时间：2023-05-30 10:09:50
关键词：数控机床；伺服电动机；半闭环伺服系统
1.伺服电动机
伺服电动机的特性可以分为两个区域：连续工作区和断续工作区。两区的交界线为连续工作时输出转矩的上限，在连续工作区中，额定转矩随转速的升高而略有下降，但变化不大，基本上是恒转矩输出。断续工作区的上限是这种电机的最大输出转矩，用于执行部件的快移。这时工作时间很短，而且最大转矩仅发生于启动的瞬间。用以克服惯性。电动机虽发热较多，但工作时间短，故仍能保证温度不致过高。
中、小型数控机床的进给伺服电动机根据下述三个指标选择。
（1）最大切削负载转矩不得超过电动机的额定转矩。折算电动机轴的最大切削负载转矩T为：
式中Fmax为丝杠上的最大轴向载荷，等于进给力加摩擦力；Ph为丝杠导程；η为滚珠丝杠的机械效率；TP0为因滚珠丝杠螺母预加载荷引起的附加摩擦力矩；TF0滚珠丝杠轴承的摩擦力矩；U伺服电机至丝杠的传动比。
（2）电动机的转子惯量JM应与负载惯量JL相匹配。通常，JM应不小于JL。但也不是越大越好。因JM越大，总惯量J也就越大。为了保证足够的角加速度使系统反应灵敏，将不得不采用过大的伺服电动机和伺服控制系统。重型机床的负载惯量JL很大，如果伺服电动机与丝杠直联，以上条件很难满足。常用的办法是电动机通过降速后传动丝杠。
负载惯量JL按动能守恒定理折算：
JK为各旋转件的转动惯量；wk为各旋转件的角速度；mi为各直线运动件的质量；vj各直线运动件的速度；
w为伺服电动机的角速度；
（3）快移时，转矩不得超过伺服电动机最大转矩。当执行部件从静止以阶跃指令加速到最大移动（快移）速度时，所需的转矩最大。所需转矩Ta为：
式中：nmax为电动机在执行部件快移时的转速；tac为加速时间；在阶跃指令下，电动机转速按指数曲线上升。经过电动机的机械时间常数tm，电动机的转速可达到要求转速的63.2%；经过2tm，达86.5%；经过3tm达95%；经过4tm达98.2%。因此，通常认为加速时间tac为电动机机械时间常数tm的3～4倍。伺服电动机的功率是区分电动机大小的公称值，并不按此选择。这是与主电机不同。
2.伺服系统
数控机床多坐标联动加工直线和曲线时，是把曲线分成许多小段，一段一段地加工的。每个小段的长短取决于曲线的形状、进给速度和插补时间。在一段插补时间内，计算机完成一次插补运算，给出各坐标下一段运动的数字量。显然，插补时间应等于或小于完成一小段加工所用的时间。插补时间与计算机的时钟频率与字长有关，通常在2～20ms范围内。计算机的时钟频率越高，插补时间就越短，曲线上被分割的小段就越短，精度也越高。
计算机输出的各坐标运动的数字量-位置指令被送到各坐标的伺服系统，控制伺服电动机的转动，再经过机械传动机构拖动执行部件。
半闭环直流伺服系统的工作见图2.1。数控系统送来的位置指令值Do与反馈系统检测出的实际位置值Da在位置偏差检测器1中比较。其差值为，通过位置控制放大器2放大后成为速度指令值So。Do、Da、ΔD、So都是数字量。So经数/模（D/A）转换器3转换为与So值成正比的模拟量――速度指令电压Uc。这个电压在速度偏差检测器4内与速度反馈电压Ug相比较，其差值为速度偏差电压Ua。Ua经速度控制放大器5放大为速度电压UM，加到直流伺服电动机6上，使电动机获得一定的角速度θm，经机械传动转化为执行部件9的速度移动V，交流伺服系统的工作原理与图2.1相似，只是5为逆变器。Ua控制逆变器5的输出频率为fM，使交流伺服电动机获得一定的角速度θm。
与伺服电动机同步转动的编码器7发出反馈信号，即实际位置检测值Da，输往位置偏差检测器1。反馈信号又经频率-电压转换器8转换为角速度的模拟电压Ug，输往速度偏差检测器4。
伺服系统是一个自动调节系统。如果执行部件的实际位置未到达程序规定的位置，则位置误差ΔD将使执行部件得到一定的速度。ΔD越大，则速度越高。这就使执行部件总是跟随着程序规定的轨迹运动。系统的放大倍数越大，则为得到一定的速度，ΔD可以越小，即精度越高。但是，ΔD不能消除，因为闭环自动控制系统是靠误差控制的。系统的放大倍数也不是越高越好。因放大倍数越大，系统的灵敏度也越高。由于惯性的存在，执行部件的实际位置有可能超过规定位置，使ΔD成为负值，影响系统的稳定性，产生振荡。
图中，各个K是各环节的传递函数。通常，各环节的固有频率远高于工作频率，故可近似地按静态问题处理。各个环节的K可看作是定值，成为增益。
图中右边虚线围起来的部分成为速度环，设其增益为K2。K1与D/A转换可合为一个环节，设其增益为K3；根据控制工程基础，速度换的闭环增益为：
式中：Ka为速度控制放大器增益；KM为伺服电动机增益。经归并后，共有三个环节：位置控制放大环节（包括D/A转换），增益为K3；速度环，增益为K2；位置反馈环节，增益为Kp。此外，还有一个积分环节，把电机的角速度θ转化为角位移θw。伺服系统的开环增益或简称系统增益Ka。
Ka=KpK3K2
输入量是角位移θw，输出量是电动机的角速度θ。在没有位置指令输入的条件下，角位移就是转角误差。系统增益的意义是，单位转角误差，能使电动机获得多大的角速度。显然，Ka越大，则一定的角位移能使电动机获得较大的角速度，即系统的灵敏度超高。Ka是伺服系统最主要的性能参数。
Ka不是越大越好。系统增益太大，灵敏度太高，稳定性就可能不够。Ka的倒数是系统的时间常数ta：
速度环的开环增益常取为2～4倍的Ka；Ka可根据加速度进行验算。
结论
本文介绍了伺服电机的种类及特点，并提出了机床选择伺服电机的指标方法；通过对伺服系统的分析得到了直流伺服系统的控制原理图和控制框图，对伺服系统的研究有着积极的意义。
参考文献
关键词：数控机床；故障；分析；维修
前言
数控机床已经广泛应用于现今各行各业的生产中为工业生产的腾飞提供了不小的助力，但是数控机床集成度和自动化程度提高的同时也使得数控机床的复杂性大幅提高，当数控机床出现故障时也对数控机床的维修提出了不小的考验。本文将在分析数控机床常见故障的基础上对如何做好数控机床的维修进行分析阐述。
1数控机床常见故障分类
数控机床常见故障根据其发生的特点、原因等可以将其分为：（1）系统软、硬件故障，数控机床软件故障指的是数控机床其自身的数控系统软件部分所带来的故障，在维修数控机床软件故障时无需对数控机床的硬件设施进行修理，仅需要在分析数控机床PLC程序等的基础上对数控机床的参数或是PLC程序进行改动即可消除故障、而数控机床硬件故障则主要指的是数控机床的控制模块等出现硬件性损坏，需要将故障硬件拆下修理后才能继续使用。（2）数控机床的机械故障，此类故障主要是由于数控机床的机械磨损、机械撞击等所造成的损坏，在维修时需要对数控机床机械磨损区域或是撞击区域进行修复以此来恢复数控机床的正常使用。（3）有无诊断报警的故障，现今的数控机床控制系统中都编制有详细的数控报警信息，用户可以根据数控报警信息来对数控机床的故障发生区域进行诊断以此来缩小故障诊断范围。但是在一些数控机床的控制系统中，并未对数控机床的报警信息进行详细的解释，需要数控机床维修人员查找相关资料来予以解决。此外，根据数控机床故障发生的类型可以将数控机床的故障分为机械故障和电气故障两大类。
2数控机床电气故障原因分析及查找
2.1数控机床电气故障原因查找前的准备工作
前期的准备工作对于数控机床电气故障的排除有着极为重要的意义，当数控机床出现故障时，应当保持数控机床现场的故障状态等待数控机床维修人员到达现场，从而有利于数控机床维修人员根据现场的实际情况对数控机床故障发生的原因进行初步的判断，在对数控机床维修时，数控机床维修人员需要对数控机床故障出现的指示情况及数控机床故障发生的背景情况进行仔细的了解，从而掌握第一手的资料为数控机床的维修打下良好的基础。在维修人员到场对数控机床操作人员进行情况了解的过程中，数控机床维修人员需要在与数控机床操作人员的交谈中捕捉到有用的信息，从而做出自己的判断以确保数控机床故障情况的准确性与完整性，此外，在数控机床故障原因查找的过程中数控机床维修人员不能盲目的对数控机床故障进行处理，而是应当对可能造成数控机床电气故障的原因进行详细的测量，以免盲目操作而造成数控机床故障复杂性的增加，提升数控机床故障排查的难度。一般来说，对于数控机床所产生的故障数控机床的数控系统中都是带有提示的，应当通过数控机床中所显示的故障报警信息查找相关的数控机床数控系统诊断手册从而对数控机床电气故障的触发因素进行了解，从而便于数控机床维修人员结合保障进行来对数控机床进行故障排查。
2.2数控机床的故障排查
