第一章数控机床概述周维先

1、12n1.1 1.1 数控机床的产生与发展数控机床的产生与发展n1.2 1.2 数控机床的组成与工作原理数控机床的组成与工作原理n1.3 1.3 数控机床的分类及应用数控机床的分类及应用3 一、数控机床的产生及基本概念一、数控机床的产生及基本概念 随着社会生产和科学技术的不断进步，各类工随着社会生产和科学技术的不断进步，各类工业新产品层出不穷。在机械制造业中并不是所有的业新产品层出不穷。在机械制造业中并不是所有的产品零件都具有很大的批量，单件与小批量生产零产品零件都具有很大的批量，单件与小批量生产零件（批量在件（批量在10100件）约占机械加工总量的件）约占机械加工总量的80%80%以以上，尤

2、其造船、航天上，尤其造船、航天 、航海、军事等领域所需的机、航海、军事等领域所需的机械零件，精度要求更高，形状更为复杂且往往批量械零件，精度要求更高，形状更为复杂且往往批量较小，加工这类产品需要经常改装或调整设备。较小，加工这类产品需要经常改装或调整设备。1.1 数控机床的产生与发展数控机床的产生与发展4 为了满足多品种、小批量的自动化生产，迫切为了满足多品种、小批量的自动化生产，迫切需要一种灵活的、通用的、能够适应产品频繁变化需要一种灵活的、通用的、能够适应产品频繁变化的柔性自动化机床。普通机床或专业化程度高的自的柔性自动化机床。普通机床或专业化程度高的自动化机床显然无法适应这些要求。动化机

3、床显然无法适应这些要求。 一种新型的生产设备一种新型的生产设备数控机床就应运而生数控机床就应运而生了了 。它为单件、小批量生产精密复杂零件提供了自。它为单件、小批量生产精密复杂零件提供了自动化加工手段。动化加工手段。5数控：（数控：（NumericalNumerical Control Control， NCNC） 是一种借助数字、字符或其它符号对某一工作是一种借助数字、字符或其它符号对某一工作过程（如加工、测量、装配等）进行可编程控制的自过程（如加工、测量、装配等）进行可编程控制的自动化方法。动化方法。 数控机床：数控机床： 用数控技术控制的机床称为数控机床。用数控技术控制的机床称为数控机床

4、。6计算机数控：计算机数控：（ Computer Numerical Computer Numerical ControlControl缩写为缩写为CNC CNC ） 用计算机控制加工功能，实现数字控制，称计算用计算机控制加工功能，实现数字控制，称计算机数控。机数控。采用数控技术的自动控制系统为数控系统，采用采用数控技术的自动控制系统为数控系统，采用计算机数控技术的自动控制系统为计算机数控系统，计算机数控技术的自动控制系统为计算机数控系统，其被控对象可以是生产过程或设备。其被控对象可以是生产过程或设备。（如果被控对象是机床，则称为数控机床。）（如果被控对象是机床，则称为数控机床。） 7二、数控

5、技术的发展史二、数控技术的发展史1 1、19461946年世界上诞生了第一台电子计算机。年世界上诞生了第一台电子计算机。2 2、第一台计算机诞生、第一台计算机诞生6 6年年后，即在后，即在19521952年，计算机年，计算机技术应用到了机床上。技术应用到了机床上。 19521952年美国空军当局委托美国麻省理工大学与帕年美国空军当局委托美国麻省理工大学与帕森斯公司合作研制了第一台三坐标数控铣床。森斯公司合作研制了第一台三坐标数控铣床。 英国和日本在英国和日本在19581958年、德国在年、德国在19591959年相继制造出年相继制造出数控机床。从此，传统的机床产生了质的变化。数控机床。从此，传

6、统的机床产生了质的变化。 8 第一台数控机床诞生至今六十三年以来，数控机第一台数控机床诞生至今六十三年以来，数控机床的核心床的核心数控系统的发展经历了二个阶段和六代数控系统的发展经历了二个阶段和六代的发展。的发展。 1 1、数控（、数控（NCNC）阶段）阶段 2 2、计算机数控（、计算机数控（CNCCNC）阶段）阶段 9数控（数控（NCNC）阶段（）阶段（1952197019521970） 早期的计算机运算速度低，这对当时的科学计算早期的计算机运算速度低，这对当时的科学计算和数据处理影响不大，但它不能适应机床实时控制的和数据处理影响不大，但它不能适应机床实时控制的要求。人们不得不采用数字逻辑电

7、路，搭成机床专用要求。人们不得不采用数字逻辑电路，搭成机床专用计算机作为数控系统，被称为硬件连接数控，简称为计算机作为数控系统，被称为硬件连接数控，简称为数控（数控（NCNC）。）。 随着电子元器件的发展，这个阶段又历经三代随着电子元器件的发展，这个阶段又历经三代: : 1952 1952年的第一代电子管计算机组成的数控系统；电子管计算机组成的数控系统； 19591959年的第二代晶体管计算机组成的数控系统；晶体管计算机组成的数控系统； 19651965年的第三代小规模的集成电路计算机组成的数控系统。小规模的集成电路计算机组成的数控系统。10计算机数控（计算机数控（CNCCNC）阶段）阶段 这

