单元一 数控机床电气控制基础及其维护的基本方法

一、学习任务

1.通过讲授，了解本课程的性质和作用，对课程的定位有比较清晰的认识。

2.通过观看教学设计与组织表，了解本课程的教学模式和教学方法。

3.通过演示，掌握本课程将要用到的电工仪器、仪表和工具的使用。

4.通过现场考察，初步了解数控机床的电气组成和功能。

5.通过现场调研，了解数控机床维护的基本常识和方法。

二、学习目标

1.知道数控机床的基本组成、系统型号及技术指标。

2.知道数控机床零件加工的过程和步骤。

3.知道数控机床的面板操作和显示屏各区域的功能。

4.初步知道数控机床的电气组成结构。

5.初步知道数控机床用到的检测元件，知道开环和闭环的区别。

6.知道常用的电工仪器、仪表和工具的使用。

7.初步认识数控机床上常用电气元件。

8.熟悉数控机床维护的基本内容。

三、着重关注的引导性问题

1.车间现场的数控车床有哪些型号？涉及哪些数控系统型号？记录其规格及技术指标。

2.数控系统的发展经历了哪些阶段？每个阶段的特点是什么？

3.数控加工过程中数据转换有哪两类？分别用什么代码表示。

4.举例说明数控机床维修的各种资料，了解每种资料的功能。

5.数控机床由哪六大部分组成？简述各部分的功能。

6.检测元件在数控机床上的作用是什么，说说你知道的常用检测元件。

7.简叙什么是FMS和CIMS，并谈谈未来数控技术的发展方向。

8.比较经济型、普及型和高档型数控机床的差异。

9.打开某一数控机床电气柜，指出不少于3种的电气元件名称。

10.列举三种电工仪器、仪表和工具，并演示其使用方法。

11.了解数控机床维护的基本内容，并以加工中心为例介绍维护的具体事项。

四、任务学习知识基础

进入本单元学习之前，要求学习者应具有一定的电工电子基础知识，具有数字电路知识基础和计算机技术基础，具有普通车床电气连接的经验，熟知数控零件编程与操作，勤于思考，能在阅读下述基础知识时善于发现及归纳问题，并敢于提出自己的见解。

（一）数控加工原理与特点

采用数控机床加工零件时，只需要将零件图形和工艺参数、加工步骤等以数字信息的形式，编成程序代码输入到机床控制系统中，经过数控系统的处理、运算，按各坐标轴的分量送到各轴的驱动电路，经过转换、放大进行伺服电动机的驱动，带动各轴运行，并进行反馈控制，使刀具与工具及其他辅助装置严格地按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数有条不紊地工作，从而加工出零件的全部轮廓。当更换加工对象时，只需要重新编写程序代码，输入给机床，即可由数控装置代替人的大脑和双手的大部分功能，控制加工的全过程，制造出任意复杂的零件。数控加工原理图如图1-1所示：

数控程序输入数控系统后，数控系统会对程序进行编译，输出两类数据，一类是零件的加工轨迹路线数据，也就是进给轴的电动机控制，程序里的G代码；另一类是开关量数据，通过PLC控制机床电气上的各类开关量的开启和关闭，程序里的M代码，数控加工数据转换的过程如图1-2所示：

（二）数控机床维修的各种技术资料

技术资料是维修的指南，它在维修工作中起着至关重要的作用，借助于技术资料可以大大提高维修工作的工作效率与维修的准确性。对于重大的数控机床故障维修，在理想状态下，应具备以下技术资料。

1.数控机床使用说明书

它是由机床生产厂家编制并随机床提供的随机资料。机床使用说明书通常包括以下与维修有关的内容。

① 机床的操作过程和步骤。

② 机床主要机械传动系统及主要部件的结构原理示意图。

③ 机床的液压、气动、润滑系统图。

④ 机床安装和调整的方法与步骤。

⑤ 机床电气控制原理图。

⑥ 机床使用的特殊功能及其说明等。

2.数控系统的操作、编程说明书（或使用手册）

它是由数控系统生产厂家编制的数控系统使用手册，通常包括以下内容。

① 数控系统的面板说明。

② 数控系统的具体操作步骤（包括手动自动、试运行等方式的操作步骤，以及程序、参数等的输入、编辑、设置和显示方法）。

③ 加工程序及输入格式，程序的编制方法，各指令的基本格式及所代表的意义等。

在部分系统中，它还可能包括系统调试、维修用的大量信息，如“机床参数”的说明、报警的显示及处理方法、系统的连接图等。它是维修数控系统与操作机床中必须参考的技术资料之一。

3.PLC程序清单

它是机床厂根据机床的具体控制要求设计、编制的机床控制软件。PLC程序中包含了机床动作的执行过程，以及执行动作所需的条件，它表明了指令信号、检测元件与执行元件之间的全部逻辑关系。借助PLC程序，维修人员可以迅速找到故障原因，它是数控机床维修过程中使用最多、最重要的资料。

在某些系统（如FANUC系统、SIEMENS802D 等）中，利用数控系统的显示器可以直接对PLC程序进行动态检测和观察，它为维修提供了极大的便利，因此，在维修中一定要熟练掌握这方面的操作和使用技能。

4.机床参数清单

它是由机床生产厂家根据机床的实际情况，对数控系统进行的设置与调整。机床参数是系统与机床之间的“桥梁”，它不仅直接决定了系统的配置和功能，而且也关系到机床的动、静态性能和精度，因此也是维修机床的重要依据与参考。在维修时，应随时参考系统“机床参数”的设置情况来调整、维修机床；特别是在更换数控系统模块时，一定要记录机床的原始设置参数，以便机床功能的恢复。

5.数控系统的连接说明、功能说明

该资料由数控系统生产厂家编制，通常只提供给机床生产厂家作为设计资料。维修人员可以从机床生产厂家或系统生产、销售部门获得。

系统的连接说明、功能说明书不仅包含了比电气原理图更为详细的系统各部分之间连接要求与说明，而且还包括了原理图中未反映的信号功能描述，是维修数控系统、尤其是检查电气接线的重要参考资料。

