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。
机械《机床电气控制》教案
机械《机床电气控制》教案第一章：绪论1.1 课程介绍解释机床电气控制课程的目标和重要性。
概述机床电气控制的基本概念和历史。
1.2 机床电气控制系统的组成介绍机床电气控制系统的常见组成部分，例如电源、控制器、执行器等。
解释各部分的功能和相互作用。
1.3 机床电气控制技术的发展趋势探讨机床电气控制技术的发展历程。
介绍当前机床电气控制技术的发展趋势和未来展望。
第二章：电气元件2.1 电源介绍机床电气控制系统中电源的作用和类型。
解释不同电源的特点和应用场景。
2.2 控制器讲解控制器的功能和工作原理。
介绍常见的控制器类型，如继电器控制器、PLC控制器等。
2.3 执行器解释执行器的作用和分类。
探讨不同执行器的工作原理和应用领域。
第三章：电气控制原理3.1 控制逻辑介绍电气控制逻辑的基本概念和常用符号。
解释逻辑运算和逻辑门电路的工作原理。
3.2 控制电路设计讲解控制电路设计的基本原则和方法。
探讨如何根据机床需求设计合适的控制电路。
3.3 控制电路实例分析分析具体的机床控制电路实例。
解释电路的工作原理和功能。
第四章：PLC控制系统4.1 PLC基本原理介绍可编程逻辑控制器（PLC）的定义和工作原理。
解释PLC的主要组成部分和功能。
4.2 PLC编程讲解PLC编程的基本语言和指令系统。
探讨如何使用PLC编程实现机床控制功能。
4.3 PLC控制系统设计讲解PLC控制系统设计的基本步骤和方法。
探讨如何根据机床需求设计合适的PLC控制系统。
第五章：机床电气控制系统的维护与故障诊断5.1 机床电气控制系统的维护讲解机床电气控制系统的日常维护和保养方法。
解释如何检查和解决问题以保持系统正常运行。
5.2 故障诊断与维修介绍故障诊断的基本方法和技巧。
探讨如何诊断和修复机床电气控制系统中常见的故障。
第六章：典型机床电气控制系统的分析6.1 数控机床电气控制系统介绍数控机床电气控制系统的组成及特点。
分析数控机床的主轴驱动、进给驱动和辅助装置的控制原理。
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 第七章 数控机床的进给伺服系统
三 步进电动机的基本控制方法
（2） 双电压功率放大电路 优点：功耗低，改善了脉冲 优点：功耗低， 前沿。 前沿。 缺点：高低压衔接处电流波 缺点： 形呈凹形， 形呈凹形，使步进电机 输出转矩降低， 输出转矩降低，适用于 大功率和高频工作的步 进电机。 进电机。
三 步进电动机的基本控制方法
（3） 斩波恒流功放电路 优点： 优点：1）R3较小（小 R3较小（ 较小 于兆欧） 于兆欧）使整个 系统功耗下降， 系统功耗下降， 效率提高。 效率提高。 2）主回路不串 电阻， 电阻，电流上升 快，即反应快。 即反应快。 3）由于取样绕 组的反馈作用， 组的反馈作用， 绕组电流可以恒定在确定的数值上， 绕组电流可以恒定在确定的数值上，从而保证在很大频率范 围内，步进电机能输出恒定的转矩。 围内，步进电机能输出恒定的转矩。
二 数控机床对伺服系统的基本要求
1 高精度 一般要求定位精度为0.01~0.001mm； ； 一般要求定位精度为 高档设备的定位精度要求达到0.1um以上。 以上。 高档设备的定位精度要求达到 以上 2 快速响应 3 调速范围宽 调速范围指的是 max/nmin 。 调速范围宽:调速范围指的是 调速范围指的是:n 进给伺服系统:一般要求 进给伺服系统 一般要求0~30m/min，有的已达到 一般要求 ，有的已达到240m/min 主轴伺服系统:要求 主轴伺服系统 要求1:100~1:1000恒转矩调速 要求 恒转矩调速 1:10以上的恒功率调速 以上的恒功率调速
一 直流伺服电动机调速原理
7-30 直流电动机的机械特性
二 直流电动机的PWM调速原理 直流电动机的 调速原理
7-24 脉宽调制示意图 脉宽调制示意图
Ud =
τ
T
U = δ T U δ T 称为导通率
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。
数控技术第二版课后答案完整版
数控技术第二版课后答案HEN system office room 【HEN16H-HENS2AHENS8Q8-HENH1688】数控技术第二版章节练习答案第一章绪论数控机床是由哪几部分组成，它的工作流程是什么？答：数控机床由输入装置、CNC装置、伺服系统和机床的机械部件构成。
