机床数控技术培训课件

1、机床数控技术,数控机床的诞生,1948，美国帕森斯(Parsons)公司,麻省理工学院（MIT）伺服机构实验室,第一节 概 述,一、数控技术与数控机床,1、数控技术： 是用数字化的信息对机械设备（如机床、绘图仪等）自动工作过程进行控制的一门技术。 NC CNC 2、数控机床： 是指用数字化的代码将零件加工过程中所需的各种操作和步骤及刀具与工件之间的相对位移量等记录在程序介质上，送入计算机或数控系统，经过译码、运算及处理，控制机床的刀具与工件的运动，加工出所需工件的一类机床。 3、现代数控机床综合应用了电子技术、计算机技术、自动控制技术、精密检测技术、伺服驱动技术、机械设计与制造技术等多方面的最

2、新成果，是一种典型的机电一体化的产品。,二、数控机床的组成和工作原理,1、数控机床的组成,数控机床组成简图,输入输出设备、数控装置、伺服系统和机床本体四个基本部分。,数控机床组成详图,1、数控机床的加工过程,三、数控机床的分类,1、按工艺用途分类,（1）数控车床,（2）数控铣床,（3）加工中心,（4）数控折弯机 、数控弯管机、数控压力机等。,（5）数控线切割机、数控电火花加工机床、数控激光切割机床、数控火焰切割机、数控三坐标测量机等。,2、按控制运动的方式分类,（1）点位控制数控机床 （2）直线控制数控机床 （3）轮廓控制数控机床,3、按伺服系统分类,（1）开环数控系统；（2）半闭环数控系统；

3、（3）闭环数控系统,（1）开环数控系统 没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置进给系统），故系统稳定性好。,（2） 半闭环数控系统 是一种带有测量反馈装置的数控系统，半闭环数控系统的位置采样点如图所示，是从驱动装置(常用伺服电机)或丝杠引出，对旋转角度进行检测，不是直接检测运动部件的实际位置。,位置控制调节器,速度控制 调节与驱动,检测与反馈单元,位置控制单元,速度控制单元,+,+,-,-,CNC插补 指令,实际位置反馈,实际速度反馈,（3） 全闭环数控系统 全闭环数控系统的位置采样点如图的虚线所示，直接对运动部件的实际位置进行检测。,4、按数控装置的功能水平分类,按数控装置的功能水平通常

4、把数控系统分为低、中、高三档。,四、数控机床的有关功能规定,1、数控加工程序的编制有关规定,1）程序结构 一个完整的程序由程序号、程序的内容和程序结束三部分组成。例如： O0001 程序号 N10 G92 X40 Y30； N20 G90 G00 X28 T01 S800 M03； 程序内容 N30 G01 X-8 Y8 F200； N40 X0 Y0； N50 X28 Y30； N60 G00 X40； N70 M02； 程序结束 2）程序段格式 所谓字-地址可变程序段格式，就是在一个程序段内数据字的数目以及字的长度（位数）都是可以变化的格式。,程序段书写顺序格式,3）G代码与M代码 参见J

5、B3208-1999,2、数控机床的坐标系和运动方向的规定,JB30511999数字控制机床坐标和运动方向的命名的标准，对数控机床的坐标和运动方向作了明文规定。 1）坐标和运动方向命名的原则 永远假定刀具相对于静止的工件坐标系而运动。 2）标准坐标系的规定,3）运动方向的确定 JB305182中规定：机床某一部件运动的正方向，是增大工件和刀具之间的距离的方向。 （1）Z坐标的运动 Z坐标的运动，是由传递切削力的主轴所决定，与主轴轴线平行的坐标轴即为Z坐标。 对于工件旋转的机床，如车床、外圆磨床等，平行于工件轴线的坐标为坐标。 对于刀具旋转的机床，如铣床、钻床、镗床等，则平行于旋转刀具轴线的坐标