在数控机床的故障排查中，需要通过问询操作者数控机床故障前后设备的运行情况是否有异常情况，以确定数控机床所产生的故障时偶发性的故障还是经常性故障，在数控机床故障发生时是否有异兆，在数控机床故障发生时是否有其他异常操作或是异常情况等，这些信息对于快速、准确的定位数控机床故障位置有着极为重要的意义，此外，在对数控机床进行故障维修时应当在安全的前提下注意观测数控机床在运行的过程中是否有异常声音及其他的一些异常信号，在切断电源后，数控机床维修人员可以通过闻电气控制系统中是否有焦糊味以及触摸数控机床的电机、变压器以及熔断器等查看其是否有过热现象。在数控机床电气系统的维修过程中，数控机床维修人员需要对数控机床数控控制系统中的各部分的电气构造及原理进行充分、全面的了解，以便在数控机床故障排查中可以通过数控机床电气设备的控制原理来实现对于数控机床电气故障原因的查找。在数控机床电气故障的排查中，对于机床厂家所编制的用户报警可以通过对PLC报警的触发条件进行逐项排查从而找出造成数控机床电气故障的故障点，从而实现对于数控机床电气故障的排除。而对于一些数控机床数控系统的系统性报警，则应当根据系统报警信息来查找相关的报警诊断手册以此来确定数控机床系统报警所代表的意义和可能的原因，并结合数控机床的电气控制原理来查找相应的故障点。在对数控机床的电气故障进行排查的过程中，都需要从数控机床设备的动作原理入手来进行分析以此来缩小数控机床故障查找的范围，而后通过数控机床电气故障所产生的信息对数控机床故障原因进行逐级的排查，根据数控机床报警细节最终找到数控机床电气故障的故障点，而后采取相应的处理措施来排除故障。此外在数控机床电气故障的排查过程中需要注意的是一些关联性报警信息，这些数控机床报警所显示的信息并不是数控机床的直接报警而是由直接故障点所引出的一些关联性的报警信息，从而为数控机床的故障排除带来了不小的难度。在排除此类故障时，数控机床维修人员需要通过对数控机床故障信息进行细致的分析找出造成数控机床故障报警的真正原因从而实现对于数控机床故障的排除。
3数控机床故障检修中的注意要点
数控机床的控制系统极为复杂，在对数控机床控制系统进行拆卸的过程中需要注意做好记录并注意避免破坏数控机床设备的内部结构，对于数控机床电气控制元件拆卸下来的部分需要做好分类、保存以免丢失而对后期的维修造成影响。在对数控机床电气控制系统进行测量的过程中需要注意的是对于带有阻值的线路进行测量时应当处于下电状态，避免带电测量。在对数控机床的控制电路板进行拆卸的过程中需要注意不得损坏电路板，在拆卸的过程中需要注意做好各线路上的开关、跳线等的位置，以便在数控机床电气控制系统恢复的过程中将其恢复的原来的位置，在数控机床电气设备的检修时需要进行两极以上的对照检查，需要注意对各板上的元件进行标记，避免元件错乱。在查清线路板上的电源配置后数控机床检修人员需要根据检查的需要对线路板采取分别供电或是全部供电的方式来对数控机床的控制电路板进行检测，查找故障点。此外，在数控机床维修的过程中尤其需要注意的是避免触碰数控机床中的380V/220V等的高压部分，以免造成安全事故。
4结束语
数控机床的控制系统极为复杂，在对数控机床进行故障排除的过程中需要从数控机床故障发生的现象入手从数控机床故障发生的原理进行分析查找故障发生点，由于数控机床涉及到机械、电气、液压、气动等多方面的因素，在对数控机床进行故障排查的过程中需要进行综合的考虑，确保数控机床的正常运行。
参考文献
[1]王永涛.机床电气设备故障分析与维修[J].科技与企业，2015（4）：232-232.
[2]梁爱菊，陈少杰.基于PLC的数控机床电气控制系统研究[J].建筑工程技术与设计，2016（20）：17-18.
关键词：数控机床；故障；分析；维修
引言
科技发展与进步，使各行业有了长足的发展，在生产加工领域，数控机床已经得到广泛使用，大大提高了生产效率，减少了人力劳动，数控设备的使用是技术革新的成果，推动了社会生产力的腾飞，为大规模生产助力，企业要想在激烈的市场竞争中赢得先机，则需要不断提高生产能力，强化产品质量，数控机床自动化、智能化控制有效解决了这些问题。与此同时，数控机床的使用也给企业带来了复杂性，特别是机械生产企业引进数控机床后，对机床的依赖性增大，机床生产能力大小直接关系企业经济效益，数控机床是生产过程中最主要的设备，只有全面保障设备寿命和性能发挥，才能实现良好效益，也就是说，数控机床是企业效益之源。要想保证企业生产能力，则需要不断强化对数控机床电气系统的维护和保养，使设备能够长期处于较为稳定的生产运行状态，为企业创造更多的价值，只有全面做好日常保养与维护，才能减少设备故障率，避免出现停产情况。数控机床电气控制系统在长期使用中，出现故障是必然的，只有全面做好故障点诊断、分析与排除，才能确保设备良好运行，推动企业可持续发展。
1数控机床电气控制系统的故障诊断
数控机床工作情况对企业生产的影响较大，只有全面保证设备正常运行，才能有效维护生产秩序。数控机床电气控制系统长期运转，会出现一些问题，影响正常生产活动，要想及时有效发现问题，解决问题，则需要通过现代科技做好故障诊段，快速解决问题，恢复生产能力。对数控机床诊段时，需要掌握三维建模诊断技术，实现对故障的正确诊断与分析，点对点形成解决方案，保证故障点得到修复，不影响生产，三维建模诊断技术针对数控机床内部电气控制系统，结合几何原理、空间点离散原理及数控电气控制系统构建原理等方面，全面对设备情况进行分析，要想做好三维建模，则需要依照流程推进。
1.1宏观到微观构建
数控机床电气控制系统是一个虚拟模型，本体是建立在三维模型基础上的，通过三维技术模拟设备运行状态，为了有效找到故障点位置，则需要在运转过程中进行诊段，进一步排查点位，如果在运行过程中出现故障，则需要对照设备实体的硬件做好排查，通过对硬件设备的初步诊断，找到故障点位，排查时，需要从宏观进行初步的构建，然后再通过微观零部件检测，准确找到故障位置。
1.2设定标准指标
需要建立一个设备旋转模型，通过对模型的运行观测，结合数控机床电气控制系统真实操作状--找到与以往运行时的差异性，只有全面对比出原始作业状态与当前作业状态时间差异、效果差异的不同，才能找到故障点位，差异性大于三维诊断技术指标，就表明电气控制系统已经出现了问题，需要对问题点进行锁定，全面做好点位维护。
1.3动态监控
可以拧紧运行时的情况做好建模，数控机床电气控制系统加工过程中动态表现能够显露出故障情况，以此做好建模诊断，能够快速找到故障点位，利用NC码对电气控制系统作业状态做好实时的监控，对动态情况精细化描写，对不同时间段内的运动轨迹做好定位，通过点位对照，形成系统化诊断结果。
2数控机床电气控制系统维护对策
三维诊断技术是较为先进的诊段方法，是当前应用较为普遍的技术，在生产加工领域已经得到广泛认同，在实际操作过程中，能够有效解决复杂问题，特别是针对不同点位，可以完成对复杂电气控制系统环境最真实、有效的模拟，全面还原数控机床操作真实状况，使故障点位更加清晰明确，避免出现误导，影响生产效率。
2.1数控机床电气控制系统本体维护
数控机床电气控制系统需要不断维护才能保证良好运行，需要利用三维建模技术全面做好维护与诊段，通过CSG建模理念，拓展数控机床电气控制系统维护思路，从总体上把握大方向，形成多元结构的维护方法。通过三维建模技术，使复杂的设备运行变得更加简便，能够清晰的观测到各个零件的运行，在简易结构基础上完成简单形体多维组合，全面建立一个能够快速诊段分析的模型构建。要想确保设备良好维护，需要掌握几个方法：一是简化内部要素，要根据设备运行的真实情况，做好仿真模拟运行，要把复杂的问题简单化，使内部各个要素结构清晰，确保三维模型维护行为按程序推进。二是结构分层。可以在维护中，充分的利用三维理念对数控机床电气控制系统几何结构与物理结构做分层，合理划分出不同点位做好局部维护，通过对设备内部的结构拆分，使不同部件都有自己的层级，使结构更加细化，实现设备的良性运转。三是全面维护。可以充分展现三维数据库几何实体，实现参数良好组合，OpenGL软件内部具备强大三维图型库，不论哪种型号的配对，均能够找到最佳数控机床电气控制系统本体模型，通过真实模拟，对电气控制系统本体做好全面有效的维护。
2.2加工过程电气控制系统维护
要想全面解决运行问题，则需要在数控机床运行时做好观测，保证故障点位精准，实现数控电气控制系统动态最优化发展，动态运行时，需要利用三维建模空间离散法，使数控机床加工过程中系统维护更加有成效。空间离散法主要是将数控机床电气控制系统内部空间物体转换为不同三维位置“空间点”，使各个点彀饱和，同时为了确保各点作用的发挥，需要合理进行综合点位的布局，形成“点”阵，同时，为了保证各点位的联系，需要根据不同点的组成做好相连，形成三角片区的矩阵状态，程序处于运行过程，需要按照真实情况做好重新描写，再利用“点”的程序渲染，提炼有效数据，保证相关数据真实可靠，从根本上解决系统维护问题，保证设备能够正常运转。
3数控机床故障检修注意要点
数控机床不同于传统设备，整体控制系统非常复杂，为了不出现大的问题，则需要在检修时注意几个要点：一是分类保管部件。各部件拆卸时，要强化记录，保证各构件位置正确，避免破坏内部整体结构，为了保证各部件不丢失，还需要按空间层次，对数控机床电气控制元件拆卸做好分类、保存，确保后期安装顺利，拆卸控制电路板要认真，不能损坏，特别是要认真保管好开关、跳线，安装时两极要按照标记进行，不能出现元件错乱的现象。二是不能带电测量。要想全面掌握数控机床电气控制系统情况，则需要保证测量数据的性，避免出现阻值线路影响，测量时，需要停机下电，不能出现带电测量的情况，否则会影响数据准确性，为了保证安全，不能直接触碰数控机床中的380V/220V高压电流。
4结束语
数控机床电气控制系统大规模使用，提高了生产能力，但是使用过程中难免会出现问题故障，只有全面掌握维护保养技术，才能避免出现生产运行故障，实现企业集约化、规模化生产。
参考文献
[1]王北平.浅析数控机床电气控制系统的设计及故障排除[J].吉林省教育学院学报（中旬），2014，09：94-95.
