學習情境八數控機床電氣控制系統的運行維護8.1數控機床電氣控制系統基礎8.1.1數控系統電氣控制系統概述1.數控機床電氣控制系統的組成數字控制（NC，NumericalControl）技術是用數字化信息進行控制的自動控制技術，采用數控技術的控制系統稱為數控系統，裝備了數控系統的機床即為數控機床。圖8-1數控機床電氣控制系統組成數控機床電氣控制系統由數控裝置（CNC，ComputerNumericalControl）、主軸驅動系統、進給伺服系統、檢測反饋系統、機床強電控制系統、編程裝置等幾部分組成。1）數控裝置——數控裝置（CNC）是數控機床的核心數控裝置從內部存儲器中取出或接收輸入裝置送來的數控加工程序，經過數控裝置的邏輯電路或系統軟件進行編譯、運算和邏輯處理后，輸出各種控制信息和指令，控制機床各部分的工作，使其進行規定的有序運動和動作零件的輪廓圖形往往由直線、圓弧或其他非圓弧曲線組成，刀具在加工過程中必須按零件形狀和尺寸要求進行運動，即按圖形軌跡移動，但輸入的零件加工程序只能是各線段軌跡的起點和終點坐標值等數據，不能滿足要求，因此要進行軌跡插補，也就是在線段的起點和終點坐標值之間進行“數據點的密化”，求出一系列中間點的坐標值，并向相應坐標輸出脈沖信號，控制各坐標軸（即進給運動的各執行元件）的進給速度、進給方向和進給位移量等2）主軸驅動系統主軸驅動系統主要由主軸驅動裝置、主軸電動機、速度檢測元件等組成。主軸運動主要完成切削任務，其動力約占整臺機床動力的70%～80%。正、反轉和準停及自動換擋無級調速是主軸的基本控制功能3）進給伺服系統進給伺服系統由進給伺服驅動裝置、各軸進給伺服電動機，以及速度、位置檢測元件等組成。進給運動主要完成工件或刀具的X、Y、Z等方向的精準運動4）檢測反饋系統檢測反饋系統的作用是把檢查裝置檢測到的數控機床位置、速度等物理量轉化為電量并反饋至數控裝置，以便使控制指標達到預定要求。例如，位置檢測裝置將數控機床各坐標軸的實際位移量檢測出來，經反饋系統輸入到機床的數控裝置，數控裝置將反饋回來的實際位移量值與設定值進行比較，控制驅動裝置按照指令設定值運動5）強電控制系統6）編程裝置機床強電控制系統主要完成對機床的輔助運動和輔助動作，如刀庫、液壓系統、氣動系統、冷卻系統、潤滑系統等的控制，以及對各保護開關、行程開關、操作鍵盤按鈕、指示燈、波段開關等的檢測和控制數控機床加工程序可通過鍵盤用手工方式直接輸入數控系統，還可由編程計算機或采用網絡通信方式傳送到數控系統中2．數控機床的特點數控機床是一種高度自動化機加工設備，與普通機床相比有以下特點：（1）對零件加工的適應性強、靈活性好。因為數控機床能實現若干個坐標聯動，

