主编.数控机床控制技术与系统[M].机械工业出版社， .

[7]刘荫庭.数控机床维修改造系列讲座.第2讲，数控机床电气维修技术(上)[J].机械工人.冷加工，2002(2).

数控机床控制管理 篇3

【关键词】数控机床；控制系统；故障；诊断系统

数控机床是典型的机电一体化系统，随着数控技术的迅速发展，数控机床的普及逐渐成为机械行业的潮流。这对数控机床制造行业在研发、生产、维护等方面以及如何提高效率、提高质量提出了越来越高的要求。因此，对数控机床的控制系统和故障诊断系统的研究和分析就显得尤为必要。通过对数控机床的控制系统的分析以及对其故障诊断系统的设计与实现能有效提高数控机床的运行效率。

一、数控机床的发展及特点

早在20世纪40年代的机械工程师就提出用数字控制技术进行机械加工的思想，1970年前后，美国英特尔公司开发和使用了微处理器。1974年美、日等国首先研制出以微处理器为核心的数控系统。近40年来，微处理机数控系统的数控机床得到了飞速发展和广泛应用，第五代数控系统也应运而生。随着计算机以及科学技术的不断发展，数控机床控制系统呈现出网络化和智能化的新特点：一、数控系统向网络化方向发展。新一代数控系统采用开放式体系结构，利用PC机丰富的软硬件资源，使数控系统具有更好的通用性、柔性、适应性和扩展性，并向智能化和网络化方向大大发展，新一代数控系统技术水平大大提高，促进了数控机床性能向高精度、高速度、高柔性化方向发展，使柔性自动化加工技术水平不断提高。二、数控系统向智能化方向发展。随着人工智能在计算机领域的渗透发展，数控系统引入了自适应控制、模糊系统和神经网络的控制机理，不但具有自动编程、前馈控制、模糊控制、学习控制、自适应控制、工艺参数自动生成、三维刀具补偿、运动参数动态补偿等功能，而且人机界面更加友好，并具有故障诊断专家系统使自诊断和故障监控功能更趋完善。伺服系统智能化的主轴交流驱动和智能化进给伺服装置，能自动识别负载并优化调整参数。

二、数控机床的控制系统分析

数控机床的控制系统分为三个部分：机床的电气控制、机床的PMC顺序控制和机床的运动伺服控制。

（一）机床的电气控制

机床利用数控CNC系统，配置数控伺服放大器组合模块，控制数控交流主轴和伺服电机，利用电机编码器实现了闭环和半闭环控制；在主水箱配置自动排屑机和大功率送水泵，在纸带过滤水箱配置主轴中心出水、机床冲洗、切削冲洗、排屑机冲洗水粟和液位、压力控制系统，通过PMC实现了顺序控制。对于刀臂旋转马达，采用变频器驱动，利用数控256位绝对式编码器检测旋转位置，通过PMC程序控制换刀动作。对于各油压泵、水泵等的控制均采用接触器通过PMC程序控制。各电磁阀、继电器和传感器、按钮开关等的信号线经过I/O Link系统连接到CNC，通过PMC程序控制机床的各个动作。

（二）机床的PMC顺序控制

对机床的PMC一级程序的控制：首先对润滑油的压力和液位以及气压进行检测，并借助计时器和计数器给出相应报警，接下来对程序类别和门开请求进行设置，并设置主轴暂停转动和恢复转动的条件和命令，再对急停信号、伺服就绪、节能模式和各轴正、负方向运动等进行处理。接着对ATC刀臂位置编码器信号进行译码、处理，判断刀臂在不同运动模式下的位置区域，從而给出相应的动作指令，并对刀臂的运动状态进行判断，给出相应的报警信。对机床的PMC二级程序的控制主要包括工作模式设置、M/S/T指令处理、加工程序运行处理、安全保护设置、主轴运动处理、进给轴运动处理、刀库和ATC动作处理、附加装置处理等子程序段。

（三）机床的运动伺服控制

进给伺服系统的设置首先要进行伺服参数的初始设定，需确认以下信息：NC的机型名称，伺服电机的型号名称，电机内置的脉冲编码器的种类，分离式位置检测器的有无，电机每转一圈的机床移动量，机床的检测单位，NC的指令单位等。对于主轴伺服系统的设置，首先进行与主轴相关的CNC型号、主轴电机、共用电源、主轴放大器、检测器系统等的规格确认，进行电气连接的确认，进行PMC梯形程序的准备和确认；接着确认在使用a i系列串行主轴时的CNC参数设定，进行a i系列串行主轴参数的自动初始设定处理；最后设定与检测器相关的参数，确认检测器的反馈信号波形。

三、数控机床的故障诊断系统分析

数控机床是综合应用微电子、计算机、自动控制、自动检测、液压传动和精密机械等技术的最新成果而发展起来的新型机械加工设备。它的发展趋势是工序集中、高速、高效、高精度以及使用方便、可靠性高。要达到这些要求，就需要对机床的维护保养、日常检查、故障诊断等复杂、有效的工作。在生产过程中，数控机床频繁地发生故障，必然影响产品的加工质量和生产效率，影响数控机床效益的发挥。因此，必须对出现的故障进行广泛深入的研究，找出其原因和规律，不断积累经验，采取有效措施，对故障进行预防、预测，建立一套排除故障的有效方法。数控机床的有些故障可以根据故障现象和机床电气原理图，查看PLC的相关输入输出状态即可诊断故障。但这需要有关人员对于设备的电气控制等比较熟悉，而且很多故障也不能完全根据顺序控制程序加以诊断排除，这就对相关人员提出了比较高的要求，需要维修的相关人员具备多方面的故障诊断知识，做出合适的诊断故障，并采取相应的故障排除措施。通过利用数据库技术和面向对象编程技术，将设备故障诊断和维修等知识系统的组织成知识库，通过数据库应用程序实现了故障的诊断查询、故障树分析、故障树管理等功能，帮助维修人员不断提高维修水平，丰富完善知识库。

参考文献

[1]杜国臣，王士军.机床数控技术[M].中国林业出版社，北京大学出版社，2006，8.

[2]邓三鹏.数控机床结构及维修[M].国防工业出版社，2008，1.

[3]韦清等.数控加工过程质量控制的关键环节研究[J].现代制造工程，2014（06），58-63.

