数控加工技术明兴祖数控机床各组成部分的结构及其控制原理PPT学习教案

1、会计学1数控加工技术明兴祖数控机床各组成部数控加工技术明兴祖数控机床各组成部分的结构及其控制原理分的结构及其控制原理第一节第一节 计算机数控系统计算机数控系统 一、一、CNCCNC系统的组成与特点系统的组成与特点 计算机数控系统（简称计算机数控系统（简称CNCCNC系统）是在硬件数控（系统）是在硬件数控（NCNC）系统）系统的基础上发展起来的，它用一台计算机完成数控装置的所有功的基础上发展起来的，它用一台计算机完成数控装置的所有功能。能。CNCCNC系统由硬件和软件组成，其组成框图如图系统由硬件和软件组成，其组成框图如图2-12-1所示。所示。 根据上述组成框图，根据上述组成框图，CNCCNC

2、系统有如下特点：系统有如下特点：(1)(1)灵活性灵活性（2 2）通用性（）通用性（3 3）可靠性（）可靠性（4 4）数控功能多样化）数控功能多样化（5 5）使用维护方便）使用维护方便 返回课件首页第1页/共38页二、二、CNCCNC系统的硬件结构系统的硬件结构 数控系统的硬件由数控装置、输入数控系统的硬件由数控装置、输入/ /输出装置输出装置、驱动装置和机床电器逻辑控制装置等组成，这、驱动装置和机床电器逻辑控制装置等组成，这四部分之间通过四部分之间通过I/OI/O接口互连。接口互连。 数控装置是数控系统的核心，其软件和硬件数控装置是数控系统的核心，其软件和硬件来控制各种数控功能的实现。来控制

3、各种数控功能的实现。 数控装置的硬件结构按数控装置的硬件结构按CNCCNC装置中的印制电路装置中的印制电路板的插接方式可以分为大板结构和功能模块（小板的插接方式可以分为大板结构和功能模块（小板）结构；按板）结构；按CNCCNC装置硬件的制造方式，可以分为装置硬件的制造方式，可以分为专用型结构和个人计算机式结构；按专用型结构和个人计算机式结构；按CNCCNC装置中微装置中微处理器的个数可以分为单微处理器结构和多微处处理器的个数可以分为单微处理器结构和多微处理器结构。理器结构。第2页/共38页 （一）大板结构和功能模板结构一）大板结构和功能模板结构 1 1大板结构大板结构 大板结构大板结构CNCC

4、NC系统的系统的CNCCNC装置由主电路板、位置控制板、装置由主电路板、位置控制板、PCPC板、图形控制板、附加板、图形控制板、附加I/OI/O板和电源单元等组成。主电路板是大板和电源单元等组成。主电路板是大印制电路版，其它电路板是小板，插在大印制电路板上的插槽内印制电路版，其它电路板是小板，插在大印制电路板上的插槽内。这种结构类似于微型计算机的结构。这种结构类似于微型计算机的结构。 2 2功能模块结构功能模块结构 在这种结构中，整个在这种结构中，整个CNCCNC装置按功能模块化分为若干个模块，装置按功能模块化分为若干个模块，硬件和软件的设计都采用模块化设计。硬件和软件的设计都采用模块化设计。

5、 常用的功能模板有常用的功能模板有CNCCNC控制板、位置控制板、控制板、位置控制板、PCPC板、存储器板板、存储器板、图形板和通信板等。、图形板和通信板等。FANUCFANUC系统系统1515系列就采用了功能模块式结系列就采用了功能模块式结构。构。 返回课件首页第3页/共38页 （二）单微处理器结构和（二）单微处理器结构和多微处理器结构多微处理器结构 1 1单微处理器结构单微处理器结构 在单微处理器结构中，只在单微处理器结构中，只有有一个微处理器，以集中控制、一个微处理器，以集中控制、分分时处理数控装置的各个任务。时处理数控装置的各个任务。 2 2多微处理器结构多微处理器结构在一个数控系统中

6、有两个或两在一个数控系统中有两个或两个以上的微处理器，每个微处个以上的微处理器，每个微处理器通过数据总线或通信方式理器通过数据总线或通信方式进行连接，共享系统的公用存进行连接，共享系统的公用存储器与储器与I/OI/O接口接口, ,每个微处理器每个微处理器分担系统的一部分工作，这就分担系统的一部分工作，这就是多微处理器系统。是多微处理器系统。返回课件首页第4页/共38页 如图如图2-32-3所示的数控系统带有所示的数控系统带有4 4个个CPUCPU。目前使用的多微处理器。目前使用的多微处理器系统有三种不同的结构，即主从式结构、总线式多主系统有三种不同的结构，即主从式结构、总线式多主CPUCPU结

7、构和结构和分布式结构。分布式结构。返回课件首页第5页/共38页 三、三、CNCCNC系统的软件结构系统的软件结构 （一）（一）CNCCNC系统软件的组成系统软件的组成 CNCCNC软件分为应用软件和系统软件。软件分为应用软件和系统软件。 CNCCNC系统软件是为实现系统软件是为实现CNCCNC系统各项功能所编制的专用软系统各项功能所编制的专用软件，也叫控制软件，存放在计算机件，也叫控制软件，存放在计算机EPROMEPROM内存中。各种内存中。各种CNCCNC系系统的功能设置和控制方案各不相同，它们的系统软件在结构上和规统的功能设置和控制方案各不相同，它们的系统软件在结构上和规模上差别很大，但是

