(高职)数控机床电气控制全套课件.ppt

机电专业机电专业数控机床电气控制数控机床电气控制 教材教材数控机床电气控制数控机床电气控制 本课程教学手段本课程教学手段教师为辅教师为辅以职业为核心以职业为核心学生为主学生为主以行动为导向以行动为导向 课程定位课程定位n数控机床维修安全操作能力数控机床维修安全操作能力n数控机床电气线路试验能力数控机床电气线路试验能力n电气元件的识别能力电气元件的识别能力n典型机床电气线路分析能力典型机床电气线路分析能力n典型数控装置应用能力典型数控装置应用能力n数控机床的维修管理能力数控机床的维修管理能力n数控机床驱动装置分析能力数控机床驱动装置分析能力nCA6140车床故障排除能力车床故障排除能力n具备自动控制系统分析能力具备自动控制系统分析能力 专业能力能力方法能力方法能力社社会会能力能力n获取信息的能力获取信息的能力n资料收集整理能力资料收集整理能力n制定、实施工作计划的能力制定、实施工作计划的能力n工艺文件理解能力工艺文件理解能力n工作交接能力工作交接能力n检查、判断能力检查、判断能力n理论知识的运用能力理论知识的运用能力n独立分析的能力独立分析的能力 n沟通协调能力沟通协调能力n团队协作能力团队协作能力n语言表达能力语言表达能力n安全与自我保护能力安全与自我保护能力n基层生产组织能力基层生产组织能力n责任心与职业道德责任心与职业道德 课程培养目标课程培养目标 主 要 内 容常用电动机及其应用常用电动机及其应用数控机床常用低压电器数控机床常用低压电器电器控制基本环节电器控制基本环节典型机床电气控制典型机床电气控制可编程控制器及其应用可编程控制器及其应用自动控制基础自动控制基础数控机床驱动装置数控机床驱动装置数控机床电气控制概况数控机床电气控制概况数控装置结构与原理数控装置结构与原理典型控制系统典型控制系统正在进行正在进行数控机床维护与维修数控机床维护与维修电力拖动系统及其运动分析电力拖动系统及其运动分析 模块一数控机床电气控制概况数控机床电气控制概况 模块一数控机床电气控制概况模块一数控机床电气控制概况（1 1）学习目标学习目标了解数控机床加工过程及特点；了解数控机床加工过程及特点；掌握数控机床电气控制系统的组成和工作特点；掌握数控机床电气控制系统的组成和工作特点；理解数控机床电气控制系统主要性能指标及要求；理解数控机床电气控制系统主要性能指标及要求；熟悉数控机床电气控制的分类和发展方向。熟悉数控机床电气控制的分类和发展方向。单元一、直流电动机及其应用单元一、直流电动机及其应用（2 2）单元学习内容单元学习内容 数控机床的编程加工技术人员除了应掌握数控机床的编程和操作外，还数控机床的编程加工技术人员除了应掌握数控机床的编程和操作外，还必须了解数控机床的性能，掌握数控机床电气控制系统的组成和工作特点，必须了解数控机床的性能，掌握数控机床电气控制系统的组成和工作特点，才能充分发挥数控机床的作用，判断数控机床能否保证零件的加工质量；在才能充分发挥数控机床的作用，判断数控机床能否保证零件的加工质量；在数控机床发生故障时，还应能简单分析故障原因并进行处理，避免故障的扩数控机床发生故障时，还应能简单分析故障原因并进行处理，避免故障的扩大；同时应及时与维修人员进行沟通，为数控机床的故障排除提供足够的信大；同时应及时与维修人员进行沟通，为数控机床的故障排除提供足够的信息，从而保证数控机床长期稳定地无故障运行。息，从而保证数控机床长期稳定地无故障运行。1 1、数控机床加工过程及特点、数控机床加工过程及特点2 2、数控机床电气控制系统组成及其工作过程、数控机床电气控制系统组成及其工作过程3 3、数控机床电气控制系统分类、数控机床电气控制系统分类4 4、数控机床电气控制系统主要性能指标及要求、数控机床电气控制系统主要性能指标及要求5 5、数控机床电气控制系统的发展状况、数控机床电气控制系统的发展状况目 录 一、一、数控机床加工过程及特点数控机床加工过程及特点-(1)-(1)工业、农业、科学和国防现代化建设，要求机械产业不断地提供各种先工业、农业、科学和国防现代化建设，要求机械产业不断地提供各种先进的设备，如电力机车、内燃机车、起重运输机械、装卸机械、工程机械、进的设备，如电力机车、内燃机车、起重运输机械、装卸机械、工程机械、养路机械等。为制造和维修这些设备，就必须具备制造各种金属零件的设备，养路机械等。为制造和维修这些设备，就必须具备制造各种金属零件的设备，如铸造、锻造、焊接、冲压和切削加工设备等。