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数控机床控制管理 篇4

关键词：变频器,可编程逻辑控制器 (PLC) ,远距离控制

组合式加工机床由于具有较高的灵敏性, 经常用来在工业生产中加工大型工件, 比如轧钢机的大型部件, 组合式加工机床的优势之一是可以灵活的进行移动移位加工, 因此组合式加工机床比目前市面上存在的固定机床更加适合加工大型的工件, 主要原因是由于越大越沉重的工件加工时越不容易翻转或移动, 因此导致加工效率降低, 而是用组合式加工机床可以有效解决上述问题, 提供工作效率和工作质量。组合式加工机床的主要部件包括主轴箱、床身导轨以及立柱等构成, 而且需要根据实际生产情况, 设计组合式加工机床的电气控制系统, 然后进行分析、改进以及完善等工作, 以保证组合式加工机床的工作效率。

1 电气控制柜的设计

在本设计中, 组合式加工机床的电气柜中装配的电子设备主要包括:LG变频器 (两个) , 欧姆龙CQM1H型可编程逻辑控制器 (PLC) 一个。主轴电机使用18.5kw容量的变频器进行控制, 而主轴箱走刀电机和主轴箱快速电机以及立柱行走电机使用5.5k W容量的变频器控制。而且在操作站与组合式加工机床的电器柜之间的传输方式使用了总线式传输方式, 并且使用插头连接手控操作站、床身分线盒和控制柜, 因此不但大量的减少了控制电缆的数量, 而且方便工作人员进行维护、检修和移动等工作。电器柜的柜门上分别安装了电源启动/停止控制按钮以及两个电机转速显示表, 方便工作人员对主回路电源进行控制。在电器柜的内部, 通过空气开关、变压器、继电器以及接触器等大量电器设备进行多级保护。为了防止PLC被电路故障或其他原因损坏, 因此, 接触器需要通过继电器对PLC进行控制。

2 可编程逻辑控制器 (PLC) 程序设计

可编程逻辑控制器 (Programmable Logic Controller, 简称PLC) , 是一种通过进行数字运算实现具体操作的电子系统, 是现代工业的核心控制部件。本设计采用可编程逻辑控制器是OMRON (欧姆龙) 公司的CQM1H型PLC控制器, 可编程逻辑控制器 (PLC) 在组合式加工机床控制电路中, 主要不但需要接收来自限位开关的信号、按钮控制信号、空气开关监控信号、电机过载信号、变频器保护信号等来自外部的信号, 还需要接受指示信号、输入变频器控制信号以及输出变频器控制信号等。因为按钮控制信号以及指示信号在实际生产中, 与组合式加工机床的控制柜距离比较远, 因此本设计对控制柜进行连接控制时, 采用了欧姆龙总线链接模块 (B7A) 实现, 并且将操作站模块通过两芯电缆或者三芯电缆连接到PLC链接模块。本设计使用OMRON (欧姆龙) 公司的CX-programmer软件实现编程功能, 这样可以方便工作人员或技术人员对所有的点进行实时监控, 帮助工作人员准确的了解每个点的运行状态, 以便在实际生产工作中根据情况进行实时调试。

3 组合式加工机床变频器参数调整

本设计中, 组合式加工机床的电器柜里面的需要配置两台变频器, 其中一台变频器单独对主轴进行控制, 另外一台变频器连接接触器, 对主轴箱走刀、速度电机以及立柱行走电机进行控制, LC变频器根据需要设置分为“功能组1、功能组2、驱动组、输入输出组 (I/O组) 、通讯组 (选项组) 、外部组、应用组”, 并且将这七组参数设置成出厂缺省参数设置, 并且提供相关功能, 方便工作人员根据具体工作需求对部分参数进行更改。

3.1 变频器基本参数的设置

LG变频器是组合式数控加工机床电气控制系统的核心部件, 因此变频器的参数设置将直接影响组合式数控加工机床的工作性能。在对变频器的基本参数进行设置时, 应该首先对电机功率进行设置和选择, 或者参考变频器的型号对电机功率进行选择。

3.2 特定功能的应用

组合式加工机床工作台 (立柱) 的传动轴以及主轴箱是不同的传动轴分别是不同的轴, 在实际工作中, 为了实现电机可以满足所选定的轴的工作状态和需求, 因此需要应用第二电机功能参数, 根据不同的情况或需求设置相关的参数, 实现对所选轴的控制。第二参数功能具体的配置和使用方法如下:工作人员首先任意选择一个多功能端口, 并且设置对应的输入/输出参数 (I/O参数) , 将这个设置好的端口保持在激活状态下, 然后进行启用第二电机功能操作。在对参数进行设置时, 具体的参数包括:“第二电机加速时间、第二电机减速时间、第二电机转折频率、第二电机V/F方式、第二电机正转矩补偿、第二电机反转矩补偿、电子热保护等级 (一分钟) 、电子热保护等级 (连续) 、第二电机额定电机电流”。因为主要由加工轴控制工作台 (立柱) 的行走, 因此在低速动作阶段时, 需要较高的转矩, 所以在工作中采用用户V/F方式进行控制, 工作人员可以最大频率与0的范围内, 对四个点进行设置, 根据具体需要设置不同电压, 通常情况下, 会将较高输出电压设置为第一个点, 这样可以保证较高的输出转矩。

4 结论

在本文设计的组合式数控加工机床电气控制设计中, 电气控制系统中的核心部件是两台LG变频器。因此, 这两台LG变频器的具体参数设置和相关参数调整, 将对合式数控加工机床的工作效率、加工精度和整体性能产生直接影响。其中一台LG变频器主要负责控制三台电机, 这三台电机分别作用于两个轴。而且在该设计中, 为了读一不同的电机进行有效的保护, 采用了第二电机的相关功能, 根据具体情况设置了相应的参数, 实现了对不同的电机的进行分别保护的功能。在组合式数控加工机床的工作台 (立柱) 控制中, 本设计采取的控制方式为用户V/F控制方式, 使组合式数控加工机床在实际生产加工时操作更加方便灵活, 可以很好的满足单位的生产需要。另外, 在本设计中的传输方式采用了总线式传输方式, 使用一根10芯的通讯电缆实现控制信号的传输, 因此大量的减少了连接在电器柜与控制台之间的电缆数量, 这样可以方便单位根据具体的情况和生产需求移动, 不但减少了成本, 而且方便工作人员进行调整和维护, 有效的提高了组合式数控加工机床的整体工作性能和实用性。通过实验分析和实际应用反馈, 该设计有效的提高了组合式数控加工机床的工作效率, 完全达到了设计要求, 可以为工作人员和设计人员在以后的组合式数控加工机床电气控制设计工作中提供参考和帮助。

参考文献

[1]裴艳芳, 杨跃崇.PLC改造机床故障检测方法[J].机床电器, 2009, 5.

