数控机床原理与其应用课件

第三章 CNC系统结构及方法CNC系统组成及特点计算机数控系统硬件结构CNC系统软件结构及控制CNC系统常见外设及接口CNC系统实例数控机床原理与系统3-1 CNC系统的结构及组成一、CNC系统的定义及结构定义 CNC是用一个存储程序的计算机，按照存储在计算机内的控制程序去执行数控装置的一部分或全部功能，在计算机之外的唯一装置是接口。CNC与NC的区别方框图CNC控制器指令输入计算机硬件电路伺服系统数控机床数控机床原理与系统西工大机电学院3-1 CNC系统的结构及组成一、CNC系统的定义及结构系统方框图CPU存储器手动数据输入显示单元接口纸带输入机接口纸带穿孔机接口数据输入接口数据输出接口零件程序存储器位置控制单元放大器D/A转换速度控制单元模拟主轴输出CRT接口盒式磁带机接口旋转式感应同步器数控机床原理与系统西工大机电学院D/A转换旋转变压器直流电机3-1 CNC系统的结构及组成二、CNC系统软件输入数据处理程序插补运算及位置控制程序速度控制程序系统管理程序诊断程序数控机床原理与系统西工大机电学院3-1 CNC系统的结构及组成二、CNC系统软件1.输入数据处理程序 接收零件加工程序，并进行翻译、整理，按照一定的格式存放，有些数控系统还进行刀补、插补、速度控制的预计算。实时性要求不高，输入数据处理充分些，可减轻实时控制（插补、位置控制）的负担。输入：多种接口，均产生中断请求 译码：语法检查、加工程序存放等 数据处理：刀补、速度计算、辅助功能的处理等数控机床原理与系统西工大机电学院3-1 CNC系统的结构及组成二、CNC系统软件2.插补运算及位置控制程序 插补 根据不同的插补方法计算出下一步的进给量，并输出给位置控制系统，位置控制还需要进行误差补偿、增益调整等。实时性要求高。可采用粗插补和精插补结合 位置控制 位置控制的主要任务是在每个采样周期内，将插补计算出的理论位置与实际反馈位置相比较，用其插值去控制进给电机。还要完成位置回路增益调整、各坐标方向的螺距误差补偿和反响间隙补偿。数控机床原理与系统西工大机电学院3-1 CNC系统的结构及组成二、CNC系统软件3.速度控制程序 目的是控制脉冲分配的速度，与插补计算方法有关；速度突变时，自动进行加减速控制。速度控制的常用方法 软件方法 硬件定时器数控机床原理与系统西工大机电学院3-1 CNC系统的结构及组成二、CNC系统软件4.系统管理程序对各功能程序进行调度，是整个系统协调工作。5.诊断程序自动检查系统的故障，并指出故障发生的部位。在线离线数控机床原理与系统西工大机电学院3-1 CNC系统的结构及组成三、计算机数控系统的特点1.灵活性2.通用性3.可靠性4.易于实现许多复杂的功能5.使用维修方便数控机床原理与系统西工大机电学院3-2 计算机数控系统硬件结构一、CNC系统的硬件构成特点整体式、分体式大板式结构、模块化结构单微处理器、多微处理器二、单微处理器结构一个微处理器完成所有的功能采用总线结构结构简单，易于实现功能受限制数控机床原理与系统西工大机电学院3-2 计算机数控系统的硬件结构三、多微处理器结构1.结构特点性能价格比高采用模块化结构具有良好的适应性和扩展性可靠性高硬件易于组织规模化生产2.典型结构共享总线结构共享存储器结构数控机床原理与系统西工大机电学院3-3 CNC系统软件结构及控制一、CNC系统的软硬件组合类型按照插补器可分为三种：完全硬件插补器 软硬件插补器 完全软件插补器数控机床原理与系统西工大机电学院3-3 CNC系统软件结构及控制二、CNC系统的控制软件结构特点1.多任务并行处理多任务输入I/O处理显示诊断译码刀补速度处理插补位置控制数控机床原理与系统西工大机电学院输入显示诊断控制I/O译码刀补速度处理插补管理CNC系统控制位置控制初始化诊断显示I/O插补位控中断优先级从高到低插补准备输入键盘3-3 CNC系统软件结构及控制二、CNC系统的控制软件结构特点1.多任务并行处理并行处理 指计算机在同一时间内完成两种或两种或两种以上相同性质或性质不同的工作 多CPU、串并转换 资源分时共享 资源重叠流水处理数控机床原理与系统西工大机电学院3-3 CNC系统软件结构及控制二、CNC系统的控制软件结构特点2.实时中断处理 满足时实性和多任务的要求，中断结构决定了系统软件结构 外部中断 内部定时器中断 硬件故障中断 程序性中断数控机床原理与系统西工大机电学院3-3 CNC系统软件结构及控制三、CNC系统的控制软件及其工作过程输入、译码、预计算、插补计算、输出、管理与诊断1.输入输入设备：阅读机、磁带机、磁盘、键盘输入方式：中断，有相应的中断服务程序功能：奇偶校验、操作数是否超限、字地址顺序、字地址格式、信息完整性、输入设备控制、将零件程序存入零件程序存储器数控机床原理与系统西工大机电学院3-3 CNC系统软件结构及控制三、CNC系统的控制软件及其工作过程2.译码 将输入的零件程序数据翻译成数控系统所能识别的语言，有硬件译码（并行，快）和软件译码（串行、相对慢一些）。功能是把程序段中的各数据根据前后文字地址送到相应的缓冲寄存器中。每个字符译码过程：建立格式标志 确定存放地址 确定调用“数码转换次数”数控机床原理与系统西工大机电学院3-3 CNC系统软件结构及控制三、CNC系统的控制软件及其工作过程3.预计算 减轻插补程序的负担，提高系统实时性。包括：刀具长度补偿计算、刀具半径补偿计算、象限、进给方向判断、进给速度换算、机床辅助功能判断等。进给速度的控制方法：程序延时法：占用CPU资源 中断法：定时器中断 时间分割法：闭环、半闭环加减速过程需要考虑数控机床原理与系统西工大机电学院3-3 CNC系统软件结构及控制三、CNC系统的控制软件及其工作过程4.插补计算（空间直线插补实例）zzeA(xe,ye,ze)xexyey数控机床原理与系统西工大机电学院3-3 CNC系统软件结构及控制三、CNC系统的控制软件及其工作过程4.