温岭大森数控车床控制系统设计开题报告.pdf

毕业设计开题报告毕业设计开题报告 （含文献综述、外文翻译） 题 目 温岭大森数控车床控制系统设计() 姓 名 吴挺 学 号 0710210093 班 级 07 机械设计(1)班 专 业 机械设计制造及其自动化 学 院 机械工程学院 指导教师（职称） 范剑（讲师） 毕业设计（论文）毕业设计（论文） 开 题 报 告 （包括选题的意义、可行性分析、研究的内容、研究方法、 拟解决的关键问题、预期结果、研究进度计划等） 开题报告 开题报告 1.选题的背景和意义选题的背景和意义 随着科学技术的飞速发展，数控车床被广泛应用于机械制造业。因为它具有 加工灵活、通用性强的特点，能适应产品的品种和规格频繁变化，能够满足新产 品的开发和多品种、小批量、生产自动化的要求，并且数控车床与普通车床相比， 在提高生产率、减轻工人劳动强度、降低生产成本和增加效益方面都有很大的优 越性。 1.1 选题的背景 选题的背景 在我国对外开放进一步深化的新环境下 ,发展我国数控技术及装备、提高我 国制造业信息化水平和国际竞争能力的重要性 ,并从战略和策略两个层面提出了 发展我国数控技术及装备的几点看法。 装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程 度 ,数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本的 装备 ,又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。数控技术是用数字信息对机 械运动和工作过程进行控制的技术 ,而数控装备是以数控技术为代表的新技术对 传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品 ,其技术范围覆盖很多 领域。 1.2 选题的意义 选题的意义 普通车床加工质量不高，加工效率低；而且对于一些特殊曲面，由于机械进 给传动限制而不能加工；机床的电气自动化控制是通过传统的继电器等电气元件 来实现，因年限久，线路老化，故障频繁，影响正常生产。 数控车床能较好地解决形状复杂、精密、小批多变零件的加工问题。能够稳 定加工质量和提高生产率，也具有适应性强、较高的加工精度。为了提高生产效 率，为了适应多品种，小批量生产，为了使技术等级较低的工人也能加工出高质 量的产品零件和提高生产效率，车床数控化是必然趋势。因为数控设计是提高技 3 术水平，更新工艺设备的重要途径之一，是使企业更好地完成计划，满足市场需 求，提高经济效益的重要手段。 2.设计内容设计内容 我所要设计的题目是温岭大森数控车床控制系统设计（i） ，实现数控车床 中某些功能模块。需要设计出这些模块的具体硬件电路图和对应的软件模块，以 便在实际应用中可以直接调用相应的模块，实现特定的功能。 2.1 主要设计内容主要设计内容 (1) 按照总体方案要求，利用 protel 软件绘制系统硬件电路原理图； (2) 编写并调试能够实现工作台的点动速度调整、点动操作、手摇脉冲发生器控制 操作的软件模块； (3) 编写并调试能够实现主轴调速、正、反、停转的控制操作的软件模块； (4) 编写并调试能够实现给定终点的工作台直线插补运动的软件模块； 2.2 拟解决的关键问题 拟解决的关键问题 (1) 硬件电路方面的设计 1) 数控车床工作台进给电机电路模块设计； 2) 数控车床主轴调速测控模块电路设计； 3) 数控车床手摇脉冲发生器控制电路模块设计； 4) 数控车床工作台限位模块电路设计； 5) 数控车床按键及面板模块电路设计； (2) 软件模块方面的设计 1) 数控车床工作台进给调速软件模块设计； 2) 数控车床点动控制软件模块设计； 3) 数控车床手轮控制软件模块设计； 4) 数控车床主轴调速控制软件模块设计； 5) 数控车床直线插补软件模块设计； 4 3.