機床數(shù)控技術(shù)

機床數(shù)控技術(shù)第一頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期一第一節(jié)概述計算機數(shù)字控制（CNC）系統(tǒng)主要由硬件和軟件兩部分組成計算機數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)的核心。數(shù)控系統(tǒng)的位置控制是伺服系統(tǒng)的重要組成部分，閉環(huán)或半閉環(huán)控制的數(shù)控機床的加工精度主要由檢測裝置的精度決定。常用的檢測裝置有旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、編碼器、光柵、磁柵等。機床的主軸運動和伺服進給運動是機床的基本成形運動。第二頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期一NC程序輸入設(shè)備CNC裝置PLC主軸控制單元主軸電機機床進給電機位置檢測器速度控制單元I/O信號CNC系統(tǒng)：一、數(shù)控系統(tǒng)（CNC系統(tǒng)）數(shù)控程序I/O設(shè)備

數(shù)控裝置（CNC裝置）可編程控制器（PLC）主軸驅(qū)動裝置是一種軌跡控制系統(tǒng)是以多個執(zhí)行部件（各運動軸）的位移量為控制對象，并使其協(xié)調(diào)運動的自動控制系統(tǒng)。進給伺服系統(tǒng)第二節(jié)CNC系統(tǒng)第三頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期一二、CNC裝置的組成硬件：具有計算機的基本結(jié)構(gòu);具有數(shù)控機床所特有的功能模塊和接口單元。CPUEPROM或EPROMRAMI/O接口主軸控制通訊接口2MDI接口PLC接口CRT或LCD顯示接口位置控制紙帶閱讀機接口硬件和軟件構(gòu)成第四頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期一軟件：從本質(zhì)上看，是具有實時性和多任務(wù)性的專用操作系統(tǒng)從功能特征看，CNC管理軟件：主要進行系統(tǒng)資源的管理和系統(tǒng)各子任務(wù)的調(diào)度。編譯處理刀具補償計算速度處理插補運算位置控制機床輸入輸出主軸控制零件程序管理顯示處理人機交互輸入輸出管理故障診斷處理……CNC裝置系統(tǒng)軟件管理軟件控制軟件CNC控制軟件：主要完成各種控制功能第五頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期一軟件、硬件在一起構(gòu)成了CNC裝置的系統(tǒng)平臺CNC裝置的系統(tǒng)平臺硬件操作系統(tǒng)管理軟件應(yīng)用軟件控制軟件數(shù)控加工程序

接口被控設(shè)備

機床機器人測量機

......第六頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期一二、數(shù)控裝置的工作過程首先要將被加工零件圖的幾何信息和工藝信息數(shù)字化，即將刀具與工件的相對運動軌跡，用代碼按規(guī)定的規(guī)則和格式編成加工程序，數(shù)控系統(tǒng)則按照程序的要求，進行相應(yīng)的運算、處理，然后發(fā)出控制命令，使各坐標(biāo)軸、主軸以及輔助動作相互協(xié)調(diào)運動，實現(xiàn)刀具與工件的相對運動，自動完成零件的加工。逼近處理插補運算指令輸出第七頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期一三.CNC裝置的優(yōu)點具有靈活性和通用性2.數(shù)控功能豐富3.可靠性高4.使用維護方便5.易于實現(xiàn)機電一體化第八頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期一四.CNC裝置的功能數(shù)控裝置的功能包括基本功能和選擇功能基本功能——數(shù)控系統(tǒng)基本配置的功能，即必備的功能；選擇功能——用戶可根據(jù)實際使用要求選擇的功能。第九頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期一主要功能：

