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1、 数控机床电气控数控机床电气控制制 数控机床电气控制数控机床电气控制第第1章章 数控机床概述数控机床概述第第2章章 数控机床电气控制基础数控机床电气控制基础第第3章章 可程序控制器及程序制可程序控制器及程序制第第4章章 计算机数控系统计算机数控系统第第5章章 数控机床检测装置数控机床检测装置第第6章章 数控机床伺服驱动控制数控机床伺服驱动控制第第7章章 PLC在数控机床上的应用在数控机床上的应用第第8章章 数控机床电气控制电路分析及设计数控机床电气控制电路分析及设计第第9章章 数控机床常见故障的诊断与排除数控机床常见故障的诊断与排除 第第1章章 数控机床概述数控机床概述1.1数控机床的组成、分
2、类及特点数控机床的组成、分类及特点1.2数控技术的发展数控技术的发展 1.1 数控机床的组成、分类及特点数控机床的组成、分类及特点 数控机床综合了微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制、电机与拖动、电子和电力、精密测量、气液压及现代机械制造技术等多种先进技术的机电一体化产品。数控机床的心脏是数控装置，具有高精度，高效率，柔性自动化等特点，是工厂自动化的基础。数控机床在各个机械制造企业巳成为大、中型企业的主要技术设备。1.基本概念基本概念 数控即数字控制数控即数字控制(NC)(NC):（Numerical Control简称NC）是一种借助数字、字符或其它符号对某一工作过程（如加工、测量、
3、装配等）用数字化信息进行程控制的自动化方法。数控技术数控技术即NC技术，是指用数字化信息发出指令并实现自动控制的技术。计算机数控系统计算机数控系统(CNCCNC):(Computerized Numerical Control)以计算机为控制核心的数字控制系统。数控机床:（Numerical Control Machine Tools）装了数控系统的机床叫数控机床或是采用数字控制技术对机床的加工过程进行自动控制的一类机床。数控机床是集机床、计算机、电机及拖动、自动控制、检测等技术为一体的自动化设备。是机电一体化的典型产品。采用数控技术的控制系统称为数控系统。2数控机床的组成数控机床的组成 数控
4、机床一般由输入/输出装置、数控装置、可程控制器、伺服系统和辅助控制装置、检测反馈系统以及机床本体组成。数控机床是以数字化信息实现机床控制的，是一种高效能自动化加工设备，数控车床与普通车床相比，传动链简单，主轴转动和进给轴移动分别由主轴电机和进给电机来驱动,辅助运动是由PLC控制。对数控机床的质量而言，功能的强弱主要取决于计算机数控系统(CNC)装置，性能的优劣，如运动速度与精度等，主要取决于进给伺服驱动系统。3.数控机床的分类数控机床的分类 （1)金属切削类数控机床金属切削类数控机床 金属切削类数控机床有数控车床、数控铣床、数控钻床、数控磨床、数控镗铣床、加工中心等。（2）金属成形类数控机床）
5、金属成形类数控机床 金属成形类数控机床是指采用挤、压、冲、拉等成形工艺的数控机床，有数控弯管机、数控压力机、数控冲剪机、数控折弯机、数控旋压机等。3.数控机床的分类数控机床的分类 （3）数控特种加工机床）数控特种加工机床 数控特种加工机床有数控电火花线切割机床、数控激光加工机床、数控电火花成形加工机床与数控火焰切割机等。（4）测量、绘图类数控机床）测量、绘图类数控机床 测量、绘图类数控机床有数控绘图机、数控坐标测量机、数控对刀仪、三坐标测量仪等。半封闭数控车床全封闭数控车床图 0-1 数控车床数控车床 （1）金属切削类数控机床）金属切削类数控机床 金属切削类数控机床有数控车床、数控铣床、数控钻
6、床、数控磨床、数控镗铣床、加工中心等。如图 0-1所示。普及型数控车床多功能数控车床图 0-1 数控车床数控车床立式数控铣床龙门数控铣床卧式数控镗铣床0-1 数控铣床数控铣床数控平面磨床数控万能外圆磨床图 0-1 数控平面磨床数控平面磨床图 0-1 加工中心加工中心图 0-1 大型龙门式（动台）数控加工中心大型龙门式（动台）数控加工中心数控弯管机数控压力机图 0-2 金属成型数控机床金属成型数控机床 2.2.金属成形类数控机床金属成形类数控机床 金属成形类数控机床是指采用挤、压、冲、拉等成形工艺的数控机床,有数控弯管机、数控压力机、数控冲剪机、数控折弯机、数控旋压机等。如图 0-2所示。3.数
