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第五章数控机床及工业机器人
第一节数控机床
数控技术，即NC（Numerical Control）技术，是指用数字化信息（数字量及字符）发出指令并实现自动控制的技术。
计算机数控（Computerized Numerical Control,简写为CNC）是指用计算机实现部分或全部基本数控功能。
一、数控加工原理
数控加工将加工过程所需的各种操作（如主轴变速、刀具选择、冷却液供给、进给、起停等）以及工件的形状尺寸用程序表示，再由数控装置对输入的信息进行处理和运算，然后由数控装置按照零件加工程序的要求控制机床伺服驱动系统，实现刀具与工件的相对运动，完成零件加工。
当被加工工件改变时，除了重新装夹工件和更换刀具外，只需更换程序。在进行曲线轮廓加工时，只要知道曲线的种类、起点、终点以及速度等，就可以根据给定的数字函数，如线性函数、圆函数或高次曲线函数，在曲线的起点和终点之间进行数据点的密化，确定一些中间点，从而加工出给定的曲线轮廓，这种方法称为插补。插补算法是数控加工技术中的一个基本问题。
目前常用的插补算法有两大类：以脉冲形式输出的脉冲增量法，它适合于以步进电动机作为驱动元件的开环伺服驱动系统；以数字时形式输出的数字增量法，它适合于以交、直流伺服电动机作为驱动元件的闭环（或半闭环）伺服驱动系统。
要实现数控加工必须：
1.具有一个既能接受零件图样加工要求信息，又能按照一定的数学模型进行插补运算，实时地向各坐标轴发出速度控制指令的数字计算机，即控制装置；
2.具有能够快速响应,并具有足够功率的伺服驱动装置；
3.具有能够满足上述加工方式的机床主机，辅助装置和刀具。
二、数控机床的组成
数控机床分成两大部分，即CNC系统和机床主机（包括辅助装置）。
（一）CNC系统
CNC系统由程序、输入输出（L/O）设备、CNC装置及主轴、进给驱动装置组成。
零件加工程序是CNC系统的重要组成部分。
输入输出设备主要用于零件加工程序的编制、存储、打印、显示等。简单的输入输出设备只包括健盘、米字管和数码管等。一般的输入输出设备除了人机对话编程健盘和阴极射线管（CRT）显示器或液晶显示器（LCD）外，还包括纸带、磁带或磁盘输入机、穿孔机和电传机等。高级的输入输出设备还包括自动编程机乃至CAD/CAM（计算机辅助设计/计算机辅助制造）系统。
CNC装置是CNC系统的核心部件，它由三部分组成，即计算机（硬件和软件）、可编程序控制器（PLC）和接口电路。
主轴驱动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。
进给驱动装置用于控制机床各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，可实现对工作台和刀具位置的精确控制。
（二）主机
为了满足数控机床高自动化、高效率、高精度、高速度、高可靠性的要求，其机械结构具以下一些特点：
1.高刚度和高抗振性。提高机床静刚度和固有频率，改进机床结构的阻尼特性是提高机床动刚度和抗振性的有效方法。
通过机床结构、筋板的合理布局，例如加大主轴的支承轴径，缩短主轴端部的受力悬伸段，床身采用钢板焊接结构等方法来提高刚度。采用新材料，特殊结构也可以提高动刚度和抗振能力。
2.减小机床热变形。为了减小热变形常采取以下措施：采用热对称结构及热平衡措施；对于发热部件（如主轴箱、静压导轨液压油等）采取散热、风冷、液冷等控制温升；对切削部位采取强冷措施；专门采用热位移补偿，即预测热变形规律建立数学模型存入计算机，来进行实时补偿。
3.采用滚动导轨、静压导轨、滚珠丝杠、塑料滑动导轨等高效率、无间隙、低摩擦传动。
4.简化的机械传动结构。采用高性能、宽调速范围的交直流主轴电动机和伺服电动机，使主轴箱、进给变速箱及其传动系统大为简化，提高传动精度和可靠性。
为了保证数控机床正常运行，必须配备必要的辅助装置，包括：液压、气动装置，交换工作台，数控转台，数控分度头，排屑装置，刀具及其监控检测装置等。
三、数控机床的分类
（一）按照能够控制刀具与工件间相对运行的轨迹
1.点位控制（或位置控制）数控机床。只能控制工作台（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，各个运动轴可以同时移动，也可以依次移动。数控镗床、钻床、冲床。
2.轮廓控制数控机床。能够同时对两个或两个以上的坐标轴进行连续控制，不仅控制轮廓的起点和终点，而且还要控制轨迹上每一点的速度和位置，因而能够加工曲线（或曲面）。
数控车床、铣床、磨床、电加工机床和加工中心等。
（二）按照伺服驱动系统的控制方式
1.开环控制数控机床。这类数控机床不带位置检测反馈装置。CNC装置输出的指令脉冲经驱动电路的功率放大，驱动步进电动机转动，再经传动机构带动工作台移动。
2.闭环控制数控机床。这类数控机床带有位置检测反馈装置。位置检测装置安装要机床工作台上，用以检测机床工作台的实际运行位置，并与CNC装置的指令位置进行比较，用差值进行控制。
3.半闭环控制数控机床。
总结：
1.开环控制数控机床。这类数控机床不带位置检测反馈装置。开环控制的数控机床工作比较稳定，反应快，调试方便，维修简单，但控制精度和速度都比较低，这类数控机床多为经济型。
2.闭环控制数控机床。这类数控机床带有位置检测反馈装置。闭环控制数控机床由于能够减小乃至于消除由于传动部件制造、装配所带来的误差，因而可以获得很高的加工精度。但环内包含的机械传动环节比较多，其中不少参数和特性都是可变的，有一些还是非线性的。如果设计、调整不当，将会造成系统的不稳定。如果不是精度要求很高的数控机床，一般不采用这种控制方式。
3.半闭环控制数控机床。将检测元件安装在电动机的端头或丝杠的端头，则为半闭环控制数控机床。由于半闭环的环路内不包括丝杠、螺母副及工作台，所以可以获提比较稳定的控制特性。其控制精度虽不如闭环控制数控机床那样高，但调试比较方便，因而广泛采用。
（三）按照加工方式分类
1.金属切削类。属于此类的有数控车床、钻床、铣床、镗床、磨床、齿轮加工机床和加工中心等。
加工中心是有刀库，并且能够自动换刀的数控机床。其中，包括镗铣类加工中心和车削中心。
镗铣类加工中心主要用于箱体类零件和复杂曲面零件的加工，能进行铣、镗、钻、攻丝等工序，工件一次装夹后，能自动地完成或接近完成工件各面的所有加工工序。
车削中心以轴类零件为主要加工对象，它一般具有C轴控制（具有位置控制功能的附加主轴驱动控制），除可进行车削、镗削外，还可进行端面和周面上任意部位的钻削、铣削和攻丝加工。有的还可以进行各种曲面的铣削加工。
2.金属成型类。该类包括数控折弯机、弯管机、冲床、回转压力机等。
3.特种加工类。数控特种加工机床包括数控线切割机床、电火花加工机床及激光切割机等。
4.其他类。如数控火焰切割机床、三坐标测量机等。
（四）按照CNC装置的功能水平分类
按照CNC装置的功能水平可大致把数控机床分为高、中、低（经济型）三档。大体上可从分辨率、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水平等几方面加以区分。
