數(shù)控機床的位置檢測裝置與機械結構

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數(shù)控機床各組成部分的結構及其控制原理2.1數(shù)控系統(tǒng)的控制原理2.2計算機數(shù)控裝置2.3數(shù)控機床的位置檢測裝置2.4數(shù)控機床的進給伺服系統(tǒng)2.5數(shù)控機床的主軸驅動及其機械結構2.6可編程序控制器在數(shù)控機床上的應用課程內容12.1數(shù)控系統(tǒng)的控制原理

一、總體結構及各部分功能

三部分：微機及其相應的I/O設備外部設備機床控制及其I/O通道框圖：2二、CNC裝置的插補原理

插補的任務：根據(jù)進給速度，在輪廓的起點和終點之間計算出若干個中間點的坐標。插補算法分兩大類：脈沖增量插補：逐點比較法、數(shù)字積分法。特點：每次插補后產生一個行程增量，脈沖當量驅動步進電機（開環(huán)）數(shù)據(jù)采樣插補：時間分割法。特點：進行粗插補和精插補（閉環(huán)）3逐點比較法基本思路：被控對象在按要求的軌跡進行運動時，每走一步都要和規(guī)定的軌跡比較一下，由比較的結果決定下一步移動的方向。每走一步完成四個節(jié)拍：

偏差判別進給偏差計算終點判別4直線插補1.偏差函數(shù)的選擇動點坐標N（x，y），起點坐標O（0，0），終點坐標E（Xe，Ye）直線方程：Y/X=Xe/Yey.Xe-x.Ye=0，令

F稱為偏差函數(shù)0N（x，y）E（Xe，Ye）XY52.偏差計算和進給

F≥0，則進給＋x若F<0，則進給＋y6用遞推法簡化計算方法

73.終點判別坐標計數(shù)法長邊坐標計數(shù)法8偏差判別進給偏差計算判終J=8－1＝7J=6J=5J=4J=3J=2J=1J=04.舉例若加工第一象限直線OE，起點為O（0，0），終點為E（5，3）。按逐點比較法進行插補計算，并作出插補軌跡圖。E(5,3)OYXY9逐點比較法的合成進給速度

