1、天津机电职业技术学院教师备课纸第一章绪论数控机床是集机械、电气、液压、气动、微电子和信息处理等多项技术为一体的典型应用。微机控制的数控机床的高精度、高速度、高效率、高度柔性化及适合加工复杂零部件的性能，满足当今市场快速多变、竞争激烈和工艺发展的需要。可以说，微机控制技术的应用是机械制造行业现代化的标志，在很大程度上决定了企业在市场竞争中的成败。第一节机床数字控制的基本概念一、数字控制技术数字控制（NumericalControl)，简称NC，是近代发展起来的一种自动控制技术。数字控制是相对于模拟控制而言的。数字控制系统中的控制信息是数字量，而模拟控制系统中的控制信息是模拟量。数字控制系统特点：
2、l）2）3）数字控制系统的硬件基础是数字逻辑电路。早期的数控系统是由数字逻辑电路构成的，因而被称之为硬件数控系统。随着微型计算机的发展，硬件数控系统已被淘汰，取而代之的是计算机数控系统（ComputerNumericalcontrol)，简称CNC。简而言之，用数字化信息进行控制的自动控制技术称为数字控制技术，简称数控；采用数控技术控制的机床，或者说装备了数控系统的机床，称之为数控机床。二、数控机床的组成和加工特点数控机床由机床和数控系统两大部分组成，如图1一1所示。机床一般由床身、立柱、主轴、进给机构及辅助装置等部分组成；数控系统主要包括：输人设备、通信设备、显示输出设备、计算机控制装置、主
3、轴驱动、伺服进给驱动及逻辑控制单元（PLC）等部分。数控机床进行加工，首先必须将工件的几何信息和工艺信息数字化，按规定的代码和格式编制数控加工程序，并用适当的方式将此加工程序的信息输人数控系统。数控系统根据输人的加工程序信息进行处理，计算出理想轨迹和运动速度（计算轨迹的过程称为插补），然后将处理的结果输出到机床的执行部件，控制机床执行部件按预定的轨迹和速度运动。数控机床加工的过程如图1一2所示。其中信息输人、信息处理和伺服执行是数控系统工作的三个基本过程。加工一个零件所需的数据及操作命令构成零件加工程序。信息处理是数控的核心任务，由计算机来完成。它的作用是识别输人介质中每个程序段的加工数据和操
4、作命令，并对其进行换算和插补计算。伺服驱动部分的作用是将插补输出的位移（或位置）信息转换成机床的进给运动。与传统的加工方法相比，数控机床有以下优点：l）可以加工复杂、异形的零件。2）加工的零件精度高、一致性好、装配容易，无需再“修配”。3）具有柔性化的特点，不仅能适应中小批量，也适合大批量生产。4）提高了加工精度和效率，缩短生产周期。5）具有远程监控、补偿、诊断和自动报警等多种功能，降低了劳动强度。6）机床结构简化，易于调整，与普通机床相比，所需的调整时间较少。需要指出的是，数控机床也有以下缺点：1）造价相对较高。2）维护比较复杂，需要专门的维护人员。3）需要高度熟练和经过培训的编程人员。第二
5、节数控系统的分类机床数控系统的分类可按以下几种方式来划分：l）按被控机床运动轨迹来划分，有点位控制、直线控制与轮廓切削（连续轨迹）控制。2）按控制器的结构来划分，有硬件数控和计算机数控。计算机数控（当前主要是指微机数控）又可分为单微机系统和多微机系统。3）按伺服系统控制环路来划分，可分为开环、闭环和半闭环系统。4）按功能水平来划分，可分为高、中、低档三类。一、点位、直线与轮廓切削控制（一）点位控制系统点位控制系统常用于数控钻床、数控幢床、数控冲床和其他需定位控制的机械中。（二）直线控制系统常用于简易数控车床、数控锉铣床等。（三）轮廓切削控制系统按同时控制的轴数（即联动轴数）分，可分为2轴联动、
6、3轴两联动、3轴联动、4轴联动和多轴联动等数控机床。其中3轴两联动是指3个坐标轴（x,Y,Z）中任一时刻只能控制任意2轴联动，另一轴则是点位或直线控制。轮廓控制系统一般都有点位和直线控制功能。二、硬件数控和计算机数控早期的数控系统是由数字逻辑电路来处理数字信息的，也就是硬件数控，习惯上称之为NC系统，于20世纪60年代投入使用。随着微处理器价格的降低，常采用多个微处理器在一个数控系统中，这样可以并行完成单微处理器难以完成的复杂功能，而且速度快，有较高的性能价格比。基于功能、价格等因素权衡，多微处理器的数控系统得到了迅速发展。微机数控系统根据一个系统中微处理器的多少，可分为单微机数控系统和多微机
