伺服电机论文

前 言机床是人类进行生产劳动的重要工具，也是社会生产力发展水平的重要标志。普通机床经经历了近两百年的历史。随着电子技术、计算机技术及自动化，精密机械与测量等技术的发展与综合应用，生产了机电一体化的新型机床一一数控机床。数控机床一经使用就显示出了它独特的优越性和强大生命力，使原来不能解决的许多问题，找到了科学解决的途径。数控车床是数字程序控制车床的简称，它集通用性好的万能型车床、加工精度高的精密型车床和加工效率高的专用型车床的特点于一身，是国内使用量最大，覆盖面最广的一种数控机床，也是是一种通过数字信息，控制机床按给定的运动轨迹，进行自动加工的机电一体化的加工装备，经过半个世纪的发展，数控机床已是现代制造业的重要标志之一，在我国制造业中，数控机床的应用也越来越广泛，是一个企业综合实力的体现。实 习 报 告 正 文自从走进了大学，就业问题就似乎总是围绕在我们的身边，成了说不完的话题。在现今社会，招聘会上的大字报都总写着“有经验者优先”，可还在校园里面的我们这班学子社会经验又会拥有多少呢？为了拓展自身的知识面，扩大与社会的接触面，增加个人在社会竞争中的经验，锻炼和提高自己的能力，以便在以后毕业后能真正真正走入社会，能够适应国内外的经济形势的变化，并且能够在生活和工作中很好地处理各方面的问题，在这个假期里我开始了自己的校外实习。.，把所学的理论知识，运用到客观实际中去，使自己所学的理论知识有用武之地。只学不实践，所学的就等于零,理论应该与实践相结合.另一方面，实践可为以后找工作打基础.通过这段时间的实习，学到一些在学校里学不到的东西。因为环境的不同，接触的人与事不同，从中所学的东西自然就不一样了。要学会从实践中学习，从学习中实践.而且在中国的经济飞速发展，又加入了世贸，国内外经济日趋变化，每天都不断有新的东西涌现，在拥有了越来越多的机会的同时，也有了更多的挑战，中国的经济越和外面接轨，对于人才的要求就会越来越高，我们不只要学好学校里所学到的知识，还要不断从生活中，实践中学其他知识，不断地从各方面武装自已，才能在竞争中突出自已，表现自已。1. F功能 F功能指令用于控制切削进给量。在程序中，有两种使用方法。(1)每转进给量 编程格式 G95 F~ F后面的数字表示的是主轴每转进给量，单位为mm/r。如：G95 表示进给量为 mm/r。(2)每分钟进给量编程格式G94 F~F后面的数字表示的是每分钟进给量，单位为 mm/min。如：G94 F100 表示进给量为100mm/min。2. S功能S功能指令用于控制主轴转速。编程格式 S~S后面的数字表示主轴转速，单位为r/min。在具有恒线速功能的机床上，S功能指令还有如下作用。(1)最高转速限制设定加工坐标系编程格式 G50 S～S后面的数字表示的是最高转速：r/min。如：G50 S3000 表示最高转速限制为3000r/min。(2)恒线速控制 编程格式 G96 S～ S后面的数字表示的是恒定的线速度：m/min。 如：G96 S150 表示切削点线速度控制在150 m/min。(3)恒线速取消 编程格式 G97 S～ S后面的数字表示恒线速度控制取消后的主轴转速，如S未指定，将保留G96的最终值。如：G97 S3000 表示恒线速控制取消后主轴转速3000 r/min。3. T功能T功能指令用于选择加工所用刀具。编程格式 T～T后面通常有两位数表示所选择的刀具号码。但也有T后面用四位数字，前两位是刀具号，后两位是刀具长度补偿号，又是刀尖圆弧半径补偿号。例：T0303 表示选用3号刀及3号刀具长度补偿值和刀尖圆弧半径补偿值。T0300 表示取消刀具补偿。4. M功能M00： 程序暂停，可用NC启动命令（CYCLE START）使程序继续运行；M01：计划暂停，与M00作用相似，但M01可以用机床“任选停止按钮”选择是否有效；M03：主轴顺时针旋转；M04：主轴逆时针旋转；M05：主轴旋转停止；M08：冷却液开；M09：冷却液关；M30：程序停止，程序复位到起始位置。5. 加工坐标系设置G50编程格式 G50 X～ Z～式中X、Z的值是起刀点相对于加工原点的位置。G50使用方法与G92类似。在数控车床编程时，所有X坐标值均使用直径值，如图所示。如：按图设置加工坐标的程序段如下：G50 . 快速定位指令G00G00指令命令机床以最快速度运动到下一个目标位置，运动过程中有加速和减速，该指令对运动轨迹没有要求。