8、阶段从这阶段从19701970年开始至今。年开始至今。19701970年成功研制大规模年成功研制大规模集成电路，并将其用于通用小型计算机。此时的小型集成电路，并将其用于通用小型计算机。此时的小型计计算机，运算速度比五、六十年代的计算机有了大幅度的算机，运算速度比五、六十年代的计算机有了大幅度的提高。比专门搭成的专用计算机成本低，可靠性高。于提高。比专门搭成的专用计算机成本低，可靠性高。于是，小型计算机被用作数控系统的核心部件，从此进是，小型计算机被用作数控系统的核心部件，从此进入入了计算机数控（了计算机数控（CNCCNC）阶段。）阶段。 计算机数控阶段也经历了三代计算机数控阶段也经历了三代:

9、: 19701970年第四代年第四代小型计算机数控系统；小型计算机数控系统； 19741974年第五代年第五代微处理器组成的数控系统微处理器组成的数控系统 19901990年第六代年第六代基于基于PCPC的数控系统的数控系统 。11n1948195619481956年年 数控机床处于研究试制阶段数控机床处于研究试制阶段n1956196019561960年年 数控机床处于工业应用阶段数控机床处于工业应用阶段n19601960年以后年以后 数控机床处于高速发展阶段数控机床处于高速发展阶段n2020世纪世纪7070年代末、年代末、8080年代初年代初数控机床得到广泛的普数控机床得到广泛的普 及和应用

10、及和应用12n国内数控技术的发展情况国内数控技术的发展情况19581958年年19651965年年我国数控机床处于研制、开发时期，比我国数控机床处于研制、开发时期，比 国外相比起步晚了十年；国外相比起步晚了十年；19681968年年清华大学研制成功我国第一台小型数控立铣；清华大学研制成功我国第一台小型数控立铣；19801980年前年前我国数控机床我国数控机床8080为线切割机床为线切割机床( (低端数控机床低端数控机床) )19801980年后年后引进日、美等国数控装置及伺服系统技术，开引进日、美等国数控装置及伺服系统技术，开 始合资批量生产一些数控机床，数控装置的稳始合资批量生产一些数控机床

11、，数控装置的稳 定性、可靠性有了改善，开始为用户所接受；定性、可靠性有了改善，开始为用户所接受；19851985年后年后我国已经能生产我国已经能生产4545种各类数控机床来满足工业种各类数控机床来满足工业 发展的需要，同时数控机床功能部件的专业厂发展的需要，同时数控机床功能部件的专业厂 也逐渐形成规模；也逐渐形成规模；19901990年后年后 国产数控装置也开始崭露头角，进入国产数控装置也开始崭露头角，进入2121世纪，世纪， 国产数控才开始形成生产规模，拥有自主版权国产数控才开始形成生产规模，拥有自主版权的五轴联动数控系统，打破了西方对高端数控系统的垄断。的五轴联动数控系统，打破了西方对高端

12、数控系统的垄断。13n三、数控技术的发展趋势三、数控技术的发展趋势 1 1、高速、高精度加工、高速、高精度加工 2 2、数控系统具有多轴控制、多轴联、数控系统具有多轴控制、多轴联 动和复合加工的控制功能动和复合加工的控制功能 3 3、数控系统开放化、智能化和网络化、数控系统开放化、智能化和网络化141 1、 高速、高精度加工高速、高精度加工 目前加工中心主轴转速最高可达目前加工中心主轴转速最高可达4000040000转转/ /分分、进给速度可达、进给速度可达2424米米/ /分分- -3030米米/ /分分，定位精，定位精度都在几微米。这就要求数控系统应采用高速度都在几微米。这就要求数控系统应

13、采用高速高精度的数控系统、驱动系统应采用直线电动高精度的数控系统、驱动系统应采用直线电动机作为进给伺服系统、采用高速永磁同步电动机作为进给伺服系统、采用高速永磁同步电动机。机。15n2、数控系统具有多轴控制、多轴联动数控系统具有多轴控制、多轴联动 和复合加工的控制功能和复合加工的控制功能 理论上数控机床只需要理论上数控机床只需要3 3轴联动，但在实际加工中轴联动，但在实际加工中3 3轴轴联动对于三维曲面加工很难用上刀具的最佳几何形状进行联动对于三维曲面加工很难用上刀具的最佳几何形状进行切削，不仅加工效率低而且表面粗糙度高，往往采用手动切削，不仅加工效率低而且表面粗糙度高，往往采用手动进行修补，

14、但在修补过程中，已加工的表面也可能丧失精进行修补，但在修补过程中，已加工的表面也可能丧失精度。度。5 5轴联动除了轴联动除了X X、Y Y、Z Z这这3 3个轴外，主要还有刀具轴旋个轴外，主要还有刀具轴旋转、工作台旋转这两种方式的复合运动，采用转、工作台旋转这两种方式的复合运动，采用5 5轴联动可以轴联动可以使用刀具的最佳几何形状对工件进行加工。所以使用刀具的最佳几何形状对工件进行加工。所以5 5轴联动数轴联动数控机床是数控技术的制高点标志之一。控机床是数控技术的制高点标志之一。16n3、数控系统的开放化、智能化和网络化、数控系统的开放化、智能化和网络化 将来的数控机床中的将来的数控机床中的N