表5－1按CNC装置功能水平分类表
四、数控机床的特点
1.能加工复杂型面；
2.更高的精度和稳定的质量；
3.很高的生产率；
4.广泛的适应性；
5.一机多用；
6.可以大大减少在制品数量，提高经济效益；
7.可以改善生产环境，大大减轻操作者的劳动强度；
8.可实现精确的成本核算和生产进度安排；
9.是实现柔性自动加工的主要设备，也是发展柔性生产和计算机集机制造的基础。
第二节CNC装置
一、CNC装置所具备的功能
CNC装置是CNC系统的核心部件，它由三部分组成，即计算机（硬件和软件）、可编程序控制器（PLC）和接口电路。
它的功能是：根据输入的零件加工程序、数据和参数，完成数值计算和逻辑判断，进行输入、输出控制。
1.控制功能。指能够控制的轴数及同时控制（即联动）的轴数。控制和轴数有2轴、3轴、4轴、5轴，可多达到24轴。同时控制轴数可以是2轴、3轴、直至6轴。
2.准备功能，也称G功能。包括机床基本移动、平面选择、坐标设定、刀具补偿、程序暂停、基准点返回、固定循环、米-英制转换等。
3.插补功能。现代CNC装置多通过软件或软、硬件相结合实现插补功能。
4.进给功能。包括切削进给速度（每分钟进给量）、同步进给速度（主轴每转的进给量）、快递进给及进给率（0%～200%变化，每档10%）。
5.主轴功能，包括主轴每分钟转数的设定，正、反转及准停等。
6.辅助功能。包括主轴的起、停，冷却液的通、断，刀具交换的起、停等。
7.选刀及工作台分度功能。
8.固定循环功能。用于螺纹加工、钻孔、深孔钻削、镗孔及攻丝等工序。固定循环程序相当于一个指令束，可以大大减少程编工作量。
9.补偿功能。包括刀具长度补偿和刀具半径补偿。
10.字符、图形显示功能。配置CRT或LCD显示器，实现零件程序、参数显示，刀具位置显示，机床状态及报警显示等。有些CNC装置还可以进行刀具轨迹的静态图形及三维图形显示。
11.诊断功能。随时检查不正确事件的发生，出现故障可显示、查询和定位。
12.通信功能。备有串行通信接口，DNC接口，有的CNC装置还配有网卡，可方便地接入MAP工业局域网、以太网等。
13.在线自动编程功能。有些CNC装置具有会话式自动编程功能、蓝图编程功能、参数编程功能或几何工艺语言（CTL）编程功能。有的自动编程系统可以自动选择刀具和切削刀量，使编程变得十分方便。
以上所述各功能中、前8个功能属于CNC装置的基本功能配置，而后5个功能属于选择功能，用户可根据需要加以选用。
二、CNC装置的硬件结构
（一）单微处理器结构与多微处理器结构CNC装置
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。早期的CNC装置、经济型CNC装置控制功能不十分复杂，大都采用单微处理器结构。现代CNC装置多采用多微处理器结构，以满足高速化、复合化、智能化、系统化等要求。
1.单微处理器结构CNC装置。单微处理器CNC装置只有一个微处理器，或虽然有两个以上的微处理器，但其中只有一个微处理器能够控制总线，而其他微处理器不能控制系统总线，不能访问主存储器，各微处理器组成主从结构。
单微处理器CNC装置中微处理器（CPU）是核心，由运算器和控制器两部分组成。运算器主要完成算术运算和逻辑运算。控制器负责从存储器读取指令，并对指令进行分析，根据指令的要求向CNC装置各部分发出执行操作的控制信号，同时接收执行部件发回来的反馈信息。
微处理器的品质决定了CNC装置的档次。反映微处理器品质的主要指标是主频和字长。主频决定了微处理器的工作速度。字长指的是微处理器同时处理二进制数据的位数。一次处理数字的位数越多，运算速度就越高。目前，CNC装置中常用的有8位、16位、32位微处理器，有的CNC装置运用了64位微处理器。
总线是CNC装置各部分之间传送信息的公共通道。单微处理器结构的CNC装置几乎都采用以总线为中心的计算机结构。
总线分为数据总线、地址总线和控制总线。
数据总线用于传送程序和数据，是双向总线。
地址总线用于传送微处理器发出的地址信息，是单向线。
控制总线用于传送保证CNC装置各部分同步并协调工作的各种控制信号、时序信号和状态信号。
微处理器通过总线与存储器（RAM、EPROM）、可编程序控制器（PLC）、位置控制器及各种接口相连。为使不同的设备能够连接在一起协调地工作，必须对设备的连接进行统一的规定和必要的约束，这种约束就是接口协议。实现接口协议的硬件设备叫接口电路，简称接口。
CNC装置的接口电路包括与机床侧的信号输入输出接口、与上位计算机的通信接口及与标准输入输出设备的接口。
机床I/O接口是在CNC装置与机床及操作面板之间进行信号传递不可缺少的环节，其作用和要求是：
（1）进行必要的电隔离。
（2）进行电平转换和功率放大。
现代CNC装置都带有标准串行通信接口，能够方便地与编程机及微型计算机相连，实现零件程序、机床参数的传送。高档CNC装置还具有网络通信功能。
标准输入输出设备接口包括键盘接口、MDI（手动数据输入）/CRT接口、手摇脉冲发生器接口、纸带阅读计机接口、纸带穿孔机接口、电传机接口及磁盘驱动器、磁带机接口等。
由于所有数控功能，如数据存储、插补计算、输入/输出控制、显示等，由一个微处理器完成，因此单微处理器结构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。
按印刷电路插接方式的不同，可将其分为两种结构：
（1）大板结构。CNC装置由主板和辅助功能板（卡）组成。主板为大印刷电路板，CNC装置的主要功能都集在这块板上。板上有微处理器、存储器、定时与中断控制电路、位置控制电路及标准接口等。辅助功能板为小印刷电路板，如PLC板、I/O控制板、CRT显示控制板、附加存储板等。辅助功能板插在主板的插槽内，受主板驱动。
（2）模块化结构。是将CNC装置的配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。常见的功能模板有CNC控制板、位置控制板、PLC板、CRT显示控制板、通信板等。采用标准总线作为母版。将各功能模板插在母板上，由CNC控制板驱动其他各块功能板，支持软件完成CNC的各种功能。
2.多微处理器结构CNC装置。与单微处理器结构CNC装置相比，运算速度更高，更适合于多轴控制、高进给速度、高精度、高效率的数控要求。多微处理器结构CNC装置多采用模块化结构，每个功能模块分管各自的任务。由于采用模块化结构，采取积木方式组成CNC装置，因此具有良好的适应性和扩展性。发生故障时可及时更换模块。
模块化结构的多微处理器结构CNC装置中的基本功能模块一般有以下六种。
（1）CNC管理模块。管理和组织整个CNC系统的工作，主要包括初始化、中断管理、总线裁决、系统出错识别和处理、系统软硬件诊断等功能。
（2）CNC插补模块。完成插补前的预处理，如对零件程序的译码、刀具补偿、坐标位移量计算、进给速度处理等；进行插补计算，为各个坐标提供位置给值。