数控加工程序的编制-输入-译码-刀具补偿-插补-位置控制和机床加工数控机床的组成及各部分基本功能答：组成：由输入输出设备、数控装置、伺服系统、测量反馈装置和机床本体组成输入输出设备：实现程序编制、程序和数据的输入以及显示、存储和打印数控装置：接受来自输入设备的程序和数据，并按输入信息的要求完成数值计算、逻辑判断和输入输出控制等功能。
伺服系统：接受数控装置的指令，驱动机床执行机构运动的驱动部件。
测量反馈装置：检测速度和位移，并将信息反馈给数控装置，构成闭环控制系统。
机床本体：用于完成各种切削加工的机械部分。
．什么是点位控制、直线控制、轮廓控制数控机床？三者如何区别？答：（1）点位控制数控机床特点：只与运动速度有关，而与运动轨迹无关。
如：数控钻床、数控镗床和数控冲床等。
（2）直线控制数控机床特点：a.既要控制点与点之间的准确定位，又要控制两相关点之间的位移速度和路线。
b.通常具有刀具半径补偿和长度补偿功能，以及主轴转速控制功能。
如：简易数控车床和简易数控铣床等。
（3）连续控制数控机床（轮廓控制数控机床）：对刀具相对工件的位置，刀具的进给速度以及它的运动轨迹严加控制的系统。
具有点位控制系统的全部功能，适用于连续轮廓、曲面加工。
．数控机床有哪些特点？答：a．加工零件的适用性强，灵活性好；b．加工精度高，产品质量稳定；c．柔性好；d．自动化程度高，生产率高；e．减少工人劳动强度；f．生产管理水平提高。
适用范围：零件复杂、产品变化频繁、批量小、加工复杂等．按伺服系统的控制原理分类，分为哪几类数控机床？各有何特点？答：（1）开环控制的数控机床；其特点：a.驱动元件为步进电机；b.采用脉冲插补法：逐点比较法、数字积分法；c.通常采用降速齿轮；d. 价格低廉，精度及稳定性差。
7 机床数控技术-第7章 进给系统的机械传动结构-JIN
7.2 齿轮传动副
1.圆柱齿轮传动消除间隙
图示为另一种双片齿轮周 向弹簧错齿消隙结构，两 片薄齿轮1和2套装一起， 每片齿轮各开有两条周向 通槽，在齿轮的端面上装 有短柱3，用来安装弹簧4。 装配时使弹簧4具有足够的 拉力，使两个薄齿轮的左 右面分别与宽齿轮的左右 面贴紧，以消除齿侧间隙。 适合读数装置，不适合驱 动装置。
6.滚珠丝杆副的支承方式 2）一端装止推轴承，另一端装向心深沟球轴承（双推－支承 式）
图7-16（ b）一端装止推轴承，另一端装向心球轴承
此种方式可用于丝杠较长的情况。为了减少丝杠热变形的影 响，热源应远离推力轴承一端。
7.3 滚珠丝杠螺母传动装置及支承
6.滚珠丝杆副的支承方式 3）两端装推力轴承（单推—单推式或双推—单推式）
结构简单，工艺性好，承载 能力较高，但径向尺寸较大。应 用最为广泛，也可用于重载传动 系统。
7.3 滚珠丝杠螺母传动装置及支承
7.3.1
2）内循环反向器式
靠螺母上安装的反 向器接通相邻滚道， 使滚珠成单圈循环， 反向器２的数目与滚 珠圈数相等。
丝杠螺母尺寸较小、 结构紧凑，刚度好，滚 珠流通性好，摩擦损失 小，但制造较困难。适 用于高灵敏、高精度的 进给系统，不宜用于重 载传动中。
7.3 滚珠丝杠螺母传动装置及支承
4.滚珠丝杆副间隙的调整 1）双螺母垫片式消隙
调整垫片1的厚度，可使 两螺母2产生相对位移，以 达到消除间隙、产生预紧拉 力之目的。其特点是结构简 单刚度高、预紧可靠，但使 用中调整不方便。
（b）端部加垫片 （a）中间加垫片
7.3 滚珠丝杠螺母传动装置及支承
4.滚珠丝杆副间隙的调整 2）双螺母螺纹式消隙
7.1 概述 7.2 齿轮传动副 7.3 滚珠丝杠螺母传动装置及支承 7.4 数控机床导轨
数控技术习题附答案
一、选择题第一章1.数控机床按运动控制方式分类，可分为点位控制数控机床、直线控制数控机床和轮廓控制数控机床。
2.数控系统中的CNC的中文含义是_计算机数字控制_。
3.数控机床大体由输入输出装置、数控装置、伺服驱动装置、辅助控制装置测量反馈装置和机床本体组成。
4.数控机床是用数字化代码来控制_刀具和工件_的相对运动，从而完成零件的加工。
5.列举两个数控特种加工机床，如_数控电火花成形机床_、_火焰切割机_。
数控激光切割机床，数控线切割机床6.按照机床运动的控制轨迹分类，加工中心属于_轮廓控制_的数控机床。
第三章7.数控机床实现插补运算广泛应用的是直线插补和圆弧插补。
