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概述第一章概述1.1数控机床控制系统的构成1.2现代控制技术及发展概述1.1数控机床控制系统的构成1.1.1数控技术数字控制（NumericalControl）技术，简称数控（NC）技术，是指用数字指令来控制机器的动作。数控技术是采用数字代码形式的信息，按给定的工作程序、运动速度和轨迹，对被控制的对象进行自动操作的一种技术。如果一种设备的控制过程是以数字形式来描绘的，其工作过程是可编程序的，并能在程序控制下自动地进行，那么这种设备就称为数控设备。概述1.1.2数控设备的组成数控设备是由数控系统和被控对象组成。但从组成一台完整的数控机床上讲，一般由控制介质、数控系统、伺服系统、强电控制柜、机床本体和各类辅助装置组成，其框图如图1-1所示。控制介质数控系统辅助装置反馈装置机电接口伺服系统位置检测速度检测被控对象机床控制系统图1-1数控设备组成示意图概述（一）控制介质控制介质又称信息载体，是人与数控机床之间的媒介物质，反映了数控加工中全部信息。控制介质有多种形式，它随着数控装置的类型不同而不同，常用的有穿孔纸带、穿孔卡、磁带、磁盘等。还有的采用数码拨盘、数码插销或利用键盘直接将程序及数据输入。另外，随着CAD/CAM技术的发展，有些数控设备利用CAD/CAM软件在其计算机上编程，然后通过计算机与数控系统通信，将程序和数据直接传送给数控装置。概述（二）数控装置数控装置是数控系统的核心。现代的数控装置普遍采用通用计算机作为数控装置的主要硬件，包括微型机系统的基本组成部分，CPU、存储器、局部总线以及输入输出接口等；软件部分就是我们所说的数控系统软件。数控装置的基本功能是，读入零件加工程序，根据加工程序所指定零件形状，计算出刀具中心的移动轨迹，并按照程序指定的进给速度，求出每个微小的时间段（插补周期）内刀具应该移动的距离，在每个时间段结束前，把下一个时间段内刀具应该移动的距离送给伺服单元。概述（三）伺服系统伺服系统是数控机床的执行结构，是数控系统和机床本体之间的电气联系环节。主要由伺服电动机、驱动控制系统和位置检测与反馈装置等组成。伺服电动机是系统的执行元件，驱动控制系统则是伺服电动机的动力源。数控系统发出的指令信号与位置反馈信号比较后作为位移指令，再经过驱动控制系统的功率放大后，驱动电动机运转，通过机械传动装置拖动工作台或刀架运动。概述（四）强电控制柜强电控制柜主要用来安装机床强电控制的各种电气元件，除了提供数控、伺服等一类弱电控制系统的输入电源，以及各种短路、过载、欠压等电气保护外，主要在PLC的输出接口与机床各类辅助装置的电气执行元件之间起连接作用，控制机床辅助装置如各种交流电动机、液压系统电磁阀或电磁离合器等。概述机床操作面板机床电气控制柜机床侧机床侧液压、气动系统、冷却泵、润滑泵电动机等机床侧行程开关、接近开关、按钮、液位、压力等开关12345678910图1-2数控机床电气控制柜的示意图MDI/CRT机床侧操作1－熔断器及断路器2－开关电源3－主轴及进给驱动装置4－CNC装置5－接地排6－接触器7－接线排8－机床控制变压器9－中间继电器10－输入输出（I/O）概述（五）辅助装置辅助装置主要包括自动换刀装置ATC（AutomaticToolChanger）自动交换工作台机构APC（AutomaticPalletCh-anger）、工件夹紧放松机构、回转工作台、液压控制系统、润滑装置、切削液控制装置、排屑装置、过载和保护装置等。（六）机床本体数控机床的本体是指机械结构实体。可以在普通机床的基础上改装，也可以单独设计。与传统的普通机床相比较，数控机床的机械部分具有以下一些特点：概述（1）数控机床采用了高性能的主轴及伺服传动系统，机械传动结构简化，传动链较短，传动精度高等特点。（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）更多地采用高效传动部件，一般采用滚珠丝杠副、直线滚动导轨副或塑料涂层导轨等。