緒論

本節主要知識點：

1．電氣控制系統研究。

2．機床電氣拖動的發展：基本思路是電動機通過傳動裝置帶動絲桿實現工作臺的直線運動；電動機通過機械裝置傳動實現旋轉運動。

3．PLC: Programmable Logic Controller；可編程序控制器。

各工業生產部門的生產機械設備，基本上都是通過金屬切削機床加工生產出來的，因此機床是機械制造業中的主要加工設備，機床的質量、數量及自動化水平，都直接影響到整個機械工業的發展。機床工業發展的水平是一個國家工業水平的重要標志。

一、電氣自動控制在現代機床中的地位

過去，生產機械由工作機構、傳動機構、原動機三部分組成。自從電器元件與計算機應用在機械上后，現代化生產機械已包含第四個組成部分——以電氣為主的自動控制系統，它使機器的性能不斷提高，使工作機構、傳動機構的結構大為簡化。

所謂“自動控制”是指在沒有人直接參與（或僅有少數人參與）的情況下，利用自動控制系統，使被控對象（或生產過程）自動地按預定規律工作。導彈能準確地命中目標，人造衛星能按預定軌道運行并返回地面指定的地點，宇宙飛船能準確地在月球上著陸并安全返回，都離不開自動控制技術。在工業上，機器按照規定的程序自動地啟動與停止；在微型計算機控制的數控機床上，依照計算機發出的程序指令，自動按預定的軌跡進行加工，自動退刀、自動換工件，再自動加工下一個工件；在軋鋼機上，用電子計算機計算出軋制速度與軋輥壓下量，并通過晶閘管可控整流電路控制電動機來實現這些指令；在自動化倉庫中，由可編程序控制器自動控制貨物的存放與取出；利用可編程序控制器，按照預先編制的程序，使機床實現各種自動加工循環，所有這些都是電氣自動控制的應用。

實現自動控制的手段是多種多樣的，可以用電氣的方法來實現，也可以用機械的、液壓的、氣動的等方法來實現自動控制。由于現代化的金屬切削機床均用交、直流電動機作為動力源，因而電氣自動控制是現代機床的主要控制手段。即使采用其他控制方法，也離不開電氣控制的配合。本書就是以機床作為典型對象來研究電氣自動控制技術的基本原理、方法和應用，這些基本控制方法自然也適用于其他機器設備及生產過程。

機床經過一百多年的發展，結構不斷改進，性能不斷提高，在很大程度上取決于電氣拖動與電氣控制系統的更新。電氣拖動在速度調節方面具有無可比擬的優越性和發展前途。采用直流或交流無級調速電動機驅動機床，使結構復雜的變速箱變得十分簡單，簡化了機床結構，提高了效率和剛度，也提高了精度。近年研制成功用于數控車床、銑床、加工中心機床的電動機——主軸部件，是將交流電動機轉子直接安裝在主軸上，使其具有寬廣的無級調速范圍，且振動和噪聲均較小，它完全代替了主軸變速齒輪箱，對機床傳動與結構將產生變革性影響。

現代化機床在電氣自動控制方面綜合應用了許多先進的科學技術成果，如計算技術、電子技術、自動控制理論、精密測量技術及傳感技術等，特別是當今信息時代，微型計算機已廣泛用于各行各業，機床是最早應用電子計算機的設備之一。早在20世紀40年代末期，電子計算機就與機床有機結合產生了新型機床——數控機床。現在價廉可靠的微機在機床行業中的應用日益廣泛，由微型計算機控制的數控機床與數顯裝置越來越多地在我國各類工廠中獲得使用和推廣。這些新科學技術的應用，使機床電氣設備不斷實現現代化，從而提高了機床自動化程度和機床加工效率，擴大了工藝范圍，縮短了新產品試制周期，加速了產品更新換代。現代化機床還可提高產品加工質量，減少工人勞動強度，降低產品成本等。近20年來出現的各種機電一體化產品、數控機床、機器人、柔性制造單元及系統等均是機床電氣設備實現現代化的碩果。總之，電氣自動控制在機床中占有極其重要的地位。