1.控制功能——CNC能控制和能聯(lián)動控制的進給軸數(shù)2.準(zhǔn)備功能（G功能）——指令機床動作方式的功能3.插補功能和固定循環(huán)功能4.進給功能——數(shù)控及機床進給速度的控制功能。5.主軸功能——主軸切削速度、周向位置控制功能。6.輔助功能（M功能）——用于指令機床輔助操作的功能。7.刀具管理功能——實現(xiàn)對刀具幾何尺寸和刀具壽命的管理。8.補償功能9.人機對話功能10.自診斷功能—CNC自動實現(xiàn)故障預(yù)報和故障定位的功能11.通訊功能——CNC與外界進行信息和數(shù)據(jù)交換的功能。第十頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期一CNC裝置從它的硬件組成結(jié)構(gòu)來看，若按其中含有CPU的多少來分，可分為單機系統(tǒng)和多機系統(tǒng)：單微處理器CNC2.多微處理器CNC整個CNC裝置只有一個CPU，它集中控制和管理整個系統(tǒng)資源，通過分時處理的方式來實現(xiàn)各種NC功能。其優(yōu)點在于投資小，結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)。但系統(tǒng)功能受到CPU字長、數(shù)據(jù)寬度、尋址能力和運算速度等因素的限制?，F(xiàn)在這種結(jié)構(gòu)已被多機系統(tǒng)的主從結(jié)構(gòu)所取代。CNC裝置中有兩個或兩個以上的CPU，即系統(tǒng)中的某些功能模塊自身也帶有CPU，根據(jù)部件間的相互關(guān)系又可將其分為：主從結(jié)構(gòu)、多主結(jié)構(gòu)構(gòu)、分布式結(jié)構(gòu)。CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)第十一頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期一單微處理器CNC結(jié)構(gòu)第十二頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期一模塊化設(shè)計方法：將控制系統(tǒng)按功能劃分成若干具有獨立功能的單元模塊,并配上相應(yīng)的驅(qū)動軟件。系統(tǒng)設(shè)計時按功能的要求選擇不同的功能模塊，并將其插入控制單元母板上，即可組成一個完整的控制系統(tǒng)的方法。其中單元母板一般為總線結(jié)構(gòu)的無源母板，它提供模塊間互聯(lián)的信號通路。實現(xiàn)CNC系統(tǒng)模塊化設(shè)計的條件是總線(BUS)標(biāo)準(zhǔn)化。第十三頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期一、計算機主板和系統(tǒng)總線(母板)、顯示模塊、(顯示卡)、輸入/輸出模塊(多功能卡)、電子盤(存儲模塊)、設(shè)備輔助控制接口模塊、位置控制模塊、功能接口模塊第十四頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期一、計算機主板和系統(tǒng)總線(母板)計算機主板系統(tǒng)總線(母板)計算機主板是CNC裝置的核心。它的主要作用：對輸入到CNC裝置中的種種數(shù)據(jù)、信息(零件加工程序，各種I/O信息等)進行相應(yīng)的算術(shù)和邏輯運算。并根據(jù)其處理結(jié)果，向各功能模塊發(fā)出控制命令，傳送數(shù)據(jù)，使用戶的指令得以執(zhí)行。系統(tǒng)總線(母板)：由一組傳送數(shù)字信息的物理導(dǎo)線組成，它是計算機系統(tǒng)內(nèi)部進行數(shù)據(jù)或信息交換的通道：分?jǐn)?shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線。第十五頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期一顯示卡的主要作用：接收來自CPU的控制命令和顯示用的數(shù)據(jù)，經(jīng)過CRT的掃描信號調(diào)制后產(chǎn)生CRT顯示器所需要的視頻信號，在CRT上產(chǎn)生所需要的畫面。它是人機交流的重要媒介。2、顯示模塊、(顯示卡)3、輸入/輸出模塊(多功能卡)它是CNC裝置與外界進行數(shù)據(jù)和信息交換的接口板，即CNC裝置通過該接口可以從輸入設(shè)備獲取數(shù)據(jù)，也可以將CNC裝置中的數(shù)據(jù)送給輸出設(shè)備。第十六頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期一4、電子盤(存儲模塊)電子盤是CNC裝置特有的存儲模。計算機的存儲器件有三類：①磁存儲器件，如：軟/硬磁盤；②光存儲器件，如：光盤；③半導(dǎo)體存儲器件，如RAM、ROM、FLASH等。在CNC裝置中，常采用電子存儲器件作為外存儲器。5、設(shè)備輔助控制接口模塊設(shè)備輔助控制接口模塊是CNC裝置實現(xiàn)順序控制的模塊。它的作用是接收來自操作面板、機床上的各行程開關(guān)、傳感器、按鈕、強電柜里的繼電器以及主軸控制、刀庫控制的有關(guān)信號，經(jīng)處理后輸出去控制相應(yīng)器件的運行。設(shè)備輔助控制接口必須完成兩個任務(wù)：即電平的轉(zhuǎn)換和功率放大、電氣隔離。第十七頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期一設(shè)備輔助控制接口的實現(xiàn)方式：簡單I/O接口板；PLC控制。分內(nèi)裝型PLC和獨立型PLC。第十八頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期一簡單I/O接口板第十九頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期一PLC控制第二十頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期一6、位置控制模塊位置控制模塊是進給伺服系統(tǒng)的重要組成部分，是實現(xiàn)軌跡控制時，CNC裝置與伺服驅(qū)動系統(tǒng)連接的接口模塊。常用的位置控制模塊有：開環(huán)位置控制模塊、閉環(huán)（含半閉環(huán)）位置控制模塊。開環(huán)位置控制模塊開環(huán)位置控制模塊第二十一頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期一閉環(huán)（含半閉環(huán)）位置控制模塊該模塊由三部組成：①速度指令轉(zhuǎn)換部分；②位置反饋脈沖回收部分；③速度反饋電壓轉(zhuǎn)換部分。第二十二頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期一多微處理器CNC系統(tǒng)硬件簡介多主CNC結(jié)構(gòu)中，有兩個或兩個以上的CPU部件，部件之間采用緊耦合，有集中的操作系統(tǒng)，通過總線仲裁器(由硬件和軟件組成)來解決總線爭用問題，通過公共存儲器來進行信息交換。結(jié)構(gòu)的特點：能實現(xiàn)真正意義上的并行處理，處理速度快，可以實現(xiàn)較復(fù)雜的系統(tǒng)功能。容錯能力強，在某模塊出了故障后，通過系統(tǒng)重組仍可繼續(xù)工作。結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式：共享總線結(jié)構(gòu)共享存儲器結(jié)構(gòu)第二十三頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期一1.共享總線結(jié)構(gòu)共享總線結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、系統(tǒng)組配靈、成本相對較低、可靠性高等優(yōu)點。第二十四頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期一2.共享存儲器結(jié)構(gòu)這種結(jié)構(gòu)是面向公共存儲器來設(shè)計的，即采用多端口來實現(xiàn)各主模塊之間的互連和通訊。一般采用雙端口存儲器（雙端口RAM）。第二十五頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期一CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)一.CNC裝置軟件和硬件的功能界面二.CNC裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程三.CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)特點四.CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)模式第二十六頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期一一.CNC裝置軟件和硬件的功能界面第二十七頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期一CNC軟件構(gòu)成第二十八頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期一二.CNC裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程1、譯碼（用ASCII碼表達加工程序，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)格式）2、刀補處理（零件輪廓變換成刀具中心軌跡）3、速度預(yù)處理（計算每個插補周期內(nèi)的合成移動量）4、插補計算（計算插補周期的實際合成位移量、分解△L1→（△X1、△Y1））5、位置控制處理（進行各進給軸跟隨誤差的計算，調(diào)節(jié)處理，輸出為位移控制指令）第二十九頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期一三、CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)特點

