1.2 数控机床的电气基础

1.2.1 数控机床的主轴控制

机床主轴指的是机床上带动工件或刀具旋转的轴。通常由主轴、轴承和传动件（齿轮或带轮）等组成主轴部件。机床主轴在机器中主要用来支撑传动零件如齿轮、带轮，传递运动及扭矩。除了刨床等主运动为直线运动的机床外，大多数机床都有主轴部件。图1-9所示为数控车床和加工中心的主轴部件。

图1-9 机床主轴部件

主轴部件的运动精度和结构刚度是决定加工质量和切削效率的重要因素。衡量主轴部件性能的指标主要是旋转精度、刚度和速度适应性。

1）旋转精度：主轴旋转时在影响加工精度的方向上出现的径向和轴向跳动，主要决定于主轴和轴承的制造和装配质量。

2）动、静刚度：主要决定于主轴的弯曲刚度、轴承的刚度和阻尼。

3）速度适应性：允许的最高转速和转速范围，主要决定于轴承的结构和润滑，以及散热条件。

数控小贴士

数控机床的主轴通常由变频器、伺服驱动器带动异步、同步电动机进行变速控制，也可以直接由电主轴驱动。变频器是通过改变电动机工作电源频率的方式来控制交流电动机的电力控制设备；伺服驱动器，其作用类似于变频器作用于普通交流电动机，可以通过位置、速度和力矩三种方式对伺服电动机进行控制，精度高于变频器。电主轴是最近几年在数控机床领域出现的将机床主轴机械部分与主轴电动机融为一体的新技术，其主轴由内装式电动机直接驱动，从而把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床的“零传动”。

1.2.2 数控机床的进给控制

进给是指机床连续操作中使得工件移向刀具或刀具移向工件，如在车床上，进给主要是切削工作。进给运动的大小可以用进给量来表示，即工件或刀具每转一转或往复行程一次时，刀具沿进给运动的方向上相对于工件的移动量。

数控机床中一般采用步进电动机或者伺服电动机来控制工件的移动量。图1-10所示为CNC发出指令通过伺服驱动器来控制纵向工作台和横向工作台的进给位移。

图1-10 进给控制示例

图1-11所示为步进电动机和伺服电动机的外观，它们的区别有以下几点：

1）控制精度不同。步进电动机的相数和拍数越多，它的精确度就越高；伺服电动机取决于自带的编码器，编码器的刻度越多，精度就越高。

2）控制方式不同。步进电动机是开环控制，即没有位置反馈；伺服电动机是闭环控制，有位置反馈。

3）低频特性不同。步进电动机在低速时易出现低频振动现象，当它工作在低速时一般采用阻尼技术或细分技术来克服低频振动现象。伺服电动机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。

4）矩频特性不同。步进电动机的输出力矩会随转速升高而下降，交流伺服电动机为恒力矩输出。

5）过载能力不同。步进电动机一般不具有过载能力，而伺服电动机具有较强的过载能力。

6）运行性能不同。步进电动机的控制为开环控制，起动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲现象。伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电动机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电动机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。

7）速度响应性能不同。步进电动机从静止加速到工作转速需要上百毫秒，而交流伺服系统的加速性能较好，一般只需几毫秒，可用于要求快速起停的控制场合。

图1-11 步进电动机与伺服电动机的外观

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步进电动机是一种能将电脉冲信号转变为角位移或线位移的特殊电动机。在非超载的情况下，电动机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响。步进电动机一般由步进驱动器进行驱动。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电动机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，其旋转是以固定的角度一步一步地运行的。

1.2.3 数控机床的PLC和CNC装置

PLC是一种以微处理器为基础的通用型自动控制装置，专为在工业环境下应用而设计的。PLC主要完成与逻辑运算有关的一些动作，没有轨迹上的具体要求，它接收数控装置的控制代码M（辅助功能）、S（主轴转速）、T（选刀、换刀）等顺序动作信息，对其进行译码，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、冷却液的开关等一些辅助动作；它还接收机床操作面板的指令，一方面直接控制机床动作，另一方面将指令送往数控装置用于加工过程的控制。

CNC装置与CNC系统不同，前者是指主要包括微处理器、存储器、外围逻辑电路及与数控系统其他组成部分联系的接口等的电气部件，因此又被简称为NC；后者是指数控机床的所有系统。其原理是根据输入的数据段插补出理想的运动轨迹，然后输出到执行部件（伺服单元、驱动装置和机床），加工出所需要的零件。因此，输入、轨迹插补、位置控制是数控装置的三个基本部分。

图1-12所示为数控机床的PLC和NC控制示意。

图1-12 数控机床的PLC和NC控制示意

1.2.4 数控机床的测量装置

测量装置也称反馈元件，通常安装在机床的工作台或丝杠上，它把机床工作台的实际位移转变成电信号反馈给数控装置，与指令值比较产生误差信号以控制机床向消除该误差的方向移动。此外，由测量装置和数显环节构成数显装置，可以在线显示机床坐标值，可以大大提高工作效率和工件的加工精度。常见测量装置有光电编码器、光栅尺、旋转变压器等。

按有无检测装置，CNC系统可分为开环与闭环数控系统，而按测量装置的安装位置又可分为闭环与半闭环数控系统。开环数控系统的控制精度取决于步进电动机和丝杠的精度，闭环数控系统的精度取决于测量装置的精度。因此，测量装置是高性能数控机床的重要组成部分。

1.2.5 数控机床的CNC系统

数控机床的CNC系统一般由输入/输出装置、CNC装置（或数控单元）、主轴单元、进给伺服单元、驱动装置、PLC及电气控制装置、辅助装置、测量装置组成，如图1-13a所示。

图1-13 CNC系统

图1-13b中的数控机床操作面板是数控机床的重要组成部件，是操作人员与数控机床（系统）进行交互的工具，主要由显示装置、NC键盘、MCP、状态灯、手持单元等部分组成。