课题二 数控机床的数控系统

1、课题二 数控机床的数控系统教学目的：1.理解解数控系统的控制原理，掌握计算机数控系统的组成。2.掌握数控机床数控装置构成、功能及控制过程。3.掌握数控机床检测装置构成及检测原理。4.掌握数控伺服驱动装置的构成及工作原理。重 点： 数控机床数控装置、检测装置和伺服驱动装置的构成及工作原理。难 点： 数控机床数控装置、检测装置和伺服驱动装置的构成及工作原理。一、旧课复习1、数控机床主要由哪几部分组成？2、数控车床和数控铣床的切削运动有何区别？3、与传统机械加工方法相比，数控加工有哪些特点?二、新课的教学内容计算机数控系统的组成 计算机数控系统（Computer Numerical Control）

2、是数控机床的核心部分，主要由计算机数控装置（CNC）、伺服驱动装置、位置检测装置、可编程控制器PLC和接口电路组成。图2-1计算机数控系统的组成(一) 计算机数控装置1.CNC装置的组成 从自动控制的角度来看，CNC系统是一种位置（轨迹）控制系统，其本质上是以多执行部件（各运动轴）的位移量为控制对象并使其协调运动的自动控制系统，是一种配有专用操作系统的计算机控制系统。 从外部特征来看，CNC系统是由硬件（通用硬件和专用硬件）和软件（专用）两大部分组成的。（1） CNC系统硬件的层次结构由计算机基本系统、设备支持层、设备层三部分组成。图2-2 CNC系统硬件的层次结构I/O设备计算机主板显 示

3、卡功能模板m功能模板1电 子 盘多功能卡位置控制板n位置控制板1PLC模块主轴控制模板机床I/O控制面板速度控制单元1速度控制单元n功能驱动1功能驱动m系 统 总 线（BUS）标准PC计算机CNC装置CNC系统图2-3 CNC系统硬件结构（2） CNC系统软件的功能结构 从本质特征来看，CNC系统软件是具有实时性和多任务性的专用操作系统，从功能特征来看，该操作系统由CNC管理软件和CNC控制软件两部分组成。它是CNC系统活的灵魂。其结构框图如图2-4所示。图2-4 CNC系统软件系统功能框图（3） CNC硬件软件的作用和相互关系硬件是基础，软件是灵魂CNC装置的系统软件在系统硬件的支持下，合理

4、地组织、管理整个系统的各项工作，实现各种数控功能，使数控机床按照操作者的要求，有条不紊地进行加工。 CNC系统的硬件和软件构成了CNC系统的系统平台，如图2-5所示。硬件操作系统管理软件应用软件控制软件数控加工程序 接口被控设备 机 床 机器人 测量机 .图2-5 CNC系统平台2. CNC装置的工作过程图2-6 CNC装置的工作过程3. CNC装置可执行的功能1）CNC装置中使用了计算机，用存放在存储器中的软件来实现部分或全部数控功能。2）CNC装置的功能一般包括基本功能和选择功能。基本功能是CNC系统必备的数控功能，选择功能是供用户根据机床特点和工作途径进行选择的功能。控制功能 主轴功能准

5、备功能 辅助功能插补功能 字符显示功能进给功能 自诊断功能刀具功能 补偿功能及固定循环功能4. CNC装置的特点（1）具有灵活性与NC装置相比，灵活性是CNC装置的主要特点，只要改变系统软件，就可以改变和扩展其功能。（2）具有通用性在CNC装置中，硬件有多种通用的模块化结构，而且易于扩展，主要依靠系统软件变化来满足机床的各种不同要求。（3）可靠性高CNC装置的零件程序在加工前被一次送入存储器，并经过检查后方可调用。许多功能由软件实现，硬件结构大大简化，特别是采用大规模和超大规模集成电路，使可靠性得到很大提高。（4）具有丰富的数控功能CNC装置利用计算机的计算能力，可以实现许多复杂的数控功能，如

6、高次曲线插补、动态图形显示、各种补偿功能等。（5）使用维修方便由于CNC装置具有诊断功能，使维修变得容易。又由于具有编程功能，使编程变得简单。这些都表现出较好的使用性。（6）基于PC平台的CNC可以缩短数控系统的开发和升级周期，计算机发展的新技术只要用户需要，都可以移植到数控系统当中。(二) 数控机床的检测装置位置检测装置是数控机床的重要组成部分。在闭环系统中，它的主要作用是检测位移量，并发出反馈信号和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，使着向消除偏差的方向运动直至偏差等于零为止。 为此，对位置检测装置提出如下要求：(1) 在机床工作台移动范围内，能满足精度和速度的要