15、CNC系统能部分代替机床设计师系统能部分代替机床设计师和操作者的大脑，具有一定的智能，能把特殊的加工工和操作者的大脑，具有一定的智能，能把特殊的加工工艺、管理经验和操作技能嵌入艺、管理经验和操作技能嵌入NCNC系统，同时也具有图形系统，同时也具有图形交互、诊断等功能，也就是说要求交互、诊断等功能，也就是说要求CNCCNC控制器透明以使控制器透明以使机床制造商和最终用户可以自由地实现自己的思想。机床制造商和最终用户可以自由地实现自己的思想。171.2 数控机床的组成与工作原理数控机床的组成与工作原理 一、数控机床的组成一、数控机床的组成 1、程序编制及程序载体、程序编制及程序载体 2、输入装置、

16、输入装置 3、数控装置（、数控装置（CNC） 4、伺服单元与驱动装置、伺服单元与驱动装置 5、辅助控制装置、辅助控制装置 6、机床本体等几部分组成、机床本体等几部分组成 18 数控机床的组成系统数控机床的组成系统框图框图191、程序编制及程序载体、程序编制及程序载体 数控程序是数控机床自动加工零件的工作指令。数控程序是数控机床自动加工零件的工作指令。先确定安装位置、尺寸、工艺、辅助装置的动作等先确定安装位置、尺寸、工艺、辅助装置的动作等参数，将信息用由文字、数字和符号组成的标准数参数，将信息用由文字、数字和符号组成的标准数控代码，按规定的方法和格式，编制零件加工的数控代码，按规定的方法和格式，

17、编制零件加工的数控程序单。控程序单。 20 2、输入装置、输入装置 输入装置的作用是将程序载体上的数控代码传递并存入输入装置的作用是将程序载体上的数控代码传递并存入数控系统内。数控系统内。 操作面板是操作人员与机床数控装置进行信操作面板是操作人员与机床数控装置进行信息交流的工具，如操作命令的输入、加工程序的编辑、修息交流的工具，如操作命令的输入、加工程序的编辑、修改和调试；同时也以信号灯或数码管的方式，为操作人员改和调试；同时也以信号灯或数码管的方式，为操作人员显示数控系统和数控机床的状态信息，如坐标值、机床的显示数控系统和数控机床的状态信息，如坐标值、机床的工作状态、报警信号等。工作状态、报

18、警信号等。 输入设备有键盘、显示器、穿孔纸带、磁带、磁盘和输入设备有键盘、显示器、穿孔纸带、磁带、磁盘和光盘，其中键盘和显示器是必不可少的人机交互设备，操光盘，其中键盘和显示器是必不可少的人机交互设备，操作人员可通过键盘和显示器输入程序、编辑修改程序和发作人员可通过键盘和显示器输入程序、编辑修改程序和发送操作命令，进行手动数据输入。送操作命令，进行手动数据输入。 21 3、数控装置、数控装置 数控装置是数控机床的核心，由运算器、控制器数控装置是数控机床的核心，由运算器、控制器（运算器和控制器构成（运算器和控制器构成CPU）、存储器、输入接口、输）、存储器、输入接口、输出接口等组成。出接口等组成

19、。 其本质是根据输入的数据插补出理想的运动轨迹，然其本质是根据输入的数据插补出理想的运动轨迹，然后输出到执行部件后输出到执行部件(伺服单元、驱动装置和机床伺服单元、驱动装置和机床)，加工出，加工出需要的零件。需要的零件。22 4、伺服单元和驱动装置、伺服单元和驱动装置 伺服单元接收来自伺服单元接收来自CNCCNC装置的进给指令，经变换和放装置的进给指令，经变换和放大后通过驱动装置转变成机床工作台的位移和速度。大后通过驱动装置转变成机床工作台的位移和速度。 驱动装置把经放大的指令信号变为机械运动，通过简驱动装置把经放大的指令信号变为机械运动，通过简单的机械连接到驱动机床工作台，使工件台按规定的轨

20、迹单的机械连接到驱动机床工作台，使工件台按规定的轨迹做严格的相对运动，加工出符合图纸要求的零件。做严格的相对运动，加工出符合图纸要求的零件。 伺服单元和驱动装置可合称为伺服驱动系统，它是机伺服单元和驱动装置可合称为伺服驱动系统，它是机床工作的动力装置，床工作的动力装置，CNCCNC装置的指令要靠伺服驱动系统付装置的指令要靠伺服驱动系统付诸实施，所以伺服驱动系统是数控机床的重要组成部分。诸实施，所以伺服驱动系统是数控机床的重要组成部分。 23 5、辅助控制装置、辅助控制装置 PLC PLC是可编程逻辑控制器，现已广泛用作数控机床是可编程逻辑控制器，现已广泛用作数控机床的辅助控制装置，它主要用于控

21、制机床顺序动作，完成与的辅助控制装置，它主要用于控制机床顺序动作，完成与逻辑运算有关的一些控制。控制机床辅助装置完成机床相逻辑运算有关的一些控制。控制机床辅助装置完成机床相应的开关动作，如工件的装夹、刀具的更换、冷却液的开应的开关动作，如工件的装夹、刀具的更换、冷却液的开关等一些辅助动作；他接受机床操作面板的指令，一方面关等一些辅助动作；他接受机床操作面板的指令，一方面直接控制机床的动作，一方面将一部分指令送往直接控制机床的动作，一方面将一部分指令送往CNCCNC用于加用于加工过程的控制。机床工过程的控制。机床I/OI/O电路和装置是指继电器、行程开关、电路和装置是指继电器、行程开关、电磁阀的