[2]鄢腊梅，袁友伟.数控机床电气传动部分故障诊断专家系统的设计与实现[J].机床与液压，2015，02：102-120+2.
关键词:数控机床 电气控制 HMI系统
HMI是机床完美的自动控制系统。无论是对于小型车间加工，还是大量的成批生产，HMI都是数控机床电气系统的最佳选择。HMI和SIMODRIVE可以被广泛应用于汽车工业、模具制造业、航空制造业、消费类物品制造业、能源和动力设备制造业等制造自动化领域，HMI控制系统都能够充分满足在各种领域内的具体要求。同时，本地化的研发和生产将使HMI数控产品更加贴近中国市场，满足广大用户的需求。我们还致力于中国数控加工领域的人才培养事业，HMI数控教育培训软件已成为大专院校、职业学院进行数控教学的有力工具。
1 电气系统结构及功能
1.1 控制电机。控制电机主要用于对控制信号进行传递和变换，要求有较高的控制性能，如反应快、精度高、运行可靠等；而一般普通旋转电动机主要用于能量变换，要求有较高的性能指标。控制电动机在自动控制系统中通常作为执行元件、检测元件和解算元件，具有体积小、功率小等特点。按功能分：测量、放大、执行、校正电动机四种。
1.2 电气系统功能结构框图。
系统功能结构图如图1所示。
HMI上位机经串行通讯总线将机床控制、电子锁相伺服控制、进刀控制等系统连接,通过HMI上位机及操作台发送控制命令、传送和接收数据信息,从而控制砂轮主轴(B轴)和工件主轴(C轴)、砂轮径向进给轴(X轴)、砂轮切向进给轴(Y轴)、工件架齿向走刀轴(Z轴)的联动运行,实现对齿轮的精确磨削。
2 功能部件说明
2.1 HMI上位机。HMI上位机采用嵌入式一体化触模式工控机,具备RS485、 RS232、网口、USB等多种接口,便于今后的功能扩展,本项目主要考虑采用RS485口(内部含光电隔离)。软件部分采用windows CE平台下的组态软件,这样不需要进行底层驱动软件的开发(部分仅针对PLC的通信驱动软件需自己开发),介面具有动态画面效率,人机交互信息更具亲合力。主要功能包括:基本参数设置,操作及运行控制,报警信息显示及查询,实时状态信息和厂商信息显示等。
2.2 锁相伺服控制系统。锁相伺服控制系统是本数控机床的核心部分,控制被磨削齿轮与蜗杆砂轮转速的精确同步运转。该系统是一个带位置反馈的自动控制系统,系统的基本原理是利用输出量反馈给输入端的信号与输入给定值的偏差值,使系统产生控制调节量去抵消运行误差和扰动的作用,以保持输出量在一定精度范围内跟踪给定量。根据反馈量的不同,可以构成不同的控制系统,当引入频率或相位反馈时,构成我们所称的锁相伺服控制系统。其控制原理图如图2所示。
2.3 进刀系统。进刀控制系统主要由进刀控制装置(包括:X/Y/Z轴进刀运动控制电路板)、X/Y/Z轴伺服包、X/Y/Z轴驱动电机和相配套的光栅等组成,运动控制器通过RS485/RS422串行通讯总线与上位机连接,收发相关的命令、数据、状态信息等参数,从而控制X/Y/Z轴电机完成相应的运动。
3 使用说明
3.1 操作及运行说明。开机之后,上位机进入用户登录窗口,操作人员输入用户名,密码,进入主界面。主界面提供“工作主界面”和“系统功能管理”两部分功能。系统管理包括 [退出登录]、[登录用户]、[用户管理]、[退出系统]和[修改密码]组成。
主界面由四部分组成:信息栏,菜单栏,操作栏,报警与时间信息显示栏。信息栏:显示当前设置的参数和系统当前的状态信息；菜单栏:菜单栏位于界面最下面,用来控制各界面间的切换,点击即可进入相应界面；操作栏:各轴目标位的设置和相关动作的设置；时间与报警信息显示栏:显示当前的日期、时间和报警信息。
3.2 使用维护说明。本数控系统具备自诊断功能,并且提供解决方案(会在数控界面控制中显示),供用户参考。厂商信息为系统内部数据转换监视与图纸查看窗口,在系统调试时,可以根据厂商信息窗口实时监视各部件信号是否正常,以方便调试。
4 结语
本文设计了一种基于HMI控制的数控机床电气控制系统,按部件对其进行了简单的介绍说明。
参考文献
[1] 童晓姝.HMI技术在工业控制领域的广泛应用[J].科技咨询，2010
关键词：伺服系统；数控机床；高速高精度加工
中图分类号：TF325.4文献标识码：A
1 数控机床系统分析
数控机床由数字程序实现机床控制。数控机床具有自动换刀装置，工作自动进给、装卸、刀具寿命检测系统和排屑等各种附加装置，可以进行长时间的无人运转加工。数控机床加工过程的精度和效率很大程度上取决于刀具的进给精度及其与主轴旋转速度的协调关系。
如图1所示，数控机床一般由五部分组成。其中数控装置是数控机床的核心，现代数控机床都采用计算机控制CNC（computer numerical contro1）装置。它具备的主要功能有：1）多坐标控制；2）实现多种函数插补；3）多种程序输入功能。以及编辑和修改功能；4）信息转换功能；5）补偿功能；6）多种加工方式选择；7）故障自诊断功能；8）显示功能；9）通讯与联网功能。CNC系统的结构框图如图2所示。数控系统是严格按照数控程序对工件进行自动加工的。数控加工程序按照零件加工的轨迹信息、工艺信息和开关命令等。
2 数控机床中的伺服系统
伺服系统是以机械运动的驱动设备― ―电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。这类系统控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现运动机械的运动要求。具体在数控机床中，伺服系统接收数控系统发出的位移、速度指令，经变换、放大与调整后，由电动机和机械传动机构驱动机床坐标轴、主轴等，带动工作台及刀架，通过轴的联动使刀具相对工件产生各种复杂的机械运动，从而加工出用户所要求的复杂形状的工件。作为数控机床的执行机构，伺服系统将电力电子器件、控制、驱动及保护等集为一体，并随着数字脉宽调制技术、特种电机材料技术、微电子技术及现代控制技术的进步，经历了从步进伺服系统到直流伺服系统。进而到交流伺服系统的发展历程。数控机床的精度和速度等技术指标往往主要取决于伺服系统。
数控机床的伺服系统主要有两种：进给伺服系统和主轴伺服系统。进给伺服系统是指一般概念的伺服系统，它包括速度控制环和位置控制环。进给伺服系统完成各坐标轴的进给运动，具有定位和轮廓跟踪功能，是数控机床中要求最高的伺服系统，它的性能决定了数控机床的最大进给速度和定位精度等。严格来说，一般的主轴控制只是一个速度控制系统。主要实现主轴的旋转运动，提供切削过程中的转矩和功率，且保证任意转速的调节，完成在转速范围内的无级变速。具有C轴控制的主轴和进给伺服系统一样，为一般概念的位置伺服控制系统。而随着高速加工技术的发展，对主轴伺服系统的要求也越来越高。此外，刀库的位置控制是为了在刀库的不同位置选择刀具，与进给坐标轴的位置控制相比，性能要低得多，故称为简易位置伺服系统。
3 数控机床对伺服系统的要求
由于各种数控机床所完成的加工任务不同，它们对伺服系统的要求也不尽相同。但通常可以概括为以下几个方面：
a）可逆运行：可逆运行要求能灵活地双向运行。在加工过程中，机床工作台处于随机状态，根据加工轨迹的要求，随时都可以实现正向和反向运动。同时要求在方向变化时，不应有反向间隙和运动的损失。从能量角度看，应该实现能量的可逆转换，即在加工运行时，电动机从电网吸收能量变换为机械能；在制动时应把电动机的机械惯性能量变为电能反馈给电网，以实现快速制动；
b）速度范围宽：为适应不同的加工条件，例如所加工零件的材料、类型、尺寸、部位以及刀具的种类和冷却方式等的不同，要求数控机床进给系统能在很宽的范围内无级变换。这就要求伺服电动机有很宽的调速范围和优异的调速性能。经过机械传动后，电机转速的变化范围即可转化为进给速度的变化范围。目前最先进的水平是在进给脉冲当量为1Ⅲ的情况下，进给速度在0～240m／min范围内连续可调。对一般数控机床而言，进给速度范围在0-24m／min时，都可满足加工要求。由于位置伺服系统是由速度控制单元和位置控制环节两大部分组成的，如果对速度控制系统也过分地追求像位置伺服系统那么大的调速范围而又要可靠稳定的工作，那么速度控制系统将会变得相当复杂，既提高了成本又降低了可靠性。一般来说，对于进给速度范围为1：20000的位置控制系统，在总的开环位置增益为201／s时，只要保证速度控制单元具有1：1000的调速范围就可以满足需要，这样可使速度控制单元线路既简单又可靠。当然，代表当今世界先进水平的实验系统，速度控制单元调速范围已达1：100000；
