《數(shù)控機床電氣控制》《數(shù)控機床電氣控制》1本課程學習的目的和任務通過本課程的學習，應使學生在理論上：初步掌握機床電氣控制系統(tǒng)的結構組成、工作原理，可編程控制器的結構及工作原理、指令系統(tǒng)及編程方法，數(shù)控裝置結構與接口，伺服驅(qū)動裝置、檢測裝置等方面的基本知識;

實踐上：通過在數(shù)控機床電氣控制實驗臺上進行必要的實訓，使學生初步具有認知、測試及設置數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)中各電氣控制元件、部件的能力，最終能夠掌握數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)的結構和工作原理，為今后在工作中操作、調(diào)試、維修數(shù)控機床打下較堅實基礎。本課程學習的目的和任務2本次講述的主要內(nèi)容1.闡明教學重點2.介紹考試題目類型3.按章節(jié)順序?qū)嵺`中經(jīng)常應用，也是復習考試重點的知識點進行總結歸納，以利于老師們的教學，以及同學們掌握這門課程的主要內(nèi)容本次講述的主要內(nèi)容3（一）、教學重點按照《數(shù)控機床電氣控制》教學大綱要求，我們的教學重點如下：1、緒論1.1數(shù)控機床控制系統(tǒng)的構成1.2.數(shù)控機床的分類

2、數(shù)控機床強電控制電路2.1.機床常用低壓電器的工作原理與選用2.2機床強電控制系統(tǒng)的基本環(huán)節(jié)

3、數(shù)控裝置（CNC）的結構3.2.數(shù)控裝置的硬件結構3.4.數(shù)控系統(tǒng)的抗干擾（一）、教學重點44、數(shù)控機床的伺服驅(qū)動4.1.伺服驅(qū)動概述4.2.進給驅(qū)動系統(tǒng)4.2.1步進電機驅(qū)動系統(tǒng)4.2.3交流伺服系統(tǒng)4.3.主軸驅(qū)動系統(tǒng)5、數(shù)控機床的位置檢測裝置5.1.檢測裝置概述5.2.旋轉(zhuǎn)編碼器5.4.光柵4、數(shù)控機床的伺服驅(qū)動56、數(shù)控機床的可編程控制器（PLC）6.1.概述6.2.可編程序控制器的結構及工作原理6.3.PLC指令與編程6、數(shù)控機床的可編程控制器（PLC）6（二）、考題類型為了大家便于準備期末考試復習，我們在這里一起看看考題的類型：一、單選題例如：1·（）是用來頻繁地接通或分斷帶有負載（如電動機）的主電路的自動控制電器，按其主觸頭通過電流的種類不同，分為交流、直流兩種。A接觸器B繼電器C接近開關（二）、考題類型72·工廠中電火花高頻電源等都會產(chǎn)生強烈的電磁波，這種高頻輻射能量通過空間的傳播，被附近的數(shù)控系統(tǒng)所接收。如果能量足夠，就會干擾數(shù)控機床的正常工作，這種干擾稱（）。A信號傳輸干擾B供電線路的干擾C電磁波干擾二、判斷題（對認為正確的題標注“√”、錯題標注“×”）

例如1·直線控制數(shù)控機床的數(shù)控裝置只要求能夠精確地控制從一個坐標點到另一個坐標點的定位精度，而不管是按什么軌跡運動，在移動過程中不進行任何加工。（）2·工廠中電火花高頻電源等都會產(chǎn)生強烈的電磁波，這種高頻輻射82·對于較大容量（大于10KW）的電動機，因起動電流大（可達額定電流的4～7倍），一般采用減壓起動方式來降低起動電流。（）三、簡答題例如1·PLC的硬件由哪幾部分組成？答：PLC內(nèi)部硬件由中央處理單元（CPU）、存儲器、輸入/輸出接口、編程器、電源等幾部分組成。2·對于較大容量（大于10KW）的電動機，因起動電流大（可達9四、分析題例如1·增量式光電編碼器原理示意如圖所示，試分析其進行角度測量的原理。并回答為什么要用兩個光電管進行光信號檢測？四、分析題10答：當光電盤隨被測工作軸一起轉(zhuǎn)動時，每轉(zhuǎn)過一個縫隙，光電管就會感受到一次光線的明暗變化，使光電管的電阻值改變，這樣就把光線的明暗變化轉(zhuǎn)變成電信號的強弱變化，而這個電信號的強弱變化近似于正弦波的信號，經(jīng)過整形和放大等處理，變換成脈沖信號。通過計數(shù)器計量脈沖的數(shù)目，即可測定旋轉(zhuǎn)運動的角位移。用兩個光電管進行光信號檢測，是為了使光敏元件產(chǎn)生兩組電信號，該信號彼此相差90°相位，用于辨向。答：當光電盤隨被測工作軸一起轉(zhuǎn)動時，每轉(zhuǎn)過一個縫隙，光電11（三）、教學中學生必須掌握的知識點第1章緒論一、數(shù)控機床進行加工時，數(shù)控系統(tǒng)必須按照工件加工的要求對機床的運動進行控制，歸納起來可分為三種類別的控制：1．主軸控制主軸運動和普通機床一樣，主軸運動主要完成工件的切削任務。2．進給控制即用電氣自控驅(qū)動替代了人工機械驅(qū)動，數(shù)控機床的進給運動是由進給伺服系統(tǒng)完的。3．輔助控制數(shù)控系統(tǒng)對加工程序處理后輸出的控制信號除了對進給運行軌跡進行連續(xù)控制外，還要對機床的各種開關狀態(tài)進行控制。這部分功能一般由可編程序邏輯控制器實現(xiàn)。（三）、教學中學生必須掌握的知識點12圖1.3數(shù)控機床的基本組成