7、数控系统。三、开环数控系统和闭环数控系统（一）开环数控系统这类数控系统的伺服系统是开环的，没有检测反馈装置，数控装置发出的指令信号流是单向的，所以不存在稳定性问题。开环数控系统具有工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉等优点。（二）闭环数控系统闭环数控系统装有检测反馈装置，在加工中随时检测移动部件的实际位置。能得到很高的加工精度。但是闭环系统设计和调整都相当困难。目前这种全闭环系统主要用于精度要求较高的镗铣床、精密车床、精密磨床和加工中心等。（三）半闭环数控系统半闭环数控系统的检测元件安装在伺服电动机或丝杠的端部，也就是说反馈信号取自电动机轴而不是机床的最终运动部件，没有将运动部件包含在闭环系
8、统中，因而称为半闭环数控系统。可获得稳定的控制特性。仍可得到满意的加工精度。四、按功能水平分类按照数控系统的功能水平可以把数控系统分为高、中、低三档。低档（经济型）、中档（普及型）、高档（标准型或全功能型）。（一）分辨率和进给速度（二）坐标联动功能（三）显示功能（四）通信功能（五）主CPU档次（六）内装PLC此外，进给伺服系统的技术水平也是衡量数控系统档次的条件之一。我国现阶段所谓的经济型数控系统，大多指开环数控系统而言，多由步进电机驱动，一般不具有通信功能。这类机床结构简单，精度要求不高，但价格低廉，在我国目前应用较广泛。区别于经济型数控，把功能较齐全的数控系统称为全功能数控系统，或称标准型
9、数控系统。这类数控系统功能较多，进给驱动采用直流或交流数字伺服系统，能实现多轴联动，分辨率高，具有三维动态图形显示和高性能网络通信接口，可进行计算机联网通信。装备这类系统的数控机床功能齐全，加工精度高，但价格较昂贵。如：全功能数控车床、车削中心、多面加工中心及柔性制造单元等。第三节数控机床的有关功能规定数控机床的核心是数控系统。而数控系统的核心是执行信息处理功能的计算机（通常是指微机），它是指挥机床进行自动加工的司令部。反过来，数控系统的控制功能又是为机床加工过程服务的。一、数控机床程序编制的有关规定零件加工程序正确性有两个方面的含义：一是语法正确，即数控系统能识别；二是语义正确，即根据程序所
10、表达的信息，数控机床能加工出符合图样要求的零件来。数控系统的程序输人手段有多种型式，主要分为手动和自动两种方式。手动输人一般是通过键盘输人，也称为手动数据输人方式（MDI）。自动输人可用纸带、磁带、磁盘等信息载体输人，也可以用通信方式输人。当前纸带、磁带输人方式已极少见到。零件加工程序就是一篇用数控语言描述零件加工过程的文章，它由若干个程序段（句子）组成，程序段由若干指令代码（单词）组成，指令代码又是由字母和数字组成，这些字母和数字相当于文章中的字。即字母和数字组成指令代码，指令代码组成程序段，程序段组成程序。数控机床常用的功能指令代码可以分为两大类。一类是准备功能代码，即G代码；另一类是辅助
11、功能代码，即M代码。G代码和M代码是数控加工程序中描述零件加工工艺过程的各种操作和运行特征的基本单元，是程序的基础。国际上广泛采用的ISO10561975E标准规定了G代码和M代码。我国原机械工业部根据ISO标准制定了JB32081983数控机床穿孔带程序段格式中的准备功能G代码和辅助功能M代码标准，如表1一1和表1一2所示。G代码是使数控机床准备好某种运动方式的指令，故称之为准备功能。M代码主要用于数控机床的开关量控制。F代码用于指令切削进给速度，F字母后的数字代表了切削进给速度值，单位是mm/min。T代码用于指令加工用刀具号、刀具长度及刀具补偿功能等。二、数控机床的坐标系和运动方向的规定
12、在数控机床中，机床直线运动的坐标轴X、Y、Z按照ISO和我国的JB30511982标准，规定为右手直角笛卡尔坐标系。基本坐标轴为X、Y、Z直角坐标，围绕X、Y、Z三个轴的旋转运动轴为A、B、C，如图15所示。X、Y、Z的正方向是使工件尺寸增加的方向，即增大工件和刀具的距离的方向。通常以平行于主轴的轴线为Z轴（即Z坐标运动由传递切削动力的主轴所规定），若机床有多个主轴，应选尽可能垂直于工件装卡面的主要轴为Z轴并规定增大工件和刀具距离的方向作为Z轴的正方向。X、Y、Z为主坐标系或称为第一坐标系。若有平行于X、Y、Z的第二组坐标系和第三组坐标系，则分别指定为U、V、W和P、Q、R靠近主轴的直线运动为