其指令格式：G00 X(U)____ Z(W)____；当用绝对值编程时，X、Z后面的数值是目标位置在工件坐标系的坐标。当用相对值编程时，U、W后面的数值则是现在点与目标点之间的距离与方向。如图所示的定位指令如下：G50 ; 设定工件坐标系G00 ； 绝对值指令编程A→C或G00 ； 相对值指令编程A→C因为X轴和Z轴的进给速率不同，因此机床执行快速运动指令时两轴的合成运动轨迹不一定是直线，因此在使用G00指令时，一定要注意避免刀具和工件及夹具发生碰撞。如果忽略这一点，就容易发生碰撞，而快速运动状态下的碰撞就更加危险7. 直线插补指令G01G01指令命令机床刀具以一定的进给速度从当前所在位置沿直线移动到指令给出的目标位置。指令格式：G01 X(U)____Z(W)____F ；其中F是切削进给率或进给速度，单位为mm/r或mm/min，取决于该指令前面程序段的设置。使用G01指令时可以采用绝对坐标编程，也可采用相对坐标编程。当采用绝对坐编程时，数控系统在接受G01指令后，刀具将移至坐标值为X、Z的点上；当采用相对坐编程时，刀具移至距当前点的距离为U、W值的点上。如图所示的直线运动指令如下：G01 Z20. ; 绝对值指令编程G01 ; 相对值指令编程8. 圆弧插补指令G02、G03圆弧插补指令命令刀具在指定平面内按给定的F进给速度作圆弧插补运动，用于加工圆弧轮廓。圆弧插补命令分为顺时针圆弧插补指令G02和逆时针圆弧插补指令G03两种。其指令格式如下： 顺时针圆弧插补的指令格式：G02 X(U)____Z(W)____I____K____F____； G02 X(U)____Z(W)___R___ F____；逆时针圆弧插补的指令格式：G03 X(U)____Z(W)____ I____K____F____；； G03 X(U)____Z(W)___R___ F____；使用圆弧插补指令，可以用绝对坐标编程，也可以用相对坐标编程。绝对坐标编程时，X、Z是圆弧终点坐标值；增量编程时，U、W是终点相对始点的距离。圆心位置的指定可以用R，也可以用I、K，R为圆弧半径值；I、K为圆心在X轴和Z轴上相对于圆弧起点的坐标增量; F为沿圆弧切线方向的进给率或进给速度。当用半径R来指定圆心位置时，由于在同一半径R的情况下，从圆弧的起点到终点有两种圆弧的可能性，大于180°和小于180°两个圆弧。为区分起见，特规定圆心角α≤180°时，用“+R”表示；α>180°时，用“-R”。注意：R编程只适于非整圆的圆弧插补的情况，不适于整圆加工。例如，图3-13中所示的圆弧从起点到终点为顺时针方向，其走刀指令可编写如下：G02 ； 绝对坐标，直径编程，切削进给率 ； 相对坐标，直径编程，切削进给率 X 50. 0 ； 绝对坐标，直径编程，切削进给率 ； 相对坐标，直径编程，切削进给率. 暂停指令G04G04指令用于暂停进给，其指令格式是：G04 P____或G04 X(U)____ 暂停时间的长短可以通过地址X(U)或P来指定。其中P后面的数字为整数，单位是ms；X(U)后面的数字为带小数点的数，单位为s。有些机床，X(U)后面的数字表示刀具或工件空转的圈数。 该指令可以使刀具作短时间的无进给光整加工，在车槽、钻镗孔时使用，也可用于拐角轨迹控制。例如，在车削环槽时，若进给结束立即退刀，其环槽外形为螺旋面，用暂停指令G04可以使工件空转几秒钟，即能将环形槽外形光整圆，例如欲空转时其程序段为： G04 或G04 或G04 P2500； G04为非模态指令，只在本程序段中才有效。10. 英制和米制输入指令G20、G21G20表示英制输入，G21表示米制输入。G20和G21是两个可以互相取代的代码。机床出厂前一般设定为G21状态，机床的各项参数均以米制单位设定，所以数控车床一般适用于米制尺寸工件加工，如果一个程序开始用G20指令，则表示程序中相关的一些数据均为英制(单位为英寸)；如果程序用G21指令，则表示程序中相关的一些数据均为米制(单位为mm)。在一个程序内，不能同时使用G20或G21指令，且必须在坐标系确定前指定。G20或G21指令断电前后一致，即停电前使用G20或G21指令，在下次后仍有效，除非重新设定。11. 进给速度量纲控制指令G98、G99在数控车削中有两种切削进给模式设置方法，即进给率(每转进给模式)和进给速度(每分钟进给模式)。