數(shù)控機床及工業(yè)機器人

第1節(jié)數(shù)控機床一、數(shù)控機床數(shù)字控制(NC，NumericalControl)，是用數(shù)字化信息發(fā)出指令并實現(xiàn)自動控制的技術(shù)。計算機數(shù)控(CNC，ComputeriaedNumericalControl)是指用計算機實現(xiàn)局部或全部根本數(shù)控功能。其被控對象可以是各種生產(chǎn)過程或設(shè)備。數(shù)控機床是一種采用計算機，利用數(shù)字化信息進(jìn)行控制，具有高附加值的技術(shù)密集型機電一體化產(chǎn)品。第5章數(shù)控機床及工業(yè)機器人數(shù)字控制技術(shù)在許多領(lǐng)域得到應(yīng)用，在機械工業(yè)中應(yīng)用更廣，如數(shù)控機床、數(shù)控切割機、數(shù)控繪圖儀等，特別是數(shù)控機床已成為組成現(xiàn)代機械制造生產(chǎn)系統(tǒng)，實現(xiàn)設(shè)計、制造、檢驗與生產(chǎn)管理等全部生產(chǎn)過程自動化的根本設(shè)備。數(shù)控機床是具有高附加值的技術(shù)密集型產(chǎn)品，它集于機械制造、計算機、微電子、現(xiàn)代控制及精密測量等多種技術(shù)于一體，實現(xiàn)了高度的機電一體化。二、數(shù)控機床的開展1952年，世界第一臺數(shù)控機床在美國問世；隨著自動化技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、精密測量技術(shù)及機械制造技術(shù)的開展，數(shù)控機床得到迅速開展。我國的數(shù)控機床起步于1958年。到1985年數(shù)控機床品種累計達(dá)80多種，進(jìn)入實用階段。1991年以來我國一方面從興旺國家購進(jìn)計算機數(shù)控系統(tǒng)，一方面自主研發(fā)、設(shè)計、制造中、高檔計算機數(shù)控系統(tǒng)，取得了可喜的成果。數(shù)控產(chǎn)品覆蓋了車、銑、鏜、磨、加工中心及齒輪機床、柔性制造單元等，品種達(dá)300多種。目前中、低檔計算機數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)到達(dá)小批量生產(chǎn)能力。用普通金屬切削機床加工零件，是由操作者根據(jù)圖紙要求，手動控制機床操作系統(tǒng)，不斷改變刀具與工件相對運動參數(shù)(位置、速度等)，使刀具從工件上切除多余材料，最終獲得符合技術(shù)要求的尺寸、形狀、外表質(zhì)量及位置要求的零件。在數(shù)控機床上加工零件，是將加工過程所需的各種操作及零件的形狀、尺寸按規(guī)定的代碼編寫出數(shù)控加工程序，輸入到數(shù)控裝置中，由數(shù)控裝置處理和運算，并控制伺服驅(qū)動系統(tǒng)，實現(xiàn)刀具和工件間的相對運動，完成零件的加工。三、數(shù)控機床加工零件數(shù)控機床和普通機床的不同點：1.在數(shù)控機床上加工零件是將加工過程所需的各種操作以及零件的形狀、尺寸按規(guī)定的編碼方式寫成數(shù)控加工程序，輸入到數(shù)控裝置中。再由數(shù)控裝置對這些輸入的信息進(jìn)行處理和運算，并控制伺服驅(qū)動系統(tǒng)，使坐標(biāo)軸協(xié)調(diào)移動，從而實現(xiàn)刀具與工件的相對運動，完成零件加工。當(dāng)被加工工件改變時，除了重新裝夾工件和更換刀具外，只要更換零件加工程序。2.為加工出符合要求的零件輪廓，數(shù)控裝置必須具有插補功能。插補功能是在進(jìn)行曲線輪廓加工時，只要知道曲線的種類、起點、終點以及速度等信息后，就可以根據(jù)給定的數(shù)學(xué)函數(shù)(如直線函數(shù))，在起點和終點之間確定一些中間點，以到達(dá)數(shù)據(jù)點密化的功能。3.處理插補的算法就是插補運算。

插補算法是數(shù)控加工技術(shù)中的一個根本問題。為滿足數(shù)控機床在控制過程中的快速和精確要求，采用既簡單又精確的插補算法十分重要。目前常用的插補算法有兩大類：⑴以脈沖形式輸出的脈沖增量法，它適合于以步進(jìn)電動機作為驅(qū)動元件的開環(huán)伺服驅(qū)動系統(tǒng)；⑵以數(shù)字量形式輸出的數(shù)字增量法，適合于以交、直流伺服電動機作為驅(qū)動元件的閉環(huán)(或半閉環(huán))伺服驅(qū)動系統(tǒng)。4.要實現(xiàn)數(shù)控加工必須：⑴具有一個既能接受零件圖樣加工要求信息，又能按照一定的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行插補運算，實時地向各坐標(biāo)軸發(fā)出速度控制指令的數(shù)字計算機，即控制裝置；

⑵具有能夠快速響應(yīng)，并具有足夠功率的伺服驅(qū)動裝置；

⑶具有能夠滿足上述加工方式的機床主機，輔助裝置和刀具。四、開展、使用數(shù)控機床近代大工業(yè)生產(chǎn)中，大量采用剛性自動化。如在輕工、汽車工業(yè)、軍工等生產(chǎn)中，多采用普通機床加專用夾具或組合機床自動線、生產(chǎn)流水線。剛性生產(chǎn)線適合大批量零件的生產(chǎn)，但制造過程較難，更換產(chǎn)品、修改生產(chǎn)工藝需要較長的時間和較多的費用。20世紀(jì)80年代以來，產(chǎn)品更新?lián)Q代迅速，中、小批量零件的生產(chǎn)越來越多。隨著高新技術(shù)的開展、航空航天工業(yè)、汽車工業(yè)及消費品生產(chǎn)的高速增長，復(fù)雜零件越來越多，精度要求也越來越高。傳統(tǒng)的剛性自動化已不能滿足要求，使柔性加工的重要性更加突出，柔性自動化也就迅速開展起來。數(shù)控機床是開展柔性生產(chǎn)的根底，是柔性自動化的最重要的設(shè)備。1.與普通機床相比，數(shù)控機床具有的優(yōu)點：⑴數(shù)控機床可以加工出普通機床難以加工或不能加工的復(fù)雜型面；

⑵數(shù)控機床按預(yù)先編寫的零件加工程序自動加工，加工精度還可以利用軟件進(jìn)行校正和補償，因此可以獲得高的加工精度和重復(fù)精度；

⑶與普通機床加工相比，在數(shù)控機床上加工可提高生產(chǎn)率2～3倍，對于一些復(fù)雜零件，生產(chǎn)率可提高十幾倍甚至幾十倍等等。

⑷縮短生產(chǎn)周期；

⑸節(jié)省時間、廠房面積；

⑹加速資金周轉(zhuǎn)，提高經(jīng)濟(jì)效益；

⑺減輕勞動強度；

⑻實現(xiàn)精確的本錢核算、生產(chǎn)進(jìn)度安排。2.數(shù)控機床與普通機床的性能比較列表序號項目數(shù)控機床普通機床1加工異型復(fù)雜零件的能力強弱2改變加工對象的柔性程度高低3加工零件質(zhì)量和加工精度高低4加工效率高低5設(shè)備利用率高低6產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計與CAD（計算機輔助設(shè)計）連接功能高低7前期投資高低8對操作人員素質(zhì)的要求高低9對生產(chǎn)計劃、生產(chǎn)準(zhǔn)備和生產(chǎn)調(diào)度的要求高低10運行費低高11維修技術(shù)與維修費高低12對不合格產(chǎn)品再加工（即回用）的費用低高五、數(shù)控機床的組成數(shù)控機床主要由CNC系統(tǒng)和機床主機(輔助裝置)組成。CNC系統(tǒng)由程序、輸入輸出〔I/O〕設(shè)備、CNC裝置及主軸、進(jìn)給驅(qū)動裝置組成。數(shù)控機床組成框圖(一)CNC系統(tǒng)CNC系統(tǒng)由程序、輸入輸出(I/O)設(shè)備、CNC裝置及主軸、進(jìn)給控制單元組成。數(shù)控機床按預(yù)先編寫好的零件加工程序進(jìn)行自動加工。零件加工程序是CNC系統(tǒng)的重要組成局部。輸入輸出設(shè)備主要用于零件加工程序的編制、存儲、打印、顯示等。簡單的輸入輸出設(shè)備只包括鍵盤、米字管和數(shù)碼管等。一般的輸入輸出設(shè)備除了人機對話編程鍵盤和陰極射線管(CRT)顯示器或液晶顯示器(LCD)外，還包括紙帶、磁帶或磁盤輸入機、穿孔機和電傳機等。高級的輸入輸出設(shè)備還包括自動編程機、CAD/CAM(計算機輔助設(shè)計/計算機輔助制造)系統(tǒng)。1.CNC裝置是CNC系統(tǒng)的核心，由三局部組成，即計算機(包括硬件和軟件)、可編程序控制器(PLC)和接口電路。

2.輸入輸出設(shè)備主要用于零件加工程序的編制、存儲、顯示、打印等。3.在數(shù)控機床中，有主軸驅(qū)動系統(tǒng)和進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)。主軸驅(qū)動裝置由主軸控制單元、交直流主軸電動機與速度檢測元件組成。進(jìn)給驅(qū)動裝置由進(jìn)給控制單元、進(jìn)給伺服電動機與檢測元件組成。(二)主機和普通機床類似也有床身、立柱、主軸、工作臺等關(guān)鍵部件，但在設(shè)計上有一些變化。數(shù)控機床是一種高度自動化的機床，零件加工完全按照零件加工程序自動完成?？赏瑫r進(jìn)行粗、精加工，既可進(jìn)行大切削量的粗加工，以獲得高效率，也可進(jìn)行半精加工和精加工，以獲得高的加工精度。要求數(shù)控機床具有大功率和高精度。數(shù)控機床的主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度遠(yuǎn)高于同規(guī)格的普通機床。高速度是數(shù)控機床的一大特點?？稍诟哓?fù)荷下長時間無故障工作，因而應(yīng)具有高可靠性?？煽啃詫τ谟糜谌嵝灾圃靻卧?FMC)和柔性制造系統(tǒng)(FMS)的數(shù)控機床尤其重要。為了滿足數(shù)控機床高自動化、高效率、高精度、高速度、高可靠性的要求，機械結(jié)構(gòu)具有的特點：1.高剛度和高抗振性機床剛度是機床的性能之一，它反映了機床結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力。機床剛度分為靜剛度和動剛度。⑴提高機床靜剛度和固有頻率，改進(jìn)機床結(jié)構(gòu)的阻尼特性是提高機床動剛度和抗振性的有效方法。