8、一般都包括输入数据处理程序、插补运算程序模上差别很大，但是一般都包括输入数据处理程序、插补运算程序、速度控制程序、管理程序和诊断程序。下面分别叙述它们的作用、速度控制程序、管理程序和诊断程序。下面分别叙述它们的作用。 1 1输入数据处理程序输入数据处理程序 它接收输入的零件加工程序，将标准代码表示的加工指令它接收输入的零件加工程序，将标准代码表示的加工指令和数据进行译码、数据处理，并按规定的格式存放。有的系统还要和数据进行译码、数据处理，并按规定的格式存放。有的系统还要进行补偿计算，或为插补运算和速度控制等进行预计算。通常，输进行补偿计算，或为插补运算和速度控制等进行预计算。通常，输入数据处理

9、程序包括输入、译码和数据处理三项内容。入数据处理程序包括输入、译码和数据处理三项内容。 （1 1）输入程序（）输入程序（2 2）译码程序（）译码程序（3 3） 数据处理程序数据处理程序返回课件首页第6页/共38页 2 2插补计算程序插补计算程序 CNCCNC系统根据工件加工程序中提供的数据，如曲线的种类、系统根据工件加工程序中提供的数据，如曲线的种类、起点、终点等进行运算。根据运算结果，分别向各坐标轴发出进给起点、终点等进行运算。根据运算结果，分别向各坐标轴发出进给脉冲。这个过程称为插补运算。进给脉冲通过伺服系统驱动工作台脉冲。这个过程称为插补运算。进给脉冲通过伺服系统驱动工作台或刀具作相应的

10、运动，完成程序规定的加工任务。或刀具作相应的运动，完成程序规定的加工任务。 CNCCNC系统是一边插补进行运算，一边进行加工，是一种典型系统是一边插补进行运算，一边进行加工，是一种典型的实时控制方式，所以，插补运算的快慢直接影响机床的进给速度的实时控制方式，所以，插补运算的快慢直接影响机床的进给速度，因此应该尽可能地缩短运算时间，这是编制插补运算程序的关键，因此应该尽可能地缩短运算时间，这是编制插补运算程序的关键。 3 3速度控制程序速度控制程序 速度控制程序根据给定的速度值控制插补运算的频率，以速度控制程序根据给定的速度值控制插补运算的频率，以保预定的进给速度。在速度变化较大时，需要进行自动

11、加减速控制保预定的进给速度。在速度变化较大时，需要进行自动加减速控制，以避免因速度突变而造成驱动系统失步。，以避免因速度突变而造成驱动系统失步。 4 4管理程序管理程序 管理程序负责对数据输入、数据处理、插补运算等为加工过管理程序负责对数据输入、数据处理、插补运算等为加工过程服务的各种程序进行调度管理。管理程序还要对面板命令、时钟程服务的各种程序进行调度管理。管理程序还要对面板命令、时钟信号、故障信号等引起的中断进行处理。信号、故障信号等引起的中断进行处理。返回课件首页第7页/共38页 5诊断程序诊断程序 诊断程序的功能是在程序运行中及时发现系统的故障，并指出诊断程序的功能是在程序运行中及时发

12、现系统的故障，并指出故障的类型。也可以在运行前或故障发生后，检查系统各主要部件故障的类型。也可以在运行前或故障发生后，检查系统各主要部件（CPU、存储器、接口、开关、伺服系统等）的功能是否正常，、存储器、接口、开关、伺服系统等）的功能是否正常，并指出发生故障的部位。并指出发生故障的部位。 （二）（二）CNC系统软件的结构系统软件的结构 CNC系统是在同一时间或同一时间间隔内完成两种以上性质相系统是在同一时间或同一时间间隔内完成两种以上性质相同或不同的工作，因此需要对系统软件的各功能模块实现多任务并同或不同的工作，因此需要对系统软件的各功能模块实现多任务并行处理。为此，在行处理。为此，在CNC软

13、件设计中，常采用资源分时共享并行处软件设计中，常采用资源分时共享并行处理和资源重叠流水并行处理技术。资源分时共享并行处理适用于单理和资源重叠流水并行处理技术。资源分时共享并行处理适用于单微处理器系统，主要采用对微处理器系统，主要采用对CPU的分时共享来解决多任务的并行的分时共享来解决多任务的并行处理。资源重叠流水并行处理适用于多微处理器系统，资源重叠流处理。资源重叠流水并行处理适用于多微处理器系统，资源重叠流水并行处理是指在一段时间间隔内处理两个或多个任务，即时间重水并行处理是指在一段时间间隔内处理两个或多个任务，即时间重叠。由于两种技术处理方式不同，相应的叠。由于两种技术处理方式不同，相应的

