机床电气控制简介

1.1　机床电气控制简介

1.1.1　机床在国民经济中的重要作用

工业、农业、科学和国防的现代化发展，要求机械产业不断地提供各种先进的设备，如电力机车、内燃机车、各种车辆、起重运输机械、装卸机械、工程机械、养路机械等设备。为制造和维修这些技术设备，就必须具备制造各种金属零件的设备，如铸造、锻造、焊接、冲压和切削加工设备等。机械零件的形状精度、尺寸精度和表面粗糙度要求较高，主要靠切削加工来达到，特别是形状复杂、精度要求高和表面粗糙度要求高的零件，往往需要经过几道甚至几十道切削加工工序才能完成。

机床的性能直接影响机械产品的性能、质量和经济性，因此，它是国民经济中具有战略意义的基础工业，机床的拥有量及其先进程度将直接影响到国民经济各部门生产发展和技术进步的能力。

1.1.2　电气自动控制的地位和作用

自动控制是指在没有人力直接参与或仅有少量人力参与的情况下，利用自动控制系统，使被控对象或生产过程自动地按预定的规律去进行工作。如机床按规定的程序自动地启动和停车;机床按照可编程控制器中预先编制的程序，实现各种自动加工循环;数控机床按照计算机发出的程序指令，自动按预定的轨迹加工等。

实现自动控制的手段是多种多样的，可以用电气的方法实现，也可以用机械、液压、气动等方法实现。由于现代化的金属切削机床均采用交流或直流电动机作为原动机，因而电气自动控制是现代机床的主要控制手段。即使采用其他控制方法，也离不开电气自动控制的配合。而且电气自动控制化程度越高，机床的加工性能、质量、效率就越高。

机床电气自动控制的方法同样也适用于其他机器设备及生产过程。现代机床在电气自动控制方面综合应用了许多先进科学技术成果，如计算机技术、电子技术、传感技术、伺服驱动技术，使机床的自动化程度、加工效率、加工精度、可靠性不断提高，同时扩大了工艺范围，缩短了新产品的试制周期，对加速产品更新换代、降低成本和减轻工人劳动强度方面起到了重要作用。

由此可见，电气自动控制对于现代机床、其他机器设备及生产过程，有着极其重要的作用。

1.1.3　机床电气自动控制的基本概念

现代机床由工作机构、传动机构、原动机、自动控制系统组成。

自19世纪有了电动机以后，由于电力在传输、分配、使用和控制方面的优越性，使电动机拖动获得了广泛应用。现代机床的动力主要由电动机来提供，即由电动机来拖动机床的主轴和进给系统。电动机通过传动机构，来带动工作机构的拖动方式，就称为电力拖动。

电力拖动在速度调节方面，具有无可比拟的优越性和发展前途。采用直流或交流电动机驱动机床，实现无级调速控制，使结构复杂的变速箱变得十分简单，简化了机床结构，提高了效率、刚度和精度。如电机—主轴部件，将交流电动机转子直接安装在主轴上，完全代替了主轴变速齿轮箱，振动和噪音大大减小。

机床的控制任务是实现对主轴的转速和进给量的控制，有时还要完成像各种保护、冷却、照明等系统的控制。机床的电气自动控制系统就是用电气手段为机床提供动力，并实现上述控制任务的系统。

人们总是把电动机、传动机构及工作机构视为电力拖动部分;把为满足加工工艺要求，电动机启动、制动、反向、调速等的控制部分视为电气自动控制部分。

1.1.4　机床电气自动控制的发展概况

机床电气自动控制的发展与电力拖动和电气自动控制的发展紧密相联。

1.电力拖动的发展过程

20世纪初，由于电动机的出现，使得机床的拖动发生了根本性的变革，电动机代替了蒸汽机，机床的电力拖动也随着电动机的发展而不断更新。

(1)成组拖动　19世纪末，交、直流电动机相继出现，最初是由电动机直接代替蒸汽机，即由一台电动机拖动一组机床，称之为成组拖动。电动机是通过拖动传动轴(天轴)，再由传动轴经过皮带来实现能量分配与传递。这种拖动方式机构复杂、传递路径长、损耗大、生产灵活性小、工作中极不安全，在电动机成本逐渐下降后就已被淘汰。

(2)单电机拖动　20世纪20年代，出现了单独拖动形式，即由一台电动机拖动一台机床，称为单电机拖动。与成组拖动相比较，简化了传动机构、缩短了传动路径、降低了能量传递中的损失、提高了传动效率，同时也可充分利用电动机的调速性能，并易于实现自动控制。至今中小型通用机床仍有采用单电机拖动方式的。

(3)多电机拖动　由于生产的发展，机床在结构上有所改变，机床的运动要求增多。如果各种辅助运动也用同一台电动机拖动，其机械传动机构将变得十分复杂，而且也不能满足生产工艺的需求，因此出现了多台电动机分别拖动不同的运动机构，这种多台电动机拖动一台机床就称为多电机拖动。