（1）进给率，单位为mm/r，其指令为：G99； 进给率转换指令G01X____Z____F____； F的单位为mm/r(2)进给速度，单位为mm/min，其指令为： ．G98； 进给速度转换指令G01X____Z____F____； F的单位为mm/min G98和G99都是模态指令，一旦指定就一直有效，直到指定另一方式为止。车削CNC系统缺省的进给模式是进给率，即每转进给模式，只有在用动力刀具铣削时才采用每分钟进给模式。12. 参考点返回指令G27、G28、G30参考点是CNC机床上的固定点，可以利用参考点返回指令将刀架移动到该点。可以设置最多四个参考点，各参考点的位置利用参数事先设置。接通电源后必须先进行第一参考点返回，否则不能进行其它操作。参考点返回有两种方法：(1)手动参考点返回。(2)自动参考点返回。该功能是用于接通电源已进行手动参考点返回后，在程序中需要返回参考点进行换刀时使用的自动参考点返回功能。自动参考点返回时需要用到如下指令：（1）返回参考点检查G27G27用于检验X轴与Z轴是否正确返回参考点。指令格式为：G27 X(U)____ Z(W)____ X(U)、Z(W)为参考点的坐标。执行G27指令的前提是机床通电后必须手动返回一次参考点。执行该指令时，各轴按指令中给定的坐标值快速定位，且系统内部检查检验参考点的行程开关信号。如果定位结束后检测到开关信号发令正确，则参考点的指示灯亮，说明滑板正确回到了参考点位置；如果检测到的信号不正确，系统报警，说明程序中指令的参考点坐标值不对或机床定位误差过大。（2）参考点返回指令G28、G30 G28 X(U) ____ Z(W) ____； 第一参考点返回，其中X(U)、Z(W)为参考点返回时的中间点，X、Z为绝对坐标，U、W为相对坐标。参考点返回过程如图3-14所示。 G30 P2 X(U)____ Z(W)____； 第二参考点返回，P2可省略 G30 P3 X(U)____ Z (W)____； 第三参考点返回 G30 P4 X(U)____ Z(W)____； 第四参考点返回 第二、第三和第四参考点返回中的X(U)、Z (W)的含义与G28中的相同。刀具返回参考点的过程，刀具从当前位置经过中间点(190，50)返回参考点，其指令为：G30 X190 Z50；G30 U100 W30。数控机床一般由输入装置、数控系统、伺服系统、测量环节和机床本体(组成机床本体的各机械部件)组成。如数控机床组成示意图所示。数控机床组成示意图1) 输入输出装置操作面板它是操作人员与数控装置进行信息交流的工具组成：按钮站/状态灯/按键阵列/显示器。下图为西门子的一款数控系统的操作面板，控制介质人与数控机床之间建立某种联系的中间媒介物就是控制介质，又称为信息载体。常用的控制价质有穿孔带、穿孔卡、磁盘和磁带。人机交互设备数控机床在加工运行时，通常都需要操作人员对数控系统进行状态干预，对输入的加工程序进行编辑、修改和调试，对数控机床运行状态进行显示等，也就是数控机床要具有人机联系的功能。具有人机联系功能的设备统称人机交互设备。常用的人机交互设备有键盘、显示器、光电阅读机等。通讯 现代的数控系统除采用输入输出设备进行信息交换外，一般都具有用通讯方式进行信息交换的能力。它们是实现CAD/CAM的集成、FMS和CIMS的基本技术。采用的方式有：串行通讯（RS-232等串口）自动控制专用接口和规范（DNC方式，MAP协议等）网络技术（internet，LAN等）。DNC是Direct Numerical Control或Distributed Numerical Control英文一词的缩写，意为直接数字控制或分布数字控制。2) 计算机数控（CNC）装置数控装置是数控机床的中枢。CNC装置(CNC单元)组成：计算机系统、位置控制板、PLC接口板，通讯接口板、特殊功能模块以及相应的控制软件。作用：根据输入的零件加工程序进行相应的处理（如运动轨迹处理、机床输入输出处理等），然后输出控制命令到相应的执行部件(伺服单元、驱动装置和PLC等)，所有这些工作是由CNC装置内硬件和软件协调配合，合理组织，使整个系统有条不紊地进行工作的。CNC装置是CNC系统的核心3) 进给伺服驱动系统 进给伺服驱动系统由伺服控制电路、功率放大电路和伺服电动机组成。