6.伺服驱动系统、主轴驱动系统的使用说明书

它是伺服系统及主轴驱动系统的原理与连接说明书，主要包括伺服、主轴的状态显示与报警显示、驱动器的调试、设定要点，信号、电压、电流的测试点，驱动器设置的参数及意义等方面的内容，可供伺服驱动系统、主轴驱动系统进行维修时参考。

7.PLC使用与编程说明

它是机床中所使用的外置或内置式PLC的使用、编程说明书。通过PLC的说明书，维修人员可以通过PLC的功能与指令说明，分析、理解PLC程序，并由此详细了解、分析机床的动作过程、动作条件、动作顺序及各信号之间的逻辑关系，必要时还可以对PLC程序进行部分修改。

8.机床主要配套功能部件的说明书与资料

在数控机床上往往会使用较多功能部件，如数控转台、自动换刀装置、润滑与冷却系统、排屑器等。这些功能部件，其生产厂家一般都提供了较完整的使用说明书，机床生产厂家应将其提供给用户，以便功能部件发生故障时进行参考。

以上都是在理想情况下应具备的技术资料，但是实际维修时往往难以做到这一点。因此在必要时，维修人员应通过现场测绘、平时积累等方法完善、整理有关技术资料。

9.维修记录

这是维修人员对机床维修过程的记录与维修的总结。最理想的情况是：维修人员应对自己所进行的每一步维修都进行详细的记录，无论当时的判断是否正确，这样不仅有助于今后进一步维修，而且也有助于维修人员总结经验与提高水平。

（三）数控机床的基本组成

数控机床一般由输入/输出设备、计算机数控系统、伺服驱动单元、可编程控制器（PLC）、电气控制装置、位置检测装置（步进电动机驱动的开环机床无）和机床本体（组成机床本体的各机械部件）等组成。数控系统的组成示意图如图1-3所示。

1.输入/输出装置

① 操作面板：它是操作人员与数控装置进行信息交流的工具组成：MDI键盘/机床操作面板/功能键/显示器等。如图1-4所示为华中数控系统的操作面板。

② 控制介质：人与数控机床之间建立某种联系的中间媒介物就是控制介质，又称为信息载体。常用的控制介质有穿孔带、穿孔卡、磁盘和磁带。

③ 人机交互设备：数控机床在加工运行时，通常都需要操作人员对数控系统进行状态干预，对输入的加工程序进行编辑、修改和调试，对数控机床运行状态进行显示等，也就是数控机床要具有人机联系的功能。具有人机联系功能的设备统称为人机交互设备。常用的人机交互设备有键盘、显示器、光电阅读机等。

④ 通信：现代的数控系统除采用输入/输出设备进行信息交换外，一般都具有用通信方式进行信息交换的能力。它们是实现CAD/CAM的集成、FMS和CIMS的基本技术。采用方式有：

◆ 串口通信（RS-232等串口）；

◆ 自动控制专用接口和规范（DNC方式，MAP协议等）；

◆ 网络技术（Internet，LAN等）。

◆ DNC是Direct Numerical Control或Distributed Numerical Control的缩写，意为直接数字控制或分布数字控制。

◆ FMS是Flexible Manufacturing Systems的缩写，意为柔性制造系统。

◆ CIMS是Computer Integrated Manufacturing Systems的缩写，意为计算机集成制造系统。

2.计算机数控（CNC）装置

数控装置是数控机床的中枢，CNC装置主要由计算机系统、位置控制板、PLC接口板、通信接口板、特殊功能模块及相应的控制软件组成，CNC装置结构图如图1-5所示。数控装置根据输入的零件加工程序进行相应的处理（如运动轨迹处理、机床输入/输出处理等），然后将控制命令输出到相应的执行部件（伺服单元、驱动装置和PLC等），所有这些工作是由CNC装置内的硬件和软件协调配合、合理组织，使整个系统有条不紊地进行工作的。

国内常用的车削数控系统主要有日本FANUC-0T/0iT系列、德国SIEMENS 8T/802/810/840系列、国产华中数控HCNC-21T、广州数控GSK980T等系统。

3.伺服驱动单元

伺服驱动系统由伺服驱动器（伺服控制电路、功率放大电路）和伺服电动机组成。伺服驱动的作用是将来自数控装置的位置控制移动指令转变成机床工作部件的运动，使工作台按规定轨迹移动或精确定位，加工出符合图样要求的工件，即将数控装置送来的微弱指令信号，放大成驱动伺服电动机的大功率信号。

常用的伺服电动机有步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机。根据接收指令的不同，伺服驱动有脉冲式和模拟式，而模拟式伺服驱动方式按驱动电动机的电源种类，可分为直流伺服驱动和交流伺服驱动。步进电动机采用脉冲驱动方式，交、直流伺服电动机采用模拟式驱动方式。

根据功能又分为主轴单元和进给轴单元。

① 伺服/变频调速主轴单元：现代数控机床的主轴大多采用矢量控制的变频器配三相异步电动机的变频无级调速或直接将主轴作为电动机转子的“电主轴”形式，此类机床通常采用Sxxxx指令直接指定主轴转速大小。经济型数控机床的主轴变速还保留用传统的齿轮减速箱的手动换挡变速形式，这类机床通常不接收S指令功能。也有些机床采用机械—液压的自动换挡结构，此时若用Sxx指令，其功能仅在于控制吸合电液阀的序号。数控车床的主轴转速由脉冲编码器进行实时检测，车螺纹时系统将根据螺纹车削时转速与进给的关系实施螺纹进给控制，由此取代了螺纹加工时复杂的挂轮装置。