22、电器以及由他们组成的逻辑电路。电磁阀的电器以及由他们组成的逻辑电路。24 6、机床本体、机床本体 数控机床的机床本体与传统机床相似，由主轴传动数控机床的机床本体与传统机床相似，由主轴传动装置、进给传动装置、床身、工作台以及辅助运动装置装置、进给传动装置、床身、工作台以及辅助运动装置液压气动系统、润滑系统、冷却装置等组成。但数控机液压气动系统、润滑系统、冷却装置等组成。但数控机床在整体布局、外观造型、传动系统、刀具系统的结构床在整体布局、外观造型、传动系统、刀具系统的结构以及操作机构等方面都已发生了很大的变化。这种变化以及操作机构等方面都已发生了很大的变化。这种变化的目的是为了满足数控机床的要求

23、和充分发挥数控机床的目的是为了满足数控机床的要求和充分发挥数控机床的特点。的特点。 25 二、数控机床的工作原理数控机床的工作原理 数控机床是用数字化的信息来实现自动控制的。数控机床是用数字化的信息来实现自动控制的。 在传统的金属切削机床上，根据图纸的要求，需要不断改在传统的金属切削机床上，根据图纸的要求，需要不断改变刀具的运动轨迹和运动速度等参数变刀具的运动轨迹和运动速度等参数 ，使刀具对工件进行切削，使刀具对工件进行切削加工，最终加工出合格零件。加工，最终加工出合格零件。 在数控机床上，加工过程中人工操作均被数控系统所取代在数控机床上，加工过程中人工操作均被数控系统所取代, ,其工作过程如

24、下其工作过程如下: :首先要将加工图纸上几何信息和工艺信息数字首先要将加工图纸上几何信息和工艺信息数字化化, ,即将刀具与工件的相对运动轨迹按规定的规则、代码和格式即将刀具与工件的相对运动轨迹按规定的规则、代码和格式编写成加工程序，数控系统则按照程序的要求，进行相应的运算、编写成加工程序，数控系统则按照程序的要求，进行相应的运算、处理，然后发出控制命令，使各坐标轴、主轴以及辅助动作相互处理，然后发出控制命令，使各坐标轴、主轴以及辅助动作相互协调运动，实现刀具与工件的相对运动，自动完成零件的加工。协调运动，实现刀具与工件的相对运动，自动完成零件的加工。26数控机床的加工原理数控机床的加工原理1、

25、逼近处理：、逼近处理： 先对曲线进行逼近处先对曲线进行逼近处理，即按系统的插补时间理，即按系统的插补时间t和加工所需要的进给速和加工所需要的进给速度度F，将曲线分割成若干小，将曲线分割成若干小线段，曲线即为所有小线线段，曲线即为所有小线段之和。段之和。2、插补运算：、插补运算： 在逼近处理后，将小在逼近处理后，将小线段分解为线段分解为X轴和轴和Y轴移动轴移动分量，他们的位置将不断分量，他们的位置将不断变化。变化。3、指令输出：、指令输出： 将算出的将算出的t时间内时间内的的x 和和y 作为指令输作为指令输出给出给X轴和轴和Y轴，控制它们轴，控制它们运动。运动。 由此可见，只要能连由此可见，只要

26、能连续地自动控制续地自动控制X和和Y两个进两个进给轴在给轴在t时间内移动量，时间内移动量，就可以实现曲线轮廓零件就可以实现曲线轮廓零件的加工。的加工。 xyXY数控机床加工原理示意图数控机床加工原理示意图272829在在CRTCRT上上“1”1”表示通，表示通，“0”0”表示断。表示断。30三、数控机床的分类数控机床的分类按运动轨迹分类按运动轨迹分类1 1、点位控制数控机床、点位控制数控机床点点点位置精确控制，点位置精确控制，保证的是定位精度，以保证的是定位精度，以慢快慢的运动方式。慢快慢的运动方式。 这类机床主要有数控坐标这类机床主要有数控坐标镗床、数控钻床、数控点焊机镗床、数控钻床、数控点

27、焊机和数控折弯机等，其相应的数和数控折弯机等，其相应的数控装置称为点位控制数控装置。控装置称为点位控制数控装置。AB31、直线控制数控机床、直线控制数控机床 位置控制位置控制+ +速度和路线控制，只能沿某个坐标轴方速度和路线控制，只能沿某个坐标轴方向（平行或向（平行或4545）切削加工。）切削加工。这类机床主要有数控车床、数控磨床和数控镗铣床这类机床主要有数控车床、数控磨床和数控镗铣床等，相应的数控装置称为直线控制装置。等，相应的数控装置称为直线控制装置。323 3、轮廓控制数控机床、轮廓控制数控机床每点的位置每点的位置+ +速度速度+ +路线控制，可对路线控制，可对2 2坐标或坐标或2 2坐

