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第四章 数控机床的驱动与控制系统4-1 概述 数控系统数控设备的数据处理和控制电路以及伺服系统。 计算机数控系统CNC由计算机控制系统和伺服驱动系统等部分组成。 一、计算机数控系统的组成及各部分的功能 数控机床的主要控制功能： 功能控制、位置控制、信号处理 （1）功能控制 功能控制是自动读入控制信息，使数控系统确立相应的工作状态，从而控制机床发生相应的动作。 如润滑、冷却液供给、主轴电机开启与关停、调速，以及坐标轴功能控制等。 （2）位置控制 位置控制是控制刀具与工件相对运动的位置或轨迹。位置控制靠进给伺服控制系统来实现，通过对各坐标轴控制，使刀具按给定曲线的方程运动，以加工出零件的空间曲线(或曲面)。 （3）信号处理 信号处理是对系统运行过程中所取得的状态信号进行分析处理，并输出相应结果。 如：刀具到位信号，工作台超程信号，以及其他检测信号输入处理。一旦系统得到这些信号，系统将发出相应动作，如工作台超程保护器报警等。 1、输入输出设备 输入设备主要用来输入程序和数据，常用的输入设备有键盘、光电输入机。 输出设备主要用于将各种信息和数据提供给操作人员，以便及时了解控制过程的情况。 常用的输出设备有打印机、记录仪、数码显示器和CRT显示器及纸带穿孔机等。 2、CNC装置 计算机数字控制(Computer Numerical Contro1)装置，简称CNC装置，主要用来进行数值和逻辑运算，对机床进行实时控制。 CPU、存储器、输入输出接口电路等部分组成 3、伺服驱动及位置检测装置 作用是接受CNC装置发出的进给速度和位移指令信号，由伺服驱动电路(如速度控制单元)作一定的转换和放大后，经伺服驱动装置(如用直流伺服电机)，驱动机床的工作台运动，同时由位移传感器检测执行机构的实际位置，并反馈给CNC装置，实现闭环驱动，使机床进给部件的位置速度得到准确控制。 4、辅助机能驱动电路 该部分实现CNC装置与机床强电的信息传递和变换，其作用是接受CNC信号，经机床强电控制主轴、润滑、冷却、换刀等电机的运转以及其他辅助机能。另外将机床一些状态信息经变换以后送至CNC装置， 5、数控系统软件 数控系统的工作过程在硬件的支持下，执行软件的全过程。通过软件实现部分或全部数控功能。 二、CNC系统的主要特点 1、系统灵活可变、易于变化和扩展，通用性强 2、易于实现多功能 3、系统可靠性高 4、维修方便 5、CNC系统通讯功能强 4-2 位移、速度、位置传感器 一、检测元件的作用与分类 作用是检测位移和速度，发送反馈信号，构成闭环控制。 数控机床的运动精度主要由检测系统的精度决定。 分辨率位移检测系统能够测量的最小位移量称为分辨率。分辨率不仅取决于检测元件本身，也取决于测量线路。 数控机床对检测元件的主要要求： 1）高可靠性和高抗干扰性； 2）满足精度与速度要求； 3）使用维护方便，适合机床运行环境； 4）成本低。 二、旋转变压器 1、旋转变压器的结构和工作原理 旋转变压器(又称同步分解器)是一种旋转式的小型交流电机，它由定子和转子组成。 其结构简单，动作灵敏，对环境无特殊要求，维护方便，输出信号的幅度大，抗干扰性强，工作可靠，为数控机床经常使用的位移检测元件之一。 旋转变压器是根据互感原理工作的。 2、旋转变压器的应用应用 有两种方法：鉴相型和鉴幅型 三、感应同步器 1、感应同步器的结构 感应同步器是从旋转变压器发展而来的直线式感应器，相当于一个展开的多极旋转变压器。 感应同步器分旋转式和直线式两种，前者用于角度测量，后者用于长度测量，见图4-6所示。 