14、CNC软件也可设计成不软件也可设计成不同的结构形式。不同的软件结构，对各任务的安排方式也不同，管同的结构形式。不同的软件结构，对各任务的安排方式也不同，管理方式也不同。理方式也不同。返回课件首页第8页/共38页 较常见的较常见的CNC软件结构形式有前后台型软件结构和中断型软软件结构形式有前后台型软件结构和中断型软件结构。件结构。 1前后台型软件结构前后台型软件结构 前后台型软件结构将整个前后台型软件结构将整个CNC系统软件分为前台程序和后台程系统软件分为前台程序和后台程序。序。 2中断型软件结构中断型软件结构 四、四、CNCCNC系统的控制原理系统的控制原理 五、典型数控系统五、典型数控系统返

15、回课件首页第9页/共38页第二节第二节 数控机床的进给伺服系统数控机床的进给伺服系统 一、概述一、概述 数控机床的伺服系统是指以数控机床移动部件（如工作台）数控机床的伺服系统是指以数控机床移动部件（如工作台）的位置和速度作为控制量的自动控制系统，也就是位置随动系统的位置和速度作为控制量的自动控制系统，也就是位置随动系统。它的作用是接受来自数控装置中插补器或计算机插补软件生成。它的作用是接受来自数控装置中插补器或计算机插补软件生成的进给脉冲，经变换、放大将其转化为数控机床移动部件的位移的进给脉冲，经变换、放大将其转化为数控机床移动部件的位移，并保证动作的快速和准确。伺服系统的性能，在很大程度上决

16、，并保证动作的快速和准确。伺服系统的性能，在很大程度上决定了数控机床的性能，如数控机床的定位精度、跟踪精度、最高定了数控机床的性能，如数控机床的定位精度、跟踪精度、最高移动速度等重要指标。移动速度等重要指标。 伺服系统由执行元件和驱动控制电路构成。伺服系统按其控伺服系统由执行元件和驱动控制电路构成。伺服系统按其控制方式分为开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统。制方式分为开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统。 伺服系统的基本要求主要是稳定性好、精确度高以及快速响伺服系统的基本要求主要是稳定性好、精确度高以及快速响应性。应性。 数控机床伺服系统主要有两种：一种是进给伺服系统，它控数控机

17、床伺服系统主要有两种：一种是进给伺服系统，它控制机床各坐标轴的切削进给运动，以直线运动为主；另一种是主制机床各坐标轴的切削进给运动，以直线运动为主；另一种是主轴伺服系统，它控制主轴的切削运动，以旋转运动为主。本节只轴伺服系统，它控制主轴的切削运动，以旋转运动为主。本节只介绍前一种。介绍前一种。返回课件首页第10页/共38页 二、开环和闭环进给伺服系统二、开环和闭环进给伺服系统 1 1开环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中最简单的伺服系统，执行元开环进给伺服系统是数控机床中最简单的伺服系统，执行元件一般为步进电机，其控制原理如图件一般为步进电机，其控制原理如图2-82-8

18、所示。所示。 开环进给伺服系统的精度较低，速度也受到步进电动机性能开环进给伺服系统的精度较低，速度也受到步进电动机性能的限制。但由于其结构简单，易于调整，在精度要求不太高的场的限制。但由于其结构简单，易于调整，在精度要求不太高的场合中得到较广泛的应用。合中得到较广泛的应用。 返回课件首页第11页/共38页 2闭环控制系统闭环控制系统 因为开环系统的精度不能很好地满足数控机床的要求，所以因为开环系统的精度不能很好地满足数控机床的要求，所以为了保证精度，最根本的办法是采用闭环控制方式。闭环控制系为了保证精度，最根本的办法是采用闭环控制方式。闭环控制系统是采用直线型位置检测装置（直线感应同步器、长光

19、栅等）对统是采用直线型位置检测装置（直线感应同步器、长光栅等）对数控机床工作台位移进行直接测量并进行反馈控制的位置伺服系数控机床工作台位移进行直接测量并进行反馈控制的位置伺服系统，其控制原理见图统，其控制原理见图2-9。返回课件首页第12页/共38页 3半闭环控制系统半闭环控制系统 采用旋转型角度测量元件（脉冲编码器、旋转变压器、圆感应采用旋转型角度测量元件（脉冲编码器、旋转变压器、圆感应同步器等）和伺服电动机按照反馈控制原理构成的位置伺服系统同步器等）和伺服电动机按照反馈控制原理构成的位置伺服系统，称作半闭环控制系统，其控制原理见图，称作半闭环控制系统，其控制原理见图2-10。半闭环控制系统

20、。半闭环控制系统的检测装置有两种安装方式：一种是把角位移检测装置安装在丝的检测装置有两种安装方式：一种是把角位移检测装置安装在丝杠末端；另一种是把角位移检测装置安装在电动机轴端。杠末端；另一种是把角位移检测装置安装在电动机轴端。返回课件首页第13页/共38页 三、三、CNCCNC进给伺服系统进给伺服系统 CNC进给伺服系统是指用于进给伺服系统是指用于CNC机床的伺服系统，它与前机床的伺服系统，它与前面介绍的伺服系统相比较，具有精度高、稳定性好等优点，其结面介绍的伺服系统相比较，具有精度高、稳定性好等优点，其结构框图如图构框图如图2-11所示。由于计算机的引入，用软件代替了大量的所示。由于计算机

