1、数控技术复习提纲,数控技术的基本概念机床数控技术及设备组成数控加工原理数控机床的特点与分类数控技术的发展趋势,内容提要：,第1章 数控技术概论,第1章 数控技术概论,数控技术、数控系统、数控机床 数控技术：采用数字、字母或符号等数字化信息对某一工作过程进行可编程的自动控制技术。 数控系统：实现数控技术相关功能的软硬件系统，它是数控技术的载体。(NC/CNC) 数控机床：应用数控技术对机床加工过程进行控制的机床。,内容要点,第1章 数控技术概论,数控机床的组成及工作原理 组成：由输入输出设备、CNC装置、伺服单元、驱动装置(执行机构)、测量装置、PLC及电气控制装置、辅助装置系统和机床本体等部分
2、组成。 工作原理：将被加工零件的形状、尺寸、工艺要求等信息按规定编程，并记录在输入介质上，输入到数控装置。数控装置对输入信息进行处理和计算，根据计算的结果向各执行机构（进给系统、主轴系统等）分配进给指令。执行机构对来自数控装置的各种指令进行处理、转换和放大，驱动机床的运动部件（工作台、刀具及主轴等）运动，按照要求的形状和尺寸完成零件的加工任务。而辅助控制则是为了保证机床安全、方便、有效工作而必不可少的一些操作，如冷却、润滑以及工件刀具的的自动松夹、排屑、限位、各种保护、联锁互锁等。,内容要点,数据加工数据转换过程：加工程序译码刀补插补（逼近处理、分解运算、指令输出）PLC控制,第1章 数控技术
3、概论,数控机床的特点 能适应不同零件的自动加工； 加工精度高、加工质量稳定； 能优质高效地完成复杂零件的加工，生产率高； 功能复合程度高，工序集中，一机多用 ； 高技术设备，购买、使用、维护和维修费用相对较高。,内容要点,第1章 数控技术概论,数控机床的分类 按工艺用途分类：切削加工类(数控车床、数控铣床、数控磨床、加工中心等) 、成型加工类(数控折弯机、数控弯管机)、特种加工类(数控线切割机、激光加工机等)、其它类(数控装配机、数控测量机、工业机器人等)； 按控制功能(运动方式)分类：- 点位控制系统：仅能控制刀具相对于工件的精确定位控制系统，而在相对运动的过程中不能进行任何加工；- 直线控
4、制系统：不仅具点位控制功能，而且还能实现沿某一坐标轴或两轴等速的直线移动和加工的功能的控制系统；- 轮廓控制系统：能实现两轴或两轴以上的联动加工，即具有实现对曲线或曲面轮廓零件的加工能力控制系统。所谓联动，就是机床上各坐标轴的运动之间有着确定的函数关系，这个函数就是零件的轮廓曲线(曲面).,内容要点,第1章 数控技术概论,数控机床的分类 按进给伺服系统的特点分类：- 开环控制系统：没有位置反馈装置的进给控制系统，信息流为单向，机床的位置精度相对闭环要差一些，但结构简单，系统稳定性易于整定，价格便宜，驱动元件主要是步进电机。 - 闭环控制系统：利用直接从执行部件上引入的位置反馈信息（实际位移量）
5、与来自数控装置的指令信息进行比较，利用比较的结果（误差）对执行部件实施控制的系统，其控制精度较高，但调试比较复杂，多用于高精度的数控机床。 - 半闭环控制系统：与闭环系统相比，该系统位置反馈是从中间某个环节（如电机轴或丝杆轴）引入的，其结构、性能、精度均介于开环与闭环之间。,内容要点,第1章 数控技术概论,数控技术与数控机床的技术水平与发展趋势 运行高速化：主轴、换刀及拖板交互等高速化 加工高精化：制造与装配精度，控制精度（补偿技术） 功能复合化：一机多用，“万能加工” 控制智能化：自适应控制，自动补偿，智能监控与诊断 体系开发化 驱动并联化 交互网络化,内容要点,第1章 数控技术概论,掌握数
6、控技术、数控系统和数控机床等基本概念； 掌握数控机床的组成及工作原理； 了解数控机床几种分类方式； 知道数控机床与数控加工的特点及其应用范围； 了解数控机床目前发展的趋势和技术水平。,基本要求,第2章 数控加工程序编制基础,数控编程概述（编程的概念、内容与步骤、编程方法、数控机床坐标系等） 数控编程中的常用指令 数控编程中的工艺处理 数控编程中的数学处理,内容提要,内容要点,第2章 数控加工程序编制基础,数控编程的基本概念 概念：从分析零件图纸开始，经过工艺分析、数学处理到获得数控机床所需的数控加工程序的全过程叫做数控程编。 编程方法：手工编程、自动编程； 数控编程的内容与步骤：分析零件图纸，
