(精品论文)电子论文-数控机床概念

1 第一章第一章 概论概论 本章介绍了数控技术的一些概念以及数控机床的特点、工作原理及组成，同时也介绍了数控机床的分 类方法，最后简要介绍了数控技术和数控机床的发展、技术水平。 一、一、 内容要点内容要点 1、 数控技术、数控系统、数控机床 1)1) 数控技术：用数字、字母和符号对某一工作过程进行可编程的自动控制技术； 2)2) 数控系统：实现数控技术相关功能的软硬件系统。它是数控技术的载体； 3)3) 数控机床：应用数控技术对机床加工过程进行控制的机床。 2、 数控机床的特点、组成及工作原理 特点：1）能适应不同零件的自动加工； 2）加工精度高、加工质量稳定 3）尤其能优质高效地完成复杂零件的加工； 4）工序集中，一机多用 5）高技术设备，购买、使用、维护和维修费用相对较高； 组成：由输入装置、数控装置、伺服驱动系统、辅助控制及强电控制系统和机床等部分组成。 工作原理：将被加工零件的形状、尺寸、工艺要求等信息按规定编程，并记录在输入介质上，输入到 数控装置。数控装置对输入信息进行处理和计算，根据计算的结果向各执行机构（进给系统、主轴系统等） 分配进给指令。执行机构对来自数控装置的各种指令进行处理、转换和放大，驱动机床的运动部件（工作 台、刀具及主轴等）运动，按照要求的形状和尺寸完成零件的加工任务。而辅助控制则是为了保证机床安 全、方便、有效工作而必不可少的一些操作，如冷却、润滑、工件刀具的的自动松夹，排屑，限位，各种 保护，联锁互锁等。 3、数控机床的分类 1）按工艺用途分类： 切削加工类：切削加工类：数控铣床、数控钻床、加工中心等 成型加工类成型加工类：数控折弯机、数控弯管机 特种加工类：特种加工类：数控线切割、激光加工机 其它类型：其它类型：数控装配机、数控测量机 2）按控制系统的特点分类（或称按加工方式分类） 点位控制系统点位控制系统：仅能控制刀具相对于工件的精确定位控制系统，而在相对运动的过程中不能 2 进行任何加工。 点位直线控制系统点位直线控制系统：不仅具上述功能，而且还能实现沿某一坐标轴或两轴等速的直线移动和 加工的功能的控制系统。 轮廓控制系统轮廓控制系统：能实现两轴或两轴以上的联动加工，即具有实现对曲线或曲面轮廓零件的加 工能力控制系统。所谓联动，就是机床上各坐标轴的运动之间有着确定的函数关系，这个函 数就是零件的轮廓曲线（曲面） 。 3）按进给伺服系统的特点分类： 开环控制系统开环控制系统：没有位置反馈装置的进给控制系统，信息流为单向，机床的位置精度相对闭 环要差一些，但结构简单，系统稳定性易于整定，价格便宜，驱动元件主要是步进电机。 闭环控制系统闭环控制系统：利用直接从执行部件上引入的位置反馈信息（实际位移量）与来自数控装置 的指令信息进行比较，利用比较的结果（误差）对执行部件实施控制的系统，其控制精度较 高，但调试比较复杂，多用于高精度的数控机床。 半闭环控制系统半闭环控制系统：与闭环系统相比，该系统位置反馈是从中间某个环节（如电机轴或丝杆轴） 引入的，其结构、性能、精度均介于开环与闭环之间。 4、数控机床的特点和应用范围 数控机床的主要特点是适应性强，加工精度高，经济效益好，生产率高，有利于生产管理的现代 化。 数控机床适合于加工多品种小批量的零件，结构形状复杂的零件以及价格昂贵的零件。 二、二、 基本要求基本要求 1、掌握数控技术、数控系统和数控机床等基本概念 2、掌握数控机床的工作原理以及它的组成。 3、了解数控机床可以按几种方式进行分类（工艺用途、运动方式、控制方式） 。 4、知道数控机床的特点及其应用范围。 5、了解数控机床目前发展的趋势和技术水平。 第二章第二章 数控加工程序的编制数控加工程序的编制 本章介绍了数控编程的一些基本概念，以及编程的方法与步骤，并且介绍了工艺分析的方法与加工方 法的选择。重点讨论了用标准 G、M 等代码等进行手工编程的方法。