数控机床电气控制技术基础教案解读.docx
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数控机床电气控制技术基础教案解读
数控机床控制技术基础
数控11-1班级
第1章绪论
一、数控机床的组成和工作原理
1、数字控制技术：
简称数控（NC）技术，是指用数字化信息对设备运行和生产过程进行控制的一种自动控制技术。
2、数控机床的组成
（1）程序载体
（2）输入输出装置
（3）CNC单元
（4）伺服系统
（5）可编程序控制器（PLC）
（6）位置反馈系统
（7）机床本体
3、数控机床的工作原理
（1）工艺规划
（2）数学处理
（3）编制程序单
（4）输入程序
（5）程序校验与试运行
二、数控机床的特点及分类
1、数控机床的特点
优点：
（1）对零件的适应性强，可加工复杂形状的零件表面
（2）加工精度高，加工质量稳定
（3）生产效率高
（4）良好的经济效益
（5）自动化程度高
缺点：
（1）价格较高，设备首次投资大
（2）对操作、维修人员的技术要求较高
（3）加工复杂形状的零件时，手工编程的工作量大
2、数控机床的应用范围
数控机床的应用范围正在不断扩大，但目前它还不能完全代替普通机床，也还不能以最经济的方式解决机械加工中的所有问题。
数控机床最适合加工具有以下特点的工件：
（1）多品种小批量零件；
（2）形状结构复杂的零件；
（3）需要频繁改型的零件；
（4）价格昂贵、不允许报废的零件；
（5）批量较大精度要求高的零件。
3、数控机床的分类
（1）按工艺用途分类：
普通数控机床、加工中心机床、数控特种加工机床。
（2）按运动方式分类：
点位控制数控机床、直线控制数控机床、轮廓控制数控机床。
（3）按伺服系统的控制方式分类：
开环、闭环、半闭环控制系统的数控机床。
（4）按数控系统的功能水平分类：
经济性数控机床、中档数控机床、高档数控机床
三、数控机床控制技术
1、数控机床控制技术
是集机械技术（精密机械为主）、电子技术、信息技术（包括传感检测）、计算机及软件技术和自动控制等技术为一体的多学科交叉的综合技术。
2、数控机床控制技术的发展趋势
（1）高速化和高精度化
（2）数控系统智能化、信息化
（3）数控系统开放化
第2章液压控制技术
一、概述
液压传动是利用密闭系统中的受压液体作为工作介质来传递运动和动力的一种传动方式。
1、液压传动系统的组成与工作原理
（1）液压千斤顶的工作原理
（2）液压传动系统的组成
①动力元件
②执行元件
③控制调节元件
④辅助元件
⑤工作介质
二、液压传动的特点
1、优点
（1）可输出很大的推力和转矩，且系统结构简单。
（2）能方便地实现无级调速，且调速范围大。
（3）在输出相同功率的情况下，体积小、重量轻、惯性小、结构紧凑。
（4）工作平稳、反应快、冲击小、能快速启动、制动和频繁换向。
（5）操作简单，调整控制方便，便于采用机、电、液联合控制以实现自动化。
（6）液压元件可自行润滑，使用寿命长。
且液压系统易于实现过载保护，使用安全、可靠。
（7）易于实现标准化、通用化、系列化。
便于设计、制造、维修和推广使用。
2、缺点
（1）由于油液的泄漏和可压缩性，故无法保证严格的传动比。
（2）能量损失较大，传动效率较低，不适宜作远距离传动。
（3）液压油对温度的变化敏感，因此不宜在很高或很低的温度条件下工作。
（4）使用和维修技术要求较高，系统出现故障时，不易查找原因。
三、静止液体的性质
静止液体是指液体内部各个质点之间没有相对位移。
1、液体静压力
P=F/A
在SI制中压力的单位为N/m2（牛/米2）或Pa（帕斯卡）。
1MPa=103kPa=106Pa
2、液体静压力的特性