（3）位置控制模块。进行位置给定值与检测器测得的位置实际值的比较，进行自动加减速、回基准点、伺服系统滞后量的监视和漂移补偿，最后得到速度控制的模拟电压，以便驱动进给电动机。
（4）存储器模块。程序和数据的主存储器，或为功能模块间进行数据传送的共享存储器。
（5）PLC模块。对零件程序中的开关功能和机床操作面板、机床侧来的开关信号进行逻辑处理，实现机床电气设备的起、停，刀具交换，主轴转速控制，转台分度，加工零件和机床运转时间的计数，及各功能、操作方式间的联锁等。
（6）指令、数据的输入输出及显示模块。包括零件程序、参数和数据，各种操作命令的输入输出及显示所需要的各种接口电路。
多微处理器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，将各功能模块插在配有总线插座的机框内，由系统总线把各个模块有效地连接在一起，按照要求交换各种控制指令和数据，实现各种预定的功能。
在共享总线的结构中，挂在总线上的功能模块分为带有CPU或DMA（直接存储器存取）器件的主模块和不带CPU或DMA器件的从模块（如各种RAM/EPROM模块、I/O模块等），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，因此就必须解决多个主模块同时请求使用总线的竞争问题。当多个主模块争用总线时，由仲裁机构判别优先权的高低。
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各微处理器之间的互联和通信。多端口存储器的每一个端口都配有一套数据、地址、控制线，以供端口访问。由专门的多端口控制逻辑电路解决访问的冲突问题。但是这种结构功能扩展比较困难并且多端口存储器不易制造。
（二）专用CNC装置与开方式CNC装置
专用型CNC装置结构紧凑、布局合理、技术成熟。在制造业中得到广泛应用。但由于采用封闭式的体系结构，系统硬件是专用的；
组成系统的功能板及其之间的连接方式都是专门设计而不能通用；系统的软件结构也是专用的，细节对外不公开，不能提供给用户；
各生产厂家选择的基础技术、技术策略、指导方针不同，所生产的CNC装置虽然都是模块化的，但在具体的实现方法上却存在着很大的差别，因此，机床制造厂家几乎不可能自主地组成、配备所需要的CNC装置，当然更不能根据自身的需要开发适合自己应用领域的部件或引用第三厂商生产的部件。
用户在使用、维护CNC装置时也同样会面临同样的问题。
这就不仅在人力、物力、资金和时间上造成大的浪费，而且也很难适应来自不同方面，不同层次的要求。
CNC装置的开放化是制造业最终用户、机床生产厂家以及CNC装置生产厂家共同的需求。CNC装置的开放化主要体现在：
（1）系统组成内部的开放化，即系统内部硬、软的公开化。这样，不仅降低了开发成本，而且还能开发出理想的、适合用户需求的各种功能。
（2）系统组成各部分之间的开放化，即各组成部分（如CNC、伺服驱动、主轴驱动等）之间的接口标准化。这样就可以从众多的组件生产厂家中选择最佳组件构成整机。
开放式CNC装置，常称为PC- NC系统，其组成方式一般有以下几种：
（1）PC连接型CNC。这是一种将现有CNC与PC通过串行通信连接起来的一种形式。其优点是易实现，CNC部分几乎可以不加改动，也可以使用通用软件。其缺点是CNC部分不能实现开放化，串行通信速度慢，系统响应速度慢。
（2）PC内藏型CNC。即在CNC内部加装PC，PC与CNC之间通过专用总线连接。这种结构形式的优点是CNC部分几乎可以不加改动地使用，数据传输快，系统响应快。缺点是不能直接使用通用PC，PC的开发程序受到限制。
（3）CNC内藏型PC，即在通用PC的扩展槽中插入专用CNC，专用CNC具有包括加工轨迹生成等几乎所有的CNC处理功能。这种结构形式的优点是能够充分保证系统性能，软件通用性强而且编程处理灵活。缺点是很难利用现有的CNC资源和确保系统的可靠性的问题。
（4）全软件型NC。即CNC的全部功能都由PC完成，并通过装在PC扩展槽中的接口卡进行伺服驱动控制。其优点是硬件通用性强，编程处理灵活。其缺点是在通用PC上较难实现实时处理，较难保证系统性能，而且难以利用现有CNC资源。
三、CNC装置的软件
（一）CNC装置的控制流程
数控机床在其工作的过程中，接受CNC装置的两类控制：实现各坐标轴运动的"数字控制"，即NC控制完成各种应答动作的"顺序控制"，或称辅助控制。
机床所需要的各种控制指令、参数以及加工数据通过输入设备送入CNC的存储装置中；加工时再从存储器调出，按程序段进行译码，将零件加工程序转变成为CNC装置能够接受的代码。
译码后的信息分为两路：
1.低速辅助信息：
（1）辅助功能M（主轴起停、冷却液通断、刀具更换等）；
（2）主轴转速功能S（主轴转速设定）；
（3）刀具功能T（刀具选择）。
低速辅助信息由PLC处理和输出。
2.高速轨迹信息
（1）刀具补偿处理（零件轮廓轨迹转换为刀具中心轨迹）；
（2）进给速度处理（各运动坐标分速度的计算和限速处理）。
经过预处理后再进行插补和位置控制，经过控制伺服系统实现坐标轴的协同运动，以实现NC控制。
应该指出，为了完成数控加工，CNC装置还必须具有显示功能、诊断功能及通信功能等。
（二）CNC装置的多任务并进行处理
从CNC装置的控制流程可以看出，CNC装置的系统软件除了要执行必要的控制任务外，还必须具有管理功能。
控制任务包括译码、刀具补偿、速度控制、插补运算、位置控制等，这类任务要求很强的实时性。
而管理任务包括人机界面管理、程序的输入输出、显示、诊断等。相对于控制任务而言，管理任务的特点是实时性要求不高。
四、可编程序控制器（PLC）
（一）PLC概述
可编程序控制器是20世纪60年代末发展起来的一种新型自动化控制装置。最早用于代替传统的继电器控制装置，功能上只有逻辑运算、定时、计数以及顺序控制等，而且只能进行开关量控制。近年来，PLC把计算机技术、自动化技术和通信技术融为一体，发展成新型的工业控制器，其控制功能已远远超过逻辑控制的功能。
国际电工委员会（IEC）对PLC定义为："可编程序控制器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。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。"
1.PLC的组成。PLC实质上是一种专用工业控制计算机，其组成包括硬件和软件两大部分。
PLC的硬件包括基本组成部分、I/O扩展部分和外部设备三大部分。
基本组成部分是构成PLC的最小系统，包括CPU及存储器、输入接口、输出接口、电源等。
（1）CPU负责输入输出处理、程序解算、通信处理等；
（2）存储器分为系统存储器和用户存储器，系统存储器用来存放PLC的系统软件，用户存储器用来存放用户程序及I/O状态；
（3）输入/输出接口亦称I/O接口，输入接口用于采集操作开关或现场设备的信号，送给CPU处理，CPU根据解算程序的结果，将控制信号送给输出接口，输出接口将控制信号转达换成电压或电流信号驱动现场设备；
