机床数控技术考前复习

1、机床数控技术考前复习2015年10月课程重点A数控机床的工作原理与使用 数控机床是在什么形式的数字化信息数控机床是在什么形式的数字化信息下工作的？如何使用、编程？下工作的？如何使用、编程？u数控机床的组成和工作原理数控机床的组成和工作原理 1 1）数控机床的坐标系统）数控机床的坐标系统 2 2）程序格式）程序格式u数控机床的编程方法数控机床的编程方法常用代码常用代码课程重点B机床数字化自动控制原理 数字化信息如何实现对机床的自动控制？机数字化信息如何实现对机床的自动控制？机床的自动控制任务？床的自动控制任务？u硬件配置：硬件配置：1 1、计算机：数字信息处理输出装置、计算机：数字信息处理输出装

2、置CNCCNC2 2、伺服系统：基于数字化信息控制的驱动执、伺服系统：基于数字化信息控制的驱动执行及运动参数反馈装置行及运动参数反馈装置u软件设计：多任务实时处理软件设计：多任务实时处理1 1、管理软件：、管理软件：I/OI/O、程序输入、显示、诊断、程序输入、显示、诊断 2 2、控制算法：、控制算法：1 1）插补）插补 2 2）刀补）刀补 3 3）速度控制）速度控制数控技术考前复习大纲内容： 1、数控机床与数控编程 2、CNC装置的硬件组成和软件结构 3、刀补、插补、进给速度控制 4、位置检测与伺服驱动系统重点： 1、基本概念与名词术语 2、数控编程 3、插补算法NC、CNC、MC、FMC、

3、FMS、CIMSNC：数字控制：数字控制CNC：计算机数字控制：计算机数字控制MC：加工中心：加工中心FMC：柔性制造单元：柔性制造单元FMS：柔性制造系统：柔性制造系统CIMS：计算机集成制造系统：计算机集成制造系统数控机床的组成输入装置输出装置计算机数控装置PLC主轴控制单元主轴机床辅助伺服电机速度控制单元工作台位置检测反馈装置CNC系统系统机械主体机械主体伺服驱动系统伺服驱动系统CNC系统（CNC装置装置+输入输出设备）输入输出设备）CNC装置：装置： 计算机：计算机：执行管理软件（图形、数据显示、参数输入、I/O处理、故障诊断、状态显示）、控制软件（译码、刀具补偿、插补运算、速度处理、

4、位置控制等）、以及与外部设备的通讯。 PLC：实现对数控系统中开关量的逻辑运算、联锁控制。输入输出设备：输入输出设备： 程序编程、存储、打印、显示设备。伺服驱动系统：精确、高速、稳定精确、高速、稳定 检测装置检测装置 对执行机构的位置进行实时检测，为伺服控制提供反馈信息。 伺服执行装置伺服执行装置 按照数控装置输出的数字指令（和反馈信息）对执行机构的运动进行实时控制，使工作台或刀具的运行轨迹与数控指令一致。机械系统结构件：如机座、机身、机架等结构件：如机座、机身、机架等 刚度高 抗振 热变形小运动副：导轨、传动结构、轴承等运动副：导轨、传动结构、轴承等 间隙小 摩擦系数小数控机床的数控机床的分

5、类 按运动方式： 点位控制或位置控制与轮廓控制 按控制方式： 开环控制与闭环控制、半闭环控制与开环补偿型控制 按加工方式： 切削、板金、电火花、激光、测量 按功能水平：高档/中档/低档 联动轴数、分辨力、加工速度、通讯能力开环控制系统通常使用功率步进电机或电液脉冲马达作为驱动机构；开环系统结构简单，成本低，但由于没有反馈，其精度受步进电机的步距误差、机械传动链误差等影响。半闭环控制系统不包括或只包括少量机械传动环节，因此可获得稳定的控制性能，半闭环控制系统结构简单、调试方便、精度也较高；若对这类误差进行补偿，可获得满意的精度。在现代数控机床中得到了广泛应用。 闭环控制系统可消除由于传动部件在制

