典型電氣控制系統(tǒng)分析0課件

第四章

典型電氣控制系統(tǒng)分析河南理工大學(xué)機械與動力工程學(xué)院電氣控制系統(tǒng)是金屬切削機床的重要組成部分，在機械設(shè)備中起著神經(jīng)中樞的作用。通過它對電動機的控制，能拖動生產(chǎn)機械，實現(xiàn)各種運行狀態(tài)達(dá)到加工生產(chǎn)的目的。不同的生產(chǎn)機械設(shè)備，或同類型的機床設(shè)備，由于各自的工作方式，工藝要求不同，其電氣控制系統(tǒng)也不盡相同。本章通過對幾臺典型機床設(shè)備的電氣控制系統(tǒng)分析，進(jìn)一步闡明各基本控制環(huán)節(jié)在各種控制系統(tǒng)中的應(yīng)用及各典型控制系統(tǒng)的組成。學(xué)會根據(jù)生產(chǎn)工藝和機械設(shè)備對電氣控制的要求，進(jìn)行電氣控制電路分析，提高讀圖能力，為今后進(jìn)行機械設(shè)備的電氣控制電路的設(shè)計、安裝調(diào)整、運行打下一定的基礎(chǔ)。

第四章典型電氣控制系統(tǒng)分析讀圖口訣一看二想多聯(lián)系，從左到右順序查；先主后從再聯(lián)系，然后還把關(guān)鍵找。找出核心和制約，由右返左作用清；再按順序想一想，是否靜動聯(lián)得通。從控主，主管從，合作才是真道理；靜動得當(dāng)才邏輯，相互包含是真理。

你中有我，我中有你。靜動匹配。第二節(jié)普通車床的電氣控制系統(tǒng)

第四節(jié)雙面單工位液壓傳動組合機床電氣控制系統(tǒng)

第五節(jié)起重機電氣控制系統(tǒng)

第六節(jié)數(shù)控機床控制系統(tǒng)簡介

第四章典型電氣控制系統(tǒng)分析第一節(jié)分析電氣控制系統(tǒng)的方法與步驟

第三節(jié)銑床的電氣控制系統(tǒng)

（2）電氣控制系統(tǒng)及電氣元件的狀況分析。明確電動機作的用途、型號規(guī)格以及控制要求，了解各種電器的工作原理、控制作用及功能。

1.分析電氣控制系統(tǒng)的方法

：

4.1分析電氣控制系統(tǒng)的方法與步驟

（3）機械系統(tǒng)與電氣控制系統(tǒng)的關(guān)系分析。在了解被控設(shè)備所采用的電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、電氣元件狀況的基礎(chǔ)上，還應(yīng)明確機械系統(tǒng)與電氣系統(tǒng)之間的聯(lián)接關(guān)系，即信息采集傳遞和運動輸出的形式和方法。信息采集傳遞是指信號通過設(shè)備上的各種操作手柄、擋鐵以及各種信息檢測機構(gòu)作用在主令信號發(fā)出元件上，并傳遞到電氣控制系統(tǒng)中的過程；運動輸出是指電氣控制系統(tǒng)中的執(zhí)行元件將驅(qū)動力作用到機械系統(tǒng)上的相應(yīng)點，并實現(xiàn)設(shè)備要求的各種動作。車削加工一般只需要單向旋轉(zhuǎn)，但在車削螺紋時為避免亂扣，要求主軸反轉(zhuǎn)來退刀，因此要求主軸能正反兩個方向旋轉(zhuǎn)。主軸的旋轉(zhuǎn)方向可通過改變主軸電動機轉(zhuǎn)向通過機械手柄（離合器）齒輪組來控制。中小型普通車床主軸的轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)方法有兩種：一種是通過改變電動機的磁極對數(shù)來改變電動機的轉(zhuǎn)速，以擴大車床主軸的調(diào)速范圍；另一種是用齒輪變速箱來調(diào)速。目前中小型車床多采用不變速的異步電動機拖動，靠齒輪箱的有級調(diào)速來實現(xiàn)變速；對于大型或重型車床以及主軸需要無級調(diào)速的車床，可用晶閘管控制的直流調(diào)速系統(tǒng)。加工螺紋，要求保證工件的旋轉(zhuǎn)速度和刀具的移動速度之間具有嚴(yán)格的比例關(guān)系，因此車床溜板箱與主軸之間通過齒輪來連接，刀架的移動和主軸旋轉(zhuǎn)都是由一臺電動機來拖動的，而刀具的進(jìn)給是通過掛輪箱傳遞給進(jìn)給箱，通過二者的配合來實現(xiàn)。根據(jù)臥式車床的特點，其電氣控制電路應(yīng)滿足以下要求：

（1）主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度可調(diào)（2）主軸能正反兩個方向轉(zhuǎn)動（3）主軸電動機起動應(yīng)平穩(wěn)主電動機有兩種起動方式，即直接起動(小于10kW的電機)和降壓起動(大于10kW的電機)。（4）主軸應(yīng)能迅速停車主電動機的制動也有兩種方式，即電氣方法實現(xiàn)的能耗制動和反接制動，以及機械的摩擦離合器制動。（5）車削時的刀具及工件應(yīng)進(jìn)行冷卻加工時刀具及工件的溫度相當(dāng)高，應(yīng)設(shè)專用電動機拖動冷卻泵工作。（6）控制電路應(yīng)有必要的保護及照明等多電路。一、CW6163B型萬能臥式車床的控制線路KR1