⑵通過機床結(jié)構(gòu)、筋板的合理布局，例如加大主軸的支承軸徑，縮短主軸端部的受力懸伸段，床身采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)等方法來提高剛度。采用新材料，特殊結(jié)構(gòu)也可以提高動剛度和抗振能力。

2.減小機床熱變形為了減小熱變形，常采取的措施：⑴采用熱對稱結(jié)構(gòu)及熱平衡措施；對于發(fā)熱部件(如主軸箱、靜壓導(dǎo)軌液壓油等)采取散熱、風(fēng)冷、液冷等控制溫升；對切削部位采取強冷措施。⑵專門采用熱位移補償，即預(yù)測熱變形規(guī)律，建立數(shù)學(xué)模型，存入計算機，進(jìn)行實時補償。

3.高效率、無間隙、低摩擦傳動為保證數(shù)控機床在高速下運行平穩(wěn)、具有高定位精度，要求進(jìn)給系統(tǒng)中的機械傳動裝置和元件具有高靈敏度、低摩擦阻力、無間隙以及高壽命等特點，為此，數(shù)控機床的導(dǎo)軌多采用采用滾動導(dǎo)軌、靜壓導(dǎo)軌、滾珠絲杠、塑料滑動導(dǎo)軌等。

4.簡化的機械傳動結(jié)構(gòu)采用高性能、寬調(diào)速范圍的交、直流主軸電動機和伺服電動機，使主軸箱、進(jìn)給變速箱及其傳動系統(tǒng)大為簡化，提高傳動精度和可靠性?！踩齿o助裝置必要的輔助裝置包括：電器、液壓、氣動元件及系統(tǒng)；冷卻、排屑、防護(hù)、潤滑、照明、儲運等裝置；交換工作臺，數(shù)控轉(zhuǎn)臺，數(shù)控分度頭；刀具及其監(jiān)控檢測裝置等。六、數(shù)控機床的分類

(一)按照能夠控制刀具與工件間相對運行的軌跡

按此分類方法，可把數(shù)控機床分為兩大類：

1.點位控制(或位置控制)數(shù)控機床只能控制工作臺(或刀具)從一個位置(點)精確地移動到另一個位置(點)，在移動過程中不進(jìn)行加工，各個運動軸可以同時移動，也可以依次移動。如數(shù)控鏜床、鉆床、沖床。

這類數(shù)控機床工作臺(或刀具)運動控制示意圖如圖5-2(a)所示。

2.輪廓控制數(shù)控機床能同時對兩個或兩個以上的坐標(biāo)軸進(jìn)行連續(xù)控制，不僅控制輪廓的起點和終點，而且還要控制軌跡上每一點的速度和位置，因而能夠加工曲線(或曲面)。如數(shù)控車床、銑床、磨床、電加工機床和加工中心等。這類數(shù)控機床工作臺(或刀具)運動軌跡控制示意圖如圖5-2(b)所示。

(二)按照伺服驅(qū)動系統(tǒng)的控制方式分類有閉環(huán)控制和開環(huán)控制兩種根本控制方式。1.開環(huán)控制數(shù)控機床⑴這類數(shù)控機床不帶位置檢測反響裝置。CNC裝置輸出的指令脈沖經(jīng)驅(qū)動電路的功率放大，驅(qū)動步進(jìn)電動機轉(zhuǎn)動，再經(jīng)傳動機構(gòu)帶開工作臺移動。

即每給電動機一個電脈沖，它就向前走一步，可能很小的一步，如只轉(zhuǎn)了2度，是很小的一個角度。我們可以把步進(jìn)電動機一共轉(zhuǎn)多少度，事先計算好，理論上，工作臺就能到達(dá)預(yù)定的位置，可以計算的很精確，然后就給他這些電脈沖。但是，工作臺是否就轉(zhuǎn)到所需要的位置呢？事實上是有誤差的，主要是由于齒輪傳動中，齒輪有間隙帶來的誤差；還可能是齒輪裝配過程中有偏心帶來的誤差；甚至是螺母的裝配也可能帶來誤差。因此開環(huán)控制沒有考慮到這些傳動鏈帶來的誤差，雖然脈沖計算的很精確，但由于上述原因仍存在誤差。⑵開環(huán)控制的數(shù)控機床工作較穩(wěn)定，反響快，調(diào)試方便，維修簡單，但控制精度和速度都比較低，這類數(shù)控機床多為經(jīng)濟(jì)型。2.閉環(huán)控制數(shù)控機床⑴這類數(shù)控機床帶有位置檢測反響裝置。位置檢測裝置安裝要機床工作臺上，用以檢測機床工作臺的實際運行位置，并與CNC裝置的指令位置進(jìn)行比較，用差值進(jìn)行控制。⑵閉環(huán)控制數(shù)控機床由于能夠減小乃至于消除由于傳動部件制造、裝配所帶來的誤差，因而可以獲得很高的加工精度。⑶這類數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)試都具有較大的難度，精度要求很高的數(shù)控機床，一般采用這種控制方式。3.半閉環(huán)控制數(shù)控機床⑴將檢測元件安裝在電動機的端頭或絲杠的端頭，那么為半閉環(huán)控制數(shù)控機床。⑵由于半閉環(huán)的環(huán)路內(nèi)不包括絲杠、螺母副及工作臺，所以可獲得比較穩(wěn)定的控制特性。⑶其控制精度雖不如閉環(huán)控制數(shù)控機床，但調(diào)試比較方便，被廣泛采用。注意：開環(huán)用的是步進(jìn)電動機，閉環(huán)用的是交流或直流侍服電動機。(三)按照加工方式分類1.金屬切削類⑴屬于此類的有數(shù)控車床、鉆床、銑床、鏜床、磨床、齒輪加工機床和加工中心等。⑵加工中心是目前世界上產(chǎn)量最高、應(yīng)用最廣泛的數(shù)控機床，分銑鏜類加工中心和車削中心。主要用于箱體類零件和復(fù)雜曲面零件加工，能進(jìn)行銑、鏜、鉆、攻絲等工序。它具有刀庫，能自動更換刀具，工件一次裝夾后，能自動完成或接近完成工件各面的所有加工工序。自動換刀裝置是加工中心的根本特征，其投資占到整機投資的30%～50%。加工中心的故障有50%以上與自動換刀裝置有關(guān)。盤式刀庫鏈?zhǔn)降稁旒庸ぶ行挠捎诠ば蚋叨燃校@著減少了原來需要多臺機床順序加工帶來的工件裝夾、調(diào)整、機床間工件運送等操作，使加工效率比普通數(shù)控機床更高，顯示了明顯的經(jīng)濟(jì)效果，同時防止了屢次裝夾帶來的加工誤差，工件各加工面之間的相對位置精度高。加工中心適用于零件形狀比較復(fù)雜、精度要求較高、產(chǎn)品更換頻繁的中小批量生產(chǎn)中。車削中心主要加工軸類零件，是在車床根底上開展起來的。它一般具有C軸控制(具有位置控制功能的附加主軸驅(qū)動控制)，除可進(jìn)行車削、鏜削外，還可進(jìn)行端面和周面上任意部位的鉆、銑和攻絲加工。有的還可進(jìn)行各種曲面的銑削加工。這類加工中心也有刀庫，根據(jù)加工工件的需要，配置相應(yīng)的動力或非動力刀具。

2.金屬成型類包括數(shù)控折彎機、彎管機、沖床、回轉(zhuǎn)壓力機等3.特種加工類數(shù)控特種加工機床包括數(shù)控線切割機床、電火花加工機床及激光切割機等。

4.其他類如數(shù)控火焰切割機床、三坐標(biāo)測量機等。如從國外進(jìn)口的汽車，外觀、造型非常漂亮，如何把這些數(shù)據(jù)輸入到計算機中，這時就可以用一個三坐標(biāo)測量機逐點測量，之后把這些數(shù)據(jù)輸入到計算機中，通過計算機軟件就可以把汽車的外形完全模擬出來。YBK6140數(shù)控車床臥式加工中心數(shù)控機床立式加工中心數(shù)控機床(四)按照CNC裝置的功能水平分類按照CNC裝置的功能水平，把數(shù)控機床分為高、中、低(經(jīng)濟(jì)型)三檔。就目前的開展水平，大體上可從分辨率、進(jìn)給速度、伺服系統(tǒng)、同時控制軸數(shù)(聯(lián)動軸數(shù))、通信功能、顯示功能、有無PLC及主CPU水平等幾方面加以區(qū)分。功能高檔中檔低檔分辨率(μm)0.1110進(jìn)給速度(mm/min)15~10015~24＜15伺服系統(tǒng)交、直流伺服電動機驅(qū)動的閉環(huán)、半閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)功率步進(jìn)電動機驅(qū)動的開環(huán)控制伺服系統(tǒng)同時控制軸數(shù)3~5軸2軸(3軸直線)通信功能帶MAP(或相當(dāng))網(wǎng)卡、可以進(jìn)網(wǎng)RS－232C、RS－422或DNC通信接口無或RS－232C通信接口顯示功能可以進(jìn)行三維圖形顯示CRT(LCD)字符、圖形顯示LED顯示或CRT字符顯示有無PLC有無主CPU16位、32位、64位，主流為32位8位，也有16位表5-1按CNC裝置功能水平分類表第一點主要區(qū)別第二點主要區(qū)別七、數(shù)控機床的再生改造數(shù)控機床技術(shù)改造應(yīng)該考慮的問題：1.正確估計待改造的數(shù)控機床的價值。⑴在再生改造時，必須仔細(xì)分析哪些局部可以利用，哪些局部必須更新，剩余價值還有多少。一般要求可利用的局部其剩余價值不應(yīng)低于總價值的1/3。⑵剩余價值較大的通常是機械局部及配套附件，數(shù)控系統(tǒng)往往都需要更新。2.設(shè)備技術(shù)改造應(yīng)該力求投資不超過同類新設(shè)備購置費的40～60%。

3.再生改造應(yīng)該全面配套，防止只進(jìn)行局部改造在改造方案中，必須對機床各主要部件的工作壽命進(jìn)行綜合平衡，技術(shù)參數(shù)要相互匹配。4.設(shè)備改造要根據(jù)企業(yè)的生產(chǎn)需要、自身的經(jīng)濟(jì)能力，確定合理的科學(xué)的再生改造目標(biāo)，而不要盲目追求一流水平。七、數(shù)控機床的特點1.能加工復(fù)雜型面；

