数控机床的位置检测装置与机械结构

1、 2 数控机床各组成部分的结构及其控制原理数控机床各组成部分的结构及其控制原理v2.1 数控系统的控制原理数控系统的控制原理v2.2 计算机数控装置计算机数控装置v2.3数控机床的位置检测装置数控机床的位置检测装置v2.4 数控机床的进给伺服系统数控机床的进给伺服系统v2.5 数控机床的主轴驱动及其机械结构数控机床的主轴驱动及其机械结构v2.6 可编程序控制器在数控机床上的应用可编程序控制器在数控机床上的应用课程内容12.1 数控系统的控制原理数控系统的控制原理 v一、总体结构及各部分功能一、总体结构及各部分功能 v三部分：v微机及其相应的I/O设备v外部设备v机床控制及其I/O通道v框图：2

2、二、二、CNC装置的插补原理装置的插补原理 v插补的任务：根据进给速度，在轮廓的起点和终点之间计算出若干个中间点的坐标。v插补算法分两大类：v脉冲增量插补：逐点比较法、数字积分法。特点：每次插补后产生一个行程增量，脉冲当量驱动步进电机（开环）v数据采样插补：时间分割法。特点：进行粗插补和精插补（闭环）3逐点比较法v基本思路：基本思路：被控对象在按要求的轨迹进行运动被控对象在按要求的轨迹进行运动时，每走一步都要和规定的轨迹比较一下，由比时，每走一步都要和规定的轨迹比较一下，由比较的结果决定下一步移动的方向。较的结果决定下一步移动的方向。v每走一步完成四个节拍：每走一步完成四个节拍： v 偏差判别

3、偏差判别v 进给进给v 偏差计算偏差计算v 终点判别终点判别4直线插补 v1. 偏差函数的选择v动点坐标N（x，y），起点坐标O（0，0），终点坐标E（Xe，Ye） v直线方程：Y/X=Xe/Ye y.Xe-x.Ye=0，v令 F称为偏差函数 eeyxxyF0N（x，y）E（Xe，Ye）XY52. 偏差计算和进给 0. 0.0. 0.0. 0.000，重合于，下方在，上方在FxyxyxyxytgtgOENFxyxyxyxytgtgOENFxyxyxyxytgtgOENeeeeeeeeeeee F0，则进给x若 F0，则进给y6用递推法简化计算方法用递推法简化计算方法 eexFFyFyFFxF0

4、0结论：第一象限7 eeeeYXNYXN,max 单边计数法：单边计数法：总步长法：总步长法：8偏差判别偏差判别进給进給偏差计算偏差计算判终判终J=817J=6J=5J=4J=3J=2J=1J=0000FX 3300010eyFF010FY 25311F011FX 13221F021FY 45122F022FX 13432F032FX 23142F042FY 35243F043FX 03353Fv4. 举例举例v若加工第一象限直线OE，起点为O（0，0），终点为E（5，3）。按逐点比较法进行插补计算，并作出插补轨迹图。E(5,3)OYXY9逐点比较法的合成进给速度逐点比较法的合成进给速度 合成

5、进給速度yxvvv22比值的最大值为1，最小值为22 （10.707）加工速度若恒定，则表面质量以10.707的速度变化，对一般机床可以满足。 10数据采样插补（时间分割法）v直流或交流伺服电机为驱动元件，闭环系统v分为：粗插补、精插补v粗插补：将曲线分成若干个微线段。在每个插补周期（T）内计算一次，算出坐标位置增量值v精插补：进一步密化，对直线的脉冲增量插补。在每个采样周期内，由硬、软件对反馈的位置增量值和插补输出的指令位置增量值进行采用。v插补一般指粗插补111插补周期的选择插补周期的选择 T的选择非常重要基本思想：采用时间分割的思想，根据编程给定的进给速度F将轮廓曲线分割为相等的插补周期

6、T的进给段，即轮廓步长L，LF.T 2插补运算时间插补运算时间T必须大于插补运算时间和CPU执行其他实时任务所需的时间之和123位置反馈采样周期位置反馈采样周期 插补运算结果是供位置采样周期使用的各坐标轴的位置增量值，因此，采样周期TF通常T，或者T是TF的整数倍。T=8ms ，TF4ms4插补精度和速度插补精度和速度直线：插补分割的每个小线段与给定直线重合，没有轮廓轨迹误差圆弧：用内接弦线逼近法，误差为er为使er尽可能小，F尽可能大，则T应尽可能小。13三、CNC装置的刀具半径补偿装置的刀具半径补偿 1. 刀具半径补偿发生在插补准备阶段刀具半径补偿发生在插补准备阶段加工程序 CNC译码 （