并给出了相应的例子。同时，也介绍 了数控机床坐标系的确定方法。最后讨论了程序编制中的数值计算及自动编程有关的概念。 3 一、一、 内容要点内容要点 1、程序编制的概念 将零件加工的工艺过程（经工艺分析得到的） ，即工艺顺序、运动轨迹和方向、工艺参数（主轴转速、 进给速度、切深）以及辅助控制（变速、冷却液开/停、换刀等） ，按数控系统规定的代码和格式，编制成加 工程序单，经检验校核后以数字信息的形式记录在控制介质上（磁盘或纸带） ，用它来控制数控机床零件加 工的全部过程，这种从零件图纸的分析开始到制成控制介质的过程为程序的编制。 程序编制的内容包括：分析零件图纸，确定工艺过程，计算运动轨迹的坐标，编写程序单和初步校核， 制备控制介质、首件试切等过程。 2、 数控加工的工艺分析及加工方式的选择 1）工艺分析的内容 选择合适的对刀点： 对刀点：刀具与工件相对运动的起点； 刀位点：用于确定刀具在机床上坐标系中位置的刀具上的点； 对刀点确定之后，机床座标系和工件坐标系的相对位置关系就确定了。所谓“对刀”操作就是使“对 刀点”与“刀位点” 重合的操作。 选择对刀点的原则：尽可能选在零件的设计基准、工艺基准或与之相关的位置上，同时还要考虑对刀 方便，便于测量和便于编程计算。 选择合理的加工线路 加工线路就是加工过程中刀具相对于工件的运动轨迹，在确定加工线路时应从以下几个方面考虑。 尽量缩短加工线路，减少空刀行程，以提高生产率； 尽量实现对工件的切向切入和切出，以保证零件的粗糙度要求； 加工线路还应考虑加工受力对零件的影响，以避免由于加工中的过大变形引起加工误差。 减少程序编制中的误差 零件的加工误差包括两部分：一部分是整个工艺系统（包括数控系统、机床、工装及工件毛坯）本身 各种因素所产生的误差，另一部分就是编程误差。编程误差由三部分组成。 ),(cbafSp 式中：-编程误差 -算法误差 -插补误差 -圆整误差 p Sabc 在编程中要尽可能减少上面的误差，特别是不能使它们有累积效应。 2）数控加工方法 平面孔系零件：平面孔系零件：选择仅具有点位控制能力的数控钻床或数控镗床即可。 旋转类零件：旋转类零件：选用数控车床或磨床进行加工，这类机床的控制系统是轮廓控制系统。 平面轮廓零件：平面轮廓零件：选用 2 座标或 2 座标以上的具有轮廓控制功能的数控铣床。 4 空间曲面轮廓：空间曲面轮廓：至少要选用轴或轴以上的数控镗铣床或加工中心，三轴联动以上零件 2 1 2 2 1 2 的加工通常只能采用自动编程系统进行编程。 3、数控机床的座标系 统一机床座标轴及运动方向，可使编程方便，并可使编制的程序对同类型的机床具有通用性，同时也 给维护维修和使用带来极大的方便。 1）座标轴的方向及命名 数控机床的坐标轴分移动轴和回转轴两类。 移动轴为 x、y、z，它是一个互为垂直的座标系统（笛卡尔座标系统） ，其相互关系可用右手定则确定。 回转轴为 A、B、C 分别绕 x、y、z 轴回转，其正方向可用右手螺旋法则确定。 数控机床座标系中各轴的方向总是假定刀具相对于静止的工件运动而规定的，常用+x、+y、+z 表示各 轴的正方向，这样可使编程人员仅按规定的座标系编程即可，而不必关心具体坐标轴是刀具移动还是工件 移动。 各坐标轴的方向和命名方法已有国际标准和国家标准。具体见教材 3841 页。 2）机床坐标系与工件坐标系 机床坐标系是以机床原点为坐标系参考点的坐标系，它是机床固有的坐标系，在一台数控机床上它具 有唯一性，其它工件坐标系均以此坐标系为参考。 工件坐标系是为方便编程而建立的坐标系，编程人员通常在工件、零件图纸或夹具上选取一个编程较 方便的点（即工件原点）来建立一个坐标系以简化编程计算。在加工时，只要找出工件原点与机床原点的 偏置关系便可按程序进行正确的加工。另外，此功能还可以用来补偿工件在工作台上的安装误差。 