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数控机床控制系统设计数控机床控制系统是现代机械加工中的重要设备，不仅减轻了人工操作的负担，还能够实现高效精确加工。
本文将从数控机床控制系统的设计原理、控制器的分类以及系统设计中需要考虑的因素等各方面进行详细阐述。
一、数控机床控制系统设计原理数控机床是一种以计算机控制的工具设备。
数控机床的工作原理是通过加工程序与自动化机床相连接，由计算机系统对机床运动进行控制。
数控机床的加工程序是一种由G代码和M 代码组成的程序，G代码主要用于控制机床的直线运动和圆弧运动、刀具半径、零点位置等，M代码则是用于控制机床的主轴转速、冷却液开关等控制信号。
基本上数控机床可以实现加工各种形状的物件，而且加工精度高，生产效率高。
二、控制器的分类数控机床控制器根据其构成和结构可以大致分为以下几个类型：1、点位控制器（P控制器）：点位控制器可以控制每一个轴单独移动到预定的位置后，马上停止这一轴的运动，使其它轴继续运动。
2、直线插补控制器（L控制器）：直线插补控制器是比点位控制器更为先进的控制器，它不仅在每个轴位置上进行控制，还可以控制各轴在不同的位置上同时启动或同时停止。
3、圆弧插补控制器（C控制器）：圆弧插补控制器是对圆弧运动进行控制的控制器。
它可以自动地计算和控制机床在坐标平面或变位平面上的转折点、曲线半径以及运动方向等，圆心和半径的计算完全由控制器来完成。
4、模态控制器（M控制器）：模态控制器是负责管理机床程序重复执行的控制器。
它只需输入一次程序，就可以重复地使用该程序。
换言之，它可以使用多个程序段，从而实现切换各种不同加工方式，同时还可以根据不同的工件要求随时更改程序的具体内容。
三、系统设计中需要考虑的因素在设计数控机床控制系统时，需要考虑如下因素：1、系统稳定性：稳定性是数控机床控制系统设计的重要指标，必须保证系统在加工过程中不会出现任何一个运动轴的失控。
系统设计时需要合理选用现代控制技术，同时要对硬件和软件进行完整测试，保证系统的稳定性。
第七章数控机床的控制系统概述学习目的：1．什么是数控技术、数控系统和数控机床，数控系统对机床的控制包括哪几方面？2．数控机床控制系统组成有哪些，他们的作用各是什么？3．数控机床的控制方式有几种，各有什么特点？4．数控机床的接口有几类，他们的接口规范是什么？第一节数控机床的控制系统一、数字控制技术简介1．数字控制技术数字控制（Numerical Control）技术，简称数控技术，是用数字化信号对机床运动及其加工过程进行自动控制的一种方法。
数控技术不仅用于机床的控制，而且还用于其它设备的控制，产生了诸如数控绘图机、数控测量机等数控设备。
2．数控系统和数控机床用数字控制技术实现自动控制的系统称为数控系统。
数控系统中的控制信息是数字量，其硬件基础是数字逻辑电路。
最初数控系统是由数字逻辑电路构成的，所以也成为硬件数控系统。
现代数控系统采用存储程序的专用计算机或通用计算机来实现部分或全部基本数控功能，所以成为计算机数控系统（Comouter Numerical Control），简称CNC系统。
计算机数控系统是在硬件和软件共同作用下完成数控任务的，具有真正的“柔性”。
数控系统对机床的控制包括顺序控制和数字控制两个方面。
顺序控制是指对刀具交换、主轴调速、冷却液开关、工作台的极限位置等一类开关量的控制。
数字控制是指机床进给运动的控制，用于实现对工作台或刀架的位移、速度这一类数字量的控制。
数控系统与机床的有机结合称为数控机床，如数控车床、数控铣床、数控加工中心等。
数控机床是机电一体化的典型产品，是集机床、计算机、电力拖动、自动控制、检测等技术为一体的自动化设备。