①液体的压力沿着内法线方向作用于承压面，即静止液体承受的只是法向压力，而不承受剪切力和拉力。
②静止液体内任一点处所受到的静压力在各个方向上都相等。
3、压力的表示方法
以绝对真空（P=0）作为基准所表示的压力，称为绝对压力。
以大气压力作为基准所表示的压力，称为相对压力。
大多数压力表测量得到的压力都是相对压力。
相对压力=绝对压力-大气压力
4、静压力的传递
在密闭容器中由外力作用在液面上的压力能等值的传递到液体内部的所有各点，这就是帕斯卡原理，或称为静压力传递原理。
结论：
液压系统的工作压力决定于外负载。
四、流动液体的性质
1、流量单位时间流过某一通流截面的液体体积称为流量。
qv=V/t单位为m3/s或L/min
2、平均流速液体在管中流动时，在同一截面上各点的流速是不相等的，分布规律为抛物线体。
平均流速是指液流质点在单位时间内流过的距离。
v=s/t=qv/A
结论：
液压系统中执行元件的运动速度由液体的流量决定。
3、连续性方程
v1A1=v2A2=常数
五、液压元件
（一）液压动力元件
液压泵是液压系统的动力元件，它把原动机输入的机
械能转换成为输出油液的压力能。
1、液压泵概述
（1）液压泵的工作原理
液压泵正常工作必备的条件：
1、必须具有连续可变的密封容积V，当V由小变大时泵处于吸油状态；当V由大变小时泵处于压油状态。
2、必须具有配油装置，在保证吸压油腔严格分开的前提下，泵吸油腔通油箱，压油腔通系统。
3、油箱必须与大气相通。
（2）液压泵的主要类型
按结构分：
齿轮泵，叶片泵，柱塞泵等。
按输出流量可调性分：
定量泵，变量泵
（3）液压泵的图形符号
（4）液压泵的性能参数
①压力是单位面积上所受力的大小。
p=F/A
②泵的排量和流量
排量V：
泵轴一转泵向外排出液体体积。
流量q：
单位时间内泵向外输出液体体积
理论流量qt=Vn
实际流量q=qt-Δq
由于存在泄漏，所以qt＞q
③液压泵的功率和效率
功率P：
单位时间内所做的功
P=Fv=pA×q/A=pq
④效率
容积效率：
ηv=q/qt
q=nVηv
机械效率：
ηm=Tt/T=pqt/2πnT
总效率：
η=P0/PI=ηvηm
2、齿轮泵（定量泵）
（1）齿轮泵的工作原理
①密封容腔：
由齿轮各齿间槽、泵体和前、后泵盖形成；
轮齿脱开啮合—V↑—P↓—吸油
轮齿进入啮合—V↓—P↑—压油
②齿轮啮合线：
将吸、压油腔分开；
③油箱与大气相通。
齿轮泵的特点：
优点：
结构简单，尺寸小，重量轻，制造方便，价格低廉，工作可靠，自吸能力强，对油液污染不敏感，维护容易，所以应用比较广泛。
缺点：
流量脉动大，噪声大。
（2）齿轮泵的结构特点
①低压齿轮泵的结构
②径向力不平衡
齿轮泵工作时，齿轮外圈径向力由压油腔到吸油腔逐级降低，使齿轮压向一侧。
危害：
a:
轴弯曲变形，轴承磨损加快，寿命下降；
b:
齿顶与泵体内壁摩擦。
（擦壳）
措施：
a:
缩小压油口；F=PA
b:
适当增大齿顶与泵体内壁的径向间隙。
δ=0.13～0.16mm。
因径向泄漏方向与齿轮旋转方向相反，泄漏不会增加太多
③困油现象
为使齿轮泵运转平稳，要求齿轮啮合的重叠系数ε>1，即当前一对轮齿尚未脱开啮合时，后一对轮齿已经进入啮合，在这一小段时间内，同时有两对轮齿啮合，在两对啮合轮齿之间便形成了一个密闭容积V闭。
危害：
a:
V闭由大变小油液受挤，压力增加，齿轮、轴承承受极大的附加载荷，寿命下降。
b:
V闭由小变大因已挤出部份油液形成局部真空，产生气蚀现象，引起振动，噪声。
措施：
在泵盖上铣两个困油卸荷槽（但必须保证吸、压油腔严格分开）
④泄漏
泄漏途径：
轴向间隙处——Δq占总泄漏量的75%~80%