2、感应同步器的工作原理 感应同步器的工作原理与旋转变压器基本上相同，使用时，在滑尺绕组通以一定频率的交流电压，由于电磁感应，在定尺绕组中产生感应电动势，其幅值和相位取决于定尺与滑尺的相对位置， 3、感应同步器的特点 其特点如下： (1)精度高 (2)测量长度不受限制 (3)对环境的适应性强 (4)维护简单、寿命长 定尺、滑尺之间无接触磨损，在机床上安装简单。但使用时需要加防护罩，防止切屑进入定、滑尺之间划伤导片。 四、光栅测量装置 计量光栅有长光栅和圆光栅两种，是数控机床和数显系统常用的检测元件。它具有精度高，响应速度较快等优点。光栅测量是一种非接触式测量。 1、光栅的工作原理 光栅位移检测装置由光源、两块光栅(长光栅、短光栅)和光电元件等组成。 莫尔条纹 W=/ (416) 条纹的节距是栅距的1倍。 莫尔条纹的特点: (1)放大作用 (2)平均效应。 2、光栅测量装置 读数头光源、指示光栅和光电元件组合在一起。 读数头的结构形式很多，但就其光路来看可分为以下几种。 (1)分光读数头 （2）垂直入射读数头 （3）反射读数头 光栅只能用于增量测量方式，目前有的光栅读数头设有一个绝对零点，这样由于停电或其他原因造成记错数字时，可以重新对零。 它是在标尺光栅上有一小段光栅，在指示光栅上也有相应一小段光栅，当这两小段光栅重叠时发出零位信号，并在数字显示器中显示出来。 五、脉冲编码器 脉冲编码器是一种光学式位置检测元件，编码盘直接装在转轴上，以测出轴的旋转角度位置和速度变化，其输出信号为电脉冲。 检测方式的特点：检测方式是非接触式的，无摩擦和磨损，驱动力小，响应速度快。 按编码的方式，可分为增量式和绝对值式两种。 1、增量式编码器 增量式编码器的工作原理如图4-17所示。 在图(a)中，E为等节距的辐射状透光窄缝圆盘，Q1、Q2为光源，DA、DB、DC为光电元件(光敏二极管或光电池)，DA与DB错开900相位角安装。当圆盘旋转一个节距时，在光源照射下，就在光电元件DA、DB上得图(b)所示的光电波形输出，A、B信号为具有900相位差的正弦波。 这组信号经放大器放大与整形后，得图(c)所示的输出方波，A相比B相超前900,其电压幅值为5V。 设A相超前B相时为正方向旋转，则B相超前A相时为反方向旋转，以判别编码器的旋转方向。 C相产生的脉冲为基准脉冲，又称零点脉冲，它是转轴旋转一周在固定位置上产生一个脉冲。 如用数控 车床切削螺纹时，可将这种脉冲当作车刀进刀点和退刀点的信号使用，以保证切削螺纹时不会乱扣。 这种脉冲也可用于高速旋转的转数计数或加工中心等数控机床上的主轴准停信号。 A、B相脉冲信号经频翠电压变换后，得到与转轴转速成正比例的电压信号，它就是速度反馈信号。 2、绝对值式编码器 优点： (1)坐标值可从绝对编码盘中直接读出，不会有累积进程中的误计数； (2)运转速度可以提高，编码器本身具有机械式存储功能，即便因停电或其他原因造成坐标值清除，通电后，仍可找到原绝对坐标位置。 缺点: 当进给转数大于一转时，需作特别处理，如用减速齿轮将两个以上的编码器连接起来，组成多级检测装置，但其结构复杂、成本高。 七、位置传感器 位置传感器和位移传感器不一样，它所测量的不是一段距离的变化量，而是通过检测，确定是否已到达某一位置。因此，它不需要产生连续变化的模拟量，只需要产生能反映某种状态的开关量就可以了。用于数控机床换刀具、工件或工作台到位、行程限制等辅助机能的信号检测。 位置传感器分接触式和接近式两种。 接触式传感器是能获取两个物体是否接触之信息的一种传感器； 接近式传感器是用来判别在某一范围内是否有某一物体的一种传感器。 1、接触式位置传感器 这类传感器用微动开关之类的触点器件便可构成。它有以下两种： (1)微动开关位置传感器 它用于检测物体位置 (2)二维矩阵式位置传感器 它一般用于机械手掌内侧，在手掌内侧常安装有多个二值触觉传感器，用以检测自身与某一物体的接触位置。 