数控操作工人培训教程

1、1 / 165数控操作工人培训教程站长集团公司工人培训教材2 / 165数控操作工人培训教程*更多相关资料请访问：http:/xfssg0418 .n ease. net“这方热土”专栏。*说在前面随着计算机技术和自动控制理论的高速发展，以计算机技术为核心的自动 控制系统在设备上的应用也越来越广泛。 如计算机检测、CNC计算机数字控制）、CAM（计算机辅助制造）、CIMS（计算机集成制造系统）、机器人技术等。这些都 大大地延伸了现代工业中自动化设备的制造能力，从而也促进了现代工业技术 日新月异的发展。技术的进步推动了我们企业的进步，但对人的素质也随之提出了更高的要 求。很明显，只有掌握了先进技

2、术的人，才能更好地驾御这些高技术的设备， 使它们以最大的效能为我们服务。NC（数字控制）技术是近半个世纪中逐步成熟和发展起来的一项先进的设 备制造技术。计算机技术的发展和在NC技术中的应用，给它带来了革命性的变 革，并形成了现在的CNC计算机数字控制）技术。近年来，采用CNC系统的设备 已越来越多地走进我们的工厂，并逐年保持高速增长的趋势。它们都在我们工 厂的关键工序中起着举足轻重的作用，其状态的好坏和使用状况直接关联到我 们产品的质量和企业的声誉。要充分发挥数控设备的优势，我们就必须培养出一批高素质的操作工人队 伍。为了达到这个目的，我们编写了这本数控操作工人培训教程。本教材的取材完全结合我

3、们工厂的实际，书中的很多素材都来源于我们工 厂里正在服役的设备。考虑国内应用日本FANUC法那克）公司和德国SIEMENSE（西门子）公司数控产品较多这一实际情况，本教材以FANUC系统为主线，并适当介绍了SIEMENS系统。然而，对具体数控系统的介绍决不是我们的真正目的，我们的真正想法是 凭籍对这些系统的讲解，达到对数控设备基本理论和共性知识的掌握。这些知 识包括系统的构成、原理、参数、编程、操作、诊断、调整等等，它们都是我 们设备使用中至关重要的。总体内容的安排注意保持了实用性和系统性。教材的第六章数控机床的机械结构由一汽集团轿车股份公司二发厂张 大有同志编写，其余各章均由一汽集团轿车股份

4、公司生产部陈刚同志编写。编 写中部分参照了制造商3 / 165提供的相关产品的英文说明书和极少地参考了有关同类 书籍，在这里恕不一一提及。本教材仅做集团公司内部工人培训使用，并无赢 利和对社会公开发表之目的，因此当无剽窃之嫌。触忌之处，尚请见谅。集团公司外部使用和翻印本教材，需经作者许可。未经许可擅自翻印者， 作者保持追究法律责任的权利。2002-9-274 / 165第一章 : 数控机床概论第一节:从人自身来认识电脑没有学习过电脑的人都觉得电脑很神秘。 事实上，电脑之所以称为 “电脑”， 正是对人脑模拟和再现的结果。从人脑的角度来理解电脑，我们就会发现，认 识它并不是想象的那么难。一. 人脑

5、有那些能力 为了理解电脑，我们不妨先思考一下，人脑都具备哪些能力？1.思维：人脑首先具有分析、计算、推理、归纳的能力,即逻辑思维与算术 思维能力。2.信息储存：即记忆信息的能力。3.人体五觉的中枢：即感知环境的能力。4.全身的指挥中心：即行为控制能力。二. 电脑如何实现这些能力 那么，作为电脑，它是怎样去再现这些能力的呢？1.思维的再现CPU电脑使用CPU来完成思维和控制，CPU又叫做中央处理单元， 是计算机系统 的核心，用于进行逻辑运算和算术运算及系统的综合控制等。2.记忆载体存储介质 是计算机用于存储信息、数据的媒体。它们包括： 存储器、硬盘、磁带、软盘、光盘、纸带等。3.电脑的感官输入设

6、备 输入设备是电脑用于接受指令、数据、信息的装置。 常见输入设备有:键盘、扫描器、鼠标器、纸带机、磁带机、数字摄像机等。4.行为的输出输出设备 输出设备是电脑用于输出控制结果的装置。常见输出设备有：CRT、打印机、绘图机等。第二节：普通意义上的计算机一.硬件结构由以上介绍可以看出，一个计算机系统的基本结构主要由四部分组成：即CPU存储器、输入设备和输出设备。如下图所示。A75 / 165存储器图1-1:计算机系统的基本结构实际上的电脑比上述介绍还要复杂得多，它一般还包括如电源、主版等构件。二.计算机的软件（一）.计算机软件的基本分类计算机软件是人为编写的用于控制计算机工作的程序。它分为：1.系

7、统软件：用于计算机的系统资源管理，是计算机软件系统的核心。例如：台式机各版本的DOS系统等。2.编译软件：用于开发应用软件的工具。利用它可以编写和调试应用软件， 并翻译成系统软件能理解的代码文件。例如：各类语言工具、机床设备上所包含的专用设备控制程序的编译 管理程序等。3.应用软件：是由编译软件编译执行的，建立在系统软件基础上的，满足 用户某些特定需要的软件。例如：各类设备由制造厂开发的操作平台软件、办公软件（微软OFFICE、财务软件、计算机辅助设计、游戏软件等。（二）.语言工具的级别1.机器语言：计算机CPU能直接识别的代码级语言。其表面形式为二进制数字代码。如：11001011、0011

8、0011等。 这类语言无须编译，计算机能够直接执行。2.汇编语言：用字母等符号来代替机器语言，以便人为编辑和识别的符号 级语言。如：LD A，08HADD A，C等。这类语言必须编译成机器语言，才能被计算机执行。3.高级语言用语句化、结构化的命令形式编写的语言。这类语言的每一个语句都能完成一系列机器或汇编语言所执行的特定功 能，而且由于6 / 165书写形式更接近生活化语言，因此使编程变得更直观和简单。例如：C语言、BASIC语言、JAVA语言等。这些语言同样需要经过编译才能 被计算机识别和执行。4.专用语言 利用以上语言形式开发的，更接近于特定用户使用环境的编程语言。PLC数控、机器人等的编