7、刀具补偿） 插补模块 142. 刀具半径补偿的执行过程刀具半径补偿的执行过程 建立刀具半径补偿：v从起刀点接近工件，由G41或G42确定。在原来程序轨迹上伸长或缩短一个刀具半径。刀具半径补偿进行：v维持所建立的刀补状态，直至撤消。刀具中心轨迹始终偏离编程轨迹一个刀具半径值的距离。撤消刀具半径补偿：v刀具撤离工件，返回起刀点。用G40。153.刀具半径补偿计算刀具半径补偿计算直线刀具补偿计算（考虑推导过程）直线刀具补偿计算（考虑推导过程）XX+XYY+YXr.sinYr.cosXX+r.Y/（X2+Y2）0.5YYr.Y/（X2+Y2）0.5问题：当尖角过渡为内轮廓时，会出现工件的过切现象。引入

8、C功能刀具半径补偿。 164. C功能刀具半径补偿功能刀具半径补偿C刀补是为解决上述尖角过渡问题而设计的，专门处理两个程序段间转接的各种情况。在C刀补中，为了避免下一段加工轨迹对本段加工轨迹的影响，在计算本程序段的刀具中心轨迹时，提前将下一段程序读入，根据它们之间转换的具体情况，做出适当地处理。17转接过渡方式三种内型：转接过渡方式三种内型：伸长型缩短型插入型（加一段直线或圆弧）182.2 数控装置数控装置 CNC装置的硬件结构 输入决策输出（计算机）输入插补伺服（数控）19功能模块式全功能型车床数控系统框图 20软件功能管理功能和控制功能管理软件：加工程序的输入、I/O处理、显示软件、诊断软

9、件控制软件：译码、刀具补偿、速度控制、插补运算、位置控制21CNC装置的工作原理G01XAYAXBYBXCYCX1Y1X2Y2译码刀具补偿插补位置控制一个脉冲当量222.3数控机床的位置检测装置数控机床的位置检测装置 v1对检测元件的要求（1）工作可靠，抗干扰能力强（2）满足精度，速度要求 分辨率分辨率 精度精度 速度速度 在线测量，对大型机床主要指标，测量速度要快。（3）使用维护方便（4）成本低23v2位置检测装置的分类模拟式测量数字式测量绝对式测量增量式测量间接测量直接测量24v3常用检测元件1）位置检测元件 旋转变压器与感应同步器 实质是一样的，利用电磁感应，把位置检测模拟量转换为输出的

10、模拟量，前者用在半闭环系统，后者被广泛采用的是直线型，用在闭环系统。光栅 利用莫尔条纹（光的干涉现象产生，来测位移，输入是模拟量，输出是数字脉冲）编码盘用于半闭环，利用盘上明暗条纹组成的编码，输入模拟量，输出数字编码磁尺2）速度检测元件测速发电机25数控钻床数控钻床1. 脉冲编码器 外缝隙B接至D触发器的D端，内缝隙A接到触发器的CP端。当B超前于A时，触发器Q输出为1，表示正转，而A超前于B，触发器输出Q为0，表示反转。A、B两路信号相与后，经适当的延时送入计数器。触发器的输出Q，可用来控制可逆计数器，即正转时做加法计数，反转时做减法计数。262. 光栅位置检测装置 光栅尺光栅尺 光栅光栅2

11、728v光栅传感器由光源、透镜、光栅副（主光栅和指示光栅）和光电接收元件组成。 293. 旋转变压器旋转变压器 正余弦旋转变压器结构原理图转子绕组Z1Z2、Z3Z4中所产生的电压分别为cos112UkUuZsin134UkUuZ30感应同步器的工作原理与两极式旋转变压器的工作原理一样，只要测量出 的值，便可求出 角，进而求得滑尺相对于定尺移动的距离x。 4. 感应同步器感应同步器 coscos sin （415）BSmVKVKVt的幅值mSVV定尺绕组上的感应电势为 式中K耦合系数；反映的是定尺和滑尺的相对移动的距离x，有公式表示 BV3124 数控机床的进给伺服系统数控机床的进给伺服系统伺服