2.更高的精度和穩(wěn)定的質(zhì)量；

3.很高的生產(chǎn)率；

4.廣泛的適應(yīng)性；

5.一機多用；

6.可以大大減少在制品數(shù)量，提高經(jīng)濟(jì)效益；

7.可以改善生產(chǎn)環(huán)境，大大減輕操作者的勞動強度；

8.可實現(xiàn)精確的本錢核算和生產(chǎn)進(jìn)度安排；

9.是實現(xiàn)柔性自動加工的主要設(shè)備，也是開展柔性生產(chǎn)和計算機集機制造的根底。四、數(shù)控機床的特點1.能加工一般機床難以加工或不能加工的復(fù)雜型面如復(fù)雜型面模具、整體渦輪、發(fā)動機葉片等復(fù)雜零件。2.可獲得更高的精度和穩(wěn)定的質(zhì)量。數(shù)控機床按預(yù)先編寫的程序自動加工，沒有人為干擾，且加工精度還可以利用軟件進(jìn)行校正和補償，因此可獲得高的加工精度和重復(fù)精度。3.具有高的生產(chǎn)率。與普通機床相比可提高生產(chǎn)率2～3倍，對于一些復(fù)雜零件的加工，生產(chǎn)率可提高十幾倍甚至幾十倍。4.具有廣泛的適應(yīng)性和較大的靈活性。一般借用通用夾具，只需更換程序，即可適應(yīng)不同零件的加工。幾乎不需要專用的工裝夾具，因而可大大縮短生產(chǎn)周期。5.一機多用。數(shù)控機床，特別是可自動換刀的加工中心，工件一次裝卡幾乎能完成其全部加工部位的加工?？梢蕴娲?～7臺普通機床，既節(jié)省了勞動力，也節(jié)省了工序間的運輸、測量和裝卡等輔助時間，還節(jié)省了廠房面積。6.可以大大減少在制品數(shù)量，從而可加速流動資金的周轉(zhuǎn)，提高經(jīng)濟(jì)效益。7.可以改善生產(chǎn)環(huán)境，大大減輕操作者的勞動強度。8.可實現(xiàn)精確的本錢核算和生產(chǎn)進(jìn)度安排。9.是實現(xiàn)柔性自動加工的主要設(shè)備，也是開展柔性生產(chǎn)和計算機集成制造的根底。第2節(jié)CNC裝置一、CNC裝置所具備的功能1.組成：CNC裝置是CNC系統(tǒng)的核心部件，由三局部組成，即計算機(硬件和軟件)、可編程序控制器(PLC)和接口電路。2.功能：在CNC系統(tǒng)中，CNC裝置的功能是：根據(jù)輸入的零件加工程序、數(shù)據(jù)和參數(shù)，完成數(shù)值計算和邏輯判斷，進(jìn)行輸入、輸出控制。具體地說，CNC裝置應(yīng)具備的功能：⑴控制功能指能夠控制的軸數(shù)及同時控制(即聯(lián)動)的軸數(shù)。控制的軸數(shù)有2軸、3軸、4軸、5軸，可多達(dá)24軸。同時控制軸數(shù)可以是2軸、3軸直至6軸。⑵準(zhǔn)備功能，也稱G功能。包括機床根本移動、平面選擇、坐標(biāo)設(shè)定、刀具補償、程序暫停、基準(zhǔn)點返回、固定循環(huán)、米－英制轉(zhuǎn)換等。

⑶插補功能現(xiàn)代CNC裝置多通過軟件或軟、硬件相結(jié)合實現(xiàn)插補功能。為了滿足實時性要求，常把插補分成二步完成，即粗插補和精插補。CNC裝置能夠完成直線插補，圓弧插補，還可以完成極坐標(biāo)插補、螺旋線插補、拋物線插補、正弦插補、指數(shù)函數(shù)插補、漸開線插補、圓柱面插補及樣條插補等。

⑷進(jìn)給功能包括切削進(jìn)給速度(每分鐘進(jìn)給量)、同步進(jìn)給速度(主軸每轉(zhuǎn)的進(jìn)給量)、快速進(jìn)給及進(jìn)給率(0%～200%變化，每檔10%)。

⑸主軸功能。包括主軸每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)的設(shè)定，正、反轉(zhuǎn)及準(zhǔn)停等。

⑹輔助功能。包括主軸的起、停，冷卻液的通、斷，刀具交換的起、停等。

⑺選刀及工作臺分度功能。

⑻固定循環(huán)功能。用于螺紋加工、鉆孔、深孔鉆削、鏜孔及攻絲等工序。固定循環(huán)程序相當(dāng)于一個指令束，可以大求減少程編工作量。

⑼補償功能。包括刀具長度補償和刀具半徑補償。

⑽字符、圖形顯示功能。配置CRT或LCD顯示器，實現(xiàn)零件程序、參數(shù)顯示，刀具位置顯示，機床狀態(tài)及報警顯示等。有些CNC裝置還可以進(jìn)行刀具軌跡的靜態(tài)和動態(tài)圖形顯示及三維圖形顯示。

⑾診斷功能。隨時檢查不正確事件的發(fā)生，出現(xiàn)故障可顯示、查詢和定位。

⑿通信功能。備有串行通信接口，DNC接口，有的CNC裝置還配有網(wǎng)卡，可方便地接入MAP工業(yè)局域網(wǎng)、以太網(wǎng)等。⒀在線自動編程功能。有些CNC裝置具有會話式自動編程功能、藍(lán)圖編程功能、參數(shù)編程功能或幾何工藝語言(GTL)編程功能。有的自動編程系統(tǒng)可以自動選擇刀具和切削刀量，使編程變得十分方便。以上所述各功能中、前8個功能屬于CNC裝置的根本功能配置，而后5個功能屬于選擇功能，可根據(jù)需要加以選用。3.功能分類：〔1〕根本功能：

控制功能、準(zhǔn)備功能、插補功能、進(jìn)給功能、主軸功能、輔助功能、刀具和工作臺分度功能、字符顯示功能、診斷功能屬于數(shù)控機床必備的根本功能，價格比較廉價；

〔2〕選擇功能：

補償功能、固定循環(huán)功能、圖形顯示功能、通信功能及在線自動編程功能屬于選擇功能，用戶可根據(jù)需要加以選用。價格比較貴。二、CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)首先強調(diào)微處理器是CNC裝置的核心。大家知道，所有計算機的核心是CPU，CPU由運算器、控制器兩局部組成，而CPU的品質(zhì)決定了CNC裝置的檔次。所以它的品質(zhì)主要由主頻和字長來表示，如我們買計算機都關(guān)心它的主頻是多少，字長是16位還是32位的，這些都決定了計算機的運算速度?？偩€是CNC裝置各局部之間傳送信息的公共通道。信息有三種，所以總線分為數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線，分別傳遞數(shù)據(jù)、地址和控制信號的。為了使不同的設(shè)備連接在一起，協(xié)調(diào)的工作，必須對設(shè)備的連接做統(tǒng)一的規(guī)定和必要的約束，這種約束就叫接口協(xié)議，能夠?qū)崿F(xiàn)接口協(xié)議的硬件設(shè)備就是接口電路，簡稱接口。如數(shù)碼相機要想與計算機相連，就需要一根數(shù)據(jù)線，如果沒有數(shù)據(jù)線和接口就不能傳遞相應(yīng)的數(shù)據(jù)和信號。CNC裝置的接口包括兩個方面：一個是與機床側(cè)的信號輸入輸出接口，另一個是與上位計算機的通信接口及與標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出設(shè)備的接口。什么是上位機呢？就是數(shù)控機床本身CNC的上一層管理和控制機床和相應(yīng)的輔助設(shè)備就是上位機。數(shù)控機床要和上位機連接，進(jìn)行通信，以便上位機了解下面每一臺機床的具體工作進(jìn)度，做科學(xué)合理的調(diào)度。CNC裝置從物理結(jié)構(gòu)來說，有單微處理器結(jié)構(gòu)與多微處理器結(jié)構(gòu)CNC裝置兩種。

(一)單微處理器結(jié)構(gòu)與多微處理器結(jié)構(gòu)CNC裝置

1.單微處理器結(jié)構(gòu)CNC裝置⑴單微處理器CNC裝置只有一個微處理器，或雖然有兩個以上的微處理器，但其中只有一個微處理器能夠控制總線，而其他微處理器不能控制系統(tǒng)總線，不能訪問主存儲器，各微處理器組成主從結(jié)構(gòu)。⑵單微處理器結(jié)構(gòu)的CNC裝置幾乎都采用以總線為中心的計算機結(jié)構(gòu)。CPU通過總線與存儲器〔RAM、EPROM〕、可編程控制器PLC、位置控制器及各種接口相連。⑶單微處理器CNC裝置中微處理器〔CPU〕是核心；總線是CNC裝置各局部之間傳送信息的公共通道。⑷按照印刷電路插接方式的不同，單微處理器結(jié)構(gòu)的CNC裝置可分為：

①大板結(jié)構(gòu)：CNC裝置由主板和輔助功能板(卡)組成。ⅰ)主板為大印刷電路板，CNC裝置的主要功能都集在這塊板上。ⅱ)輔助功能板為小印刷電路板，如PLC板、I/O控制板、CRT顯示控制板、附加存儲板等。輔助功能板插在主板的插槽內(nèi)，受主板驅(qū)動。②模塊化結(jié)構(gòu)。是將CNC裝置的硬件按功能劃分成模板，每個功能模塊都制成尺寸相同的印刷電路板，稱為功能模板。

ⅰ)采用標(biāo)準(zhǔn)總線作為母版，將各功能模板插在母板上。

ⅱ)全部數(shù)控功能，包括數(shù)據(jù)存儲、插補運算、輸入輸出控制、顯示等都由一個微處理器完成，整個CNC裝置的功能將受到CPU字長、數(shù)據(jù)寬度、尋址能力和運算速度等因素的影響。它的功能是有限的。

2.多微處理器結(jié)構(gòu)CNC裝置

⑴特點：與單微處理器結(jié)構(gòu)CNC裝置相比，運算速度更高，更適合于多軸控制、高進(jìn)給速度、高精度、高效率的數(shù)控要求；具有良好的適應(yīng)性和擴(kuò)展性。

⑵結(jié)構(gòu)：多微處理器結(jié)構(gòu)CNC裝置多采用模塊化結(jié)構(gòu)，每個功能模塊分管各自的任務(wù)。采用模塊化結(jié)構(gòu)，采取積木方式組成CNC裝置，發(fā)生故障時可及時更換模塊。⑶分類：模塊化結(jié)構(gòu)的多微處理器結(jié)構(gòu)CNC裝置中的根本功能模塊一般有六種。

〔1〕CNC管理模塊。

〔2〕CNC插補模塊。

〔3〕位置控制模塊。

〔4〕存儲器模塊。

〔5〕PLC模塊。

〔6〕指令、數(shù)據(jù)的輸入輸出及顯示模塊。⑷模塊之間結(jié)構(gòu)分類：多微處理器CNC裝置各模塊之間的互連和通信主要采用共享總線和共享存儲器兩類結(jié)構(gòu)。