6、造、装配过程中存在的精度误差等给工件加工带来的影响，精度高。在反馈环路内，由于各种机械传动环节的组成元件间的摩擦特性、刚性、装配间隙及传动链间隙等都是可变的（或是非线性的），这些直接影响伺服系统的的稳定性，调试困难。 数控机床的特点 可编程、灵活 生产效率高 加工精度高，质量稳定 能完成复杂形面的加工 工序集中，一机多用 现代制造系统的基础机床零点、参考点与机床坐标系机床零点、参考点与机床坐标系 机床坐标系：建立在机床原点M或机床零点的坐标系；是机床固有的坐标系。 数控装置上电时并不知道机床零点，为了正确地在机床工作时建立机床坐标系，通常在每个坐标轴移动范围内设置限位开关确定一个机床参考点R

7、（测量起点），以建立机床坐标系。工件原点与工件坐标系工件原点与工件坐标系 工件坐标系是编程人员在编程时使用的，编程人员选择工件上的某一已知点为原点（也称程序原点、工件零点），建立一个新的基于工件零点W的坐标系，称为工件坐标系。工件坐标系一旦建立便一直有效，直到被新的工件坐标系所取代。数控机床坐标系坐标方向的确定确定机床坐标轴时，一般先定Z轴，再定X轴和Y轴。Z轴及其方向：与机床主轴（或垂直于工件的装夹面）平行的轴，增大刀具与工件之间距离的方向为正方向。X轴：水平，与工件装夹面平行； 如刀具旋转：在Z轴后端或面对立柱看，右手为正向；如工件旋转：离开旋转中心的方向为正向； 否则：以主要切削为正。Y

8、轴：根据Z、X轴，按右手直角坐标系确定。旋转轴A、B、C在正X、Y、Z方向按右螺旋前进方向确定对刀点、起刀点、换刀点对刀点：在数控机床上加工零件时，刀具相对零件运动的起始点。也称起刀点。换刀点：换刀的位置，可以是加工零件之外的任意一点。刀位点、切削点 对刀点的位置是以刀具的“刀位点”来表示的，刀位点是刀具上的一点，是刀具定位的基准点。 不同的刀具形状，其刀位点的规定不同，如立铣刀和端铣刀，刀位点为其底面中心；球头铣刀为球头球心；车刀、镗刀和钻头则为刀尖或钻尖。 编程时，控制的刀具轨迹即刀位点的轨迹。刀位点不一定是切削点。加工过程中，如果刀具上的切削点与刀位点重合则可以不考虑刀具补偿。 如：车圆

9、柱外圆时，切削点与刀位点一致，固定不变；车锥形或球形外圆时，切削点的位置则是变化的，如不进行刀尖半径补偿，则会引起加工误差。 基点、曲线逼近与节点基点、曲线逼近与节点 基点： 零件各几何元素的交点或切点 曲线逼近： 以直线或圆弧逼近非圆曲线 节点： 人为逼近线段的交点或切点模态指令与非模态指令模态指令与非模态指令 功能（指令）有非模态功能和模态功能二种形式。 非模态功能(当段有效代码) ：只在书写了该代码的程序段中有效；如G04 模态功能(续效代码)：一组可相互注销的M 功能，这些功能在被同一组的另一个功能注销前一直有效。 如：G90/G91 G00/G01/G02/G03程序段、尺寸字、非尺

10、寸字程序段、尺寸字、非尺寸字 加工程序的主体由若干程序段组成； 程序段是可作为一个单位来处理的连续的字组； （程序）字=地址符+十进制数字信息单元 程序字分为尺寸字和非尺寸字 尺寸字：X、Y、Z、U、V、W、A、B、C、I、J、K； 尺寸字用来指定机床刀具运动到达的坐标位置。（或暂停时间）；其数字单位制由准备功能字设定。数控机床的指令代码 G字（准备功能字）： 坐标系、单位、定位、插补、刀补、循环等 M字（辅助功能字）： 开关量相关：程序控制，主轴、冷却、夹具等起停 F字（进给速度功能字）：mm/min、mm/r S字（主轴转速功能字）：r/min、m/min（恒速） T字（刀具选择功能字）：

