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鼎诺电脑绗缝机的操作步骤
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第二章 数控机床各组成部分的结构及其控制原理
第一节 计算机数控系统
一、CNC系统的组成与特点
CNC系统由硬件和软件组成，其组成框图如图2-1所示。
根据上述组成框图，CNC系统有如下特点：
（1）灵活性　对于NC系统，一旦提供了某些控制功能，就不能被改变，除非改变硬件。而CNC系统，只要改变相应的软件即可，而不要改变硬件。
（2）通用性　在CNC系统中，硬件采用通用的模块化结构，而且易于扩展，并结合软件变化来满足数控机床的各种不同要求。接口电路由标准电路组成，给机床厂和用户带来了很大方便。这样用一种CNC系统就能满足多种数控机床的要求，当用户要求某些特殊功能时，仅仅改变某些软件即可。
（3）可靠性　CNC系统中，零件数控加工程序在加工前一次性全部输入存储器，并经过模拟后才被调用加工，这就避免了在加工过程中由于纸带输入机的故障产生的停机现象。许多功能都由软件完成，硬件结构大大简化，特别是大规模和超大规模集成电路的采用，可靠性得到很大的提高。
（4）数控功能多样化　CNC系统利用计算机的快速处理能力，可以实现许多复杂的数控功能，如多种插补功能、动静态图形显示、数字伺服控制等。
（5）使用维护方便　有的CNC系统含有对话编程、图形编程、自动在线编程等功能，使编程工作简单方便。编好的程序通过模拟运行，很容易检查程序是否正确。CNC系统中还含有诊断程序，使得维修十分方便。二、CNC系统的硬件结构
数控系统的硬件由数控装置、输入/输出装置、驱动装置和机床电器逻辑控制装置等组成，这四部分之间通过I/O接口互连。
数控装置是数控系统的核心，其软件和硬件来控制各种数控功能的实现。输入/输出装置主要有键盘、纸带阅读机、软盘驱动器、通信装置、显示器等，用以控制数据的输入/输出，监控数控系统的运行，进行机床操作面板及机床机电控制/监测机构的逻辑处理和监控，并为数控装置提供机床状态和有关应答信号。机床电器逻辑控制装置接受数控装置发出的数控辅助功能控制命令，实现数控机床的顺序控制。在现代数控系统中机床电器逻辑控制装置已经被可编程序控制器（PLC）取代。驱动装置一般是以轴为单位的独立体，用以控制各轴的运动。
数控装置的硬件结构按CNC装置中的印制电路板的插接方式可以分为大板结构和功能模块（小板）结构；按CNC装置硬件的制造方式，可以分为专用型结构和个人计算机式结构；按CNC装置中微处理器的个数可以分为单微处理器结构和多微处理器结构。
（一）大板结构和功能模板结构
1．大板结构
大板结构CNC系统的CNC装置由主电路板、位置控制板、PC板、图形控制板、附加I/O板和电源单元等组成。主电路板是大印制电路版，其它电路板是小板，插在大印制电路板上的插槽内。这种结构类似于微型计算机的结构。
2．功能模块结构
在这种结构中，整个CNC装置按功能模块化分为若干个模块，硬件和软件的设计都采用模块化设计，每一个功能模块做成尺寸相同的印制电路板，相应功能模块的控制软件也模块化。用户根据需要选用各种控制单元母板及所需功能模板，将各功能模板插入控制单元母板的槽内，就组成了自己需要的CNC系统的控制装置。常用的功能模板有CNC控制板、位置控制板、PC板、存储器板、图形板和通信板等。FANUC系统15系列就采用了功能模块式结构。
（二）单微处理器结构和多微处理器结构
1．单微处理器结构
在单微处理器结构中，只有一个微处理器，以集中控制、分时处理数控装置的各个任务。其它功能部件，如存储器、各种接口、位置控制器等都需要通过总线与微处理器相连。
图2-2是单微处理器结构图。
2．多微处理器结构
随着数控系统功能的增加、数控机床的加工速度的提高，单微处理器数控系统已不能满足要求，因此，许多数控系统采用了多微处理器的结构。若在一个数控系统中有两个或两个以上的微处理器，每个微处理器通过数据总线或通信方式进行连接，共享系统的公用存储器与I/O接口，每个微处理器分担系统的一部分工作，这就是多微处理器系统。如图2-3所示的数控系统带有4个CPU。目前使用的多微处理器系统有三种不同的结构，即主从式结构、总线式多主CPU结构和分布式结构。
三、CNC系统的软件结构
（一）CNC系统软件的组成
CNC软件分为应用软件和系统软件。应用软件包括零件数控加工程序或其它辅助软件，如CAD/CAM软件。这里只介绍CNC系统软件。
CNC系统软件是为实现CNC系统各项功能所编制的专用软件，也叫控制软件，存放在计算机EPROM内存中。各种CNC系统的功能设置和控制方案各不相同，它们的系统软件在结构上和规模上差别很大，但是一般都包括输入数据处理程序、插补运算程序、速度控制程序、管理程序和诊断程序。下面分别叙述它们的作用。
1．输入数据处理程序
它接收输入的零件加工程序，将标准代码表示的加工指令和数据进行译码、数据处理，并按规定的格式存放。有的系统还要进行补偿计算，或为插补运算和速度控制等进行预计算。输入数据处理程序包括输入、译码和数据处理三项内容。
（1）输入程序　它主要有两个任务，一个任务是从光电阅读机或键盘输入零件加工程序，并将其存放在工件程序存储器中；另一任务是从工件程序存储器中把零件加工程序逐段往外调出，送入缓冲区，以便译码时使用。
（2）译码程序　在输入的工件加工程序中含有工件的轮廓信息、加工速度及其它辅助功能信息，这些信息在计算机作插补运算与控制操作前必须翻译成计算机内部能识别的语言，译码程序就承担着此项任务。
（3）数据处理程序　它一般包括刀具半径补偿、速度计算以及辅助功能的处理等。刀具半径补偿是把工件轮廓轨迹转化成刀具中心轨迹。速度计算是解决该加工数据段以什么样的速度运动。另外，诸如换刀、主轴启停、切削液开停等辅助功能也在此程序中处理。
2．插补计算程序
CNC系统根据工件加工程序中提供的数据，如曲线的种类、起点、终点等进行运算。根据运算结果，分别向各坐标轴发出进给脉冲。这个过程称为插补运算。进给脉冲通过伺服系统驱动工作台或刀具作相应的运动，完成程序规定的加工任务。
CNC系统是一边插补进行运算，一边进行加工，是一种典型的实时控制方式，所以，插补运算的快慢直接影响机床的进给速度，因此应该尽可能地缩短运算时间，这是编制插补运算程序的关键。
3．速度控制程序
速度控制程序根据给定的速度值控制插补运算的频率，以保预定的进给速度。在速度变化较大时，需要进行自动加减速控制，以避免因速度突变而造成驱动系统失步。
4．管理程序
管理程序负责对数据输入、数据处理、插补运算等为加工过程服务的各种程序进行调度管理。管理程序还要对面板命令、时钟信号、故障信号等引起的中断进行处理。水平较高的管理程序可以使多道程序并行工作。
5．诊断程序
诊断程序的功能是在程序运行中及时发现系统的故障，并指出故障的类型。也可以在运行前或故障发生后，检查系统各主要部件（CPU、存储器、接口、开关、伺服系统等）的功能是否正常，并指出发生故障的部位。
（二）CNC系统软件的结构
较常见的CNC软件结构形式有前后台型软件结构和中断型软件结构。