7、确定工艺过程，计算运动轨迹的坐标，编写程序单和初步校核，制备控制介质、首件试切等过程。(为什么要首件试切?),内容要点,第2章 数控加工程序编制基础,数控机床坐标系 统一机床坐标轴及运动方向，可使编程方便，并可使编制的程序对同类型的机床具有通用性，同时也给维护维修和使用带来极大的方便。 坐标轴的方向及命名：移动轴为x、y、z，它是一个互为垂直的坐标系统（笛卡尔坐标系统），其相互关系可用右手定则确定。回转轴为A、B、C分别绕x、y、z轴回转，其正方向可用右手螺旋法则确定。数控机床坐标系中各轴的方向总是假定刀具相对于静止的工件运动而规定的，常用+x、+y、+z表示各轴的正方向，这样可使编程人员仅按
8、规定的坐标系编程即可，而不必关心具体坐标轴是刀具移动还是工件移动； 各坐标轴的方向和命名方法已有国际标准和国家标准。,内容要点,第2章 数控加工程序编制基础,机床坐标系与工件坐标系 机床坐标系是以机床原点为坐标系参考点的坐标系，它是机床固有的坐标系，在一台数控机床上它具有唯一性，其它工件坐标系均以此坐标系为参考。 工件坐标系是为方便编程而建立的坐标系，编程人员通常在工件、零件图纸或夹具上选取一个编程较方便的点（即工件原点）来建立一个坐标系以简化编程计算。在加工时，只要找出工件原点与机床原点的偏置关系便可按程序进行正确的加工。另外，此功能还可以用来补偿工件在工作台上的安装误差。,内容要点,第2章
9、 数控加工程序编制基础,绝对坐标系与相对坐标系 绝对坐标：刀具（或机床）运动轨迹的坐标值是以相对于固定的坐标系原点给出的，即称绝对坐标，该坐标系为绝对坐标系。 相对坐标：刀具（或机床）运动轨迹的坐标值是相对于前一位置（起点）来计算的，即称相对（增量）坐标，该坐标系成为增量坐标系或相对坐标系。,内容要点,第2章 数控加工程序编制基础,数控加工程序结构与常用指令 在数控加工程序中，用各种准备功能G指令和辅助功能M指令，来描述工艺过程的各种运动和操作，ISO和我国都制定了相应的G、M指令的标准。 G指令是使机床建立起某种加工方式的指令，共计100种，即G00G99. M指令是控制程序运行和机床辅助动
10、作及状态的指令，共计100种，即M00M99. 除G、M指令外，还有进给速度F、主轴转速指令S、刀具选择指令T、尺寸指令X,Y,Z,A,B,C,I,J,K,R以及程序段标号指令N 等。 数控加工程序就是上述指令有机的集合，即程序由若干程序段（完成一个工步的操作）组成，而程序段是由若干指令组成的。指令是编程的最小功能单位。另外还可利用子程序来简化具有许多重复操作的编程工作。,内容要点,第2章 数控加工程序编制基础,数控加工工艺内容与特点 工艺特点：工序内容具体、复杂、严密、集中等。 工艺内容：数控加工零件选择、数控加工工艺性分析、工艺路线制定、工序设计、工艺指令处理等。,内容要点,第2章 数控加
11、工程序编制基础,数控加工工艺内容与特点 工艺特点：工序内容具体、复杂、严密、集中等。 工艺内容：数控加工零件选择、数控加工工艺性分析、工艺路线制定、工序设计、工艺指令处理等。 工艺路线设计包括机床选择、加工方法选择、工序安排。 工序设计：装夹与夹具设计、刀具选择、切削用量选择、对刀点与换刀点确定、加工路线确定。,内容要点,第2章 数控加工程序编制基础,对刀点的确定 对刀点：刀具与工件相对运动的起点(加工起点、起刀点)；可以是工件或夹具上的点，或者与它们相关的易于测量的点 刀位点：用于确定刀具在机床上坐标系中位置的刀具上的点。 对刀点确定之后，机床座标系和工件坐标系的相对位置关系就确定了。所谓“
12、对刀”操作就是使“对刀点”与“刀位点” 重合的操作。 选择对刀点的原则：尽可能选在零件的设计基准、工艺基准或与之相关的位置上，同时还要考虑对刀方便，便于测量和便于编程计算。,内容要点,第2章 数控加工程序编制基础,数控编程误差分析 零件加工误差包括：一部分是整个工艺系统(包括数控系统、机床、工装及工件毛坯)本身各种因素所产生的误差加工过程的误差；另一部分就是编程误差。 编程误差由三部分组成：程 f(逼, 插, 园）(逼进误差、插补误差、圆整误差)在编程中要尽可能减少这些误差的影响，特别是不能使它们有累积效应。,内容要点,第2章 数控加工程序编制基础,数控编程中的数学处理 主要内容：基点坐标与节
13、点坐标计算、刀具中心轨迹计算、辅助计算。 直线、圆弧类零件的数学处理：直接利用三角函数关系求得。 非园曲线节点坐标计算：直线段逼近（等步长法、等误差法）、圆弧段逼近（曲率园法、三点园法、相切园法、双圆弧法等） 列表曲线与曲面的数学处理：曲线、曲面拟合,基本要求,第2章 数控加工程序编制基础,熟悉数控编程的基本概念、方法与步骤； 掌握数控机床坐标系的确定方法； 熟悉G代码、M代码等编程指令格式； 熟悉与了解数控编程工艺分析（对刀点的确定）与加工方法的选择； 熟悉与掌握数控编程中的数学处理方法。,第3章 数控加工编程方法,内容提要,手工编程方法数控车床编程方法数控铣床编程方法数控线切割编程方法加工
