五、数控机床及工业机器人

　　（一）考试目的

　　通过对本部分内容的考核，测试考生对数控机床及其计算机数字控制系统、伺服驱动系统，以及工业机器人、柔性制造单元、柔性制造系统等相关设备、相关技术熟悉的情况，从而考核考生对机电一体化设备、系统的必要基础知识掌握的程度。

　　（二）考试基本要求

　　1.掌握以下内容

　　（1）采用数控机床的原凶和必然性；

　　（2）数控机床的组成；

　　（3）数控机床再生改造应该考虑的问题；

　　（4）单微处理器结构和多微处理器结构CNC装置的结构及特点，以及它们之间的区别；

　　（5）PLC的特点；

　　（6）应用于数控机床中的两种PLC的型式、特点、区别；

　　（7）常用的反应式、永磁感应子式步进电动机的主要区别；

　　（8）步进电动机的转数和转速的计算；

　　（9）直流主轴电动机、交流主轴电动机、永磁直流伺服电动机、永磁同步交流伺服电动机的结构及特点，以及它们之间的区别；

　　（10）CNC装置的控制流程及CNC软件的特点。

　　2.熟悉以下内容

　　（1）数控机床的各种分类方法；

　　（2）CNC装置所具有的功能；

　　（3）PLC的组成、技术指标；

　　（4）伺服系统的分类以及数控机床对伺服系统的要求；

　　（5）步进电动机的工作原理、特点及主要性能指标；

　　（6）直流主轴电动机的性能及速度控制方法；

　　（7）永磁直流伺服电动机的性能及速度控制方法；

　　（8）交流主轴电动机的性能及速度控制方法；

　　（9）永磁同步交流伺服电动机的性能及速度控制方法；

　　（10）工业机器人的特性参数和技术要求；

　　（11）柔性制造单元的结构形式，柔性制造单元与加工中心的区别。

　　3.了解以下内容

　　（1）数控机床及其产生和发展；

　　（2）数控机床加工与普通机床加工的区别；

　　（3）开放式CNC装置的组成方式；

　　（4）PLC在工业控制中的应用；

　　（5）步进电动机对驱动电源的要求，驱动电源的组成和功能；

　　（6）加工机器人的组成、分类及编程方式；

　　（7）柔性制造系统的基本功能、组成及其柔性。

　　（三）要点内容

　　1.数控机床及其产生和发展

　　数控机床是一种采用计算机，利用数字化信息进行控制的，具有高附加值的，技术密集型机电一体化产品。

　　数控机床自20世纪50年代问世以来，得到了迅速发展，不断地更新换代。我国的数控机床行业起步于1958年。到目前为止，在开发、设计、制造具有自主版权的中、高档CNC系统方面取得了可喜的成果。我国的数控产品覆盖了车、铣（包括仿型铣）、镗铣、钻、磨、加工中心及齿轮机床、折弯机、火焰切割机、柔性制造单元等，品种达300多种。中、低档CNC系统已达到小批量生产能力。

　　2.数控加工与普通机床加工的区别

　　数控机床是高效的自动化机床。数控机床加工不同于普通机床加工，在数控机床上加工零件，是将加工过程所需要的各种操作（如主轴的起停、换向及变速，工件或刀具的送进，刀具选择，冷却液供给等）以及零件的形状、尺寸按规定的编码方式写成数控加工程序，输入到数控装置中。再由数控装置对这些输入的信息进行处理和运算，并控制伺服驱动系统，使坐标轴协调移动，从而实现刀具与工件间的相对运动，完成零件的加工。当被加工工件改变时，除了重新装夹工件和更换刀具外，只需更换程序。而在普通机床上加工零件，是由操作者根据图纸要求，手动操作机床，不断改变刀具与工件相对运动参数（位置、速度等），使刀具从工件上切除多余材料，最终获得符合技术要求的尺寸、形状、表面质量及位置要求的零件。

　　3.采用数控机床的原因和必然性

　　数控机床的前期投资费用以及维修（技术）费用比较高，对管理及操作人员素质的要求也比较高。但是采用数控机床不仅节约劳动力，提高劳动生产率，还可以提高产品质量，对开发新产品和促进老产品更新换代，加速流动资金周转和缩短交货期都起着很大作用。合理选用数控机床可以降低企业的生产成本、提高企业的经济效益与竞争力。因此，普通机床正在大量地被数控机床取代。数控机床已经是现代工业生产必不可少的设备。采用数控机床，提高机械工业的数控化率是当前机械制造业技术改造和技术更新的必由之路。

　　4.数控机床的组成

　　数控机床由CNC系统和机床主机及辅助装置组成。

　　CNC系统由程序、输入输出设备、CNC装置及主轴、进给控制单元组成。零件加工程序是CNC系统的重要组成部分。输入输出设备主要用于零件加工程序的编制、存储、打印、显示等。不同档次的CNC系统其输入输出设备的复杂程度也不一样。CNC装置是CNC系统的核心部件，它由计算机（包括硬件和软件）、可编程序控制器（PLC）和接口电路组成。

　　主轴控制单元与交、直流主轴电动机及其进给检测元件组成主轴驱动装置，用于控制主轴的旋转运动，实现在宽范围内速度连续可调，并在每种速度下都能提供切削所需要的功率。

　　速度控制单元与进给伺服电动机（功率步进电动机或交、直流伺服电动机）及其检测元件组成进给驱动装置，用于控制机床各坐标轴的切削进给运动，提供切削过程中所需要的扭矩，并可以任意调节运动速度。再配以位置控制系统，可实现对工作台（或刀具）位置的精确控制，这就是进给伺服驱动系统。

　　为了满足数控机床高自动化、高效率、高精度、高速度、高可靠性的要求，与普通机床相比，数控机床主机的机械结构需满足高刚度和高抗振性、小的机床热变形等要求，为此在结构设计及材料选用上采取一系列措施；此外，在数控机床中多采用高效率、无间隙、低摩擦传动，并采用高性能，宽调速范围交、直流伺服电动机和主轴电动机，以尽量简化机械传动结构。

