CPV考试辅导数控机床及工业机器人讲义-1-
本讲是机电评估基础的第七讲，讲述教材第四章数控机床及机器人的内容。本讲的内容主要包括数控机床组成、分类、优点和cnc装置的硬件、软件基本内容。该部分的内容今年变化比较大，
2000. 22.下列机床中,( d )是采用点位控制的数控机床。
a.数控车床
b.数控铣床
c.数控磨床
d.数控钻床
2000. 64.当生产类型为大量生产时,应选择( bcde )。
a.通用机床
b.专用机床
c.组合机床
d.自动机床
e.生产自动线
2000.65.数控机床的特点是操作灵活方便,特别适用于多品种( ab )轴类、套类、盘类零件的加工。
a.小批量
b.中批量
c.大批量
d.大量
e.任何批量
2001. 19.在下列叙述中,( b )的说法是不正确的。
a.plc是一种工业控制计算机
b.plc程序中不可包含用高级语言写的程序
c.plc系统配置灵活
d.plc系统构成简单
2001.综合题(四)试述计算机控制系统与一般计算机系统的区别。（今年教材没特别指明）
2002.16.下列叙述中,有关plc和工业pc机的说法不正确的是(b )。
a.都可以用于设备、过程的自动控制和过程监控
b.都具有丰富的软件,都可以采用面向过程的语言编程
c.都具有完善的输入、输出通道
d.都可以具有网络通信功能
2002. 22.计算机数控系统的核心是cnc装置,cnc装置的基本控制流程是(d )。
a.输入→译码,预处理→插补→位置控制→电机
b.输入→译码,预处理→位置控制→插补→电机
c.输入→预处理,译码→插补→位置控制→电机
d.输入→预处理,译码→位置控制→插补→电机
2002.综合题(一)试述数控机床中开环、闭环与半闭环伺服系统的组成、控制原理和应用特点。
答案：(一)
开环伺服系统由步进电动机驱动线路和步进电动机组成。数控装置根据输入指令,经过运算发出脉冲指令给步进电动机驱动线路,从而驱动工作台移动一定距离。这种伺服系统比较简单,工作稳定,容易掌握使用,但精度和速度的提高受到限制,现只用于经济型数控机床。
闭环伺服系统由比较线路、伺服放大线路、伺服电动机、速度检测器和装在工作台上的位置检测器组成。这种系统对工作台实际位移量进行自动检测并与指令值进行比较,用差值进行控制。这种系统定位精度高,但系统复杂,调试、维修较困难,价格较贵,常用于高精度和大型数控机床。
半闭环伺服系统的工作原理和组成与闭环伺服系统相似,只是位置检测器不装在工作台上,而是装在伺服电动机的轴上。这种伺服系统所能达到的精度、速度和动态特性优于开环伺服系统,其复杂性低于闭环伺服系统,为大多数中小型数控机床所采用。
大家主要从以下几个方面掌握本章：
1、基本概念
2、组成，工作原理
3、特点
一、数控机床
基本概念
1、数字控制（nc）：用数字化信息（数字量及字符）发出指令并实现自动控制的技术。
2、计算机控制（cnc）：用计算机实现部分或全部基本数控功能。
3、数字控制系统：采用数字控制技术的自动控制系统。
4、计算机控制系统：采用计算机控制技术的自动控制系统。
5、数控机床：具有高附加值的技术密集型产品，它集机械制造、计算机、微电子、现代控制及精密测量等多种技术于一体，实现了高度的机电一体化。
（一）、数控机床的组成
数控机床的组成：参见教材p177的图4-1，它包括：cnc系统、机床主机（还有辅助装置）
1、cnc系统（计算机控制系统）
（1）、cnc系统的组成：cnc系统由程序、输入输出设备、cnc装置、主轴及进给驱动装置组成。
数控机床是按预先编好的零件加工程序进行自动加工的。零件加工程序是cnc系统的重要组成部分。
i/o设备主要用于零件加工程序的编制、存储、打印、显示等。具体包含的内容看一下教材p177