具有完善的刀具自动交换及管理系统。概述（七）位置检测装置位置检测装置也称反馈元件，通常安装在机床的工作台上或丝杠上，用来检测工作台的实际位移或丝杠的实际转角。在闭环控制系统中这个实际位移或转角有的要反馈给数控装置，由数控装置计算出实际位置和指令位置之间的差值，并根据这个差值的方向和大小，去控制机床，使之朝着减小误差的方向移动。位置检测装置的精度直接决定了数控机床的加工精度。概述1.1.3数控机床控制系统的构成数控机床进行加工时，首先必须将工件的几何数据和工艺数据按规定的代码和格式编制成数控加工程序，并用适当的方法将加工程序输入数控系统。数控系统对输入的加工程序进行数据处理，输出各种信息和指令，控制机床各部分按规定有序地动作。这些信息和指令最基本的包括：各坐标轴的进给速度、进给方向和进给位移量，各状态控制的I/O信号等。概述伺服系统的作用就是将进给位移量等信息转换成机床的进给运动，数控系统要求伺服系统正确、快速地跟随控制信息，执行机械运动，同时，位置反馈系统将机械运动的实际位移信息反馈至数控系统，以保证位置控制精度。总之，数控机床的运行在数控系统的控制下，处于不断地计算、输出、反馈等控制过程中，从而保证刀具和工件之间相对位置的准确性。与其他加工方法相比，数控机床有以下优点：概述（1）数控系统取代了普通机床的手工操纵，具有充分的柔性，只要编制成零件程序就能加工出零件。（2）零件加工精度一致性好，避免了普通机床加工时人为因素的影响。（3）生产周期较短，特别适合小批量、单件的加工。（4）可加工复杂形状的零件，如二维轮廓或三维轮廓加工。（5）易于调整机床，与其他制造方法（如自动机床、自动生产线）相比，所需调整时间较少。概述从数控机床最终要完成的任务看，主要有以下三个方面内容：1.主轴运动主轴运动和普通车床一样，主运动主要完成切削任务，其动力约占整台机床动力的70～80％。基本控制是主轴的正、反转和停止，可自动换档及无级调速；对加工中心和有些数控车床还必须具有定向控制和C轴控制。概述2.进给运动这是数控机床区别于普通车床最根本的地方，即用电气驱动替代了机械驱动，数控机床的进给运动是由进给伺服系统完成的。伺服系统包括伺服驱动装置、伺服电动机、进给传动链及位置检测装置，如图1-3所示。伺服控制的最终目的就是机床工作台或刀具的位置控制，伺服系统中所采取的一切措施，都是为了保证进给运动的位置精度。如对机械传动链进行预紧和反向间隙调整；采用高精度的位置检测装置；采用高性能的伺服驱动装置和伺服电动机，提高数控系统的运算速度等。概述图1-3数控机床的进给伺服系统工作台位置检测位置反馈速度反馈伺服驱动装置伺服电动机速度检测CNC概述3.输入/输出(I/O)数控系统对加工程序处理后输出的控制信号除了对进给运行轨迹进行连续控制外，还要对机床的各种状态进行控制，这些状态包括主轴的变速控制，主轴的正、反转及停止，冷却和润滑装置的起动和停止，刀具的自动交换，工件夹紧和放松及分度工作台转位等。例如，通过对机床程序中的M指令、机床的操作面板上的控制开关及分布，在机床各部位的行程开关、接近开关、压力开关等输入元件的检测，由数控系统内的可编程控制器（PLC）进行逻辑运算，输出控制信号驱动中间继电器、接触器、电磁阀及电磁制动器等输出元件，对冷却泵、润滑泵、液压系统和气动系统进行控制。概述根据国际标准《ISO4336—1981（E）机床数字控制—数控装置和数控机床电气设备之间的接口规范》的规定，接口分为四类。如图1-4所示为数控装置、数控设备和机床之间的连接关系。第Ⅰ类：与驱动命令有关的连接电路，主要是与坐标轴进给驱动和主轴驱动的连接电路。第Ⅱ类：数控装置与测量系统和测量传感器之间的连接电路。第Ⅰ类和第Ⅱ类接口传送的信息是数控装置与伺服驱动单元、伺服电动机、位置检测和速度检测之间的控制信息及反馈信息，它们属于数字控制及伺服控制。概述第Ⅲ类：电源及保护电路。由数控机床强电线路中的电源控制电路构成。