9、程等都属于这类特定的语言。它同样要被编译后 执行，但它一般是被计算机系统自动完成的。第三节：计算机中常用的进制和编码方法下面介绍的是设备参数中涉及到的部分进制和编码方法。一.计算机的进制所谓进制是指数量计算的一种进位法则。我们日常所使用的是十进制。 但在计算机中， 除十进制外，我们也常用到其 它进制。亦即：1.二进制：逢二进一的计数进位方法。2八进制：逢八进一的计数进位方法。3十进制：逢十进一的计数进位方法。4十六进制：逢十六进一的计数进位方法。下面，我们介绍利用这几种进制进行编码的常用方法。三. 常用代码 计算机中，经常用到的代码有：（一）二进制代码 计数符号 -0、1如：11011001、

10、10100001等。（二）八进制代码 计数符号0、1、2、3、4、5、6、7如7523、6432等。（三）.十进制代码 计数符号0、1、2、3、4、5、6、7、8、9如：8923、7621等。（四）十六进制代码 计数符号：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F女口1A3D 1FC 4等。（五）.BCD代码用二进制表示的十进制代码。这种代码种类有多种，BCD弋码是其中最常用 的一种。7 / 165计数符号是使用四位二进制代码来表示一位十进制数，即：0000：00001：1 0010：20011：30100：40101：50110：60111：71000：81001：9例：

11、00111000表示38。三.代码到十进制的转换 前面介绍的任何代码都可以折算成十进制数值。下面介绍其折算方法：（一）.二进制代码到十进制的转换转换结果二位0X20+位1x21+位2X22+位3X23+（二）八进制代码到十进制的转换转换结果二位OX80+位1x81+位2X82+位3X83+（三）十六进制代码到十进制的转换转换结果二位OX160+位1x161+位2X162+位3X163+（四）.BCD弋码到十进制的转换 可以根据代码定义直接读出结果。第四节：个人电脑的基本知识本节通过简单介绍个人计算机的基本硬件、软件及常规操作功能等入门知 识，使读者对个人计算机系统有一个最基本的了解。但仅仅局限

12、于这一点点概 念性的东西，是远远不够的。一个人电脑的基本硬件 当前的个人电脑大体包括下面这些硬件设备：1CPU电脑的控制核心，负责完成所有的运算和控制。以美国INTEL（英特尔）公司的产品为例，个人电脑从286CPU开始大量走 向家庭，以后经过了386、486、奔腾、奔腾2、奔腾3、奔腾4等，在短短十几 年内，CPU制造技术经历了突飞猛进的发展。处理速度提高了几个数量级。这一 切都为计算机技术在现弋工业中推广应用创造了坚实的技术基础。2主板主板是CPU内存和接口板卡的连接母板。主板伴随着CPU制造技术的发展，性能和品种也随之高速发展。3硬盘驱动器 是用于存储程序文件的主要载体。8 / 165硬

13、盘最初推向市场时，容量仅10M左右。现在的硬盘，市场上100G以上的 硬盘已经非常常见了，容量整整提高了一万倍以上。而且，存取速度也有极大 的提高。硬盘作为计算机系统必不可少的一个重要部件，其性能和整机性能有 着密不可分的关系。4内存条用于存储计算机运行动态数据的器件。内存具备比硬盘、光盘、软盘等快得多的存取速度，直接被用来存储计算 机运算和控制的中间数据，也可以作为硬盘、光盘数据存取的缓冲区，因此内 存越多，计算机运算速度越高。个人电脑内存从早期的几百K到现在常规配置 的几百M提高了上千倍。而且，主板、硬盘、显示卡等都配置了越来越大的专 用内存。5显示卡和显示器显示卡是CPU和显示器的控制接

14、口。显示器则用作计算机通过屏幕显示方式向操作者反馈信息的工具。目前常用的显示器有普通CRT显示器和液晶显示器两种。随着显示卡和显示器的技术发展，显示分辨率和速度越来越高。最初采用 的是单色显示器，现在高分辨率的彩色显示器已经非常普及了，绿色环保的节 能型显示器则更多地考虑了人性化的设计特点。6机箱和电源机箱即主机的外壳部分。 电源向系统提供各类级别的工作电压。它是计算机系统的工作动力来源。7软盘驱动器和软盘软盘驱动器又叫软驱，用于读写软磁盘。软盘是一种可移动式的磁性存储介质。以往有3寸和5寸两种，目前主要 使用3寸软盘，容量为1.44M。它通过磁头来进行读写。8光盘驱动器和光盘 光盘驱动器又叫

15、光驱，用于读取光盘数据。 可写光盘的光驱称为光盘刻录机。光盘是用于记载程序和数据的光敏介质，用光头进行读写。尽管容量大得 多的DVD光盘已经不再陌生，但目前用得最多的还是650M的CDROM9 / 1659声卡和音箱 声卡是计算机用于向音箱传送声音的接口，用于把声音数码信号转换为真 正的声音信号。音箱即发声设备。当前的声音设备，已经能录制和再现质量非常高的声音品质。10打印机 把计算机文本以书面形式输出的工具。 目前的打印机有激光、喷墨、针式几种类型。其中，质量最好的是激光打 印机，最差的则是针式打印机。11键盘键盘是应用最广泛的手工输入工具。用它可以向计算机输入各种命令和进 行文本编辑、制图