13、第一坐标系，稍远的为第二坐标系。第四节机床数控技术的发展一、数控机床的产生和数控技术的发展过程采用数字控制技术进行机械加工的思想，最早是在20世纪40年代初提出的。1952年，美国麻省理工学院将计算机技术应用到机床控制上，成功地研制出一台三坐标联动的数控铣床。这是公认的世界上第一台数控机床。1959年，美国的卡尼一特雷克公司成功地开发了称为“MILWAUKEE一MATIC”的加工中心。我们将晶体管数控装置称为第二代数控系统。1965年，数控装置开始采用小规模集成电路，使数控系统的体积减小、功耗降低、可靠性提高。称之为第三代集成电路数控系统。1967年，美国首先把几台数控机床连接成具有柔性的加工
14、系统，这就是最初的FMS（柔性制造系统）。1970年，在美国芝加哥国际机床展览会上，首次展出了第四代数控系统用小型计算机控制的数控机床。这是第一台用计算机控制的机床，简称CNC。1971年，美国INTEL公司第一次将计算机的核心部件运算器和控制器集成在一块大规模集成电路芯片上，称之为微处理器。到了1974年，微处理器直接用于数控系统，微处理器的应用使数控系统进人到第五代。20世纪80年代初，国际上出现了柔性制造单元FMC。1990年，数控系统进入到基于PC的时代，称之为第六代数控系统。二、我国数控机床发展情况我国从1958年开始研究数控技术，一直到20世纪60年代中期仍处于研制、开发阶段。19
15、65年，国内开始研制晶体管数控系统。从20世纪70年代开始，数控技术在车、铣、钻、铿、磨、齿轮加工和电加工等领域全面展开，数控加工中心也先后在北京、上海研制成功。20世纪80年代，我国先后从日本、美国等国家引进了部分数控装置和伺服系统技术，在北京、上海和辽宁等地，开始小批量试制和生产数控系统。近几年，我国有关技术主管部门已明确了发展以PC为平台的数控系统，较好地解决了多坐标联动的数控技术难题。目前，我国已经可以供应网络化、集成化、柔性化的数控机床，从整体上，我国已跨人了数控技术领域世界先进行列中。三、机床数控技术的发展趋势随着高速切削和精密加工等先进制造技术的发展，对数控装置的性能提出了更高的
16、要求。目前，数控技术正由专用型封闭式控制模式向通用型开放式控制模式转换。数控系统朝着高速度、高精度、智能化、环保型、网络型和高可靠性的方向迅猛发展。1 数控系统的发展目前，数控系统多采用位数、频率更高的微处理器、超大规模集成电路和多微处理器体系结构，主要用以提高系统的插补运算速度和精度。因此，高性能数控系统可以同时控制几个轴，甚至几十个轴（包括坐标轴、主轴及辅助轴），有多个控制通道，并且，前台的加工控制和后台的程序编辑，可以同时进行。当今世界上开放式数控系统主要有以下几种类型：1)“PC嵌人NC”结构型式。2)“NC嵌人PC”结构型式3)SOFT型开放式数控系统为了适应FMC（柔性制造单元）、
17、FMS（柔性制造系统）以及进一步联网组成CIMS（计算机集成制造系统）的通信要求，目前现代数控系统除具有广泛使用的RS-232C串行通信接口外，还具有网络通信接口。从而，满足了不同生产厂家不同数控系统的联网需求，为组成CIMS集成制造系统创造了条件。2 数控伺服系统的发展伺服系统是数控系统的输出执行部件。伺服系统的静态和动态性能将直接影响数控机床的定位精度、位移速度、加工精度和效率。其技术发展如下：(l）前馈控制技术(2）补偿技术的应用和发展(3）采用高分辨力的位置检测装置(4）直线电动机驱动机构(5）电主轴驱动3程序编制方面的发展近几年在编程方面的发展有以下几个特点：l）脱机编程发展到在线编
18、程。2）具有机械加工技术中的特殊工艺方法和组合工艺方法的程序编制功能。3）可以同时处理几何信息和工艺信息。4数控机床的检测和监督5自适应控制的应用习题与思考题1-l请解释下列常用技术名词：数字控制系统、CNC系统、数控机床、插补。l-2试述机床数控系统的组成及各部分的作用。1-3按控制运动轨迹划分，数控系统有哪几种类型，各自的特点与应用的范围。1-4试画出开环、半闭环和闭环数控系统的结构框图，并说明它们的区别。1-5数控机床的加工程序是由哪几部分构成的？1-6简述G代码、M代码、T代码和S代码的功能。1-7简述使用数控机床进行加工的优点和缺点。1-8数控机床的坐标系和运动方向是怎样规定的？1-