C）具有足够的传动刚性和高的速度稳定性：这就要求伺服系统具有优良的静态与动态负载特性，即伺服系统在不同的负载情况下或切削条件发生变化时，应使进给速度保持恒定。刚性良好的系统，速度负载受负载力矩变化的影响很小。通常要求承受额定力矩变换时，静态速降应小于5％，动态速降应小于10％；
d）快速响应并无超调：为了保证轮廓切削形状精度和高的加工表面粗糙度，对位置伺服系统除了要求有较高的定位精度外，还要求有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应要快，这就对伺服系统的动态性能提出MachineBuilding g Automation，A 2007，36（2）：10～13两方面的要求：1）在伺服系统处于频繁地启动、制动、加速和减速等动态过程，为了提高生产率和保证加工品质，则要求加减速度足够大，以缩短过渡时间。一般电机速度由0到最大，或从最大降低到0，时间应控制在200ms以下，甚至小于几十毫秒，且速度变化时不应有超调；另一方面是当负载突然变化时，过渡过程前沿要陡，恢复时间要短、且无振荡。这样才能得到光滑的加工表面；
e）精度高：为了满足数控加工精度的要求，关键是保证数控机床的定位精度和进给跟踪精度。这也是伺服系统静态特性和动态特性指标是否优良的具体表现。位置伺服系统的定位精度一般要求能达到1μm甚至0．1μm，高的可以达到0．01-0．005μm。相应地，对伺服系统的分辨力也提出了要求。当伺服系统接受CNC送来的一个脉冲时，工作台相应移动的单位距离叫分辨力。系统分辨力取决于系统稳定工作性能和所使系统用的位置检测元件。目前的闭环伺服都能达到0．1μm的分辨力，甚至更小；f）低速大转矩：机床的加工特点，大多是低速时进行切削，即在低速时进给驱动要有大的转矩输出。
参考文献
[1]张军利，胡宏歧，杨锋．DSP在数控机床中的应用[J]．信息技术，2005，（12）：78。79．
[2]冯琪玲．综述数控机床对进给伺服驱动系统的要求[J]．科技论坛，2005，（23）：24．
【关键词】基础设施；机械产品；数控机床检测系统；硬件总体配置；信号调理系统
中图分类号：TH69 文献标识码：A 文章编号：1006-0278（2013）05-160-02
我国是一个以工业立国的国家，工业企业为我国的就业创造了许多就业岗位，对此，政府与人民都比较重视数控机床的重要性，但是我国的数控机床检测系统也存在诸多问题，并在一些厂房中发生一些重大事故，对此，其检测系统将变得非常重要，只有加大对其投入，这样才能够彻底性的提高企业的生产需求。对于数控机床检测系统硬件配置而言，一般分为总体配置，传感器的选择与数据采集系统。文章将从这几方面进行介绍。
一、数控机床检测系统硬件总体配置
在一般性的数控机床中，其故障是比较普遍的，对于其发生的诊断系统的硬件主要有以下几部分：传感器、信号调理模块、数据采集设备和个人计算机。传感器上的故障是最为常见的，它一般把真实性的振动信号在某一装置下，将他们转换成一个电信号，由于传感器在其输出的电信号上，因某一因素的变化，使得其信号表现的非常微弱，同时还有噪音，对于这种故障就需要马上进行调理。信号调理装置按照其功能可以将它分为：放大、隔离、多路复用、滤波、激励和线性化等。个人计算机也会透过许多总线或者数据采集设备，对其数据实施有效的交换，同时不同用户能够利用这些数据准备不同的方案，合适的选择有用的DAQ装置和总线结构。
针对这些问题具体的处理方法：一是按照实际情形，可以提高其安全标准，从数控机床结构，材料应用等方面，减少数控机床对产品的影响。二是对数控机床进行测试，这主要在设计阶段所要做的工作，只有这样才能够彻底性的减少以后数控机床在生产过程中可以出现的危险，进而减少损失；三是工程质量方面，采取有效的措施防止腐蚀和外壁磨损，消除数控机床结构中的附加应力，换新管子时应进行韧性测试，保证不错用管子并不准使用有缺陷的材料。换管时确保无异物落入管子中，新管必须通球，保证数控机床能够正常运行，不会出现信号较弱的现象。四是检查恢复已损坏数控机床的支架和固定连接板，恢复开焊或脱落的活动连接块，按时吹灰。对于一些混合众多因素和异样的事故而言，就需要抓住一些切实针对主题的事故原因，进而就能够采取非常有针对性的解决方法，这样还能够降低解决这些问题的难度，尽早查处事故发生的原因。
二、传感器选择
传感器是在数控机床检测系统中占据这非常重要的地位，只有合适的对其进行检测，就能够彻底性地将物体的运动转换成一个电信号，也就是一个比较灵敏的换能上元件。在实际功能上，传感器有着非常多的种类，同时有着与众不同的分类方法，对此，一般按照实际需要将他们分类。在文章中，其检测系统中所选用的传感器就是位移传感器，
本测试诊断系统，选用的传感器有测量数控机床振动的位移传感器；测量液压系统振动的测振传感器；测量数控机床气动系统压力、液压系统压力的压力传感器；测量数控机床进气温度、排气温度、机油温度、冷却液温度、液压系统温度的温度传感器；测量数控机床泄漏量、空载流量的涡轮流量传感器；测量气动系统速度的磁电式速度传感器。
具体解决方案。在结合数控机床上的专业理论知识，需要涉及这方面的规划设计在理论，并且在实践过程中，都要提高。由于我国尚未制定一套详细的数控机床检测系统的规范，对此，应当结合专家设计一套有浮动性的设计规范，并结合各地实际情形，制定设和自己的标准。同时数控机床检测系统比较灵敏，对于这些问题，需要认真研究，进而进行维护，只有这样才能够减少危险。对于一些重要数控机床系统，就需要依据这些方面上的因素，在设计过程中，就会出现一些问题，对此，在这些重要的堤，要提高其设计标准，加强安全防护措施等。
三、数据采集系统
数据采集在数控机床检测系统硬件配置中起着非常关键性的环节，它是在某一环境下，彻底性的将温度压力、电压电流等物理性信号以一定的方式将这些数字信号传到计算机。由于数据采集系统在设计上，其数据分析占着非常大的作用。从最简单上的角度上看，DAQ系统设计的任务包括针对要建立的测试项目选择传感器、构建信号调理模块以及数据采集卡的安装和调试等。
（一）NI CompactDAQ
本课题使用的数据采集硬件是NI CompactDAQ—便携式数据纪录仪，如图2-2所示NI CompactDAQ是一种为工作台、测量现场以及生产流水线上的传感器和电子测量应用提供USB即插即用特性的数据采集设备。通过将数据记录仪的应用性和低成本特点与模块化仪器的性能和灵活性相结合，NI CompactDAQ能够在一个小型简单，成本又在可承受范围之内的系统中提供快速而准确的测量。利用NI软件就可以轻松使用NI CompactDAQ来记录简单实验数据，或开发完整的自动化测试和控制系统。NI CompactDAQ是通用型数据采集和控制系统，它可广泛用于各种应用。
许多数据采集系统只有固定的功能，因此它们只能连接特定传感器类型。其它系统虽然是模块化的，但是测量功能只限于如直流电压和温度这样的低速和静态信号。NI Com-pactDAQ除了能测量如DC电压和温度这样的静态信号，还能以每通道高达50kS/s测量动态信号，这包括声音、振动、压力和电压暂态信号。其它模块提供高达每通道100kS/s单点和波形输出能力，并且数字I/O速率可高达1MHz。所有模块能自动同步，并且单个NICompactDAQ系统通过一个USB接口可以同时传送高速模拟输入、模拟输出、数字输入和数字输出数据。
关键词：VC；数控机床；可靠性；信息管理系统
中图分类号：TH16， TP311 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）02-0108-01
1 系统设计
1.1 系统软件的开发平台
数控机床可靠性管理系统采用SQL Server 2000作为数据库软件，采用VC++6.0作为应用程序。VC++6.0是微软公司推出的一种可视化的、面向对象的Windows应用程序开发工具，VC既具有C++的强大功能和高效性，同时又具有可视化编程的方便性，所以越来越受到使用者的欢迎。