6、为Z坐标。 如果机床没有主轴（如牛头刨床），Z轴垂直于工件装卡面。 Z坐标的正方向为增大工件与刀具之间距离的方向。如在钻镗加工中，钻入和镗入工件的方向为Z坐标的负方向，而退出为正方向。,（2）X坐标的运动 规定X坐标为水平方向，且垂直于Z轴并平行于工件的装夹面。X坐标是在刀具或工件定位平面内运动的主要坐标。 对于工件旋转的机床（如车床、磨床等），X坐标的方向是在工件的径向上，且平行于横滑座。刀具离开工件旋转中心的方向为X轴正方向，如图2-4所示。 对于刀具旋转的机床（如铣床、镗床、钻床等），如Z轴是垂直的，当从刀具主轴向立柱看时，X运动的正方向指向右。如Z轴（主轴）是水平的，当从主轴向工件方向

7、看时，X运动的正方向指向右方。 （3）Y坐标的运动 Y坐标轴垂直于X、Z坐标轴，其运动的正方向根据X和Z坐标的正方向，按照右手直角迪卡儿坐标系来判断。,（4）旋转运动A、B、C 如图2-3所示，A、B、C相应地表示其轴线平行于X、Y、Z的旋转运动。A、B、C正方向，相应地表示在X、Y和Z坐标正方向上，右旋螺纹前进的方向。 （5）附加坐标 如果在X、Y、Z主要坐标以外，还有平行于它们的坐标，可分别指定为U、V、W。如还有第三组运动，则分别指定为P、Q、R。 （6）对于工件运动的相反方向 对于工件运动而不是刀具运动的机床，必须将前述为刀具运动所作的规定，作相反的安排。用带“”的字母，如X，表示工件

8、相对于刀具正向运动指令。而不带“”的字母，如X，则表示刀具相对于工件的正向运动指令。二者表示的运动方向正好相反。如图2-42-7所示。对于编程人员、工艺人员只考虑不带“”的运动方向。 （7）主轴旋转运动方向 主轴的顺时针旋转运动方向（正转），是按照右旋螺纹旋入工件的方向。,数控车床坐标系,立式数控铣床坐标系,第二节 插补原理,1、插补的概念 插补是指数据密化的过程，在数控系统输入有限坐标点（例如起点、终点）的情况下，计算机根据线段的特征（直线、圆弧、椭圆等），运用一定的算法，自动地在有限坐标点之间生成一系列的中间坐标数据，从而自动地对各坐标轴进行脉冲分配，完成整个线段的轨迹运行，使机床加工出所

9、要求的轮廓曲线。 2、插补方法的分类 脉冲增量插补 数据采样插补,脉冲增量插补又称基准脉冲插补。该插补算法主要为各坐标轴进行脉冲分配计算。其特点是每次插补的结束仅产生一个行程增量，以一个个脉冲的方式输出给步进电动机。脉冲增量插补在插补计算过程中不断向各个坐标发出相互协调的进给脉冲，驱动各坐标轴的电动机运动。 脉冲当量：数控系统在控制过程中，每发出一个脉冲坐标轴所产生的位移量叫做脉冲当量，通常用 表示 脉冲当量 是脉冲分配的基本单位，按机床设计的加工精度选定。普通精度的机床取 ， 较精密的机床取 或 。,3、脉冲增量插补,数据采样插补又称时间标量插补或数字增量插补。该插补算法的特点是数控装置产生

10、的不是单个脉冲，而是数字量。 适用场合：数据采样插补适用于交、直流伺服电动机为驱动元件的闭环和半闭环数控系统。,4、数据采样插补,常用的脉冲增量插补方法：逐点比较法、数字积分法、比较积分法、矢量判断法、最小偏差法、数字脉冲乘法器法,适用场合：脉冲增量插补适用于以步进电动机为驱动元件的开环数控系统。,5、逐点比较法直线插补 1）逐点比较法的直线插补原理 在图3-1所示平面 第一象限内有直线段 ，以原点为起点，以为 终点，直线方程为： 改写为：,图3-1 第一象限直线插,如果加工轨迹脱离直线，则轨迹点的 、 坐标不满足上述直线方程。 对位于直线上方的点 ，则有： 对位于直线下方的点B，则有： 因此

11、可以取判别函数 来判断点与直线的相对位置， 为 当加工点落在直线上时， ； 当加工点落在直线上方时， ； 当加工点落在直线下方时， 。,称为“直线插补偏差判别式”或“偏差判别函数”， 的数值称为“偏差”。,递推法：每走一步到新加工点，加工偏差用前一点的加工偏差递推出来, 这种方法称“递推法”。,加工偏差计算公式： 若 0时，则向 轴发出一进给脉冲，刀具从这点向 方向迈进一步，新加工点 的偏差值为,即：,如果某一时刻加工点 的 0时，则向 轴发出一进给脉冲，刀具从这点向 方向迈进一步，新加工点,的偏差值为,即：,2）节拍控制和运算程序流程 （1） 直线插补的节拍控制 逐点比较法直线插补的全过程，

