1、1 / 165數控操作工人培訓教程站長集團公司工人培訓教材2 / 165數控操作工人培訓教程*更多相關資料請訪問：http:/xfssg0418 .n ease. net“這方熱土”專欄。*說在前面隨著計算機技術和自動控制理論的高速發展，以計算機技術為核心的自動 控制系統在設備上的應用也越來越廣泛。 如計算機檢測、CNC計算機數字控制）、CAM（計算機輔助制造）、CIMS（計算機集成制造系統）、機器人技術等。這些都 大大地延伸了現代工業中自動化設備的制造能力，從而也促進了現代工業技術 日新月異的發展。技術的進步推動了我們企業的進步，但對人的素質也隨之提出了更高的要 求。很明顯，只有掌握了先進技

2、術的人，才能更好地駕御這些高技術的設備， 使它們以最大的效能為我們服務。NC（數字控制）技術是近半個世紀中逐步成熟和發展起來的一項先進的設 備制造技術。計算機技術的發展和在NC技術中的應用，給它帶來了革命性的變 革，并形成了現在的CNC計算機數字控制）技術。近年來，采用CNC系統的設備 已越來越多地走進我們的工廠，并逐年保持高速增長的趨勢。它們都在我們工 廠的關鍵工序中起著舉足輕重的作用，其狀態的好壞和使用狀況直接關聯到我 們產品的質量和企業的聲譽。要充分發揮數控設備的優勢，我們就必須培養出一批高素質的操作工人隊 伍。為了達到這個目的，我們編寫了這本數控操作工人培訓教程。本教材的取材完全結合我

3、們工廠的實際，書中的很多素材都來源于我們工 廠里正在服役的設備。考慮國內應用日本FANUC法那克）公司和德國SIEMENSE（西門子）公司數控產品較多這一實際情況，本教材以FANUC系統為主線，并適當介紹了SIEMENS系統。然而，對具體數控系統的介紹決不是我們的真正目的，我們的真正想法是 憑籍對這些系統的講解，達到對數控設備基本理論和共性知識的掌握。這些知 識包括系統的構成、原理、參數、編程、操作、診斷、調整等等，它們都是我 們設備使用中至關重要的。總體內容的安排注意保持了實用性和系統性。教材的第六章數控機床的機械結構由一汽集團轎車股份公司二發廠張 大有同志編寫，其余各章均由一汽集團轎車股份

4、公司生產部陳剛同志編寫。編 寫中部分參照了制造商3 / 165提供的相關產品的英文說明書和極少地參考了有關同類 書籍，在這里恕不一一提及。本教材僅做集團公司內部工人培訓使用，并無贏 利和對社會公開發表之目的，因此當無剽竊之嫌。觸忌之處，尚請見諒。集團公司外部使用和翻印本教材，需經作者許可。未經許可擅自翻印者， 作者保持追究法律責任的權利。2002-9-274 / 165第一章 : 數控機床概論第一節:從人自身來認識電腦沒有學習過電腦的人都覺得電腦很神秘。 事實上，電腦之所以稱為 “電腦”， 正是對人腦模擬和再現的結果。從人腦的角度來理解電腦，我們就會發現，認 識它并不是想象的那么難。一. 人腦

5、有那些能力 為了理解電腦，我們不妨先思考一下，人腦都具備哪些能力？1.思維：人腦首先具有分析、計算、推理、歸納的能力,即邏輯思維與算術 思維能力。2.信息儲存：即記憶信息的能力。3.人體五覺的中樞：即感知環境的能力。4.全身的指揮中心：即行為控制能力。二. 電腦如何實現這些能力 那么，作為電腦，它是怎樣去再現這些能力的呢？1.思維的再現CPU電腦使用CPU來完成思維和控制，CPU又叫做中央處理單元， 是計算機系統 的核心，用于進行邏輯運算和算術運算及系統的綜合控制等。2.記憶載體存儲介質 是計算機用于存儲信息、數據的媒體。它們包括： 存儲器、硬盤、磁帶、軟盤、光盤、紙帶等。3.電腦的感官輸入設

6、備 輸入設備是電腦用于接受指令、數據、信息的裝置。 常見輸入設備有:鍵盤、掃描器、鼠標器、紙帶機、磁帶機、數字攝像機等。4.行為的輸出輸出設備 輸出設備是電腦用于輸出控制結果的裝置。常見輸出設備有：CRT、打印機、繪圖機等。第二節：普通意義上的計算機一.硬件結構由以上介紹可以看出，一個計算機系統的基本結構主要由四部分組成：即CPU存儲器、輸入設備和輸出設備。如下圖所示。A75 / 165存儲器圖1-1:計算機系統的基本結構實際上的電腦比上述介紹還要復雜得多，它一般還包括如電源、主版等構件。二.計算機的軟件（一）.計算機軟件的基本分類計算機軟件是人為編寫的用于控制計算機工作的程序。它分為：1.系

7、統軟件：用于計算機的系統資源管理，是計算機軟件系統的核心。例如：臺式機各版本的DOS系統等。2.編譯軟件：用于開發應用軟件的工具。利用它可以編寫和調試應用軟件， 并翻譯成系統軟件能理解的代碼文件。例如：各類語言工具、機床設備上所包含的專用設備控制程序的編譯 管理程序等。3.應用軟件：是由編譯軟件編譯執行的，建立在系統軟件基礎上的，滿足 用戶某些特定需要的軟件。例如：各類設備由制造廠開發的操作平臺軟件、辦公軟件（微軟OFFICE、財務軟件、計算機輔助設計、游戲軟件等。（二）.語言工具的級別1.機器語言：計算機CPU能直接識別的代碼級語言。其表面形式為二進制數字代碼。如：11001011、0011

8、0011等。 這類語言無須編譯，計算機能夠直接執行。2.匯編語言：用字母等符號來代替機器語言，以便人為編輯和識別的符號 級語言。如：LD A，08HADD A，C等。這類語言必須編譯成機器語言，才能被計算機執行。3.高級語言用語句化、結構化的命令形式編寫的語言。這類語言的每一個語句都能完成一系列機器或匯編語言所執行的特定功 能，而且由于6 / 165書寫形式更接近生活化語言，因此使編程變得更直觀和簡單。例如：C語言、BASIC語言、JAVA語言等。這些語言同樣需要經過編譯才能 被計算機識別和執行。4.專用語言 利用以上語言形式開發的，更接近于特定用戶使用環境的編程語言。PLC數控、機器人等的編