1.2 系统的功能模块[2]
该系统主要包括：用户管理模块、数据信息管理模块、设备运行状态查询模块、可靠性指标分析模块、报表输出模块。
2 SQL数据库的建立
2.1 ADO数据连接技术
ADO（ActiveX Data Objects）是微数据库应用程序开发的新接口，可以通过VC++先建立一个ADO连接对象，然后通过该对象打开到数据库的连接。为了简化操作，在使用ADO对象时可以将其封装到类中，这样只要引用封装类的头文件，即可使用封装过的ADO对象。[3]
2.2 数据的录入
系统主要录入机床名称、故障维修时间、故障部位、故障现象和故障原因等数控设备基本数据信息。
3 功能模块实现
3.1 用户管理模块
该模块主要是为了确保系统数据的安全，将登录用户分为：普通、高级、管理员三类用户。
三类用户的权限如下：普通用户可以浏览和导出数据，不能编辑数据；高级用户可以编辑数据；管理员用户除了可以编辑数据外，还可以对普通和高级用户进行权限管理。
3.2 数据信息管理模块
该模块主要实现数控设备故障信息的添加、修改、删除、保存、导出等功能。
3.3 数控设备运行状态查询模块[4]
该模块是对数控机床的故障状态进行统计和查询，可以根据字段名、逻辑关系、过滤条件等进行查询，也可以导出相关的机床编号、故障编号、运行时间、故障率等信息，以方便进行故障分析。
3.4 可靠性指标分析模块[5]
该模块主要计算数控机床可靠性分析常用的三个指标MTBF、MTTR、A的值。
（1）平均故障间隔时间MTBF，一般可用式（1）计算。
（1）
其中，N0 为在评定周期内机床累计故障频数；
n为机床抽样台数；
ti为在评定周期内第i台机床的实际工作时间（h）；
ri为在评定周期内第i台机床出现的故障频数。
（2）平均维修时间 MTTR，一般可用式（2）计算：
（2）
其中：tMi ――在评定周期内第i台数控床的实际修复时间（小时）。
（3）固有可用度 A，固有可用度A 综合了可靠度和维修度的可靠性特征量，其计算公式为：
（3）
3.5 报表输出模块
该模块主要是打印功能，可以输出数控设备的故障信息表、数控设备的运行状态、数控设备的可靠性指标分析等数据信息。
4 结语
数控机床可靠性管理系统是针对数控机床产品的基本故障信息管理和可靠性评估而开发的，通过软件的使用可以实现用户管理、数据信息管理、设备运行状态查询、可靠性指标分析、报表输出等功能，实现了设计的目的和要求。此外， 通过该软件的数据结果可以分析出数控机床的薄弱环节和潜在缺点，方便生产厂家采取改进机床的可靠性的措施， 并为机床使用厂家的维修计划提供建设性的依据，增加企业的经济效益。
参考文献
[1]李南，卢晓红，韩鹏卓，武文毅.数控机床及其关键功能部件可靠性研究综述[J].组合机床与自动化加工技术，2012（11）.
[2]郑锐.基于可靠性分析的数控机床维修策略研究[D].吉林：吉林大学硕士论文，2011.6.
[3]王锐，于速，张雨.Visual C++ 数据库系统开发完全手册[M].北京：人民邮电出版社，2006.7.
1.1超程
当进给运动超过由软件设定的软限位或由限位开关决定的硬限位时，就会发生超程报警，一般会在CRT上显示报警内容，根据数控系统说明书，即可排除故障，解除超程。
1.2爬行
一般是由于进给传动链的状态不良、伺服系统增益过低及外加负载过大等因素所致。尤其要注意的是，伺服和滚珠丝杠连接用的联轴器，由于连接松动或联轴器本身的缺陷，如裂纹等，造成滚珠丝杠转动或伺服的转动不同步，从而使进给忽快忽慢，产生爬行现象。
1.3窜动
在进给时出现窜动现象，其可能原因有：1、接线端子接触不良，如紧固的螺钉松动；2、位置控制信号受到干扰；3、测速信号不稳定，如测速装置故障、测速反馈信号干扰等。如果窜动发生在正、反向运动的瞬间，则一般是由于进给传动链的反向间隙或者伺服系统增益过大引起。
1.4过载
当进给运动的负载过大、参数设定错误、频繁正、反向运动以及进给传动链状态不良时，均会引起过载的故障。此故障一般机床可以自行诊断出来，并在CRT显示屏上显示过载、过热或过电流报警。同时，在进给伺服模块上用指示灯或者数码管显示驱动单元过载、过电流等报警信息。
1.5伺服电动机不转
当速度、位置控制信号未输出、或者使能信号（即伺服允许信号，一般为DC+24V继电器线圈电压）未接通以及进给驱动单元故障都会造成此故障。此时应测量数控装置的指令输出端子的信号是否正常，通过CRT观察I/O状态，分析机床PLC梯形图（或流程图），以确定进给轴的启动条件，观察如、冷却等是否满足。如是进给驱动单元故障则用交换法，可判断出相应单元是否有故障。
2伺服进给系统常见故障典型案例分析
（1）一台配套FANUC7M系统的加工中心，进给加工过程中，发现Y轴有振动现象。
为了判定故障原因，将机床操作方式置于手动方式，用手摇脉冲发生器控制Y轴进给，发现Y轴仍有振动现象。在此方式下，通过较长时间的移动后，Y轴速度单元上OVC报警灯亮。证明Y轴伺服驱动器发生了过电流报警，根据以上现象，分析可能的原因如下：
①电动机负载过重；②机械传动系统不良；③位置环增益过高；④伺服电动机不良，等等。
维修时通过互换法，确认故障原因出在直流伺服电动机上。卸下Y轴电动机，经检查发现2个电刷中有1个的弹簧己经烧断，造成了电枢电流不平衡，使电动机输出转矩不平衡。另外，发现电动机的轴承亦有损坏，故而引起-轴的振动与过电流。更换电动机轴承与电刷后，机床恢复正常。
（2）一台配套FANUC6ME系统的加工中心。轴在运动时速度不稳.由运动到停止的过程中，在停止位置出现较大幅度的振荡，有时不能完成定位，必须关机后，才能重新工作。
分析与处理过程：仔细观察机床的振动情况，发现，X轴振荡频率较低，且无异常声。从振荡现象上看，故障现象与闭环系统参数设定有关，如：系统增益设定过高、积分时间常数设定过大等。
检查系统的参数设定、伺服驱动器的增益、积分时间电位器调节等均在合适的范围，且与故障前的调整完全一致，因此可以初步判断，轴的振荡与参数的设定与调节无关。为了进一步验证，维修时在记录了原调整值的前提下，将以上参数进行了重新调节与试验，发现故障依然存在，证明了判断的正确性。
在以上基础上，将参数与调整值重新回到原设定后，对伺服电动机与测量系统进行了检查。首先清理了测速发电机和伺服电动机的换向器表面，并用数字表检查测速发电机绕组情况。检查发现，该伺服电动机的测速发电机转子与电动机轴之间的连接存在松动，粘接部分已经脱开；经重新连接后，开机试验，故障现象消失，机床恢复正常工作。
（3）一台数控铣床，采用FUNAC6M系列三轴一体型伺服驱动器，开机后，X轴工作正常，但是手动移动Z轴，发现在较小范围内，Z轴可以运动，但继续移动Z轴，系统出现伺服报警。
分析和处理过程：根据故障现象，检查机床实际工作情况，发现开机后Z轴可以少量运动，不久温度迅速上升，表面发烫。
分析引起以上故障的原因，可能是机床电气控制系统故障或机械传动系统不良。为确定故障部位，考虑到本机床采用半闭环结构，维修时首先松开伺服与丝杠的连接，并再次开机实验，发现故障现象不变，故确认报警是由于电气控制系统不良引起。
由于机床Z轴伺服带有制动器，开机测量制动器的输入电压正常，在系统、驱动器关机的情况下，对制动器单独加入电源进行试验，手动转动Z轴，发现制动器松开，手动转动轴平稳、轻松，证明制动器工作良好。
为了进一步缩小故障部位，确认Z轴伺服的工作情况，维修时利用不同规格的X轴在机床侧进行互换实验，发现换上的同样出现发热现象，且工作时故障现象不变，从而排除了伺服本身原因。
为了确认驱动器的工作情况，维修时在驱动器侧，对Z轴的驱动器进行互换实验，即将X轴驱动器与Z轴伺服链接，Z轴驱动器与X轴连接。经实验发现故障转移到X轴，Z轴工作恢复正常
根据以上实验，乐意确认以下几点：
①机床机械传动系统正常，制动器工作良好；
②数控系统工作正常，因为当Z轴驱动器带动X轴时，机床无报警；
③Z轴伺服工作正常，因为将它在机床侧与X轴互换后，工作正常；
④Z轴驱动器工作正常，因为通过X轴驱动器在电柜侧互换，控制Z轴后，同样发生故障。
综合以上判断，可以确认故障是由于Z轴伺服的电缆连接引起的。
