《数控机床电气控制》第七章

机械工业出版社 夏燕兰 编。第一版

数控机床电气控制

第七章 数控系统与伺服驱动系统第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 CNC装置的构成与原理 (课时2) 伺服驱动系统的简介 (课时2) 进给驱动系统(课时4) 主轴驱动系统(课时4) 检测元件(课时4)

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本章重点：(1)了解CNC系统硬件结构及基本原理，正确 理解CNC系统软件功能以及CNC系统工作过程。 (2)了解机床对伺服驱动系统控制要求，熟练 掌握步进电机、进给电机、主轴电机的工作原理、 特性，正确理解交流变频调速控制的工作原理。 (3)熟练掌握光栅、光电编码器和旋转变压器 的原理与应用。

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本章的能力要求:通过本章的学习，要求读者具有正确应用 数控技术及相关设备的能力。

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第一节 CNC装置的构成与原理

一、CNC装置的构成CNC装置由硬件和软件两大部分组成。

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二、CNC装置的硬件结构 1.单微处理器结构单微处理器结构的CNC装置，由于只有一个微 处理器，因此多采用集中控制，分时处理的方式完 成数控的各项任务。 单微处理器结构的CNC装置分为专用型CNC装 置和通用型CNC装置。专用型CNC装置的硬件是由 制造厂专门设计和制造的，因此不具有通用性。通 用型CNC装置指的是采用工业标准计算机(如工业 PC机)构成的CNC装置。

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数控机床电气控制 (1)微处理器和总线 微处理器CPU由运算器及控制器两大部分组 成。运算器对数据进行算术运算和逻辑运算，控制 器则是将存储器中的程序指令进行译码，并向 CNC装置各部分顺序发出执行操作的控制信号， 并且接收执行部件的反馈信息，从而决定下一步的 命令操作。 总线是CPU与各组成部件、接口等之间的信息 公共传输线。总线由地址总线、数据总线和控制总 线三总线组成。

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数控机床电气控制 (2)存储器 CNC装置的存储器包括只读存储器(ROM) 和随机存储器(RAM)两类。 CNC装置的系统程序存放在只读存储器 EPROM之中。零件加工程序、机床参数、刀具参 数等存放在有后备电池的 RAM中，断电后，信息 仍被保留。数控中各种运算的中间结果，需显示的 信息、数据，运行中的状态，标志信息等均放在随 机存储器RAM中，它可以随时读出和写入，断电 后，信息就消失。

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数控机床电气控制 (3)位置控制器 它主要用来控制数控机床各进给坐标轴的位 移量，需要随时把插补运算所得的各坐标位移指 令与实际检测的位置反馈信号进行比较，并结合 有关补偿参数，适时地向各坐标伺服驱动控制单 元发出位置进给指令，使伺服控制单元驱动伺服 电动机运转

。位置控制是一种同时具有位置控制 和速度控制两种功能的反馈控制系统。

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数控机床电气控制 (4)PLC PLC是用来代替传统机床强电的继电器逻辑 控制，利用PLC的逻辑运算功能实现各种开关量 的控制。 (5)MDI/CRT接口 MDI接口即手动数据输入接口，数据通过操 作面板上的键盘输入。CRT接口是在CNC软件配 合下，在显示器上实现字符和图型显示。近年来 已开始出现平板式液晶显示器(LCD)。

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数控机床电气控制 (6)I/O接口 CNC装置与机床之间的来往信号通过I/O接口 电路来传送。 (7)通信接口 该接口用来与外设进行信息传输，如上一级 计算机、其他CNC等。

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2. 多微处理器结构

多微处理器CNC装置多采用模块化结构，每 个微处理器分管各自的任务，形成特定的功能单 元。 多微处理器CNC装置一般采用紧耦合结构 (有集中的操作系统，共享资源)和松耦合结构 (有多重操作系统，可以有效地实现并行处理)。 多微处理器CNC装置具有良好的适应性和扩 展性，且结构紧凑，可使故障对系统的影响降到 最低限度，其运算速度有了很大的提高，因此更 适合于多轴控制、高进给速度、高精度、高效率 的数控要求。

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三、标准型数控系统的软件结构 1. 软件结构特点(1)多任务并行处理 1)CNC系统的多任务性 在许多情况下，管理和控制的某些工作必须同 时进行。在单CPU数控系统中，其软件结构采用前 后台型和中断型的软件结构；而在多CPU数控系统 中，通常是各个CPU分别承担一项任务，然后通过 它们之间相互通信、协调工作来完成控制。 2)CNC系统的多任务并行处理 并行处理是指计算机在同一时刻完成两种或两 种以上性质相同或不相同的工作。

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数控机床电气控制 (2)实时中断处理 1)前、后台软件结构的中断模式 前台程序是一个实时中断服务程序，它完成 全部的实时功能，如插补、位置控制等；而后台 程序即背景程序，其实质是一个循环运行程序， 它完成管理及插补准备等功能。 2)中断型软件结构的中断模式 除了初始化程序之外，系统软件中所有任务 模块均被安排在不同级别的中断服务程序中。

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2. CNC系统软件的工作过程(1)输入CNC系统中的零件加工程序，一般是通 过键盘、磁盘或纸带阅读机等方式输入的。 (2)译码译码就是将输入的零件程序翻译成本系 统所能识别的语言。 (3)数据处理 数据处理即预计算，通常包括刀 具长度补偿、刀具半径补偿、反向间隙补偿、丝 杠螺距补偿、进给速度换算和机床辅助功能处理 等。

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数控机床电气控制 (4)插补运算 在实际的CNC系

统中，常采用软件粗插补， 硬件精插补。 (5)位置控制 将插补计算的指令位置与实际反馈位置相比 较，用其差值去控制伺服电动机。 (6)输出 完成伺服控制，反向间隙、丝杠螺距补偿处 理及M、S、T辅助功能，还完成CNC与PLC之间 的I/O信号处理。 (7)管理与诊断 主要包括CPU管理与外设管理。

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第二节 伺服驱动系统的简介 一、数控机床对驱动装置的要求 1. 对主轴驱动的要求(1)主轴输出大功率 为了满足生产率的要求，通常主传动电机应 有2.5~250kW的功率范围，因此，对功率驱动电路 提出了更高的要求。 (2)调速范围要足够大 一般要求如能在(1:100)~(1:1000)范 围内进行恒转矩调速，1:10范围内进行恒功率调 速，并能实现四象限驱动功能。

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数控机床电气控制 (3)控制功能 1)主轴与进给驱动的同步控制 2)准停控制(便于自动换刀) 3)角度分度控制 (“C”轴控制) 主轴电机应具备以下性能： 1)电机功率要大，且在大的调速范围内速度要 稳定，恒功率调速范围宽； 2)在断续负载下电机转速波动要小； 3)加速、减速时间短； 4)温升低，噪声小，振动小，可靠性高，寿命 长，易维护，体积小，重量轻； 5)电机过载能力强。

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