12、每走一步要进行以下四个拍节：,第一节拍偏差判别 第二节拍进给 第三节拍偏差计算 第四节拍终点判别 如此不断重复上述四个节拍就可以加工出所要求的轮廓。,（2） 直线插补的运算程序流程,输出驱动则是：在第三象限，点在直线上方，向- 方向进给，点在直线下方，向- 方向进给；在第四象限，点在直线上方，向- 方向进给，点在直线下方，向+ 方向进给。,3）不同象限的直线插补,对第二象限，只要用| |取代 就可以变换到第一象限，至于输出驱动，应使 轴向步进电动机反向旋转,而 轴步进电动机仍为正向旋转。 同理，第三、四象限的直线也可以变换到第一象限。插补运算时，用| |和| |代替 、,4）直线插补举例 例3

13、-1 设欲加工第一象限直线 ，终点坐标为 ， ，试用逐点比较法插补该直线。 解：总步数n53=8 开始时刀具在直线起点，即在直线上，故 =0，表3-2列出了直线插补运算过程，插补轨迹见图3-2。,6、逐点比较法圆弧插补 1）逐点比较法圆弧插补原理 加工一个圆弧，很容易令人想到用加工点到圆心的距离与该圆弧的名义半径相比较来反映加工偏差。设要加工图3-5第一象限逆时针走向的圆弧 ，半径为 ，以原点为圆心，起点坐标为 ，在 坐标平面第一象限中， 点的加工偏差有以下三种情况：,若点 正好落在圆弧上，则下式成立 若加工点 落在圆弧外侧，则 ，即： 若加工点 落在圆弧内侧，则，即： 将上面各式分别改写为下

14、列形式 （在圆弧上） （在圆弧外侧） （在圆弧内侧） 取加工偏差判别式,走向控制：若点 在圆弧外侧或圆弧上，即满足 的条件时，向 轴发出一负向运动的进给脉冲 ；若点 在圆弧内侧，即满足 的条件时，则向 轴发出一正向运动的进给脉冲（+ ）。为了简化偏差判别式的运算，仍用递推法来推算下一步新的加工偏差。,设加工点 在圆弧外侧或在圆弧上，则加工偏差为,故 轴须向负向进给一步 ，移到新的加工点 ，其加工偏差为,即：,设加工点 在圆弧的内侧，则 。那么 轴须向 正向进给一步 ，移到新的加工点 ，其加工偏差为,即：,2）圆弧插补的运算过程 圆弧插补的运算过程与直线插补的过程基本一样，不同的是，圆弧插补时，

15、动点坐标的绝对值总是一个增大，另一个减小。如对于第一象限逆圆来说，动点坐标的增量公式为,圆弧插补运算每进给一步也需要进行偏差判别、进给、偏差计算、终点判断四个工作节拍，其运算过程的流程图如图3-6所示。,运算中 寄存偏差值 ；x和y分别寄存 和 动点的坐标值，开始分别存放 和 ； 寄存终点判别值：,3）圆弧插补举例 例3-2 设有第一象限逆圆弧 ，起点为 ，终点为 ，用逐点比较法插补 。 解： 开始加工时刀具在起点，即在圆弧上， 。加工运算过程见表3-3，插补轨迹见图3-7。,逐点比较法圆弧插补,4圆弧插补的象限处理与坐标变换,沿 方向走一步 沿 方向走一步 沿 方向走一步 沿 方向走一步,逐

16、点比较法圆弧插补,其中用 表示圆弧， 表示顺时针， 表示逆时针，四个象限分别用数字1、2、3、4标注，例如 1表示第一象限顺圆， 3表示第三象限逆圆,逐点比较法圆弧插补,一、检测装置的作用和分类：,1、作用： 检测位移和速度，并发出反馈信号与数控装置发出的指令信号进行比较 若有偏差，经过放大后控制执行部件，使其向消除偏差的方向运动，直至偏差为零为止。,第三节 数控机床的位置检测装置,分类 ：,1、结构及工作原理：,二、感应同步器 ：,分类： 直线式：测量长度 旋转式：测量角度,1）结构： 是由旋转变压器演变而来的，相当于一个展开的变压器，是利用两个保持均匀气隙的平面形印制电路绕组的互感器。,定

