数控机床电气控制

1、数控机床电气控制第一章概述1*2第一节数控机床的基本组成及各部分功能第二节数控机床电气控制系统的原理和功能第三节数控机床的分类和特点第四节数控机床的产生及发展第一节数控机床的基本组成及各部分功能一、数控机床的定义 数字控制（Numerical Control NC）是一种借助数字、字符或其他符号对某一工作过程（如加工、测量、装配等）进行可编程控制的自动化方法。 数控技术（Numerical Control Technology）是采用数字控制的方法对某一工作过程实现自动控制的技术。 数控机床（Numerical Control Machine Tools）是采用数控技术对机床的加工过程进行控制

2、的机床。二、数控加工过程数控加工程序的编制。在零件加工前，首先根据被加工零件图样进行工艺分析，确定加工的工艺过程、工艺参数、几何参数以及切削用量等，然后根据机床编程手册规定的代码和程序格式编写零件加工程序。 程序的输入。输入的任务是把零件程序、控制参数和补偿参数输入到数控装置中去。(3) 将输入或传输到数控单元的加工程序，进行试运行、刀具路径模拟等。(4)伺服机构驱动机床的运动部件，使机床按程序规定的轨迹运动，从而实现零件的数控加工。三、数控机床的基本组成 1操作面板 2输入/输出设备 3电气控制系统 4位置检测装置 5机床本体机床本体具有以下特点：(1) 数控机床采用了高性能的主轴及伺服传动

3、系统，机械传动结构简单，传动链较短。(2) 数控机床机械结构具有较高的刚度，阻尼精度及耐磨性，热变形小。(3) 它更多地采用高效传动部件，如滚珠丝杠副、直线滚动导轨。四、数控机床的适用范围数控机床最适宜加工以下类型的零件：（1）生产批量小的零件(100件以下)；（2）需要进行多次改型设计的零件；（3）加工精度要求高、结构形状复杂的零件；（4）需要精确复制和尺寸一致性要求高的零件；（5）价值昂贵的零件，这种零件虽然生产量不大，但是如果加工中因出现差错而报废，那么将产生巨大的经济损失。第二节数控机床电气控制系统的原理和功能1数控装置(CNC)数控装置是数控机床电气控制系统的控制中心。2伺服系统伺服

4、系统的作用是把来自数控装置的运动指令进行放大处理，驱动伺服电动机运转。3可编程控制器（PLC）4机床电器柜（即强电控制柜）5输入输出（IO)装置 输入输出(IO)装置是人机之间进行信息交流和对话以及实现机床辅助动作而必须具备的交互设备。6输入输出与通信接口第三节数控机床的分类和特点一、数控机床的分类1. 按运动轨迹分类（1）点位控制系统 它的特点是刀具在相对工件的移动过程中，不进行切削加工，对定位过程中的运动轨迹没有严格要求，只要求从一个坐标点到另一个坐标点的精确定位。（2）直线控制系统 这类控制系统的特点是除了控制起点与终点之间的准确位置外，而且要求刀具由一点到另一点之间的运动轨迹为一条直线

5、，并能控制位移的速度。 （3）轮廓控制系统 也称连续控制系统。其特点是能够同时对两个或两个以上的坐标轴进行连续控制。2. 按伺服系统控制方式分类（1）开环伺服系统 数控装置根据信息载体上的指令信号，经控制运算发出指令脉冲，使伺服驱动元件转过一定的角度，并通过传动齿轮、滚珠丝杠螺母副，使执行机构(如工作台)移动或转动。（2）闭环伺服系统 其位置检测元件直接对工作台的实际位置进行检测，理论上讲，可以消除整个驱动扣传动环节的误差、间隙和失动量，具有很高的位置控制精度。 （3）半闭环伺服系统 半闭环数控系统的位检测点是从驱动电动机(常用交、直流伺服电动机)或丝杠端引出，通过检测电动机和丝杠旋转角度来间

6、接检测工作台的位移量，而不是直接检测工作台的实际位置。3数控机床按工艺用途分类 (1) 切削加工类 切削加工类即具有切削加工功能的数控机床，还有工艺范围更宽的车削中心、加工中心、柔性制造单元(FMC)等。（2）成形加工类 成形加工类是指具有通过物物理方法改变工件形状功能的数控机床。 (3) 特种加工类 特种加工类是指具有特种加工功能的数控机床。 (4) 其他类型 其他类型是指-些数控设备，如数控装配机、数控测量机、机器人等。4. 按功能水平分类（1）经济型数控系统(又称简易数控系统)这一类型的数控系统一般为开环控制，采用的CPU为单板机或单片机，用数码管显示或单色小液晶显示或CRT字符显示。（

7、2）普及型数控系统(又称全功能数控系统)这类系统一般为半闭环控制，采用16位或32位CPU，9 in(2286mm)单色显示器（1 in=254mm）。（3）高性能数控系统 这类系统一般为全闭环控制，采用的微型计算机为32位以上的CPU，显示器为彩色CRT或TFT液晶显示器内存大于150 KB。二、数控机床的特点 （1）加工精度高，质量稳定。 （2）能完成普通机床难以完成或根本不能加工的复杂零件加工。 （3）生产效率高。 （4）对产品改型设计的适应性强。 （5）有利于制造技术向综合自动化方向发展。 （6）监控功能强，具有故障诊断的能力。 （7）减轻了工人的劳动强度，并改善了劳动条件。第四节数控

8、机床的产生及发展一、数控机床的产生 从第一台数控机床问世到现在的50多年中，数控技术的发展非常迅速，集计算机技术、现代控制技术、微电子技术、传感检测技术、信息处理技术、网络通信技术、液压气动技术、光电子技术以及传统的机械制造技术为一体，得到了广泛的应用，在数控机床是关系到国家战略地位和体现国家综合国力水平的重要基础性产业，其水平高低和拥有量多少是衡量一个国家工业现代化的重要标志，在国防建设上亦具有重要的战略意义。二、数控机床的发展1机床的发展概况第一阶段硬件数控阶段(NCNumerical Control)第一代数控：19521959年，采用电子管构成的专用数控系统。第二代数控：1959196