径向间隙处——Δq占总泄漏量的15%~20%
啮合线间隙处——Δq占总泄漏量的5%
结论：
齿轮泵因其泄漏量大故容积效率低。
3、叶片泵
（1）双作用式叶片泵（定量泵）
（2）单作用式叶片泵（变量泵）
单作用式叶片泵结构复杂、轮廓尺寸大、相对运动部件多、泄漏大，转子上受到不平衡的径向力作用，噪声较大，效率比双作用式叶片泵低，但它能按负载大小自动改变偏心距，从而调节输出流量，功率应用较合理。
4、柱塞泵
柱塞泵是依靠柱塞在缸体内往复运动，使密封容积产生变化，来实现吸油和压油的。
由于柱塞和缸体内孔均为圆柱孔，因此加工方便、配合精度高、密封性能好、容积效率高，故柱塞泵具有压力高、结构紧凑、效率高、流量调节方便等优点。
柱塞泵按柱塞的排列方式分为径向柱塞泵和轴向柱塞泵两种，而以轴向柱塞泵的应用更为广泛。
5、液压泵的选用
选择液压泵首先应根据设备的工作情况、工作性能要求等确定液压泵的类型，然后按系统所要求的压力、流量大小确定其规格型号。
（二）液压执行元件
1、液压马达
（1）主要性能参数
①液压马达的容积效率:
ηV=nV/q
②液压马达的输出转速:
n=qηV/V
③理论输出转矩：
Tt=pV/2π
④机械效率:
ηm=T/Tt
⑤转矩:
T=ηmTt=pVηm/2π
⑥总效率：
η=ηmηV
（2）叶片式液压马达
①叶片径向放置，因为马达需要正反转。
②叶片根部设有弹簧，且与压力油相通,为保证有足够的启动力矩。
③改变输油方向，可使转轴反转。
图形符号:
2、液压缸
（1）活塞缸
①双杆活塞缸
v=q/A=4q/π（D2-d2）
F=pA=pπ（D2-d2）/4
结论：
两个方向的F、V均相等。
应用：
用于要求往复运动的F、V均相等的场合。
②单杆活塞缸
a:
无杆腔进油时：
F1=pA1=pπD2/4
v1=q/A1=4q/πD2
b:
有杆腔进油时：
F2=pA2=pπ（D2-d2）/4
v2=q/A2=4q/π（D2-d2）
结论：
V1＜V2F1＞F2
用于一个方向有较大的负载但速度小，另一个方向空载但快速退回的设备。
c:
差动连接：
F3=pπd2/4
v3=4q/πd2
（2）柱塞缸
由于柱塞由导向套导向，与缸筒内壁不接触，因而缸筒内壁不需加工，工艺性好，结构简单，制造容易，常用于工作行程较长的龙门刨床、导轨磨床和拉床等设备的液压系统中。
（3）摆动缸
摆动缸用于将油液的压力能转换为叶片及输出轴往复摆动的机械能。
摆动缸常用于工夹具夹紧装置、送料装置、间歇进给机构等的液压系统中。
（三）液压控制元件
1、方向控制阀
方向控制阀主要用来接通与断开油路或改变液流方向，它分为单向阀和换向阀两类。
（1）单向阀主要作用是控制油液单向流动。
对单向阀的主要性能要求是：
正向流动时压力损失小，反向截止时密封性好。
a:
普通单向阀b:
液控单向阀
（2）换向阀
换向阀的作用是利用阀芯位置的移动来改变阀体上各油口
的通、断状态，从而控制油路的连通、断开和改变方向。
分类:
①按阀芯相对于阀体的运动方式分：
滑阀、转阀；
②按阀的操纵方式不同分：
手动、机动、电磁动、液动、电液动等；
③按阀芯位置数不同分：
二位、三位、多位；
④按阀体上进出油口数目不同分：
二通、三通、四通、五通等；
⑤按阀的安装方式不同分：
板式、管式、法兰式等。
图形符号:
①用方框表示工作位置，方格数即“位”数，三格即三位。
②箭头表示两油口连通，但不表示流向。
“⊥”表示油路截止。
在一个方格内，箭头或“⊥”符号与方格的交点数为油口的通路数，即“通”数。
③P表示压力油的进口，T表示与油箱连通的回油口，A、B表示连接其他工作油路的油口。
④控制方式和复位弹簧的符号应画在方框两侧。
图2.26所示为常见的换向阀操纵方式图形符号。