（4）电源用来供给PLC所必须的电源。
I/O扩展部分是为系统扩展输入、输出点数（端子数）而设计的。
外部设备是开发PLC控制系统（主要是设计、调试应用程序）的辅助设备。主要有：编程器、EPROM写入器、磁带机、打印机、监视器等。
PLC软件是指PLC工作所使用的各种程序的集合，包括系统软件和应用软件两大部分。
系统软件也称系统程序，是由PLC生产厂家编制、用于管理、协调PLC各部分工作，充分发挥PLC的硬件功能，方便用户使用的通用程序。通常被固化在ROM中，与机器的其他硬件一起提供给用户。
应用软件是客户根据系统控制的需要，用PLC的语言编写的程序。同一台PLC配上不同的应用软件即可以完成不同的控制任务。应用软件常存在RAM中，并用锂电池进行掉电保护。对于不经常变动的应用软件，可固化在PLC机提供的EPROM模块中，或者存于盒式磁带中。
PLC机插装有用户程序的EPROM模块时，则执行EPROM模块中的程序；PLC机不插EPROM模块，则执行RAM区的用户程序。
2.PLC的基本技术指标
（1）存储器容量。一般用K字节（KB）、K位来表示。IK=1024。
在PLC中，程序指令按"步"存放。一"步"占用一个地址单元，一个地址单元一般占用两个字节，因此，如果有一个PLC内存容量为1000步，可以推知其内存约为2000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。
（3）I/O点数。I/O点数是指PLC外部输入、输出端子总数，这是PLC最重要的一项技术指示。
（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。PLC作为一种新型的工业控制器具有以下特点：
（1）控制程序可变，具有良好的柔性。当生产工艺改变或生产设备更新时，无须改变硬件而只要改变相应的程序即可。
（2）采用面向过程的语言，编程方便。目前大多数PLC都使用清晰直观的梯形图指令RLL语言或图形化编程语言SFC。
（3）功能完善。现代PLC不仅具有逻辑运算、算术运算、定时、计数及顺序控制等基本功能，还可以提供数据传送、矩阵处理、PID调节、ASCII码操作、远程I/O、运动控制、网络通信等高级功能，还可以使用高级语言（C语言、BASIC语言等）编写子程序嵌入到PLC程序中执行。
（4）扩充方便，配置灵活。当前PLC系统提供了各种不同功能的模块和扩充单元，I/O点数可以从几十点直到上万点，甚至可以构成适应网络相互通信的多主机分布式控制系统。
（5）系统构成简单，安装调试方便。需要组成系统时，用简单的编程方法将程序写入存储器内，接上相应的输入输出，便可构成一个完整的控制系统。它的输出可以直接驱动执行机构，从而大大地简化了硬件接线，减少了设计和施工工作量。由于采用了模块化结构，也使维修工作更加方便。
（6）可靠性高。可编程控制器使用大规模集成电路，和具有很多触点的继电器系统比较，可靠性要高得多。而且在PLC的设计中采用了容错技术。因此，它的平均无故障时间（MTBF）超过20000小时，而平均修复时间（MTTR）则小于10分钟。另外，在PLC的输出输入中采用屏蔽、滤波、隔离、电源高速等措施，大大提高了抗工业环境干扰的能力，可靠性很高。
（二）PLC在数控机床的应用
在中、高档数控机床中，PLC是CNC装置的重要组成部分。其作用是：接收来看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。
PLC有两种类型，即内装型和独立型。
1.内装型PLC。它与独立型PLC相比较具有如下特点：
（1）内装型PLC的性能指标由所从属的CNC装置的性能、规格来确定。它的硬件和软件部分被作为CNC装置的基本功能统一设计，具有结构紧凑、适配性等优点。
（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点数较少；后者由于有独立的微处理器，多用于顺序程序复杂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，也可以单独制成一块附加印刷电路板，供用户选择。
（5）内装型PLC使用CNC装置本身的I/O接口电路。
（6）采用内装型PLC造价低，具有较高的性能/价格比。
2.独立型PLC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发通用型PLC。
（2）CNC和PLC装置均有自己的I/O接口电路，需将PLC与CNC装置以及PLC与机床侧对应的I/O信号的接口电路连接起来。
（3）可以扩大CNC的控制功能。在闭环（或半闭环）数控机床中，采用D/A和A/D模块，可以实现对伺服装置的直接控制，从而可以形成两个以上的附加轴控制，扩大了CNC的控制功能。
（4）在性能/价格比上不如内装型PLC。
总的来看，单微处理器的CNC装置采用内装型PLC为多，而独立型PLC主要用在多微处理器CNC装置，FMC或FMS、FA、CIMS中，具有较强的数据处理、通信和诊断功能，成为CNC与上级计算机联网的重要设备。单机CNC系统中的内装型和独立型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。
（三）PLC在工业控制中应用简述
PLC除了在CNC中使用外，还广泛用于治金、机械、石油化工、能源交通乃至娱乐等各行业。
1.PLC的应用类型
（1）顺序控制和开关逻辑控制类型。这是最基本控制方式，已取代了传统的继电器逻辑控制，用于单机、多机群控和生产自动线。它首先对输入的开关量或模拟量进行采样，然后按用户编制的顺序控制程序进行运算，再通过输出电路去驱动执行机构实现顺序控制。
（2）一个具有PID（比例、微分、积分）控制能力的PLC可用于过程控制，把变量保持在设定值上。
（3）组合数字控制类型。在机械加工中，将具有数据处理功能的PLC和CNC组成一体，实现数字控制。
（4）组成多级控制系统类型。在分层分布式控制的全自动化系统，如PMC、FMS、CIMS中，基层由中小型PLC和CNC等控制设备组成，中层由大型PLC进行单元控制与监督，上层由上位计算机做总体管理。PLC之间、PLC与上级计算机之间采用快速光纤数字通信。为适应多任务、多微处理器并进处理，实现实时控制，协调梯形图和BASIC程序之间的相互关系，以及位、字处理和I/O中断处理，还增设有联机文件管理和对执行出错的恢复等功能。
（5）控制机器人的类型。选用PLC可对具有3-6个自由度的机器人进行控制。
2.PLC在位置控制中的应用。PLC制造厂商提供驱动步进电动机或伺服电动机的单轴或多轴位置控制模块。用户只需通过PLC向位置控制模块设置参数及发出某种命令，位置控制模块即可根据来自现场的监测信号和PLC的命令来调整控制输出，移动一轴或数轴到达目标位置，实现准确定位。当每个轴移动时，位置控制模块能使其保持适当的速度和加速度，确保运动平滑。
位置运动的编程可用PLC语言完成，通过编程器输入。用程序设定速度和加速度参数，控制系统可自动实现阶梯式加减速。可多点定位，并有原点补偿和间隙补偿功能，提高定位精度。可进行手动操作，实现高速点动、低速点动或微动。