机床电气控制论文 篇5

【摘要】本文介绍了数控机床电气控制与驱动系统的可靠性分析方法，分析了故障树分析方法以及3F分析方法的特点，并阐述了元件质量、制造工艺水平、虚接虚焊、电源问题以及机械噪声等因素对数控机床电气控制与驱动系统的可靠性影响，指出了对电气控制与驱动系统采用分立模块结构，可以有效的提升系统的运行可靠性。

【关键词】电气论文

1前言

随着科技快速的发展，制造技术也得到了进一步的改进以及创新，而数控机床则是制造技术最为重要的载体，数控机床的发展以及可靠运行对于制造业的发展有着至关重要的影响。所以，人们也越来越关注数控机床的发展，而数控机床的可靠性更是评价数控机床先进性与否的关键性指标。在数控机床之中，电气控制与驱动系统是极为重要的一个子系统，同时也是数控机床中最易发生故障的系统。所以，要想确保数控机床的运行具有更高的可靠性，必须要确保电气控制与驱动系统具有非常好的可靠性。在对数控机床的电气控制与驱动系统进行可靠性分析时，故障树分析的方法极为重要的一种可靠性分析方法。由于故障树分析方法具有非常强的系统性，所以，故障树分析方法也被应用在很多的领域之中。不过，现阶段数控机床技术不断的革新与发展，数控机床的结构也更加的趋于复杂化，数控机床的故障发生也逐渐的突显出了动态失效的特点。所以，故障树分析方法已经无法满足对复杂数控机床结构的动态失效问题分析的要求，也逐渐的出现了基于动态失效的故障分析方法。近年来，3F技术开始出现并得到了迅速的发展，其在分析系统可靠性工作中发挥着越来越重要的作用，逐渐的被应用于各个领域之中，被用来分析不同系统的运行可靠性。

2数控机床电气控制与驱动系统的可靠性分析方法

2。1数控机床电气控制与驱动系统的故障树分析方法

在数控机床的运行过程中，对于运行的可靠性有着极为重要影响的便是电气控制与驱动系统。在数控机床之中，位于机床内部不同部位之中的一些电气元件和相应的连结线路便属于数控机床的电气控制与驱动系统，其也是数控机床中极为关键的一个子系统。而且在数控机床之中，该子系统发生故障的概率是最高的，同时也是对于数控机床可靠性影响最大的一个子系统。在对数控机床进行可靠性分析的过程中，应用的最为多的一种方法便是故障树分析方法，该分析方法已经在很多的领域之中得以应用。通过故障树分析方法，能够找出系统中所发生的一些基本的故障、故障产生的具体原因以及故障事件出现的概率大小等。所以，采用故障树分析方法进行可靠性的分析是极为必要的。故障树分析方法最早是在上世纪的60年代初由美国学者Watson所提出的，其主要是用来对结构相对复杂的一些系统进行安全性以及可靠性的相关评价工作。并且，在之后也逐渐的`对故障树分析方法进行了一定的完善与改进，使得该分析方法在可靠性分析中的应用更为广泛，故障树分析方法的具体流程如图1所示。在采用故障树分析方法时，若想防止形成一个不正确的故障树模型，要对构建故障树的一些边界条件加以严格的确定，并且也应当对一些事件进行严格的定义。同时，在构建故障树的过程中，也不能出现有所遗漏的问题，应当自上向下对故障树进行逐级的构建。

2。2数控机床电气控制与驱动系统的3F分析方法

3F分析方法是经过长期的实践总结而得到的，其能够有效的使系统中的故障得以减少或者彻底的消除，可以最大限度的确保系统的运行具有可靠性。通过利用3F分析技术，能够对系统中的故障模式、危害进行分析，还可以进行故障树分析，同时也能够进行故障的分析以及纠错处理，是确保系统可靠运行的一种有效以及实用的分析方法。

3数控机床电气控制与驱动系统的可靠性的主要影响因素

3。1元件的质量

在对以往对数控机床的维修经验来看，导致数控机床运行故障的原因，很多情况下是因为元件的质量出现问题而导致的。(1)对于数控机床的一些外围电气元件来说，会使用到一些接触式的机械元件，例如，继电器以及接触器等元件。若是这些元件的质量较差，极易的导致数控机床中电气控制与驱动系统发生不稳定的问题。在这些接触式的机械元件之中，所存在的一些质量问题主要是触点位置处的簧片不具有良好的弹性，在使用过程中极易发生疲劳问题，在动静的触点位置，接触过程中所形成的电阻较大。同时，受到外界环境温度升高以及元件的骨架发生一定的形变等因素影响，极易的导致这些接触式的机械元件出现失灵问题。(2)电容器元件出现失效问题同样也将出现一些噪声，尤其是电容器的形状为管状时，在引出线和内部的电极发生接触的过程中，要是出现接触不良的问题时，极易的产生较强的噪声，如果问题较为严重时，极有可能使得电解液发生并流问题，并流至电极以及引线的中间位置处，从而引发漏油现象，使得两者的接触电阻急剧增加，几乎的等同于将两者切断。并且，电容器的内部绝缘层易发生老化以及破坏问题，导致电容器的内部出现一定的放电现象，同样会导致非常大的浪涌冲击问题产生。

