数控机床各组成部分结构及控制原理

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数控机床各组成部分的结构及其控制原理2.1数控系统的控制原理2.2计算机数控装置2.3数控机床的位置检测装置2.4数控机床的进给伺服系统2.5数控机床的主轴驱动及其机械结构2.6可编程序控制器在数控机床上的应用课程内容12.1数控系统的控制原理

一、总体结构及各部分功能

三部分：微机及其相应的I/O设备外部设备机床控制及其I/O通道框图：2二、CNC装置的插补原理

插补的任务：根据进给速度，在轮廓的起点和终点之间计算出若干个中间点的坐标。插补算法分两大类：脉冲增量插补：逐点比较法、数字积分法。特点：每次插补后产生一个行程增量，脉冲当量驱动步进电机（开环）数据采样插补：时间分割法。特点：进行粗插补和精插补（闭环）3逐点比较法基本思路：被控对象在按要求的轨迹进行运动时，每走一步都要和规定的轨迹比较一下，由比较的结果决定下一步移动的方向。每走一步完成四个节拍：

偏差判别进给偏差计算终点判别4直线插补1.偏差函数的选择动点坐标N（x，y），起点坐标O（0，0），终点坐标E（Xe，Ye）直线方程：Y/X=Xe/Yey.Xe-x.Ye=0，令

F称为偏差函数0N（x，y）E（Xe，Ye）XY52.偏差计算和进给

F≥0，则进给＋x若F<0，则进给＋y6用递推法简化计算方法

73.终点判别坐标计数法长边坐标计数法8偏差判别进給偏差计算判终J=8－1＝7J=6J=5J=4J=3J=2J=1J=04.举例若加工第一象限直线OE，起点为O（0，0），终点为E（5，3）。按逐点比较法进行插补计算，并作出插补轨迹图。E(5,3)OYXY9逐点比较法的合成进给速度

合成进給速度比值的最大值为1，最小值为

（1～0.707）加工速度若恒定，则表面质量以1～0.707的速度变化，对一般机床可以满足。10数据采样插插补（时间间分割法））直流或交流流伺服电机机为驱动元元件，闭环环系统分为：粗插插补、精插插补粗插补：将将曲线分成成若干个微微线段。在在每个插补补周期（T）内计算算一次，算算出坐标位位置增量值值精插补：进进一步密化化，对直线线的脉冲增增量插补。。在每个采采样周期内内，由硬、、软件对反反馈的位置置增量值和和插补输出出的指令位位置增量值值进行采用用。插补一般指指粗插补111．插补周周期的选择择T的选择非非常重要基基本思想想：采用时时间分割的的思想，根根据编程给给定的进给给速度F将将轮廓曲线线分割为相相等的插补补周期T的的进给段，，即轮廓步步长ΔL，，ΔL＝F.T2．插补运运算时间T必须大于于插补运算算时间和CPU执行行其他实时时任务所需需的时间之之和123．位置反反馈采样周周期插补运算结结果是供位位置采样周周期使用的的各坐标轴轴的位置增增量值，因因此，采样样周期TF通常＝T，或者T是TF的的整数倍。。T=8ms，TF＝4ms4．插补精精度和速度度直线：插补补分割的每每个小线段段与给定直直线重合，，没有轮廓廓轨迹误差差圆弧：用内内接弦线逼逼近法，误误差为er为使er尽尽可能小，，F尽可能能大，则T应尽可能能小。13三、CNC装置置的刀具半半径补偿1.刀具具半径补偿偿发生在插插补准备阶阶段加工程序CNC译码码（刀具补偿偿）插补模块142.刀具具半径补偿偿的执行过过程建立刀具半半径补偿：：从起刀点接接近工件，，由G41或G42确定。在在原来程序序轨迹上伸伸长或缩短短一个刀具具半径。刀具半径补补偿进行：：维持所建立立的刀补状状态，直至至撤消。刀刀具中心轨轨迹始终偏偏离编程轨轨迹一个刀刀具半径值值的距离。。撤消刀具半半径补偿：：刀具撤离工工件，返回回起刀点。。用G40。153.刀具半半径补偿计计算直线刀具补补偿计算（（考虑推导导过程）X’＝X+△XY’＝Y+△Y△X＝r.sinαα△Y＝－r.cosαX’＝X+r.Y/（X2+Y2）0.5Y’＝Y－－r.Y/（X2+Y2）0.5问题：当尖尖角过渡为为内轮廓时时，会出现现工件的过过切现象。。引入C功功能刀具半半径补偿。。164.C功功能刀具半半径补偿C刀补是为为解决上述述尖角过渡渡问题而设设计的，专专门处理两两个程序段段间转接的的各种情况况。在C刀补中中，为了避避免下一段段加工轨迹迹对本段加加工轨迹的的影响，在在计算本程程序段的刀刀具中心轨轨迹时，提提前将下一一段程序读读入，根据据它们之间间转换的具具体情况，，做出适当当地处理。。17转接过渡方方式三种内内型：伸长型缩短型插入型（加加一段直线线或圆弧））182.2数控装置CNC装置置的硬件结结构输入――决决策――输输出（计算算机）输入――插插补――伺伺服（数控控）19功能模块式式全功能型型车床数控控系统框图图20软件功能管理功能和和控制功能能