19、9试述数控技术的发展趋势。第二章数控检测传感器第一节 概述现在大多数的数控系统，尤其是高精度的CNC数控系统都是由微型计算机进行控制的闭环系统。图2-1为闭环数控系统框图。检测反馈装置包括检测传感器和测量反馈电路，其作用是将位置或速度等被测参数经过一系列转换由模拟量转化为计算机所能识别的数字脉冲信号，送入微机数控装置。检测反馈环节既可检测工作台的线位移又可检测伺服电动机的旋转位移及速度，检测信号经反馈电路送入微机数控装置后与位置指令信号相比较，得到偏差值，再通过微机数控装置中的位置调节单元及速度控制单元处理后送出控制信号以控制伺服驱动装置带动工作台移动。数控机床对检测传感器的要求有：1）满足速
20、度和精度要求。2）高的可靠性和高抗干扰性。3）使用维护方便，适合机床运行环境。4）成本低。由于工作条件和测量要求的不同，检测方式亦可分为多种。一、直接测量和间接测量若检测传感器所测量的对象就是被测量本身，即直线式检测传感器测直线位移，旋转式检测传感器测角位移，则该测量方式称为直接测量。若旋转式检测传感器测量的回转运动只是中间值，由它再推算出与之相关联的工作台的直线位移，那么该测量方式称为间接测量。二、增量式和绝对式测量增量式测量的特点是只测位移增量，即工作台每移动一个基本长度单位，检测装置便发出一个测量信号，此信号通常是脉冲形式。绝对式测量的特点是，被测的任一点的位置都由一个固定的零点算起，每
21、一被测点都有一个对应的测量值，常以数据形式表示。三、接触式测量和非接触式测量接触式测量在检测中，检测传感器与被测对象间存在着机械联系，因此机床本身的膨胀、振动等因素会对测量产生一定的影响。非接触式测量的检测传感器与被测对象间是分离的，不发生机械联系。四、数字式测量和模拟式测量数字式测量是以量化后的数字形式表示被测量。得到的测量信号可以是电脉冲形式，计数后得到脉冲个数以数字形式表示位移。模拟式测量是将被测量用连续的变量来表示。第二节码盘工作原理码盘又称编码器，是一种旋转式测量元件，通常装在被检测轴上，随被测轴一起转动，可将被测轴的角位移转换成增量脉冲形式或绝对式的代码形式。根据内部结构和检测方式
22、可分为接触式、光电式和电磁式三种。一、接触式码盘接触式码盘是一种绝对式的检测装置，可直接把被测转角用数字代码表示出来，且每一个角度位置均有其对应的测量代码，因此这种测量方式即使断电或切断电源，也能读出转动角度。如图2-2a所示为一个四位二进制码盘。通过图2-2a可看出电刷位置与输出代码的对应关系。不难看出，码道的圈数就是二进制的位数，且高位在内，低位在外。由此可以推断出，若是n位二进制码盘，就有n圈码道，且圆周均分等分，即共有个数据来分别表示其不同位置，所能分辨的角度为：、。位数n越大，所能分辨的角度越小，测量精度就越高。所以，若要提高分辨力，就必须提高码道数，即二进制位数。为了消除这种非单值
23、性误差，可采用二进制循环码盘（格雷码盘）。图2-2b为一个4位格雷码盘。它的各码道的数码并不同时改变，任何两个相邻数码间只有一位是变化的，所以每次只切换一位数，把误差控制在最小单位内。将二进制码转换成格雷码的法则是：将二进制码与其本身右移一位后并舍去末位的数码作不进位加法，得结果即为格雷码（循环码）。二、光电式码盘光电式码盘是一种光电式转角检测装置。码盘用透明及不透明区域按一定编码构成。根据其编码方式不同，可分为增量式和绝对式。增量式光电码盘可通过光电转换将被测轴的角位移增量转换成相应的脉冲数字量，然后由微机数控系统或计数器计数得到角位移量和直线位移量。图2-3所示为增量式光电码盘测量系统的原
24、理示意图。这种光电码盘的测量精度取决于它所能分辨的最小角度，而这与码盘圆周内所分的狭缝条数有关。即分辨角为：、。随着码盘转动，光敏元件输出的信号不是方波，而是近似正弦波。为了测量出转向，光栏板的两个狭缝距离比码盘两个狭缝之间的距离小1/4节距，使两个光敏元件的输出信号相差相位。1）根据脉冲的数目可得出工作轴的回转角度，然后由传动速比换算为直线位移距离。2）根据脉冲的频率可得工作轴的转速。3）根据光栏板上两条狭缝中信号的先后顺序（相位）可判断光电码盘的正反转。绝对式光电码盘与接触式码盘结构相似（可参看图2-2a），只是其中的黑白区域不表示导电区和绝缘区，而是表示透光或不透光区。第三节光栅测量装置