　　辅助装置是保证数控机床功能充分发挥所需要的配套部件，包括：电器、液压、气动元件及系统，冷却、排屑、防护、润滑、照明、储运等一系列装置，交换工作台，数控转台，数控分度头，刀具及其监控检测装置等。

　　5.数控机床的分类

　　数控机床可以从不同的角度对其分类：

　　按照能够控制刀具与工件相对运动的轨迹可以把数控机床分为点位控制数控机床和轮廓控制数控机床。点位控制数控机床只控制工作台（或刀具）从一点精确地移动到另一点，移动过程中不进行加工。采用这种控制方案的有数控钻床、数控镗床、数控冲床等。轮廓控制数控机床不仅控制工作台（或刀具）的起点和终点坐标，而且还要控制轨迹上每点的速度和位置，因而能够加工曲线（或曲面）。数控车床、数控铣床、数控磨床、数控电加工机床、加工中心等都采用这种控制方案。

　　按照伺服系统的控制方式可以把数控机床分为开环控制数控机床、闭环控制数控机床和半闭环控制数控机床。开环控制方式与闭环、半闭环控制方式的区别是明显的。闭环和半闭环控制方式都为反馈控制系统，都包括位置、速度控制单元，都采用交、直流伺服电动机作为执行元件，都有位置、速度检测器，速度检测器都可以安装在电动机的轴端。区别是：闭环控制其位置检测器安装在机床工作台上，环内包括丝杠螺母副、工作台等传动部件，设计、调试难度大，但控制精度高。而半闭环控制其位置检测器安装在电动机轴端或丝杠的轴端，一般位置测量和速度测量用一个检测器。由于环中包括的传动部件少，设计、调试难度小，但控制精度不如闭环的高。

　　按照加工方式可以把数控机床分为金属切削类、金属成型类、特种加工类和其他类等数控机床。

　　数控机床还可以按其功能水平分高、中、低三档。

　　6.数控机床再生改造应该考虑的问题

　　数控机床再生改造通常应该考虑以下问题：

　　（1）正确估计被改造数控机床的剩余价值。在对旧数控机床进行改造时，必须仔细分析这台数控机床哪些部分还可利用，哪些必须更新。一般要求可利用的剩余价值不应低于总价值的1／3.一般来说，旧数控机床中剩余价值较大的是机械部分及配套附件，数控系统往往都需要更新。

　　（2）对是否值得改造做出判断。设备技术改造力求投资少，一般不应超过同类新设备购置费用的40%～60%.

　　（3）对旧数控机床进行再生改造时，应避免只搞局部改造，而应做全面配套改造。

　　（4）再生改造要与企业的实际生产状况相适应。设备改造的宗旨是以有限的投入创造出较大的经济效益，因此不一定要把设备改造成一流水平。

　　7.CNC装置所具有的功能

　　CNC装置的基本功能包括控制功能、准备功能、插补功能、进给功能、主轴功能、辅助功能、刀具功能、字符显示功能及诊断功能等；还有一些功能属于CNC装置的选择功能，如补偿功能、固定循环功能、图形显示功能、通信功能、在线自动编程功能等。

　　8.单微处理器结构和多微处理器结构CNC装置的结构、特点及区别

　　CNC装置的硬件有单微处理器和多微处理器结构两种结构形式。

　　单微处理器结构CNC装置采用以总线为中心的计算机结构，微处理器通过总线与存储器、PLC、位置控制器及各种接口相连。CNC装置的接口包括与机床侧的信号输入输出接口、与上位计算机的通信接口及与标准输入输出设备的接口。

　　单微处理器CNC装置只有一个微处理器。有的CNC装置虽然有两个或两个以上微处理器，但只有一个微处理器能够控制总线，占有总线资源，其他微处理器不能控制系统总线，不能访问主存储器，只作为智能部件工作，这种CNC装置也属于单微处理器结构。由于只有一个微处理器，因此多采用集中控制、分时处理的方式完成数控的各项功能。由于所有数控功能由一个微处理器完成，因此CNC装置的功能将受微处理器的字长、数据宽度、寻址能力和运算速度等因素的限制。CNC装置的档次主要由微处理器的品质决定。

　　按印刷电路板插接方式的不同单微处理器结构CNC装置分为大板结构和模块化结构。

　　多微处理器结构CNC装置都采用模块化结构，有多个微处理器，每个微处理器分管各自的任务，形成特定的功能单元，即功能模块。基本功能模块包括CNC管理模块、CNC插补模块、位置控制模块、存储器模块、PLC模块和指令、数据的输人输出及显示模块。进一步扩展功能，可增加相应模块。多微处理器结构CNC装置各模块之间的互连和通信除了采用共享总线结构外，还采用共享存储器结构。多微处理器结构CNC装置采用积木方式组成CNC装置，具有良好的适应性和扩展性。插件模块更换方便，可使故障对系统的影响降到最低。运算速度高，更适合多轴控制、高进给速度、高精度、高效率的数控要求。

　　单微处理器结构和多微处理器结构CNC装置的区别归纳如下：

　　（1）单微处理器结构CNC装置只有一个微处理器能够控制总线，占有总线资源，而多微处理器结构CNC装置有多个微处理器。

　　（2）单微处理器结构CNC装置采用以总线为中心的计算机结构，而多微处理器结构CNC装置各模块之间的互连和通信除了采用共享总线结构外，还采用共享存储器结构。

　　（3）单微处理器结构CNC装置有大板和模块两种结构形式，而多微处理器结构CNC装置都采用模块化结构形式。

　　（4）单微处理器结构CNC装置的功能受微处理器的字长、数据宽度、寻址能力和运算速度等因素的限制，用于控制功能不十分复杂的数控机床中。多微处理器结构CNC装置适合多轴控制、高进给速度、高精度、高效率的数控机床。

　　（5）与单微处理器结构CNC装置相比，多微处理器结构CNC装置具有更好的适应性和扩展性。使故障对系统的影响更低。

　　9.开放式CNC装置的组成方式

　　CNC装置的开放化是制造业最终用户、机床生产厂家以及CNC生产厂家共同的需求。开放化具体体现在：系统组成内部的开放化，亦即系统内部硬、软的公开化；系统组成各部分之间的开放化，即使各组成部分（如CNC、伺服驱动、主轴驱动等）之间的接口标准化。其组成方式一般有：