1．前后台型软件结构
前后台型软件结构将整个CNC系统软件分为前台程序和后台程序。前台程序为实时中断程序，承担了几乎全部实时任务，实现插补、位置控制及数控机床开关逻辑控制等实时功能；后台程序又称背景程序，是一个循环运行程序，实现数控加工程序的输入、预处理和管理的各项任务。在背景程序循环运行的过程中，前台的实时中断程序不断定时插入，二者密切配合，共同完成零件的加工任务。系统一经起动，经过一段初始化程序后，便进入背景程序循环。同时定时开放实时中断，每隔一定时间间隔发生一次中断，执行一次实时中断服务程序，执行完毕后返回背景程序，如此循环往复，共同完成数控的全部功能。这种前后台型软件结构一般适用于单微处理器系统集中控制。
2．中断型软件结构
中断型软件结构的系统软件除初始化程序外，将CNC的各功能模块分别安排在不同级别的中断程序中，无前后台程序之分。但中断程序有不同的中断优先级别，级别高的中断程序可以打断级别低的中断程序。系统软件本身就是一个大的多重中断服务程序，通过各级中断服务程序之间的通信来进行处理。各中断服务程序的优先级别与其作用和执行时间密切相关。四、CNC系统的控制原理
（一）零件程序的输入
数控加工程序的输入，通常是指将编制好的零件加工程序送入数控装置的过程，可分为手动输入和自动输入两种方式。手动输入一般是通过键盘输入。自动输入可用纸带、磁带、磁盘等程序介质输入，随着CAD/CAM技术的发展，越来越多地使用通信输入方式。
（二）译码
所谓译码，指的是将输入的数控加工程序段按一定规则翻译成数控装置中的计算机能够识别的数据形式，并按约定的格式存放在指定的译码结果缓冲器中。具体地说，译码是把数控加工程序缓冲器中的字符逐个读入，先识别出其中的文字码和数字码，然后根据文字码所代表的功能，将后续数字码送到相应译码结果缓冲器单元中。
（三）刀具补偿
刀具补偿分为刀具长度补偿和刀具半径补偿。
1．刀具长度补偿
在数控立式铣镗床上，当刀具磨损或更换刀具使Z向刀尖不在原初始加工的程编位置时，必须在Z向进给中，通过伸长（见图2-4）或缩短1个偏置值e的办法来补偿其尺寸的变化，以保证加工深度仍然达到原设计位置。
刀具长度补偿由准备功能G43、G44、G49以及H代码指定。用G43、G44指令指定偏置方向，其中G43为正向偏置，G44为负向偏置。G49指令指定补偿撤消，H代码指令指示偏置存储器中存偏置量的地址。无论是绝对或增量指令的情况，G43是执行将H代码指定的已存入偏置存储器中的偏置值加到主轴运动指令终点坐标值上去，而G44则相反，是从主轴运动指令终点坐标值中减去偏置值。G43、G44是模态G代码。
用H后跟两位数指定偏置号，在每个偏置号所对应的偏置存储区中，通过键盘或纸带预先设置相应刀具的长度补偿值。对应偏置号00即H00的偏置值通常不设置，取为0，相当于刀具长度补偿撤消指令G49。
在图2-4中，所画刀具实线为刀具实际位置，虚线为刀具编程位置，则刀具长度补偿控制程序如下：
设定 H01 = -4.0 (偏置值)
N1 G91 G00 G43 Z-32.0 H01； 实际z向将进给-32.0+(- 4.0) = -36.0
N2 G01 Z-21.0 F1000； Z向将从- 36.0位置进给到-57.0位置。
N3 G00 G49 Z53.0； Z向将退回到53.0+4.0, 返回补始位置。
2．刀具半径补偿
刀具半径补偿是指数控装置使刀具中心偏移零件轮廓一个指定的刀具半径值。根据ISO标准，当刀具中心轨迹在程序加工前进方向的右侧时，称右刀具半径补偿，用G42表示；反之称为左刀具半径补偿，用G41表示；撤销刀具半径补偿用G40表示。
刀具半径补偿功能的优点是：在编程时可以按零件轮廓编程，不必计算刀具中心轨迹；刀具的磨损，刀具的更换不要重新编制加工程序；可以采用同一程序进行粗、精加工；可以采用同一程序加工凸凹模。
刀具半径补偿的补偿值，由数控机床调整人员，根据加工需要，选择或刃磨好所需刀具，测量出每一把刀具的半径值，通过数控机床的操作面板，在MDI方式下，把半径值送入刀具参数中。
（四）速度控制
在零件数控程序中，F指令设定了进给速度。速度控制的任务是为插补提供必要的速度信息。由于各种CNC系统采用的插补法不同，所以速度控制计算方法也不相同。
1．脉冲增量插补方式的速度计算
脉冲增量插补方式用于以步进电动机为执行元件的系统中，坐标轴运动是通过控制步进电动机输出脉冲的频率来实现的。速度计算就是根据编程的F值来确定脉冲频率值。步进电动机走一步，相应的坐标轴移动一个对应的距离δ（脉冲当量）。进给速度F与脉冲频率f之间的关系为：
f=F/(60δ)
式中，f为脉冲频率（HZ）；F为进给速度（mm/min）；δ为脉冲当量（mm/脉冲）。
两轴联动时，各坐标轴的进给速度分别为
&!-- end content --&
式中， Fx、Fx分别为x轴、y轴的进给速度（mm/min）；fx、fy分别为x轴、y轴步进电动机的脉冲频率。
合成进给速度为：
2．数据采样法插补的速度计算
数据采样法插补程序在每个插补周期内被调用一次，向坐标轴输出一个微小位移增量。这个微小的位移增量被称为一个插补周期内的插补进给量，用 表示。根据数控加工程序中的进给速度F和插补周期T，可以计算出一个插补周期内的插补进给量为：
fs=KFT/(60×1000)
式中，fs为一个插补周期内的插补进给量（mm）；T为插补周期（ms）；F为编程进给速度（mm/min）；K为速度系数（快速倍率、切削进给倍率）。
由此可得到指令进给值fs，即系统处于稳定进给状态时的进给量，因此称fs为稳态速度。当数控机床起动、停止或加工过程中改变进给速度时，还需要进行自动加/减速处理。
数控机床进给系统的速度是不能突变的，进给速度的变化必须平稳过渡，以避免冲击、失步、超程、振荡或引起工件超差。在进给轴起动、停止时需要进行加减速控制。在程序段之间，为了使程序段转接处的被加工面不留痕迹，程序段之间的速度必须平滑过渡，不应有停顿或速度突变，这时也需要进行加减速控制。加减速控制多采用软件来实现。加减速控制可以在插补前进行，称为前加减速控制；也可以在插补之后进行，称为后加减速控制。
（五）插补计算
零件程序经过译码、刀补计算和速度计算后，紧接着就是插补和位控，其中插补是数控系统的主要任务之一。插补的任务就是根据进给速度的要求，计算出每一段零件轮廓起点与终点之间所插入中间点的坐标值，机床伺服系统根据此坐标值控制各坐标轴协调运动，走出预定轨迹。
插补可用硬件或软件来完成。早期的NC中，都采用硬件的数字逻辑电路来完成插补工作。在CNC中，插补工作一般由软件完成。
数控技术中常用的插补算法可归纳为两类：
第一类称为“基准脉冲插补法”或“脉冲增量插补法”。其特点是每插补运算一次，最多给每一轴进给一个脉冲，产生一个基本长度单位的移动量（即脉冲当量）。输出脉冲的最大速度取决于执行一次运算所需的时间。该方法虽然插补程序简单，但进给率受到一定的限制，所以用于进给速度要求不很高的数控系统或开环数控系统中，常用的有逐点比较插补法和数字积分法。