9、程等都屬于這類特定的語言。它同樣要被編譯后 執行，但它一般是被計算機系統自動完成的。第三節：計算機中常用的進制和編碼方法下面介紹的是設備參數中涉及到的部分進制和編碼方法。一.計算機的進制所謂進制是指數量計算的一種進位法則。我們日常所使用的是十進制。 但在計算機中， 除十進制外，我們也常用到其 它進制。亦即：1.二進制：逢二進一的計數進位方法。2八進制：逢八進一的計數進位方法。3十進制：逢十進一的計數進位方法。4十六進制：逢十六進一的計數進位方法。下面，我們介紹利用這幾種進制進行編碼的常用方法。三. 常用代碼 計算機中，經常用到的代碼有：（一）二進制代碼 計數符號 -0、1如：11011001、

10、10100001等。（二）八進制代碼 計數符號0、1、2、3、4、5、6、7如7523、6432等。（三）.十進制代碼 計數符號0、1、2、3、4、5、6、7、8、9如：8923、7621等。（四）十六進制代碼 計數符號：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F女口1A3D 1FC 4等。（五）.BCD代碼用二進制表示的十進制代碼。這種代碼種類有多種，BCD弋碼是其中最常用 的一種。7 / 165計數符號是使用四位二進制代碼來表示一位十進制數，即：0000：00001：1 0010：20011：30100：40101：50110：60111：71000：81001：9例：

11、00111000表示38。三.代碼到十進制的轉換 前面介紹的任何代碼都可以折算成十進制數值。下面介紹其折算方法：（一）.二進制代碼到十進制的轉換轉換結果二位0X20+位1x21+位2X22+位3X23+（二）八進制代碼到十進制的轉換轉換結果二位OX80+位1x81+位2X82+位3X83+（三）十六進制代碼到十進制的轉換轉換結果二位OX160+位1x161+位2X162+位3X163+（四）.BCD弋碼到十進制的轉換 可以根據代碼定義直接讀出結果。第四節：個人電腦的基本知識本節通過簡單介紹個人計算機的基本硬件、軟件及常規操作功能等入門知 識，使讀者對個人計算機系統有一個最基本的了解。但僅僅局限

12、于這一點點概 念性的東西，是遠遠不夠的。一個人電腦的基本硬件 當前的個人電腦大體包括下面這些硬件設備：1CPU電腦的控制核心，負責完成所有的運算和控制。以美國INTEL（英特爾）公司的產品為例，個人電腦從286CPU開始大量走 向家庭，以后經過了386、486、奔騰、奔騰2、奔騰3、奔騰4等，在短短十幾 年內，CPU制造技術經歷了突飛猛進的發展。處理速度提高了幾個數量級。這一 切都為計算機技術在現弋工業中推廣應用創造了堅實的技術基礎。2主板主板是CPU內存和接口板卡的連接母板。主板伴隨著CPU制造技術的發展，性能和品種也隨之高速發展。3硬盤驅動器 是用于存儲程序文件的主要載體。8 / 165硬

13、盤最初推向市場時，容量僅10M左右。現在的硬盤，市場上100G以上的 硬盤已經非常常見了，容量整整提高了一萬倍以上。而且，存取速度也有極大 的提高。硬盤作為計算機系統必不可少的一個重要部件，其性能和整機性能有 著密不可分的關系。4內存條用于存儲計算機運行動態數據的器件。內存具備比硬盤、光盤、軟盤等快得多的存取速度，直接被用來存儲計算 機運算和控制的中間數據，也可以作為硬盤、光盤數據存取的緩沖區，因此內 存越多，計算機運算速度越高。個人電腦內存從早期的幾百K到現在常規配置 的幾百M提高了上千倍。而且，主板、硬盤、顯示卡等都配置了越來越大的專 用內存。5顯示卡和顯示器顯示卡是CPU和顯示器的控制接

14、口。顯示器則用作計算機通過屏幕顯示方式向操作者反饋信息的工具。目前常用的顯示器有普通CRT顯示器和液晶顯示器兩種。隨著顯示卡和顯示器的技術發展，顯示分辨率和速度越來越高。最初采用 的是單色顯示器，現在高分辨率的彩色顯示器已經非常普及了，綠色環保的節 能型顯示器則更多地考慮了人性化的設計特點。6機箱和電源機箱即主機的外殼部分。 電源向系統提供各類級別的工作電壓。它是計算機系統的工作動力來源。7軟盤驅動器和軟盤軟盤驅動器又叫軟驅，用于讀寫軟磁盤。軟盤是一種可移動式的磁性存儲介質。以往有3寸和5寸兩種，目前主要 使用3寸軟盤，容量為1.44M。它通過磁頭來進行讀寫。8光盤驅動器和光盤 光盤驅動器又叫

15、光驅，用于讀取光盤數據。 可寫光盤的光驅稱為光盤刻錄機。光盤是用于記載程序和數據的光敏介質，用光頭進行讀寫。盡管容量大得 多的DVD光盤已經不再陌生，但目前用得最多的還是650M的CDROM9 / 1659聲卡和音箱 聲卡是計算機用于向音箱傳送聲音的接口，用于把聲音數碼信號轉換為真 正的聲音信號。音箱即發聲設備。當前的聲音設備，已經能錄制和再現質量非常高的聲音品質。10打印機 把計算機文本以書面形式輸出的工具。 目前的打印機有激光、噴墨、針式幾種類型。其中，質量最好的是激光打 印機，最差的則是針式打印機。11鍵盤鍵盤是應用最廣泛的手工輸入工具。用它可以向計算機輸入各種命令和進 行文本編輯、制圖