② 进给轴伺服驱动单元：数控车床刀架拖板的横、纵向进给电动机的驱动，对经济型机床而言，通常采用步进电动机及步进驱动模块作开环控制。由于没有检测和反馈系统，故称之为开环。这类机床控制结构简单，维护方便，成本低，但加工控制精度不高。对全功能数控车床而言，通常采用交直流伺服电动机及伺服驱动的半闭环控制，通过伺服电动机上带的脉冲编码器进行角位移检测和反馈，半闭环控制的数控机床能在一定范围内消除误差，再加上丝杠螺距误差补偿和传动间隙补偿等措施，可以获得较高的加工控制精度。数控系统将程序中的坐标位置指令与进给速度F指令结合起来进行位置速度的综合控制，经插补运算移动后的位置与检测装置测得的实际位置值进行比较、放大后调整速度控制指令，通过速度控制单元，驱动伺服电动机实现进给控制。

4.可编程控制器（PLC）及电气控制装置

用来代替传统机床强电部分的继电器控制，利用逻辑运算实现各种开关量的顺序控制和联锁控制，并提供故障诊断维护的反馈等。机床电气控制包括两个方面，PLC（可编程的逻辑控制器）用于完成与逻辑运算有关顺序动作的I/O控制，而机床I/O电路和装置则是用来实现I/O控制的执行部件，由继电器、电磁阀、行程开关、接触器等组成的逻辑电路。

5.测量装置

如图1-6所示显示了数控机床中的反馈系统的作用，反馈系统的作用是通过测量装置将机床移动的实际位置、速度参数检测出来，转换成电信号，并反馈到CNC装置中，使CNC能随时判断机床的实际位置、速度是否与指令一致，并发出相应指令，纠正所产生的误差。在其他的控制领域，测量装置也有其应用，如图1-7所示的机械手就是其一种应用。

测量装置安装在数控机床的工作台或丝杠上，按有无检测装置，CNC系统可分为开环和闭环系统，而按测量装置安装的位置不同可分为闭环与半闭环数控系统。开环数控系统无测量装置，其控制精度取决于步进电动机和丝杠的精度，闭环数控系统的精度取决于测量装置的精度。因此，检测装置是高性能数控机床的重要组成部分。

6.机床本体

数控机床的机械部件包括：主运动部件，进给运行执行部件（如工作台、拖板及其传动部件），床身、立柱等支撑部件；此外，还有冷却、润滑、转位和夹紧等辅助装置。对于加工中心类的数控机床，还有存放刀具的刀库，交换刀具的机械手等部件。数控机床是高精度和高生产率的自动化加工机床，与普通机床相比，应具有更好的抗振性和刚度，要求相对运动面的摩擦因数要小，进给传动部分之间的间隙要小。所以其设计要求比通用机床更严格，加工制造要求精度更高，常采用加强刚性、减少热变形、提高精度的设计措施。辅助控制装置包括转位换刀、液压泵、冷却泵等控制接口电路。

（四）数控机床的分类

1.按运动方式分类

（1）点位控制系统

点位控制系统是指数控系统只控制刀具或机床工作台，从一点准确地移动到另一点，而点与点之间运动的轨迹不需要严格控制的系统。为了减少移动部件的运动与定位时间，一般先以快速移动到终点附近位置，然后以低速准确移动到终点位置，以保证良好的定位精度。移动过程中刀具不进行切削。使用这类控制系统的主要有数控坐标镗床、数控钻床、数控冲床等。如图1-8所示为点位控制加工示意图。

（2）点位直线控制系统

点位直线控制系统是指数控系统不仅控制刀具或工作台从一个点准确地移动到下一个点，而且保证在两点之间的运动轨道是一条直线的控制系统。刀具移动过程中可以进行切削。应用这类控制系统的有数控车床、数控钻床和数控铣床等。如图1-9所示为直线控制切削加工示意图。

（3）轮廓控制系统

轮廓控制系统也称连续切削控制系统，是指数控系统能够对两个或两个以上的坐标轴同时进行严格连续控制的系统。它不仅能控制移动部件从一个点准确地移动到另一个点，而且还能控制整个加工过程每一点的速度与位移量，将零件加工成一定的轮廓形状。应用这类控制系统的有数控铣床、数控车床、数控齿轮加工机床和加工中心等。如图1-10所示为轮廓控制加工示意图。

2.按控制方式分类

（1）开环控制数控机床

开环控制系统的特征是系统中没有检测反馈装置，指令信息单方向传送，并且指令发出后，不再反馈回来，故称开环控制。

受步进电动机的步距精度和工作频率及传动机构的传动精度影响，开环系统的速度和精度都较低。但由于开环控制结构简单，调试方便，容易维修，成本较低，仍被广泛应用于经济型数控机床上。典型的开环数控系统如图1-11所示。

（2）半闭环控制数控机床

半闭环控制系统框图如图1-12所示。半闭环控制数控机床不是直接检测工作台的位移量，而是采用转角位移检测元件，测出伺服电动机或丝杠的转角，推算出工作台的实际位移量，反馈到计算机中进行位置比较，用比较的差值进行控制。由于反馈环内没有包含工作台，故称半闭环控制。

半闭环控制精度较闭环控制差，但稳定性好，成本较低，调试维修也较容易，兼顾了开环控制和闭环控制两者的特点，因此应用比较普通。

（3）全闭环控制数控机床

全闭环控制系统框图如图1-13所示。全闭环控制系统的特点是，利用安装在工作台上的检测元件将工作台实际位移量反馈到计算机中，与所要求的位置指令进行比较，用比较的差值进行控制，直到差值消除为止。可见，全闭环控制系统可以消除机械传动部件的各种误差和工件加工过程中产生的干扰的影响，从而使加工精度大大提高。速度检测元件的作用是将伺服电动机的实际转速变换成电信号送到速度控制电路中，进行反馈校正，保证电动机转速保持恒定不变。常用速度检测元件是测速电动机。

全闭环控制的特点是加工精度高，移动速度快。这类数控机床采用直流伺服电动机或交流伺服电动机作为驱动元件，电动机的控制电路比较复杂，检测元件价格昂贵。因而调试和维修比较复杂，成本高。