12、系统的特点伺服系统的特点1. 伺服系统的运动来源于偏差信号偏差：指令信号与反馈信号的比较2. 伺服系统必须有负反馈回路3. 伺服系统始终处于过渡过程状态4. 伺服系统必须具有力（力矩）放大作用32伺服系统的基本要求伺服系统的基本要求位移精度要高定位精度高稳定性好动态响应快调速范围宽低速大转矩33数控机床伺服驱动系统分类数控机床伺服驱动系统分类 1.按调节理论分 开环 闭环 半闭环2.按使用电机分 直流伺服系统 交流伺服系统3.按驱动分： 进给伺服系统 主轴伺服系统4.按反馈比较控制方式分 脉冲、数字比较伺服系统 ，广泛应用 相位比较伺服系统 ，普遍应用 幅值比较伺服系统 全数字伺服系统34伺服

13、系统常用的驱动元件伺服系统常用的驱动元件步进电动机、直流伺服电动机、交流伺服电动机 1. 调速范围宽而有良好的稳定性，低速 时要求速度平稳；2. 负载特性硬，即使在低速时，有足够的 负载能力，反应速度快；3. 可频繁地起、停、换向等。35242 开环进给伺服系统开环进给伺服系统一、工作原理：一、工作原理：v组成部分：驱动控制环节、执行元件组成部分：驱动控制环节、执行元件v驱动控制环节的任务：是将指令脉冲驱动控制环节的任务：是将指令脉冲转化为执行元件所需的信号转化为执行元件所需的信号v步进电机的任务：是将（处理过的指步进电机的任务：是将（处理过的指令脉冲）进给脉冲变换为转角，通过令脉冲）进给脉冲

14、变换为转角，通过齿轮和丝杠带动工作台移动齿轮和丝杠带动工作台移动36二特点：二特点：v在工作频率范围内，每输入一个脉冲，步进电机在工作频率范围内，每输入一个脉冲，步进电机转过一定角度为步距角转过一定角度为步距角v控制输入脉冲的数量可以控制步进电机的转角大控制输入脉冲的数量可以控制步进电机的转角大小，经丝杆螺母转换为工作台位移量小，经丝杆螺母转换为工作台位移量v控制输入脉冲的频率可以控制定转数的快慢，经控制输入脉冲的频率可以控制定转数的快慢，经丝杆螺母转换为工作台移动速度丝杆螺母转换为工作台移动速度v改变步进电机各绕组的通电顺序，可以控制它的改变步进电机各绕组的通电顺序，可以控制它的正转与反转，

15、从而改变工作台的移动方向正转与反转，从而改变工作台的移动方向v当步进电机启动频率或下降频率大于步进电机突当步进电机启动频率或下降频率大于步进电机突变频率是回发生是失步现象。要分别进行自动减变频率是回发生是失步现象。要分别进行自动减速或加速。速或加速。37三、步进电机三、步进电机3相步进电机57BYG350系列4相步进电机42BYGH系列YKA2304ME步进电机驱动器38 步距角静态步距角误差 最大静态距 启动频率(突跳频率)和启动距频特性 连续运行的最高工作频率和运行距频特性 加减速特性 39四、步进电机的驱动方式四、步进电机的驱动方式步进电机的控制方式步进电机的控制方式三相三拍：三相三拍：

16、 （一般不采用）（一般不采用）三相六拍：三相六拍： （正向）正向）拍数相数拍数相数X2ACACBCBABAACBA环行分配器（脉冲分配器）环行分配器（脉冲分配器）作用：把来自数控装置的指令脉冲（进给指令），按一定方式转换成若干路电平信号，控制步进电机的几个定子绕组（相数）的通断电。 功率放大器功率放大器 40243 闭环伺服系统闭环伺服系统一、概述一、概述执行元件：直流伺服电机，交流伺服电机执行元件：直流伺服电机，交流伺服电机组成部分：驱动放大，执行元件，控制对象反馈检测单组成部分：驱动放大，执行元件，控制对象反馈检测单元，比较单元元，比较单元反馈检测单元：以固定的时间周期，将工作台的实际位反