4、数控代码（指令）和编程方法 在数控加工程序中，用各种准备功能 G 指令和辅助功能 M 指令，来描述工艺过程的各种运动和操作， ISO 和我国都制定了相应的 G、M 指令的标准。 G 指令是使机床建立起某种加工方式的指令，共计 100 种，即 G00G99。 M 指令是控制程序运行和机床辅助动作及状态的指令，共计 100 种，即 M00M99。 除 G、M 指令外，还有进给速度 F、主轴转速指令 S、刀具选择指令 T、尺寸指令 X，Y，Z,A,B,C,I,J,K,R 以及程序段标号指令 N 等。 数控加工程序就是上述指令有机的集合，即程序由若干程序段（完成一个工步的操作）组成，而程序 段是由若干指令组成的。指令是编程的最小功能单位。另外还可利用子程序来简化具有许多重复操作的编 程工作。 5 二、二、 基本要求基本要求 1、掌握手工编程的方法与步骤，特别是工艺分析及加工方式选择的方法。 2、正确理解机床座标系的确定方法。 3、学会如何用 G、M 等代码进行程序的编制。 4、了解自动编的概念。 第三章第三章 计算机数控装置计算机数控装置 本章先介绍了有关数控装置的一些基本概念，如数控装置的组成、功能及其所具有的特点等。然后从 硬件和软件两方面介绍了数控系统的结构特点。最后分别讨论了数控装置的几个重要功能（插补、刀具半 径补偿等）的原理和方法。本章是该课程的重点之一。 一、一、 内容要点内容要点 1、计算机数控装置的功能和轨迹控制原理 1）功能： 控制功能：控制功能：CNC 能控制和能联动控制的进给轴数。联动控制轴数越多，CNC 系统就越复杂， 编程也越困难。 准备功能：准备功能：G 功能指令机床动作方式的功能。 插补功能：插补功能：实现零件轮廓(平面或空间)加工轨迹运算的功能。 固定循环功能：固定循环功能：用 G 代码定义的实现一些典型加工工艺过程的功能。 进给功能：进给功能： 数控系统的进给速度的控制功能（进给速度、同步进给速度、进给倍率） 。 主轴功能：主轴功能：数控系统的切削速度的控制功能（主轴转速、恒线速度控制、主轴定向控制、 C 轴控制以及主轴倍率） 。 辅助功能：辅助功能：M 功能用于指令机床辅助操作的功能。 刀具管理功能：刀具管理功能：实现对刀具几何尺寸和刀具寿命的管理功能。 6 补偿功能：补偿功能：刀具半径和长度补偿功能、传动链误差以及智能补偿功能。 人机对话功能：人机对话功能：实现人与数控系统交互的功能。 自诊断功能：自诊断功能：系统的故障诊断和故障定位功能 通讯功能：通讯功能：CNC 装置与外界进行信息和数据交换的功能 2）轨迹控制原理 CNC 装置对输入加工程序的运算和处理的核心部分有三步： 逼近处理：逼近处理：对零件轮廓根据程序规定的速度、精度以及数控系统插补周期要求，用小直线段 进行逼近处理； 插补运算：插补运算：将小直线段依次分解各进给轴（如 X、Y、Z 轴）的在数控系统插补周期内的位移 量。 指令输出：指令输出：将各进给轴（如 X、Y、Z 轴）的位移量作为位置控制指令同时输出给各进给轴的 控制单元，以控制它们联动。 2、计算机数控装置的组成 计算机数控装置（CNC）是由硬件和软件组成的，硬件在软件的作用下发挥作用，软件在硬件的支持 下工作，两者缺一不可。 1）计算机数控（CNC）的硬件结构 CNC 装置的硬件主要由下列模块组成 计算机主板计算机主板：它的主要作用是输入和存储零件加工程序，并对输入的信息进行处理，然后根 据处理结果，向数控装置各部分发出操作指令，以控制机床进行自动加工。 显示模块（显示卡）：显示模块（显示卡）：它是人机交互的接口板，其主要作用是将系统的运行状态、参数、零 件加工程序等信息显示在 CRT 上，以使操作者能方便地进行操作。 输入输入/出模板（多功能卡）：出模板（多功能卡）：它是 CNC 装置与外界进行信息交换的接口板。 存储模块（电子盘）：存储模块（电子盘）：它是存放数据、系统参数，以及系统控制程序的地方。 