9、5年，采用以晶体管电路为主的NC系统。第三代数控：1965年开始的，采用中、小规模集成电路的NC系统。第二阶段软件数控阶段第四代数控：1970年开始，采用大规模集成电路的小型通用电子计算机控制系统(CNC)。第五代数控：1974年开始，采用微型计算机的控制系统(CNC)。第六代数控：1990年开始，基于PC机的开放式CNC系统。2数控机床的发展趋势（ 1）高速度、高精度化（2）开放式（3）智能化（4）复合化（ 5）高可靠性（6）多种插补功能（7）人机界面的友好第二章数控机床低压电器第一节数控机床低压电器概述第二节控制继电器第四节数控机床电气控制设计基本原则和画法规则第一节数控机床低压电器概述一

10、、常用低压电器的分类1按用途或控制对象分类（1）配电电器：主要用于低压配电系统中。（2）控制电器：主要用于电气传动系统中。2按动作方式分类（1）自动电器：依靠自身参数的变化或外来信号的作用，自动完成接通或分断等动作，（2）手动电器：用手动操作来进行切换的电器，3按触点类型分类（1）有触点电器：利用触点的接通和分断来切换电路，（2）无触点电器：无可分离的触点。4按工作原理分类（1）电磁式电器：根据电磁感应原理动作的电器（2）非电量控制电器：依靠外力或非电量信号（如速度、压力、温度等）的变化而动作的电器5按低压电器型号分类（1）刀开关H。（2）熔断器R。（3）断路器D。（4）控制器K。（5）接触器

11、C。（6）起动器Q。（7）控制继电器J。（8）主令电器L。（9）电阻器Z。（10）变阻器B。（11）调整器T。（12）电磁铁M。（13）其他A。二、低压电器的结构（一）电磁机构电磁机构是电磁式电器的主要组成部分，其工作原理是将电磁能转换成为机械能，从而带动执行部分触头动作。 电磁机构由吸引线圈(励磁线圈)和磁路两部分组成。磁路包括铁芯、衔铁和空气隙。当吸引线圈通入电流后，产生磁场，磁通经铁芯、衔铁和工作气隙形成闭合回路，产生电磁吸力，将衔铁吸向铁芯。与此同时，衔铁还要受到复位弹簧的拉力，只有当电磁吸力大于弹簧拉力时，衔铁才能可靠地被铁芯吸住。（二）触头系统 触头是电磁式电器的执行部分，电器就是

12、通过触头的动作来分合被控制电路的。触头在闭合状态下动、静触点完全接触，且有工作电流通过，称为电接触。 影响电接触工作情况的主要因素是触头的接触电阻，因为接触电阻大时，易使触头发热而温度升高，从而易使触头产生熔焊现象，这样既影响了工作可靠性又降低了触头的寿命。1触点的接触形式2接触电阻3影响接触电阻的因素和相应措施（1）接触压力 增加接触压力，可使相接触的凸起点发生变形而增加接触面积，减少接触电阻。（2）触点材料材料的电阻系数越小，接触电阻也就越小。（3）触点表面状况 触点温度升高会加速金属表面的氧化速度，由于一般金属氧化物的电阻系数比金属本身大得多，因此一旦接触表面生成氧化物之后，就会使接触电

13、阻增大，严重的氧化将使接触点之间绝缘而导致电路断路。（三）灭弧盖常用的灭弧方法有增大电弧长度、冷却弧柱、把电弧分成若干短弧等。1电动力灭弧 桥式触点在分断时本身就具有电动力灭弧功能，不用任何附加装置，便可使电弧迅速熄灭。2磁吹灭弧 在触点电路中串入吹弧线圈，该线圈产生的磁场由导磁夹板引向触点周围，其方向由右手定则确定（如图中所示）。3栅片灭弧 灭弧栅是一组薄铜片，它们彼此间相互绝缘，当电弧进入栅片后被分割成多段串联的短弧，而栅片就是这些短弧的电极。第二节控制继电器一、电磁式继电器常用的电磁式继电器有电流继电器、电压继电器、中间继电器以及各种小型通用继电器等。1电磁式继电器的整定（1）转动调节螺

14、母，调整反力弹簧的松紧程度可以调整动作电流（电压）。（2）改变非磁性垫片的厚度。（3）调节螺丝，可以改变初始气隙的大小。2电磁式继电器的特性继电器的主要特性是输入/输出特性，又称为继电特性，二、中间继电器 中间继电器实质上是一种电压继电器，它是根据输入电压有无而动作的，一般触点对数多，触点容量额定电流为510 A左右。 中间继电器体积小，动作灵敏度高，一般不用于直接控制电路的负荷，但当电路的负荷电流在510 A以下时，也可代替接触器起控制负荷的作用。 中间继电器的工作原理和接触器一样，且触点较多，一般为四常开触点和四常闭触点。常用的中间继电器型号有JZ7和JZ14等三、电流继电器和电压继电器1

15、电流继电器 电流继电器的输入量是电流，它是根据输入电流的大小而动作的继电器。电流继电器的线圈串入电路中，以反映电路电流的变化，且其线圈匝数少、导线粗、阻抗小。2电压继电器电压继电器的输入量是电路电压的大小，它根据输入电压的大小而动作。与电流继电器类似，电压继电器也分为欠电压继电器和过电压继电器两种。四、时间继电器时间继电器在控制电路中用于时间的控制。按其动作原理可分为电磁式、空气阻尼式、电动式和电子式等；按延时方式可分为通电延时型和断电延时型。空气阻尼式时间继电器是利用空气阻尼原理获得延时的，它由电磁机构、延时机构和触头系统三部分组成。空气阻尼式时间继电器可以做成通电延时型，也可改成断电延时型