1、多任務(wù)性與并行處理技術(shù)CNC控制要求的多任務(wù)性控制基于并行處理的多任務(wù)調(diào)度技術(shù)資源分時共享（對單一資源的系統(tǒng)）并發(fā)處理和流水處理（對多資源的系統(tǒng)）2、實時性和優(yōu)先搶占調(diào)度機制實時性任務(wù)的分類優(yōu)先搶占調(diào)度機制第三十頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期一四.CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)模式所謂結(jié)構(gòu)模式是指系統(tǒng)軟件的組織管理方式，即系統(tǒng)任務(wù)的劃分方式、任務(wù)調(diào)度機制、任務(wù)間的信息交機換制、以及系統(tǒng)集成方法等。結(jié)構(gòu)模式要解決的問題是如何組織和協(xié)調(diào)各個任務(wù)的執(zhí)行，使之滿足一定的時序配合要求和邏輯關(guān)系，以滿足CNC系統(tǒng)的各種控制要求。1、前后臺型結(jié)構(gòu)模式2、中斷型結(jié)構(gòu)模式3、基于實時操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模式第三十一頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期一國外主要數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品（1）日本FANUC公司數(shù)控系統(tǒng)

（2）德國SIEMENS公司數(shù)控系統(tǒng)（3）西班牙FAGOR公司數(shù)控系統(tǒng)