伺服驱动的作用，是把来自数控装置的位置控制移动指令转变成机床工作部件的运动，使工作台按规定轨迹移动或精确定位，加工出符合图样要求的工件，即把数控装置送来的微弱指令信号，放大成能驱动伺动电动机的大功率信号。常用的伺服电动机有步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机。根据接收指令的不同，伺服驱动有脉冲式和模拟式，而模拟式伺服驱动方式按驱动电动机的电源种类，可分为直流伺服驱动和交流伺服驱动。步进电动机采用脉冲驱动方式，交、直流伺服电动机采用模拟式驱动方式。4) 机床电气控制机床电气控制包括两个方面，可如图所示箭头所指的内容。PLC（可编程的逻辑控制器）用于完成与逻辑运算有关顺序动作的I/O控制，而机床I/O电路和装置则是用来 实现I/O控制的执行部件，由继电器、电磁阀、行程开关、接触器等组成的逻辑电路；5) 测量装置数控机床中的测量装置数控机床中的反馈系统的工作，反馈系统的作用是通过测量装置将机床移动的实际位置、速度参数检测出来，转换成电信号，并反馈到CNC装置中，使CNC能随时判断机床的实际位置、速度是否与指令一致，并发出相应指令，纠正所产生的误差。在其它的控制领域，测量装置也有其应用机械手中的控制电机与测量装置测量装置安装在数控机床的工作台或丝杠上，按有无检测装置，CNC系统可分为开环和闭环系统，而按测量装置安装的位置不同可分为闭环与半闭环数控系统。开环控系统无测量装置，其控制精度取决于步进电机和丝杠的精度，闭环数控系统的精度取决于测量装置的精度。因此，检测装置是高性能数控机床的重要组成部分。6) 机床本体数控机床的机械部件包括：主运动部件，进给运动执行部件，如工作台、拖板及其传动部件，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。数控机床是高精度和高生产率的自动化加工机床，与普通机床相比，应具有更好的抗振性和刚度，要求相对运动面的摩擦因数要小，进给传动部分之间的间隙要小。所以其设计要求比通用机床更严格，加工制造要求精密，并采用加强刚性、减小热变形、提高精度的设计措施。辅助控制装置包括刀库的转位换刀以上是一般数控车床的组成结构，在实习的过程中，我了解了一下公司生产的CJK0620型的数控机床，它由以下单元组成：变频器（型号lnovance），两个全数字交流伺服单元（型号 SD20B），控制变压器（型号BK1500，容量,频率50-60HZ，机级电压380V，次级电压220V），控制变压器（型号BK150，容量150V/A，频率50-60HZ，绝缘等级B，机级电压380V，次级电压11-12：36V；11-13：220V），风扇一个，丝杆两个，工作台，两个交流伺服电机，刀架，润滑装置，拖板等等 尾 声时光如流水，两周的时间转眼即逝，这次实习给我的体会是： ① 通过这次实习我们了解了现代数控机床的生产方式和工艺过程。熟悉了一些材料的成形方法和主要机械加工方法及其所用主要设备的工作原理和典型结构、工夹量具的使用以及安全操作技术。了解了数控机床方面的知识和新工艺、新技术、新设备在机床生产上的应用。 ② 在数控机床的生产装配以及调试上，具有初步的独立操作技能。 ③ 在了解、熟悉和掌握一定的数控机床的基础知识和操作技能过程中，培养、提高和加强了我的动手能力、创新意识和创新能力。 ④ 这次实习，让我们明白做事要认真小心细致，不得有半点马虎。同时也培养了我们坚强不屈的本质，不到最后一秒决不放弃的毅力！ ⑤培养和锻炼了劳动观点、质量和经济观念，强化遵守劳动纪律、遵守安全技术规则和爱护国家财产的自觉性，提高了我们的整体综合素质。 是的，课本上学的知识都是最基本的知识，不管现实情况怎样变化，抓住了最基本的就可以以不变应万变。如今有不少学生实习时都觉得课堂上学的知识用不上，出现挫折感，可我觉得，要是没有书本知识作铺垫，又哪应付瞬息万变的社会呢？经过这次实习，虽然时间很短，可我学到的却是我一个学期在学校难以了解的。就比如何与同事们相处，相信人际关系是现今不少大学生刚踏出社会遇到的一大难题，于是在实习时我便有意观察前辈们是如何和同事以及上级相处的，而自己也尽量虚心求教。要搞好人际关系并不仅仅限于本部门，还要跟别的部门例如市场部的同事相处好，那工作起来的效率才高，人们所说的“和气生财”在我们的日常工作中也是不无道理的。而且在工作中常与前辈们聊聊天不仅可以放松一下神经，而且可以学到不少工作以外的事情，尽管许多情况我们不一定遇到，可有所了解做到心中有底，也算是此次实习的其中一个目的了。 很快我们就要步入社会，面临就业了，就业单位不会像老师那样点点滴滴细致入微地把要做的工作告诉我们，更多的是需要我们自己去观察、学习。不具备这项能力就难以胜任未来的挑战。随着科学的迅猛发展，新技术的广泛应用，会有很多领域是我们未曾接触过的，只有敢于去尝试才能有所突破，有所创新。就像我在实习中接触到的零件的加工，虽然它的危险性很大，但是要亲自去操作而且要作出成品，这样就锻炼了我敢于尝试的勇气。