16、，电磁机构可以是直流的，也可以是交流的， 优点是结构简单、延时范围大、寿命长、价格低廉，且不受电源电压及频率波动的影响，其缺点是延时误差大、无调节刻度指示，一般适用于延时精度要求不高的场合。 在使用空气阻尼式时间继电器时，应保持延时机构的清洁，防止因进气孔堵塞而失去延时作用。五、热继电器热继电器主要用于电气设备（主要是电动机）的过负荷保护。热继电器是一种利用电流热效应原理工作的电器，它具有与电动机容许过载特性相近的反时限动作特性，主要与接触器配合使用，对三相异步电动机的过负荷和断相进行保护。 1热继电器的工作原理当电动机正常运行时，其工作电流通过热元件产生的热量不足以使双金属片变形，热继电器不

17、会动作。当电动机发生过电流且超过整定值时，双金属片的热量增大而发生弯曲，经过一定时间后，使触点动作，通过控制电路切断电动机的工作电源。2热继电器的选择原则（1）热继电器结构形式的选择：星形接法的电动机可选用两相或三相结构热继电器，三角形接法的电动机应选用带断相保护装置的三相结构热继电器。（2）热继电器的动作电流整定值一般为电动机额定电流的10511倍。（3）对于重复短时工作的电动机（如起重机电动机），由于电动机不断重复升温，热继电器双金属片的温升跟不上电动机绕组的温升，电动机将得不到可靠的过载保护。六、速度继电器速度继电器又称为反接制动继电器，主要用于三相鼠笼型异步电动机的反接制动控制。它主要

18、由转子、定子和触头三部分组成。 转子是一个圆柱形永久磁铁，定子是一个鼠笼型空心圆环，由硅钢片叠成，并装有鼠笼型绕组。 其转子的轴与被控电动机的轴相连接，当电动机转动时，转子（圆柱形永久磁铁）随之转动产生一个旋转磁场，定子中的鼠笼型绕组切割磁力线而产生感应电流和磁场，两个磁场相互作用，使定子受力而跟随转动，当达到一定转速时，装在定子轴上的摆锤推动簧片触点运动，使常闭触点断开，常开触点闭合。七、液位继电器 液位继电器主要用于对液位的高低进行检测并发出开关量信号，以控制电磁阀、液泵等设备对液位的高低进行控制。浮筒置于液体内，浮筒的另一端为一根磁钢，靠近磁钢的液体外壁也装有一根磁钢，并和动触点相连，当

19、水位上升时，受浮力上浮而绕固定支点上浮，带动磁钢条向下，当内磁钢N极低于外磁钢N极时，由于液体壁内外两根磁钢同性相斥，壁外的磁钢受排斥力迅速上翘，带动触点迅速动作。八、压力继电器 压力继电器主要用于对液体或气体压力的高低进行检测并发出开关量信号，以控制电磁阀、液泵等设备对压力的高低进行控制。 压力继电器主要由压力传送装置和微动开关等组成，液体或气体压力经压力入口推动橡皮膜和滑杆，克服弹簧反力向上运动，当压力达到给定压力时，触动微动开关，发出控制信号，旋转调压螺母便可以改变给定压力。第三节其他低压电器一、接触器接触器主要用于控制电动机、电热设备、电焊机、电容器组等，能频繁地接通或断开交直流主电路

20、，实现远距离自动控制。它具有低电压释放保护功能。1交流接触器的组成部分（1）电磁机构：电磁机构由线圈、动铁芯（衔铁）和静铁芯组成。（2）触头系统：交流接触器的触头系统包括主触头和辅助触头。（3）灭弧装置：容量在10 A以上的接触器都有灭弧装置。对于小容量的接触器，常采用双断口桥形触头以利于灭弧；对于大容量的接触器，常采用纵缝灭弧罩及栅片灭弧结构。（4）其他部件：包括反作用弹簧、缓冲弹簧、触头压力弹簧、传动机构及外壳等。2接触器的主要技术参数和类型 （1）额定电压：接触器的额定电压是指主触头的额定电压。（2）额定电流：接触器的额定电流是指主触头的额定工作电流。 （3）吸引线圈的额定电压：交流有3

21、6V，127V，220V和380V，直流有24V，48V，220V和440V。（4）机械寿命和电气寿命：接触器是频繁操作电器，应有较高的机械和电气寿命， （5）额定操作频率：接触器的额定操作频率是指每小时允许的操作次数，一般为300 次/h、600 次/h和1 200 次/h。（6）动作值：动作值是指接触器的吸合电压和释放电压。3接触器的选择（1）根据负载性质选择接触器的类型。（2）额定电压应大于或等于主电路工作电压。（3）额定电流应大于或等于被控电路的额定电流。对于电动机负载，还应根据其运行方式适当增大或减小。 （4）吸引线圈的额定电压与频率要与所在控制电路的选用电压和频率相一致。二、熔断器

22、 熔断器在电路中主要起短路保护作用，用于保护线路。熔断器的熔体串接于被保护的电路中，以其自身产生的热量使熔体熔断，从而自动切断电路，实现短路保护及过载保护。 熔断器具有结构简单、体积小、重量轻、使用维护方便、价格低廉、分断能力较高、限流能力良好等优点。1熔断器的结构原理及分类熔断器由熔体和安装熔体的绝缘底座（或称熔管）组成。熔体由易熔金属材料铅、锌、锡、铜、银及其合金制成，形状常为丝状或网状。 熔断器串接于被保护电路中，电流通过熔体时产生的热量与电流平方和电流通过的时间成正比，电流越大，则熔体熔断时间越短，这种特性称为熔断器的反时限保护特性或安秒特性。2熔断器的主要技术参数熔断器的主要技术参数