cnc装置是cnc系统的核心部件，由计算机（软、硬件）、可编程控制器（plc）、接口电路三部分组成。
主轴装置用于控制主轴的旋转运动，实现在宽范围内速度连续可调，并在每种速度下都能提供切削所需要的功率。
进给装置用于控制机床各个坐标轴的切削进给运动，提供切削过程中所需要的扭矩，并可以任意调节运动速度。再配以位置控制系统，可实现对工作台（或刀具）位置的精确控制。
驱动装置：由驱动部件和速度控制单元组成。
①、主轴驱动装置的驱动部件由直流或交流主轴电机和速度检测元件组成
②、进给驱动装置的驱动部件由功率步进电动机（多用于经济型数控机床）、或交、直流伺服电动机与速度检测元件组成
（2）cnc系统的基本功能
cnc系统是一种位置控制系统。其基本功能有三个：输入、插补、伺服控制
①、输入：零件加工程序及各种参数的输入
②、插补：根据给定的数学函数如线性函数等，在理想的轨迹或轮廓上的已知点之间，确定一些中间点的一种方法。
cnc系统的插补功能主要由软件完成。目前主要有脉冲增量法和数字增量法。
a、脉冲增量法：其特点是每次插补运算结束产生一个脉冲。输出脉冲的最大速率取决于执行一次插补运算所需要的时间。该方法适用于步进电动机驱动的开环cnc系统，进给速度比较低。
b、数字增量法：它是一个计算机控制的闭环系统。它适用于交、直流伺服电动机驱动的位置采样控制系统。
③、伺服控制：将计算机送出的位置进给脉冲或进给速度指令，经变换和放大后转化为伺服电动机（步进电动机或交、直流伺服电动机）的转动，来带动机床工作台或刀具的移动。
2、主机：与普通机床相比，数控机床的机械结构具有以下特点：
①、高刚度和高抗振性：机床的静刚度直接影响工件的加工精度及生产率。机床构件的静刚度和固有频率是影响机床动刚度的主要因素。提高机床刚度和抗振性的方法如下：
a、通过结构的巧妙设计和布局的合理安排来减少结构所承受的弯曲负载和转矩负载。
b、为了在较小的质量下得到较高的静刚度和合适的固有平率，常采用合理布局的筋板结构
c、为了减少有关零部件的静力变形，常通过加配重和液压平衡系统来平衡负荷。
d、通过在大件内腔充填泥芯和混凝土等阻尼材料，在大件表面上加阻尼涂层，焊接构件采用间断焊缝等来改善结构的阻尼特性，增大动刚度。
e、采用钢板焊接结构、聚合物混凝土制作机床大件，以提高机床刚度
②、机床热变形小。采取措施是采用热对称结构及热平衡措施等。
③、高效率、无间隙、低摩擦传动
④、简化的机械传动结构
（二）、数控机床的分类
1、按照能够控制刀具与工件间相对运动的轨迹分类
a、点位控制（或位置控制）数控机床：只控制工作台（或刀具）从一个位置（点）精确地移动到另一个位置（点），在移动过程中不进行加工。如数控镗床、钻床、冲床等
b、轮廓控制数控机床：它不仅控制轮廓的起点和终点，而且要控制轨迹上每一点的速度和位置，所以能够加工曲线（或曲面）。如数控车床、铣床、磨床、电加工机床和加工中心等。
2、按照伺服系统的控制方式分类
a、开环控制数控机床。它不带位置检测的反馈装置。
优点：工作比较稳定，反应快，调试方便，维修简单
缺点：控制精度和速度都较低，该机床多为经济型。
b、闭环控制数控机床。带位置检测的反馈装置，并安装在工作台上，用以检测机床工作台的实际运行位置。
优点：加工精度高
缺点：环内包含的机械传动环节较多；各部件的刚性可变；多用于精度要求不高的数控机床
c、半闭环控制数控机床。检测元件安装在电动机的端头或丝杠的端头。
优点：控制特性稳定，调试比较方便
缺点：控制精度不如闭环控制机床高
3、按照加工方式分类
a、金属切削类。它包括数控车床、镗床、钻床、铣床、磨床、齿轮加工机床和加工中心等
b、金属成型类。它包括数控折弯机、弯管机、冲磨回转头压力机等
