第7章 数控机床的驱动与控制系统
《数控原理与系统》第7章__数控机床电气控制系统
第7章 数控机床电气控制系统
有些輔助功能只在本程式段內起作用， 當後續程式段到來時便失效，稱為當前輔 助功能，記為C類，例如M06等。還有一些 輔助功能一旦被執行便一直有效，直至被 注消或被取代為止，稱為保持類輔助功能， 記為H類，例如M10、M11等。對於不同動 作類型的輔助功能，在用邏輯電路或編寫 PLC程式實現時，其處理方法也將不同。
第7章 数控机床电气控制系统
第7章 數控機床電氣控制系統
7.1 概述
7.2 JBK-30型數控系統及其在 CJK0630A車床上的應用
7.3 FAGOR 8025/8030數控系統及 其在CK6150數控車床上的應用
7.4 數控系統中PLC的資訊交換及M、 S、T功能的實現
7.5 數控機床電氣圖的繪製方法 小結
第7章 数控机床电气控制系统
3．T功能 T功能即刀具功能，T代碼後跟隨2～ 5位數字表示要求的刀具號和刀具補償號。 數控機床根據T代碼，通過PLC可以管理刀 庫，自動更換刀具，也就是說根據刀具和 刀具座的編號，可以簡便、可靠地進行選 刀和換刀控制。
第7章 数控机床电气控制系统
7.1.3數控系統中的可編程控制器（PLC） 數控系統輔助控制功能以開關量順序控 制為主，可採用繼電器控制邏輯或可編程序 邏輯控制器（PLC）實現。在一些經濟型的數 控車床和輔助動作比較簡單的數控機床上， 為了簡單起見，其輔助動作的控制常用繼電 器邏輯實現。而在功能比較完善的數控機床 上，其輔助動作的控制邏輯一般都比較複雜， 如果仍使用繼電器實現，則電路的設計和調 試將比較困難，可靠性也差。因此，多數數 控機床都採用可編程控制器（PLC）來完成輔 助運動的控制。
数控机床课件
第二节 数控机床概论
复习思考题
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第一节 金属切削机床
一、金属切削机床
金属切削机床通常是指用切削的方法将金属毛坯加工成 机器零件的一种机器。
二、金属切削机床的分类与编号
1.机床的分类 按照万能程度，机床又分为： （1）通用机床 （2）专门化机床 （3）专用机床 2.机床型号的编制方法 （1）型号表示方法。型号的构成如下：
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第二节 立式加工中心
一、立式加工中心基本布局结构形式
中型加工中心应用最普遍的形式是单柱水平刀库布局(图3 -2),它是立式加工中心的基本布局方式。
图3-2 单柱水平刀库布局 1-切屑箱 2-X轴伺服电机 3-Z轴伺服电机 4-主轴电动机 5-主轴箱 6-刀库 7-数据柜 8-操纵面板 9-驱动电柜 10-工作台 11-滑座
二、加工中心的分类
l.按加工范围分类 2.按机床结构分类 3.按数控系统分类 4.按精度分类
第一节 加工中心概述
三、加工中心的发展
1.高速化 (1)主轴转速的高速化 1)选用陶瓷轴承 2)主轴轴承采用预紧量可调装置 3)改进主轴轴承润滑、冷却方式 ①油气润滑方式 ②喷注润滑。这是近年开始采用的新型润滑方式，其原理 如图3-1所示。 (2)进给速度的高速化 (3)自动换刀的高速化 (4)自动托盘交换装置的高速化
2.1 数控车床的机械部分由哪几个主要部件组成？ 他们的各自作用是什么？
2.2 数控车床上有哪些运动传动是属于外传动链？ 哪些运动传动属于内传动链？
2.3 机床传动系统图有哪些作用? 2.4 在TND360机床上，当主轴转速为500r/min时， 主轴电动机的实际转速为多少？ 2.5 在TND360机床上，为什么安全联轴器能保护 进给系统的安全？