插补计算（空间直线插补实例）10 8F =L=F 60 1000 750 x=L cos y=L cos z=L cos cos =cos =cos =xex+y+z2e2e2ex e x xeye y yeze z zexeeeyex+y+z2e2e2ezex+y+z2e2e2exixe ye 0P(xi,yj)F 0oxxe y j xi ye 0点在直线上方 0Fij 0F0oxA(xe,ye)+x或+y方向+x方向+y方向新偏差计算+x进给：Fi+1,j=x e y j (x i+1)ye=x e y j x i y e y e=F i,j y e+y进给：Fi,j+1=x e(y j+1)x i ye=x e y j x i y e+x e=F i,j+x e数控机床原理与系统西工大机电学院2-2 逐点比较法一、逐点比较法直线插补2.算法分析（第 象限）终点比较 用Xe+Ye作为计数器，每走一步对计数器进行减1计 算，直到计数器为零为止。总结Fij=xe y j x i ye第三拍 运算Fi+1,j=Fi,j y eFi,j+1=Fi,j+x e第一拍 判别 第二拍 进给F ij 0F ij 0第四拍 比较+x+yE i+j=E终 1数控机床原理与系统西工大机电学院2-2 逐点比较法一、逐点比较法直线插补3.运算举例（第 象限）序号 第一拍：判别 第二拍：进给Fij=xe y j x i ye加工直线OA，终点坐标xe=5,ye=3,E8=xe+ye=8,F00=0第三拍：运算第四拍：比较123F 00=0F10(=3)0F 21(=1)0F 32(=1)0F 42(=2)045678+x+y+x+y+x+x+y+xF10=F 00 y e=0 3=3F11=F10+x e=3+5=2F 21=F11 y e 2 3=1F 22=F 21+x e 1+5=4F 32=F 22 y e=4 3=1F 42=F 32 y e=1 3=2F 43=F 42F 53=F 43E 7=E8 1E6E5E4E3=E7 1=E6 1=E5 1=E4 1 E 2=E3 1+x e=2+5=3 E1=E 2 1 ye 3 3=0E 0=E1 1数控机床原理与系统西工大机电学院2-2 逐点比较法二、逐点比较法圆弧插补（第 象限逆圆弧）偏差判别圆弧上圆弧外圆弧内 2222xi+yj=x0+y0 2222xi+yj x0+y0 2222xi+yj 0yF0o 2222(xi x0)+(yj y0)0F 0 点在圆弧外 0Fij 0F0oP(x0,y0)x Fi+1,j=(xi 1)新偏差计算Fi,j+1=数控机床原理与系统+2yj 2y0=Fij 2xi+1x i+1=x i 1 2xiyj=yj 2y0 2x0+(y j+1)2=Fij+2yj+1y j+1=y j+1西工大机电学院xi=xi2-2 逐点比较法二、逐点比较法圆弧插补（第 象限逆圆弧）终点比较 用(X0-Xe)+(Ye-Y0)作为计数器，每走一步对计数 器进行减1计算，直到计数器为零为止。22总结 Fij=x i2 x0）（y 2 y0）（+j第一拍 判别第二拍 进给第三拍 运算第四拍 比较Fij 0Fij 0 x+y Fi+1,j=Fi,j 2 x i+1 yj=yjx=x 1i+1iFi,j+1=Fi,j+2 y j+1xi=xiE i+j=E终 1y j+1=y j+1数控机床原理与系统西工大机电学院2-2 逐点比较法逐点比较法总结判别：判别刀具当前位置相对于给定轮廓的偏差状况。进给：根据判断结果，控制相应坐标轴的进给方向。运算：按偏差计算公式重新计算新位置的偏差值。比较：若已经插补到终点，结束插补计算，否则重复上述过程。（方框图和流程图见P28）类型直线坐标进给偏差计算公式Fij 0Fij 0Fij 0Fij 0+x+yFi+1,j=Fi,j yeFi,j+1=Fi,j+xeFi+1,j=Fi,j 2 x i+1Fi,j+1=Fi,j+2 y j+1逆圆弧数控机床原理与系统 x+y西工大机电学院2-2 逐点比较法三、坐标变换和终点判别问题1.象限与坐标变换直线 利用第象线公式，终点坐标以绝对值带入直接计算 0向x/x方向进给Fij=xe y j x i ye 0向y/y方向进给F0yF0F0 xFi+1,j=Fi,j yeFi,j+1=Fi,j+xe 圆弧 对于不同象线的顺时针圆弧、逆时针圆弧，插补进给方向和偏差计算公式不同数控机床原理与系统西工大机电学院2-2 逐点比较法圆弧：偏差计算公式中的坐标以绝对值带入Fij=x x）（y y）（+2i202j20线型SR1SR3NR2NR4SR2SR4NR1NR3数控机床原理与系统Fij 0-y+y-y+y+xFij 0+x 偏差计算公式Fij 0 时：Fi,j+1=Fi,j 2 y j+1-x-x+x+yx i+1=x i y j+1=y j 1Fij 0 时：Fi+1,j=Fi,j+2 x i+1 x i+1=x i+1 y j=y jFij 0 时：Fi+1,j=Fi,j 2 x i+1 x i+1=x i 1 y j=y jFij 0 时：Fi,j+1=Fi,j+2 y j+1 x i=x i y j+1=y j+1-x-x+x-y+y-y西工大机电学院2-2 逐点比较法三、坐标变换和终点判别问题2.终点判别问题设置一个终点减法计数器设置两个终点减法计数器设置两个坐标中进给量大的为终点计数器数控机床原理与系统西工大机电学院2-2 逐点比较法四、逐点比较法的合成进给速度 vX坐标进给速度：x=60 f x 空间直线：=v+v+v v2x2y2z逐点比较法合成进给速度：fg=fx+f y脉冲源频率fg，进给x就是进给yv x=60 f xv=2vxv y=60 f y=60 2fx+2vy+2fyv max=v g=60 f gvv max数控机床原理与系统=2fx+2fyfg=x+yx+y22 vmaxkv=1.414 vmin西工大机电学院2-3 数字积分法 DDA法特点：脉冲分配均匀，易于实现多坐标直线插补联动或平面上各种曲线。