1.1.2 机床电气自动控制系统的发展趋势

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．机床电力拖动的发展与分类

20世纪初期，由于发明了电动机，使得机床的拖动也发生了根本性的变革，用电动机代替了蒸汽机。随着电动机的发展，机床的电力拖动也步入了一个崭新的时代。

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，称为成组拖动。一台电动机经天轴（或地轴）由皮带传动给若干台机床工作。由于这种方式存在传动路线长、效率低、结构复杂、生产灵活性小、工作中极不安全等缺点，目前已被淘汰。

2）单电动机拖动

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，称为单电动机拖动。一台电动机拖动一台机床，较之成组拖动简化了传动机构，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，同时也充分利用电动机的调速性能，并易于实现自动控制。随着生产的发展，对机床运动控制的要求越来越高，现在已很少采用单电机拖动。

3）多电动机拖动

由于生产的发展，机床的运动要求增多，机床在结构上有所改变，随着机床自动化程度的提高和重型机床的发展，机床的相关技术要求提高，出现了采用多台电动机驱动一台机床（如铣床）、十余台电动机驱动一台重型机床（如龙门刨床）的拖动方式，这样缩短了机床的传动链，实现了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。

采用多电动机拖动以后，不但简化了机床的机械结构，提高了传动效率，各运动部件还能选择最合理的运动速度，缩短了加工时间，而且便于分别控制，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。多电动机拖动已经成为现代机床基本的拖动方式。

4）直/交流无级调速

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年代出现了交、直流电动机无级调速，其中直流电动机无级调速系统至今还在重型机床上应用。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，是将来的主要发展方向。

2．机床电气控制系统的分类

在机床调速控制技术的发展过程中，电气控制技术也由手动方式逐步向自动控制方式发展。

1）逻辑控制系统

逻辑控制系统又称开关量或断续控制系统。逻辑代数是理论基础，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可分为手动控制、自动控制两种。

（1）手动控制：在电气控制的初期，大多采用电气开关、按钮等对机床电动机的启动、停止、反向等进行手动控制，现在砂轮机、台钻等动作简单的小型机床仍在采用。

（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如下几类。

① 继电器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、按钮开关等电气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，并且改变控制顺序工作循环较为困难，如果要改变，需重新设计电路。

② 顺序控制器控制：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，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，并且功耗小、质量轻，目前已经广泛地运用在数控机床等设备中。

③ 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、编程简易、抗干扰能力强、工作可靠。它一问世即以其强大的生命力，大面积地占领传统的控制领域，PLC的发展方式之一是微型、简易、价廉，以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、高性能，对大规模复杂控制系统进行综合控制。PLC用于数控机床的外围辅助电气的控制，称为可编程序机床控制器。在很多数控系统中称为PMC（Programmable Machine Tool Controller）。

④ 数字控制：20世纪中期，随着电子技术的发展，自动信息处理、数据处理，以及电子计算机的出现，给自动化技术带来了新的概念，用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制，推动了机床自动化的发展。也是在此期间，美国麻省理工学院研制出世界上第一台数控机床。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，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）、MNC（Micro—Computer Numerical Control）、AC（Adaptive Control）等数控系统。

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，这类系统一般具有负反馈的闭环控制系统。常伴有功率放大的特点，并且精度高、功率大、抗干扰能力强。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器等装置、驱动伺服电动机及主轴电动机带动机床执行机构产生所需的运动。

3．机床电气自动控制系统的发展

大功率半导体器件、大规模集成电路、计算机控制技术、检测技术及现代控制理论的发展，推动了机床电气控制技术的发展。主要表现为在控制方法上，从手动操纵发展到自动控制；在控制功能上，从单一功能发展到多功能；在操作上，从紧张、繁重发展到轻巧自如。

在机床电气控制方面，最初采用手动控制，如少数容量小、动作单一的机床（小型台钻、砂轮机等），使用手动直接控制。后来由于切削工具、机床结构的改进，切削功率的增大，机床运动的增多，手动控制已不能满足要求，于是出现了以继电器、接触器为主的控制电器所组成的控制装置和控制系统。这种控制系统，可通过改变开关状态或按下按钮等简单的操作来实现对机床各种运动的控制，如启停、反转、改变速度等的控制。它们的控制方法简单直接、工作稳定可靠、成本低，使机床自动化向前迈进了一大步。