①在共享總線結(jié)構(gòu)中，將各功能模塊插在配有總線插座的機框內(nèi)，由系統(tǒng)總線把各個模塊有效地連接在一起，按照要求交換各種控制指令和數(shù)據(jù)，實現(xiàn)各種預(yù)定的功能。共享總線結(jié)構(gòu)系統(tǒng)配置靈活，結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)，造價低，因此經(jīng)常被采用。缺點是由于各主模塊使用總線時會引起“競爭〞，而使信息傳輸效率降低，總線一旦出現(xiàn)故障會影響全局。②共享存儲器結(jié)構(gòu)采用多端口存儲器來實現(xiàn)各微處理器之間的互聯(lián)和通信。需要多個端口，由專門的多端口控制邏輯電路，解決訪問的沖突問題。顯然這種結(jié)構(gòu)專用性太強，功能擴(kuò)展比較困難，并且多端口存儲器不易制造。3.單微處理器結(jié)構(gòu)與多微處理器結(jié)構(gòu)CNC裝置的區(qū)別：①單微處理器結(jié)構(gòu)CNC裝置只有一個微處理器能夠控制總線，占有總線資源，而多微處理器結(jié)構(gòu)CNC裝置有多個微處理器。②單微處理器結(jié)構(gòu)CNC裝置采用以總線為中心的計算機結(jié)構(gòu)，而多微處理器結(jié)構(gòu)CNC裝置各模塊之間的互連和通信除了采用共享總線結(jié)構(gòu)外，還采用共享存儲器結(jié)構(gòu)。③單微處理器結(jié)構(gòu)CNC裝置有大板和模塊兩種結(jié)構(gòu)形式，而多微處理器結(jié)構(gòu)CNC裝置都采用模塊化結(jié)構(gòu)形式。④單微處理器結(jié)構(gòu)CNC裝置的功能受微處理器的字長、數(shù)據(jù)寬度、尋址能力和運算速度等因素的限制，用于控制功能不十分復(fù)雜的數(shù)控機床中。多微處理器結(jié)構(gòu)CNC裝置適合多軸控制、高進(jìn)給速度、高精度、高效率的數(shù)控機床。⑤與單微處理器結(jié)構(gòu)CNC裝置相比，多微處理器結(jié)構(gòu)CNC裝置具有更好的適應(yīng)性和擴(kuò)展性。使故障對系統(tǒng)的影響更低。(二)專用CNC裝置與開放式CNC裝置1.特點：(1)專用型CNC裝置結(jié)構(gòu)緊湊、布局合理、技術(shù)成熟，在制造業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。

(2)采用封閉式的體系結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)硬件是專用的，組成系統(tǒng)的功能板及其之間的連接方式都是專門設(shè)計而不能通用；(3)系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)也是專用的，細(xì)節(jié)對外不公開，不能提供給用戶。所以帶來很大的不便。2.CNC裝置開放化的表達(dá)：(1)系統(tǒng)組成內(nèi)部的開放化，即系統(tǒng)內(nèi)部硬、軟的公開化。這樣，不僅降低了開發(fā)本錢，而且還能開發(fā)出理想的、適合用戶需求的各種功能。(2)系統(tǒng)組成各局部之間的開放化，即各組成局部(如CNC、伺服驅(qū)動、主軸驅(qū)動等)之間的接口標(biāo)準(zhǔn)化。這樣就可以從眾多的組件生產(chǎn)廠家中選擇最正確組件構(gòu)成整機。3.開放式CNC裝置(即PC(PersonalComputer)—NC系統(tǒng))的組成方式分類：(1)PC連接型CNC。這是一種將現(xiàn)有CNC與PC通過串行通信連接起來的一種形式。其優(yōu)點是易實現(xiàn)，CNC局部幾乎可以不加改動，也可以使用通用軟件；其缺點是CNC局部不能實現(xiàn)開放化，系統(tǒng)響應(yīng)速度慢。(2)PC內(nèi)藏型CNC。即在CNC內(nèi)部加裝PC，PC與CNC之間通過專用總線連接。這種結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)點是CNC局部幾乎可以不加改動地使用，數(shù)據(jù)傳輸快，系統(tǒng)響應(yīng)快；缺點是不能直接使用通用PC。(3)CNC內(nèi)藏型PC。即在通用PC的擴(kuò)展槽中插入專用CNC，專用CNC具有包括加工軌跡生成等幾乎所有的CNC處理功能。這種結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)點是能夠充分保證系統(tǒng)性能，軟件通用性強而且編程處理靈活；缺點是很難利用現(xiàn)有的CNC資源和系統(tǒng)的可靠性。(4)全軟件型NC。即CNC的全部功能都由PC完成。優(yōu)點是硬件通用性強，編程處理靈活；缺點是在通用PC上較難實現(xiàn)實時處理，較難保證系統(tǒng)性能，而且難以利用現(xiàn)有CNC資源。三、CNC裝置的軟件(一)CNC裝置的控制流程Ⅰ控制分類：(1)實現(xiàn)各坐標(biāo)軸運行的“數(shù)字控制〞，即NC控制；(2)完成各種應(yīng)答動作的“順序控制〞，或稱輔助控制。Ⅱ控制流程：機床所需要的各種控制指令、參數(shù)以及加工數(shù)據(jù)通過輸入設(shè)備送入CNC的存儲裝置中。加工時再從存儲器調(diào)出，按程序段進(jìn)行譯碼，將零件加工程序轉(zhuǎn)變成為CNC裝置能夠接受的代碼。Ⅲ譯碼后的信息流程：

譯碼后分為兩路：1.低速輔助信息

(1)輔助功能M(主軸起、停，冷卻液通、斷，刀具更換等)；

(2)主軸轉(zhuǎn)速功能S(主軸轉(zhuǎn)速設(shè)定)；

(3)刀具功能T(刀具選擇)。低速輔助信息由PLC處理和輸出，實現(xiàn)輔助控制。2.高速軌跡信息〔數(shù)字控制信息〕

(1)刀具補償處理(將零件輪廓軌跡轉(zhuǎn)換為刀具中心軌跡)；

(2)進(jìn)給速度處理(各運動坐標(biāo)分速度的計算和限速處理)。通過函數(shù)計算。刀具補償處理簡單的說，刀具在加工處理過程中，刀具本身也要磨損，尺寸發(fā)生變化，因此，需要不斷的對加工過程進(jìn)行計算，對刀具的磨損進(jìn)行補償，所以，要求計算的難度比較大，數(shù)量也較多，更要求計算及時。因此，高速軌跡信息經(jīng)過預(yù)處理后再進(jìn)行插補和位置控制，經(jīng)過控制伺服系統(tǒng)實現(xiàn)坐標(biāo)軸的協(xié)同運動，以實現(xiàn)NC控制?！捕矯NC裝置的多任務(wù)并行處理圖5-10CNC裝置所完成的任務(wù)

1.任務(wù)種類：

CNC裝置的系統(tǒng)軟件除了要執(zhí)行必要的控制任務(wù)外，還必須具有管理任務(wù)。2.控制任務(wù)內(nèi)容：控制任務(wù)包括譯碼、刀具補償、速度處理、插補、位置控制等，這類任務(wù)要求很強的實時性；3.管理任務(wù)內(nèi)容：包括人機界面管理、程序的輸入輸出、顯示、診斷等。相對于控制任務(wù)而言，管理任務(wù)的特點是實時性要求不高。4.并行處理：在許多情況下，CNC裝置中的控制和管理的某些任務(wù)必須同時進(jìn)行，即并行處理。

例如，當(dāng)CNC裝置工作在加工狀態(tài)時，為了使操作人員及時了解CNC系統(tǒng)的工作狀態(tài)，顯示和控制任務(wù)必須同時進(jìn)行。如為保證加工的連續(xù)性，即各個程序段間不停刀，譯碼、刀具補償和速度處理任務(wù)需要和插補任務(wù)同時執(zhí)行，插補任務(wù)又要和位置控制任務(wù)同時進(jìn)行。圖5-11多任務(wù)并行處理示意圖四、可編程序控制器

(一)PLC概述

1.PLC的組成PLC實質(zhì)上是一種專用工業(yè)控制計算機，其組成包括硬件和軟件兩局部。Ⅰ硬件組成：PLC硬件包括根本組成局部、I/O擴(kuò)展局部和外部設(shè)備三大局部。

根本組成局部是構(gòu)成PLC的最小系統(tǒng)，包括CPU及存儲器、輸入接口、輸出接口、電源等。(1)根本組成局部①CPU：輸入輸出處理、程序解算、通訊處理等。②存儲器：其中系統(tǒng)存儲器存放PLC的系統(tǒng)軟件；而用戶存儲器存放用戶程序和I/O狀態(tài)③輸入接口、輸出接口〔I/O接口〕：輸入接口將采集到的開關(guān)和現(xiàn)場設(shè)備信號送給CPU，解算后將控制信號經(jīng)輸出接口轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號驅(qū)動現(xiàn)場設(shè)備。④電源〔2〕I/O擴(kuò)展局部當(dāng)用戶所需要的輸入、輸出點數(shù)超過根本系統(tǒng)的輸入輸出點數(shù)時，由I/O擴(kuò)展局部擴(kuò)大系統(tǒng)的總點數(shù)?！?〕外部設(shè)備是開發(fā)PLC控制系統(tǒng)的輔助設(shè)備，主要包括：

編程器、EPROM寫入器、磁帶機、打印機、監(jiān)視器等。Ⅱ軟件組成：PLC軟件包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩局部。(1)系統(tǒng)軟件由生產(chǎn)廠家編制，用于管理、協(xié)調(diào)PLC各局部的工作，通常被固化在ROM(只讀)(2)應(yīng)用軟件是用戶根據(jù)控制的需要，用PLC語言編寫的程序。應(yīng)用軟件一般存在RAM中，并使用鋰電池進(jìn)行掉電保護(hù)；不經(jīng)常變化的應(yīng)用軟件可以固化在PLC提供EPROM模塊中。PLC插上裝有用戶程序的EPROM模塊時，PLC優(yōu)先執(zhí)行EPROM模塊中的程序；而PLC機不插上裝有用戶程序的EPROM模塊時，PLC執(zhí)行RAM區(qū)的用戶程序。2.PLC的根本技術(shù)指標(biāo)