3。2制造工艺水平

(1)虚接虚焊。进行电气控制与驱动系统的安装作业时，对于导线端子应当充分的压紧，避免出现松动问题，要不然极易导致一些接触问题以及腐蚀问题的发生，使得在接触位置处的发热量急剧增加，接触位置的电阻值会急剧的增大。若在这一时期内有干扰电流的出现，那么接触位置便会形成非常大的电压降。而若是电压属于放大器装置的输入电压，那么会导致放大器在进行电压输出的过程中，存在极大的噪声电压。而对于一些焊接元件，若是发生虚焊问题。那么，在管脚的位置处易出现元件的锈蚀问题，虽然元件刚开始使用的过程中不会出现问题，但是在较长一段时间之后便会诱发一些噪声电压的出现，使得系统受到极大的干扰，引起系统的可靠性不良问题。(2)电源问题。在电气控制与驱动系统中，计算机装置发生故障的原因很多情况下是由于电源出现一定的故障而引起的。由于电源经常的会受到各个因素的干扰，所以电源极易出现一些较强的噪声，而会对电气控制与驱动系统造成可靠性极大的不良影响。另外，由于电网在供电的过程中，出现一些供电不稳定的问题，同样也极易的导致系统产生一定的波动，使得系统的可靠性受到较大的影响。因为不同的企业之间的用电具有相对大的差异性，仅仅是电网中电压出现波动情况，就会产生相对大的误差，另外，在输送的线路之中还存在着很多的谐波干扰，也易导致系统运行过程中的不稳定，使系统极易发生故障。(3)机械噪声。数控机床自身的固定结构或者一些传动的装置，在数控机床的运行时，若是由于设计以及安装等一些原因而未能全面的考虑周全，便易导致数控机床在运行的过程中出现较为严重的振动，也可能导致个别的器件的振动频率和电机发生转动的频率相同，形成共振现象。而若是这些元件所在的电路之中含有谐波电路的电容装置或者是电感线圈装置时，便会导致一定的干扰问题出现。若是一些接触式的机械器件发生振动，极易导致压力的不断变化而引起接触位置的接触不良问题出现，而电流在经过此位置时就会形成相应的电压波动，从而影响到整个系统的可靠性。

4结语

数控机床控制管理 篇6

1 数控机床电气控制系统概述

数控机床是长时间连续运转的设备, 本身要具有高可靠性。因此, 在电气系统的设计和部件的选用上普遍应用了可靠性技术、容错技术及冗余技术。在保证可靠性基础上, 还具有先进性, 如新型组合功能电器元件的使用、新型电子电器及电力电子功率器件的使用等等。所有部件选用的是最成熟的, 且符合有关国际标准并取得授权认证的新型产品。另外, 电气控制系统还需要具有稳定性、安全性、方便的可维护性、良好的控制特性、操作要人性化等性能。

2 数控机床常用控制电器及选用

2.1 低压断路器

低压断路器又称为自动空气开关, 是将控制和保护功能合为一体的电器。通常作为不频繁接通和断开的电路的总电源开关或部分电路的电源开关, 当发生过载、短路和欠压等故障时能自动切断电路, 有效地保护串接在它后面的电器设备, 并且在分断故障电流后一般不需要更换零部件。因此, 低压断路器在数控机床上使用越来越广泛。低压断路器的选用原则:低压断路器的额定电流和额定电压应该大于或等于线路、设备的正常工作电压和工作电流;低压断路器的极限通断能力应大于或者等于电路的最大短路电流;欠电压脱扣器的额定电压等于线路的额定电压;过电流脱扣器的额定电流应大于或者等于线路的最大负载电流。

2.2 接触器

接触器是一种用来频繁地接通或分断电路带有负载电路的自动控制电器。接触器由电磁机构、触点系统、灭弧装置及其他部件四部分组成。其工作原理是当线圈通电后, 铁芯产生电磁吸力将衔铁吸合, 衔铁带动触点系统动作, 使常闭触点断开, 常开触点闭合。当线圈断电时, 电磁吸力消失, 衔铁在反作用弹簧力的作用下释放, 触点系统随之复位。

接触器的选用原则:根据接触器所控制负载的工作任务来选择相应使用类别的接触器;接触器的额定电压一般为500V或380V两种, 应大于或者等于负载电路的电压;根据电动机 (或其他负载) 的功率和操作情况来确定主触点的电流等级;接触器线圈的电流种类 (交流或者直流) 和电压等级应与控制电路相同;触点数量和种类应该满足电路和控制电路的要求。

2.3 继电器

继电器是一种根据输入信号的变化接通或断开控制电路的电器。继电器输入为电流、电压、温度压力等物理量, 输出为相应的触点动作。

继电器的选用原则:按使用环境选型;按输入信号不同确定继电器种类;输入参量的选定;根据负载情况选择继电器触点的种类和容量。

2.4 变压器

变压器是一种将某一数值的交流电压变换成数值不同的交流电压的静止电器。

2.4.1 机床控制变压器

机床控制变压器适用于频率50-60HZ, 输入电压不超过660V的电路。常作为各类机床、机械设备中一般电器的控制电源和步进电动机驱动器、局部照明及指示灯的电源。

2.4.2 三相变压器

在三相交流系统中, 三相电压的变换可以用三台单项变压器也可以用一台三相变压器实现, 优先选择三相变压器。在数控机床中, 三相变压器主要是给伺服驱动系统供电。

变压器的选用原则如下:

(1) 标准变压器

根据实际情况选择初级额定电压, 再选择次级额定电压;根据负载情况确定各绕组额定电流, 大于等于负载电流;根据次级的电压、电流、次级额定容量来选择变压器。

(2) 非标准变压器

选择初级额定电压、电源频率、次级绕组电压、电流及总容量。

3 数控机床电气控制线路实例分析

图1中断路器QF1用来对整个动力线路进行过载及短路保护。断路器QF2作为刀架电动机及Z轴伺服电动机过载及短路保护;伺服变压器TC2原边接AC380V, 副边提供AC200V电压供给Z轴伺服驱动器使用;交流接触器KM1、KM2用来控制刀架电动机的正反转。变压器TC1原边接AC380V, 副边两组绕组分别提供AC24V、AC220V;AC24V经过整流桥后变为DC24V供给X轴进给驱动器使用;AC220V经直流稳压电源后变为DC24V供给数控系统及PLC端子板使用。断路器QF3作为X轴步进电动机过载及短路保护。

结束语

数控机床是集机、电、液、气于一体的机电一体化装备, 数控机床电气控制系统是其核心, 它的可靠运行, 直接关系到整个设备运行正常与否。我们在掌握数控机床常用的控制电器基本功能和选用原则的基础上, 对于数控机床电气控制设计、改造以及电气故障维修有很重要的帮助。控制电器元件长时间使用及频繁动作, 容易引起损坏及老化, 我们在设计及选择使用时应该考虑其工作年限, 这样才能保证数控机床的稳定运行。

参考文献

[1]李桂丽, 王雪.关于数控机床的电气控制改进与设计[J].科技传播, 2012 (1) .