21、的引入，用软件代替了大量的硬件，因而使得硬件线路简单。在硬件，因而使得硬件线路简单。在CNC进给伺服系统中还可用计进给伺服系统中还可用计算机对伺服系统进行最优控制、前瞻控制等，从而提高整个系统算机对伺服系统进行最优控制、前瞻控制等，从而提高整个系统的性能。的性能。返回课件首页第14页/共38页 四、进给系统的机械传动结构四、进给系统的机械传动结构 数控机床进给传动装置的精度、灵敏度和稳定性，将直接影数控机床进给传动装置的精度、灵敏度和稳定性，将直接影响工件的加工精度。为此，数控机床的进给传动系统必须满足响工件的加工精度。为此，数控机床的进给传动系统必须满足:（1）传动精度高）传动精度高;（2）

22、摩擦阻力小）摩擦阻力小;（3）运动部件惯量小。）运动部件惯量小。 下面主要介绍滚珠丝杠螺母副和导轨副两种机械传动结构。下面主要介绍滚珠丝杠螺母副和导轨副两种机械传动结构。 （一）滚珠丝杠螺母副（一）滚珠丝杠螺母副 在数控机床上，将回转运动与直线运动相互转换的传动装置在数控机床上，将回转运动与直线运动相互转换的传动装置一般采用滚珠丝杠螺母副。其特点是：传动效率高，一般为一般采用滚珠丝杠螺母副。其特点是：传动效率高，一般为=0.920.98；传动灵敏，摩擦力小，不易产生爬行；使用寿命；传动灵敏，摩擦力小，不易产生爬行；使用寿命长；具有可逆性，不仅可以将旋转运动转变为直线运动，亦可将长；具有可逆性，

23、不仅可以将旋转运动转变为直线运动，亦可将直线运动变成旋转运动；轴向运动精度高，施加预紧力后，可消直线运动变成旋转运动；轴向运动精度高，施加预紧力后，可消除轴向间隙，反向时无空行程；但制造成本高，不能自锁，垂直除轴向间隙，反向时无空行程；但制造成本高，不能自锁，垂直安装时需有平衡装置。安装时需有平衡装置。 1滚珠丝杠螺母副的结构和工作原理滚珠丝杠螺母副的结构和工作原理 其结构有内循环与外循环两种方式。图其结构有内循环与外循环两种方式。图2-13为外循环式，图为外循环式，图2-14为内循环式。为内循环式。 返回课件首页第15页/共38页返回课件首页第16页/共38页 2滚珠丝杠螺母副间隙的调整方法

24、滚珠丝杠螺母副间隙的调整方法 为了保证滚珠丝杠螺母副的反向传动精度和轴向刚度，必须为了保证滚珠丝杠螺母副的反向传动精度和轴向刚度，必须消除轴向间隙。常采用双螺母预紧办法，其结构形式有三种，基消除轴向间隙。常采用双螺母预紧办法，其结构形式有三种，基本原理都是使两个螺母产生轴向位移，以消除它们之间的间隙和本原理都是使两个螺母产生轴向位移，以消除它们之间的间隙和施加预紧力。须注意预紧力不能太大，预紧力过大会造成传动效施加预紧力。须注意预紧力不能太大，预紧力过大会造成传动效率降低、摩擦力增大，磨损增大，使用寿命降低。率降低、摩擦力增大，磨损增大，使用寿命降低。（1）垫片调整间隙法，图）垫片调整间隙法，

25、图2-15。（。（ 2）齿差调整间隙法，图）齿差调整间隙法，图2-16返回课件首页第17页/共38页 （3）螺纹调整间隙法，图2-17。返回课件首页 （二）导轨副（二）导轨副 导轨是数控机床的重要导轨是数控机床的重要部件之一，它在很大程度部件之一，它在很大程度上决定数控机床的刚度、上决定数控机床的刚度、精度与精度保持性。目前，精度与精度保持性。目前，数控机床上的导轨型式主数控机床上的导轨型式主要有滑动导轨、直线滚动导轨和液体静压导轨等。要有滑动导轨、直线滚动导轨和液体静压导轨等。 1滑动导轨滑动导轨 其具有结构简单、制造方便、刚度好、抗振性高等优点，在其具有结构简单、制造方便、刚度好、抗振性高

26、等优点，在数控机床上应用广泛。但对于金属对金属型式，静摩擦系数大数控机床上应用广泛。但对于金属对金属型式，静摩擦系数大，动摩擦系数随速度变化而变化，在低速时易产生爬行现象。，动摩擦系数随速度变化而变化，在低速时易产生爬行现象。为了提高导轨的耐磨性，改善摩擦特性，可通过选用合适的导为了提高导轨的耐磨性，改善摩擦特性，可通过选用合适的导轨材料、热处理方法等。轨材料、热处理方法等。 第18页/共38页 2直线滚动导轨直线滚动导轨 图图2-18是直线滚动导轨副的外形图，直线滚动导轨由一根长导是直线滚动导轨副的外形图，直线滚动导轨由一根长导轨（导轨条）和一个或几个滑块组成。轨（导轨条）和一个或几个滑块组