二、数控机床控制系统的组成序记载机床加工所需的各种信息，包括零件的加工轨迹、工艺信息及开关命令。
输入装置是将程序载体上的数控编码转换成相应的脉冲信息，传送并存入数控装置内。
输出装置显示输入的内容及数控工作状态等信息，监控数控系统的运行。
常用的输入/输出装置有光电阅读机、磁带录放机、磁盘驱动器、键盘和CRT显示器等。
数控机床伺服系统的分类数控机床伺服系统按用途和功能分为进给驱动系统和主轴驱动系统；按控制原理和有无检测反馈环节分为开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统；按使用的执行元件分为电液伺服系统和电气伺服系统。
1.按用途和功能分：(1)进给驱动系统：是用于数控机床工作台坐标或刀架坐标的控制系统，控制机床各坐标轴的切削进给运动，并提供切削过程所需的力矩。
主要关心其力矩大小、调速范围大小、调节精度高低、动态响应的快速性。
进给驱动系统一般包括速度控制环和位置控制环。
(2)主轴驱动系统：用于控制机床主轴的旋转运动，为机床主轴提供驱动功率和所需的切削力。
主要关心其是否有足够的功率、宽的恒功率调节范围及速度调节范围；它只是一个速度控制系统。
2.按使用的执行元件分：(1)电液伺服系统其伺服驱动装置是电液脉冲马达和电液伺服马达。
其优点是在低速下可以得到很高的输出力矩，刚性好，时间常数小、反应快和速度平稳；其缺点是液压系统需要供油系统，体积大、噪声、漏油等。
（2）电气伺服系统其伺服驱动装置伺服电机（如步进电机、直流电机和交流电机等）。
其优点是操作维护方便，可靠性高。
其中，1）直流伺服系统其进给运动系统采用大惯量宽调速永磁直流伺服电机和中小惯量直流伺服电机；主运动系统采用他激直流伺服电机。
其优点是调速性能好；其缺点是有电刷，速度不高。
2）交流伺服系统其进给运动系统采用交流感应异步伺服电机（一般用于主轴伺服系统）和永磁同步伺服电机（一般用于进给伺服系统）。
优点是结构简单、不需维护、适合于在恶劣环境下工作；动态响应好、转速高和容量大。
3.按控制原理分（1）开环伺服系统系统中没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置→进给系统），故系统稳定性好。
开环伺服系统的特点：1. 一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。
2. 无位置反馈，精度相对闭环系统来讲不高，机床运动精度主要取决于伺服驱动电机和机械传动机构的性能和精度。
步进电机步距误差，齿轮副、丝杠螺母副的传动误差都会反映在零件上，影响零件的精度。
数控机床的系统组成及其功能数控机床是一种高度自动化的机床，它利用数字控制技术来加工金属或其他材料。
数控机床的系统组成包括以下几个主要部分：1.数控装置：数控装置是数控机床的核心部件，它通过接收输入的加工程序，将加工过程转化为一系列的指令，控制机床的各个部件进行精确的运动。
数控装置一般由计算机硬件、控制软件和输入输出接口等组成。
2.进给系统：进给系统是数控机床的重要部分，它负责将动力传递给机床的各个运动部件，包括工作台、主轴、刀架等。
进给系统通常由电动机、丝杠、齿轮、轴承等组成，通过改变电动机的转速和旋转方向来控制机床的运动速度和方向。
3.主轴系统：主轴系统是数控机床的关键部件，它负责驱动刀具进行切削加工。
主轴系统一般由电动机、主轴、轴承、刀具夹头等组成，通过调节电动机的转速和旋转方向来控制刀具的旋转速度和旋转方向。
4.辅助装置：数控机床的辅助装置包括冷却系统、润滑系统、排屑系统、照明系统等，它们分别负责提供冷却液、润滑油、排除切屑、照明等工作。
这些辅助装置对于保证机床的正常运转和加工过程的顺利进行至关重要。