3.按数控系统功能水平分类

按数控系统功能可分为经济型数控系统（又称简易数控系统）、普及型数控系统（又称全功能数控系统）和高档数控系统，表1-1从各个方面比较了这三种数控系统的差异。

4.按数控装置类型分类

① 硬件式数控机床，即NC机床。

这类数控机床数控装置的通用性较差，因其全部由硬件组成，所以功能和灵活性也较差。

② 软件式数控机床，即CNC机床。

这类数控机床数控装置的主要功能几乎可全由软件来实现，对不同的数控机床只需编制不同的软件就可以实现，而且硬件几乎可以通用。这为降低生产成本、保证产品质量、缩短生产周期等提供了条件，所以现代数控机床都采用CNC装置控制。

（五）机床电气的常用检查工具

1.改锥（螺丝刀）

常用的旋具是改锥（又称螺丝刀），如图1-14所示。它用来紧固或拆卸螺钉，一般分为一字形和十字形两种。

一字形改锥：其规格用柄部以外的长度表示，常用的有100mm、150mm、200mm、300mm、400mm等。

十字形改锥：有时称梅花改锥，一般分为四种型号，其中：Ⅰ号适用于直径为2~2.5mm的螺钉；Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ号分别适用于直径为3~5mm、6~8mm、10~12mm的螺钉。

多用改锥：是一种组合式工具，既可做改锥使用，又可做低压验电器使用，此外还可用来进行锥、钻、锯、扳。它的柄部和螺钉旋具是可以拆卸的，并附有规格不同的螺钉旋具、三棱锥体、金力钻头、锯片、锉刀等附件。

2.钢丝钳

钢丝钳是一种夹持或折断金属薄片, 切断金属丝的工具。电工用钢丝钳的柄部套有绝缘套管（耐压500V），其规格用钢丝钳全长的毫米数表示，常用的有150mm、175mm、200mm等规格。钢丝钳的构造及应用如图1-15所示。

3.尖嘴钳

尖嘴钳（如图1-16所示）的头部“尖细”，用法与钢丝钳相似，其特点是适用于在狭小的工作空间操作，能夹持较小的螺钉、垫圈、导线及电气元件。在安装控制线路时，尖嘴钳能将单股导线弯成接线端子（线鼻子），有刀口的尖嘴钳还可剪断导线、剥削绝缘层。

4.断线钳

断线钳（如图1-17所示）的头部“扁斜”，因此又叫斜口钳、扁嘴钳或剪线钳，是专供剪断较粗的金属丝、线材及导线、电缆等用的。它的柄部有铁柄、管柄、绝缘柄之分，绝缘柄耐压为1000V。

5.剥线钳

剥线钳（如图1-18所示）是用来剥落小直径导线绝缘层的专用工具。它的钳口部分设有几个刃口，用以剥落不同线径的导线绝缘层。其柄部是绝缘的，耐压为500V。

剥线钳在使用时，先应根据缆线的粗细型号，选择相应的剥线刀口，再将准备好的电缆放在剥线工具的刀刃中间，选择好要剥线的长度，然后握住剥线工具手柄，将电缆夹住，缓缓用力使电缆外表皮慢慢剥落，松开工具手柄，取出电缆线，这时电缆金属整齐露出外面，其余绝缘塑料完好无损。

6.试电笔

试电笔是用来检测低压导体和电气设备外壳是否带电的一种常用工具，试电笔常做成钢笔式结构或小型螺丝刀结构（如图1-19所示）。它的前端是金属探头，壳内装有氖管、安全电阻和弹簧，笔尾端有金属端盖或钢笔型金属笔柱，作为使用时手必须触及的金属部分。普通试电笔测量电压范围在60~500V之间，低于60V时试电笔的氖管可能不会发光，高于500V不能用普通试电笔来测量，否则容易造成人身触电。当试电笔触及带点体时，带电体上的电压经试电笔的笔尖（金属体）、氖管、安全电阻、弹簧及笔尾端的金属体，再经过人体接入大地形成回路。若带电体与大地之间的电压超过 60V，试电笔中的氖管便会发光，指示被测带电体有电。

7.手电钻

手电钻的作用是在工件上钻孔。手电钻主要由电动机、钻夹头、钻头、手柄等组成，分为手提式和手枪式两种，外形如图1-20所示。

8.万用表

万用表（如图1-21所示）在电子测量中扮演着重要的角色，随着科技的发展，万用表的功能越来越多。万用表可以测量电阻、直流电压、交流电压、直流电流和交流电流，这是万用表最常用的功能。现在的数字万用表又增加了许多新的功能，例如可以测量电容、三极管放大倍数、二极管压降、元器件温度等；更有一种会说话的数字万用表，能将测量结果用语音播报出来；还有的万用表可以通过RS-232接口，将不同时间下采集的数据传送给安装有相关软件的PC，做相关事件分析。

使用万用表前，应认真阅读有关的使用说明书，熟悉电源开关、量程开关、插孔、特殊插口的作用。测量电阻时，应在关掉测量电路电源、并确认电路中其他元件对所测电阻值没有影响的情况下测量，否则会造成损坏万用表、电路板，或者所测电阻值不准确。测量电压通常是解决电路问题时第一步要做的工作。如果没有电压或电压过高、过低，在进一步检查之前，首先要解决电源问题。测量电压时要根据需要将量程开关拨至DCV（直流）或ACV （交流）的合适量程，红表笔插入V/Ω孔，黑表笔插入COM孔，并将表笔与被测线路并联，读数即显示。

9.兆欧表

兆欧表俗称摇表（如图1-22（b）所示），是电工常用的一种测量仪表。兆欧表主要用来检查电气设备、家用电器或电气线路对地及相间的绝缘电阻，以保证这些设备、电器和线路工作在正常状态，避免发生触电伤亡及设备损坏等事故。兆欧表大多采用手摇发电动机供电，故又称摇表。它的刻度是以兆欧（MΩ）为单位的。

兆欧表的接线端钮有3个，分别标有“G（屏）”、“L（线）”、“E（地）”。被测的电阻接在L和E之间，G端的作用是为了消除表壳表面L、E两端间的漏电和被测绝缘物表面漏电的影响。在进行一般测量时，将被测绝缘物接在L、E之间即可。但测量表面不干净或潮湿的对象时，为了准确地测出绝缘材料内部的绝缘电阻，就必须使用G端，如图1-22（a）所示为测量电缆绝缘电阻的接线图。