第二类方法称为“数据采样插补法”。其特点是其位置伺服通过计算机及测量装置构成闭环，在每个插补运算周期输出的不是单个脉冲，而是线段。计算机定时对反馈回路采样，得到采样数据与插补程序所产生的指令数据相比较后，用误差信号输出去驱动伺服电机。采样周期一般取10ms左右。采样周期太短计算机来不及处理。采样周期长会损失信息而影响伺服精度。这种方法所产生的最大速度不受计算机最大运算速度的限制。常用的有时间分割法和扩展数字积分法。另外还有一种软件和硬件相结合的插补方法，把插补功能分别分配给软件和硬件插补器。前者完成粗插补，即把轨迹分为大的段，而硬件插补器完成精插补，进一步密化数据点。该方法响应速度和分辩率都比较高。五、典型数控系统
1．日本FANUC系列数控系统
FANUC公司生产的CNC产品主要有FS3、FS6、FS0、FS10/11/12、FS15、FS16、FS18、FS21/210等系列。目前我国的用户主要使用的有FS0系列、FS15、FS16、FS18、FS21/210等系列。
（1）FS0系列　它是可组成面板装配式的CNC系统，易于组成机电一体化系统。FS0系列CNC有许多规格，如FS0-T、FS0-TT、FS0-M、FS0-ME、FS0-G、FS0-F等型号。T型CNC系统用于单刀架单主轴的数控车床，TT型CNC系统用于单主轴双刀架或双主轴双刀架的数控车床，M型CNC系统用于数控铣床或加工中心，G型CNC系统用于磨床，F型是对话型CNC系统。
（2）FS10/11/12系列　此系列有很多品种，可用于各种机床。它的规格型号有：M型，T型，TT型，F型等。
（3）FS15系列　它是FANUC公司较新的32位CNC系统，被称为AI（人工智能）CNC系统。该系列CNC系统是按功能模块结构构成的，可以根据不同的需要组合成最小至最大系统，控制轴数从2根到15根，同时还有PMC的轴控制功能，可配置备有7、9、11和13个槽的控制单元母板，在控制单元母板上插入各种印制电路板，采用了通信专用微处理器和RS422接口，并有远距离缓冲功能。。该系列CNC系统在硬件方面采用了模块式多主总线（FANUCBUS）结构，为多微处理器控制系统，主CPU为68020，同时还用一个子CPU。所以该系列的CNC系统适用于大型机床、复合机床的多轴控制和多系统控制。
（4）FS16系列　该系列CNC是在FS15系列之后开发的产品，其性能介于FS15系列和FS0系列之间。在显示方面，FS16系列采用了薄型TET（薄膜晶体管）彩色液晶显示等新技术。
（5）FS18系列　此系列CNC系统是紧接着FS16系列CNC系统推出的32位CNC系统。其功能在FS15系列和FS0系列之间，但低于FS16系列。它的特点是：采用了高密度三维安装技术；四轴伺服控制、二轴主轴控制；PMC及显示等全部基本功能都集成在两个模板中；为降低成本，取消了RISC等高价功能；TET彩色液晶显示；画面上可显示控制电动机的波形，以便于调整控制电动机；在操作、机床接口、编程等方面均与FS16系列之间有互换性。
（6）FS21/210系列　该系列CNC系统是 FANUC公司最新推出的系统。该系列有FS21MA/MB和FS21TA/TB、FS210MA/MB和FS210TA/TB型号。本系列的CNC系统适用于中小型数控机床。
2．德国SIEMENS公司的SINUMERIK系列CNC系统
SINUMERIK系列CNC系统有很多系列和型号，主要有SINUMERIK3、 SINUMERIK8、SINUMERIK810/820、SINUMERIK850/880和SINUMERIK840等产品。
（1）SINUMERIK8系列　该系列的产品生产于20世纪70年代末。主要型号有SINUMERIK8M/8ME/8ME-C、Sprint8M/Sprint 8ME/Sprint 8ME-C，主要用于钻床、镗床和加工中心等机床。SINUMERIK8MC/8MCE/8MCE-C主要用于大型镗铣床。SINUMERIK8T/Sprint8T主要用于车床。其中Sprint系列具有蓝图编程功能。
（2）SINUMERIK3系列　该系列的产品生产于20世纪80年代初。有M型、T型、TT型、G型和N型等，适用于各种机床的控制。
（3）SINUMERIK810/820系列　该系列的产品生产于20世纪80年代中期。SINUMERIK810和820在体系结构和功能上相近。
（4）SINUMERIK850/880系列　该系列的产品生产于20世纪80年代末。有850M、850T、880M、880T等规格。
（5）SINUMERIK840D系列　该系列产品生产于1994年，是新设计的全数字化数控系统。具有高度模块化及规范化的结构，它将CNC和驱动控制集成在一块板子上，将闭环控制的全部硬件和软件集成在一平方厘米的空间中，便于操作、编程和监控。
（6）SINUMERIK 810D系列　该系列产品生产于1996年。810D数控系统是在840D数控系统的基础上开发的新CNC系统，该系统配备了功能强大的软件，使其具有如下特点：
① SINUMERIK 810D的CNC与驱动之间没有接口。810D第一次将CNC和驱动控制集成在一块板子上，所以SINUMERIK 810D系统没有驱动接口。
② 软件功能方面，提供了新的使用功能，极大地提高了810D的应用范围。例如提前预测功能、坐标变换功能、 固定点停止、刀具管理、样条(A、B、C样条)插补功能、压缩功能、温度补偿功能。
③ SINUMERIK 810D集成多种功能和选择部件，它不仅仅局限于数控机床配套，在木材加工、石材处理或包装机械等行业也有广阔的应用前景。
1998年，在810D的基础上，SIEMENS公司又推出了基于810D系统的现场编程软件ManulTurn和ShopMill。前者适用于数控车床的现场编程，后者适用于数控铣床的现场编程。这两个软件的共同特点是无需专门的编程培训，使用传统操作机床的模式就可以对数控机床进行操作和编程。
（7）SINUMERIK802系列　近几年SIEMENS公司又推出了SINUMERIK802系列CNC系统。该系列CNC系统有802S、802C、802D等型号，其中802S主要用于经济型车床。
3．华中数控系统（HNC）
HNC系统是我国武汉华中数控系统有限公司生产的国产型数控系统。
（1）华中Ⅰ型数控系统　华中Ⅰ型数控系统的主要产品有：HNC-ⅠM铣床、加工中心数控系统，HNC-ⅠT车床数控系统，HNC-ⅠY齿轮加工数控系统，HNC-ⅠP数字化仿形加工数控系统，HNC-ⅠL激光加工数控系统，HNC-ⅠG五轴联动工具磨床数控系统，HNC-ⅠFP锻压，冲压加工数控系统，HNC-ⅠME多功能小型铣床数控系统，HNC-ⅠTE多功能小型车床数控系统，HNC-ⅠS高速绗缝机数控系统等。
（2）华中2000（HNC-2000）型数控系统　HNC-2000型数控系统是在HNC-Ⅰ型数控系统的基础上开发的高档数控系统。该系统采用通用工业PC机、TFT真彩色液晶显示器，具有多轴多通道控制功能和内装式PC，可与多种伺服驱动单元配套使用。具有开放性好、结构紧凑、集成度高、可靠性好、性能价格比高、操作维护方便的优点。