PLC的位置控制，特别适用于机床的点位直线伺服控制，常称为辅助坐标运动控制。
第三节数控机床的伺服驱动系统
一、概述
伺服驱动系统简称伺服系统（Serve system），是一种以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。对于数控机床，如果说CNC装置是数控机床的"大脑"，是发布"命令"的"指挥机构"，那么伺服系统便是数控机床的"四肢"，是一种"执行机构"，准确地执行由CNC装置发出的运动命令。
伺服系统的性能在很大程度上决定了数控机床的性能。例如，数控机床的最高移动速度、跟踪精度、定位精度等重要指标，均取决于进给伺服系统的静、动态特性。
（一）伺服驱动系统的分类
按控制对象和使用目的的不同，数控机床伺服系统可分为进给伺服系统、主轴伺服系统和辅助伺服系统。
其中，进给伺服系统用于控制机床各坐标轴的切削进给运动，是一种精密的位置跟踪、定位系统，它包括速度控制和位置控制，是一般概念的伺服驱动系统。
而主轴伺服系统用于控制机床主轴的旋转运动和切削过程中的转矩和功率，一般只以速度控制为主。
辅助伺服系统用在各类加工中心或多功能数控机床中，用来控制刀库、料库等辅助系统，一般多采用简易的位置控制。
按伺服系统调节理论，数控机床的进给伺服系统可分为开环、闭环和半闭环系统。
按驱动部件的动作原理又可将其分为电液控制系统和电气控制系统。其中，电气控制系统按所用驱动元件的类型，又有步进电动机驱动系统、直流伺服电动机驱动系统和交流伺服电动机驱动系统之分。
按反馈比较控制方式，数控机床的进给伺服系统有脉冲比较、相位比较、幅值比较和全数字等伺服系统之分。
（二）数控机床对伺服驱动系统的要求
数控机床对进给伺服驱动的主要要求可归纳如下：
1.高精度。要求伺服系统定准确，即定位误差特别是重复定位误差要小，并且伺服系统的跟随精度高，即跟随误差小。一般定位精度达到μm级，高的要求达到±0.01～±0.005μm。
2.快速响应，无超调。加工过程中，为了提高生产率和保证加工质量，要求加（减）速度足够大，以便缩短伺服系统过渡过程时间。一般电动机速度从零变到最高速，或从最高速降至零，时间在200毫秒以下，甚至小于几十毫秒。
3.调速范围宽。为保证在任何情况下都能得到最佳切削条件，要求进给驱动必须具有足够宽的调速范围（至少达到1：1000，有些高性能系统已能达到1：100000）。而且通常是无级调速。
4.低速大转矩。且具有较强的过载能力。
5.可靠性高，对环境的适应性强，性能稳定，使有寿命长，
平均故障间隔时间（MBTF）长。
数控机床的主轴驱动不同于进给驱动，主轴的工作运动通常为旋转运动。主轴驱动系统不仅应该具有宽的调速范围，而且能在尽可能宽的速度范围内保持恒功率输出。另外，为了满足不同数控机床的加工要求，还对主轴驱动系统提出一些特殊要求，如：1.为了能在数控车床等机床上加工螺纹，要求主轴驱动与进给驱动实行同步控制；2.为了保证端面加工的表面粗糙度，要求数控车床、磨床等机床的主轴驱动系统具有恒线速切削功能；在加工中心上，由于自动换刀的需要，要求主轴驱动系统具有高精度的停位控制功能；有的数控机床还要求主轴驱动系统具有角度的控制功能。
二、步进电动机及其驱动
步进电动机伺服驱动系统主要用于开环位置控制。它由步进电动机驱动电源和步进电动机组成，没有反馈环节。这种系统比较简单，控制比较容易，维修也比较方便，而且控制为全数字的。由于开环系统精度不高，且步进电动机的功率和速度也不高，因此步进电动机驱动系统仅用于小容量、速度低、脉冲当量和精度不太高的经济型数控机床和电加工机床、计算机的打印机、绘图仪等外部设备。
（一）步进电动机
步进电动机是一种将电脉冲信号转换成角位移（或直线位移）的执行元件。这种电动机，每施加一个电脉冲，其转轴就转过一个角度，称为一步。脉冲数增加，角（或直线）位移随之增加；脉冲频率高，电动机旋转速度就快，反之则慢；分配脉冲的相序改变，电动机便反转。该电动机绕组所加电源既不是恒定直流，也不是正弦交流，而是脉冲电压，所以有时也称为脉冲电动机。
步进电动机具有独特的优点：
（1）步进电动机的转速主要取决于脉冲的频率，移动的总位移取决于总的脉冲数。其步距值不受各种干扰因素的影响。
（2）步距误差不长期积累。步进电动机每走一步所转过的角度（实际步距值）与理论步距值之间总有一定的误差。从某一步到任何一步，也总会有一定的累积误差，但每转一圈的累积误差为零。
（3）控制性能好。起动、停止、反转及其他任何运动方式的改变，都在少数脉冲内完成。在一定的频率范围内运行时，任何运动方式都不会丢步。
步进电动机的种类很多，有多种分类方法。若按工作原理分类，则可将步进电动机分为：
反应式（磁阻式）步进电动机
电磁式步进电动机
永磁式步进电动机
永磁感应子式步进电动机。
其中反应式和永磁感应子式步进电动机比较常用。
1.反应式步进电动机。电动机定子有A、B、C三对磁极。在相对的磁极上绕有A、B、C三相控制绕组。
转子上相邻两齿所对应的空间角度为齿距角。齿距角为：
（5-1）
式中 --转子齿数。
当A、B、C三对磁极的绕组依次轮流通电时，则A、B、C三对磁极就依次轮流产生磁场吸引转子转动。
首先，当A相绕组通电，B、C两相断电时，转子的齿1、3分别被定子磁极 吸引而对齐。
然后，A相断电，B相通电，于是转子的2、4两齿被定子磁极 吸引，这时转子逆时针转了 。
接下去B相断电，C相通电，转子1、3齿与定子磁极 轴线对齐，转子又逆时针转过了 。
这种按A→B→C→A→B→C→A…顺序轮流通电的方式称为三相单三拍。"三相"是指定子有三相绕组A、B、C，"单"是指每次只有一相绕组单独通电，"三拍"是指经过三次经过切换控制绕组的通电状态为一个循环。每一拍，即输入一个脉冲信号，都使转子转过一个角度，称之为步距角 。其计算公式如下：
（5－2）
式中：N--运行拍数， ；
m--步进电动机的相数；
--步进电动机转子的齿数
K--与通电方式有关的系数，是拍数与相数比例系数，如单拍或双拍时k=1，单、双拍时K=2。上述三相单三拍反应式步进电动机的步距角 时为：
实际应用中三相单三拍运行方式很少采用，因为这种运行方式每次只有一相绕组通电，容易使转子在平衡位置附近产生摆动，因而稳定性不好。同样的步进电动机可以采用三相单、双拍通电方式，通电顺序为A→AB→B→BC→C→CA→A……三相绕组经过六次切换完成一个循环，因而称为六拍。在一个循环内既有一相绕组单独通电又有两相绕组同时通电，因此称为"单、双拍"。
步进电动机的转子齿数多，齿距角就小，步距角也就越小，位置精确度就越高。由式5－2可看出，转子齿数多，步距角就小。除三相反应式步进电动机外，还有四相、五相、六相反应式步进电动机。
由于输入一个脉冲，转子转过 转，脉冲电源频率为f,则步进电动机的转速为：
（5-3）
式中：f--控制脉冲频率，即步进电动机每秒接收的脉冲数；
N--运行拍数；
转子齿数。