浅论运动控制新技术在机械工业自动化中的应用 摘要：目前,运动控制新技术已经逐渐发展成熟。运动控制新技术在机械工业自动化领域中得到推广和应用,必将促进机械工业自 动化的发展。本文从四个方面探讨了运动控制新技术在机械工业自动化中的应用。 关键词：运动控制新技术机械工业 随着现代科学技术的快速发展,高新 技术不断引导传统产业实施变革。机械工 业作为传统产业之一,在这种潮流的影响 下也在逐渐开展一场大规模的机电一体化 技术革命。随着电子计算机技术、电子电 力技术和传感器技术的发展,各个国家的 机电一体化产品层出不穷。在机电一体化 技术迅速发展的同时,运动控制技术作为 其关键的组成部分,也得到了前所未有的 发展和进步。本文主要介绍全闭环交流伺 服驱动技术、可编程计算机控制器、直线 电机驱动技术和运动控制卡等几项具有代 表性的新技术。 1全闭环交流伺服驱动技术 交流伺服系统在一些定位精度或动态 相应要求比较高的机电一体化产品中的应 用越来越广,其中数字式交流伺服系统更 符合目前数字化控制模式这一潮流,并且 这一系统使用简单,便于调试。数字是交 流伺服系统运用先进的数字信号处理器作 为驱动器的主要组成部分,可以对电机轴 后端的光电编码器进行位置采样,从而在 驱动器和电机之间构成位置和速度的闭环 控制系统,并且充分发挥数字信号处理器 的高速运算能力,进而自动完成整个伺服 系统的增益调节,甚至还可以跟踪负载的 变化,实时调节系统增益。 这种数字式交流伺服系统在一般工作 在半闭环的控制方式中,也就是伺服电机上 的编码器既要作为速度环,同时也要作位置 环。但是这种控制方式存在一个弊端,也就 是不能克服和补偿传动链上的间隙和误差。 为了能够实现更高的控制精度,一般应该在 最终的运动部分安装上高精度的检测元件, 从而实现全闭环控制。相对比较传统的全 闭环控制方法是伺服系统只是接受速度指 令,完成对速度环的控制,而位置环的控制 是由上位控制器来完成的。这样,就增加了 上位控制器的难度,也在一定程度上阻碍了 伺服系统的推广和应用。 目前,国外的数字式伺服系统发展比 较好,出现了能够很好地实现高精度自动 化设备的运行,这就是全闭环数字式伺服 系统。这一系统能够有效克服上述半闭环 控制系统存在的问题,伺服驱动器可以直 接采用装在最后一级机械运动部件上的位 置反馈元件作为位置环,电机上的编码器 只是作为速度环。这样一来,伺服系统就 可以消除机械传统上存在的间隙,也可以 补偿机械传动件的制造误差,从而实现真 正的全闭环位置控制功能,得到较高的定 位精度。 2计算机控制器技术 目前,可编程计算机控制器已经成为 新一代可编程控制器。与传统的可编程控 制器相比,可编程计算机控制器最大的特 点在于它类似于大型计算机得分是多任务 操作系统和多样化的应用软件的设计。传 统的可编程控制器大多采用单任务的时钟 扫面或监控程序来处理程序本身的逻辑运 算指令和外部的I/O通道的状态才与与刷 新。结果是这样的处理方式直接导致了可 编程控制器的控制速度主要有应用程序的 大小来决定,这与I/O通道中高实时性的 控制要求并不相符。但是,可编程计算机 控制器却能完全解决这个问题,主要表现 在可编程计算机控制器采用了分时多任务 机制打造应用程序的运行平台,这样应用 程序的运行周期与程序的大小没有必然的 联系,而是由操作系统的循环周期来决定 时间的长短。因此,可编程计算机控制器 能将应用程序的扫描周期同外部的控制周 期分开来,从而满足了实时控制的要求。 随着电子计算机中央处理器技术的发展, 电子计算机处理数据的能力极大地提高, 这就为可变成计算机控制器提供了相应的 硬件技术支持。 可编程计算机控制器在工业控制中已 经显现出了强大的优势功能,体现了可编 程控制器与工业控制计算机及分布式工业 控制系统技术的相互融合。