HNC-2000型数控系统已开发和派生的数控系统产品主要有HNC-2000M铣床，加工中心数控系统，HNC-2000T车床数控系统，HNC-2000Y齿轮加工数控系统，HNC-2000P数字化仿形加工数控系统，HNC-2000L激光加工数控系统，HNC-2000G五轴联动工具磨床数控系统等。
第二节 数控机床的进给伺服系统
数控机床的伺服系统是指以数控机床移动部件（如工作台）的位置和速度作为控制量的自动控制系统，也就是位置随动系统。它的作用是接受来自数控装置中插补器或计算机插补软件生成的进给脉冲，经变换、放大将其转化为数控机床移动部件的位移，并保证动作的快速和准确。伺服系统的性能，在很大程度上决定了数控机床的性能，如数控机床的定位精度、跟踪精度、最高移动速度等重要指标。
伺服系统由执行元件和驱动控制电路构成。伺服系统按其控制方式分为开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统。在开环伺服系统中，一般采用步进电机、功率步进电机、或电液脉冲马达作为执行元件，而在闭环和半闭环伺服系统中，采用直流伺服电动机、交流伺服电动机或电液伺服阀──液压马达作为执行元件。驱动控制电路的作用是先将数控装置发出的进给脉冲进行功率放大转化为执行元件所需的信号形式。
数控机床伺服系统主要有两种：一种是进给伺服系统，它控制机床各坐标轴的切削进给运动，以直线运动为主；另一种是主轴伺服系统，它控制主轴的切削运动，以旋转运动为主。本节只介绍前一种。二、开环和闭环进给伺服系统
1．开环进给伺服系统
开环进给伺服系统是数控机床中最简单的伺服系统，执行元件一般为步进电机，其控制原理如图2-8所示。
在开环进给伺服系统中，数控装置发出的指令脉冲经驱动线路，送到步进电机，使其输出轴转过一定的角度，再通过齿轮副和丝杠螺母副带动机床工作台移动。步进电机的旋转速度取决于指令脉冲的频率，转角的大小由指令脉冲数所决定。由于没有检测反馈装置，系统中各个部分的误差如步进电动机的步距误差、起停误差、机械系统的误差（反向间隙、丝杠螺距误差）等都合成为系统的位置误差，所以其精度较低，速度也受到步进电动机性能的限制。但由于其结构简单，易于调整，在精度要求不太高的场合中得到较广泛的应用。
2．闭环控制系统
因为开环系统的精度不能很好地满足数控机床的要求，所以为了保证精度，最根本的办法是采用闭环控制方式。闭环控制系统是采用直线型位置检测装置（直线感应同步器、长光栅等）对数控机床工作台位移进行直接测量并进行反馈控制的位置伺服系统，其控制原理见图2-9。这种系统有位置检测反馈电路，有时还加上速度反馈电路。
闭环控制系统的特点是精度较高，但系统的结构较复杂、成本高，且调试维修较难，因此适用于大型精密机床。
3．半闭环控制系统
采用旋转型角度测量元件（脉冲编码器、旋转变压器、圆感应同步器等）和伺服电动机按照反馈控制原理构成的位置伺服系统，称作半闭环控制系统，其控制原理见图2-10。半闭环控制系统的检测装置有两种安装方式：一种是把角位移检测装置安装在丝杠末端；另一种是把角位移检测装置安装在电动机轴端。
半闭环控制系统的精度比闭环要差一些，但驱动功率大，快速响应好，因此适用于各种数控机床。对半闭环控制系统的机械误差，可以在数控装置中通过间隙补偿和螺距误差补偿来减小系统误差。三、CNC进给伺服系统
CNC进给伺服系统是指用于CNC机床的伺服系统，它与前面介绍的伺服系统相比较，具有精度高、稳定性好等优点。CNC进给伺服系统利用计算机的计算功能，将来自位置检测装置的反馈信号与由插补软件产生的指令信号进行比较，其差值经位置控制组件去驱动执行元件带动工作台移动。
CNC进给伺服系统分为软件和硬件两个部分。软件部分主要完成跟随误差的计算，即指令信号与反馈信号的比较计算。硬件部分由位置检测组件和位置控制组件组成，其结构框图如图2-11所示。由于计算机的引入，用软件代替了大量的硬件，因而使得硬件线路简单。在CNC进给伺服系统中还可用计算机对伺服系统进行最优控制、前瞻控制等，从而提高整个系统的性能。
图2-12是以光电脉冲发生器为测量元件的CNC伺服系统框图。从图中可以看出，除了以计算机代替了比较器之外，其他部分与脉冲比较伺服系统和幅值比较伺服系统基本相同，工作原理也基本相同。可以说CNC伺服系统是脉冲比较伺服系统和幅值比较伺服系统的灵活应用。
四、进给系统的机械传动结构
数控机床进给传动装置的精度、灵敏度和稳定性，将直接影响工件的加工精度。为此，数控机床的进给传动系统必须满足下列要求。
（1）传动精度高
（2）摩擦阻力小
（3）运动部件惯量小
下面主要介绍滚珠丝杠螺母副和导轨副两种机械传动结构。
（一）滚珠丝杠螺母副
在数控机床上，将回转运动与直线运动相互转换的传动装置一般采用滚珠丝杠螺母副。
滚珠丝杠螺母副的特点是：传动效率高，一般为η=0.92～0.98；传动灵敏，摩擦力小，不易产生爬行；使用寿命长；具有可逆性，不仅可以将旋转运动转变为直线运动，亦可将直线运动变成旋转运动；轴向运动精度高，施加预紧力后，可消除轴向间隙，反向时无空行程；但制造成本高，不能自锁，垂直安装时需有平衡装置。
1．滚珠丝杠螺母副的结构和工作原理
滚珠丝杠螺母副的结构有内循环与外循环两种方式。图2-13为外循环式，它由丝杠1、滚珠2、回珠管3和螺母4组成。在丝杠1和螺母4上各加工有圆弧形螺旋槽，将它们套装起来便形成螺旋形滚道，在滚道内装满滚珠2。当丝杠相对于螺母旋转时，丝杠的旋转面经滚珠推动螺母轴向移动，同时滚珠沿螺旋形滚道滚动，使丝杠和螺母之间的滑动摩擦转变为滚珠与丝杠、螺母之间的滚动摩擦。螺母螺旋槽的两端用回珠管3连接起来，使滚珠能够从一端重新回到另一端，构成一个闭合的循环回路。
图2-14为内循环式。在螺母的侧孔中装有圆柱凸轮式反向器，反向器上铣有S形回珠槽，将相邻两螺纹滚道联结起来。滚珠从螺纹滚道进入反向器，借助反向器迫使滚珠越过丝杠牙顶进入相邻滚道，实现循环。
2．滚珠丝杠螺母副间隙的调整方法
为了保证滚珠丝杠螺母副的反向传动精度和轴向刚度，必须消除轴向间隙。常采用双螺母预紧办法，其结构形式有三种，基本原理都是使两个螺母产生轴向位移，以消除它们之间的间隙和施加预紧力。
（1）垫片调整间隙法　如图2-15所示，调整垫片4的厚度使左右两螺母产生轴向位移，从而消除间隙和产生预紧力。这种方法简单、可靠，但调整费时，适用于一般精度的机床。
（2）齿差调整间隙法　如图2-16所示，两个螺母的凸缘为圆柱外齿轮，而且齿数差为1，即z2-z1=1。两只内齿轮用螺钉、定位销紧固在螺母座上。调整时先将内齿轮取出，根据间隙大小使两个螺母分别向相同方向转过1个或几个齿，然后再插入内齿轮，使螺母在轴向彼此移动近了相应的距离，从而消除两个螺母的轴向间隙。这种方法的结构复杂，尺寸较大，适应于高精度传动。
（3）螺纹调整间隙法　如图2-17所示，右螺母2外圆上有普通螺纹，再用两圆螺母4、5固定。当转动圆螺母4时，即可调整轴向间隙，然后用螺母5锁紧。这种结构的特点是结构紧凑、工作可靠，滚道磨损后可随时调整，但预紧量不准确。
（二）导轨副
导轨是数控机床的重要部件之一，它在很大程度上决定数控机床的刚度、精度与精度保持性。目前，数控机床上的导轨型式主要有滑动导轨、直线滚动导轨和液体静压导轨等。