2、接近式位置传感器 （1）电磁式传感器 工作原理如下： 当一个永久磁铁或一个通有高频电流线圈接近一个铁磁体时，它们的磁力线分布将发生变化。因此，可以用另一组线圈检测这种变化。当铁磁体靠近或远离磁场时，它所引起的磁通量变化将在线圈中感应出一个电流脉冲，其幅值正比于磁通的变化。 （2）光电式传感器 这种传感器具有体积小、可靠性高、检测位置精度高、响应速度快、易与TTL及CMOS电路并容等优点。分透光型和反射型两种 4-3 伺服驱动装置 一、概述 数控机床的进给伺服系统的组成 伺服驱动电路、伺服驱动装置、机械传动机构及执行部件 数控进给伺服系统按有无位置检测和反馈进行分类，有以下两种： 开环伺服系统、闭环伺服系统 半闭环系统检测反馈信号是从伺服电机轴或滚珠丝杠上取得的闭环伺服系统。 全闭环系统对高精度或大型机床，直接从安装在工作台等移动部件上的检测装置中取得反馈信号 对进给驱动的要求： (1)精度要求 伺服系统必须保证机床的定位精度和加工精度。对于低档型数控系统，驱动控制精度一般为0.01mm；而对于高性能数控系统，驱动控制精度为1um，甚至为0.1um。 (2)响应速度 为了保证轮廓切削形状精度和低的加工表面粗糙度，除了要求有较高的定位精度外，还要有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应要快。 (3)调速范围 调速范围Rn是指生产机械要求电机能提供的最高转速nmax和最低转速nmin之比。通常 Rn=nmax/nmin (422) 在各种数控机床中，由于加工用刀具、被加工材质以及零件加工要求的不同，为保证在任何情况下都能得到最佳切削条件，就要求进给驱动系统必须具有足够宽的调速范围。 (4)低速、大转矩 根据机床的加工特点，经常在低速下进行重切削，在低速下进给驱动系统必须有大的转矩输出。 二、步进电机驱动系统 （一）步进电机的工作原理、结构及特性 1、步进电机的工作原理 工作原理：通过被励磁的定子的电磁力吸引转子偏转输出转矩。 理论依据就是电磁作用原理 2、步进电机的结构 单定子径向分相式 多定子轴向分相式 3、步进电机的主要特性 (1)步距角和静态步距误差 步距角步进电机每步的转角取决于电机结构和控制方式 步距角可按下式计算： =360/mZQ(0) (4-23) 式中， m定子相数； Z转子齿数； Q由控制方式确定的拍数与相数的比例系数，例如三相六拍控制方式的Q=2，三相三拍控制方式的Q=1。 在一周内各步误差的最大值，被定为步距误差。 它的大小是由制造精度、齿槽的分布和气隙等因素决定的。步进电机的静态步距误差一般在10以内。 (2)输出扭矩 指与步进电机的各种转速相对应的输出扭矩， 电机的负载扭矩必须小于输出扭矩 (3)最高启动、停止脉冲频率 步进电机所能接受的正确启、停的指令脉冲系列的最高频率，称为最高启动、停止脉冲频率。它随加在电机轴上的负载惯量及负载扭矩的大小而变化。 (4)连续运行的最高工作频率 步进电机连续运行时所能接受的最高控制频率称为最高连续工作频率或最高工作频率。 最高工作频率远大于启动频率，这是由于启动时有较大的惯性扭矩并须有一定的加速时间，同样在大于启动频率的状态下工作的电机要停止亦须有一定的减速时间。 (5)步进运行和低频振荡 当控制脉冲的时间间隔大于步进电机的过渡过程时，电机呈步进运行状态。即输入脉冲频率较低，在第二步走之前第一步已经走完。步进电机在运行中存在着振荡，它有一个固有频率f1,当输入脉冲频率f=f1时就会产生共振，使步进电机振荡。对同一电机，在不同负载及不同机床情况下，其共振区是不同的，必要时可调节阻尼器，以保证工作正常进行。 （二）步进电机开环进给传动计算及电机的选用 1、传动计算 /（3600）it= 脉冲当量数控系统发出一个指令脉冲，工作台所移动的距离。 