二、數(shù)控機床控制系統(tǒng)的組成數(shù)控機床控制系統(tǒng)的基本組成包括輸入/輸出裝置、數(shù)控裝置、伺服驅(qū)動裝置、機床電氣邏輯控制裝置、位置檢測裝置，如圖1.3所示。其功能應了解。圖1.3數(shù)控機床的基本組成13三、數(shù)控機床的分類1、按被控制對象運動軌跡進行分類1）點位控制的數(shù)控機床點位控制數(shù)控機床的數(shù)控裝置只要求能夠精確地控制從一個坐標點到另一個坐標點的定位精度，而不管是按什么軌跡運動，在移動過程中不進行任何加工。2）直線控制的數(shù)控機床直線控制數(shù)控機床一般要在兩點間移動的同時進行加工，所以不僅要求有準確的定位功能，還要求從一點到另一點之間按直線規(guī)律運動，而且對運動的速度也要進行控制。3）輪廓控制的數(shù)控機床輪廓控制又稱連續(xù)控制，大多數(shù)數(shù)控機床具有輪廓控制功能。其特點是能同時控制兩個以上的軸，具有插補功能。它不僅控制起點和終點位置，而且要控制加工過程中每一點的位置和速度，加工出任意形狀的曲線或曲面組成的復雜零件。三、數(shù)控機床的分類142、按控制方式分類1）開環(huán)控制數(shù)控機床這類數(shù)控機床沒有檢測反饋裝置，數(shù)控裝置發(fā)出的指令信號流程是單向的，其精度主要決定于驅(qū)動元件和伺服電機的性能，開環(huán)數(shù)控機床所用的電動機主要是步進電動機。2）閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)是指在機床的運動部件上安裝位置測量裝置。伺服系統(tǒng)采用交伺服電動機、直流伺服電動機3）半閉環(huán)控制系統(tǒng)半閉環(huán)控制系統(tǒng)是在開環(huán)系統(tǒng)的絲杠上或進給電動機的軸上裝有角位移檢測裝置。2、按控制方式分類15第2章數(shù)控機床強電控制電路一、低壓斷路器低壓斷路器又稱自動空氣開關，它不但能用于正常工作時不頻繁接通和斷開的電路，而且當電路發(fā)生過載、短路或失壓等故障時，能自動切斷電路，有效地保護串接在它后面的電氣設備。因此，低壓斷路器在機床上使用得越來越廣泛。二、交流接觸器接觸器是一種用來頻繁地接通或分斷帶有負載（如電動機）的主電路自動控制電器。接觸器按其主觸頭通過電流的種類不同，分為交流、直流兩種，機床上應用最多的是交流接觸器，我們僅介紹交流接觸器。交流接觸器的結構交流接觸器的外形與結構組成如圖2.17所示，交流接觸器的結構由電磁機構、觸頭系統(tǒng)、滅弧裝置及其他部件等四部分組成。第2章數(shù)控機床強電控制電路16三、繼電器繼電器是一種根據(jù)某種輸入信號的變化，而接通或斷開控制電路，實現(xiàn)控制目的的電器。繼電器的輸入信號可以是電流、電壓等電學量，也可以是溫度、速度、時間、壓力等非電量，而輸出通常是觸頭的動作（斷開或閉合）。電流繼電器與電壓繼電器在結構上的區(qū)別主要是線圈不同。電流繼電器的線圈匝數(shù)少、導線粗，與負載串聯(lián)以反映電路電流的變化。電壓繼電器的線圈匝數(shù)多、導線細，與負載并聯(lián)以反映其兩端的電壓。中間繼電器實際上也是一種電壓繼電器，只是它具有數(shù)量較多、容量較大的觸點，起到中間放大的作用。三、繼電器17四、接近開關接近開關又稱無觸點行程開關。當運動著的物體在一定范圍內(nèi)與之接近時，接近開關就會發(fā)生物體接近而“動作”的信號，以不直接接觸方式控制運動物體的位置。接近開關多為三線制。三線制接近開關有二根電源線（通常為24V）和一根輸出線。輸出有常開、常閉兩種狀態(tài)。五、熱繼電器熱繼電器是利用電流的熱效應原理來切斷電路的保護電器，主要用于電動機或其他負載的過載保護。當負載電流超過整定電流值并經(jīng)過一定時間后，發(fā)熱元件所產(chǎn)生的熱量使雙金屬片受熱彎曲，帶動動觸點與靜觸點分斷，切斷電動機的控制回路，使接觸器線圈斷電釋放，從而斷開主電路，實現(xiàn)對電動機的過載保護。由此可見，熱繼電器由于熱慣性，當電路短路時不能立即動作使電路立即斷開，因此不能作短路保護。四、接近開關18六、電氣控制線路的繪制電氣控制系統(tǒng)圖有三類：電氣原理圖、電器元件布置圖和電氣安裝接線圖1.電氣原理圖電氣原理圖是表達所有電器元件的導電部件和接線端子之間的相互關系。2.電器元件布置圖電氣元件布置圖主要用來表明各種電氣元件在機械設備上和電氣控制柜中的實際安裝位置，為機械電氣控制設備的制造、安裝、維修提供必要的資料。3.電器安裝接線圖電氣安裝接線圖是用規(guī)定的圖形符號，根據(jù)原理圖，按各電器元件相對位置繪制的實際接線圖，它清楚地表明了各電器元件的相對位置和它們之間的電路連接的詳細信息。六、電氣控制線路的繪制19七、三相異步電動機的起動控制線路為了減小起動電流，電動機在起動時應采用適當?shù)拇胧?。三相籠型電動機有直接起動（全電壓起動）和間接起動（降壓起動）兩種方式。直接起動是一種簡單、可靠、經(jīng)濟的起動方式，適合小容量電動機。對于較大容量（大于10KW）的電動機，因起動電流大（可達額定電流的4～7倍），一般采用減壓起動方式來降低起動電流。七、三相異步電動機的起動控制線路20第3章數(shù)控裝置（CNC）的結構一、數(shù)控裝置的組成目前的數(shù)控裝置都是基于微型計算機的硬件和軟件來實現(xiàn)其功能，它一方面具有一般微型計算機的基本結構，另一方面。必須編寫相應的系統(tǒng)軟件來指揮和協(xié)調(diào)硬件的工作，兩者缺一不可。CNC裝置的軟件由管理軟件和控制軟件兩部分組成。二、數(shù)控裝置的硬件結構類型：數(shù)控裝置是整個數(shù)控系統(tǒng)的核心，其硬件結構按CNC裝置中各印刷電路板的插接方式可以分為大板式結構和功能模塊式結構；按CNC裝置硬件的制造方式，可以分為專用型結構和個人計算機式結構；按CNC裝置中微處理的個數(shù)可以分為單微處理器結構和多微處理器結構。第3章數(shù)控裝置（CNC）的結構21三、、數(shù)控系統(tǒng)的抗干擾數(shù)控系統(tǒng)的干擾一般是指那些與信號無關的，在信號輸入、傳輸和輸出過程中出現(xiàn)的一些不確定的有害的電氣瞬變現(xiàn)象。這些瞬變現(xiàn)象會使數(shù)控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)在傳輸過程中發(fā)生變化，增大誤差，使局部裝置或整個系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況，引起故障。抗干擾措施1.減少供電線路干擾數(shù)控機床的安置要遠離中頻、高頻的電氣設備；要避免大功率起動、停止頻繁的設備，電火花設備同數(shù)控機床位于同一供電干線上，最好是采用獨立的動力線供電。三、、數(shù)控系統(tǒng)的抗干擾222.減少機床控制中的干擾3.屏蔽屏蔽技術利用金屬材料制成容器，將需要防護的電路或線路包在其中，可以防止電場或磁場的耦合干擾。4.保證“接地”良好“接地”是數(shù)控機床安裝中一項關鍵的抗干擾技術措施。電網(wǎng)的許多干擾都是通過“接地”這條途徑對機床起作用的。2.減少機床控制中的干擾23第4章數(shù)控機床的伺服驅(qū)動一、閉環(huán)伺服系統(tǒng)的組成閉環(huán)伺服系統(tǒng)的一般結構通常有位置環(huán)和速度環(huán)組成。速度環(huán)速度控制單元是一個獨立的單元部件，它由伺服電動機、伺服驅(qū)動裝置、測速裝置及速度反饋組成；位置環(huán)由數(shù)控系統(tǒng)中的位置控制、位置檢測裝置及位置反饋組成。二、步進電動機的基本結構和工作原理步進電動機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換為機械角位移的機電執(zhí)行元件。圖4.2a)為三相反應式步進電動機的結構圖。它是由轉(zhuǎn)子、定子及定子繞組所組成。定子上有六個均布的磁極，直徑方向相對的兩個極上的線圈串聯(lián)，構成電動機的一相控制繞組。下面我們分析步進電動機的工作原理：第4章數(shù)控機床的伺服驅(qū)動24圖4.2b)所示為反應式步進電動機工作原理示意圖。其定子、轉(zhuǎn)子是用硅鋼片等軟磁材料制成的，定子上有A、B、C三對磁極，分別繞有A、B、C三相繞組。三對磁極在空間上相互錯開120°。轉(zhuǎn)子上有4個齒，無繞組，它在定子磁場中被磁化而呈現(xiàn)極性。當定子A相繞組通電時，形成以A-A′為軸線的磁場，轉(zhuǎn)子受磁場拉力作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子的1、3齒和定子的A—A’極對齊，如圖4.2b)所示；當A相斷電、B相繞組通電時，以B-B′為軸線的磁場使轉(zhuǎn)子的2、4齒和定子的B-B′極對齊，轉(zhuǎn)子將在空間逆時針轉(zhuǎn)過30°角；當B相斷電，C相繞組通電時，以C-C′為軸線的磁場使轉(zhuǎn)子的1、3齒和定子的C-C′極對齊，轉(zhuǎn)子將在空間又逆時針轉(zhuǎn)過30°角。如此按A→B→C→A的順序通電，轉(zhuǎn)子就會不斷地按逆時針方向轉(zhuǎn)動；如按A→C→B→A的順序通電，轉(zhuǎn)子就會不斷地按順時針方向轉(zhuǎn)動。從一相通電換到另一相通電，叫一拍；每一拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一步，每步轉(zhuǎn)過角度叫步距角，用α表示。圖4.2b)所示為反應式步進電動機工作原理示意圖。其定子、轉(zhuǎn)25圖4．2反應式步進電動機工作原理數(shù)控機床電氣控制培訓教材課件26圖4.5步進電動機控制驅(qū)動電路

