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1、毕业设计说明书 基于西门子802C数控系统开发数控车床实训台07020434555机械工程与自动化学院XXX学生姓名： 学号： 机械电子工程学 院： XXX专 业： 指导教师： 2011年 5 月基于西门子802C数控系统开发数控车床实训台摘 要随着科学技术的不断进步设社会生产力的不断断发展，以数控技术为基础的先进制造技术正以较快的速度逐步取代传统的机械制造技术 ,这已成为当今机械制造技术发展的趋势。数控机床在制造业中的大量应用 ,使社会对能熟练掌握数控机床的操作 ,编程及维修的工程应用人才的需求量越来越大 。近年来各院校相应开出的数控专业 ,便从教育的层面上反映出社会的这种需求。然而这也向我
2、们提出了数控教学如何培养适应工程应用的数控人才的问题 。数控人才的培养离不开实践操作，而现今真正投入生产的数控设备价格一般都很昂贵，因此研究和开发一套用于经济适用的数控仿真实训台就变得很有必要。本设计是基于西门子公司的SINUMERIK 802C数控车床实训台开发设计，首先应了解和掌握了西门子802C数控系统的结构、工作原理、控制方式等知识后根据它配备伺服系统、主轴控制系统和辅助运动控制系统，通过查阅资料对车床实训台的硬件进行选择，了解各个模块的工作原理，并设计外部硬件线路，最终设计出能完成演示主轴控制、进给运动控制、辅助装置控制等功能，符合学校教学实际需求的专用实验设备。不仅可作为数控车床电
3、气故障的维修实训设备，也可作为数控车床的实际加工操作实训设备。该装置可以使学生掌握数控车床系统控制原理、电气设计方法、元器件的选择、车床电气安装及调试、故障诊断维修、零件程序编制及图形模拟加工过程等多项实验内容，达到工业生产现场实习效果。操作过程与实际生产接轨，而且经济实用，不仅解决了学员培训费用高的问题，而且更能体现仿真操作的真实性，使教学效果得到明显提高。关键词：数控系统，车床，伺服系统，控制Based on simens 802C CNC system development training sets CNC latheAbstract：With the continuous prog
4、ress of science and technology set ever-breaking development of social productive forces，advanced manufacturing technology is based on the numerical control technology at a faster rate gradually replaced the traditional mechanical manufacturing technology，which has become the trend of mechanical man
5、ufacturing technology developmentCNC machine tool used in manufacturing industry, enabling the community to skilled in CNC machine tool operation，programming and maintenance of engineering application talents demand is growingIn recent years the institutions appropriate to write NC professional，from
6、 the level of education reflects this demand of the communityBut it also put forward to us how the teaching of numerical control training project on the application of numerical control talentsCNC talents training cannot be separated from practice，and today the real production of CNC equipment price
7、s are generally very expensive，so research and development of a system for economical numerical control imitating real training will become necessaryThis design is based on Siemens company of SINUMERIK 802C NC lathe real training Taiwan development design，first should has solutions and master has Si
8、emens 802C NC system of structure，and work principle, and control way, knowledge Hou under it equipped with servo system，and spindle control system and secondary movement control system，by inspection information on lathe real training Taiwan of hardware for select，understanding each module of work p
9、rinciple，and design external hardware line，eventually design out can completed demonstrates spindle control，and into to movement control，and secondary device control，function，meet school teaching actual demand of dedicated experimental deviceNot only can be used as electrical faults of NC lathe repa
10、ir training equipment，or as actual machining of numerical control lathe operation training devicesThe appliance can make students master the electrical design of NC lathe system control theory，methods，components selection，lathe of fault diagnosis of electrical installation and commissioning，maintena
11、nce，programming and graphic simulation of machining process of parts and many other experimental content，reach industrial production practiceProcedure into line with actual production，and economical and practical，not only solve the problem of the high cost of training，but also to reflect the authent
12、icity of the simulation operation，for teaching to be improved significantlyKeyword：Nc system，Lathe，Servo system，Control 目 录1 绪论111 机床的产生与发展11.1.1 机床的产生11.1.2 机床的发展112 我国数控机床的发展现状及前景213 本课题的研究背景及意义32 西门子802C数控系统的介绍521 西门子802C数控系统概述522 西门子802C数控系统的组成52.2.1 基本面板52.2.2 NC键盘区62.2.3 机床控制面板72.2.4 LCD显示区92.
