《机床数控技术 第4版》课件 李郝林 第5-7章 典型计算机数控系统介绍、数控机床的位移检测装置、数控机床的伺服系统

机床数控技术2第一节概述数控系统的组成第五章典型计算机数控系统介绍1、具有灵活性CNC装置的硬件、软件采用模块化设计。只要改变相应控制软件，就可改变和扩展其功能，以满足用户的不同需要。2、具有通用性CNC装置硬件结构有多种形式，模块化硬件结构使系统易于扩展；模块化软件能满足各类数控机床(如车床、铣床、加工中心等)的不同控制要求；标准化的用户接口，统一的用户界面，既方便系统的维护又方便用户的培训。第一节概述数控系统的优点第五章典型计算机数控系统介绍3、丰富的数控功能利用计算机的高速数据处理能力，及高级语言的应用，使CNC装置能方便地实现许多复杂的数控功能，如曲线插补功能、曲面直接插朴功能、各类固定循环、函数和子程序调用、动态图形显示、刀具半径和长度补偿功能等。4、提高系统的可靠性随着大规模集成电路，超大规模集成电路芯片技术的发展，硬件使用的元器件数量少，质量高。可靠性获得了极大的提高。5、使用维修方便CNC装置有诊断程序，当数控系统出现故障时，能显示出故障信息，使操作和维修人员能了解故障部位，减少了维修停机的时间。第五章典型计算机数控系统介绍无论是普及型数控机床，还是标准型机床，或者是模块化高端机床，SINUMERIK数控系统都能为不同类型的机床提供最佳解决方案。无论是单件生产还是批量生产，无论是简单工件还是复杂工件，无论是何种加工工艺，从原型样机、刀具制造到模具制造再到大批量生产，SINUMERIK数控系统始终能高效胜任。第二节西门子数控系统简介第五章典型计算机数控系统介绍SINUMERIK808•基于操作面板的紧凑型数控系统•最多控制5根进给轴/主轴•1个加工通道•8.4"彩色显示屏•SIMATICS7-200PLC第二节西门子数控系统简介第五章典型计算机数控系统介绍SINUMERIK828

紧凑型数控系统，适用于标准型机床SINUMERIK828数控系统适用于大批量加工、模块化程度较低的标准机床。不论是SINUMERIK828DBASIC、828D还是SINUMERIK828DADVANCED，都是一款高性价比的数控系统，结构紧凑，数控性能高，便于调试。第二节西门子数控系统简介第五章典型计算机数控系统介绍SINUMERIK840基于传动的模块化CNC适用于各种CNC工艺应用最多控制93根进给轴/主轴任意数量的PLC轴最多控制30个加工通道模块化面板设计，最大支持24"彩色显示屏SIMATICS7-300PLCSINAMICSS120CombiSINUMERIK840DslBASICSINUMERIK840DslSINAMICSS120,第二节西门子数控系统简介第五章典型计算机数控系统介绍第三节西门子840DSL数控系统组成

2024/10/713:51数控9第五章典型计算机数控系统介绍NC模块轨迹控制、数据传输、输入输出及人机信息交换管理。它是核心模块。电源模块提供各个模块的电源。驱动模块控制驱动各伺服电机的运行及反馈信号的处理。伺服电机机床传动的动力。HMI模块人机通信界面模块包括显示器、NC操作模板、机床操作面板。第三节西门子840DSL数控系统组成

第五章典型计算机数控系统介绍数控第三节西门子840DSL数控系统组成

NC模块接口第五章典型计算机数控系统介绍2024/10/713:51数控12第三节西门子840DSL数控系统组成

NC模块接口第五章典型计算机数控系统介绍数控驱动与电机第五章典型计算机数控系统介绍驱动、电机与测量实例第三节西门子840DSL数控系统组成

第五章典型计算机数控系统介绍第三节西门子840DSL数控系统组成

驱动、电机与测量实例第五章典型计算机数控系统介绍第三节西门子840DSL数控系统组成

驱动、电机与测量实例第五章典型计算机数控系统介绍机床数控技术一、概述1、位置检测的作用实时测量执行部件的位移和速度信号。第六章数控机床位移检测装置第六章数控机床位移检测装置1、光电编码器