三、步進電動機的驅(qū)動及控制步進電機的運行性能，不僅與步進電機本身和負載有關，而且與配套的驅(qū)動裝置有著十分密切的關系。步進電動機驅(qū)動裝置由環(huán)形脈沖分配器、功率放大驅(qū)動電路兩大部分組成，如圖4.5所示。其中，步進電動機驅(qū)動電路完成由弱電到強電的轉(zhuǎn)換和放大，也就是將邏輯電平信號變換成電機繞組所需的具有一定功率的電流信號。圖4.5步進電動機控制驅(qū)動電路27四、交流伺服系統(tǒng)1.交流伺服系統(tǒng)使用交流異步伺服電動機(一般用于主軸伺服電動機)和永磁同步伺服電動機(一般用于進給伺服電動機)。由于直流伺服電動機存在著一些固有的缺點，（比如，有電刷，限制了轉(zhuǎn)速的提高，而且結構復雜，價格貴。），使其應用環(huán)境受到限制。交流伺服電動機沒有這些缺點，且轉(zhuǎn)子慣量較直流電動機小，使得動態(tài)響應好。因此，交流伺服系統(tǒng)得到了迅速發(fā)展，已經(jīng)形成潮流。從20世紀80年代后期開始，大量使用交流伺服系統(tǒng)，目前，已基本取代了直流電動機。四、交流伺服系統(tǒng)282．交流伺服電動機的工作原理和結構如圖4.20所示，交流伺服電動機的轉(zhuǎn)子是一個具有兩個極的永磁體(也可以是多極的)。按照電動機學原理，當同步型電動機的定子三相繞組接通三相交流電源時，就會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(Ns，Ss)以同步轉(zhuǎn)速ns逆時針方向旋轉(zhuǎn)。根據(jù)兩異性磁極相吸的原理，定子磁極Ns(或Ss)緊緊吸住轉(zhuǎn)子，以同步轉(zhuǎn)速ns在空間旋轉(zhuǎn)，即轉(zhuǎn)子和定子磁場同步旋轉(zhuǎn)。當轉(zhuǎn)子加上負載轉(zhuǎn)矩后，轉(zhuǎn)子磁極軸線將落后定子磁場軸線一個θ夾角。轉(zhuǎn)子的負載轉(zhuǎn)矩增大時，定子磁極軸線與轉(zhuǎn)子磁極軸線間的夾角θ增大；當負載轉(zhuǎn)矩減小時θ角減小。2．交流伺服電動機的工作原理和結構29圖4.20永磁式同步型電動機的工作原理

圖4.20永磁式同步型電動機的工作原理30五、交流伺服電機驅(qū)動裝置1）交流電動機調(diào)速原理由電動機學基本原理可知，交流電動機的同步轉(zhuǎn)速為n0＝60f1/p(r/min)式中f1——定子供電頻率，單位Hz；P——電動機定子繞組磁極對數(shù)；從上面的公式可以看出：平滑改變定子供電電壓頻率f1而使轉(zhuǎn)速平滑變化，這就是變頻調(diào)速方法。這是交流電動機的一種理想調(diào)速方法。目前，數(shù)控機床主要采用變頻調(diào)速等先進交流調(diào)速技術。五、交流伺服電機驅(qū)動裝置312)正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)變頻器SPWM變頻器屬于交一直一交變頻器，基本工作過程是先將50Hz交流電經(jīng)整流變壓器變壓得到所需電壓，經(jīng)二極管整流和電容濾波，形成恒定直流電壓，然后送入由大功率晶體管構成的逆變器主電路，輸出三相電壓和頻率均可調(diào)整的等效于正弦波的脈寬調(diào)制波(SPWM波)，即可拖動三相電機運轉(zhuǎn)。這種變頻器在數(shù)控機床的交流驅(qū)動中廣泛使用。2)正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)變頻器323）正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)逆變器的基本原理SPWM波形與等效正弦波在采樣控制理論中有一個重要結論，沖量(窄脈沖的面積)相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。電動機就是一個慣性的環(huán)節(jié)，該結論是SPWM控制的重要理論基礎。SPWM逆變器輸出的是正弦脈寬調(diào)制波,如圖4.24b)所示。其工作原理是若把一個正弦半波分成N等分，然后把每一等分的正弦曲線與橫坐標軸所包圍的面積，都用一個與此面積相等的等高矩形脈沖來代替，這樣可得到N個等高而不等寬的脈沖序列。根據(jù)上述沖量相等效果相同的原理，該矩形脈沖序列與正弦半波是等效的。如果對正弦波的負半周也做同樣處理，即可得到相應的2N個脈沖，這就是與正弦波等效的正弦脈寬調(diào)制波，如圖4.24所示。通過對等效的正弦脈寬調(diào)制波的脈沖調(diào)制，就相當于調(diào)整了輸出的正弦波頻率。3）正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)逆變器的基本原理33