16、等一系列操作。12鼠标 鼠标也是使用非常广泛的输入工具之一。它可以执行部分键盘功能，特别 是适用于各种命令的输入和图形编辑。在WINDOW操作系统及其应用软件中， 鼠标是必要的工具。二个人电脑软件基本与前面介绍的软件情况相同。目前设备上使用的操作系统有DO轿口WINDOWS种。每台机床设备都有自己的编译程序、应用软件和专用语言开发环境。 三常用个人电脑的操作概念（一）.目录结构和文件1目录结构目录结构：计算机中由用户载入的文件内容的存储结构。它采用树状目录结构，各软件都有自己的专用目录。这样做的目的是便于 查询和执行时互不干涉。利用计算机的“我的电脑”和“资源管理器”等工具，可以非常方便地查

17、询和浏览目录结构及其文件系统。目录：目录结构中每一级叫做一个目录。在WINDOWS，目录也叫做文件 夹。目录名：每个目录都有一个用于识别的目录名。可以用字母、数字、汉字、 部分特殊符号等组成。2文件10 / 165文件：计算机向硬盘、软盘等载体存储信息的最小组织形式。它类似于一 篇篇的文稿，因此叫做文件。文件名：文件的名称。同样可用字母、数字、汉字、部分特殊符号等组成。 文件名由基本名和扩展名两部分构成。XXXXXXXXXXX基本名 扩展名早期的DOS操作系统基本名限制长度为8个英文字符或4个汉字，扩展名 为3个英文字符和1个汉字。目前使用的WINDOWS98WINDOWS20等0系统的基 本

18、名最多可达255个字符。（二）.窗口和菜单 所谓窗口，即用户所能看到的屏幕显示界面。WINDOWS图标平面铺设的显示界面叫做“桌面”。菜单：计算机命令的一种可视化显示形式。常用的菜单是下拉式菜单。利 用键盘和鼠标来操作菜单，可以向计算机发出各种命令。（三）.图标 图标是目前软件中放置在桌面上的图形标记。它往往代表一个目录或一个文件，操作它可以打开文件或进入下级目录。（四）.基本文件管理操作最基本的文件管理操作有：1创建目录和新文件2复制、剪切、粘贴和发送3打开文件和编辑4文件和目录更名作为一个数控操作人员，基本的个人计算机操作知识是必须具备的。建议 读一些这方面的书籍并进行一些实践。第五节：广

19、义的计算机系统及应用广义的计算机决不仅仅是我们办公桌上的计算机系统。个人电脑只是计算 机的诸多应用形式之一。我们将通过下面的叙述，帮助您感11 / 165受到计算机系统在 我们的工作和生活中的应用是多么广泛。（一）.个人计算机及其应用个人电脑是主要用于办公、娱乐的专用计算机系统。它能做什么?不由你不信!1.企业管理:打字、财务、资料管理等。2.设计:CAD制图、生产模拟、产品设计等。3.分析计算:如工程模拟、股票分析等。4.音像功能：可以播放和处理声音、音乐、歌曲、图片、影像等。5.电子鸦片：即令许多人如痴如醉的电子游戏。6.生活管理:家庭财务、档案等。7.家庭教师：大量的家教软件开发使得利用

20、计算机学习各种知识成为可能。8.图书馆:电子图书与图书无纸化。9.电视机：装上电视卡，你的计算机可以收看任何普通电视收得到的电视 节目。10.网络：我们已经有了多种形式的上网方式，你可以通过计算机网络查询 信息、发布信息、发送邮件、召开会议、收看节目，找网友聊聊天，玩玩游戏 等。这条信息的高速公路缩短了人与人之间的距离，把地球真正变成了一个村 落。或许，坐在家里工作和读书的日子，也不会太远了吧！（二）.工业领域的专用计算机系统A.数控系统各类数控机床、加工中心上的计算机数字控制系统就是一台或几台计算机， 只不过它们控制的目标是设备加工过程和尺寸。B. PLC系统PLC即电气控制的可编程序控制器

21、，它用于机床的动作过程控制。C.变频器、电机保护器控制电机的变频器和电机保护器都是专用的计算机系统，多数使用单片计 算机。D.各种测量系统12 / 165现在的复杂测量系统，如在线量仪、过程测控等，基本是建立在单片计算 机或工业控制计算机基础上的专用测量系统。E.新兴的各种智能电器由于计算机产品的成本日益下降，现在使用计算机作为控制核心的电器产 品越来越多，如变压器、动力配电设备、显示仪表等。（三）.生活中的专用计算机系统各种汽车电器、数字电视、VCD机、数码摄像机、数码照相机、全自动洗衣机、微波炉等，都有计算机的影子。计算机正在越来越广泛地进入我们的生活 空间。第六节:数控机床的概念及其基本

22、特点一. 数控机床的概念顾名思义，数控机床即数字控制机床。其核心控制部分全部由数字电路构 成。它是由数字电路控制机床加工过程并实现需要的工艺参数的专用设备。早期的数控机床控制系统完全用硬件数字电路芯片构成。由于电脑技 术的高速发展，数控机床的控制部分已完全被计算机取代，且功能大大加强。 可以说，加工中心的发展完全得益于计算机的应用。电脑的强大功能有效地提 高了机床的加工能力。而且，由于计算机运算速度的发展，数控机床控制部件也逐步走向数字化、智能化。二. 数控机床的基本功能.从如下的功能中可以让我们更全面地了解数控机床。1.控制加工过程的刀架移动速度和轨迹，实现多象限联动控制或单独控制。2.关联

23、或独立控制坐标轴的转速和位置。3.实现对刀架、刀具库的加工控制。4.外围动作的控制（M S、T功能）。5. PLC功能。6.系统自诊断功能。7.良好的人机界面（图形用户接口GUI）。13 / 1658.和其它计算机系统联网，互换数据信息和获取帮助。三. 数控机床的特点（一）.零件加工可编程 由于加工零件的形状可用程序编制，使得一机可以多用。在存储器中可存 储多个零件的加工程序，加工时只要适当调整夹具和刀具即可变更加工内容。（二）.加工工艺参数的柔性调整 各种加工工艺参数，如刀具偏差、进刀速度、主轴转速、行程极限、传动 间隙等均可以随时调整。（三）.可实现良好的加工精度 随着数控技术的发展，各类