机械零件的形状精度、尺寸如铸造、锻造、焊接、冲压和切削加工设备等。机械零件的形状精度、尺寸精度和表面粗糙度，主要靠切削加工来达到，特别是形状复杂、精度要求高精度和表面粗糙度，主要靠切削加工来达到，特别是形状复杂、精度要求高和表面粗糙度要求高的零件，往往需要经过几道甚至几十道切削加工工序才和表面粗糙度要求高的零件，往往需要经过几道甚至几十道切削加工工序才能完成。能完成。利用刀具对金属毛坯进行切削，从而加工出机械零件的工作机械称为金利用刀具对金属毛坯进行切削，从而加工出机械零件的工作机械称为金属切削机床，简称机床。机床是现代机械制造业中最重要的加工设备，在一属切削机床，简称机床。机床是现代机械制造业中最重要的加工设备，在一般机械制造厂中，机床所担负的加工工作量约占机械制造总工作量的般机械制造厂中，机床所担负的加工工作量约占机械制造总工作量的40406060。一、一、数控机床加工过程及特点数控机床加工过程及特点-(2)-(2)工业、农业、科学和国防现代化建设，要求机械产业不断地提供各种工业、农业、科学和国防现代化建设，要求机械产业不断地提供各种机床的性能直接影响机械产品的性能、质量和经济性，因此，它是国民经济机床的性能直接影响机械产品的性能、质量和经济性，因此，它是国民经济中具有战略意义的基础工业，机床的拥有量及其先进程度将直接影响到国民中具有战略意义的基础工业，机床的拥有量及其先进程度将直接影响到国民经济各部门生产发展和技术进步的能力。经济各部门生产发展和技术进步的能力。数控机床由普通机床发展而来，它集机械、液压、气动、伺服驱动、精数控机床由普通机床发展而来，它集机械、液压、气动、伺服驱动、精密测量、电气自动控制、现代控制理论、计算机控制和网络通信等技术于一密测量、电气自动控制、现代控制理论、计算机控制和网络通信等技术于一体，是一种高效率、高精度、能保证加工质量、解决工艺难题，而且又具有体，是一种高效率、高精度、能保证加工质量、解决工艺难题，而且又具有一定柔性的生产设备，并正逐步取代普通机床。数控机床的广泛使用，给机一定柔性的生产设备，并正逐步取代普通机床。数控机床的广泛使用，给机械制造业的生产方式、产品结构和产业结构带来了深刻的变化，其技术水平械制造业的生产方式、产品结构和产业结构带来了深刻的变化，其技术水平高低和拥有量多少，是衡量一个国家和企业现代化水平的重要标志。高低和拥有量多少，是衡量一个国家和企业现代化水平的重要标志。一、一、数控机床加工过程及特点数控机床加工过程及特点-(3)-(3)（一）（一）数控机床加工过程数控机床加工过程 普通机床的整个加工过程，需要通过技术工人手工操作来完成；而数控普通机床的整个加工过程，需要通过技术工人手工操作来完成；而数控机床可以按事先编制的加工程序，自动地对工件进行加工，如图机床可以按事先编制的加工程序，自动地对工件进行加工，如图1.11.1所示。所示。一、一、数控机床加工过程及特点数控机床加工过程及特点-(4)-(4)数控机床的加工过程如下（图数控机床的加工过程如下（图1.21.2）：）：（）（）根据加工零件尺寸、形状和技术要求，确定零件的加工工艺过程根据加工零件尺寸、形状和技术要求，确定零件的加工工艺过程和加工参数。和加工参数。（）（）按规定的格式和代码，编制数控机床能执行的数控加工程序。按规定的格式和代码，编制数控机床能执行的数控加工程序。（）（）采用按键输入或通信输入的方式，将数控加工程序输入到数控机采用按键输入或通信输入的方式，将数控加工程序输入到数控机床的数控装置中。床的数控装置中。（）（）数控机床的数控装置自动处理数控加工程序，进行刀具轨迹计算，数控机床的数控装置自动处理数控加工程序，进行刀具轨迹计算，发出各种信号控制数控机床的伺服系统和机床强电控制系统，驱动电动机带发出各种信号控制数控机床的伺服系统和机床强电控制系统，驱动电动机带动主轴旋转和工作台移动，并协调控制数控机床的主运动、进给运动和辅助动主轴旋转和工作台移动，并协调控制数控机床的主运动、进给运动和辅助运动，直至零件自动加工完毕。运动，直至零件自动加工完毕。一、一、数控机床加工过程及特点数控机床加工过程及特点-(5)-(5)由此可看出，数控机床既具有专用机床生产率高的优点，又具有普通机由此可看出，数控机床既具有专用机床生产率高的优点，又具有普通机床工艺范围广、使用灵活的特点，集高效率、高精度、高柔性于一身，成为床工艺范围广、使用灵活的特点，集高效率、高精度、高柔性于一身，成为当今机床自动化的理想形式。