a)正弦波的正半波b)等效的SPWM波形圖4.24與正弦波等效的SPWM波形數(shù)控機床電氣控制培訓教材課件34六、主軸定向控制的作用目前交流主軸驅(qū)動中均采用籠型異步電動機?；\型異步電動機由有三相繞組的定子和有籠條的轉(zhuǎn)子構成。主軸定向控制又稱主軸準?？刂疲串斨鬏S停止時能控制其停在固定位置，對M06和M19指令有效。其作用如下。①在加工中心中進行刀具交換②在精鏜孔退刀時，為了避免刀尖劃傷已加工表面六、主軸定向控制的作用35第5章數(shù)控機床的位置檢測裝置一、數(shù)控機床對檢測裝置的基本要求：1）穩(wěn)定可靠、抗干擾能力強。數(shù)控機床的工作環(huán)境存在油污、潮濕、灰塵、沖擊振動等，檢測裝置要能夠在這樣的惡劣環(huán)境下工作穩(wěn)定，并且受環(huán)境溫度影響小，能夠抵抗較強的電磁干擾。2）滿足精度和速度的要求。為保證數(shù)控機床的精度和效率，檢測裝置必須具有足夠的精度和檢測速度，位置檢測裝置分辨率應高于數(shù)控機床的分辨率一個數(shù)量級。3）安裝維護方便、成本低廉。受機床結構和應用環(huán)境的限制，要求位置檢測裝置體積小巧，便于安裝調(diào)試。盡量選用價格低廉，性能價格比高的檢測裝置。數(shù)控機床加工精度，在很大程度上取決于數(shù)控機床位置檢測裝置的精度，因此，位置檢測裝置是數(shù)控機床的關鍵部件之一，它對于提高數(shù)控機床的加工精度有決定性的作用。第5章數(shù)控機床的位置檢測裝置36二、常用位置檢測裝置的分類根據(jù)位置檢測裝置安裝形式和測量方式,數(shù)控機床測量方式可按以下幾種方式分類：1絕對式和增量式按檢測量的測量基準，可分為絕對式和增量式測量絕對式位置檢測是：每個被測點的位置都從一個固定的零點算起增量式位置檢測是：只測位移增量，每檢測到位置移動一個基本單位時，輸出一個脈沖波或正弦波，通過脈沖計數(shù)便可得到位移量。2.直接測量和間接測量按被測量和所用檢測元件的位置關系，可分為直接測量和間接測量。若位置檢測裝置所測量的對象就是被測量本身，叫做直接測量，二、常用位置檢測裝置的分類37三、位置檢測裝置的性能指標位置檢測裝置安裝在伺服驅(qū)動系統(tǒng)中，由于所測量的各種物理量是不斷變化的，因此傳感器的測量輸出必須能準確、快速地跟隨并反映這些被測量的變化。位置檢測裝置的主要性能指標包括如下幾項內(nèi)容。1.精度符合輸出量與輸入量之間特定函數(shù)關系的準確程度稱作精度，數(shù)控機床用傳感器要滿足高精度和高速實時測量的要求。2.分辨率位置檢測裝置能檢測的最小位置變化量稱作分辨率。分辨率應適應機床精度和伺服系統(tǒng)的要求。分辨率的高低，對系統(tǒng)的性能和運行平穩(wěn)性具有很大的影響。一般按機床加工精度的1／3～1／10選取檢測裝置的分辨率。（也就是說，位置檢測裝置的分辨率要高于機床加工精度）。3.靈敏度輸出信號的變化量相對于輸入信號變化量的比值為靈敏度。實時測量裝置不但要靈敏度高，而且輸出、輸入關系中各點的靈敏度應該是一致的。三、位置檢測裝置的性能指標38四、旋轉(zhuǎn)編碼器旋轉(zhuǎn)編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式的角位移檢測裝置，在數(shù)控機床中得到了廣泛的使用。旋轉(zhuǎn)編碼器通常安裝在被測軸上，隨被測軸一起轉(zhuǎn)動，直接將被測角位移轉(zhuǎn)換成數(shù)字(脈沖)信號，所以也稱為旋轉(zhuǎn)脈沖編碼器，這種測量方式?jīng)]有累積誤差。旋轉(zhuǎn)編碼器也可用來檢測轉(zhuǎn)速。圖5.2增量式光電編碼器外形結構圖四、旋轉(zhuǎn)編碼器39當光電盤隨被測工作軸一起轉(zhuǎn)動時，每轉(zhuǎn)過一個縫隙，光電管就會感受到一次光線的明暗變化，使光電管的電阻值改變，這樣就把光線的明暗變化轉(zhuǎn)變成電信號的強弱變化，而這個電信號的強弱變化近似于正弦波的信號，經(jīng)過整形和放大等處理，變換成脈沖信號。通過計數(shù)器計量脈沖的數(shù)目，即可測定旋轉(zhuǎn)運動的角位移；通過計量脈沖的頻率，即可測定旋轉(zhuǎn)運動的轉(zhuǎn)速，測量結果可以通過數(shù)字顯示裝置進行顯示或直接輸入到數(shù)控系統(tǒng)中。增量式光電編碼器外形結構見圖5.2。實際應用的光電編碼器的光欄板上有兩組條紋A、A和B、B，A組與B組的條紋彼此錯開1／4節(jié)距，兩組條紋相對應的光敏元件所產(chǎn)生的信號彼此相差90°相位，用于辨向。此外，在光電碼盤的里圈里還有一條透光條紋C(零標志刻線)，用以每轉(zhuǎn)產(chǎn)生一個脈沖，該脈沖信號又稱零標志脈沖，作為測量基準。當光電盤隨被測工作軸一起轉(zhuǎn)動時，每轉(zhuǎn)過一個40圖5.10莫爾條紋形成的原理五、光柵的組成結構和檢測原理光柵是一種在透明玻璃上或金屬的反光平面上刻上平行、等距的密集刻線，制成的光學元件。數(shù)控機床上用的光柵尺，是利用兩個光柵相互重疊時形成的莫爾條紋現(xiàn)象，制成的光電式位移測量裝置。當光線平行照射光柵時，由于光的透射及衍射效應，在與線紋垂直的方向上，準確地說，在與兩光柵線紋夾角θ的平分線相垂直的方向上，會出現(xiàn)明暗交替、間隔相等的粗條紋，這就是“莫爾干涉條紋”，簡稱莫爾條紋。圖5.10是莫爾條紋形成的原理圖。圖5.10莫爾條紋形成的原理41第6章數(shù)控機床的可編程控制器（PLC）傳統(tǒng)的繼電接觸器控制具有結構簡單、易于掌握、價格便宜等優(yōu)點，在工業(yè)生產(chǎn)中應用甚廣。但是，這些控制裝置體積大、動作速度較慢、耗電較多、功能少，特別是傳統(tǒng)的繼電器—接觸器控制采用的是固定接線方式，一旦生產(chǎn)過程有所變動，就得重新設計線路和連線安裝，不利于產(chǎn)品的更新?lián)Q代。目前大都用可編程控制器取代。第6章數(shù)控機床的可編程控制器（PLC）42一、可編程序控制器的主要特點1.可靠性高、抗干擾能力強工業(yè)生產(chǎn)一般對控制設備的可靠性有很高的要求：要能夠在惡劣的環(huán)境中可靠地工作，控制設備應具有很強的抗干擾能力。2.控制系統(tǒng)構成簡單、通用性強PLC是一種存儲程序控制器，其輸入和輸出設備與繼電接觸器控制系統(tǒng)類似，但它們可直接連接在PLC的I/O端。3.編程簡單、使用、維護方便編程簡單是PLC優(yōu)于微機的另一特點。PLC的設計宗旨之一是方便使用，目前大多數(shù)的PLC均可采用與實際電路接線圖非常接近的梯形圖編程，這種編程語言形象直觀，易于掌握，只要具有一定電工和工藝知識的人就可在短時間內(nèi)學會。一、可編程序控制器的主要特點434.組合方便、功能強、應用范圍廣現(xiàn)代的PLC不僅具有邏輯運算、定時、計數(shù)、步進等功能，而且還能完成A/D（模擬量/數(shù)字量）、D/A（數(shù)字量/模擬量）轉(zhuǎn)換，數(shù)字運算和數(shù)據(jù)處理以及通信聯(lián)網(wǎng)、生產(chǎn)過程控制等。5.體積小、重量輕、功耗低PLC采用了半導體集成電路，外形尺寸很小，重量輕，同時功耗也很低，空載功耗約l.2W。二、PLC程序的表達方式PLC備有多種編程語言，供用戶選用。由于PLC是為在工業(yè)環(huán)境中應用而設計的，對PLC編程時可以不考慮其內(nèi)部的復雜結構，也不必使用計算機的編程語言，而把PLC內(nèi)部看作是由許多“軟繼電器”等邏輯部件組成的。利用PLC所提供的編程語言，按照用戶不同的控制任務和要求編制不同的應用程序，這就是PLC的應用程序設計。4.組合方便、功能強、應用范圍廣44三、PLC中常用的編程語言有梯形圖、語句表、功能表圖等。1.梯形圖編程梯形圖是各種PLC通用的一種圖形編程語言，在形式上類似于繼電器控制電路。它直觀、易懂，是目前應用最多的一種編程語言。2.語句表編程語句表又叫做指令表，在形式上類似于計算機匯編語言。它是用指令的助記符來編程的，通常一條指令由步序號、助記符和元件號三部分組成。三、PLC中常用的編程語言有梯形圖、語句表、功能表圖等。45四、S7-200PLC基本指令1、二進制邏輯操作二進制邏輯操作包括裝載位操作、串／并聯(lián)操作、賦值操作以及置位／復位操作，邊沿識別和跳轉(zhuǎn)操作等功能。四、S7-200PLC基本指令46圖6.10裝載位操作指令的應用示例如圖6.10所示的邏輯操作指令功能是：當輸入點I0.0與輸入點I0.1的狀態(tài)都為“l(fā)”時，Q0.0為“l(fā)”，上面的輸入點I0.0與輸入點I0.1的邏輯關系為“與”；而輸入點I0.0或輸入點I0.1只要某一個為“l(fā)”狀態(tài)，即可使Q0.2輸出“l(fā)”，這時輸入點I0.0與輸入點I0.1的邏輯關系為“或”。圖6.10裝載位操作指令的應用示例47

圖6.13復雜邏輯關系及程序表達方法例6-1：分析圖6.13左圖所示的梯形圖，寫出對應的指令表。分析：圖6.13所示的程序中第一段為“或”裝載關系，第二段為“與”裝載關系。也就是說：第一段的OLD指令把兩個串聯(lián)環(huán)節(jié)“并聯(lián)”起來，而第二段的ALD指令把兩個并聯(lián)環(huán)節(jié)“串聯(lián)”起來。所以，得出其對應的指令表如圖6.13右圖所示。圖6.13復雜邏輯關系及程序表達方法48謝謝各位領導及老師！請多提寶貴意見！謝謝各位領導及老師！4946．凡事不要說＂我不會＂或＂不可能＂，因為你根本還沒有去做！