M13～Q1KM1uvwKM3EL1KM1EL2ELSB3KM1KR1SB4KM1SB2SB1KM2SB6SB5KM2SB7KM3FU46.3VFU336V110VSATCSTKR2主電動機

M23～

M33～KR2KM2FU1冷卻電動機快速電動機圖4-1CW6163B型萬能臥式車床電氣原理圖FU2A

1．主電路

包括主電機、冷卻電機、刀架快速進(jìn)給電機等的線路。

圖4-2CW6163B型萬能臥式車床主電路KR1

M13～Q1KM1uvwKM3TC主電動機

M23～

M33～KR2KM2FU1冷卻電動機快速電動機A

2．控制電路

主電機M1由SB1—SB4四個按鈕控制；冷卻泵電機M2由按鈕SB5和SB6控制；快速電機M3由按鈕SB7點動控制。

圖4-3CW6163B型萬能臥式車床控制電路SB3KM1SB7KM3110VKR2FU2KR1SB4

KM1SB2SB1KM2SB6SB5KM2ST3.照明及顯示電路

照明及顯示電路。信號燈EL2為電源指示燈，EL1為機床工作指示燈：EL為機床照明燈，SA為機床照明開關(guān)。

圖4-4CW6163B型萬能臥式車床照明電路EL1KM1EL2ELFU46.3VFU336VSATCC650臥式車床結(jié)構(gòu)示意圖，它主要由床身、主軸、主軸變速箱、尾座、進(jìn)給箱、絲杠、光杠、刀架和溜板箱等組成。該臥式車床屬于中型車床，可加工的最大工件回轉(zhuǎn)直徑為1020mm，最大工件長度為3000mm。圖4-5C650臥式車床外形圖

二、C650臥式車床的電氣控制線路

二、C650臥式車床的電氣控制線路電力拖動特點與控制要求：1、主電動機控制要求主電動機M1為三相籠型異步電動機，完成主軸運動和進(jìn)給運動的拖動。主電動機直接起動，能夠正、反兩個方向旋轉(zhuǎn)，并可對正、反兩個旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行電氣停車制動，為加工、調(diào)整方便，還要具有點動功能。進(jìn)給運動也由主軸電機拖動，主軸電機的動力由主軸箱傳遞到進(jìn)給箱，再有光桿或絲桿傳到溜板箱。2、冷卻泵電動機控制要求冷卻泵電動機M2，在加工時帶動冷卻泵工作提供冷卻液，采用直接起動，并且為連續(xù)工作狀態(tài)。3、快速移動電動機控制要求快速移動電動機M3，可根據(jù)需要隨時手動控制起停。電氣控制系統(tǒng)分析C650臥式車床的電氣控制系統(tǒng)如圖4-6所示。下面對C650臥式車床的主電路以及控制電路進(jìn)行具體地分析。二、C650臥式車床的電氣控制線路圖4-6

C650型車床的電氣控制原理圖圖4-7C650臥式車床主電路1．主電路分析圖4-7主電動機M1的控制電路2．控制電路(1)主電動機的點動調(diào)整控制

(2)主電動機的正反轉(zhuǎn)控制電路

圖C650臥式車床正反轉(zhuǎn)控制線路圖C650臥式車床正轉(zhuǎn)控制線路(2)主電動機的正轉(zhuǎn)控制電路

(2)主電動機的反轉(zhuǎn)控制電路

（3）.主軸電動機的反接制動控制

4.3X62W萬能升降臺銑床電氣控制系統(tǒng)1－立柱，2－主電動機，3－主傳動，4－進(jìn)給傳動，5－銑刀軸，6－底槽，7－上支撐，8－操作手柄，9－水平工作臺面，10－懸梁，11－中間支撐，12－前支撐，13－刀桿X62W型臥式銑床結(jié)構(gòu)一、銑床的運動形式主運動主軸的旋轉(zhuǎn)運動，分為順銑和逆銑；主軸運動與進(jìn)給運動之間無嚴(yán)格傳動比要求，因此主軸由主電機拖動進(jìn)給運動工作臺在三個相互垂直方向上的直線運動（手動或機動）；進(jìn)給運動各個方向的運動由一臺進(jìn)給電機拖動。輔助運動