①FANUCSeries0iMODELC，F(xiàn)ANUCSeries0iMateMODELC②FANUCSeries16i/18i/21i-MODELB，F(xiàn)ANUCSeries18i-MODELB5③FANUCSeries160i/180i/210i-MODELB，F(xiàn)ANUCSeries180i-MODELB5①SINUMERIK802Sbaseline②SINUMERIK802Cbaseline③SINUMERIK802Dbaseline④SINUMERIK802D⑤SINUMERIK810Dpowerline⑥SINUMERIK840Di⑦SINUMERIK840Dpowerline①FAGOR8035M/8035T②FAGOR8040MC/8040TC③FAGOR8055MC/8055TC④FAGOR8055-iT/8055-iTC/8055-iTCO第三十二頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期一第三節(jié)數(shù)控機床的檢測裝置位置檢測裝置是數(shù)控機床閉環(huán)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的重要組成部分，其作用是檢測位移（線位移或角位移）和速度，并反饋至數(shù)控裝置，構(gòu)成伺服系統(tǒng)的閉環(huán)或半閉環(huán)控制，使工作臺按指令的路徑精確地移動。閉環(huán)或半閉環(huán)控制的數(shù)控機床的加工精度主要由檢測系統(tǒng)的精度決定。位置檢測裝置的精度主要包括系統(tǒng)精度和分辨率。第三十三頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期一一、檢測裝置的要求及分類

（一）數(shù)控機床對檢測裝置的主要要求有：①受溫度、濕度的影響小，工作可靠，抗于擾能力強；②在機床移動的范圍內(nèi)滿足精度和速度要求；③使用維護方便，適合機床運行環(huán)境；④成本低；⑤易于實現(xiàn)高速的動態(tài)測量。大型機床以滿足速度要求為主。對中、小型機床和高精度機床以滿足精度為主。數(shù)控機床檢測裝置的分辨率一般為0.0001~0.01mm/m，測量精度為±0.001~0.01mm/m

第三十四頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期一類型數(shù)字式模擬式增量式絕對式增量式絕對式回轉(zhuǎn)型增量式脈沖編碼器，圓光柵絕對式脈沖編碼器旋轉(zhuǎn)變壓器，圓感應(yīng)同步器，圓磁尺多級旋轉(zhuǎn)變壓器，3速圓感應(yīng)同步器直線型計量光柵激光干涉儀多通道透射光柵直線感應(yīng)同器，磁尺3速直線感應(yīng)同步器，絕對式磁尺（二）位置檢測裝置分類第三十五頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期一脈沖編碼器

編碼器又稱碼盤和脈沖編碼器，是一種旋轉(zhuǎn)式測量元件，通常裝在被測軸上，隨被測軸一起轉(zhuǎn)動，可將被測軸的角位移轉(zhuǎn)換成增量脈沖形式或絕對式的代碼形式。根據(jù)輸出信號的形式的不同，可分為絕對值式編碼器和脈沖增量式編碼器。根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和檢測方式可分為接觸式、光電式和電磁式三種。

編碼器在數(shù)控機床中有兩種安裝方式：一是和伺服電機同軸聯(lián)接在一起，稱為內(nèi)裝式編碼器，伺服電機再和滾珠絲杠聯(lián)接，編碼器在進給傳動鏈的前端；二是編碼器聯(lián)接在滾珠絲杠末端，稱為外裝式編碼器。第三十六頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期一信號處理裝置abz碼盤基片透鏡光源光敏元件透光狹縫光欄板節(jié)距τm+τ/4

光電編碼器的結(jié)構(gòu)示意圖第三十七頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期一增量式光電編碼器原理圖第三十八頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期一當(dāng)圓光柵旋轉(zhuǎn)時，光線透過兩個光柵的線紋部分，形成明暗條紋。光電元件接受這些明暗相間的光信號，轉(zhuǎn)換為交替變化的電信號，該信號為兩組近似于正弦波的電流信號A和B，A和B信號的相位相差90°。經(jīng)放大整形后變成方波形成兩個光柵的信號。光電編碼器還有一個“一轉(zhuǎn)脈沖”，稱為Z相脈沖，每轉(zhuǎn)產(chǎn)生一個，用來產(chǎn)生機床的基準(zhǔn)點。(1)光電脈沖編碼器的工作原理:

脈沖編碼器輸出信號有A、

B、Z、

等信號，這些信號作為位移測量脈沖以及經(jīng)過頻率/電壓變換作為速度反饋信號，進行速度調(diào)節(jié)。

第三十九頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期一編碼盤黑部分是絕緣，按導(dǎo)電為“1”、絕緣為“０”組成二進制碼，組成編碼的各圈稱為碼道。對應(yīng)4個碼道并排安裝有4個電刷，電經(jīng)電阻接到電源正極。當(dāng)被測對象帶動編碼盤一起轉(zhuǎn)動時，根據(jù)與電刷串聯(lián)的電阻上有無電流流過，可用相應(yīng)的二進制代碼表示。接觸式：第四十頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期一（2）脈沖編碼器在數(shù)控機床中的應(yīng)用①位移測量由于增量式光電編碼器每轉(zhuǎn)過一個分辨角就發(fā)出一個脈沖信號，因此，根據(jù)脈沖的數(shù)量、傳動比及滾珠絲杠螺距即可得出移動部件的直線位移量。在數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺中，通過在回轉(zhuǎn)軸末端安裝編碼器，可直接測量回轉(zhuǎn)工作臺的角位移量。②主軸控制主運動（主軸控制）中采用編碼器，則成為具有位置控制功能的主軸控制系統(tǒng)。③測速光電編碼器輸出脈沖的頻率與其轉(zhuǎn)速成正比，因此，光電編碼器可代替測速發(fā)電機的模擬測速而成為數(shù)字測速裝置。④零脈沖用于回參考點控制當(dāng)數(shù)控機床采用增量式的位置檢測裝置時，數(shù)控機床在接通電源后要做回到參考點的操作。第四十一頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期一感應(yīng)同步器（一）感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)與工作原理

直線式和旋轉(zhuǎn)式兩種。直線式感應(yīng)同步器由定尺和滑尺組成；旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器由轉(zhuǎn)子和定子組成。前者用于直線位移測量,后者用于角位移測量。定尺sincos節(jié)距2τ（2mm）節(jié)距（0.5mm）絕緣粘膠銅箔鋁箔耐切削液涂層基板(鋼、銅)滑尺滑尺第四十二頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期一工作原理：利用電磁耦合原理，將位移或轉(zhuǎn)角變成電信號。即使滑尺與定尺相互平行，并保持一定的間距。向滑尺通以交流激磁電壓，則在滑尺中產(chǎn)生激磁電流，繞組周圍產(chǎn)生按正弦規(guī)律變化的磁場，由電磁感應(yīng)原理，在定尺上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，當(dāng)滑尺與定尺間產(chǎn)生相對位移時，由于電磁耦合的變化，使定尺上感應(yīng)電壓隨位移的變化而變化（相同頻率）。

第四十三頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期一當(dāng)定尺與滑尺重合時，如圖中的a點，此時的感應(yīng)電壓最大。當(dāng)滑尺相對于定尺平行移動后，其感應(yīng)電壓逐漸變小。在錯開1/4節(jié)距的b點，感應(yīng)電壓為零。依次類推，在1/2節(jié)距的c點，感應(yīng)電壓幅值與a點相同，極性相反；在3/4節(jié)距的d點又變?yōu)榱恪?/p>

感應(yīng)同步器的工作原理

滑尺每移動一個節(jié)距，感應(yīng)電壓變化一個周期。第四十四頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期一按工作方式不同，感應(yīng)同步器分為：

●鑒相型系統(tǒng)方式：前提供給滑尺的激磁信號為頻率、幅值相同，相位角相差90°的交流電壓。根據(jù)線性疊加原理，在定尺上的工作繞組中的感應(yīng)電壓為：ω——勵磁角頻率。θ

——滑尺繞組相對于定尺繞組的空間相位角

——電磁耦合系數(shù)。通過測量定尺感應(yīng)電壓的相位θ，可以測量定尺對滑尺的位移

（二）感應(yīng)同步器的應(yīng)用第四十五頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期一●鑒幅型系統(tǒng)方式：前提給滑尺繞組通入相位相同、頻率相同，但幅值不同的勵磁電壓。根據(jù)線性疊加原理，在定尺上工作繞組中的感應(yīng)電壓為：幅值由以上可知，若電氣角已知，只要測出的幅值便可以間接地求出第四十六頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期一鑒相型測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