14、中心编程方法 自动编程方法,基本要求,掌握数控车床的手工编程方法（结合典型零件加工）； 重点掌握数控铣床的手工编程方法（结合典型零件加工）； 了解数控线切割机床与加工中心的编程方法； 了解与熟悉自动编程方法。,第3章 数控加工编程方法,第4章 计算机数字控制装置,内容提要,CNC装置的构成、功能与特点 CNC装置的硬件结构 CNC装置的软件结构 可编程控制器（PLC） 典型的CNC系统简介,内容要点,CNC装置的构成 构成：控制程序、输入装置、输出装置、CNC装置、PLC、主轴驱动装置、进给伺服驱动装置。 从外部特征来看，CNC系统由硬件和软件组成的，硬件在软件的作用下发挥作用，软件在硬件的支
15、持下工作，两者缺一不可。 CNC系统是一种轨迹(位置)控制系统，它是以多执行部件的位移量为控制对象并使其协调运动的自动控制系统。 CNC软件系统由CNC管理软件和CNC控制软件构成，它是具有实时性和多任务性的专用操作系统 硬件是基础，软件是灵魂，软件和硬件构成了CNC装置的系统平台体系结构。,第4章 计算机数字控制装置,内容要点,CNC装置的功能 控制功能：CNC能控制和能联动控制的进给轴数。联动控制轴数越多，CNC系统就越复杂，编程也越困难。 准备功能：G功能指令机床动作方式的功能。 插补功能：实现零件轮廓(平面或空间)加工轨迹运算的功能。 固定循环功能：用G代码定义的实现一些典型加工工艺过
16、程的功能。 进给功能： 数控系统的进给速度的控制功能(进给速度、同步进给速度、进给倍率)。 主轴功能：数控系统的切削速度的控制功能(主轴转速、恒线速度控制、主轴定向控制、C轴控制以及主轴倍率)。,第4章 计算机数字控制装置,内容要点,CNC装置的功能 辅助功能：M功能用于指令机床辅助操作的功能。 刀具管理功能：实现对刀具几何尺寸和刀具寿命的管理功能。 补偿功能：刀具半径和长度补偿功能、传动链误差以及智能补偿功能。 人机对话功能：实现人与数控系统交互的功能。 自诊断功能：系统的故障诊断和故障定位功能。 通讯功能：CNC装置与外界进行信息和数据交换的功能。,第4章 计算机数字控制装置,内容要点,C
17、NC装置的特点 灵活性和通用性。 数控功能丰富(插补、补偿、人机对话、编程等)。 高可靠性。 使用维护方便。 易于实现机电一体化,第4章 计算机数字控制装置,内容要点,CNC装置的轨迹控制原理 CNC装置对输入加工程序的运算和处理的核心部分包括三步： 逼近处理：对零件轮廓根据程序规定的速度、精度以及数控系统插补周期要求，用小直线段进行逼近处理； 插补运算：将小直线段依次分解各进给轴(如X、Y、Z轴)的在数控系统插补周期内的位移量； 指令输出：将各进给轴(如X、Y、Z轴)的位移量作为位置控制指令同时输出给各进给轴的控制单元，以控制它们联动。,第4章 计算机数字控制装置,内容要点,CNC装置的硬件
18、结构分类 单机系统：只含有一个CPU的CNC系统。它集中控制和管理整个系统资源，通过分时处理方式来实现各种数控功能。 多机系统：含有两个或两个以上CPU的CNC系统。根据各CPU之间的相互关系不同，又可分为：-主从结构系统：系统只有一个CPU(主CPU)对系统资源有控制权和使用权，其它CPU处于从属地位的结构。-多主结构系统：系统中由两个或两个以上的CPU的功能部件对系统资源有控制权和使用权。-分布式结构系统：系统中有两个或两个以上带CPU的功能模块，每个模块具有独立的运行环境。,第4章 计算机数字控制装置,内容要点,CNC装置的硬件组成 设备辅助控制接口模块：它是控制面板、机床I/O以及主轴
19、速度的控制模板。其实现方式有：简单I/O接口板和可编程逻辑控制器PLC（内装型和独立型）模板。 位置控制模块：它是实现进给轴位置控制的模块，它有开环模块和闭环模块之分。其主要作用是接受CPU的位移指令，经相应调节运算后，去控制伺服电机，驱动进给轴严格按指令运行。 扩展功能接口模块：这类接口是针对具体数控机床的特殊功能而设置的，如激光加工工机中浮动控制接口等。,第4章 计算机数字控制装置,内容要点,多主结构的CNC装置硬件的结构形式： 共享总线结构：CNC装置内各功能模块分为带有CPU或DMA的主模块和从模块(RAM/ROM、I/O模块)，以系统总线为中心，所有的主、从模块都插在严格定义的标准系