17、尺：表面制有连续平面绕组，绕组节距为P。 滑尺：表面制有两段分段绕组，正弦绕组和余弦绕组。 它们相对于定尺绕组在空间错开1/4节距（1/4P） 定尺与滑尺之间有均匀的气隙0.15-0.35mm,直线式感应同步器结构,直线感应同步器相当于一个展开的多极旋转变压器，其结构如图所示，定尺和滑尺的基板采用与机床热膨胀系数相近的钢板制成，钢板上用绝缘粘结剂贴有铜箔，并利用腐蚀的办法做成图示的印刷绕组。长尺叫定尺，安装在机床床身上，短尺为滑尺，安装于移动部件上，两者平行放置，保持0.250.05mm间隙。,直线感应同步器结构,感应同步器两个单元绕组之间的距离为节距，滑尺和定尺的节距均为，这是衡量感应同步器

18、精度的主要参数。标准感应同步器定尺长250mm，滑尺长100mm，节距为2mm。定尺上是单向、均匀、连续的感应绕组，滑尺有两组绕组，一组为正弦绕组，另一为余弦绕组。当正弦绕组与定尺绕组对齐时，余弦绕组与定尺绕组相差1/4节距。,2,滑尺绕组通以一定频率的交流电压，由于电磁感应，在定尺的绕组中产生了感应电压，感应电压呈正弦或余弦波形。 a点：最大 b点：为零 c点：值同a点 但相极性相反 d点：为零,2 直线式感应同步器工作原理,若设定尺绕组节距为2，它对应的感应电压以余弦函数变化了，当滑尺移动距离为时，则对应感应电压以余弦函数变化相位角。由比例关系,可得,设表示滑尺上一相绕组的激磁电压,则定尺

19、绕组感应电压为,式中 K耦合系数； Vm激磁电压的幅值； 激磁电压的角频率； 与位移对应的角度。 Vmcos 为感应电压的幅值,感应电压的幅值变化规律就是一个周期性的余弦曲线。在一个周期内，感应电压的某一幅值对应两个位移点，如图中M、N两点。为确定唯一位移，在滑尺上与正弦绕组错开1/4节距处，配置了余弦绕组。同样，若在滑尺的余弦绕组中通以交流励磁电压，也能得出定尺绕组感应电压与两尺相对位移的关系曲线，它们之间为正弦函数关系(图中OP)。若滑尺上的正、余弦绕组同时励磁，就可以分辨出感应电压值所对应的唯一确定的位移。,E,A,V,2,M,N,正弦绕组,余弦绕组,B,D,C,O,P,1） 鉴相型系统

20、 供给滑尺的正、余弦绕组的激磁信号是频率、幅值相同，相位相差900的交流励磁电压,根据叠加原理，定尺上的总感应电压为,通过鉴别定尺感应输出电压的相位，即可测量定尺和滑尺之间的相对位移。例如定尺感应输出电压与滑尺励磁电压之间的相位差为3.60，当节距为1mm的情况下，表明滑尺移动了0.02mm。,有两种工作方式，鉴相式和鉴幅式。,3 应用,感应同步器鉴相测量系统框图,基准信号发生器输出一系列一定频率的基准脉冲信号（载波信号），为伺服系统提供一个相位比较基准。,脉冲调相器的作用是将来自数控装置的进给脉冲信号转换为相位变化的信号。在脉冲调相器中，由基准信号发生器产生的基准脉冲信号分成两路，一路直接输

21、入分频器1，它为1/N分频的二进制计数器，称为基准分频通道。为适应感应同步器滑尺的两励磁绕组供电的要求，该通道输出两路幅值相等、频率相同、相位相差900的脉冲信号，经激磁供电线路变成正、余弦信号给滑尺正弦、余弦绕组励磁。另一路先经过脉冲加减器，再进入分频器2，该分频器也为1/N分频二进制计数器，称为调相分频通道。调相分频通道的任务是将指令脉冲信号调制成与基准脉冲有一定关系的输出脉冲信号，其相位差大小和极性与指令脉冲有关。上述两个分频器均为1/N分频，即当输入N个计数脉冲后产生一个溢出脉冲。,为说明指令移相情况，设两个分频器均由四个二进制计数触发器C0C3组成，每输入16个脉冲产生一个溢出脉冲信