y一、DDA的基本原理F=F=y t y t=1in 1i=0n 1i=0n 1i=0ii二、DDA直线插补利用了otx=xi=0n 1y=yi=0n 1要走出直线，关键是x、y要按照一定的规律变化。数控机床原理与系统西工大机电学院2-3 数字积分法二、DDA直线插补vx v y v =kxeye LyvvyvxoE(xe,ye)x=v x t=kx e t y=v y t=ky e tx=i=1 mmx=i=1 mmkxe t=mkxe=xemk=1y=y=ky t=mkyei=1i=1e=ye 1k=m 1m=kx取决于硬件或软件变量类型关键是如何选择m、kx=kxe 1累加次数k 1/xenxe=2 1n 11k=n n 22 1m=1/k=2数控机床原理与系统西工大机电学院n一定时，m为定值，无论线段多长，都需经过m次累加才能到达终点Xe、Ye2-3 数字积分法二、DDA直线插补 在NC插补时，需要设置两个被积函数寄存器kxe、kye，再设置两个累加器对kxe、kye进行累加，累加器的溢出作为此方向的进给，余数仍存在累加器中。考虑到kxe、kye与xe、ye在计算机中存储时只是小数点不同，构造以下积分器 x e+x e x e 溢出 x 省略了kye+ye y e 溢出 y经过m次计算，x、y方向累加器溢出的脉冲数为xe、ye，如用溢出脉冲来控制机床进给，可走出所需要的直线P34运算框图和流程图数控机床原理与系统西工大机电学院2-3 数字积分法二、DDA直线插补举例：用10 进制插补直线，终点坐标为（8，6）m=10，n=1，k=0.1x方向积分x方向溢出y方向积分 Y方向溢出累加次数8642086420数控机床原理与系统0111101111西工大机电学院62840628400101101011123456789102-3 数字积分法二、DDA直线插补举例：用10 进制插补直线，终点坐标为（8，6）m=10，n=1，k=0.1yE(8,6)o数控机床原理与系统西工大机电学院x2-3 数字积分法二、DDA直线插补P34运算框图和流程图P35DDA直线插补举例tJRxJvxJvyJRy数控机床原理与系统西工大机电学院xy2-3 数字积分法三、DDA圆弧插补插补过程（NR1）vyvxv =k yRxvxyvvyP(x,y)x=v x t=ky tox y=v y t=kx t仿照直线插补方案构造积分器，省略k Jvx与Jvy直线对应关系不与直线插补有两个本质区别 同且寄存的是动点坐标数控机床原理与系统西工大机电学院2-3 数字积分法三、DDA圆弧插补插补过程（NR1）P37DDA圆弧插补举例tJRxJvx(y)y0Jvy(x)x0 JRy数控机床原理与系统西工大机电学院xy2-3 数字积分法三、DDA圆弧插补不同象限及顺时针圆弧插补过程和积分器构造基本与NR1相同，不同之处：控制x、y的进给方向不同。被积函数寄存器Jvx、Jvy的内容是加1、减1视坐标x、y的变化而定。SR1 SR2 SR3 SR4 NR1 NR2 NR3 NR4Jvx(y)Jvy(x)xy数控机床原理与系统+-+-+-+-+-+西工大机电学院2-3 数字积分法三、DDA圆弧插补终点判别 需要设置 xe x0 和 ye y0 两个减法计数器，当x或y积分器每输出一个脉冲，相应的减法计数器减1，当某一坐标计数器为0时，该坐标停止迭代；当两个计数器都为0时迭代结束。数控机床原理与系统西工大机电学院2-3 数字积分法三、DDA圆弧插补圆弧DDA插补与直线DDA比较坐标累加溢出作为y进给，y坐标累加溢出作为x进给。被积函数寄存器（Jvx、Jvy）中x和y坐标的初始值为圆弧的起点，在插补过程中，随加工点位置不同，需要由进给脉冲进行修正。终点判别需要用两个计数器，当其中一个为0时，此方向停止迭代；而直线DDA插补时m是固定值。数控机床原理与系统西工大机电学院2-3 数字积分法四、改进DDA插补质量的措施v=60f+f 2x2 2y2 x+y=60 fg N L=60 fg N xfx=fg N yfy=fg N存在问题：进给速度不均匀：行程长，走刀快；行程短，走刀慢；影响表面加工质量，行程短时生产率低误差偏大、精度低数控机床原理与系统西工大机电学院2-3 数字积分法四、改进DDA插补质量的措施进给速度均匀化的措施左移规格化规格化数：寄存器中的数其最高位为1时称为规格化数。左移规格化处理：将被积函数寄存器中的数规格化 直线 将被积函数寄存器Jvx和Jvy中的xe和ye同时左移,当其中任一坐标的被积函数寄存器变为规格化数（最高位为1）时，左移规格化结束,左移次数记为Q；累计次数调整为：1m=k211nQ=2nQ数控机床原理与系统西工大机电学院2-3 数字积分法四、改进DDA插补质量的措施进给速度均匀化的措施左移规格化圆弧 将被积函数寄存器Jvx和Jvy中的x和y同时左移,当其中任一坐标的被积函数寄存器中的数其次高位为1时，规格化结束，左移次数记为Q；进给时Jvx和Jvy中数值的修正：2 y 2(y+1)=2 y+2QQQQQ 2 x 2(x+1)=2 x+2QQQ数控机床原理与系统西工大机电学院2-3 数字积分法四、改进DDA插补质量的措施提高插补精度的措施余数寄存器预置数半加载 在DDA迭代前，余数寄存器JRx和JRy的初值不是0，而是将其置为 1000000（0.5）全加载 在DDA迭代前，余数寄存器JRx和JRy的初值不是0，而是将其置为 111111数控机床原理与系统西工大机电学院2-5 数据采样插补法 数据采样插补：将加工直线或圆弧的总时间划分为许多相等的t（时间分割），计算出步长（x，y），边计算边加工，直至加工终点；直线插补无误差。