数控技术介绍及应用(ppt 54页)
开环控制系统没有反馈装置，不能消除步进电机失步产生 的误差。因此开环控制系统一般用于运动速度较低和加工精度 不高的机床。
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2)闭环控制系统(Closed Loop Control System)
装置等。数控机床的刚度要求更高，传动装置间隙要小，
摩擦系数要小且要有恰当的阻尼。
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1.3 数字控制系统
1.3.1 数控系统的组成和分类 （1）数控系统：
是一种能控制机器运动的装置。加工程序输入系统 后能够自动解释指令，进行运算，并由系统的输出装置 向机床的执行机构发出指令，完成规定的运动或动作。
改革开放以来，通过技术引进、科学攻关和技术改造， 我国的数控技术有了较大的进步，逐步形成产业。 1980年北 京机床研究所引进日本FANUC5、7、3、6数控系统，上海 机床研究所引进美国GE公司的MTC－1数控系统，辽宁精密 仪器厂引进美国Bendix公司的Dynapth LTD10数控系统。
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第一章 绪论
数控技术是现代制造技术的基础，数控技术水平的高低、 数控设备的拥有量以及数控技术的普及程度，已经成为衡 量一个国家综合国力和工业现代化水平的重要标志。
数控技术经过几十年的发展（1952年第一台数控机床问世 ），已广泛应用于现代工业的各领域，成为制造业现代化 的基础。数控技术不仅应用于金属切削机床，还应用于其 他多种设备。如机器人、坐标测量机、数控雕刻机、数控 绘图机、电火花加工机床等。
闭环控制系统在机床运动方向上增加测量工作台实际 位移的传感器，将工作台实际位置的信息反馈给CNC 的比较器，如有误差，由CNC发指令，使工作台运动 直至误差消失。 采用闭环控制系统的机床的位置精度大大提高。
数控复习题
《数控技术及应用》第一章绪论（一）数控技术的产生及其应用领域开环控制系统用于经济型数控机床上。
数控机床加工依赖于各种数字化信息。
绕X轴旋转的回转运动坐标轴是A轴。
（二）数控机床的分类、组成、及各部分的作用（三）数字控制系统的分类、组成其工作原理对步进电机施加一个电脉冲信号，步进电机就回转一个固定的角度，这个角度叫做步距角，电机的总角位移和输入脉冲的数量成正比，而电机的转速则正比于输入脉冲的频率。
数控系统所规定的最小设定单位就是脉冲当量。
数控机床的种类很多，如果按加工轨迹分则可分为点位控制、直线控制和连续控制。
根据控制运动方式的不同，机床数控系统可分为点位数控系统和连续数控系统。
点位控制的特点是，可以以任意途径达到要计算的点，因为在定位过程中不进行加工。
（四）数控技术的发展趋势及其与现代制造系统的关系第二章数控加工程序的编制1.数控机床的机床坐标系与工件坐标系的含义是什么?答：机床坐标系是机床上固有的坐标系。
一般利用机床机械结构的基准来确定，在说明书中均有规定。
工件坐标系是在编程时使用，由编程人员在工件上指定某一个点作为原点，并在其上建立工件坐标系。
工件坐标系的原点在机床坐标系中称为调整点，它的选择应使工件上最大尺寸能加工出来。
数控机床上有一个机械原点，该点到机床坐标零点在进给坐标轴方向上的距离可以在机床出厂时设定，该点称机床参考点。
（一）数控机床程序编制的目的、步骤和方法数控加工程序的编制方法主要有手工编程和自动编程两类。
（二）工件加工程序的格式和代码G代码可以分为模态G代码和非模态G代码，非模态指令只能在本程序段内有效。