20、统总线上，采用总线仲裁机构(电路)来裁定多个模块同时请求使用系统总线的竞争问题。 共享存储器结构：面向共公存储器来设计的，即采用多端口来实现各主模块之间的互连和通讯，采用多端口控制逻辑来解决多个模块同时访问多端口存储器冲突的矛盾。,第4章 计算机数字控制装置,内容要点,CNC装置的软件结构： 计算机数控装置的软件系统是一个多任务的实时操作控制系统。它主要由两部分组成：系统管理软件和系统控制软件。 系统管理软件的主要功能是管理系统的输入/出、机床I/O、显示处理、诊断处理等操作。 系统控制软件的主要功能是实现与控制机床运动有关的操作，如编译、刀具补偿、速度处理、插补和位置控制等。 CNC装置软件
21、结构特点：多任务性与并行处理技术、实时性和优先抢占调度机制。,第4章 计算机数字控制装置,内容要点,CNC装置软件的结构模式： 前后台型：是将整个软件分成前台程序和后台程序两部分。通常是将实时性较强、任务较重要的安排在前台程序，而将系统管理方面的任务放在后台程序中。前台程序是一个实时中断服务程序。后台程序是一个背景程序，它在运动时常补前台程序所打断。 中断型：是将整个软件系统中除初如化模块外的其它功能模块程序均被安排在优先级别不同的中断服务程序中，通过中断管理程序进行调度。 基于实时多任务操作系统的结构模式。,第4章 计算机数字控制装置,内容要点,CNC的PLC： 作用：完成各种辅助功能，实现
22、顺序控制。接收来自操作面板、机床各行程开关、传感器、按钮、强电柜里的继电器以及主轴控制、刀库控制的有关信号，经处理后输出去控制相应器件的运行。 类型：内装式、独立式。 PLC与CNC、机床之间的信息交互。,第4章 计算机数字控制装置,基本要求,掌握数控装置的组成及它具有的功能和相关的概念。 掌握CNC装置的硬件体系结构和软件体系结构以及每个硬件模块、软件模块的功能和作用。 理解与掌握CNC软件结构的特点。 了解CNC中PLC的功能与应用。,第4章 计算机数字控制装置,内容提要,第5章 数控机床的控制原理,5.1 插补的概念及分类 5.2 逐点比较法 5.3 数字积分法 5.4 直线函数法 5.
23、5 扩展数字积分法 5.6 曲面直接插补（SDI） 5.7 刀具半径补偿,内容要点,CNC系统的插补原理： 插补：在给定零件轮廓的已知点之间，确定一些中间点，以实现控制刀具相对工件运动，形成零件轮廓的方法。实现这种方法的算法称为插补算法（算法稳定性、插补精度、合成速度均匀性等指标）。 插补方法分为两类：脉冲增量插补(行程标量插补)和数字增量插补(时间标量插补)。 脉冲增量插补的特点是每次插补运算的结果是输出一个单位的行程增量，因而采用该法时，插补运算速度与机床的进给速度密切相关，因此，插补速度制约着进给速度的提高。但该法简单，易于用硬件实现，脉冲增量插补的一个典型例子是逐点比较法，主要用于步进
24、电机的开环系统。 数字增量插补的特点是插补运算按一定的采样频率运行，在每个采样周期内，插补计算出下一周期各轴的进给指令值。其插补速度与进给速度无严格关系，现在广泛采用此法。用于伺服电机的闭环、半闭环系统。,第5章 数控机床的控制原理,内容要点,CNC系统的插补原理： 逐点比较法：每一步四个节拍-偏差判别、坐标进给、偏差计算、终点判别。运算直观,最大插补误差不大于1个脉冲当量,脉冲输出均匀，刀具进给速度变化范围较小. 数字积分法：进给速度受被加工直线长度和被加工圆弧半径影响，进给速度不均匀，影响加工质量。改善措施：设置进给速率数、左移规格化使脉冲溢出均匀，提高溢出速度，余数寄存器预置数。 直线函
25、数法：采用近似计算引起的偏差能够保证圆弧插补的每一插补点位于圆弧轨迹上（不会带来轮廓误差），仅造成每次插补轮廓步长 l 的微小变化，所造成的进给速度误差指令速度的1，在加工中是允许的，可认为插补速度仍是均匀的。,第5章 数控机床的控制原理,内容要点,CNC系统的插补原理： 时间分割法（直线函数法）是数字增量插补的一个典型例子，其基本思想是用弦去逼近曲线，而这个弦长就是采样周期（插补周期）内各轴的合成进给量，由于此法可以获得较高的进给速度，现在广泛采用。直线插补公式：（第一象限） 圆弧插补公式（第一象限G02）上述插补方法中圆弧插补采用了近似计算，这种近似计算不影响插补的轮廓精度，但对速度的均匀