对于FANUC 7M系统，t=8ms，步长为：2v 1000 8 =vf=1560 1000一、7M系统中采用的时间分割法（t=8ms）直线插补圆弧插补数控机床原理与系统西工大机电学院2-5 数据采样插补法一、7M系统中采用的时间分割法（直线插补 yetg=xeyxfxft=8ms）P(xe,ye)ycos=11+tg 2o y)xx=f cos yey=x xe数控机床原理与系统西工大机电学院2-5 数据采样插补法一、7M系统中采用的时间分割法（t=8ms）圆弧插补（以弦长代替圆弧）=i+2 111 oxi+f cos xi+f cos 45x i+x 222=tg=111 oyi f sin yi yyi f sin 45 222cos =11+tg 2 x=f cos x i+1=x i+xy i+1=y i y 1 x i+xy 2=tg=1x y i y 2数控机床原理与系统西工大机电学院2-5 数据采样插补法二、7360系统中采用的时间分割法(t=10.24ms)扩展DDA直线插补yP(xe,ye)x=v x t=y=v y t=v 2xe+2yexe t=FRN t xevvxovyxv 2xe+2yeye t=FRN t yeFRN=计算公式与数字积分DDA法相似v 2xe+2ye数控机床原理与系统西工大机电学院2-5 数据采样插补法扩展DDA圆弧插补（弦线逼近法）xisin =Rx i+1 f yicos =R v设 d=t=FRN t R 1 x i+1=d(y i d x i)2 1 y i+1=d(x i+d y i)2y i+1 f 1 y i f sin 11 xiOS 2=(yi f)2 ROB1 2 R2 R+(f)2 1 xi+f cos SB11 yi 2=(xi+f)OB2 R1 2 R2 R+(f)2x i+1=x i+x i+1y i+1=y i y i+1x i+1yi+1 f1 xiv1 v=(y i f)=t(y i t x i)R2 RR2R f1 yiv1 yi=(xi+f)=t(xi+t yi)R2 RR2 R西工大机电学院数控机床原理与系统2-7 刀具半径补偿一、刀具半径补偿的概念半径补偿的作用更换刀具方便粗、精加工共用程序代码模具加工实现方式 要求数控系统根据工件轮廓程序和刀具中心偏移量，自动计算出刀具中心的运动轨迹。分类左刀补右刀补数控机床原理与系统西工大机电学院2-7 刀具半径补偿一、刀具半径补偿的概念执行过程刀补建立刀补进行刀补撤消 刀具半径补偿只能在二维平面（G17、G18、G19）进行，刀具半径值通过刀具号来指定数控机床原理与系统西工大机电学院2-7 刀具半径补偿二、刀具半径补偿的计算根据零件尺寸和刀具半径计算出刀具中心的运动轨迹直线x=xe+r sin =xe+eyA(xe,ye)ryex+y2e2erA(xe,ye)ye=ye r cos =ye rxe 2xeo 2ye+x数控机床原理与系统西工大机电学院2-7 刀具半径补偿二、刀具半径补偿的计算圆弧（NR1）rxex=xe+r cos=xe+R rye ye=ye+r sin =ye+ReyB(Xe,Ye)rB(Xe,Ye)RA(Xo,Yo)A(Xo,Yo)ox刀偏计算方法 与数控系统的插补方法有关：逐点比较法、DDA法、极坐标法等数控机床原理与系统西工大机电学院2-7 刀具半径补偿三、C功能刀具半径补偿B刀补程序的运行是读一段，走一段，不知下一段对本段的影响需要编程人员分析过渡情况，编程处理过渡情况。oyrx数控机床原理与系统西工大机电学院2-7 刀具半径补偿三、C功能刀具半径补偿C刀补 相对于NC系统，CNC的软件、硬件速度及功能有了很大提高，能增加直线和圆弧过渡，直接求出刀具中心轨迹交点C刀补G41o cA B ccG42AB数控机床原理与系统西工大机电学院2-7 刀具半径补偿三、C功能刀具半径补偿C刀补的基本设计思想工作寄存器 AS输出寄存器 OS缓冲寄存器 BS工作寄存器 AS输出寄存器 OS缓冲寄存器 BS刀具补偿缓冲区CS工作寄存器 AS输出寄存器 OS数控机床原理与系统西工大机电学院2-7 刀具半径补偿三、C功能刀具半径补偿程序段间转接情况分析 根据两段程序轨迹的矢量夹角和刀具半径补偿方向的不同，可分为：伸长型 缩短型 插入型（插入直线，插入圆弧）直线与直线转接圆弧与圆弧转接直线与圆弧转接数控机床原理与系统西工大机电学院2-7 刀具半径补偿三、C功能刀具半径补偿转换矢量与转换交点的计算刀补实例HOlkjefghi数控机床原理与系统西工大机电学院第四章 检测系统旋转变压器感应同步器光栅磁栅编码盘数控机床原理与系统西工大机电学院第四章 检测系统概述数控机床对检测装置的要求1)工作可靠，抗干扰性强2)能满足精度和速度的要求3)使用维护方便，适合机床的工作环境4)成本低检测精度：0.001 0.02mm/m分辨率：0.001 0.01mm/m速度响应：1 10m/min，30 90m/min数控机床原理与系统西工大机电学院第四章 检测系统概述位置检测装置分类数字式增量式回转形圆光栅绝对式增量式模拟式绝对式 编码盘 旋转变压器、圆感应 多级旋转变压器 同步器、圆形磁栅直线形 长光栅 编码尺 直线感应同步器、绝对值式磁尺 激光干涉仪磁栅、容栅数控机床原理与系统西工大机电学院4-1 旋转变压器一、旋转变压器的结构结构与两相绕线式异步电机相似，定子+转子，电磁学原理二、旋转变压器工作原理基本工作原理V s=V m sin tV B=KV s sin =KV m sin sin tS1VsS2 B2按工作方式分为鉴相式和鉴幅式B1数控机床原理与系统西工大机电学院Z4-1 旋转变压器二、旋转变压器工作原理1.鉴相式V s=V m cos tV k=V m sin tV B=V BS+V BK=KV=KVSsin()+KV K cos m=KVmcos t sin +KV m sin t cos sin(t )数控机床原理与系统西工大机电学院4-1 旋转变压器二、旋转变压器工作原理2.