1．滑动导轨
滑动导轨具有结构简单、制造方便、刚度好、抗振性高等优点，在数控机床上应用广泛。
2．直线滚动导轨
图2-18是直线滚动导轨副的外形图，直线滚动导轨由一根长导轨（导轨条）和一个或几个滑块组成。当滑块相对于导轨条移动时，每一组滚珠（滚柱）都在各自的滚道内循环运动，其所受的载荷形式与滚动轴承类似。
3．液体静压导轨
液体静压导轨由于其导轨的工作面完全处于纯液体摩擦下，因而工作时摩擦系数极低（f=0.0005）；导轨的运动不受负载和速度的限制，且低速时移动均匀，无爬行现象；由于液体具有吸振作用，因而导轨的抗振性好；承载能力大、刚性好；摩擦发热小，导轨温升小。但液体静压导轨的结构复杂，多了一套液压系统；成本高；油膜厚度难以保持恒定不变。故液体静压导轨主要用于大型、重型数控机床上。
液体静压导轨的结构型式可分为开式和闭式两种。图2-19为开式静压导轨工作原理图。来自液压泵的压力油经节流阀4，压力降至P1，进入导轨面，借助压力将动导轨浮起，使导轨面间以一层厚度为h0的油膜隔开，油腔中的油不断地穿过各封油间隙流回油箱。当动导轨受到外负荷W作用时，使动导轨向下产生一个位移，导轨间隙由h0降至h，使油腔回油阻力增大，油压增大，以平衡负载，使导轨仍在纯液体摩擦下工作。
对于闭式液体静压导轨，其导轨的各个方向导轨面上均开有油腔，所以闭式导轨具有承受各方向载荷的能力，且其导轨保持平衡性较好。
五、数控机床的位置检测装置
（一）对位置检测装置的要求
闭环伺服系统和半闭环伺服系统均装有位置检测装置，常用的有旋转变压器、光栅、感应同步器、编码盘等。位置检测装置的主要作用是检测位移量，并将检测的反馈信号和数控装置发出的指令信号相比较，若有偏差，经放大后控制执行部件，使其向着消除偏差的方向运动，直到偏差为零。
数控机床对位置检测装置的要求如下：
（1）工作可靠，抗干扰性强
（2）满足精度和速度的要求
（3）便于安装和维护
（4）成本低、寿命长。
（二）常用的位置检测装置
1．旋转变压器
（1）旋转变压器的结构和工作原理
它是一种电磁式传感器，又称同步分解器。它是一种测量角度用的小型交流电动机，由定子和转子组成。其中定子绕组作为变压器的原边，接受励磁电压，励磁频率通常用400、500、Hz等。转子绕组作为变压器的副边，通过电磁耦合得到感应电压。旋转变压器的工作原理和普通变压器基本相似，区别在于普通变压器的原边、副边绕组是相对固定的，所以输出电压和输入电压之比是常数，而旋转变压器的原边、副边绕组则随转子的角位移发生相对位置的改变，因而其输出电压的大小随转子角位移而发生变化。
旋转变压器一般有两极绕组和四极绕组两种结构形式。两极绕组旋转变压器的定子和转子各有一对磁极，四极绕组则各有两对磁极，主要用于高精度的检测系统。除此之外，还有多极式旋转变压器，用于高精度绝对式检测系统。
（2）旋转变压器的应用
由于旋转变压器具有结构简单、动作灵敏、工作可靠、对环境条件要求低、输出信号幅度大、抗干扰能力强和测量精度一般等特点，所以在连续控制系统中得到普遍应用，一般用于精度要求不高的数控机床上。
2．感应同步器
感应同步器也是一种非接触电磁式测量装置，它可以测量角位移或直线位移。
感应同步器的特点是：感应同步器有许多极，其输出电压是许多极感应电压的平均值，因此检测装置本身微小的制造误差由于取平均值而得到补偿，其测量精度较高；测量距离长，感应同步器可以采用拼接的方法，增大测量尺寸；对环境的适应性较强，因其利用电磁感应原理产生信号，所以抗油、水和灰尘的能力较强；结构简单，使用寿命长且维护简单。
（1）感应同步器的结构和工作原理
感应同步器是由旋转变压器演变而来，即相当于一个展开的旋转变压器，它是利用两个保持均匀气隙的平面形印制电路绕组的互感，随着它们的位置变化而变化的原理进行工作的。感应同步器测量装置分为直线式和旋转式两种。
直线式感应同步器由定尺和滑尺两部分组成，如图2-21所示。定尺上制有单向的均匀感应绕组，尺长一般为250mm，绕组节距（两个单元绕组之间的距离）为2τ（通常为2mm）。滑尺上有两组励磁绕组，一组是正弦绕组，另一组是余弦绕组，两绕组节距与定尺绕组节距相同，并且相互错开1/4节距。当正弦绕组和定尺绕组对准时，余弦绕组和定尺绕组相差τ/2的距离（即1/4节距），一个节距相当于旋转变压器的一转（即360o），这样两励磁绕组的相位差为90°。
感应同步器的定尺和滑尺是通过定尺尺座和滑尺尺座分别安装在机床上两个相对移动的部件上（如工作台和床身），两者平行放置，保持0.15～0.35mm的气隙，并在测量全程范围内气隙的允许变化量为±0.05mm。
当给滑尺的正弦、余弦绕组加上交流励磁电压时，则在滑尺绕组中产生励磁电流，绕组周围产生按正弦规律变化的磁场，由于电磁感应的原因，则在定尺绕组上产生感应电压。当滑尺与定尺之间产生相对位移时，由于电磁耦合的变化，使定尺绕组上的感应电压随滑尺的位移变化而变化。
图2-22表示了定尺绕组感应电压与定尺、滑尺之间相对位置的关系。如果滑尺处于A点位置，即滑尺绕组与定尺绕组完全重合，定尺绕组中穿入的磁通最多，此时为最大耦合，则定尺绕组上感应电压为最大。随着滑尺相对定尺向右作平行移动，穿入定尺绕组中的磁通逐渐减少，感应电压慢慢减小；当滑尺相对定尺刚好右移1/4节距时（即表中B点），定尺绕组中穿入穿出的磁通相等，则感应电压为0；当滑尺继续向右移动至1/2节距位置（即表中C点），定尺绕组中穿出的磁通最多，而穿入的磁通为零，此时定尺绕组中的感应电压达到与A点位置极性相反的最大感应电压，即最大负值电压。滑尺再右移至3/4节距位置时（即表中D点），感应电压又变为0。当滑尺移动至一个节距时（即表中E点），又恢复为初始状态（即与A点位置完全相同），此时定尺绕组上感应电压为最大。这样，滑尺在移动一个节距的过程中，定尺绕组感应电压的幅值变化规律就是一个周期性的余弦曲线。
（2）感应同步器的工作方式
根据滑尺励磁绕组供电方式的不同，感应同步器的工作状态可分为相位工作方式和幅值工作方式两种情况。
光栅是用于数控机床的精密检测装置，是一种非接触式测量。它是利用光学原理进行工作，按形状可分为圆光栅和长光栅。圆光栅用于角位移的检测，长光栅用于直线位移的检测。
光栅是利用光的透射、衍射现象制成的光电检测元件，它主要由光栅尺（包括标尺光栅和指示光栅）和光栅读数头两部分组成。
光栅尺是用真空镀膜的方法光刻上均匀密集线纹的透明玻璃片或长条形金属镜面。对于长光栅，这些线纹相互平行，各线纹之间的距离相等，称此距离为栅距。对于圆光栅，这些线纹是等栅距角的向心条纹。栅距和栅距角是决定光栅光学性质的基本参数。常见的长光栅的线纹密度为25，50，100，250条/mm。对于圆光栅，若直径为70mm，一周内刻线100～768条；若直径为110mm，一周内刻线达600～1024条，甚至更高。同一个光栅元件，其标尺光栅和指示光栅的线纹密度必须相同。