　　（1）PC连接型CNC，是一种将现有CNC与PC通过串行通信连接起来的一种形式。

　　（2）PC内藏型CNC，即在CNC内部加装PC，PC与CNC之间通过专用总线连接。

　　（3）CNC内藏型PC，即在通用PC的扩展槽中插入专用CNC，专用CNC具有包括加工轨迹生成等几乎所有的CNC处理功能。

　　（4）全软件型NC，即CNC的全部功能都由PC完成，并通过装在PC扩展槽中的接口卡进行伺服驱动控制。

　　10.CNC装置的控制流程及CNC软件的特点

　　CNC装置需要执行两种控制，即数字控制和顺序控制（或称辅助控制）。因此，CNC软件要处理两种信息，即辅助控制信息和数字控制信息。各种控制指令、参数及加工数据通过输入设备送入CNC装置的存储器中，加工时从存储器中调出零件加工程序，按程序段进行译码，将零件加工程序转变为CNC装置能够接受的代码。译码后分成两路；一路是辅助控制信息，包括辅助功能M、主轴转速功能S和刀具功能T，该路信息通过PLC处理并输出；另一路是数字控制信息，通过预处理（刀具补偿处理和速度处理）后，进行插补计算、位置控制，控制伺服系统实现坐标轴的协同移动。

　　CNC软件的特点是多任务并行处理：CNC系统软件需要完成多项任务，包括输入、I／O处理、显示、诊断等管理任务和译码、刀具补偿、速度处理、插补、位置控制等控制任务。在许多情况下CNC装置中的管理和控制的某些任务必须同时执行，即所谓的并行处理。

　　11.PLC的组成、技术指标

　　可编程序控制器PLC实质上是一种专用工业控制计算机，其组成包括硬件和软件两大部分。其硬件包括基本组成部分、I／0扩展部分和外部设备三大部分。基本部分包括CPU及存储器、输入输出接口、电源等；I／O扩展部分是为系统扩展输入输出点数而设计的；外部设备是开发PLC控制系统（设计、调试应用程序）的辅助设备，主要有编程器、EPROM写入器、磁带机、打印机、监视器等。PLC软件包括系统软件和应用软件。系统软件由PLC生产厂家编制，一般固化在ROM中，随机提供给用户。应用软件由用户根据控制需要编写，可存储在带锂电池保护的RAM中、EPROM模块（盒）中或盒式磁带中。PLC机插入装有用户程序的EPROM模块，则执行EPROM模块中的程序，没有EPROM模块插入，则执行RAM中的程序。

　　PLC的主要技术指标包括存储容量、扫描速度、I／O点数、编程语言等。

　　12.PLC的特点

　　PLC的特点有控制程序可变，具有良好的柔性；采用面向过程的语言编程，编程方便；功能完善；扩展方便，配置灵活；系统构成简单，安装调试方便；可靠性高等。正因为它具有上述特点才在数控机床及机械制造中得到广泛应用。

　　13.应用于数控机床中的两种PLC的型式、特点、区别

　　可编程序控制器应用于数控机床中有两种型式，即内装型和独立型。

　　内装型PLC的特点是：

　　（1）它的性能指标由所属的CNC装置的性能规格确定。其硬件和软件被作为CNC装置的基本功能统一设计，具有结构紧凑、适配性强等优点。

　　（2）它有与CNC共用微处理器和具有专用微处理器两种类型。前者利用CNC微处理器的余力来完成PLC的功能，I／O点数较少；后者由于有独立的微处理器，多用于顺序程序复杂及动作速度要求快的场合。

　　（3）它与CNC其他电路同装在一个机箱内，共用一个电源和地线。

　　（4）它的硬件电路可与CNC其他电路制作在同一块印刷电路板上，也可以单独制成一块附加印刷电路板。

　　（5）它对外没有单独配置的I／O接口电路，而是使用CNC装置本身的I／O接口电路。

　　（6）采用内装型PLC，扩大了CNC内部直接处理的窗口通信功能，可以采用梯形图编辑和传送高级控制功能，且造价低，提高了CNC的性能／价格比。

　　独立型PLC的特点是：

　　①可根据数控机床对控制功能的要求灵活选购或自行开发。

　　②有自己的I／O接口电路，PLC与CNC装置、PLC与机床侧的连接都通过I／0接口电路连接。PLC本身采用模块化结构，装在插板式笼箱内，I／O点数可通过I／0模块或插板的增减灵活配置。

　　③可以扩大CNC的控制功能，可以形成两个以上的附加轴控制。

　　④在性能／价格比上不如内装型PLC.

　　由内装型和独立型PLC的特点不难看出它们之间的区别：

　　①内装型PLC其硬件和软件被作为CNC装置的基本功能统一设计，其性能指标由所属的CNC装置的性能，规格确定。而独立型PLC是根据数控机床对控制功能要求进行灵活选购或自行开发的单独的PLC机。

　　②内装型PLC可以与CNC共用一个微处理器，而独立型PLC不与CNC共用一个微处理器。

　　③内装型PLC与CNC其他电路同装在一个机箱内，共用一个电源和地线。而独立型PLC本身采用模块化结构，单独装在插板式笼箱内，I／O点数可通过I／0模块或插板的增减灵活配置。

　　④内装型PLC对外没有单独配置的I／O接口电路，而是使用CNC装置本身的I／0接口电路。而独立型PLC有自己的l／0接口电路，PLC与CNC装置、PLC与机床侧的连接都通过l／O接口电路连接。

　　⑤独立型PLC可以扩展CNC的控制功能，可以形成两个以上的附加轴控制。而内装型PLC则不可以。

　　⑥在性能／价格比上，内装型PLC高于独立型。

　　14.PLC在工业控制中的应用

　　PLC广泛应用于工业控制中，可以应用PLC进行顺序控制和开关逻辑控制、闭环过程控制、组合数字控制，可以组成多级控制系统及控制机器人等，PLC也可以用于位置控制中。