管理软软件：加工工程序的输输入、I/O处理、、显示软件件、诊断软软件

控制制软件：译译码、刀具具补偿、速速度控制、、插补运算算、位置控控制21CNC装置置的工作原原理G01XAYAXBYBXCYC△X1△Y1△X2△Y2译码刀具补偿插补位置控制一个脉冲当量222.3数控控机床的位位置检测装装置1．对检测测元件的要要求（1）工作作可靠，抗抗干扰能力力强（2）满足足精度，速速度要求分辨率精精度速速度度在线测量，，对大型机机床主要指指标，测量量速度要快快。（3）使用用维护方便便（4）成本本低232．位置检检测装置的的分类243．常用检检测元件1）位置检检测元件①旋转变压压器与感应应同步器实质是一样样的，利用用电磁感应应，把位置置检测模拟拟量转换为为输出的模模拟量，前前者用在半半闭环系统统，后者被被广泛采用用的是直线线型，用在在闭环系统统。②光栅利用莫尔条条纹（光的的干涉现象象产生，来来测位移，，输入是模模拟量，输输出是数字字脉冲）③编码盘用于半闭环环，利用盘盘上明暗条条纹组成的的编码，输输入模拟量量，输出数数字编码④磁尺2）速度检检测元件——测速发电电机25数控钻床1.脉冲冲编码器外缝隙B接接至D触发发器的D端端，内缝隙隙A接到触触发器的CP端。当当B超前于于A时，触触发器Q输输出为1，，表示正转转，而A超超前于B，，触发器输输出Q为0，表示反反转。A、、B两路信信号相与后后，经适当当的延时送送入计数器器。触发器器的输出Q，可用来来控制可逆逆计数器，，即正转时时做加法计计数，反转转时做减法法计数。262.光栅栅位置检测测装置光栅尺光栅2728光栅传感器器由光源、、透镜、光光栅副（主主光栅和指指示光栅））和光电接接收元件组组成。293.旋转转变压器正余弦旋转转变压器结结构原理图图转子绕组Z1Z2、、Z3Z4中所产生生的电压分分别为30感应同步器器的工作原原理与两极极式旋转变变压器的工工作原理一一样，只要要测量出的值，便可可求出角角，进而求求得滑尺相相对于定尺尺移动的距距离x。4.感应应同步器定尺绕组上上的感应电电势为式中K———耦合系数数；反映的是定定尺和滑尺尺的相对移移动的距离离x，有公公式表示312．4数数控机床的的进给伺服服系统伺服系统的的特点1.伺服服系统的运运动来源于于偏差信号号偏差：指令令信号与反反馈信号的的比较2.伺服服系统必须须有负反馈馈回路3.伺服服系统始终终处于过渡渡过程状态态4.伺服服系统必须须具有力（（力矩）放放大作用32伺服系统的的基本要求求位移精度要要高定位精度高高稳定性好动态响应快快调速范围宽宽低速大转矩矩33数控机床伺伺服驱动系系统分类1.按调节节理论分开环闭环半闭环2.按使用用电机分直流伺服系系统交流伺服系系统3.按驱动动分：进给伺服系系统主轴伺服系系统4.按反馈馈比较控制制方式分脉冲、数字字比较伺服服系统，，广泛应用用相位比较伺伺服系统，，普遍应应用幅值比较伺伺服系统全数字伺服服系统34伺服系统常常用的驱动动元件步进电动机机、直流伺伺服电动机机、交流伺伺服电动机机1.调速速范围宽而而有良好的的稳定性，，低速时要求速度度平稳；2.负载载特性硬，，即使在低低速时，有有足够的负载能力，，反应速度度快；3.可频频繁地起、、停、换向向等。352．4．2开环进进给伺服系系统一、工作原原理：组成部分：：驱动控制制环节、执执行元件驱动控制环环节的任务务：是将指指令脉冲转转化为执行行元件所需需的信号步进电机的的任务：是是将（处理理过的指令令脉冲）进进给脉冲变变换为转角角，通过齿齿轮和丝杠杠带动工作作台移动36二．特点：：在工作频率率范围内，，每输入一一个脉冲，，步进电机机转过一定定角度为步步距角控制输入脉脉冲的数量量可以控制制步进电机机的转角大大小，经丝丝杆螺母转转换为工作作台位移量量控制输入脉脉冲的频率率可以控制制定转数的的快慢，经经丝杆螺母母转换为工工作台移动动速度改变步进电电机各绕组组的通电顺顺序，可以以控制它的的正转与反反转，从而而改变工作作台的移动动方向当步进电机机启动频率率或下降频频率大于步步进电机突突变频率是是回发生是是失步现象象。要分别别进行自动动减速或加加速。