27、成。直线滚动导轨的特点是摩擦系数小，精度高，安装和维修都很方便直线滚动导轨的特点是摩擦系数小，精度高，安装和维修都很方便。由于直线滚动导轨是一个独立的部件，对机床支承导轨部分的要。由于直线滚动导轨是一个独立的部件，对机床支承导轨部分的要求不高，既不需要淬硬求不高，既不需要淬硬也不需要磨削或刮研，只也不需要磨削或刮研，只需精铣或精刨。因为这种需精铣或精刨。因为这种导轨可以预紧，因此其刚导轨可以预紧，因此其刚度高。度高。 3液体静压导轨液体静压导轨 由于其导轨的工作面完由于其导轨的工作面完全处于纯液体摩擦下，因全处于纯液体摩擦下，因而工作时摩擦系数极低而工作时摩擦系数极低（f=0.0005）；导轨

28、的运）；导轨的运动不受负载和速度的限制，动不受负载和速度的限制，返回课件首页第19页/共38页 且低速时移动均匀，无爬行现象；由于液体具有吸振作用，因且低速时移动均匀，无爬行现象；由于液体具有吸振作用，因而导轨的抗振性好；承载能力大、刚性好；摩擦发热小，导轨温升而导轨的抗振性好；承载能力大、刚性好；摩擦发热小，导轨温升小。但液体静压导轨的结构复杂，多了一套液压系统；成本高；油小。但液体静压导轨的结构复杂，多了一套液压系统；成本高；油膜厚度难以保持恒定不变。故液体静压导轨主要用于大型、重型数膜厚度难以保持恒定不变。故液体静压导轨主要用于大型、重型数控机床上。控机床上。 液体静压导轨的结构液体静压

29、导轨的结构型式可分为开式和闭式型式可分为开式和闭式两种。图两种。图2-19为开式静为开式静压导轨工作原理图。对压导轨工作原理图。对于闭式液体静压导轨，于闭式液体静压导轨，其导轨的各个方向导轨其导轨的各个方向导轨面上均开有油腔，所以面上均开有油腔，所以闭式导轨具有承受各方闭式导轨具有承受各方向载荷的能力，且其导向载荷的能力，且其导轨保持平衡性较好。轨保持平衡性较好。返回课件首页第20页/共38页 五、数控机床的位置检测装置五、数控机床的位置检测装置 （一）对位置检测装置的要求（一）对位置检测装置的要求 闭环伺服系统和半闭环伺服系统均装有位置检测装置，常用的闭环伺服系统和半闭环伺服系统均装有位置检

30、测装置，常用的有旋转变压器、光栅、感应同步器、编码盘等。位置检测装置的主有旋转变压器、光栅、感应同步器、编码盘等。位置检测装置的主要作用是检测位移量，并将检测的反馈信号和数控装置发出的指令要作用是检测位移量，并将检测的反馈信号和数控装置发出的指令信号相比较，若有偏差，经放大后控制执行部件，使其向着消除偏信号相比较，若有偏差，经放大后控制执行部件，使其向着消除偏差的方向运动，直到偏差为零。差的方向运动，直到偏差为零。 为提高数控机床的加工精度，必须提高测量元件和测量系统的为提高数控机床的加工精度，必须提高测量元件和测量系统的精度。不同的数控机床对测量元件和测量系统的精度要求、允许的精度。不同的数

31、控机床对测量元件和测量系统的精度要求、允许的最高移动速度各不相同。一般要求测量元件的分辨率（测量元件能最高移动速度各不相同。一般要求测量元件的分辨率（测量元件能测量的最小位移量）在测量的最小位移量）在0.0001 0.01mm之内，测量精度为之内，测量精度为0.001 0.02mm，运动速度为，运动速度为024 m / min。 数控机床对位置检测装置的要求如下：数控机床对位置检测装置的要求如下： （1）工作可靠，抗干扰性强）工作可靠，抗干扰性强;（2）满足精度和速度的要求）满足精度和速度的要求; （3）便于安装和维护）便于安装和维护; （4）成本低、寿命长。）成本低、寿命长。 （二）常用的位

32、置检测装置（二）常用的位置检测装置返回课件首页第21页/共38页 1旋转变压器旋转变压器 （1）旋转变压器的结构和工作原理）旋转变压器的结构和工作原理 其一般有两极绕组和四极绕组两种结构形式。两极绕组旋转变其一般有两极绕组和四极绕组两种结构形式。两极绕组旋转变压器的定子和转子各有一对磁极，四极绕组则各有两对磁极，主要压器的定子和转子各有一对磁极，四极绕组则各有两对磁极，主要用于高精度的检测系统。除此之外，还有多极式旋转变压器，用于用于高精度的检测系统。除此之外，还有多极式旋转变压器，用于高精度绝对式检测系统。在实际应用中，考虑到使用的方便性和检高精度绝对式检测系统。在实际应用中，考虑到使用的方

33、便性和检测精度等因素，常采用四极绕组式旋转变压器。这种结构形式的旋测精度等因素，常采用四极绕组式旋转变压器。这种结构形式的旋转变压器可分为鉴相式和鉴幅式两种工作方式。转变压器可分为鉴相式和鉴幅式两种工作方式。 a. 鉴相工作方式鉴相工作方式 图图2-20所示为四极旋转变压器，所示为四极旋转变压器，给定子的两个绕组分别通以同幅、给定子的两个绕组分别通以同幅、同频但相位相差同频但相位相差/2的交流励磁电的交流励磁电压，即压，即: u1sUmSint u1cUmCost （21） 返回课件首页第22页/共38页 在转子绕组的其中一个绕组接一高阻抗，它不作为旋转变压器在转子绕组的其中一个绕组接一高阻抗