1、工作臺在三個相互垂直方向上的快速直線移動；2、工作臺上可以安裝園工作臺進(jìn)行圓弧、凸輪銑削。進(jìn)給電動機經(jīng)機械傳動鏈，通過機械離合器在選定的進(jìn)給方向上驅(qū)動工作臺進(jìn)給?？焖僖苿与姶烹x合器銑削加工方式有逆銑與順銑。臥銑時，在一般情況下銑刀正向安裝，要求主軸電動機正向旋轉(zhuǎn)，有時因加工需要銑刀需反向安裝時，要求主軸電動機應(yīng)反向旋轉(zhuǎn)。當(dāng)銑削方向確定后，在銑削加工過程中則不需要改變旋轉(zhuǎn)方向。因此，對主軸電動機的控制要求是在加工之前選擇好轉(zhuǎn)向（正向或反向），而后起動加工。銑刀是一種多刃刀具，其切削過程是斷續(xù)的，負(fù)載隨時間波動，造成拖動的不平衡，為了減小負(fù)載波動的影響．在主軸上采用飛輪增加慣量，這樣又引起主軸在停車時的慣性大，停車時間較長，影響生產(chǎn)效率。為了實現(xiàn)能快速停車的目的，主軸都采用制動停車方式。銑削時根據(jù)工件的加工要求，有縱向、橫向和垂直三個方向的進(jìn)給運動，由一臺電動機拖動。進(jìn)給運動的方向，是通過操作選擇運動方向的手柄與開關(guān)，配合進(jìn)給拖動電動機的正、反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)的。為了保證機床、刀具的安全，在銑削加工時只允許工件作一個方向的進(jìn)給運動。在使用圓工作臺加工時，不允許工件作縱向、橫向和垂直方向的進(jìn)給運動。為此．各向進(jìn)給運動之間應(yīng)具有聯(lián)鎖環(huán)節(jié)。二、銑床的電力拖動特點銑床主運動和進(jìn)結(jié)運動間沒有比例協(xié)調(diào)的要求，但從機械結(jié)構(gòu)的合理性考慮，應(yīng)采用兩臺電動機單獨拖動。在銑削加工中，為了不使工件與銑刀碰撞而造成事故，要求進(jìn)給拖動一定要在銑刀旋轉(zhuǎn)時才能進(jìn)行，銑刀停止旋轉(zhuǎn)，進(jìn)給運動就應(yīng)該停止或同時停止。因此，要求進(jìn)給運動電動機與主軸電動機之間要有可靠的聯(lián)鎖。為適應(yīng)各種不同的銑削加工要求，銑床主軸及進(jìn)給運動都應(yīng)具有一定的調(diào)速范圍。為了使齒輪在變速時易于相互嚙合，要求主軸電動機和進(jìn)給電動機都應(yīng)具有變速沖動控制電路。為使操作者能在銑床正面、側(cè)面方便操作，對主軸起動、停止，工作臺進(jìn)給運動選向及快速移動等控制，設(shè)置多地點控制方案。為保證加工質(zhì)量和機床設(shè)備的安全，要求控制系統(tǒng)中應(yīng)具有較完善的聯(lián)鎖保護環(huán)節(jié)。銑削加工中，根據(jù)不同的工件材料，也為了延長刀具壽命和提高加工質(zhì)量，需要切削液對工件刀具進(jìn)行冷卻潤滑，而有時又不采用。因此，采用轉(zhuǎn)換開關(guān)控制冷卻泵電動機單向旋轉(zhuǎn)。此外，還應(yīng)配有安全照明電路。二、銑床的電力拖動特點三、銑床的電氣控制系統(tǒng)要求主軸電動機控制電路空載時直接起動，為完成順銑和逆銑，需要帶動銑刀主軸正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)；可在兩端進(jìn)行啟停操作為提高工作效率，要求有停車制動控制；換刀時主軸必須處于制動狀態(tài)；為保證變速時齒輪易于嚙合，要求變速時主電動機有點動控制。進(jìn)給電動機控制電路工作臺縱向與前后運動的方向聯(lián)鎖工作臺垂直上下運動和橫向左右運動的方向聯(lián)鎖圓工作臺和長工作臺之間的聯(lián)鎖為滿足縱向、橫向、垂直方向的往返運動，要求進(jìn)給電動機能正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)工作臺的快速移動以及進(jìn)給變速時可以進(jìn)行瞬時點動調(diào)整。主軸電動機與進(jìn)給電動機啟、停順序要求加工零件時，為保證設(shè)備安全，要求主軸電動機啟動后進(jìn)給電動機方能啟動四、X62W萬能升降臺銑床電氣控制電路分析

圖4.3.2X62W型銑床的電氣控制系統(tǒng)X62W萬能升降臺銑床電氣控制線路

一、主電路FU2W6W型銑床主電路圖Q1uvwKM1KR1

M13～主電動機

M23～

M33～KR2SA2冷卻電動機進(jìn)給電動機KR3XXXKM2KM3FU1SA5FU2W6W型銑床主電機反轉(zhuǎn)Q1uvwKM1KR1

M13～主電動機

M23～

M33～KR2SA2冷卻電動機進(jìn)給電動機KR3XXXKM2KM3FU1SA5FU2W6W型銑床主電機正轉(zhuǎn)Q1uvwKM1KR1

M13～主電動機

M23～

M33～KR2SA2冷卻電動機進(jìn)給電動機KR3XXXKM2KM3FU1SA5二、控制線路

（一）主電動機的控制1.主電動機的起動2.主電動機的制動

4.主軸換刀制動

當(dāng)進(jìn)行換刀或上刀操作時，為了防止主軸轉(zhuǎn)動造成意外事故，也為了上刀方便，主軸也需處在斷電停車和制動的狀態(tài)。此時可將選擇開關(guān)SA2的工作狀態(tài)扳到上刀制動狀態(tài)位置，即SA2－1觸點斷開，切斷接觸器KM1的線圈電路，使主軸電動機不能起動；SA2－2觸點閉合，同樣可接通電磁制動器YB的線圈電路，使主軸處于制動狀態(tài)不能轉(zhuǎn)動，保證上刀、換刀工作的順利進(jìn)行以及人身安全。FU4YC1KR1KR2KR3KM4KM1KM2KM3KM3KM2KM1KM1KM4YC2YC3KM4FU3SB5SB1SB2SB6SB2-1SB2-2SB4-1SB4-2ST1-1ST2-1ST2-1ST4-1ST1-2ST2-2ST2-2ST6-1ST4-2ST6-2ST7-2KM1ST7-1SA1-3SA1-2SA1-1SA2-2U外接電源外接電源SA2-1主軸制動進(jìn)給快進(jìn)X62W萬能升降銑床控制電路3.主軸換刀制動

FU4YC1KR1KR2KR3KM4KM1KM2KM3KM3KM2KM1KM1KM4YC2YC3KM4FU3SB5SB1SB2SB6SB2-1SB2-2SB4-1SB4-2ST1-1ST2-1ST2-1ST4-1ST1-2ST2-2ST3-2ST6-1ST4-2ST6-2ST7-2KM1ST7-1SA1-3SA1-2SA1-1SA2-2U外接電源外接電源SA2-1主軸制動進(jìn)給快進(jìn)X62W萬能升降銑床控制電路4.主軸變速時的瞬時點動

銑床主軸的變速由機械系統(tǒng)完成，在變速過程中，當(dāng)選定嚙合的齒輪沒能進(jìn)入正常嚙合時，要求電動機能點動至合適的位置，保證齒輪正常嚙合。主軸變速時先將變速手柄拉出，將原先嚙合好的齒輪脫離，然后轉(zhuǎn)動變速手輪選擇轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速選定后將變速手柄推回原位，使齒輪在新位置重新嚙合。由于齒與齒槽可能對不準(zhǔn)，會造成嚙合困難。若齒輪不能進(jìn)入正常嚙合狀態(tài)，則需要主軸有瞬時點動的功能，以調(diào)整齒輪相對位置。實現(xiàn)瞬時點動是由復(fù)位手柄與行程開關(guān)SQ7共同控制的。當(dāng)變速手柄復(fù)位時，在推進(jìn)的過程中會壓動瞬時點動行程開關(guān)SQ7，使其動斷觸點先斷開，切斷KM1線圈電路的自鎖；4.主軸變速時的瞬時點動