数控编程中，主轴功能字S指定的是主轴每分钟转速（r/min）。
进给功能字F常用mm/min或mm/r单位。
（三）手工编程方法通常在命名或编程时，不论何种机床，都一律假定工件静止刀具移动。
确定数控机床坐标轴时，一般应先确定Z轴。
数控铣床的默认加工平面是XY平面。
数控机床的标准坐标系是以右手直角笛卡尔坐标系来确定的。
第7章 数控机床机械装置故障诊断与维修
2)用顺序选刀方式选刀时，必须注意刀具放置在 刀库上的顺序要正确。其他选刀方式也要注意所 换刀具号是否与所需刀具一致，防止换错刀具导 致事故发生。
3)用手动方式往刀库上装刀时，要确保装刀到位、 装牢靠。检查刀座上的锁紧是否可靠。
4)经常检查刀库的回零位置是否正确，检查机床 主轴回换刀点位置是否到位，并及时调整，否则 不能完成换刀动作。 5)要注意保持刀具刀柄和刀套的清洁。 6)开机时，应先使刀库和机械手空运行，检查各 部分工作是否正常，特别是各行程开关和电磁阀 能否正常动作。检查机械手液压系统的压力是否 正常，刀具在机械手上锁紧是否可靠，发现不正 常及时处理。
在操作过程中会出现不正常现象
二、机械部件故障常见类型
1．按照故障发生的原因分 1）磨损性故障：正常磨损而引发的故障； 2）错用性故障：使用不当而引发的故障； 3）先天性故障：由于设计或制造不当而造成机械系统 中存在某种薄弱环节而引发的故障。 2．按照故障的性质分 1）间歇性故障：只是短期内丧失某些功能，稍加修理 调试就能恢复，不需要更换零件； 2）永久性故障：某些零件已损坏，需要更换或修理才 能恢复。
1）突发性故障：不能靠早期测试检测出来的故障； 2）渐发性故障：故障发展有一个过程，可以对其进行 预测和监视。
机械部件故障常见类型
6．按照故障发生的频次 1）偶发性故障：发生频率很低的故障；
2）多发性故障：经常发生的故障。
7．按照故障发生、发展的规律分 1）随机性故障：故障发生的时间是随机的； 2）有规则故障：故障发生比较有规则。
15)经常检查压缩空气气压，并调整到标准要求值。足够 的气压能使主轴锥孔中的切屑和灰尘清理彻底。
七、主轴常见故障诊断与维修
（1）主轴发热 （2）主轴在强力切削时停转
数控机床的伺服系统
第七章 数控机床的伺服系统
但直流电机有电刷，限制了转速的提高，而且结构复杂， 价格也高。进入80年代后，由于交流电机调速技术的突破，交 流伺服驱动系统进入电气传动调速控制的各个领域。交流伺服 电机，转子惯量比直流电机小，动态响应好。而且容易维修， 制造简单，适合于在较恶劣环境中使用，易于向大容量、高速 度方向发展，其性能更加优异，已达到或超过直流伺服系统， 交流伺服电机已在数控机床中得到广泛应用。
第七章 数控机床的伺服系统
进给伺服系统的作用：接受数控装臵发出的进给速度和位 移指令信号，由伺服驱动装臵作一定的转换和放大后，经伺服 电机（直流、交流伺服电机、功率步进电机等）和机械传动机 构，驱动机床的工作台等执行部件实现工作进给或快速运动。 数控机床的进给伺服系统能根据指令信号精确地控制执行 部件的运动速度与位臵，以及几个执行部件按一定规律运动所 合成的运动轨迹。如果把数控装臵比作数控机床的“大脑”， 是发布“命令”的指挥机构，那么伺服系统就是数控机床的 “四肢”，是执行“命令”的机构，它是一个不折不扣的跟随 者。
第七章 数控机床的伺服系统
二、步进电机工作原理
步进电机伺服系统是典型的开环控制系统，在此系统中， 步进电机受驱动线路控制，将进给脉冲序列转换成为具有一 定方向、大小和速度的机械转角位移，并通过齿轮和丝杠带 动工作台移动。进给脉冲的频率代表了驱动速度，脉冲的数 量代表了位移量，而运动方向是由步进电机的各相通电顺序 来决定，并且保持电机各相通电状态就能使电机自锁。但由 于该系统没有反馈检测环节，其精度主要由步进电机来决定， 速度也受到步进电机性能的限制。