2.永磁感应子式步进电动机由定子和转子两大部分组成。它的定子分为若干极，极上有齿和控制线圈。转子由环行磁钢及两段铁芯组成，环形磁钢在转子的中部，轴向充磁。
由于它的磁路内含有永久磁钢，故当定子绕组断电后仍具有一定的定位转矩。而从定子或转子导磁体来看，又像反应式步进电动机，故称为永磁感应子式步进电动机，又称为混合式步进电动机。
永磁感应子式步进电动机是步进电动机的最新发展，从发展趋势来看，它将取代反应式步进电动机。
3.步进电动机的主要性能指标。步进电动机的主要性能指标有：
（1）步距精度。空载时，以单脉冲输入，步进电动机的实际步距角与理论步距角之差称为静态步距角误差，以偏差的角度或相对百分数来衡量。我国生产的步进电动机的步距精度一般在±10～±30分的范围，有些可达±2～±5分。
（2）最大静转距。转子处于静止状态时，能与最大负载转矩相平衡的电磁转矩称为步进电动机的最大转矩。它是衡量步进电动机带负载能力的主要指标。
（3）起动频率。使步进电动机能够由静止定位状态不失步地起动，并进入正常运行的控制脉冲最高频率，称为起动频率。在电动机空载情况下，称为空载起动频率。在有负载情况下，不失步起动所允许的最高频率将大大降低。
（4）连续运行频率。步进电动机起动后，其转速将跟随控制脉冲频率连续上升而不失步的控制脉冲的最高频率，称为连续运行频率的最高工作频率。步进电动机的连续运行频率随负载的增大而下降，但步进电动机连续运行频率远高于其起动频率。
（二）步进电动机驱动电源，必须使其定子励磁绕组顺序通电，并具有一定功率的电脉冲信号，步进电动机的运行性能是步进电动机和驱动电源的综合体现。
驱动电源应该满足以下基本要求：
1.电源的相数、通电方式、电压、电流应与步进电动机的基本参数相适应；
2.能满足步进电动机起动频率和运行频率的要求；
3.工作可靠，抗干扰能力强；
4.成本低，效率高，安装和维护方便。
驱动电源通常由环形分配器和功率驱动器组成。
环形分配器的功能将CNC装置的插补脉冲，按步进电动机所要求的规律分配给功率驱动器的各相输入端，以控制步进电动机励磁绕组的导通或关断。由于电动机有正反转要求，所以环形分配器的输出是周期性的，又是可逆的。
功率驱动器或称功率放大电路其主要作用是将环形分配器输出的脉冲信号放大，以使用足够的功率来驱动步进电动机。
三、直流伺服电动机及其速度控制
以直流伺服电动机作为驱动元件的伺服系统即为直流伺服系统。直流伺服电动机具有良好的调速性能，尤其是他励（永磁）直流伺服电动机，其机械特性比较硬，即负载增加时，电动机转速的降幅很小。
（一）直流伺服电动机
数控机床直流主轴驱动系统中所用的直流主轴电动机与普通直流电动机基本相同。而在直流进给伺服驱动系统中，永磁直流伺服电动用得较为普遍。
1.直流主轴电动机。直流主轴电动机的结构与普遍直流电动机的结构基本相同。其定子也有主磁极和换向磁极，采用矽钢片叠成。
在主磁极上除了绕有主磁极绕组外，还绕有补偿绕组，其作用是为了抵消转子反应磁动势对气隙主磁通的影响，改善电动机的调速性能。
换向磁极的作用是为了改善电动机的换向性能。
直流主轴电动机都采用轴向强迫通风冷却或热管冷却，以改善冷却效果，避免电动机热量传到主轴。
电动机尾部还同轴安装有测速发电机作为速度反馈元件。
直流主轴电动机的转矩一速特性曲线图中，曲线1为p－n曲线、曲线2为T－n曲线。由图可见，在基本速度 以下为恒转矩范围，在基本速度 以上为恒功率范围。通常恒转矩速度范围与恒功率速度范围之比为1:2。
直流主轴电动机一般都能承受150%的过载载荷。
2.进给直流伺服电动机。在数控机床的直流进给伺服驱动系统中，多采用永磁直流伺服电动机作为驱动元件。
永磁直流伺服电动机由电动机本体和检测部件组成。电动机本体主要由机壳、定子磁极和转子三部分组成。反馈用的检测部件有高精度的测速发电机、旋转变压器以及脉冲编码器等，它们同轴安装在电动机的尾部（非轴伸出端）。
永磁直流伺服电动机的定子磁极是一个永磁体。
永磁直流伺服电动机的转子分为普通型和小惯量型两类。与一般直流电动机相比，转子铁芯长度对直径的比大些，气隙小些。
小惯量型转子又可分无槽转子、空心杯形转子和印刷绕组转子。三种小惯量型转子直流伺服电动机的共同特点是转子惯量小，适合于快速响应的伺服系统。但其过载能力低，当用于数控机床等进给伺服系统中时，由于转子惯量与机械传动系统匹配较差，电动机械传动系统不能直接相连，必采取一些措施。
普通型转子永磁直流伺服电动机与小惯量型转子直流伺服电动机相比，具有以下一些特点：
（1）低速时输出的转矩大，惯量比较大，能与机械传动系统直接相连，省去齿轮等传动机构，从而有利于减小机械振动和噪声，以及齿隙误差。
（2）转子的热量大，电动机的过载性能好，一般能加倍过载几十分钟。
（3）调速范围宽，当与高性能速度控制单元组成速度控制系统时，调速范围可达1:1000以上。
（4）转子惯量比较大，为了满足快速响应的要求，需要加大电动机的加速转矩，为此需要加大电源容量。
（5）转子温升高（电动机允许升可达150～1800 C）可通过转轴传到机械上去，这会影响精密机械的精度。
永磁直流伺服电动机的转矩一速度特性曲线，又叫工作曲线。伺服电动机的工作区域被温度极限线、转速极限线、换向极限线、转矩极限线以及瞬时换向极限线划分成三个区域：Ⅰ区为连续工作区，在该区域内转矩和转速的任意组合都可以长时间连续工作。Ⅱ区为断续工作区，在该区域内电动机只能按允许的工作时间和断电时间歇工作。Ⅲ区为加速和减速区，在该区域内电动机只能作加速或减速，工作极短的时间。
（二）直流伺服电动机的速度控制方法
1.直流主轴电动机的速度控制。直流主轴电动机为他励直流电动机，电动机的电磁转矩可以表示为：
（5－4）
式中： --转矩系数，是电动机的结构常数；
φ--励磁磁通（wb）；
--转子回路电流（A）。
由于电磁转矩中的两个可控量和 是互相独立的，所以可以方便地分别进行调节。而且这种关系无论在静态还是在动态都成立，这就保证了电动机的良好的静、动态转矩控制特性、从而得到优良的调速性能。
直流主轴电动机的调速系统为双域调速系统，由转子绕组控制回路和磁场控制回路两部分组成。在转子绕组控制回路中，通过改变转子绕组电压（即外加电压）调速，适于基本速度以下的恒转矩范围。在磁场控制回路中，通过改变励磁电流 （即改变磁通φ）调速，为恒功率调速，适于基本速度以上的恒功率范围。
2.永磁直流伺服电动机的速度控制。用于数控机床进给伺服系统中的永磁直流伺服电动机多采用改变外加电压的调速方法。这是因为这种调速方法具有恒转矩调速特性、机械特性好、经济性能好等特点。常采用的调速系统有两种，即晶闸管调速系统和晶体管脉宽调制（PWM－Pulse Width Modulation）调速系统。现代数控机床的直接进给伺服系统中多采用晶体管脉宽调制调速系统。
所谓脉宽调制调速，就是将直流电压转换成某一频率的矩形波电压，加到直流电动机转子绕组两端，通过对矩形波脉冲宽度的控制，改变转子绕组两端的平均电压，从而达到调节电动机转速的目的。
四、交流伺服电动及其速度控制
