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數控機床各組成部分的結構及其控制原理2.1數控系統的控制原理2.2計算機數控裝置2.3數控機床的位置檢測裝置2.4數控機床的進給伺服系統2.5數控機床的主軸驅動及其機械結構2.6可編程序控制器在數控機床上的應用課程內容12.1數控系統的控制原理

一、總體結構及各部分功能

三部分：微機及其相應的I/O設備外部設備機床控制及其I/O通道框圖：2二、CNC裝置的插補原理

插補的任務：根據進給速度，在輪廓的起點和終點之間計算出若干個中間點的坐標。插補算法分兩大類：脈沖增量插補：逐點比較法、數字積分法。特點：每次插補后產生一個行程增量，脈沖當量驅動步進電機（開環）數據采樣插補：時間分割法。特點：進行粗插補和精插補（閉環）3逐點比較法基本思路：被控對象在按要求的軌跡進行運動時，每走一步都要和規定的軌跡比較一下，由比較的結果決定下一步移動的方向。每走一步完成四個節拍：

偏差判別進給偏差計算終點判別4直線插補1.偏差函數的選擇動點坐標N（x，y），起點坐標O（0，0），終點坐標E（Xe，Ye）直線方程：Y/X=Xe/Yey.Xe-x.Ye=0，令

F稱為偏差函數0N（x，y）E（Xe，Ye）XY52.偏差計算和進給

F≥0，則進給＋x若F<0，則進給＋y6用遞推法簡化計算方法

73.終點判別坐標計數法長邊坐標計數法8偏差判別進給偏差計算判終J=8－1＝7J=6J=5J=4J=3J=2J=1J=04.舉例若加工第一象限直線OE，起點為O（0，0），終點為E（5，3）。按逐點比較法進行插補計算，并作出插補軌跡圖。E(5,3)OYXY9逐點比較法的合成進給速度

合成進給速度比值的最大值為1，最小值為

（1～0.707）加工速度若恒定，則表面質量以1～0.707的速度變化，對一般機床可以滿足。10數據采樣插插補（時間間分割法））直流或交流流伺服電機機為驅動元元件，閉環環系統分為：粗插插補、精插插補粗插補：將將曲線分成成若干個微微線段。在在每個插補補周期（T）內計算算一次，算算出坐標位位置增量值值精插補：進進一步密化化，對直線線的脈沖增增量插補。。在每個采采樣周期內內，由硬、、軟件對反反饋的位置置增量值和和插補輸出出的指令位位置增量值值進行采用用。插補一般指指粗插補111．插補周周期的選擇擇T的選擇非非常重要基基本思想想：采用時時間分割的的思想，根根據編程給給定的進給給速度F將將輪廓曲線線分割為相相等的插補補周期T的的進給段，，即輪廓步步長ΔL，，ΔL＝F.T2．插補運運算時間T必須大于于插補運算算時間和CPU執行行其他實時時任務所需需的時間之之和123．位置反反饋采樣周周期插補運算結結果是供位位置采樣周周期使用的的各坐標軸軸的位置增增量值，因因此，采樣樣周期TF通常＝T，或者T是TF的的整數倍。。T=8ms，TF＝4ms4．插補精精度和速度度直線：插補補分割的每每個小線段段與給定直直線重合，，沒有輪廓廓軌跡誤差差圓弧：用內內接弦線逼逼近法，誤誤差為er為使er盡盡可能小，，F盡可能能大，則T應盡可能能小。13三、CNC裝置置的刀具半半徑補償1.刀具具半徑補償償發生在插插補準備階階段加工程序CNC譯碼碼（刀具補償償）插補模塊142.刀具具半徑補償償的執行過過程建立刀具半半徑補償：：從起刀點接接近工件，，由G41或G42確定。在在原來程序序軌跡上伸伸長或縮短短一個刀具具半徑。刀具半徑補補償進行：：維持所建立立的刀補狀狀態，直至至撤消。刀刀具中心軌軌跡始終偏偏離編程軌軌跡一個刀刀具半徑值值的距離。。撤消刀具半半徑補償：：刀具撤離工工件，返回回起刀點。。用G40。153.刀具半半徑補償計計算直線刀具補補償計算（（考慮推導導過程）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問題：當尖尖角過渡為為內輪廓時時，會出現現工件的過過切現象。。引入C功功能刀具半半徑補償。。164.C功功能刀具半半徑補償C刀補是為為解決上述述尖角過渡渡問題而設設計的，專專門處理兩兩個程序段段間轉接的的各種情況況。在C刀補中中，為了避避免下一段段加工軌跡跡對本段加加工軌跡的的影響，在在計算本程程序段的刀刀具中心軌軌跡時，提提前將下一一段程序讀讀入，根據據它們之間間轉換的具具體情況，，做出適當當地處理。。17轉接過渡方方式三種內內型：伸長型縮短型插入型（加加一段直線線或圓弧））182.2數控裝置CNC裝置置的硬件結結構輸入――決決策――輸輸出（計算算機）輸入――插插補――伺伺服（數控控）19功能模塊式式全功能型型車床數控控系統框圖圖20軟件功能管理功能和和控制功能能