仔细检查伺服的电缆连接，发现该机床在出厂时电枢线连接错误，即驱动器的L/M/N端子未与插头的A/B/C连接端一一对应，相序存在错误，重新连接后，故障消失，Z轴可以正常工作。
（4）一台配套FUNAC6ME系统的加工中心，X轴在静止时机床工作正常，无报警；但在X轴运动过程中，出现振动，伴有噪声。
分析与处理过程：由于机床在X轴静止时机床工作正常，无报警，初步判定数控系统与驱动器无故障。考虑到X轴运动时定位正确，因此，进一步判定系统X位置环工作正常。检查X轴的振动情况，经观察发现，振动的频率与运动速度有关，运动速度快振动频率较高，运动速度慢则振动频率低，初步认为故障与速度反馈环节有关。分析引起以上故障可能的原因有：
①测速发电机不良；②测速发电机连接不良；③直流伺服电动机不良。
维修时首先检查X轴伺服电动机的测速发电机连接，未发现不良。检查X轴伺服电动机与内装式测速发电机，发现换向器表面积有较多的碳粉，用压缩空气进行清理后，故障未消除。进一步利用数字万用表，测量测速发电机换向片之间的电阻值，经比较后发现，有一对极片间的电阻值比其他各对极片间的电阻值大了很多，说明测速发电机绕组内部存在断路现象。更换新的测速发电机后，机床恢复正常。
关键词:数字控制系统 发展 CNC
1、数控系统的发展史
自从20世纪50代世界上第一台数控机床问世至今已经历50余年。数控机床经过了2个阶段和6代的发展历程。
第1阶段是硬件数控(NC):第1代1952年的电子管;第2代1959年晶体管(分离元件);第3代1965年小规模集成电路;
第2阶段是软件数控(CNC):第4代1970年的小型计算机，中小规模集成电路;第5代1974年的微处理器，大规模集成电路。
2、数控(NC)阶段(1952～1970年)
早期计算机的运算速度低，虽然对当时的科学计算和数据处理影响还不大，但不能适应机床实时控制的要求。人们不得不采用数字逻辑电路"搭"成一台机床专用计算机作为数控系统，被称为硬件连接数控(HARD-WIRED NC)，简称为数控(NC)。随着元器件的发展，这个阶段历经了三代，即1952年的第一代--电子管;1959年的第二代--晶体管;1965年的第三代--小规模集成电路。
常见的电子管是真空式电子管:不管是二极，三极还是更多电极的真空式电子管，它们都具有一个共同结构就是由抽成接近真空的玻璃(或金属，陶瓷)外壳及封装在壳里的灯丝，阴极和阳极组成。直热式电子管的灯丝就是阴极，三极以上的多极管还有各种栅极。以电子管收音机为例，这种收音机普遍使用五六个电子管，输出功率只有1瓦左右，而耗电却要四五十瓦，功能也很有限。打开电源开关，要等1分多钟才会慢慢地响起来。如果用于数控机床可想而知其耗电量、控制速度。
晶体管是用来控制电路中的电流的重要元件。1956年，晶体管是由贝尔实验室发明的，荣获诺贝尔物理学奖，创造了企业研发机构有史以来因技术发明而获诺贝尔奖的先例，晶体管的发明对今后的技术革命和创新具有重要的启示意义。晶体管的发明，终于使由玻璃封装的、易碎的真空管有了替代物。同真空管相同的是，晶体管能放大微弱的电子信号;不同的是，它廉价、耐久、耗能小，并且几乎能够被制成无限小。
晶体管是现代科技史上最重要的发明之一，究其原因有三个方面。第一，它取代了电子管，成为电子技术的最基本元件，原因是性能好、体积小、可靠性大和寿命长。第二，它是微电子技术革命的发动者，而信息时代至今的发展就是由微电子技术、光子技术和网络技术三次技术革命组成的，所以它的出现成为报晓信息时代的使者。第三，晶体管是集成电路和芯片的组成单元，也是光电器件和集成光路的基本组成单元，更是网络技术的基础，只不过光电子晶体管是微电子晶体管的演变或发展罢了。由于这三方面的原因，晶体管的发明在信息科技的迅速发展中起了决定性的重要作用，它的意义远远超出了一种元器件的发明范围，而成为揭开现代技术新领域和变革几乎各种技术基础的关键。所以晶体管发明过程中的突出特点，对于其他科技的产生和发展有重要的参考和启示意义。
小规模集成电路:晶体管诞生后，首先在电话设备和助听器中使用．逐渐地，它在任何有插座或电池的东西中都能发挥作用了。将微型晶体管蚀刻在硅片上制成的集成电路，在20世纪50年展起来后，以芯片为主的电脑很快就进入了人们的办公室和家庭。
3、计算机数控(CNC)阶段(1970年～现在)
到1970年，通用小型计算机业已出现并成批生产。于是将它移植过来作为数控系统的核心部件，从此进入了计算机数控(CNC)阶段(把计算机前面应有的"通用"两个字省略了)。
到1971年，美国INTEL公司在世界上第一次将计算机的两个最核心的部件--运算器和控制器，采用大规模集成电路技术集成在一块芯片上，称之为微处理器(MICROPROCESSOR)，又可称为中央处理单元(简称CPU)。
到1974年微处理器被应用于数控系统。这是因为小型计算机功能太强，控制一台机床能力有富裕(故当时曾用于控制多台机床，称之为群控)，不如采用微处理器经济合理。而且当时的小型机可靠性也不理想。早期的微处理器速度和功能虽还不够高，但可以通过多处理器结构来解决。由于微处理器是通用计算机的核心部件，故仍称为计算机数控。
到了1990年，PC机(个人计算机，国内习惯称微机)的性能已发展到很高的阶段，可以满足作为数控系统核心部件的要求。数控系统从此进入了基于PC的阶段。最常用的形式:CNC嵌入PC型，在PC内部插入专用的CNC控制卡。
将计算机用于数控机床是数控机床史上的一个重要里程碑，因为它综合了现代计算机技术、自动控制技术、传感器技术及测量技术、机械制造技术等领域的最新成就，使机械加工技术达到了一个崭新的水平。(随着科技的发展晶体管的体积越来越小，已达到纳米级。(1纳米为1米的10亿分之一)，纳米晶体管的出现将导致未来可以制造出更强劲的计算机芯片。把20纳米的晶体管放进一片普通集成电路，形同一根头发放在足球场的中央。现代微处理器包含上亿的晶体管。
CNC与NC相比有许多优点，最重要的是:CNC的许多功能是由软件实现的，可以通过软件的变化来满足被控机械设备的不同要求，从而实现数控功能的更改或扩展，为机床制造厂和数控用户带来了极大的方便。
4、结语
总之，计算机数控阶段也经历了三代。即1970年的第四代--小型计算机;1974年的第五代--微处理器和1990年的第六代--基于PC(国外称为PC-BASED)。基于PC的运动控制器，目前最流行的是PMAC。(PMAC(Program Multiple Axises Controller)是美国delta tau 公司生产制造的多轴运动控制卡)。
参考文献
[1] 刘生，等．数控系统的基本情况分析与研究.2002.(7)．
关键词 数控机床 刀具补偿 刀具轨迹计算 刀位点
一、刀具补偿功能简介
使用数控机床的人都知道，用立铣刀在数控铣床或数控加工中心上加工工件时，可以清楚看出刀具中心的运动轨迹与工件已加工轮廓不重合，这是因为工件轮廓是立铣刀以运动包络的方式形成的。立铣刀的中心（底端面与轴线相交点）称为刀具的刀位点，刀位点的运动轨迹即代表刀具的运动轨迹。在数控加工中，是按工件轮廓尺寸编制程序，还是按刀位点的运动轨迹编制程序，显然是完全不一样的，需要根据具体情况来处理。
如图1所示，在数控铣床或数控加工中心中，由于数控系统有刀具补偿功能，可按工件轮廓尺寸进行程序编制。建立、执行刀补后，数控系统会自动计算，刀位点自动调整到刀具运动轨迹上。直接利用工件尺寸编制加工程序，刀具磨损时可重磨刀片（此时需根据实际情况适当调整刀具补偿值）或更换刀具，而加工程序不变，因此使用简单、方便。
目前，经济型数控机床（部分机床无刀具补偿功能）性能简化、结构简单、价格低廉，在企业和学校中有一定的拥有量。在经济型数控机床系统中，如果没有刀具补偿功能，只能按刀位点的运动轨迹尺寸编制加工程序，这就要求先根据工件轮廓尺寸和刀具直径及几何尺寸计算出刀位点的运动轨迹。因此计算量大、过程复杂，且刀具磨损、更换需重新计算刀位点的轨迹尺寸，全部调整或重新编制加工程序，费时费力费钱。
二、数控机床系统中的刀具补偿
（一）数控车床刀具补偿。数控车床刀具补偿功能包括刀具位置补偿和刀尖圆弧半径补偿两方面。在加工程序中用T功能指定，TXXXX中前两个XX为刀具号，后两个XX为刀具补偿号，如T0202。如果刀具补偿号为00，则表示取消刀补。