虽然说这一技 术的发展历程并不长,还仍是一项正被探 索的技术,但是其被越来越多地应用到各 个领域中,显示出了强大的生机与潜力。 3直线电机驱动技术 机床进给伺服系统中应用直线电机技 术,近些年来得到了世界范围内机床行业的 重视,特别是在西欧的发达工业地区,已经 出现了“直线电机热”这一高潮。在机床 的进给系统中,运用直线电机直接驱动比原 旋转电机传动的最大优势是取消了从电机 到工作台之间的机械传动环节,进而将机床 进给传动链的长度缩短为零,因此这种传动 方式有被称为“零传动”。正是因为这种“零 传动”的方式,给机床带来了原旋转电机驱 动方式无法达到的性能和优势。 这些性能和优势主要体现在：快速响 应。由于伺服系统中直接取消了一些响应 时间较长的机械传动建,使得整个闭环控 制系统的反应速度大大提高,变得快速直 接；高精度。直线驱动系统取消了由丝杠 等机械结构所产生的传动间隙和误差,减 少了插补运动时因传动系统之后所可能带 来的跟踪误差,运用直线定位检测反馈控 制,大大提高了机床的定位精度；高传动 刚度。由于直接驱动避免了气动、变速和 换向时因为中间传动环节的弹性变形、摩 擦磨损和反向间隙所造成的运动滞后现 象,提高了传动刚度；行程长度不受限制。 在导轨上通过串联直线电机,可以无限制 地延长其行程长度,具有过去间接驱动系 统所无法比拟的优势；噪音低。由于现代 工业生产所要求的排放的噪音具有一定的 指标,而直接驱动系统由于取消了传动丝 杠等部件的机械摩擦,同时其导轨又可以 采用滚动式或者磁悬浮式,因而大大降低 了运动时所产生的噪音；高效率。无中间 传动环节,消除了机械摩擦时的能量损耗, 大大提高了传动效率。 4运动控制卡 运动控制卡是一种上位控制单元,主 要运用于工业电子计算机和各种运动控制 场合上。之所以运动控制卡能够出现,主 要体现在以下几个方面：首先,为了满足 新型数控系统的标准化、柔性和开放性的 需求。运动控制卡可以自行调节,来达到 上述要求；其次,对运动控制模块硬件平 台的需求。当前,各种工业设备、国防装备 制造与操作、医疗智能设备在进行自动控 制系统研制和改造过程中急需运动控制模 块硬件平台,而运动控制卡则能满足上述 要求；第三,发挥电子计算机功能的需求。 电子计算机在各种工业现场的应用,要求 配备相应的控制卡来提高电子计算机的性 能和功能。 目前,由于运动控制模式在国外自动 化设备的控制系统中相当流行,因而运动 控制卡耶行程了一个独立专门行业,不少 国外的公司专业从事运动控制卡的研发, 在国内,也有同类产品的出现,并已经被成 功地应用到数控打孔机、汽车零部件性能 检验等自动化设备上。 参考文献 [1]江平宇.网络化计算机辅助设计与制造 技术(第1版)[M].北京：机械工业出版 社,2004. [2]王德祥.柔性控制技术在包装机械自动 化中的应用[J].石油化工应用,2007(4). [3]冯衡滨.试论我国机械自动化技术的发 展[J].民营科技,2008(2).

基于PLC的数控机床电气控制简析摘要：对数控机床电气控制系统的控制方式、系统功能、主要实现部件，进行了选择和分析，然后给出一个完整的基于PLC的数控机床电气控制系统工作原理方案。关键词：PLC；数控机床；电气控制目前数控机床相关技术的发展，不仅要对各机床各个坐标轴的位置进行连续控制外，而且需要对机床主轴停止、转向和进给运动的启动和停止、刀库及换刀机械手控制、切削液开关、夹具定位等动作，进行特性次序控制。特定次序的控制信息，由输入/输出控制，如控制开关、行程开关、压力开关、温度开关等输入元件，继电器、接触器和电磁阀等输出元件控制，同时还包括主轴驱动和进给伺服驱动的使能控制和机床报警处理等[1~5]。随着可编程序控制器（PLC）技术的发展，上述综合功能是可以由数控机床中的可编程序控制器来完成的[1~2]。它是由输入部分，逻辑部分和输出部分组成，输入部分收集并保存被控制部分实际运行的数据，逻辑部分处理输入部分所取得的信息，并判断哪些功能需做出输出反应。输出部分提供正在被控制的许多装置中，哪几个设备需要实时操作处理。笔者基于PLC控制来分析对一类数控机床的电气控制设计，主要包括对控制方式的选择和分析；对电气控制系统中的主要实现部件进行分析和选用，以及提出完整的基于PLC的数控机床电气控制系统工作原理方案。