设备辅助控制接口模块设备辅助控制接口模块：它是控制面板、机床 I/O 以及主轴速度的控制模板。其实现方式有： 简单 I/O 接口板和可编程逻辑控制器 PLC（内装型和独立型）模板： 位置控制模块：位置控制模块：它是实现进给轴位置控制的模块，它有开环模块和闭环模块之分。其主要作 用是接受 CPU 的位移指令，经相应调节运算后，去控制伺服电机，驱动进给轴严格按指令运行。 扩展功能接口模块扩展功能接口模块：这类接口是针对具体数控机床的特殊功能而设置的，如激光加工工机中 浮动控制接口等。 2）计算机数控（CNC）装置的软件结构 计算机数控装置的软件系统是一个多任务的实行操作控制系统。它主要由两部分组成：系统管理软件 和系统控制软件。 系统管理软件的主要功能是管理系统的输入/出、机床 I/O、显示处理、诊断处理等操作。 系统控制软件的主要功能是实现与控制机床运动有关的操作，如编译、刀具补偿、速度处理、插补和 位置控制等。 7 系统软件的结构模式有前后台型、中断型和基于实时多任务操作系统型三种： 前后台型前后台型：是将整个软件分成前台程序和后台程序两部分。通常是将实时性较强、任务较重要的安排 拓前台程序，而将系统管理方面的任务放在后台程序中。前台程序是一个实时中断服务程序。后台程序是 一个背景程序，它在运动时常补前台程序所打断。 中断型中断型：是将整个软件系统中除初如化模块外的其它功能模块程序均被安排在优先级别不同的中断服 务程序中，通过中断管理程序进行调度。 CNC 系统软件的特点是：多任务性和实时性，所采用的技术是并行处理技术和实时中断调度技术。 3、插补原理 插补就是在给定零件轮廓的已知点之间，确定一些中间点，以实时控制刀具相对工件运动，形成零件 轮廓的方法。实现这种方法的算法称为插补算法。 插补方法分为两类：脉冲增量插补（行程标量插补）和数字增量插补（时间标量插补） 。 脉冲增量插补的特点是每次插补运算的结果是输出一个单位的行程增量，因而采用该法时，插补运算 速度与机床的进给 速度密切相关，因此，插补速度制约着进给速度的提高。但该法简单，易于用硬件实现， 脉冲增量插补的一个典型例子是逐点比较法。 数字增量插补的特点是插补运算按一定的采样频率运行，在每个采样周期内，插补计算出下一周期各 轴的进给指令值。其插补速度与进给速度无严格关系，现在广泛采用此法。 时间分割法是数字增量插补的一个典型例子，其基本思想是用弦去逼近曲线，而这个弦长就是采样周 期（插补周期）内各轴的合成进给量，由于此法可以获得较高的进给速度，现在广泛采用。L 直线插补公式：（每一象限） 圆弧插补公式（第一象限 G02） iii ii iii i YYY tgXY XXX LCosX 1 11 1 iii i iii iii YYY XRY XXX YY R L X i 1 22 1 1 1 1 2 1 上述插补方法中圆弧插补采用了近似计算，这种近似计算不影响插补的轮廓精度，但对速度的均匀性 和逼近误差有些影响，但都不是很大。 4、刀具半径补偿原理 刀具半径补偿功能就是 CNC 装置能根据按零件轮廓编制的程序和预先给定的刀具偏置值，在线实时地 自动生成刀具中心轨迹的功能。 有了该功能，用户即可按零件轮廓编程，而不必考虑刀具半径大小，刀具的磨破损等因素对加工的影 响，而且用户还可通过刀补（修改刀具半径参数）功能实现在不加外编程的情况下完成对零件粗、精加工 的要求。使零件程序具有通用性，从而可简化编程工作量。 刀补方法有两种：B 刀补和 C 刀补。 B 刀补在计算刀具中心轨迹时段间过渡采用圆弧，使用该法时其尖角工艺性差，在内轮廓尖角加工时， 不能在线判别过切现象，因此现在使用得较少。 8 C 刀补在计算刀具中心轨迹时段间联接采用直线过渡，其尖角工艺性好，而且可能自动识别过切并提前 报警，以避免过切发生。因此现大广泛采用此法。 