47．成功不是靠夢想和希望，而是靠努力和實踐．

48．只有在天空最暗的時候，才可以看到天上的星星．

49．上帝說：你要什么便取什么，但是要付出相當?shù)拇鷥r．

50．現(xiàn)在站在什么地方不重要，重要的是你往什么方向移動。

51．寧可辛苦一陣子，不要苦一輩子．

52．為成功找方法，不為失敗找借口．

53．不斷反思自己的弱點，是讓自己獲得更好成功的優(yōu)良習慣。

54．垃圾桶哲學：別人不要做的事，我揀來做！

55．不一定要做最大的，但要做最好的．

56．死的方式由上帝決定，活的方式由自己決定！

57．成功是動詞，不是名詞！28、年輕是我們拼搏的籌碼，不是供我們揮霍的資本。59、世界上最不能等待的事情就是孝敬父母。60、身體發(fā)膚，受之父母，不敢毀傷，孝之始也；立身行道，揚名於后世，以顯父母，孝之終也。——《孝經(jīng)》61、不積跬步，無以致千里；不積小流，無以成江海?！髯印秳駥W篇》62、孩子：請高看自己一眼，你是最棒的！63、路雖遠行則將至，事雖難做則必成！64、活魚會逆水而上，死魚才會隨波逐流。65、怕苦的人苦一輩子，不怕苦的人苦一陣子。66、有價值的人不是看你能擺平多少人，而是看你能幫助多少人。67、不可能的事是想出來的，可能的事是做出來的。68、找不到路不是沒有路，路在腳下。69、幸福源自積德，福報來自行善。70、盲目的戀愛以微笑開始，以淚滴告終。71、真正值錢的是分文不用的甜甜的微笑。72、前面是堵墻，用微笑面對，就變成一座橋。73、自尊，偉大的人格力量；自愛，維護名譽的金盾。74、今天學習不努力，明天努力找工作。75、懂得回報愛，是邁向成熟的第一步。76、讀懂責任，讀懂使命，讀懂感恩方為懂事。77、不要只會吃奶，要學會吃干糧，尤其是粗茶淡飯。78、技藝創(chuàng)造價值，本領改變命運。79、憑本領瀟灑就業(yè)，靠技藝穩(wěn)拿高薪。80、為尋找出路走進校門，為創(chuàng)造生活奔向社會。81、我不是來龍飛享福的，但，我是為幸福而來龍飛的！82、校興我榮，校衰我恥。83、今天我以學校為榮，明天學校以我為榮。84、不想當老板的學生不是好學生。85、志存高遠雖勵志，腳踏實地才是金。86、時刻牢記父母的血汗錢來自不易，永遠不忘父母的養(yǎng)育之恩需要報答。87、講孝道讀經(jīng)典培養(yǎng)好人，傳知識授技藝打造能人。88、知技并重，德行為先。89、生活的理想，就是為了理想的生活。——張聞天90、貧不足羞，可羞是貧而無志?！獏卫?6．凡事不要說＂我不會＂或＂不可能＂，因為你根本還沒有去做50《數(shù)控機床電氣控制》《數(shù)控機床電氣控制》51本課程學習的目的和任務通過本課程的學習，應使學生在理論上：初步掌握機床電氣控制系統(tǒng)的結構組成、工作原理，可編程控制器的結構及工作原理、指令系統(tǒng)及編程方法，數(shù)控裝置結構與接口，伺服驅(qū)動裝置、檢測裝置等方面的基本知識;

實踐上：通過在數(shù)控機床電氣控制實驗臺上進行必要的實訓，使學生初步具有認知、測試及設置數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)中各電氣控制元件、部件的能力，最終能夠掌握數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)的結構和工作原理，為今后在工作中操作、調(diào)試、維修數(shù)控機床打下較堅實基礎。本課程學習的目的和任務52本次講述的主要內(nèi)容1.闡明教學重點2.介紹考試題目類型3.按章節(jié)順序?qū)嵺`中經(jīng)常應用，也是復習考試重點的知識點進行總結歸納，以利于老師們的教學，以及同學們掌握這門課程的主要內(nèi)容本次講述的主要內(nèi)容53（一）、教學重點按照《數(shù)控機床電氣控制》教學大綱要求，我們的教學重點如下：1、緒論1.1數(shù)控機床控制系統(tǒng)的構成1.2.數(shù)控機床的分類

2、數(shù)控機床強電控制電路2.1.機床常用低壓電器的工作原理與選用2.2機床強電控制系統(tǒng)的基本環(huán)節(jié)

3、數(shù)控裝置（CNC）的結構3.2.數(shù)控裝置的硬件結構3.4.數(shù)控系統(tǒng)的抗干擾（一）、教學重點544、數(shù)控機床的伺服驅(qū)動4.1.伺服驅(qū)動概述4.2.進給驅(qū)動系統(tǒng)4.2.1步進電機驅(qū)動系統(tǒng)4.2.3交流伺服系統(tǒng)4.3.主軸驅(qū)動系統(tǒng)5、數(shù)控機床的位置檢測裝置5.1.檢測裝置概述5.2.旋轉(zhuǎn)編碼器5.4.光柵4、數(shù)控機床的伺服驅(qū)動556、數(shù)控機床的可編程控制器（PLC）6.1.概述6.2.可編程序控制器的結構及工作原理6.3.PLC指令與編程6、數(shù)控機床的可編程控制器（PLC）56（二）、考題類型為了大家便于準備期末考試復習，我們在這里一起看看考題的類型：一、單選題例如：1·（）是用來頻繁地接通或分斷帶有負載（如電動機）的主電路的自動控制電器，按其主觸頭通過電流的種類不同，分為交流、直流兩種。A接觸器B繼電器C接近開關（二）、考題類型572·工廠中電火花高頻電源等都會產(chǎn)生強烈的電磁波，這種高頻輻射能量通過空間的傳播，被附近的數(shù)控系統(tǒng)所接收。如果能量足夠，就會干擾數(shù)控機床的正常工作，這種干擾稱（）。A信號傳輸干擾B供電線路的干擾C電磁波干擾二、判斷題（對認為正確的題標注“√”、錯題標注“×”）

例如1·直線控制數(shù)控機床的數(shù)控裝置只要求能夠精確地控制從一個坐標點到另一個坐標點的定位精度，而不管是按什么軌跡運動，在移動過程中不進行任何加工。（）2·工廠中電火花高頻電源等都會產(chǎn)生強烈的電磁波，這種高頻輻射582·對于較大容量（大于10KW）的電動機，因起動電流大（可達額定電流的4～7倍），一般采用減壓起動方式來降低起動電流。（）三、簡答題例如1·PLC的硬件由哪幾部分組成？答：PLC內(nèi)部硬件由中央處理單元（CPU）、存儲器、輸入/輸出接口、編程器、電源等幾部分組成。2·對于較大容量（大于10KW）的電動機，因起動電流大（可達59四、分析題例如1·增量式光電編碼器原理示意如圖所示，試分析其進行角度測量的原理。并回答為什么要用兩個光電管進行光信號檢測？四、分析題60答：當光電盤隨被測工作軸一起轉(zhuǎn)動時，每轉(zhuǎn)過一個縫隙，光電管就會感受到一次光線的明暗變化，使光電管的電阻值改變，這樣就把光線的明暗變化轉(zhuǎn)變成電信號的強弱變化，而這個電信號的強弱變化近似于正弦波的信號，經(jīng)過整形和放大等處理，變換成脈沖信號。通過計數(shù)器計量脈沖的數(shù)目，即可測定旋轉(zhuǎn)運動的角位移。用兩個光電管進行光信號檢測，是為了使光敏元件產(chǎn)生兩組電信號，該信號彼此相差90°相位，用于辨向。答：當光電盤隨被測工作軸一起轉(zhuǎn)動時，每轉(zhuǎn)過一個縫隙，光電61（三）、教學中學生必須掌握的知識點第1章緒論一、數(shù)控機床進行加工時，數(shù)控系統(tǒng)必須按照工件加工的要求對機床的運動進行控制，歸納起來可分為三種類別的控制：1．主軸控制主軸運動和普通機床一樣，主軸運動主要完成工件的切削任務。2．進給控制即用電氣自控驅(qū)動替代了人工機械驅(qū)動，數(shù)控機床的進給運動是由進給伺服系統(tǒng)完的。3．輔助控制數(shù)控系統(tǒng)對加工程序處理后輸出的控制信號除了對進給運行軌跡進行連續(xù)控制外，還要對機床的各種開關狀態(tài)進行控制。這部分功能一般由可編程序邏輯控制器實現(xiàn)。（三）、教學中學生必須掌握的知識點62圖1.3數(shù)控機床的基本組成