2、光栅尺2、旋转变压器3、霍尔元件4、激光测量系统5、陀螺仪测角

6、测速发电机旋转编码器

角度编码器

常见的位置检测装置第六章数控机床位移检测装置第六章数控机床位移检测装置第二节编码器

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为增量脉冲形式或绝对式的代码形式。根据内部结构和角位移检测方式可分为：接触式、光电式和电磁式。增量式编码器绝对式编码器第六章数控机床位移检测装置角度编码器18000线旋转编码器3600线第六章数控机床位移检测装置1、增量式脉冲编码器光电式脉冲编码器结构及工作原理abz码盘基片透镜光源光敏元件透光狭缝光栅板节距τm+τ/4信号处理装置第六章数控机床位移检测装置1、增量式脉冲编码器光电式脉冲编码器结构及工作原理信号处理装置abz节距τm+τ/4AAa第六章数控机床位移检测装置1、增量式脉冲编码器光电式脉冲编码器结构及工作原理信号处理装置abz节距τm+τ/4第六章数控机床位移检测装置Z……码盘转一圈AB90°第六章数控机床位移检测装置1、增量式脉冲编码器各输出信号的作用：A、B两相的作用：根据脉冲的数目可得出被测轴的角位移；根据脉冲的频率可得被测轴的转速；根据A、B两相的相位超前滞后关系可判断被测轴旋转方向。后续电路可利用A、B两相的90°相位差进行细分处理。第六章数控机床位移检测装置ABCP90O四倍频细分处理第六章数控机床位移检测装置1、增量式脉冲编码器各输出信号的作用：

Z相的作用：被测轴的周向定位基准信号；被测轴的旋转圈数计数信号。相的作用：后续电路可利用A、两相实现差分输入，以消除远距离传输的共模干扰。Z……码盘转一圈回参考点时！第六章数控机床位移检测装置作业请绘制增量编码器正反转输出A相、B相、Z相及反相的信号波形，叙述各波形的作用。第六章数控机床位移检测装置

结构和工作原理

码盘基片上有多圈码道，且每码道的刻线数相等；对应每圈都有光电传感器；输出信号的路数与码盘圈数成正比；检测信号按某种规律编码输出，故可测得被测轴的周向绝对位置。0101111001100111100010011010101111001101111100000001001000110100232221202、绝对式脉冲编码器定义：码盘每一转角位置刻有表示该位置的唯一代码第六章数控机床位移检测装置2、绝对式脉冲编码器编码方式及特点方式：二进制编码，特点：编码循序与位置循序相一致，但可能产生非单值性误差。01011110011001111000100110101011110011011111000000010010001101001111100023222120请问：8位输出的编码，可测量的最小角位移是几度？第六章数控机床位移检测装置2、绝对式脉冲编码器格雷码（循环码、葛莱码）特点：任何两个编码之间只有一位是变化的，因而可把误差控制在最小分辨率上。但编码与位置循序无直接规律。1111000111011100010001010111011000100011000010001001101110101110232221200001->0011->0010->0110第六章数控机床位移检测装置第三节光栅用途分：物理光栅和计量光栅运动方式分：长光栅和圆光栅光线的走向分：透射光栅和反射光栅光栅的分类：第六章数控机床位移检测装置按原理分物理光栅计量光栅按形状分直线光栅圆光栅按输出信号种类分增量式光栅绝对式光栅第六章数控机床位移检测装置按材质分-金属光栅-玻璃光栅-陶瓷光栅按光路分-透射式光栅-反射式光栅按结构分-封闭式光栅-开放式光栅第六章数控机床位移检测装置1－床身；2－光栅尺；3－扫描头；4－滚珠丝杠螺母副；5－床鞍光栅尺在机床上的安装示意图第六章数控机床位移检测装置光栅尺在机床导轨上的安装第六章数控机床位移检测装置光栅检测装置的结构透射光栅第六章数控机床位移检测装置1、计量光栅的组成标尺光栅光源指示光栅光电接受器件第六章数控机床位移检测装置010,00,11,01,1衍射光栅第六章数控机床位移检测装置透射光栅优点：1）光源垂直入射，信号幅值比较大，信噪比好，光电转换器（光栅读数头）的结构简单；2）光栅每毫米的线纹数多，减轻了电子线路的负担。缺点：玻璃易破裂，热胀系数与机床金属部件不一致，影响测量精度。透射光栅尺的长度一般都在1～2m，常见的线纹密度为每毫米4、10、25、50、100、200、250线。反射光栅优点：光栅和机床金属部件的线膨胀系数一致，可用钢带做成长达数米的长光栅。安装面积小，调整方便，适应于大位移测量场所。缺点：为了使反射后的莫尔条纹反差较大，每毫米内线纹不宜过多，常用线纹数为4、10、25、40、50。第六章数控机床位移检测装置光栅读数头与标尺光栅配合起光电转换作用，将位移量转换成脉冲信号输出。有垂直入射读数头、分光读数头、镜像读数头和反射读数头等。圆光栅测量角位移圆光栅刻有辐射形的线纹，相互间的夹角相等。圆周内线纹的数制一般有二进制、十进制和六十进制等三种形式。直径为Ф270mm，360进制的圆光栅，一周内有刻线10,800条。第六章数控机床位移检测装置光栅尺横向莫尔条纹及其参数