13、2.5 主要软件功能103 数控车床实训台的性能要求1231 数控机床的工作原理及组成123.1.1 数控机床的工作原理123.1.2 数控机床的组成1332 数控车床的特点163.2.1 数控机床的结构特点163.2.2 数控机床的加工特点1633 数控车床实训台的设计要求173.3.1 数控机床实训台的控制功能173.3.2 数控机床实训台的操作功能173.3.3 数控机床实训台的诊断功能183.3.4 数控机床实训台的基本配置183.3.5 数控机床实训台的要达到的实训项目184 数控车床实训台硬件系统实现1941 数控车床实训台硬件系统的设计原则1942 数控车床实训台硬件系统的硬件选
14、择194.2.1 伺服驱动器的选择194.2.2 变频器的选择214.2.3 进给轴伺服电机的选择224.2.4 主轴电机的选择234.2.5 实训台必需的其他组件244.3 实训台的硬件的连接254.3.1 系统概述254.3.2 系统的接线254.3.3 电源模块304.3.4 伺服模块314.3.5 主轴模块334.3.6 PLC与自动换刀控制355 实训台的操作3751 实训台基本操作375.1.1 安全上电操作375.1.2 NC的启动方式385.1.3 数据保护395.1.4 报警诊断395.1.5 口令设定操作395.1.6 内部数据存储操作405.1.7 NC启动操作4052
15、进给驱动单元的调试与应用415.2.1 伺服电机的工作原理和特点415.2.2 实训台进给模块介绍415.2.3 系统相关参数说明4353 主轴变频器的调试与应用435.3.1 变频器说明书的有关内容435.3.2 主轴参数设置及变频器的部分操作演示456 结论48参 考 文 献49致 谢501 绪论11 机床的产生与发展1.1.1 机床的产生随着科技的不断发展，对各种产品的质量和生产效率提出了高要求。产品加工过程的自动化是实现高质量、高效率的重要措施。飞机、汽车等生产企业大多采用自动机床、组合机床和自动生产线，从而保证了产品质量，提高了生产效率和减轻了操作者的劳动强度。但是在产品加工中，单件
16、、小批量生产的零件约占总量的80%以上。对这些多品种、小批量、形状复杂。精度要求高的零件的加工，采用专业程度高的自动机床和自动生产线就很不合适。在市场经济的大潮中，产品竞争日趋激烈，为求得生存与发展，各企业纷纷在提高产品的技术档次、增加产品种类、缩短试制与生产周期和提高产品质量上下功夫，即使批量较大的产品，也不大可能多年不变，必须经常开发新产品，频繁地更新换代。传统的自动化生产线难以适应小批量、多品种的生产要求。为了解决上述问题，一种灵活、高精度、高效率的自动化设备数控机床应运而生。1952年美国帕森斯公司和麻省理工学院在美空军的委托下，合作研制了世界上第一台三坐标数控铣床，完成了直升飞机叶片
17、轮廓检查用样板的加工。这是一台采用专用计算机进行运算与控制的直线插补轮廓控制铣床。经过三年的试用、改造与提高，数控机床于1955年进入实用化阶段，在复杂曲面的加工中发挥了重要的作用。尽管这种初期数控机床采用电子管和分立元件硬接线电路来进行运算和控制，提及庞大而功能单一，但它采用了先进的数字控制技术，具有强大的生命力，它的出现开辟了工业生产技术的新纪元。从此，数控机床在全世界得到了迅速发展。1.1.2 机床的发展最早采用数字控制技术进行机械几个的想法是在20世纪40年代初提出的。当时，美国北密执安的一个小型飞机工业承包商帕森斯公司在制造飞机框架及直升飞机叶片轮廓用样板时，利用计算机对叶片轮廓的加
18、工路径进行了数据处理，并考虑了刀具半径对加工路径的影响，使得加工精度达到了0.0015mm。1952年，美国麻省理工学院研制出的三坐标联动利用脉冲乘法器原理的试验性数字控制系统是数控机床的第一代。1959年，电子行业研制出晶体管元件，因而控制系统中广泛采用晶体管和印刷电路板技术，跨入第二代。1959年3月，由美国耐杜列克公司发明了带有自动换刀装置的数控机床，成为“加工中心”。1960年，出现了小规模集成电路，由于其体积小、功耗低，使数控系统的可靠性进一步提高，数控系统发展到第三代。以上三代都是采用专业控制的硬件逻辑数控系统，也称NC系统。1967年，英国首先把几台数控机床连接成具有柔性的加工系