(1)存儲器容量。一般用K字節(jié)〔KB〕、K位來表示。在PLC中，程序指令按“步〞存放。一“步〞占用一個地址單元，一個地址單元一般占用兩個字節(jié)，因此，如果有一個PLC內(nèi)存容量為1000步，可以推知其內(nèi)存約為2000字節(jié)。(2)掃描速度。一般以執(zhí)行1000步指令所需要的時間來衡量，單位是ms/K，或μs/步。(3)I/O點數(shù)。I/O點數(shù)是指PLC外部輸入、輸出端子總數(shù)，這是PLC最重要的一項技術(shù)指標(biāo)。(4)編程語言。編程語言的指令條數(shù)是衡量PLC軟件功能強弱的主要指標(biāo)，指令越多，編程功能越強。這里要強調(diào)三個方面：〔1〕PLC的根本技術(shù)指標(biāo)中沒有CPU的主頻和字長，和計算機是不一樣的；〔2〕I/O點數(shù)是PLC最重要的一項技術(shù)指標(biāo)；〔3〕衡量PLC軟件功能強弱的主要指標(biāo)是編程語言的指令條數(shù)。3.PLC的特點PLC作為一種新型的工業(yè)控制器具有以下特點：〔1〕控制程序可變，具有良好的柔性。當(dāng)生產(chǎn)工藝改變或生產(chǎn)設(shè)備更新時，無須改變硬件而只要改變相應(yīng)的程序即可。〔2〕采用面向過程的語言，編程方便。目前大多數(shù)PLC都使用清晰直觀的梯形圖指令RLL語言或圖形化編程語言SFC。這些和電路圖是相對應(yīng)的。〔3〕功能完善?，F(xiàn)代PLC不僅具有邏輯運算、算術(shù)運算、定時、計數(shù)及順序控制等根本功能，還可以提供數(shù)據(jù)傳送、矩陣處理、PID調(diào)節(jié)、ASCII碼操作、遠(yuǎn)程I/O、運動控制、網(wǎng)絡(luò)通信等高級功能，還可以使用高級語言〔C語言、BASIC語言等〕編寫子程序嵌入到PLC程序中執(zhí)行?！?〕擴(kuò)充方便，配置靈活。當(dāng)前PLC系統(tǒng)提供了各種不同功能的模塊和擴(kuò)充單元，I/O點數(shù)可以從幾十點直到上萬點，甚至可以構(gòu)成適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)相互通信的多主機分布式控制系統(tǒng)。(5)系統(tǒng)構(gòu)成簡單，安裝調(diào)試方便。需要組成系統(tǒng)時，用簡單的編程方法將程序?qū)懭氪鎯ζ鲀?nèi)，接上相應(yīng)的輸入輸出，便可構(gòu)成一個完整的控制系統(tǒng)。它的輸出可以直接驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，從而大大地簡化了硬件接線。由于采用了模塊化結(jié)構(gòu)，也使維修工作更加方便。

(6)可靠性高?？删幊炭刂破魇褂么笠?guī)模集成電路，和具有很多觸點的繼電器系統(tǒng)比較，可靠性要高得多。而且在PLC的設(shè)計中采用了容錯技術(shù)。兩個主要衡量指標(biāo)：平均無故障時間〔MTBF〕超過20000小時，平均修復(fù)時間〔MTTR〕那么小于10分鐘。另外，在PLC的輸出輸入中采用屏蔽、濾波、隔離、電源調(diào)整等措施，大大提高了抗工業(yè)環(huán)境干擾的能力?！捕砅LC在數(shù)控機床中的應(yīng)用在中、高檔數(shù)控機床中，PLC是CNC裝置的重要組成局部。作用是：接受來自零件加工程序的開關(guān)功能信息〔M、S、T即輔助功能、主軸轉(zhuǎn)速功能和刀具功能〕、機床操作面板上的開關(guān)量信號，進(jìn)行邏輯處理，完成輸出控制功能，實現(xiàn)各功能以及操作方式的連鎖。數(shù)控機床使用的PLC有內(nèi)裝型和獨立型。1.內(nèi)裝型PLC的特點：〔1〕其性能指標(biāo)由所屬CNC裝置的性能規(guī)格確定。它的硬件和軟件被作為CNC裝置的根本功能統(tǒng)一設(shè)計，具有結(jié)構(gòu)緊湊、適配性強等優(yōu)點?！?〕它有與CNC共用微處理器和具有專用微處理器兩種類型。前者利用CNC微處理器的余力來發(fā)揮PLC的功能，I/O點數(shù)較少；后者由于有獨立的微處理器，多用于順序程序復(fù)雜，動作速度要求快的場合?！?〕它與CNC其它電路同裝在一個機箱內(nèi)，共用一個電源和地線?！?〕內(nèi)裝型PLC的硬件電路可與CNC其他電路制作在同一塊印刷電路板上，也可以單獨制成一塊附加印刷電路板，供用戶選擇。〔5〕內(nèi)裝型PLC使用CNC裝置本身的I/O接口電路?！?〕采用內(nèi)裝型PLC造價低，具有較高的性能、價格比。2.獨立型PLC的特點：〔1〕可根據(jù)數(shù)控機床對控制功能的要求靈活選購或自行開發(fā)?！?〕有自己的I/O接口電路，PLC本身采取模塊化結(jié)構(gòu)。〔3〕可以擴(kuò)大CNC的控制功能，可以形成兩個以上的附加軸控制?！?〕在性能、價格比上不如內(nèi)裝型PLC。3.運用情況：總的來看，單微處理器的CNC裝置采用內(nèi)裝型PLC為多，而獨立型PLC主要用在多微處理器CNC裝置，F(xiàn)MC或FMS、CIMS中，具有較強的數(shù)據(jù)處理、通信和診斷功能，成為CNC與上級計算機聯(lián)網(wǎng)的重要設(shè)備。單機CNC系統(tǒng)中的內(nèi)裝型和獨立型PLC的作用是一樣的，主要是協(xié)助CNC裝置實現(xiàn)低速輔助信息的控制。4.內(nèi)裝型PLC和獨立型PLC之間的區(qū)別：〔1〕內(nèi)裝型PLC的硬件和軟件被作為CNC裝置的根本功能統(tǒng)一設(shè)計，其性能指標(biāo)由所屬的CNC裝置的性能、規(guī)格確定。而獨立型PLC是根據(jù)數(shù)控機床對控制功能要求進(jìn)行靈活選購或自行開發(fā)單獨的PLC機?！?〕內(nèi)裝型PLC可以與CNC共用一個微處理器，而獨力型PLC不能與CNC共用一個微處理器?！?〕內(nèi)裝型PLC與CNC其它電路同裝在一個機箱內(nèi)，共用一個電源和地線。而獨立型PLC本身采用模塊化結(jié)構(gòu)，單獨裝在插板式籠箱內(nèi)，I/O點數(shù)可通過I/O模塊或插板的增減靈活配置?！?〕內(nèi)裝型PLC對外沒有單獨配置的I/O接口電路，而是使用CNC裝置本身的I/O接口電路。而獨立型PLC有自己的I/O接口電路，PLC與CNC裝置、PLC與機床側(cè)都通過I/O接口電路連接?！?〕獨立型PLC可以擴(kuò)展CNC的控制功能，可以形成兩個以上的附加軸控制。而內(nèi)裝型PLC不可以?！?〕在性能、價格比上，內(nèi)裝型PLC高于獨立型?！踩砅LC在工業(yè)控制中應(yīng)用簡述〔了解的內(nèi)容〕PLC除了在CNC中使用外，還廣泛用于冶金、機械、汽車制造、石油化工、能源交通乃至娛樂等各行業(yè)。1.PLC的應(yīng)用類型〔1〕順序控制和開關(guān)邏輯控制類型。這是最根本控制方式，已取代了傳統(tǒng)的繼電器?！?〕閉環(huán)過程控制類型：一個具有PID〔比例、微分、積分〕控制能力的PLC可用于過程控制，把變量保持在設(shè)定值上?！?〕組合數(shù)字控制類型。在機械加工中，將具有數(shù)據(jù)處理功能的PLC和CNC組成一體，實現(xiàn)數(shù)字控制?！?〕組成多級控制系統(tǒng)類型?；鶎佑芍行⌒蚉LC和CNC等控制設(shè)備組成，中層由大型PLC進(jìn)行單元控制與監(jiān)督，上層由上位計算機做總體管理。〔5〕選用PLC可對具有3-6個自由度的機器人進(jìn)行控制。2.PLC在位置控制中的應(yīng)用〔1〕PLC制造廠商提供電動機的單軸或多軸位置控制模塊。位置控制模塊即可根據(jù)來自現(xiàn)場的監(jiān)測信號和PLC的命令來調(diào)整控制輸出，移動一軸或數(shù)軸到達(dá)目標(biāo)位置。特別適用于機床的點位直線伺服控制。〔2〕總體來說，可編程序控制器是一種新型自動化控制裝置。最早用于代替?zhèn)鹘y(tǒng)的繼電器控制裝置，功能上只有邏輯運算、定時、計數(shù)以及順序控制等，而且只能進(jìn)行開關(guān)量控制。近年來，PLC把計算機技術(shù)、自動化技術(shù)和通信技術(shù)融為一體，開展成新型的工業(yè)控制器，其控制功能已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過邏輯控制的功能。五、CNC裝置的選擇1.根據(jù)數(shù)控機床的加工類別，有針對性的選擇。2.根據(jù)數(shù)控機床的設(shè)計指標(biāo)和性價比進(jìn)行選擇。3.具備根本功能的CNC裝置相對廉價，而帶有選擇功能的CNC裝置比較貴。所以，對于選擇功能，需要的再選。4.一次考慮周全，不要遺漏。第三節(jié)數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)

一、概述伺服驅(qū)動系統(tǒng)是一種以機械位置或角度作為控制對象的自動控制系統(tǒng)。對于數(shù)控機床，如果說CNC裝置是數(shù)控機床的“大腦〞，是發(fā)布“命令〞的“指揮機構(gòu)〞，那么伺服系統(tǒng)便是數(shù)控機床的“四肢〞，是一種“執(zhí)行機構(gòu)〞，能夠準(zhǔn)確地執(zhí)行由CNC裝置發(fā)出的運動命令。伺服系統(tǒng)的性能在很大程度上決定了數(shù)控機床的性能。例如，數(shù)控機床的最高移動速度、跟蹤精度、定位精度等重要指標(biāo)，均取決于進(jìn)給伺服系統(tǒng)的特性。〔一〕伺服驅(qū)動系統(tǒng)的分類1.按控制對象和使用目的的不同，數(shù)控機床伺服系統(tǒng)可分為進(jìn)給伺服系統(tǒng)、主軸伺服系統(tǒng)和輔助伺服系統(tǒng)?！?〕進(jìn)給伺服系統(tǒng)用于控制機床各坐標(biāo)軸的切削進(jìn)給運動，是一種精密的位置跟蹤、定位系統(tǒng)，它包括速度控制和位置控制。〔2〕主軸伺服系統(tǒng)用于控制機床主軸的旋轉(zhuǎn)運動和切削過程中的轉(zhuǎn)矩和功率，一般只以速度控制為主。(3)輔助伺服系統(tǒng)用在各類加工中心或多功能數(shù)控機床中，用來控制刀庫、料庫等輔助系統(tǒng)，一般多采用簡易的位置控制。注意：輔助伺服系統(tǒng)就是要求的簡單的位置，即知道在哪里拿，在哪里放。但是，進(jìn)給與主軸容易誤解成，主軸的要求更高，這是不對的。主軸主要是速度控制為主，而進(jìn)給要求在假設(shè)干個坐標(biāo)上運動，必須準(zhǔn)確的到達(dá)協(xié)調(diào)配合，所以，是一種精密的運動，不但要求速度控制，而且有位置控制，這個位置不是簡單的到達(dá)一點，而是x,y,z這些坐標(biāo)都準(zhǔn)確的滿足曲面加工的要求，所以進(jìn)給數(shù)據(jù)加式系統(tǒng)要求比較高，這樣，在討論到電機時就容易理解了。2.按伺服系統(tǒng)調(diào)節(jié)理論，數(shù)控機床的進(jìn)給伺服系統(tǒng)可分為開環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)系統(tǒng)。3.按驅(qū)動部件的動作原理又可將其分為電液控制系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)。其中，電氣控制系統(tǒng)又有步進(jìn)電動機、直流伺服電動機和交流伺服電動機驅(qū)動系統(tǒng)之分。4.按反響比較控制方式，數(shù)控機床的進(jìn)給伺服系統(tǒng)有脈沖比較、相位比較、幅值比較和全數(shù)字等伺服系統(tǒng)之分?！捕硵?shù)控機床對伺服驅(qū)動系統(tǒng)的要求