5.控制系统：控制系统是数控机床的基础部分，它通过接收操作者输入的指令，将加工过程转化为一系列的数控指令，控制机床的各个部件进行精确的运动。
控制系统通常由控制器、操作面板、传感器等组成，通过调节电动机的转速和旋转方向来控制刀具的旋转速度和旋转方向。
数控机床的功能非常广泛，它可以加工各种类型的零件，包括金属和非金属材料，如钢、铸铁、有色金属、塑料等。
数控机床可以完成多种加工操作，如车削、铣削、钻孔、攻丝、磨削等。
此外，数控机床还可以进行精确的测量和检验，确保加工出的零件符合精度要求。
除了自动化和高精度，数控机床还具有高效率的特点。
由于数控机床可以同时控制多个坐标轴，因此它可以一次装夹多个工件，减少装夹和测量时间，提高生产效率。
此外，数控机床还可以进行在线监测和故障诊断，及时发现并解决问题，减少停机时间和维修成本。
第四章数控机床的驱动与控制系统第一节位移、速度、位置传感器数控机床若按伺服系统有无检测装置进行分类，可分为开环系统和闭环(或半环)系统。
也就是说检测装置是闭环(半闭环)系统的重要部件之一，它的作用是测量工作实际位移并反馈送至数控装置，使工作台按规定的路径精确移动。
因此对于闭环系统来说，检测装置决定了它的定位精度和加工精度。
数控机床对检测装置的主要要求为：(1)工作可靠，抗干扰性强；(2)使用维护方便，适应机床的工作环境；(3)满足精度和速度的要求；(4)成本低。
通常，数控装置要求位置检测的分辨率为0.001～0.0lmm；测量精度为±0.002～±0.02mm／m，能满足数控机床以1～l0m／min的最大速度移动．位置检测装置的分类列表于4－1中。
本章仅就其中常用的检测装置(旋转变压器感应同步器光栅、磁栅、编码盘)的结构和原理予以讲述。
旋转变压器是一种常用的转角检测元件，由于它结构简单，工作可靠，且其精度能满足一般的检测要求，因此被广泛应用在数控机床上。
工作原理当转子绕组的磁轴与定子绕组的磁轴自垂直位置转动一角度θ时，绕组中产生的感应电势应为E1＝nV1sinθ ＝nV m sinωt sinθ式中n——变压比；V1——定子的输入电压；V m——定子最大瞬时电压。
当转子转到两磁轴平行时(即θ＝90o)，转子绕组中感应电势最大，即E1＝nV m sinωt旋转变压器的应用V3＝nV m sinωt sinθ1 + nV m cosωt cosθ1＝nV m cos(ωt –θ1)✧感应同步器感应同步器是一种电磁式位置检测元件，按其结构特点一般可分为直线式和旋转式两种。
直线式感应同步器由定尺和滑尺组成；旋转式感应同步器由转子和定子组成。
前者用于直线位移的测量，后者用于角度位移的测量。
它们的工作原理都与旋转变压器相似。
感应同步器具有检测精度高、抗干扰性强、寿命长、维护方便、成本低、工艺性好等优点，广泛应用于高精度的数控机床。
本节主要以直线式感应同步器为例，对其结构特点和工作原理进行讲述。
1. 感应同步器的结构及分类❑ 结构❑ 分类2. 感应同步器的工作原理.感应同步器是利用励磁绕组与感应绕组间发生相对位移时，由于电磁耦合的变化，感应绕组中的感应电压随位移的变化而变化，借以进行位移量的检测。
感应同步器滑尺上的绕组是励磁绕组，定尺上的绕组是感应绕组。
✧ 光栅在高精度的数控机床上，目前大量使用光栅作为检测元件。
光栅与旋转变压器、感应同步器不同，它是一种将机械位移或模拟量转变为数字脉冲的测量装置。
常见的光栅从形状上可分为圆光栅和直线光栅两大类。
圆光栅用于测量转角位移；直线光栅用于检测直线位移。
光栅的检测精度较高，一般可达几微米。
本节主要以直线光栅为例讲述其构成和工作原理。
光栅检测装置的构成光栅检测装置是利用光的透射、衍射现象制成的光电检测元件。
它主要由光源、长光栅、短光栅和光电元件等组成 工作原理常见光栅的工作原理都是基于物理上的莫尔条纹形成原理。