决定了数控机床的加工精度和驱动系统的最高工作频率。 步进电机开环进给系统的脉冲当量一般取： 0.Olmm或0.001度， 2、步进电机的选用 (1)必须保证步进电机的输出转矩大于负载所需的转矩。并使所选电机的输出转矩有一定余量 MMmax=0.20.5 (2)应使步进电机的步距角与机械系统匹配，以得到机床所需的脉冲当量。 (3)使被选电机与机械系统的负载惯量及机床要求的启动频率相匹配，并有一定余量； (4)应使其最高工作频率能满足机床移动部件快速移动的要求。 （三）步进电机的驱动 1、脉冲分配器 控制脉冲通过脉冲分配器控制步进电机励磁绕组按一定顺序接通、断电，使电机绕组的通电按输入脉冲的控制而循环变化。 脉冲分配器又称为环形分配器(简称环分器) 环分器有:软件环分器和硬件环分器两种。 （四）提高步进电机伺服系统的精度措施 1、间隙补偿 机械系统传动链中的传动间隙，可以按脉冲当量换算为指令脉冲数。 例如 传动间隙相当于N个脉冲当量，则每当变换指令动作方向时，在给出进给的脉冲指令前，先给出N个额外的脉冲指令，以补偿间隙误差。 这种方法比较简单，对于点位和轮廓控制系统都适用； 但对于大型机床，其间隙大小随工件的重量而改变，或间隙随位置的改变而改变，这时就会出现补偿不完全的情况。在这种情况下，要直接测量机床进给位置进行反馈补偿才能实现完全补偿。 对于间隙补偿，必须注意判别补偿的条件，主要是在换向时进行。所以，在电路设计时要有进给方向判别，补偿脉冲数N一般应由实际测定，通常为115个脉冲。 2、螺距误差补偿 具有开环系统的数控机床，其定位精度主要取决于丝杠的精度，所以在数控机床上采用了高精度的滚珠丝杠。 但为获得比滚珠丝杠更高的精度，可采用螺距误差补偿方法。 一种是机械样板的补偿方法； 另一种是在螺距误差达到一个脉冲当量的地方装上挡块，用位置开关检测并发出补偿脉冲的方法。在进行螺距补偿时，可以认为螺距误差数值与运动方向无关。 3、反馈补偿 把检测器直接装在机床移动部件上用以检测移动部件的移动量，另一方面，在指令脉冲通过偏差设定器后，能测出电机输出轴的旋转角(换算为脉冲)，把两者进行比较，就能测出整个机械系统的误差。这种机械系统的误差包括上述的间隙、螺距误差以及由于重量或温度变化所引起的一切变化。因此，检测出这种误差后，立即发出补偿脉冲，按细分电路来补偿电机旋转角的误差，从而能按检测器的精度来进行定位。这样，对于步进电机驱动系统既有开环系统的稳定性，又兼有闭环系统的高精度的优点。 三、直流伺服电机驱动系统 （二）直流伺服电机的调速 n=Ua/(Ce)-IaRa/(Ce) D的物理概念如下： 如图450(a)所示，当进给系统获得一个按恒速vH进给的位置指令时，执行部件的实际速度并不能立即达到指令速度值vH，而是从零逐渐上升到此值，以后就稳定在此速度上运行。 在tP时刻，位置指令达到指令值Dp时，指令速度下降至零，但是执行部件的实际速度只能逐渐下降到零。将指令位移量按脉冲当量换算成数字量，则以恒速vH进给的指令位置的数字量值将按图4-50(b)所示的直线1变化，由零时刻的零位置到达tP时刻的Dp位置。 因为实际速度是逐渐上升至vH值的，所以按同一脉冲当量换算成数字量的实际位置值按另一条曲线2变化。 实际位置总是滞后于指令位置。真ti时刻的瞬时指令位置值Doi与瞬时实际位置值DAi之间的差值Di，称为该时刻的位置偏差。 它由执行部件升速启动时的零值逐渐增大到某一稳态值，这一稳态值就是所谓的速度误差或随动误差。 当执行部件降速并停止时，它由稳态值逐渐减小到零。 以此D再乘上kD就得到速度指令值V0，再将其变换成速度指令电压值UP，可见D越大，则UP就越大，伺服电机的速度就越高。 