　　15.伺服系统的分类以及数控机床对伺服系统的要求

　　按照控制对象和使用目的的不同，数控机床伺服系统可分为进给伺服系统、主轴伺服系统和辅助伺服系统。按照伺服系统调节理论，数控机床的进给伺服系统可分为开环、闭环和半闭环伺服系统；按驱动部件的动作原理又可将其分为电液控制系统和电气控制系统。电气控制系统又有步进电动机驱动系统、直流伺服电动机驱动系统和交流伺服电动机驱动系统。按照反馈控制方式，数控机床进给伺服系统有脉冲比较、相位比较、幅值比较和全数字等伺服系统等。

　　数控机床的进给伺服驱动系统应该满足高精度、快速响应、调速范围宽、低速大转矩、可靠性高等要求。数控机床的主轴驱动系统不仅应该具有宽的调速范围，而且能在尽可能宽的调速范围内保持恒功率输出。另外，为了满足不同数控机床的加工要求，主轴驱动系统还应该满足一些特殊要求。例如，为了能在数控车床上加工螺纹要求主轴驱动与进给驱动实行同步控制；为了保证端面加工的表面粗糙度，要求数控车床、数控磨床等机床的主轴驱动具有恒线速切削功能；加工中心的主轴驱动系统应具有高精度的主轴停位控制功能，以便进行自动换刀；有的数控机床还要求主轴驱动系统具有角度控制功能。

　　16.步进电动机的工作原理及特点

　　步进电动机是一种同步电动机，定子磁场在空间旋转时，转子跟随定子磁场同步旋转。定子磁场的激磁磁势为脉冲式，使磁场以一定频率步进式旋转，转子也就一步一步旋转。可见，步进电动机是一种将电脉冲信号转换成角位移（或直线位移）的执行元件。给步进电动机供电的电源是脉冲电源，而不是直流电源或正弦交流电源。步进电动机的特点是：

　　（1）步进电动机转子的转速主要取决于脉冲的频率，转子总的角位移取决于总的脉冲数，转子的转向取决于分配脉冲的相序。其步距值不受各种干扰因素的影响。

　　（2）步进电动机每走一步所转过的角度（实际步距值）与理论步距值之间总有一定的误差。从某一步到任何一步，即走任意步数后，也总会有一定的累积误差，但每转一圈的累积误差为零，亦即步距溪差不长期积累。

　　（3）步进电动机带负载的能力比较差。

　　17.步进电动机的主要性能指标

　　步进电动机的主要性能指标有：

　　（1）步距精度。我国生产的步进电动机的步距精度一般在±10～±30分的范围，有些可达±2～±5分。

　　（2）最大静转矩。用以衡量步进电动机带负载的能力。

　　（3）起动频率。是使步进电动机能够由静止定位状态不失步地起动，并进入正常运行的控制脉冲最高频率。在电动机空载情况下，称为空载起动频率。在有负载情况下，不失步起动所允许的最高频率将大大降低。

　　（4）连续运行频率。步进电动机起动后，其转速将跟随控制脉冲频率连续上升而不失步的控制脉冲的最高频率称为连续运行频率的最高工作频率。步进电动机的连续运行频率随负载的增大而下降，但步进电动机连续运行频率远高于其起动频率。

　　18.常用的反应式、永磁感应子式步进电动机的主要区别

　　永磁感应子式步迸电动机的定子结构与反应式步进电动机的定子结构基本相同，也分成若干个极，极上有齿和控制线圈。但永磁感应子式步进电动机的转子由两段铁心和位于中部的环形磁钢组成。由于磁路内含有永久磁钢，故当定子绕组断电后仍具有一定的定位转矩。

　　19.步进电动机的转数和转速的计算

　　步进电动机的步距角用下式计算：

　　20.步进电动机对驱动电源的要求，驱动电源的组成和功能

　　步进电动机的运行性能是步进电动机和驱动电源的综合体现。驱动电源应满足以下基本要求：

　　（1）电源的相数、通电方式、电压、电流应与步进电动机的基本参数相适应；

　　（2）能满足步进电动机起动频率和运行频率的要求；

　　（3）工作可靠，抗干扰能力强；

　　（4）成本低，效率高，安装和维护方便。

　　驱动电源通常由环形分配器和功率驱动器组成。环形分配器的功能可由硬件，软件以及软、硬件相结合的方式来实现。其主要功能是将CNC装置的插补脉冲，按步进电动机所要求的规律分配给功率驱动器的各相输入端，以控制步进电动机励磁绕组的导通或关断。由于电动机有正反转要求，所以环形分配器的输出是周期性的，又是可逆的。功率驱动器的功能是将环形分配器输出的脉冲信号放大，以便用足够的功率来驱动步进电动机。

　　21.直流主轴电动机、交流主轴电动机、永磁直流伺服电动机、永磁同步交流伺服电动机的结构及特点，以及它们之间的区别

　　直流主轴电动机的结构与普通直流电动机的结构基本相同。两者之间的主要区别是：直流主轴电动机在主磁极上除了绕有主磁极绕组外，还绕有补偿绕组，以便抵消转子反应磁动势对气隙主磁通的影响，改善电动机的调速性能；直流主轴电动机都采用轴向强迫通风冷却或热管冷却，以改善冷却效果；直流主轴电动机尾部都同轴装有速度检测元件，如测速发电机；直流主轴电动机一般都能承受150%的过载负荷。

　　永磁直流伺服电动机由电动机本体和检测部件组成。反馈用的检测部件装在电动机的尾部（非轴伸出端）。电动机本体主要由机壳、定子磁极和转子三部分组成。

　　定子磁极是一个永磁体。由于是采取永磁式励磁方式，不需要励磁功率，在同样的输出功率下有较小的体积和较轻的重量。

　　转子分为普通型和小惯量型两类。小惯量型转子直流伺服电动机的共同特点是转子惯量小，适合于快速响应的伺服系统。但其过载能力低，当用于数控机床等进给伺服系统中时，由于转子惯量与机械传动系统匹配较差，电动机轴与机械传动系统不能直接相连，必须采取一些措施。普通型转子与一般直流电动机的转子相似，也是有槽转子，只是转子铁芯上的槽数较多，且采用斜槽，在一个槽内又分布有几个虚槽，以减小转矩的波动。与一般直流电动机相比，转子铁芯长度对直径的比大些，气隙小些。普通型转子永磁直流伺服电动机与小惯量型转子直流伺服电动机相比，具有以下一些特点：