11、T01、T0101 D/H字（刀具偏置字）：H16常用的G指令绝对/增量编程： G90、G91快速定位： G00 X_Y_Z_直线插补： G01 X_Y_Z_正/逆圆插补（圆心I、J、K；半径R）： G02/G03 X_Y_I_J_ (XY平面） 常用M指令 M03、04、05：主轴正转、反转、停止 M06：手动或自动换刀（可停主轴、冷却液） M07、M08、M09：雾状、液状冷却液控制 M02、M30：程序结束 M30：与读带机有关CNC装置的功能 控制功能：可控动力单元、联动轴数 准备功能：坐标设定、平面选择、刀具补偿、程序暂停等 插补与固定循环：直线、圆、其他曲线的插补运算 进给控制功能

12、：切削进给速度、同步进给速度等 主轴控制功能：转速、恒线速度、C轴控制 辅助功能：即M指令功能。包括主轴正转、反转、停止，冷却泵的开关，工件夹紧、松开，换刀等功能。 刀具管理 显示、诊断、通讯 在线自动编程CNC装置的硬件结构 CNC装置的硬件有单微处理器结构与多微处理器结构两种形式。 单微处理器结构：以唯一一个能够控制系统总线，占有总线资源的微处理器CPU为核心，采用集中控制、分时处理的方式来完成数控的各项任务。 多微处理器结构：由多个能够控制系统总线的功能不同的微处理器以模块化结构组成的CNC装置。该结构分为共享总线型和共享存储器型。CNC的控制任务CNC装置的控制流程：1、程序与参数的输

13、入；2、译码（语法检查）3、预处理：刀具补偿、进给速度等处理4、插补；5、位置控制；6、IO处理；7、显示8、诊断；9、通讯功能CNC装置的运行特点：实时、多任务并行处理1、管理软件：I/O处理、显示、诊断、通讯2、控制软件：译码、刀具补偿、速度控制、插补运算、位置控制 CNC的前后台式软件结构单微处理器CNC装置常的一种软件结构；原理：利用定时中断实现资源分时共享软件由后台程序（背景程序：调度管理、预处理程序）+前台程序（实时中断程序，完成位置控制、插补、辅助功能处理、面板扫描、输出等任务）组成。下一程序段的译码、预处理时间必须小于本程序段的插补运行时间，否则会出现停刀现象。CNC的中断式软

14、件结构 多微处理器CNC装置常的一种软件结构； 原理：多重中断系统 控制程序由多个中断优先级不同的中断服务程序组成 各中断程序间的通讯方式： 1、设置软件中断（定时顺序触发） 2、自身链接（设置状态口、顺序查询） 3、设置标志（开放或关闭中断）开放式CNC装置 CNC装置开放化的表现：1、系统内部硬件、软件的公开化2、各组成部件间接口的边准化标准化 开放式CNC装置的组成形式：1、PC连接型CNC；建立在串口通讯上的开放2、PC内藏型CNC；非通用PC、程序开发受限3、CNC内藏型PC；专用CNC、编程灵活4、全软件型NC：实时性差插补插补 点位控制：点位控制：使工作台（或刀具）精确地移动到某

15、一个位置点。控制装置只控制终点位置精度，而忽略对路径的控制。控制方法简单，只需控制驱动装置的起停、无需插补运算。 轮廓控制：轮廓控制：使工作台（或刀具）精确地沿要求的轨迹移动。控制装置需控制起点至终点间每一个点的速度和位置精度。实现的方法：将轮廓控制看成是由足够多点的点位控制，这样就需要计算这些中间点的位置值，即插补计算。 插补：插补：在轮廓的起点和终点之间，按照轮廓的数学特征计算所有的中间点的坐标值。为与伺服系统匹配，坐标值以增量形式表示。插补与脉冲指令1、插补程序是CNC装置控制软件的核心2、插补运算，输出脉冲指令 CNC装置根据零件的加工轨迹，计算刀具轨迹上的每一个中间点的坐标值，该坐标