19、统，这就是最初的FS（Flexible Manufacturer System）柔性制造系统。随着计算机技术的发展，小型计算机开始取代专业控制的硬件逻辑数控系统（NC），数控的许多功能由软件程序实现。由计算机作控制单元的数控系统（CNC），称为第四代。1970年前后，美国英特尔公司开发和使用了微处理器。1974年，美、日等国首先研制出以微处理器为核心的数控系统的数控机床。20多年来，微处理器数控系统得到了飞速发展和广泛应用，这就是第五代数控（MNC），然而后来也将MNC也成为CNC。20世纪80年代初，国际上又出现了柔性制造单元FMC。FMC和FMS被认为是实现计算机集成制造系统CIMS的基础
20、。数字控制系统的许多优点使数控机床得到了广泛发展，数控技术还被广泛应用于工业机器人、数控切割机、数控火花切割机、坐标测量机、绘图仪等设备上。12 我国数控机床的发展现状及前景随着电子信息技术的发展，世界机床业已进入了以数字化制造技术为核心的机电一体化时代，其中数控机床就是代表产品之一。数控机床是制造业的加工母机和国民经济的重要基础。它为国民经济各个部门提供装备和手段，具有无限放大的经济与社会效应。目前，欧、美、日等工业化国家已先后完成了数控机床产业化进程，而中国从20世纪80年代开始起步，仍处于发展阶段。 “十五”期间，中国数控机床行业实现了超高速发展。其产量2001年为17521台，2002
21、年24803台，2003年36813台，2004年51861台，2004年产量是2000年的3.7倍，平均年增长39；2005年国产数控机床产量59639台，接近6万台大关，是“九五”末期的4.24倍。“十五”期间，中国机床行业发展迅猛的主要原因是市场需求旺盛。固定资产投资增速快、汽车和机械制造行业发展迅猛、外商投资企业增长速度加快所致。 2006年，中国数控金切机床产量达到85756台，同比增长32.8%，增幅高于金切机床产量增幅18.4个百分点，进而使金切机床产值数控化率达到37.8%，同比增加2.3个百分点。此外，数控机床在外贸出口方面亦业绩骄人，全年实现出口额3.34亿美元，同比增长6
22、3.14%，高于全部金属加工机床出口额增幅18.58个百分点。 2007年，中国数控金切机床产量达123,257台，数控金属成形机床产量达3,011台；国产数控机床拥有量约50万台，进口约20万台。 2008年10月，中国数控机床产量达105,780台，比2007年同比增长2.96。 长期以来，国产数控机床始终处于低档迅速膨胀，中档进展缓慢，高档依靠进口的局面，特别是国家重点工程需要的关键设备主要依靠进口，技术受制于人。究其原因，国内本土数控机床企业大多处于“粗放型”阶段，在产品设计水平、质量、精度、性能等方面与国外先进水平相比落后了5-10年；在高、精、尖技术方面的差距则达到了10-15年。
23、同时中国在应用技术及技术集成方面的能力也还比较低，相关的技术规范和标准的研究制定相对滞后，国产的数控机床还没有形成品牌效应。同时，中国的数控机床产业目前还缺少完善的技术培训、服务网络等支撑体系，市场营销能力和经营管理水平也不高。更重要原因是缺乏自主创新能力，完全拥有自主知识产权的数控系统少之又少，制约了数控机床产业的发展。 国外公司在中国数控系统销量中的80以上是普及型数控系统。如果我们能在普及型数控系统产品快速产业化上取得突破，中国数控系统产业就有望从根本上实现战略反击。同时，还要建立起比较完备的高档数控系统的自主创新体系，提高中国的自主设计、开发和成套生产能力，创建国产自主品牌产品，提高中