FU4YC1KR1KR2KR3KM4KM1KM2KM3KM3KM2KM1KM1KM4YC2YC3KM4FU3SB5SB1SB2SB6SB2-1SB2-2SB4-1SB4-2ST1-1ST2-1ST2-1ST4-1ST1-2ST2-2ST2-2ST6-1ST4-2ST6-2ST7-2KM1ST7-1SA1-3SA1-2SA1-1SA2-2U外接電源外接電源SA2-1主軸制動進(jìn)給快進(jìn)X62W萬能升降銑床控制電路FU4YC1KR1KR2KR3KM4KM1KM2KM3KM3KM2KM1KM1KM4YC2YC3KM4FU3SB5SB1SB2SB6SB2-1SB2-2SB4-1SB4-2ST1-1ST2-1ST2-1ST4-1ST1-2ST2-2ST3-2ST6-1ST4-2ST6-2ST7-2KM1ST7-1SA1-3SA1-2SA1-1SA2-2U外接電源外接電源SA2-1主軸制動進(jìn)給快進(jìn)X62W萬能升降銑床控制電路FU4YC1KR1KR2KR3KM4KM1KM2KM3KM3KM2KM1KM1KM4YC2YC3KM4FU3SB5SB1SB2SB6SB2-1SB2-2SB4-1SB4-2ST1-1ST2-1ST2-1ST4-1ST1-2ST2-2ST3-2ST6-1ST4-2ST6-2ST7-2KM1ST7-1SA1-3SA1-2SA1-1SA2-2U外接電源外接電源SA2-1主軸制動進(jìn)給快進(jìn)X62W萬能升降銑床控制電路（二）進(jìn)給電機的控制①順序控制。為防止刀具和機床的損壞，只有主軸旋轉(zhuǎn)后，才允許有進(jìn)給運動。從圖中可知，控制主軸電動機的啟動接觸器KM1輔助動合觸點串接在工作臺運動控制電路中，這樣就可保證只有主軸旋轉(zhuǎn)后工作臺才能進(jìn)給的互鎖要求。②水平工作臺運動控制。水平工作臺移動方向由各自的操作手柄來選擇，如圖所示。一般臥式萬能升降臺銑床工作臺有兩個操作手柄，一個為縱向(左右)操作手柄，有右、中、左三個位置；另一個為橫向(前后)和垂直(上下)十字復(fù)合操作手柄，該手柄有五個位置，即上、下、前、后和中間位置。

SA1為工作臺轉(zhuǎn)換開關(guān)，它是一種二位式選擇開關(guān)。當(dāng)使用水平工作臺時，觸點SA1－1與SA1－3閉合；當(dāng)使用圓工作臺時，觸點SA1－2閉合。（二）進(jìn)給電機控制1.工作臺的左右運動2.工作臺前后運動3.進(jìn)給變速時的瞬時點動4.進(jìn)給方向的快速移動圖4.3.2X62W型銑床的電氣控制系統(tǒng)5、圓工作臺控制圖4.3.4工作臺控制電路4.6數(shù)控機床控制系統(tǒng)簡介4.6.1數(shù)控機床概述二、數(shù)控機床的工作原理數(shù)控機床加工零件,首先要將被加工零件的圖樣及工藝信息數(shù)字化（將機床加工所需操作如，主軸變速、松夾工件、進(jìn)刀退刀、啟停車、選擇刀具、供給冷卻液、以及工件與刀具的相對位移量等都用數(shù)字化的代碼表示）,用規(guī)定的代碼和程序格式編寫加工程序,然后將所編寫的程序指令輸入到機床的數(shù)控裝置中.數(shù)控裝置再將程序(代碼)進(jìn)行譯碼、運算，向機床各個坐標(biāo)的伺服機構(gòu)和輔助控制裝置發(fā)出信號，驅(qū)動機床各運動部件，控制所需要的運動，最后加工出合格零件。零件幾何形狀編碼零件CNC伺服系統(tǒng)PLC電氣控制數(shù)控機床的工作原理三、數(shù)控機床的工作過程從自動控制的角度來看，計算機數(shù)控(CNC)系統(tǒng)是一種位置（軌跡）、速度（還包括電流）控制系統(tǒng)，其本質(zhì)上是以多執(zhí)行部件(各運動軸)的位移量、速度為控制對象并使其協(xié)調(diào)運動的自動控制系統(tǒng)，是一種配有專用操作系統(tǒng)的計算機控制系統(tǒng)。

零件圖紙與工藝編程CNCPLC操作面板伺服系統(tǒng)I/O設(shè)備電氣控制加工成形機床本體數(shù)控機床的工作過程四、數(shù)控機床的組成1、輸入／輸出設(shè)備CNC裝置是數(shù)控機床的核心，由硬件和軟件兩部分組成。其基本功能是：接受輸入裝置送來的加工程序，進(jìn)行譯碼和寄存，然后根據(jù)加工程序所指定的零件形狀，計算出刀具中心的運動軌跡，并按照程序指定的進(jìn)給速度，求出每個插補周期內(nèi)刀具應(yīng)移動的距離，在每個時間段結(jié)束前，把下一個時間段內(nèi)刀具應(yīng)移動的距離送給伺服單元。2、計算機數(shù)控（CNC）系統(tǒng)CNC裝置基本配置2、計算機數(shù)控（CNC）系統(tǒng)