设计的方法及措施设计的方法及措施 3.1 可行性分析 可行性分析 (1) 工作台采用步进电机驱动，单片机向步进电机发送一个脉冲，步进电机就转过 一个步距角。单片机控制工作台 x 与 z 方向的步进电机一起转动就能实现工作台 按照预定的轨迹运动。 (2) 数控车床主轴的调速一般都采用变频器实现。因为由电动机学理论可知，三相 感应电动机的转速为 p， 所以我们可以通过改变输入交流电源的频 率来改变三相异步电动机的转速。 (3) 数控车床点动控制就是对应 x 或 z 方向的按钮按下一次，对应方向的步进电 机只转过一个步距角，从而实现点动。 (4) 手摇脉冲发生器是一种光电式的位置控制元件，在转动情况下，发出一系列的 带有位置和方向信息的脉冲序列。所以可以在程序控制下，利用此脉冲序列来驱 动数控车床各轴运动。 (5) 数控车床插补的实现，首先假设在实际轮廓起始点处沿 x 方向走一个脉冲 当量，发现终点在实际轮廓的下方，则下一条线段沿 z 方向走一小段, 依次 循环类推，直到到达轮廓终点为止。这样，实际轮廓就由一段段的折线拼接 而成，虽然是折线，但是如果我们每一段走刀线段都非常小，那么此段折线 和实际轮廓还是可以近似地看成相同的曲线的。 3.2 方法及措施方法及措施 (1) 由于单片机发出的脉冲不能直接驱动步进电机， 所以一般都要在单片机和步进 电机之间设计步进电机驱动电路，其主要实现脉冲分配器和功率放大器的作用。 而我们这里采用集这些功能于一体的步进电机驱动器来实现。 (2) 数控车床主轴调速测控模块电路中， 我们利用单片机进行 d/a 转换输出的电压 来作为控制变频器调频的输入电压。这里还有一个关键的问题，就是单片机只能 输出 0-5v 电压，而变频器输入的电压要求是 0-10v，所以对单片机输出电压还要 进行放大。 60 (1)/nfs 5 (3) 工作台进给调速的方法是改变单片机发送给步进电机的脉冲宽度， 因为步进电 机的转速由脉冲信号频率决定，它的转速或线速度与电脉冲频率成正比，所以通 过改变脉冲频率的高低可以在很大范围内实现步进电机的调速。 (4) 数控车床直线插补原理有多种， 如逐点比较法、 数字积分法、 矢量判别法等等， 我们这里利用数字积分法的插补原理来实现纯软件插补。数字积分法具有运算速 度快，脉冲分配均匀，可以实现一次、二次曲线的插补和各种函数运算，而且易 于实现多坐标联动，并且纯软件来实现数字积分插补，可以完全抛开硬件数字积 分的左移规格化的概念及由于进位而产生进给脉冲的概念。因为在软件数字积分 里，我们可以很方便地设置一个基值，在完成被积函数值与累加值的加法运算后， 把累加结果与基值进行比较，通过比较指令判断在哪个坐标轴方向上有脉冲输出。 (5) 为了让工作台只能在指定的范围内运动， 我们要设计数控车床工作台的限位电 路。限位电路用行程开关来实现，假如某个方向碰到行程开关，那么就表示某个 方向超程，进行超程报警。 4.预期设计成果预期设计成果 (1) 利用 protel 软件绘制的系统硬件电路原理图一份； (2) 对应各个功能模块的单片机 c 语言源程序各一份； (3) 整个控制系统说明书一份； 5.设计工作进度计划设计工作进度计划 本毕业设计的阶段划分与进度安排如下： 第一阶段：第八学期第 1 周（2011.2.212011.2.27） ，完成外文翻译、撰写文 献综述和开题报告初稿； 第二阶段：第八学期第 2 周（2011.2.282011.3.6） ，修改并完成外文翻译、 文献综述与开题报告；确定系统总方案，绘制硬件电路原理图； 第三阶段：第八学期第 3 周（2011.3.72011.3.13） ，完成工作台进给调速和 点动控制软件模块设计； 第四阶段：第八学期第 4 周（2011.3.142011.3.20)，完成主轴控制软件模块 6 7 的设计； 第五阶段：第八学期第 5 周（20011.3.27.） ，完成直线插补软件模 块设计； 第六阶段：第八学期第 6 周（20011.4.3.） ，完成手轮控制软件模块 设计； 第七阶段：第八学期第 78 周（20011.4.17.） ，完成并整理毕业设计 论文，形成终稿，送审、修改、并装订；准备答辩材料，答辩； 毕业设计（论文）毕业设计（论文） 文 献 综 述 （包括国内外现状、研究方向、进展情况、存在问题、参考依据等） 温岭大森数控车床控制系统设计综述温岭大森数控车床控制系统设计综述 1. 