[2]杨克冲, 陈吉红, 郑小年.数控机床电气控制[M].武汉:华中科技大学出版社, 2009

数控机床控制管理 篇7

控制岛的研究将会大力促进数控机床效率的提高。近年来基于8位、16位或以ARM处理器为核心的32位单片机在数控机床与Interne t联网方向的应用研究较快[1][2], 已经有MOXA等产品面市, 但它们的功能比较单一, 只能解决经济型数控机床的管理问题。因此, 本文提出了基于控制岛的远程控制系统。

1 控制岛的含义、功能及特点

控制岛是指以工业PC为核心, 带有视频、音频信号采集设备和RS232C串口、以太网接口、独立PLC和多种检测仪器的一种智能化的集成体, 示意图见图1。

控制岛与数控机床的控制系统连接后, 可实现数控机床各种功能的调试、故障诊断、机床加工状态和刀具状态的实时检测、被加工零件精度的检测等。控制岛还可以与INTERNET网连接, 由此实现机床的远程通信、监控和操作、远程的故障诊断等。与用于远程通信的单片机相比较, 控制岛具有的优点是:

1) 功能多且强大;

2) 有独立的电脑, 操作简单;

3) 通用性强, 易于硬件外设的扩展和软件的功能模块的扩展。

2 控制岛通信功能的实现

控制岛的通信功能是通过信息的双向流动来实现的。这些信息流有:零件的结构、尺寸和精度信息;零件的工艺信息和工序的程序信息;数控机床的调整和控制信息;机床的加工状态信息及与主控制室的通信信息等。

2.1 总体的设计思想

2.1.1 设计思想

零件的加工程序或机床的控制指令是由远程监控计算机输出, 通过Inte rne t网或经局域网传送到控制岛, 控制岛则再对数控机床实现控制。反之, 数控机床的信息流通过控制岛, 由局域网或Internet网传送到远程监控计算机, 计算机对这些信息流处理后再完成对数控机床的远程监控。

2.1.2 远程控制系统构思

远程控制系统由数控机床、控制岛、远程监控计算机等组成, 见图2。数控机床与控制岛之间通过RS232或RJ 45串口线与数控机床连接;还可以通过PLC的I/O端子板与数控机床连接;控制岛与远程计算机之间是通过局域网或因特网联接。

其中, 控制岛可用于数据的采集、数控机床的信息分析, 将加工过程的信息流发送到远程监控计算机中;此外, 还担负着接收、解析、传递远程监控计算机发来的控制信息流。远程监控计算机主要负责进一步解析、分析、保存状态数据并发出控制指令。

2.2 硬件方案

硬件的组成在图2中已经有所表述, 其中控制岛与数控机床的连接见图3所示。

控制岛是一个采集、分析和输出信息的装置。因此, 控制岛则通过RS232-C标准串口与数控系统连接, 完成加工过程控制参数与状态参数的数据交换。加工过程的传感信号 (如切削力、切削功率、进给电机电流等) 由控制岛内的PLC进行采集、分析并为进行调试、维修以及加工任务规划提供参考依据。此外, 加工现场的图像和声音信号通过视频、音频信号采集设备传输给控制岛以便远程监控计算机端的监测者可以观测现场加工状态。

3 软件架构及功能

本远程控制系统采用B/S模式与C/S模式混合的Brow s e r/Se rvice/Databas e/Clie nt4层结构, 见图4。这样既保留了B/S模式下的配置简单、易于管理和维护、安全性高等优点, 又加入了C/S模式的实时性强、支持大数据量传输等优点。

表示层, 它是远程控制系统的用户接口部分, 即人机交互界面。用户通过网页中的Applet发送控制命令、参数、实时接收监测数据等。系统将监控服务程序存放在Web服务器上, 客户端应用程序原始位置也在Web服务器上并采用Java2的Applet来进行封装, 客户浏览网页时下载到客户端的机器上执行, 并与服务器端程序通信。客户机与We b服务器之间的通信采用面向连接的Socke t应用层编程, 实现客户端与服务器间的长时间连接。在客户端的界面中采用Active X控件技术实现一些复杂的功能。

功能层, 作为Web Service应用程序服务器端, 包括了系统的事务处理逻辑。负责表示层与数据层及控制层之间的数据传输。具体表现为接受用户或控制服务器的请求, 以执行相应的应用程序;与数据层进行连接, 向数据层提出数据处理请求, 将数据层处理的结果发送给请求端。Web服务器选用SUN公司的Java Web Server。Java Web Se rve r是一个与平台无关的、具有良好可扩展性和易于管理等特性的We b服务器。服务器端主要采用J ava Se rvle t进行开发, Se rvle t可以接收客户端Applet的请求信息, 利用Socket和HTTP实现与客户端Apple t的交互。

数据层, 它由数据库服务器和数据库所构成, 代表物理数据库和数据处理应用程序, 包括系统的数据处理逻辑。主要接受功能层对数据库的请求, 实现对数据库的查询、增加、删除等功能。数据库服务器采用MySQL服务器, 使用J DBC技术来实现We b服务器与数据库服务器之间的通信。

控制层, 位于控制服务器端, 作为远程网络设备与被控对象的中间设备, 向被控对象发送控制信息和接受被控对象的请求信息。JAVA的本地方法接口JNI (Java Native Interface) 提供了一种扩展JAVA功能的手段, 它允许运行在JAVA虚拟机中的JAVA代码与其他语言 (如C、C++、VB等) 编写的应用程序混合使用。

4 结论

1) 首次提出控制岛的概念, 并赋予了内容和功能。

2) 搭建了硬件平台。提出了B/S/D/C的4层网络结构模式和软件的具体实现方法。

3) 与通过单片机来实现数控机床的远程控制相比, 控制岛具有运行稳定、操作简单和功能集成度高等优点。

参考文献

[1]部洪波, 王广君.基于ARM/uClinux的数控机床网络控制系统[J].软件导刊, 2006.

[2]郑家强, 李应.利用单片机扩展DNC接口功能[J].制造业自动化, 2001.