34、，它不作为旋转变压器的测量输出，主要起平衡磁场的作用，目的是为了提高测量精度。的测量输出，主要起平衡磁场的作用，目的是为了提高测量精度。这两个励磁电压在转子的另一绕组中都产生了感应电压，并叠加在这两个励磁电压在转子的另一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，即：一起，因而转子中的感应电压应为这两个电压的代数和，即： u2ku1s Sinku1c Cos kUmSint SinkUmCost Cos kUmCos(t -) （22） 同理，假如转子逆向转动，可得：同理，假如转子逆向转动，可得： u2kUmCos(t ) （23） 由式（由式（21）和（

35、）和（22）可见，旋转变压器转子绕组中的感应）可见，旋转变压器转子绕组中的感应电势电势u2与定子绕组中的励磁电压同频率，但相位不同，其差值为与定子绕组中的励磁电压同频率，但相位不同，其差值为。而。而角正是被测位移，故通过比较感应电势角正是被测位移，故通过比较感应电势u2 与定子励磁电压输与定子励磁电压输出电压出电压u1c的相位，便可求出的相位，便可求出。返回课件首页第23页/共38页 b.鉴幅工作方式鉴幅工作方式 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变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变励磁电压，即：励磁电压，即：u1 s Us m Sint u1c Uc m

36、 Sint （24） 其中，幅值分别为正弦、余弦函数，即：其中，幅值分别为正弦、余弦函数，即： Us m UmSin Uc m UmCos,式中式中角可改变，称为旋转变压器的电气角角可改变，称为旋转变压器的电气角。则在转子上的叠加感应电压为：。则在转子上的叠加感应电压为： u2ku1 s Sinku1 c Cos kUmCos(-) Sint (25) 如果转子逆向转动，可得：如果转子逆向转动，可得： u2kUmCos(+) Sint (26) 由上式（由上式（25）和（）和（26）可得，转子感应电压的幅值随转子）可得，转子感应电压的幅值随转子的偏转角的偏转角而变化，测量出幅值即可求得转角而变

37、化，测量出幅值即可求得转角。在实际应用中，应根据转子误差电压的大小，不断修改励磁信号中在实际应用中，应根据转子误差电压的大小，不断修改励磁信号中的的角（即励磁幅值），使其跟踪角（即励磁幅值），使其跟踪的变化。的变化。返回课件首页第24页/共38页 （2）旋转变压器的应用）旋转变压器的应用 由于旋转变压器具有结构简单、动作灵敏、工作可靠、对环境由于旋转变压器具有结构简单、动作灵敏、工作可靠、对环境条件要求低、输出信号幅度大、抗干扰能力强和测量精度一般等特条件要求低、输出信号幅度大、抗干扰能力强和测量精度一般等特点，所以在连续控制系统中得到普遍应用，一般用于精度要求不高点，所以在连续控制系统中得到

38、普遍应用，一般用于精度要求不高的数控机床上。的数控机床上。 2感应同步器感应同步器 它也是一种非接触电磁式测量装置，可测量角位移或直线位移它也是一种非接触电磁式测量装置，可测量角位移或直线位移。其特点是：感应同步器有许多极，其输出电压是许多极感应电压的其特点是：感应同步器有许多极，其输出电压是许多极感应电压的平均值，因此检测装置本身微小的制造误差由于取平均值而得到补平均值，因此检测装置本身微小的制造误差由于取平均值而得到补偿，其测量精度较高；测量距离长，感应同步器可以采用拼接的方偿，其测量精度较高；测量距离长，感应同步器可以采用拼接的方法，增大测量尺寸；对环境的适应性较强，因其利用电磁感应原理

39、法，增大测量尺寸；对环境的适应性较强，因其利用电磁感应原理产生信号，所以抗油、水和灰尘的能力较强；结构简单，使用寿命产生信号，所以抗油、水和灰尘的能力较强；结构简单，使用寿命长且维护简单。长且维护简单。 （1）感应同步器的结构和工作原理感应同步器测量装置分为直）感应同步器的结构和工作原理感应同步器测量装置分为直线式和旋转式两种。线式和旋转式两种。 直线式感应同步器由定尺和滑尺两部分组成，如图直线式感应同步器由定尺和滑尺两部分组成，如图2-21所示。所示。 返回课件首页第25页/共38页 图2-22表示了定尺绕组感应电压与定尺、滑尺之间相对位置的关系。返回课件首页第26页/共38页 （2）感应同

40、步器的工作方式）感应同步器的工作方式 同旋转变压器工作方式相似，根据同旋转变压器工作方式相似，根据滑尺励磁绕组供电方式的不同，感应同步器的工作状态可分为相位滑尺励磁绕组供电方式的不同，感应同步器的工作状态可分为相位工作方式和幅值工作方式两种情况。工作方式和幅值工作方式两种情况。 相位工作方式（鉴相工作法）相位工作方式（鉴相工作法） 给滑尺的正弦绕组和余弦绕组给滑尺的正弦绕组和余弦绕组分别通以同频、同幅但相位相差的交流励磁电压。分别通以同频、同幅但相位相差的交流励磁电压。 在相位工作方式中，感应输出电压是一个幅值不变的交流电压在相位工作方式中，感应输出电压是一个幅值不变的交流电压。由于耦合系数。