10.电烙铁

电烙铁（如图1-23所示）是最常用的焊接工具。新烙铁使用前，应用细砂纸将烙铁头打光亮，通电烧热，蘸上松香后用烙铁头刃面接触焊锡丝，使烙铁头上均匀地涂上一层锡。这样做，可以便于焊接和防止烙铁头表面氧化。旧的烙铁头如严重氧化而发黑，可用钢锉锉去表层氧化物，使其露出金属光泽后，重新涂锡，才能使用。

电烙铁要用 220V 交流电源，使用时要特别注意安全。使用前，应认真检查电源插头、电源线有无损坏。并检查烙铁头是否松动。电烙铁使用中，不能用力敲击，要防止跌落。烙铁头上焊锡过多时，可用布擦掉，不可乱甩，以防烫伤他人。焊接过程中，烙铁不能到处乱放，不焊时，应放在烙铁架上。注意电源线不可搭在烙铁头上，以防烫坏绝缘层而发生事故。使用结束后，应及时切断电源，拔下电源插头，冷却后，再将电烙铁收回工具箱。

常用的助焊剂是松香或松香水（将松香溶于酒精中）。使用助焊剂，可以帮助清除金属表面的氧化物，利于焊接，又可保护烙铁头。

11.各种各样的接线端子

接线端子如图1-24所示。

12.示波器

示波器如图1-25所示，用于检测信号的动态波形，例如脉冲编码器、光栅的输出波形，伺服驱动、主轴驱动单元的各级输入/输出波形等；其次还可用于检测开关电源、显示器的垂直、水平振荡与扫描电路的波形等。数控机床维修用的示波器通常选用频带宽为10~100MHz的双通道示波器。

13.数字转速表

数字转速表（如图1-26所示）用于测量与调整主轴的转速，以及调整系统及驱动器的参数，可以使编程的理想主轴转速与实际主轴转速相符，它是主轴维修与调整的测量工具之一。

14.相序表

相序表（如图1-27所示）主要用于测量三相电源的相序，还可以检测工业用电中出现缺相、逆相、三相不平衡、过电压、欠电压等故障现象，它是进给伺服驱动与主轴驱动维修的必要测量工具之一。

15.常用的长度测量工具

长度测量工具（如千分表、百分表等）用于测量机床移动距离、反向间隙值等，如图1-28所示。通过测量，可以大致判断机床的定位精度、重复定位精度、加工精度等。根据测量值可以调整数控系统的电子齿轮比、反向间隙等主要参数，以恢复机床精度，是机械部件维修测量的主要检测工具之一。

（六）数控机床的检测装置

检测装置是数控机床的重要组成部分。在闭环系统中，其主要作用是检测位移量，并发出反馈信号与数控装置发出的指令信号相比较，若有偏差，经放大后控制执行部件，使其向着消除偏差的方向运动，直至偏差等于零为止。

闭环数控系统为反馈控制的随动系统，该系统的输出量是机械位移、速度和加速度，利用这些量的反馈实现精确地控制位移、速度的目的。数控系统的检测装置起着测量和反馈两个作用，它发出的信号传送给数控装置或专用控制器，构成闭环控制。从一定意义上看，数控机床的加工精度主要取决于检测装置的精度。检测装置能分辨的最小测量值称为分辨力。分辨力不仅取决于检测装置本身，而且取决于测量线路。因此，研制和选用性能优良的检测装置是非常重要的。

对于不同类型的数控机床，因工作条件和检测要求不同，可以采用以下不同的检测方法。

（1）增量式检测和绝对式检测

增量式检测方法只测量位移增量，并用数字脉冲的个数来表示单位位移（即最小设定单位）的数量，每移动一个测量单位就发出一个测量信号。其优点是测量装置比较简单，任何一个对中点都可以作为测量起点。但在此系统中，移动距离是靠对测量信号累计后读出的，一旦累计有误，此后的测量结果将全错。另外，在发生故障时（如断电）不能再找到事故前的正确位置，事故排除后，必须将工作台移至起点重新计数才能找到事故前的正确位置。脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、光栅、磁栅、激光干涉仪等都是增量检测装置。

绝对式测量方法测出的是被测部件在某一绝对坐标系中的绝对坐标位置值，并且以二进制或十进制数码信号表示出来，一般都要转换成脉冲数字信号以后，才能送去进行比较和显示。采用此方法，分辨力要求越高，结果也越复杂。这样的测量装置有绝对式脉冲编码器、三速式感应同步器等。

（2）数字式检测和模拟式检测

数字式检测是将被测量单位量化以后以数字形式表示，测量信号一般为电脉冲，可以直接送到数控系统进行比较、处理（如脉冲编码器和光栅）。数字式检测有以下3个特点：

① 被测量转换成脉冲个数，便于显示和处理。

② 测量精度取决于测量单位，与量程基本无关，但存在累计误差。

③ 检测装置比较简单，脉冲信号抗干扰能力强。

模拟式检测是将被测量用连续变量来表示，如电压的幅值变化、相位变化等。在大量程内做精确的模拟式检测时，对技术有较高的要求，数控机床中模拟式检测主要用于小量程测量。模拟式检测装置有测速发电机、旋转变压器、感应同步器和磁尺等。模拟式检测有以下几个主要特点：

① 直接对被测量进行检测，无需量化。

② 在小量程范围内可实现高精度测量。

③ 能进行直接检测和间接检测。位置检测装置安装在执行部件上直接测量执行部件末端处的直线位移或角位移，都可以称为直接测量。直接测量可以构成闭环进给伺服系统，测量方式有用光栅、直线感应同步器、磁栅、激光干涉仪等测量执行部件的直线位移。由于此检测方式是采用直线型检测装置对机床的直线位移进行的测量，其优点是直接反应工作台的直线位移量；缺点是要求检测装置与行程等长，对大型机床，这是一个很大的限制。