引言引言 随着全球经济竞争日益加剧，制造行业面临着产业升级换代：被加工零件复杂 度的增加，加工单元柔性化、工厂自动化的实现等等。数控技术是数控车床的关键 技术，它的迅速发展和广泛应用，使得普通车床逐渐被高效率、高精度的数控车床 所代替， 从而形成了巨大的生产力。 我国现在面临着制造业产业结构的调整和升级， 也面临几百万台旧式车床的改造，其中部分车床可改造成具有较高性价比的经济型 数控车床；同时设计和生产一些适合本国制造业需求的经济型数控车床系统，则可 以显著的提高经济效益和社会效益，减少资源的浪费。 2.国内外研究现状国内外研究现状 我国数控机床起步并不晚，但是由于相关工业基础差，尤其是电子工业薄弱， 致使其发展速度缓慢。数控机床的品种和数量都很少，稳定性和可靠性都比较差， 只在一些复杂的、特殊的零件加工中使用。从数控机床的整体来看，我国的数控技 术与发达国家相比仍有相当差距，数控产业仍十分薄弱，而且国产数控绝大部分是 中低档经济型，高档数控仍然被国外发达国家技术封锁。 在国外，制造业市场正在向全面信息化的方向迈进，技术发展主要表现为柔性 制造系统、计算机集成制造系统的开发与应用，并向制造智能化方向发展。技术发 展特征表现为技术的融合化； 产品的发展特征表现为高附加值化、 智能化和系统化； 系统管理的发展特征表现为集成化和网络化。以 fanuc 和西门子为代表的数控系统 生产厂商己在几年前推出了具有网络功能的数控系统。 3.研究方向研究方向 本文所要研究的车床数控系统的主要功能包括：能够给用户提供一个良好的人 9 机界面，支持键盘的输入；能够实现工作台的点动速度调整、点动操作、手摇脉冲 发生器控制操作；能够实现主轴调速、正、反、停转的控制操作；能够实现给定终 点的工作台直线插补运动。 3.1 工作台驱动方法工作台驱动方法 工作台采用步进电机驱动，因为步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变 成角位移，因此非常适合于单片机控制。 步进电机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转换成相应的角位移 或线位移的控制电动机。说通俗点，就是给一个电脉冲，步进电动机就转动一个角 度或者前进一步。步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲 信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲 信号频率决定。步进电机的角位移或线位移量与电脉冲个数成正比，它的转速或线 速度与电脉冲频率成正比。在负载能力范围内这些关系不因电源电压、负载大小、 环境条件的波动而变化。通过改变脉冲频率的高低可以在很大范围内实现步进电机 的调速，并能进行快速启动、制动和反转。 3.2 主轴调速方法主轴调速方法 感应式电动机的转速为 p60 (1)/nfs，感应式电动机的转速与电源频率成 正比。故可采用变频器实现主轴调速。 变频器的通常工作原理是正弦波脉宽调制(spwm)，这种变频器属于交一直一 交变频器，其原理框图见图3.2。基本工作过程是先将50hz交流电经整流变压器变 压得到所需电压，经二极管整流和电容滤波，形成恒定直流电压，然后送入由大功 率晶体管构成的逆变器主电路，输出三相电压和频率均可调整的等效于正弦波的脉 宽调制波(spwm波)，即可拖动三相电机运转。这种变频器结构简单，电网功率因 数接近于1，系统动态响应快，输出波形好，因此，在数控机床的交流驱动中广泛 使用。 