当今机床自动化的理想形式。一、一、数控机床加工过程及特点数控机床加工过程及特点-(6)-(6)（二）（二）普通机床和数控机床加工实例比较普通机床和数控机床加工实例比较 以切削如图以切削如图 所示的摇手柄为例。所示的摇手柄为例。摇手柄的普通车床加工方法摇手柄的普通车床加工方法 数量较少或单件生产时，各圆弧面采用双手控制法车削，即通过双手合数量较少或单件生产时，各圆弧面采用双手控制法车削，即通过双手合成运动加工。成运动加工。数量较多时，各圆弧面可以采用多把成形车刀车削，即将多把车刀刀刃数量较多时，各圆弧面可以采用多把成形车刀车削，即将多把车刀刀刃磨得跟工件各圆弧面形状相同，分别对各圆弧面进行切削。磨得跟工件各圆弧面形状相同，分别对各圆弧面进行切削。一、一、数控机床加工过程及特点数控机床加工过程及特点-(7)-(7)批量生产时，可以采用靠模法进行加工。采用背板靠模和尾座靠模加工批量生产时，可以采用靠模法进行加工。采用背板靠模和尾座靠模加工摇手柄的方法分别如图摇手柄的方法分别如图1.4 1.4 和图和图1.5 1.5 所示。所示。一、一、数控机床加工过程及特点数控机床加工过程及特点-(7)-(7)摇手柄的数控车床加工方法摇手柄的数控车床加工方法 数控车床加工是将摇手柄图置于加工坐标系中，通过计算确定各点的坐数控车床加工是将摇手柄图置于加工坐标系中，通过计算确定各点的坐标，然后编制程序，通过数控车床电气控制系统，控制车床的标，然后编制程序，通过数控车床电气控制系统，控制车床的X X 轴和轴和Z Z 轴进轴进给，从而控制车刀刃按轮廓运动，即可加工出高精度的摇手柄。给，从而控制车刀刃按轮廓运动，即可加工出高精度的摇手柄。图图1.61.6为摇手柄的数控车床加工示意图。现以加工从点为摇手柄的数控车床加工示意图。现以加工从点P1P1到点到点P2P2的圆弧为的圆弧为例说明数控车床加工摇手柄的过程。例说明数控车床加工摇手柄的过程。一、一、数控机床加工过程及特点数控机床加工过程及特点-(8)-(8)设经过计算确定两点坐标为设经过计算确定两点坐标为P1P1（x1x1，z1z1）、）、P2P2（x2x2，z2z2）的圆弧半径为）的圆弧半径为40mm40mm。则点。则点P1P1到点到点P2 P2 圆弧的数控加工指令为：圆弧的数控加工指令为：G90G90G02G02Xx2Xx2Zz2Zz2R40R40F100F100 数控车床执行这条加工指令时，会按照圆弧要求，分别驱动数控车床执行这条加工指令时，会按照圆弧要求，分别驱动X X 轴和轴和Z Z 轴轴运动，两轴带动车刀运动合成的轨迹就是运动，两轴带动车刀运动合成的轨迹就是R40 R40 的圆弧，当车刀运动到点的圆弧，当车刀运动到点P2P2（x2x2，z2z2）时，数控车床会继续执行下一条指令，从而完成点）时，数控车床会继续执行下一条指令，从而完成点P1P1到点到点P2P2的的圆弧加工。圆弧加工。一、一、数控机床加工过程及特点数控机床加工过程及特点-(9)-(9)（三）（三）数控机床特点数控机床特点 由此可看出数控机床具有以下几个显著特点：由此可看出数控机床具有以下几个显著特点：（）（）能完成很多普通机床难以加工，或者根本不能加工的复杂型面的能完成很多普通机床难以加工，或者根本不能加工的复杂型面的加工。加工。（）（）采用数控机床可以提高零件的加工精度，稳定产品的质量。采用数控机床可以提高零件的加工精度，稳定产品的质量。（）（）采用数控机床可比普通机床提高倍的生产效率，对复杂零采用数控机床可比普通机床提高倍的生产效率，对复杂零件的加工，生产效率可以提高十几倍甚至几十倍。件的加工，生产效率可以提高十几倍甚至几十倍。（）（）数控机床具有柔性，只需更换程序，就可适应不同品种及尺寸规数控机床具有柔性，只需更换程序，就可适应不同品种及尺寸规格零件的自动加工。格零件的自动加工。（）（）大大减轻了工人的劳动强度。大大减轻了工人的劳动强度。二、二、数控机床电气控制系统组成及其工作过程数控机床电气控制系统组成及其工作过程-(1)-(1)数控机床电气控制系统的组成数控机床电气控制系统的组成 数控机床电气控制系统由数控装置（数控机床电气控制系统由数控装置（CNCCNC）、进给伺服系统、主轴伺服系）、进给伺服系统、主轴伺服系统、机床强电控制系统（包括可编程控制器控制系统和继电接触器控制系统、机床强电控制系统（包括可编程控制器控制系统和继电接触器控制系统）等组成，如图统）等组成，如图1.7 1.7 所示。