24、国高档数控系统总体技术水平。“十二五”期间，中国数控机床产业将步入快速发展期，中国数控机床行业面临千载难逢的大好发展机遇，根据中国数控车床以往消费数量，通过模型拟合，预计到2015年数控车床销售数量将达18万台，年均增长率为达16%以上。在技术方面也将得到大幅度提高，现在国外的部分技术垄断现象也将得到有效缓解，真正意义上实现从“中国制造”到“中国创造”的转型。13 本课题的研究背景及意义随着科学技术的不断进步设社会生产力的不断断发展，以数控技术为基础的先进制造技术正以较快的速度逐步取代传统的机械制造技术 ,这已成为当今机械制造技术发展的趋势。数控机床在制造业中的大量应用 ,使社会对能熟练掌握数
25、控机床的操作 ,编程及维修的工程应用人才的需求量越来越大 。近年来各院校相应开出的数控专业 ,便从教育的层面上反映出社会的这种需求。然而这也向我们提出了数控教学如何培养适应工程应用的数控人才的问题 。数控人才的培养离不开实践操作，而现今真正投入生产的数控设备价格一般都很昂贵，因此研究和开发一套用于经济适用的数控仿真实训台就变得很有必要。基于西门子802C数控系统开发的数控车床实训台不仅可作为数控车床电气故障的维修实训设备，也可作为数控车床的实际加工操作实训设备。该装置可以使学生掌握数控车床系统控制原理、电气设计方法、元器件的选择、车床电气安装及调试、故障诊断维修、零件程序编制及图形模拟加工过程
26、等多项实验内容，达到工业生产现场实习效果。该装置采用开放式结构、模块化设计，既可用于教学、也可用于课程设计、毕业设计和实训，有利于提高学生设计数控机床电气控制系统、诊断数控设备故障的能力，使受训对象最大限度地适应和满足市场需求。该装置也可以帮助科研技术人员进一步了解数控铣床结构，同时也为技术人员进行数控车床系统的二次开发提供了必要条件。操作过程与实际生产接轨，而且经济实用，不仅解决了学员培训费用高的问题，而且更能体现仿真操作的真实性，使教学效果得到明显提高。2 西门子802C数控系统的介绍21 西门子802C数控系统概述SINUMERIK 802C base line是在SINUMERIK 8
27、02C基础上新开发的全功能说控系统，它可以控制2到3个伺服电机进给轴和一个伺服主轴或变频主轴，连接SIMODRIVE 611U或SIMODRIVE base line.当系统匹配SIMODRIVE 611U或SIMODRIVE base line时连接1FK7系统伺服电机。它主要由：CNC控制器、驱动器和电机、电缆这三大部分组成。它具有结构紧凑，高度集成于一体的数控单元，操作面板，机床操作面板和输入输出单元机床调试配置数据少，系统与机床匹配更快速、更容易简单而友好的编程界面，保证了生产的快速进行，优化了机床的使用西门子802C base line集成了所有的CNC、PLC、HMI、IO于一身可
28、独立于其他部件进行安装等优点。正如下图1-1所示，西门子802C数控系统在西门子公司数控系统产品中拥有高性能、低价位的特性，一直以来备受人们的青睐。图1-1 西门子公司数控系统产品结构22 西门子802C数控系统的组成2.2.1 基本面板西门子802C系统具有独立的操作面板及 N C部分，其显著的特点是结构紧凑，机床调试配置数据少，系统与机床匹配更快速、更容易，简单而友好的编程界面保证了生产的快速进行，优化了机床的使用。SIEMENS 802C 数控系统的操作面板可分为三个区：LCD显示区、NC键盘区、机床控制面板（MCP）区。见图2-1。图2-1 802C操作面板2.2.2 NC键盘区 图2
29、-2 NC键盘区各功能键说明：1）加工显示键：按此键后，屏幕立即回到加工显示的画面，在此可以看到当前各轴的工作状态。2）返回键：返回到上一级菜单。3）软键：在不同的屏幕状态下，操作对应的软键，可以执行相应的操作。4）删除/退格键：在程序编辑画面时，按此键删除（退格）清除前一字符。5）报警应答键：报警出现时，按此键可以消除报警（取决于报警级别）。6）光标向上键/向上翻页（上档）键。7）菜单扩展键：进入同一级的其他菜单画面。8）区域转换键：按此键后立即回到主界面。9）垂直菜单键：在某些特殊画面，按此键可垂直显示选项。10）光标向右键。11）光标向下键/向下翻页（上档）键。12）回车/输入键：按此键