28、坐标以上坐标轴进行控制。标以上坐标轴进行控制。属于这类机床的有数控车床、数控铣床、加工属于这类机床的有数控车床、数控铣床、加工中心等。其相应的数控装置称为轮廓控制装置。轮中心等。其相应的数控装置称为轮廓控制装置。轮廓数控装置比点位、直线控制装置结构复杂得多，廓数控装置比点位、直线控制装置结构复杂得多，功能齐全得多。功能齐全得多。33n按进给伺服系统的类型分类按进给伺服系统的类型分类n1 1、开环进给伺服系统数控机床、开环进给伺服系统数控机床开环进给伺服系统通常不带有位置检测元件，伺服驱开环进给伺服系统通常不带有位置检测元件，伺服驱动元件一般为步进电动机。动元件一般为步进电动机。 34 步进步进

29、电动机（电动机（Step Motor），是一种用电脉冲信号控制，可将电脉），是一种用电脉冲信号控制，可将电脉冲信号按正比关系转换为角位移的执行器。步进电动机的转速与电脉冲冲信号按正比关系转换为角位移的执行器。步进电动机的转速与电脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率就可以调节电动机的转速。目前，步进频率成正比，通过改变脉冲频率就可以调节电动机的转速。目前，步进电动机主要用于经济型数控机床的进给驱动，一般采用开环控制结构。电动机主要用于经济型数控机床的进给驱动，一般采用开环控制结构。 步进电动机的步距角是决定开环伺服系统脉冲当量的重要参数，常步进电动机的步距角是决定开环伺服系统脉冲当量的重要参数，常见

30、的反应式步进电动机的步距角一般为见的反应式步进电动机的步距角一般为0.53，一般情况下，步距，一般情况下，步距角越小，加工精度越高，步进电动机的工作方式和一般电动机的不同，角越小，加工精度越高，步进电动机的工作方式和一般电动机的不同，它是采用脉冲控制方式工作的。只有按它是采用脉冲控制方式工作的。只有按定规律对各相绕组轮流通电，定规律对各相绕组轮流通电，步进电动机才能实现转动。步进电动机才能实现转动。 步进电动机352 2闭环进给伺服系统数控机床闭环进给伺服系统数控机床n闭环进给控制系统带有位置检测元件，随时可以闭环进给控制系统带有位置检测元件，随时可以检测出工作台的实际位移，并反馈给数控装置，

31、并与检测出工作台的实际位移，并反馈给数控装置，并与设定的指令值进行比较，利用其差值控制伺服电动机设定的指令值进行比较，利用其差值控制伺服电动机，直至差值为零为止。，直至差值为零为止。 36伺服电机分为伺服电机分为直流直流伺服电机和伺服电机和交流交流伺服电机。伺服电机。直流直流伺服电动机主要由定子、转子和电刷三部分组成。定子磁场由定伺服电动机主要由定子、转子和电刷三部分组成。定子磁场由定子的磁极产生。根据产生磁场的方式，将直流伺服电动机分为永磁式和电子的磁极产生。根据产生磁场的方式，将直流伺服电动机分为永磁式和电磁式（它励式）。永磁式的磁极由永磁材料制成，电磁式（它励式）的磁磁式（它励式）。永磁

32、式的磁极由永磁材料制成，电磁式（它励式）的磁极由冲压硅钢片叠压而成，需要在励磁线圈中通直流电流才能产生恒定磁极由冲压硅钢片叠压而成，需要在励磁线圈中通直流电流才能产生恒定磁场。转子又叫电枢，由硅钢片叠压而成，表面嵌有线圈，通以直流电时，场。转子又叫电枢，由硅钢片叠压而成，表面嵌有线圈，通以直流电时，在定子磁场使用下产生带动负载旋转的电磁转矩。为使所产生的电磁转矩在定子磁场使用下产生带动负载旋转的电磁转矩。为使所产生的电磁转矩保持恒定方向，需要采用机械方式（电刷、换向片）换向。一般电刷与外保持恒定方向，需要采用机械方式（电刷、换向片）换向。一般电刷与外加直流电源相接，换向片与电枢导体相接。直流伺

33、服电动机的工作原理与加直流电源相接，换向片与电枢导体相接。直流伺服电动机的工作原理与普通直流电动机相同，只是为满足快速响应的要求，结构上细长一些。普通直流电动机相同，只是为满足快速响应的要求，结构上细长一些。 伺服电机37交流伺服电动机 交流交流伺服电动机，没有直流电动机所具有的电刷，且无换向器磨损问题，伺服电动机，没有直流电动机所具有的电刷，且无换向器磨损问题，无需经常维护。无需经常维护。 交流伺服电动机有异步型交流伺服电动（交流伺服电动机有异步型交流伺服电动（IM）和同步型交流伺服电动机）和同步型交流伺服电动机（SM）。异步型交流伺服电动机指交流感应电动机，有三相和单相之分，也）。异步型交

34、流伺服电动机指交流感应电动机，有三相和单相之分，也有笼型和线绕式之分，通常采用笼型三相感应电动机。同步型交流伺服电动有笼型和线绕式之分，通常采用笼型三相感应电动机。同步型交流伺服电动机指永磁式交流伺服电动机，永磁同步电动机主要由三部分组成：定子、转机指永磁式交流伺服电动机，永磁同步电动机主要由三部分组成：定子、转子和检测元件（转子位置传感器和测速发电机）。其中定子有齿槽，内有子和检测元件（转子位置传感器和测速发电机）。其中定子有齿槽，内有三相绕组，形状与普通感应电动机的定子相同，转子由多块永久磁铁和铁心三相绕组，形状与普通感应电动机的定子相同，转子由多块永久磁铁和铁心组成，气隙磁密较高，极数较