16、值经伺服驱动装置的脉冲当量量化，所以其个数是有限的；该坐标值以增量形式表示，以脉冲形式输出的。中间点的计算精度将影响零件的加工精度。3、数字化进给脉冲指令伺服系统进给轴 一个脉冲所产生的坐标轴位移量称为脉冲当量，脉冲当量值取决于伺服电机与位置检测装置的分辨力。（0.110m)脉冲增量脉冲增量插补法插补法每次插补结束只产生一个行程增量，以一个个脉冲的方式输出给步进电机。方法简单，易用硬件实现，运算速度很快。适用于步进电机驱动的开环CNC系统。采用脉冲增量插补算法的CNC系统，坐标轴进给速度主要受插补程序运算时间的限制，一般为 13m/min。脉冲增量插补算法主要有：逐点比较法和数字积分法。数字增

17、量插补数字增量插补法法 适用于交直流伺服电机驱动的闭环（半闭环）位置采样控制系统。进给速度取决于弦线误差要求和伺服系统。插补运算分两步完成： 粗插补，即在给定起点和终点的曲线之间插入若干个点，用若干条微小直线段来逼近给定曲线，每一微小直线段的长度l相等，且与给定的进给速度有关。粗插补在每个插补运算周期中计算一次。因此l FT（T约10ms)。 精插补，它是在粗插补时算出的每一条微小直线段上再做“数据点的密化”工作，这一步相当于对直线的脉冲增量插补。 脉冲增量脉冲增量插补之逐点比较法插补之逐点比较法 算法原理： 计算机在控制加工轨迹过程中，逐点计算和判别加工偏差以控制坐标进给方向，从而按规定的图

18、形加工出合格工件。 算法流程： 偏差判别 进给 偏差计算 终点判别 （确定方向） 逐点比较法直线插补算法（第1象限）过零直线终点：Xe、Ye ，当前动点： Xi、Yi，偏差计算公式：F Fi i=XeY=XeYi i-X-Xi iYeYe；初始偏差：F F0 0=XeY=XeY0 0-X-X0 0YeYe1、偏差判别、 2、坐标进给 F=0 （直线之上） 则 X+ （向直线之下移动）3、偏差修正： +X：Fi+1= XeYi-（Xi+1）Ye=F-Ye +Y: Fi+1= Xe（Yi+1）-XiYe=F+Xe4、终点判别：X、Y向是否均达到终点。逐点比较法圆弧插补算法（第1象限逆圆）偏差计算公

19、式：F=(Xi2+Yi2)- (Xe2+Ye2) 1、偏差判别；2、分配进给脉冲 F=0 则 X-向进给（“向圆内走”）3、终点判别：按两方向坐标应走总步数之和判别。4、偏差修正计算： -X后：Fi+1=F-2Xi+1； +Y后：Fi+1=F+2Yi+1逐点比较法的象限与脉冲分配规律象限1 0，90、象限2 90，180）象限3 180，270）、象限4 270，360）逐点比较法的进给速度 X或Y向直线时， 每次插补，均向一个坐标轴输出一个进给脉冲； 进给速度V0与插补频率正比。 走45度直线时， 每两次插补，均向X、Y坐标轴输出一个进给脉冲； X、Y向的进给速度均与插补频率的1/2正比，合

20、成速度V1=0.707V0。 插补频率不变，进给速度受直线的斜率影响变化，但这样的变化(0.7071)在加工过程中是允许的。脉冲增量脉冲增量插补之插补之数字积分法 算法原理： 利用速度合成轨迹，使动点沿速度矢量的方向前进 。 算法设计： 用数字积分器DDA对速度分量进行累积求和，因为累加器溢出频率正比于速度分量，使溢出脉冲控制刀具的移动，则其移动速度与速度分量成正比。准确保证各动点处的速度比，即可生成要求的轨迹。所以其中的一个速度分量可以是任意的。数字积分法特点 计算简单、在一次插补中会输出两个进给脉冲； 对曲线的数字积分运算中会出现误差，需采取措施。数字积分法直线插补算法（第1象限）1、 X

21、、Y向的被积函数寄存器JVX、JVY分别存入X、Y向线的速度分量值（过零直线可以是终点坐标值Xe、Ye）； X、Y向的累加寄存器JRX、JRY清零；2、一次插补，使累加器内的数值与速度分量值累加一次；3、X向的积分累加器溢出时， 向X坐标发进给脉冲；4、Y向的积分累加器溢出时， 向Y坐标发进给脉冲；5、X、Y向的积分累加器，存放X、Y向积分结果的余数；6、累加次数2n （过零直线、速度分量为Xe、Ye） 。线段行程与进给速度在插补频率不变的情况下进给速度稳定？ 情况1：累加器容量4位，完成直线插补（0，0）-（1，1） 速度分量X=0001（1），Y=0001（1） 累积运算16次后完成插补输