位置检测装置安装在执行部件前面的传动元件或驱动电动机轴上，测量其角位移，经过传动比变换以后才能得到执行部件的直线位移量，这样的测量称为间接测量。间接测量可以构成半闭环伺服系统，如将脉冲编码器装在电动机轴上进行测量。间接测量使用可靠、方便，无长度限制；其缺点是在检测信号中加入了直线运动转变为旋转运动的传动链误差，从而影响测量精度。一般对机床的传动链进行补偿，才能提高定位精度。

除了以上位置检测装置，伺服系统中往往还包括检测速度的元件，用以检测和调节发电机的转速。常用的检测元件是测速发电机。数控机床常见的位置检测装置见表1-2。

数控机床上常用的检测元件：

（1）增量式光电脉冲编码器

脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器，能将机械转角变成电脉冲，是数控机床上使用广泛的位置检测装置。脉冲编码器是一种增量检测装置，它的型号是由每转发出的脉冲数来区分的。数控机床上常用的脉冲编码器有每转2000脉冲、2500脉冲和3000脉冲等，现在已有使用每转发出 10 万个脉冲，乃至几百万个脉冲的脉冲编码器，该编码器装置内部应用了微处理器。

光电脉冲发生器的结构图如图1-29所示。在漏光盘（一般用真空镀膜的玻璃圆盘）上沿圆周刻有两圈条纹，外圈为间距相等的细密细纹，例如 1000 条，作为发送脉冲用；内圈仅一条。在漏光盘的圆周位置，与漏光盘平行地放置一个固定的指示光栏，它是一小块扇形薄片，刻有透光条纹A、B、C。其中A、B狭缝在同一圆周上相差1/4节距（称为辨向狭缝），另外一个称为零位狭缝，主光栅转一周时，由此狭缝C发出一个脉冲。

光源发出的散射光线经过透镜聚光后成为平行光线，当漏光盘与主轴同步旋转时，由于基片上的条纹与指示光栅上的条纹出现重合和错位，使光敏元件受到光线亮、暗的变化，引起光敏元件电流大小发生变化，变化的信号电路经信号处理装置输出矩形脉冲。由于条纹A与基片条纹重合时，条纹B与另一条纹错位1/4周期，因此A、B两通道输出的波形相位也相差1/4周期。

（2）绝对式光电脉冲编码器

与增量式脉冲编码器不同，绝对式编码器是通过读取编码盘上的图案确定轴的位置。码盘的读取方式有接触式、光电式和电磁式等几种，最常用的是光电式编码器。

光电绝对式编码器的编码盘原理图和结构图如图1-30所示。在图1-30中，码盘上有四条码道。

码道就是码盘上的同心圆。按照二进制分布规律，将每条码道加工成透明和不透明相间的形式。码盘的一侧安装光源，另一侧安装一排径向排列的光电管，每个光电管对准一条码道。当光源照射码道时，如果是透明区，则光线被光电管接收，并转变成电信号，输出信号为“1”；如果不是透明区，则光电管接收不到光线，输出信号为“0”。被测轴带动码盘旋转时，光电管输出的信息就代表了轴的相应位置，即绝对位置。

绝对编码器的编码有两种：二进制编码，其特点是编码顺序与位置顺序相一致，但可能产生非单值性误差，如误差分析：1111-0000；格雷码（循环码、葛莱码），其特点是任何两个编码之间只有一位是变化的，因而可将误差控制在最小单位上。但编码与位置循序无直接规律。格雷码是从二进制码转换而来的，转换规则为：将二进制码与其本身右移一位后并舍去末位的数码做不进位加法，得出的结果即为格雷码（循环码）。例如，将二进制码0101转换成对应的格雷码：

光电编码盘大多采用格雷编码盘，格雷码数码见表1-3。

绝对式码盘的规格与码盘码道数n有关；现在市场上提供从4道到18道；选择时要考虑伺服系统要求的分辨力和机械传动系统的参数。

分辨力（分辨角）α与码盘的规格n道的关系如下：

码道越多，分辨力越小。

如四位二进制码盘能分辨的最小角度（分辨力）为：

α=360°/24=22.5°

目前，码盘码道可以做到18条，能分辨的最小角度为：

α=360°/218=0.0014°

（3）计量光栅

光栅分为物理光栅和计量光栅，物理光栅刻线细密，用于光谱分析和光波波长的测定。计量光栅，比较而言刻线较粗，但栅距也较小，在 0.004~0.25mm 之间，主要用在数字检测系统。计量光栅是数控机床的精密检测元件，是闭环系统中一种用得较多的测量装置，用做位移或转角的测量，测量精度可达几微米。

① 光栅的种类与精度。

在玻璃的表面上制成透明与不透明间隔相等的线纹，称透射光栅；在金属的镜面上制成全反射和漫反射间隔相等的线纹，称反射光栅，也可以将线纹做成具有一定衍射角度的定向光栅。光栅根据用途又分为长光栅（测量直线位移）和圆光栅（测量角位移），而每一种光栅又根据其用途和材质的不同分为多种。

a）长光栅（直线光栅）。

玻璃透射光栅。它是在玻璃表面感光材料的涂层上或者在金属镀膜上制成的光栅线纹，也有用刻蜡、腐蚀、涂黑工艺制成的。它的特点是：光源可以采用垂直入射，光电元件可直接接收光信号，因此信号幅度大，读数头结构简单；每毫米上的线纹数多，一般常用的黑白光栅可做到每毫米100条线，再经过电路细分，可做到微米级的分辨力。