30、确认所输入的参数或换行。13）选择/切换键：在设定参数时，按此键可以选择或转换参数。14）空格键：在编辑程序时，按此键插入空格。15）光标向左键。16）字符键：用于字符输入，上档键可转换对应字符。17）上档键：按数字键或字符键时，同时按此键可使数字/字符的左上角字符生效。18）数字键：用于数字输入。2.2.3 机床控制面板各按键功能说明：基本功能区：1）POK（绿灯）：电源上电，灯亮表示电源正常供电。2）ERR（红灯）：系统故障，此灯亮表示CNC出现故障。3）DIA（黄灯）：诊断。该灯显示不同的诊断状态，正常状态时闪烁频率为1：14）急停开关5）K1K12用户自定义键（带LED）：用户可以编写
31、PLC程序进行键的定义。 图2-3 机床控制面板区运行方式键：6）增量选择键：在JOG方式（手动运行方式）下，按此键可以进行增量方式的选择，范围为：1，10，100，1000。7）点动方式键：按此键切换到手动方式。8）回参考点键：在此方式下运行回参考点。9）自动方式键：按此键切换到自动加工方式，按照加工程序自动运行。10）单段运行键：按此键设定单段方式，程序按单段运行。11）手动数据键：在此方式下手动编写程序，然后自动执行。主轴键：12）主轴正转键：按此键，主轴正方向旋转。13）主轴停止键：按此键，主轴停止转动。14）主轴反转键：按此键，主轴反方向旋转。倍率键：15）进给轴倍率增加键（带LED
32、）：按动此键，进给轴倍率增大。当进给轴倍率大于100%时LED亮，达到120%时（最大）LED闪烁。16）主轴倍率增加键（带LED）：按动此键，主轴倍率增大。当主轴倍率大于100%时LED亮，达到120%时（最大）LED闪烁。17）进给轴倍率100%键：按此键大于系统所设定的时间值（缺省值为1.5秒）时，进给轴倍率直接变为100%。18）主轴倍率100%键：按此键大于系统所设定的时间值（缺省值为1.5秒）时，主轴倍率直接变为100%。19）进给轴倍率减少键（带LED）：按动此键，进给轴倍率减少。按此键大于系统所设定的时间值（缺省值为1.5秒）时，进给轴倍率直接变为0%。进给轴倍率在0%-100
33、%时LED灯亮，降为0%时（最小）LED闪烁。20）主轴倍率减少键（带LED）：按动此键，主轴倍率减少。按此键大于系统所设定的时间值（缺省值为1.5秒）时，进给轴倍率直接变为50%。进给轴倍率在50%-100%时LED灯亮，降为50%时（最小）LED闪烁。点动键：21）X轴正向点动键：在手动方式下按动此键，X轴向正方向点动。22）Z轴正向点动键：在手动方式下按动此键，Z轴向正方向点动。23）快速运行叠加键：在手动方式下，同时按此键和一个坐标轴点动键，坐标轴按快速进给速度点动。24）Z轴负向点动键：在手动方式下按动此键，Z轴向负方向点动。25）X轴负向点动键：在手动方式下按动此键，X轴向负方向点
34、动。启动/停止键：26）复位键：按此键，系统复位，当前程序中断执行并退出。27）数控停止键：按此键，当前执行的程序中断执行。28）数控启动键：按此键，系统开始执行加工程序。2.2.4 LCD显示区如图2-4所示，LCD显示区是整个数控系统的显示窗口，具体说明如下：1）当前操作区域：加工、参数、程序、通讯、诊断。通过主菜单不同的软键进行操作。图2-4 LCD显示屏幕划分2）程序状态：程序停止；程序运行；程序复位。3）运行方式：点动方式、自动方式、MDA方式。4）状态显示：程序段跳跃、空运行、快速修调、单段运行、程序停止、程序测试、步进增量。5）操作信息。6）程序名。7）报警显示行：在NC或PLC
35、报警时显示报警信息。8）工作窗口：工作窗口和NC显示。9）返回键：软键菜单中出现此符号时，表明存在上一级菜单，按下返回键后不存储数据直接回到上一级。10）扩展键：出现此符号表明同级菜单中存在其它菜单，按下扩展键后可以选择这些功能。11）软键。12）垂直菜单：出现此符号时表明存在其它菜单功能，按下垂直菜单键后，这些菜单显示在屏幕上，并可用光标进行选择。13）进给轴速度倍率：在此显示当前进给轴的速度倍率。14）齿轮级：在此显示当前主轴的齿轮级。15）主轴速度倍率：在此显示当前主轴的速度倍率。2.2.5 主要软件功能数控系统根据计算机存储器中存储的控制程序，执行部分或全部数值控制功能，并配有接口电路
