《機床數(shù)控技術 第4版》課件 李郝林 第5-7章 典型計算機數(shù)控系統(tǒng)介紹、數(shù)控機床的位移檢測裝置、數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)

機床數(shù)控技術2第一節(jié)概述數(shù)控系統(tǒng)的組成第五章典型計算機數(shù)控系統(tǒng)介紹1、具有靈活性CNC裝置的硬件、軟件采用模塊化設計。只要改變相應控制軟件，就可改變和擴展其功能，以滿足用戶的不同需要。2、具有通用性CNC裝置硬件結構有多種形式，模塊化硬件結構使系統(tǒng)易于擴展；模塊化軟件能滿足各類數(shù)控機床(如車床、銑床、加工中心等)的不同控制要求；標準化的用戶接口，統(tǒng)一的用戶界面，既方便系統(tǒng)的維護又方便用戶的培訓。第一節(jié)概述數(shù)控系統(tǒng)的優(yōu)點第五章典型計算機數(shù)控系統(tǒng)介紹3、豐富的數(shù)控功能利用計算機的高速數(shù)據(jù)處理能力，及高級語言的應用，使CNC裝置能方便地實現(xiàn)許多復雜的數(shù)控功能，如曲線插補功能、曲面直接插樸功能、各類固定循環(huán)、函數(shù)和子程序調用、動態(tài)圖形顯示、刀具半徑和長度補償功能等。4、提高系統(tǒng)的可靠性隨著大規(guī)模集成電路，超大規(guī)模集成電路芯片技術的發(fā)展，硬件使用的元器件數(shù)量少，質量高?？煽啃垣@得了極大的提高。5、使用維修方便CNC裝置有診斷程序，當數(shù)控系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，能顯示出故障信息，使操作和維修人員能了解故障部位，減少了維修停機的時間。第五章典型計算機數(shù)控系統(tǒng)介紹無論是普及型數(shù)控機床，還是標準型機床，或者是模塊化高端機床，SINUMERIK數(shù)控系統(tǒng)都能為不同類型的機床提供最佳解決方案。無論是單件生產(chǎn)還是批量生產(chǎn)，無論是簡單工件還是復雜工件，無論是何種加工工藝，從原型樣機、刀具制造到模具制造再到大批量生產(chǎn)，SINUMERIK數(shù)控系統(tǒng)始終能高效勝任。第二節(jié)西門子數(shù)控系統(tǒng)簡介第五章典型計算機數(shù)控系統(tǒng)介紹SINUMERIK808?基于操作面板的緊湊型數(shù)控系統(tǒng)?最多控制5根進給軸/主軸?1個加工通道?8.4"彩色顯示屏?SIMATICS7-200PLC第二節(jié)西門子數(shù)控系統(tǒng)簡介第五章典型計算機數(shù)控系統(tǒng)介紹SINUMERIK828

緊湊型數(shù)控系統(tǒng)，適用于標準型機床SINUMERIK828數(shù)控系統(tǒng)適用于大批量加工、模塊化程度較低的標準機床。不論是SINUMERIK828DBASIC、828D還是SINUMERIK828DADVANCED，都是一款高性價比的數(shù)控系統(tǒng)，結構緊湊，數(shù)控性能高，便于調試。第二節(jié)西門子數(shù)控系統(tǒng)簡介第五章典型計算機數(shù)控系統(tǒng)介紹SINUMERIK840基于傳動的模塊化CNC適用于各種CNC工藝應用最多控制93根進給軸/主軸任意數(shù)量的PLC軸最多控制30個加工通道模塊化面板設計，最大支持24"彩色顯示屏SIMATICS7-300PLCSINAMICSS120CombiSINUMERIK840DslBASICSINUMERIK840DslSINAMICSS120,第二節(jié)西門子數(shù)控系統(tǒng)簡介第五章典型計算機數(shù)控系統(tǒng)介紹第三節(jié)西門子840DSL數(shù)控系統(tǒng)組成