35、多。同一种铁心和相同的磁铁块数可以装成不组成，气隙磁密较高，极数较多。同一种铁心和相同的磁铁块数可以装成不同的极数。同的极数。38检测元件n1 1、位置环由位置调节控制模块、位置检测和反馈控制部分组成。、位置环由位置调节控制模块、位置检测和反馈控制部分组成。 （如光栅尺等）（如光栅尺等）n2 2、速度环由速度比较调节器、速度反馈和速度检测装置（如测、速度环由速度比较调节器、速度反馈和速度检测装置（如测 速发电机、光电脉冲编码器等）组成。速发电机、光电脉冲编码器等）组成。n3 3、电流环由电流调节器、电流反馈和电流检测环节组成。、电流环由电流调节器、电流反馈和电流检测环节组成。n4 4、电力电子

36、驱动装置由驱动信号产生电路和功率放大器等组成。、电力电子驱动装置由驱动信号产生电路和功率放大器等组成。 393 3半闭环进给伺服系统数控机床半闭环进给伺服系统数控机床n半闭环进给伺服系统是将位置检测元件安装在伺半闭环进给伺服系统是将位置检测元件安装在伺服电动机的轴上或滚珠丝杠的端部，不直接反馈机床服电动机的轴上或滚珠丝杠的端部，不直接反馈机床的位移量，而是检测伺服机构的转角，将此信号反馈的位移量，而是检测伺服机构的转角，将此信号反馈给数控装置进行指令值比较，用差值控制伺服电动机给数控装置进行指令值比较，用差值控制伺服电动机。 40三、伺服系统的组成 数控伺服系统由伺服电机（数控伺服系统由伺服电

37、机（M M）、驱动信号控制转换电路、电力电子驱动）、驱动信号控制转换电路、电力电子驱动放大模块、电流调解单元、速度调解单元、位置调解单元和相应的检测装置放大模块、电流调解单元、速度调解单元、位置调解单元和相应的检测装置（如光电脉冲编码器（如光电脉冲编码器G G）等组成。一般闭环伺服系统的结构如图所示。它是一）等组成。一般闭环伺服系统的结构如图所示。它是一个三环结构系统，其中，外环是位置环，中环是速度环，内环为电流环。个三环结构系统，其中，外环是位置环，中环是速度环，内环为电流环。41光栅尺图片42n光栅尺：又叫光栅尺位移传感器，是利用光栅的光学原理工光栅尺：又叫光栅尺位移传感器，是利用光栅的光

38、学原理工作的测量反馈装置，可用作直线位移或者角位移的检测。常作的测量反馈装置，可用作直线位移或者角位移的检测。常用于机床与现在加工中心以及测量仪器等方面。用于机床与现在加工中心以及测量仪器等方面。43光栅尺的结构：由标尺光栅和光栅读数头两部分组成。标尺光栅一光栅尺的结构：由标尺光栅和光栅读数头两部分组成。标尺光栅一般固定在机床活动部件上，光栅读数头装在机床固定部件上，指示般固定在机床活动部件上，光栅读数头装在机床固定部件上，指示光栅装在光栅读数头中。下图所示：光栅装在光栅读数头中。下图所示：简单的说：光读头通过检测莫尔条纹个数，来读取光栅刻度，然后简单的说：光读头通过检测莫尔条纹个数，来读取光

39、栅刻度，然后再根据驱动电路的作用，计算出光栅尺的位移和速度。再根据驱动电路的作用，计算出光栅尺的位移和速度。44光电编码器图片第三部分第三部分 数控伺服驱动数控伺服驱动451.光电编码器，又称光电轴角位置传感器。是集成光光电编码器，又称光电轴角位置传感器。是集成光机机电为一体电为一体 的数字测角装置，主要是以高精度计量光栅为检测元件，通过光电的数字测角装置，主要是以高精度计量光栅为检测元件，通过光电转换；转换；2.将轴的机械角位移信息以将轴的机械角位移信息以LED光源为介质通过光栅码盘转换成相光源为介质通过光栅码盘转换成相应的数字代码，用他可以实现角位移、角速度、和角加速度及其他应的数字代码，

40、用他可以实现角位移、角速度、和角加速度及其他物理量的精确测量，输出信号与计算机相连接，不仅能够实现数字物理量的精确测量，输出信号与计算机相连接，不仅能够实现数字测量与数字控制，而且与其他同类用途的传感器相比，具有精度高测量与数字控制，而且与其他同类用途的传感器相比，具有精度高、测量范围广、使用可靠、易于维护等优点；、测量范围广、使用可靠、易于维护等优点；3.已普遍应用在雷达、光电经纬仪、地面指挥仪、机器人、数控机已普遍应用在雷达、光电经纬仪、地面指挥仪、机器人、数控机床和高精度闭环调速系统等诸多领域，是自动化设备理想的角度传床和高精度闭环调速系统等诸多领域，是自动化设备理想的角度传感器感器 。