鉴幅式V s=V m cos sin tV k=V m sin sin tVB=VBS+VBK=KVS sin()+KVK cos=KVm cos sin t sin +KVm sin sin t cos=KVm sin()sin tKVm sin()=0数控机床原理与系统西工大机电学院4-1 旋转变压器二、旋转变压器的应用1.鉴相式 VB=KVm sin(t )U()=U(n 2+)2.鉴幅式VB=KVm sin()sin t需要将被测角位移限制在 以内，才能唯一确定 的大小，属于动态跟随检测和增量式检测=1+2+L+N=ii=1N数控机床原理与系统西工大机电学院4-2 感应同步器感应同步器工作原理 原理利用两个平面印刷电路绕组的互感随两者的位置变化而变化，类似于变压器的原边和副边。有旋转感应同步器和直线感应同步器两种。精度高，分辨率可达0.05um，测量位移范围大，广泛用于数控机床、雷达天线定位跟踪等。当在滑尺绕阻施加激励交变电压时，在定尺绕阻可感应出与两尺位置由关系的交变电压，根据激励电压的不同，可分为鉴相式和鉴幅式两种。应用时根据测量范围不同，可以将多块定尺拼接数控机床原理与系统西工大机电学院4-3 光栅 精度高,可达1m,工作原理利用光的透射和衍射现象,可测直线或转角。非接触测量，抗干扰能力强，但对环境要求高。一、光栅的构造1.光栅尺的构造和种类标尺光栅固定在机床活动部件上指示光栅安装在读数头内数控机床原理与系统西工大机电学院4-3 光栅长光栅圆光栅数控机床原理与系统西工大机电学院4-3 光栅一、光栅的构造2.光栅读数头数控机床原理与系统西工大机电学院4-3 光栅二、光栅的工作原理莫尔条纹性质：在平行光照射下,透过莫尔条纹的光强度分布近似于余弦函数；放大作用：W=d/sin，当很小时,W=d/平均效应：莫尔条纹是由若干条线纹共同干涉形成的，对个别光栅线纹之间的误差具有平均效应，能消除栅距不均匀所造成的影响；移动规律：光栅相对移动一个d，莫尔条纹移动一个W，当光栅移动方向变化时，莫尔条纹的移动方向也变化；数控机床原理与系统西工大机电学院演示4-3 光栅二、光栅的工作原理1.位移大小的检测 Wd，当xd时，可由VA、VB、VC、VD余弦 函数，可以计算出x。2.位移方向的检测 VA与VB的相位关系可判断出x的移动方向。3.速度的检测 VA、VB、VC、VD的变化频率可以推断出两光 栅尺的相对位移速度。数控机床原理与系统西工大机电学院4-3 光栅三、光栅信息处理及应用0放大环节0整形sin鉴向cos倍频/23/2正向/2环节反向1.放大与整形形成两路相位差为/2的方波信号2.鉴向倍频鉴别方向；进行脉冲倍频（提高分辨率）数控机床原理与系统西工大机电学院4-5 编码器 通过直接编码进行测量的元件，直接将被测转角或直线位移转换成相应的代码，指示其绝对位置。为数字量输出，没有积累误差，电源切断后信息可保留。一、编码盘工作原理数控机床原理与系统西工大机电学院4-5 编码器数控机床原理与系统西工大机电学院4-5 编码器二、编码盘的种类从结构上编码盘可分为：接触式编码盘光电式编码盘电磁式编码盘数控机床原理与系统西工大机电学院数控编程知识简介数控编程定义 根据被加工零件的图纸和技术要求、工艺要求等切削加工的必要信息，按数控系统所规定的指令和格式编制成加工程序文件。常用编程方法手工编程自动编程（图形交互式）数控机床原理与系统西工大机电学院手工编程 利用一般的计算工具，通过各种数学方法，人工进行刀具轨迹的运算，并进行指令编制。这种方式比较简单，很容易掌握，适应性较大。适用于中等复杂程度程序、计算量不大的零件编程，对机床操作人员来讲必须掌握。数控机床原理与系统西工大机电学院手工编程编程步骤人工完成零件加工的数控工艺 分析零件图纸 制定工艺决策 确定加工路线 选择工艺参数 计算刀位轨迹坐标数据 编写数控加工程序单 验证程序数控机床原理与系统西工大机电学院手工编程优点 主要用于点位加工（如钻、铰孔）或几何形状简单（如平面、方形槽）零件的加工，计算量小，程序段数有限，编程直观易于实现的情况等。缺点 对于具有空间自由曲面、复杂型腔的零件，刀具轨迹数据计算相当繁琐，工作量大，极易出错，且很难校对，有些甚至根本无法完成。数控机床原理与系统西工大机电学院手工编程举例数控钻床编程举例数控机床原理与系统西工大机电学院手工编程举例数控钻床编程举例图纸分析工艺处理钻孔攻丝，确定“对刀点O”和“换刀点C”加工路线：对刀点OABC（换刀）BAO脉冲当量：=0.01mm/脉冲切削参数(S)：钻孔880r/min，攻丝170r/min进给速度(F)：钻孔0.125mm/r=0.125880=110mm/min 空行程600mm/min 攻丝1.75mm/r=1.75 170=297.5mm/min数控机床原理与系统西工大机电学院手工编程举例数控钻床编程举例数学计算 O（0，0），A（+85，+72）B（+195，+50），C（+293，+50）编程数控机床原理与系统西工大机电学院手工编程举例序号N001N002N003N004N005N006N007N008N009N010N011N012GG00 G90G81XX0X8500YY0Y7200 备注 对刀点 F600 S880 T01 M03 走到AZ-17400 R-14800 F110钻孔A F600走到BZ-17400 R-14800 F110钻孔B F600走到C T02 M00 换刀 F600 S170M03 走到BZ-17400 R-14800 F297.5攻丝B F600走到AZ-17400 R-14800 F297.5攻丝A M02 回到OZRFSTMX19500 Y5000G80G84X29300 Y5000X19500 Y5000X8500 Y7200G80X0Y0数控机床原理与系统西工大机电学院手工编程举例数控铣床编程举例数控机床原理与系统西工大机电学院手工编程举例数控铣床编程举例图纸分析工艺处理由直线和圆弧段组成，O为定位中心，选10mm铣刀加工路线：对刀点P0P1 