绪论

本节主要知识点：

1．电气控制系统研究。

2．机床电气拖动的发展：基本思路是电动机通过传动装置带动丝杆实现工作台的直线运动；电动机通过机械装置传动实现旋转运动。

3．PLC: Programmable Logic Controller；可编程序控制器。

各工业生产部门的生产机械设备，基本上都是通过金属切削机床加工生产出来的，因此机床是机械制造业中的主要加工设备，机床的质量、数量及自动化水平，都直接影响到整个机械工业的发展。机床工业发展的水平是一个国家工业水平的重要标志。

一、电气自动控制在现代机床中的地位

过去，生产机械由工作机构、传动机构、原动机三部分组成。自从电器元件与计算机应用在机械上后，现代化生产机械已包含第四个组成部分——以电气为主的自动控制系统，它使机器的性能不断提高，使工作机构、传动机构的结构大为简化。

所谓“自动控制”是指在没有人直接参与（或仅有少数人参与）的情况下，利用自动控制系统，使被控对象（或生产过程）自动地按预定规律工作。导弹能准确地命中目标，人造卫星能按预定轨道运行并返回地面指定的地点，宇宙飞船能准确地在月球上着陆并安全返回，都离不开自动控制技术。在工业上，机器按照规定的程序自动地启动与停止；在微型计算机控制的数控机床上，依照计算机发出的程序指令，自动按预定的轨迹进行加工，自动退刀、自动换工件，再自动加工下一个工件；在轧钢机上，用电子计算机计算出轧制速度与轧辊压下量，并通过晶闸管可控整流电路控制电动机来实现这些指令；在自动化仓库中，由可编程序控制器自动控制货物的存放与取出；利用可编程序控制器，按照预先编制的程序，使机床实现各种自动加工循环，所有这些都是电气自动控制的应用。

实现自动控制的手段是多种多样的，可以用电气的方法来实现，也可以用机械的、液压的、气动的等方法来实现自动控制。由于现代化的金属切削机床均用交、直流电动机作为动力源，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，也离不开电气控制的配合。本书就是以机床作为典型对象来研究电气自动控制技术的基本原理、方法和应用，这些基本控制方法自然也适用于其他机器设备及生产过程。

机床经过一百多年的发展，结构不断改进，性能不断提高，在很大程度上取决于电气拖动与电气控制系统的更新。电气拖动在速度调节方面具有无可比拟的优越性和发展前途。采用直流或交流无级调速电动机驱动机床，使结构复杂的变速箱变得十分简单，简化了机床结构，提高了效率和刚度，也提高了精度。近年研制成功用于数控车床、铣床、加工中心机床的电动机——主轴部件，是将交流电动机转子直接安装在主轴上，使其具有宽广的无级调速范围，且振动和噪声均较小，它完全代替了主轴变速齿轮箱，对机床传动与结构将产生变革性影响。

现代化机床在电气自动控制方面综合应用了许多先进的科学技术成果，如计算技术、电子技术、自动控制理论、精密测量技术及传感技术等，特别是当今信息时代，微型计算机已广泛用于各行各业，机床是最早应用电子计算机的设备之一。早在20世纪40年代末期，电子计算机就与机床有机结合产生了新型机床——数控机床。现在价廉可靠的微机在机床行业中的应用日益广泛，由微型计算机控制的数控机床与数显装置越来越多地在我国各类工厂中获得使用和推广。这些新科学技术的应用，使机床电气设备不断实现现代化，从而提高了机床自动化程度和机床加工效率，扩大了工艺范围，缩短了新产品试制周期，加速了产品更新换代。现代化机床还可提高产品加工质量，减少工人劳动强度，降低产品成本等。近20年来出现的各种机电一体化产品、数控机床、机器人、柔性制造单元及系统等均是机床电气设备实现现代化的硕果。总之，电气自动控制在机床中占有极其重要的地位。