41、464.工作原理工作原理(如下图如下图)1：光源（：光源（LED） 2：透镜（：透镜（Lens） 3：指示光栅：指示光栅 4：码盘（：码盘（Disk） 5：接受器（：接受器（ASIC） 原理：当点光源（原理：当点光源（LED）发出的光经过透镜（）发出的光经过透镜（Lens）的折射变成准直的平行光，通过光）的折射变成准直的平行光，通过光栅和码盘，照射到光电接受器上，如果码盘发生转动，光线就会把码盘转动的情况反应栅和码盘，照射到光电接受器上，如果码盘发生转动，光线就会把码盘转动的情况反应到接受器上。接受器会把这些光信号转换成电信号输出，从而以电脉冲的形式反应出物到接受器上。接受器会把这些光信号转换

42、成电信号输出，从而以电脉冲的形式反应出物理的运动量（位移、角速度、加速度）。理的运动量（位移、角速度、加速度）。 47二、伺服系统的分类（1）按控制方式分类p1、开环伺服系统p2、闭环伺服系统p3、半闭环系统 （2）按被控对象分类p1、进给伺服系统p2、主轴伺服系统 第三部分第三部分 数控伺服驱动数控伺服驱动48 步进步进电动机（电动机（Step Motor），是一种用电脉冲信号控制，可将电脉），是一种用电脉冲信号控制，可将电脉冲信号按正比关系转换为角位移的执行器。步进电动机的转速与电脉冲冲信号按正比关系转换为角位移的执行器。步进电动机的转速与电脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率就可以调节电动机

43、的转速。目前，步进频率成正比，通过改变脉冲频率就可以调节电动机的转速。目前，步进电动机主要用于经济型数控机床的进给驱动，一般采用开环控制结构。电动机主要用于经济型数控机床的进给驱动，一般采用开环控制结构。 步进电动机的步距角是决定开环伺服系统脉冲当量的重要参数，常步进电动机的步距角是决定开环伺服系统脉冲当量的重要参数，常见的反应式步进电动机的步距角一般为见的反应式步进电动机的步距角一般为0.53，一般情况下，步距，一般情况下，步距角越小，加工精度越高，步进电动机的工作方式和一般电动机的不同，角越小，加工精度越高，步进电动机的工作方式和一般电动机的不同，它是采用脉冲控制方式工作的。只有按它是采用

44、脉冲控制方式工作的。只有按定规律对各相绕组轮流通电，定规律对各相绕组轮流通电，步进电动机才能实现转动。步进电动机才能实现转动。 第三部分第三部分 数控伺服驱动数控伺服驱动步进电动机工作原理及特性49 步进电动机工作方式和一般电动机的不同，它是采用脉冲控制方式工步进电动机工作方式和一般电动机的不同，它是采用脉冲控制方式工作的，只有按作的，只有按定规律对各相绕组轮流通电，步进电动机才能实现转动。定规律对各相绕组轮流通电，步进电动机才能实现转动。同一台步进电动机，因通电方式不同，运行时的步距角也是不同的。工作同一台步进电动机，因通电方式不同，运行时的步距角也是不同的。工作方式有单方式有单m拍，双拍，

45、双m拍、三拍、三m拍及拍及2m拍等，拍等，m是电动机的相数。所谓单是电动机的相数。所谓单m拍是指每拍只有一相通电，循环拍数为拍是指每拍只有一相通电，循环拍数为m；双；双m拍是指每拍同时有两相通拍是指每拍同时有两相通电，循环拍数为电，循环拍数为m；三；三m拍是每拍有三相通电，循环拍数为拍是每拍有三相通电，循环拍数为m拍；拍；2m拍是拍是各拍既有单相通电，也有两相或三相通电。通常为各拍既有单相通电，也有两相或三相通电。通常为12相通电或相通电或23相通相通电，循环拍数为电，循环拍数为2m，步进电动机相数越多，工作方式也越多，若按相反的，步进电动机相数越多，工作方式也越多，若按相反的顺序通电，则电动

46、机反转。顺序通电，则电动机反转。 第三部分第三部分 数控伺服驱动数控伺服驱动步进电动机驱动50伺服系统的分类及控制2、闭环数控机床、闭环数控机床 这类机床的位置检测装置安装在进给系统末段端的执行部件上，可实测这类机床的位置检测装置安装在进给系统末段端的执行部件上，可实测进给系统的位移量或位置。数控装置将位移指令与工作台端测得的实际位置进给系统的位移量或位置。数控装置将位移指令与工作台端测得的实际位置反馈信号进行比较，根据其差值不断控制运动，使运动部件严格按照实际需反馈信号进行比较，根据其差值不断控制运动，使运动部件严格按照实际需要的位移量运动；还可利用测速元器件随时测得驱动电机的转速，将速度反

47、要的位移量运动；还可利用测速元器件随时测得驱动电机的转速，将速度反馈信号与速度指令信号相比较，对驱动电机的转速随时进行修正。馈信号与速度指令信号相比较，对驱动电机的转速随时进行修正。 比较器功率放大电路直流或交流伺服电动机机械传动链输入脉冲机床运动部件位置检测装置51伺服系统的分类及控制 3 、半闭环数控机床、半闭环数控机床 这类机床的检测元件装在驱动电机或传动丝杠的端部，可间接测量执行这类机床的检测元件装在驱动电机或传动丝杠的端部，可间接测量执行部件的实际位置或位移。部件的实际位置或位移。 这种系统不直接检测工作台的位移量，而是采用转角位移检测元件，测这种系统不直接检测工作台的位移量，而是采