24、加工参数调整的柔性化，大大地简化了机床机 械部分的结构。 典型的一个数控 “轴”，机械部分只剩下一套丝杠和一个工作台 加上电气系统的发展已明显超出实际加工能力的需要，这就为提高加工精度奠 定了好的基础。四. 数控机床的适用范围 对数控设备比较经济的使用观点是，用于具有小批量和产品多变性的场合， 不适合大批量的流水作业。但现在的企业在生产线上使用数控设备的已越来越 多，其代价是要付出昂贵的设备费用，而获得单一的功能。但由于其优良的加 工精度，在大批量流水作业中使用也越来越多。第七节：如何学好数控设备知识一注重基础知识的学习 由于数控技术理论上较为深奥，要掌握这门技术，就必须注重基础理论的 学习。

25、二从电气、工艺、机械结构几个方面综合学习 数控技术是一门集计算机技术、自动控制技术、机械技术、工程力学、加 工工艺学等于一体的学科，因此，独立地想从单方面去了解数控设备是不可能 的。只有把这些方面结合起来学习，才能完整地掌握它。三结构化的学习方法 数控机床是一套复杂的系统，控制逻辑性和关联性强。因此，掌握系统的 整体结构，熟知各个部分的作用和特点，对更好地使用和维护数控机床就显得 特别重要。这种结构化的思维在机床调整和维修中是非常有益处的。四了解数控机床的技术发展趋势世界上的第一台数控机床是1952年由美国的Parsons（帕森斯）公司和麻 省理工学院联合开发的，用于直升机制造的三坐标数控铣床

26、。而我国最早的数 控系统研制是从1958年开始的。目前，数控机床和可编程序控制器（PLC）、工业机器人、网络技术并列为 工业自动化发展的四个方向之一。而其本身，也经历了日新月异的发展。14 / 165数控系统本身就经历了分立元件、集成电路、小型机、专用微型机系统， 直到现在建立在个人电脑操作平台基础上的控制系统这样一系列的发展阶段。 其功能也越来越强，速度越来越快，指令集越来越丰富。输入存储介质也由最 早的纸带发展到现在的硬盘、软盘、各种类型的存储器等多种介质。在计算机技术高速发展的基础上，控制系统的各个部分，如接口、驱动器、 操作面板等也逐步智能化，数控系统由单一的计算机系统变成了多计算机系

27、统 分工协作，从而使系统的整体性能大幅度地提高。伺服系统随着电机制造技术的发展，也经历了步进伺服、直流伺服、交流 伺服几个过程。而交流伺服又经历了交流模拟伺服和交流数字伺服两个阶段。 伺服系统的发展为机床的精度提高奠定了控制基础。机械系统同样经历了巨大的发展，刀库由最早的简单刀架倒现在复杂的刀 库管理系统，工作台由单一工作台到多工作台的自动交换系统，由于新材料和 新工艺的发展，传动系统精度也日益提高。从而为机床整体性能和精度的提高 创造了良好的前提条件。数控机床在生产过程中的应用也由最早的单机工作逐步发展到由一台计算 机为多台数控机床编程的计算机直接数控系统（DNC,兼DNC系统、自动输料、生

28、产管理系统于一体的柔性制造系统（FMS，集产品开发设计、制造过程、生 产管理、市场分析和财务管理等于一体的计算机集成制造系统（CIMS。完全可以说，数控设备将是今后工厂自动化的重要基础。第二章：数控机床的基本构成第一节：数控机床的控制结构典型的数控机床控制系统如下图所示（键盘、手轮等）15 / 165图2-1:数控机床的控制结构图其中：1.数控系统：包括上述的CPU存储器、输入输出接口及其他的一些专用电 路,是机床的控制中心。2. PLC系统：又称可编程序控制器，用于机床各部件的整体动作逻辑组织 和控制。3.驱动电路：属于输出设备，用于将数控系统的控制指令放大和转化为电 动机的激励信号，控制电

29、机的旋转。4.伺服电机：专用于数控设备直线轴和旋转轴的驱动电机，有优良的可控 性和精度。5.反馈器件：用于测量工作台的位移量或旋转角度。6.反馈电路：负责反馈器件测量信号的处理转换，最终回送给数控系统和 驱动电路进行位置和速度计算。7.操作设备：操作者向控制系统发送指令的工具。如键盘、手轮。8.显示器：数控系统通过屏幕显示方式向操作者反馈信息的工具。第二节:数控系统一. 数控系统是数控机床的控制核心包括CPU存储器、输入输出接口及其他的一些专用电路，是机床的控制中 心。它主要完成如下控制任务：1 存储系统管理程序、数控功能管理程序、用户应用软件环境、零件加 工程序、各类参数及工艺数据等。2 按

30、照操作人员的指令控制执行机构完成零件加工和调整等操作。3 控制外部设备，完成人机的相互交流。16 / 1654 通过外部接口或网络，和其它计算机系统进行数据交换。数控系统的种类非常多，但国内比较常用的数控系统有日本FANU（系统、德 国SIEMENS系统、美国GE-FANU系统等。二.FANUC系统简介FANUC系统的典型构成如下：1.数控主板：用于核心控制、运算、存储、伺服控制等。新主板集成了PLC功能。2. PLC板：用于外围动作控制。新系统的PLC板已经和数控主板集成到一起。3.I/O板：早期的I/O板用于数控系统和外部的开关信号交换。新型的I/O板主要集成了显示接口、键盘接口、手轮接口