〔Ⅰ〕總體要求：1.高精度。要求伺服系統(tǒng)準(zhǔn)確定位，即定位誤差特別是重復(fù)定位誤差要小，并且伺服系統(tǒng)的跟隨精度高，即跟隨誤差小。一般定位精度到達(dá)μm級，高的要求到達(dá)±0.01～±0.005μm。2.快速響應(yīng)，無超調(diào)。加工過程中，為了提高生產(chǎn)率和保證加工質(zhì)量，要求加〔減〕速度足夠大，以便縮短伺服系統(tǒng)過渡過程時間。一般電動機速度從零變到最高速，或從最高速降至零，時間在200毫秒以下，甚至小于幾十毫秒。3.調(diào)速范圍寬。為保證在任何情況下都能得到最正確切削條件，要求進(jìn)給驅(qū)動必須具有足夠?qū)挼恼{(diào)速范圍〔至少到達(dá)1：1000，有些高性能系統(tǒng)已能到達(dá)1：100000〕，而且通常是無級調(diào)速。4.低速大轉(zhuǎn)矩，而且具有較強的過載能力。5.可靠性高，對環(huán)境的適應(yīng)性強，性能穩(wěn)定，使有壽命長，平均無故障間隔時間〔MBTF〕長?！并颉尘唧w要求：1.數(shù)控機床的主軸驅(qū)動不同于進(jìn)給驅(qū)動，主軸的工作運動通常為旋轉(zhuǎn)運動。主軸驅(qū)動系統(tǒng)不僅應(yīng)該具有寬的調(diào)速范圍，而且能在盡可能寬的速度范圍內(nèi)保持恒功率輸出。2.為了滿足不同數(shù)控機床的加工要求，還對主軸驅(qū)動系統(tǒng)提出一些特殊要求，如：〔1〕為了能在數(shù)控車床等機床上加工螺紋，要求主軸驅(qū)動與進(jìn)給驅(qū)動實行同步控制;〔2〕為了保證端面加工的外表粗糙度，要求數(shù)控車床、磨床等機床的主軸驅(qū)動系統(tǒng)具有恒線速切削功能;〔3〕在加工中心上，由于自動換刀的需要，要求主軸驅(qū)動系統(tǒng)具有高精度的停位控制功能;〔4〕有的數(shù)控機床還要求主軸驅(qū)動系統(tǒng)具有角度的控制功能。二、步進(jìn)電動機及其驅(qū)動〔一〕步進(jìn)電動機Ⅰ：原理：步進(jìn)電動機是一種同步電動機，是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移〔或直線位移〕的執(zhí)行元件。這種電動機，每施加一個電脈沖，其轉(zhuǎn)軸就轉(zhuǎn)過一個角度，稱為一步。脈沖數(shù)增加，角(或直線)位移隨之增加；脈沖頻率高，電動機旋轉(zhuǎn)速度就快，反之那么慢；分配脈沖的相序改變，電動機便反轉(zhuǎn)。步進(jìn)電動機繞組所加電源既不是恒定直流，也不是正弦交流，而是脈沖電壓，所以有時也稱為脈沖電動機。Ⅱ：分類：步進(jìn)電動機的種類很多，有多種分類方法。假設(shè)按工作原理分類，那么可將步進(jìn)電動機分為：反響式(磁阻式)、電磁式、永磁式和永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電動機。其中反響式和永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電動機比較常用。1.反響式步進(jìn)電動機電動機定子有A、B、C三對磁極。在相應(yīng)的磁極上繞有A、B、C三相控制繞組。反響式步進(jìn)電動機結(jié)構(gòu)原理圖定子上有A、B、C三對磁極并繞有三相控制繞組?！?〕當(dāng)A、B、C三對磁極的繞組依次輪流通過直流電時，那么A、B、C三對磁極就依次輪流產(chǎn)生磁場吸引轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。首先，當(dāng)A相繞組通電，B、C兩相斷電時，轉(zhuǎn)子的齒1、3分別被定子磁極A—A’吸引而對齊。然后，A相斷電，B相通電，于是轉(zhuǎn)子的2、4兩齒被定子磁極B—B’吸引，這時轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)了300.，接下去B相斷電，C相通電，轉(zhuǎn)子1、3齒與定子磁極C-C′軸線對齊，轉(zhuǎn)子又逆時針轉(zhuǎn)過了300。這種按A→B→C→A→B→C→A…順序輪流通電的方式稱為三相單三拍?！叭啜暿侵付ㄗ佑腥嗬@組A、B、C，“單〞是指每次只有一相繞組單獨通電，“三拍〞是指經(jīng)過三次經(jīng)過切換控制繞組的通電狀態(tài)為一個循環(huán)。每一拍，即輸入一個脈沖信號，都使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個角度，稱之為步距角θs。即300。〔2〕計算公式：齒距角：即相鄰兩齒所對應(yīng)的空間角度假設(shè)轉(zhuǎn)子上有四個齒，齒寬與定子的極靴寬相等，相鄰兩齒所對應(yīng)的空間角度為齒距角。齒距角θt為：

式中：Zr——轉(zhuǎn)子齒數(shù)。

輸入一個脈沖信號轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角θs。計算公式：式中：

N——運行拍數(shù)，N=mK；

m——步進(jìn)電動機的相數(shù)；

Zr——步進(jìn)電動機轉(zhuǎn)子的齒數(shù)；

K——拍數(shù)與相數(shù)比例系數(shù)，如單拍時

K=1，單、雙拍時K=2。實際上一般不會讓大家計算m，k，往往直接給出運行拍數(shù)N，所以公式可記，也可不記。(3)步進(jìn)電動機也可采用三相單、雙拍通電方式實際應(yīng)用中三相單三拍運行方式穩(wěn)定性不好，很少采用。同樣的異步電動機可采用三相單、雙拍通電方式。通電順序為:A→AB→B→BC→C→CA→A→…三相繞組經(jīng)過六次切換完成一個循環(huán)，因而稱為六拍。在一個循環(huán)內(nèi)既有一相繞組通電，又有二相繞組同時通電，稱為“單、雙拍〞。步進(jìn)電動機三相六拍運行方式〔a〕A相通電〔b〕AB相通電〔c〕B相通電〔d〕BC相通電首先A相勵磁繞組通電，使轉(zhuǎn)子1、3與A對齊(如圖a)。然后A、B兩相同時通電，這時A相磁極拉著1、3兩齒，B相磁極拉著2、4兩齒，使轉(zhuǎn)子沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)15°角。此時A、B兩相的磁拉力正好平衡，轉(zhuǎn)子處于圖(b)的位置。接著只有B相通電，B相的磁力拉著2、4齒，使它們的軸線與B相軸線重合，如圖(c)，此時又逆時針旋轉(zhuǎn)15°。繼續(xù)按BC→C→CA→A→…的順序輸入脈沖，步進(jìn)電動機就沿逆時針方向，以15°的步距角一步一步地轉(zhuǎn)動。步進(jìn)電動機的步距角越小，位置精確度就越高。由步距角計算公式：

由公式可看出，轉(zhuǎn)子齒數(shù)多，步距角就小。

三相反響式步進(jìn)電動機結(jié)構(gòu)原理圖齒距角：單三拍運行方式步距角：

單雙六拍運行方式步距角：

由于每輸入一個脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過轉(zhuǎn)，脈沖電源頻率為f，那么步進(jìn)電動機的轉(zhuǎn)速為：

式中：f——控制脈沖頻率，即每秒輸入脈沖數(shù)；N——運行拍數(shù)；Zr——轉(zhuǎn)子齒數(shù)。由轉(zhuǎn)速公式：〔轉(zhuǎn)/分〕可知，反響式步進(jìn)電動機的轉(zhuǎn)速取決于脈沖頻率、轉(zhuǎn)子齒數(shù)和運行拍數(shù)，而與電壓及負(fù)載等因素?zé)o關(guān)。因此，通常采用改變輸入頻率來控制步進(jìn)電動機的速度?！?〕除三相反響式步進(jìn)電動機外，還有四相、五相、六相反響式步進(jìn)電動機。2.永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電動機由于在磁路中含有永久磁鋼，所以，永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電動機的定子繞組斷電后，仍有一定的定位轉(zhuǎn)矩。