23、包括额定电压、熔体额定电流、熔断器额定电流、极限分断能力等。（1）额定电压：指保证熔断器能长期正常工作的电压。（2）熔体额定电流：指熔体长期通电而不会熔断的最大电流。（3）熔断器额定电流：指保证熔断器能长期正常工作的电流。（4）极限分断能力：指熔断器在额定电压下所能分断的最大短路电流。3常用的熔断器(1)插入式熔断器 (2)螺旋式熔断器(3)RM10型密封管式熔断器(4)RT型有填料密封管式熔断器三、低压断路器低压断路器俗称自动开关或空气开关，用于低压配电电路中不频繁的通断控制。断路器的种类繁多，按其用途和结构特点可分为DW型框架式断路器、DZ型塑料外壳式断路器、DS型直流快速断路器和DWX型

24、、DWZ型限流式断路器等。1断路器的结构和工作原理断路器主要由三个基本部分组成，即触头、灭弧系统和各种脱扣器，包括过电流脱扣器、失压（欠电压）脱扣器、热脱扣器、分励脱扣器和自由脱扣机构。2低压断路器的选择原则低压断路器的选择应从以下几方面考虑：（1）断路器类型的选择：应根据使用场合和保护要求来选择。 （2）断路器额定电压、额定电流应大于或等于线路、设备的正常工作电压和工作电流。（3）断路器极限通断能力大于或等于电路最大短路电流。（4）欠电压脱扣器额定电压等于线路额定电压。（5）过电流脱扣器的额定电流大于或等于线路的最大负载电流。四、主令电器闸刀开关属于非自动切换的开关电器，一般用于主电路电源的

25、控制。主令电器也属于非自动切换的开关电器，用于电路电源的控制。（一）闸刀开关1胶盖闸刀开关胶盖闸刀开关主要用于频率为，电压小于，电流小于 的电力线路中。 熔断器式刀开关（铁壳开关、负荷开关）熔断器式刀开关适用于配电线路，用作电源开关、隔离开关和应急开关，并可作电路保护之用，但一般不用于直接接通或断开电动机。（二）组合开关组合开关也是一种闸刀开关，不过它的刀片（动触片）是转动式的。组合开关由若干分别装在数层绝缘件内的双断点桥式动触片、静触片（它与盒外的接线相连）组成。动触片装在附加有手柄的绝缘方轴上，方轴随手柄而旋转，于是动触片也随方轴转动并变更其与静触片分、合位置。所以，组合开关实际上是一个多

26、触点、多位置式可以控制多个回路的开关电器，亦称转换开关，分为单极、双极和多极三类。（三）万能转换开关万能转换开关属于主令电器，和组合开关相比是具有更多操作位置和触点、能够换接多条电路的一种手动控制电器。 它由触点座、凸轮、转轴、定位机构、螺杆和手柄等组成，并由层触点底座叠装起来。 其中每层底座均可装三对触点，并由触点底座中的凸轮（套在转轴上）来控制这三对触点的接通和断开。（四）控制按钮控制按钮的主要技术要求：规格、结构型式、触点对数和按钮的颜色。通常所选用的规格为交流额定电压，允许持续电流为 。结构型式有多种，适合以下各种场合：紧急式装有突出的蘑菇形钮帽，以便紧急时操作；指示灯式在透明的按钮内

27、装入信号灯，以作信号显示；钥匙式为使用安全起见，需用钥匙插入方可旋转操作等等。按钮的颜色有红、绿、黑、白、黄、蓝等几种，供不同场合选用。（五）行程开关和接近开关行程开关又称限位开关，是主令电器。它能将机械位移转变为电信号，以控制机械运动。1行程开关其动作原理与控制按钮类似，只是它用运动部件上的撞块来碰撞行程开关的推杆，结构简单、成本较低。2微动开关当推杆被压下时，弹簧片发生变形，储存能量并产生位移，当达到预定的临界点时，弹簧片连同动触点产生瞬时跳跃，从而导致电路的接通、分断或转移。3接近开关为了克服有触点行程开关可靠性较差、使用寿命短和操作频率低的缺点，可采用无触点式行程开关，也叫接近开关。五

28、、信号灯信号灯也叫指示灯，主要用于在各种电气设备及线路中作电源指示、显示设备的工作状态以及操作警示等。信号灯发光体主要有白炽灯、氖灯和发光二极管等。信号灯有持续发光（平光）和断续发光（闪光）两种发光形式，一般信号灯用平光灯，当需要反映下列信息时用闪光灯：进一步引起注意；需立即采取行动；反映出的信息不符合指令的要求；表示变化过程（在过程中发光）。亮与灭的时间比一般在1114之间，较优先的信息使用较高的闪烁频率。六、报警器常用的报警器有电铃和电喇叭等，一般电铃用于正常的操作信号（如设备启动前的警示）和设备的异常现象（如变压器的过载、漏油）。第四节数控机床电气控制设计基本原则和画法规则一、数控机床电

29、气控制设计基本原则：（1）最大限度满足生产机械和生产工艺对电气控制的要求。（2）在满足要求的前提下,使控制系统简单、经济、合理、便于操作、维修方便和安全可靠。（3）电器元件选用合理、正确,使系统能正常工作。（4）为适应工艺的改进,设备能力应留有裕量。二、数控机床电气控制中的电路图数控机床中经常使用的电路图主要有电气图、电路原理图、电气接线图和电气位置图等。（一）电气图1电气图的图形和文字符号（1）图形符号规定了符号要素、限定符号、一般符号和常用其他符号等。（2）文字符号文字符号用来标明电气图上的电气设备、装置和元器件的名称、功能、状态和特征，一般标示在电气设备、元器件图形的旁边。文字符号分为基

30、本文字符号和辅助文字符号。基本文字符号有单字母符号和双字母符号。单字母符号一般用来表示电气设备、电气元件的类别。（二）电气原理图绘制电路图应遵循如下原则：（1）电路图一般分为主电路和控制电路两部分。通常分开画，主电路画在左侧，控制电路画在右侧。（2）电路图中的电路可以水平布置或者垂直布置。水平布置时电源线垂直画，其他电路水平画。（3）各种电气元件及其部件在电路中的位置，根据便于阅读的原则应按先后顺序来安排。（4）电路图中的全部电气元件触点的开、闭情况，均以线圈失电、开关不动作时的原始位置绘出。（三）电气接线图（1）同一电器元件的各部件要画在一起，接线图中的文字符号、元件连接顺序、接线端子的编写