采用了多电机拖动以后，简化了机床的机械结构，提高了传动效率;各运动部件能够选择最合理的运动速度，缩短了加工时间;便于分别控制，易于实现各运动部件的自动化，提高机床整体的自动化程度。多电机拖动已经成为现代机床最基本的拖动方式。

2.电气自动控制的发展历程

在电力拖动方式的演变过程中，电力拖动的控制方式也由手动控制逐步向自动控制方向发展。电气自动控制发展的历史，也就是电动机调速技术和电气控制技术发展的历史。

(1)电动机调速技术的发展　一方面，为了提高机床的工作效率，在满足加工精度与光洁度的前提下，对于不同的工件材料和不同的刀具，应选择各自不同的最合理的切削速度。另一方面，机床的快速进刀、快速退刀和对刀调整等辅助工作，也需要不同的运动速度。因此，为了保证机床能在不同的速度下工作，要求包括主拖动和进给拖动在内的电力拖动系统，必须具备调节速度的功能。

现代机床一般采用下列调速系统:

①机械有级调速系统。在机械有级调速系统中，电动机采用不调速的鼠笼式异步电动机，而速度的调节是通过改变齿轮箱的变速比来实现的。

在这种系统中，负载转矩是经机械传动机构传到电动机轴上，电动机轴上转矩只是负载转矩的传动比的数倍，可以选择转矩较小的电动机。但机械系统变得复杂，影响了机床的加工精度。在普通车床、钻床、铣床中一般都采用这种机械有级调速系统。

②电气—机械有级调速系统。在机械有级调速系统中，用多速鼠笼式异步电动机，就可简化机械传动机构，这样的系统就是电气—机械有级调速系统。多速电动机一般采用双速电动机，少数机床采用三速、四速电动机。中小型机床的主拖动系统多采用双速电动机。

③电气无级调速系统。通过直接改变电动机转速来实现机床工作机构转速的无级调节的拖动系统，称为电气无级调速系统。这种调速系统具有调速范围宽、可以实现平滑调速、调速精度高、控制灵活等优点，还可大大简化机床的机械传动机构，因而广泛应用于机床的主拖动和进给拖动系统中。

电气无级调速系统主要分为直流无级调速系统和交流无级调速系统两大类。

由于交流电动机具有结构简单、造价低及容易维护等特点，交流拖动系统在普通机床中占主导地位。但直流电动机具有良好的启动、制动和调速性能，可以很方便地在大范围内实现平滑无级调速，20世纪30年代，直流调速系统在重型和精密机床上得到广泛应用。20世纪60年代以后，由于大功率晶闸管的问世，大功率整流技术和大功率晶体管的发展，晶闸管直流电动机无级调速系统取代了直流发电机—直流电动机、交磁放大机等直流调速系统，采用脉宽调制的直流调速系统也得到了广泛应用。

(2)电气控制技术的发展　常用的控制系统有:

①手动控制。它是用一些手动电器(如刀开关、控制器等)来控制执行电器(电动机)，称为手动控制。它适合那些容量小、动作单一、不需要频繁操作的场合。

②继电器接触器控制。20世纪二三十年代出现了继电器接触器控制，采用继电器、接触器、位置开关、保护元件，实现对控制对象的启动、停车、调速、制动、自动循环以及保护等控制，通常称为电气控制。

由于控制器件结构简单、价廉，控制方式简单、直接、工作可靠、易维护，因此在机床控制上得到长期、广泛的应用。其缺点:一是接线固定，一台控制装置只能针对某一种固定程序的设备，一旦工艺程序有所变动，改变控制程序困难，就得重新配线，满足不了对程序经常改变、控制要求比较复杂的系统的需求;二是控制装置体积大、功耗大、控制速度慢;另外它是有触点控制，在控制复杂时可靠性降低。

③顺序控制器控制。为了解决复杂和程序可变的控制对象的需要，在20世纪60年代出现了顺序控制器。它是继电器和半导体元件综合应用的控制装置，通过编码、逻辑组合来改变程序，实现对程序经常变动的控制要求。具有通用性强、程序可变、编程容易、可靠性高、使用维护方便等特点，广泛应用于组合机床、自动控制线上。

④可编程控制器控制。随着计算机技术的发展，又出现了以微型计算机为基础的，具有编程、存储、逻辑控制及数字运算功能的可编程控制器PLC。PLC的设计以工业控制为目标，接线简单、通用性强、编程容易、抗干扰能力强、工作可靠。它一问世即以强大的生命力，大面积地占领了传统的控制领域。PLC的发展方向之一是微型、简易、价廉，企图取代传统的继电器控制;而它的另一个发展方向是大容量、高速度、高性能、对大规模复杂控制系统能进行综合控制。

⑤数字控制。数字控制是机床电气自动控制发展的另一个重要方面。数控机床就是数控技术用于机床的产物。它是20世纪50年代初，为适应中小批量的机械加工自动化的需要，应用电子技术、计算技术、现代控制理论、精密测量技术、伺服驱动技术等现代科学技术的成果。下面将全面介绍数控方面的相关内容。