8.所谓插补就是在已知特征点之间插入一些中间点的过程，换言之，就是“数据点的密化”过程。
9.平面轮廓加工属于两轴加工方式。
10.沿刀具前进方向观察，刀具偏在工件轮廓的左边是G41 指令，刀具偏在工件轮廓的右边是G42 指令，刀具中心轨迹和编程轨迹生重合是G40指令。
11．刀具半径补偿的建立与取消都须在G00或G01指令下进行。
12.数控车床的刀具补偿分为两种情况，即刀具的位置补偿和刀尖_半径_补偿。
13.数控车床中的G41／G42是对刀具的__半径_进行补偿。
14.逐点比较法的四个节拍分别是偏差判别、坐标进给、偏差计算和终点判别。
15.偏差函数F(x，y)反映了刀具偏离工件廓形曲线的情况。
若刀具在曲线上方，则F(x，y) >0，若刀具在曲线上，则F(x，y)=0；若刀具在曲线下方，则F(x，y) <0。
第四章16.程序编制的方法有手动编程和自动编程两种方法。
17.在坐标平面设定中，一般用G17 来设定XY平面，用G19来设定YZ平面。
18.各几何元素间的联结点称为基点。
19.常见的刀库的类型可分为盘式刀库和链式刀库两种。
20.G91 G01 X3.0 Y4.0 F100执行后，刀具移动了5.0mm 。
21. 走刀路线是指加工过程中，刀位点相对于工件的运动轨迹和方向。
数控机床的伺服驱动系统
半闭环数控系统
半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，因
此可获得稳定的控制性能，其系统的稳定性虽不如开 环系统，但比闭环要好。 由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难以 消除。因此，其精度较闭环差，较开环好。但可对这 类误差进行补偿，因而仍可获得满意的精度。 半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度也较高， 因而在现代CNC机床中得到了广泛应用。
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驱动电机：是进给系统的动力部件，它提供执行部 分运动所需的动力，在数控机床上常用的电机有：
步进电机
直流伺服电机
交流伺服电机 直线电机。
检测装置： 在闭环、半闭环控制系统中，它的主 要作用是检测位移和速度，并发出反馈信号，构 成闭环或半闭环控制 ,对驱动装置进行控制。 常用的检测装置有：感应同步器、旋转变压器、光 栅、脉冲编码器等。
步进电机
步进电机
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按控制原理分类
半闭环控制 (Half-Closed-Loop Servo-Drive)
伺服电机 指令脉冲 工作台
位置比较
电路
速度控制
电路
速度反馈 检测元件
位置反馈
半闭环数控系统的位置采样点是从驱动装置(常用 伺服电机)或丝杠引出，采样旋转角度进行检测， 不是直接检测运动部件的实际位置。
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1．三相三拍工作方式
当A、B、C三对磁极的绕组依次轮流通电，则A、B、C三对
磁极依次产生磁场吸引转子转动。
√当A相通电时，B相和C相不通电，电机铁心的AA轴方向产生 磁通，在磁拉力的作用下，转子1、3齿与A相磁极对齐，2、4 两齿与B、C两磁极相对错开300
A C B 4 B C A
40
A C 1 2 3 B
数控机床伺服驱动系统的基本组成
第7章机床主参数
n
n j1
n j1
= const
转速的损失反映了生产率的损失（单位时间内生产出的产品和 理 想值不一样）。
如果认为每个转速使用机会均等则最大相对转速损失相等：
j nj = 1
n j1
nj+1 = nj·
由此可见，机床的转速应该按等比数列（几何级数）分级，公比
为
n1 =nmin
n2= n1 n3 = n2 = n1 2
7.2 运动参数
7.2.1 主运动参数
对于主运动是回转运动的机床是： n: r/min
v: m/min
n= 1000v
d
次/min
n： 转速 r/min v: 切削速度 m/min d: 工件（刀具）直径 mm
对于不同的机床，主运动参数有不同的要求。专用机 床完成特定的工艺，当该工艺长期稳定时，主轴只需一种 固定转速，不需要换置机构。
液压缸牵引力 动力参数 液压马达或步进电机的额定扭矩
伺服电机或步进电机的额定转速