⑤三位阀的中位和两位阀的弹簧位为常态位。
在液压系统原理图中，换向阀的符号与油路的连接一般应画在常态位上。
2、压力控制阀
压力控制阀是利用作用于阀芯上液压力与弹簧力相平衡的原理来控制系统压力的，常用的压力控制阀有溢流阀、减压阀和顺序阀等。
（1）溢流阀
溢流阀按结构不同分为直动式和先导式两种。
其主要作用是调压溢流、安全保护以及使泵卸荷等。
（2）减压阀
减压阀是利用
油液流过缝隙
时产生压降的
原理，使系统
某一支油路获
得比系统压力
低而平稳的压
力油的液压阀。
减压阀有直动式和先导式两种，而以先
导式应用较广。
（3）顺序阀
顺序阀是利用油
路中压力的变化控制
阀口启闭，以实现执
行元件顺序动作的液
压元件。
它也分为直
动式和先导式两种，
一般先导式用于压力
较高的场合。
（4）压力继电器
压力继电器是使油液压力达到预定值时发出电信号的液—电信号转换元件。
3、流量控制阀
流量控制阀是通过改变阀口通流面积来调节通过阀口流量，从而控制执行元件运动速度的控制阀。
常用的流量控制阀有节流阀和调速阀。
（1）节流阀
（2）调速阀
调速阀是由定差减压阀1和节流阀2串联而成的组合
阀。
调速阀适用于负载变化较大、速度稳定性要求较高
的机床液压系统，如组合机床、车床、铣床等设备的液
压系统。
（四）液压辅助元件
液压系统中的辅助元件包括：
管件、滤油器、测量仪表、密封装置、蓄能器、油箱等，它们是液压系统的重要组成部分，选择和使用不当，会直接影响系统的工作性能和元件的寿命。
1、管件与油箱
2、滤油器
3、测量仪表
4、密封装置
5、蓄能器
三、液压基本回路
（一）方向控制回路
1、换向回路
（1）采用换向阀的换向回路
（2）采用双向变量泵的换向回路
2、锁紧回路
锁紧回路能使液压缸在任何位置停止，且停止后不会因外力作用发生位置移动。
采用液控单向阀的锁紧回路，由于液控单向阀的密封性能好，泄漏极少，故锁紧的精度主要取决于液压缸的泄漏。
（二）压力控制回路
压力控制回路是利用压力控制阀来控制系统或系统某一
支路的压力，以满足执行元件对力和转矩的要求的回路。
1、调压回路
①调压溢流在定量泵系统中，在液压泵出口处设置与泵并联的溢流阀，调节溢流阀弹簧的预紧力就可调节系统的最高压力。
②安全保护在变量泵系统中，与泵并联的溢流阀一般是常闭的，只有在过载时才打开，以保障系统的安全，一般称之为安全阀。
③二级调压先导式溢流阀的外控口（远程控制口）K串接一个二位二通换向阀和一个调压较低的溢流阀（远程调压阀），实现二级调压。
2、减压回路
减压回路的功用是使系统中某一部分油路（如夹紧系统、润滑系统等油路）获得较低的稳定压力。
3、卸荷回路
当液压系统中的执行元件短时间停止运动（如装卸工件或测量）时，可将液压泵的输出口直接与油箱相接，使泵卸荷，这样可减少功率损耗，降低系统发热，延长泵的使用寿命。
（1）采用换向阀的卸荷回路
（2）采用溢流阀的卸荷回路
4、顺序动作回路
5、平衡回路
顺序动作回路平衡回路
6、保压回路
有的机械设备在工作
过程中，常常要求执行元
件在行程终止时，保持压
力一段时间，这时需采用
保压回路。
如图为利用蓄
能器和压力继电器的保压
回路，这种回路用于夹紧
工件持续时间较长时，可
明显减少功率损耗。
（三）速度控制回路
1、调速回路
（1）节流调速回路
在定量泵供油的液压系统中，通过改变流量阀）过流面积的大小对执行元件的运动速度进行调节，这种回路称为节流调速回路。
这种回路结构简单，成本低，使用维护方便，缺点是有节流损失，效率低，故仅适用于小功率液压系统。
节流调速回路根据节流阀在液压系统中的位置不同分为进油路节流调速、回油路节流调速和旁油路节流调速回路三种。