二、數(shù)控機床控制系統(tǒng)的組成數(shù)控機床控制系統(tǒng)的基本組成包括輸入/輸出裝置、數(shù)控裝置、伺服驅(qū)動裝置、機床電氣邏輯控制裝置、位置檢測裝置，如圖1.3所示。其功能應了解。圖1.3數(shù)控機床的基本組成63三、數(shù)控機床的分類1、按被控制對象運動軌跡進行分類1）點位控制的數(shù)控機床點位控制數(shù)控機床的數(shù)控裝置只要求能夠精確地控制從一個坐標點到另一個坐標點的定位精度，而不管是按什么軌跡運動，在移動過程中不進行任何加工。2）直線控制的數(shù)控機床直線控制數(shù)控機床一般要在兩點間移動的同時進行加工，所以不僅要求有準確的定位功能，還要求從一點到另一點之間按直線規(guī)律運動，而且對運動的速度也要進行控制。3）輪廓控制的數(shù)控機床輪廓控制又稱連續(xù)控制，大多數(shù)數(shù)控機床具有輪廓控制功能。其特點是能同時控制兩個以上的軸，具有插補功能。它不僅控制起點和終點位置，而且要控制加工過程中每一點的位置和速度，加工出任意形狀的曲線或曲面組成的復雜零件。三、數(shù)控機床的分類642、按控制方式分類1）開環(huán)控制數(shù)控機床這類數(shù)控機床沒有檢測反饋裝置，數(shù)控裝置發(fā)出的指令信號流程是單向的，其精度主要決定于驅(qū)動元件和伺服電機的性能，開環(huán)數(shù)控機床所用的電動機主要是步進電動機。2）閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)是指在機床的運動部件上安裝位置測量裝置。伺服系統(tǒng)采用交伺服電動機、直流伺服電動機3）半閉環(huán)控制系統(tǒng)半閉環(huán)控制系統(tǒng)是在開環(huán)系統(tǒng)的絲杠上或進給電動機的軸上裝有角位移檢測裝置。2、按控制方式分類65第2章數(shù)控機床強電控制電路一、低壓斷路器低壓斷路器又稱自動空氣開關，它不但能用于正常工作時不頻繁接通和斷開的電路，而且當電路發(fā)生過載、短路或失壓等故障時，能自動切斷電路，有效地保護串接在它后面的電氣設備。因此，低壓斷路器在機床上使用得越來越廣泛。二、交流接觸器接觸器是一種用來頻繁地接通或分斷帶有負載（如電動機）的主電路自動控制電器。接觸器按其主觸頭通過電流的種類不同，分為交流、直流兩種，機床上應用最多的是交流接觸器，我們僅介紹交流接觸器。交流接觸器的結構交流接觸器的外形與結構組成如圖2.17所示，交流接觸器的結構由電磁機構、觸頭系統(tǒng)、滅弧裝置及其他部件等四部分組成。第2章數(shù)控機床強電控制電路66三、繼電器繼電器是一種根據(jù)某種輸入信號的變化，而接通或斷開控制電路，實現(xiàn)控制目的的電器。繼電器的輸入信號可以是電流、電壓等電學量，也可以是溫度、速度、時間、壓力等非電量，而輸出通常是觸頭的動作（斷開或閉合）。電流繼電器與電壓繼電器在結構上的區(qū)別主要是線圈不同。電流繼電器的線圈匝數(shù)少、導線粗，與負載串聯(lián)以反映電路電流的變化。電壓繼電器的線圈匝數(shù)多、導線細，與負載并聯(lián)以反映其兩端的電壓。中間繼電器實際上也是一種電壓繼電器，只是它具有數(shù)量較多、容量較大的觸點，起到中間放大的作用。三、繼電器67四、接近開關接近開關又稱無觸點行程開關。當運動著的物體在一定范圍內(nèi)與之接近時，接近開關就會發(fā)生物體接近而“動作”的信號，以不直接接觸方式控制運動物體的位置。接近開關多為三線制。三線制接近開關有二根電源線（通常為24V）和一根輸出線。輸出有常開、常閉兩種狀態(tài)。五、熱繼電器熱繼電器是利用電流的熱效應原理來切斷電路的保護電器，主要用于電動機或其他負載的過載保護。當負載電流超過整定電流值并經(jīng)過一定時間后，發(fā)熱元件所產(chǎn)生的熱量使雙金屬片受熱彎曲，帶動動觸點與靜觸點分斷，切斷電動機的控制回路，使接觸器線圈斷電釋放，從而斷開主電路，實現(xiàn)對電動機的過載保護。由此可見，熱繼電器由于熱慣性，當電路短路時不能立即動作使電路立即斷開，因此不能作短路保護。四、接近開關68六、電氣控制線路的繪制電氣控制系統(tǒng)圖有三類：電氣原理圖、電器元件布置圖和電氣安裝接線圖1.電氣原理圖電氣原理圖是表達所有電器元件的導電部件和接線端子之間的相互關系。2.電器元件布置圖電氣元件布置圖主要用來表明各種電氣元件在機械設備上和電氣控制柜中的實際安裝位置，為機械電氣控制設備的制造、安裝、維修提供必要的資料。3.電器安裝接線圖電氣安裝接線圖是用規(guī)定的圖形符號，根據(jù)原理圖，按各電器元件相對位置繪制的實際接線圖，它清楚地表明了各電器元件的相對位置和它們之間的電路連接的詳細信息。六、電氣控制線路的繪制69七、三相異步電動機的起動控制線路為了減小起動電流，電動機在起動時應采用適當?shù)拇胧Ｈ嗷\型電動機有直接起動（全電壓起動）和間接起動（降壓起動）兩種方式。直接起動是一種簡單、可靠、經(jīng)濟的起動方式，適合小容量電動機。對于較大容量（大于10KW）的電動機，因起動電流大（可達額定電流的4～7倍），一般采用減壓起動方式來降低起動電流。七、三相異步電動機的起動控制線路70第3章數(shù)控裝置（CNC）的結構一、數(shù)控裝置的組成目前的數(shù)控裝置都是基于微型計算機的硬件和軟件來實現(xiàn)其功能，它一方面具有一般微型計算機的基本結構，另一方面。必須編寫相應的系統(tǒng)軟件來指揮和協(xié)調(diào)硬件的工作，兩者缺一不可。CNC裝置的軟件由管理軟件和控制軟件兩部分組成。二、數(shù)控裝置的硬件結構類型：數(shù)控裝置是整個數(shù)控系統(tǒng)的核心，其硬件結構按CNC裝置中各印刷電路板的插接方式可以分為大板式結構和功能模塊式結構；按CNC裝置硬件的制造方式，可以分為專用型結構和個人計算機式結構；按CNC裝置中微處理的個數(shù)可以分為單微處理器結構和多微處理器結構。第3章數(shù)控裝置（CNC）的結構71三、、數(shù)控系統(tǒng)的抗干擾數(shù)控系統(tǒng)的干擾一般是指那些與信號無關的，在信號輸入、傳輸和輸出過程中出現(xiàn)的一些不確定的有害的電氣瞬變現(xiàn)象。這些瞬變現(xiàn)象會使數(shù)控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)在傳輸過程中發(fā)生變化，增大誤差，使局部裝置或整個系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況，引起故障?？垢蓴_措施1.減少供電線路干擾數(shù)控機床的安置要遠離中頻、高頻的電氣設備；要避免大功率起動、停止頻繁的設備，電火花設備同數(shù)控機床位于同一供電干線上，最好是采用獨立的動力線供電。三、、數(shù)控系統(tǒng)的抗干擾722.減少機床控制中的干擾3.屏蔽屏蔽技術利用金屬材料制成容器，將需要防護的電路或線路包在其中，可以防止電場或磁場的耦合干擾。4.保證“接地”良好“接地”是數(shù)控機床安裝中一項關鍵的抗干擾技術措施。電網(wǎng)的許多干擾都是通過“接地”這條途徑對機床起作用的。2.減少機床控制中的干擾73第4章數(shù)控機床的伺服驅(qū)動一、閉環(huán)伺服系統(tǒng)的組成閉環(huán)伺服系統(tǒng)的一般結構通常有位置環(huán)和速度環(huán)組成。速度環(huán)速度控制單元是一個獨立的單元部件，它由伺服電動機、伺服驅(qū)動裝置、測速裝置及速度反饋組成；位置環(huán)由數(shù)控系統(tǒng)中的位置控制、位置檢測裝置及位置反饋組成。二、步進電動機的基本結構和工作原理步進電動機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換為機械角位移的機電執(zhí)行元件。圖4.2a)為三相反應式步進電動機的結構圖。它是由轉(zhuǎn)子、定子及定子繞組所組成。定子上有六個均布的磁極，直徑方向相對的兩個極上的線圈串聯(lián)，構成電動機的一相控制繞組。下面我們分析步進電動機的工作原理：第4章數(shù)控機床的伺服驅(qū)動74圖4.2b)所示為反應式步進電動機工作原理示意圖。其定子、轉(zhuǎn)子是用硅鋼片等軟磁材料制成的，定子上有A、B、C三對磁極，分別繞有A、B、C三相繞組。三對磁極在空間上相互錯開120°。轉(zhuǎn)子上有4個齒，無繞組，它在定子磁場中被磁化而呈現(xiàn)極性。當定子A相繞組通電時，形成以A-A′為軸線的磁場，轉(zhuǎn)子受磁場拉力作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子的1、3齒和定子的A—A’極對齊，如圖4.2b)所示；當A相斷電、B相繞組通電時，以B-B′為軸線的磁場使轉(zhuǎn)子的2、4齒和定子的B-B′極對齊，轉(zhuǎn)子將在空間逆時針轉(zhuǎn)過30°角；當B相斷電，C相繞組通電時，以C-C′為軸線的磁場使轉(zhuǎn)子的1、3齒和定子的C-C′極對齊，轉(zhuǎn)子將在空間又逆時針轉(zhuǎn)過30°角。如此按A→B→C→A的順序通電，轉(zhuǎn)子就會不斷地按逆時針方向轉(zhuǎn)動；如按A→C→B→A的順序通電，轉(zhuǎn)子就會不斷地按順時針方向轉(zhuǎn)動。從一相通電換到另一相通電，叫一拍；每一拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一步，每步轉(zhuǎn)過角度叫步距角，用α表示。圖4.2b)所示為反應式步進電動機工作原理示意圖。其定子、轉(zhuǎn)75圖4．2反應式步進電動機工作原理數(shù)控機床電氣控制培訓教材課件76圖4.5步進電動機控制驅(qū)動電路