P2P3P4P5P6P7 P8 P9 P1 P0脉冲当量：=0.001mm/脉冲切削参数：S=300r/min，F=150mm/min刀补：建立、取消数控机床原理与系统西工大机电学院手工编程举例数控铣床编程举例 数学计算：取 P0（-65，-95）P1（-45，-75），P2（-45，-40），P3（-25，-40）P4（-20，-15），P5（20，-15），P6（25，-40）P7（45，-40），P8（45，-75），P9（0，-65）加工圆弧时，需要计算圆心相对于圆弧起点的坐标(I.J)C1圆弧相对于点P3的坐标x=0，y=13 C2圆弧相对于点P4的坐标x=20，y=15C3圆弧相对于点P5的坐标x=5，y=-12数控机床原理与系统西工大机电学院手工编程举例N1 G90 G54 G00 X-65000 Y-95000 Z30000 快速移动到P0点上方N2 G91 Z-32000 S300 M03下降到ZN3 G90 G17 G01 G41 D07 X-45000 Y-75000 F150 建立刀补 走P0 P1N4 G01 X-45000 Y-40000 加工P1 P2N5 X-25000 Y-40000 加工P2 P3N6 G03 X-20000 Y-15000 I0 J13000 加工P3P4N7 G02 X20000 Y-15000 I20000 J15000 加工P4 P5N8 G03 X25000 Y-40000 I5000 J-12000 加工P5 P6N9 G01 X45000 Y-40000 加工P6P7N10 X45000 Y-75000 加工P7 P8N11 X0 Y-65000 加工P8 P9N12 X-45000 Y-75000 加工P9 P1N13 G00 G40 X-65000 Y-95000 取消刀补 快速回到P0点N14 G91 Z32000 M05 上升到P0点上方N15 M02数控机床原理与系统西工大机电学院结束自动编程数控机床原理与系统西工大机电学院自动编程 利用通用的微型计算机及专用的自动编程软件，以人机对话方式确定加工对象和加工条件自动进行运算和生成指令。常用自动编程软件UGCATIAPRO/ECIMATRONMasterCAMDELCAMCAXA制造工程师EdgeCAM数控机床原理与系统西工大机电学院UG Unigraphics 是美国Unigraphics Solution公司开发的一套集CAD、CAM、CAE 功能于一体的三维参数化软件，是当今最先进的计算机辅助设计、分析和制造的高端软件，用于航空、航天、汽车、轮船、通用机械和电子等工业领域。UG软件在CAM领域处于领先的地位，产生于美国麦道飞机公司，是飞机零件数控加工首选编程工具。数控机床原理与系统西工大机电学院UG优点提供可靠、精确的刀具路径能直接在曲面及实体上加工良好的使用者界面，客户也可自行化设计界面多样的加工方式，便于设计组合高效率的刀具路径完整的刀具库加工参数库管理功能包含二轴到五轴铣削、车床铣削、线切割大型刀具库管理实体模拟切削泛用型后处理器等功能高速铣功能CAM客户化模板数控机床原理与系统西工大机电学院UG应用举例建模（零件图纸）加工程序生成（工艺、数控系统）数控机床原理与系统西工大机电学院UG数控机床原理与系统西工大机电学院UG数控机床原理与系统西工大机电学院UG数控机床原理与系统西工大机电学院UG数控机床原理与系统西工大机电学院UG数控机床原理与系统西工大机电学院Catia Catia是法国达索（Dassault）公司推出的产品，法制幻影系列战斗机、波音737、777的开发设计均采用Catia。CATIA 据有强大的曲面造型功能，在所有的CAD三维软件位居前列，广泛应用于国内的航空航天企业、研究所，以逐步取代UG成为复杂型面设计的首选。CATIA具有较强的编程能力，可满足复杂零件的数控加工要求。目前一些领域采取CATIA设计建模，UG编程加工，二者结合，搭配使用。数控机床原理与系统西工大机电学院Pro/E Pro/E 是 美国 PTC（参数技术有限公司）开发的软件，是全世界最普及的三维 CAD/CAM（计算机辅助设计与制造）系统。广泛用于电子、机械、模具、工业设计和玩具等民用行业。具有零件设计、产品装配、模具开发、数控加工、造型设计等多种功能。Pro/E在我国南方地区企业中被大量使用，设计建模采用PRO-E，编程加工采用MASTERCAM 和 CIMATRON 是目前通行的做法。数控机床原理与系统西工大机电学院Cimatron CimatronCAD/CAM系统是以色列Cimatron公司的CAD/CAM/PDM产品，是较早在微机平台上实现三维CAD/CAM全功能的系统。该系统提供了比较灵活的用户界面，优良的三维造型、工程绘图，全面的数控加工，各种通用、专用数据接口以及集成化的产品数据管理。CimatronCAD/CAM系统在国际上的模具制造业备受欢迎，国内模局制造行业也在广泛使用。数控机床原理与系统西工大机电学院Mastercam Mastercam是美国CNC公司开发的基于PC平台的CAD/CAM软件，它具有方便直观的几何造型 Mastercam提供了设计零件外形所需的理想环境，其强大稳定的造型功能可设计出复杂的曲线、曲面零件。Mastercam具有较强的曲面粗加工及的曲面精加工的功能，曲面精加工有多种选择方式，可以满足复杂零件的曲面加工要求，同时具备多轴加工功能。由于价格低廉，性能优越，成为国内民用行业数控编程软件的首选。数控机床原理与系统西工大机电学院DELCAM FeatureCAM是美国DELCAM公司开发的基于特征的全功能CAM软件，全新的特征概念，超强的特征识别，基于工艺知识库的材料库，刀具库，图标导航的基于工艺卡片的编程模式。全模块的软件，从25轴铣削，到车铣复合加工，从曲面加工到线切割加工，为车间编程提供全面解决方案。