16、等一系列操作。12鼠標 鼠標也是使用非常廣泛的輸入工具之一。它可以執行部分鍵盤功能，特別 是適用于各種命令的輸入和圖形編輯。在WINDOW操作系統及其應用軟件中， 鼠標是必要的工具。二個人電腦軟件基本與前面介紹的軟件情況相同。目前設備上使用的操作系統有DO轎口WINDOWS種。每臺機床設備都有自己的編譯程序、應用軟件和專用語言開發環境。 三常用個人電腦的操作概念（一）.目錄結構和文件1目錄結構目錄結構：計算機中由用戶載入的文件內容的存儲結構。它采用樹狀目錄結構，各軟件都有自己的專用目錄。這樣做的目的是便于 查詢和執行時互不干涉。利用計算機的“我的電腦”和“資源管理器”等工具，可以非常方便地查

17、詢和瀏覽目錄結構及其文件系統。目錄：目錄結構中每一級叫做一個目錄。在WINDOWS，目錄也叫做文件 夾。目錄名：每個目錄都有一個用于識別的目錄名。可以用字母、數字、漢字、 部分特殊符號等組成。2文件10 / 165文件：計算機向硬盤、軟盤等載體存儲信息的最小組織形式。它類似于一 篇篇的文稿，因此叫做文件。文件名：文件的名稱。同樣可用字母、數字、漢字、部分特殊符號等組成。 文件名由基本名和擴展名兩部分構成。XXXXXXXXXXX基本名 擴展名早期的DOS操作系統基本名限制長度為8個英文字符或4個漢字，擴展名 為3個英文字符和1個漢字。目前使用的WINDOWS98WINDOWS20等0系統的基 本

18、名最多可達255個字符。（二）.窗口和菜單 所謂窗口，即用戶所能看到的屏幕顯示界面。WINDOWS圖標平面鋪設的顯示界面叫做“桌面”。菜單：計算機命令的一種可視化顯示形式。常用的菜單是下拉式菜單。利 用鍵盤和鼠標來操作菜單，可以向計算機發出各種命令。（三）.圖標 圖標是目前軟件中放置在桌面上的圖形標記。它往往代表一個目錄或一個文件，操作它可以打開文件或進入下級目錄。（四）.基本文件管理操作最基本的文件管理操作有：1創建目錄和新文件2復制、剪切、粘貼和發送3打開文件和編輯4文件和目錄更名作為一個數控操作人員，基本的個人計算機操作知識是必須具備的。建議 讀一些這方面的書籍并進行一些實踐。第五節：廣

19、義的計算機系統及應用廣義的計算機決不僅僅是我們辦公桌上的計算機系統。個人電腦只是計算 機的諸多應用形式之一。我們將通過下面的敘述，幫助您感11 / 165受到計算機系統在 我們的工作和生活中的應用是多么廣泛。（一）.個人計算機及其應用個人電腦是主要用于辦公、娛樂的專用計算機系統。它能做什么?不由你不信!1.企業管理:打字、財務、資料管理等。2.設計:CAD制圖、生產模擬、產品設計等。3.分析計算:如工程模擬、股票分析等。4.音像功能：可以播放和處理聲音、音樂、歌曲、圖片、影像等。5.電子鴉片：即令許多人如癡如醉的電子游戲。6.生活管理:家庭財務、檔案等。7.家庭教師：大量的家教軟件開發使得利用

20、計算機學習各種知識成為可能。8.圖書館:電子圖書與圖書無紙化。9.電視機：裝上電視卡，你的計算機可以收看任何普通電視收得到的電視 節目。10.網絡：我們已經有了多種形式的上網方式，你可以通過計算機網絡查詢 信息、發布信息、發送郵件、召開會議、收看節目，找網友聊聊天，玩玩游戲 等。這條信息的高速公路縮短了人與人之間的距離，把地球真正變成了一個村 落。或許，坐在家里工作和讀書的日子，也不會太遠了吧！（二）.工業領域的專用計算機系統A.數控系統各類數控機床、加工中心上的計算機數字控制系統就是一臺或幾臺計算機， 只不過它們控制的目標是設備加工過程和尺寸。B. PLC系統PLC即電氣控制的可編程序控制器

21、，它用于機床的動作過程控制。C.變頻器、電機保護器控制電機的變頻器和電機保護器都是專用的計算機系統，多數使用單片計 算機。D.各種測量系統12 / 165現在的復雜測量系統，如在線量儀、過程測控等，基本是建立在單片計算 機或工業控制計算機基礎上的專用測量系統。E.新興的各種智能電器由于計算機產品的成本日益下降，現在使用計算機作為控制核心的電器產 品越來越多，如變壓器、動力配電設備、顯示儀表等。（三）.生活中的專用計算機系統各種汽車電器、數字電視、VCD機、數碼攝像機、數碼照相機、全自動洗衣機、微波爐等，都有計算機的影子。計算機正在越來越廣泛地進入我們的生活 空間。第六節:數控機床的概念及其基本

22、特點一. 數控機床的概念顧名思義，數控機床即數字控制機床。其核心控制部分全部由數字電路構 成。它是由數字電路控制機床加工過程并實現需要的工藝參數的專用設備。早期的數控機床控制系統完全用硬件數字電路芯片構成。由于電腦技 術的高速發展，數控機床的控制部分已完全被計算機取代，且功能大大加強。 可以說，加工中心的發展完全得益于計算機的應用。電腦的強大功能有效地提 高了機床的加工能力。而且，由于計算機運算速度的發展，數控機床控制部件也逐步走向數字化、智能化。二. 數控機床的基本功能.從如下的功能中可以讓我們更全面地了解數控機床。1.控制加工過程的刀架移動速度和軌跡，實現多象限聯動控制或單獨控制。2.關聯

23、或獨立控制坐標軸的轉速和位置。3.實現對刀架、刀具庫的加工控制。4.外圍動作的控制（M S、T功能）。5. PLC功能。6.系統自診斷功能。7.良好的人機界面（圖形用戶接口GUI）。13 / 1658.和其它計算機系統聯網，互換數據信息和獲取幫助。三. 數控機床的特點（一）.零件加工可編程 由于加工零件的形狀可用程序編制，使得一機可以多用。在存儲器中可存 儲多個零件的加工程序，加工時只要適當調整夾具和刀具即可變更加工內容。（二）.加工工藝參數的柔性調整 各種加工工藝參數，如刀具偏差、進刀速度、主軸轉速、行程極限、傳動 間隙等均可以隨時調整。（三）.可實現良好的加工精度 隨著數控技術的發展，各類