10 11 图 3.1 spwm 变频器原理图 3.3 直线插补方法 直线插补方法 插补采用数字积分法实现， 数字积分法又称数字微分分析器 （digital differential analyzer,简称dda)。采用该方法进行插补，具有运算速度快，逻辑功能强，脉冲 分配均匀等特点，且只输入很少的数据，就能加工出直线、圆弧等较复杂的曲线轨 迹，精度也能满足要求。因此，该方法在数控系统中得到广泛的应用。 数字积分的基本原理， 从时刻t=0到t， 函数y=f(t)曲线所包围的面积可表示为： s=f(t)dt，若将0t的时间划分成时间间隔为t的有限区间，当t足够小时， 可得公式：s=f(t)dt = yit，即积分运算可用一系列微小矩形面积累加求和来 近似，若t取最小基本单位“1”，则上式可简化为：s=yi (累加求和公式或矩形 公式） ，这种累加求和运算，即积分运算可用数字积分器来实现，若求曲线与坐标 轴所包围的面积，求解过程如下：被积函数寄存器用以存放y值，每当t 出现一 次，被积函数寄存器中的y值就与累加器中的数值相加一次，并将累加结果存于累 加器中，如果累加器的容量为一个单位面积，则在累加过程中，每超过一个单位面 积，累加器就有溢出。当累加次数达到累加器的容量时，所产生的溢出总数就是要 求的总面积，即积分值。 被积函数寄存器与累加器相加的计算方法： 例：被积函数寄存器与累加器均为3位寄存器，被积函数为5，求累加过程。 101 101 101 101 +）000 +）101 +）010 +）111 101 010 111 100 101 101 101 101 +） 100 +）001 +）110 +） 011 001 110 011 000 经过2 = 8次累加完成积分运算，因为有5次溢出，所以积分值等于5。 3.4 手摇脉冲发生器控制 手摇脉冲发生器控制 手摇脉冲发生器是一种光电式的位置控制元件，在转动情况下，发出一系列的 带有位置和方向信息的脉冲序列。 手摇脉冲发生器的工作原理、过程，手摇脉冲发生器实质是个增量式编码器， 如图3.2，e为等节距的辐射状透光窄缝圆盘，q1、q2 为光源，da、db 为光电元 件（光敏二极管或光电池），da与db 错开安装。当圆盘旋转一个节距，从圆 盘窄缝透射出的光线照射到光电元件da与，得到具有相位差的一组正弦 波信号，这组信号经过放大器放大与整形，3.4 a 相比b 相导 前，其电压幅值为5v。设当a 相比b 相导则当 a b 相滞后就是编码器负方向旋转， 编码器的旋转方向。 90o db上 得到图 前9 90o 的输出方波， 时为编码器正方向旋转， 利用a 相与b 相的相位差关系可以判别 90o 相比 0o 90o 12 图 3.2 手摇脉冲发生器原理图 4.整个控制系统情况整个控制系统情况 微机是数控系统的核心。数控系统对微机的要求主要是字长和速度。字长不但 影响系统的最大加工尺寸，而且影响加工精度和运算精度。而字长短的计算机在进 行多字节数据处理时又会影响加工速度。目前，高档数控系统普遍采用 32 位机， 主频已达 20-30mhz；标准 cnc 系统通常采用 16 位机；经济型数控系统通常采用 8 位机，如采用 z80cpu 或 mcs-51 单片机组成的微机应用系统。本系统采用 mcs-51 单片机为控制核心，系统总体如图4.1所示： 图 4.1 系统总体框图 13 14 5.总结总结 本文主要研究了基于mcs-51的车床数控系统，但由于时间和精力的限制，本 文还很初步，许多方面还有待进一步开发和完善。在今后的设计中，要更加合理的 划分车床数控系统的各任务模块，不断完善程序解释模块和其它模块，使得车床数 控系统能够很好的完成车削加工所需的各种功。 参考文献（含开题报告和文献综述）参考文献（含开题报告和文献综述） 1高钟毓.机电控制工程m. 北京: 清华大学出版社, 2003. 