伺服系統(tǒng)是數(shù)控機床的執(zhí)行部分。它能將數(shù)控裝置送來的指令信息加以放大，經(jīng)功率放大后。通過機床進(jìn)給傳動元件(如齒輪減速箱和滾珠絲杠螺母等)，去驅(qū)動機床移動部件(工作臺或刀架)，以便精確定位或按照規(guī)定的軌跡和速度運動，使機床加工出符合圖樣要求的零件。信息輸入到CNC單元內(nèi)。伺服驅(qū)動系統(tǒng)包含主軸伺服驅(qū)動和進(jìn)給伺服驅(qū)動，由伺服單元和驅(qū)動裝置組成，它是聯(lián)系數(shù)控系統(tǒng)和機床本體之間的電氣環(huán)節(jié)。當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的指令信號與位置反饋信號比較后，形成位移指令，該指令由伺服單元接受，經(jīng)過變換和放大，再通過驅(qū)動裝置將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)坐標(biāo)軸的進(jìn)給運動和精確定位運動。

伺服系統(tǒng)中常用的驅(qū)動裝置有：開環(huán)伺服系統(tǒng)常用步進(jìn)電動機，閉環(huán)伺服系統(tǒng)常用脈寬調(diào)速直流電動機和交流伺服電機等。

3．伺服系統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)除了位置控制功能外，還具有主軸起停、換向、冷卻液開關(guān)等輔助控制功能，這部分功能由可編程控制器（PLC）和電氣控制裝置來實現(xiàn)。在數(shù)控機床中，CNC系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)完成與數(shù)字運算和管理有關(guān)的功能，如編輯加工程序、譯碼、插補運算、位置伺服控制等；而PLC和電氣控制裝置則負(fù)責(zé)完成與邏輯開關(guān)量控制有關(guān)的各種動作，如接受零件加工程序中的M代碼（輔助功能）、S代碼（主軸轉(zhuǎn)速）、T代碼（選刀、換刀）等順序動作信息，對其進(jìn)行譯碼后轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的控制信號，控制輔助裝置完成機床的一系列開關(guān)動作，諸如工件的夾緊與放松、刀具的選擇與更換、冷卻液的開和關(guān)、分度工作臺的轉(zhuǎn)位和鎖緊等等。PLC接受來自操作面板和數(shù)控系統(tǒng)的指令，一方面通過接口電路直接控制機床動作，另一方面通過伺服驅(qū)動系統(tǒng)控制主軸電動機的轉(zhuǎn)動，并可將部分指令送往CNC用于加工過程的控制。4、數(shù)控機床電氣邏輯控制裝置5．位置檢測裝置位置檢測裝置位置反饋分為伺服電動機的轉(zhuǎn)角位移反饋和數(shù)控機床執(zhí)行機構(gòu)(工作臺)的位移反饋兩種，運動部分通過傳感器將上述角位移或直線位移轉(zhuǎn)換成電信號，輸送給CNC單元，與指令位置進(jìn)行比較，并由CNC單元發(fā)出指令，糾正所產(chǎn)生的誤差，適時控制機床的運動位置。主要用來檢測工作臺的實際位移或絲杠的實際轉(zhuǎn)角，通常安裝在機床工作臺上或絲杠上，它與伺服驅(qū)動系統(tǒng)配合可組成半閉環(huán)或閉環(huán)伺服驅(qū)動系統(tǒng)。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，位置檢測裝置將工作臺的實際位移或絲杠的實際轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成電信號，并反饋到數(shù)控裝置，由數(shù)控裝置計算出實際位置和指令位置之間的差值，并根據(jù)這個差值的大小和方向去控制執(zhí)行部件的進(jìn)給運動，使之朝著減小誤差的方向移動。因此，位置檢測裝置的精度決定了數(shù)控機床的加工精度。5．位置檢測裝置感應(yīng)同步器測量裝置旋轉(zhuǎn)變壓器位移檢測編碼器測量編碼器是將角位移或直線位移轉(zhuǎn)換為電信號的裝置。前者稱為碼盤，后者稱為碼尺。光柵位置檢測裝置分為直線式和旋轉(zhuǎn)式兩類。分別用于直線位移和角位移測量

除了主運動系統(tǒng)、進(jìn)給系統(tǒng)（如工作臺、刀架）、以及輔助部分（如液壓、氣動、冷卻和潤滑部分等）和支撐部件（如床身、立柱）等一般部件外，尚有些特殊部件，如儲備刀具的刀庫、自動換刀裝置(ATC)、自動托盤交換裝置等。

機床本體是用于完成各種切削加工的機械部分，包括主運動部件、進(jìn)給運動部件、床身立柱等支撐部件。數(shù)控機床的組成與普通機床相似，但實際使用時由于切削用量大、連續(xù)加工發(fā)熱量大等因素對加工精度會有一定影響，且加工過程屬于自動控制，因此數(shù)控機床在精度、靜剛度、動剛度和熱剛度等方面都提出了更高的要求，而傳動鏈則要求盡可能的簡單。輔助裝置主要包括換刀、夾緊、潤滑、冷卻、排屑、防護、照明等一系列裝置，它的作用是保證安全、方便地使用數(shù)控機床，使其功能充分發(fā)揮。6、機床本體與輔助裝置五、數(shù)控機床的應(yīng)用數(shù)控車床數(shù)控銑床數(shù)控鉆床加工中心QT200全功能數(shù)控車床8位轉(zhuǎn)塔刀臺/8位數(shù)控雕刻機床三座標(biāo)測量機快速成型設(shè)備數(shù)控多工位沖床數(shù)控彎管機數(shù)控卷簧機5軸聯(lián)動的加工中心加工工件

六、數(shù)控機床的特點及優(yōu)勢（1）采用了高性能的主軸及伺服傳動系統(tǒng)，機械結(jié)構(gòu)得到簡化，傳動鏈較短；（2）為了使連續(xù)性自動化加工，機械結(jié)構(gòu)具有較高的動態(tài)剛度及耐磨性，熱變形??；