所示。二、二、数控机床电气控制系统组成及其工作过程数控机床电气控制系统组成及其工作过程-(2)-(2)数控装置是数控机床电气控制系统的控制中心。它能够自动地对输入的数控装置是数控机床电气控制系统的控制中心。它能够自动地对输入的数控加工程序进行处理，将数控加工程序信息按两类控制量分别输出：一类数控加工程序进行处理，将数控加工程序信息按两类控制量分别输出：一类是连续控制量，送往伺服系统；另一类是离散的开关控制量，送往机床强电是连续控制量，送往伺服系统；另一类是离散的开关控制量，送往机床强电控制系统，从而协调控制机床各部分的运动，完成数控机床所有运动的控制，控制系统，从而协调控制机床各部分的运动，完成数控机床所有运动的控制，实现数控机床的加工过程。实现数控机床的加工过程。进给伺服系统由进给轴伺服电机（一般内装速度和位置检测器件）和进进给伺服系统由进给轴伺服电机（一般内装速度和位置检测器件）和进给伺服装置组成。进给伺服系统驱动机床各坐标轴的切削进给，提供切削过给伺服装置组成。进给伺服系统驱动机床各坐标轴的切削进给，提供切削过程中所需要的转矩、运转速度。程中所需要的转矩、运转速度。二、二、数控机床电气控制系统组成及其工作过程数控机床电气控制系统组成及其工作过程-(3)-(3)主轴伺服系统包括主轴电机（含速度检测器件）和主轴伺服装置，实现主轴伺服系统包括主轴电机（含速度检测器件）和主轴伺服装置，实现对主轴转速的调节控制，有的主轴伺服装置还含有主轴定向控制功能。对主轴转速的调节控制，有的主轴伺服装置还含有主轴定向控制功能。机床强电控制系统，除了对机床辅助运动和辅助动作（包括电动系统、机床强电控制系统，除了对机床辅助运动和辅助动作（包括电动系统、液压系统、气动系统、冷却箱及润滑油箱等）的控制外，还包括对保护开关、液压系统、气动系统、冷却箱及润滑油箱等）的控制外，还包括对保护开关、各种行程极限开关和操作盘上所有元件（包括各种按键、操作指示灯、波段各种行程极限开关和操作盘上所有元件（包括各种按键、操作指示灯、波段开关）的检测和控制。在机床强电控制系统中，可编程控制器（开关）的检测和控制。在机床强电控制系统中，可编程控制器（PLCPLC）可替代）可替代机床上传统的强电控制系统中大部分机床电器，从而实现对润滑、冷却、气机床上传统的强电控制系统中大部分机床电器，从而实现对润滑、冷却、气动、液压和主轴换刀等系统的逻辑控制。动、液压和主轴换刀等系统的逻辑控制。二、二、数控机床电气控制系统组成及其工作过程数控机床电气控制系统组成及其工作过程-(4)-(4)数控机床电气控制系统工作过程数控机床电气控制系统工作过程 如图如图1.6 1.6 所示，在从点所示，在从点P1P1到点到点P2P2的圆弧加工中，数控车床电气控制系统的圆弧加工中，数控车床电气控制系统的工作过程如下：的工作过程如下：（）（）CNC CNC 控制主轴伺服系统模块，使主轴电动机带动主轴按要求速度控制主轴伺服系统模块，使主轴电动机带动主轴按要求速度旋转。旋转。（）（）CNC CNC 控制车床强电控制系统，使冷却系统正常工作。控制车床强电控制系统，使冷却系统正常工作。（）（）CNC CNC 通过车床强电控制系统，驱动换刀装置，使需要使用的车刀通过车床强电控制系统，驱动换刀装置，使需要使用的车刀转动到工作位置。转动到工作位置。（）（）CNC CNC 控制控制X X 轴、轴、Z Z 轴伺服装置，驱动刀架移动，使车刀定位在点轴伺服装置，驱动刀架移动，使车刀定位在点P1P1（x1x1，z1z1）。）。（）（）CNC CNC 按圆弧加工指令控制按圆弧加工指令控制X X 轴、轴、Z Z 轴伺服装置，分别驱动刀架沿轴伺服装置，分别驱动刀架沿X X 向、向、Z Z 向移动，车刀刀刃按规定的圆弧轨迹移动，即可加工出所需要的圆向移动，车刀刀刃按规定的圆弧轨迹移动，即可加工出所需要的圆弧。弧。（）（）当车刀运动到点当车刀运动到点P2P2（x2x2，z2z2）时，）时，CNCCNC继续下一条指令的控制。继续下一条指令的控制。以上所有的动作控制都按预先编好的程序自动进行，不需要人工操作。以上所有的动作控制都按预先编好的程序自动进行，不需要人工操作。三、三、数控机床电气控制系统分类数控机床电气控制系统分类-(1)-(1)数控机床电气控制系统的种类很多，虽然控制对象不同，但原理却基本数控机床电气控制系统的种类很多，虽然控制对象不同，但原理却基本相似。