1、刀具位置补偿。对于刀具磨损或重新安装刀具引起的刀具位置变化，建立、执行刀具位置补偿后，其加工程序不需要重新编制。办法是测出每把刀具的刀位点相对于某一理想位置的刀位偏差（X向与Z向）并输入到指定的存储器内，程序执行刀具补偿指令后，当前刀具的实际位置就到达理想位置。
如图2所示的加工情况，如果没有刀具补偿，刀具从0点移动到1点，对应程序段是N60 G00 X45 Z93 T0200，如果刀具补偿是X=+3，Z=+4，并存入对应补偿存储器中，执行刀补后，刀具将从0点移动到2点，而不是1点，对应程序段是N60 G00 X45 Z93 T0202。
2、刀尖圆弧半径补偿。编制数控车床加工程序时，车刀刀尖被看作是一个点（假想刀尖P点），但实际上为了提高刀具的使用寿命和降低工件表面粗糙度，车刀刀尖被磨成半径不大的圆弧（刀尖AB圆弧），如图3所示，这必将产生加工工件的形状误差。另一方面，由于刀尖圆弧所处的特殊位置，车刀的形状对工件加工也将产生影响，而这些可采用刀尖圆弧半径补偿来解决。车刀的形状和位置参数称为刀尖方位代码（T值），如图4所示。
3、刀补参数。每一个刀具补偿号对应刀具位置补偿（X和Z值）和刀尖圆弧半径补偿（R和T值）共4个参数，在加工之前输入到对应的存储器。在自动执行过程中，数控系统按该存储器中的X、Z、R、T的数值，自动修正刀具的位置误差和自动进行刀尖圆弧半径补偿。
（二）加工中心、数控铣床刀具补偿。加工中心、数控铣床的数控系统，刀具补偿功能包括刀具半径补偿、夹角补偿和长度补偿等刀具补偿功能。
1、刀具半径补偿（G41、G42、G40） 刀具的半径值预先存入存储器Dxx中，xx为存储器号。执行刀具半径补偿后，数控系统自动计算，并使刀具按照计算结果自动补偿。刀具半径左补偿（G41）指刀具偏向编程加工轨迹运动方向的左方（如图5所示），刀具半径右补偿（G42）指刀具偏向编程加工轨迹运动方向的右方。取消刀具半径补偿用G40，也可用D00取消刀具半径补偿。
使用中需注意：建立、取消刀补时，G41、G42、G40指令必须与G00或G01指令共段，即使用G41、G42、G40指令的程序段中必须同时使用G00或G01指令，而不得同时使用G02或G03。当刀具半径补偿取负值时，G41和G42的功能互换。
刀具半径补偿有B功能和C功能两种补偿形式。由于B功能刀具半径补偿只根据本段程序进行刀补计算，不能解决程序段之间的过渡问题，要求将工件轮廓处理成圆角过渡，因此工件尖角处工艺性不好；C功能刀具半径补偿能自动处理两程序段刀具中心轨迹的转接，可完全按照工件轮廓来编程，因此现代CNC数控机床几乎都采用C功能刀具半径补偿。这时要求建立刀具半径补偿程序段的后续两个程序段必须有指定补偿平面的位移指令（G00、G01，G02、G03等），否则无法建立正确的刀具补偿。
2、夹角补偿 （G39）。对于只具有刀具半径补偿B功能的CNC系统，若编程轨迹的相邻两直线（或圆弧）不相切，则必须在零件的外拐角处人为编制出附加圆弧插补程序段，才能实现尖角过渡，否则可能产生超程过切，导致加工误差。我们可采用夹角补偿（G39)来解决。使用夹角补偿G39指令时需注意，本指令为非模态的，只在指令的程序段内有效，同时还只能在G41和G42指令后才能使用。转贴于
3、刀具长度补偿（G43、G44、G49）。利用刀具长度补偿（G43、G44）指令可以不改变程序而随时补偿刀具长度的变化，补偿量存入由H码指令的存储器中。G43表示存储器中补偿量与程序指令的终点坐标值相加，G44表示相减，取消刀具长度偏置可用G49指令或H00指令。程序段N80 G43 Z56 H05与中，假如05存储器中值为16，则表示终点坐标值为72mm。
存储器中补偿量的数值，可用MDI或DPL方式预先存入存储器，也可用G10指令来设置，程序段G10 H05 R16.0就表示在05号存储器中补偿量设为16mm。
三、经济型数控机床中刀具轨迹的计算
在经济型数控机床系统中，如果没有刀具补偿功能，则只能计算出刀位点的运动轨迹，然后按此编程，或者进行局部补偿加工。
1、刀具中心轨迹（刀位点）的计算。在需要计算刀具中心轨迹的数控系统中，需要算出与零件轮廓的基点和节点对应的刀具中心轨迹上基点和节点的坐标。根据经验我们可知：刀具中心运动轨迹是零件已加工轮廓的等距线，由零件轮廓和刀具半径可求出等距线的距离（这里采用平面解析几何法）。
直线的等距线方程：
所求等距线在原直线上边时，取“＋”号，反之取“-”号。
圆的等距线方程：
所求等距线为外等距线时，取“＋”号，反之取“－”号。
求解等距线上的基点坐标，只需将相关等距线方程联立求解。如图6，例：求D点的坐标，已知A点坐标（35，50），B点坐标（65，50）。
解：
由直线AB： y=50
求出直线DE： y=50+8/2=54
由圆弧AF：(x-35)2+(y-35)2=(15)2
求出圆弧CD： (x-35)2+(y-35)2=(15+8/2)2=361
联立直线DE和圆弧CD成方程组：
y=54
(x-35)2+(y-35)2=361
解出 x=35 y=54
即D点的坐标为（35，54），刀具中心轨迹上其他基点或节点的坐标用相同的方法可求出，然后按此编程。
2、数控车床假想刀尖点的偏置分析与计算。在数控车削加工中，为了对刀方便，常以假想刀尖P点来对刀。如果没有刀尖圆弧半径补偿，在车削圆弧或锥面时，会产生过切或切削不足现象。当零件精度要求较高且有圆弧或锥面时，可解决为：计算刀尖圆弧中心轨迹尺寸，然后按此编辑，进行局部补偿计算。
图7所示为在车削1/4凸凹圆弧时， CD为工件轮廓线，O点为圆心，半径为R，刀具与圆弧轮廓起点、终点的切削点分别为C和D，对应假想刀尖为C1和D1。对图7a所示凸圆弧加工情况，圆弧C1D1为假想刀尖轨迹，O1点为圆心，半径为（R+r）；对图7b所示凹圆弧加工情况，圆弧C2D2为假想刀尖轨迹，其圆心是O2点，半径为（R-r）。如果按假想刀尖轨迹编程，则要以图中所示的圆弧C1D1或C2D2（虚线）有关参数进行程序编制。由于刀尖圆弧半径r引起的刀位补偿量在采用Z向和X向同时进行刀具位置补偿时，实际刀刃与工件接触点就会移动到编程时刀尖设定点上。这样，在编制加工工件圆弧程序时，其基点坐标就换算成工件轮廓基点坐标（Z和X）加上刀尖圆弧半径r的补偿量（Dz和Dx），这样就解决了没有刀尖圆弧半径补偿的问题。
四、结述语
综上所述，在数控加工中由于刀尖有圆弧或工件轮廓是由刀具运动包络形成等原因，刀具刀位点的实际运动轨迹与工件的轮廓是不重合的。在全功能型数控系统中，可应用其刀具补偿指令，按工件轮廓尺寸，很方便地进行编程加工。在经济型数控系统中，可以根据工件轮廓尺寸、刀具等计算出刀位点的运动轨迹，按此编程，也可按局部补偿的方法来解决。
参考文献
1.胡育辉.数控铣床加工中心.辽宁:辽宁科学技术出版社，2005
2.汤伟文.数控机床编程与操作.北京:中国劳动社会保障出版社，2000
3.袁锋.数控车床培训教程.北京:机械工业出版社，2005
关键词：数控技术 西门子数控 控制系统设计
中图分类号：TP306 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）04-0042-01
在数控领域，直流技术是最常被用来驱动和控制的方式，特别是在双电机驱动的设备中。直流技术在转速以及控制转矩方面都具有优势，同时拥有较宽的转速调控范围，尤其是驱动转速较低的设备，它精度高的旋转能力非常适合。这些优势决定了直流技术对于驱动装置的适用性。在调试和组态双电机驱动的设备时，一般通过数字操作员面板以及标准工具来完成。使用者只要将DCM通过PROFIBUS接口以及数字和模拟量接口集成自动化解决方案中即可，不需要太多的投入。西门子数控机床控制系统是一个可以拓展的驱动系统，它不仅能够用于一些基本的设备，如挤出机和轧机，还能够用于较高的装置中，如升降机和缆车等。在应用过程中，要根据实际情况对西门子数控系统进行性质和功能的相应调整。西门子数控系统的优势决定了它的实际可用性，在保证生产质量的同时，还能够使生产效率得到显著地提高。
1 西门子数控机床控制系统的简介