光栅原理（莫尔条纹）

-栅距，a-线宽，b-缝宽=a+b,a=b=/2

第六章数控机床位移检测装置条纹宽度：

特例：当=0,1=2

→W=

→光闸莫尔条纹当=0,

1≠2

→纵向莫尔条纹均匀刻线主光栅指示光栅夹角明暗相间条纹莫尔条纹移动第六章数控机床位移检测装置放大作用；使栅距的节距误差平均化；根据莫尔条纹的移动方向可以辨别光栅的移动方向莫尔条纹的特点：光栅横向移动一个节距ω，莫尔条纹正好沿刻线上下移动一个节距W，用光电元件检测莫尔条纹信号的变化就可以测量光栅的位移。第六章数控机床位移检测装置2、光栅测量的基本原理第六章数控机床位移检测装置

当指示光栅和标尺光栅的线纹相交一个微小的夹角时，由于挡光效应(当线纹密度≤50条/mm时)或光的衍射作用(当线纹密度≥100条/mm时)，在与光栅线纹大致垂直的方向上(两线纹夹角的等分线上)产生出亮、暗相间的条纹——称为“莫尔条纹”。莫尔条纹：第六章数控机床位移检测装置2、光栅测量的基本原理当主光栅间距W1=指示光栅间距W2时：tana=-tanθ/2B=W/θB=W1/θ第六章数控机床位移检测装置平均效应3、莫尔条纹特点若移动的指示光栅长度10mm,当光栅距离W=0.01mm,则一条莫尔条纹由1000条线纹组成。测量长度时，决定其精度的不是一两条线纹，而是一组线纹的平均效应。第六章数控机床位移检测装置放大作用3、莫尔条纹特点B=W/θB是W的1/θ倍若W=0.01mm,θ=0.001rad，则光栅的栅距是多少？放大了多少倍？第六章数控机床位移检测装置S1S2S1和S2的光元件信号曲线？对应关系第六章数控机床位移检测装置作业光栅栅距为0.02mm，指示光栅与标尺光栅的夹角为0.0057度时，莫尔条纹的宽度。第六章数控机床位移检测装置机床数控技术56第七章数控机床的伺服系统7.4直流伺服电动机控制系统7.3交流伺服电动机控制系统7.2步进电动机控制系统7.1概述第七章数控机床的伺服系统

机床伺服系统接受来自数控装置的指令，控制伺服电动机驱动机床的各运动部件，按指定的速度与目标位置运行，达到工件加工所需要的外形与尺寸。58第七章数控机床的伺服系统7.1概述电机机械执行部件CNC插补指令伺服驱动功率放大位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元++--电机机械执行部件CNC插补指令实际位置反馈实际速度反馈开环系统半闭环系统59第七章数控机床的伺服系统7.1概述位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元++--电机机械执行部件CNC插补指令实际位置反馈实际速度反馈全闭环系统60第七章数控机床的伺服系统7.2步进电动机控制系统步进电动机又称电脉冲马达。它是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。步距角

