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数控机床机械设计说明-机电系统篇

时间:2021-03-28     作者:山东万汇数控机床有限公司【原创】

精密机械是当今世界机器制造业中实现机电一体化的代表性先进设备,CNC数控机床是一种装有数位控制系统,综合运用了工业电脑、自动控制、精密测量和机械设计等新技术的自动化设备。主要将数位化的刀具移动轨迹的资讯输入到数控装置中,经过解码、运算等,实际控制刀具与工件的相对运动,加工出所需要的零件,即为CNC数控机床。在CNC数控机床机械人才鉴定主要有三大目标包含:1.产业升级转型需要大量高附加价值人才,我国产业升级转型,对可创造高附加价值的人才有大量需求。2.青年学用落差持续存在,产业人才缺口大,学校人才培育跟不上产业发展速度,致使青年缺乏产业急需的专业能力,造成青年低薪难就业、产业人才缺口难缩减。3.配合政策目标,推动培训产业发展由工业局担任培训产业主管机关,以支持产业升级转型所需之企业与个人能力成长,进而扶植培训产业国际化。而一般数控机床主要分为数控车床数控铣床两大类,而相同的机构包含进给系统、主轴等,而不同的机构包含机械结构、控制器、拉刀机构、 ATC、夹头系统与动力刀塔等,其中机械与电控相关技术则对应学校之相关课程包含应用力学、材料力学、动力学、电机原理与控制原理等等,因此如何将学校所学与数控机床相关原理进行对应,可透过CNC数控机床机械人才鉴定进行盘点与分析。本文章主要分为四次进行说明,包含进给系统、主轴系统、结构与控制单元等进行说明。

伺服控制回路系统
在CNC数控机床中需透过伺服控制系统进行运动,以控制数控机床各轴向速度与位置等,其中每一轴向需依控制器所产生指令讯号已进行各别独立驱动,于目前之控制回路系统可区分为开回路、半闭回路和闭回路系统三种模式,其所使用模式系统之不同,将使数控机床之精度有所差异;其应用开回路、半闭回路伺服模式系统之数控机床的精度,会受到驱动系统元件精度与装配误差影响,而应用闭回路系统,因有回馈补偿装置,使得其数控机床精度较佳,其三种回路控制系统特性如下述,相互比较如表1所列:

1.
开回路控制:开回路控制系统中,为控制器单独的计算出马达驱动器作功所需要的电流或电压然而送出讯号。因为没有回授讯号,所以控制器无法得知马达驱动器的动作与位置,如图1所示,所以开回路控制系统完全依照控制器得知之马达驱动器来动作。因此开回路控制的加工精度必须藉由机器本身的精度,例如滚珠导螺杆以及螺帽之间隙、机台滑动面之摩擦、机器本身之组装结构性…等。所以符合其上述所要求之条件才可能达到我们所要之精度结果。
                                             
2.
半闭回路控制:是由伺服系统中,由马达的轴侦测位置以及滚珠导螺杆(Ball Screw)旋转角度的方法称为半闭回路控制。目的是驱动工作台沿着直线方向,侦测马达或滚珠导螺杆的旋转角度,而不直接侦测工作台的位置,再由控制器产生增量式的脉冲信号做为位置指令到伺服驱动器,由伺服驱动器来完成位置回路控制。对于数控机床之各轴(X、Y、Z轴)定位精度约在0.01mm ~ 0.015mm之间,重覆精度约在± 0.001 ~ ± 0.002mm之间。如图2所示半闭回路架构之回授是从马达端回授讯号给控制器。因此精度较不高,主要是热膨胀造成的定位误差。

3.
全闭回路控制是在工作台直接安装侦测器去作回授NC讯号处理的回路之方式,在位置侦测的地方不同之外,大致上与半闭回路控制相同,控制器可以接光学尺作为位置的回授,从机械位置回授讯号给控制器,由于回授讯号为机台位置真实反应出来,全闭回路控制的精度是高于半闭回路控制,如图3为全闭回路控制架构。以立式加工中心精度来说,各轴(X、Y、Z轴)定位精度约在0.002mm ~ 0.005mm之间,重覆精度约在± 0.001 ~ ± 0.002mm之间。