（3）更多的采用高效率、高精度的傳動部件，如滾珠絲杠、直線滾動導(dǎo)軌等；（4）加工中心帶有刀庫、自動換刀裝置（5）采用輔助裝置：冷卻、排屑、防護、潤滑、儲運等裝置1.設(shè)計特點六、數(shù)控機床的特點及優(yōu)勢適應(yīng)性強，適合加工單件小批量、復(fù)雜零件

加工零件一致性好、重復(fù)精度高高自動化、高效率只要改變程序就可改變加工件，不需要大量復(fù)雜工裝夾具可以采用復(fù)合工藝有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化2.優(yōu)勢4.6.2計算機數(shù)控（CNC）系統(tǒng)計算機數(shù)控(CNC)系統(tǒng)是數(shù)控機床的核心部分，其主要任務(wù)是控制機床的運動，完成各種零件的自動加工。在進(jìn)行零件加工時，CNC裝置首先接收數(shù)字化的零件圖樣和工藝要求等信息，再進(jìn)行譯碼和預(yù)處理，然后按照一定的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行插補運算，用運算結(jié)果實時地對機床的各運動坐標(biāo)進(jìn)行速度和位置控制。計算機數(shù)控（CNC)系統(tǒng)由硬件和軟件組成，是一種采用存儲程序的專用計算機，計算機通過運行存儲器內(nèi)的程序，使數(shù)控機床按照操作者的要求，有條不紊地進(jìn)行加工，實現(xiàn)對機床的數(shù)字控制功能。

如圖所示，為CNC裝置硬件的基本組成框圖，由圖可知，它不僅具有一般微型計算機的基本硬件結(jié)構(gòu)，如微處理器(CPU)、總線、存儲器、I／O接口等；而且還具有完成數(shù)控機床特有功能所需的功能模塊和接口單元，如手動數(shù)據(jù)輸入(MDI)接口、PLC接口、紙帶閱讀機接口等。1、CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)2、CNC裝置的軟件CNC裝置在上述硬件的基礎(chǔ)上，還必須配合相應(yīng)的系統(tǒng)軟件來指揮和協(xié)調(diào)硬件的工作，二者缺一不可。數(shù)控裝置的軟件是實現(xiàn)部分或全部數(shù)控功能的專用系統(tǒng)軟件，圖是數(shù)控系統(tǒng)軟件組成框圖，由圖可知，它由管理軟件和控制軟件兩部分組成。其中管理軟件主要為某個系統(tǒng)建立一個軟件環(huán)境，協(xié)調(diào)各軟件模塊之間的關(guān)系，并處理一些實時性不太強的軟件功能，如數(shù)控加工程序的輸入／輸出及其管理、人機對話顯示及診斷等；控制軟件的作用是根據(jù)用戶編制的加工程序，控制機床運行，主要完成系統(tǒng)中一些實時性要求較高的關(guān)鍵控制功能，如譯碼、刀具補償、插補運算、位置控制等。3、CNC裝置的工作過程（1）零件程序的輸入。（2）譯碼處理。（3）數(shù)據(jù)處理。（4）插補運算。（5）位置控制。（6）I／O處理。（7）顯示。（8）診斷。4.6.3伺服系統(tǒng)數(shù)控機床伺服控制系統(tǒng)是以機床移動部件的位置和速度為被控制量的自動控制系統(tǒng)，它包括進(jìn)給伺服系統(tǒng)和主軸伺服系統(tǒng)。其中進(jìn)給伺服系統(tǒng)是控制機床坐標(biāo)軸的切削進(jìn)給運動，以直線運動為主；主軸伺服系統(tǒng)是控制主軸的切削運動，以旋轉(zhuǎn)運動為主。如果說CNC裝置是數(shù)控機床發(fā)布命令的“大腦”，伺服驅(qū)動系統(tǒng)則為數(shù)控機床的“四肢”，因此是執(zhí)行機構(gòu)。伺服控制系統(tǒng)是連接CNC裝置和機床機械傳動部件的環(huán)節(jié)，包含機械傳動、電氣驅(qū)動、檢測、自動控制等方面的內(nèi)容。一、伺服系統(tǒng)的組成數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的一般組成結(jié)構(gòu)如圖所示，包含驅(qū)動電路、執(zhí)行元件、傳動機構(gòu)、檢測元件及反饋電路等部分。二.數(shù)控機床對伺服系統(tǒng)的要求（1）可逆運行（2）精度高（3）調(diào)速范圍寬（4）穩(wěn)定性好（5）快速響應(yīng)（6）低速大轉(zhuǎn)矩數(shù)控機床規(guī)格繁多，據(jù)不完全統(tǒng)計已有400多個品種規(guī)格?？梢园凑斩喾N原則來進(jìn)行分類。但歸納起來，常見的是以下面3種方法來分類的。1.按工藝用途分類2.按運動軌跡分類3.按伺服系統(tǒng)的控制方式分類三.伺服系統(tǒng)分類1.按工藝用途分類一般數(shù)控機床：車銑鏜鉆磨等，功能與通用機床相似；但是可以加工復(fù)雜形狀的零件。數(shù)控加工中心：在數(shù)控銑、鏜、鉆床的基礎(chǔ)上增加了自動換刀裝置。帶刀庫，一次裝夾后可完成多工序加工。多坐標(biāo)數(shù)控機床：坐標(biāo)軸大于3，能加工復(fù)雜形狀零件。2.按運動軌跡分類點位控制數(shù)控機床：點——點位置精確控制，保證的是定位精度，以慢~快~慢的運動方式

如：鉆床、沖床、測量機等點位直線控制數(shù)控機床：位置控制+速度和路線控制，只能沿某個坐標(biāo)軸方向（平行或45°）切削加工輪廓控制數(shù)控機床：每點的位置+速度+路線控制，可對2坐標(biāo)或2坐標(biāo)以上坐標(biāo)軸進(jìn)行控制按運動軌跡分類點位控制鉆孔加工工件刀具AB按運動軌跡分類點位直線控制切削加工按運動軌跡分類工件刀具輪廓控制加工3.按伺服系統(tǒng)的控制方式分類（1）開環(huán)控制數(shù)控機床（2）閉環(huán)控制數(shù)控機床（3）半閉環(huán)控制數(shù)控機床（1）開環(huán)伺服系統(tǒng)數(shù)控機床