22、出 进给速度：V=(1.414/16Tclk） 情况2：累加器容量4位，完成直线插补（0，0）-（15，15） 速度分量X=1111（15），Y=1111（15） 累积运算16次后完成插补输出 进给速度：V=(15*1.414/16Tclk） *插补频率固定，坐标轴进给的速度差距很大插补频率固定，坐标轴进给的速度差距很大!进给速度的均匀化左移规格化比如：直线插补（0，0）-（1，3），累加器容量4位 速度分量1）X=0001（1），Y=0011（3） 2）X=0101（5），Y=1111（15） *在插补脉冲驱动下累加，溢出频率比一致，插补轨迹正确。 但参数1）下累积运算次数为16次；参数2）

23、下累积运算次数为4次，进给脉冲输出频率提高。左移规格化 ：直线：使其中一个被积函数寄存器最高位为1；圆弧：使其中一个被积函数寄存器次高位为1，且被积函数寄存器的容量大于圆弧半径的2倍 。 减少插补误差的方法增加积分器的位数，但进给速度降低。累加器预置数： 累加器预置数： “半加载” （被积函数较小的余数寄存器+1/2的最大容量）四舍五入。 比如： 直线插补（0，0）-（10，1），累加器容量4位 速度分量：X=1010（10），Y=0001（1） 改进：X=1010（10），Y=1000+0001（9）插补精度与“半加载”为提高数字积分法的插补精度误差的方法：1、增加积分器的位数2、对余数寄存

24、器预置数一般采用“半加载”软件数字积分法硬件累加器的最大容量为基值，基值是固定的；软件数字积分的基值则由软件预设，可根据程序自动变化，每次累加后，将累加值与基值比较，比较，如累加值大于基值则两数值相减并输出进给脉冲，否则累加值不变且不输出进给脉冲。1）直线：长轴坐标值为基值，并作为终点判别值；短轴作半加载处理。2）圆弧：圆弧半径值为基值，X、Y终点坐标为终点判别值；累加器预置（R-1）处理。数字增量插补数字增量插补法法数字增量插补原理：数字增量插补原理：圆弧或其他曲线的插补运算太“麻烦”，直线插补运算“简单”；以直线逼近的方法拟合曲线（粗插补），即将曲线近似分解若干段直线。依次对各直线段进行直

25、线插补（精插补）。*减少了CNC系统约3040的时间。数字增量插补的条件：数字增量插补的条件： 伺服驱动配置应有位置反馈装置，即闭环或半闭环位置采样控制系统，以实现精插补的伺服驱动。数字增量插补的实现过程1 1、选择一个合适的插补周期，计算出插补周期内各坐标轴的移动增量（粗插补）直线逼近； 以进给步长l （l FT）相等的微小直线段逼近给定曲线，计算一个插补周期T内各坐标轴位置的增量值x、y 。在进给速度F不变的情况下：对于直线插补：各个插补周期内坐标增量x、y固定 。对于曲线插补：各个插补周期只有进给步长L不变 。2、精插补（反馈控制）精插补（反馈控制）：按采样周期采样实际反馈位置，与插补输

26、出的指令位置增量值比较，计算跟随误差，得到速度控制指令，驱动坐标轴运动。这一步相当于对直线的脉冲增量插补。插补周期与插补运算时间的关系 插补算法选定后，完成该算法所需的最大指令条数即确定。根据最大指令条数可确定插补运算占用CPU的时间。 插补周期必须大于插补运算所占用的CPU的时间以及完成其它实时任务（显示、监控、甚至精插补）所需的时间。插补周期与位置反馈采样周期的关系 插补周期与位置反馈采样周期可以相同，也可以不同。如果不同，则应是采样周期的整数倍。 FANUC 7M系统采用8ms的插补周期和4ms的位置反馈采样周期。此时，插补程序每8ms被调用一次，为下一个周期算出各坐标轴应该行进的增量长