25、光栅是在玻璃或金属基体上均匀地刻划很多等节距的线纹而制成的。它的制作工艺是在一块长形玻璃上用真空镀膜的方法镀上一层不透光的金属膜，再涂上一层均匀的感光材料，然后用照相腐蚀法制成等节距的透光和不透光相间的线纹，这些线纹与运动方向垂直，线纹间的距离为栅距。一般来讲，可分为物理光栅和计量光栅。计量光栅根据其形状、用途及材质的不同又可分为多种类型。计量光栅按形状可分为长光栅和圆光栅。长光栅用于直线位移测量，因而又称为直线光栅；圆光栅用于角位移测量。两者工作原理基本相似。一、光栅的结构在光栅测量中，通常由一长一短两块光栅尺配套使用，其中长的一块称为主光栅或标尺光栅。短的一块称为指尺光栅，固定在机床相应部
26、件上。两光栅尺上的刻线密度均匀且两尺相互平行放置，并保持一定的间隙（0.05mm或0.1lmm）。图2-4所示为一光栅尺的简单示意图。二、莫尔条纹的形成如图2-5所示，将两块栅距相同、黑白宽度相同（）的标尺光栅和指示光栅刻线面平行放置，将指示光栅在其自身平面内倾斜一很小的角度，以便使它的刻线与标尺光栅的刻线间保持一个很小的夹角。这样，在光源的照射下，就形成了与光栅刻线几乎垂直的横向明暗相间的宽条纹，即莫尔条纹。图2-6表示出横向莫尔条纹参数间的关系。，其中，因而，由于值很小，上式可简化成莫尔条纹有如下特点：（一）起放大作用由式（2-1）可知，莫尔条纹的节距将光栅栅距放大了若干倍。虽然光栅栅距很
27、小，但莫尔条纹却清晰可见，便于测量。（二）莫尔条纹的移动与栅距的移动成比例当两光栅尺沿与刻线垂直方向相对移动时，莫尔条纹沿刻线夹角的平分线方向移动。当光栅尺移动一个栅距，莫尔条纹恰恰移动了一个节距。若光栅尺移动方向改变，莫尔条纹的移动方向也改变。两者移动方向及光栅夹角关系如表2-1所示。（三）起均化误差的作用如图2-5所示，莫尔条纹是由许多根刻线共同形成的，栅距间的固有相邻误差平均化了。三、光栅测量系统（一）光栅测量的基本电路光栅测量系统如图2-7a所示，由光源、透镜、光栅尺、光敏元件和一系列信号处理电路组成。信号处理电路又包括放大、整形和鉴向倍频。首先分析光栅移动过程中位移量与各转换信号的相
28、互关系。配合图2-7b看，当光栅移动一个栅距，莫尔条纹便移动一个节距。硅光电池将近似正弦的光强信号变为同频率的电压信号（波形b），经差动放大器放大到幅值足够大（16V左右）的同频率正弦波（波形c），再经整形器变为方波（波形d）。由此可以看出，每产生一个方波，就表示光栅移动了一个栅距。最后通过鉴向倍频电路中的微分电路变为一个窄脉冲（波形e）。这样，就变成了由脉冲来表示栅距，而通过对脉冲计数便可得到工作台的移动距离。（二）鉴向倍频电路若按前面所述只开一个窗口观察，虽可根据其明暗的周期变化得到移动距离，但是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周期变化是相同的。如果开两
29、个窗口，它们相距莫尔条纹节距，那么从这两个窗口同时观察，就可看出莫尔条纹明暗变化的先后关系，再根据表2-1就可知道光栅的移动方向了。为了提高光栅的分辨精度，除了增大刻线密度和提高刻线精度外，还可用倍频的方法细分。这里介绍的是一个4倍频的电路。所谓4倍频细分，就是从莫尔条纹原来的一个脉冲信号，变为在0、都有脉冲输出，从而使精度提高了4倍。如图2-9所示，实现4倍频的方法是每隔莫尔条纹节距放置一个硅光电池，其中1、3接差动放大器l，经放大整形后变为正弦方波；硅光电池2、4接差动放大器2，经放大整形后变为余弦方波。方波再经微分电路变为尖脉冲信号。由于脉冲是在方波上升沿产生的，为了使0、的位置上都有脉