3.步進(jìn)電動機的主要性能指標(biāo)。步進(jìn)電動機的主要性能指標(biāo)有：〔1〕步距精度。空載時，以單脈沖輸入，步進(jìn)電動機的實際步距角與理論步距角之差稱為靜態(tài)步距角誤差，以偏差的角度或相對百分?jǐn)?shù)來衡量。我國生產(chǎn)的步進(jìn)電動機的步距精度一般在±10～±30分的范圍，有些可達(dá)±2～±5分。理論上，步進(jìn)電動機，每給一個脈沖，就走一步，給的頻率很高，就飛快的運轉(zhuǎn)，但由于機械的轉(zhuǎn)子有慣性，同時還帶著負(fù)載，負(fù)載具有更大的慣性。因此，開始起動時，給的頻率太高，或在正常運轉(zhuǎn)時，提速過快，就可能跟不上，本來A應(yīng)該抓住第二個齒，結(jié)果第二個齒還未過來，其它的相就通電了，造成轉(zhuǎn)子無所適從，這就是失步。〔2〕最大靜轉(zhuǎn)距。轉(zhuǎn)子處于靜止?fàn)顟B(tài)時，能與最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡的電磁轉(zhuǎn)矩稱為步進(jìn)電動機的最大轉(zhuǎn)矩。它是衡量步進(jìn)電動機帶負(fù)載能力的主要指標(biāo)?！?〕起動頻率。使步進(jìn)電動機能夠由靜止定位狀態(tài)不失步地起動，并進(jìn)入正常運行的控制脈沖最高頻率，稱為起動頻率。在電動機空載情況下，稱為空載起動頻率。在有負(fù)載情況下，不失步起動所允許的最高頻率將大大降低。〔4〕連續(xù)運行頻率。步進(jìn)電動機起動后，其轉(zhuǎn)速將跟隨控制脈沖頻率連續(xù)上升而不失步的控制脈沖的最高頻率，稱為連續(xù)運行頻率的最高工作頻率。步進(jìn)電動機的連續(xù)運行頻率隨負(fù)載的增大而下降，但步進(jìn)電動機連續(xù)運行頻率遠(yuǎn)高于其起動頻率。〔二〕步進(jìn)電動機驅(qū)動電源1.驅(qū)動電源的根本要求：〔1〕電源的相數(shù)、通電方式、電壓、電流應(yīng)與步進(jìn)電動機的根本參數(shù)相適應(yīng)；〔2〕滿足步進(jìn)電動機起動頻率和運行頻率的要求；〔3〕工作可靠、抗干擾能力強；〔4〕本錢低，效率高，安裝和維護(hù)方便；2.組成：驅(qū)動電源由環(huán)形分配器和功率驅(qū)動器組成。〔1〕環(huán)形分配器：主要功能是將CNC裝置的插補脈沖，按照步進(jìn)電動機所要求的規(guī)律分配給功率驅(qū)動器的各相輸入端，以控制步進(jìn)電動機勵磁繞組的導(dǎo)通或關(guān)斷?！?〕功率驅(qū)動器：主要作用是將環(huán)形分配器輸出的脈沖信號放大，以便用足夠的功率來驅(qū)動步進(jìn)電動機。步進(jìn)電動機具有的優(yōu)點：第一，它的轉(zhuǎn)速取決于脈沖的頻率，第二，步距值不受各種干擾因素的影響，第三，每走一步所轉(zhuǎn)的角度都會有一定的誤差，但是每轉(zhuǎn)一圈累計誤差為零，步距誤差不長期積累。缺點：過載能力比較差。步進(jìn)電動機有很多優(yōu)點，但是，步進(jìn)電動機的性能不太理想，主要用于開環(huán)位置控制，且因為速度、功率不夠高，開環(huán)不能到達(dá)很高的控制精度，所以主要用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機床和電加工機床，前面所介紹的電火花加工、電火花切割、計算機、打印機、繪圖儀，這些要求不太高的。前面介紹數(shù)控機床分類時，有一按性能指標(biāo)分類，特別講到低檔數(shù)控機床根本上是開環(huán)步進(jìn)電動機，而且沒有PLC，這就對應(yīng)上了。三、直流伺服電動機及其速度控制以直流伺服電動機作為驅(qū)動元件的伺服系統(tǒng)即直流伺服系統(tǒng)。直流伺服電動機具有良好的調(diào)速性能，尤其是他勵〔永磁〕直流伺服電動機，其機械特性比較硬，即負(fù)載增加時，電動機轉(zhuǎn)速的降幅很小?！惨弧持绷魉欧妱訖C1.直流主軸電動機。結(jié)構(gòu)與普通直流電動機的結(jié)構(gòu)根本相同。定子也有主磁極和換向磁極，采用矽鋼片疊成?！?〕在主磁極上繞有補償繞組，其作用是為了抵消轉(zhuǎn)子反響磁動勢對氣隙主磁通的影響，改善電動機的調(diào)速性能。〔2〕換向磁極的作用是為了改善電動機的換向性能。防止在換向時產(chǎn)生電火花?！?〕直流主軸電動機都采用軸向強迫通風(fēng)冷卻或熱管冷卻，以改善冷卻效果，防止電動機熱量傳到主軸?！?〕電動機尾部還同軸安裝有測速發(fā)電機作為速度反響元件。我們前面介紹閉環(huán)系統(tǒng)時，反響檢測元件沒有安裝在機床工作臺上，而是安裝在電動機的輸出軸上。在根本速度nj以下為恒轉(zhuǎn)矩范圍，在根本速度nj以上為恒功率范圍。通常恒轉(zhuǎn)矩速度范圍與恒功率速度范圍之比為1:2。2.進(jìn)給直流伺服電動機在數(shù)控機床的直流進(jìn)給伺服驅(qū)動系統(tǒng)中，多采用永磁直流伺服電動機作為驅(qū)動元件。(1)永磁直流伺服電動機由電動機本體和檢測部件組成。電動機本體主要由機殼、定子磁極和轉(zhuǎn)子三局部組成。永磁直流伺服電動機的定子磁極是一個永磁體。不需要勵磁功率。在同樣的輸出功率時體積和重量較小。反響用的檢測部件同軸安裝在電動機的尾部〔非軸伸出端〕?！?〕永磁直流伺服電動機的轉(zhuǎn)子分為小慣量型和普通型兩類。ⅰ)小慣量型轉(zhuǎn)子又可分無槽轉(zhuǎn)子、空心杯形轉(zhuǎn)子和印刷繞組轉(zhuǎn)子。三種小慣量型轉(zhuǎn)子直流伺服電動機的共同特點是轉(zhuǎn)子慣量小，適合于快速響應(yīng)的伺服系統(tǒng)。但其過載能力低，當(dāng)用于數(shù)控機床等進(jìn)給伺服系統(tǒng)中時，由于轉(zhuǎn)子慣量與機械傳動系統(tǒng)匹配較差，電動機與機械傳動系統(tǒng)不能直接相連，必須采取一些措施。ⅱ〕普通型轉(zhuǎn)子永磁直流伺服電動機的特點：

①低速時輸出的轉(zhuǎn)矩大，慣量比較大，能與機械傳動系統(tǒng)直接相連，省去齒輪等傳動機構(gòu)，從而有利于減小機械振動和噪聲，以及齒隙誤差。

②轉(zhuǎn)子的熱容量大，電動機的過載性能好，一般能加倍過載幾十分鐘。

③調(diào)速范圍寬，當(dāng)與高性能速度控制單元組成速度控制系統(tǒng)時，調(diào)速范圍可達(dá)1:1000以上。

④轉(zhuǎn)子慣量比較大，為了滿足快速響應(yīng)的要求，需要加大電源容量。

⑤轉(zhuǎn)子溫升高(電動機允許溫升可達(dá)1500C～1800C)可通過轉(zhuǎn)軸傳到機械上去，這會影響精密機械的精度。3.工作曲線：〔1〕伺服電動機的工作區(qū)域被溫度極限線、轉(zhuǎn)速極限線、換向極限線、轉(zhuǎn)矩極限線以及瞬時換向極限線劃分成三個區(qū)域：Ⅰ區(qū)為連續(xù)工作區(qū)，在該區(qū)域內(nèi)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的任意組合都可以長時間連續(xù)工作。Ⅱ區(qū)為斷續(xù)工作區(qū)，在該區(qū)域內(nèi)電動機只能按允許的工作時間和斷電時間間歇工作。Ⅲ區(qū)為加速和減速區(qū)，在該區(qū)域內(nèi)電動機只能作加速或減速，工作極短的時間。(2)選擇進(jìn)給伺服電動機時，一定要滿足以下條件：機床空載運行時，應(yīng)在特性曲線的連續(xù)工作區(qū)；加減速過程應(yīng)在加減速區(qū)；頻繁起動、制動以及周期變化的負(fù)載，必須檢查一個周期內(nèi)轉(zhuǎn)矩的均方根值，并應(yīng)小于電動機的連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩；最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩、加載周期以及過載時間都應(yīng)在特性曲線允許的范圍以內(nèi)?！捕持绷魉欧妱訖C的速度控制方法1.直流主軸電動機的速度控制方法他勵式直流主軸電動機的電磁轉(zhuǎn)矩為

其中，勵磁磁通Φ和轉(zhuǎn)子回路電流Ia是相互獨立的，可分別進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而得到良好的靜態(tài)和動態(tài)轉(zhuǎn)矩控制特性。式中：CT－轉(zhuǎn)矩系數(shù)，是電動機的結(jié)構(gòu)常數(shù)；

φ－勵磁磁通〔wb〕；

Ia－轉(zhuǎn)子回路電流〔A〕。直流主軸電動機的調(diào)速系統(tǒng)為雙域調(diào)速系統(tǒng)，由轉(zhuǎn)子繞組控制回路和磁場控制回路兩局部組成。在轉(zhuǎn)子繞組控制回路中，通過改變轉(zhuǎn)子繞組電壓〔即外加電壓〕調(diào)速，適于根本速度以下的恒轉(zhuǎn)矩范圍。在磁場控制回路中，通過改變勵磁電流If(即改變磁通φ)調(diào)速，為恒功率調(diào)速，適于根本速度以上的恒功率范圍。2.永磁直流伺服電動機的速度控制用于數(shù)控機床進(jìn)給伺服系統(tǒng)中的永磁直流伺服電動機多采用改變外加電壓的調(diào)速方法。這是因為這種調(diào)速方法具有恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速特性、機械特性好、經(jīng)濟(jì)性能好等特點。常采用的調(diào)速系統(tǒng)有兩種，即晶閘管調(diào)速系統(tǒng)和晶體管脈寬調(diào)制調(diào)速系統(tǒng)。四、交流伺服電動機及其速度控制直流伺服電動機具有優(yōu)良的調(diào)速性能，但它的電刷和換向器容易磨損，需要經(jīng)常維護(hù)；由于換向器換向時會產(chǎn)生火花而使最高轉(zhuǎn)速受到限制，也使應(yīng)用環(huán)境受到限制；直流電動機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，本錢高。因此，20世紀(jì)80年代中期以來，交流伺服電動機得到飛速開展，交流伺服系統(tǒng)正在逐步取代直流伺服系統(tǒng)?！惨弧辰涣魉欧妱訖C1.交流主軸電動機〔1〕是經(jīng)過專門設(shè)計的鼠籠式三相異步電動機?！?〕特點：沒有外殼，定子鐵芯直接暴露在空氣中，而且有軸向通風(fēng)孔，以利于電動機冷卻、縮小電動機體積。轉(zhuǎn)子做成細(xì)長型，以便減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量。尾部都同軸安裝有速度反響元件，這里是脈沖發(fā)生器〔或脈沖編碼器〕?！?〕交流主軸電動機的功率—速度特性曲線與直流主軸電動機相類似在根本速度以下為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域，在根本速度以上為恒功率區(qū)域。恒功率的速度范圍只有1:3的速度比，當(dāng)速度超過一定值后，功率一速度特性曲線會向下傾斜。交流主軸電動機也具有一定的過載能力，一般能在額定負(fù)載的1.2～1.5倍負(fù)載下工作幾分鐘至半個小時。2.永磁同步交流伺服電動機〔1〕主要由定子、轉(zhuǎn)子和檢測部件三局部組成：定子形狀與普通感應(yīng)電動機的定子相似，具有齒槽，內(nèi)有三相繞組，外外表多呈多邊形，且無外殼，這樣有利于散熱。轉(zhuǎn)子由多塊永久磁鐵和沖片組成?！?〕當(dāng)定子三相繞組接上電源后，就產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，該旋轉(zhuǎn)磁場吸引永磁轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)。永磁同步交流伺服電動機的轉(zhuǎn)子始終跟著定子的旋轉(zhuǎn)磁場以恒定的同步轉(zhuǎn)速ns旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為：