27、度；位置反馈采样程序每4ms调用一次，将插补程序算好的坐标位置增量值除2后再进行直线段的精插补。 对于7M系统，设F为程序编制中给定的速度指令（单位 mm/min），则一个插补周期的进给量L（单位m）：插补周期与精度、速度的关系 用弦线迫近圆弧，会产生逼近误差: er r2/8=(TF)2/8r数控机床允许的插补误差要求小于其分辨率，即一个脉冲当量。 插补周期短，则在小半径圆弧插补时允许较大的进给速度。即在进给速度、圆弧半径一定的条件下，插补周期越短，逼近误差就越小。插补周期是固定的，误差取决插补周期是固定的，误差取决于进给速度和圆弧半径。于进给速度和圆弧半径。 = l/r=TF/r降低进给速

28、度，可以减少弦线误差。刀具补偿的概念 在轮廓加工过程中，由于刀具总有一定的半径(如铣刀半径或线切割机的铜丝半径)，刀具中心的运动轨迹与工件轮廓是不一致的。若不考虑刀具半径，直接按照工件轮廓编程是比较方便的，但这时刀具中心运动轨迹是工件轮廓，而加工出来的零件尺寸比图纸要求小了一圈(外轮廓加工)或大了一圈(内轮廓加工)。所以必须使刀具沿工件轮廓的法向偏移一个刀具半径r。这种偏移习惯上称为刀具半径补偿，也就是要求数控系统具有半径偏移的计算功能。 具有这种刀具半径补偿功能的数控系统，能够根据按照工件轮廓编制的加工程序和输入系统的刀具半径值进行刀具偏移计算，自动地加工出符合图纸要求的工件。 刀具半径补偿

29、功能的主要用途刀具半径补偿功能的主要用途 实现根据编程轨迹对刀具中心轨迹的控制。可避免在加工中由于刀具半径的变化(如由于刀具损坏而换刀等原因)而重新编程的麻烦。 刀具半径误差补偿，由于刀具的磨损或因换刀引起的刀具半径的变化，也不必重新编程，只须修改相应的偏置参数即可。 减少粗、精加工程序编制的工作量。由于轮廓加工往往不是一道工序能完成的，在粗加工时，均要为精加工工序预留加工余量。加工余量的预留可通过修改偏置参数实现，而不必为粗、精加工各编制一个程序。刀具补偿的执行过程1、在G00、G01程序段中，由G41、G42建立刀补；刀补值在D存储器或H存储器设定。2、刀补期间，CNC根据指令自动进行刀具

30、中心轨迹计算；3、在G00、G01程序段中，由G40注销刀补。B功能刀具半径补偿 B功能刀具半径补偿：根据零件轮廓尺寸和刀具半径值，求刀具中心运动轨迹的计算。 B功能刀具半径补偿要求编程轮廓的过渡为圆角过渡，所谓圆角过渡是指轮廓线之间以圆弧连接，并且连接处轮廓线必须相切相切。切削内角时，过镀圆弧的半径应大于刀具半径。编程时将外尖角看编程时将外尖角看成半径为成半径为0 0的圆角、内尖角处理成圆弧半径大于的圆角、内尖角处理成圆弧半径大于刀具半径的圆弧。刀具半径的圆弧。 编程轮廓圆角过渡，则前一段程序刀具中心软迹终点即为后一段程序刀具中心的起点，系统不需要计算段与段之间刀具轨迹交点。其对编程限制对编

31、程限制的主要原因是在确定刀具中心轨迹时，都采用了的主要原因是在确定刀具中心轨迹时，都采用了读一段，算一段，再走一段的控制方法。读一段，算一段，再走一段的控制方法。C功能刀具半径补偿 C功能刀具半径补偿：解决在刀具半径补偿后，相邻两程序段的刀具中心轨迹之间可能出现的间断点或交叉点，对于这种情况，使用B功能刀补的CNC装置编程需要人工干预。C功能刀补的CNC装置可以自动处理这种情况，计算出刀具中心轨迹之间的过渡圆弧（或其他方法）。 本段刀程序的刀具中心轨迹，需根据本段程序与下段程序的具体转接情况来确定。这样C功能刀补的CNC装置应设置多个数据寄存器。C功能刀补的转接方式伸长/缩短型转接插入型转接插