强电线路由电源变压器、控制变压器、各种断路器、保护开关、接触器、熔断器等连接而成，以便为辅助交流电动机（如冷却泵电动机、润滑泵电动机等）、电磁铁、离合器、电磁阀等功率执行元件供电。强电线路不能与低压下工作的控制电路或弱电线路直接连接，只有通过断路器、中间继电器等器件，转换成直流低电压下工作的触点的开合动作，才能成为继电器逻辑电路和PLC可接收的电信号，反之亦然。第Ⅳ类：开/关信号和代码信号连接电路。是数控装置与外部传送的输入、输出控制信号。当数控机床不带PLC时，这些信号直接在数控装置和机床间传送。当数控装置带有PLC时，这些信号除极少数的高速信号外，均通过PLC传送。概述机床坐标轴进给电动机主轴驱动电动机限位开关机电器件（电磁铁离合器等）辅助功能（齿轮箱、回转刀架、换刀装置等）辅助电动机电动机速度控制坐标轴进给X、Y、Z速度电源电源电源速度主轴驱动位置测量传感器激励位置指示操作面板机床控制设备控制装置电源控制（变压器、保护装置等）联锁停止命令开/关指令信号总电源保护接地线数控装置接口分类图1-4数控装置、数控设备和机床间的连接ⅠⅡⅢⅣ概述1.1.4数控机床的分类数控机床的种类规格很多，分类方法也各不相同，常见的分类有以下几种方式。1.1.4.1按被控制对象运动轨迹进行分类：（1）点位控制的数控机床点位控制数控机床的数控装置只要求能够精确地控制一个坐标点到另一个坐标点的定位精度，而不管从一点到另一点是按什么轨迹运动，在移动过程中不进行任何加工。为了精度定位和提高生产率，系统首先高速运行，然后按1～3级减速，使之慢速趋近于定位点，减小定位误差。这类数控机床主要有数控钻床、数控坐标镗床、数控冲床、数控点焊机、数控折弯机和数控测量机等。概述（2）直线控制的数控机床直线控制数控机床一般要在两点间移动的同时进行切削加工，所以不仅要求有准确的定位功能，还要求从一点到另一点之间按直线规律运动，而且对运动的速度也要进行控制，对于不同的刀具和工件，可以选择不同的进给速度。这一类机床包括简易数控车床、数控铣床数控镗床等。一般情况下，这些机床可以有两到三个可控轴，但一般同时控制轴数只有两个。概述（3）轮廓控制的数控机床轮廓控制又称连续控制，大多数数控机床具有轮廓控制功能。其特点是能同时控制两个以上的轴，具有插补功能。它不仅控制起点和终点位置，而且要控制加工过程中每一点的位置和速度，加工出任意形状的曲线或曲面组成的复杂零件。轮廓控制的数控机床的例子有两坐标及两坐标以上的数控铣床、可以加工回转曲面数控机床、加工中心等。概述1.1.4.2按控制方式分类：（1）开环控制数控机床这类数控机床没有检测反馈装置，数控装置发出的指令信号流程是单向的，其精度主要决定于驱动元件和伺服电机的性能，开环数控机床所用的电动机主要是步进电动机。移动部件的速度与位移是由输入脉冲的频率和脉冲数决定，位移精度主要决定于该系统各有关零部件的制造精度。概述开环控制具有结构简单、系统稳定、容易调试、成本低等优点。但是系统对移动部件的误差没有补偿和校正，所以精度低，一般位置精度通常为±0.01～±0.02㎜。一般适用于经济型数控机床和旧机床数控化改造。图1-5为开环数控系统的示意图。图1-5开环数控系统的示意图工作台齿轮副步进电动机步进电动机功率放大器进给脉冲数控装置概述（2）闭环控制系统图1-6闭环控制系统的示意图工作台齿轮副步进电动机伺服放大器数控装置位置检测装置反馈脉冲概述闭环控制系统是指在机床的运动部件上安装位置测量装置（位置测量装置有光栅、感应同步器和磁栅等），如图1-6所示。加工中将测量到的实际位置值反馈到数控装置中，与输入的指令位移相比较，用比较的差值控制移动部件，直到差值为零，即实现移动部件的最终精确定位。从理论上讲，闭环控制系统的控制精度主要取决于检测装置的精度，它完全可以消除由于传动部件制造中存在的误差给工件加工带来的影响。所以这种控制系统可以得到很高的加工精度。闭环控制系统的设计和调整都有较大的难度，主要用于一些精度要求较高的镗铣床、超精车床和加工中心等。概述（3）半闭环控制系统半闭环控制系统是在开