41、由于耦合系数K、励磁电压幅值、励磁电压幅值Um以及频率以及频率w均为常数，所以均为常数，所以定尺感应电压定尺感应电压Ud只随空间相位角只随空间相位角的变化而变化的变化而变化,即定尺感应电压即定尺感应电压Ud与滑尺的位移值与滑尺的位移值x有严格的对应关系。通过鉴别定尺感应电压相有严格的对应关系。通过鉴别定尺感应电压相位，即可测得滑尺和定尺的相对位移量。位，即可测得滑尺和定尺的相对位移量。 幅值工作方式（鉴幅工作方式）幅值工作方式（鉴幅工作方式） 给滑尺的正弦绕组和余弦绕给滑尺的正弦绕组和余弦绕组分别通以同频率、同相位但幅值不同的交流励磁电压。组分别通以同频率、同相位但幅值不同的交流励磁电压。 定

42、尺绕组上的感应电压实际上是误差电压，当滑尺位移量很小定尺绕组上的感应电压实际上是误差电压，当滑尺位移量很小时，误差电压幅值和呈正比，因此可通过测量的幅值来测定位移量时，误差电压幅值和呈正比，因此可通过测量的幅值来测定位移量的大小。的大小。 返回课件首页第27页/共38页 3光栅光栅 光栅是用于数控机床的精密检测装置，是一种非接触式测量。光栅是用于数控机床的精密检测装置，是一种非接触式测量。它是利用光学原理进行工作，按形状可分为圆光栅和长光栅。圆光它是利用光学原理进行工作，按形状可分为圆光栅和长光栅。圆光栅用于角位移的检测，长光栅用于直线位移的检测。栅用于角位移的检测，长光栅用于直线位移的检测。

43、 光栅是利用光的透射、衍射现象制成的光电检测元件，它主要光栅是利用光的透射、衍射现象制成的光电检测元件，它主要由光栅尺（包括标尺光栅和指示光栅）和光栅读数头两部分组成。由光栅尺（包括标尺光栅和指示光栅）和光栅读数头两部分组成。光栅读数头由光源、透镜、指示光栅、光敏元件和驱动线路组成，光栅读数头由光源、透镜、指示光栅、光敏元件和驱动线路组成，如图如图2-23所示。其工作原理是根据物理上莫尔条纹的形成原理进行所示。其工作原理是根据物理上莫尔条纹的形成原理进行工作的，这里不再详述。工作的，这里不再详述。 光栅具有如下特点：光栅具有如下特点： （1）响应速度快、量程）响应速度快、量程宽、测量精度高。（

44、宽、测量精度高。（2）可）可实现动态测量，易于实现测实现动态测量，易于实现测量及数据处理的自动化。量及数据处理的自动化。（3）具有较强的抗干扰能力。）具有较强的抗干扰能力。（4）怕振动、怕油污，高精）怕振动、怕油污，高精度光栅的制作成本高。度光栅的制作成本高。返回课件首页第28页/共38页 4磁栅磁栅 磁栅是一种采用电磁方法记录磁波数目的位置检测装置，其录磁栅是一种采用电磁方法记录磁波数目的位置检测装置，其录磁和拾磁原理与普通磁带相似。磁和拾磁原理与普通磁带相似。 磁栅按磁性标尺基体的形状可分为平面实体型磁栅、带状磁栅磁栅按磁性标尺基体的形状可分为平面实体型磁栅、带状磁栅、线状磁栅和圆型磁栅。

45、图、线状磁栅和圆型磁栅。图2-24为磁栅结构框图，它由磁性标尺、为磁栅结构框图，它由磁性标尺、拾磁磁头和检测电路组成。拾磁磁头和检测电路组成。 磁栅与光栅相比，测量精度略低一些，但它有如下特点：磁栅与光栅相比，测量精度略低一些，但它有如下特点： （1）制作简单，安装、调整方便，成本低。磁栅上的磁化信号）制作简单，安装、调整方便，成本低。磁栅上的磁化信号录制完，若发现不符合要求，可录制完，若发现不符合要求，可抹去重录。亦可安装在机床上再抹去重录。亦可安装在机床上再录磁，避免安装误差。录磁，避免安装误差。 （2）磁尺的长度可任意选择，）磁尺的长度可任意选择，亦可录制任意节距的磁信号。亦可录制任意节

46、距的磁信号。 （3）耐油污、灰尘等，对使用）耐油污、灰尘等，对使用环境要求较低。环境要求较低。 （4）但反应速度受到限制；因）但反应速度受到限制；因磁头与磁尺有接触的相对运动产生磨损，对其使用寿命产生影响。磁头与磁尺有接触的相对运动产生磨损，对其使用寿命产生影响。返回课件首页第29页/共38页第三节第三节 数控机床的主轴驱动及其机械结构数控机床的主轴驱动及其机械结构 一、主轴驱动及其控制一、主轴驱动及其控制 （一）对主轴驱动的要求（一）对主轴驱动的要求 数控机床的主轴驱动是指产生主切削运动的传动，它是数控机床的重要组成部分之一。随着数控技术的不断发展，传统的主轴驱动已不能满足要求，现代数控机床