DELCAM软件后编辑功能相对来说是比较好的。近年来国内一些制造企业正在逐步引进，以满足行业发展的需求，属新兴产品。数控机床原理与系统西工大机电学院CAXA制造工程师 CAXA制造工程师是北京北航海尔软件有限公司推出一款全国产化的CAM产品，为国产CAM软件在国内CAM市场中占据了一席之地。作为我国制造业信息化领域自主知识产权软件优秀代表和知名品牌，CAXA已经成为我国CAD/CAM/PLM业界的领导者和主要供应商。CAXA制造工程师是一款面向二至五轴数控铣床与加工中心、具有良好工艺性能的铣削/钻削数控加工编程软件。该软件性能优越，价格适中，在国内市场颇受欢迎。数控机床原理与系统西工大机电学院EdgeCAM EdgeCAM是英国Pathtrace公司出品的具有智能化的专业数控编程软件，可应用于车、铣、线切割等数控机床的编程。针对当前复杂三维曲面加工特点，EdgeCAM设计出更加便捷可靠的加工方法，目前流行于欧美制造业。英国路径公司正在进行中国市场的开发和运作，为国内的制造业的客户提供更多的选择。数控机床原理与系统西工大机电学院数控加工仿真软件 VERICUTVERICUT是美国CGTECH公司出品的一种先进的专用数控加工仿真软件。VERICUT 采用了先进的三维显示及虚拟现实技术，对数控加工过程的模拟达到了极其逼真的程度。不仅能用彩色的三维图像显示出刀具切削毛坯形成零件的全过程，还能显示出刀柄、夹具,甚至机床的运行过程和虚拟的工厂环境也能被模拟出来，其效果就如同是在屏幕上观看数控机床加工零件时的录像。编程人员将各种编程软上生成的数控加工程序导入VERICUTVERICUT中，由该软件进行校验，可检测原软件编程中产生的计算错误，降低加工中由于程序错误导致的加工事故率。目前国内许多实力较强的企业，已开始引进该软件来充实现有的数控编程系统，取得了良好的效果。数控机床原理与系统西工大机电学院总 结 随着制造业技术的飞速发展，数控编程软件的开发和使用也进入了一个高速发展的新阶段，新产品层出不穷，功能模块越来越细化，工艺人员可是在微机上轻松地设计出科学合理并富有个性化的数控加工工艺，把数控加工编程变得更加容易、便捷。数控机床原理与系统西工大机电学院第五章 数控机床的伺服驱动系统概述开环步进式伺服驱动系统闭环伺服控制原理与系统CNC伺服系统数控机床原理与系统西工大机电学院5-1 概述数控机床原理与系统西工大机电学院5-1 概述 伺服驱动系统直接影响移动速度、跟踪精度、定位精度等一系列重要指标，是数控机床的关键技术。一、伺服驱动系统的性能数控机床对伺服驱动系统的要求：1.进给速度调速范围大：5mm/min，10m/min2.位移精度要高：全程积累误差5m，与脉 冲当量有关，；3.跟随误差要小：闭环自控系统动态性能要好；4.伺服系统的工作稳定性要好：抗干扰能力强，速度均匀、平稳，粗糙度低，过载46倍，低 速爬行工作可靠，抗干扰性强；数控机床原理与系统西工大机电学院5-1 概述二、数控机床伺服驱动系统的基本组成进给指令比较控制环节驱动控制单元反馈检测单元执行元件机床开环、闭环、CNC（比较由软件实现）数控机床原理与系统西工大机电学院5-1 概述三、数控机床伺服驱动系统的分类1.按用途和功能分进给驱动：转距大小,调速范围,调节精度,动态响应速度等；主轴驱动：足够的功率,宽的恒功率调节范围，速度调节范围；2.按控制原理和有无检测分开环：无检测,经济型数控和老设备改造闭环：半闭环（检测丝杠转角）和全闭环（检测工作台直线位移）数控机床原理与系统西工大机电学院5-1 概述二、数控机床伺服驱动系统的分类3.按执行元件和动作原理分电液伺服驱动：由电液伺服阀、低速大转矩液压马达或液压缸，位置检测等元件组成电气伺服驱动：步进电机、直流伺服电机（频繁起动，制动，快速定位等优点，但有电刷，需要维护），交流伺服电机（易于维护，制造简单）4.按控制方式分模拟伺服方式数字伺服方式数控机床原理与系统西工大机电学院5-2 开环步进式伺服驱动系统 执行元件是步进电机，开环，无检测装置，结构简单、容易调整，但控制精度低，速度受到限制。一、步进电机的种类、结构及工作原理1.步进电机的种类按产生力矩原理分：反应式、激磁式按输出力矩大小分：伺服式、功率式按定子数：单定子、双定子、三定子、多定子按各相绕阻分布：径向分相式、轴向分相式数控机床原理与系统西工大机电学院5-2 开环步进式伺服驱动系统一、步进电机的种类、结构及工作原理2.步进电机的结构数控机床原理与系统西工大机电学院5-2 开环步进式伺服驱动系统一、步进电机的种类、结构及工作原理3.步进电机的工作原理数控机床原理与系统西工大机电学院5-2 开环步进式伺服驱动系统一、步进电机的种类、结构及工作原理3.步进电机的工作原理 电磁铁的工作原理，结论：步进电机定子绕阻通电状态每改变一次，它的转子转过一个固定的角度，即电机的步距角；改变步进电机定子绕阻的通电顺序，其转子的旋转方向随之改变；步进电机定子绕阻通电状态变化的频率越高，转子的转速越高；步距角与定子绕阻相数m、转子齿数z、通电方 o =360/(mzk)式k有关：数控机床原理与系统西工大机电学院5-2 开环步进式伺服驱动系统一、步进电机的种类、结构及工作原理3.步进电机的主要特征步距角：0.5 3，决定控制精度，是决定步进式伺服系统脉冲当量的重要参数距角特性、最大静态转距Mjmax和启动转距Mq启动频率fq：空载时，步进电机由静止突然启动，并进入不丢步的正常运行所允许的最高频率连续运行的最高工作频率：保证不丢步运行的极限频率加减速特性：描述步进电机由静止到工作频率和由工作频率到静止的加减速过程中，定子绕阻通电状态的变化频率与时间的关系。数控机床原理与系统西工大机电学院5-2 开环步进式伺服驱动系统二、步进式伺服驱动系统工作原理 系统由步进电机驱动线路+步进电机组成，对工作台位移、速度和运动方向进行控制1.