1基于P LC的数控机床电气控制方式的选择数控机床电气控制方式优劣，决定了控制系统的成败[3,5]。本文所提及的系统，要控制机床实现高速高精度的加工，所以系统的性能至关重要：首先要根据预定要求和被控对象的特征、控制精度、系统运行速度等限制进行了综合考虑，同时，充分考虑系统的性能价格比等因素，确定X、Y轴采用PC机+运动控制器+电机+光栅尺的方式进行闭环控制。采用此种方式，PC机发挥了强大的文件处理功能、人机交互功能以及高速的数据处理功能，运动控制器则体现了高可靠性、高速性、高精度等优点，光栅尺则为系统提供了高达1μm的精度的位置信息。同时，运动控制器可以接入机床的各种传感器，并及时做出处理，提高了整个系统的可靠性和稳定性。运动控制卡只能接入少数几根轴，而运动控制器可以大量扩展轴的数目，为系统以后的升级带来便利。运动控制器同时还可以通过一个标准接口接入一个PLC系统，即运动控制器同时可以执行PLC功能。2数控机床的功能分析本文分析的数控机床，是一拖四的机床，有X、Y轴和四个Z轴上的伺服电机，来进行工作台定位；X、Y、Z轴可以联动，四个Z轴可以同时运动，也可以分开运动。为了提高加工精度，工作台的X、Y轴运动，利用光栅尺实现全闭环控制，对工作台进行精确定位。通过外扩模拟量I/O点对高速变频器进行控制，实现四个主轴电机可以进行启停分开控制，转速同步控制。X、Y轴进行两侧硬限位和软限位双重保护，对Z轴下侧进行软硬限位。主轴转速高达16万r/min，实现较高的加工效率，并配备专用的冷却水泵对电机进行冷却，同时实时检测电机温度，提供温度保护。为每根主轴安装机械手和刀库，实现自动换刀和手动换刀可选择。为了提高加工质量，机械手换刀后，进行刀具深度和位置检测。加工过程中，实时检测刀具磨损以及断刀情况，出现刀具失效，可以自动通过机械手换刀或者提示操作者手动换刀。为了稳定加工，系统具有高速的上下位机通讯功能，上位机可以随时对下位机进行控制，下位机也把各种信息传到上位机。3电气控制系统组成控制系统由PC机(工控机)，SIMOTION，电源模块，电机模块，电机，光栅尺，SMC30(传感器模块)，分布式1/0ET200M(包括数字量模块和模拟量模块)，机械手，主轴变频器，高速主轴以及多个传感器以及限位开关组成。具体的分析及其选用如下：上位机上位机是一台PC机(工控机)，主要负责从加工文件中读取需要数控机床加工流程（以钻孔为例）的钻孔的孔位和孔径信息，以及为用户提供友好的界面设定加工参数，最后通过TCP/IP协议，把这些数据传到运动控制器。 S IMOTION运动控制器SIMOTION D是整个控制系统地核心，所以SIMOTION D的运行速度和可靠性，会对整个系统产生决定性影响。本系统选择的SIMOTIOND内部结构，是由西门子PLC5300和西门子的运动控制CPU组合而成，所以继承了PLC工业运用上的高可靠性优点，同时也继承了运动控制系统对运动控制的灵活性。SIMOTION是一个全新的西门子运动控制，它是世界上第一款针对生产机械而设计的控制系统。SIMOTION的目的是为实现各种运动控制任务提供一种简单、灵活的控制系统。为了确保成为最佳的控制方案，SIMOTION的功能得到了很大程度的扩展。SIMOTION主要有三大功能：（1）运动控制；（2）逻辑控制，例如，对输入信号的逻辑门处理，以及对输出信号的分析与赋值；（3）工艺控制，例如压力控制、温度控制等。目前SIMOTION面向的行业，主要是运动复杂、速度及精度的要求较高的制造机械、包装机械，橡塑机械，锻压机械，纺织机械，以及其他生产机械领域。电源模块一般变频器的工作方式，为先把一定频率的交流电变为直流电，再由逆变器把直流电变为指定频率的交流电。SIMO-TION运动控制系统，采用通过电源模块把工业交流电变为直流电，再分配给多个电机模块的方式。电源模块分为可调电源模块和不可调电源模块。可调电源模块，可以根据参数把它转化出来的直流电稳定到一个指定的可变值，并且具有与SIMOTION通信的功能；不可调电源模块，只能输出一个固定的直流电压，而且不能同SIMOTION通信。电机模块电机模块主要是把540V或600V的直流电，逆变成指定频率的三相交流电，供给电机使用。目前的电机模块有两种类型：书本型和装机装柜型。书本型又分为单轴电机模块和双轴电机模块，单轴为3-200A；双轴为3-18A；电机模块和主控单元之间通过DRIVE-CLIQ接口，进行快速数据交换。