数控机床加工精度的控制 篇8

1数控编程对加工精度的影响

1.1 加工路线的选择对数控机床加工精度的影响

编程中最重要的部分就是确定加工路线, 所以加工路线的选择会对加工效率以及加工精度产生较大的影响。

1.2 轨迹拟合对数控机床加工精度的影响

由于数控机床加工路线都是由小段的圆弧和小段的直线加工成的拟合曲线, 所以一般的系统只能在加工非圆曲线时, 用圆弧和直线来不断接近, 造成拟合曲线和实际的非圆曲线存在一定的差距。因此我们大多采用等误差、等弦长、等间距的方法来进行非圆曲线轨迹的拟合, 但是等误差法和其他两种办法相比, 不仅可以提高加工效率还能保证拟合精度, 这也是为什么我们通常都采用等误差法的原因。虽然非圆曲线轨迹拟合都采用自动变成完成, 但是过程中一定会存在拟合误差, 所以我们在需要的时候可以经过严格的计算来控制拟合误差。

1.3 数据处理对数控机床加工精度的影响

由于编程尺寸公差带的换算和位置变成节点计算的问题, 造成了数控机床的数据处理存在误差, 这对加工精度造成了一定的影响。

1.4 原点确定对数控机床加工精度的影响

对加工精度有着最大影响的就是原点的确定, 所以在编程的开始阶段要通过零件图纸和加工的特点合理确定变成坐标系。由于加工精度受变成原点的影响很大, 所以一定要严格按照最基本的工艺基准、设计基准以及编程基准的原则来确定变成坐标系, 这样就可以很大程度上提升加工精度。

2系统误差对数控机床加工精度的影响

2.1 螺距误差以及控制方法

半闭环以及开环数控机床主要通过丝杠来控制定位精度, 虽然大多数的数控机床都采用高精度的滚珠丝杠来控制定位精度, 但是也会产生螺距误差, 所以为了克服螺距误差对精度的影响, 要采取相应的螺距误差补偿方法。

通过将高精度位置测量系统的测量结果与机床的某根轴的实际运行线路进行比对, 在轴运行线路上选择一些定位点, 通过将大量的测量结果输入到系统中, 机床在运行中经过该点时就会考虑误差来提升加工精度, 这种方法被称作螺距误差补偿。选择的数量点越多, 补偿效果越好, 加工精度越高。

2.2 反向间隙误差及补偿

数控机床传动链中很多环节存在间隙, 如齿轮传动的齿侧间隙、丝杠螺母副等。反向间隙会引起工作台反向时伺服电机空转而工作台不动, 其直接结果是半闭环数控机床产生误差、全闭环数控机床位置环不稳而产生振荡。对于反向间隙, 在对数控机床的结构进行设计时实际已经做了充分的考虑, 如采用同步齿形带或消隙齿轮传动、丝杠螺母副预紧等, 但无论如何也会留有一些剩余间隙。在半闭环系统中, 可采用与螺距误差补偿类似的方法。在轴运动的全程记录下各点反向间隙, 输入到数控系统中, 此后数控系统一旦接收到反向移动指令, 就会自动将间隙补偿值加到插补运算结果中, 实现反向间隙自动补偿。

2.3 热变形误差及补偿

数控机床周围温度变化以及加工过程中产生的热量等因素都会引起数控机床变形。热变形的补偿方法有列表或建立函数式等方法, 但无论哪种方法都需要对应机床某些主要部件的温度变化和相应的热变形量进行测量, 建立温度与热变形的关系。一般选取的温度测量部件是每台机床1～2个。列表补偿和函数补偿的不同在于列表补偿是要列出全部误差补偿表存入数控系统, 需占用的内存较大;函数补偿是通过理论分析和实际误差测量, 建立数学模型, 将误差函数输入系统, 占用系统内存较少, 但需要实时计算, 这会占用CPU时间, 因此要求系统具有较高的运算速度。

2.4 伺服系统误差及抑制

伺服系统引起的误差首先应从数控机床设计角度进行抑制, 如选择动态性能好的驱动装置、提高伺服刚度、尽量减小负载惯量等。但在客观条件确定后, 伺服系统误差的抑制就需要从系统参数设置角度考虑, 如选择尽可能高的位置环增益、保证各进给轴的位置开环增益相等。

当今, 随着计算机技术的发展, 伺服系统实现了数字化, 很多过去由硬件完成的工作现在变成由软件来实现, 这就大大增强了伺服系统结构、性能调整的灵活性。现代全数字伺服系统提供了丰富的以提高加工精度为目标的特殊功能, 如插补后直线, 钟型加减速、插补前加减速、根据速度差减速、根据加速度减速、依据圆弧半径进行速度箝制、前馈控制、摩擦转矩补偿等功能, 对数控加工轨迹误差、直拐角和圆拐角误差等都具有非常好的抑制作用。

3结语

综上所述, 数控机床的加工精度不仅受到数控编程中加工路线选择、轨迹拟合、数据处理以及原点确定等的影响, 还受到系统误差中的螺距误差、反向间隙误差、热变形误差以及伺服系统误差的影响。所以我们一定要通过严格控制数控编程的方法以及减少系统误差的方式, 以此大幅度提升数控机床的加工精度。

参考文献

[1]李胜和.浅谈影响数控机床加工精度的两大要素[J].铸造技术, 2009 (5) .

数控机床伺服闭环控制研究 篇9

数控系统中伺服控制系统的设计, 均要考虑稳定性、动态特性、稳态特性、鲁棒性等方面的性能指标。

稳定性:这是伺服控制系统设计的最基本要求。控制系统的稳定性可分为系统内部稳定性和系统外部的稳定性。所谓系统内部的稳定性即在任意初始状态下伺服控制系统都能精准定位;系统外部的稳定性即为伺服控制系统有外部干扰时, 也能自我调节, 使得位移和速度达到控制目标。

动态特性:即系统运行过渡过程的形式和速度, 其中包括响应速度和超调量。系统的响应速度可用系统过渡过程所经历的时间来表示;而超调量是指系统的最大振幅度。一般而言, 不同的系统对动态特性会有不同的要求, 对于数控伺服系统而言, 响应速度越快, 系统跟随误差越小, 控制精度就越高。

稳态特性:当过渡过程结束后, 系统达到稳定状态时, 其被控量的稳态值与望值一致性程度。对于任何数控伺服系统, 由于存在着系统结构、外部干扰、以及内摩擦等非线性因素的影响, 被控量的稳态值与期期望值之间总会有误差存在, 该误差称为稳态误差。稳态误差是衡量控制系统控制精度的重要标志, 有好的稳态误差补偿, 伺服系统将获得良好的位置控制精度和跟踪速度。

鲁棒性:当系统的约束条件发生变化时, 系统的功能特性不会受到什么影响。系统的鲁棒性好, 当参数发生变化时, 系统依然能够保持其稳定性;在过渡过程中, 系统的响应速度和超调量基本上不受参数变化的影响。机床在长期的使用过程中, 有机械磨损及其他硬件的变化, 伺服系统必须保持加工误差在一定范围内, 因此, 鲁棒性很重要。