26、性和逼近误差有些影响，但都不是很大。,第5章 数控机床的控制原理,内容要点,刀具半径补偿原理： 刀具半径补偿功能就是CNC装置能根据按零件轮廓编制的程序和预先给定的刀具偏置值，在线实时地自动生成刀具中心轨迹的功能。 有了刀补功能，用户即可按零件轮廓编程，而不必考虑刀具半径大小，刀具的磨破损等因素对加工的影响，而且用户还可通过刀补（修改刀具半径参数）功能实现在不加外编程的情况下完成对零件粗、精加工的要求。使零件程序具有通用性，从而可简化编程工作量。,第5章 数控机床的控制原理,内容要点,刀具半径补偿原理： 刀补方法有两种：B刀补和C刀补。 B刀补在计算刀具中心轨迹时段间过渡采用圆弧，使用该法时其
27、尖角工艺性差，在内轮廓尖角加工时，不能在线判别过切现象，因此现在使用得较少。 C刀补在计算刀具中心轨迹时段间联接采用直线过渡，其尖角工艺性好，而且可能自动识别过切并提前报警，以避免过切发生。因此现大广泛采用此法。 C刀补生成刀具中心轨迹的算法较B刀补复杂，它不仅与前后两程序段的线型有关，而且还与这两个线型的联接夹角有关，因此过渡方法很多。,第5章 数控机床的控制原理,基本要求,理解与掌握插补的概念、分类，影响插补性能与算法的指标。 理解与掌握逐点比较法、数字积分法和直线函数（时间分割）法等插补算法原理。 理解和掌握刀具补偿的概念、方法及刀补B、刀补C的区别。,第5章 数控机床的控制原理,内容提
28、要,第6章 数控机床的检测装置,6.1 检测装置的概念与类型 6.2 旋转变压器 6.3 感应同步器 6.4 光栅 6.5 磁栅 6.6 编码器,内容要点,位置检测装置： 位置检测装置是数控机床进给伺服系统的重要组成部分。其主要作用是检测执行部件位移量，并反馈给控制系统，构成闭环控制回路。因此，位置检测装置是闭环半径闭环控制系统必不可少的组成部分。 位置检测元件的技术要求：高可靠性和高抗干扰性；满足系统精度和速度的要求：使用维护方便，适合于机床的运行环境；成本低。,第6章 数控机床的检测装置,内容要点,位置检测装置的分类： 按输出信号类型分类数字式和模拟式。 按测量的基点类型分类增量式和绝对式
29、。 按测量装置安装的位置分类直接测量和间接测量。 按测量运动的形式分类-直线型和回转型。,第6章 数控机床的检测装置,内容要点,感应同步器 （旋转变压器原理类似） 结构与工作原理：感应同步器由定尺和滑尺组成。定尺和滑尺上的绕组均为矩形绕组，其中定尺绕组连续，滑尺上分布着两个激磁绕组，即正弦和余弦绕组，在排列长度方向上相关（1/4节距）。其工作原理是利用滑尺和定尺的相对位置变化，所产生感应电压的变化来检测位移量，滑尺相对移动一个节距，感应电压变化一个周期。 工作方式：鉴相法、鉴幅法。 特点：测量精度高、距离长(可采用多块定尺接长)；对环境的适应能力强；维护方便；寿命长；但易受电磁干扰，应注意屏蔽
30、。,第6章 数控机床的检测装置,内容要点,感应同步器 （旋转变压器原理类似） 鉴相法：激磁电压：感应电压：式中 ，x表示滑尺与定尺的相对位移。即通过相位角可测得x值. 鉴幅法：激磁电压：感应电压：式中 ，x表示滑尺与定尺的相对位移。即通过幅值 的变化可测得x值.,第6章 数控机床的检测装置,内容要点,光栅 测量原理：标尺光栅和指示光栅沿线纹方向保持一个很小夹角、刻划面相对平行且有一个很小间隙，在光源照射下，在与的平分线相垂直的方向上，形成明暗相间条纹莫尔条纹。检测莫尔条纹移动位移来测量光栅移动的微小距离。在1个栅距d内，光电元件所检测的光强变化为正弦（或余弦）变化。 标尺光栅移动，莫尔条纹交替
31、由亮带到暗带、暗带到亮带，光强度分布近似余弦曲线，光电元件变为同频率电压信号，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，代表移动了一个栅距，对脉冲计数可得工作台的移动距离。 一个光电元件只能计数,无法辩向。采用倍频（细分）方法来提高光栅的分辨精度，还可实现辨向。 特点：精度高，适宜大量程和动态测量，较强的抗干扰能力，怕油污，成本高。,第6章 数控机床的检测装置,内容要点,脉冲编码器 脉冲编码器是一种角度测量元件，其输出信号是电脉冲。因此它是数字式测量元件，按其读数方式，可分为增量式和绝对式，按其工作原理不同，可分为接触式、电磁式和光电式。 现在广泛使用增量式光电脉冲编码盘