　　（1）低速时输出的转矩大，惯量比较大，能与机械传动系统直接相连，省去齿轮等传动机构，从而有利于减小机械振动和噪声，以及齿隙误差。

　　（2）转子的热容量大，电动机的过载性能好，一般能加倍过载几十分钟。

　　（3）调速范围宽，当与高性能速度控制单元组成速度控制系统时，调速范围可达l：1000以上。

　　（4）转子惯量比较大，为了满足快速响应的要求，需要加大电动机的加速转矩，为此需要加大电源容量。

　　（5）转子温升高（电动机允许温升可达150℃～180℃），可通过转轴传到机械上去，这会影响精密机械的精度。

　　交流主轴电动机都采用感应电动机的结构，是经过专门设计的鼠笼式三相异步电动机。带有三相绕组的定子和带有笼条的转子是电动机的核心。它没有外壳，定子铁芯直接暴露在空气中，而且在定子铁芯上做有轴向通风孔，以利于电动机冷却、缩小电动机体积，增大输出功率。转子做成细长形，以减小转子的转动惯量。交流主轴电动机的外形呈多边形，而不是圆形。交流主轴电动机的尾部都同轴安装有脉冲发生器（或脉冲编码器）。交流主轴电动机也具有一定的过载能力。一般能在额定负载的l.2～1.5倍负载下工作几分钟至半个小时。

　　永磁同步交流伺服电动机主要由三部分组成：定子、转子和检测部件。定子形状与普通感应电动机的定子相似，具有齿槽，内有三相绕组。但其外表面多呈多边形，且无外壳，这样有利于散热。转子带有永磁体，由多块永久磁铁和冲片组成。

　　直流伺服电动机与交流伺服电动机的主要区别是前者带有电刷和换向器而后者不带。永磁直流伺服电动机与永磁同步交流伺服电动机的区别除了有无电刷和换向器外，再就是前者的定子磁极是一个永磁体而后者的转子带有永磁体。伺服电动机与普通电动机的一个明显区别是前者都同轴装有用于反馈的检测元件而后者没有。主轴直流电动机与普通直流电动机以及主轴交流电动机普通交流电动机的区别比较明显，不再赘述。还应该指出，上述四种电动机的调速方法也不相同。

　　22.直流主轴电动机、交流主轴电动机、永磁直流伺服电动机、永磁同步交流伺服电动机的性能及速度控制方法

　　直流伺服电动机的优点是具有优良的调速性能。其缺点是电动机的电刷和换向器容易磨损，需要经常维护；由于换向器换向时会产生火花而使最高转速受到限制，也使应用环境受到限制；直流电动机结构复杂，制造困难，成本高。采用交流伺服电动机完全克服了直流伺服电动机固有的缺点，并且通过采取措施也可以获得好的调速性能。

　　永磁直流伺服电动机和永磁同步交流伺服电动机的性能，由于其伺服系统的要求，需要用一些特性曲线和数据表加以全面描述。其中最重要的是电动机的工作曲线。在数据表中给出了有关电动机性能的一些参数值，是选购和使用电动机的不可少的参考资料。

　　直流主轴电动机为他励直流电动机，电动机的电磁转矩可以表示为：

　　由于电磁转矩中的两个可控量Ф和 是互相独立的，所以可以方便地分别进行调节。而且这种关系无论在静态还是在动态都成立，这就保证了电动机的良好的静、动态转矩控制特性，从而得到优良的调速性能。

　　直流主轴电动机在基本速度以下为恒转矩范围，在基本速度以上为恒功率范围。因此采用双域调速系统调速，由转子绕组控制回路和磁场控制回路两部分组成。在转子绕组控制回路中，通过改变转子绕组电压（即外加电压）调速，为恒转矩调速，适于基本速度以下的恒转矩范围。在磁场控制回路中，通过改变励磁电流，，（即改变磁通函）调速，为恒功率调速，适于基本速度以上的恒功率范围。

　　与直流主轴电动机相类似，交流主轴电动机也存在一个基本速度，在基本速度以下为恒转矩区域，在基本速度以上为恒功率区域。恒功率的速度范围只有1：3的速度比，当速度超过一定值后，功率一速度特性曲线会向下倾斜。

　　对于交流主轴电动机、气隙磁通和转子电流不是独立变量，它们都是转差率S的函数，无法分开进行独立控制。另外，被控量是既有大小又有相位的矢量，比标量难控制得多。为了改善交流主轴电动机的控制性能，常采用矢量控制调速方法。这种调速方法将被控变量从矢量转换为标量，通过这种转换，将交流电动机模拟成直流电动机来控制其转矩，从而获得高动态调速性能。

　　用于数控机床进给伺服系统中的永磁直流伺服电动机多采用改变外加电压的调速方法。这是因为这种调速方法具有恒转矩调速特性、机械特性好、经济性能好等特点。现代数控机床的直流进给伺服系统中多采用晶体管脉宽调制调速系统。所谓脉宽调制调速，就是利用脉宽调制器对大功率晶体管开关放大器的开关时间进行控制，将直流电压转换成某一频率的矩形波电压，加到直流电动机转子绕组两端，通过对矩形波脉冲宽度的控制，改变转子绕组两端的平均电压，从而达到调节电动机转速的目的。

　　永磁同步交流伺服电动机转子转速为：

　　可见，可以通过改变电动机电源频率来调速。该方法可以实现无级调速，能够较好地满足数控机床的要求。为电动机供电的变频电源采用交一直一交变频器。可以采用不同的方案来实现永磁同步交流伺服电动机的调速控制，常见的有自同步控制变频调速，电流控制调速和矢量控制调速等。

　　23.工业机器人的组成、分类及编程方式

　　工业机器人由操作机、驱动装置和控制系统三部分组成。操作机也称执行机构，由末端执行器、手腕、手臂和机座组成。其功能与人的手臂相似。

　　驱动装置为操作机工作提供动力，分为电动、液动和气动三种类型。其执行部件（伺服电动机、液压缸或气缸）可以与操作机直接相连，也可以通过齿轮、链条和谐波减速器与操作机连接。