其中电动机功率是计算机床零件和决定结构尺 寸的主要依据。
电动机功率太大了，则零件的尺寸也随之不必 要的增大。不仅浪费材料，而且也使电动机经常处 于低负载情况下工作，以致功率浪费大。如果取小 了，则机床的技术性能达不到要求，且出现超负载 工作的情况，容易烧坏电气元件。
例： 低 n=25、 40、63 r/min
1.58
中 n=63、 80、 100、125、160、200、250、
1 1
320、 400、 500、630、800r/min 1.26
高 n=800、1250、 1600 r/min
1.58
7.2.2 进给运动
等差数列： 刨床、插床
数控机床第7章 典型数控系统通信接口与系统连接(2015-08)
周德卿 2015.8
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图7-7 802S/802C型经济型数控系统组成各主要单元连接示意图
周德卿 2015.8
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(3)802D普及型数控系统
SINUMERIK 802D是输出数字量插补指令信号的半闭环数控系统， 核心部件是CNC的面板控制单元(PCU210)，可控制4个联动进给轴和1 个模拟主轴或串行数字主轴。
【教学课时】 6课时
周德卿 2015.8
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7.1 典型数控系统产品简介
根据我国机床行业数控系统应用和发展的水平情况，机床数控系统 产品大致可分为经济型(步进电动机，二至三轴联动开环控制)、普及 型(交流伺服电动机、三轴联动、半闭环控制)、中高档或高档型(交流 伺服电动机、三轴以上联动、全闭环控制)。随着我国国民经济的发展， 机械加工制造业技术水平正在迅速提高，近年来主流数控机床也以普 及型和中高档数控系统为主。
新系统与同类产品相比，具有精度高、硬件结构简单可靠、操作 便捷、智能编程、连接与安装调试容易、性价比高及采用了现场总 线技术等特点，有的功能甚至巳达到原高档系统才具有的水平。西 门子公司机床数控系统产品系列型谱进程表如图7-6所示。
周德卿 2015.8
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图7-6 西门子SINUMERIK机床数控系统产品系列型谱进程表
802D无论在处理速度、功能等都提供了良好的性能/价格比，到了 中档数控系统水平，被广泛应用于数控铣床、加工中心上。但是目前 有被性能价格比更高的828D系统取代的趋势。
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图7-1 KND-100Ti-D数控系统各单元产品图
《机械工程控制基础》_李连进(习题解答)
G1G2G3
R(s)
1 G1G2H 1 G2G3 H2 G1G2G3
第 3 章 习题参考答案 3.1 略 3.2 tr，tp，td，ts 反映系统的快速性，即灵敏度，Mp 反映系统的相对稳定性。 3.3 T=4 3.4 T=0.256min；2.56℃
3.5（1）根据系统闭环传递函数标准形式可得：固有频率 n 2 ，阻尼比 1/ 2n 0.25 。
（2） c2 7.4s 1 ， 2 28.63
8.6
Gc (s)
1.25s 125s
1 1
，
c
பைடு நூலகம்
2
0.4s 1 ， 2
41.14
8.7
Gc (s)
s 1 s 5.7
8.8
Gc (s)
(0.14s 1)(0.1s 1) (s 1)( 1 s 1)
上升时间 tr 0.61s 、调整时间 ts 0.89s(2%) 、ts 0.70s(5%) ，最大超调量 M p 0.028 和
峰值时间 t p 0.79s
600 3.8 （1） s2 70s 600 3.9 （1） 0.952(1- e-105t )
（2） n 24.5rad / s ， 1.43 （2） 0.615(1- e-13t ) （3） 0.714(1- e-3.5t )
（2）根据最大超调量公式确定，计算出最大超调量 M p 0.47 。
调整时间 ts
3 n
6s
（允许误差为
5%）。
（3）开环放大倍数 K (1/ 2 )2 0.5 。
3.6 单位阶跃响应函数为：
《数控机床》作业参考答案