22、号。对应无指令脉冲和有指令脉冲两种情况，用两个波形图来描述,C0,C1,C2,C3,F,无指令脉冲时序波形图,有一正向指令脉冲通过脉冲加减器，使得输入到调相分频通道的脉冲个数增加一个，结果该分频器产生溢出脉冲的时刻提前产生。因此，在指令脉冲作用下，调相分频通道输出脉冲与基准脉冲有一个相位差1，且110，0为基准信号发生器的基准相位；1为指令信号相位；1的大小取决于指令脉冲数，其随时间变化的快慢取决于指令脉冲频率，而其相对于0的超前与滞后，则取决于指令脉冲进给方向。,有指令脉冲时序波形,F,C1,C2,C0,C3,F1,分频器2输出,分频器1输出,1,当用同一脉冲源的输出时钟脉冲去触发容量相同的

23、两个分频器1和2时，结果在两个分频器最后一级的输出是频率大大降低的两个同频率信号。假设时钟脉冲频率为F，当分频器的容量为N，即N个时钟脉冲使分频器的输出变化一个周期，则分频器输出端的脉冲频率f为：f=F/N（N为最大计数容量，n为触发器个数）。如果在时钟脉冲触发两个分频器的过程中，通过脉冲加减器加入一个指令脉冲，分频器2的最后一级输出提前翻转，从而相对于分频器1产生了一个正的相移1（见图5-21）。脉冲调相器每接受一个脉冲便产生一个指令相位增量 1， 1应符合下式,或,如果感应同步器的 节距为2mm，脉冲当量选定为=0.001mm，一个脉冲对应的相移角1为,数控装置每发一个进给脉冲，经脉冲调相

24、器变为超前基准信号一个0.180相移角的信号，即1=1-0=0.180。此时因工作台未动，反馈信号相对于基准信号的相位差2=2-0=0（2为定尺绕组上作为反馈信号所取的感应电压U2的相位）。鉴相器将12 =0.180的相位差检测出来，经放大后控制伺服电动机带动工作台移动。随着工作台的移动，2逐渐增大，相位差逐渐减少，直至0。,鉴相式伺服系统利用相位比较原理进行工作。当数控装置要求工作台沿一个方向位移时，产生一列进给脉冲，经脉冲调相器的调相分频通道转化为相位变化信号1，它作为指令信号送入鉴相器；测量装置及信号处理电路的作用是将工作台的位移量检测出来，并表达成与基准信号之间的相位差2，也被送入鉴相

25、器。这两路信号都用它们与基准信号之间的相位差表示，且同频率、同周期。因此，它们两者之间的相位差为12。鉴相器的作用就是鉴别出这两个信号的相位差，并以与此相位差信号成正比的电压信号输出。如果相位差不为零，说明工作台实际移动的距离不等于指令信号要求工作台移动的距离，鉴相器检测出的相位差，经放大后，送入速度控制单元，驱动电机带动工作台向减少误差的方向移动。若相位差为零，则表示感应同步器的实际位置与给定指令位置相同，鉴相器输出电压为零，工作台停止移动。,2） 鉴幅式系统,供给滑尺上正、余弦绕组的励磁电压的频率相同、相位相同但幅值不同。,式中 给定的电气角。 则在定尺绕组产生的总感应电压为,(5-8),

26、式中 与位移对应的角度。,鉴幅式伺服系统是以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移的数值，并以此作为位置反馈信号与指令信号进行比较构成闭环伺服系统。 由式5-8可知，若电气角 已知，只要测出U2的幅值，便能求出与位移对应的角度 。实际测量时，不断调整 ，让幅值为零。设初始位置时， = ，U20，当滑尺相对定尺移动后，随着不断增加， ， U2 0 。若逐渐改变值，直至 = ，U20，此时的变化量就代表了对应的位移量，就可测得机械位移。,鉴幅式伺服系统原理框图,鉴幅式系统的工作原理：进入比较器的信号有两路，一路来自进给脉冲，它代表了数控装置要求机床工作台移动的位移量。另一路来自测量及信号处理电路，以