　　控制系统的功能是控制工业机器人按要求动作，分为开环控制系统和闭环控制系统。目前，工业机器人多采用计算机控制。

　　工业机器人有多种分类方法：

　　（1）按坐标形式分为直角坐标式（代号PPP）；圆柱坐标式（代号RPP）；球坐标式（代号RRP）；关节坐标式（代号RRR），又称回转坐标式，分为垂直关节坐标和平面（水平）关节坐标。

　　（2）按驱动方式分为电力驱动、液压驱动和气压驱动。电力驱动的驱动元件可以是步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机。液压驱动可以获得很大的抓取能力（可抓取高达上千牛力），传动平稳，防爆性好，动作也较灵敏，但对密封性要求高，不宜于在高、低温现场工作，需配备一套液压系统。采用气压驱动的机器人结构简单、动作迅速、价格低，但由于空气可压缩而使工作速度稳定性差，抓取力小（几十牛力至百牛力）。

　　（3）按控制方式分为点位控制和连续轨迹控制。点位控制方式简单，适用于上下料、点焊、卸运等作业。连续轨迹控制比较复杂，常用于焊接、喷漆和检测的机器人中。工业机器人有示教编程和语言编程两种编程方式。示教编程又分为手把手示教编程和示教盒示教编程。适用于重复操作型，所面对的作业任务比较简单的机器人。语言编程方式适用于动作复杂，操作精度要求高的工业机器人（如装配机器人）。

　　24.工业机器人的特性参数和技术要求

　　工业机器人的主要特性参数有：

　　（1）坐标型式，常用的坐标型式有直角坐标、圆柱坐标、球坐标、关节坐标等。

　　（2）运动自由度数，自由度数表示机器人动作的灵活程度。一般少于6个，也有多于6个的。

　　（3）各自由度的动作范围，指各关节的活动范围。各关节的基本动作范围决定了机器人操作机工作空间的形状和大小。

　　（4）各自由度的动作速度，指各关节的极限速度。

　　（5）额定负载，指在规定性能范围内，在手腕机械接口处所能承受的最大负载允许值。

　　（6）精度，主要包括位姿精度、位姿重复性、轨迹精度、轨迹重复性等。

　　工业机器人的技术要求包括：外观和结构、电气设备、可靠性（用平均无故障工作时间（MTBF）及可维修时间（MTTR）衡量）和安全性（应满足《工业机器人安全规范》（GBll291一89）的规定）。

　　25.柔性制造单元所具有的功能及结构形式

　　概括地说，柔性制造单元是一种在人的参与减到最小时，能连续运转的对同一工件族内不同的工件进行自动化加工的最小单元，它既可以作为独立使用的加工生产设备，又可作为更大、更复杂的柔性制造系统和柔性自动线的基本组成模块。柔性制造单元有两种形式：一种是加工中心配托盘交换系统，即托盘存储库式；另一种是数控机床配工业机器人，即机器人直接搬运式。

　　26.柔性制造单元与加工中心的区别

　　柔性制造单元是在加工中心的基础上发展起来的。它增加了，机器人或托盘自动交换装置、刀具和工件的自动测量装置、加工过程的监测装置。与加工中心相比，它具有更好的柔性，更高的生产率，可实现某些零件的多品种、小批量加工。

　　27.柔性制造系统的基本功能、组成及其柔性

　　柔性制造系统的基本功能包括自动加工功能（包括检验、清洗等）、自动搬运功能和将以上两者综合起来的综合软件功能。

　　柔性制造系统由加工、物流、信息流三个子系统组成。

　　加工系统是由加工中心或加工中心与数控机床混合组成的加工设备。除此之外，还有清洗、切屑处理等辅助装置或设备。一个系统的机床配置可按"互补"和"互替"方式配置，也可按这两种方式混合配置。"互补"是指系统需配置完成不同工序的机床（如车、铣、磨……），在工序上互相补充，而不能代替。"互替"是指一个系统中配置有相同的机床，如其中一台机床有故障时，另一台相同工序的机床可以替代加工，以免等待。

　　物流系统包括工件与刀具夹具的输送、装卸及仓库存储等装置。工件和夹具的存储多用立体仓库，并由仓库计算机进行控制和管理。输送设备有传输带、有轨或无轨小车及行走机器人等。系统还设有中央刀库，由工业机器人在中央刀库和各机床之间进行刀具的输送和交换。

