Ｉ 一科研发展…………………………一
数控机床电气控制系统
上海交通大学机动学院 高达夫
【摘要】数控技术是机械加工自动化的基础，是数控机床的核心技术，其水平高低关系到国家战略地位和体现国家综合国力的水平，近年来，ＰＬＣ在工业自动控制领域应
用愈来愈广，它在控制性能、组机周期和硬件成本等方面所表现出的综合优势是其它工控产品难以比拟的整机控制系统具有程序设计思路清晰、硬件电路简单实用、可靠
性高、抗干扰能力强，具有良好的性能价格比等显著优点，其软硬件的设计思路可供工矿企业的相关数控机床设计改造借鉴。
【关键词】数控机床；电气控制系统；控制软件总体结构设计；机电一体化、机电传动
１．绪论 本绪论主要是从本课题的来源、目的、意
义、应解决的主要问题及应达到的技术要求来介
绍数控机床型，并且叙述了国内外发展概况以及
存在的问题。最后简述了本设计的指导思想。
１．１课题的来源
随着各种学科的交叉发展，原来的纯机械
加工已经发展为机电一体化的加工机床，现在随
着各种控制技术的日趋完善，机电一体化的加工
系统——数控机床已经毫无疑问成为了工业生产
的主力装备。一方面，调查表明，我国要成为
“世界 厂”，需要培训和造就数十万数控技术
应用领域的操作人员、编程人员和维修人员，另
一方面，来自机电一体化专业在实践方面对于专
门的教学用的仪器设备的需求，是本课题产生的
主要的原因。 １．２机电一体化系统的简介
机电一体化技术的基本概念是指将机械 学、电子学、信息处理和控制及专用软件等当代
各种新技术进行综合集成的一种群体技术。机电
一体化系统主要有五个组成部分：动力、机构、
执行器、计算机和传感器，组成一个功能完善的
柔性自动化系统，其中计算机、传感器和计算机
软件是机电一体化技术的重要组成要素。
２．系统的总体设计
一个较完善的机电一体化系统，包括以下
几个要素：机械本体、能源部分、测试传感部
分、驱动装置、控制及信息处理单元，各要素之
常见的数控系统
常用的数控系统有发那科、西门子、三菱、广数、华中等数控系统。
发那科（FANUC）系统
FANUC系统是日本富士通公司的产品，通常其中文译名为发那科。FANUC系统进入
中国市场有非常悠久的历史，有多种型号的产品在使用，使用较为广泛的产品有FANUC0、
FANUC16、FANUC18、FANUC21等。在这些型号中，使用最为广泛的是FANUC0系列。
系统在设计中大量采用模块化结构。这种结构易于拆装、各个控制板高度集成，使可
靠性有很大提高，而且便于维修、更换。FANUC系统设计了比较健全的自我保护电路。
PMC信号和PMC功能指令极为丰富，便于工具机厂商编制PMC控制程序，而且增
加了编程的灵活性。系统提供串行RS232C接口，以太网接口，能够完成PC和机床之间的
数据传输。
FANUC系统性能稳定，操作界面友好，系统各系列总体结构非常的类似，具有基本
统一的操作界面。FANUC系统可以在较为宽泛的环境中使用，对于电压、温度等外界条件
的要求不是特别高，因此适应性很强。
鉴于前述的特点，FANUC系统拥有广泛的客户。使用该系统的操作员队伍十分庞大，
因此有必要了解该系统的一些软、硬件上的特点。
我们可以通过常见的FANUC0系列了解整个FANUC系统的特点。
⑴刚性攻丝
主轴控制回路为位置闭环控制，主轴电机的旋转与攻丝轴（Z轴）进给完全同步，从
而实现高速高精度攻丝。
⑵复合加工循环
复合加工循环可用简单指令生成一系列的切削路径。比如定义了工件的最终轮廓，可
以自动生成多次粗车的刀具路径，简化了车床编程。
⑶圆柱插补
适用于切削圆柱上的槽，能够按照圆柱表面的展开图进行编程。
⑷直接尺寸编程
可直接指定诸如直线的倾角、倒角值、转角半径值等尺寸，这些尺寸在零件图上指定，
这样能简化部件加工程序的编程。
⑸记忆型螺距误差补偿
可对丝杠螺距误差等机械系统中的误差进行补偿，补偿数据以参数的形式存储在CNC的
存储器中。
⑹CNC内装PMC编程功能
1
本科毕业设计说明书（论文）
题 目： FANUC 0i mate-TD数控车床PMC控制系统设计
专 业： 机械设计制造及其自动化
班 级： 学 号：
学生姓名：
指导教师：
起迄日期：
设计地点： 2 毕业设计说明书（论文）中文摘要
摘要：
可靠性，稳定性，和安全是计算机数字控制软件设计最重要的三个因素（CNC）系统。作为一种分布式计算系统，数控系统由电脑控制器，微控制器和切割工具组成，其中控制器可以执行机床程序生成微控制器驱动刀具通过选择性地去除工件材料制作说明。软件设计是实现数控系统的可靠运行，非常重要的地，和安全，直接影响工件的加工质量和操作人员的安全。因此，如何设计可靠的软件和数控系统进行有效的验证是一个重要的研究问题。
关键词：可靠 稳定 安全 数控系统
1 毕业设计说明书（论文）英文摘要
Title A Formal Specification Framework for Designing and
Verifying Reliable and Dependable Software for CNC Systems
Abstract
Reliability, dependability, and safety are the three most important factors in software
design for computerized numerical control (CNC) systems. As a distributed
computing system, a CNC system consists of a computer controller, a set of
microcontrollers, and cutting tools, in which the controller can execute machine tool
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。