合成進給速度比值的最大值為1，最小值為

（1～0.707）加工速度若恒定，則表面質量以1～0.707的速度變化，對一般機床可以滿足。10數(shù)據(jù)采采樣插插補（（時間間分割割法））直流或或交流流伺服服電機機為驅驅動元元件，，閉環(huán)環(huán)系統(tǒng)統(tǒng)分為：：粗插插補、、精插插補粗插補補：將將曲線線分成成若干干個微微線段段。在在每個個插補補周期期（T）內內計算算一次次，算算出坐坐標位位置增增量值值精插補補：進進一步步密化化，對對直線線的脈脈沖增增量插插補。。在每每個采采樣周周期內內，由由硬、、軟件件對反反饋的的位置置增量量值和和插補補輸出出的指指令位位置增增量值值進行行采用用。插補一一般指指粗插插補111．插插補周周期的的選擇擇T的選選擇非非常重重要基基本本思想想：采采用時時間分分割的的思想想，根根據(jù)編編程給給定的的進給給速度度F將將輪廓廓曲線線分割割為相相等的的插補補周期期T的的進給給段，，即輪輪廓步步長ΔΔL，，ΔL＝F.T2．插插補運運算時時間T必須須大于于插補補運算算時間間和CPU執(zhí)行行其他他實時時任務務所需需的時時間之之和123．位位置反反饋采采樣周周期插補運運算結結果是是供位位置采采樣周周期使使用的的各坐坐標軸軸的位位置增增量值值，因因此，，采樣樣周期期TF通常常＝T，或或者T是TF的的整數(shù)數(shù)倍。。T=8ms，，TF＝＝4ms4．插插補精精度和和速度度直線：：插補補分割割的每每個小小線段段與給給定直直線重重合，，沒有有輪廓廓軌跡跡誤差差圓?。海河脙葍冉酉蚁揖€逼逼近法法，誤誤差為為er為使er盡盡可能能小，，F(xiàn)盡盡可能能大，，則T應盡盡可能能小。。13三、CNC裝置置的刀刀具半半徑補補償1.刀刀具具半徑徑補償償發(fā)生生在插插補準準備階階段加工程程序CNC譯碼碼（刀具具補償償）插補模模塊142.刀刀具具半徑徑補償償?shù)膱?zhí)執(zhí)行過過程建立刀刀具半半徑補補償：：從起起刀刀點點接接近近工工件件，，由由G41或或G42確確定定。。在在原原來來程程序序軌軌跡跡上上伸伸長長或或縮縮短短一一個個刀刀具具半半徑徑。。刀具具半半徑徑補補償償進進行行：：維持持所所建建立立的的刀刀補補狀狀態(tài)態(tài)，，直直至至撤撤消消。。刀刀具具中中心心軌軌跡跡始始終終偏偏離離編編程程軌軌跡跡一一個個刀刀具具半半徑徑值值的的距距離離。。撤消消刀刀具具半半徑徑補補償償：：刀具具撤撤離離工工件件，，返返回回起起刀刀點點。。用用G40。。153.刀刀具具半半徑徑補補償償計計算算直線線刀刀具具補補償償計計算算（（考考慮慮推推導導過過程程））X’’＝＝X+△△XY’’＝＝Y+△△Y△X＝＝r.sinαα△Y＝＝－－r.cosααX’’＝＝X+r.Y/（（X2+Y2））0.5Y’’＝＝Y－－r.Y/（（X2+Y2））0.5問題題：：當當尖尖角角過過渡渡為為內內輪輪廓廓時時，，會會出出現(xiàn)現(xiàn)工工件件的的過過切切現(xiàn)現(xiàn)象象。。引引入入C功功能能刀刀具具半半徑徑補補償償。。164.C功功能能刀刀具具半半徑徑補補償償C刀刀補補是是為為解解決決上上述述尖尖角角過過渡渡問問題題而而設設計計的的，，專專門門處處理理兩兩個個程程序序段段間間轉轉接接的的各各種種情情況況。。在C刀刀補補中中，，為為了了避避免免下下一一段段加加工工軌軌跡跡對對本本段段加加工工軌軌跡跡的的影影響響，，在在計計算算本本程程序序段段的的刀刀具具中中心心軌軌跡跡時時，，提提前前將將下下一一段段程程序序讀讀入入，，根根據(jù)據(jù)它它們們之之間間轉轉換換的的具具體體情情況況，，做做出出適適當當?shù)氐靥幪幚砝?。?7轉接接過過渡渡方方式式三三種種內內型型：：伸長長型型縮短短型型插入入型型（（加加一一段段直直線線或或圓圓弧?。?82.2數(shù)控控裝裝置置CNC裝裝置置的的硬硬件件結結構構輸入入――――決決策策――――輸輸出出（（計計算算機機））輸入入――――插插補補――――伺伺服服（（數(shù)數(shù)控控））19功能能模模塊塊式式全全功功能能型型車車床床數(shù)數(shù)控控系系統(tǒng)統(tǒng)框框圖圖20軟件件功功能能管理理功功能能和和控控制制功功能能管管理理軟軟件件：：加加工工程程序序的的輸輸入入、、I/O處處理理、、顯顯示示軟軟件件、、診診斷斷軟軟件件控控制制軟軟件件：：譯譯碼碼、、刀刀具具補補償償、、速速度度控控制制、、插插補補運運算算、、位位置置控控制制21CNC裝裝置置的的工工作作原原理理G01XAYAXBYBXCYC△X1△Y1△X2△Y2譯碼碼刀具具補償償插補補位置置控制制一個個脈脈沖沖當量量222.3數(shù)數(shù)控控機機床床的的位位置置檢檢測測裝裝置置1．．