C 刀补生成刀具中心轨迹的算法较 B 刀补复杂，它不仅与前后两程序段的线型有关，而且还与这两个 线型的联接夹角有关，因此过渡方法很多。 二、二、 基本要求基本要求 1、掌握数控装置的组成及它具有的功能和相关的概念。 2、掌握数控装置的硬件体系结构和软件体系结构以及每个硬件模块、软件模块的功能和作 用。 3、理解和掌握插补的概念、原理、方法（时间分割法） 4、理解和掌握刀具补偿的概念、方法及刀补 B、刀补 C 的区别。 第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统 本章首先介绍了进给伺服系统的一般概念，然后分别介绍了进给伺服系统常用的驱动元件：步进电机、 直流伺服电机、交流伺服电机及其驱动装置；位置检测装置概念、分类及其典型位置检测装置的结构及工 作原理。接着从设计的角度介绍了步进电机开环进给伺服系统，全硬件进给伺服系统、混合型进给伺服系 统以及全数字型进给伺服系统。另外，还对影响进给伺服系统的一些参数，如系统增益、阻尼、惯量、刚 度、固有频率进行了分析，主要讨论了它们的变化对系统动态特性的影响。最后，讨论了伺服系统的特性 对加工精度（尺寸精度、轮廓精度）以及在拐角加工时的影响。本章是该课程的重点内容之一。 一、一、 内容要点内容要点 1、进给伺服系统的定义和特点 进给伺服系统是以移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统。它接受 CNC 装置的指令，严 格按该指令执行部件的运动方向，位移量和进给速度。 进给伺服系统是一个很典型的机电一体化系统，它主要由以下几部件组成：位置控制单元、速度控制 单元、驱动元件（电机） 、机械传动与执行部件、位置检测单元。按其位置环路开放与否，可以分为开环、 闭环、半闭环三种类型。 进给伺服系统的技术要求，即： 1）调速范围要宽且平稳性好； minmax FFR 2）位置精度高； 3）稳定性好：负载特性要硬； 4）动态响应快：响应指令的速度要快而且无超调； 5）反向死区小，起停灵活，并可正逆运行。 9 2、位置检测装置 位置检测装置是数控机床进给伺服系统的重要组成部分。其主要作用是检测执行部件位移量，并反馈 给控制系统，构成闭环控制回路。因此，位置检测装置是闭环半径闭环控制系统必不可少的组成部分。 1）位置检测元件的技术要求： 高可靠性和高抗干扰性。 满足系统精度和速度的要求。 使用维护方便，适合于机床的运行环境。 成本低。 2）位置检测装置分类： 按输出信号类型分类-数字式和模拟式。 按测量的基点类型分类-增量式和绝对式。 按测量装置安装的位置分类-直接测量和间接测量。 按测量运动的形式分类-直线型和回转型。 3）典型位置检测装置）典型位置检测装置 感应同步器 结构与工作原理 感应同步器由定尺和滑尺组成。定尺和滑尺上的绕组均为矩形绕组，其中定尺绕组连续，滑尺上分布 着两个激磁绕组，即正弦和余弦绕组，在排列长度方向上相关（1/4 节距） 。2/ 其工作原理是利用滑尺和定尺的相对位置变化，所产生感应电压的变化来检测位移量，滑尺相对移动 一个节距，感应电压变化一个周期。 工作方式：鉴相法、鉴幅法： 鉴相法：激磁电压： tSinUU ms tCosUU mc 感应电压：)(tSinKUU mo 式中： x-滑尺与定尺的相对位移理x 即通过相位角即通过相位角可测得可测得 x 值值。 鉴幅法：激磁电压： tSinSinUU ms 1tCosUU mc sin 1 感应电压：tSinSinKUU mo )( 1 式中： x-滑尺与定尺的相对位移理 11 x 即通过幅值即通过幅值的变化可测得的变化可测得 x 值值。)( 1 SinKUm 特点： 测量精度高、距离长（可采用多块定尺接长） ；对环境的适应能力强；维护方便；寿命长；但易受电 10 磁干扰，应注意屏蔽。 