二、PID算法在数控伺服闭环控制中应用

PID (Proportional Integraland Differen-tial) 控制技术是最早发展起来的控制策之一, 至今已有数十年历史。它以算法简单、鲁棒性好、可靠性高、调整方便等优点而被广泛应用于工业控制中。当被控对象的结构和参数不能完全掌握, 或得不到精确的数学模型时, 系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定, 这时应用PID控制技术最为方便。在实际工程应用中, 根据需要也可用PI控制和PD控制。PID控制器就是根据系统的偏差, 通过比例、积分和微分运算来对控制量进行调节的。

数控伺服闭环速度控制如图1所示, 在数控加工中, 加工轴虽然随着负载特性变化而变化, 但由于采用了PID控制, 可以修正到等于指令速度。

PID控制器作为一种线性控制器, 它将速度指令r (t) 和反馈的实际速度y (t) 进行比较后构成控制偏差e (t) , 再将该偏差按比例 (P) 、积分 (I) 和微分 (D) 通过线性组合构成系统控制量u (t) 来控制驱动器, 输出功率控制伺服电机, 对电机速度进行精确控制。上述PID控制器的输出函数可描述为:

三、PID参数调试的具体方法

以FANUCOi机床为例, 有菜单操作, 显示伺服参数设置画面如图2所示。

当设置驱动器为速度模式控制时, 在完成对伺服驱动器参数的优化后, 引入控制器对速度环的作用。控制器可调的基本伺服参数即为比例常数KP、微分常数Kd以及积分器Ki。控制器滤波传递函数为:

手动调整PID各项参数:

第一, 确定速度比例增益Kp值。当伺服系统安装毕, 必须调整各项PID参数, 使得系统稳定运行。可首先调整速度比例增益Kp值, 因为Kp值是PID参数中对超调影响最大, 可再调整之前将积分增益Ki及微分增益Kd设置为零, 接着逐渐加大Kp值, 主要考量伺服电机停止时是否有振荡现象, 以此手动方式调整Kp参数, 观察电机旋转速度有无明显忽快忽慢现象。若Kp值加大到产生上述现象时, 必须将Kp值降低, 减少超调量, 消除振荡, 稳定旋转速度。以此初步确定Kp值。

第二, 确定积分增益Ki值。逐渐加大积分增益Ki值, 使积分效应逐渐产生。由PID控制原理可知, Kp值配合积分效应增加到临界值后会产生振动不稳定现象, 此时回调Ki值, 消除振荡现象, 稳定旋转速度。此时的Ki值既可为初步确定的参数值。

第三, 调整微分增益Kd值。微分增益主要目的就是平稳旋转速度, 降低超调量, 微分控制也是一种预先控制, 在超调量发生之前做适当的校正。可逐渐加大Kd的值, 改善速度稳定性。

最终, 数控机床伺服闭环控制速度曲线如图3所示。

四、总结

数控机床伺服闭环控制系统的调整主要是针对闭环控制器的PID参数增益进行调整, 使得机床工作误差最小, 达到一个最优状态。其中速度环的调整是整个系统调整中最关键的, 也是最难调整的。通常, 在了解伺服增益的限制因素上, 先调整比例增益参数, 再调试积分参数, 最好调整微分参数。对于每个增益参数的调整, 都是从低慢慢地增加, 以确保系统稳定。

摘要：文章介绍了数控机床伺服闭环控制系统的主要要求, PID控制方法在速度闭环控制的应用, 以FANUC机床为例, 具体阐述了PID参数的调试方法, 具有实际的应用意义。

关键词：伺服系统,闭环控制,PID

参考文献

[1].包杰, 李亮, 何宁.基于PC的开放式数控系统微铣削伺服控制的研究[J].机械科学与技术, 2009 (9) .

数控机床热误差的控制措施 篇10

随着机床制造精度的提高, 机床的热误差在机床的总体误差中所占比重越来越大[1]。据日本京都大学垣野义昭教授[2]的统计表明:在精密加工中, 由机床热变形所引起的制造误差占总制造误差的40%~70%。

国外对机床热变形较系统的理论研究始于20世纪60年代, 研究者们就机床热性能进行了大量的分析。从定性分析阶段到定量分析阶段, 提出了多种与热误差相关的理论。如用解析法和有限元法来进行机床热变形计算和机床优化设计[3], 日本学者提出了“热刚度”的概念[4], 密西根大学吴贤铭制造研究中心开发出可用于几何误差和热误差的综合补偿系统[5]。现在各种建模思想也被广泛应用到数控机床热误差建模研究中。

国内从20世纪50年代开始对机床热变形进行研究, 很多高校和研究院所都展开了有关机床热变形误差的研究工作, 也取得了不错的成绩。如浙江大学提出了热敏感点理论[6], 机床误差Fuzzy前馈补偿策略[7]和精密机械热模态理论[8]。北京机床研究所提出了数控机床误差的综合动态补偿法[9]等。

热误差是影响高精密加工的一个十分重要的因素, 从国内外的研究情况可以看出, 这方面一直是研究的热点, 为了满足高精度工件的加工需求, 就必须解决这一问题。本文总结分析了当前国内外的一些研究方法, 并对今后的发展方向做了展望。

1 热误差产生的原因

数控机床在进行加工时, 不可避免地要产生热, 根据热源所在的部位可以分为两大类, 一类是机床内部产生的热, 另一类是来自机床外部的热。机床内部的热源通常有电机、电主轴、轴承、导轨和丝杠副的摩擦、冷却系统及电器设备产生的热及切削加工时产生的切削热等, 其中发热最严重的是电机和轴承产生的热;目前, 电主轴的广泛应用也使其成为一个核心发热源;其次就是导轨和丝杠副的摩擦热和冷却系统及电器设备产生的热。机床外部的热主要是车间环境温度的波动, 太阳或室内光源的辐射, 工人人体的辐射等。机床加工产生的热主要来自于机床内部部件运转产生的热, 当然外界环境的热也不容忽视。由于内、外热源的影响, 机床床身形成不均匀的温度场, 温度场使得各部件产生了不同的热应力, 促使机床通过结构变形来抵消这些热应力。这种由于机床的结构发生的微小位移变化, 引起的相应加工误差就称为热误差。