随着生产的发展，机床对加工精度、生产效率提出更高的要求。继电器接触器系统的断续控制方式不能连续、准确地反映信号，很难达到精度的要求。后来又出现了各种可连续控制的控制器件，如电动机放大机、电子管及半导体放大器件，这样就相应地出现了连续控制的自动控制方式及自动控制系统，如电动机放大机控制系统、晶闸管控制系统等。

另一方面，由于继电器接触器控制装置接线固定、使用的单一性，难以适应复杂和程序可变的控制对象的需要。所以20世纪60年代初就出现了顺序控制器。它的初期是以继电器或触发器作为记忆元件的控制器，即通过编码、组合逻辑来改变程序，满足不同加工程序的需要。这样就使机床控制系统具有更大的灵活性和通用性。它的特点是通用性强、程序可变、编程容易、可靠性高、使用维护方便等。它被广泛应用于机械手、组合机床及生产自动线上，大大提高了机床自动化水平。

近年来，可编程序控制器（PLC）在工业过程自动化系统中应用日益广泛。可编程序控制器技术是以硬件接线的继电器接触器控制为基础的，逐步发展为既有逻辑控制、计时、计数，又有运算、数据处理、模拟量调节、联网通信等功能的控制装置。它通过数字或者模拟信号的输入和输出满足各种类型机械控制的需要。可编程序控制器及有关外部设备，都按既易于与工业控制系统连成一整体，又易于扩充其功能的原则设计。可编程序控制器将成为生产机械设备中开关量控制的主要电气控制装置。

现代机床经30 多年的迅速发展，品种日益增多，从现代工程控制论和计算技术中吸取了大量成果，从而发展了自动设计、自动管理、自动诊断、自动换刀、自动传送等机床自动化手段。提高机床的加工精度，也是当前机床发展的重要课题，目前正在发展以原子直径为单位的微细加工，又称超精度加工。这种加工技术开辟了新的加工领域，如激光加工、化学加工等，这样又扩大了机床的范畴。

在一般数控机床的基础上，近年来数控加工中心（MC）有了很大发展，它可以自动选刀、换刀，自动连续地对各个加工面完成铣削、镗削、铰孔及攻螺纹等多工序加工。此外，机械手自动换加工件配合机床的自动加工也大大增加了工业自动化程度。改变了过去一小批量生产中一人、一机、一刀的局面，而把许多相关的分散工序集中在一起，形成一个以工件为中心的多工序自动加工机床。

自适应数控机床是一种按照加工过程所发生的变化，自动调整到最佳切削条件的数控机床。自适应数控机床在20世纪60年代在工业发达国家就有了正式产品，现已有自适应数控车床、铣床、磨床、钻床及电加工机床等。

用数字程序控制（NC）的机床，即数字控制机床。它综合了现代新技术，自动化程度也较高，但其控制是由硬件逻辑电路组组成的。这种控制灵活性差，因此，后来又出现了用计算机代替硬件逻辑电路的计算机数控（CNC）。由于这种控制灵活、通用性也强、工作可靠、控制系统又不太复杂，因而成为现代数控的基本形式。

在计算机数控发展的同时，计算机群控系统也在发展。由一台过程计算机直接控制几台、几十台的数控机床，这就出现了计算机群控制系统，又称直接数控系统（DNC）。

机床自动化进一步发展，是联结生产中各个环节、实现传送各种物质材料的自动化。这就是把一群数控机床用自动传送联结起来，并在计算机统一控制之下形成一个管理和制造相结合的生产整体，它是数控机床、智能机器人、自动化仓库、自动检测与运输技术等新型高技术及计算机辅助设计、辅助制造、生产管理控制等软件技术高度发展的结果。这就是柔性制造系统（FMS）。

随着微电子技术的发展，由小型或微型计算机再加上通用或专用大规模集成电路组成的计算机数控装置（CNC）性能更为完善，几乎所有的机床品种都实现了数控化，出现了具有自动更换刀具功能的数控加工中心（MC），工件在一次装夹中可以完成多种工序的加工。绘图机械、坐标测量机、激光加工机、火焰切割机等设备也在数控技术领域得到了广泛的应用，并取得了良好的效果。自20世纪70年代以来，电气控制相继出现了直接数字控制（DDC）系统、柔性制造系统（FMS）、计算机集成制造系统（CIMS）、综合运用计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、智能机器人、集散控制系统（DCS）、现场总线控制系统等多项高技术，形成了从产品设计与制造和生产管理的智能化生产的完整体系，将自动制造技术推进到更高的水平。