这是带你成为高手维修工的又一步。本课程为数控机床、加工中心、机器人等设备的基础课程，因成稿较早，涉及具体机型可能稍显过时。但基础软硬件理论、控制理论等永不过时，是做好上述设备维护的基础。本课程大部分为笔者原创。部分内容以单文发布过，某些章节不声明原创。

【资料图】

第三节：数控机床的控制结构

一．数控机床控制系统组成架构

典型的数控机床控制系统如下图所示:

（键盘、手轮等）

图1-1：数控机床的控制结构图

其中:

1．数控系统：包括上述的CPU、存储器、输入输出接口及其他的一些专用电路,是机床的控制中心。

2．PLC系统：又称可编程序控制器，用于机床各部件的整体动作逻辑组织和控制。

3．驱动电路：属于输出设备，用于将数控系统的控制指令放大和转化为电动机的激励信号，控制电机的旋转。

4．伺服电机：专用于数控设备直线轴和旋转轴的驱动电机，有优良的可控性和精度。

5．反馈器件：用于测量工作台的位移量或旋转角度。

6．反馈电路：负责反馈器件测量信号的处理转换，最终回送给数控系统和驱动电路进行位置和速度计算。

7．操作设备：操作者向控制系统发送指令的工具。如键盘、手轮。

8．显示器：数控系统通过屏幕显示方式向操作者反馈信息的工具。

二．主控制系统

（一）系统任务

包括CPU、存储器、输入输出接口及其他的一些专用电路，是机床的控制中心。它主要完成如下控制任务：

1． 存储系统管理程序、数控功能管理程序、用户应用软件环境、零件加工程序、各类参数及工艺数据等。

2． 按照操作人员的指令控制执行机构完成零件加工和调整等操作。

3． 控制外部设备，完成人机的相互交流。

4． 通过外部接口或网络，和其它计算机系统进行数据交换。

数控系统的种类非常多,但国内比较常用的数控系统有日本FANUC系统、德国SIEMENS系统、美国GE-FANUC系统等。

（二）实际系统举例

FANUC系统的典型构成如下：

1.数控主板：用于核心控制、运算、存储、伺服控制等。主板集成了PLC功能。

2.PLC板：老型号CNC系统有专用PLC板，用于外围动作控制。新系统的PLC板已经和数控主板集成到一起。

3.I/O板：早期的I/O板用于数控系统和外部的开关信号交换。新型的I/O板集成了显示接口、键盘接口、手轮接口、操作面板接口及各类通讯接口等。

4．MMC板：人机接口板。本身带有CRT、标准键盘、软驱、鼠标、存储卡及串行、并行接口。

5.CRT接口板：用于显示器接口。新系统中，CRT接口被集成到I/O板上。

另外，还提供其他一些可选板卡等。

SIEMENS系统的典型构成，以SIEMMENS 840C为例，包括：

1.中央服务板：用于系统的综合控制。

2.NC-CPU板：用于加工的数字控制。

3.PLC-CPU板：用于代替传统的PLC系统，控制外围动作。

4.MMC-CPU板：用于和外部设备通讯，功能与FANUC的MMC板类似。

5．A/D、D/A板：用于模/数、数/模转换。

根据我们的使用经验，就中国目前的工业环境而言，日本的数控系统性能价格比更具有优势。它们在我们的工厂使用环境中，性能相对更加稳定，而且价格也比较合理。其使用特点也更符合中国人的习惯。

三．执行机构

就象人一样，只有给电脑装上“四肢”，数控系统才能完成实际加工工作。而这里的“四肢”，就是执行机构。

（一）哪些部分属于执行机构

数控机床的执行机构是指把数控系统的加工命令转换为实际加工过程的中间机构，它包括:

1.驱动电路：用于将数控系统的控制指令放大和转化为电动机的激励信号，控制电机的旋转。

2.伺服电机：用于数控设备直线轴和旋转轴的驱动。

数控机床常用的驱动电机有三种，即步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机。

3.由伺服电机驱动的机械机构：如工作台、刀架、主轴及其传动系统等。

4．测量系统：测量伺服轴的实际直线位移和角位移。

（二）对执行机构的要求

数控机床的执行机构必须具备下述特点，才能满足加工过程的精度要求：

1．具备高度的可控制性。

所谓可控制性，亦即执行机构对数控系统给定的速度和位移量的跟踪灵敏度和精度。无论数控系统的给定速度如何变化，执行机构都必须实现快速跟踪。当系统发出位置命令时，执行机构要高精度地到达给定的位置。

可以说，可控制性是数控机床满足加工精度的重要前提。

2．具备良好的抗扰动能力。

执行机构在遇到外界干扰，如负荷、电压等的变化时，必须有强的抗扰动能力，保持相对稳定的速度。否则，就会直接影响加工的表面质量和精度。

3．能很好地适应环境的变化。

无论是机械结构，还是电气系统，都要求对环境的变化，如温度、湿度、灰尘等，具备良好的适应性。为此，机械系统，尤其是传动系统必须有好的刚性和防护，环境变化时变形要小。电气系统的设计则要对各种元件的选择、补偿、防护等予以综合考虑。

当代的数控机床采用了一些新技术，如：高性能的电主轴，使机械机构简化，缩短了传动链；高效传动部件，如直线滚动导轨等。

第四节：位置随动系统

所谓位置随动系统，是指对指定位置指令进行位置动态跟踪的系统。弄清其概念，对数控机床的整体理解是有益的。

一．给定与反馈

给定：是指一个控制系统的指定目标输入信号。对数控机床来讲，它由数控系统给出，由伺服驱动系统处理并执行。

反馈：把控制目标输出量的一部分或全部反送到给定输入端，与给定信号进行比较，形成误差信号e，对输出量进行控制，以消除控制误差。

图1-2：简单的给定与反馈系统图

二．三环位置随动系统

典型的位置随动系统一般都有这样三套反馈系统：位置环、速度环、电流环。这三个反馈环路构成一个稳定的位置控制系统。

（一）三环系统的控制框图

下图给出了数控机床典型的三环系统框图。

图1-3：三环系统框图

图中，转换电路的作用是把速度信号转换为位移信号。

（二）三个环的各自作用

1.位置精度的实现——位置环

处于反馈环路的最外圈，由位置测量器件把测到的实际位置反馈到数控系统，与给定的位置指令进行比较，以实现精确位置跟踪控制。

2．速度波动的控制——速度环

处于三个环路的中间，其任务是测量电机的实际速度，与数控系统的速度给定进行比较，以实现对给定速度的跟踪并抑制波动，达到对速度的精确控制。

3.负荷变化的适应——电流环

电流环是三个环的内环，其作用是通过测量电机的电流变化来间接得到实际加工负载的波动状况，再与电流环给定量进行比较，从而通过调节控制抑制它给速度造成的可能扰动。

三、轨迹控制方式

按运动轨迹可分为点位控制系统、直线切削控制系统与轮廓控制系统三种。

1、点位控制系统

点位控制系统，只是控制机床移动部件从起点到终点的点位置，可以是一个坐标轴或二个坐标轴移动，在移动的过程中不进行切削加工。数控钻床与冲床均属于此类。

2、直线切削控制系统

直线切削控制系统是控制刀具或工作台，以适当的速度按平行于坐标轴的方向直线移动，并在移动的过程中可对工件进行切削加工。

直线切削控制系统可与点位控制系统结合在一起，而成为点位/直线切削控制系统，数控镗床属于此类。

3、轮廓控制系统

轮廓控制系统又称连续切削控制系统，这种控制系统能够对刀具与工件相对移动的轨迹进行连续控制，能够加工曲面、凸轮、锥度等复杂形状的零件。数控车床、铣床、磨床均是采用连续切削的控制系统。