24、加工參數調整的柔性化，大大地簡化了機床機 械部分的結構。 典型的一個數控 “軸”，機械部分只剩下一套絲杠和一個工作臺 加上電氣系統的發展已明顯超出實際加工能力的需要，這就為提高加工精度奠 定了好的基礎。四. 數控機床的適用范圍 對數控設備比較經濟的使用觀點是，用于具有小批量和產品多變性的場合， 不適合大批量的流水作業。但現在的企業在生產線上使用數控設備的已越來越 多，其代價是要付出昂貴的設備費用，而獲得單一的功能。但由于其優良的加 工精度，在大批量流水作業中使用也越來越多。第七節：如何學好數控設備知識一注重基礎知識的學習 由于數控技術理論上較為深奧，要掌握這門技術，就必須注重基礎理論的 學習。

25、二從電氣、工藝、機械結構幾個方面綜合學習 數控技術是一門集計算機技術、自動控制技術、機械技術、工程力學、加 工工藝學等于一體的學科，因此，獨立地想從單方面去了解數控設備是不可能 的。只有把這些方面結合起來學習，才能完整地掌握它。三結構化的學習方法 數控機床是一套復雜的系統，控制邏輯性和關聯性強。因此，掌握系統的 整體結構，熟知各個部分的作用和特點，對更好地使用和維護數控機床就顯得 特別重要。這種結構化的思維在機床調整和維修中是非常有益處的。四了解數控機床的技術發展趨勢世界上的第一臺數控機床是1952年由美國的Parsons（帕森斯）公司和麻 省理工學院聯合開發的，用于直升機制造的三坐標數控銑床

26、。而我國最早的數 控系統研制是從1958年開始的。目前，數控機床和可編程序控制器（PLC）、工業機器人、網絡技術并列為 工業自動化發展的四個方向之一。而其本身，也經歷了日新月異的發展。14 / 165數控系統本身就經歷了分立元件、集成電路、小型機、專用微型機系統， 直到現在建立在個人電腦操作平臺基礎上的控制系統這樣一系列的發展階段。 其功能也越來越強，速度越來越快，指令集越來越豐富。輸入存儲介質也由最 早的紙帶發展到現在的硬盤、軟盤、各種類型的存儲器等多種介質。在計算機技術高速發展的基礎上，控制系統的各個部分，如接口、驅動器、 操作面板等也逐步智能化，數控系統由單一的計算機系統變成了多計算機系

27、統 分工協作，從而使系統的整體性能大幅度地提高。伺服系統隨著電機制造技術的發展，也經歷了步進伺服、直流伺服、交流 伺服幾個過程。而交流伺服又經歷了交流模擬伺服和交流數字伺服兩個階段。 伺服系統的發展為機床的精度提高奠定了控制基礎。機械系統同樣經歷了巨大的發展，刀庫由最早的簡單刀架倒現在復雜的刀 庫管理系統，工作臺由單一工作臺到多工作臺的自動交換系統，由于新材料和 新工藝的發展，傳動系統精度也日益提高。從而為機床整體性能和精度的提高 創造了良好的前提條件。數控機床在生產過程中的應用也由最早的單機工作逐步發展到由一臺計算 機為多臺數控機床編程的計算機直接數控系統（DNC,兼DNC系統、自動輸料、生

28、產管理系統于一體的柔性制造系統（FMS，集產品開發設計、制造過程、生 產管理、市場分析和財務管理等于一體的計算機集成制造系統（CIMS。完全可以說，數控設備將是今后工廠自動化的重要基礎。第二章：數控機床的基本構成第一節：數控機床的控制結構典型的數控機床控制系統如下圖所示（鍵盤、手輪等）15 / 165圖2-1:數控機床的控制結構圖其中：1.數控系統：包括上述的CPU存儲器、輸入輸出接口及其他的一些專用電 路,是機床的控制中心。2. PLC系統：又稱可編程序控制器，用于機床各部件的整體動作邏輯組織 和控制。3.驅動電路：屬于輸出設備，用于將數控系統的控制指令放大和轉化為電 動機的激勵信號，控制電

29、機的旋轉。4.伺服電機：專用于數控設備直線軸和旋轉軸的驅動電機，有優良的可控 性和精度。5.反饋器件：用于測量工作臺的位移量或旋轉角度。6.反饋電路：負責反饋器件測量信號的處理轉換，最終回送給數控系統和 驅動電路進行位置和速度計算。7.操作設備：操作者向控制系統發送指令的工具。如鍵盤、手輪。8.顯示器：數控系統通過屏幕顯示方式向操作者反饋信息的工具。第二節:數控系統一. 數控系統是數控機床的控制核心包括CPU存儲器、輸入輸出接口及其他的一些專用電路，是機床的控制中 心。它主要完成如下控制任務：1 存儲系統管理程序、數控功能管理程序、用戶應用軟件環境、零件加 工程序、各類參數及工藝數據等。2 按

30、照操作人員的指令控制執行機構完成零件加工和調整等操作。3 控制外部設備，完成人機的相互交流。16 / 1654 通過外部接口或網絡，和其它計算機系統進行數據交換。數控系統的種類非常多，但國內比較常用的數控系統有日本FANU（系統、德 國SIEMENS系統、美國GE-FANU系統等。二.FANUC系統簡介FANUC系統的典型構成如下：1.數控主板：用于核心控制、運算、存儲、伺服控制等。新主板集成了PLC功能。2. PLC板：用于外圍動作控制。新系統的PLC板已經和數控主板集成到一起。3.I/O板：早期的I/O板用于數控系統和外部的開關信號交換。新型的I/O板主要集成了顯示接口、鍵盤接口、手輪接口