工作台位移的控制 进给脉冲个数N定子绕阻通电状态改变次数N角位移=N工作台位移L=t/3602.工作台进给速度的控制 进给脉冲频率f定子绕阻通断电状态变化频率f步进电机转速工作台进给速度v3.工作台运动方向的控制定子绕阻通电顺序改变工作台运动方向改变数控机床原理与系统西工大机电学院5-2 开环步进式伺服驱动系统三、步进电机的驱动控制线路功能：将一定频率f、数量N和方向的进给脉冲转换为控制步进电机定子各相绕阻通断电状态变化的频率、次数和顺序的功率信号进给脉冲脉冲混合电路加减脉冲分配电路加减速电 路环形分配 器功率 至步进放大 器 电机绕阻数控机床原理与系统西工大机电学院5-2 开环步进式伺服驱动系统三、步进电机的驱动控制线路1.脉冲混合电路 将脉冲进给、手动进给、手动回原点、误差补偿等混合为正向或负向脉冲进给信号2.加减脉冲分配电路 将同时存在正向或负向脉冲合成为单一方向的进给脉冲数控机床原理与系统西工大机电学院5-2 开环步进式伺服驱动系统三、步进电机的驱动控制线路3.加减速电路 将单一方向的进给脉冲调整为符合步进电机加减速特性的脉冲，频率的变化要平稳，加减速具有一定的时间常数。fa同步器可逆计数器数模转换振荡器fb数控机床原理与系统西工大机电学院5-2 开环步进式伺服驱动系统三、步进电机的驱动控制线路4.环形分配器 将来自加减速电路的一系列进给脉冲转换成控制步进电机定子绕阻通、断电的电平信号，电平信号状态的改变次数及顺序与进给脉冲的个数及方向对应。5.功率放大器 将环形分配器输出的mA级电流进行功率放大，一般由前置放大器和功率放大器组成。数控机床原理与系统西工大机电学院5-2 开环步进式伺服驱动系统四、提高步进式伺服驱动系统精度的措施影响步进式伺服驱动系统精度的因素：步进电机；丝杠螺母传动幅；由于受工艺和结构的限制，常常从控制线路采取措施1.细分电路把步进电机的一步分得再细一些，减小脉冲当量2.齿隙补偿（反向间隙补偿）原因：机械传动链在改变方向时，由于间隙的存在，会引起步进电机的空走；补偿原理：对实际间隙进行实测并保存，当工作台换向时增加输出脉冲进行补偿。数控机床原理与系统西工大机电学院5-2 开环步进式伺服驱动系统四、提高步进式伺服驱动系统精度的措施3.螺距误差补偿原因：丝杠螺距存在制造误差，会直接影响工作台的位置精度，需要进行补偿。补偿原理：实测丝杠全行程误差分布曲线，在相应位置时根据误差分布进行补偿。实现方法 安置两个补偿杆 按照螺距误差在补偿杆上设置档块 工作台移动时行程开关与档块接触时进行补偿数控机床原理与系统西工大机电学院5-3 闭环伺服控制原理与系统 闭环控制的特点：工作可靠、抗干扰性强、精度高，但增加了位置检测、反馈、比较等环节，结构复杂，调试困难。一、闭环伺服驱动系统的执行元件数控系统对执行元件的要求减少电机的转动惯量提高电机的过载能力提高电机的低速运行的稳定性和均匀性1.直流伺服电机2.交流伺服电机数控机床原理与系统西工大机电学院5-3 闭环伺服控制原理与系统一、闭环伺服驱动系统的执行元件1.直流伺服电机 数控机床用的一般是大功率的直流伺服电机，其工作原理与直流电机类似 低惯量直流伺服电机 结构特点：电枢铁芯无槽，电枢细长，气隙尺寸 大等 宽调速直流力矩电机 结构特点：极对数和电枢导体数多，一般采用永 磁体（他励式）数控机床原理与系统西工大机电学院5-3 闭环伺服控制原理与系统一、闭环伺服驱动系统的执行元件1.直流伺服电机直流伺服电机调速原理 U IRan=ke调速方法：改变电枢电压U 改变电势系数 改变电阻目前使用最广泛的是脉宽调速PWM（改变电枢电压U）数控机床原理与系统西工大机电学院5-3 闭环伺服控制原理与系统一、闭环伺服驱动系统的执行元件2.交流伺服电机用三相正弦电流驱动的伺服电机。按工作原理分为：永磁同步型（SM型）异步感应型（IM型）AC伺服电机本身结构简单，坚固耐用，体积 较小，重量较轻，没有整流子机械换向，所以远比 DC伺服电机便于维护。但速度的控制方法比DC伺 服电机要复杂的多，对控制元件的容量及速度的要 求也很高。数控机床原理与系统西工大机电学院5-3 闭环伺服控制原理与系统一、闭环伺服驱动系统的执行元件2.交流伺服电机永磁同步型（SM型）AC伺服电机 结构与无刷DC伺服电机几乎完全相同，两者的根本差别不在于它们的结构，而是在于驱动它们的方式。当采用直流电源驱动时，叫做无刷DC伺服电机，当采用三相交流电源（通过逆变器产生）驱动时，就叫AC伺服电机。与DC伺服电机不同之处：永磁同步型AC伺服电机内部不是采用多个霍尔元件来检测转子的位置，而是采用单一的角度位置传感器来连续检测，并以检测的结果为依据使三相电机电流实现正交控制。常用旋转编码器或旋转变压器，完成转子位置、速位移检测。数控机床原理与系统西工大机电学院5-3 闭环伺服控制原理与系统一、闭环伺服驱动系统的执行元件2.交流伺服电机永磁同步型（SM型）AC伺服电机数控机床原理与系统西工大机电学院5-3 闭环伺服控制原理与系统二、鉴相式伺服驱动系统1.鉴相式伺服系统的基本组成和工作原理基准信号发生器检测元件及信号处理线路进给脉冲+x-x脉冲调相器鉴相器-直流放大器执行部件工作台及丝杠数控机床原理与系统西工大机电学院5-3 闭环伺服控制原理与系统二、鉴相式伺服驱动系统3.鉴相式伺服系统的主要控制线路脉冲调相器（数字相位转换器）作用是将脉冲信号转换为与基准信号的相位变化信号，输出信号是正弦或方波信号 电路由两个容量相同的计数器组成脉冲发生器F指令脉冲计数器m计数器mf1基准脉冲f0脉冲源脉冲加减器fp指令脉冲数控机床原理与系统西工大机电学院5-3 闭环伺服控制原理与系统3.鉴相式伺服系统的主要控制线路脉冲调相器（数字相位转换器）CPT0 T1A T2T3CPT0 T1B T2T3数控机床原理与系统西工大机电学院5-3 闭环伺服控制原理与系统3.鉴相式伺服系统的主要控制线路脉冲调相器（数字相位转换器）CPT0 T1A T2T3CPT0 T1B T2T3数控