旋转变压器 旋转变压器由定子和转子组成，定子上有两个相互垂直的绕组，正弦和余弦绕组，当激磁电压加到定 子的两个绕组上时，通过电磁耦合，转子绕组产生感应电压，该电压的幅值或相位严格按转子转角的正弦 或余弦规律变化。其鉴幅法和鉴相法与感应同步器相似。 旋转变压器有：有刷型、无刷型或单极、双极和多极型两种分类方法。 脉冲编码器 脉冲编码器是一种角度测量元件，其输出信号是电脉冲。因此它是数字式测量元件，按其读数方式， 可分为增量式和绝对式，按其工作原理不同，可分为接触式、电磁式和光电式。 现在广泛使用增量光电脉冲编码盘，这种编码盘的输出有三个，即 A、B、Z 三相，其中 A、B 为两相 相互错开相位角的方波脉冲，其主要作用有：测量角位移；得用 A、B 相位超前或滞后可判别旋向；利 2 用 A、B 的相位差经过四倍频变换可提高分辨率；通过对输出脉冲进行 F-V（频率-电压）转换后可作为速 度反馈信号。Z 脉冲是每转一周发出一个信号，用它作为回转轴的周向定位基准和回转轴的转数计数。 绝对编码盘是一个多圈的编码盘，为了避免由于光敏元件安装的误差或电路延迟不一致而引起读数的 非单值性误差，常采用循环码（葛莱码） 。这种编码盘与增量式编码盘相比有以下特点：周向坐标值直接读 数，不存在累积误差；具有机械式存储功能，不会因掉电等原因而丢失坐标值，但其代价是结构复杂，成 本高。 3、典型进给伺服系统 1）开环控制进给伺服系统 开环进给伺服系统是数控机床最早采用的控制系统，由于开环系统的价格相对较低，而且能满足一般 精度要求，因此至今还有较广泛的应用。 开环进给伺服系统，一般由驱动电源、驱动电机、机械传动与执行机构所组成。 步进电机是开环系统常用的驱动电机，它是一种同步电机，由定子和转子组成，定子为激磁磁场，该 磁场以一定频率步进式旋转，转子随磁场一步一步地前进。 步进电机的驱动电源包括两部分：环形分配器和功率放大器。 环形分配器的主要作用是将位移指令（来自 CNC 装置）变换成与被控步进电机的通电相数和顺序相 匹配的脉冲序列。 功率放大器的主要作用是将环分输出的脉冲序列进行功率放大，驱动步进电机运行。 开环进给伺服系统的驱动电机必须具有位置和速度控制能力，步进电机正好具有这种能力（脉冲个数 控制位置、脉冲频率控制速度） ，而直流和交流伺服电机不具有这种能力（只能控制其速度不能直接控制其 位置） ，故它们只能用于位置闭环系统。 2） 闭环与半闭环进给伺服系统 驱动电机及速度控制单元 闭环和半闭环系统常用的驱动电机有直流伺服电机有直流伺服电机、交流伺服电机。 直流伺服电机的工作原理同普通直流电机一样，只不过性能比其要高，这种电机具有调速范围大， 响应速度快，低速平稳性好等优点，其主要的缺点是结构复杂和由于采用电刷换向，使维护不方便。 11 直流伺服电机速度控制单元的工作原理： M kk R k U n Te c e 式中 、为常数，由此可知： ee Ck e k e C 调速方法有： 调节、 调节、 调节 U c R 前两种方法不能满足数控机床的调速特性，目前广泛采用调节 U 的调速方法，这种方法具有恒转矩， 机械特性好的特点。 这种调速方法常用以下两种方案实现：可控硅调速驱动和 PWM（脉冲调制调速）驱动。 交流伺服电机及速度控制单元 交流伺服电机除具有直流伺电机的主要优点外，还由于采用无刷结构，使维护方便，可靠性高，结构 也简单一些，而且在相同体积的情况下，其容量比直流伺服电机大，速度也比它高，因此，受到日益重视 和广泛的应用。 交流伺服电机的工作原理与普通电机一样，其调速原理： s p f n1 60 调速方法有： 调节 s、 调节 p、 调节f 目前广泛采用的是变频（调节）调速方法，其机械特性是一组平行线， 、而实现这一方法的控制方f 案有：相位控制、矢量变换控制和 PWM 控制等。 