對對檢檢測測元元件件的的要要求求（1））工工作作可可靠靠，，抗抗干干擾擾能能力力強強（2））滿滿足足精精度度，，速速度度要要求求分辨辨率率精精度度速速度度在線線測測量量，，對對大大型型機機床床主主要要指指標標，，測測量量速速度度要要快快。。（3））使使用用維維護護方方便便（4））成成本本低低232．．位位置置檢檢測測裝裝置置的的分分類類243．．常常用用檢檢測測元元件件1））位位置置檢檢測測元元件件①旋旋轉轉變變壓壓器器與與感感應應同同步步器器實質質是是一一樣樣的的，，利利用用電電磁磁感感應應，，把把位位置置檢檢測測模模擬擬量量轉轉換換為為輸輸出出的的模模擬擬量量，，前前者者用用在在半半閉閉環(huán)環(huán)系系統(tǒng)統(tǒng)，，后后者者被被廣廣泛泛采采用用的的是是直直線線型型，，用用在在閉閉環(huán)環(huán)系系統(tǒng)統(tǒng)。。②光光柵柵利用用莫莫爾爾條條紋紋（（光光的的干干涉涉現(xiàn)現(xiàn)象象產產生生，，來來測測位位移移，，輸輸入入是是模模擬擬量量，，輸輸出出是是數(shù)數(shù)字字脈脈沖沖））③編編碼碼盤盤用于于半半閉閉環(huán)環(huán)，，利利用用盤盤上上明明暗暗條條紋紋組組成成的的編編碼碼，，輸輸入入模模擬擬量量，，輸輸出出數(shù)數(shù)字字編編碼碼④磁磁尺尺2））速速度度檢檢測測元元件件——測測速速發(fā)發(fā)電電機機25數(shù)控控鉆鉆床床1.脈脈沖沖編編碼碼器器外縫縫隙隙B接接至至D觸觸發(fā)發(fā)器器的的D端端，，內內縫縫隙隙A接接到到觸觸發(fā)發(fā)器器的的CP端端。。當當B超超前前于于A時時，，觸觸發(fā)發(fā)器器Q輸輸出出為為1，，表表示示正正轉轉，，而而A超超前前于于B，，觸觸發(fā)發(fā)器器輸輸出出Q為為0，，表表示示反反轉轉。。A、、B兩兩路路信信號號相相與與后后，，經經適適當當?shù)牡难友訒r時送送入入計計數(shù)數(shù)器器。。觸觸發(fā)發(fā)器器的的輸輸出出Q，，可可用用來來控控制制可可逆逆計計數(shù)數(shù)器器，，即即正正轉轉時時做做加加法法計計數(shù)數(shù)，，反反轉轉時時做做減減法法計計數(shù)數(shù)。。262.光光柵柵位位置置檢檢測測裝裝置置光柵柵尺尺光柵柵2728光柵柵傳傳感感器器由由光光源源、、透透鏡鏡、、光光柵柵副副（（主主光光柵柵和和指指示示光光柵柵））和和光光電電接接收收元元件件組組成成。。293.旋旋轉轉變變壓壓器器正余余弦弦旋旋轉轉變變壓壓器器結結構構原原理理圖圖轉子繞組Z1Z2、Z3Z4中所產產生的電壓分分別為30感應同步器的的工作原理與與兩極式旋轉轉變壓器的工工作原理一樣樣，只要測量量出的值，便可求求出角角，進而而求得滑尺相相對于定尺移移動的距離x。4.感應同同步器定尺繞組上的的感應電勢為為式中K——耦耦合系數(shù)；反映的是定尺尺和滑尺的相相對移動的距距離x，有公公式表示312．4數(shù)控控機床的進給給伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)的特特點1.伺服系系統(tǒng)的運動來來源于偏差信信號偏差：指令信信號與反饋信信號的比較2.伺服系系統(tǒng)必須有負負反饋回路3.伺服系系統(tǒng)始終處于于過渡過程狀狀態(tài)4.伺服系系統(tǒng)必須具有有力（力矩））放大作用32伺服系統(tǒng)的基基本要求位移精度要高高定位精度高穩(wěn)定性好動態(tài)響應快調速范圍寬低速大轉矩33數(shù)控機床伺服服驅動系統(tǒng)分分類1.按調節(jié)理理論分開環(huán)閉環(huán)半閉環(huán)2.按使用電電機分直流伺服系統(tǒng)統(tǒng)交流伺服系統(tǒng)統(tǒng)3.按驅動分分：進給伺服系統(tǒng)統(tǒng)主軸伺服系統(tǒng)統(tǒng)4.按反饋比比較控制方式式分脈沖、數(shù)字比比較伺服系統(tǒng)統(tǒng)，廣泛應應用相位比較伺服服系統(tǒng)，普普遍應用幅值比較伺服服系統(tǒng)全數(shù)字伺服系系統(tǒng)34伺服系統(tǒng)常用用的驅動元件件步進電動機、、直流伺服電電動機、交流流伺服電動機機1.調速范范圍寬而有良良好的穩(wěn)定性性，低速時要求速度平平穩(wěn)；2.負載特特性硬，即使使在低速時，，有足夠的負載能力，反反應速度快；；3.可頻繁繁地起、停、、換向等。352．4．