定尺上的感應(yīng)電壓的幅值隨指令給定的位移量與工作臺的實際位移的差值按正弦規(guī)律變化。鑒幅型系統(tǒng)用于數(shù)控機床閉環(huán)系統(tǒng)中時，當(dāng)工作臺未達到指令要求值時，即，定尺上的感應(yīng)電壓。該電壓經(jīng)過檢波放大后控制伺服執(zhí)行機構(gòu)帶動機床工作臺移動。當(dāng)工作臺移動到時，定尺上的感應(yīng)電壓，工作臺停止運動。第四十七頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期一（三）感應(yīng)同步器的特點：（1）精度高。感應(yīng)同步器直接對機床工作臺的位移進行測量，其測量精度只受本身精度限制。另外，定尺的節(jié)距誤差有平均補償作用，定尺本身的精度能做得很高，其精度可以達到±0.001mm，重復(fù)精度可達0.002mm。（2）工作可靠，抗干擾能力強。在感應(yīng)同步器繞組的每個周期內(nèi)測量信號與絕對位置有一一對應(yīng)的單值關(guān)系，不受干擾的影響。（3）維護簡單，壽命長。定尺和滑尺之間無接觸磨損，在機床上安裝簡單。（4）測量距離長。可以根據(jù)測量長度需要，將多塊定尺拼接成所需要的長度，就可測量長距離位移，適合于大、中型數(shù)控機床。（5）成本低，易于生產(chǎn)。（6）與旋轉(zhuǎn)變壓器相比，感應(yīng)同步器的輸出信號比較微弱，需要一個放大倍數(shù)很高的前置放大器。第四十八頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期一光柵傳感器光柵用于數(shù)控機床作為檢測裝置，已有幾十年的歷史，用以測量長度、角度、速度、加速度、振動和爬行等。它是數(shù)控機床閉環(huán)系統(tǒng)用得較多的一種檢測裝置。

在高精度的數(shù)控機床上，可以使用光柵作為位置檢測裝置，將機械位移轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖，反饋給CNC裝置，實現(xiàn)閉環(huán)控制。由于激光技術(shù)的發(fā)展，光柵制作精度得到很大的提高，現(xiàn)在光柵精度可達微米級，再通過細分電路可以做到0.1μm甚至更高的分辨率。

（一）光柵的種類根據(jù)形狀可分為圓光柵和長光柵。長光柵主要用于測量直線位移；圓光柵主要用于測量角位移。

根據(jù)光線在光柵中是反射還是透射分為透射光柵和反射光柵。透射光柵的基體為光學(xué)玻璃，反射光柵的基體為不銹鋼帶。第四十九頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期一（二）光柵檢測裝置的結(jié)構(gòu)

由光源、透鏡、標(biāo)尺光柵，指示光柵、光電轉(zhuǎn)換元件（讀數(shù)頭）和測量電路組成。光柵由標(biāo)尺光柵和指示光柵兩部分組成。標(biāo)尺光柵一般安裝在機床活動部件上（如工作臺上或絲杠上），光柵讀數(shù)頭安裝在機床固定部件上（如機床底座上）。指示光柵裝在光柵讀數(shù)頭中。當(dāng)光柵讀數(shù)頭相對于標(biāo)尺光柵移動時，指示光柵便在標(biāo)尺光柵上相對移動。標(biāo)尺光柵和指示光柵構(gòu)成了光柵尺。標(biāo)尺柵和指示光柵上均勻刻有很多條紋，從局部放大部分看，黑的部分為不透光寬度（縫隙寬度）a，白的部分為透光寬度(刻線寬度)b，設(shè)柵距為d，則d＝a+b。通常情況下，a＝b。第五十頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期一1—光源；2—透鏡；3—標(biāo)尺光柵；4—指示光柵；5—光電元件；6—驅(qū)動線路光柵讀數(shù)頭又叫光電轉(zhuǎn)換器，它把光柵莫爾條紋變成電信號。如圖所示為垂直入射讀數(shù)頭。讀數(shù)頭由光源、聚光鏡、指示光柵、光敏元件和驅(qū)動電路等組成。第五十一頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期一(a)透射光柵(b)反射光柵(三)光柵測量裝置

圖中Q表示光源，L表示透鏡，表示標(biāo)尺光柵，表示指示光柵，P表示光電元件。第五十二頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期一(四)莫爾條紋若標(biāo)尺光柵和指示光柵的柵距相等，指示光柵在其自身平面內(nèi)相對于標(biāo)尺光柵傾斜一個很小的角度，兩塊光柵的刻線就會相交。當(dāng)燈光通過聚光鏡呈平行光線垂直照射在標(biāo)尺光柵上，在兩塊光柵線相交的鈍角平分線上，出現(xiàn)明暗交替、間隔相等的粗短條紋，稱之為莫爾條紋。