位置控制单元 由于交、直流伺服电机只对其运行速度控制，欲实现对其位置控制，还必须采用位置闭环才行，而实 现这种闭环控制则必须具有位置检测单元和位置控制单元，位置控制单元的主要作用是将来自 CNC 装置的 指令位移信号与位置检测单元反馈的实际位移信号进行比较，并对比较误差进行相应的调节运算（主要是 为了获得好的系统调节特性）后作为速度指令信号送给速度控制单元进行进给速度控制。 在进给伺服系统中，这种调节运算有的是在 CNC 装置的 CPU 中完成的，有的则是在伺服系统中自带 的 CPU 中完成的。 闭环控制系统的类型 全硬件进给伺服系统：这类系统所有运算处理都由硬件实现，其类型有相位比较系统和数字 脉冲比较系统，前者已较少使用，后者也应用较少。 软件与硬件混合型进给伺服系统：这类系统运算处理一部分由软件实现，另一部分由硬件实 现，现在正在使用的大部分系统是这种类型。 全数字型进给伺服系统：这类系统没有模拟电路器件，全为数字器件，即其位置、速度以及 电流控制环节都由 CPU 完成，功率驱动部分由大功率晶体管实现。它是目前发展的趋势。 4、进给伺服系统的性能分析 进给伺服系统要实现预期的，精确及平稳驱动的要求，一个重要的问题是如何根据要求进行闭环系统 的参数设计和调试。进给伺服系统一般是采用传递函数的方法对其进行分析的，通过建立系统的数学模型， 12 并对其进行分析。通常对系统稳定性和控制精度有影响的几个主要参数为： 1）系统增益（开环增益、速度增益） 系统增益 (1/s)DFks/ 单位跟随误差所能产生的速度指令值，它是一个反应系统灵敏度的参数，越大，对系统速度的调节 s k 越快，即到达期望速度的时间就越短，但同时对系统的冲击也越大，给系统稳定性的调试带来困难，因此 的选取要折衷考虑。 s k 2）惯量 进给系统执行部件的惯量越小越好，因为惯量小系统灵敏度好。但是由于结构强度和刚度方面的限制， 其惯量又不可能很小，因此，就存在一个执行部件的惯量与驱动电机惯量的匹配的问题，即在设计中要求 （对直流伺服电机）： 34 M L M J J J -电机转动惯量； -传动及执行部分折算到电机轴上的惯量 M J L J 3）刚度与固有频率 刚度是系统抵抗外力作用时产生变形的能力： k=P/ 式中 P-外作用力（包括动态力和静态力） ，-在 P 作用时产生的变形量。刚度不足将使系统的稳定 性下降，并引起失动造成系统的死区，降低系统的定位精度，降低系统的固有频率和系统的抗振性，因此 系统应具有足够的刚度。 固有频率是进给伺服系统固有的特征参数 J k n 当系统的固有频率与系统的工作相等或相近时，系统便会产生共振，这是不允许的，因此，在设计时 要求： 机械传动与执行部件的应高于系统的的 23 倍 n n 各环节的应相互错开，以免发生振动耦合现象。 n 各环节的应避开系统的工作频率范围（最好高于工作频率） ，以免在工作频率上发生共振。 n 5、 伺服系统的特性对加工精度的影响 1） 跟随误差（稳态位置误差）是指系统在运行过程中同一时刻，指令位置与实际位置的差 值，它反映了系统的跟踪精度。 轮廓精度是指实际加工轮廓对理论轮廓的逼近程度。 跟随误差对单轴加工的轮廓精度无影响，对两轴联动加工的直线轮廓，当两轴的系统增益相等时无影 响，当两轴的系统不相等时，则有影响，而对两轴联动加工的圆弧轮廓是有影响的，当两轴的系统增益相 13 等时，只影响圆的尺寸精度不影响轮廓的的形状精度，当两轴增益不相等时，则对尺寸和形状精度均有影 响，因此，在进行两轴联动加工时，除应尽量减少跟随误差外，还应尽可能使各轴的系统增量相等。 2） 系统的动态特性对拐角加工的影响 在轮廓加工过程中，当联动轴突然改变速度时，系统的动态特性就会影响轮廓的加工精度，这在加工 内、外拐角时，其影响尤其明显。当系统的增益较低时，将产生欠程切削现象，当系统增益较大时，则会 产生超程切削现象，若对拐角的要求较高，则应使前一段先减速到零，然后再启动第二段，在 G 代码中有 支持这种操作指令 G09、G61 等，另外，选择合理的系统增益也是至关重要的。 