进油路节流调速回路:
在执行元件进油路上串接一个节流阀
回油路节流调速回路:
在执行元件回油路上串接一个节流阀
旁油路节流调速回路:
将节流阀设置在与执行元件并联的旁
油路上
为提高液压系统的综合性能，实际应用中，常采用进油路节流调速回路，并在其回油路上加背压阀。
旁油路节流调速回路有节流损失，但无溢流损失，效率较高，一般用于高速、重载和速度平稳性要求不高的较大功率场合。
（2）容积调速回路
容积调速回路是利用改变变量泵或变量马达的排量来调节执行元件运动速度的回路。
这种调速回路无溢流和节流损失，故效率高、发热少，但结构复杂，成本较高。
一般用于高速和大功率的液压系统。
1）变量泵—液压缸容积调速回路
2）变量泵—定量液压马达容积调速回路
3）定量泵—变量液压马达容积调速回路
4）变量泵—变量液压马达容积调速回路
（3）容积节流调速回路
如图为限压式变量泵和调速阀组成的容积节流调速回路。
调节调速阀的通流面积可以改变进入液压缸的油液流量，并使变量泵的输出流量自动和液压缸所需流量相适应。
2、快速运动回路
（1）液压缸差动连接的快速运动回路
当1YA通电时，压力油通过换向阀3的左位进入液压缸的左腔，同时通过阀4左位与液压缸右腔相通，故活塞差动快进。
如果电磁铁3YA也通电，则压力油只进入液压缸左腔，回油经调速阀5实现液压缸工进。
3、速度换接回路
速度换接回路的功能是使执行元件在一个工作循环中从一种运动速度变换到另一种运动速度，这种回路应具有较高的速度换接平稳性。
（1）快慢速换接回路
用行程阀来实现的快慢速换接回路，行程阀的阀口是逐渐关闭（或开启）的，因此快、慢速的换接比较平稳，换接点的位置比较准确，缺点是行程阀必须安装在运动部件附近，管路接得较长，压力损失较大。
若将行程阀改为电磁阀，安装连接较方便，速度换接快，便于实现自动控制，但速度换接的平稳性及换向精度都较差。
（2）两种慢速的换接回路
两调速阀串接的慢速换接回路，由于油液经过两个调速阀，所以能量损失较大。
两调速阀并联的慢速换接回路，两个调速阀可以独立地调节各自的流量，互不影响，
四、数控机床液压传动系统分析
1、数控车床液压系统
（1）液压工作站主要作用是向系统提供压力油。
它由电动机1驱动外反馈限压式变量泵3供油，压力油经过单向阀4和滤油器8后输出。
（2）卡盘夹紧支路卡盘通过卡爪来实现对工件的夹紧和放松，工作中要能判别卡爪是否夹紧工件，如果没有夹紧时，则数控加工程序不能执行，并会发出报警信号。
（3）尾架套筒移动支路在套筒伸出时，能够判断顶尖是否顶紧工件；在工件加工时，保持套筒处于所在位置；当工件加工完后，尾架套筒要能够回缩，便于取出工件。
（4）主轴变速支路由液压缸的活塞杆带动主轴箱内变速齿轮向左或向右移动，使传动比不同的齿轮副依次啮合工作，实现主轴在高、低速区的变速。
2、加工中心液压系统
主要实现链式刀库的刀链驱动、主轴箱的平衡配重、
刀具的装卸和主轴高低速的转换等辅助动作的完成。
该液
压系统采用变量叶片泵1供油，并在泵后设置单向阀2防止
油液倒流，用于减小系统断电或其他故障造成的液压泵压
力突降对系统的影响，避免机械部件的冲击损坏。
压力继
电器3用于检测系统压力，如压力达到预定值，则发出系
统压力正常的信号，如压力继电器3无信号，PLC自检发出
报警信号，整个加工中心的动作将全部停止。
（1）刀链驱动支路（3）松刀缸支路
（2）主轴箱配重支路（4）高低速转换支路
五、数控机床的冷却、润滑系统
（一）冷却系统
1、机床冷却和温度控制
为了保证数控机床长时间工作时加工精度的一致性、电气控制系统的工作稳定性和机床的使用寿命，数控机床对环境温度和各部分的发热冷却和温度控制均有相应的要求。
2、工件切削冷却