c、特种加工类。它包括数控线切割机床、电火花加工机床和激光切割机等。
d、其他类。它包括数控火焰切割机床、三坐标测量机等
4、按照cnc装置的功能水平分类：高、中、低（经济型）三类。目前的分类标准大体上从分辨率、进给速度、伺服系统、同时控制轴数（联动轴数）、通信功能、显示功能、有无plc及主cpu水平等方面加以区分，具体参见教材的p185表4-1，大家对该表中的内容要理解。
（三）、数控机床的优点
1、易与加工异型复杂零件
2、可以实现一机多用，多机看管
3、可以大大减少专用工装卡具，并有利于提高刀具的使用寿命
4、易与保证加工质量，一致性好
5、工件加工周期短，效率高
6、可以大大减少在制品数量
7、具有广泛的适应性和较大的灵活性
8、可实现精确的成本计算和生产进度安排
9、可降低劳动强度，减少所需工人数量
10、可实现软件误差补偿和优化控制
11、是实现柔性自动加工的重要设备，是发展柔性生产和计算机辅助制造的基础
二、cnc装置
（一）、cnc装置的硬件
cnc装置是在硬件支持下，执行软件来进行工作的。其控制功能在相当大的程度上取决于硬件结构。
1、单微处理器结构cnc装置
它只有一个微处理器，多采用集中控制、分时处理的方式。即便有两个或两个以上的微处理器，但其中只有一个能控制系统总线，占有总线资源，所以只能作为一个智能部件工作。
cnc装置的功能受微处理器的字长、数据宽度、寻址能力和运算速度等因素的限制。
单微处理器结构cnc装置在逻辑上是面向总线的。
按印刷电路板插接方式的不同，可分两种：
a、大板结构。cnc装置由主板和辅助功能板组成。主板为大印刷电路板，它承担cnc装置的主要功能。辅助功能为小印刷电路板，插在主板的插槽内，受主板驱动。
b、模块化结构。是将cnc装置的硬件按功能划分成模板，每个功能模块都制成尺寸相同的印刷电路板，称为功能模板。
按照cnc装置制造方式的不同分为专用型和通用型两种。
2、多微处理器结构cnc装置
它多采用模块化结构，每个微处理器分管各自的任务，形成特定的功能单元，即功能模块。其基本功能模块有以下六种：（给你了某种功能，要知道它属于哪个模块）
a、cnc管理模块
b、cnc插补模块
c、位置控制模块
d、存储器模块
e、plc模块
f、指令、数据的输入输出及显示模块
多微处理器结构cnc装置各模块之间的互连和通信主要采用共享总线和共享存储器两类结构。
在共享总线结构中，挂在总线上的功能模块分为带有cpu或dma器件的主模块和不带cpu或dma器件的从模块，只有主模块才有权控制使用总线，而且某一时刻只能由一个主模块占有总线。
在共享总线结构中，多采用公共存储器方式进行各模块之间的信息交换。
共享存储器结构采用多端口存储器来实现个微处理器之间的互联和通信。
（二）、cnc装置的软件
1、cnc装置的控制流程
cnc装置是一个位置控制装置。它工作时，根据输入书记插补出理想的运动轨迹，输出到执行部件，加工出所需要的零件。教材p183的图4-9要明白。cnc装置控制机床所需要的各种控制指令、参数及加工数据通过输入设备送入cnc装置的存储器中。加工时从存储器中调出零件加工程序，按程序段进行译码，将零件加工程序转换为cnc装置能够接受的代码。
译码分两路：一是低速辅助信息，包括辅助功能m（主轴起、停，冷却液通、断，刀具更换等）、主轴转速功能s（主轴转速设定）和刀具功能t（刀具选择），该路信息通过plc处理和输出；二是高速轨迹信息，它先通过预处理，包括刀具补偿处理（将零件轮廓轨迹转成刀具中心轨迹）和进给速度处理（各运动坐标分速度的计算及限速处理），然后再进行插补和位置控制，控制伺服系统实现坐标轴的系统移动。
2、cnc装置的多任务并行处理