27、数字脉冲形式出现，体现了工作台实际移动的距离。鉴幅式系统工作之前，数控装置和测量元件的信号处理电路都没有脉冲输出，比较器的输出为零，工作台不移动。出现进给脉冲信号后，比较器的输出不为零，经数模转换电路将比较器输出的数字量转化为电压信号，经放大后，由伺服电机带动工作台移动。同时，工作在鉴幅状态的感应同步器的定尺感应出电压信号，经信号处理线路转换成相应的数字脉冲信号，该数字脉冲信号作为反馈信号进入比较器与进给脉冲进行比较。若两者相等，比较器输出为零，工作台不动；若两者不相等，说明工作台实际移动的距离还不等于指令信号要求移动的距离，伺服电机继续带动工作台移动，直到比较器输出为零时停止。,测量元件及信

28、号处理电路,图表明测量及信号处理线路是如何将工作台的机械位移检测出来并转换为数字脉冲信号。感应同步器根据工作台的位移量，输出正弦电压信号，该电压信号的幅值代表工作台的位移。此正弦信号经滤波、放大、检波、整流以后，变成方向与工作台移动方向相对应，幅值与工作台位移成正比的直流电压信号，这个过程称解调，由解调线路也称鉴幅器来完成。解调后的信号经电压频率（V/F）转换器变成计数脉冲，脉冲的个数与电压幅值成正比，并用符号触发器表示方向。一方面，该计数脉冲及符号送比较器与进给脉冲比较；另一方面，经正余弦(sin/cos)信号发生器，产生驱动测量元件的两路信号sin和cos，使角与此相对应发生改变。并根据产

29、生正弦和余弦矩形波，使总是跟随角的变化而变化。,再一次经解调线路，电压频率转换器、sin/cos信号发生器，产生下一个激磁信号，该激磁信号将使测量元件的输出进一步接近于零，这个过程不断重复，直到测量元件的输出为零时为止。,若感应同步器滑尺没有新的位移，因激磁信号电气角由变为1 ，它所输出的幅值信号也随之变化，而且逐步趋近于零。 若输出的新的幅值信号,是一种旋转式脉冲发生器，它把机械转角转化为脉冲。,三、脉冲编码器,1、结构,光电盘,分度狭缝,由玻璃材料制成，表面涂有一层不透明的金属，圆周上刻有等间距的条纹，分为透明和不透明部分，条纹有几百条到几千条不等。,光电盘,一个固定的扇形薄片，上面制有相

30、差1/4节距的两个狭缝，称为辨向狭缝。,分度狭缝,当圆光栅旋转时，光线透过两个光栅的线纹部分，形成明暗条纹。光电元件接受这些明暗相间的光信号，转换为交替变化的电信号，该信号为两组近似于正弦波的电流信号A和B，A和B信号的相位相差90,2、工作原理,电信号经整形放大电路变成脉冲信号，通过对脉冲进行计数，可以测得转轴的转角，通过测量脉冲频率，即可测得转轴的转速。 直线位移也可以通过转角的测量间接得到。,可直接将检测转角用数字代码表示出来，读出轴的绝对位置。,四、绝对编码器,1、分类： 按计数制分： 二进制、二进制循环码、二十进制码 按机构原理分： 接触式、光电式、电磁式,2、二进制编码盘结构,编码

31、盘与被检测轴连在一起，当轴转动时，电刷和码盘的位置发生相对变化。 若电刷接触的是导电区，则经电刷、码盘、电阻、电源形成回路，输出高电平“1”，反之为 “0”，由此便得到由0、1表示位置的四位二进制码，将其送入计算机。,3、工作原理,但在实际应用中，对码盘的制作和电刷要求非常高。若在0、1中间或电刷接触不良都会产生误输出数字的情况，为消除这一现象，采用葛莱码，使任何相邻数码间只有一位数变化。,葛莱码盘,二进制编码盘 葛来码盘,增量式编码：每转输出脉冲多，精度高，但产生累计误差 绝对式编码：没有累计误差，但精度低,4、混合式绝对编码,最外圆用高密度增量条纹 中间用绝对式的葛莱码 克服了增量式编码产