37三、步进电电机3相步进电电机57BYG350系列4相步进电电机42BYGH系系列YKA2304ME步进电机机驱动器38反映式步进进电机的性性能指标步距角静态步距角角误差最大静态距距启动频率(突跳频率率)和启动动距频特性性连续运行的的最高工作作频率和运运行距频特特性加减速特性性39四、步进电电机的驱动动方式步进电机的的控制方式式三相三拍：：（（一般不不采用）三相六拍：：（（正向））拍数＝相数数X2环行分配器器（脉冲分分配器）作用：把来来自数控装装置的指令令脉冲（进进给指令）），按一定定方式转换换成若干路路电平信号号，控制步步进电机的的几个定子子绕组（相相数）的通通断电。功率放大器器402．4．3闭环伺伺服系统一、概述执行元件：：直流伺服服电机，交交流伺服电电机组成部分：：驱动放大大，执行元元件，控制制对象反馈馈检测单元元，比较单单元反馈检测单单元：以固固定的时间间周期，将将工作台的的实际位置置检测出来来并将机械械位移量转转变成一个个电信号。。反馈给比比较环节。。比较单元：：将反馈检检测单元所所输出的数数字量与插插补程序所所输出的进进给指令值值比较，得得到跟随误误差的数字字量41二、直流伺伺服电机工作原理:电刷和和换向器的的作用，转转子的总磁磁势方向始始终与定子子磁势正交交，两磁场场的相互作作用，产生生了电动机机的电磁转转距，从而而使电动机机转动。机械特性公公式422．电机定定子3．电机电电枢差异：电枢铁芯：：光滑无槽槽的圆柱体体，低速运运行稳定电枢绕组：：环氧树脂脂固化成型型后粘结在在电枢铁芯芯表面电枢长度：：长度与外外径之比在在5倍以上上，减少了了转动惯量量气隙尺寸：：比一般直直流电机大大10倍以以上，换向向性良好43（1）小惯惯量电动机机通过减小电电机转动惯惯量，提高高动态特性性（2）宽调调速直流伺伺服电机（（大惯量电电机）提高转距的的方法来改改善动态特特性分两种特点点：采用增增加极对数数和电枢导导体数来提提高电磁转转距采用增增加槽槽对数数和换换向片片数，，来减减小电电机转转距的的波动动永磁式式的定定子，，采用用轿顽顽力较较高的的永磁磁材料料，提提高瞬瞬时加加速转转距，，采用用高绝绝缘材材料，，提高高过载载能力力。44通过调调整开开关频频率（（闭合合时间间），调调整平平均电电压4．直直流电电机的的调速速主要是是调整整电枢枢电压压常规采采用方方法45三、交交流伺伺服电电机1．种种类及及特点点分类进给系系统中中多采采用永永磁式式同步步电机机主轴驱驱动系系统中中用异异步型型交流流伺服服电动动机462.永永磁磁式交交流同同步伺伺服电电动机机工作作原理理定子产产生旋旋转磁磁场转子将将以同同步转转数与与定定子旋旋转磁磁场一一起旋旋转3．交交流电电机的的调速速变频器器47四、位位置控控制按反馈馈信息息的检检测和和比较较方法法，可可分为为三种种:脉冲比比较伺伺服系系统：：以光电电编码码盘，，光栅栅作为为位置置检测测元元件件，以以数字字脉冲冲形成成直接接比较较相位比比较伺伺服系系统:以感应应式元元件作作为位位置检检测元元件。。幅值比比较伺伺服系系统：：以旋转转变压压器和和感应应同步步器作作为位位置检检测元元件48随着数数控技技术的的不断断发展展，传传统的的主轴轴驱动动已不不满足足要求求，现现代数数控机机床对对主传传动提提出了了更高高的要要求2．5数数控机机床的的主轴轴驱动动及其其机械械结构构492．5．1主主轴驱驱动及及其控控制①数控控机床床主传传动要要有较较宽的的调速速范围围②无级级调速速③全速速度范范围内内提供供主轴轴电动动机的的最大大功率率，即即恒功功率范范围要要宽④自动动加减减速控控制⑤自动动换刀刀，准准停控控制⑥具有有旋转转进给给轴（（C轴轴）的的控制制功能能50变速方方法现代机机床常常采用用主轴轴电动动机→→变速速齿轮轮传递递→主主轴的的结构构，当当然变变速齿齿轮箱箱比传传统机机床主主轴箱箱简单单得多多。液液压拨拨叉和和电磁磁离合合器是是两种种常用用的变变速方方法。。液压拨拨叉51主轴准准停控控制主轴准准停功功能又又称为为定位位功能能。即即当主主轴停停止时时，控控制其其停于于固定定位置置，这这是自自动换换到所所必须须的功功能。。在自自动换换刀的的镗铣铣加工工中心心上，，切削削的转转矩通通常是是通过过刀杆杆的端端面键键来传传递的的。这这就要要求主主轴具具有准准确定定位于于圆周周上特特定角角度的的功能能。当加工工阶梯梯孔或或精镗镗孔具具有准准停功功能52主轴准准停功功能分分为机机械准准停和和电器器准停停机械准准停53编程序序控制制器的的产生生和发发展可编程程序控控制器器是一一种新新型的的工业业控制制器，，由计计算机机来实实