相似。（一）（一）按运动轨迹分类按运动轨迹分类 点位控制系统点位控制系统点位控制系统只是精确地控制刀具相对工件从一个坐标点移动到另一个坐标点位控制系统只是精确地控制刀具相对工件从一个坐标点移动到另一个坐标点，移动过程中不进行任何切削加工，点与点之间移动轨迹、速度和路线决点，移动过程中不进行任何切削加工，点与点之间移动轨迹、速度和路线决定了生产效率的高低。为了提高加工效率，保证定位精度，系统采用定了生产效率的高低。为了提高加工效率，保证定位精度，系统采用“快速快速趋近，减速定位趋近，减速定位”的方法实现控制。这类数控机床有数控钻床、数控镗床和的方法实现控制。这类数控机床有数控钻床、数控镗床和数控冲床等。数控钻床点位控制如图数控冲床等。数控钻床点位控制如图1.8 1.8 所示，所示，A A 孔和孔和B B 孔的钻孔加工，可孔的钻孔加工，可以以按两种路线加工。按两种路线加工。三、三、数控机床电气控制系统分类数控机床电气控制系统分类-(2)-(2)三、三、数控机床电气控制系统分类数控机床电气控制系统分类-(3)-(3)直线控制系统直线控制系统 直线控制系统不仅要求具有准确的定位功能，而且要控制两点之间刀具直线控制系统不仅要求具有准确的定位功能，而且要控制两点之间刀具移动的轨迹是一条直线，且在移动过程中刀具能以给定的进给速度进行切削移动的轨迹是一条直线，且在移动过程中刀具能以给定的进给速度进行切削加工。加工。直线控制系统的刀具运动轨迹一般是平行于各坐标轴的直线；特殊情况直线控制系统的刀具运动轨迹一般是平行于各坐标轴的直线；特殊情况下，如果同时驱动两套运动部件，其合成运动的轨迹是与坐标轴成一定夹角下，如果同时驱动两套运动部件，其合成运动的轨迹是与坐标轴成一定夹角的斜线。这类数控机床有数控车床、数控镗铣床等。数控铣床直线控制如图的斜线。这类数控机床有数控车床、数控镗铣床等。数控铣床直线控制如图1.9 1.9 所示。所示。三、三、数控机床电气控制系统分类数控机床电气控制系统分类-(4)-(4)轮廓控制系统轮廓控制系统 轮廓控制系统能同时控制两轮廓控制系统能同时控制两个或两个以上坐标轴，这需要进个或两个以上坐标轴，这需要进行复杂的插补运算，即根据给定行复杂的插补运算，即根据给定的运动代码指令和进给速度，计的运动代码指令和进给速度，计算刀具相对工件的运动轨迹，实算刀具相对工件的运动轨迹，实现连续控制。这类数控机床有数现连续控制。这类数控机床有数控车床、数控铣床、数控线切割控车床、数控铣床、数控线切割机床、数控加工中心等。数控铣机床、数控加工中心等。数控铣床轮廓控制如图床轮廓控制如图1.10 1.10 所示，数所示，数控线切割机床轮廓控制如图控线切割机床轮廓控制如图1.11 1.11 所示。所示。三、三、数控机床电气控制系统分类数控机床电气控制系统分类-(5)-(5)（二）（二）按伺服系统分类按伺服系统分类 数控系统根据输入的程序指令及数据，经插补运算得到位置控制指令，数控系统根据输入的程序指令及数据，经插补运算得到位置控制指令，并通过进给伺服系统完成各坐标轴的位置控制。伺服系统按控制方式来分，并通过进给伺服系统完成各坐标轴的位置控制。伺服系统按控制方式来分，有开环控制系统、闭环控制系统、半闭环控制系统。目前，数控机床上用得有开环控制系统、闭环控制系统、半闭环控制系统。目前，数控机床上用得最多的是半闭环控制系统和闭环控制系统两种。最多的是半闭环控制系统和闭环控制系统两种。早期的数控机床采用电液伺服驱动的较多，当前，数控机床一般采用全早期的数控机床采用电液伺服驱动的较多，当前，数控机床一般采用全电气伺服驱动系统，使用的电动机分为步进电机、直流电动机以及交流电动电气伺服驱动系统，使用的电动机分为步进电机、直流电动机以及交流电动机三大类，其中步进电机使用在一些要求不高的经济型数控机床上，直流伺机三大类，其中步进电机使用在一些要求不高的经济型数控机床上，直流伺服电机从服电机从2020世纪世纪7070年代到年代到8080年代中期在数控机床中占据了主导地位，目前大年代中期在数控机床中占据了主导地位，目前大多数进给伺服系统采用的是交流伺服电机。多数进给伺服系统采用的是交流伺服电机。三、三、数控机床电气控制系统分类数控机床电气控制系统分类-(6)-(6)开环控制系统开环控制系统 开环控制系统没有检测反馈装置，以步进电机作为驱动元件，由步进驱开环控制系统没有检测反馈装置，以步进电机作为驱动元件，由步进驱动装置和步进电机组成，如图动装置和步进电机组成，如图1.121.12所示。