31、、操作面板接口及RS232接口等。4. MMCS：人机接口板。这是个人电脑化的板卡，不是必须匹配的。本身 带有CRT标准键盘、软驱、鼠标、存储卡及串行、并行接口。5. CRT接口板：用于显示器接口。新系统中，CRT接口被集成到I/O板上。另外，还提供其他一些可选板卡等。以FANUC-2係统为例，典型配置包括主板、I/O板和MM（板。三.SIEMENS系统简介SIEMENS统的典型构成，以SIEMMENS840为例，包括：1.中央服务板：用于系统的综合控制。2. NC-CPU板：用于加工的数字控制。3. PLC-CPU板：用于代替传统的PLC系统，控制外围动作。4. MMC-CP板:用于和外部设

32、备通讯，功能与FANU啲MM（板类似。5A/D、D/A板：用于模/数、数/模转换。根据我们的使用经验，就中国目前的工业环境而言，日本的数控系统性能 价格比更具有优势。它们在我们的工厂使用环境中，性能相对更加稳定，而且 价格也比较合理。其使用特点也更符合中国人的习惯。第三节:执行机构就象人一样，只有给电脑装上“四肢” ，数控系统才能完成实际加工工作 而这里的“四肢”，就是执行机构。一.那些部分属于执行机构 数控机床的执行机构是指把数控系统的加工命令转换为实际加工过程的中 间机构，它包括:17 / 1651.驱动电路：用于将数控系统的控制指令放大和转化为电动机的激励信号，控制电机的旋转。2.伺服电

33、机：用于数控设备直线轴和旋转轴的驱动。 数控机床常用的驱动电机有三种，即步进电机、直流伺服电机和交流伺服 电机。3.由伺服电机驱动的机械机构：如工作台、刀架、主轴及其传动系统等。4测量系统：测量伺服轴的实际直线位移和角位移。 二对执行机构的要求 数控机床的执行机构必须具备下述特点，才能满足加工过程的精度要求：1具备高度的可控制性。所谓可控制性，亦即执行机构对数控系统给定的速度和位移量的跟踪灵敏 度和精度。无论数控系统的给定速度如何变化，执行机构都必须实现快速跟踪。 当系统发出位置命令时，执行机构要高精度地到达给定的位置。可以说，可控制性是数控机床满足加工精度的重要前提。2具备良好的抗扰动能力。

34、执行机构在遇到外界干扰，如负荷、电压等的变化时，必须有强的抗扰动 能力，保持相对稳定的速度。否则，就会直接影响加工的表面质量和精度。3能很好地适应环境的变化。无论是机械结构，还是电气系统，都要求对环境的变化，如温度、湿度、 灰尘等，具备良好的适应性。为此，机械系统，尤其是传动系统必须有好的刚 性和防护，环境变化时变形要小。电气系统的设计则要对各种元件的选择、补 偿、防护等予以综合考虑。第四节：步进电机步进电机是最早广泛应用于数控机床的一种电机，现在虽然在数控机床上 已很少使用，但由于其具备良好的经济性，在很多要求定位控制精度不高的场 合，仍然而且将长期被采用。一.步进电机的结构下图是三相步进电

35、机的结构图。18 / 165图2-2:三相步进电机的结构图和普通电机一样，它包括定子、转子、励磁绕组几个部分。所谓定子，即电机外壳和励磁磁极，是不能转动的部分。转子是指旋转部分，由它驱动机械负载产生运动。励磁绕组绕在定子上，由符合要求的电流信号进行激励，产生励磁磁场, 从而驱动转子旋转。除三相电机外，还有四相电机、五相电机等。步进电机的转子又有电磁式和永磁式两种。二.步进电机的工作原理F面是三相步进电机的简化结构，从它我们可以了解其工作原理19 / 165图2-3:步进电机的原理示意图上图中，（a）为A相送电励磁，使之产生一个从上向下的磁场，在磁场作 用下，将把转子离垂直磁场最近的齿1、3吸引

36、到A极附近。（b）为B相送电， 产生一个以B磁极为轴心的磁场，这时2、4齿离磁轴最近，从而被吸引到B磁 极。同理，当C相励磁时，1、3齿又被吸引到C磁极。当A相再送电时，2、4齿被吸引到A磁极。 如此循环往复，电机在磁极的顺序轮流励磁下，使转子连续旋转。从上面可以看出，转子是单步式旋转的，所以我们称这种电机为步进电机 实际的步进电机，其工作原理与此类似，只要定、转子齿距角保持规定的 比例（2/3）并均布，就能连续旋转。三.步进电机的励磁方式步进电机的励磁方式有整步、半步、细分步三种。下面，以三相电机为例 予以介绍。1.整步方式励磁顺序:A-B-A-.励磁方法和二中介绍的原理完全相同。磁场切换每

37、次跨越一个极距，因此 称为整步励磁方式。这种励磁方法转子每次的移动角度是最大的。励磁波形为：20 / 165对二相步进电机来讲，这种励磁方式需要二拍完成一个循环，又称为二相 三拍方式。由于每次只励磁一个磁极，故又称为1P方式。2.半步方式励磁顺序：ATABBBGCAA.。即磁场切换时，每次切换半个极距，因此称为半步励磁方式。这种励磁方 法转子每次的移动角度是整步方式的一半，因而精度比整步方式高，但速度却 被降低。励磁波形为：图2-5:半步励磁方式波形图对三相步进电机来讲，这种励磁方式需要六拍完成一个循环，又称为三相六 拍方式。由于每次励磁一或两个磁极，故又称为1-2P方式。3.细分步方式把一个

38、整步通过控制励磁过程细分成多步完成的方式。这种励磁方式在切换磁极时， 电流不是一次性加入或切除的， 而是前一磁 极逐步减少，后一磁极则逐步增加。当前一磁极电流减到零时，后一磁极电流 也加到最大。从合成的磁场来看，磁轴将从前一磁极逐步缓缓移动到后一磁极。 这样磁极切换过程可以分成多步完21 / 165成，即所谓细分步励磁。目前生产中， 用到的细分可以达到几百步,细分步技术有效地提高了驱动系 统的精度，当然也将牺牲系统的速度。四. 步进电机的步距角 步进电机的步距角即电机转子每次励磁产生的机械转角。步距角：a=360 /mZKm:电机相数。Z:转子齿数。K:细分步数。整步K=1，半步K=2五. 步