31、应与电路图一致，以便检查对照。（2）在接线图中，应标出电控设备的位置、设备代号、端子号、导线号、导线类型和截面积等。（3）同一控制板上的电器元件可以直接连接，而和控制板外的电器元件的连接一定要用接线端子引进或引出。（四）电器位置图在成套的生产装置、设备上利用电器位置图将电控设备在装置上相对位置绘制出来，图中的各电控设备、电气元件和电路图中的符号相同，以便于电器元件之间的接线安排和电器元件的维修、维护与更换。第三章计算机数控系统（CNC系统）1第一节概述第二节CNC系统的硬件结构第四节CNC系统的输入/输出与通信功能第五节开放式数控系统的结构及其特点第一节概述一、CNC系统的组成 CNC系统主要

32、由硬件和软件两大部分组成，其核心是计算机数字控制装置。 它通过系统控制软件配合系统硬件，合理地组织、管理数控系统的输入、数据处理、插补和输出信息，控制执行部件，使数控机床按照操作者的要求进行自动加工。 CNC系统采用计算机作为控制部件，通常由其内部的数控系统软件实现部分或全部数控功能，从而对机床运动进行实时控制。 CNC系统有多种类型，包括车床、铣床、加工中心等的CNC系统。但是，各种数控机床的CNC系统一般包括以下几个部分：计算机数控装置、输入/输出设备、可编程控制器、主轴驱动装置和进给驱动装置（包括位置控制器）及电气逻辑控制装置等装置组成。二、CNC系统的功能和一般工作过程（一）CNC系统

33、的功能数控系统的功能通常包括基本功能和选择功能。1控制功能 控制功能是CNC系统能控制的轴数和能同时控制（联动）的轴数，是其主要性能之一。2准备功能 准备功能也称G指令代码，它用来指定机床运动方式的功能，包括基本移动、平面选择、坐标设定、刀具补偿、固定循环等指令。3插补功能 CNC系统是通过软件插补来实现刀具运动轨迹控制的。4进给功能 （1）切削进给速度 以每分钟进给的毫米数指定刀具的进给速度。（2）同步进给速度 以主轴每转进给的毫米数规定的进给速度。（3）进给倍率 操作面板上设置了进给倍率开关，倍率可以从0200%之间变化，每档间隔10%。5主轴功能 （1） 转速的编码方式 （2） 指定恒定

34、线速度 （3） 主轴定向准停 6辅助功能 辅助功能用来指定主轴的启、停和转向，切削液的开和关，刀库的启和停等。一般是开关量的控制，它用M指令代码表示。7刀具功能 刀具功能用来选择所需的刀具，刀具功能字以地址符T为首，后面跟二位或四位数字，代表刀具的编号。8补偿功能（1） 刀具的尺寸补偿（2）丝杠的螺距误差补偿和反向间隙补偿或者热变形补偿 9字符、图形显示功能 CNC控制器可以配置单色或彩色CRT或LCD，通过软件和硬件接口实现字符和图形的显示。10自诊断功能11通信功能 为了适应柔性制造系统（FMS）和计算机集成制造系统（CIMS）的需求，CNC装置通常具有RS232C通信接口，有的还备有DN

35、C接口。12人机交互图形编程功能 （二）CNC系统的一般工作过程1输入 输入CNC控制器的通常有零件加工程序、机床参数和刀具补偿参数。2译码 译码是以零件程序的一个程序段为单位进行处理，把其中零件的轮廓信息（起点、终点、直线或圆弧等），F，S，T，M等信息按一定的语法规则解释（编译）成计算机能够识别的数据形式。3刀具补偿 刀具补偿包括刀具半径补偿和刀具长度补偿。4进给速度处理 数控加工程序给定的刀具相对于工件的移动速度是在各个坐标合成运动方向上的速度，即F代码的指令值。5插补 零件加工程序程序段中的指令行程信息是有限的。6位置控制 位置控制装置位于伺服系统的位置环上，它的主要工作是在每个采样周

36、期内，将插补计算出的理论位置与实际反馈位置进行比较，用其差值控制进给电动机。7I/O处理CNC的I/O处理是CNC与机床之间的信息传递和变换的通道。8显示 CNC系统的显示主要是为操作者提供方便，显示装置有CRT显示器或LCD数码显示器，一般位于机床的控制面板上。第二节CNC系统的硬件结构一、CNC系统的硬件构成特点1CNC系统的总体安装结构及特点从CNC系统的总体安装结构看，可分为整体式结构和分体式结构两种。整体式结构是把CRT和MDI面板、操作面板以及功能模块板组成的电路板等安装在同一机箱内。2CNC操作面板的安装形式及特点CNC操作面板在机床上的安装形式有吊挂式、床头式、控制柜式和控制台

37、式等多种。二、 单CPU结构CNC系统 单CPU结构CNC系统的基本结构包括：CPU、总线、I/O接口、存储器、串行接口和CRT/MDI接口等，还包括数控系统控制单元部件和接口电路。 CPU主要完成控制和运算两方面的任务。控制功能包括：内部控制，对零件加工程序的输入、输出控制，对机床加工现场状态信息的记忆控制等。 CNC装置中的存储器包括只读存储器（ROM）和随机存储器（RAM）两种。系统程序存放在只读存储器EPROM中，由生产厂家固化。即使断电，程序也不会丢失。系统程序只能由CPU读出，不能写入。三、多CPU结构CNC系统多CPU结构CNC系统是指在CNC系统中有两个或两个以上的CPU能控制