《数控机床》作业参考答案（一）第一章数控机床简介一、填空题1、控制介质、数控系统、伺服系统、机床本体、反馈装置2、数字控制3、并联4、自适应控制（AC）二、单选题1、C2、D3、A4、D5、B三、判断题1、×2、√3、×4、√5、√四、简答题1、简述数控机床的发展趋势。
答：（1）高速度与高精度化：为实现这一指标，主要采取以下的措施：①数控系统采用位数、频率更高的微处理器；②采用全数字交流伺服系统，大大提高了系统的定位精度、进给速度；③机床静、动摩擦的非线性补偿技术；④应用高速大功率电主轴；⑤配置高速、功能强的内装式可编程控制器；⑥采用高性能和可靠的新型功能部件—电滚珠丝杠；（2）多功能化：数控机床采用一机多能；数控机床具有前台加工、后台编辑的前后台功能；数控机床除具有通讯口、DNC功能外，还具有网络功能；（3）智能化：数控机床引进自适应控制技术；采用故障自诊断、自修复功能；具有刀具寿命自动检测和自动换刀功能；数控机床引进模式识别技术；（4）高的可靠性：为实现这一指标，主要采取以下的措施：①提高系统的硬件质量；②采用硬件结构模块化、标准化、通用化方式；③增强故障自诊断、自恢复和保护功能。
2、简述数控机床各组成部分的作用。
答：数控机床一般由以下几个部分组成：（1）控制介质：控制介质是将零件加工信息传送到数控装置中去的信息载体，是人与数控机床之间联系的中间媒介物质，反映了数控加工中的全部信息。
常见的控制介质有穿孔纸带、穿孔卡、磁盘、磁带等。
（2）数控系统：数控系统是机床实现自动加工的核心，是整个数控机床的灵魂所在，主要由输入装置、监视器、主控制系统、可编程控制器、各种输入/输出接口等组成。
主控制系统主要由CPU、存储器、控制器等组成，是数控系统的核心，一般称它为数控装置（CNC装置）。
（3）伺服系统：是数控系统和机床本体之间的电传动联系环节，主要由伺服电机、伺服驱动控制器组成。
伺服电机是系统的执行元件，驱动控制系统则是伺服电机的动力源。
数控装备设计第1、2、7章编写大纲
数控装备设计第1、2、7章编写大纲第1章数控机床总体设计（约2.8万字）1.1 机床设计应满足的基本要求1.2 机床设计的步骤1.3 机床总布局1.4 机床主要技术参数的确定习题：思考题、计算题、课堂讨论题第2章数控机床主传动系统（约3万字）2.1 概述2.2 分级变速传动系统设计2.3 计算转速2.4 无级变速传动链设计2.5 电主轴2.6 主传动系统结构习题：思考题、计算题、课堂讨论题第7章数控机床的刀具交换装置（约1.6万字）7.1自动换刀装置的形式7.2刀具选择方式习题：思考题、计算题、课堂讨论题参考文献：1．戴曙．金属切削机床．北京：机械工业出版社，20092．黄开榜，张庆春，那海涛主编．金属切削机床．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2006 3．黄鹤汀．金属切削机床．北京：机械工业出版社，19984．王爱玲．现代数控机床．北京：国防工业出版社，2003第1章数控机床总体设计机械制造工业是国民经济各部门赖以发展的基础，历史的实践已一再证明：先进的技术装备在国民经济现代化建设中起着重大的作用，装备制造业是一个国家综合制造能力的集中体现，其生产能力和发展水平是衡量一个国家工业化水平和综合国力的重要标志。
随着数控技术在制造业中的广泛应用，在装备制造领域我国数控装备的产量、功能和技术水平都有了长足进步。
作为一种典型的机电一体化产品，数控机床是机械和电子技术相结合的产物。
数控机床的机械结构包括：机床的基础件（如床身、立柱）、主传动系统、进给传动系统、导轨、自动换刀装置及其它辅助装置（如液压、气动装置，排屑装置等）。
数控机床的各机械部件在数控系统的指令控制下相互协调工作，组成一个复杂的机电系统，以实现各种切削加工运动和其它辅助操作等多种功能。
随着机械电子和计算机控制技术的发展以及在机床上的普及应用，数控机床的机械结构也在不断发展变化。
从数控机床的发展史看，早期的数控机床，包括目前部分改造、改装的数控机床，大都是在普通机床的基础上，通过对进给系统的革新、改造而成的。
第7章 数控机床的进给伺服系统PPT课件
式中 J1、J2——齿轮的转动惯量(N·m·s2)；J3——丝杠的转动惯量 d ——冲当量(mm／脉冲)。
然后进行负载启动频率fqF 的估算； 式中 fq——空载启动频率(Hz)，T——由矩频特性决定的力矩(Nm)
J——电机转子转动惯量(N·m·s2)。 依照机床要求的启动频率fqF ，可选择fq