所示。在开环控制系统中，在开环控制系统中，CNCCNC装置输出的指令脉冲经驱动电路进行功率放大，装置输出的指令脉冲经驱动电路进行功率放大，控制步进电机转动，再经机床传动机构带动工作台移动。这类系统结构简单、控制步进电机转动，再经机床传动机构带动工作台移动。这类系统结构简单、价格低廉，调试和维修都比较方便，但无位置闭环控制，精度主要取决于步价格低廉，调试和维修都比较方便，但无位置闭环控制，精度主要取决于步进电机及传动机构的精度，因而精度较差。进电机及传动机构的精度，因而精度较差。三、三、数控机床电气控制系统分类数控机床电气控制系统分类-(7)-(7)半闭环控制系统半闭环控制系统 半闭环控制系统的位置检测装置安装在电动机或丝杠轴端，通过角位移半闭环控制系统的位置检测装置安装在电动机或丝杠轴端，通过角位移的测量，间接测量机床工作台的实际位置，并与的测量，间接测量机床工作台的实际位置，并与CNCCNC装置的指令值进行比较，装置的指令值进行比较，用差值进行控制。半闭环控制系统以交、直流伺服电机作为驱动元件，由位用差值进行控制。半闭环控制系统以交、直流伺服电机作为驱动元件，由位置比较电路、速度控制电路、伺服电机等组成，如图置比较电路、速度控制电路、伺服电机等组成，如图1.131.13所示。所示。三、三、数控机床电气控制系统分类数控机床电气控制系统分类-(8)-(8)半闭环控制系统只检测电机的旋转角度而不检测机械间隙等，所以整个半闭环控制系统只检测电机的旋转角度而不检测机械间隙等，所以整个位置系统位置环增益可以较大，且调试比较容易，稳定性较好。对部分环节位置系统位置环增益可以较大，且调试比较容易，稳定性较好。对部分环节造成的误差可以控制，精度比开环高，传动链上有规律的误差，如间隙及螺造成的误差可以控制，精度比开环高，传动链上有规律的误差，如间隙及螺距误差等，可由数控系统加以补偿。但是传动机构的误差过大或其误差不稳距误差等，可由数控系统加以补偿。但是传动机构的误差过大或其误差不稳定时，则数控系统难以补偿。定时，则数控系统难以补偿。闭环控制系统闭环控制系统 闭环控制系统的位置检测装置安装在机床工作台上，直接测量工作台的闭环控制系统的位置检测装置安装在机床工作台上，直接测量工作台的实际位移，并与实际位移，并与CNCCNC装置的指令值进行比较，用差值进行控制。闭环控制系统装置的指令值进行比较，用差值进行控制。闭环控制系统以交、直流伺服电机作为驱动元件，用于高精度设备的控制，如图以交、直流伺服电机作为驱动元件，用于高精度设备的控制，如图1.14 1.14 所示。所示。三、三、数控机床电气控制系统分类数控机床电气控制系统分类-(9)-(9)闭环控制系统直接从机床的移动部件上获取位置实际移动值，通过反馈闭环控制系统直接从机床的移动部件上获取位置实际移动值，通过反馈控制，可调节全部传动环节造成的误差，其精度很高，检测装置的精度对系控制，可调节全部传动环节造成的误差，其精度很高，检测装置的精度对系统的精度影响大。但由于在位置环中存在着延迟、间隙等非线性环节，因此统的精度影响大。但由于在位置环中存在着延迟、间隙等非线性环节，因此影响系统的稳定性，调试较困难。影响系统的稳定性，调试较困难。四、四、数控机床电气控制系统主要性能指标及要求数控机床电气控制系统主要性能指标及要求-(1)-(1)（一）（一）数控机床的运动性能指标数控机床的运动性能指标 数控机床的可控轴数和联动轴数数控机床的可控轴数和联动轴数 数控机床的可控轴数是指数控机床数控装置能够控制的坐标数量。数控数控机床的可控轴数是指数控机床数控装置能够控制的坐标数量。数控机床可控轴数与数控装置的运算处理能力、运算速度及内存容量等有关。国机床可控轴数与数控装置的运算处理能力、运算速度及内存容量等有关。国外先进数控装置的可控轴数已经达到了外先进数控装置的可控轴数已经达到了2424轴，我国目前数控装置可控轴数最轴，我国目前数控装置可控轴数最多为多为6 6轴，图轴，图1.15 1.15 为为6 6轴加工中心示意图。轴加工中心示意图。数控机床的联动轴数是指数控机床数控装置可同时进行运动控制的坐标数控机床的联动轴数是指数控机床数控装置可同时进行运动控制的坐标轴数。目前有轴联动、轴联动、轴联动、轴联动等。轴联动数控轴数。目前有轴联动、轴联动、轴联动、轴联动等。轴联动数控机床能三坐标联动，可以加工空间复杂曲面。