光栅读数头由光源、透镜、指示光栅、光敏元件和驱动线路组成，如图2-23所示。读数头的光源一般采用白炽灯泡。白炽灯泡发出的辐射光线，经过透镜后变成平行光束，照射在光栅尺上。光敏元件是一种将光强信号转换为电信号的光电转换元件，它接收透过光栅尺的光强信号，并将其转换成与之成比例的电压信号。由于光敏元件产生的电压信号一般比较微弱，在长距离传递时很容易被各种干扰信号所淹没、覆盖，造成传送失真。为了保证光敏元件输出的信号在传送中不失真，应首先将该电压信号进行功率和电压放大，然后再进行传送。驱动线路就是实现对光敏元件输出信号进行功率和电压放大的线路。
由于玻璃光栅容易受外界气温的影响，灰尘、切屑、油、水等污物浸入，使光学系统受到污染。所以光栅系统的安装、维护保养都很重要。当光栅受污后，必须及时清洗。
常见光栅的工作原理是根据物理上莫尔条纹的形成原理进行工作的，这里不再详述。
光栅具有如下特点：
（1）响应速度快、量程宽、测量精度高。测直线位移，精度可达0.5～3μm（300mm范围内），分辨率可达0.1μm；测角位移，精度可达0.15″，分辨率可达0.1″，甚至更高。
（2）可实现动态测量，易于实现测量及数据处理的自动化。
（3）具有较强的抗干扰能力。
（4）怕振动、怕油污，高精度光栅的制作成本高。
磁栅是一种采用电磁方法记录磁波数目的位置检测装置，其录磁和拾磁原理与普通磁带相似。在检磁过程中，磁头读取磁性标尺上的磁化信号并把它转换成电信号，然后通过检测电路将磁头相对于磁性标尺的位置送入计算机或数显装置。
磁栅按磁性标尺基体的形状可分为平面实体型磁栅、带状磁栅、线状磁栅和圆型磁栅，前三种用于直线位移测量，后一种用于角位移测量。
如图2-24所示为磁栅结构框图，它由磁性标尺、拾磁磁头和检测电路组成。
（1）磁性标尺　它常采用不导磁材料做基体，在上面镀上一层10－30μm厚的高导磁材料，形成均匀磁膜；再用录磁磁头在尺上记录相等节距的周期性磁化信号，用以作为测量基准，信号可为正弦波、方波等，节距通常为0.05、0.1、0.2μm、1mm等几种；最后在磁尺表面还要涂上一层1—2μm厚的保护层，以防磁头与磁尺频繁接触而形成磁膜磨损。
（2）拾磁磁头　它是一种磁电转换器，用来把磁尺上的磁化信号检测出来变成电信号送给检测电路。拾磁磁头可分为动态磁头与静态磁头。
动态磁头又称为速度响应型磁头，它只有一组输出绕组，所以只有当磁头和磁尺有一定相对速度时才能读取磁化信号，并有电压信号输出。这种磁头用于录音机、磁带机的拾磁磁头，不能用来测量位移。
由于用于位置检测用的磁栅要求当磁尺与磁头相对运动速度很低或处于静止时亦能测量位移或位置，所以应采用静态磁头。静态磁头又称磁通响应型磁头，它在普通动态磁头上加有带励磁线圈的可饱和铁芯，从而利用了可饱和铁芯的磁性调制的原理。静态磁头可分为单磁头、双磁头和多磁头。
磁栅与光栅相比，测量精度略低一些，但它有如下特点：
（1）制作简单，安装、调整方便，成本低。磁栅上的磁化信号录制完，若发现不符合要求，可抹去重录。亦可安装在机床上再录磁，避免安装误差。
（2）磁尺的长度可任意选择，亦可录制任意节距的磁信号。
（3）耐油污、灰尘等，对使用环境要求较低。
（4）但反应速度受到限制；因磁头与磁尺有接触的相对运动产生磨损，对磁栅的使用寿命产生影响。
第三节 数控机床的主轴驱动及其机械结构
一、主轴驱动及其控制
（一）对主轴驱动的要求
（1）数控机床主传动要有宽的调速范围及尽可能实现无级变速　数控加工时切削用量的选择，特别是切削速度的选择，关系到表面加工质量和机床生产率。对于自动换刀数控机床，为适应各种工序和不同材料加工的要求，更需要主传动有宽的自动变速范围。
（2）功率大　要求主轴有足够的驱动功率或输出扭矩，能在整个速度范围内均能提供切削所需的功率或扭矩，特别是在强力切削时。
（3）动态响应性要好　要求主轴升降速时间短，调速时运转平稳。对有的数控机床需同时能实现正、反转切削，则要求换向时均可进行自动加减速控制，即要求主轴有四象限驱动能力。
（4）精度高　这里主要指主轴回转精度。要求主轴部件具有足够的刚度和抗振性，具有较好的热稳定性，即主轴的轴向和径向尺寸随温度变化较小。另外，要求主传动的传动链要短。
（5）旋转轴联动功能　要求主轴与其他直线坐标轴能同时实现插补联动控制，如在车削中心上，为了使之具有螺纹车削功能，要求主轴能与进给驱动实行联动控制，即主轴具有旋转进给轴（C轴）的控制功能。
（6）恒线速切削功能　为了提高工件表面质量和加工效率，有时要求数控机床能实现表面恒线速度切削。如数控车床对大直径工件端面切削时，要求主轴转速随切削端面的直径变小而变快，并以切削表面为恒线速度的规律变化。
（7）加工中心上，要求主轴具有高精度的准停控制　在加工中心上自动换刀时，主轴须停在一个固定不变的方位上，以保证换刀位置的准确；以及某些加工工艺的需要，要求主轴具有高精度的准停控制。
此外，有的数控机床还要求具有角度分度控制功能。为了达到上述有关要求，对主轴调速系统还需加位置控制，比较多的采用光电编码器作为主轴的转角检测。
（二）主轴驱动方式
数控机床的主轴驱动及其控制方式主要有四种配置方式，如图2-25所示。
（1）带有变速齿轮的主传动　如图2-25（a）所示，通过少数几对齿轮降速，增大输出扭矩，以满足主轴低速时对输出扭矩特性的要求。滑移齿轮的移动大都采用液压缸加拨叉，或直接由液压缸带动齿轮来实现。
（2）通过带传动的主传动　如图2-25（b）所示，电动机与主轴通过形带或同步齿形带传动，不用齿轮传动，可以避免齿轮传动引起的振动和噪声。它适用于高速、低转矩特性要求的主轴。
（3）用两个电动机分别驱动主轴　如图2-25（c）所示，高速时通过皮带直接驱动主轴旋转；低速时，另一个电动机通过齿轮传动驱动主轴旋转，齿轮起降速和扩大变速范围的作用，这样使恒功率区增大，克服了低速时转矩不够且电动机功率不能充分利用的缺陷。
（4）内装电动机主轴传动结构　如图2-25（d）所示，这种主传动方式大大简化了主轴箱体与主轴的结构，提高了主轴部件的刚度，但主轴输出扭矩小，电动机发热对主轴影响较大。
（三）主轴调速方法
1．电动机调速
用于主轴驱动的调速电动机主要有直流电动机和交流电动机两大类。
（1）直流电动机主轴调速　由于主轴电动机要求输出较大的功率，所以主轴直流电动机在结构上不适用永磁式，一般是他激式。为缩小体积，改善冷却效果，以免电动机过热，常采用轴向强迫风冷或采用热管冷却技术。
从电机拖动理论知，该直流电动机的转速公式n为：
n=(U-RIa)/(KIf)
式中：U为电枢电压（V），R为电枢电阻（Ω），Ia为电枢电流（A），K为常数，If为励磁电流（A）。
从式中可知，要改变电动机转速n，可通过改变电枢电压U（降压调速），或改变励磁电流If（弱磁调速）。当采用降压调速时，从电动机转矩公式T=CekIfIa中可得，它是属于恒转矩调速。而当采用弱磁调速时，根据功率公式P=nT，并把上述n公式与T公式代入得，电动机的功率P=(U-RIa)CeIa，可知它是属于恒功率调速。
通常在数控机床中，为扩大调速范围，对直流主轴电动机的调速，同时采用调压和调磁两种方法。其典型的直流主轴电动机特性曲线如图2-26所示。在基本转速nj以下时属于恒转矩调速范围，用改变电枢电压来调速；在基本转速以上属于恒功率调速范围，采用控制激磁电流来实现。一般来说，恒转矩速度范围与恒功率速度范围之比为1：2。