二、机床电气自动控制的发展概况

（一）电气拖动的发展与分类

电气控制与电气拖动有着密切的关系。20世纪初，由于电动机的出现，使机床的拖动发生了变革，用电动机代替蒸汽机，机床的电气拖动随电动机的发展而发展。

1．成组拖动

一台电动机经天轴（或地轴）由皮带传动驱动若干台机床工作。由于这种方式存在传动路线长、效率低、结构复杂等缺点，早已被淘汰。

2．单电动机拖动

一台电动机拖动一台机床。较成组拖动简化了传动机构，缩短了传动路线，提高了传动效率，至今中小型通用机床仍有采用单电动机施动的。

3．多电动机拖动

随着机床自动化程度的提高和重型机床的发展，机床的运动增多，要求提高，出现了采用多台电动机驱动一台机床（如铣床）乃至十余台电动机拖动一台重型机床（如龙门刨床）的拖动方式，这样可以缩短机床传动链，易于实现各工作部件运动的自动化。当前重型机床、组合机床、数控机床、自动线等均采用多电动机拖动的方式。

4．交、直流无级调速

由于电气无级调速具有可灵活选择最佳切削用量和简化机械传动结构等优点，20世纪30年代出现的交流电动机——直流电动机——直流电动机无级调速系统，至今还在重型机床上有所应用。20世纪60年代以后，大功率晶闸管的问世和变流技术的发展，又出现了晶闸管直流电动机无级调速系统，它较之前者，具有效率高、动态响应快、占地面积小等优点，当前在数控机床、磨床及仿形等机床中已得到广泛应用。由于逆变技术的出现和高压大功率管的问世，20世纪80年代以来交流电动机无级调速系统有了迅速发展，它利用改变交流电的频率等措施来实现电动机转速的无级调速。交流电动机无电刷与换向器，较之直流电动机易于维护且寿命长，很有发展前途。

（二）电气控制系统的发展与分类

1．逻辑控制系统

又称开关量或断续控制系统，逻辑代数是它的理论基础，采用具有两个稳定工作状态的各种电器和电子器件构成各种逻辑控制系统。按自动化程度的不同分为：

（1）手动控制

在电气控制的初期，大都采用电气开关对机床电动机的启动、停止、反向等动作进行手动控制，现在砂轮机、台钻等动作简单的小型机床上仍有采用。

（2）自动控制

按其控制原理与采用电气元件的不同又可分为：

① 继电接触器自动控制系统。多数通用机床至今仍采用继电器、接触器、按钮开关等电器元件组成的自动控制系统，它具有直观、易掌握、易维护等优点，但功耗大、体积大，并且改变控制工作循环较为困难（如果要改变，需重新设计电路）。

② 顺序控制器。由集成电路组成的顺序控制器具有程序变更容易、程序存储量大、通用性强等优点，广泛用于组合机床、自动线等。20世纪60年代末，又出现了具有运算功能和较大功率输出能力的可编程控制器PC（Programmable Contro11er，又称PLC—Programmable Logic Controller），它是由大规模集成电路、电子开关、晶闸管等组成的专用微型电子计算机，用它可代替大量的继电器，且功耗小、质量小，在机床上具有广阔的应用前景。

③ 数字控制。20世纪40年代末，为了适应中小批量机械加工生产自动化的需要，应用电子技术、计算技术、现代控制理论、精密测量等近代科学成就，研制成了数控机床。它是由电子计算机按照预先编好的程序，对机床实行自动化的数字控制。数控机床既有专用机床生产率高的优点，又兼有通用机床工艺范围广、使用灵活的特点，并且还具有能自动加工复杂的成形表面、精度高等优点，因而它具有强大的生命力，发展前景广阔。

数控机床的控制系统，最初是由硬件逻辑电路构成的专用数控装置NC（Numerical Control），但其成本昂贵，工作可靠性差，逻辑功能固定。随着电子计算机的发展，又出现了DNC（Direct Numerical Control）、CNC（Computer Numerical Control）、AC（Adaptive—Control）等数控系统。