32、入型转接C功能刀具半径补偿不采用过渡圆弧转接。C功能刀补流程 刀补流程中的四个寄存器：缓冲寄存器BS：i+2段编程轨迹刀补缓冲区CS：i+1段编程轨迹工作寄存区AS：i段刀具中心轨迹数据输出寄存区OS：插补计算 CNC装置内总是同时存在有三个程序段的参数，程序参数在寄存器间同步传送。数控技术基本概念C1、开环CNC的进给速度和加减速度控制方法2、闭环闭环CNC的进给速度和加减速度控制方法的进给速度和加减速度控制方法3、数控机床对伺服驱动系统的要求数控机床对伺服驱动系统的要求4、伺服驱动系统的分类4、位置检测装置的系统精度、分辨率5、旋转变压器、感应同步器、磁尺、光栅、编码器的工作原理6、步进电

33、机的工作原理和主要参数7、步进电机的驱动电路及其特征步进电机的驱动电路及其特征8、主轴伺服驱动的特点 开环CNC装置的进给速度控制 开环CNC装置一般采用脉冲增量插补，控制输出脉冲的频率即可实现对进给速度的控制。程序延时法：在插补、输出、显示等相关处理时间段后插入延时程序。（简单灵活）时钟中断法：利用变频震荡器输出中断请求信号，在中断服务程序中完成插补、输出、显示等相关处理。闭环CNC装置的进给速度控制闭环CNC装置具有速度环，可通过软件方法实现速度控制，有两种方法：（在粗插补前进行的）前加减速控制： 通过控制编程指令 F（合成速度） 实现速度控制。位置精度高，需计算确定减速点。（在粗插补后进

34、行的）后加减速控制： 通过分别对各个运动轴的独立加减速控制。在加减速过程中合成位置可能不准确，不需计算减速点。前加减速控制方法1）按线性加减速度处理速度指令F；2）每次插补改变一次进给速度每次插补改变一次进给速度F；3）每次插补均瞬时点与终点的剩余距离；4）设置减速区以进行减速处理。后加减速控制方法1）按线性或指数加减速度处理各运动轴速度控制；2）每个采样周期比较输入速度指令与输出速度，并增加输出速度至设定指令；3）恒速运行至插补结束；4）加速少走位移量作为 减速位移量。 *减速段在无插补输出，所以不需设置减速点。伺服驱动系统概述 伺服系统（Servo system)：以机械位置或角度作为控制

35、对象的自动控制系统，是数控机床的执行机构。 按控制原理分为开环、闭环和半闭环系统：开环伺服系统分为电液脉冲马达驱动的电液控制系统和功率步进电机驱动的全电气位置控制系统。闭环伺服系统分为电液伺服和全电气直流、交流伺幅系统。伺服驱动系统概述 按反馈比较控制方式分为脉冲比较、相位比较、幅值比较、全数字伺服控制系统。 按驱动元件的原理分为电液控制系统和电气控制系统，电气控制系统分为步进电机驱动、直流伺服、交流伺服系统。 AC伺幅系统的数字化趋势：电流环、速度 环、位置环的反馈控制全部数字化，由软件实时处理。伺服驱动系统概述 按控制对象分为进给伺服系统、主轴伺服系统和辅助伺服系统。 进给伺服系统是一种精

36、密的位置跟踪、定位系统，由伺服驱动电路、伺服驱动装置、位置检测装置、机械传动机构以及执行部件等部分组成。其作用是：接受数控系统发出的进给位移和速度指令信号，由伺服驱动电路作一定的转换和放大后，经伺服驱动装置和机械传动机构，驱动机床的工作台、主轴头架等执行部件进行工作进给和快速进给。数控机床对进给伺服系统的要求 高精度：微米级以上 快速响应、无超调：几十毫秒100毫秒 调速范围宽：1000以上 低速转矩大：适应低速重切削，无爬行现象，过载能力强。 可靠，环境适应性强、性能稳定。数控系统中的位置检测装置 检测装置的性能主要体现在：精度、分辨率、灵敏度、量程、零漂、温漂等静态特性和动态响应特性。 为