39、进电机的控制方法通过上面原理和励磁方法的分析，我们可以发现步进电机的控制可以按下 述方法进行：速度控制：通过改变励磁频率来实现。 方向控制：通过改变励磁顺序来实现。 位移量：由于步进电机的步距角是固定的，因此，位移量可以简单地折算 成励磁脉冲个数。这样，无须位置反馈，即可以通过发出固定的励磁脉冲数来 控制工作台做特定的位移运动。第五节：直流伺服电机直流伺服电机实质上就是一台特殊的直流电机。它是数控机床的第二代驱 动电机，现在服役的设备中，还有相当部分的数控机床采用这种电机。但从二 十世纪九十年代起，它就已经开始逐步被交流伺服电机取代。.直流伺服电机的原理及一般结构 面是直流伺服电机的示意图。图

40、2-6:直流电机原理示意图直流伺服电机的定子磁极一般采用天然磁铁。如图，N、S构成一对磁极，形成由上到下的恒定磁场。如果在转子表面沿轴向粘上多层独立分匝的绕组 （图 中只画出S22 / 165了其中一匝），并通以图示方向的电流，则根据左手定则，绕组将受到 逆时针方向的旋转力，而使转子逆时针旋转。从图中我们还可看到，在直流电机中，每匝绕组中的电流要每180度换向一次，即上半周和下半周方向相反。直流电机的转子电流由电刷提供，换向则 由和电机轴同轴安装的换向器完成。直流电机为改善换向性能，消除换向时电流断续时产生火花，一般还设置 换向磁极。所以普通的直流电机除外壳外，还包括定子磁极、换向磁极、转子（

41、又叫 电枢）、电刷、换向器等部分。二直流伺服电机的结构特点和分类1.小惯量直流电机这种电机的转子为减少转动惯量，转子做得细长。因为转子的转动惯量与转 子直径平方成正比，同时电磁扭矩又与转子切割磁力线的有效长度成正比，所 以这样做可以有效地提高伺服电机的驱动能力和可控制性能。事实上，前面介绍的原理就是以这种电机为原型的。其特点是：*转动惯量小，约为普通电机的1/10。*反应快，有良好的换向性能。*速度均匀性好，尤其低速时，更具优势。*扭矩大，最大扭矩约为额定值的10倍。2.直流印刷电机这种电机的转子由多层同轴的玻璃胶布板圆盘形转子构成，每层圆盘印刷 有铜箔绕组。由于这样可以有效地提高绕组的作用力

42、矩，且转子质量轻，因而 可以得到较大的扭矩。其特点是：*电机结构简单，成本低。*电机绕组全部和空气接触，散热好，因而过载能力强。*圆盘可由玻璃丝布板等非金属材料构成，既轻又具有小的电磁惯性，因 此具有好的换向性能和调速性能。3.杯形转子直流电机这种电机的转子做成空心杯，从而有效地减少了转动惯量，提高了可控性。23 / 1654.宽调速直流电机这种电机有意保留较大的转子惯性，靠提高扭矩来提高响应速度。因此功 率可以做得很大，适用于大负载和要求有特殊配重的场合。三直流伺服电机的调速和换向直流伺服电机的调速一般通过调节定子电压的方法来实现，其调速特性为图2-7.直流伺服电机的调速可见，只要改变电枢电

43、压，转速即可以得到调节。直流电机旋转方向的变化则由电枢电压的极性控制。只要改变电枢电压极 性，即可改变电机的旋转方向。24 / 165第六节：交流伺服电机交流伺服电机是近年来广泛采用的一种伺服电机。事实上，这种电机的控 制远比直流伺服电机复杂，但由于其电机维护简单，控制电路稳定，而得到越 来越普遍的应用。一.交流伺服电机的结构原理交流伺服电机按相数分为单相电机和三相电机两种。单相电机使用单相电 源，三相电机使用三相电源。原理上，两种电机都是使用符合特定要求的电源对定子绕组进行励磁，并 产生旋转磁场，从而拖动转子旋转。（一）.单相交流伺服电机单相交流伺服电机的定子有两套磁极，其相应绕组分别叫做励

44、磁绕组和控 制绕组。两个绕组的布置在空间上相差90度，即垂直。如下图所示：图2-8.单相交流伺服电机原理示意图加在两个绕组上的励磁电压相位上相差90度，即:励磁电压：u仁Umsinwt控制电压：u2二Urwoswt其波形为：励磁绕组控制绕组u1=Um1sinwtu2=Um2coswt25 / 165图2-9.单相交流伺服电机的旋转磁场形成从两个波形的各特征点电压和磁极空间布置情况，根据右手定则，可以判 断这些点磁场方向如图2-9所示。从图中可以发现定子磁场是旋转的。这个旋 转的磁场带动转子旋转，从而使电机工作。（二）.三相交流伺服电机三相交流伺服电机的磁极有三对，空间各相差120度，励磁电压的

45、相位也相差120度。这样的励磁同样可以产生旋转磁场。由于三相电机的原理相对复杂，考虑操作人员的实际情况，这里不进行详 细介绍。（三）.交流伺服电机的物理结构特点一般交流伺服电机也采用鼠笼转子，与普通异步电机类似。特殊要求轻转动惯量的场合，可以使用空心杯转子。杯壁厚度小于0.5毫米。为提高磁耦合效果，在杯中加入了内定子。二.交流伺服电机的调速和换相（一）.单相交流伺服电机对单相交流伺服电机来讲，通过调节励磁电压的幅值或两个电压的相位差 来实现调速。前者叫做幅值控制，后者称为相位控制。换向只要改变控制电压与励磁电压的相位超前关系即可。当控制电压等于零时，电机停止u1励磁绕组u2控制绕组磁场方向26