32、生累计误差和绝对式编码精度受分辨率限制的缺点。,使用光的反射、透射和干涉现象制成的一种光电检测装置，有物理光栅和计量光栅。,五、光栅,1、分类： 据外形分： 长光栅测直线位移 圆光栅测角位移 据成光原理分： 透射光栅：光学玻璃，0.005mm，精度高 反射光栅：栅距大，0.04-0.02mm,1）结构： 标尺光栅：固定在机床的活动部件上 光学读数头：装在机床固定部件上 标尺光栅和指示光栅的平行度及二者之间的间隙（0.050.1mm）要严格保证,2、透射光栅的结构和工作原理,1光源 2透镜 3标尺光栅 4指示光栅 5光电元件 6驱动线路,当指示光栅上的线纹和标尺光栅上的线纹呈一小角度放置时，造成

33、两光栅尺上的线纹交叉。在光源的照射下，交叉点附近的小区域内黑线重叠形成明暗相间的条纹，这种条纹称为“莫尔条纹”。 “莫尔条纹”与光栅的线纹几乎成垂直方向排列。,2）莫尔条纹,（1）当用平行光束照射光栅时，莫尔条纹由亮带到暗带，再由暗带到光带的透过光的强度近似于正（余）弦函数。 （2）起放大作用 （3）起平均误差作用 （4）莫尔条纹的移动与栅距之间的移动成比例,3）莫尔条纹的特点,标尺光栅右移莫尔条纹上移，缝隙S2输出波形超前1/4周期； 标尺光栅左移莫尔条纹下移，缝隙S1输出信号超前1/4周期 据两狭缝输出信号的超前和滞后可以确定标尺光栅的移动方向。,3、直线光栅检测辨向原理,光栅测量系统如图

34、所示，由光源、聚光镜、光栅尺、光电元件和驱动线路组成。读数头光源采用普通的灯泡，发出辐射光线，经过聚光镜后变为平行光束，照射光栅尺。光电元件（常使用硅光电池）接受透过光栅尺光强信号，并将其转换成相应的电压信号。由于此信号比较微弱，在长距离传递时，很容易被各种干扰信号淹没，造成传递失真，驱动线路的作用就是将电压信号进行电压和功率放大。,除标尺光栅与工作台一起移动外，光源、聚光镜、指示光栅、光电元件和驱动线路均装在一个壳体内，作成一个单独部件固定在机床上，这个部件称为光栅读数头，又叫光电转换器，其作用把光栅莫尔条纹的光信号变成电信号。,当光栅移动一个栅距，莫尔条纹便移动一个条纹宽度，理论上光栅亮度

35、变化是一个三角波形，但由于漏光和不能达到最大亮度，被削顶削底后而近似一个正弦波（见图5-4）。硅光电池将近似正弦波的光强信号变为同频率的电压信号（见图5-5），经光栅位移数字变换电路放大、整形、微分输出脉冲。每产生一个脉冲，就代表移动了一个栅距那么大的位移，通过对脉冲计数便可得到工作台的移动距离。,光栅位移,O,图5-4 光栅的实际亮度变化,亮度,4 应用（光栅位移数字转换系统）,采用一个光电元件即只开一个窗口观察，只能计数，却无法判断移动方向。因为无论莫尔条纹上移或下移，从一固定位置看其明暗变化是相同的。为了确定运动方向，至少要放置两个光电元件，两者相距1/4莫尔条纹宽度。当光栅移动时，莫尔

36、条纹通过两个光电元件的时间不同，所以两个光电元件所获得的电信号虽然波形相同，但相位相差90o。根据两光电元件输出信号的超前和滞后，可以确定标尺光栅移动方向。 增加线纹密度，能提高光栅检测装置的精度，但制造较困难，成本高。在实际应用中，既要提高测量精度，同时又能达到自动辨向的目的，通常采用倍频或细分的方法来提高光栅的分辨精度，如果在莫尔条纹的宽度内，放置四个光电元件，每隔1/4光栅栅距产生一个脉冲，一个脉冲代表移动了1/4栅距那么大位移，分辨精度可提高四倍，这就是四倍频方案。,5、光栅产品简介,b.敞开式光栅尺,a.封闭式光栅尺,c.长度计,6、提高光栅检测分辨精度的细分电路,第四节 数控机床的