轴联动、轴联动数控机床机床能三坐标联动，可以加工空间复杂曲面。轴联动、轴联动数控机床可以加工飞行器叶轮、螺旋桨等零件。可以加工飞行器叶轮、螺旋桨等零件。四、四、数控机床电气控制系统主要性能指标及要求数控机床电气控制系统主要性能指标及要求-(2)-(2)四、四、数控机床电气控制系统主要性能指标及要求数控机床电气控制系统主要性能指标及要求-(3)-(3)主轴转速主轴转速 数控机床主轴一般均采用直流或交流调速主轴电动机驱动，选用高速轴数控机床主轴一般均采用直流或交流调速主轴电动机驱动，选用高速轴承支承，保证主轴具有较宽的调速范围和足够高的回转精度、刚度及抗震性。承支承，保证主轴具有较宽的调速范围和足够高的回转精度、刚度及抗震性。目前，数控机床主轴转速已普遍达到目前，数控机床主轴转速已普遍达到5000500010000 r10000 rminmin，甚至更高，有利，甚至更高，有利于对各种小孔加工，提高零件加工精度和表面质量。于对各种小孔加工，提高零件加工精度和表面质量。进给速度进给速度 数控机床的进给速度是影响零件加工质量、生产效率以及刀具寿命的主数控机床的进给速度是影响零件加工质量、生产效率以及刀具寿命的主要因素。它受数控装置的运算速度、机床运动特性、刚度等因素的限制。目要因素。它受数控装置的运算速度、机床运动特性、刚度等因素的限制。目前我国数控机床的进给速度可达前我国数控机床的进给速度可达10101515minmin，国外先进数控机床的进给速，国外先进数控机床的进给速度可达度可达151530m30mminmin。四、四、数控机床电气控制系统主要性能指标及要求数控机床电气控制系统主要性能指标及要求-(4)-(4)坐标行程坐标行程 一般数控机床坐标轴一般数控机床坐标轴X X、Y Y、Z Z 的行程大小构成数控机床的空间加工范围，的行程大小构成数控机床的空间加工范围，即加工零件的大小。坐标行程是直接体现机床加工能力的指标参数。即加工零件的大小。坐标行程是直接体现机床加工能力的指标参数。刀库容量和换刀时间刀库容量和换刀时间 刀库容量和换刀时间对数控机床的生产效率有着直接的影响。刀库容量刀库容量和换刀时间对数控机床的生产效率有着直接的影响。刀库容量是指刀库能存放加工所需要刀具的数量。中小型数控加工中心多为是指刀库能存放加工所需要刀具的数量。中小型数控加工中心多为16166060把把刀具，大型加工中心可达刀具，大型加工中心可达100100把刀具。换刀时间是指带有自动交换刀具系统的把刀具。换刀时间是指带有自动交换刀具系统的数控机床，将主轴上使用的刀具与装在刀库上的下一工序需用的刀具进行交数控机床，将主轴上使用的刀具与装在刀库上的下一工序需用的刀具进行交换所需要的时间。目前国内数控机床换刀时间为换所需要的时间。目前国内数控机床换刀时间为10101616，国外先进数控机，国外先进数控机床换刀时间一般为床换刀时间一般为4 45s5s。四、四、数控机床电气控制系统主要性能指标及要求数控机床电气控制系统主要性能指标及要求-(5)-(5)（二）（二）数控机床的精度指标数控机床的精度指标 定位精度定位精度 定位精度是指数控机床工作台等移动部件移动到指令位置的准确程度，定位精度是指数控机床工作台等移动部件移动到指令位置的准确程度，即实际移动位置与指令要求位置的一致性，移动部件实际位置与指令位置之即实际移动位置与指令要求位置的一致性，移动部件实际位置与指令位置之间的误差称为定位误差。被控制机床坐标的误差（即定位误差）包括驱动此间的误差称为定位误差。被控制机床坐标的误差（即定位误差）包括驱动此坐标轴控制系统（伺服系统、检测系统、进给系统等）的误差，也包括移动坐标轴控制系统（伺服系统、检测系统、进给系统等）的误差，也包括移动部件导轨的几何误差等。定位误差将直接影响零件加工的位置精度。部件导轨的几何误差等。定位误差将直接影响零件加工的位置精度。重复定位精度重复定位精度 重复定位精度是指在同一条件下，用相同的方法，重复进行同一动作时，重复定位精度是指在同一条件下，用相同的方法，重复进行同一动作时，控制对象到达同一指令位置的一致程度，即在同一台数控机床上，应用相同控制对象到达同一指令位置的一致程度，即在同一台数控机床上，应用相同程序、相同代码加工一批零件，所得到的连续结果的一致程度，也称为精密程序、相同代码加工一批零件，所得到的连续结果的一致程度，也称为精密度。重复定位精度受伺服系统特性、进给系统的间隙、刚性以及摩擦特性等度。