46、 / 165（二）.三相交流伺服电机27 / 165这种电机的控制方法有矢量变换和直接PWM空制等，控制比单相电机复杂 得多，不予赘述。第七节：驱动控制系统由于三种伺服电机的出现，也因而产生了三种伺服驱动控制系统。即所谓: 步进伺服系统、直流伺服系统和交流伺服系统。一.步进伺服系统步进伺服系统是较早期的系统，国内主要出现在70年代，现在一些要求定 位精度不高的场合仍在使用。步进伺服系统的控制框图如下：图2-10.步进伺服系统框图图中，控制系统即数控系统的核心控制部分。它给出一个脉冲列，脉冲频 率决定了电机的速度，频率越高，速度越高。脉冲数量则决定了实际位移量。环形分配器是把单一脉冲列按照电机各

47、相励磁要求分成多个脉冲列。功率放大部分把多个脉冲列进行放大，最后驱动电机的各相绕组，使电机 旋转起来。从成本经济，结构简单和利于维护方面来讲，步进系统是最具优势的。但 其定位精度和平稳性有较明显缺陷，而且系统易受到干扰。近年来，由于国外 对大功率步进系统开发的研究，步进系统的应用又有恢复的趋势。二.直流伺服系统直流伺服系统是较步进系统高一级的系统，八十年代在我国得到广泛应用, 而且现在仍有一部分在服役中。直流伺服系统的典型框图如下图所示:主控制系统给疋信号R|环形分配器（速度、位置）28 / 165图2-11.直流伺服系统框图上述系统中，主要有如下环节：1.速度调节：速度给定由数控系统获得，速

48、度调节器把给定速度和反馈的 速度做比较，以控制输出使电机速度稳定。2.电流调节：经速度调节输出的信号和实际负载的大小（电流信号反馈） 做比较，以调整电机驱动电压的高低，抑制负载变化对电机速度的影响。3.速度反馈：用测速元件测量电机的实际转速，送给速度调节器判断实际 转速与给定转速的误差。4.电流反馈：用测流元件测量电机的电流，间接测知负载的变化，送给电 流调节器与其给定信号做比较，以控制电机的电压而使速度稳定。5.可控硅触发电路：把电流调节器输出的信号用做控制信号，根据前面控 制结果向三相可控硅电路的各可控硅（12个）输出多组符合要求的脉冲列，控 制可控硅组向电机提供合适的电压，驱动电机旋转。

49、直流伺服系统调速范围宽，控制平稳，精度也较高。但成本较步进系统高， 其电机需经常维护，控制系统受温度、湿度等环境因素影响大。三交流伺服系统交流伺服系统较直流伺服系统又进了一步，国内主要在90年代开始普及交流伺服系统是数控伺服系统发展的趋势，现在所有新定购的数控设备基本上 全部是交流伺服系统。29 / 165交流伺服系统的控制要复杂得多。目前最典型的是“矢量变换”控制系统, 基本思想是把三相交流伺服电机等效成直流电机，进行控制运算，最后再折算 到三相交流电机的三相励磁，以实现对交流伺服电机的控制。由于其控制过于复杂，此处不予以介绍。交流伺服系统成本最高。然而，无论是控制精度，还是系统稳定性，都是

50、 三种系统中最好的。这种系统的故障率明显较另外两种系统少得多。正是由于 有了这些优点，它得到越来越广泛的应用。第八节：测量反馈系统数控机床的测量反馈系统是为测知实际控制输出的大小变化，与给定比较 以对控制误差进行校正而设计的。由于数控系统的位置测量器件种类很多，这 里只就光电脉冲编码器和感应同步器做简单介绍。一.光电脉冲编码器A.相对式光电脉冲编码器光敏元件光源接收整形电路30 / 165图2-12.相对式光电脉冲编码器原理图31 / 165相对式光电脉冲编码器是一种光学器件。它由光源发光，一片透镜收集光 源光线并投射到与电机同轴安装的光电盘上。光电盘上刻有等距离的透光条纹， 当它旋转时，三个

51、光敏元件将各自接收到一个光电脉冲列。这三个脉冲列经后 续电路整理，变成我们需要的AA、B、B、Z、Z六组信号。* *以上信号中A、A、B、B用于计算位移量，由外圈透光条纹和上面两个光 敏元件产生。Z、Z用来做位置基准，由里圈的一个粗条纹和下面的光敏元件产 生。其波形图为图2-13所示。由上图可以看出， 位移脉冲信号电机每转一转时有多个。 电机每转的脉冲 数称为“线数”。基准信号电机每转则只有一个。编码器的精度可分为50-10000线等多种。带有*号的信号和原信号相位差180度。A、B信号间相差90度，由A、B信 号哪一个超前可以判断电机的转向。J90oAjYLrmTLFLrLnLn - - u

52、-inA* -BJTLnLTLnLTLnLrm - -B*图2-13.相对式光电编码器信号波形图从上述介绍我们可以看出，这种器件可以在先算知每个脉冲的等效位移后, 通过对脉冲计数来测量机械部件的实际位移量。目前数控设备的反馈器件大多 数是这种编码器。B.绝对式光电脉冲编码器绝对式光电编码器与相对式不同，它不但可以测得位移量，而且可以计算 机械部件的当前绝对位置。其信号测量原理基本与相对式编码器相同，所不同 的是其光电码盘刻录的透光缝是编码了的，光敏元件个数也与编码的位数相同 图2-14给出了一个四位编码盘的示意图。32 / 165图2-14.四位编码盘示意图上图中， 透光为1,遮光为0。 从0

53、000开始， 顺时针方向的编码分别为0001、0010、0011、1111，即为BCD编码。按照这个编码盘读出的四列信号，我们可以准确判断机床电机轴和丝杠的 当前角度位置，所以叫做绝对式编码器。通过计数我们也可以得到机床实际的 位移量。二.感应同步器感应同步器也是一种位置测量器件，尤其在装备有数显设备的机床上使用 较多。其基本结构由定尺和滑尺组成。定尺上腐蚀有一组矩形铜绕组，而滑尺上 腐蚀有两组，其中一组叫做正弦绕组，另一组叫做余弦绕组。? - Uoc - ?.-LrLTLTLrLn-TUnn rLTk定尺O- O- O-OCOS绕组SIN绕组图2-15.感应同步器的原理图它应用了电磁感应的原