38、系统总线或主存储器进行工作的系统结构，该结构有紧耦合和松耦合两种形式。（1）共享总线结构 在这种结构的CNC系统中，只有主模块有权控制系统总线，且在某一时刻只能有一个主模块占有总线。（2）共享存储器结构 该结构中，采用多端口存储器来实现各CPU之间的互联和通信，每个端口都配有一套数据、地址、控制线，以供端口访问。2多CPU的CNC系统基本功能模块（1） 管理模块 主要功能包括：初始化、中断管理、总线裁决、系统出错识别和处理、系统硬件与软件诊断等功能。（2） 插补模块 该模块是在完成插补前，进行零件程序的译码、刀具补偿、坐标位移量计算、进给速度处理等预处理。（3） 位置控制模（4） PLC模块

39、零件程序的开关量（S，M，T）和机床面板来的信号在这个模块中进行逻辑处理。（5） 命令与数据输入/输出模块 它指零件程序、参数和数据、各种操作指令的输入/输出，以及显示所需要的各种接口电路。（6） 存储器模块它指程序和数据的主存储器，或是功能模块数据传送用的共享存储器。第三节CNC系统的软件结构一、CNC装置软硬件的界面在CNC系统中，软件和硬件在逻辑上是等价的，即由硬件完成的工作原则上也可以由软件来完成。 但是它们各有特点：硬件处理速度快，造价相对较高，适应性差；软件设计灵活、适应性强，但是处理速度慢。CNC系统中软、硬件的分配比例是由性能/价格比决定的。这也在很大程度上涉及到软、硬件的发展

40、水平。二、CNC系统控制软件的结构特点1CNC系统的多任务性 CNC系统作为一个独立的过程数字控制器应用于工业自动化生产中，其多任务性表现在它的管理软件必须完成管理和控制两大任务。其中系统管理包括输入，I/O处理，通讯、显示、诊断以及加工程序的编制管理等程序。系统的控制部分包括：译码、刀具补偿、速度处理、插补和位置控制等软件。 当CNC装置在自动加工工作方式时，其数据的转换过程将由零件程序输入、插补准备，包括译码、刀具半径补偿和速度处理、插补、位置控制四个子过程组成。2并行处理 并行处理是指计算机在同一时刻或同一时间间隔内完成两种或两种以上性质相同或不相同的工作。并行处理的优点是提高了运行速度

41、。（1）资源分时共享并行处理方法 在单CPU的CNC装置中，要采用CPU分时共享的原则来解决多任务的同时运行。各个任务何时占用CPU及各个任务占用CPU时间的长短，是首先要解决的两个时间分配的问题。（2）资源重叠流水并行处理方法3实时中断处理（1） 外部中断 主要有纸带光电阅读机中断、外部监控中断（如：紧急停、量仪到位等）和键盘操作面板输入中断。（2） 内部定时中断 主要有插补周期定时中断和位置采样定时中断。在有些系统中将两种定时中断合二为一。（3） 硬件故障中断 它是各种硬件故障检测装置发出的中断。（4） 程序性中断 它是程序中出现异常情况的报警中断。三、 常规CNC系统的软件结构 CNC系

42、统的软件结构取决于系统采用的中断结构。在常规的CNC系统中，已有的结构模式有中断型结构模式和前后台型结构模式。1中断型结构模式 中断型软件结构的特点是除了初始化程序之外，整个系统软件的各种功能模块分别安排在不同级别的中断服务程序中，整个软件就是一个大的中断系统。其管理的功能主要通过各级中断服务程序之间的相互通讯来解决。 开机后，系统程序首先进入初始化程序，进行初始化状态的设置、ROM检查等工作。初始化后，系统转入0级中断CRT显示处理。此后系统就进入各种中断的处理，整个系统的管理是通过每个中断服务程序之间的通讯方式来实现的。第四节CNC系统的输入/输出与通信功能一、 CNC装置的输入/输出和通

43、信要（1）数据输入/输出设备。如光电纸带阅读机（PTR），纸带穿孔机（PP），零件的编程机和可编程控制器（PLC）的编程机等。（2）外部机床控制面板，包括键盘和终端显示器。（3）通用的手摇脉冲发生器。一种用于手动操作各轴运动的手摇式脉冲发生器。（4）进给驱动线路和主轴驱动线路。二、CNC系统常用外设及接口1纸带阅读机输入及工作原理 读入纸带信息的设备称为纸带阅读机或读带机，早期的数控机床多配有这种装置。它把纸带上有孔和无孔的信息逐行地转换为数控装置可以识别和处理的逻辑信号。读带机通常有机械式和光电式两种。2键盘输入及接口 键盘是数控机床最常用的输入设备，是实现人机对话的一种重要手段，通过键盘可

44、以向计算机输入程序、数据及控制命令。键盘有两种基本类型：全编码键盘和非编码键盘。3显示及接口 CNC系统接收到操作者输入的信息以后，往往还要把接收到的信息告知操作者，以便进行下一步的操作。已经在内存的零件程序如果需要修改，也可以显示出来，以便操作者找到修改的位置。（1）阴极射线管（CRT）显示器 CRT显示器是中、高档数控机床常用的输出设备，能较直观地实现屏幕编辑，显示编制的零件加工程序。它有两种类型：一种是只能显示数字和文字的字符显示器，大都是9in（1in=254mm，下同）单色显示器。另一种是既可显示字符又能显示图形的图形显示器，配有14英寸彩色显示器的CNC系统大都具有这种功能。 4异

45、步串行接口 数据在设备间的传送可以采用串行方式或并行方式。 并行方式（或并行接口）是指输入/输出数据都按字节传送，一位数据有一根传输线。 串行方式（或串行接口）是指与设备进行数据传送的只有一根线，数据按通信规程所约定的编码格式沿一根线逐位依次传送。 为了能保证数据传送的正确和一致，接收和发送双方对数据的传送应确定一致的并相互遵守的约定，它包括定时、控制、格式化和数据表示方法等。起止式异步串行传送格式 RS232C（V24）标准串行接口采用25芯双排针式插座，连接比较可靠。在数控机床上，主要用于: （1）与光电纸带阅读机（PTR）、纸带穿孔机（PP）、打印和穿复校设备（TTY）等相连接，将数控机