37、适应数控机床的工作环境，保证机床的加工精度，检测装置必须工作可靠、抗干扰，技术指标参数符合要求，对高速动态信号满足不失真测量和处理。增量式和绝对式测量 增量式测量与绝对式测量 数字式测量和模拟式测量 直接直接测量和间接测量模拟检测旋转变压器与感应同步器应用方式有： 鉴相工作方式和鉴幅工作方式光栅 计量光栅是用于数控机床的精密检测元件，是闭环系统中另一种用得较多的测量装置，用作位移或转角的测量，测量精度可达几微米。 标尺光栅相对指示光栅移动，通过光电转换，输出位移相关的数字脉冲。辩向通过两个错开1/4纹距的光电元件，或指示光栅分成错开1/4栅距的两段。 光栅尺分为透射式（栅距100线/mm）反射

38、式（几十条/mm）。莫尔条纹式光栅莫尔条纹式光栅Wba节距W指示光栅G2标尺光栅G1明明暗暗WW分辨率高：B=W/均化栅距误差：莫尔条纹有大量刻线共同形成。正弦信号输出，经整形可变成数字脉冲信号BB莫尔干涉条纹指示光栅转过一个很小的角度，由于挡光效应和光的衍射，产生的条纹。磁尺 磁性标尺连接电缆磁头数字显示伺服系统检测电路磁尺是利用录磁原理工作的。先用录磁磁头将按一定周期变化的方波、正弦波或电脉冲信号录制在磁性标尺上，作为测量基准。检测时，用拾磁磁头将磁性标尺上的磁信号转化成电信号，再送到检测电路中去，把磁头相对于磁性标尺的位移量用数字显示出来，并传输给数控系统。磁化信号的节距（或周期）一般有

39、0.05，0.10mm，0.20，1等几种。脉冲编码器 脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器，把机械转角变成电脉冲，是一种常用的角位移传感器。同时也可作速度检测装置。 脉冲编码器分为光电式、接触式和电磁感应式三种。光电式的精度与可靠性都优于其他两种，因此数控机床上只使用光电式脉冲编码器。 按测量的坐标系，脉冲编码器可分为增量式和绝对式。 主要指标：每转输出的脉冲数光电式脉冲编码器 增量式光电式脉冲编码器：当圆光栅与工作轴一起转动时，光线透过两个光栅的线纹部分，形成明暗相间的条纹。光电元件将其转换为交替变换的电信号，再整形成脉冲。 绝对式光电式脉冲编码器：在码盘的每一个转角上刻制同心码道，分布一定规

40、律（二进制码、循环码）的明区（透射）和暗区，表示该位置的唯一代码。经光电元件转换成数字代码，输出的代码表示码盘的转动位置。具有断电保持。三相反应式（磁阻式）步进电机原理相相相各相定子齿转子齿展开顺时针方向A、B、C三相定子每相两极，每极上有5个齿，与转子一样齿间夹角均为9。如果A相通电则转子齿与A相极齿对齐，这时在B相两极下定子齿与转子齿中心线并不对齐，而是转子齿中心线较定子齿中心线沿反时针方向滞后1/3齿距，即3。C相下，转子齿超前6。因此，当通电状态由A相变为B相时，转子顺时针方向转过3，C相通电再转3。 相数、拍数与步距角相数、拍数与步距角 =360/mzk m绕组相数；各相定子齿彼此错

41、齿1/m齿距 z转子齿数：转子40齿，则每齿9度 k控制方式（供电方式）： K=1 单三拍：A-B-C；双三拍：AB-BC-CA K=2 三相六拍；A-AB-B-BC-C-CA步进电机的功率放大器单电压驱动单电压驱动电路简单，但电流响应慢，高频下负载弱。斩波驱动斩波驱动输出转矩恒定，但高频工作时响应不够快；高低压驱动高低压驱动响应快、但过冲、低频工作时振荡、失步。调频调压驱动调频调压驱动：综合高低压驱动和斩波驱动的优点，低频时低低频时低压驱动压驱动、使电流上升变缓，避免过冲，高频时高压驱动高频时高压驱动，提高电流上升速度，保证带载能力。 主轴驱动一般要求 *宽调速、恒功率； *正反转、快速制动。特殊要求 主轴驱动与进给驱动的