32、，其输出有A、B、Z三相信号，其中A、B为两相相互错开相位角90度的方波脉冲，其主要作用有：测量角位移；利用A、B相位超前或滞后可判别旋向；利用A、B的相位差经过四倍频变换可提高分辨率；通过对输出脉冲进行F-V（频率-电压）转换后可作为速度反馈信号。Z脉冲是每转一周发出一个信号，用它作为回转轴的周向定位基准和回转轴的转数计数。,第6章 数控机床的检测装置,内容要点,脉冲编码器 绝对编码盘是一个多圈的编码盘，它是一种绝对角度位置检测装置，其位置输出信号是某种制式的数码信号，它表示位移后所达到的绝对位置，也分为接触式、电磁式和光电式，常用的也是光电式。 为了避免由于光敏元件安装的误差或电路延迟不一
33、致而引起读数的非单值性误差，常采用循环码(葛莱码)。这种编码盘与增量式编码盘相比有以下特点：周向坐标值直接读数，不存在累积误差；具有机械式存储功能，不会因掉电等原因而丢失坐标值，但其代价是结构复杂，成本高。,第6章 数控机床的检测装置,基本要求,熟悉与掌握位置检测装置作用、组成、技术要求及分类。 熟悉与掌握感应同步器(旋转变压器) 的结构特点、工作原理及输出信号的特点和作用。 熟悉与掌握光栅尺的结构特点、检测原理。 熟悉掌握（增量式光电）脉冲编码器的结构特点、工作原理及输出信号的特点与作用。,第6章 数控机床的检测装置,内容提要,第7章 数控机床的伺服驱动系统,7.1 伺服系统的概念及要求 7
34、.2 步进电机及其驱动控制系统 7.3 直流伺服电机及其速度控制 7.4 交流伺服电机及其速度控制系统 7.5 直线电机及其在数控机床中的应用简介 7.6 位置控制 7.7 进给伺服系统特性对加工精度的影响,内容要点,伺服系统的概念 以机床移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统。在CNC机床上，伺服驱动系统接受CNC装置发出的位移指令信号，由伺服驱动装置作一定的转换和放大后，经伺服电机（直流、交流伺服电机、步进电机等）和机械传动机构，驱动机床的工作台等执行部件实现工作进给或快速运动。 分类：开环、闭环与半闭环，直流伺服与交流伺服等。 组成：位置控制单元、速度控制单元、驱动元件(电机)、检
35、测与反馈单元、机械执行部件。 数控机床的最高运行速度、跟踪与定位精度、加工质量、生产率、可靠性等指标，主要取决于伺服系统的性能。,第7章 数控机床的伺服驱动系统,内容要点,典型进给伺服系统开环进给伺服系统 开环进给伺服系统是数控机床最早采用的控制系统，由于开环系统的价格相对较低，而且能满足一般精度要求，因此至今还有较广泛的应用。 开环进给伺服系统，一般由驱动电源、驱动电机、机械传动与执行机构所组成。 步进电机是开环系统常用的驱动电机，它是一种同步电机，由定子和转子组成，定子为激磁磁场，该磁场以一定频率步进式旋转，转子随磁场一步一步地前进。,第7章 数控机床的伺服驱动系统,内容要点,典型进给伺服
36、系统开环进给伺服系统 步进电机的驱动电源包括两部分：环形分配器和功率放大器。 环形分配器的主要作用是将位移指令（来自CNC装置）变换成与被控步进电机的通电相数和顺序相匹配的脉冲序列。 功率放大器的主要作用是将环分输出的脉冲序列进行功率放大，驱动步进电机运行。 开环进给伺服系统的驱动电机必须具有位置和速度控制能力，步进电机正好具有这种能力（脉冲个数控制位置、脉冲频率控制速度），而直流和交流伺服电机不具有这种能力（只能控制其速度不能直接控制其位置），故它们只能用于位置闭环系统。,第7章 数控机床的伺服驱动系统,内容要点,典型进给伺服系统闭环、半闭环进给伺服系统 直流伺服电机及速度驱动单元： 直流伺
37、服电机的工作原理同普通直流电机一样，只不过性能比其要高，这种电机具有调速范围大，响应速度快，低速平稳性好等优点，其主要的缺点是结构复杂和由于采用电刷换向，使维护不方便。 直流伺服电机速度控制单元的工作原理：式中 , ke和Ce为常数，由此可知：调速方法有调节Rc、调节、调节U,第7章 数控机床的伺服驱动系统,内容要点,典型进给伺服系统闭环、半闭环进给伺服系统 直流伺服电机及速度驱动单元： 前两种方法不能满足数控机床的调速特性，目前广泛采用调节U的调速方法，这种方法具有恒转矩，机械特性好的特点。 这种调速方法常用以下两种方案实现：可控硅调速驱动和PWM（脉冲调制调速）驱动。,第7章 数控机床的伺