這類機床的數(shù)控系統(tǒng)將零件的程序處理后，輸出數(shù)字指令信號給伺服系統(tǒng)，驅(qū)動機床運動，沒有來自位置傳感器的反饋信號。開環(huán)伺服系統(tǒng)數(shù)控機床特點：

①沒有反饋信號。②精度低。③系統(tǒng)穩(wěn)定性好。④設(shè)計和調(diào)整方便。開環(huán)伺服系統(tǒng)數(shù)控機床應(yīng)用：

多應(yīng)用于經(jīng)濟型數(shù)控和對舊機床的改造上。（2）閉環(huán)伺服系統(tǒng)數(shù)控機床在機床移動部件的位置上直接裝有直線位置檢測裝置，檢測刀具或工作臺的實際位移值并將檢測到的位移值及時反饋到CNC裝置中，與所要求的位移指令值進(jìn)行比較，用比較的差值進(jìn)行控制，直到差值消除為止。閉環(huán)伺服系統(tǒng)數(shù)控機床特點：

①有位置反饋信號。②很高的加工精度。③設(shè)計和調(diào)整有較大的難度。④系統(tǒng)不穩(wěn)定。⑤檢測直線位移。閉環(huán)伺服系統(tǒng)數(shù)控機床應(yīng)用：

用于一些精度要求很高的鏜銑床、超精車床、超精銑床等。

（3）半閉環(huán)伺服系統(tǒng)數(shù)控機床它是在開環(huán)控制系統(tǒng)的絲杠端頭或電動機端頭上裝有檢測裝置，通過檢測絲杠的角位移（轉(zhuǎn)角）和轉(zhuǎn)速，間接地檢測移動部件的實際位移量，然后反饋到CNC裝置中進(jìn)行位置比較，用比較的差值進(jìn)行控制。半閉環(huán)伺服系統(tǒng)數(shù)控機床特點：①精度介于開環(huán)、閉環(huán)之間。②設(shè)計和調(diào)整較容易。③系統(tǒng)的較穩(wěn)定。④檢測角位移。半閉環(huán)伺服系統(tǒng)數(shù)控機床應(yīng)用：

配備精密滾珠絲杠的半閉環(huán)控制系統(tǒng)得到廣泛采用。滾珠絲杠結(jié)構(gòu)示意圖

1-絲杠

2-滾珠

3-回珠管

4-螺母

4.按數(shù)控系統(tǒng)功能水平的分類數(shù)控機床按數(shù)控系統(tǒng)功能水平可分為低、中、高三檔。檔次功能低檔數(shù)控機床中檔數(shù)控機床高檔數(shù)控機床進(jìn)給當(dāng)量和進(jìn)給速度進(jìn)給當(dāng)量為10μm，進(jìn)給速度在8-15m／min進(jìn)給當(dāng)量為1μm，進(jìn)給速度為15-24m／min進(jìn)給當(dāng)量為0.1μm，進(jìn)給速度為15-100m／min伺服進(jìn)給系統(tǒng)

開環(huán)、步進(jìn)電動機

半閉環(huán)直流伺服系統(tǒng)或交流伺服系統(tǒng)閉環(huán)伺服系統(tǒng)、電動機主軸、直線電動機聯(lián)動軸數(shù)2-3軸3-4軸3軸以上通信功能

無

RS232或DNC接口

RS232、RS485、DNC、MAP接口顯示功能

數(shù)碼管顯示或簡單的CRT字符顯示功能較齊全的CRT顯示或液晶顯示功能齊全的CRT(三維動態(tài)圖形顯示)內(nèi)裝PLC

無

有

有強功能的PLC，有軸控制的擴展功能主CPU

8位或16位CPU由16位向32位CPU過渡32位向64位CPU發(fā)展四、常用驅(qū)動元件驅(qū)動元件是伺服系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，對系統(tǒng)的特性有極大的影響，它的發(fā)展和進(jìn)步是推動數(shù)控機床發(fā)展的重要因素。驅(qū)動元件的發(fā)展大致分為以下幾個階段：

50年代，采用步進(jìn)電機。目前只應(yīng)用于經(jīng)濟型數(shù)控機床。

60～70年代，采用步進(jìn)電機和電液伺服電機?，F(xiàn)已基本不用。

70～80年代，采用直流伺服電機，目前在我國廣泛使用。

80年代以后，采用交流伺服電機，是比較理想的驅(qū)動元件。步進(jìn)電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機械角位移的特殊電機。步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)子上無繞組且制有若干個均勻分布的齒，在定子上有勵磁繞阻。當(dāng)有脈沖輸入時，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個固定的角度，其角位移量與輸入脈沖個數(shù)嚴(yán)格地成正比，在時間上也與輸入脈沖同步。當(dāng)無脈沖時，在繞組電源的激勵下，氣隙磁場能使轉(zhuǎn)子保持原有位置不變而處于定位狀態(tài)。1、步進(jìn)電機１按其運動方式分：有旋轉(zhuǎn)式、直線運動式、平面運動式和滾切運動式。２按其勵磁相數(shù)可分為三相、四相、五相、六相甚至八相步進(jìn)電機等；３按使用場合分：有功率步進(jìn)電機和控制步進(jìn)電機；４按其工作原理分：有磁電式、反應(yīng)式（磁阻式）、永磁感應(yīng)式步進(jìn)電機等；５按使用頻率分：有高頻步進(jìn)電機和低頻步進(jìn)電機；６按結(jié)構(gòu)分：有單段式（徑向式）、多段式（軸向式）等。（一）步進(jìn)電機的分類盡管步進(jìn)電機種類很多，其基本原理實質(zhì)都是一致的?，F(xiàn)以三相反應(yīng)式步進(jìn)電機為例，說明其工作原理:在步進(jìn)電機定子上有三對磁極，上面繞有勵磁繞組，分別稱為A相、B相和C相。轉(zhuǎn)子上帶有等距小齒（圖中有四個齒）,如果先將A相加上電脈沖，則有：