众所周知，西门子公司在电气行业具有很高的地位，其生产的很多电气类设备都受到了广泛的好评。从上世纪末期，西门子进行了数控机床控制系统的研发，西门子数控系统的问世给整个机床业的生产带来新的活力。CNC数控装置是西门子数控系统的关键部分，近年来，随着技术的不断发展，西门子公司已经在CNC核心技术的基础上，研发了一系列的知名产品。这些产品的用户遍及全球，在我国也有相当大的市场占有率。西门子数控系统有几个基本的组成部分，核心是CNC数控设备，还有交直流驱动系统，进行位置和编程控制的系统，以及进行通信和辅助的设备。其中数控系统肩负着控制整个系统的重任，在数控机床的控制部件中属于核心部件；交直流驱动系统，顾名思义就是完成进给、直流以及交流电机的驱动工作；控制数字机床内部运行秩序的工作是由可编程控制器来完成的；对于系统的位置也要进行准确的定位，位置控制系统便是实现对位置的控制；内部产生的信息，通过通信系统实现传递和控制；数控设备中键盘以及显示等系统部分是进行辅助的部分，属于数控系统中的辅助系统。以上的功能模块通过技术人员的处理，在数字机床上进行安装，再根据机床的特定工作性能，对西门子控制模块进行重新编写，完成后就能够进行机床的自动控制生产。
2 基于西门子数控机床控制系统的设计
为了方便对于西门子数控系统设计的理解，我们以其在轧辊磨床上的实际应用为例来进行分析。我们知道在轧辊过程中，在对轧辊表面出现的精度磨损进行修复的同时，还要适应加工工艺的要求把产品加工出一定的弯曲度，这种难度较大的加工，只有精度较高的数控机床才能够实现。这种问题，只要对轧辊磨床进行西门子数控系统的安装就能够解决，不仅能够完成较高难度的加工，还能够提高生产质量。
2.1 数控机床的硬件设计
一般来说，数字机床包括两个部分，控制软件以及机械硬件。轧辊磨床同样包含电气控制和硬件两个组成部分。其中，机械部分主要负责磨削和承载的工作，电气控制系统包括数控以及驱动模块。我们主要介绍电气控制系统的设计。通过水平方向或者垂直方向的数控键盘能够完成直接的连接，PROFIBUS DP系统可以使I/O进行操作。除此之外，这个系统可以进行5轴数字驱动，通过Plus S2和Pro S3型驱动来实现，同时需要适配于以上两个型号的PLC轴数字驱动一个。在驱动系统的选用方面，根据适配性的原则，选用交流驱动模块SINAMICS120，同时在进行数控装置的连接时，数据总线选用DRIVECLIO，这样数控系统就能够对编码器ID信息和电动机进行自动的识别。硬件连接准备好之后，只需要将电机插入到控制系统之中，控制系统就会将其作为一个组件进行身份识别，免除了调试和安装的过程，使机床的数控建设得到简化。再通过直流调速器6RA70来实现直流电机的驱动，西门子系统能够实现图像、信息以及故障情况的显示，同时通过辅助键盘能够方便的实现控制命令的输入。在数控系统的内部可以进行小型PLC的植入，这样就能够在机床内部实现逻辑控制，实现各通道的同步生产。
如果数控机床需要5轴驱动力，就需要选用SINUMERIK802D s1进行驱动，同时在工件和砂轮的驱动中采用Z4直流电动机两台，同时在机床轴驱动上设置1FK7交流电动机三台。这样一来，就能够使轧辊磨床在进行主轴驱动的同时，完成三个辅助驱动轴的控制。通道可以保持独立，也可以进行组合，通过PLC进行各种控制方式的同步控制，能够避免混乱。除此之外，在以上硬件配置的基础上，还应该给数控系统配置一套操作面板的接口以完成对于驱动模块的控制，配置两套PLC接口模块使数控装置得到完善，再配置两套D/A模块和一套电源以备不时之需。在数控系统中进行对于温度、位移以及电压等进行测量的辅助系统的设置也十分必要。
2.2 控制系统的软件设计
如果在机床的数控系统安装中选用SINUMERIK802D系统，那么系统软件选用NC编程或者DIN、ISO代码编程均可。对于PLC编程，要实现逻辑方面的控制，可以通过梯形图等语言来进行编程。圆弧半径、极坐标、轮廓冲突和描述等编程都能够得到编程系统的支持，也可以将加工循环编入使编程更加简化。此外，还应该进行各种补偿功能的设置，如刀尖和刀具半径补偿、反向间隙以及螺距补偿等。在进行编程时还要进行曲线逼近、插值等子程序软件的设置，为程序的调用做准备。这样的系统软件设计，能够出色的完成对各项工作的控制，还能够通过显示图像模拟的方式使调试工作更加直观，达到编程难度降低的目的。
3 结语
综上所述，西门子数控系统的优秀品质，不仅使机床的生产质量和效率得到提高，还保证了系统操作的便利。西门子数控系统通过对硬件结构以及输出方式的有效管理以及程序设计的简化，使数控机床的建设在时间和资金上都得到降低。在实际的应用中，要针对机床性能和功能等的实际情况，合理的进行系统软硬件的设计，选用最佳的西门子电气设备，使机床的生产状况达到最好。
参考文献
关键词：数控机床；控制系统；组成；策略
前言
数控机床由机械部分、上下位机软件和硬件电路这3个必不可少的部分组合而成。占整个机床核心部分的就是数控装置，主要体现就是数字控制方式得到了很好的应用。随着可编程序控制器（PLC）技术的发展，国家对工业生产非常重视，在工业生产中应用了很多的新技术，在提高生产效率的同时，也能更好的保证生产企业获得良好的经济效益。其中，数控机床就是非常重要的生产设备，在应用过程中实现了对复杂以及精密零件的加工。近年来，数控机床技术也在不断的发展，主要是应用了PLC技术，PLC数控机床在使用过程中表现出了很多的优点，实现了工件自动夹紧、断刀检测以及机械手自动换刀等操作。
1.数控机床电气控制系统
PLC数控机床电气控制系统是一个全闭环系统，主要由控制系统由 PC 机（工控机），SIMOTION，电源模块，电机模块，电机，光栅尺，SMC30（传感器模块），分布式1/0ET200M（包括数字量模块和模拟量模块），机械手，主轴变频器，高速主轴以及多个传感器以及限位开关组成。具体的分析及其选用如下：
1.1电气控制系统组成
如图1所示，电气控制系统的组成部分有工控机、SIMOTION、电源模块、电动机模块、光栅尺、变频器和传感器等。
图1电气控制系统总体方案原理图
1.1.1电源模块
电源模块在使用过程中要对直流电进行使用，因此，在使用过程中，变频器是将交流电转变直流电，而逆变器则是把直流电转变成预定频率的交流电。SIMOTION运动控制系统，采用通过电源模块把工业交流电变为直流电，再分配给多个电机模块的方式。电源模块分为可调和不可调2种：可调电源模块是根据参数把转化出来的直流电稳定为一个预定的可变值，并且在这个过程中能够和SIMOTION通信的功能进行结合。相反，不可调电源模块只能输出一个固定的直流电压值，就无法与SIMOTIO功能相结合。
1.1.2电动机模块
电动机模块在分类方面主要也是分为两类，分别是装柜型和书本型。书本型又分为单轴和双轴两种形式。
1.1.3 SIMOTION 运动控制器
SIMOTION是整个电气控制系统的核心部分，其运行速度和可靠性对整个电气控制系统起着决定性的影响。为了确保成为最佳的控制方案，SIMOTION的功能得到了很大程度的扩展。SIMOTION主要有三大功能：
（1）运动控制；
（2）逻辑控制，例如，对输入信号的逻辑门处理，以及对输出信号的分析与赋值；
（3）工艺控制，例如压力控制、温度控制等。
目前 SIMOTION面向的行业，主要是运动复杂、速度及精度的要求较高的制造机械、包装机械，橡塑机械，锻压机械，纺织机械，以及其他生产机械领域。
1.2电气控制系统的硬件部分
在电气控制系统中硬件部分也不容忽视，主要由机械手自动换刀、断刀检测
和深度检测等。
1.2.1机械手自动换刀
机械手自动换刀其在生产过程中能够起到提高数控机床工作效率的作用，在应用过程中主要的工作原理就是利用控制电动阀的开关实现机械臂以及刀具的夹紧功能，然后实现机械手的伸展、收回以及松开，自动完成换刀的动作。
1.2.2断刀检测
在电气系统运行过程中，断刀检测系统的主要核心部分就是利用光纤传感器，在生产加工过程中，刀具在长时间的使用过程中会出现磨损的问题，在情况比较严重的时候会出现刀具断裂的情况。为了更好的提高加工的效率，在生产过程中要对刀具的使用情况进行检测，在刀具出现严重磨损的情况下，机床要能够自动换刀，对生产效率不会产生任何的影响。
如图2所示，断刀检测系统的核心是1个CO门的光纤传感器，CO门的3根接入线直接接到24V的电源上，这样，信号线和24V电阻就构成了1个电平输出。
图2断刀检测示意图
2.结语