38、服驱动系统,内容要点,典型进给伺服系统闭环、半闭环进给伺服系统 交流伺服电机及速度驱动单元： 交流伺服电机除具有直流伺电机的主要优点外，还由于采用无刷结构，使维护方便，可靠性高，结构也简单一些，而且在相同体积的情况下，其容量比直流伺服电机大，速度也比它高，因此，受到日益重视和广泛的应用。 交流伺服电机的工作原理与普通交流电机一样，其调速原理：由此可知：调节s、 调节p、 调节f 目前广泛采用的是变频(调节)调速方法，其机械特性是一组平行线，而实现这一方法的控制方案有：相位控制、矢量变换控制和PWM控制等。,第7章 数控机床的伺服驱动系统,内容要点,典型进给伺服系统闭环、半闭环进给伺服系统 位置
39、控制单元： 由于交、直流伺服电机只对其运行速度控制，欲实现对其位置控制，还必须采用位置闭环才行，而实现这种闭环控制则必须具有位置检测单元和位置控制单元，位置控制单元的主要作用是将来自CNC装置的指令位移信号与位置检测单元反馈的实际位移信号进行比较，并对比较误差进行相应的调节运算(主要是为了获得好的系统调节特性)后作为速度指令信号送给速度控制单元进行进给速度控制。 在进给伺服系统中，这种调节运算有的是在CNC装置的CPU中完成的，有的则是在伺服系统中自带的CPU中完成的。,第7章 数控机床的伺服驱动系统,内容要点,进给伺服系统的性能分析 进给伺服系统要实现预期的，精确及平稳驱动的要求，一个重要的
40、问题是如何根据要求进行闭环系统的参数设计和调试。进给伺服系统一般是采用传递函数的方法对其进行分析的，通过建立系统的数学模型，并对其进行分析。 通常对系统稳定性和控制精度有影响的几个主要参数包括系统增益、惯量、刚度与固有频率等。,第7章 数控机床的伺服驱动系统,内容要点,进给伺服系统的性能分析 系统增益(开环增益、速度增益) 系统增益： 单位跟随误差所能产生的速度指令值，它是一个反应系统灵敏度的参数。系统增益越大，对系统速度的调节越快，即到达期望速度的时间就越短，但同时对系统的冲击也越大，给系统稳定性的调试带来困难，因此的选取要折衷考虑。,第7章 数控机床的伺服驱动系统,内容要点,进给伺服系统的
41、性能分析 惯量进给系统执行部件的惯量越小越好，因为惯量小系统灵敏度好。但是由于结构强度和刚度方面的限制，其惯量又不可能很小，因此，就存在一个执行部件的惯量与驱动电机惯量的匹配的问题。,第7章 数控机床的伺服驱动系统,内容要点,进给伺服系统的性能分析 刚度与固有频率 刚度：是系统抵抗外力作用时产生变形的能力，即k=P/，式中P为外作用力(包括动态力和静态力),为在P作用时产生的变形量。 刚度不足将使系统的稳定性下降，并引起失动造成系统的死区，降低系统的定位精度，降低系统的固有频率和系统的抗振性，因此系统应具有足够的刚度。,第7章 数控机床的伺服驱动系统,内容要点,进给伺服系统的性能分析 刚度与固
42、有频率 固有频率：进给伺服系统固有的特征参数： 当系统的固有频率与系统的工作相等或相近时，系统便会产生共振，这是不允许的，因此，在设计时要求：- 机械传动与执行部件的固有频率应高于伺服系统的固有频率的23倍；- 各环节的固有频率应相互错开，以免发生振动耦合现象；- 各环节的固有频率应避开系统的工作频率范围(最好高于工作频率)，以免在工作频率上发生共振。,第7章 数控机床的伺服驱动系统,内容要点,进给伺服系统特性对加工精度的影响 跟随误差对轮廓加工精度的影响 跟随误差的含义：是指系统在运行过程中同一时刻，指令位置与实际位置的差值，它反映了系统的跟踪精度。其产生原因是由进给伺服系统各环节信息传递延
43、迟效应引起的。 轮廓精度：是指实际加工轮廓对理论轮廓的逼近程度。 跟随误差对单轴加工的轮廓精度无影响；对两轴联动加工的直线轮廓，当两轴的系统增益相等时无影响，当两轴的系统不相等时，则有影响；而对两轴联动加工的圆弧轮廓是有影响的，当两轴的系统增益相等时，只影响圆的尺寸精度不影响轮廓的的形状精度，当两轴增益不相等时，则对尺寸和形状精度均有影响，因此，在进行两轴联动加工时，除应尽量减少跟随误差外，还应尽可能使各轴的系统增益相等。,第7章 数控机床的伺服驱动系统,内容要点,进给伺服系统特性对加工精度的影响 系统动态特性对拐角加工精度的影响 在轮廓加工过程中，当联动轴突然改变速度时，系统的动态特性就会影
44、响轮廓的加工精度，这在加工内、外拐角时，其影响尤其明显。当系统的增益较低时，将产生欠程切削现象，当系统增益较大时，则会产生超程切削现象。若对拐角的要求较高，则应使前一段先减速到零，然后再启动第二段，在G代码中有支持这种操作指令G09、G61等，另外，选择合理的系统增益也是至关重要的。 应尽量减少跟随误差外，还应尽可能使各轴的系统增益相等。,第7章 数控机床的伺服驱动系统,第7章 数控机床的伺服驱动系统,基本要求,掌握进给伺服系统的概念、作用、组成、分类以及技术要求。 熟悉与掌握进给伺服系统常用的驱动元件电机的特点及所适用的范围。 掌握进给伺服系统的参数设计和选配（包括系统增益的选择、刚度、惯量