AABBCC1234(a)A相通電（二）步進(jìn)電機工作原理

AABBCC1234如果將B相加上電脈沖，則有：(b)

B相通電轉(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn)30。

AABBCC1234(a)A相通電（二）步進(jìn)電機工作原理如果再將C相加上電脈沖，則有：

AABBCC1234(c)

C相通電轉(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn)30。

AABBCC1234(b)

B相通電轉(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn)30。

AABBCC1234(a)A相通電（二）步進(jìn)電機工作原理

這種三相勵磁繞組依次單獨通電，切換三次為一個循環(huán)，稱為三相單三拍通電方式。由于每次只有一相磁極通電，易在平衡位置附近發(fā)生振蕩，而且在各相磁極通電切換的瞬間，電機失去自鎖力，容易造成失步。為改善其工作性能，可采用三相六拍的通電方式，其通電方式及通電順序為A→AB→B→BC→C→CA→A…或者A→AC→C→CB→B→BA→A…這種通電方式當(dāng)由A相通電轉(zhuǎn)為AB相共同通電時，轉(zhuǎn)子磁極將同時受到A相與B相的吸引，它就停在AB兩相磁極中間，這時它轉(zhuǎn)過的角度是15。這種通電方式在切換時，始終有一相磁極不斷電，故而工作較穩(wěn)定，且在相同頻率下，每相導(dǎo)通的時間增加，平均電流增加，從而可以提高電磁轉(zhuǎn)矩、啟動頻率及連續(xù)運行頻率等特性。顯然，通入脈沖頻率越高，電機的轉(zhuǎn)速就越高，且電機每步轉(zhuǎn)過的角度越小，所能達(dá)到的位置精度也越高。。（二）步進(jìn)電機工作原理（１）步距角步進(jìn)電機每接受一個脈沖，轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過的角度，稱為步距角。它是決定開環(huán)伺服系統(tǒng)脈沖當(dāng)量的重要參數(shù)。

α＝360／mkz

式中α——步距角；

m——定子勵磁繞組的相數(shù)；

z——轉(zhuǎn)子齒數(shù)；

k——通電方式系數(shù)，單拍時，k=1；雙拍時，k＝2。。（三）步進(jìn)電機的主要特性參數(shù)

（2）最大啟動轉(zhuǎn)矩步進(jìn)電機在啟動時能帶動的最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩，如步進(jìn)電機的負(fù)載轉(zhuǎn)矩超過此值，則電機不能啟動。其值越大，則承載能力越強。（3）起動頻率步進(jìn)電機在啟動時，從靜止?fàn)顟B(tài)突然啟動而不丟步的最高頻率。它與負(fù)載慣量有關(guān)，一般地它隨負(fù)載的增加而減小。（4）連續(xù)運行最高頻率步進(jìn)電機啟動之后，控制脈沖的頻率可進(jìn)一步提高。能夠跟上控制脈沖的頻率而不失步的最高頻率，稱為連續(xù)運行最高頻率。它隨負(fù)載的增加而下降，它比最高啟動頻率大許多，因它不需克服慣性力矩。它代表著步進(jìn)電機的最高轉(zhuǎn)速。目前世界最高值可達(dá)7000r／min。脈沖分配器：通過脈沖指令，按一定順序?qū)ɑ蚪刂构β史糯笃?，使電機相應(yīng)的勵磁繞組通電或斷電的裝置叫脈沖分配器，也叫環(huán)形分配器。它由門電路、觸發(fā)器等基本邏輯功能元件組成。步進(jìn)電機的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，由方向指令控制。步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速分別由指令脈沖的頻率與數(shù)量決定。脈沖分配可由硬件或軟件來實現(xiàn)。脈沖分配器功率放大器步進(jìn)電機進(jìn)給脈沖運動方向（四）步進(jìn)電機的驅(qū)動根據(jù)步進(jìn)電機的工作原理，我們知道步進(jìn)電機的角位移量與指令脈沖的個數(shù)成正比，旋轉(zhuǎn)方向與通電方向有關(guān)。因此步進(jìn)電機的驅(qū)動電路，必須能控制步進(jìn)電機各相勵磁繞組電信號的通電斷電變化頻率、次數(shù)和通電順序。這個工作由脈沖分配器和功率放大器來完成。

由于數(shù)控機床的自身特點，如位移精度高、調(diào)速范圍廣、承載能力強、運動穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快等，對伺服電機的要求較高，特別是要具有較大的轉(zhuǎn)矩——慣量比。直流伺服電機具有較好的調(diào)速特性，尤其是直流電機具有較硬的機械特性，因此直流電機在數(shù)控機床中使用較廣泛。然而一般的直流電機因其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量較大，其輸出轉(zhuǎn)矩相對小，動態(tài)特性不好，不能滿足機械加工的要求，特別是在低速運轉(zhuǎn)條件下更是如此。因此，直流電機必須改進(jìn)結(jié)構(gòu)提高其特性，才能用于數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)。

2、直流伺服電機1．小慣量直流伺服電機為使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量盡可能的小，這種電機一般都做成細(xì)長形，轉(zhuǎn)子光滑無槽。其特點是轉(zhuǎn)動慣量比一般直流電機小一個數(shù)量級，機械時間常數(shù)小，加減速能力強，響應(yīng)快，動態(tài)特性好。再加上其氣隙尺寸大，采用高磁能永久磁鐵，勵磁繞組在鐵心表面，因而繞組自磁小，電樞電流可增大。所以其瞬時峰值轉(zhuǎn)矩可為額定轉(zhuǎn)矩的十倍以上，調(diào)速范圍寬，低速運轉(zhuǎn)平