莫尔条纹的形成原因对粗光栅来说，主要是挡光积分效应；对细光栅来说，则是光线通过线纹衍射后，发生干涉的结果✧ 脉冲编码器脉冲编码器又称码盘，是一种回转式数字测量元件，通常装在被检测轴上，随被测轴一起转动，可将被测轴的角位移转换为增量脉冲形式或绝对式的代码形式。
根据内部结构和检测方式码盘可分为接触式、光电式和电磁式3种。
其中，光电码盘在数控机床上应用较多，而由霍尔效应构成的电磁码盘则可用作速度检测元件。
另外，它还可分为绝对式和增量式两种。
1. 增量脉冲编码器结构及工作原理2. 绝对式编码器❑ 结构和工作原理AA B B Z Z 图4-6 光栅的构成码盘基片上有多圈码道，且每码道的刻线数相等； 对应每圈都有光电传感器；输出信号的路数与码盘圈数成正比；检测信号按某种规律编码输出，故可测得被测轴的周向绝对位置。
❑ 绝对编码盘的编码方式及特点二进制编码：✓ 特点：编码循序与位置循序相一致，但可能产生非单值性误差。
✓ 误差分析：3. 光电编码器的特点❑ 非接触测量，无接触磨损，码盘寿命长，精度保证性好； ❑ 允许测量转速高，精度较高；。
❑ 光电转换，抗干扰能力强；❑ 体积小，便于安装，适合于机床运行环境； ❑ 结构复杂，价格高，光源寿命短；❑ 码盘基片为玻璃，抗冲击和抗震动能力差。
第二节 进给伺服驱动系统一. 概述1. 进给伺服驱动系统由进给伺服系统中的 驱动电机及其控制和驱动装置。
2. 驱动电机是进给系统的动力部件，它提供执行部分运动所需的动力，在数控机床上常用的电机有：❑ 步进电机 ❑ 直流伺服电机3 2 1 0❑交流伺服电机❑直线电机。
3.速度单元是上述驱动电机及其控制和驱动装置，通常驱动电机与速度控制单元是相互配套供应的，其性能参数都是进行了相互匹配，这样才能获得高性能的系统指标。
4.速度控制单元主要作用：接受来自位置控制单元的速度指令信号，对其进行适当的调节运算(目的是稳速)，将其变换成电机转速的控制量(频率，电压等)，再经功率放大部件将其变换成电机的驱动电量，使驱动电机按要求运行。
简言之：调节、变换、功放。
5.进给驱动系统的特点（与主运动（主轴）系统比较）：❑功率相对较小；❑控制精度要求高；❑控制性能要求高，尤其是动态性能。
二.步进电机及其驱动装置步进电机流行于70年代，该系统结构简单、控制容易、维修方面，且控制为全数字化。
随着计算机技术的发展，除功率驱动电路之外，其它部分均可由软件实现，从而进一步简化结构。
因此，这类系统目前仍有相当的市场。
目前步进电机仅用于小容量、低速、精度要不高的场合，如经济型数控；打印机、绘图机等计算机的外部设备。
三.直流伺服电机及驱动直流电机的工作原理是建立在电磁力定律基础上的，电磁力的大小正比于电机中的气隙磁场，直流电机的励磁绕组所建立的磁场是电机的主磁场，按对励磁绕组的励磁方式不同，直流电机可分为：他激式、并激式、串激式、复激式、永磁式。
20世纪80~90年代中期，永磁式直流伺服电机在NC机床中广泛采用。
直流伺服电机的特点过载倍数大，时间长；具有大的转矩/惯量比，电机的加速大，响应快。
低速转矩大，惯量大，可与丝杆直接相联，省去了齿轮等传动机构。
可提高了机床的加工精度。
调速范围大，与高性能的速度控制单元组成速度控制系统时，调速范围超过1∶2000。
带有高精度的检测元件(包括速度和转子位置检测元件)；电机允许温度可达150°～180℃，由于转子温度高，它可通过轴传到机械上去，这会影响机床的精度由于转子惯性较大，因此电源装置的容量以及机械传动件等的刚度都需相应增加。
电刷、维护不便四.交流伺服电机及驱动由于直流伺服电机具有优良的调速性能，80年代初至90年代中，在要求调速性能较高的场合，直流伺服电机调速系统的应用一直占据主导地位。