31、、操作面板接口及RS232接口等。4. MMCS：人機接口板。這是個人電腦化的板卡，不是必須匹配的。本身 帶有CRT標準鍵盤、軟驅、鼠標、存儲卡及串行、并行接口。5. CRT接口板：用于顯示器接口。新系統中，CRT接口被集成到I/O板上。另外，還提供其他一些可選板卡等。以FANUC-2係統為例，典型配置包括主板、I/O板和MM（板。三.SIEMENS系統簡介SIEMENS統的典型構成，以SIEMMENS840為例，包括：1.中央服務板：用于系統的綜合控制。2. NC-CPU板：用于加工的數字控制。3. PLC-CPU板：用于代替傳統的PLC系統，控制外圍動作。4. MMC-CP板:用于和外部設

32、備通訊，功能與FANU啲MM（板類似。5A/D、D/A板：用于模/數、數/模轉換。根據我們的使用經驗，就中國目前的工業環境而言，日本的數控系統性能 價格比更具有優勢。它們在我們的工廠使用環境中，性能相對更加穩定，而且 價格也比較合理。其使用特點也更符合中國人的習慣。第三節:執行機構就象人一樣，只有給電腦裝上“四肢” ，數控系統才能完成實際加工工作 而這里的“四肢”，就是執行機構。一.那些部分屬于執行機構 數控機床的執行機構是指把數控系統的加工命令轉換為實際加工過程的中 間機構，它包括:17 / 1651.驅動電路：用于將數控系統的控制指令放大和轉化為電動機的激勵信號，控制電機的旋轉。2.伺服電

33、機：用于數控設備直線軸和旋轉軸的驅動。 數控機床常用的驅動電機有三種，即步進電機、直流伺服電機和交流伺服 電機。3.由伺服電機驅動的機械機構：如工作臺、刀架、主軸及其傳動系統等。4測量系統：測量伺服軸的實際直線位移和角位移。 二對執行機構的要求 數控機床的執行機構必須具備下述特點，才能滿足加工過程的精度要求：1具備高度的可控制性。所謂可控制性，亦即執行機構對數控系統給定的速度和位移量的跟蹤靈敏 度和精度。無論數控系統的給定速度如何變化，執行機構都必須實現快速跟蹤。 當系統發出位置命令時，執行機構要高精度地到達給定的位置。可以說，可控制性是數控機床滿足加工精度的重要前提。2具備良好的抗擾動能力。

34、執行機構在遇到外界干擾，如負荷、電壓等的變化時，必須有強的抗擾動 能力，保持相對穩定的速度。否則，就會直接影響加工的表面質量和精度。3能很好地適應環境的變化。無論是機械結構，還是電氣系統，都要求對環境的變化，如溫度、濕度、 灰塵等，具備良好的適應性。為此，機械系統，尤其是傳動系統必須有好的剛 性和防護，環境變化時變形要小。電氣系統的設計則要對各種元件的選擇、補 償、防護等予以綜合考慮。第四節：步進電機步進電機是最早廣泛應用于數控機床的一種電機，現在雖然在數控機床上 已很少使用，但由于其具備良好的經濟性，在很多要求定位控制精度不高的場 合，仍然而且將長期被采用。一.步進電機的結構下圖是三相步進電

35、機的結構圖。18 / 165圖2-2:三相步進電機的結構圖和普通電機一樣，它包括定子、轉子、勵磁繞組幾個部分。所謂定子，即電機外殼和勵磁磁極，是不能轉動的部分。轉子是指旋轉部分，由它驅動機械負載產生運動。勵磁繞組繞在定子上，由符合要求的電流信號進行激勵，產生勵磁磁場, 從而驅動轉子旋轉。除三相電機外，還有四相電機、五相電機等。步進電機的轉子又有電磁式和永磁式兩種。二.步進電機的工作原理F面是三相步進電機的簡化結構，從它我們可以了解其工作原理19 / 165圖2-3:步進電機的原理示意圖上圖中，（a）為A相送電勵磁，使之產生一個從上向下的磁場，在磁場作 用下，將把轉子離垂直磁場最近的齒1、3吸引

36、到A極附近。（b）為B相送電， 產生一個以B磁極為軸心的磁場，這時2、4齒離磁軸最近，從而被吸引到B磁 極。同理，當C相勵磁時，1、3齒又被吸引到C磁極。當A相再送電時，2、4齒被吸引到A磁極。 如此循環往復，電機在磁極的順序輪流勵磁下，使轉子連續旋轉。從上面可以看出，轉子是單步式旋轉的，所以我們稱這種電機為步進電機 實際的步進電機，其工作原理與此類似，只要定、轉子齒距角保持規定的 比例（2/3）并均布，就能連續旋轉。三.步進電機的勵磁方式步進電機的勵磁方式有整步、半步、細分步三種。下面，以三相電機為例 予以介紹。1.整步方式勵磁順序:A-B-A-.勵磁方法和二中介紹的原理完全相同。磁場切換每

37、次跨越一個極距，因此 稱為整步勵磁方式。這種勵磁方法轉子每次的移動角度是最大的。勵磁波形為：20 / 165對二相步進電機來講，這種勵磁方式需要二拍完成一個循環，又稱為二相 三拍方式。由于每次只勵磁一個磁極，故又稱為1P方式。2.半步方式勵磁順序：ATABBBGCAA.。即磁場切換時，每次切換半個極距，因此稱為半步勵磁方式。這種勵磁方 法轉子每次的移動角度是整步方式的一半，因而精度比整步方式高，但速度卻 被降低。勵磁波形為：圖2-5:半步勵磁方式波形圖對三相步進電機來講，這種勵磁方式需要六拍完成一個循環，又稱為三相六 拍方式。由于每次勵磁一或兩個磁極，故又稱為1-2P方式。3.細分步方式把一個

38、整步通過控制勵磁過程細分成多步完成的方式。這種勵磁方式在切換磁極時， 電流不是一次性加入或切除的， 而是前一磁 極逐步減少，后一磁極則逐步增加。當前一磁極電流減到零時，后一磁極電流 也加到最大。從合成的磁場來看，磁軸將從前一磁極逐步緩緩移動到后一磁極。 這樣磁極切換過程可以分成多步完21 / 165成，即所謂細分步勵磁。目前生產中， 用到的細分可以達到幾百步,細分步技術有效地提高了驅動系 統的精度，當然也將犧牲系統的速度。四. 步進電機的步距角 步進電機的步距角即電機轉子每次勵磁產生的機械轉角。步距角：a=360 /mZKm:電機相數。Z:轉子齒數。K:細分步數。整步K=1，半步K=2五. 步