参见图4-10，它说明了cnc装置要完成的任务。
并行处理：在许多情况下，cnc装置的管理和控制的某些工作要同时进行。它是由cnc装置的工作特点决定的。
（三）、可编程序控制器（plc）
plc是一种专为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子系统。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械设备和生产过程。
1、plc的基本组成
（1）、电源：供给plc系统所必须的电源
（2）、输入组件：负责采集操作开关或现场设备的信号，送给cpu处理。
（3）、输出组件：cpu根据解算程的结果，将控制信号送给输出组件，输出组件将控制信号转换成电流或电压信号驱动现场设备。
（4）、cpu及存储器：cpu负责输入输出处理、程序解算、通信处理等。存储器分为系统存储器和用户存储器。
（5）编程器：用来进行系统配置、软件编制及传送，并可作为调试及故障检测的有效工具
2、plc的基本技术指标
（1）、存储器容量：一般用k字节、k位表示。程序按“步”存放，一步占用一个地址单元，一个地址单元占用两个字节。
（2）、扫描速度：一般以执行1000步指令所需要的时间来衡量，单位是ms/k；也可以以执行一步指令所需要的时间来衡量，单位是µs/k。
（3）、i/o点数：plc外部输入、输出端子总数
（4）、编程语言：编程语言的指令条数是衡量plc软件功能强弱的主要指标，指令越多，编程功能越强。
3、plc的特点
（1）、控制程序可变，具有良好的柔性。plc的控制功能是通过软件来实现的。
（2）、采用面向过程的语言，编程方便
（3）、功能完善
（4）、扩充方便，配置灵活
（5）、系统构成简单，安装调试方便
（6）、可靠性高
4、plc的分类
plc功能和特性项目大体有：i/o点数，微处理器、扫描速度、存储器类型和容量、指令及功能、编程语言、接口模板类型等。
（1）、按i/o点数及存储器容量分类：大型plc、中型plc、小型plc三种
（2）、按i/o点数的总数分类：微型plc、小型plc、中型plc、大型plc和超大型plc五种。
5、plc在数控机床中应用
它的作用是：接收来自零件加工程序的开关功能信息（辅助功能m、主轴转速功能s、刀具功能t）、机床操作面板上的开关量信号及机床侧的开关量信号，进行逻辑处理，完成输出控制功能，实现各功能及操作方式的联锁。
所有的plc有两种类型，即内装型和独立型
（1）、内装型plc。它的特点如下：
①、内装型plc的性能指标由所从属的cnc系统的性能、规格来确定。
②、内装型plc有与cnc共用微处理器和具有专用微处理器两种类型。前者利用cnc微处理器的余力来发挥plc的功能，i/o点数少；后者由于有独立的微处理器，多用于顺序程序复杂及动作速度要求快的场合。
③、内装型plc与cnc其他电路同装在一个机箱内，共用一个电源和地线
④、内装型plc的硬件电路可与cnc其他电路制作在同一块印刷电路板上，也可单独支撑一块附加印刷电路板
⑤、内装型plc，对外没有单独配置的i/o接口电路，而使用cnc系统本身的i/o接口电路
（2）、独立型plc。它的特点如下：
①、根据数控机床对控制功能的要求，可以灵活地选购或自行开发通用型plc。
②、要进行plc与cnc装置的i/o连接，plc与机床侧的i/o连接
③、可以扩大cnc的控制功能。
④、性价比上不如内装型plc总的来说，单微处理器的cnc系统多采用内装型plc，而独立型plc多用在多微处理器的cnc系统、fmc或fms、fa、cims中。单机cnc系统中的内装型plc和独立型plc的作用是一样的，主要是协助cnc装置实现低速辅助信息的控制