7、控特种加工机床数控特种加工机床 数控特种加工机床有数控电火花线切割机床、数控激光加工机床、数控电火花成形加工机床与数控火焰切割机等。如图 0-3所示。线切割机床电火花数控机床图 0-3 特种加工类数控机床特种加工类数控机床图 0-4 三坐标测量仪三坐标测量仪4.测量、绘图类数控机床测量、绘图类数控机床 测量、绘图类数控机床有数控绘图机、数控坐标测量机、数控对刀仪、三坐标测量仪等。如图 0-4所示。4.数控机床的特点数控机床的特点 数控机床的特点是当加工工件改变时,除了重新装夹工件和更换刀具外，其它只需改变该零件加工的程序，而不需要对机床作任何调整。这种通用、灵活、能迅速适应工件变更的特性称为柔
8、性。传统的自动加工机械没有这种柔性特点，数控机床因为采用了计算机控制，所以增强了机床的柔性。数控机床的突出特点有:对零件加工的适应性强、灵活性好；加工精度高、加工质量稳定；加工生产效率高；能完成复杂型面的加工；减轻劳动强度，改善劳动条件；有利于生产管理。1.2 数控技术的发展数控技术的发展 1.2.1数控技术的发展数控技术的发展 历史历史1.2.2数控技术的发展趋势数控技术的发展趋势 1.2.1数控技术的发展数控技术的发展 历史历史1.数控技术的发展数控技术的发展 历史历史1952年，由美国帕森斯公司和麻省理工学院在实验室合作研制成功世界上第一台三坐标数控立式铣床,用它来加工直升机叶片轮廓检查
9、用样板。从第一台数控机床问世至今的50多年,随着自动控制技术、微电子技术、计算机技术、精密测量技术及机械制造技术的发展，经历了电子管、晶体管、集成电路、小型计算机、微处理器或微型计算机、智能数控等六代数控系统。使数控机床得到了迅速发展,不断地更新换代。第一阶段,1952年,出现了第一台电子管数控系统。第二阶段,1960年,出现了晶体管和印刷电路板的数控系统。第三阶段,1965年,出现了小规模集成电路的数控系统。第四阶段,1970年,出现了小型计算机数控系统的硬件,并以软件形式实现数控功能的数控系统。第五阶段,1974年,出现微处理器或微型计算机数控系统。第六阶段,90年代后期,出现了PC+CN
10、C(为专用计算机数控系统)智能数控系统。我国是从1958年开始研制数控机床的,到60年代末70年代初,已经研制出一些晶体管式的数控系统,并用于生产。1991年以来,一方面从日本、德国、美国等国家购进数控系统,另一方面积极开发、设计、制造具有自主版权的中、高档数控系统,并且取得了可喜的成果。我国的数控产品已覆盖了车、铣、镗铣、钻、磨、加工中心及齿轮机床、折弯机、火焰切割机、柔性制造单元等,品种达500多种。中、低档数控系统已达到批量生产能力。2.数控机床电气控制系统的发展数控机床电气控制系统的发展 数控机床电气控制系统是由数控装置系统、进给伺服系统、主轴伺服系统、机床强电控制系统等组成。数控系统
11、又是数控机床电气控制系统的控制核心。电气控制大致可以分为逻辑控制系统、连续控制系统和混合控制系统三种。（1）逻辑控制系统）逻辑控制系统逻辑控制又称为开关量控制，采用“0”、“1”两个稳定工作状态的各种电气和电子器件构成各种逻辑控制系统。按自动化程度的不同还可分为手动控制系统和自动控制系统。（2）连续控制系统）连续控制系统连续控制系统是对电压、转速等进行连续自动控制的系统，这类系统通常具有负反馈的闭环控制系统，同时伴有功率放大的特点，并且具有精度高、功率大、抗干扰能力强的特点。（3）混合控制系统）混合控制系统 既采用数字控制又采用模拟控制的系统称为混合控制系统，数控机床、机器人的控制驱动系统多属
12、于这类控制系统。通过D/A转换器和功率放大等装置驱动伺服电机和主轴电动机带动机床执行机构产生所需的运动。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 （1）按运动轨迹分类）按运动轨迹分类1）点位控制系统）点位控制系统 点位控制系统 数控机床只要求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,在移动过程中不进行任何切削加工，为了精确定位和提高生产率，一般先快速移动到终点附近，然后再减速移动到定位点，以保证良好的定位精度。这类数控机床主要有数控钻床、数控冲床等。如图 1-1(a）所示。图 1-1(a）2）直线控制系统）直线控制系统 直线控制系统 是指控制刀具或机床工作台以合适速度，