另外，直流主轴电机一般都有过载能力，且大都以能过载150%（即连续额定电流的1.5倍）为指标。至于过载时间,则根据生产厂的不同有较大差别，从1min到30min不等。
（2）交流电动机主轴调速　大多数交流进给伺服电动机采用永磁式同步电动机，但主轴交流电动机则多采用鼠笼式感应电动机，这是因为受永磁体的限制，永磁同步电动机的容量不允许做得太大，而且其成本也很高。另外，数控机床主轴驱动系统不必象进给系统那样，需要如此高的动态性能和调速范围。鼠笼式感应电动机其结构简单、便宜、可靠，配上矢量变换控制的主轴驱动装置则完全可以满足数控机床主轴的要求。
交流主轴电机的性能可由图2-27所示的功率/速度关系曲线反应出来。从图中曲线可见，交流主轴电机的特性曲线与直流电机类似，即在基本速度以下为恒转矩区域，而在基本速度以上为恒功率区域。但有些电机，如图中所示那样，当电机速度超过某一定值之后，其功率/速度曲线又往下倾斜，不能保持恒功率。对于一般主轴电机，这个恒功率的速度范围只有1：3的速度比。另外交流主轴电机也有一定的过载能力,一般为额定值的1.2~1.5倍，过载时间则从几分钟到半个小时不等。
2．机械齿轮变速
采用电动机无级调速，使主轴齿轮箱的结构大大简化，但其低速段输出力矩常常无法满足机床强力切削的要求。如单纯片面追求无级调速，势必要增大主轴电动机的功率，从而使主轴电动机与驱动装置的体积、重量及成本大大增加。困此数控机床常采用1～4挡齿轮变速与无级调速相结合的方式，即所谓分段无级变速。采用机械齿轮减速，增大了输出扭矩，并利用齿轮换挡扩大了调速范围。
数控机床在加工时，主轴是按零件加工程序中主轴速度指令所指定的转速来自动运行。数控系统通过两类主轴速度指令信号来进行控制，即用模拟量或数字量信号（程序中的S代码）来控制主轴电动机的驱动调速电路，同时采用开关量信号（程序上用M41～M44代码）来控制机械齿轮变速自动换挡的执行机构。自动换挡执行机构是一种电—机转换装置，常用的有液压拨叉和电磁离合器。
（1）液压拨叉换挡　液压拨叉是一种用一只或几只液压缸带动齿轮移动的变速机构。最简单的二位液压缸实现双联齿轮变速。对于三联或三联以上的齿轮换挡则必须使用差动液压缸。图2-28为三位液压拨叉的原理图，其具有液压缸1与5、活塞2、拨叉3和套筒4，通过电磁阀改变不同的通油方式可获得如下三个位置：
①当液压缸1通入压力油而液压缸5卸压时，活塞杆2便带动拨叉3向左移至极限位置；
②当液压缸5通入压力油而液压缸1卸油时，活塞杆2和套筒4一起移至右极限位置；
③当左右缸同时通压力油时，由于活塞杆2两端直径不同使其向左移动，而由于套筒4和活塞杆2的截面直径不同，使套筒4向右的推力大于活塞杆2向左的推力，因此套筒4压向液压缸5的右端，而活塞杆2则紧靠套筒4的右面，拨叉处于中间位置。
要注意的是每个齿轮的到位，需要有到位检测元件（如感应开关）检测，该信号能有效说明变挡已经结束。对采用主轴驱动无级变速的场合，可采用数控系统控制主轴电动机慢速转动或振动来解决上述液压拨叉可能产生的顶齿问题。对于纯有级变速的恒速交流电动机驱动场合，通常需在传动链上安置一个微电动机。正常工作时，离合器脱开，齿轮换挡时，主轴M1停止工作而离合器吸合，微电动机M2工作，带动主轴慢速转动。同时，油缸移动齿轮，从而顺利啮合，如图2-29所示。
液压拨叉需附加一套液压装置，将信号转换为电磁阀动作，再将压力油分至相应液压缸，因而增加了复杂性。
（2）电磁离合器换挡　电磁离合器是应用电磁效应接通或切断运行的元件，可便于实现自动化操作。但它的缺点是体积大，磁通易使机械件磁化。在数控机床主传动中，使用电磁离合器能简化变速机构，通过安装在各传动轴上离合器的吸合与分离，形成不同的运动组合传动路线，实现主轴变速。
在数控机床中常使用无滑环摩擦片式电磁离合器和牙嵌式电磁离合器。由于摩擦片式电磁离合器采用摩擦片传递力矩，所以允许不停车变速。但如果速度过高，会由于滑差运动产生大量的摩擦热。牙嵌式电磁离合器由于在摩擦面上做成一定的齿形，提高了传递扭矩，减少离合器的径向轴尺寸，使主轴结构更加紧凑，摩擦热减少。但牙嵌式电磁离合器必须在低速时（每分钟数转）变速。二、主传动的机械结构
数控机床的主轴部件一般包括主轴、主轴轴承和传动件等。对于加工中心，主轴部件还包括刀具自动夹紧装置、主轴准停装置和主轴孔的切屑消除装置。
1．主轴轴承的配置形式
数控机床主轴轴承主要有以下几种配置形式：（1）前支承采用双列短圆柱滚子轴承和60度角接触双列向心推力球轴承，后支承采用向心推力球轴承，如图2-30（a）所示。该种配置形式的主轴刚性好，可以满足强力切削的要求，广泛用于各类数控机床的主轴。（2）前支承采用高精度双列向心推力球轴承，如图2-30（b）所示。该种配置形式的承载能力小，适应于高速、轻载和精密的数控机床主轴。（3）前支承采用双列圆锥滚子轴承，后支承采用单列圆锥滚子轴承，如图2-30（c）所示。该种配置的承载能力强，安装和调整方便，但主轴的转速不能太高，适用于中等精度、低速和重载的数控机床。在主轴的结构上必须处理好卡盘或刀具的安装、主轴的卸荷、主轴轴承的定位、间隙调整、主轴部件的润滑和密封等问题。对于某些立式数控加工中心，还必须处理好主轴部件的平衡问题。2．主轴的自动装夹和切屑消除装置在加工中心上，为了实现刀具在主轴上的自动装卸，其主轴必须设计有自动夹紧机构。例如自动换刀数控立式镗铣床（JCS-018）的主轴部件如图2-31所示。加工用的刀具通过刀柄1安装在主轴上，刀柄1以7：24的锥度在主轴3前端的孔中定位，并通过拉钉2拉紧。夹紧刀柄时，液压缸右（上）腔接通回油路，弹簧11推动活塞6右（上）移，拉杆4在碟形弹簧5作用下向右（上）移动；由于此时装在拉杆前端径向孔中的四个钢球12进入主轴孔中直径较小的d2处，被迫径向收拢而卡进拉钉2的环形凹槽内，因而刀柄被拉杆拉紧。切削扭矩由端面键13传递。换刀前需将刀柄松开，压力油进入液压缸的右（上）腔，活塞6推动拉杆4向左（下）移动，碟形弹簧被压缩；当钢球12随拉杆一起左（下）移进入主轴孔径较大的d1处时，它就不能再约束拉钉的头部，紧接着拉杆前端内孔的台肩端面a碰到拉钉，把刀柄松开。此时行程开关10发出信号，换刀机械手随即将刀柄取下。与此同时，压缩空气由管接头9经活塞和拉杆的中心通孔吹入主轴装刀孔中，把切屑或脏物清除干净，以保证刀具的安装精度。机械手把新刀装上主轴后，液压缸7接通回油，碟形弹簧又拉紧刀柄。刀柄拉紧后，行程开关8发出信号。3．主轴准停装置加工中心的主轴部件上设有准停装置，其作用是使主轴每次都准确地停在固定不变的周向位置上，以保证自动换刀时主轴上的端面键能对准刀柄上的键槽，同时使每次装刀时刀柄与主轴的相对位置不变，提高刀具的重复安装精度，从而可提高孔加工时孔径的一致性。另外，一些特殊工艺要求，如在通过前壁小孔镗内壁的同轴大孔，或进行反倒角等加工时，也要求主轴实现准停，使刀尖停在一个固定的方位上，以便主轴偏移一定尺寸后，使大刀刃能通过前壁小孔进入箱体内对大孔进行镗削。目前，主轴准停装置很多，主要分为机械式和电气式两种。JCS-018加工中心采用电气准停装置，其原理见图2-32。在带动主轴旋转的多楔带轮1的端面上装有一个厚垫片4，垫片上装有一个体积很小的永久磁铁3，在主轴箱箱体的对应于主轴准停的位置上，装有磁传感器2。