加工程序可按對加工零件的要求而變換而不需要改變機械部分的硬件，所

以其適應性強、靈活性好（2）加工精度高、加工質量穩定。在數控機床上加工零件，零件加工的精度和

質量由機床保證，避免了操作者的人為誤差（3）加工生產效率高。在數控機床上可以采用較大的切削用量，有效地

節省了加工時間；具有自動換刀、自動換速和其他輔助操作自動化

等功能，且無需工序間的檢驗與測量，故使輔助時間大為縮短。（4）能完成復雜型面的加工。許多復雜曲線和曲面的加工，普通機床無

法實現而數控機床完全可以做到。（5）減輕勞動強度，改善勞動條件。數控機床的加工，除了裝卸零件、

操作鍵盤、觀察機床運行外，其他機床動作都是按照程序要求自

動連續地進行切削加工，操作者不需要進行繁重的重復手工操作，

因此能減輕工人的勞動強度，改善勞動條件。（6）有利于生產管理。采用數控設備，有利于向計算機控制和管理生

產方向發展，為實現制造和生產管理自動化創造了條件。3．數控機床的分類1）按運動軌跡分類（1）點位控制系統：圖8-2數控鉆床點位控制示意圖點位控制系統數控機床只要求控制一個位置到另一個位置的精確移動，在移動過程中不進行任何加工。為了精確定位和提高生產率，一般先快速移動到終點附近，然后再減速移動到定位點，以保證良好的定位精度，而對移動路徑不作要求。（2）直線控制系統：圖8-3數控銑床直線控制示意圖直線控制系統不僅要求具有準確的定位功能，而且要控制兩點之間刀具移動的軌跡是一條直線，且在移動過程中刀具能以給定的進給速度進行切削加工。直線控制系統的刀具運動軌跡一般是平行于各坐標軸的直線。特殊情況下，如果同時驅動兩套運動部件，其合成運動的軌跡與坐標軸呈一定夾角的斜線。（3）輪廓控制系統：圖8-4數控銑床輪廓控制示意圖輪廓控制系統又稱連續控制系統，其特點是數控系統能夠對兩個或兩個以上的坐標軸同時進行連續控制。加工時不僅要控制起點和終點，還要控制整個加工過程中每點的速度和位置。2）按工藝用途分類（1）金屬切削類數控機床：（2）金屬成型類數控機床：（3）數控特種加工機床：金屬切削類數控機床和傳統的通用機床產品種類類似，有數控車床、數控銑床、數控磨床、數控鏜床及加工中心機床等金屬成型類數控機床有數控折彎機、數控彎管機、數控壓力機等數控特種加工機床有數控線切割機床、數控電火花加工機床、數控激光切割機床等3）按伺服系統的類型分類（1）開環控制系統：圖8-5開環控制系統結構（2）閉環控制系統：圖8-6閉環數控系統的結構（3）半閉環數控系統：圖8-7半閉環控制系統結構4．數控機床的性能指標（1）數控機床的可控軸數和聯動軸數：數控機床的可控軸數是指數控機床數控裝置能夠控制的坐標數量。

數控機床的可控軸數與數控裝置的運算處理能力、運算速度及內存容量等有關。

數控機床的聯動軸數是指機床數控裝置可同時進行運動控制的坐標軸數。兩軸聯動3軸聯動4軸聯動5軸聯動——可加工空間復雜曲面——可以加工飛行器葉輪、螺旋槳等零件（2）主軸轉速：數控機床主軸一般均采用直流或交流調速主軸電動機驅動，選用高速軸承支撐，保證主軸具有較寬的調速范圍和足夠高的回轉精度、剛度及抗震性。目前，數控機床主軸轉速已普遍達到5000～10000r/min，有利于對各種小孔的加工，提高零件加工精度和表面質量。（3）進給速度：（4）坐標行程：數控機床的進給速度是影響零件加工質量、生產效率及刀具壽命的主要因素。它受數控裝置的運算速度、機床運動特性、剛度等因素的限制數控機床坐標軸X、Y、Z的行程大小構成數控機床的空間加工范圍。坐標行程是直接體現機床加工能力的指標參數（5）刀庫容量和換刀時間：刀庫容量和換刀時間對數控機床的生產率有著直接影響。刀庫容量是指刀庫能存放加工所需要刀具的數量。中小型數控加工中心多為16～60把刀具，大型加工中心可達100把刀具。換刀時間是指帶有自動變換刀具系統的數控機床，將主軸上使用的刀具與裝在刀庫上的下一工序所需用的刀具進行交換所需要的時間5．數控機床電氣控制的發展1）數控系統的發展趨勢（1）高速度高精度化：數控系統的高速度高精度化要求數控系統在讀入加工指令數據后，能高速度計算出伺服電動機的位移量，并能控制伺服電動機高速度準確運動。要實現生產系統的高速度化，還必須要求主軸轉速、進給率、刀具交換、托板交換等實現高速度化。提高微處理器的位數和速度是提高數控裝置速度的最有效手段。（2）智能化：數控系統應用高技術的重要目標是智能化，主要體現在以下幾個方面：①自適應控制技術：②附加人機會話自動編程功能：③具有設備故障自診斷功能：（3）計算機群控：計算機群控也叫做計算機直接數控系統，它是用一臺大型通用計算機為數臺數控機床進行自動編程，并直接控制一群數控機床的系統。（4）小型化。（5）具有更高的通信功能。2）伺服系統的發展早期的數控機床伺服系統多