二、二、 基本要求基本要求 1、掌握进给伺服系统的概念、作用、组成、分类以及技术要求。 2、掌握位置检测装置的技术要求、分类以及典型位置检测装置（感应同步器、旋转变压器和脉 冲编码器）的结构特点、工作原理和它们输出信号的特点和作用。 3、掌握进给伺服系统常用的驱动元件-电机的特点及所适用的范围。 4、掌握进给伺服系统的参数设计和选配（包括系统增益的选择、刚度、惯量阻尼的折算、脉冲 当量、步矩角、变速比、丝杆导程之间的关系，步进电机的速度与频率的关系等） 。以及提 高开环精度的措施。 5、 正确理解闭环、半闭环进给伺服系统各种类型结构的异同及其特点。 6、 掌握进给系统的特性参数对系统动态特性的影响（定性） 。以及伺服系统的跟随的误差对加 工精度和拐角加工误差的影响。 第五章第五章 数控机床的机械传动结构数控机床的机械传动结构 本章介绍了主传动系统的结构类型并以实例的形式讨论了它的技术要求（轴向定位、准停等） 。讨论进 给传动系统中典型元件、部件（齿轮副、丝杆螺母副、导轨副、分度工作台、圆进给工作台等）的结构特 点、工作原理、选用方法及预紧方法；最后介绍了数控车床、加工中心、五面加工中心以及五坐标数控机 床的布局形式和特点。 一、一、 内容要点内容要点 1、主传动系统 1）定义：主传动系统是数控机床上消耗功率最大、带动刀具或工件旋转以产生切削运动的系统。 2）型式：电机直接带动式、电机经齿轮传动式、电机经同步齿型带传动式、电主轴 3）主轴部件 主轴部件是安装并带动刀具或工件旋转的部件，它由主轴本体及其支承、安装在主轴上的传动和定位 零件、装夹刀具或工件的机构以及主轴孔的自动清洁装置所组成。 14 准停是主轴部件的一个重要功能，它主要是为了满足自动换刀的要求和安全退刀以及准确寻找螺纹加 工的起点而设置的。实现准停的方法有：电气准停、机械定位准停。 2、机械传动结构 1）组成：由运动传递变换零件（齿轮副、联轴节、丝杆螺母等） ；支承导向零件（导轨、轴承等）和 工件安装零件（工作台）组成。 2）技术要求：运动件的磨擦阻力要小，传动精度和刚度要高，惯量要小，且应能消除传动间隙。 3） 电机与丝杆的连接结构 齿轮 齿轮传动的作用：速度、惯量、扭矩和脉冲当量变换。 技术要求：传动副数尽可能少，齿形、齿距精度要高，无隙传动，满足传动功率的要求（强度要求） 。 消除间隙的方法：、双片齿轮法，周向拉簧法等。 联轴节：锥销联结、套筒联结、十字滑块联结、弹性联结（广泛使用） 。 4）丝杆螺母副 丝杆螺母副将回转运动转换为直线运动的传动装置，它分为：普通丝杆、滚珠丝杆和静压丝杆，数控 机床常用滚珠丝杆。 滚珠丝杆螺母副的特点：传动效率高、磨擦损失小；预紧后可完全消除间隙；传动刚度高、 运动平稳；传动精度高、寿命长；精度保持性好；不能自锁，有可逆性。 滚动螺母副的结构 滚珠丝杆螺母副由滚球丝杆体、带循环滚道的螺母、滚珠、调隙预紧结构及防护结构等几部分组成。 滚珠循环方式：可分为内循珠及外循环两类 滚珠丝杆间隙调整和预紧方法：对单螺母有：变导程螺母法和滚珠过盈法，对双螺母有：垫片法、螺 纹法和齿差法。 滚珠丝杆的支承形式有四种：一端止推轴承，另一端自由悬伸；一端止推轴承，另一端装向心轴承； 两端装止推轴承；两端装双止推轴承。其中第三种在数控机床中广泛应用。 滚珠丝杆在使用时需进行润滑（常用 20#机油或锂基油脂）和防护以保护丝杆在工作时不被切屑等划 伤（常用护板或螺旋式弹簧钢带等） 。 3、回转工作台与导轨 1）回转工作台 回转工作台有分度工作台和数控回转工作台之分。分度工作台的功能是将工件转位，实现多工位 加工，其分度精度必须由定位元件来保证。 数控回转工作台，除具有分度工作台功能外，还能实现圆进给，它有开环、闭环之分。 回转工作台的传动采用蜗轮蜗杆副，在数控回转工作台上常采用双导程蜗杆传动，该机构是利用