7、求。不同类型的数控机床对检测装置的精度和速度要求不一样。通常要求检测元件的分辨度（即检测的最小位移量）在0.00010.01mm之内，测量精度在±0.01±0.02mm以内。运动速度为024m/min。(2) 在机床的工作环境下，能可靠地工作，亦即受温度影响小，抗干扰能力强，并能长期保持精度。(3) 使用、维护简单方便，成本低。2.位置检测装置的分类 数控系统的检测装置分位移、速度和加速度三种类型，数控机床伺服系统中采用的位置检测装置基本分为直线型和旋转型两大类。 直线型位置检测装置用来检测运动部件的直线位移量，旋转型位置检测装置用来检测回转部件的转动位移量。图2-7 常用

8、的位置检测装置3.数控检测装置的性能指标及要求：· 精度：精度主要由精密度（反映随机误差）和准确度（反映系统误差）来决定。数控传感器要满足高精度和高速时测量的要求。· 分辨率：是指所能测到的最小位移量，分辨率的提高对提高零件的加工精度、提高运行平稳性都很重要，高分辨率传感器已能满足亚微米和角秒级设备的要求。 · 测量范围的量程：传感器的测量范围要满足系统的要求，并留有余地。· 其他指标：对测量装置还要求工作可靠、抗干扰性强、使用维护方便、成本低等 3.常用的位置检测装置：· 旋转变压器：旋转变压器是一种角度测量元件，它是一种小型交流电机。在结构

9、上与两相绕组式异步电动机相似，由定子和转子组成，定子绕组为变压器的原边，转子绕组为变压器的副边。激磁电压接到定子绕组上，激磁频率通常为400H、500H、1000H、3000H、5000H，其结构简单、动作灵敏，对环境无特殊要求，维护方便，输出信号幅度大，抗干扰性强，工作可靠。· 感应同步器测量装置 利用电磁耦合原理，将位移或转角变成电信号（极为普遍）。即使滑尺与定尺相互平行，并保持一定的间距。向滑尺通以交流激磁电压，则在滑尺中产生激磁电流，绕组周围产生按正弦规律变化的磁场，由电磁感应，在定尺上感出感应电压，当滑尺与定尺间产生相对位移时，由于电磁耦合的变化，使定尺上感应电压

10、随位移的变化而变化（相同频率）。图2-8 直线感应同步器· 光栅位置检测装置  光栅用于数控机床作为检测装置，已有几十年的历史，用以测量长度、角度、速度、加速度、振动和爬行等。它是数控机床闭环系统用得较多的一种检测装置。光栅主要是利用莫尔条纹实现的，使莫尔条纹的整体反映。它有两个作用：一是可以把信号放大，二是对误差有均化作用。图2-9 光栅条纹图2-10 莫尔条纹示意图图2-11 光栅测量系统简图· 直线光栅尺的主要技术指标：· 精度等级：分辨率： 测量长度：最大30m· 零参考点：可选择一个或多个· 允许最大运动速度：120m/mi

11、n· 安装方式：快速安装· 光电编码器是用来测量旋转运动的角位移，它是利用光电原理把机械角位移变成脉冲电信号，是一种使用广泛的角位移传感器。 按输出信号与对应位置关系分类：分别有增量式光电编码器、绝对式光电编码器和混合式光电编码器。· 增量式光电编码器和绝对式编码器增量式光电编码器图2-12 增量式光电编码器工作原理图编码盘测量装置图2-13 码盘· 光电编码器的主要技术指标：· 脉冲数/每转 刻线精度 1/10栅距· 最大速度 12000RPm· 零参考点 每转一个· 最大频率 200KHz· 输出信号

12、 方波/正弦波磁尺测量装置 磁尺位置检测装置是由磁性标尺、磁头和检测电路组成。 利用录磁的原理将一定周期变化的方法，正弦波或脉冲电信号，用录磁磁头记录在磁性标尺的磁膜上，作为测量的基准。检测时，用拾磁磁头将磁性标尺上的磁信号转换成电信号，经过检测电路处理后，用以计量磁头相对磁尺之间的位移量。特点：对使用环境的条件要求较低，对周围磁场的抗干扰能力较强，在油污、粉尘较多的地方使用有较好的稳定性。图2-14 读取磁头(三) 数控机床的伺服驱动装置伺服系统完成机床移动部件的位置和速度控制。它接收计算机的插补命令，将插补脉冲转换为机械位移。 CNC装置是数控机床发布命令的“大脑”，而伺服驱动则为数控机床