48、用转角位移检测元件，测出伺服电机或丝杆的转角，推算出工作台的实际位移量，反馈到计算机中进出伺服电机或丝杆的转角，推算出工作台的实际位移量，反馈到计算机中进行位置比较，用比较的差值进行控制。行位置比较，用比较的差值进行控制。 由于采用高分辨率的测量元件，如光电编码器，因此可以获得比较满意由于采用高分辨率的测量元件，如光电编码器，因此可以获得比较满意的精度与速度。半闭环数控机床可以获得比开环系统更高的精度，但由于机的精度与速度。半闭环数控机床可以获得比开环系统更高的精度，但由于机械传动链的误差无法得到消除或校正，因此它的位移精度比闭环系统的要低。械传动链的误差无法得到消除或校正，因此它的位移精度比

49、闭环系统的要低。但成本低些，所以大多数数控机床采用半闭环控制。但成本低些，所以大多数数控机床采用半闭环控制。52伺服系统的分类及控制 3 、半闭环数控机床、半闭环数控机床 半闭环控制的系统框图半闭环控制的系统框图 比较器输入脉冲前置及功率放大电路直流或交流伺服电动机脉冲编码器机械传动链机床运动部件53 根据所配电动机不同，分为根据所配电动机不同，分为直流直流伺服驱动系统、伺服驱动系统、交流交流伺服驱动系统和伺服驱动系统和步进步进伺服驱动系统三大类。伺服驱动系统三大类。 直流直流伺服电动机主要由定子、转子和电刷三部分组成。定子磁场由定伺服电动机主要由定子、转子和电刷三部分组成。定子磁场由定子的磁

50、极产生。根据产生磁场的方式，将直流伺服电动机分为永磁式和电子的磁极产生。根据产生磁场的方式，将直流伺服电动机分为永磁式和电磁式（它励式）。永磁式的磁极由永磁材料制成，电磁式（它励式）的磁磁式（它励式）。永磁式的磁极由永磁材料制成，电磁式（它励式）的磁极由冲压硅钢片叠压而成，需要在励磁线圈中通直流电流才能产生恒定磁极由冲压硅钢片叠压而成，需要在励磁线圈中通直流电流才能产生恒定磁场。转子又叫电枢，由硅钢片叠压而成，表面嵌有线圈，通以直流电时，场。转子又叫电枢，由硅钢片叠压而成，表面嵌有线圈，通以直流电时，在定子磁场使用下产生带动负载旋转的电磁转矩。为使所产生的电磁转矩在定子磁场使用下产生带动负载旋

51、转的电磁转矩。为使所产生的电磁转矩保持恒定方向，需要采用机械方式（电刷、换向片）换向。一般电刷与外保持恒定方向，需要采用机械方式（电刷、换向片）换向。一般电刷与外加直流电源相接，换向片与电枢导体相接。直流伺服电动机的工作原理与加直流电源相接，换向片与电枢导体相接。直流伺服电动机的工作原理与普通直流电动机相同，只是为满足快速响应的要求，结构上细长一些。普通直流电动机相同，只是为满足快速响应的要求，结构上细长一些。 伺服驱动机构54直流伺服电动机的机械特性公式如下：直流伺服电动机的机械特性公式如下： 从上公式可知，调节电枢电压、励磁电流（电磁式）或电枢回从上公式可知，调节电枢电压、励磁电流（电磁式

52、）或电枢回路电阻均可实现直流伺服电动机的转速。一般采用调节电枢供电电路电阻均可实现直流伺服电动机的转速。一般采用调节电枢供电电压压U和调节励磁磁通和调节励磁磁通（仅限于电磁式）的方法来调节直流伺服电动（仅限于电磁式）的方法来调节直流伺服电动机的转速，分别称为调压调速和调磁调速。机的转速，分别称为调压调速和调磁调速。 直流伺服电动机调速控制：TCCRCUnmeaec2a 电枢电阻 T 电磁转矩 Ic 电动机电枢电流 电动机转速cmICT电枢电压 C 转矩常数 C 电动势常数 电动机主磁通n55一、点检一、点检n点检点检按有关维护文件的规定，对数控机床进行定点、按有关维护文件的规定，对数控机床进行

53、定点、 定时的检查和维护定时的检查和维护n点检要求和内容点检要求和内容n 专职点检专职点检重点设备、部位（设备部门）重点设备、部位（设备部门）n 日常点检日常点检一般设备的检查及维护（车间）一般设备的检查及维护（车间）n 生产点检生产点检开机前检查、润滑、日常清洁、紧固等工作开机前检查、润滑、日常清洁、紧固等工作n （操作者）（操作者）56二、数控系统的日常维护二、数控系统的日常维护1、检测反馈元件的维护、检测反馈元件的维护 光电编码器、接近开关、行程开关与撞块、光栅等的检查和维护。光电编码器、接近开关、行程开关与撞块、光栅等的检查和维护。2、备用电路板的定期通电、备用电路板的定期通电 备用电路板应定期装到备用电路板应定期装到CNC系统上通电运行，长期停用的数控机床也要系统上通电运行，长期停用的数控机床也要经常通电，利用电器元件本身的发热来驱散电气柜内的潮气。保证电器元经常通电，利用电器元件本身的发热来驱散电气柜内的潮气。保证电器元件性能的稳定可靠。件性能的稳定可靠。3、机床电气柜的散热通风、机床电气柜的散热通风 门上热交换器