在连续切削控制系统中，按同时控制的相互独立坐标轴的数量又可分为：

⑴ 2轴控制系统

所谓2轴控制系统，即是可对2个连续控制的坐标轴进行同时控制的系统，通常也称为2轴联动系统。

⑵ 2.5轴控制系统

2.5轴控制系统也称2.5轴联动系统，可同时控制的共有3个坐标轴，其中的2个坐标轴是连续控制的，而第3个坐标轴是点位或直线控制的系统。

⑶ 3轴控制系统

3轴控制系统也称3轴联动系统，即是可对3个连续控制的坐标轴进行同时控制的系统。此类设备具备曲面加工能力。

⑶ 4轴控制系统

4轴控制系统也称4轴联动系统，即是可对4个连续控制的坐标轴进行同时控制的系统，其中除了3个直线坐标轴外，还有一个旋转坐标轴。

⑶ 5轴控制系统

5轴控制系统也称5轴联动系统，可同时控制的除了3个平动（直线）的坐标轴外，再加上2个旋转的坐标轴。

5轴联动时，在一次装夹的情况下，可实现任意方向上孔的加工。

四、反馈控制方式

按伺服系统的反馈控制方式可分为开环伺服控制系统、半闭环伺服控制系统与闭环伺服控制系统。

1、开环伺服控制系统

开环伺服控制系统通常采用步进电动机作为工作台的驱动部件，其基本结构如图1—4所示。由图可见，其基本结构由数控装置、伺服放大、步进电动机、机械传动与工作台五大部分构成，其基本工作原理如下：

图1-4：开环伺服控制系统

数控装置输出的进给脉冲，经伺服放大后驱动步进电动机旋转，再经过机械传动装置带动工作台移动。数控装置每发出一个进给脉冲，步进电动机就旋转一个相应的角度（步距角），工作台也就移动一个相应的距离。

开环伺服控制系统没有反馈环节，故精度不高。但由于它的结构简单，造价较低，且调试容易，故广泛的应用于对精度要求不高的经济型数控机床中。

2、半闭环伺服控制系统

半闭环伺服控制系统通常采用伺服电动机作为工作台的驱动部件，其基本结构如图1—5所示。由图可见，其基本结构由数控装置、比较环节、伺服放大、伺服电动机、机械传动、工作台与反馈装置七大部分构成，其基本工作原理为：

图1-5：半闭环伺服控制系统

数控装置输出的进给指令，经比较环节与反馈信号比较后，得到偏差e送入伺服放大环节进行放大，驱动伺服电机旋转，再经过机械传动装置带动工作台移动。在偏差e=0后，伺服电机停止转动，工作台停止在给定的位置上。

半闭环伺服控制系统由于采用了反馈控制，故精度高于开环伺服控制系统，但由于其反馈量取自于伺服电动机的角位移，并不是工作台的实际位移，所以，系统的精度低于闭环伺服控制系统。由于它调试方便，稳定性好，且角位移测量元件简单价廉，也得到了广泛的应用。

3、闭环伺服控制系统

闭环伺服控制系统与半闭环伺服控制系统在结构上的区别，只是反馈点选取的不同，它的反馈点取自于工作台，即反馈装置测量的是工作台的位移，通过反馈装置反馈到比较环节的量值是直线位移，而不是电动机的角位移。它的基本结构如图1—6所示，而其工作原理如下：

图1-6：闭环伺服控制系统

数控装置输出的进给指令，经比较环节与反馈信号比较后，得到偏差e送入伺服放大环节进行放大，驱动伺服电动机旋转，再经过机械传动装置带动工作台移动。直到偏差e=0，伺服电机停止转动，工作台停止在给定的位置上。

闭环伺服控制系统的反馈量是工作台的位置量，故精度取决于反馈装置中的检测元件，所以它的精度高于半闭环伺服控制系统。但闭环伺服控制系统的调试较麻烦，且易产生振荡，故通常均应用于精度要求较高的数控机床之中。