而且控制启动与停止位置指令值D0i的大小，从而可控制D的大小，就可以控制升降速的快慢，即升降速时间的长短。 4-4 数控装置 一、数控装置的组成 CNC装置有以下部分组成： (1)微处理器CPU 它是CNC装置的核心，在CNC装置中常用的有8位、16位、32位的微处理器。对于中、低档的数控系统一般采用8位或16位微处理器(如M6800，Z80、MCS51等芯片)；对于高档的数控系统一般采用32位微处理器，如Intel80386等微处理器。 (2)存储器 存储器分为固化存储器(ROM)和随机存储器(RAM)。ROM主要用来存储数控系统的控制软件，RAM用来存储用户的零件加工程序和数据。存储器容量的大小，由系统的复杂程度和用户加工零件的程序长度来确定。 (3)输入输出设备接口 这部分主要指与纸带阅读机、键盘、显示器等人机对话设备的接口电路，以及数据通信接口电路。 (4)开关量输入输出接口 (5)位置控制装置 实现对驱动装置进行控制的电路。 二、CNC装置的工作内容 （1）输入 输入CNC装置的有零件程序、控制参数和补偿数据。输入方法有光电阅读机纸带输入、键盘输入、磁盘输入和连接上级计算机的DNC接口输入。 CNC输入有两种方式： 存储式方式一次将全部程序输入到CNC装置中，加工时一段段程序调出运行； NC工作方式一边输入程序一边运行程序。 CNC装置在输入过程中通常还要完成无效码删除、代码校验和代码转换等工作。 （2）译码 将零件程序以一个程序段为单位进行处理，把其中的各种零件轮廓信息(如起点、终点、直线或圆弧等)、加工信息(F代码等)和其他辅助代码信息(M、S、T代码等)，按照一定的语法规则解释成计算机能够识别的数据形式，并以一定的数据格式存放在指定的内存专用区间中。 在译码过程中，还要对数控代码进行语法检查，若有语法错误，便立即报警。 （3）刀具补偿 刀具补偿包括刀具长度和刀具半径补偿。 通常CNC装置的零件程序是以零件轮廓轨迹来编程的。 刀具补偿的作用是把零件轮廓轨迹转换成刀具中心轨迹。 （4）进给速度处理 速度处理将进给的合成速度分解成各坐标方向的速度。 另外，包括自动换向和停止时的增减速处理。 （5）插补 插补在已知起点和终点的轨迹上实现“数据点密化”，并将计算结果分配给控制轴。 目前在一般的CNC装置中，仅能对直线、圆弧和螺旋线进行插补计算。 但在一些专用或高档的CNC装置中，还能完成对椭圆、抛物线、正弦线和一些专用曲线的插补计算。 （6）位置控制 位置控制是处在伺服回路的位置环上，这部分工作可以由软件来做，也可以由硬件来完成。 闭环系统，它的主要任务是在每个采样周期内，将插补计算出的理论位置与实际反馈位置相比较，用其差值来控制进给电机。 开环系统，将插补后的结果直接送驱动装置。 （7）I/O处理 I0处理处理CNC装置与机床之间强电信号的输入、输出(换刀、换档、冷却等)。 该部分实现辅助机能控制信号的传递与转换，实现如主轴变速(S功能)、换刀(T功能)、冷却液和润滑液的开停(M功能)的强电控制，同时接收机床上的行程开关、按钮等输入信号，经接口变换电子后送到CPU处理。 （8）显示 CNC装置的显示主要是为操作者方便了解机床的状态，通常应有零件程序的显示、参数显示、刀位位置显示、机床状态显示、报警显示等。显示方式有数码管和CRT显示器两种。 （9）诊断 诊断程序用于诊断CNC装置各部件的运行状态。 三、CNC硬件设计 （一）数控系统对微机的要求及选择 1、较完善的中断系统 2、足够的内存 3、一定数量的输入/输出通道（接口） 4、高可靠性 （二）MCS-51单片机控制系统 2、MCS-51系统中的地址译码规则 (1)程序存储器与数据存储器地址重叠使用。 (2)外围扩展芯片与数据存储器统一编址，它不仅占用数据存储器的地址单元，而且使用数