第七章 数控机床的伺服系统
直线电动机的实质是把旋转电动机沿径向剖开，然后拉直 演变而成，利用电磁作用原理，将电能直接转换成直线运动动 能的一种推力装臵，是一种较为理想的驱动装臵。在机床进给 系统中，采用直线电动机直接驱动与旋转电动机的最大区别是 取消了从电动机到工作台之间的机械传动环节，把机床进给传 动链的长度缩短为零。正由于这种传动方式，带来了旋转电动 机驱动方式无法达到的性能指标和优点。由于直线电动机在机 床中的应用目前还处于初级阶段，还有待进一步研究和改进。 随着各相关配套技术的发展和直线电动机制造工艺的完善，相 信用直线电动机作进给驱动的机床会得到广泛应用。
数控技术复习参考(南昌航空大学)
复习资料1．闭环控制系统比开环控制系统及半闭环控制系统（ B ）。
A．稳定性好B．精度高C．故障率低D．价格低2．脉冲当量是（ D ）。
A．每个脉冲信号使伺服电动机转过的角度B．每个脉冲信号使丝杠转过的角度C．数控装置输出的脉冲数量D．每个脉冲信号使机床移动部件移动的位移量3．CNC系统软件存放在（ B ）。
A．单片机B．程序存储器C．数据存储器D．穿孔纸带4．在中断型软件结构中，各种中断程序被安排成优先级别不同的中断服务程序，下列程序中被安排在最高级别的程序是（ B ）。
A．译码、刀具中心轨迹计算B．CRT显示C．插补运算D．伺服系统位置控制5．G04代码表示（ A ）。
A．进給停止B．顺园插补C．逆园插补D．撤销刀具半径补偿6．能够实现加工中心换刀时主轴准停功能的检测装置是（ D ）。
A．光栅尺B．感应同步器C．磁栅D．主轴脉冲编码器7．直线式感应同步器是通过鉴别（ B ）上感应电动势的相位或幅值，来测量滑尺相对于定尺的位移量。
A．滑尺绕组B．定尺绕组C．励磁绕组D．输入绕组8．光栅利用( A )，使得它能测得比栅距还小的位移量。
A.莫尔条纹的作用B.数显表C.细分技术D.高分辨指示光栅9．当交流伺服电机正在旋转时，如果控制信号消失，则电机将会( D )。
A.以原转速继续转动B.转速逐渐加大C.转速逐渐减小D.立即停止转动10．加工中心主轴准停装置的作用是（ A ）。
A．保证刀具的自动装卸B．测量主轴的转速C．测量主轴的温升D．使切削过程得到恒线速1．简要说明数控系统进行①译码、②刀具补偿、③进给速度处理和④插补的工作内容。
答：1. 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，并以一定的数据格式存放在指定的内存专用区域。
编译过程中还要进行语法检查，发现错误立即报警。
数控机床的控制系统概述
第七章数控机床的控制系统概述学习目的：1．什么是数控技术、数控系统和数控机床，数控系统对机床的控制包括哪几方面？2．数控机床控制系统组成有哪些，他们的作用各是什么？3．数控机床的控制方式有几种，各有什么特点？4．数控机床的接口有几类，他们的接口规范是什么？第一节数控机床的控制系统一、数字控制技术简介1．数字控制技术数字控制（Numerical Control）技术，简称数控技术，是用数字化信号对机床运动及其加工过程进行自动控制的一种方法。
数控技术不仅用于机床的控制，而且还用于其它设备的控制，产生了诸如数控绘图机、数控测量机等数控设备。
2．数控系统和数控机床用数字控制技术实现自动控制的系统称为数控系统。
数控系统中的控制信息是数字量，其硬件基础是数字逻辑电路。
最初数控系统是由数字逻辑电路构成的，所以也成为硬件数控系统。