第七章 数控机床的进给伺服系统
7-1 概述 7-2 步进电动机及其驱动系统 7-3 直流伺服电动机及其速度控制 7-4 交流伺服电动机及其速度控制 7-5 主轴驱动 7-6 位置控制
§ 7-1 概述
立式铣床
加工中心 刀库刀具定位电机 机械手旋转定位电机
带制动器伺服电机 主轴电机
伺服电机
伺服驱动系统（Servo System)
称做空载运行频率fmax。它也是步进电动机的重要性能指标，对于提高 生产率和系统的快速性具有重要意义。
fmax 应能满足机床工作台最高运行速度。
6. 运行矩频特性 运行矩频特性T＝f(F)是描述步进电动
机连续稳定运行时，输出转矩T与连续运行 T 频率之间的关系。它是衡量步进电动机运转 时承载能力的动态性能指标。
f
三、步进电动机驱动电源 1. 作用 发出一定功率的电脉冲信号，使定子励磁绕组顺序通电。 2. 基本要求 （1）电源的基本参数与电动机相适应； （2）满足步进电动机起动频率和运行频率的要求； （3）抗干扰能力强，工作可靠； （4）成本低，效率高，安装维修方便。
1.步距角 步进电动机每步的转角称为步距角，计算公式：
θ＝ 360 (°) Z mK
式中 m—步进电动机相数 Z—转子齿数 K—控制方式系数， K=拍数p/相数m
数控机床工作原理简述
数控机床工作原理简述
数控机床工作原理主要包括控制系统、执行系统和输入输出系统。
控制系统是数控机床的大脑，它负责接收用户输入的加工程序，并将其转换为机床能够理解和执行的指令。
控制系统通常由电脑、数控器和伺服系统等组成。
用户可通过电脑编写加工程序，并将其传输到数控机床的数控器上。
数控器解析程序指令，并生成相应的控制信号发送给伺服系统。
执行系统是控制系统传送过来的信号在机床上的具体执行部件。
主要包括主轴驱动、进给驱动和各种控制继电器等。
主轴驱动负责控制主轴的转速，进给驱动负责控制工件和刀具的进给速度。
控制继电器负责控制各种执行部件的开关状态，如刀具的进给和返回、工作台的移动等。
输入输出系统负责将机床的工作状态反馈给控制系统，并接收外部输入的指令。
通常包括编码器、传感器和人机界面等。
编码器用于检测机床的位置和运动状态，传感器用于测量加工过程中的工件尺寸和刀具状态等。
人机界面提供给操作员可视化的界面，方便其监控和控制机床的运行。
总结起来，数控机床工作原理是通过控制系统接收和解析加工程序指令，将其转化为控制信号发送给执行系统，由执行系统控制机床上各个部件的运动和状态，同时将机床的工作状态反馈给控制系统和操作员。
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响应快、自起动能力强、角位移变化范围宽、价格低廉；
• 缺点-带惯性负载能力差、低频振荡、高速时易失步、断 电后无定位转矩。
思考题：如图所示的开环步进电机位置控制系统，已 知负载力F=2000N，工作台长L=400mm，定位精度为 ±0.02mm，丝杠导程6mm，直径d＝32mm，步进电机的 步距角为α ＝1.5°，试确定齿轮减速比λ。
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；
步进电机驱动线路
步进电机
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；
单段式三相反应 式步进电机的工 作原理
（假定每个定子磁极 只有1个齿，齿距角 =60°，转子齿数假 定只有4个齿）
（1）
步进电机的结构与工作原理
• 三相单三拍通电：每拍只有一相绕组通电，在切换瞬间可能失 去自锁力矩，易失步且易在平衡位置产生振荡； • 三相双三拍通电方式：AB BC CA AB„„逆时针转动； • 三相单双六拍通电方式： • A AB B BC C CA A„„逆时针转动；
试方便。
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 0.01μ m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。
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。 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
.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。