2024/10/713:51數(shù)控9第五章典型計算機數(shù)控系統(tǒng)介紹NC模塊軌跡控制、數(shù)據(jù)傳輸、輸入輸出及人機信息交換管理。它是核心模塊。電源模塊提供各個模塊的電源。驅動模塊控制驅動各伺服電機的運行及反饋信號的處理。伺服電機機床傳動的動力。HMI模塊人機通信界面模塊包括顯示器、NC操作模板、機床操作面板。第三節(jié)西門子840DSL數(shù)控系統(tǒng)組成

第五章典型計算機數(shù)控系統(tǒng)介紹數(shù)控第三節(jié)西門子840DSL數(shù)控系統(tǒng)組成

NC模塊接口第五章典型計算機數(shù)控系統(tǒng)介紹2024/10/713:51數(shù)控12第三節(jié)西門子840DSL數(shù)控系統(tǒng)組成

NC模塊接口第五章典型計算機數(shù)控系統(tǒng)介紹數(shù)控驅動與電機第五章典型計算機數(shù)控系統(tǒng)介紹驅動、電機與測量實例第三節(jié)西門子840DSL數(shù)控系統(tǒng)組成

第五章典型計算機數(shù)控系統(tǒng)介紹第三節(jié)西門子840DSL數(shù)控系統(tǒng)組成

驅動、電機與測量實例第五章典型計算機數(shù)控系統(tǒng)介紹第三節(jié)西門子840DSL數(shù)控系統(tǒng)組成

驅動、電機與測量實例第五章典型計算機數(shù)控系統(tǒng)介紹機床數(shù)控技術一、概述1、位置檢測的作用實時測量執(zhí)行部件的位移和速度信號。第六章數(shù)控機床位移檢測裝置第六章數(shù)控機床位移檢測裝置1、光電編碼器

2、光柵尺2、旋轉變壓器3、霍爾元件4、激光測量系統(tǒng)5、陀螺儀測角

6、測速發(fā)電機旋轉編碼器

角度編碼器

常見的位置檢測裝置第六章數(shù)控機床位移檢測裝置第六章數(shù)控機床位移檢測裝置第二節(jié)編碼器

裝在被檢測軸上，隨被測軸一起轉動，可將被測軸的角位移轉換為增量脈沖形式或絕對式的代碼形式。根據(jù)內部結構和角位移檢測方式可分為：接觸式、光電式和電磁式。增量式編碼器絕對式編碼器第六章數(shù)控機床位移檢測裝置角度編碼器18000線旋轉編碼器3600線第六章數(shù)控機床位移檢測裝置1、增量式脈沖編碼器光電式脈沖編碼器結構及工作原理abz碼盤基片透鏡光源光敏元件透光狹縫光柵板節(jié)距τm+τ/4信號處理裝置第六章數(shù)控機床位移檢測裝置1、增量式脈沖編碼器光電式脈沖編碼器結構及工作原理信號處理裝置abz節(jié)距τm+τ/4AAa第六章數(shù)控機床位移檢測裝置1、增量式脈沖編碼器光電式脈沖編碼器結構及工作原理信號處理裝置abz節(jié)距τm+τ/4第六章數(shù)控機床位移檢測裝置Z……碼盤轉一圈AB90°第六章數(shù)控機床位移檢測裝置1、增量式脈沖編碼器各輸出信號的作用：A、B兩相的作用：根據(jù)脈沖的數(shù)目可得出被測軸的角位移；根據(jù)脈沖的頻率可得被測軸的轉速；根據(jù)A、B兩相的相位超前滯后關系可判斷被測軸旋轉方向。后續(xù)電路可利用A、B兩相的90°相位差進行細分處理。第六章數(shù)控機床位移檢測裝置ABCP90O四倍頻細分處理第六章數(shù)控機床位移檢測裝置1、增量式脈沖編碼器各輸出信號的作用：