2刘助柏.知识创新思维方法论m. 北京: 机械工业出版社, 1999. 3宋云夺,宋云夺.光机电一体化产业的未来j. 光机电信息, 2005, 24(04): 93-95. 4丁连红.机电一体化技术发展趋势和现状分析j. 中国科技信息, 2007,22(11): 36-38. 5张鹏万,孙剑峰,李占平.机电一体化中的接口技术j. 矿业工程, 2007, 23(15): 24-25. 6王宝敏.谈机电一体化技术的发展趋势j. 大众科技, 2009, 25(05): 13-15. 7王维刚.浅谈机电一体化技术的发展趋势j. 黑龙江科技信息, 2005, 13(03): 33-34. 8杨春光.我国机电一体化技术的现状和发展趋势j. 科技促进发展, 2006, 25(01): 32-34. 9张毅刚.单片机原理与应用m. 北京:高等教育出版社, 2003. 10张大明,彭旭昀,尚静基.单片微机控制应用技术m. 北京: 机械工业出版社, 2006. 11付家才.单片机控制工程实践技术m. 北京: 化学工业出版社, 2004. 12陈小忠,黄宁,赵小侠.单片机接口技术实用子程序m. 北京: 人民邮电出版社, 2005. 13medwin 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工程师很快就意识到，他们可以操控这些振荡去控制电机的速度和运动。虽然交 流电机的想法可以追溯到本世纪初，但是它的控制系统达到成熟的水平，以至于 人们可以比较经济地使用交流伺服电机，是过了很久以后才实现的。 交流伺服电机是目前数控机床的标准选择。 目前的趋势是朝着设计无刷交流伺 服电机。电刷是使磁场转动成为可能的电气接触点。为了使电机转动，电机中电 磁铁的相对位置必须进行切换。这种切换是由与电机转轴直接接触的碳刷来完成 的。碳刷很容易被损坏，从而造成灰尘问题。然而电磁铁无刷电机是用电来换向 的，从而省去了许多问题，并提高了可靠性。 18 图1-11 数控机床上一个典型的运动控制系统。 反馈系统 反馈系统 一个反馈系统的功能就是提供有关该运动的信息，正如图 1-11 中描述的。该 反馈系统可以将实际条件与理想条件进行比较，并进行更正。其实，你每次开车 或者骑自行车都在使用反馈系统。你的大脑告诉你的手控制方向盘朝一个方向或 者另一个方向，然后你的眼睛将车的轨迹反馈给你的大脑。如果你开车偏离了道 路，你的大脑会采取纠正措施。 数控机床工作台的位置和电机的速度是反馈系统中最主要的反馈信息。其他 一些与运动控制没有直接关系的信息也可以被反馈，例如电机的温度和主轴上的 负载这些信息可以防止机器损坏。 主要有两种类型的反馈系统：开环和闭环，如图 1-12 所示。开环反馈系统是 一个真正的无反馈系统。它没有用任何设备来检测指令的执行结果。例如，在开 环反馈系统中，控制系统可以发出指令让电机转 10 圈。然而，没有任何信息被反 馈回来，控制系统也不知道电机是否真的转了 10 圈。控制系统仅仅知道它执行了 指令。开环反馈系统不能用于一些精确的系统，但它是一种廉价的运动控制系统， 对于一些对准确性和可靠性要求不高的系统，它是一个很好的选择。在核电厂中 有一个开环系统控制水阀门的著名事件。控制系统只检测控制阀门的按钮是否被 按下，但没有用传感器去检测阀门的实际状况，这样系统就存在一个明显的危机。 与开环反馈相比，闭环反馈系统更加精确。闭环反馈使用外部传感器来验证 某些条件是否得到满足。当然，对于一个精确的数控系统来说，位置和速度反馈 19 是最重要的。反馈是确保机床能够精确地按照控制要求进行运动的唯一方法。 图1-12 反馈回路的两种模式。闭环反馈系统，可以修正错误， 因为实际的输出与所要求的输出进行了比较。 伺服电机数控系统一般需要一个闭环反馈系统，以追踪位置、速度和加速度。 当然它也可以构建成一个开环伺服系统。例如，如果你知道电机的转速，那么控 制系统就可以只简单控制电机，让它转动一定的时间，然后就停下来。