兩條亮紋或兩條暗紋之間的距離稱為莫爾條紋的寬度，以w表示。由于角很小，所以莫爾條紋近似垂直于光柵的線紋，故有時稱莫爾條紋為橫向莫爾條紋。

第五十三頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期一

當(dāng)光柵移動一個柵距d時，莫爾條紋也相應(yīng)移動一個莫爾條紋寬度w；若光柵移動方向相反，則莫爾條紋移動方向也相反。莫爾條紋移動方向與兩光柵夾角的平分線平行。這樣，測量光柵水平方向移動的微小距離就可用檢測莫爾條紋移動的變化代替。a、莫爾條紋具有放大作用。2、莫爾條紋的特點：1、莫爾條紋測量原理傾斜角的小時，莫爾條紋寬度w與柵距d之間有如下關(guān)系若取d為0.01mm，為0.01rad，則w＝lmm，k＝100。

用光的干涉現(xiàn)象，就能把光柵的柵距d轉(zhuǎn)換成放大100倍的莫爾條紋寬度w。第五十四頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期一b、具有誤差均化作用。c、利用莫爾條紋測量位移。莫爾條紋是由大量光柵線紋干涉共同形成的，使得柵距之間的相鄰誤差被平均化了,消除了由光柵線紋的制造誤差導(dǎo)致的柵距不均勻而造成的測量誤差。莫爾條紋的移動與柵距之間的移動成比例。當(dāng)干涉條紋移動一個柵距時，莫爾條紋也移動一個莫爾條紋寬度W，若光柵移動方向相反，則莫爾條紋移動的方向也相反。莫爾條紋的移動方向與光柵移動方向相垂直。這樣測量光柵水平方向移動的微小距離就用檢測垂直方向的寬大的莫爾條紋的變化代替。

第五十五頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期一光柵測量系統(tǒng)標(biāo)尺光柵移動過程中，莫爾條紋由亮帶到暗帶，再由暗帶到亮帶，相互交替出現(xiàn)，透過的光強度分布近似于余弦曲線，光電元件接收到的光通量也大小交替出現(xiàn)，產(chǎn)生了近似正弦曲線的電壓信號。這樣的信號，只能用于計數(shù)，而不能辨別方向。實際應(yīng)用中，即要求有較高的檢測精度，又能辨別方向。為了達到這種要求，通常使用倍頻電路實現(xiàn)。第五十六頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期一

(a)電路圖(b)波形圖光柵測量系統(tǒng)四倍頻電路第五十七頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期一鑒向倍頻電路不僅可以起到辨別方向的作用，它還可以起到細分的作用，以提高光柵的分辨率。從上面的分析可知，從莫爾條紋原來一個周期內(nèi)輸出一個脈沖信號變?yōu)橐粋€周期內(nèi)輸出4個脈沖。這樣，分辨率提高了4倍。光柵測量系統(tǒng)的分辨率取決于光柵柵距d和鑒向倍頻的倍數(shù)n，即分辨率為2d/n。第五十八頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期一第四節(jié)數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)伺服驅(qū)動系統(tǒng)接收來自CNC裝置（插補裝置或插補軟件）的進給指令脈沖，經(jīng)過一定的信號變換及電壓、功率放大，再驅(qū)動各加工坐標(biāo)軸按指令脈沖運動，使刀具相對于工件產(chǎn)生各種復(fù)雜的機械運動，加工出所要求的復(fù)雜形狀工件。數(shù)控機床伺服驅(qū)動系統(tǒng)是以機床移動部件的位置和速度為控制量的自動控制系統(tǒng)，又稱隨動系統(tǒng)主軸運動和伺服進給運動是機床的基本成形運動第五十九頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期一(一)伺服系統(tǒng)的基本要求

（l）高精度（2）穩(wěn)定性好（3）響應(yīng)速度快，無超調(diào)（4）電機調(diào)速范圍寬（5）低速大轉(zhuǎn)矩（6）可靠性高第六十頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期一(二)步進電機及其驅(qū)動控制系統(tǒng)

步進電機是一種用電脈沖信號進行控制、并將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移的執(zhí)行器，也稱脈沖電機。步距角：每給步進電機輸入一個電脈沖信號，其轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過一個角度位移量與電脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與電脈沖信號輸入的頻率成正比，通過改變頻率就可以調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速（1）步進電機的分類第六十一頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期一（2）步進電機的結(jié)構(gòu)及工作原理