Z相的作用：被測軸的周向定位基準信號；被測軸的旋轉圈數(shù)計數(shù)信號。相的作用：后續(xù)電路可利用A、兩相實現(xiàn)差分輸入，以消除遠距離傳輸?shù)墓材８蓴_。Z……碼盤轉一圈回參考點時！第六章數(shù)控機床位移檢測裝置作業(yè)請繪制增量編碼器正反轉輸出A相、B相、Z相及反相的信號波形，敘述各波形的作用。第六章數(shù)控機床位移檢測裝置

結構和工作原理

碼盤基片上有多圈碼道，且每碼道的刻線數(shù)相等；對應每圈都有光電傳感器；輸出信號的路數(shù)與碼盤圈數(shù)成正比；檢測信號按某種規(guī)律編碼輸出，故可測得被測軸的周向絕對位置。0101111001100111100010011010101111001101111100000001001000110100232221202、絕對式脈沖編碼器定義：碼盤每一轉角位置刻有表示該位置的唯一代碼第六章數(shù)控機床位移檢測裝置2、絕對式脈沖編碼器編碼方式及特點方式：二進制編碼，特點：編碼循序與位置循序相一致，但可能產(chǎn)生非單值性誤差。01011110011001111000100110101011110011011111000000010010001101001111100023222120請問：8位輸出的編碼，可測量的最小角位移是幾度？第六章數(shù)控機床位移檢測裝置2、絕對式脈沖編碼器格雷碼（循環(huán)碼、葛萊碼）特點：任何兩個編碼之間只有一位是變化的，因而可把誤差控制在最小分辨率上。但編碼與位置循序無直接規(guī)律。1111000111011100010001010111011000100011000010001001101110101110232221200001->0011->0010->0110第六章數(shù)控機床位移檢測裝置第三節(jié)光柵用途分：物理光柵和計量光柵運動方式分：長光柵和圓光柵光線的走向分：透射光柵和反射光柵光柵的分類：第六章數(shù)控機床位移檢測裝置按原理分物理光柵計量光柵按形狀分直線光柵圓光柵按輸出信號種類分增量式光柵絕對式光柵第六章數(shù)控機床位移檢測裝置按材質分-金屬光柵-玻璃光柵-陶瓷光柵按光路分-透射式光柵-反射式光柵按結構分-封閉式光柵-開放式光柵第六章數(shù)控機床位移檢測裝置1－床身；2－光柵尺；3－掃描頭；4－滾珠絲杠螺母副；5－床鞍光柵尺在機床上的安裝示意圖第六章數(shù)控機床位移檢測裝置光柵尺在機床導軌上的安裝第六章數(shù)控機床位移檢測裝置光柵檢測裝置的結構透射光柵第六章數(shù)控機床位移檢測裝置1、計量光柵的組成標尺光柵光源指示光柵光電接受器件第六章數(shù)控機床位移檢測裝置010,00,11,01,1衍射光柵第六章數(shù)控機床位移檢測裝置透射光柵優(yōu)點：1）光源垂直入射，信號幅值比較大，信噪比好，光電轉換器（光柵讀數(shù)頭）的結構簡單；2）光柵每毫米的線紋數(shù)多，減輕了電子線路的負擔。缺點：玻璃易破裂，熱脹系數(shù)與機床金屬部件不一致，影響測量精度。透射光柵尺的長度一般都在1～2m，常見的線紋密度為每毫米4、10、25、50、100、200、250線。反射光柵優(yōu)點：光柵和機床金屬部件的線膨脹系數(shù)一致，可用鋼帶做成長達數(shù)米的長光柵。安裝面積小，調整方便，適應于大位移測量場所。缺點：為了使反射后的莫爾條紋反差較大，每毫米內線紋不宜過多，常用線紋數(shù)為4、10、25、40、50。第六章數(shù)控機床位移檢測裝置光柵讀數(shù)頭與標尺光柵配合起光電轉換作用，將位移量轉換成脈沖信號輸出。有垂直入射讀數(shù)頭、分光讀數(shù)頭、鏡像讀數(shù)頭和反射讀數(shù)頭等。圓光柵測量角位移圓光柵刻有輻射形的線紋，相互間的夾角相等。圓周內線紋的數(shù)制一般有二進制、十進制和六十進制等三種形式。直徑為Ф270mm，360進制的圓光柵，一周內有刻線10,800條。第六章數(shù)控機床位移檢測裝置光柵尺橫向莫爾條紋及其參數(shù)