　　信息流系统执行单元加工中信息流的处理、储存和传输等功能，是协调多台机床加工和物料输送的计算系统。

　　柔性制造系统的柔性体现在随机加工能力、容忍故障能力、工作和生产能力的柔性和系统生产纲领的柔性等几个方面。
　　六、其他常见机电设备

　　（一）考试目的

　　通过对本部分内容的考试，测试考生对常见机电设备的分类、性能指标、技术参数、特点等知识熟悉的情况，考核考生对机电设备的认知程度。

　　（二）考试基本要求

　　1.掌握以下内容

　　（1）汽油机与柴油机的主要区别；

　　（2）内燃机半要性能指标；

　　（3）剪板机的技术参数；

　　（4）通用压力机的主要技术参数；

　　（5）压力容器的使用工艺条件；

　　（6）压力容器的主要分类方法；

　　（7）锅炉的分类；

　　（8）锅炉的基本参数；

　　（9）起重机的主要参数；

　　（10）桥式起重机、流动起重机的特点及用途。

　　2.熟悉以下内容

　　（1）内燃机的分类、基本术语及型号的表示方法；

　　（2）内燃机构造；

　　（3）燃气轮机的特点、结构及各组成部分的功能；

　　（4）铸铁、铸钢、有色金属常用熔炼设备的结构及特点；

　　（5）金属压力加工设备的分类及型号编制；

　　（6）锻锤、机械压力机、水压机的构造、应用及规格表示方法；

　　（7）通用压力机按机身结构形式分类；

　　（8）压力容器的基本结构；

　　（9）锅炉各组成部分的功用及工作过程；

　　（10）起重机的分类；

　　（11）起重机的专用零部件。

　　3.了解以下内容

　　（1）内燃机工作原理；

　　（2）剪板机的分类；

　　（3）压力容器的有关法规及技术标准。

　　（三）要点内容

　　1.内燃机分类

　　燃料直接在发动机内部燃烧的热力发动机称为内燃机。

　　内燃机分类方法有以下几种：

　　（1）按所用燃料分类；

　　（2）按工作循环冲程分类；

　　（3）按气缸数和排列方式分类；

　　（4）按进气方式分类；

　　（5）按冷却方式不同分类；

　　（6）按着火方式分类；

　　（7）按可燃混合气形成的方式分类。

　　2.内燃机基本术语

　　内燃机基本术语主要有：

　　（1）工作循环：内燃机每次完成将热能转变为机械能，都必须经过进气、压缩、燃烧膨胀和排气过程，这一系列连续过程称为内燃机工作循环。

　　（2）上、下止点：活塞在气缸内作往复运动时的两个极端位置称为止点。活塞离曲轴旋转中心最远的位置称为上止点，离曲轴旋转中心最近的位置称为下止点。

　　（3）活塞行程：上、下止点间的距离称为活塞行程，通常用S表示。

　　（4）气缸工作容积：活塞从上止点移动到下止点所走过的容积，称为工作容积（气缸排量）。

　　（5）气缸总容积：活塞位于下止点时，活塞顶部与气缸盖、气缸套内表面形成的空问，称为气缸总容积。

　　（6）燃烧室容积：活塞位于上止点时，活塞顶部与气缸盖间的容积，称为燃烧室容积。

　　（7）压缩比：气缸总容积与燃烧室容积的比值，称为压缩比。

　　（8）工况：指内燃机在某一时刻的工作状况，一般用功率和曲轴转速表示，也可用负荷与转速表示。

　　3.内燃机型号

　　内燃机型号由以下部分组成：

　　（1）首部为产品特征代号。

　　（2）中部由缸数符号、气缸布置形式符号、冲程数符号和缸径符号组成。

　　（3）后部为结构特征符号及用途特征符号。

　　（4）尾部为区别符号。

　　其中，首部和尾部根据具体情况允许不表示。

　　4.四冲程内燃机工作原理

　　四冲程内燃机每个工作循环由进气、压缩、作功和排气四个冲程组成。

　　5.柴油机增压

　　柴油机增压是将新鲜空气在进入气缸之前进行压缩，以提高进气密度，从而达到提高功率的目的。

　　6.内燃机构造

　　内燃机主要由曲柄连杆机构、固定件、配气机构、燃料供给系统、冷却系统、润滑系统、点火系统和起动系统组成。

　　7.内燃机主要性能指标

　　内燃机性能通常用动力性能和经济性能指标表示，主要有输出扭矩、有效功率、有效燃料消耗率、有效热效率等。

　　8.汽油机与柴油机的主要区别

　　汽油机与柴油机在结构与原理方面有许多相同之处，其主要不同点在于所用燃料、燃料供给方式和燃料点火方式等。柴油机以柴油为燃料，汽油机以汽油为燃料。

　　柴油机柴油由喷油器雾化，与被压缩的高温空气混合。柴油机电控燃油喷射技术可优化喷油规律及喷油量。汽油机采用电控燃油喷射，根据不同工况要求制出一定数量和浓度的可燃混合气，控制空燃比（空气与燃料之比）。

　　柴油机利用汽缸内被压缩空气的高温自燃点火（压燃）；汽油机设有点火系统。传统汽油机利用火花塞电极产生的火花点火（点燃）；现代汽油机采用电控点火定时，保证在各种工况下实现最佳控制。提高汽油机的扭矩和功率。

　　9.燃气轮机

　　燃气轮机具有功率大、重量轻、体积小、振动小、噪声小、维修方便等优点，但其热效率低。

　　燃气轮机主要由压气机、燃烧室和蜗轮三大部分组成。压气机的作用是完成燃气轮机热力循环中的空气压缩过程，提高工质（气体）的压力。压气机有轴流式和离心式两种基本类型。

　　蜗轮的作用是将燃气的热能和压力能转换为轴上的机械功。蜗轮分为轴流式蜗轮和径流式蜗轮两类。燃烧室是将增压后的空气同燃料进行混合和燃烧，通过燃烧把燃料的化学能以热的形式释放出来。燃烧室从总体结构上分为三大类：圆筒式燃烧室、管形燃烧室和环形燃烧室。

　　10.金属熔炼设备

　　金属熔炼的目的是要获得预定的成分和一定温度的金属液，并尽量减少金属液中的气体和夹杂物。在熔炼中要提高熔炼设备的熔化率，降低燃料消耗，以提高经济效益。

　　（1）铸铁熔炼设备主要有冲天炉、反射炉、工频感应炉。

　　（2）一般工厂为了生产铸钢件，采用电弧炉和感应电炉作为铸钢熔炼设备。

　　（3）有色金属熔炼的特点是熔点低、合金元素易于氧化烧损，常用的熔炉有坩埚炉、反射炉、电阻炉等。

　　11.金属压力加工

　　金属压力加工包括锻造和冲压两大类加工方法。

　　锻造是利用锻压机械对金属坯料施加压力，使其产生塑性变形，以获得具有一定机械性能、形状和尺寸的锻件加工方法。

　　冲压是压力机和模具对板材、带材、管材、型材等施加外力，使之产生塑性变形或分离，从而获得所需形状和尺寸的工件加工方法。

　　12.金属压力加工设备的型号

　　金属压力加工设备的型号由汉语拼音字母和阿拉伯数字组成。

　　13.常用锻造设备

　　（1）锻锤：锻锤是由重锤下落或强迫高速运动产生的动能对坯料做功，使之塑性变形的机器设备。它结构简单，工作灵活，万能性强，使用面广，易于维修，适用于自由锻和模锻，但振动大，较难实现生产自动化。常用锻锤有空气锤和蒸汽一空气锤。

　　①空气锤：它是生产小型锻件的常用设备，其规格以空气锤落下部分的质量来表示。

　　②蒸汽一空气锤：它是生产大、中型锻件常用的设备，可分为蒸汽一空气自由锻锤和蒸汽一空气模锻锤，其规格以落下部分的质量来表示。

　　（2）机械压力机：机械压力机是用机械传动机构将电动机的旋转运动转变为滑块的直线往复运动，对坯料进行加工的锻压设备。常用的机械压力机有摩擦压力机和热模锻曲柄压力机。