13、的“四肢”，是一种“执行机构”，它能够准确的执行来自CNC装置的运动指令。驱动装置由驱动部件和速度控制单元组成。驱动部件由交流或直流电动机、位置监测元件及相关的机械传动和运动部件组成。2. 数控机床对伺服驱动系统的要求（1）可逆运行 在加工过程中，根据加工轨迹的要求，随时都可能实现正传和反转，同时要求在方向变化时，不应有反向间隙和运动的损失。（2）速度范围宽 为适应不同的加工条件，数控机床的进给速度需要在很宽的范围内无级变速，这就要求伺服电机有很宽的调速范围和优异的调速特性。 （3）具有足够的传动刚性和速度稳定性 要求伺服系统具有良好的静态与动态负载特性，即在负载变化时，应使进给速度保持恒定。

14、（4）响应快速并无超调 为了保证轮廓切削形状精度和表面粗糙度，要求跟踪指令信号响应要快。 （5）高精度 为满足数控加工精度的要求，关键是保证数控机床的定位精度和进给跟踪精度，这也是伺服系统静态特性与动态特性指标是否优良的具体表现。 （6）低速大转矩 数控机床的加工特点是在低速时进行重切削，因此要求伺服系统在低速时进给驱动要有大的转矩输出。3. 伺服驱动系统的分类（1）按用途： 数控机床伺服系统主要有两种：一种是进给伺服系统，它控制机床各坐标轴的切削进给运动，以直线运动为主；另一种是主轴伺服系统，它控制主轴的切削运动，以旋转运动为主。本章只介绍第一种伺服系统。（2）按控制原理可分为 ： 开环伺服

15、系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统。（3）按使用的执行元件可分为： 步进电机驱动系统、直流伺服电动机和交流伺服电动机。（4）按控制量的性质： 位置伺服系统和速度伺服系统4. 常用伺服电机（1）步进电机· 概念：步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械角位移的驱动元件。给一个电脉冲信号，步进电动机就回转一个固定的角度，称为一步，所以称为步进电动机。有由于它输入的是脉冲电流，也称为脉冲电动机。 与直流、交流伺服电机不同，步进电机是典型的开环控制系统，因为它无需通过位移传感器的反馈型号来控制其运动位置。· 特点：控制简单、运动可靠、价格较低，但精度低且切削力小，常用于经济型数控机床

16、。· 分类：按工作原理分为反应式、电磁式、永磁式等类型；按使用场合分为功率步进电机和控制步进电机；按相数可分为三相、四相和五相；按使用频率分为高频步进电机和低频步进电机。· 要求：能够迅速启动，可正反转，停转及在很广的范围内进行转速调节，运转过程中不丢步，输出转矩大，可直接带动负载。 （2）直流伺服电机· 直流伺服电动机具有很多优点，但它由于装有电刷和换向片，尺寸较大且必须定期维修，特别是受换向器限制，容量较小，电枢电压较低，很多特性参数随速度而变化，因而限制了直流伺服电动机高速度、大容量的发展。· 因为直流电机具有良好的调速性，因此以往（20世纪70年

17、代到80年代）的数控机床的半闭环，闭环控制系统的伺服驱动大都采用直流伺服电动机。· 直流伺服电动机的主要缺点是结构复杂，电刷维护不方便，需要交流变直流，此品种的生命周期并不长。（3）交流伺服电机· 70年代以来，随着大规模集成电路和计算机控制技术的发展以及现代控制理论的应用，特别是矢量控制技术的应用，使得交流伺服电动机具备了调速范围宽、稳速、精度高、动态响应快以及良好的技术性能。目前国外已有系列化的交流伺服电动机，我国已研制出此种电动机。· 交流伺服电动机采用了全封闭无刷构造，不需要定期检查维修。定子省去了铸造件壳体，结构紧凑，质量小。定子铁心较一般电动机开槽多且深，绝缘可靠，磁场均匀。可对定子铁心直接冷却，散热效果好，因