光柵原理（莫爾條紋）

-柵距，a-線寬，b-縫寬=a+b,a=b=/2

第六章數(shù)控機床位移檢測裝置條紋寬度：

特例：當=0,1=2

→W=

→光閘莫爾條紋當=0,

1≠2

→縱向莫爾條紋均勻刻線主光柵指示光柵夾角明暗相間條紋莫爾條紋移動第六章數(shù)控機床位移檢測裝置放大作用；使柵距的節(jié)距誤差平均化；根據(jù)莫爾條紋的移動方向可以辨別光柵的移動方向莫爾條紋的特點：光柵橫向移動一個節(jié)距ω，莫爾條紋正好沿刻線上下移動一個節(jié)距W，用光電元件檢測莫爾條紋信號的變化就可以測量光柵的位移。第六章數(shù)控機床位移檢測裝置2、光柵測量的基本原理第六章數(shù)控機床位移檢測裝置

當指示光柵和標尺光柵的線紋相交一個微小的夾角時，由于擋光效應(當線紋密度≤50條/mm時)或光的衍射作用(當線紋密度≥100條/mm時)，在與光柵線紋大致垂直的方向上(兩線紋夾角的等分線上)產(chǎn)生出亮、暗相間的條紋——稱為“莫爾條紋”。莫爾條紋：第六章數(shù)控機床位移檢測裝置2、光柵測量的基本原理當主光柵間距W1=指示光柵間距W2時：tana=-tanθ/2B=W/θB=W1/θ第六章數(shù)控機床位移檢測裝置平均效應3、莫爾條紋特點若移動的指示光柵長度10mm,當光柵距離W=0.01mm,則一條莫爾條紋由1000條線紋組成。測量長度時，決定其精度的不是一兩條線紋，而是一組線紋的平均效應。第六章數(shù)控機床位移檢測裝置放大作用3、莫爾條紋特點B=W/θB是W的1/θ倍若W=0.01mm,θ=0.001rad，則光柵的柵距是多少？放大了多少倍？第六章數(shù)控機床位移檢測裝置S1S2S1和S2的光元件信號曲線？對應關系第六章數(shù)控機床位移檢測裝置作業(yè)光柵柵距為0.02mm，指示光柵與標尺光柵的夾角為0.0057度時，莫爾條紋的寬度。第六章數(shù)控機床位移檢測裝置機床數(shù)控技術56第七章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)7.4直流伺服電動機控制系統(tǒng)7.3交流伺服電動機控制系統(tǒng)7.2步進電動機控制系統(tǒng)7.1概述第七章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)

機床伺服系統(tǒng)接受來自數(shù)控裝置的指令，控制伺服電動機驅動機床的各運動部件，按指定的速度與目標位置運行，達到工件加工所需要的外形與尺寸。58第七章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)7.1概述電機機械執(zhí)行部件CNC插補指令伺服驅動功率放大位置控制調節(jié)器速度控制調節(jié)與驅動檢測與反饋單元位置控制單元速度控制單元++--電機機械執(zhí)行部件CNC插補指令實際位置反饋實際速度反饋開環(huán)系統(tǒng)半閉環(huán)系統(tǒng)59第七章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)7.1概述位置控制調節(jié)器速度控制調節(jié)與驅動檢測與反饋單元位置控制單元速度控制單元++--電機機械執(zhí)行部件CNC插補指令實際位置反饋實際速度反饋全閉環(huán)系統(tǒng)60第七章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)7.2步進電動機控制系統(tǒng)步進電動機又稱電脈沖馬達。它是將電脈沖信號轉換成機械角位移的執(zhí)行元件。步距角