54、理。当在滑尺绕组加入励磁：正弦绕组：Us二Um coso t33 / 165余弦绕组：Uc=Um sint时，定尺中的输出电压为：Uoc=K Um sin（3t+0）其中，K为电磁耦合系数，0=2nX位移量/T,T又称为节距。可见，输出电压是位移量的函数。通过判断0角的大小也可以判断当前机 床的绝对位置。所以，这也是一种绝对式位置测量器件。三其它测量器件简介 测量位置的器件还有很多。其中使用较多的还有光栅、旋转变压器、磁栅 等。我们不再一一介绍。第九节:基本外设数控系统常用的外围器件有显示器、键盘、软驱、打印机、编程设备、手 摇编码器等，它们统称为计算机系统的外部设备。一.普通外设这类设备即C

55、RT键盘、软驱、打印机等，它们是人机交流的重要工具。第 一章中已经有所介绍，此处不予以重述。二编程设备（一）.纸带机 在七十到八十年代，纸带机是一种重要的编程和程序输入设备。它把程序和数据用经编码后的八位穿孔制作在纸带上。国际上还专门制定了ISO纸带指 令标准。后来随着存储介质的容量、性能、种类的飞速发展，纸带机已经逐步 被淘汰。（二）.专用编程器 继纸带机之后，数控设备的编程由数控设备厂家开发的各类专用编程器取代。这类编程器实际上是一种专用计算机系统，没有通用性，价格昂贵，每台 几万元到几十万元不等。目前还有大量的这类编程设备在使用中。（三）.个人电脑编程利用普通个人台式电脑或笔记本电脑，加

56、载必要的软件和接口，实现对数 控设备的编程和程序数据管理，这是近几年发展起来的一种新型编程工具。由 于个人电脑资源广泛，可以避免重复投资。我们只要购买数控设备厂家的专用 编程软件和必要的接口，即可方便地实现对机床的程序和数据编辑、备份、重 装等操作。34 / 165三.手摇脉冲编码器这是一种由操作工人控制的，命令工作台作定量进给的器件。它实际上也是一种光电脉冲编码器，二者的原理基本相同。区别无过于驱 动来源不一样，一为设备电机，一为人为手摇而已。它把输出脉冲送到数控系 统，使机床按照设置的脉冲当量（每个脉冲的走刀量或转角）进行走刀或旋转 操作。第十节：位置随动系统的流程结构所谓位置随动系统，是

57、指对指定位置指令进行位置动态跟踪的系统。弄清 其概念，对数控机床的整体理解是有益的。一.给定与反馈给定：是指一个控制系统的指定目标输入信号。对数控机床来讲，它由数 控系统给出，由伺服驱动系统处理并执行。反馈：把控制目标输出量的一部分或全部反送到给定输入端，与给定信号 进行比较，共同参与对输出量的控制，以消除控制误差。图2-16.简单的给定与反馈系统图例如，我们生活中用到的各种温度控制系统（热水器、电水壶等）就是这 样一个简单的系统35 / 165二闭环与开环系统（一）.开环系统没有反馈，目标输出量完全根据控制系统的给定直接执行的系统给定量-主控制通路图2-17.开环系统框图典型的如开环步进系统

58、，其位置和速度都是按照给定进行输出。这种系统 在发生偏差时，无法自动检测，因而也就无法进行自动校正。（二）.半闭环系统有反馈装置，但反馈不直接来自于实际目标输出量的系统。当前使用的所有标准数控设备的工作台控制基本都是这种系统。它的反馈 取自电机端的转子转速，而不是实际工作台的位移量。即反馈量中未包含传动 系统的误差，因此只能算是半闭环系统。图2-18.半闭环系统框图（三）.全闭环系统有反馈装置，且反馈来自于实际输出量的系统。数控机床的部分要求精密加工的系统使用了这种控制结构。如做精密形线 加工的工作台。真正的全闭环系统由于控制上要求较高，因此，应用不不多。输出量F面是这种系统的框图:36 /

59、165其框图如下所示：图2-19.全闭环系统框图三.位置随动系统的三个环典型的位置随动系统一般都有这样三套反馈系统：位置环、速度环、电流 环。这三个反馈环路构成一个稳定的位置控制系统。（一）.三环系统的控制框图下图给出了数控机床典型的三环系统框图。图2-20.三环系统框图图中，转换电路的作用是把速度信号转换为位移信号。（二）.三个环的各自作用1.位置精度的实现一位置环处于反馈环路的最外圈，由位置测量器件把测到的实际位置反馈到数控系 统，与给定的位置指令进行比较，以实现精确位置跟踪控制。2.速度波动的控制一速度环37 / 165处于三个环路的中间，其任务是测量电机的实际速度，与数控系统的速度 给

60、定进行比较，以实现对给定速度的跟踪并抑制速度波动，达到对速度的精确 平滑控制。3.负荷变化的适应 电流环 电流环是三个环的内环，其作用是通过测量电机的电流变化来间接得到实 际加工负载的波动状况，再与电流环给定量进行比较，从而通过调节控制抑制 它给速度造成的可能扰动。四. 反馈与给定的“权” （CMR/DM）R之所以介绍“权”的概念，是因为它是系统的重要参数之一。 一般来讲，给定量的单位和反馈量的单位必须统一，这样才能进行比较计 算。原则上，一个稳定的控制系统，反馈量和给定量应该完全相等。但是由于 控制系统自身硬件和软件参数设计的原因，给定量和反馈到数控系统的反馈量 可能大小有大的差异，即“权”不同，这