重复定位精度受伺服系统特性、进给系统的间隙、刚性以及摩擦特性等因素影响。因素影响。五、五、数控机床电气控制系统的发展状况数控机床电气控制系统的发展状况-(1)-(1)数控机床电气控制系统的发展，与数控系统、伺服系统、可编程控制器数控机床电气控制系统的发展，与数控系统、伺服系统、可编程控制器的发展密切相关。的发展密切相关。（一）（一）数控系统的发展状况数控系统的发展状况 随着微电子技术和计算机技术的飞速发展，数控系统的功能不断增多，随着微电子技术和计算机技术的飞速发展，数控系统的功能不断增多，柔性不断增强，性能价格比不断提高，当前数控系统正朝着下面几个方向发柔性不断增强，性能价格比不断提高，当前数控系统正朝着下面几个方向发展。展。高速度、高精度化高速度、高精度化 数控系统的高速度、高精度化要求数控系统在读入加工指令数据后，能数控系统的高速度、高精度化要求数控系统在读入加工指令数据后，能高速度计算出伺服电机的位移量，并能控制伺服电机高速度准确地运动。此高速度计算出伺服电机的位移量，并能控制伺服电机高速度准确地运动。此外，要实现生产系统的高速度化，还必须要求主轴转速、进给率、刀具交换、外，要实现生产系统的高速度化，还必须要求主轴转速、进给率、刀具交换、托板交换等实现高速度化。提高微处理器的位数和速度是提高托板交换等实现高速度化。提高微处理器的位数和速度是提高CNCCNC速度的最有速度的最有效的手段。目前较新的数控系统大多数采用效的手段。目前较新的数控系统大多数采用3232位微处理器。位微处理器。五、五、数控机床电气控制系统的发展状况数控机床电气控制系统的发展状况-(2)-(2)智能化智能化 数控系统应用高技术的重要目标是智能化。智能化技术主要体现在以下数控系统应用高技术的重要目标是智能化。智能化技术主要体现在以下几个方面：几个方面：（）（）自适应控制技术。通常数控机床按照预先编好的程序进行控制，自适应控制技术。通常数控机床按照预先编好的程序进行控制，但随机因素，如毛坯余量和硬度的不均匀、刀具的磨损等难以预测，为了确但随机因素，如毛坯余量和硬度的不均匀、刀具的磨损等难以预测，为了确保质量，一般要在编程时采用较保守的切削用量，从而降低了加工效率。自保质量，一般要在编程时采用较保守的切削用量，从而降低了加工效率。自适应控制系统（适应控制系统（ACAC，adaptive controladaptive control）可对机床主轴转矩、功率、切削力、）可对机床主轴转矩、功率、切削力、切削温度、刀具磨损等参数值进行自动测量，并由切削温度、刀具磨损等参数值进行自动测量，并由CPUCPU进行比较运算后，发出进行比较运算后，发出修改主轴转速和进给量大小的信号，确保修改主轴转速和进给量大小的信号，确保ACAC系统处于最佳切削状态，从而在系统处于最佳切削状态，从而在保证加工质量条件下，使加工成本最低或生产率最高。保证加工质量条件下，使加工成本最低或生产率最高。（）（）附加人机会话自动编程功能。建立切削用量专家系统和示教系统，附加人机会话自动编程功能。建立切削用量专家系统和示教系统，从而提高编程效率和降低对编程操作人员技术水平的要求。从而提高编程效率和降低对编程操作人员技术水平的要求。（）（）具有设备故障自诊断功能。数控系统出了故障，控制系统能够进具有设备故障自诊断功能。数控系统出了故障，控制系统能够进行自诊断，并自动采取排除故障的措施，以适应长时间无人操作环境的要求。行自诊断，并自动采取排除故障的措施，以适应长时间无人操作环境的要求。五、五、数控机床电气控制系统的发展状况数控机床电气控制系统的发展状况-(3)-(3)小型化小型化 蓬勃发展的机电一体化设备，对蓬勃发展的机电一体化设备，对CNCCNC系统提出了小型化的要求。日本新开系统提出了小型化的要求。日本新开发的发的FS16FS16和和FS18FS18都采用了三维安装方法，电子元器件的高密度地安装，大大都采用了三维安装方法，电子元器件的高密度地安装，大大地缩小了系统的占有空间。此外，它们还采用了新型地缩小了系统的占有空间。此外，它们还采用了新型TFTTFT彩色液晶薄型显示器，彩色液晶薄型显示器，使使CNCCNC系统进一步小型化，这样可更方便地将它们装到机械设备上。系统进一步小型化，这样可更方便地将它们装到机械设备上。计算机群控计算机群控 计算机群控也叫做计算机直接数控系统（计算机群控也叫做计算机直接数控系统（DNCDNC），它是用一台大型通用计），它是用一台大型通用计算机为数台数控