單定子徑向分相反應(yīng)式伺服步進電機的齒距步進電機結(jié)構(gòu)原理圖第六十二頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期一步進電機的工作原理實際上是電磁鐵的作用原理。

五定子軸向分相反應(yīng)式伺服步進電機結(jié)構(gòu)原理圖步進電機工作原理圖

A→B→C→A…的順序控制步進電機繞組的通斷電

第六十三頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期一（3）步進電機的主要特性

步進電機步距角與定子繞組的相數(shù)ｍ、轉(zhuǎn)子的齒數(shù)z、通電方式k有關(guān)，可用下式表示：

α=360/(mzk)式中單拍通電，k=1；雙拍通電時，k=2①步距角②矩角特性、最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩和啟動轉(zhuǎn)矩三相步進電機各相矩角特性第六十四頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期一③啟動頻率和啟動時慣性特性④運行矩頻特性⑤加減速特性（4）步進電機的環(huán)形分配器步進電機的驅(qū)動控制由環(huán)形分配器和功率放大器組成主要功能是將數(shù)控系統(tǒng)送來的一串指令脈沖，按步進電機所要求的通電順序分配給步進電機的驅(qū)動電源的各相繞組輸入端，以控制勵磁繞組的通斷，實現(xiàn)步進電機的運行及換向。當(dāng)步進電機在一個方向上連續(xù)運行時，其各相通、斷的脈沖分配是一個循環(huán)，因此稱為環(huán)形分配器。第六十五頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期一①硬件環(huán)形分配器步進電機的環(huán)形分配器與驅(qū)動器②軟件環(huán)形分配器軟件環(huán)形分配指由數(shù)控系統(tǒng)中的計算機軟件完成環(huán)形分配的任務(wù)，直接驅(qū)動步進電機各繞組的通、斷電。用軟件環(huán)形分配器只需編制不同的環(huán)形分配程序，將其存入數(shù)控系統(tǒng)的EPPROM中即可。第六十六頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期一（5）功率放大電路

①高低壓驅(qū)動電路②恒流斬波驅(qū)動電路第六十七頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期一③調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動電路④細分驅(qū)動電路第六十八頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期一（三）直流伺服電機及其調(diào)速（1）直流伺服電機特性與類型①改進型直流伺服電機②小慣量直流伺服電機③永磁式直流伺服電機（2）直流伺服電機的調(diào)速原理與方法調(diào)速可有三種方法：①改變

②改變磁通量改變電樞電路的電阻

（常用）第六十九頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期一（3）直流伺服電機的調(diào)速晶閘管（SemiconductorControlRectifier,簡稱SCR）調(diào)速系統(tǒng)晶體管脈寬調(diào)制（PulseWidthModulation,簡稱PWM）系統(tǒng)兩類所謂脈寬調(diào)制，就是使功率晶體管工作于開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)頻率保持恒定，用改變開關(guān)導(dǎo)通時間的方法來調(diào)整晶體管的輸出，使電機兩端得到寬度隨時間變化的電壓脈沖。當(dāng)開關(guān)在每一周期內(nèi)的導(dǎo)通時間隨時間發(fā)生連續(xù)地變化時，電機電樞得到的電壓的平均值也隨時間連續(xù)地發(fā)生變化，而由于內(nèi)部的續(xù)流電路和電樞電感的濾波作用，電樞上的電流則連續(xù)地改變，從而達到調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速的目的。第七十頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期一PWM調(diào)速系統(tǒng)：由速度和電流調(diào)節(jié)器、三角波發(fā)生器、脈寬調(diào)制器、基極驅(qū)動電路和開關(guān)功率放大器等組成。PWM調(diào)速系統(tǒng)組成框圖第七十一頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期一（四）交流伺服電機及其調(diào)速（1）交流伺服電機的類型與特點交流伺服電機可分為永磁式交流同步伺服電機和感應(yīng)式交流異步伺服電機

①永磁式交流同步伺服電機②

異步式交流伺服電機

S—轉(zhuǎn)差率

f1交流供電電源頻率p定子和轉(zhuǎn)子的極對數(shù)第七十二頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期一（2）交流伺服電機的逆變器交流伺服電機調(diào)速應(yīng)用最多的是變頻調(diào)速（3）SPWM波調(diào)制（4）永磁式同