然而，用 这种系统控制工作台位置，所进行的机械加工的加工公差是令人怀疑的。与此相 反，步进电机数控系统能在一个开环反馈系统中工作。通过计数脉冲的数量和脉 冲被送出的频率，来控制机床的位置和速度。如果没有错误，这种方法的效果是 很好的；这种控制只知道工作台应该运动到那个位置，但工作台的实际位置不一 定就在那里。 速度传感器是一个用于闭环反馈系统中的装置， 用来检测机床的位置以及电机 或主轴的速度。有一种被称为编码器的传感器，是用来测量工作台直线位移的。 有时侯，比较便宜的转速测量仪表与编码器结合来检测电机的角速度。我们还可 以找到一些不太复杂的传感器，例如限位开关，用来限定在一定条件下可以安全 运行的距离。 目前主要有两种编码器应用于数控系统中：旋转编码器和线性编码器，如图 1-13 所示。旋转编码器是一种传感器类型的编码器，当被安装在电机轴上时，它 20 可以检测电机的角位移。你通常会发现这些编码器一般都被安装在电机的背面。 此外，现在许多电机都内配有旋转编码器，将它作为电机整体设计的一个组成部 分。旋转编码器由一个光源，一个光传感器，和一个带有小插槽的磁盘组成。开 槽磁盘安装在电机轴上，光源和光传感器安装在磁盘的两侧。当磁盘转动时，光 源发出的光通过插槽的缝隙照射到光传感器上。这样，光传感器就像一个开关一 样，透光时打开，不透光时关闭。 （被称为编码器刻度）这样，光传感器就发送一 个电信号反馈给控制系统。 图1-13 旋转编码器（左）和线性编码器（右） ，应用光电感应来检测位移的变化。 这两种结构的编码器都可以用于相对或绝对测量中。 只有一组插槽（或只有一个传感元件）的旋转编码器，有一个致命的缺陷 它检测不出电机的转向。它只知道该开关的状态是开启还是关闭。同一张磁盘 上的另一组插槽和另一套光传感器，对确定旋转方向是必需的。这是通过将第二 组的插槽设置为不同相位的 90 度来实现的。图 1-14 表明了磁盘和时序图。图中 表明，当磁盘顺时针旋转时，传感器 a 引导传感器 b。换句话说，当打开传感器 a 后，传感器 b 将随后不久打开。如果反方向，传感器 a 将尾随传感器 b。这样好 像有点混淆，但不用担心其实这样是很容易跟踪控制的。 21 图1-14 编码器磁盘及其时序图。两组插槽异相，这样可以确定旋转方向。 另一种结构是使用一组插槽和两个异相传感元件。 上述旋转编码器根据正负光脉冲的相位数，只能给出一个相对位移以及电机的 转向。它不能给出电机的实际位移和角位移这种控制系统必须保持脉冲计数。 由于这种设计，所以必须每次都把机床移动到固定的参考位置上，以便让控制系 统的计数器可以重置，以防止产生积累误差。还有另一种设计的旋转编码器，称 为绝对编码器，它能够真正地测定电机的角位移。这是在一个专门的开槽磁盘上， 利用多个传感器来实现的。这些编码器需要更多的导线连接，使系统变得更加复 杂。此外，控制系统还必须计算转数。 旋转编码器检测存在一定的误差。因为他们是安装在电机上的，他们不是直 接测量工作台位移的他们是根据滚珠丝杠的螺距，通过计算给出位移的。如 果丝杠存在任何误差，那么该位移也将存在误差。 另一种类型的定位传感器称为线性编码器，它的开发就是为了解决这一问题 （参考图 1-13） 。线性编码器更加昂贵，但已经成为许多数控机床的标准部件了。 线性编码器的构造是一个光栅尺，光栅尺是在一块玻璃束上经过特定的间隔 蚀刻而成的。光栅尺直接安装在加工工作台上，是一个精度非常高的标尺。精度 为 0.00005 分（1 / 2 的 1 / 10，000 英寸）的光栅尺是很常见的，它的精度与价 格成指数关系。编码器固定的一头中包含一个光源和一个用来读取刻度的光传感 器。一束光照射在光栅尺上，然后光传感器来捕捉反射。最后电信号被发送反馈 给控制系统。这种基本思想有两种用处，包括增量方式和绝对定位方式，其中增 22 量方式是单纯计数刻度的，而绝对定位方式是沿着光栅尺来确定实际位移的。 