39、進電機的控制方法通過上面原理和勵磁方法的分析，我們可以發現步進電機的控制可以按下 述方法進行：速度控制：通過改變勵磁頻率來實現。 方向控制：通過改變勵磁順序來實現。 位移量：由于步進電機的步距角是固定的，因此，位移量可以簡單地折算 成勵磁脈沖個數。這樣，無須位置反饋，即可以通過發出固定的勵磁脈沖數來 控制工作臺做特定的位移運動。第五節：直流伺服電機直流伺服電機實質上就是一臺特殊的直流電機。它是數控機床的第二代驅 動電機，現在服役的設備中，還有相當部分的數控機床采用這種電機。但從二 十世紀九十年代起，它就已經開始逐步被交流伺服電機取代。.直流伺服電機的原理及一般結構 面是直流伺服電機的示意圖。圖

40、2-6:直流電機原理示意圖直流伺服電機的定子磁極一般采用天然磁鐵。如圖，N、S構成一對磁極，形成由上到下的恒定磁場。如果在轉子表面沿軸向粘上多層獨立分匝的繞組 （圖 中只畫出S22 / 165了其中一匝），并通以圖示方向的電流，則根據左手定則，繞組將受到 逆時針方向的旋轉力，而使轉子逆時針旋轉。從圖中我們還可看到，在直流電機中，每匝繞組中的電流要每180度換向一次，即上半周和下半周方向相反。直流電機的轉子電流由電刷提供，換向則 由和電機軸同軸安裝的換向器完成。直流電機為改善換向性能，消除換向時電流斷續時產生火花，一般還設置 換向磁極。所以普通的直流電機除外殼外，還包括定子磁極、換向磁極、轉子（

41、又叫 電樞）、電刷、換向器等部分。二直流伺服電機的結構特點和分類1.小慣量直流電機這種電機的轉子為減少轉動慣量，轉子做得細長。因為轉子的轉動慣量與轉 子直徑平方成正比，同時電磁扭矩又與轉子切割磁力線的有效長度成正比，所 以這樣做可以有效地提高伺服電機的驅動能力和可控制性能。事實上，前面介紹的原理就是以這種電機為原型的。其特點是：*轉動慣量小，約為普通電機的1/10。*反應快，有良好的換向性能。*速度均勻性好，尤其低速時，更具優勢。*扭矩大，最大扭矩約為額定值的10倍。2.直流印刷電機這種電機的轉子由多層同軸的玻璃膠布板圓盤形轉子構成，每層圓盤印刷 有銅箔繞組。由于這樣可以有效地提高繞組的作用力

42、矩，且轉子質量輕，因而 可以得到較大的扭矩。其特點是：*電機結構簡單，成本低。*電機繞組全部和空氣接觸，散熱好，因而過載能力強。*圓盤可由玻璃絲布板等非金屬材料構成，既輕又具有小的電磁慣性，因 此具有好的換向性能和調速性能。3.杯形轉子直流電機這種電機的轉子做成空心杯，從而有效地減少了轉動慣量，提高了可控性。23 / 1654.寬調速直流電機這種電機有意保留較大的轉子慣性，靠提高扭矩來提高響應速度。因此功 率可以做得很大，適用于大負載和要求有特殊配重的場合。三直流伺服電機的調速和換向直流伺服電機的調速一般通過調節定子電壓的方法來實現，其調速特性為圖2-7.直流伺服電機的調速可見，只要改變電樞電

43、壓，轉速即可以得到調節。直流電機旋轉方向的變化則由電樞電壓的極性控制。只要改變電樞電壓極 性，即可改變電機的旋轉方向。24 / 165第六節：交流伺服電機交流伺服電機是近年來廣泛采用的一種伺服電機。事實上，這種電機的控 制遠比直流伺服電機復雜，但由于其電機維護簡單，控制電路穩定，而得到越 來越普遍的應用。一.交流伺服電機的結構原理交流伺服電機按相數分為單相電機和三相電機兩種。單相電機使用單相電 源，三相電機使用三相電源。原理上，兩種電機都是使用符合特定要求的電源對定子繞組進行勵磁，并 產生旋轉磁場，從而拖動轉子旋轉。（一）.單相交流伺服電機單相交流伺服電機的定子有兩套磁極，其相應繞組分別叫做勵

44、磁繞組和控 制繞組。兩個繞組的布置在空間上相差90度，即垂直。如下圖所示：圖2-8.單相交流伺服電機原理示意圖加在兩個繞組上的勵磁電壓相位上相差90度，即:勵磁電壓：u仁Umsinwt控制電壓：u2二Urwoswt其波形為：勵磁繞組控制繞組u1=Um1sinwtu2=Um2coswt25 / 165圖2-9.單相交流伺服電機的旋轉磁場形成從兩個波形的各特征點電壓和磁極空間布置情況，根據右手定則，可以判 斷這些點磁場方向如圖2-9所示。從圖中可以發現定子磁場是旋轉的。這個旋 轉的磁場帶動轉子旋轉，從而使電機工作。（二）.三相交流伺服電機三相交流伺服電機的磁極有三對，空間各相差120度，勵磁電壓的

45、相位也相差120度。這樣的勵磁同樣可以產生旋轉磁場。由于三相電機的原理相對復雜，考慮操作人員的實際情況，這里不進行詳 細介紹。（三）.交流伺服電機的物理結構特點一般交流伺服電機也采用鼠籠轉子，與普通異步電機類似。特殊要求輕轉動慣量的場合，可以使用空心杯轉子。杯壁厚度小于0.5毫米。為提高磁耦合效果，在杯中加入了內定子。二.交流伺服電機的調速和換相（一）.單相交流伺服電機對單相交流伺服電機來講，通過調節勵磁電壓的幅值或兩個電壓的相位差 來實現調速。前者叫做幅值控制，后者稱為相位控制。換向只要改變控制電壓與勵磁電壓的相位超前關系即可。當控制電壓等于零時，電機停止u1勵磁繞組u2控制繞組磁場方向26