当机床需要停车换刀时，数控装置发出主轴停转的指令，主轴电动机立即降速，在主轴以最低转速慢转几圈、永久磁铁3对准磁传感器2时，磁传感器发出准停信号，该信号经放大后，由定向电路控制主轴电动机停在规定的周向位置上。第四节 可编程序控制器（PLC）一、可编程序控制器工作原理1．可编程序控制器的组成PLC是一种计算机控制系统。它不同于通用计算机的是：它是为工业现场开发，具有更多、功能强大的I/O接口和面向电气工程技术人员的编程语言。如图2-33所示，是一个小型PLC的内部结构示意图。从图中可以看出，PLC由中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出单元、编程器、电源和外部设备等组成，内部通过总线连接。其中CPU、存储器的作用与微型计算机的基本相同。输入/输出单元是PC与工业设备之间的连接组件，又称为I/O单元，每一个连接口称为一点，不同的PC其点数不同。例如C28P表示有28点，16个输出接口和12个输入接口。为便于检查，每个接口都接有指示灯，当接通时，相应的指示灯发亮。断开时，指示灯熄灭，用户可以核对各点的通断状态。编程器用于用户程序的编制、编辑、调试检查和工作监视，它一般是单独的专用部件，通过通信接口与CPU模块连接，在PC正常工作时，不一定需要编程器。PLC正常工作还需要与之配套的软件。PLC的软件一般分为系统程序和用户程序。2．可编程序控制器的特点（1）可靠性高　PLC是针对恶劣的工业环境设计的控制器，其硬件和软件方面均采用了很多有效措施来提高其可靠性。（2）编程简单　PLC编程方法一般分成两大类，一类是语言编程；另一类是梯形图编程。不论是哪一种编程方式，其编程都非常简单。（3）灵活性好　PLC控制各被控设备是通过设计相应的程序来实现的，当在现场装配和调试过程中需要改变控制逻辑时，就不必改变外部电路，只要改写程序重新固化即可。（4）直接驱动负载能力强　在PLC的输出模块中，有直接用于驱动强电线圈的功能模块，在这种模块中，采用了大功率晶体管和控制继电器的形式进行输出，所以具有较强的驱动能力，一般都能直接驱动执行电器的线圈，接通或断开强电电路。（5）便于实现机电一体化　由于PLC在设计过程中，充分注意到其应用的环境和条件，不论是何种品牌的PLC都设计成结构紧凑型，通常其体积小、重量轻、功耗低、效率高，所以很容易将其装入控制柜内，实现机电一体化。另外，利用其通信网络功能还可以实现计算机网络控制。3．可编程序控制器的工作过程PLC内部工作方式一般是采用循环扫描工作方式，在一些大、中型的PLC中增加了中断工作方式。当用户将用户程序调试完成后，通过编程器将其程序写入PLC存储器中，同时将现场的输入信号和被控制的执行元件相应的连接在输入模块的输入端和输出模块的输出端，接着将PLC工作方式选择为运行工作方式，后面的工作就由PLC根据用户程序去完成，图2-34是PLC执行过程框图。PLC在工作过程中，主要完成六个模块的处理。从自诊断模块的运行开始执行，对软硬件进行校验和测试。测试结束后，如果PLC控制开关已经拨向编程工作方式，则进入编程器处理模块，这时CPU马上将总线控制权交给编程器，用户可以根据需要对PLC工作进行在线监视和修改用户程序等操作。当编程器完成处理工作或达到所规定的信息交换时间后，CPU重新获得总线控制权。当进行完编程处理器模块后，如果PLC配置了网络交换功能模块，这时开始扫描执行此模块。该模块主要完成PLC与PLC之间，PLC与磁带机，PLC与计算机之间进行信息交换。在处理完成上面两个模块后，PLC进入用户程序处理过程。用户程序处理是PLC的基本功能，其处理过程采用循环扫描方式进行。可分为输入采样、程序执行、输出刷新三个阶段，如图2-35所示。对用户程序进行的处理首先是输入采样阶段。在输入采样阶段，PLC以扫描方式将所有的输入端的输入信号状态（ON/OFF）读入到输入影像寄存器中寄存起来。然后进入用户程序执行状态，在PLC执行程序过程中，根据需要可在输入影像区中提取有关现场信息，在输出影像区中提取有关历史信息，并在处理后将其结果存入输出影像区，供下次处理时使用或者以备输出。接着进入输出服务过程，CPU将输出影像区中要输出的状态值按顺序传送到输出数据寄存器，然后再通过输出模块转换后送去控制现场的执行元件。经过用户程序处理模块后，PLC开始执行超时检查模块，若扫描周期时间没有超过设定的时间，则继续执行下一个扫描周期。若超过了，则CPU将停止运行，复位至输入/输出状态，并在进行报警后转入停机扫描过程。当超时或自诊断出错时，PLC进入出错处理模块，并进行报警、显示错误，同时作相应处理，然后停止扫描过程。二、可编程序控制器的应用在机械制造业中，PLC得到了非常广泛的应用，特别是数控机床都或多或少的使用了PLC作为开关量的控制。除了数控机床，其它的加工设备目前也在越来越多的采用PLC进行控制，例如组合机床、各种自动化生产线等都使用了PLC控制。（一）数控机床使用PLC的类型数控机床使用的PLC可分为两类：一类是为“内装型”PLC；另一类是“独立型”PLC。1．内装型PLC如图2-36所示为内装型PLC的CNC系统框图。“内装型”PLC从属于CNC装置，PLC与CNC装置之间的信号传送在内部即可实现。PLC与机床则通过CNC输入/输出接口电路实现信号传送。这样内装型PLC的硬件电路可以单独设计在自己的电路板内，也可以与CNC装置的某一块电路板共用一块电路板。内装型PLC的成功应用，扩大了CNC内部直接处理数据的能力，可以使用梯形图方式进行编程，并且造价较低，提高了CNC的性能价格比。2．独立型PLC所谓独立型PLC实际上就是一个通用型PLC，它完全独立于CNC装置，具有完备的硬件和软件，独立完成CNC系统所要求的控制任务。如图2-37所示是独立型PLC与CNC和机床的连接框图。从图中可以看到，独立型PLC，不但要与机床侧的I/O连接，还要进行与CNC装置侧的I/O连接。所以，独立型CPU造价较高，性能价格比不如内装型PLC。（二）PLC与CNC及机床之间的信息交换在信息交换中，分为PLC与CNC之间的信息交换和PLC与机床之间的信息交换。PLC与CNC之间的信息交换分两个方向进行：一个方向是CNC向PLC发送信息，主要信息有各种功能代码M、S、T的信息，手动/自动方式信息，各种使能信息等；另一个方向是PLC向CNC发送信息，主要信息有M、S、T功能的应答信息和各坐标轴对应的机床参考点信息等。PLC与机床之间的信息交换也分为两个方向进行：一个方向是PLC向机床发送的信息，主要信息有控制机床的执行元件，如电磁铁、接触器、继电器以及各种状态指示和故障报警等；另一个方向是机床向PLC发送信息，主要信息有机床操作面板输入信息和其上各种开关、按钮等信息，如机床起动/停止、主轴正转/反转/停止、冷却液开/关、倍率选择、各坐标轴点动以及刀架卡盘夹紧/松开等信息，还有各运动部件的限位开关，主轴状态监视信号和伺服系统运行准备信号等。
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