数控系统也需要获得有关电机角速度和工作台线速度的信息。这可以通过两 种方式获得。首先，控制系统可以通过将编码器的刻度数除以经过该刻度数所用 的时间，来得到电机或工作台的速度。例如，如果每个刻度转换为 0.001“，而控 制系统每秒经过 200 个刻度数，那么线速度是每秒 0.200 （或每分钟 12 ） 。控 制系统的计算机也可以通过这些量，做一些简单的计算来测量加速度和负加速度。 速度和加速度对数控系统的质量和精确度是非常重要的。精确的速度能够保证适 当的表面光洁度以及切削刀具上的正确负荷。加速度和负加速对定位有重要作用。 控制系统刚启动时，必须以负加速度接近编程坐标，否则将冲过坐标原点并可能 破坏工件。这类似于你开车接近红灯一样，如果你刹车不够及时，你就将停在十 字路口上。 转速表是用来测量角速度的（转速）。一个转速表就是一个简单的传感器， 可以直接或间接地测量轴每分钟的转数。主轴转速是一个重要的参数，每一个机 械师和数控程序员都已经意识到：主轴转速在加工过程中，对工件表面光洁度以 及刀具寿命有很大影响。一些运动控制系统是用转速表，而不是用定位传感器来 计算部件线速度的。这是一个设计决策，是以计算机现有的计算能力和响应速度 为基础的。当系统必须实时运作时，速度较慢的计算机可能无法进行快速的计算。 数控系统 现在你应该知道了完整的数控系统所必需的三个子系统：控制、驱动和反馈。 重要的是要注意这一点，选定的每一个组件都必须与整个数控系统结合进行考虑。 每个子系统都必须正确地匹配到数控系统内。例如，如果控制系统是以伺服电机 来编程和设计的，那么你就不能使用步进电机了。如果控制系统是以增量编码器 来设计的，那么你就不能使用绝对编码器了。如果我们谈论的是一个工厂制造的 数控机床，那么这种情况我们可以不用去考虑了，因为生产厂家的工程师已经考 虑好了。但是，在某些时候你可能要修理或改造陈旧的机床，然后，你就必需要 考虑这方面的知识了。 现在让我们来看看整个数控系统是如何一起工作的。我们将一个使用伺服电 机和增量式旋转编码器的数控系统作为例子来介绍，但是这些理论也可以被延伸 到其它种类的数控机床。我们考虑只有两个轴移动的简单系统，每个轴上有一个 23 编码器，并且主轴上有一个转速表。 一个带有反馈的系统可用一个框图来描述。该框图是相当简单的，它不描述 物理组件，只描述了输入，输出和一个反馈系统。尽管如此，系统框图可以帮助 我们了解数控系统。开始时，我们考虑只有一个轴的系统。控制信号被发送到电 机（输入） ，电机转动（输出） 。然后，编码器提供反馈给控制系统。反馈与输入 进行比较，两者之间的差别被称为误差。然后输入被调整，这样反过来也改变了 输出。正如我们所希望的，这一次的误差就变小了。 例如， 输入是要求电机转 1000 点。 电机转了一会儿， 编码器发送的反馈表明， 电机只转了 990 点。这两个值进行比较，误差确定为 10 点。因此，一个新的输入 电机转 10 点，被送到电机。电机转了一会儿，这时候编码器发送的反馈又表 明， 电机已经转了 12 点。 就这样系统以极快的速度， 一遍又一遍地不断重复循环， 直到结果足够接近为止。该系统永远不会是完全理想的，总是会有误差的。事实 上，一个伺服电机系统的工业标准是四个编码器刻度。然而，这样就可以使一个 系统的精度比 50u/min（每分钟 50 微米）还要高。 我们可以添加其它坐标轴以及主轴到我们的系统中，但对整个数控系统的框 图则维持不变。但是，如果我们创建了一个混合框图来描述每个系统的组成部分 的话，那么可能会使系统概念化。关于直角坐标系统的内容将在后面的第 4 章中 作介绍。 然而，系统的输入刚开始是如何生成的呢？输入开始于数控程序员编写的零 件加工程序。零件加工程序是一些给出了有关主轴位置和转速的指令。控制系统 将读取指令，并生成一个运动轨迹。该运动轨迹以图形的形式，说明了在特定的 时间，工作台所在的具体位置。例如，在执行一个四分之一圆弧切割