因为要对X、Y和四个Z轴进行伺服控制，所以采用3个书本型双电机控制模块，来对6个轴进行控制。伺服电机伺服电机是数控系统的动力提供者，本系统的X、Y和4个Z轴，都采用的是高动态相应的交流伺服电机。电机可以进行矢量控制和伺服控制，电机上还带有旋转编码器，用来组成一个电机位置闭环系统，实现对电机的精确控制。电机本身所带编码器的精度在10μm左右。电机也具有DRIVE-CLIQ接口，可以实时上传电机的状态参数，在系统自动组态时，可以上传自己的铭牌数据，极大地方便了系统组态。同时电机上边全部用标准安全接口，为电机接线时，只需把相应的插头插入即可。光栅尺西门子伺服电机本身带有编码器，但是电机编码器的精度只能达到10μm，离要求的5μm差距较大。所以用外部光栅尺检测工作台的位置，并把精确的位置信息通过SMC30(传感器模块)转换成标准信号，传递给SIMOTION进行处理。光栅尺选用业界知名的RENISHAW公司产品中的RG4系列。变频器数控机床的主轴速度，要求的非常高(12万r/min以上)，所以为了对高速主轴进行控制，要选择一种高速变频器。台达V系列可以满足高速主轴的频率要求。由于SIMOTION上没有用来同台达变频器进行通信的485串口，所以对台达变频器的控制，采用模拟量控制方式。方案为SIMOTION D扩展ET200M获得模拟量I/O来对台达变频器进行控制。高速主轴机床的主轴采用西风的F16 160000RPM高效率PCB钻孔主轴，采用全流道冷却系统，是一种高精度、高寿命、高稳定性的全功能PCB钻孔主轴。刀具加紧方式，采用启动夹紧方式，冷却系统则为干净的水循环利用，不能使用去离子水。为了对独一主轴进行保护，主轴内置NTC温度控制系统。其他传感器（）lOMRON接进开关。本系统对工作台的回零，采用外部标志加编码器零位方式回零，工作台回零时的外部标记用接近开关来实现，同时4个Z轴限位，也是通过接进开关来实现的。本控制系统的限位回零采用此接近开关。（2）深度检测系统。本系统可以采用机械手自动换刀或者手动换刀，由于换刀过程中，会出现刀具的夹装位置不同，造成钻孔深度不同，也会出现刀具安装倾斜等情况。NCPCB ToolSetting Device(刀具检测系统)可以在自动换刀或者手动换刀后，进行检测刀具深度以及方向是否正确。4电气控制系统总体工作方案设计如图1所示，为该电气控制系统总体工作方案原理图。该电气控制系统总体工作方案是：PC机读取文件信息，把数据传递给SIMOTION D；SIMOTION D再根据这些收到的数据，控制电机模块驱动电机，带动工作台进行位置控制；光栅尺实时检测工作台的位置信息，并传递给SIMOTION D，实现对工作台进行位置调整，满足对位置的精度要求。由于光栅尺信号不能由SIMOTION D直接识别，所以通过传感器模块SMC30转换为标准的信号，传递给SIMOTION D。被ET200M从SIMOTION D接收到主轴的转速信息，通过模拟量模块输出一个相应的电压，控制变频器驱动主轴转动。工作台的工作状态，可以通过多个传感器(如接近开关、断刀检测传感器、深度检测传感器等)检测到并传入系统。这些传感器的信号先送到SIMOTION的扩展模块ET200中，再送入SIMOTION中，运用SIMOTION强大的工艺处理、逻辑处理能力，对这些信号进行处理，从而完成整个的加工任务。5结束语数控设备在我国已广泛生产和应用，但水平还不高，这严重制约着我国生产加工工艺的提高。究其原因，主要体现在电气控制部分。本文给出的数控机床电气控制思想和方法，经过长期运行，证明其设计合理，控制精度高，性能可靠，能大大提高生产效率和质量，不失为一种优秀的数控电气控制方案。参考文献：[1]李华.PLC在数控机床控制系统中的应用[J].职业圈，2007，(07X):158-159.[2]李纪三，舒朝君，刘永喜.PLC在数控机床功能控制中的应用[J].机床电器，2008，35(2):12-14.[3]仲兴国.利用PLC进行数控机床故障维修的方法[J].制造技术与机床，2008，(6):144-146.[4]卢成斌.PLC和变频器在车床数控改造中的应用[J].数控机床市场，2008，(1):94-96.[5]李铁军，张淑敏.PLC在数控机床电气控制方面的应用[J].机械工程师，2005，(9):23-25.