现代数控系统采用存储程序的专用计算机或通用计算机来实现部分或全部基本数控功能，所以成为计算机数控系统（Comouter Numerical Control），简称CNC系统。
计算机数控系统是在硬件和软件共同作用下完成数控任务的，具有真正的“柔性”。
数控系统对机床的控制包括顺序控制和数字控制两个方面。
顺序控制是指对刀具交换、主轴调速、冷却液开关、工作台的极限位置等一类开关量的控制。
数字控制是指机床进给运动的控制，用于实现对工作台或刀架的位移、速度这一类数字量的控制。
数控系统与机床的有机结合称为数控机床，如数控车床、数控铣床、数控加工中心等。
数控机床是机电一体化的典型产品，是集机床、计算机、电力拖动、自动控制、检测等技术为一体的自动化设备。
二、数控机床控制系统的组成序记载机床加工所需的各种信息，包括零件的加工轨迹、工艺信息及开关命令。
输入装置是将程序载体上的数控编码转换成相应的脉冲信息，传送并存入数控装置内。
输出装置显示输入的内容及数控工作状态等信息，监控数控系统的运行。
常用的输入/输出装置有光电阅读机、磁带录放机、磁盘驱动器、键盘和CRT显示器等。
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指进 令给
步进电机驱动线路
步进电机
机 床
进给 脉冲
脉冲 混合 电路
加减 脉冲 分配 电路
加减 速电 路
环形 分配 器
功率 放大 至步进 器 电机绕阻
7.2 步进电机及其驱动系统
7.2.1 步进电机（亦称脉冲电机、电脉冲马达）
作用：将电脉冲转换成相应的机械角位移或直线位移。 电脉冲数决定位移量； 电脉冲频率决定位移速度； 电脉冲相序决定位移方向。
系统的可靠性常用发生故障时间间隔长短的平均值作为依 据，即平均无故障时间(MBTF)。这个时间越长，可靠性越好。
7.1 数控机床的驱动系统分类
7.1.4 驱动系统中常用的检测装置
7.2 步进电机及其驱动系统
主要用于开环伺服控制，系统由 “步进电机驱动线路” + “步进电机” 组成，对工作台位移、速度和运动方向进 行控制。
0.01μm以上。 2、快速响应特性好、无超调、无振荡。
快速响应是伺服系统动态品质的标志之一，反映系统的 跟踪精度。要求加、减速度足够大，能频繁启、停和正、反 向运动。
定位精度：移动件到达指令位置的准确度。 重复定位精度：移动件在任意定位点的定位一致性。
7.1 数控机床的驱动系统分类
7.1.3 数控机床对驱动系统的要求
7.1 数控机床的驱动系统分类
7.1.2 按调节理论分类
（2）闭环伺服系统
脉冲当量0.001-0.0001mm，快进速度24-100m/min。 主要用于精密、大型数控设备上。
7.1 数控机床的驱动系统分类
7.1.2 按调节理论分类
（3）半闭环伺服系统：采用角位移检测元件对电机轴或滚珠丝杠 的角位移进行测量反馈，其精度处于开环与闭环之间，安装调 试方便。
单段式（一个定子，也称径向式）反应式步进电机（图7-4）：
（1） 步进电机的结构与工作原理
多段式径向磁路的反应式步进电机--由单段式演变而来， 各相励磁绕组沿轴向分段布置，每段之间的定子齿在径向互相 错开1／m齿距（m为相数）；
磁路沿径向
三段式径向磁路反应式步进电动机结构示意图
（1） 步进电机的结构与工作原理
第七章 数控机床的驱动与控制系统
数控机床伺服驱动系统概述
伺服驱动系统接收数控单元的位移/速度控 制指令,驱动工作台/主轴按照控制指令的 要求进行运动。 伺服驱动系统直接影响移动速度、跟踪精 度、定位精度等一系列重要指标，是数控 机床的关键技术。
数控机床的伺服驱动
组成：
驱动电路--信号的转换（D/A）和放大； 伺服电机--信号和能量的转化输出（电—机）； 传动及执行机构--信号和能量的传递；
（1） 步进电机的结构与工作原理