金属反射光栅。它是在钢尺或不锈钢带的镜面上用照相腐蚀工艺或用钻石刀直接刻画制作光栅条纹。它的特点是：标尺光栅的线膨胀系数很容易做到与机床材料一致；标尺光栅的安装与调整比较方便；安装面积较小；易于接长或制成整根的钢带长光栅；不易碰碎。目前常用的每毫米线纹数为4、10、25、40、50。

b）圆光栅。

圆光栅是在玻璃圆盘的外环端面上，做成黑白间隔条纹，根据不同的使用要求在圆周上的线纹数也不相同。圆光栅一般有 3 种形式：六十进制，如 10800，21600，32400，64800等；十进制，如1000，2500，5000等；二进制，如512，1024，2048等。

c）计量光栅的精度。

光栅检测系统的精度主要取决于光栅尺本身的制造精度，也就是计量光栅任意两点间的误差，即累积误差。由于使用了莫尔条纹技术，因此，相邻误差得以适当地被修正，但对积累误差无多大改善。

由于激光技术的发展，光栅制作精度得以提高。目前光栅精度可以达到微米级，再通过细分电路可以做到0.1μm，甚至更高的分辨力。几种常用光栅的精度数据见表1-4。

② 光栅的工作原理。

光栅是利用光的透射、衍射原理，通过光敏元件测量莫尔条纹移动的数量来测量机床工作台的位移量。一般用于机床数控系统的闭环控制。光栅主要由标尺光栅和光栅读数头两部分组成。光栅读数是利用莫尔条纹的形成原理进行的。如图1-31所示为透射直线式光栅结构图。将指示光栅和标尺光栅叠合在一起，中间保持 0.01~0.1mm 的间隙，并且指示光栅和标尺光栅的线纹相互交叉保持一个很小的夹角θ，使两块光栅尺上的刻线交叉。在光源的照射下，相交点附件的小区域内黑线重叠，透明区域变大，挡光面积最小，挡光效应最弱，透光的累积使这个区域出现亮带。相反，距相交点越远的区域，两光栅不透明黑线的重叠部分越少，黑线占据的空间增大，因而挡光面积增大，挡光效应增强，只有较少的光线透过光栅而使这个区域出现暗带。如图1-32所示，两条暗带或两条亮带之间的距离叫莫尔条纹B，其光强度分布近似于正弦波形。如果将指示光栅沿着标尺光栅长度方向平行移动，则可看到莫尔条纹也跟着移动，但移动方向与指示光栅移动方向垂直。当指示光栅移动一条刻线时，莫尔条纹也正好移动一个条纹。设光栅的栅距为W，两光栅线纹夹角为θ，则它们之间的几何关系为

因为夹角θ很小，所以可取sin（θ/2）≈θ/2，故上式可改写成B=W/θ

由上式可见，θ越小，则B越大，相当于把栅距W扩大了1/θ倍。

（七）数控机床维护的基本方法

1.预防性维护的重要性

顾名思义，所谓预防性维护，就是要注意将有可能造成设备故障和出了故障后难以解决的因素排除在故障发生之前。

每台机床数控系统在运行一定时间之后，某些元器件或机械部件难免出现一些损坏或故障现象，问题在于对这种高精度、高效益且又昂贵的设备，如何延长元器件的寿命和零部件的磨损周期，预防各种事故，特别是将恶性事故消灭在萌芽状态，从而提高系统的平均无故障工作时间和使用寿命，一个重要方面是要做好预防性维护。

数控机床通常是一个企业的关键设备，有时在运行中出现了一些不正常现象，如级别较低的报警，虽然不影响一时运行，但如果怕停机影响生产，不及时进行维护和排除，而让其长时间“带病”工作，必然会造成“小病不治，大病吃苦”的后果。例如，有些地区电网质量差，电压波动大，常造成数控系统跳闸。有些使用者对此现象并不重视，让系统继续在恶劣的供电环境中运行，最后造成主要模块烧坏的严重后果。

总之，做好预防性维护工作是使用好数控机床的一个重要环节，数控维修人员、操作人员及管理人员应共同做好这项工作。

2.预防性维护工作的主要内容

对数控机床的维护要有科学的管理，有计划、有目的地制定相应的规章制度。对维护过程中发现的故障隐患应及时加以清除，避免停机待修，从而延长平均无故障工作时间，增加机床的开动率。数控系统的维护保养的具体内容，在随机的《使用和维修手册》中通常都做了规定。

维护从时间上来看，分为点检与日常维护。

所谓点检，就是按有关维护文件的规定，对数控机床进行定点、定时的检查和维护。从点检的要求和内容上看，点检可分为专职点检、日常点检和生产点检三个层次，如图1-33所示为数控机床点检维修过程示意图。

（1）专职点检

负责对机床的关键部位和重要部位按周期进行重点点检和设备状态检测与故障诊断，制订点检计划，做好诊断记录，分析维修结果，提出改善设备维护管理的建议。

（2）日常点检

负责对机床的一般部位进行点检，处理和检查机床在运行过程中出现的故障。

（3）生产点检

负责对生产运行中的数控机床进行点检，并负责润滑、保养等工作。

数控机床的点检管理一般包括下述几部分内容。

（1）安全保护装置

① 开机前检查机床的各运动部件是否在停机位置。

② 检查机床的各保险及防护装置是否齐全。

③ 检查各旋钮、手柄是否在规定的位置。

④ 检查工装夹具的安装是否牢固可靠，有无松动位移。

⑤ 刀具装夹是否可靠及有无损坏，如砂轮有无裂缝。

⑥ 工件装夹是否稳定可靠。

（2）机械及气压、液压仪器仪表

开机后让机床低速运转3~5min，然后检查如下各项目。

① 主轴运转是否正常，有无异味、异声。

② 各轴向导轨是否正常，有无异常现象发生。

③ 各轴能否正常回归参考点。

④ 空气干燥装置中滤出的水分是否已经放出。

⑤ 气压、液压系统是否正常，仪表读数是否在正常值范围之内。

（3）电气防护装置

① 各种电气开关、行程开关是否正常。

② 电动机运转是否正常，有无异声。

（4）加油润滑

① 设备低速运转时，检查导轨的上油情况是否正常。

② 按要求的位置及规定的油品加润滑油，注油后，将油盖盖好，然后检查油路是否畅通。

（5）清洁文明生产

① 设备外观无灰尘、无油污，呈现本色。

② 各润滑面无黑油、无锈蚀，应有洁净的油膜。

③ 丝杠应洁净无黑油，亮泽有油膜。

④ 生产现场应保持整洁有序。

表1-5为某加工中心的维护点检表。

3.数控系统日常维护

数控系统维护保养的具体内容，在随机的使用和维修手册中通常都做了规定，现就共同性的问题做以下要求：

（1）严格遵循操作规程

数控系统编程、操作和维修人员都必须经过专门的技术培训，熟悉所用数控机床的机械、数控系统、强电装置、液压、气动装置等部分的使用环境、加工条件等；能按机床和系统使用说明书的要求正确、合理地使用。应尽量避免因操作不当引起的故障。通常，在数控机床使用的第一年内，有三分之一以上的系统故障是由于操作不当引起的。