数控机床在进行高速大功率切削时伴随大量的切削热产生，使刀具、工件和机床的温度上升，从而影响刀具的寿命、工件加工质量和精度，所以，保持良好的工件切削冷却非常重要。
（二）润滑系统
在数控机床上，润滑系统不仅起着润滑作用，可减小两个相对运动的接触表面之间的摩擦和磨损，而且还起着冷却作用，对机床部件实现恒温控制，减小热变形的影响。
1、油脂润滑
2、油液循环润滑
3、定时定量润滑
4、油雾润滑
5、油气润滑
第3章气压控制技术
一、概述
气压传动是以空气压缩机为动力源，以压缩空气为工作介质来传递动力和信号的一门工程技术。
它是工程实际中进行生产控制和自动控制的重要手段之一。
气压传动广泛应用于机械、纺织、食品、造纸以及电子工业中。
（一）气压传动系统的组成与工作原理
2、气压传动系统的组成
（1）动力元件其主体部分是空气压缩机，它是气压系统的动力源。
其作用是为气压系统提供洁净的压缩空气。
（2）执行元件是指气缸（用于直线运动）和气马达（用于旋转运动）。
其作用是在压缩空气的推动下，输出力和速度（或力矩和转速），以驱动运动部件。
（3）控制调节元件是指各种方向控制阀，压力控制阀和流量控制阀。
它们的作用是控制气压系统中压缩空气的压力、方向和流量，以保证执行元件完成预期的工作运动。
（4）辅助元件指各种过滤器、油雾器、消声器、散热器、传感器、放大器及管件等。
3、气压传动系统的图形符号
（二）气压传动的特点
1、由于采用空气作为工作介质，故其来源方便，取之不尽、成本低廉；
2、对工作环境适应性强，使用安全可靠。
3、适宜于集中供气和远距离输送。
4、气压传动反应灵敏、动作迅速，维护和调节方便，故非常适用于自动控制的场合。
5、气动元件结构简单，制造工艺性好，制造成本低，使用寿命长，易于实现“三化”。
6、由于空气的可压缩性大，故在外负载发生变化时对其运动的平稳性影响较大。
7、由于工作压力低（一般为0.5～1MPa），且结构尺寸较小，故气压系统的输出力或转矩不大，不适应于重载系统。
8、系统中所使用的气源和压缩空气需经过干燥和净化处理后才能使用，且空气无自润滑作用，故须在系统中设置净化和润滑装置。
9、具有较大的排气噪声，污染环境。
二、气动元件
（一）动力元件
1、空气压缩机的分类
容积式压缩机:
通过机件的运动，使密封工作容积被缩小，单位体积内气体的分子密度增加，从而提高气体的压力。
容积式压缩机按结构不同又可分为活塞式、螺杆式和膜片式等；
动力式压缩机:
通过利用转子或叶轮的高速旋转使空气加速具有较大的动能，再使气流速度降低，将其动能转化为压力能，从而提高气体的压力。
动力式压缩机按结构不同可分为离心式和轴流式等。
2、活塞式压缩机的工作原理
通过曲柄连杆机构，将电动机的旋转运动转变为活塞的往复直线运动。
当活塞3向右运动时，气缸2的容积增大，压力降低而形成局部真空，此时，排气阀1关闭，外界空气在大气压力的作用下推开吸气阀8而进入气缸中，此过程称为吸气过程。
当活塞向左运动时，气缸的容积减小，空气受到压缩其压力逐渐升高而将吸气阀关闭，缸内压力升高到排气管路中的压力时排气阀被打开，气体被排出并经排气管输送到储气罐中，这一过程称为压缩过程。
曲柄旋转一周，活塞往复运动一次，完成一个工作循环，压缩机就这样循环往复，不断产生压缩空气。
3、压缩空气站简介
压缩空气站是气压系统的动力源装置，一般规定：
排气量大于或等于6～12m3/min时，须独立设置压缩空气站；若排气量低于6m3/min时，可将压缩机或气泵直接安装在主机旁。
（二）辅助元件
根据气动设备使用的具体情况，气动
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