30、冲，可先把正弦、余弦方波各自反向一次，然后再微分，就可获得4个两两相差的尖脉冲、，这些脉冲再通过一些与或门与4个方波A、B、C、D进行逻辑组合以判断正、反向。如果是正向，就会通过与或门YH1每隔送出一个脉冲，如果是反向，就会在与或门YH2每隔送出一个脉冲。这样，在一个周期内，送出了4个脉冲。很显然，分辨精度提高了4倍。若光栅栅距0.01mm，则工作台每移动0.0025mm，就会送出一个脉冲，即分辨力为0.0025mm。由此可以看出，光栅检测系统的分辨力不仅取决于光栅尺的栅距，还取决于鉴向倍频的倍数n，即第四节旋转变压器和感应同步器感应同步器和旋转变压器均属于电磁式测量传感器，其输出电压随被测角
31、位移或直线位移的变化而变化，从其测量方式来讲，属模拟式测量。其中感应同步器又分为直线式和旋转式两种。前者用于直线测量，后者用于角度测量。旋转变压器的工作原理和感应同步器相似，主要用于检测角位移，也作为速度检测元件。一、旋转变压器（一）旋转变压器的工作原理旋转变压器是一种测量角度用的小型交流电动机，由定子和转子组成。其中定子绕组作为变压器的一次侧，接受励磁电压，励磁频率通常用400、500、3000及5000Hz。转子绕组作为变压器的二次侧，通过电磁耦合得到感应电压。旋转变压器分为单极和多极型式。如图2-10所示，单极型旋转变压器的定子和转子各有一对磁极，假设加到定子绕组的励磁电压为，则转子通过
32、电磁耦合，产生感应电压。当转子转到使它的绕组磁轴和定子绕组磁轴垂直时转子绕组感应电压；当转子绕组的磁轴自垂直位置转过一定角度时，转子绕组中产生的感应电压为：当转子转过（即=），两磁轴平行，此时转子绕组中感应电压最大，即实际应用时往往较多地使用正弦余弦旋转变压器，其定子和转子各有互相垂直的两个绕组，如图2-11所示，若将定子中的一个绕组短接而另一个绕组通以单相交流电压，则在转子的两个绕组中得到的输出感应电压分别为：由于两个绕组中的感应电压恰恰是关于转子转角的正弦和余弦的函数，所以我们称之为正弦余弦旋转变压器。(二)旋转变压器工作方式如图2-12所示，若把转子的一个绕组短接，而定子的两个绕组分别通
33、以励磁电压，应用叠加原理，可得到两种典型的工作方式。1鉴相工作方式给定子的两个绕组分别通以同幅、同频但相位相差的交流励磁电压，即、。这两个励磁电压在转子绕组中都产生了感应电压，并叠加在一起，因而转子中的感应电压应为这两个电压的代数和：同理，假如转子逆向转动，可得2鉴幅工作方式给定子的两个绕组分别通以同频率、同相位但幅值不同的交流励磁电压，即，其幅值分别为正、余弦函数：则定子上的叠加感应电压为：同理，如果转子逆向转动，可得二、感应同步器的结构和工作原理（一）感应同步器的结构感应同步器也是一种电磁式的检测传感器，按其结构可分为直线式和旋转式两种。这里着重介绍直线式感应同步器。直线式感应同步器用于直
34、线位移的测量，其结构相当于一个展开的多极旋转变压器，它的主要部件包括定尺和滑尺，定尺安装在机床床身上，滑尺则安装于移动部件上，随工作台一起移动，两者平行放置，保持0.20.3mm间隙。(二)感应同步器的工作原理感应同步器的工作原理与旋转变压器的相似。当励磁绕组与感应绕组间发生相对位移时，由于电磁耦合的变化，使感应绕组中的感应电压随位移的变化而变化，感应同步器和旋转变压器就是利用这个特点进行测量的。所不同的是，旋转变压器是定子、转子间的旋转位移，而感应同步器是滑尺和定尺间的直线位移。如图2-14所示说明了定尺感应电压与定、滑尺绕组的相对位置的关系。根据励磁绕组中励磁供电方式的不同，感应同步器可分
35、为相位工作方式和幅值工作方式。1相位工作方式给滑尺的正弦绕组和余弦绕组分别通以频率相同、幅值相同但时间相位相差900的交流励磁电压，即、若起始时正弦绕组与定尺的感应绕组对应重合，当滑尺移动时，滑尺与定尺的绕组不重合，则定尺绕组中产生的感应电压为即当滑尺移动距离，则对应的感应电压以余弦或正弦函数变化角度。同理，由于余弦绕组与定尺绕组相差1/4节距，故在定尺绕组中的感应电压为应用叠加原理，定尺上感应电压为定尺的感应电压就只随着空间相位角的变化而变化了。2幅值工作方式给滑尺的正弦绕组和余弦绕组分别通以相位相同、频率相同但幅值不同的交流励磁电压，即，其中，两励磁电压的幅值分别为，则在定尺上的叠加感应电