三、步進電動機的驅(qū)動及控制步進電機的運行性能，不僅與步進電機本身和負載有關，而且與配套的驅(qū)動裝置有著十分密切的關系。步進電動機驅(qū)動裝置由環(huán)形脈沖分配器、功率放大驅(qū)動電路兩大部分組成，如圖4.5所示。其中，步進電動機驅(qū)動電路完成由弱電到強電的轉(zhuǎn)換和放大，也就是將邏輯電平信號變換成電機繞組所需的具有一定功率的電流信號。圖4.5步進電動機控制驅(qū)動電路77四、交流伺服系統(tǒng)1.交流伺服系統(tǒng)使用交流異步伺服電動機(一般用于主軸伺服電動機)和永磁同步伺服電動機(一般用于進給伺服電動機)。由于直流伺服電動機存在著一些固有的缺點，（比如，有電刷，限制了轉(zhuǎn)速的提高，而且結構復雜，價格貴。），使其應用環(huán)境受到限制。交流伺服電動機沒有這些缺點，且轉(zhuǎn)子慣量較直流電動機小，使得動態(tài)響應好。因此，交流伺服系統(tǒng)得到了迅速發(fā)展，已經(jīng)形成潮流。從20世紀80年代后期開始，大量使用交流伺服系統(tǒng)，目前，已基本取代了直流電動機。四、交流伺服系統(tǒng)782．交流伺服電動機的工作原理和結構如圖4.20所示，交流伺服電動機的轉(zhuǎn)子是一個具有兩個極的永磁體(也可以是多極的)。按照電動機學原理，當同步型電動機的定子三相繞組接通三相交流電源時，就會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(Ns，Ss)以同步轉(zhuǎn)速ns逆時針方向旋轉(zhuǎn)。根據(jù)兩異性磁極相吸的原理，定子磁極Ns(或Ss)緊緊吸住轉(zhuǎn)子，以同步轉(zhuǎn)速ns在空間旋轉(zhuǎn)，即轉(zhuǎn)子和定子磁場同步旋轉(zhuǎn)。當轉(zhuǎn)子加上負載轉(zhuǎn)矩后，轉(zhuǎn)子磁極軸線將落后定子磁場軸線一個θ夾角。轉(zhuǎn)子的負載轉(zhuǎn)矩增大時，定子磁極軸線與轉(zhuǎn)子磁極軸線間的夾角θ增大；當負載轉(zhuǎn)矩減小時θ角減小。2．交流伺服電動機的工作原理和結構79圖4.20永磁式同步型電動機的工作原理

圖4.20永磁式同步型電動機的工作原理80五、交流伺服電機驅(qū)動裝置1）交流電動機調(diào)速原理由電動機學基本原理可知，交流電動機的同步轉(zhuǎn)速為n0＝60f1/p(r/min)式中f1——定子供電頻率，單位Hz；P——電動機定子繞組磁極對數(shù)；從上面的公式可以看出：平滑改變定子供電電壓頻率f1而使轉(zhuǎn)速平滑變化，這就是變頻調(diào)速方法。這是交流電動機的一種理想調(diào)速方法。目前，數(shù)控機床主要采用變頻調(diào)速等先進交流調(diào)速技術。五、交流伺服電機驅(qū)動裝置812)正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)變頻器SPWM變頻器屬于交一直一交變頻器，基本工作過程是先將50Hz交流電經(jīng)整流變壓器變壓得到所需電壓，經(jīng)二極管整流和電容濾波，形成恒定直流電壓，然后送入由大功率晶體管構成的逆變器主電路，輸出三相電壓和頻率均可調(diào)整的等效于正弦波的脈寬調(diào)制波(SPWM波)，即可拖動三相電機運轉(zhuǎn)。這種變頻器在數(shù)控機床的交流驅(qū)動中廣泛使用。2)正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)變頻器823）正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)逆變器的基本原理SPWM波形與等效正弦波在采樣控制理論中有一個重要結論，沖量(窄脈沖的面積)相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。電動機就是一個慣性的環(huán)節(jié)，該結論是SPWM控制的重要理論基礎。SPWM逆變器輸出的是正弦脈寬調(diào)制波,如圖4.24b)所示。其工作原理是若把一個正弦半波分成N等分，然后把每一等分的正弦曲線與橫坐標軸所包圍的面積，都用一個與此面積相等的等高矩形脈沖來代替，這樣可得到N個等高而不等寬的脈沖序列。根據(jù)上述沖量相等效果相同的原理，該矩形脈沖序列與正弦半波是等效的。如果對正弦波的負半周也做同樣處理，即可得到相應的2N個脈沖，這就是與正弦波等效的正弦脈寬調(diào)制波，如圖4.24所示。通過對等效的正弦脈寬調(diào)制波的脈沖調(diào)制，就相當于調(diào)整了輸出的正弦波頻率。3）正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)逆變器的基本原理83