37、伺服驱动系统,一、伺服驱动系统概述,1、概念： 以数控机床移动部件（如工作台、主轴或刀具等）的位置和速度为控制对象的自动控制系统。 主运动伺服系统、进给运动伺服系统 作用： 接受CNC输出的指令，并将指令变换、放大转换为移动部件的机械运动，是数控装置和机床本体的联系环节。 2、组成： 1）驱动控制器： 将数控装置发出的进给脉冲进行功率放大，转化为执行元件所需要的信号形式。 2）执行元件： 指各种伺服驱动电机（步进伺服电动机、直流伺服电动机、交流伺服电动机），将驱动控制发出的信号转化为机械角位移来带动数控机床运动。,二、步进电动机伺服驱动系统,以步进电动机为控制对象，只有前进通路没有反馈回路。

38、CNC脉冲功率放大步进电动机 速度-取决于脉冲频率 位移-取决于脉冲数量,1、环形分配器,1）硬件脉冲分配（脉冲分配器）： 一个脉冲输入端控制步进的速度 一个输入端控制电动机的转向 并有与步进电动机相数同数目的输出端分别控制电动机的各相 2）软件脉冲分配,1）单电压功率放大电路,L：励磁绕组的电感 Ra：绕组的电阻 Rc：限流电阻 VD：续流二极管 RC：阻容吸收回路 结构简单，但Rc消耗能量大，低频工作时会使振荡有所增加，使低频特性变坏。,2、功率放大器,2）高低电压切换,U1：高电压，80150V U2：低电压，520V 用高压驱动，电流增长快，提高了电动机的工作频率和高频时的转矩。同时由

39、于额定电流是由低电压维持，故功耗较低。 但电动机运行不平稳性。,三、交、直流电动机伺服驱动系统,伺服电机： 是转速及方向都受控制电压信号控制的一类电动机。 常在自动控制系统用作执行元件。 伺服电机分类：直流伺服电机 交流伺服电机,数字比较伺服系统：,用脉冲比较的方法构成闭环和半闭环控制的系统称为数字比较伺服系统。 在半闭环控制中，多采用光电编码器作为检测元件； 在闭环控制中多采用光栅作为检测元件。通过检测元件进行位置检测和反馈，实现脉冲比较,用脉冲比较的方法构成闭环和半闭环控制的系统称为数字比较伺服系统。,半闭环数字比较系统结构框图,（1）当脉冲指令F=0，则反馈脉冲Pf为零，则e = F-

40、Pf = 0，伺服电机的速度给定为零，伺服电机不动，工作台处于静止状态； （2）当指令脉冲为正向指令脉冲时，即F0，e = F-Pf0，则调速系统驱动工作台正向进给。只有当F和Pf的脉冲个数相等时，偏差e = F-Pf = 0，工作台才重新稳定在指令所规定的平衡位置上。 （3）当指令脉冲F为负向脉冲指令时，F0指令脉冲的控制过程相似，此时e0，工作台向反方向进给。最后，工作台准确地停在指令所规定的反向的某个稳定位置上。 （4）比较环节输出的位置偏差信号e为一个数字量，经D/A转换后才能变为模拟给定电压，使模拟调速系统工作。,闭环数字比较伺服系统工作原理：,常用的位置检测元件是旋转变压器和感应同

41、步器，并工作于相位工作状态。 结构：,相位比较伺服系统,也称为数字相位变换器，其作用是将来自数控装置的进给脉冲信号转换为相位变化信号。 该相位变化信号可用正弦信号或方波信号表示。若没有进给脉冲输出，则脉冲调相器的输出与基准信号发生器发出的基准信号同相位，无相位差。 若输出一个正向或反向进给脉冲，则脉冲调相器就输出超前或滞后基准信号一个相应的相位角。,脉冲调相器,鉴相器有两个输入信号，这两个输入信号同频，其相位均以与基准信号的相位差表示。 鉴相器的作用是鉴别这两个输入信号的相位差，其输出为正比于这个相位差的电压信号。,鉴 相 器,相位比较伺服系统中，检测元件工作于相位工作状态。检测信号经整形放大后的PB作为位置反馈信号。进给脉冲（指令脉冲）F经脉冲调相后，变成频率为F0的脉冲信号PA。 PA、PB为鉴相器的输入，鉴相器的输出信号= PA- PB 就反映了指令位置与实际位置的偏差。经伺服放大器和