36、压为定尺感应电压实际上是误差电压，当位移增量很小时，误差电压的幅值和成正比，因此可以通过测量的幅值来测定位移量的大小。三、感应同步器的测量系统（一）鉴相测量系统如图2-15所示，为感应同步器鉴相测量系统框图。此系统测量的前提是感应同步器应工作在相位工作状态。这时感应同步器将工作台机械位移变为电压信号的相位变化。通过测量定尺电压，经放大滤波整形后作为实际相位送鉴相器。（二）鉴幅测量系统鉴幅测量系统是通过鉴别定尺绕组输出的误差信号的幅值来进行位移测量的。当定尺和滑尺作相对移动时，两者绕组间的相对空间相位角在不断地改变，并且每移动一个增量距离，便由测量电路发出一个脉冲，这些脉冲信号可不断地自动修改滑
37、尺绕组的励磁信号，从而使不断跟随而变化。第五节磁栅磁栅是一种录有等节距磁化信号的磁性标尺或磁盘，可用于数控系统的位置测量，其录磁和拾磁原理与普通磁带相似。在检测过程中，磁头读取磁性标尺上的磁化信号并把它转换成电信号，然后通过检测电路把磁头相对于磁尺的位置送微机或数显。磁栅与光栅、感应同步器相比，测量精度略低一些。一、磁栅结构磁栅测量装置由磁性标尺、拾磁磁头和测量电路组成。二、磁栅工作原理单磁头结构如图2-17所示，磁头有两个绕组，一组为输出绕组，一组为励磁绕组。在励磁绕组中加一高频的交变励磁信号，则在铁心上产生周期性正反向饱和磁化，即使磁心的可饱和部分在每周期内两次被电流产生的磁场饱和。当磁头
38、靠近磁尺时，磁尺上的磁通在磁头气隙处进入铁心，并流过拾磁绕组的磁心而产生电压输出。三、磁栅检测电路根据检测方法的不同，亦可分为鉴相测量及鉴幅测量，以鉴相式应用较多。第三章数控机床的伺服系统第一节概述一、伺服系统组成数控机床伺服系统是以机床移动部件（如工作台）的位置和速度作为控制量的自动控制系统。它接收计算机插补生成的进给指令，并将其变换为机床工作台的位移。伺服系统作为数控机床的重要组成部分，其本身的性能直接影响了整个数控机床的精度和速度等技术指标。闭环伺服系统的一般结构如图3-1所示。它是一个位置随动系统，通常由速度环和位置环构成。速度环常用的检测元件有测速发电机或高分辨力脉冲编码器等，速度控
39、制单元由速度调节器、电流调节器及功率驱动电源等组成。位置环由CNC中位置模块与速度控制单元、位检及反馈等部分构成。常见的伺服系统可有开环系统与闭环系统之分，直流伺服系统与交流伺服系统之分，进给伺服系统与主轴伺服系统之分。此外，根据反馈比较控制方式还可分为脉冲数字比较伺服系统、相位比较伺服系统、幅值比较伺服系统及全数字伺服系统等。二、数控机床对伺服系统的基本要求随着数控技术的不断发展，数控机床对伺服系统提出了很高的要求，对进给伺服系统的要求如下。（一）精度高（二）响应快（三）调速范围宽第二节步进电动机伺服系统步进电动机伺服系统是典型的开环伺服系统。在开环系统中执行元件多是步进电动机，它将进给脉冲
40、转换为具有一定方向、大小和速度的机械转角位移，带动工作台移动。由于该系统没有反馈检测环节，因此它的精度主要由步进电动机来决定，速度也受到步进电动机性能的限制。但开环伺服系统结构和控制简单，容易调整，在速度和精度要求不太高的场合，仍具有一定的使用价值。一、步进电动机基本原理和主要特性（一）步进电动机的工作原理现以图3-2所示的反应式三相步进电动机为例，说明步进电动机的工作原理。定子上有六个磁极，分成U、V、W三相，每个磁极上绕有励磁绕组，按串联（或并联）方式联接，使电流产生的磁场方向一致。转子无绕组，它是由带齿的铁心做成的，当定子绕组按顺序轮流通电时，U、V、W三对磁极就依次产生磁场，并每次对转
41、子的某一对齿产生电磁转矩，吸引过来使它一步步转动。每当转子某一对齿的中心线与定子磁极中心线对齐时，磁阻最小，转矩为零，每次就在此时按一定方向切换定子绕组各相电流，使转子按一定方向一步步转动。单三拍方式，双三拍控制方式，三相六拍工作方式步进电动机的转动是由绕组的脉冲电流控制的，即由指令脉冲决定的。指令脉冲数决定它的转动步数，即角位移的大小；指令脉冲频率决定它的转动速度。只要改变指令脉冲频率，就可以使步进电动机的旋转速度在很宽的范围内连续调节。改变绕组的通电顺序，可以改变它的旋转方向。（二）步进电动机的结构及主要特性1步进电动机的种类及结构步进电动机的结构形式，其分类方式很多。按力矩产生的原理分有