46、床的各种参数，加工程序等信息通过该接口穿成纸带，保存起来，以备后用。或将纸带信息通过PTR送往机床。 （2）与磁泡盒或磁带相连接，将零件加工程序送入数控机床。 （3）与通用计算机相连，进行通信，实现编程控制一体化。 （4）与上一级计算机相连接，实现CADCAM一体化。5近代CNC系统的网络通信接口 在CNC装置中设有专用的通信微处理机的通信接口，担负网络通信任务。其通信协议都采用以ISO开放式互联系统参考模型的七层结构为基础的有关协议，或IEEE802局部网络有关协议。 从计算机网络技术看，计算机网络是通过通信线路并根据一定的通信协议互联起来的独立自主的计算机的集合。CNC装置可以看作是一台具

47、有特殊功能的专用计算机。 计算机的互联是为了交换信息，共享资源。工厂范围内应用的主要是局部网络（LAN），通常它有距离限制（几公里），较高的传输速率，较低的误码率和可以采用的各种传输介质（如电话线、双绞线同轴电缆和光导纤维）。SINEC AP1 0协议的帧格式MAP是美国GM公司发起研究和开发的应用于工厂车间环境的通用网络通信标准，目前已成为工厂自动化的通信标准。其特点为： （1）采用适于工业环境的令牌通信网络访问方式，网络采用总线结构。 （2）采用适应工业环境的技术措施，提高了工业环境应用的可靠性，如在物理层采用宽带技术及同轴电缆以抗电磁干扰，传输层采用高可靠的传输服务。 （3）具有较完善的

48、明确而针对性强的高层协议以支持工业应用。 （4）具有较完善的体系和互联技术，使网络易于配置和扩展。 （5）针对CIMS的需要而开发。第五节开放式数控系统的结构及其特点一、标准的软件化、开放式控制器传统的数控系统采用专用计算机系统，软硬件对用户都是封闭的，主要存在以下问题：（1）由于传统数控系统的封闭性，各数控系统生产厂家的产品软硬件不兼容，使得用户投资安全性受到威胁，购买成本和产品生命周期内的使用成本高。（2）系统功能固定，不能充分反映机床制造厂的生产经验，不具备某些机床或工艺特征需要的性能，用户无法对系统进行重新定义和扩展，也很难满足最终用户的特殊要求。（3）传统数控系统缺乏统一有效和高速的

49、通道与其他控制设备和网络设备进行互联。（4）传统数控系统人机界面不灵活，系统的培训和维护费用昂贵。二、开放式数控系统所具有的主要特点（1）软件化数控系统内核扩展了数控系统的柔性和开放性，降低了系统成本（2）数控系统与驱动和数字I/O（PLC的I/O）连接的发展方向是现场总线。（3）网络化是基于网络技术的EManufacturing对数控系统的必然要求。 三、 基于LINUX的开放式结构数控系统1系统组成 该系统基于标准PC硬件平台和LINUX与RTLINUX结合的软件平台之上，设备驱动层采用现场总线互联，与外部网络或INTRANET采用以太网连接，形成一个可重构配置的纯软件化结合多媒体和网络技

50、术的高档开放式结构数控系统平台。2系统主要特点（1）控制器具有动态自动识别系统接口卡的功能（2）网络功能。（3）配有高速现场总线接口、PCMCIA IC Memory Card接口、红外无线接口。（4）显示屏幕采用12 1in（1in=25 4mm）TFTLCD。（5）将多媒体技术应用于机床的操作、使用、培训和故障诊断，提高机床的易用性和可维性，降低使用成本。（6）具有三维动态加工仿真功能。（7）具有Nurbs插补和自适应Look ahead功能。（8）伺服更新可达500s，PLC扫描时间小于2ms。（9）PLC编程符合国际电工委员会IEC611313规范。（10）采用高可靠性的工控单板机（S

51、BC）h。（11）符合欧洲电磁兼容标准四级要求。（12）数控系统本身的价格可为现有同功能的普及型和高档数控系统的1/2。第四章数控机床的伺服驱动系统第一节数控机床伺服驱动系统概述第二节数控机床伺服驱动元件第三节数控机床伺服驱动系统速度控制第四节数控机床伺服驱动系统位置控制第一节数控机床伺服驱动系统概述伺服驱动系统接收数控装置发出的指令信号后，准确地控制机床各运动部件的速度和位置，完成加工任务，达到加工要求。这就是数控机床伺服系统的基本工作过程。一、伺服系统的基本构成数控机床进给伺服系统，一般包括位置控制模块、速度控制单元、伺服电动机、检测装置以及机械传动机构等五大部分。二、伺服系统的分类1按控

52、制方式分类伺服系统按控制方式可分为开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统。这是从自动控制理论的角度来研究数控机床的伺服系统。（1）开环伺服系统开环伺服系统就是没有任何检测反馈装置的伺服系统。开环伺服系统具有结构简单，易于控制，调试、维修方便，价格低等优点，但精度较差，低速运行不平稳，高速输出转矩小。（ 2）闭环伺服系统闭环伺服系统所用的伺服驱动元件主要有直流伺服电动机，交流伺服电动机，以及电液伺服阀等。（3）半闭环伺服系统半闭环系统和闭环系统的控制结构是一致的。闭环伺服系统理论上可以达到很高精度，但由于受机械变形、温度变化、振动以及其他因素的影响，系统稳定性难以保证。2按驱动方式分类伺服系

53、统按驱动方式可分为电液伺服系统和电气伺服系统。（1）电液伺服系统电液伺服系统的执行元件为液压元件，其控制环节为电气元件。常用的驱动元件有电液脉冲马达和电液伺服马达。（2）电气伺服系统电气伺服系统全部采用电子电气元件，驱动元件主要有步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机等。其具有操作维护方便，可靠性高的优点。3按进给驱动和主轴驱动分类进给运动和主轴运动是数控机床的基本成形运动。（1）进给伺服系统一般概念的伺服系统即为进给伺服系统，如前所述，它包括速度控制环和位置控制环。进给伺服系统根据数控装置输出的指令信号，完成各坐标轴的进给运动，并对定位的精度和速度加以控制，是数控机床中要求最高的伺服控制