反应式步进电机（可变磁阻式步进电机、VR步进电机）结构； 工作原理：当某相定子磁极励磁后，吸引转子使转子的齿与该 相定子磁极上的齿对齐（电磁吸引原理）。
S N
图7-4 单段式三相反应式步 进电机结构原理
图7-5 展开后的步进电机齿距
（1） 步进电机的结构与工作原理
3、调速范围宽（调速范围：最低转速到最高转速的范围-nmin/nmax ）
由于工件材料、刀具以及加工要求各不相同，要保证数控 机床在任何情况下都能得到最佳切削条件，伺服系统就必须有 足够的调速范围。这样既能满足高速加工要求，又能满足低速 进给要求。 4、低速切削时，要求系统能输出大转矩 5、系统可靠性高
特点：能够实现位置和运动 的准确控制。
7.1 数控机床的驱动系统分类
1. 按其控制对象和使用目的分类 进给驱动：控制机床各轴的切削进给运动, 含速度 控制和位置控制，也是一般概念的伺服驱动系统； 主轴驱动：控制主轴的旋转和切削过程的转矩和功 率，要求有足够的功率、宽的恒功率调节范围及速 度调节范围； 辅助驱动：采用简易的位置控制，如控制刀库的辅 助系统。
• 主要技术指标 1）定位精度可达±0.02mm； 2）脉冲当量可达0.01mm； 3）快速进给速度4-15m/min；
• 应用:经济型数控机床及机床数控化改造
7.1 数控机床的驱动系统分类
7.1.2 按调节理论分类
（2）闭环伺服系统：有位置检测装置（直线位移检测元件），用 位移指令与工作台实际位移的差值作为控制量；由位置环和速 度环组成；具有很高的跟随精度和定位精度，安装调试困难。
7.1 数控机床的驱动系统分类
7.1.2 按调节理论分类
（3）半闭环伺服系统
脉冲当量0.005-0.001mm，快进速度15-24m/min。主 要用于中档数控机床上。
7.1 数控机床的驱动系统分类
7.1.3 数控机床对驱动系统的要求
1、精度高，定位误差（重复定位误差）小，跟随误差小。 一 般 要 求 定 位 精 度 为 0.001~0.01mm ， 高 档 设 备 达 到
7.2 步进电机及其驱动系统
工作台
丝杠
步进电机 编码器
（1） 步进电机的结构与工作原理
与步进电机有关的几个概念： “段” —指步进电机的定子数目，分“单段式”、“多段 式”； “相”、“相数” —产生不同对N、S极磁场的励磁线圈对数； “拍” —指从一相通电切换成另一相通电的意思；
“拍数”—完成一个磁场周期性变化所需脉冲数，或指电机转 过一个齿距角所需脉冲数； “步”-对步进电机输入一个脉冲，则输出一个位移（角位移 或直线位移），称为“一步”； “步距角”—对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移，用 θ表示； “失步” —电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。
多段式轴向磁路的反应式步进电机--励磁绕组为环形绕组， 定子齿数和转子齿数相等。每段之间定子齿在径向依次错开1／ m齿距（m为相数），转子齿不错位；
磁路沿轴向
五段式轴向磁路反应式步进电机结构示意图
（1） 步进电机的结构与工作原理
• 三相单三拍通电方式工作原理：
•
当第一个脉冲通入A相时，磁通企图沿着磁阻最小的
7.1 数控机床的驱动系统分类
7.1.2 按调节理论分类
（1）开环伺服系统：无检测反馈控制通道，由步进电机、驱动电 路、传动机构组成。用于经济型数控和老设备改造。 工作原理：将指令数字脉冲信号转换为电机的角位移。
7.1 数控机床的驱动系统分类
7.1.2 按调节理论分类
（1）开环伺服系统
• 特点 1）无位移检测装置，控制精度低； 2）结构简单、易于调整、成本低。