36、和伺服驱动装置的专用计算机系统。通过利用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制，它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和开关量。CNC系统的核心是CNC装置。由于使用了计算机，系统具有了软件功能，又用PLC代替了传统的机床电器逻辑控制装置，使系统更小巧，其灵活性、通用性、可靠性更好，易于实现复杂的数控功能，使用、维护也方便，并具有与上位机连接及进行远程通信的等功能。数控系统的通过软件功能来更好的弥补数控机床硬件所不能直接完成的控制。SINUMERIK 802C 系统主要的软件功能可分为加工、参数、程序、通信和诊断五个五个操作区域（图2-5）。在主菜单下可通过所对应的软
37、件进入各操作区域的子菜单、扩展菜单，如图2-6是SINUMERIK 802C系统的主要软件功能菜单项。手动控制 执行零件程序加工具、零偏参数设定机床、刀参数程序编辑零件序程序输出数据输入与输出序通信断与服务调试调用诊断诊断图2-5 SINUMERIK 802C 系统软件功能操作区域图2-6 SINUMERIK 802C 系统的主要软件功能菜单3 数控车床实训台的性能要求31 数控机床的工作原理及组成3.1.1 数控机床的工作原理数控机床是采用了数控技术的机床，它是用数字信号控制机床运动及其加工过程。具体地说，将刀具移动轨迹等加工信息用数字化的代码记录在程序介质上，然后输入数控系统，经过译码、运
38、算，发出指令，自动控制机床上的刀具与工件之间的相对运动，从而加工出形状、尺寸与精度符合要求的零件，其工作过程如下：零件图纸程序设计编写程序单穿孔制带数控制带伺服系统机床加工零件成品图 3-1 数控机床加工工作过程（1）数控机床的运动轨迹数控机床运动轨迹主要有三种形式：点位控制运动、直线控制运动和连续控制运动。1）点位控制运动。点位控制运动指刀具相对工件的点定位，一般对刀具运动轨迹无特殊要求，为提高生产效率和保证定位精度，机床设定快速进给，临近终点时自动降速，从而减少运动部件因惯性而引起的定位误差。2）直线控制运动。直线控制运动指刀具或工作台以给定的速度按直线运动。3）连续控制运动。连续控制运动
39、也称为轮廓控制运动，指刀具或工作台按工件的轮廓轨迹运动，运动轨迹为任意方向的直线、圆弧、抛物线或其它函数关系的曲线。这种数控系统有一个轨迹插补器，根据运动轨迹和速度精确计算并控制各个伺服电机沿轨迹运动。（2）进给伺服系统控制由数控装置发出脉冲或电压信号，通过伺服系统控制机床各运动部件运动。数控机床按进给伺服系统控制方式分类有三种形式：开环控制系统、闭环控制系统和半闭环控制系统。1）开环控制系统。这种控制系统采用步进电机，无位置测量元件nc.qoos.ipi，输入数据经过数控系统运算，输出指令脉冲控制步进电机工作，如图3-2所示，这种控制方式对执行机构不检测，无反馈控制信号www.SOOQ.cn
40、，因此称之为开环控制系统。开环控制系统的设备成本低，调试方便，操作简单，但控制精度低，工作速度受到步进电机的限制。 图3-2 开环控制系统2）闭环控制系统。这种控制系统绝大多数采用伺服电机MMS，有位置测量元件和位置比较电路。如图3-3所示，测量元件安装在工作台上，测出工作台的实际位移值反馈给数控装置。位置比较电路将测量元件反馈的工作台实际位移值与指令的位移值相比较，用比较的误差值控制伺服电机工作，直至到达实际位置汉阳科技版权所有，误差值消除，此称之为闭环控制。闭环控制系统的控制精度高，但要求机床的刚性好，对机床的加工、装配要求高，调试较复杂工业自动化网，而且设备的成本高。 图3-3 闭环控制
41、系统3）半闭环控制系统。这类数控系统采用角位移检测装置，该装置直接装在伺服电机或滚珠丝杠端部，用检测伺服电机或滚珠丝杠的角位移。推算出工作台的位移量，反馈到CNC装置的比较器中。与程序指令值进行比较，用差值进行控制知道差值为零。这种用推算方法间接测量工作台位移，不能补偿数控机床传动链零件的误差，因此称之为半闭环控制系统。半闭环控制系统的控制精度高于开环控制系统，调试比闭环控制系统容易，设备的成本介于开环与闭环控制系统之间。 图3-4 半闭环控制系统3.1.2 数控机床的组成数控机床一般由输入输出设备、数控装置(CNC)、伺服单元、驱动装置(或称执行机构)、可编程控制器(PLC)及电气控制装置、