输入一个电脉冲

电机就转过一个相应角度。转子的角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲数量及其频率成正比。61第七章数控机床的伺服系统（一）步进电动机的工作原理B

假设三相电源供电，定子内圆周均匀分布着六个磁极，磁极上有励磁绕组，每两个相对的绕组组成一相，采用Y连接，假设转子有四个齿。ACIAIBIC定子转子62第七章数控机床的伺服系统

由于磁力线总是要通过磁阻最小的路径闭合，因此会在磁力线扭曲时产生切向力，而形成磁阻转矩，使转子转动。

现以ABCA的通电顺序，使三相绕组轮流通入直流电流，观察转子的运动情况。BCIAIBIC63第七章数控机床的伺服系统1.三相单三拍运行方式CA'BB'C'A3412

A相绕组通电，B、C相不通电。气隙产生以A-A为轴线的磁场，而磁力线总是力图从磁阻最小的路径通过，故电动机转子受到一个反应转矩，在此转矩的作用下，转子必然转到左图所示位置：1、3齿与A、A′极对齐。

“三相”指三相步进电机；“单”指每次只能一相绕组通电；“三拍”指通电三次完成一个通电循环。64第七章数控机床的伺服系统CA'BB'C'A3412

同理，B相通电时，转子会转过30

角，2、4齿和B、B´磁极轴线对齐；当C相通电时，转子再转过30

角，1、3齿和C´、C磁极轴线对齐。1C'342CA'BB'A65第七章数控机床的伺服系统

这种工作方式下，三个绕组依次通电一次为一个循环周期，一个循环周期包括三个工作脉冲，所以称为三相单三拍工作方式。

按ABCA……的顺序给三相绕组轮流通电，转子便一步一步转动起来。每一拍转过30°(步距角)，每个通电循环周期(3拍)磁场在空间旋转了360°而转子转过90°(一个齿距角)。66第七章数控机床的伺服系统CA'BB'C'A3412

A相通电，转子1、3齿与A、A'对齐。2.三相六拍运行方式

按AABBBCCCA的顺序给三相绕组轮流通电。这种方式可以获得更精确的控制特性。第七章数控机床的伺服系统CA'BB'C'A3412A、A'磁极拉住1、3齿，B、B'磁极拉住2、4齿，转子转过15

，到达左图所示位置。

A、B相同时通电，第七章数控机床的伺服系统CA'BB'C'A3412B相通电，转子2、4齿与B、B´对齐,又转过15

。第七章数控机床的伺服系统3412CA'BB'C'AB、C相同时通电，C'、C磁极拉住1、3齿，B、B'磁极拉住2、4齿，转子再转过15

。第七章数控机床的伺服系统

三相反应式步进电动机的一个通电循环周期如下：AABBBCCCA，每个循环周期分为六拍。每拍转子转过15（步距角），一个通电循环周期(6拍)转子转过90(齿距角)。

与单三拍相比，六拍驱动方式的步进角更小，更适用于需要精确定位的控制系统中。CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A34123412CA'BB'C'A第七章数控机床的伺服系统AB通电CA'BB'C'A3412BC通电3412CA'BB'C'ACA通电CA'BB'C'A3412

与单三拍方式相似，双三拍驱动时每个通电循环周期也分为三拍。每拍转子转过30(步距角)，一个通电循环周期(3拍)转子转过90(齿距角)。3.三相双三拍运行方式

按ABBCCA的顺序给三相绕组轮流通电。每拍有两相绕组同时通电。第七章数控机床的伺服系统A

B

C

D4.四相通电的情景（1）单四拍通电（2）双四拍通电AB

BC

CD

DA（3）四相八拍通电A

AB

B

BC

C

CD

D

DA第七章数控机床的伺服系统

从以上对三相步进电动机三种驱动方式的分析可得步距角计算公式：

—步距角Z—转子齿数K—每个通电循环