但其却存在一些固有的缺点，即：❑电刷和换向器易磨损，维护麻烦❑结构复杂，制造困难，成本高而交流伺服电机则没有上述缺点。
特别是在同样体积下，交流伺服电机的输出功率比直流电机提高10%～70%，且可达到的转速比直流电机高。
因此，人们一直在寻求交流电机调速方案来取代直流电机调速的方案。
1.分类2. 交流伺服电机的速度控制单元❑ 交流伺服电机转速 n 调速的理论基础结论：交流伺服电机变频调速的关键是要获得可调频调压的交流电源 ❑ 调频调压电源的分类磁滞式 永磁式 反应式电机的极对数转速的滑差率电源频率:::)1(60p s f s pfn -=θφφωφωcos 44.444.42I C M k f E U k f E m ==≈=⎪⎩⎪⎨⎧-⎩⎨⎧--交变频器（直接式）交电流型交变频器（间接式）直交变频器电压型可控硅整流器 逆变器整流器 逆变器电压型变频器方案示意图❑ 电压型变频器工作原理U V WA B C结论：变频器实现变频调压的关键是逆变器控制端获得要求的控制波形（如SPWM 波）。
❑ 控制波形的实现方式（电机调速的控制方式）：相位控制； 矢量变换控制； PWM 控制； 磁场控制；第三节 典型进给伺服系统(位置控制)一 . 开环进给伺服系统(Open-Loop System)不带位置测量反馈装置的系统； 驱动电机只能用步进电机；主要用于经济型数控或普通机床的数控化改造一. 开环进给伺服系统1. 步进电机开环系统设计步进电机开环系统设计要解决的主要问题：①动力计算 、②传动计算、 ③驱动电路设计或选择目的：传动计算选择合适的参数以满足脉冲当量 和进给速度F 的要求。
图中：f —脉冲频率（HZ ） α— 步距角 （度）单相编码器 输出信号输出输入脉冲接口RS232 串型接口模拟接口Z1、Z2 — 传动齿轮齿数 t — 螺距(mm ) δ — 脉冲当量（mm ）传动比选择：为了凑脉冲当量δmm ，也为了增大传递的扭矩，在步进电机与丝杆之间，要增加一对齿轮传动副，那么，传动比i=Z1/Z2与α、 δ 、t 之间有如下关系：例： δ = 0.01 t = 6 mm α= 0.75°❑ 进给速度F ：一般步进电机： 若 δ=0.01 mm 则：若 δ=0.001mm 则：因此，当 一定时， 与δ成正比，故我们在谈到步进电机开环系统的最高速度时，都应指明是在多大的脉冲当量δ下的否则是没有意义的。
2. 提高步进电机开环伺服系统传动精度的措施 ❑ 概述影响步进电机开环系统传动精度的因素：✓ 步进电机的步距角精度； ✓ 机械传动部件的精度；✓ 丝杆等机械传动部件、支承的传动间隙；δαtZ Z i 36021==ti :360:=δα252025208.001.0675.03603602121==⎩⎨⎧==⨯⨯===Z Z t Z Z i αm in60mm f F δ=ZH f 16000~8000max ≤m in 9600~4800max mm F ≤m in 960~480max mm F ≤m ax f m ax F✓传动件和支承件的变形。
提高步进电机开环系统传动精度的措施✓适当提高系统组成环节的精度；✓采取各种精度补偿措施。
❑传动间隙补偿❑在整个行程范围内测量传动机构传动间隙，取其平均值存放在数控系统中的间隙补偿单元，当进给系统反向运动时，数控系统自动将补偿值加到进给指令中，从而达到补偿目的。
❑螺矩误差补偿❑滚珠丝杆在数控机床应用广泛，虽然滚珠丝杆精度较高，但是总不可做的绝对精确，总是将其精度控制在一定的范围内的，也就是它的螺距总是存在着一定的误差的，利用计算机的运算处理能力，可以补偿滚珠丝杠的螺矩累积误差，以提高进给位移精度。
❑方法：首先测量出进给丝框螺距误差曲线(规律)，然后可采用下列两种方法实现误差补偿：硬件补偿、软件补偿。