2開開環(huán)進給伺伺服系統(tǒng)一、工作原理理：組成部分：驅驅動控制環(huán)節(jié)節(jié)、執(zhí)行元件件驅動控制環(huán)節(jié)節(jié)的任務：是是將指令脈沖沖轉化為執(zhí)行行元件所需的的信號步進電機的任任務：是將（（處理過的指指令脈沖）進進給脈沖變換換為轉角，通通過齒輪和絲絲杠帶動工作作臺移動36二．特點：在工作頻率范范圍內，每輸輸入一個脈沖沖，步進電機機轉過一定角角度為步距角角控制輸入脈沖沖的數(shù)量可以以控制步進電電機的轉角大大小，經絲桿桿螺母轉換為為工作臺位移移量控制輸入脈沖沖的頻率可以以控制定轉數(shù)數(shù)的快慢，經經絲桿螺母轉轉換為工作臺臺移動速度改變步進電機機各繞組的通通電順序，可可以控制它的的正轉與反轉轉，從而改變變工作臺的移移動方向當步進電機啟啟動頻率或下下降頻率大于于步進電機突突變頻率是回回發(fā)生是失步步現(xiàn)象。要分分別進行自動動減速或加速速。37三、步進電機機3相步進電機機57BYG350系列列4相步進電機機42BYGH系列YKA2304ME步進進電機驅動器器38反映式步進電電機的性能指指標步距角靜態(tài)步距角誤誤差最大靜態(tài)距啟動頻率(突突跳頻率)和和啟動距頻特特性連續(xù)運行的最最高工作頻率率和運行距頻頻特性加減速特性39四、步進電機機的驅動方式式步進電機的控控制方式三相三拍：（（一般般不采用）三相六拍：（（正正向）拍數(shù)＝相數(shù)X2環(huán)行分配器（（脈沖分配器器）作用：把來自自數(shù)控裝置的的指令脈沖（（進給指令）），按一定方方式轉換成若若干路電平信信號，控制步步進電機的幾幾個定子繞組組（相數(shù)）的的通斷電。功率放大器402．4．3閉閉環(huán)伺服系系統(tǒng)一、概述執(zhí)行元件：直直流伺服電機機，交流伺服服電機組成部分：驅驅動放大，執(zhí)執(zhí)行元件，控控制對象反饋饋檢測單元，，比較單元反饋檢測單元元：以固定的的時間周期，，將工作臺的的實際位置檢檢測出來并將將機械位移量量轉變成一個個電信號。反反饋給比較環(huán)環(huán)節(jié)。比較單元：將將反饋檢測單單元所輸出的的數(shù)字量與插插補程序所輸輸出的進給指指令值比較，，得到跟隨誤誤差的數(shù)字量量41二、直流伺服服電機工作原理:電刷和換向向器的作用，，轉子的總磁磁勢方向始終終與定子磁勢勢正交，兩磁磁場的相互作作用，產生了了電動機的電電磁轉距，從從而使電動機機轉動。機械特性公式式422．電機定子子3．電機電樞樞差異：電樞鐵芯：光光滑無槽的圓圓柱體，低速速運行穩(wěn)定電樞繞組：環(huán)環(huán)氧樹脂固化化成型后粘結結在電樞鐵芯芯表面電樞長度：長長度與外徑之之比在5倍以以上，減少了了轉動慣量氣隙尺寸：比比一般直流電電機大10倍倍以上，換向向性良好43（1）小慣量量電動機通過減小電機機轉動慣量，，提高動態(tài)特特性（2）寬調速速直流伺服電電機（大慣量量電機）提高轉距的方方法來改善動動態(tài)特性分兩種特點：：采用增加極極對數(shù)和電樞樞導體數(shù)來提提高電磁轉距距采用增加槽對對數(shù)和換向片片數(shù)，來減小小電機轉距的的波動永磁式的定子子，采用轎頑頑力較高的永永磁材料，提提高瞬時加速速轉距，采用用高絕緣材料料，提高過載載能力。44通過調整開關關頻率（閉合合時間），調整平均均電壓4．直流電機機的調速主要是調整電電樞電壓常規(guī)采用方法法45三、交流伺服服電機1．種類及特特點分類進給系統(tǒng)中多多采用永磁式式同步電機主軸驅動系統(tǒng)統(tǒng)中用異步型型交流伺服電電動機462.永磁式式交流同步伺伺服電動機工工作原理定子產生旋轉轉磁場轉子將以同步步轉數(shù)與與定子子旋轉磁場一一起旋轉3．交流電機機的調速變頻器47四、位置控制制按反饋信息的的檢測和比較較方法，可分分為三種:脈沖比較伺服服系統(tǒng)：以光電編碼盤盤，光柵作為為位置檢測元元件件，以數(shù)字脈脈沖形成直接接比較相位比較伺服服系統(tǒng):以感應式元件件作為位置檢檢測元件。幅值比較伺服服系統(tǒng)：以旋轉變壓器器和感應同步步器作為位置置檢測元件48隨著數(shù)控技術術的不斷發(fā)展展，傳統(tǒng)的主主軸驅動已不不滿足要求，，現(xiàn)代數(shù)控機機床對主傳動動提出了更高高的要求2．5數(shù)控控機床的主軸軸驅動及其機機械結構492．5．1主主軸驅動及及其控制①數(shù)控機床主主傳動要有較較寬的調速范范圍②無級調速③全速度范圍圍內提供主軸軸電動機的最最大功率，即即恒功率范圍圍要寬④自動加減速速控制⑤自動換刀，，準停控制⑥具有旋轉進進給軸（C軸軸）的控制功功能50變速方法現(xiàn)代機床常采采用主軸電動動機→變速齒齒輪傳遞→主主