13、沿着某一坐标轴方向进行直线切削加工的控制系统。而且要求具有准确的定位功能，控制两点之间刀具移动的轨迹应是一条直线。一般的简易数控系统均属于直线控制系统。如图 1-1(b）所示。图1-1(b）3）轮廓控制系统）轮廓控制系统 轮廓控制系统又称连续控制系统，能对两个或两个以上坐标轴同时进行连续控制。加工时不仅要控制起点和终点，还要对整个加工过程中每点的速度和位置进行控制。这类机床有数控铣床、加工中心等。如图 1-1(C）所示。图1-1(C）（2）按伺服系统分类）按伺服系统分类1）开环控制系统）开环控制系统开环控制系统没有位置检测反馈装置，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。2）半闭
14、环控制系统）半闭环控制系统 半闭环控制系统是以交、直流伺服电机作为驱动元件,由位置比较、速度控制、伺服电机等组成，它与闭环控制系统的不同之处仅在将检测元件装在传动链的旋转部位，只检测电机的旋转角度而不检测机械间隙等。3）闭环控制系统）闭环控制系统闭环控制系统 闭环控制系统是带有位置检测反馈装置,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CNC装置的指令值进行比较,比较后的差值去控制机床的移动部件。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,精度很高。1.2.2 数控技术的发展趋势数控技术的发展趋势1.性能发展方面性能发展方面 （1）高精、高速、高效化）高
15、精、高速、高效化效率、质量是先进制造技术关键的性能指标，是先进制造技术的主体。若采用高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU控制系统、高分辨率检测元件、交流数字伺服系统、配套电主轴、直线电机等技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次。超精密数控机床正在向精密化、高速化、智能化和纳米化发展，汇合而成的新一代数控机床。（2）柔性化）柔性化数控系统采用新一代模块化设计，功能覆盖面更宽，可靠性更强，可满足不同用户的需求。同一群控系统能根据不同生产流程，自动进行信息流动态调整，发挥群控系统的功能。（3）多轴化）多轴化多轴联动加工，零件在一台数控机床上一次装夹后，可进行自动换刀、旋转主轴头、旋转工作台等操
16、作，完成多工序、多表面的复合加工，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。（4）软硬件开放化）软硬件开放化用户可根据自己的需要，对数控系统软件进行二次开发，用户的使用范围不再受生产商的制约。（5）实时智能化）实时智能化在数控技术领域，实时智能控制的研究和应用正沿着：自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制、学习控制、前馈控制等方面发展。如程专家系统故障诊断专家系统,当系统出了故障时，诊断、维修等实现智能化。2.功能发展方面功能发展方面 （1）用户界面图形化）用户界面图形化用户界面是数控系统与使用者之间的对话接口，图形用户界面要适合各种用户包括非专业用户的使用，通过窗口和菜单进行操作，可实现图形模拟、图形动态跟踪、仿真和快速程等功能。（2）科学计算可视化）科学计算可视化信息交流巳不再局限于用文字和语言表达，可以直接使用图形、图像、动画等可视信息。可视化技术可用于CAD/CAM、参数自动设定、刀具补偿、显示及加工过程的可视化仿真等。如数控机床虚拟实现技术，用可视化3D技术展示了对数控机床的故障诊断与维修等功能。（3）插补和补偿多样化）插补和补偿多样化插补方式有直线插补、圆弧插补、圆柱插补、