二、機床電氣自動控制的發展概況

（一）電氣拖動的發展與分類

電氣控制與電氣拖動有著密切的關系。20世紀初，由于電動機的出現，使機床的拖動發生了變革，用電動機代替蒸汽機，機床的電氣拖動隨電動機的發展而發展。

1．成組拖動

一臺電動機經天軸（或地軸）由皮帶傳動驅動若干臺機床工作。由于這種方式存在傳動路線長、效率低、結構復雜等缺點，早已被淘汰。

2．單電動機拖動

一臺電動機拖動一臺機床。較成組拖動簡化了傳動機構，縮短了傳動路線，提高了傳動效率，至今中小型通用機床仍有采用單電動機施動的。

3．多電動機拖動

隨著機床自動化程度的提高和重型機床的發展，機床的運動增多，要求提高，出現了采用多臺電動機驅動一臺機床（如銑床）乃至十余臺電動機拖動一臺重型機床（如龍門刨床）的拖動方式，這樣可以縮短機床傳動鏈，易于實現各工作部件運動的自動化。當前重型機床、組合機床、數控機床、自動線等均采用多電動機拖動的方式。

4．交、直流無級調速

由于電氣無級調速具有可靈活選擇最佳切削用量和簡化機械傳動結構等優點，20世紀30年代出現的交流電動機——直流電動機——直流電動機無級調速系統，至今還在重型機床上有所應用。20世紀60年代以后，大功率晶閘管的問世和變流技術的發展，又出現了晶閘管直流電動機無級調速系統，它較之前者，具有效率高、動態響應快、占地面積小等優點，當前在數控機床、磨床及仿形等機床中已得到廣泛應用。由于逆變技術的出現和高壓大功率管的問世，20世紀80年代以來交流電動機無級調速系統有了迅速發展，它利用改變交流電的頻率等措施來實現電動機轉速的無級調速。交流電動機無電刷與換向器，較之直流電動機易于維護且壽命長，很有發展前途。

（二）電氣控制系統的發展與分類

1．邏輯控制系統

又稱開關量或斷續控制系統，邏輯代數是它的理論基礎，采用具有兩個穩定工作狀態的各種電器和電子器件構成各種邏輯控制系統。按自動化程度的不同分為：

（1）手動控制

在電氣控制的初期，大都采用電氣開關對機床電動機的啟動、停止、反向等動作進行手動控制，現在砂輪機、臺鉆等動作簡單的小型機床上仍有采用。

（2）自動控制

按其控制原理與采用電氣元件的不同又可分為：

① 繼電接觸器自動控制系統。多數通用機床至今仍采用繼電器、接觸器、按鈕開關等電器元件組成的自動控制系統，它具有直觀、易掌握、易維護等優點，但功耗大、體積大，并且改變控制工作循環較為困難（如果要改變，需重新設計電路）。

② 順序控制器。由集成電路組成的順序控制器具有程序變更容易、程序存儲量大、通用性強等優點，廣泛用于組合機床、自動線等。20世紀60年代末，又出現了具有運算功能和較大功率輸出能力的可編程控制器PC（Programmable Contro11er，又稱PLC—Programmable Logic Controller），它是由大規模集成電路、電子開關、晶閘管等組成的專用微型電子計算機，用它可代替大量的繼電器，且功耗小、質量小，在機床上具有廣闊的應用前景。

③ 數字控制。20世紀40年代末，為了適應中小批量機械加工生產自動化的需要，應用電子技術、計算技術、現代控制理論、精密測量等近代科學成就，研制成了數控機床。它是由電子計算機按照預先編好的程序，對機床實行自動化的數字控制。數控機床既有專用機床生產率高的優點，又兼有通用機床工藝范圍廣、使用靈活的特點，并且還具有能自動加工復雜的成形表面、精度高等優點，因而它具有強大的生命力，發展前景廣闊。