17、馈检测单元：以固定的时间周期，将工作台的实际位置检测出来并将机械位移量转变成一个电信号。反置检测出来并将机械位移量转变成一个电信号。反馈给比较环节。馈给比较环节。比较单元：将反馈检测单元所输出的数字量与插补程序比较单元：将反馈检测单元所输出的数字量与插补程序所输出的进给指令值比较，得到跟随误差的数字量所输出的进给指令值比较，得到跟随误差的数字量41二、直流伺服电机二、直流伺服电机工作原理工作原理 :电刷和换向器的作用，转子的电刷和换向器的作用，转子的总磁势方向始终与定子磁势正交，两磁总磁势方向始终与定子磁势正交，两磁场的相互作用，产生了电动机的电磁转场的相互作用，产生了电动机的电磁转距，从而使

18、电动机转动。距，从而使电动机转动。2meaeaccmRcun机械特性公式机械特性公式 422电机定子电机定子绕组所形成的磁极永久磁铁3电机电枢电机电枢差异差异：电枢铁芯：光滑无槽的圆柱体，低速运行稳定电枢绕组：环氧树脂固化成型后粘结在电枢铁芯表面电枢长度：长度与外径之比在5倍以上，减少了转动惯量气隙尺寸：比一般直流电机大10倍以上，换向性良好43（1）小惯量电动机）小惯量电动机通过减小电机转动惯量，提高动态特性（2）宽调速直流伺服电机（大惯量电机）宽调速直流伺服电机（大惯量电机）提高转距的方法来改善动态特性分两种特点：采用增加极对数和电枢导体数来提高电磁转距采用增加槽对数和换向片数，来减小电机

19、转距的波动永磁式的定子，采用轿顽力较高的永磁材料，提高瞬时加速转距，采用高绝缘材料，提高过载能力。44通过调整开关频率（闭合时间通过调整开关频率（闭合时间 ），调整平均电压），调整平均电压 4直流电机的调速直流电机的调速 主要是调整电枢电压主要是调整电枢电压au常规采用方法常规采用方法PWMSCR晶体管脉宽调制晶闸管（可控硅）调速 au 45三、交流伺服电机三、交流伺服电机1种类及特点种类及特点分类分类 进给系统中多采用永磁式同步电机进给系统中多采用永磁式同步电机主轴驱动系统中用异步型交流伺服电动机主轴驱动系统中用异步型交流伺服电动机同步电机异步电机绕线式异步电机鼠笼式异步电机非电磁式电磁式4

20、62. 永磁式交流同步伺服电动机工作原理永磁式交流同步伺服电动机工作原理定子产生旋转磁场转子将以同步转数 与定子旋转磁场一起旋转snrn3交流电机的调速交流电机的调速正比，浪费功率，功率损耗与转差率成改变转差率工艺限制，但受电机结构和制造改变磁极对数，变频器技术复杂改变定子供电电源频率spf变频器变频器动小）直型变频器（交流电波交动大）交型变频器（交流电波交47四、位置控制四、位置控制 按反馈信息的检测和比较方法，可分为三种按反馈信息的检测和比较方法，可分为三种:脉冲比较伺服系统：脉冲比较伺服系统：以光电编码盘，光栅作为位置检测以光电编码盘，光栅作为位置检测 元件，以数字脉冲形成直接比较元件，

21、以数字脉冲形成直接比较相位比较伺服系统相位比较伺服系统:以感应式元件作为位置检测元件。以感应式元件作为位置检测元件。幅值比较伺服系统：幅值比较伺服系统：以旋转变压器和感应同步器作为位置检测元件以旋转变压器和感应同步器作为位置检测元件48随着数控技术的不断发展，传统的主轴驱动已不随着数控技术的不断发展，传统的主轴驱动已不满足要求，现代数控机床对主传动提出了更满足要求，现代数控机床对主传动提出了更高的要求高的要求25 数控机床的主轴驱动及其机械结构 49 251 主轴驱动及其控制主轴驱动及其控制数控机床主传动要有较宽的调速范围 无级调速 全速度范围内提供主轴电动机的最大功率，即恒功率范围要宽 自动加减速控制 自动换刀，准停控制具有旋转进给轴（C轴）的控制功能 50变速方法变速方法现代机床常采用主轴电动机现代机床常采用主轴电动机变速齿轮传递变速齿轮传递主轴的结构，主轴的结构，当然变速齿轮箱比传统机床主轴箱简单得多。液压拨叉当然变速齿轮箱比传统