按操作规程要求进行日常维护工作。有些地方需要天天清理，有些部件需要定时加油和定期更换。

（2）对纸带阅读机或磁盘阅读机的定期维护

纸带阅读机是老一代数控系统输入信息的一个重要部件。CNC系统参数、零件程序等数据都可通过它输入到CNC系统的寄存器中。如果阅读机读带部分有污物会使读入的纸带信息出现错误。所以操作者每天应对阅读头、纸带压板、纸带通道表面进行检查，用纱布蘸酒精擦净污物。对纸带阅读机的运动部分，如主动轮滚轴、导向滚轴、压紧滚轴等运动部分，每周应定时清理；对导向滚轴、张紧臂滚轴等每半年一次加注润滑油。对于磁盘阅读机磁盘驱动器内的磁头应用专用清洗盘定期进行清洗。

（3）防止数控装置过热

定期清理数控装置的散热通风系统。应经常检查数控装置上各冷却风扇工作是否正常。应视车间环境状况，每半年或一个季度检查清扫一次。

由于环境温度过高，造成数控装置内温度超过55℃以上时应及时加装空调装置。这在我国南方常会发生这种情况，安装空调装置之后，数控系统的可靠性有比较明显的提高。

（4）经常监视数控系统的电网电压

通常，数控系统允许的电网电压范围在额定值的−15%~+10%，如果超出此范围，轻则使数控系统不能稳定工作，重则会造成重要电子部件损坏。因此，要经常注意电网电压的波动。对于电网质量比较恶劣的地区，应及时配置数控系统专用的交流稳压电源装置，这将比较明显地降低故障率。

（5）防止尘埃进入数控装置内

① 除了进行检修外，应尽量少开电气柜门。以免空气中飘浮的灰尘和金属粉末落在印制电路板和电器接插件上，容易造成元件间绝缘电阻下降，从而出现故障甚至是元件损坏。有些数控机床的主轴控制系统安置在强电柜中，强点柜门关得不严，是使电气元件损坏、主轴控制失灵的一个原因。

② 一些已受外部尘埃、油雾污染的电路板和接插件可采用专用电子清洁剂喷洗。

（6）存储器用的电池应定期检查和更换

通常，数控系统存储参数用的存储器采用CMOS器件，其存储的内容在数控系统断电期间靠支持电池供电保持。一般采用锂电池或可充电的镍镉电池。当电池电压下降至一定值就会造成参数丢失。因此，要定期检查电池电压，当该电压下降至限定值或出现电池电压报警，应及时更换电池。在一般情况下，即使电池尚未消耗完，也应每年更换一次，以确保系统能正常工作。

更换电池时一般要在数控系统通电状态下进行，这样才不会造成存储参数丢失。一旦参数丢失，在调换新电池后，可重新将参数输入。

（7）备用印制电路板的定期通电

对于已经购置的备用印制电路板，应定期装到CNC系统上通电运行。实践证明，印制电路板长期不用，易出故障。

（8）数控系统长期不用时的维护

首先，应注意数控机床不宜长期封存。购买的机床要尽快投入生产。数控机床闲置时间过长会使电子元器件受潮，加快其技术性能下降或损坏。所以，当数控机床长期闲置不用时，也应定期对数控系统进行维护保养。保证机床每周通电 1~2 次，每次运行 1h 左右，以防止机床电气元件受潮，并能及时发现有无电池报警信号，避免系统软件参数丢失。

五、单元学习活动

六、单元学习的资源要求

（一）学习所需的场所、设备及工具

数控原理实训室、机电一体化实训室，电动机控制实训室，与企业实际运作模式相近的校内（外）实训基地的生产车间。

华中数控车床电气结构试验台。

数控机床电气维护的常用电工工具和仪器仪表，如以下四大类：

① 电工工具：试电笔、尖嘴钳、电烙铁、斜口钳、剥线钳、压线钳、各种规格的一字和十字形螺丝刀、电工刀、校验灯、手电钻、各种尺寸的内六角扳手等。

② 仪表：数字式万用表、兆欧表、数字转速表、示波器、相序表、常用的长度测量工具等。

③ 器材：各种规格电线和紧固件、针形和叉形轧头、金属软管、号码管、线套等。

④ 化学用品：松香、纯酒精、润滑油等。

数控机床常用的电气元件，空气开关、接触器、继电器、开关电源、变压器、熔断器等。

（二）技术资料

设备使用说明书、维护保养手册、电气原理图、电气元件安装图和接线图，安全操作规程、岗位职能要求及相关管理资料等；开展单元学习活动所需的学习指南、卡片纸及课业工作页（课业练习）等。

七、单元学习的考核评价

单元学习的考核评价不仅局限于对学习结果的考评，而且更加注重工作学习活动的参与过程。考评围绕学习活动的各个环节，从参与程度、工作学习态度、学习方法与技巧、小组合作情况、目标实现状况等全面考评，本单元主要考评项目组成参考如下。

成果评定：根据课业学习及工作页内容完成的质量情况进行评定，占60%；

学生自评：学生根据评分标准，对实施过程进行自评，给出相应的成绩，占10%；

学生互评：学生间互相交流，互相评价，占10%；

教师评价：教师根据学生的学习态度、工作态度、团队协作精神、出勤率、敬业爱岗和职业道德等情况，并结合工作任务实施过程的各个环节进行评价，占20%。