数值控制系统原理与流程
数值控制系统可藉由NC语法的应用,来予以控制系统路径的型态,其大致上可分为两种类型,为点到点之模式与轮廓控制模式,以下将分别进行叙述:

点到点控制系统
点到点(Point to Point,简称PTP)控制系统又可称定位(Positioning)控制系统,点到点控制即是在工件上确定一点或若干点,使刀具经由点到点的移动而达到目标点,其不控制刀具位移运动中的路径方式,仅控制刀具的最后位置。于实际加工中,如G00快速移动(Rapid)、钻孔(Drilling)、搪孔(Boring)、纹孔(Reaming)、攻螺纹(Tapping)、冲孔(Punching)等,均是属于点到点控制的典型运动,其仅适用于定位功能,于切削功能中较不适用。

轮廓控制系统
轮廓控制系统又可称为连续路径(Continuous Path)控制系统,一般于铣削或车削等加工过程中,不仅只有点对点数值控制而已,亦须具有对直线(Straight-line)或曲线轮廓(Contour)的数值控制之切削模式。如图4所示,此有别于前述点对点数值控制,只有定位而不具切削功能,仅在到达目标点后才进行切削加工;而其轮廓控制系统就不相同,必须讨论到切削速率的情况,它须同时驱动多个轴来达成预定位移之路径,因此对于各轴驱动马达之位移速度的匹配性就格外的重要,以下就直线轮廓数值控制及曲线轮廓数值控制来进行说明。

CNC加工流程
实际CNC加工流程,如图5所示,主要分成三大步骤:

步骤一:一般我们会利用CAD系统定义工件的几何图形,此时考虑刀具切削接触点之路径(cutter contact path,简称CC路径),然后再将CC路径资料传送到CAM,经过刀具补正及刀具路径规划,求出实际刀具路径(cutter location path,简称CL路径) 。
步骤二:将NC程式码送入控制器以执行解译(Interpreter),并将解译结果送入运动控制器执行插值(Interpolation)与加减速(Acceleration),获得平滑之参考命令。
步骤三:将控制器产生的参考命令送入伺服回路,最后驱动数控车床执行加工。

一个完整的CNC控制系统,包括了进给轴控制系统、主轴控制系统及周边辅助电路控制系统。进给轴控制系统包括了NC控制软硬体、伺服驱动器、伺服马达、等等,在NC软体方面,除了运动控制模组外,还包括解译器、人机介面、操作模组以及PLC模组。主轴控制系统包括主轴驱动器、主轴马达等等。周边辅助电路系统主要是提供电源、过行程保护、过电流保护等装置,在数控机床机械设计概论中主要评鉴主题为电机原理,如表2所示。

马达选用相关技术
在CNC数控机床应用中马达选用的为重要之课题,因此马达选用考虑因素包含1.负载机构、 2.动作模式、3.负载速度、4.定位精度、5.使用环境等多种重要之相关因素,这些因素为CNC数控机床重要的目标值。

接着如何选用马达的规格,在选用规格主要有参考1.马达容量(W)、2.马达额定转速(rpm)、3.额定扭矩及最大扭矩(N -m)、 4.转子惯量(kg - ㎡)、5.是否需要煞车(制动器)、6.外形尺寸如体积、重量、尺寸等,这些规格为马达选用重要参数。

在马达选用设定上包含1.负载扭力:加速扭力≦马达最大扭力;连续实效负载扭力≦马达额定扭力;消耗回生电力<驱动器内回生容量;负载扭力<马达额定扭力、2.负载惯性矩<3 ~ 5倍马达转子惯性矩、3.最大移动速度<马达最大转速、4.负载率在85%以下、5.马达的扭矩特性,这些相关选用设定皆会影响。
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文章作者:山东万汇数控机床有限公司  www.sdwhjc.com

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