46、 / 165（二）.三相交流伺服電機27 / 165這種電機的控制方法有矢量變換和直接PWM空制等，控制比單相電機復雜 得多，不予贅述。第七節：驅動控制系統由于三種伺服電機的出現，也因而產生了三種伺服驅動控制系統。即所謂: 步進伺服系統、直流伺服系統和交流伺服系統。一.步進伺服系統步進伺服系統是較早期的系統，國內主要出現在70年代，現在一些要求定 位精度不高的場合仍在使用。步進伺服系統的控制框圖如下：圖2-10.步進伺服系統框圖圖中，控制系統即數控系統的核心控制部分。它給出一個脈沖列，脈沖頻 率決定了電機的速度，頻率越高，速度越高。脈沖數量則決定了實際位移量。環形分配器是把單一脈沖列按照電機各

47、相勵磁要求分成多個脈沖列。功率放大部分把多個脈沖列進行放大，最后驅動電機的各相繞組，使電機 旋轉起來。從成本經濟，結構簡單和利于維護方面來講，步進系統是最具優勢的。但 其定位精度和平穩性有較明顯缺陷，而且系統易受到干擾。近年來，由于國外 對大功率步進系統開發的研究，步進系統的應用又有恢復的趨勢。二.直流伺服系統直流伺服系統是較步進系統高一級的系統，八十年代在我國得到廣泛應用, 而且現在仍有一部分在服役中。直流伺服系統的典型框圖如下圖所示:主控制系統給疋信號R|環形分配器（速度、位置）28 / 165圖2-11.直流伺服系統框圖上述系統中，主要有如下環節：1.速度調節：速度給定由數控系統獲得，速

48、度調節器把給定速度和反饋的 速度做比較，以控制輸出使電機速度穩定。2.電流調節：經速度調節輸出的信號和實際負載的大小（電流信號反饋） 做比較，以調整電機驅動電壓的高低，抑制負載變化對電機速度的影響。3.速度反饋：用測速元件測量電機的實際轉速，送給速度調節器判斷實際 轉速與給定轉速的誤差。4.電流反饋：用測流元件測量電機的電流，間接測知負載的變化，送給電 流調節器與其給定信號做比較，以控制電機的電壓而使速度穩定。5.可控硅觸發電路：把電流調節器輸出的信號用做控制信號，根據前面控 制結果向三相可控硅電路的各可控硅（12個）輸出多組符合要求的脈沖列，控 制可控硅組向電機提供合適的電壓，驅動電機旋轉。

49、直流伺服系統調速范圍寬，控制平穩，精度也較高。但成本較步進系統高， 其電機需經常維護，控制系統受溫度、濕度等環境因素影響大。三交流伺服系統交流伺服系統較直流伺服系統又進了一步，國內主要在90年代開始普及交流伺服系統是數控伺服系統發展的趨勢，現在所有新定購的數控設備基本上 全部是交流伺服系統。29 / 165交流伺服系統的控制要復雜得多。目前最典型的是“矢量變換”控制系統, 基本思想是把三相交流伺服電機等效成直流電機，進行控制運算，最后再折算 到三相交流電機的三相勵磁，以實現對交流伺服電機的控制。由于其控制過于復雜，此處不予以介紹。交流伺服系統成本最高。然而，無論是控制精度，還是系統穩定性，都是

50、 三種系統中最好的。這種系統的故障率明顯較另外兩種系統少得多。正是由于 有了這些優點，它得到越來越廣泛的應用。第八節：測量反饋系統數控機床的測量反饋系統是為測知實際控制輸出的大小變化，與給定比較 以對控制誤差進行校正而設計的。由于數控系統的位置測量器件種類很多，這 里只就光電脈沖編碼器和感應同步器做簡單介紹。一.光電脈沖編碼器A.相對式光電脈沖編碼器光敏元件光源接收整形電路30 / 165圖2-12.相對式光電脈沖編碼器原理圖31 / 165相對式光電脈沖編碼器是一種光學器件。它由光源發光，一片透鏡收集光 源光線并投射到與電機同軸安裝的光電盤上。光電盤上刻有等距離的透光條紋， 當它旋轉時，三個

51、光敏元件將各自接收到一個光電脈沖列。這三個脈沖列經后 續電路整理，變成我們需要的AA、B、B、Z、Z六組信號。* *以上信號中A、A、B、B用于計算位移量，由外圈透光條紋和上面兩個光 敏元件產生。Z、Z用來做位置基準，由里圈的一個粗條紋和下面的光敏元件產 生。其波形圖為圖2-13所示。由上圖可以看出， 位移脈沖信號電機每轉一轉時有多個。 電機每轉的脈沖 數稱為“線數”。基準信號電機每轉則只有一個。編碼器的精度可分為50-10000線等多種。帶有*號的信號和原信號相位差180度。A、B信號間相差90度，由A、B信 號哪一個超前可以判斷電機的轉向。J90oAjYLrmTLFLrLnLn - - u

52、-inA* -BJTLnLTLnLTLnLrm - -B*圖2-13.相對式光電編碼器信號波形圖從上述介紹我們可以看出，這種器件可以在先算知每個脈沖的等效位移后, 通過對脈沖計數來測量機械部件的實際位移量。目前數控設備的反饋器件大多 數是這種編碼器。B.絕對式光電脈沖編碼器絕對式光電編碼器與相對式不同，它不但可以測得位移量，而且可以計算 機械部件的當前絕對位置。其信號測量原理基本與相對式編碼器相同，所不同 的是其光電碼盤刻錄的透光縫是編碼了的，光敏元件個數也與編碼的位數相同 圖2-14給出了一個四位編碼盤的示意圖。32 / 165圖2-14.四位編碼盤示意圖上圖中， 透光為1,遮光為0。 從0

53、000開始， 順時針方向的編碼分別為0001、0010、0011、1111，即為BCD編碼。按照這個編碼盤讀出的四列信號，我們可以準確判斷機床電機軸和絲杠的 當前角度位置，所以叫做絕對式編碼器。通過計數我們也可以得到機床實際的 位移量。二.感應同步器感應同步器也是一種位置測量器件，尤其在裝備有數顯設備的機床上使用 較多。其基本結構由定尺和滑尺組成。定尺上腐蝕有一組矩形銅繞組，而滑尺上 腐蝕有兩組，其中一組叫做正弦繞組，另一組叫做余弦繞組。? - Uoc - ?.-LrLTLTLrLn-TUnn rLTk定尺O- O- O-OCOS繞組SIN繞組圖2-15.感應同步器的原理圖它應用了電磁感應的原