　　①热模锻曲柄压力机：热模锻曲柄压力机的特点是结构刚度大、振动小、噪声小、加工精度高、生产率高，但结构复杂，造价高。热模锻曲柄压力机的吨位是用滑块运行到接近下死点时所产生的最大压力来表示。

　　②摩擦压力机：摩擦压力机的优点是结构简单，制造、维修费用低，对基础、厂房建筑要求低，工艺万能性大。缺点是生产率低。摩擦压力机的规格用公称工作压力来表示。

　　（3）水压机：水压机是以水基液体为工质的液压机。主要用于大型工件的锻压工艺。水压机的优点是工作行程大，冲击、噪声小，劳动条件好，环境污染小。水压机的规格以水压机的静压力来表示。

　　14.常用板料冲压设备

　　常用板料冲压设备有剪板机、剪切冲型机和通用压力机。

　　（1）剪板机分类方法有多种，其技术参数主要有：

　　①可剪板厚。

　　②可剪板宽。

　　⑧剪切角度。

　　④行程次数。

　　（2）通用压力机按机身结构形式分为开式压力机和闭式压力机。通用压力机的主要技术参数有：

　　①公称压力。

　　②滑块行程。

　　③滑块行程次数。

　　④封闭高度。

　　⑤压力机工作台面尺寸及滑块底面尺寸。

　　15.压力容器的使用工艺条件

　　压力容器是一种内部或外部承受气体或液体压力的密封容器。由于使用条件恶劣，故对其安全性有很高的要求。压力容器的使用工艺条件是指压力、温度、容积、介质等。压力条件包括：最高工作压力、设计压力、最大允许工作压力；温度条件包括：设计温度、使用温度、试验温度；容积条件是指对于圆筒形压力容器，决定容积大小的关键是直径与长度，对于球形压力容器，决定容积大小的关键是直径；介质条件可按易燃程度和毒性程度分类。

　　16.压力容器主要分类方法

　　（1）按使用位置分类：分为固定式容器、移动式容器。

　　（2）按设计压力分类：分为低压容器、中压容器、高压容器、超高压容器。

　　（3）按作用原理分类：分为反应压力容器、换热压力容器、分离压力容器、储存压力容器。

　　（4）按容器壁厚分类：分为薄壁容器、厚壁容器。

　　17.压力容器的结构

　　压力容器常见的结构形式有球形和圆筒形；常见的压力容器一般由简体、封头、法兰、接管、人孔、支座等部分组成，压力容器的结构主要由一个能承受一定压力的壳体及必要的连接件、密封件和内件构成；压力容器的安全附件可分为三类：监控类、保护类、静电接地装置。

　　18.压力容器的有关法规及技术标准

　　压力容器的有关法规及技术标准有：《锅炉压力容器安全监察暂行条例》、《压力容器安全技术监察规程》、《压力容器使用登记管理规则》、《在用压力容器检验规程》、《钢制压力容器》。

　　19.锅炉的分类

　　锅炉是利用燃料或其他能源的热能，把水加热成热水或蒸汽的机械设备，提供热水的锅炉称为热水锅炉，产生蒸汽的锅炉称为蒸汽锅炉。

　　锅炉的分类：

　　（1）按用途分类：可分为发电锅炉、工业锅炉、热水锅炉和特种锅炉。

　　（2）按压力分类：按锅炉出口压力可分为低压、巾压、高压、超高压、亚临界、超临界锅炉六种。

　　（3）按结构形式分类：分为火管式和水管式两种。

　　20.锅炉的基本参数

　　（1）锅炉容量；

　　（2）蒸汽压力；

　　（3）蒸汽温度；

　　（4）给水温度。

　　21.锅炉的组成

　　锅炉由锅炉本体和辅助设备组成。锅炉本体是由锅和炉两部分组成。锅是汽水系统，其作用是吸收和发出热量。锅由省煤器、锅筒、水冷壁、过热器组成。炉是燃烧系统，有关燃料燃烧的部分，由空气预热器、燃烧器和炉膛、炉墙组成。

　　22.起重机的分类

　　起重机械按其功能和构造特点可分为轻小型起重设备、起重机和升降机。

　　23.起重机最主要的性能参数

　　起重机最主要的性能参数：起重量、工作级别，除此之外还有：跨度、轨距，等等。

　　（1）起重量。起重量是指被起升重物的质量，分为额定起重量、最大起重量、总起重量、有效起重量。

　　（2）工作级别。工作级别是反映起重机械总的工作状况的性能参数，它反映起重量和时间的利用程度以及工作循环次数的工作特性，划分为8级，由起重机的利用等级和载荷状态两个因素确定。

　　起重机械专用零部件有：钢丝绳、滑轮组、卷筒组、吊钩组、抓斗、车轮与轨道、制动装置和安全保护装置。

　　24.常见的起重机

　　典型通用桥式起重机有：

　　（1）吊式桥式起重机：是基本类型，吊具是吊钩，用途广泛。

　　（2）抓斗桥式起重机：用抓斗抓重物，适用于散装物料的装卸吊运工作。

　　（3）电磁桥式起重机：取物是用电磁吸盘，适用于吊运具有导磁性的金属物料。

　　流动起重机是一种工作场所经常变换，能在带载或空载情况下沿无轨路面运行，并依靠自重保持稳定的臂架型起重机。典型的流动起重机有：

　　（1）汽车起重机：将起重部分接装在通用或专用汽车底盘上，运行速度快，适于长距离迅速转换作业场地。机动性好但不能带载荷行驶，通过性能差，适于公路通达，流动性大，工作地点分散的作业场所。

　　（2）轮胎起重机：采用专用底盘，其车桥为刚性悬挂，可吊重行驶，越野能力强。适用于作业场地较集中的场合。

　　（3）全路面重机：既可高速行驶，又有较强通过崎岖路面的能力，可吊重行驶。适于流动性太，通行条件差的工地。

　　（4）履带起重机：用履带和地面接触，可吊重物行驶，适于松散、泥泞地面作业。