为了充分发挥电子计算机运算速度快的潜力，曾出现过由一台电子计算机控制数台、数十台、甚至上百台数控机床的“计算机群控系统”，又称计算机直接控制系统，这就是DNC。

随着小型电子计算机的问世，又产生了用小型电子计算机控制的数控系统（CNC），它不仅降低了制造成本，还扩大了控制功能和使用范围。

近十年来，随着价格低廉、工作可靠的微型电子计算机的出现，更加促进了数控机床的发展，出现了大量的微型计算机数控系统MNC（Micro—Computer Numerical Control），当今世界各国生产的全功能和经济型数控机床均系MNC系统。

AC称为自适应控制系统，它能在毛坯余量变化、硬度不均、刀具磨损等随机因素出现时，使机床具有最佳切削用量，从而始终保证具有高的加工质量和生产效率。

由数控机床、工业机器人、自动搬运车、自动化检测、自动化仓库等组成的统一由中心计算机控制的机械加工自动线称为柔性制造系统FMS（Flexible Manufacturing System），它是自动化车间和自动化工厂的重要组成部分与基础。较之专用机床自动线，它具有能同时加工多种工件、能适应产品多变、使用灵活等优点，当前各国均在大力发展数控机床和柔性制造系统。

随着生产的发展，由单个机床的自动化逐渐发展为生产过程的综合自动化。柔性制造系统FMS，再加上计算机辅助设计CAD、计算机辅助制造CAM、计算机辅助质量检测CAQ及计算机信息管理系统构成计算机集成制造系统CIMS（Computer Integrated Manufacturing System），它是当前机械加工自动化发展的最高形式。机床电气自动化的水平在电气控制技术迅速发展的进程中将被不断推向新的高峰。

2．连续控制系统

对物理量（如电压、转速等）进行连续自动控制的系统，又称模拟控制系统。这类系统一般是具有负反馈的闭环控制系统，常伴有功率放大的特点。且有精度高、功率大、抗干扰能力强等优点。例如，直流电动机驱动机床主轴实现无级调速的系统，交、直流伺服电动机拖动数控机床进给机构和工业机器人的系统均属连续控制系统。

3．混合控制系统

同时采用数字控制和模拟控制的系统称为混合控制系统，数控机床、机器人的控制驱动系统多属于这类控制系统。数控机床由数字电子计算机进行控制，通过数模转换器和功率放大等装置驱动伺服电动机和主轴电动机带动机床执行机构产生所需的运动。

三、本课程的内容及要求

机床电气控制技术就是采用各种控制元件、自动装置，对机床进行自动操纵、自动调节转速、按给定程序和自动适应多种条件的随机变化而选择最优的加工方案，以及工作循环自动化等。

机床电气控制技术课程，就是研究解决机床电气控制的有关问题，阐述机床电气控制原理、实现机床控制线路、机床电气控制线路的设计方法及常用电气元件的选择、可编程控制器等内容，本书只涉及最基本、最典型的控制线路及控制实例。

在学完本课程以后，学生应掌握电气控制技术的基本原理；学会分析一般机床的电气控制电路并具有一定的设计能力；对可编程控制器应具有基本的运用能力。

综上所述，通过本门课程的学习，学生具有对机电一体化产品的综合分析和设计能力。

知识点提醒：

1．电气控制是采用电器元件构成的电气线路对生产设备、生产过程所进行的控制；继电器—接触器控制系统主要根据控制要求，用导线将一定数量的继电器、接触器连接而成的电路。

2．PLC主要是通过输入端接收外来信号（输入信号：常见的输入信号包括按钮、行程开关、传感器信号），经过程序运算处理后对输出端（接触器、电磁阀、信号灯等）相连的执行电路进行控制。