45、阻尼的折算、脉冲当量、步矩角、变速比、丝杆导程之间的关系，步进电机的速度与频率的关系等）以及提高开环精度的措施。 正确理解闭环、半闭环进给伺服系统各种类型结构的异同及其特点。 掌握进给系统的特性参数对系统动态特性的影响(定性)。以及伺服系统的跟随的误差对加工精度和拐角加工误差的影响。,内容提要,第8章 数控机床的机械结构与装置,数控机床机械结构的主要特点和要求 数控机床布局 数控机床的主传动系统 进给传动系统 导轨的结构 换刀及辅助装置,内容要点,主传动系统 定义：主传动系统是数控机床上消耗功率最大、带动刀具或工件旋转以产生切削运动的系统 型式：电机直接带动式、电机经齿轮传动式、电机经同步齿型
46、带传动式、电主轴 主轴部件：主轴部件是安装并带动刀具或工件旋转的部件，它由主轴本体及其支承、安装在主轴上的传动和定位零件、装夹刀具或工件的机构以及主轴孔的自动清洁装置所组成。 准停是主轴部件的一个重要功能，它主要是为了满足自动换刀的要求和安全退刀以及准确寻找螺纹加工的起点而设置的。实现准停的方法有：电气准停、机械定位准停。,第8章 数控机床的机械结构与装置,内容要点,进给传动系统 组成：由运动传递变换零件(齿轮副、联轴节、丝杆螺母等)；支承导向零件(导轨、轴承等)和工件安装零件(工作台)组成。 技术要求：运动件的磨擦阻力要小，传动精度和刚度要高，惯量要小，且应能消除传动间隙。 电机与丝杆的连接
47、结构：齿轮传动、联轴节。 齿轮传动的作用：速度、惯量、扭矩和脉冲当量变换。 齿轮传动的技术要求：传动副数尽可能少，齿形、齿距精度要高，无隙传动，满足传动功率的要求(强度要求)。 齿轮传动消除间隙的方法：、双片齿轮法，周向拉簧法等。 联轴节：锥销联结、套筒联结、十字滑块联结、弹性联结(广泛使用)。,第8章 数控机床的机械结构与装置,内容要点,进给传动系统丝杆螺母副 丝杆螺母副将回转运动转换为直线运动的传动装置，它分为：普通丝杆、滚珠丝杆和静压丝杆，数控机床常用滚珠丝杆。 滚珠丝杆螺母副的特点：传动效率高、磨擦损失小；预紧后可完全消除间隙；传动刚度高、运动平稳；传动精度高、寿命长；精度保持性好；不
48、能自锁，有可逆性。,第8章 数控机床的机械结构与装置,内容要点,进给传动系统滚珠丝杆螺母副 滚珠丝杆螺母副由滚球丝杆体、带循环滚道的螺母、滚珠、调隙预紧结构及防护结构等几部分组成。 滚珠循环方式：可分为内循珠及外循环两类。 滚珠丝杆间隙调整和预紧方法：对单螺母有：变导程螺母法和滚珠过盈法，对双螺母有：垫片法、螺纹法和齿差法。 滚珠丝杆的支承形式有四种：一端止推轴承，另一端自由悬伸；一端止推轴承，另一端装向心轴承；两端装止推轴承；两端装双止推轴承。其中第三种在数控机床中广泛应用。,第8章 数控机床的机械结构与装置,内容要点,回转工作台 回转工作台有分度工作台和数控回转工作台之分。分度工作台的功能
49、是将工件转位，实现多工位加工，其分度精度必须由定位元件来保证。 数控回转工作台，除具有分度工作台功能外，还能实现圆进给，它有开环、闭环之分。 回转工作台的传动采用蜗轮蜗杆副，在数控回转工作台上常采用双导程蜗杆传动，该机构是利用变齿厚(双导程)蜗杆的轴向移动来消除传动间隙的。,第8章 数控机床的机械结构与装置,内容要点,导轨 导轨是支承运动部件沿一定方向运动的机构。旋转运动的部件主要由轴承来支承和导向，直线运动的部件则由导轨来支承和导向。 塑料导轨属滑动导轨，它是指在运动导轨上粘贴或涂注一层塑料，而与之相配的导轨仍是铸铁或钢。塑料材料可分为：贴塑导轨(聚四氟乙烯导轨软带)和注塑导轨又称涂塑导轨(环氧耐磨涂层)。 滚动导轨具有摩擦系数较小(0.000250.0005)；动、静摩擦系数之差小、运动灵活等特点。按结构形式可分为：直线滚导轨、弧线滚动导轨和圆柱滚动导轨。,第8章 数控机床的机械结构与装置,内容要点,数控机床的布局 数控机床的总体布局是指：根据零件的加工工艺、形状尺寸、重量来确定各主要部件相对位置关系。总体布局是数控机床中带有全局性的问题，它的优劣对机床的制造加工和使用性能都有很大的影响。 总体布局与下列因素有关：工艺因素（表面成形方法、工艺复合化和功能集成化、工件的尺寸和重量）、各运动部件的分配方案、机床性能、刀库的布置方案、操作使用。,