式中：nr—轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；ns—定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速；f—電源頻率；Ｐ—磁極對數(shù)。注意：第一，使用交流電；第二，同步，轉(zhuǎn)子和旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速相同；第三，永磁，指轉(zhuǎn)子是永磁體?！?〕交流伺服電動機的性能用特性曲線和數(shù)據(jù)表來描述。其中最重要的是電動機的工作曲線，即轉(zhuǎn)矩—速度特性曲線。交流伺服電動機的機械特性要比直流伺服電動機的機械特性更硬，其直線更接近水平線。另外，斷續(xù)工作區(qū)的范圍更為擴(kuò)大，尤其是在高速區(qū)域，這將有利于提高電動機的加、減速能力。注意：直流電動機和交流電動機都有永磁，直流電動機的永磁是定子，交流電動機的永磁是轉(zhuǎn)子?！捕辰涣魉欧妱訖C的速度控制方法1.交流主軸電動機的速度控制對于交流主軸電動機、氣隙磁通和轉(zhuǎn)子電流不是獨立變量，它們都是轉(zhuǎn)差率S的函數(shù)，無法分開進(jìn)行獨立控制。另外，被控量是既有大小又有相位的矢量，比標(biāo)量難控制得多。將交流矢量轉(zhuǎn)換成標(biāo)量，從而將交流電動機模擬成直流電動機來控制它的轉(zhuǎn)矩，稱為交流矢量的直流標(biāo)量化。這種方法可以使交流電動機獲得與直流電動機同樣優(yōu)越的調(diào)速性能。2.永磁同步交流伺服電動機的速度控制由同步電動機的轉(zhuǎn)速計算公式可知，可以通過改變電源頻率來實現(xiàn)調(diào)速的要求。改變頻率可以采用交—直—交變頻器或交—交變頻器。第三節(jié)重點要求了解交流、直流伺服電動機和第三章中交流、直流電動機構(gòu)造上的區(qū)別；其次注意步進(jìn)電動機的工作原理、轉(zhuǎn)速的計算及其特性。

第四節(jié)工業(yè)機器人20世紀(jì)20年代，在自動機和自動線上出現(xiàn)了可代替人傳送和裝卸工件的機械手。隨后在某些危險作業(yè)領(lǐng)域出現(xiàn)了可控制和遙控的操作機。工業(yè)機器人是在此根底上開展起來的能模仿人的某些動作，并按可變的預(yù)定程序、軌跡和其他要求操縱工具，實現(xiàn)多種操作的自動化機電系統(tǒng)。工業(yè)機器人是提高生產(chǎn)過程自動化，改善勞動條件，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的有效手段之一，是柔性制造和工廠自動化技術(shù)的重要組成局部。1.定義：工業(yè)機器人是一種能自動定位控制，可重復(fù)編程，多功能的、多自由度的操作機。2.功能：能搬運材料、零件或操持工具，用以完成各種作業(yè)。3.特點：工業(yè)機器人不同于機械手。工業(yè)機器人具有獨立的控制系統(tǒng)，可以通過編程實現(xiàn)動作程序的變化；而機械手只能完成簡單的搬運、抓取及上下料工作，它一般作為自動機或自動線上的附屬裝置，工作程序固定不變。一、工業(yè)機器人的組成和分類〔一〕工業(yè)機器人的組成一般由操作機、驅(qū)動裝置和控制系統(tǒng)三局部組成。1.操作機(執(zhí)行機構(gòu))，由末端執(zhí)行器、手腕、手臂和機座組成。末端執(zhí)行器又稱手部，是操作機直接執(zhí)行操作的裝置。其上可安裝夾持器、工具、傳感器等。夾持器分為機械夾緊、磁力夾緊、液壓張緊和真空抽吸四種。手腕是連接手臂與末端執(zhí)行器的部件，用來支承末端執(zhí)行器并調(diào)整其資態(tài)。手腕一般有2～3個回轉(zhuǎn)自由度，可擴(kuò)大手臂的工作范圍。手臂用于支承和調(diào)整手腕和末端執(zhí)行器。它由連接桿件和關(guān)節(jié)組成，包括肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)。手臂與機座間通過關(guān)節(jié)邊接，從而可擴(kuò)大末端執(zhí)行器姿態(tài)的動動范圍。機座是承力部件，在機器人中相對固定。有固定式機座和移動式機座。移動式機座下部的行走機構(gòu)可以是滾輪或履帶。步行機器人的行走機構(gòu)多為連桿機構(gòu)。2.驅(qū)動裝置。驅(qū)動裝置為操作機工作提供動力。按所采用的動力源分為電動、液動和氣動三種類型。其執(zhí)行部件〔伺服電動機、液壓缸或所缸〕可以與操作機直接相連，也可以通過齒輪、鏈條和諧波減速器與操作機連接。3.控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)，其功能是控制工業(yè)機器人按照要求動作。目前，工業(yè)機器人多采用計算機控制。計算機控制系統(tǒng)一般分為三級：決策級—識別環(huán)境，建立模型，將作業(yè)任務(wù)分解為根本動作序列；策略級—將根本動作轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)節(jié)坐標(biāo)協(xié)調(diào)變化的規(guī)律，分配給各關(guān)節(jié)的伺服系統(tǒng)；執(zhí)行級—將根本動作轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)節(jié)坐標(biāo)協(xié)調(diào)變化的規(guī)律，分配給各關(guān)節(jié)的伺服系統(tǒng)；〔二〕工業(yè)機器人的分類1.按坐標(biāo)形式分。指操作機手臂運動所取參考坐標(biāo)系的形式。有四種：(1)直角坐標(biāo)為(代號PPP)機器人末端執(zhí)行器〔手部〕空間位置的改變是通過沿著三個互相重直的直角坐標(biāo)x、y、z的移動來實現(xiàn)。

〔2〕圓柱坐標(biāo)式〔代號RPP〕。機器人末端招待器空間位置的改變是由兩個移動坐標(biāo)和一個旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)實現(xiàn)的。

〔3〕球坐標(biāo)式(代號RRP)。又稱極坐標(biāo)式，機器人手臂的運動由一個直線運動和二個轉(zhuǎn)動組成，即沿x軸的伸縮，繞y軸的俯仰和繞z軸的回轉(zhuǎn)。〔4〕關(guān)節(jié)坐標(biāo)式〔代號RRR〕。又稱回轉(zhuǎn)坐標(biāo)式，分為垂直關(guān)節(jié)坐標(biāo)和平面(水平)關(guān)節(jié)坐標(biāo)。2.按驅(qū)動方式：電力驅(qū)動、液壓驅(qū)動和氣壓驅(qū)動〔1〕電力驅(qū)動。使用最多，驅(qū)動元件可以是步進(jìn)電動機、直流伺服電動機和交流伺服電動機。目前交流伺服電動機是主流?！?〕液壓驅(qū)動。有很大的抓取能力(可抓取高達(dá)上千年力)，液壓力可達(dá)7Mpa，液壓傳動平穩(wěn)，防爆性好，動作也較靈敏，但對密封性要求高，對溫度敏感?！?〕氣壓驅(qū)動。結(jié)構(gòu)簡單、動作迅速、低格低，但由于空氣可壓縮而使工作速度穩(wěn)定性差，氣壓一般為0.7MPa，因而抓取力小(幾十牛力至百牛力)?！?〕點位控制。只控制機器人末端執(zhí)行器目標(biāo)點的位置和姿態(tài)，而對從空間的一點到另一點的軌跡不進(jìn)行嚴(yán)格控制。該種控制方式簡單，適用于上下料、點焊、卸運等作業(yè)?！?〕連續(xù)軌跡控制。不僅要控制目標(biāo)點的位置精度，而且還要對運動軌跡進(jìn)行控制。比較復(fù)雜。采用這種控制方式的機器人，常用于焊接、噴漆和檢測等作業(yè)中。3.按控制方式分二、工業(yè)機器人的特性參數(shù)和技術(shù)要求〔一〕特性參數(shù)1.坐標(biāo)型式：直角坐標(biāo)、圓柱坐標(biāo)、球坐標(biāo)、關(guān)節(jié)坐標(biāo)等。2.運動自由度數(shù)：一般少于6個。3.各自由度的動作范圍4.自由度的動作速度5.額定負(fù)載6.精度項目名稱說明坐標(biāo)形式常用的坐標(biāo)形式有直角坐標(biāo)、圓柱坐標(biāo)、球坐標(biāo)、關(guān)節(jié)坐標(biāo)等運動自由度數(shù)自由度數(shù)表示機器人動作的靈活程度；機器人的自由度一般少于6個，也有多于6個的各自由度的動作范圍自由度的動作范圍是指各關(guān)節(jié)的活動范圍；各關(guān)節(jié)的基本動作范圍決定了機器人操作機工作空間的形狀和大小各自由度的動作速度各自由度的動作速度是指各關(guān)節(jié)的極限速度額定負(fù)載額定負(fù)載是指在規(guī)定性能范圍內(nèi)，在手腕機械接口處所能承受的最大負(fù)載允許值精度精度主要包括位姿精度、位姿重復(fù)性、軌跡精度、軌跡重復(fù)性等工業(yè)機器人的主要特性參數(shù)項目名稱說明坐標(biāo)型式常用的坐標(biāo)型式有直角坐標(biāo)、圓柱坐標(biāo)、球坐標(biāo)、關(guān)節(jié)坐標(biāo)等運動自由度數(shù)自由度數(shù)表示機器人動作的靈活程度，機器人的自由度一般少于6個，也有多于6個的各自由度的動作范圍自由度的動作范圍是指各關(guān)節(jié)的活動范圍。各關(guān)節(jié)的基本動作范圍決定了機器人操作機工作空間的開頭和大小各自由度的動作速度各自由度的動作速度是指各關(guān)節(jié)的極限速度額定負(fù)載額定負(fù)載是指在規(guī)定性能范圍內(nèi)，在手腕機械接口處所能隨的最大負(fù)載允許值精度精度主要包括位姿精度、位姿重復(fù)性、軌跡精度、軌跡重復(fù)性等。其中，位姿精度是指指令位姿和從同一方向接近該指令位姿時各實到位姿與中心之間的偏差；位姿重復(fù)性是指對于同一指令位姿，從同一方向重復(fù)向應(yīng)幾次的實到位置和姿態(tài)的一致程度；軌跡精度是指機器人機械接口從同一方向幾閃跟隨指令軌跡的接近能力，軌跡精度由位置軌跡精度（指令軌跡和實際軌跡的位置平均值的中心線之間的最大偏差）和姿態(tài)軌跡精度（指令姿態(tài)和實到姿態(tài)平均值中心線之間的最大偏差）兩方面確定；軌跡重復(fù)性是指對一給定軌跡在同一方向跟隨幾次的實到軌跡之間的不一致程度，由位置軌跡重復(fù)性的姿態(tài)軌跡重復(fù)性兩個方面確定表5-2工業(yè)機器人的主要特性參數(shù)〔二〕技術(shù)要