54、。（2）主轴伺服系统严格说来，一般的主轴控制系统仅是一个速度控制系统，主要实现主轴的旋转运动，提供切削转矩和功率，实现在转速范围内的无级变速。三、数控机床对伺服系统的要求1高精度2稳定性好3快速响应特性好4调速范围宽5低速大转矩6可靠性高第二节数控机床伺服驱动元件一、步进电动机1三相反式步进电动机的工作原理相反应式步进电动机单三拍工作原理首先给A相通电，而B相和C相不通电，定子铁芯的AA方向产生磁通。在磁拉力的作用下，转子1和3齿与A相磁极对齐。2和4两齿与B和C两磁极相对错开30。接着给B相通电，而C相和A相断电，电动机铁芯的BB方向产生磁通。在磁拉力的作用下，距磁极B最近的2和4齿被拉向磁

55、极B并与磁极B对齐，因而转子沿逆时针方向旋转30，1和3两齿与C和A两磁极相对错开30。2步进电动机的工作特点（1）步进电动机受数字脉冲信号控制，每步转过一个步距角。（2）步进电动机的转速与输入的脉冲频率成正比。（3）步进电动机的转向可以简单地通过改变定子绕组通电顺序来改变。（4）步进电动机具有自锁能力，停止输入脉冲时，只要维持绕组通电，步进电动机就可以静止在该固定位置。（5）步进电动机的工作状态不易受各种干扰因素（如电源波动、温度、湿度变化及“丢步”等）影响也就不会影响其正常工作。（6）步进电动机的步距角会有误差，每转内转子转过一定步数后也会出现累积误差，但转子转过一转以后，其累积误差为“零

56、”，不会长期积累。（7）易于直接与微机的I/O 接口构成开环位置伺服系统。二、直流伺服电动机1直流伺服电动机的结构及工作原理（1）永磁直流伺服电动机的结构 一般拖动用永磁直流电动机不带稳速装置，而永磁直流伺服电动机具有一定的伺服特性和快速响应能力。 在结构上一般与检测反馈元件做成一体。电动机本体由机壳、定子磁极和转子电枢三部分组成。 反馈用的检测部件安装在电动机的尾部。（2）永磁直流伺服电动机的工作原理永磁直流伺服电动机的工作原理与普通永磁直流电动机相同。和励磁式直流电动机相比，它只是用永久磁铁代替了普通直流电动机的励磁绕组和磁极铁芯，建立了主磁通，产生了感应电动势和电磁转矩。我们用图49所示

57、永磁式直流伺服电动机等效电路来讨论其工作原理。2 直流伺服电动机的调速方法直流电动机的转速涉及到六个参数。对于给定的、处于某种负载工况的直流电动机，可以方便地调整的参数有三个：RM，和U，即：电枢回路电阻，气隙磁通量和输入电压。在数控机床伺服驱动装置中，直流伺服电动机的速度控制大多采用晶闸管（可控硅）调速系统和晶体管脉宽调制调速系统。后面将详细介绍其电气原理。三、交流伺服电动机 电刷和换向器容易磨损，需经常维护，而且换向时会产生火花，使得电动机的最高转速和应用环境均受到限制。而且，直流电动机结构复杂，制造困难，价格高。交流电动机，特别是鼠笼式感应电动机没有上述缺点，且转动惯量较直流电动机小，动

58、态响应更好。设计大容量交流电动机比较容易，可以达到很高的电压和转速。随着交流调速技术的成熟，在数控机床中，传统上一直采用的直流伺服电动机目前正逐步让位于交流伺服电动机。1永磁同步交流伺服电动机结构及工作原理（1）永磁同步交流伺服电动机的结构 它主要由三部分组成：定子、转子和检测元件。定子开有齿槽，内嵌三相绕组，形状与普通交流电动机的转子相同。定子外形多呈多边形，无外壳，以利于散热。转子由多块永久磁铁和冲片组成，这样的结构气隙磁密度较高，极数较多。（2）永磁同步交流伺服电动机的工作原理转子加上负载转矩之后，负载转矩将使转子磁极轴线向后偏离定子磁场的轴线，其夹角为。此处的落后“偏角”与交流感应式异

59、步电动机的“转差”有着质的区别，“转差”是感应式电动机的感应绕组切割磁力线产生感应电动势的必要条件。3交流伺服电动机的调速异步电动机的转速为：n=60fp(1-s)=ns(1-s)式中：s转差率。要改变交流电动机的转速可采用的方法有：改变磁极对数p、改变供电频率和改变转差率等。四、伺服系统驱动元件的发展20世纪70年代以前为第一阶段：这一阶段是电液伺服系统和步进伺服系统的全盛时期。20世纪7080年代为伺服驱动元件技术发展的第二阶段。 20世纪80年代后，驱动元件技术发展进入第三阶段。第三节数控机床伺服驱动系统速度控制一、步进电动机的速度控制1环形脉冲分配器负责步进电动机脉冲分配的元件称为环形

60、脉冲分配器，它可由硬件实现，也可由软件实现。（1）硬件脉冲分配器脉冲分配器可使用逻辑元件来设计。图413是一个简单的三相六拍脉冲分配逻辑电路。2）软件脉冲分配器 三个端口输出的脉冲信号，经光电隔离后送至驱动放大电路驱动步进电动机运转。P30和P31用作输入端，接收控制信号，P30输入高电平时，电动机启动，输入低电平时电动机停止。2步进电动机的驱动电路环形脉冲分配器完成了步进电动机的控制脉冲序列生成。但我们知道，一般的逻辑元件和微处理器所能提供的带载能力极其有限，其输出电压和电流都很低，所以环形脉冲分配器无法直接驱动步进电动机，这就需要对其输出的脉冲信号进行功率放大，以便驱动步进电动机运转。（1