直流伺服电动机具有优良的调速性能，但它的电刷和换向器容易磨损，需要经常维护；由于换向器换向时会产生火花而使最高转速受到限制，也使应用环境受到限制；直流电动机结构复杂，制造困难，成本高。因此，20世纪80年代中期以来，交流伺服电动机得到飞速发展，交流伺服系统正在逐步取代直流伺服系统。
（一）交流伺服电动机
交流伺服电动机分为同步型和异步型两大类。
异步型交流伺服电动机也称交流感应伺服电动机。数控机床的主轴驱动系统中所采用的交流主轴电动机为经过专门设计的鼠笼式感应电动机。
同步型交流伺服电动机有永磁式和励磁式两种。数控机床的进给伺服驱动系统中多采用永磁交流伺服电动机，这是因为这种电动机尽管体积稍大一些，但其结构简单，运行可靠，效率较高；若采用变频电源供电，则可方便地获得与频率成正比的可变转速，并可得到非常硬的机械特性及宽的调速范围。
1.交流主轴电动机。交流主轴电动机是经过专门设计的鼠笼式三相异步电动机。它的特点是：
没有外壳，定子铁芯直接暴露在空气中，而且有轴向通风孔，以利于电动机冷却、缩小电动机体积。
2.转子做成细长型，以便减小转子的转动惯量。
3.尾部都同轴安装有脉冲发生器（或脉冲编码器）。
4.外形呈多边形，而不是圆形。
交流主轴电动机的功率一速度特性曲线与直流主轴电动机相类似，在基本速度以下为恒转矩区域，在基本速度以上为恒功率区域。恒功率的速度范围只有1:3的速度比，当速度超过一定值后，功率一速度特性曲线会向下倾斜。
交流主轴电动机也具有一定的过载能力，一般能在额定负载的1.2～1.5倍负载下工作几分钟至半个小时。
2.永磁同步交流伺服电动机。主要由定子、转子和检测部件三部分组成：
定子形状与普通感应电动机的定子相似，具有齿槽，内有三相绕组，外表面多呈多边形，且无外壳，这样有利于散热。
转子由多块永久磁铁和冲片组成。
当定子三相绕组接上电源后，就产生一个旋转磁场，该旋转磁场以同步转速 旋转，并且与转子的永磁磁极互相吸引，从而带动转子一起旋转。当转子加上负载转矩后，将造成定子磁场轴线与转子磁场轴线不重合，有一个θ角。随着负载增加，θ角也随之增大。当负载减少时，θ角也随之减小。只要负载不超过一定限度，转子始终跟着定子的旋转磁场以恒定的同步转速 旋转。
转子转速为：
（5－5）
式中： --转子转速；
--定子旋转磁场转速；
f--电源频率；
P--磁极对数。
交流伺服电动机的性能用特性曲线和数据表来描述。其中最重要的是电动机的工作曲线，即转矩一速度特性曲线。在曲线的连续工作中，速度和转矩的任意组合都可连续工作。但连续工作区的划分要受到以下两个条件的限制：
（1）供给电动机的电流是理想的正弦波；
（2）温度变化则曲线不同。
交流伺服电动机的机械特性要比直流伺服电动机的机械特性更硬，其直线更接近水平线。另外，断续工作区的范围更为扩大，尤其是在高速区域，这将有利于提高电动机的加、减速能力。
（二）交流伺服电动机的速度控制方法
1.交流主轴电动机的速度控制。交流主轴电动机广泛采用矢量控制调速方法。现简要说明如下：
直接主轴电动机的被控变量是励磁电流 和转子绕组电流 ，它们是相互独立的，并且是只有大小和正负变化的标量，因而可以很方便地分别进行控制，所组成的双域速度控制系统为标量控制系统，结构简单，易实现。这就是直流主轴电动机能够得到良好的动态调速性能之原因所在。
对于交流主轴电动机、气隙磁通和转子电流不是独立变量，它们都是转差率S的函数，无法分开进行独立控制。另外，被控量是既有大小又有相位的矢量，比标量难控制得多。
由此可见，要改善交流主轴电动机的控制性能，应该设法将被控制量从矢量转换为标量。通过这种转换，将交流电动机模拟成直流电动机来控制其转矩，从而获得高动态调速性能。这就是交流电动机矢量控制调速。交流矢量的直流标量化可以使交流电动机获得与直流电动机同样优越的调速性能。
2.永磁同步交流伺服电动机的速度控制。永磁同步交流伺服电动机转子转速如式（4－7）所示，即
可见，可以通过改变电动机电源频率来调速。该方法可以实现无级调速，能够较好地满足数控机床的要求。
变频调速的关键环节是能为电动机提供变频电源的变频器。变频器分为交一直一交变频器和交一交变频器两种。交一直一交变频器又称为带直流环节的间接式变频器，它先将电网交流电通过整流变为直流电，再经过电容或电感或电容、电感组合电路滤波后供给逆变器。逆变器输出是电压和频率可调的交流电。交一交变频器又称为直接式变频器，它不经过中间环节，直接将一种频率的交流电变换为另一种频率的交流电。目前应用比较多的是交一直一交变频器，而且逆变器多采用PWM型。
可以采用不同的方案来实现永磁同步交流伺服电动机的调速控制，常见的有自同步控制变频调速，电流控制调速和矢量控制调速等。
第四节工业机器人
国家标准GB/T12643－90将工业机器人定义为：工业机器是一种能自动定位控制，可重复编程的，多功能的、多自由度的操作机。能搬运材料、零件或操持工具，用以完成各种作业。
工业机器人不同于机械手。工业机器人具有独立的控制系统，可以通过编程实现动作程序的变化；而机械手只能完成简单的搬运、抓取及上下料工作，它一般作为自动机或自动线上的附属装置，工作程序固定不变。
一、工业机器人的组成和分类
（一）工业机器人的组成
工业机器人一般由操作机、驱动装置和控制系统三部分组成。
1.操作机。操作机也称执行机构，由末端执行器、手腕、手臂和机座组成。
末端执行器又称手部，是操作机直接执行操作的装置。其上可安装夹持器、工具、传感器等。夹持器分为机械夹紧、磁力夹紧、液压张紧和真空抽吸四种。
手腕是连接手臂与末端执行器的部件，用来支承末端执行器并调整其资态。手腕一般有2～3个回转自由度，可扩大手臂的工作范围。
手臂用于支承和调整手腕和末端执行器。它由连接杆件和关节组成，包括肘关节和肩关节。手臂与机座间通过关节边接，从而可扩大末端执行器姿态的动动范围。
机座是承力部件，在机器人中相对固定。有固定式机座和移动式机座。移动式机座下部的行走机构可以是滚轮或履带。步行机器人的行走机构多为连杆机构。
2.驱动装置。驱动装置为操作机工作提供动力。按所采用的动力源分为电动、液动和气动三种类型。其执行部件（伺服电动机、液压缸或所缸）可以与操作机直接相连，也可以通过齿轮、链条和谐波减速器与操作机连接。
3.控制系统。控制系统分为开环控制系统和闭环控制系统，其功能是控制工业机器人按照要求动作。目前，工业机器人多采用计算机控制。计算机控制系统一般分为三级：
决策级--识别环境，建立模型，将作业任务分解为基本动作序列；
策略级--将基本动作转变为关节坐标协调变化的规律，分配给各关节的伺服系统；
执行级--将基本动作转变为关节坐标协调变化的规律，分配给各关节的伺服系统；
（二）工业机器人的分类
1.按坐标形式分。
（1）直角坐标为（代号PPP）。机器人末端执行器（手部）空间位置的改变是通过沿着三个互相重直的直角坐标x、y、z的移动来实现的。
（2）圆柱坐标式（代号RPP）。机器人末端招待器空间位置的改变是由两个移动坐标和一个旋转坐标实现的。
（3）球坐标式（代号RRP）。又称极坐标式，机器人手臂的运动由一个直线运动和二个转动组成，即沿x轴的伸缩，绕y轴的俯仰和绕z轴的回转。
（4）关节坐标式（代号RRR）。又称回转坐标式，分为垂直关节坐标和平面（水平）关节坐标。