數控機床的控制系統，最初是由硬件邏輯電路構成的專用數控裝置NC（Numerical Control），但其成本昂貴，工作可靠性差，邏輯功能固定。隨著電子計算機的發展，又出現了DNC（Direct Numerical Control）、CNC（Computer Numerical Control）、AC（Adaptive—Control）等數控系統。

為了充分發揮電子計算機運算速度快的潛力，曾出現過由一臺電子計算機控制數臺、數十臺、甚至上百臺數控機床的“計算機群控系統”，又稱計算機直接控制系統，這就是DNC。

隨著小型電子計算機的問世，又產生了用小型電子計算機控制的數控系統（CNC），它不僅降低了制造成本，還擴大了控制功能和使用范圍。

近十年來，隨著價格低廉、工作可靠的微型電子計算機的出現，更加促進了數控機床的發展，出現了大量的微型計算機數控系統MNC（Micro—Computer Numerical Control），當今世界各國生產的全功能和經濟型數控機床均系MNC系統。

AC稱為自適應控制系統，它能在毛坯余量變化、硬度不均、刀具磨損等隨機因素出現時，使機床具有最佳切削用量，從而始終保證具有高的加工質量和生產效率。

由數控機床、工業機器人、自動搬運車、自動化檢測、自動化倉庫等組成的統一由中心計算機控制的機械加工自動線稱為柔性制造系統FMS（Flexible Manufacturing System），它是自動化車間和自動化工廠的重要組成部分與基礎。較之專用機床自動線，它具有能同時加工多種工件、能適應產品多變、使用靈活等優點，當前各國均在大力發展數控機床和柔性制造系統。

隨著生產的發展，由單個機床的自動化逐漸發展為生產過程的綜合自動化。柔性制造系統FMS，再加上計算機輔助設計CAD、計算機輔助制造CAM、計算機輔助質量檢測CAQ及計算機信息管理系統構成計算機集成制造系統CIMS（Computer Integrated Manufacturing System），它是當前機械加工自動化發展的最高形式。機床電氣自動化的水平在電氣控制技術迅速發展的進程中將被不斷推向新的高峰。

2．連續控制系統

對物理量（如電壓、轉速等）進行連續自動控制的系統，又稱模擬控制系統。這類系統一般是具有負反饋的閉環控制系統，常伴有功率放大的特點。且有精度高、功率大、抗干擾能力強等優點。例如，直流電動機驅動機床主軸實現無級調速的系統，交、直流伺服電動機拖動數控機床進給機構和工業機器人的系統均屬連續控制系統。

3．混合控制系統

同時采用數字控制和模擬控制的系統稱為混合控制系統，數控機床、機器人的控制驅動系統多屬于這類控制系統。數控機床由數字電子計算機進行控制，通過數模轉換器和功率放大等裝置驅動伺服電動機和主軸電動機帶動機床執行機構產生所需的運動。

三、本課程的內容及要求

機床電氣控制技術就是采用各種控制元件、自動裝置，對機床進行自動操縱、自動調節轉速、按給定程序和自動適應多種條件的隨機變化而選擇最優的加工方案，以及工作循環自動化等。

機床電氣控制技術課程，就是研究解決機床電氣控制的有關問題，闡述機床電氣控制原理、實現機床控制線路、機床電氣控制線路的設計方法及常用電氣元件的選擇、可編程控制器等內容，本書只涉及最基本、最典型的控制線路及控制實例。

在學完本課程以后，學生應掌握電氣控制技術的基本原理；學會分析一般機床的電氣控制電路并具有一定的設計能力；對可編程控制器應具有基本的運用能力。

綜上所述，通過本門課程的學習，學生具有對機電一體化產品的綜合分析和設計能力。

知識點提醒：

1．電氣控制是采用電器元件構成的電氣線路對生產設備、生產過程所進行的控制；繼電器—接觸器控制系統主要根據控制要求，用導線將一定數量的繼電器、接觸器連接而成的電路。

2．PLC主要是通過輸入端接收外來信號（輸入信號：常見的輸入信號包括按鈕、行程開關、傳感器信號），經過程序運算處理后對輸出端（接觸器、電磁閥、信號燈等）相連的執行電路進行控制。