42、反应式和励磁式。反应式为转子无绕组，由被励磁的定子绕组产生反应力矩实现步进运行。励磁式定子、转子均有励磁绕组（或转子用永久磁钢），由电磁力矩实现步进运行。带永磁转子的步进电动机叫做混合式步进电动机（或感应子式同步电动机）。所谓“混合式”是因为它是在永磁和励磁原理共同作用下运转的，这种电动机因效率高以及其它优点与反应式步进电动机一起在数控系统中得到广泛的应用。按输出力矩大小分为伺服式和功率式。伺服式只能驱动较小负载，一般与液压扭矩放大器配用，才能驱动机床工作台等较大负载。功率式可以直接驱动较大负载，它按各相绕组分布分为径向式和轴向式。径向式步进电动机，各相按圆周依次排列，轴向式步进电动机，各相按
43、轴向依次排列。图3-3所示为反应式步进电动机结构原理图。定子上有六个均布的磁极，在直径相对的两个极上的线圈串联，构成了一相控制绕组。2步进电动机的主要特性（1）步距角和静态步距误差步进电动机的步距角是反应步进电动机定子绕组的通电状态每改变一次，转子转过的角度。它取决于电动机结构和控制方式。步距角步进电动机每走一步的步距角应是圆周的等分值。（2）静态矩角特性当步进电动机不改变通电状态时，转子处在不动状态。如果在电动机轴上外加一个负载转矩，使转子按一定方向转过一个角度，此时转子所受的电磁转矩称为静态转矩，角度称为失调角。描述静态时与的关系叫矩角特性（见图3-4a）该特性上的电磁转矩最大值称为最大静
44、转矩。在静态稳定区内，当外加转矩除去时，转子在电磁转矩作用下，仍能回到稳定平衡点位置（=0）。（3）启动频率空载时，步进电动机由静止状态突然启动，并进入不丢步的正常运行的最高频率，称为启动频率或突跳频率。（4）连续运行频率步进电动机启动以后，其运行速度能跟踪指令脉冲频率连续上升而不丢步的最高工作频率，称为连续运行频率，其值远大于起动频率。（5）矩频特性与动态转矩矩频特性是描述步进电动机连续稳定运行时输出转矩与连续运行频率之间的关系的，如图3-4b所示。该特性上每一个频率对应的转矩称为动态转矩。使用时，一定要考虑动态转矩随连续运行频率的上升而下降的特点。二、步进电动机伺服系统驱动控制电路步进电动
45、机驱动控制线路由环形分配器和功率放大器组成。目前在多数CNC系统中，环形分配器功能由软件实现，在这种情况下，环形分配器不包括在驱动控制线路中。（一）环形分配器环形分配器的作用是把来自CNC插补装置输出的指令进给脉冲按一定规律分成若干路电平信号，去控制步进电动机的几个定子绕组，使其正向运转或反向运转。环行分配器是根据步进电动机的相数和控制方式设计的。图3-5表示一个三相六拍环行分配器的原理线路图。该线路图由与非门和JK触发器组成。下面主要介绍步进电动机控制程序软件的实现。1输出字图3-6示出了轴步进电动机控制接口框图。图中采用一块并行接口芯片8255与步进电动机驱动电路相连接。选定8255的分别
46、送出控制步进电动机U、V、W三相绕组的控制信号，并假定数据输出为“1”时，相应的绕组通电；为“0”时，断电。那么，只要通过执行一段程序，使8255的数据输出端按下面所示的规律送出控制信号，就可以控制步进电动机的各绕组依次通电，从而控制步进电动机按三相六拍控制方式正向转动或反向转动。当步进电动机的相数和控制方式确定之后，输出数据变化的规律就确定了，这种输出数据变化规律就称为“输出字”。若要控制步进电动机正转，则按正序取出数据送到输出即可。若要控制步进电动机反转，则按反序取出数据送到输出即可。2转速控制如前所述，按正序或反序顺次取出输出字送到8255的输出端即可控制步进电动机正转或反转。而输出字更
47、换得越快，步进电动机的转速越高。控制输出字更换（即步进电动机从一种通电状态转换到另一种通电状态）的速度，即如何控制步进电动机的转速，通常有两种方式：直接控制方式和中断控制方式。所谓直接控制方式就是通过程序延时的办法来直接控制步进电动机转速，即CPU送出前一组数据后，进入程序延时，到再取第二组数据送出。延时长转速就慢，延时短转速就快。中断控制方式通常采用定时器定时，以确定步进电动机的走步时间间隔，定时时间到由定时器申请中断，走一步，开始下一步定时。改变定时时间常数即可控制步进电动机的走步速度。3控制程序流程图假定采用直接控制方式控制一台轴步进电动机按三相六拍方式工作。接口安排如图3-6所示。步进电动机驱动程序设计为中断服务子程序，通常成为走步子程序或进给子程序。走步方向可以用一个固定单元的一位来传递给走步子程序。走步子程序流程图如图3-7所示。根据图3-7编制程序，即