2 热变形及温度的测量

目前, 测量机床各部件热变形量的方法有多种, 根据测试元件与被测试件之间关系的不同, 分为接触式和非接触式。由于接触式测量会影响加工过程, 同时也易受到热的影响, 所以测量热变形位移一般采用非接触式测量。常用的仪器有电涡流位移传感器、电容位移传感器和激光干涉仪等。现在也可用激光全息技术来测量位移误差。对机床温度的准确测量有助于了解机床热变形的程度以及由此产生的加工误差, 通常认为机床的热变形量是温度的函数, 研究的目标就是在机床的关键部件上布置最少的温度传感器并能满足所需的补偿精度。温度传感器优化布置常用的方法有:神经网络法、热误差模态分析法、模糊聚类分析法、逐步线性回归法和相关性分析法等。如何选择最佳的温度测点, 温度传感器的优化布置策略, 热敏感点的建模等都是研究的热点。通常用热电阻温度计和热电偶温度计来测量机床各部件的温度, 可用热红外摄像机来测量机床表面的温度场。目前, 一般都是测量机床表面的温度, 对机床内部温度的测量还需进一步研究。

3 热误差控制的方法

围绕如何控制热误差这一问题, 国内外学者进行了大量的研究, 提出了很多种方法。通常是通过温度控制、热态特性优化设计、热误差补偿这3种方法来减小热误差[10]。其中热误差补偿是研究的重点。

3.1 温度控制

近年来温度控制技术和冷却方法都有所发展, 针对机床温度的控制, 已经出现了很多种方法, 如控制机床的冷却系统, 对机床车间的环境温度控制。通过这些措施来保持整机的热稳定性。

调查研究[13]表明, 传统的冷却措施可以减小热误差。同时大量的研究表明, 对机床进行整机水淋或风冷都能极大地提高机床的热稳定性[14]。然而要达到高精度的稳定性用传统的强迫空气对流方法, 风机需要很高的速度, 这就提高了成本。现在有些高精密机床专门配有温度控制罩, 有的甚至用几层温度控制罩来进行精密的温度控制。一些机床温度控制可以达到±0.001℃[15]。

另一方面, 现在更多的考虑到能源的效率问题, 从一台普通机床的实际加工情况来看, 用于控制温度的能源消耗是不容忽视的[16]。如果对加工精度的要求更高, 用于温度控制的能源消耗还要更多。而对于高精密制造, 温度控制仍然是一个关键需求。所以如何在进行温度控制的同时尽可能地减小能量消耗就成了研究的重点。

为了最优利用冷却液, 有的研究是对冷却措施进行控制, 在不影响加工精度的情况下使用最少的冷却液。文献[17]提出了一种基于传递函数的冷却系统控制方法, 极大地提高了冷却的效率。

虽然控制温度能将变形降到很低, 但是需要浪费大量的能源, 在这方面的成本太高, 没有太大的经济效益。

3.2 热态特性优化设计

热态特性优化设计, 就是从形状优化和参数优化出发, 寻求合理的温度分布和刚度分布, 控制机床结构的热位移, 保证加工精度。根据发热源的情况对机床采用“热对称面”设计[18], 当其受热变形后中心线对称位置的变形最小, 减小热误差对加工精度的影响。同时可以改进机床的结构, 使热变形的方向不在影响加工精度的方向上。基于机床各部件热容量不同, 对机床进行热容量平衡设计, 也可减小热误差对加工精度的影响。在机床的设计阶段用有限元仿真的方法对结构复杂的机床进行分析。通过计算机对机床实际情况的模拟, 进行结构优化设计, 也是一种提高加工精度的有效途径。

3.3 热误差补偿

热态特性优化设计虽然提高了机床的加工精度, 但机床的热变形却不能够被充分消除, 如果采取温度控制来减小热误差, 虽然可以得到很高的精度, 但是成本太高。相比较而言, 热误差补偿具有很高的经济性和易于实现, 这也是热误差补偿被重点研究的原因。

热误差补偿分为直接补偿和间接补偿, 直接补偿是误差位移被间接测量和补偿, 例如通过固定在工件上的传感器来测量刀具的相对位移。其缺点是需要打断工作进程去测量所需补偿的位移量。间接补偿是通过基于数学模型的机床控制系统根据输入条件 (如温度, 主轴转速等) 的变化来调整刀具和工件的相对位置。现在的研究主要集中在间接补偿上。其中常见的补偿模型有:多元线性回归、人工神经网络、模糊逻辑、传递函数模型等。各模型都有相应的优缺点, 目前还没有一个特别适用的模型, 针对不同的机床还要做相应的改变。

3.4 其他方法

在机床制造中使用热不敏感材料如混凝土和纤维强化塑料、大理石等可以减小热误差。目前虽有应用但其成本和技术要求都很高, 所以不能广泛应用[19,20]。

吉林省机电研究设计院利用自准直原理设计新型导轨磨床, 这种方法可基本消除由于环境温度变化引起的基础件的热变形[21]。改善热源发热的问题, 如提高滚动轴承的精度, 采用陶瓷轴承和磁力轴承, 改善导轨的摩擦润滑条件 (如采用低摩擦系数的导轨材料或采用静压导轨等) 及改善丝杠, 螺母的运动条件 (如滚动丝杠及液压螺母) , 均是减少机床发热量的重要措施。

对机床加工过程和工件之间的相互作用进行研究, 这尤其适用于大容量部件的处理, 温度影响是个非常大的影响, 为此提出两种减小热变形的方法:一是优化加工的顺序, 二是优化切削参数[22]。文献[23]应用记忆合金与滚珠丝杠副进行整合来控制机床的热变形, 取得了较好的热稳定性结果。

4 结论与展望

随着机床加工精度的不断提高, 减少热误差对加工精度的影响变得越来越重要, 同时对能源效率的重视将使工业生产发生一个根本性的改变, 这两个问题需要统一起来考虑, 市场需要的就是热稳定和能效高的机床。

过去几十年的研究取得了极大的进展, 现在无论是理论分析还是实际应用都有了新的突破。测量仪器的改进及测量方法的提高, 计算机处理能力的提升和一些新的建模方法的出现都会促进热误差分析的进一步发展。

现在的研究方向主要集中在热误差的测量、仿真和补偿方面。对机床加工时机床和工件的相互作用尚没有深入的研究, 这方面的研究还需进一步加强。用新型材料对机床结构进行改进, 已达到减小热误差的目的。机床各部件材料的热膨胀系数、热传导特性与部件间结合面的特性等也应相应地加以研究, 为更精确的模型计算提供支持。