7.2.2 步进电机的主要性能指标
步距角α： 步进电机定子绕组每改变一次通电状态，转子所 转过的角度（范围：0.36°～ 3°）。它决定控制精度，也 是决定步进式伺服系统脉冲当量的重要参数； 静态步距角误差△α ：以单脉冲输入时，实际步距角与理论 步距角之差；
失调角与静态转矩 ：当步进电机不改变通电状态、转子处
（假定每个定子磁极 只有1个齿，齿距角 =60°，转子齿数假 定只有4个齿）
（1）
步进电机的结构与工作原理
• 若通电脉冲的次序为A、 B 、 C 、A…，转子将 以逆时针方向一步步地旋转。 • 定子绕组每改变一次通电方式，称为一拍。上述 的通电方式称为三相单三拍。所谓“单”是指每 次只有一相绕组通电；所谓“三拍”是指经过三 次切换控制绕组的通电状态为一个循环。
4、低速切削时，要求系统能输出大转矩 5、系统可靠性高
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。 指进 令给 机 床
数控机床中的反应式步进电机的步距角一般为0.36°-3°。
（1）
步进电机的结构与工作原理
步距角α、相数m、转子齿数z及通电方式K的计算公式： α =360/(mzK) 当拍数=相数时，K=1；拍数=2x相数时，K=2； 脉冲当量--步进电机的一个步距角所对应的机床工作台的移 动量即工作台的最小运动单位（mm/脉冲）； 丝杠基本导程S（mm）、步进电机步距角α（°）、脉冲当 量δ （mm/脉冲）、传动比λ四者的关系为： δ = Sα /(360λ)
于不动状态下，在电动机轴上加一个负载转矩，使转子按一
定方向转过一个角度θ e ，该角度称为失调角；这时转子受
到的电磁转矩T称为静态转矩。
7.2.2 步进电机的主要性能指标
步进电机的静态转矩T与失调角θ e ：
• 步进电机为空载即T=0，转子在失调角θ e=0处稳定，此时通
电相的定子齿与转子齿对齐；在静态运行情况下，如有外力
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
进给驱动：控制机床各轴的切削进给运动, 含速度
1. 按其控制对象和使用目的分类
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。
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
•
•
•
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
“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。
（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）。
电脉冲相序决定位移方向。
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”；
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
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
（1）
步进电机的结构与工作原理
工作台的进给速度V(mm/min)、脉冲当量δ (mm/脉冲)、 进给脉冲频率f(Hz)三者的计算公式：
V= 60δ f;
• • • 步进电机的步距角越小，系统的脉冲当量越小，机床加工 精度越高； 反应式步进电机的特点： 优点--控制方便、步距角小、一转中没有累积误差、动态
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
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。
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
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）；
（2）
永磁感应子式步进电机
转子内有 永久磁铁, 与定子绕 组的磁场 共同作用 永磁感应子式步进电机结构示意图
（2）
永磁感应子式步进电机
永磁感应子式步进电机（亦称混合式步进电机）特点：
转子由环形磁钢及两段铁心组成，轴向充磁；