47、对主轴驱动提出了更高的要求。 （1）数控机床主传动要有宽的调速范围及尽可能实现无级变速;（2）功率大;（3）动态响应性要好;（4）精度高;（5）旋转轴联动功能;（6）恒线速切削功能;（7）加工中心上，要求主轴具有高精度的准停控制 此外，有的数控机床还要求具有角度分度控制功能。为了达到上述有关要求，对主轴调速系统还需加位置控制，比较多的采用光电编码器作为主轴的转角检测。 返回课件首页第30页/共38页 （二）主轴驱动方式（二）主轴驱动方式 数控机床的主轴数控机床的主轴驱动及其控制方式主驱动及其控制方式主要有四种配置方式，要有四种配置方式，如图如图2-252-25所示。所示。（1 1）带有变速齿轮

48、）带有变速齿轮的主传动，图的主传动，图2-252-25（a a）。）。（2 2）通过带传动的主）通过带传动的主传动，图传动，图2-252-25（b b）。）。（3 3）用两个电动机分）用两个电动机分别驱动主轴，别驱动主轴，图图2-252-25（c c）。）。（4 4）内装电动机主轴）内装电动机主轴传动结构，传动结构，图图2-252-25（d d）。）。返回课件首页第31页/共38页 （三）主轴调速方法（三）主轴调速方法 数控机床的主轴调速是按照控制指令自动执行的，为了能同数控机床的主轴调速是按照控制指令自动执行的，为了能同时满足对主传动的调速和输出扭矩的要求，数控机床常用机电结时满足对主传动的

49、调速和输出扭矩的要求，数控机床常用机电结合的方法，即同时采用电动机和机械齿轮变速两种方法。其中齿合的方法，即同时采用电动机和机械齿轮变速两种方法。其中齿轮减速以增大输出扭矩，并利用齿轮换挡来扩大调速范围。轮减速以增大输出扭矩，并利用齿轮换挡来扩大调速范围。 1 1电动机调速电动机调速 用于主轴驱动的调速电动机主要有直流电动机和交流电动机用于主轴驱动的调速电动机主要有直流电动机和交流电动机两大类。两大类。 （1 1）直流电动机主轴调速）直流电动机主轴调速 由于主轴电动机要求输出较大的由于主轴电动机要求输出较大的功率，所以主轴直流电动机在结构上不适用永磁式，一般是他激功率，所以主轴直流电动机在结构

50、上不适用永磁式，一般是他激式式从电机拖动理论知，从电机拖动理论知，要改变电动机转速要改变电动机转速n，可通过改变电枢电压，可通过改变电枢电压（降压调速），或改变励磁电流（弱磁调速）。当采用降压调速（降压调速），或改变励磁电流（弱磁调速）。当采用降压调速时，从电动机转矩公式时，从电动机转矩公式T=CekIfIa中可得，它是属于恒转矩调速。中可得，它是属于恒转矩调速。而当采用弱磁调速时，根据功率公式而当采用弱磁调速时，根据功率公式P=nT，并把上述，并把上述n 公式与公式与T公式代入得，电动机的功率公式代入得，电动机的功率P=（U-RIa）CeIa，可知它是属于恒功，可知它是属于恒功率调速。率调速

51、。 返回课件首页n =第32页/共38页 通常在数控机床中，为扩大调速范围，对直流主轴电动机的通常在数控机床中，为扩大调速范围，对直流主轴电动机的调速，同时采用调压和调磁两种方法。其典型的直流主轴电动机调速，同时采用调压和调磁两种方法。其典型的直流主轴电动机特性曲线如图特性曲线如图2-26所示。所示。 （2）交流电动机主轴调速）交流电动机主轴调速 大多大多数交流进给伺服电动机采用永磁式数交流进给伺服电动机采用永磁式同步电动机，但主轴交流电动机则同步电动机，但主轴交流电动机则多采用鼠笼式感应电动机，这是因多采用鼠笼式感应电动机，这是因为受永磁体的限制，永磁同步电动为受永磁体的限制，永磁同步电动机

52、的容量不允许做得太大，而且其机的容量不允许做得太大，而且其成本也很高。另外，数控机床主轴成本也很高。另外，数控机床主轴驱动系统不必象进给系统那样，需驱动系统不必象进给系统那样，需要如此高的动态性能和调速范围。要如此高的动态性能和调速范围。鼠笼式感应电动机其结构简单、便鼠笼式感应电动机其结构简单、便宜、可靠，配上矢量变换控制的主宜、可靠，配上矢量变换控制的主轴驱动装置则完全可以满足数控机轴驱动装置则完全可以满足数控机床主轴的要求。床主轴的要求。返回课件首页n =第33页/共38页 交流主轴电机的性能可由图交流主轴电机的性能可由图2-27所示的功率所示的功率/速度关系曲线反速度关系曲线反应出来。应出来。 2机械齿轮变速机械齿轮变速 采用电动机无级调速，使主采用电动机无级调速，使主轴齿轮箱的结构大大简化，但其轴齿轮箱的结构大大简化，但其低速段输出力矩常常无法满足机低速段输出力矩常常无法满足机床强力切削的要求。如单纯片面床强力切削的要求。如单纯片面追求无级调速，势必要增大主轴追求无级调速，势必要增大主轴电动机的功率，从而使主轴电动