a)正弦波的正半波b)等效的SPWM波形圖4.24與正弦波等效的SPWM波形數(shù)控機床電氣控制培訓教材課件84六、主軸定向控制的作用目前交流主軸驅(qū)動中均采用籠型異步電動機?；\型異步電動機由有三相繞組的定子和有籠條的轉(zhuǎn)子構成。主軸定向控制又稱主軸準?？刂?，即當主軸停止時能控制其停在固定位置，對M06和M19指令有效。其作用如下。①在加工中心中進行刀具交換②在精鏜孔退刀時，為了避免刀尖劃傷已加工表面六、主軸定向控制的作用85第5章數(shù)控機床的位置檢測裝置一、數(shù)控機床對檢測裝置的基本要求：1）穩(wěn)定可靠、抗干擾能力強。數(shù)控機床的工作環(huán)境存在油污、潮濕、灰塵、沖擊振動等，檢測裝置要能夠在這樣的惡劣環(huán)境下工作穩(wěn)定，并且受環(huán)境溫度影響小，能夠抵抗較強的電磁干擾。2）滿足精度和速度的要求。為保證數(shù)控機床的精度和效率，檢測裝置必須具有足夠的精度和檢測速度，位置檢測裝置分辨率應高于數(shù)控機床的分辨率一個數(shù)量級。3）安裝維護方便、成本低廉。受機床結構和應用環(huán)境的限制，要求位置檢測裝置體積小巧，便于安裝調(diào)試。盡量選用價格低廉，性能價格比高的檢測裝置。數(shù)控機床加工精度，在很大程度上取決于數(shù)控機床位置檢測裝置的精度，因此，位置檢測裝置是數(shù)控機床的關鍵部件之一，它對于提高數(shù)控機床的加工精度有決定性的作用。第5章數(shù)控機床的位置檢測裝置86二、常用位置檢測裝置的分類根據(jù)位置檢測裝置安裝形式和測量方式,數(shù)控機床測量方式可按以下幾種方式分類：1絕對式和增量式按檢測量的測量基準，可分為絕對式和增量式測量絕對式位置檢測是：每個被測點的位置都從一個固定的零點算起增量式位置檢測是：只測位移增量，每檢測到位置移動一個基本單位時，輸出一個脈沖波或正弦波，通過脈沖計數(shù)便可得到位移量。2.直接測量和間接測量按被測量和所用檢測元件的位置關系，可分為直接測量和間接測量。若位置檢測裝置所測量的對象就是被測量本身，叫做直接測量，二、常用位置檢測裝置的分類87三、位置檢測裝置的性能指標位置檢測裝置安裝在伺服驅(qū)動系統(tǒng)中，由于所測量的各種物理量是不斷變化的，因此傳感器的測量輸出必須能準確、快速地跟隨并反映這些被測量的變化。位置檢測裝置的主要性能指標包括如下幾項內(nèi)容。1.精度符合輸出量與輸入量之間特定函數(shù)關系的準確程度稱作精度，數(shù)控機床用傳感器要滿足高精度和高速實時測量的要求。2.分辨率位置檢測裝置能檢測的最小位置變化量稱作分辨率。分辨率應適應機床精度和伺服系統(tǒng)的要求。分辨率的高低，對系統(tǒng)的性能和運行平穩(wěn)性具有很大的影響。一般按機床加工精度的1／3～1／10選取檢測裝置的分辨率。（也就是說，位置檢測裝置的分辨率要高于機床加工精度）。3.靈敏度輸出信號的變化量相對于輸入信號變化量的比值為靈敏度。實時測量裝置不但要靈敏度高，而且輸出、輸入關系中各點的靈敏度應該是一致的。三、位置檢測裝置的性能指標88四、旋轉(zhuǎn)編碼器旋轉(zhuǎn)編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式的角位移檢測裝置，在數(shù)控機床中得到了廣泛的使用。旋轉(zhuǎn)編碼器通常安裝在被測軸上，隨被測軸一起轉(zhuǎn)動，直接將被測角位移轉(zhuǎn)換成數(shù)字(脈沖)信號，所以也稱為旋轉(zhuǎn)脈沖編碼器，這種測量方式?jīng)]有累積誤差。旋轉(zhuǎn)編碼器也可用來檢測轉(zhuǎn)速。圖5.2增量式光電編碼器外形結構圖四、旋轉(zhuǎn)編碼器89當光電盤隨被測工作軸一起轉(zhuǎn)動時，每轉(zhuǎn)過一個縫隙，光電管就會感受到一次光線的明暗變化，使光電管的電阻值改變，這樣就把光線的明暗變化轉(zhuǎn)變成電信號的強弱變化，而這個電信號的強弱變化近似于正弦波的信號，經(jīng)過整形和放大等處理，變換成脈沖信號。通過計數(shù)器計量脈沖的數(shù)目，即可測定旋轉(zhuǎn)運動的角位移；通過計量脈沖的頻率，即可測定旋轉(zhuǎn)運動的轉(zhuǎn)速，測量結果可以通過數(shù)字顯示裝置進行顯示或直接輸入到數(shù)控系統(tǒng)中。增量式光電編碼器外形結構見圖5.2。實際應用的光電編碼器的光欄板上有兩組條紋A、A和B、B，A組與B組的條紋彼此錯開1／4節(jié)距，兩組條紋相對應的光敏元件所產(chǎn)生的信號彼此相差90°相位，用于辨向。此外，在光電碼盤的里圈里還有一條透光條紋C(零標志刻線)，用以每轉(zhuǎn)產(chǎn)生一個脈沖，該脈沖信號又稱零標志脈沖，作為測量基準。當光電盤隨被測工作軸一起轉(zhuǎn)動時，每轉(zhuǎn)過一個90圖5.10莫爾條紋形成的原理五、光柵的組成結構和檢測原理光柵是一種在透明玻璃上或金屬的反光平面上刻上平行、等距的密集刻線，制成的光學元件。數(shù)控機床上用的光柵尺，是利用兩個光柵相互重疊時形成的莫爾條紋現(xiàn)象，制成的光電式位移測量裝置。當光線平行照射光柵時，由于光的透射及衍射效應，在與線紋垂直的方向上，準確地說，在與兩光柵線紋夾角θ的平分線相垂直的方向上，會出現(xiàn)明暗交替、間隔相等的粗條紋，這就是“莫爾干涉條紋”，簡稱莫爾條紋。圖5.10是莫爾條紋形成的原理圖。圖5.10莫爾條紋形成的原理91第6章數(shù)控機床的可編程控制器（PLC）傳統(tǒng)的繼電接觸器控制具有結構簡單、易于掌握、價格便宜等優(yōu)點，在工業(yè)生產(chǎn)中應用甚廣。但是，這些控制裝置體積大、動作速度較慢、耗電較多、功能少，特別是傳統(tǒng)的繼電器—接觸器控制采用的是固定接線方式，一旦生產(chǎn)過程有所變動，就得重新設計線路和連線安裝，不利于產(chǎn)品的更新?lián)Q代。目前大都用可編程控制器取代。第6章數(shù)控機床的可編程控制器（PLC）92一、可編程序控制器的主要特點1.可靠性高、抗干擾能力強工業(yè)生產(chǎn)一般對控制設備的可靠性有很高的要求：要能夠在惡劣的環(huán)境中可靠地工作，控制設備應具有很強的抗干擾能力。2.控制系統(tǒng)構成簡單、通用性強PLC是一種存儲程序控制器，其輸入和輸出設備與繼電接觸器控制系統(tǒng)類似，但