54、理。當在滑尺繞組加入勵磁：正弦繞組：Us二Um coso t33 / 165余弦繞組：Uc=Um sint時，定尺中的輸出電壓為：Uoc=K Um sin（3t+0）其中，K為電磁耦合系數，0=2nX位移量/T,T又稱為節距。可見，輸出電壓是位移量的函數。通過判斷0角的大小也可以判斷當前機 床的絕對位置。所以，這也是一種絕對式位置測量器件。三其它測量器件簡介 測量位置的器件還有很多。其中使用較多的還有光柵、旋轉變壓器、磁柵 等。我們不再一一介紹。第九節:基本外設數控系統常用的外圍器件有顯示器、鍵盤、軟驅、打印機、編程設備、手 搖編碼器等，它們統稱為計算機系統的外部設備。一.普通外設這類設備即C

55、RT鍵盤、軟驅、打印機等，它們是人機交流的重要工具。第 一章中已經有所介紹，此處不予以重述。二編程設備（一）.紙帶機 在七十到八十年代，紙帶機是一種重要的編程和程序輸入設備。它把程序和數據用經編碼后的八位穿孔制作在紙帶上。國際上還專門制定了ISO紙帶指 令標準。后來隨著存儲介質的容量、性能、種類的飛速發展，紙帶機已經逐步 被淘汰。（二）.專用編程器 繼紙帶機之后，數控設備的編程由數控設備廠家開發的各類專用編程器取代。這類編程器實際上是一種專用計算機系統，沒有通用性，價格昂貴，每臺 幾萬元到幾十萬元不等。目前還有大量的這類編程設備在使用中。（三）.個人電腦編程利用普通個人臺式電腦或筆記本電腦，加

56、載必要的軟件和接口，實現對數 控設備的編程和程序數據管理，這是近幾年發展起來的一種新型編程工具。由 于個人電腦資源廣泛，可以避免重復投資。我們只要購買數控設備廠家的專用 編程軟件和必要的接口，即可方便地實現對機床的程序和數據編輯、備份、重 裝等操作。34 / 165三.手搖脈沖編碼器這是一種由操作工人控制的，命令工作臺作定量進給的器件。它實際上也是一種光電脈沖編碼器，二者的原理基本相同。區別無過于驅 動來源不一樣，一為設備電機，一為人為手搖而已。它把輸出脈沖送到數控系 統，使機床按照設置的脈沖當量（每個脈沖的走刀量或轉角）進行走刀或旋轉 操作。第十節：位置隨動系統的流程結構所謂位置隨動系統，是

57、指對指定位置指令進行位置動態跟蹤的系統。弄清 其概念，對數控機床的整體理解是有益的。一.給定與反饋給定：是指一個控制系統的指定目標輸入信號。對數控機床來講，它由數 控系統給出，由伺服驅動系統處理并執行。反饋：把控制目標輸出量的一部分或全部反送到給定輸入端，與給定信號 進行比較，共同參與對輸出量的控制，以消除控制誤差。圖2-16.簡單的給定與反饋系統圖例如，我們生活中用到的各種溫度控制系統（熱水器、電水壺等）就是這 樣一個簡單的系統35 / 165二閉環與開環系統（一）.開環系統沒有反饋，目標輸出量完全根據控制系統的給定直接執行的系統給定量-主控制通路圖2-17.開環系統框圖典型的如開環步進系統

58、，其位置和速度都是按照給定進行輸出。這種系統 在發生偏差時，無法自動檢測，因而也就無法進行自動校正。（二）.半閉環系統有反饋裝置，但反饋不直接來自于實際目標輸出量的系統。當前使用的所有標準數控設備的工作臺控制基本都是這種系統。它的反饋 取自電機端的轉子轉速，而不是實際工作臺的位移量。即反饋量中未包含傳動 系統的誤差，因此只能算是半閉環系統。圖2-18.半閉環系統框圖（三）.全閉環系統有反饋裝置，且反饋來自于實際輸出量的系統。數控機床的部分要求精密加工的系統使用了這種控制結構。如做精密形線 加工的工作臺。真正的全閉環系統由于控制上要求較高，因此，應用不不多。輸出量F面是這種系統的框圖:36 /

59、165其框圖如下所示：圖2-19.全閉環系統框圖三.位置隨動系統的三個環典型的位置隨動系統一般都有這樣三套反饋系統：位置環、速度環、電流 環。這三個反饋環路構成一個穩定的位置控制系統。（一）.三環系統的控制框圖下圖給出了數控機床典型的三環系統框圖。圖2-20.三環系統框圖圖中，轉換電路的作用是把速度信號轉換為位移信號。（二）.三個環的各自作用1.位置精度的實現一位置環處于反饋環路的最外圈，由位置測量器件把測到的實際位置反饋到數控系 統，與給定的位置指令進行比較，以實現精確位置跟蹤控制。2.速度波動的控制一速度環37 / 165處于三個環路的中間，其任務是測量電機的實際速度，與數控系統的速度 給

60、定進行比較，以實現對給定速度的跟蹤并抑制速度波動，達到對速度的精確 平滑控制。3.負荷變化的適應 電流環 電流環是三個環的內環，其作用是通過測量電機的電流變化來間接得到實 際加工負載的波動狀況，再與電流環給定量進行比較，從而通過調節控制抑制 它給速度造成的可能擾動。四. 反饋與給定的“權” （CMR/DM）R之所以介紹“權”的概念，是因為它是系統的重要參數之一。 一般來講，給定量的單位和反饋量的單位必須統一，這樣才能進行比較計 算。原則上，一個穩定的控制系統，反饋量和給定量應該完全相等。但是由于 控制系統自身硬件和軟件參數設計的原因，給定量和反饋到數控系統的反饋量 可能大小有大的差異，即“權”不同，這