42、辅助装置、机床本体及测量装置组成。图3-5是数控机床的硬件构成。CNC系统控制面板PLC主轴伺服单元主轴驱动装置电器回路辅助装置进给伺服单元进给驱动装置测量装置 CNC装置 输入/输出装置机 床 本 体图3-5数控机床的硬件构成（1）输入和输出装置 （I/O）输入和输出装置是机床数控系统和操作人员进行信息交流、实现人机对话的交互设备输入装置的作用是将程序载体上的数控代码变成相应的电脉冲信号，传送并存入数控装置内。目前，数控机床的输入装置有键盘、磁盘驱动器、光电阅读机等，其相应的程序载体为磁盘、穿孔纸带。输出装置是显示器，有CRT显示器或彩色液晶显示器两种。输出装置的作用是：数控系统通过显示器为
43、操作人员提供必要的信息。显示的信息可以是正在编辑的程序、坐标值，以及报警信号等。（2）数控装置(CNC装置)数控装置是计算机数控系统的核心，是由硬件和软件两部分组成的。它接受的是输入装置送来的脉冲信号，信号经过数控装置的系统软件或逻辑电路进行编译、运算和逻辑处理后，输出各种信号和指令，控制机床的各个部分，使其进行规定的、有序的动作。这些控制信号中最基本的信号是各坐标轴(即作进给运动的各执行部件)的进给速度、进给方向和位移量指令(送到伺服驱动系统驱动执行部件作进给运动)，还有主轴的变速、换向和启停信号，选择和交换刀具的刀具指令信号，控制切削液、润滑油启停、工件和机床部件松开、夹紧、分度工作和转位
44、的辅助指令信号等。数控装置主要包括微处理器(CPU)、存储器、局部总线、外围逻辑电路以及与CNC系统其他组成部分联系的接口等。（3）可编程逻辑控制器(PLC)数控机床通过CNC和PLC共同完成控制功能，其中CNC主要完成与数字运算和管理等有关的功能，如零件程序的编辑、插补运算、译码、刀具运动的位置伺服控制等；而PLC主要完成与逻辑运算有关的一些动作，它接收CNC的控制代码M(辅助功能)、S(主轴转速)、T(选刀、换刀)等开关量动作信息，对开关量动作信息进行译码，转换成对应的控制信号，控制辅助装置完成机床相应的开关动作，如工件的装夹、刀具的更换、切削液的开关等一些辅助动作。它还接收机床操作面板的
45、指令，一方面直接控制机床的动作(如手动操作机床)，另一方面将一部分指令送往数控装置用于加工过程的控制。在FANUC系统中专门用于控制机床的PLC，记作PMC，称为可编程机床控制器。（4）伺服单元伺服单元接收来自数控装置的速度和位移指令。这些指令经伺服单元变换和放大后，通过驱动装置转变成机床进给运动的速度、方向和位移。因此，伺服单元是数控装置与机床本体的联系环节，它把来自数控装置的微弱指令信号放大成控制驱动装置的大功率信号。伺服单元分为主轴单元和进给单元等，伺服单元就其系统而言又有开环系统、半闭环系统和闭环系统之分。（5）驱动装置驱动装置把经过伺服单元放大的指令信号变为机械运动，通过机械连接部件
46、驱动机床工作台，使工作台精确定位或按规定的轨迹作严格的相对运动，加工出形状、尺寸与精度符合要求的零件。目前常用的驱动装置有直流伺服电动机和交流伺服电动机，且交流伺服电动机正逐渐取代直流伺服电动机。伺服单元和驱动装置合称为伺服驱动系统，它是机床工作的动力装置，计算机数控装置的指令要靠伺服驱动系统付渚实施，伺服驱动装置包括主轴驱动单元(主要控制主轴的速度)，进给驱动单元(主要是进给系统的速度控制和位置控制)。伺服驱动系统是数控机床的重要组成部分。从某种意义上说，数控机床的功能主要取决于数控装置，而数控机床的性能主要取决于伺服驱动系统。 （6）机床本体机床本体即数控机床的机械部件，包括主运动部件、进给运动执行部件(工作台、拖板)32 数控车床的特点3.2.1 数控机床的结构特点（1）传动链短。沿纵、横两个坐标轴方向的运动是通过用伺服电动机直接与滚珠丝杠联结带动刀架运