輸入一個電脈沖

電機就轉過一個相應角度。轉子的角位移的大小及轉速分別與輸入的電脈沖數(shù)量及其頻率成正比。61第七章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)（一）步進電動機的工作原理B

假設三相電源供電，定子內圓周均勻分布著六個磁極，磁極上有勵磁繞組，每兩個相對的繞組組成一相，采用Y連接，假設轉子有四個齒。ACIAIBIC定子轉子62第七章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)

由于磁力線總是要通過磁阻最小的路徑閉合，因此會在磁力線扭曲時產(chǎn)生切向力，而形成磁阻轉矩，使轉子轉動。

現(xiàn)以ABCA的通電順序，使三相繞組輪流通入直流電流，觀察轉子的運動情況。BCIAIBIC63第七章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)1.三相單三拍運行方式CA'BB'C'A3412

A相繞組通電，B、C相不通電。氣隙產(chǎn)生以A-A為軸線的磁場，而磁力線總是力圖從磁阻最小的路徑通過，故電動機轉子受到一個反應轉矩，在此轉矩的作用下，轉子必然轉到左圖所示位置：1、3齒與A、A′極對齊。

“三相”指三相步進電機；“單”指每次只能一相繞組通電；“三拍”指通電三次完成一個通電循環(huán)。64第七章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)CA'BB'C'A3412

同理，B相通電時，轉子會轉過30

角，2、4齒和B、B′磁極軸線對齊；當C相通電時，轉子再轉過30

角，1、3齒和C′、C磁極軸線對齊。1C'342CA'BB'A65第七章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)

這種工作方式下，三個繞組依次通電一次為一個循環(huán)周期，一個循環(huán)周期包括三個工作脈沖，所以稱為三相單三拍工作方式。

按ABCA……的順序給三相繞組輪流通電，轉子便一步一步轉動起來。每一拍轉過30°(步距角)，每個通電循環(huán)周期(3拍)磁場在空間旋轉了360°而轉子轉過90°(一個齒距角)。66第七章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)CA'BB'C'A3412

A相通電，轉子1、3齒與A、A'對齊。2.三相六拍運行方式

按AABBBCCCA的順序給三相繞組輪流通電。這種方式可以獲得更精確的控制特性。第七章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)CA'BB'C'A3412A、A'磁極拉住1、3齒，B、B'磁極拉住2、4齒，轉子轉過15

，到達左圖所示位置。

A、B相同時通電，第七章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)CA'BB'C'A3412B相通電，轉子2、4齒與B、B′對齊,又轉過15

。第七章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)3412CA'BB'C'AB、C相同時通電，C'、C磁極拉住1、3齒，B、B'磁極拉住2、4齒，轉子再轉過15

。第七章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)

三相反應式步進電動機的一個通電循環(huán)周期如下：AABBBCCCA，每個循環(huán)周期分為六拍。每拍轉子轉過15（步距角），一個通電循環(huán)周期(6拍)轉子轉過90(齒距角)。

與單三拍相比，六拍驅動方式的步進角更小，更適用于需要精確定位的控制系統(tǒng)中。CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A34123412CA'BB'C'A第七章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)AB通電CA'BB'C'A3412BC通電3412CA'BB'C'ACA通電CA'BB'C'A3412

與單三拍方式相似，雙三拍驅動時每個通電循環(huán)周期也分為三拍。每拍轉子轉過30(步距角)，一個通電循環(huán)周期(3拍)轉子轉過90(齒距角)。3.三相雙三拍運行方式

按ABBCCA的順序給三相繞組輪流通電。每拍有兩相繞組同時通電。第七章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)A

B

C

D4.四相通電的情景（1）單四拍通電（2）雙四拍通電AB

BC

CD

DA（3）四相八拍通電A

AB

B

BC

C

CD

D

DA第七章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)

從以上對三相步進電動機三種驅動方式的分析可得步距角計算公式：

—步距角Z—轉子齒數(shù)K—每個通電循環(huán)