2.按驱动方式分为电力驱动、液压驱动和气压驱动。
（1）电力驱动。使用最多，驱动元件可以是步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机。目前交流伺服电动机是主流。
（2）液压驱动。有很大的抓取能力（可抓取高达上千年力），液压力可达7Mpa，液压传动平稳，防爆性好，动作也较灵敏，但对密封性要求高，对温度敏感。
（3）气压驱动。结构简单、动作迅速、低格低，但由于空气可压缩而使工作速度稳定性差，气压一般为0.7MPa，因而抓取力小（几十牛力至百牛力）。
3.按控制方式分。
（1）点位控制。只控制机器人末端执行器目标点的位置和姿态，而对从空间的一点到另一点的轨迹不进行严格控制。该种控制方式简单，适用于上下料、点焊、卸运等作业。
（2）连续轨迹控制。不仅要控制目标点的位置精度，而且还要对运动轨迹进行控制。比较复杂。采用这种控制方式的机器人，常用于焊接、喷漆和检测等作业中。
4.按使用范围分。
（1）可编程序的通用机器人。其工作程序可以改变，通用性强。适用于多品种，中小批量的生产系统中。
（2）固定程序专用机器人。根据工作要求设计成固定程序，多采用液动或气动驱动，结构比较简单。
二、工业机器人的特性参数和技术要求
（一）特性参数
1.坐标型式：直角坐标、圆柱坐标、球坐标、关节坐标等。
2.运动自由度数：一般少于6个。
3.各自由度的动作范围
4.自由度的动作速度
5.额定负载
6.精度
表5-2 工业机器人的主要特性参数
（二）技术要求
1.外观和结构。工业机器人要求布局合理、操作方便、造型美观、便于维修；无漏油、漏气现象；润滑冷却情况良好；机构动动应灵活、平稳、可靠。
2.电气设备。动力线与信号线尽可能分开远离，信号线应采用屏蔽、双绞等抗干扰技术；在运动中突然停电后，恢复供电时不得自行接通；非接地处的绝缘电阻不得小于5m ；电子元器件一般应进行老化处理；控制柜应具有良好的通风、散热措施；电源电压波动允许±10%，频率允许50±1HZ。
3.可靠性。采用平均无故障工作时间（MTBF）及可维修时间（MTTR）作为衡量可靠性的指标。具体数值由产品标准规定。
4.安全性。安全性要求应满足《工业机器人安全规范》（ＧＢ11291－89）的规定。
三、工业机器人的编程方式
对于重复操作型机器人，所面对的作业任务比较简单，一般采用示教编程方式编程。
对于动作复杂，操作精度要求高的工业机器人（如装机器人），采用工业机器人语言编程方式编程。
（一）示教编程方式
示教编程分为手反手示教编程和示教盒示教编程。
1.手把手示教编程。实际工作时，工业机器人的控制系统重复再现示教后存储的轨迹和操作技能。这种编程方式主要用于喷漆、弧焊等要求连续轨迹控制的工业机器人中。这种编程方式也能实现点位控制，此时控制系统只记录轨迹终点，移动速度按各段轨迹对应的功能数据输入。
2.示教盒示教编程。
（二）语言编程方式
与计算机编程相同，用程序指令来描述工业机器人的动作。根据工业机器人作业描述水平的高低，可将工业机器人语言分为三类，即动作级语言、对象级语言和任务级语言。
动作级语言是直接记述工业机器人手臂、手腕等动作的语言系统。语句简单，便于编程，但不能进行复杂的数学运算，不能接受复杂的传感信息，通信能力差。
对象级语言主要面向作业对象和装配操作，是一种以描述操作物体间关系为中心的语言系统。这类语言可进行动控制、通信和数学运算，处理传感器信息，具有良好的可扩展性。
任务级语言允许使用者对任务目标直接下达指令，而不必规定任务细节，是比较高级的机器人语言。
第五节FMC与FMS
一、柔性制造单元FMC
柔性制造单元是在加工中心的基础上发展起来的。它增加了机器人或托盘自动交换装置、刀具和工作的自动测量装置、加工过程的监测装置。与加工中心相比，它具有更好的柔性，更高的生产率，可实现某些零件的多品种、小批量的加工。
柔性制造单元是一种在人的参与减到最小时，能连续运转地对同一工件族内不同的工件进行自动化加工的最小单元。
柔性制造单元的构成常有两种形式：
（一）托板存储库式FMC
托板的选定和定位由PLC进行控制。
（二）机器人直接搬运式FMC
这种FMC由加工中心、数控机床配上机器人和工件传输系统组成。有些单元还包括清洗设备在内。
柔性制造单元既可以作为独立使用的加工生产设备，又可作为更大、更复杂的柔性制造系统和柔性自动线的基本组成模块。
二、柔性制造系统FMS
柔性主要是指加工对象的灵活可变性，即可以很容易地在一定范围内从一种零件的加工更换为另一种零件的加工。
柔性制造系统是一组数控机床和其他自动化的工艺设备，由计算信息控制系统和物料自动储运系统有机结合的整体。它可按任意顺序加工一组有不同工序与加工节拍的工件，能适时地自由调度管理，因而这种系统可以在设备的技术规范的范围内自动地适应加工工件和生产批量的变化。
（一）柔性制造系统的基本功能
一般的FMS是基于如下的三个主要功能构成的：
1.自动加工功能（包括检验、清洗等）
2.自动搬运功能；
3.将以上两者综合起来的综合软件功能。
（二）柔性制造系统的组成
1.加工系统。是由加工中心或加工中心与数控机床混合组成的加工设备。机床的配置要满足"互补"和"互替"两方面的要求。
"互补"是指系统需配置完成不同工序的机床（如车、铣、磨……）在工序上互相补充，而不能代替。
"互替"是指一个系统中配置有相同的机床，若其中一台机床有故障，另一台相同工序的机床可以替加工。
除此之外，还有清洗、切屑处理等辅助装置或设备。
2.物流系统。包括工件与刀具夹具的输送、装卸及仓库存储等装置。在 FMS中，工件夹具的存储多用立体仓库，并由仓库计算机进行控制和管理。
3.信息流系统。该系统为协调多台机床加和物料输送的计算系统。
（三）FMS的柔性
FMS的柔性主要表现在以下几个方面：
1.随机加工能力。即同时加工一个以上零件的能力，并且工件在品种、类型、要求或数量方面有变化时，都能很好地适应。
2.容忍故障能力。机床出现故障时，可自动安排其他机床代替，工件运输系统会相应调整工件的运输路线，使之继续运行。
3.工作和生产能力的柔性。
4.系统生产纲领的柔性。
采用柔性制造的主要技术经济效益是：能按装配作业配套要求合理及时地组织零件的加工，减少毛坯和在制品的库存量及相应的流动资金占有量，缩短生产周期，提高设备利用率，减少直接劳动力，提高产品质量的一致性。
三、CIMS概述
当今制造业的变化趋势是：每一个企业都力求达到T（时间）、Q（质量）、C（成本）和S（服务）的最优组合。
CIM是一种工业生产模式，它运用各种最新技术实现企业的住处流、物流及价值流（资金流）的集成和优化运行，是使企业赢得竞争的经营战略思想。
计算机集成制造系统（Computer integrated manufacturing system,CIMS）是按CIM哲理建成的复杂的人机系统，它从企业的经营战略出发，综合考虑企业中人、技术和管理的作用，用各种先进的技术手段，包括计算机硬软件，实现企业生产经营全过程中的信息流和物流的集成，并在产品质量、生产成本、生产周期等方面达到总体优化，为企业带来更大的经济效益。