管理軟軟件：加工工程序的輸輸入、I/O處理、、顯示軟件件、診斷軟軟件

控制制軟件：譯譯碼、刀具具補償、速速度控制、、插補運算算、位置控控制21CNC裝置置的工作原原理G01XAYAXBYBXCYC△X1△Y1△X2△Y2譯碼刀具補償插補位置控制一個脈沖當量222.3數控控機床的位位置檢測裝裝置1．對檢測測元件的要要求（1）工作作可靠，抗抗干擾能力力強（2）滿足足精度，速速度要求分辨率精精度速速度度在線測量，，對大型機機床主要指指標，測量量速度要快快。（3）使用用維護方便便（4）成本本低232．位置檢檢測裝置的的分類243．常用檢檢測元件1）位置檢檢測元件①旋轉變壓壓器與感應應同步器實質是一樣樣的，利用用電磁感應應，把位置置檢測模擬擬量轉換為為輸出的模模擬量，前前者用在半半閉環系統統，后者被被廣泛采用用的是直線線型，用在在閉環系統統。②光柵利用莫爾條條紋（光的的干涉現象象產生，來來測位移，，輸入是模模擬量，輸輸出是數字字脈沖）③編碼盤用于半閉環環，利用盤盤上明暗條條紋組成的的編碼，輸輸入模擬量量，輸出數數字編碼④磁尺2）速度檢檢測元件——測速發電電機25數控鉆床1.脈沖沖編碼器外縫隙B接接至D觸發發器的D端端，內縫隙隙A接到觸觸發器的CP端。當當B超前于于A時，觸觸發器Q輸輸出為1，，表示正轉轉，而A超超前于B，，觸發器輸輸出Q為0，表示反反轉。A、、B兩路信信號相與后后，經適當當的延時送送入計數器器。觸發器器的輸出Q，可用來來控制可逆逆計數器，，即正轉時時做加法計計數，反轉轉時做減法法計數。262.光柵柵位置檢測測裝置光柵尺光柵2728光柵傳感器器由光源、、透鏡、光光柵副（主主光柵和指指示光柵））和光電接接收元件組組成。293.旋轉轉變壓器正余弦旋轉轉變壓器結結構原理圖圖轉子繞組Z1Z2、、Z3Z4中所產生生的電壓分分別為30感應同步器器的工作原原理與兩極極式旋轉變變壓器的工工作原理一一樣，只要要測量出的值，便可可求出角角，進而求求得滑尺相相對于定尺尺移動的距距離x。4.感應應同步器定尺繞組上上的感應電電勢為式中K———耦合系數數；反映的是定定尺和滑尺尺的相對移移動的距離離x，有公公式表示312．4數數控機床的的進給伺服服系統伺服系統的的特點1.伺服服系統的運運動來源于于偏差信號號偏差：指令令信號與反反饋信號的的比較2.伺服服系統必須須有負反饋饋回路3.伺服服系統始終終處于過渡渡過程狀態態4.伺服服系統必須須具有力（（力矩）放放大作用32伺服系統的的基本要求求位移精度要要高定位精度高高穩定性好動態響應快快調速范圍寬寬低速大轉矩矩33數控機床伺伺服驅動系系統分類1.按調節節理論分開環閉環半閉環2.按使用用電機分直流伺服系系統交流伺服系系統3.按驅動動分：進給伺服系系統主軸伺服系系統4.按反饋饋比較控制制方式分脈沖、數字字比較伺服服系統，，廣泛應用用相位比較伺伺服系統，，普遍應應用幅值比較伺伺服系統全數字伺服服系統34伺服系統常常用的驅動動元件步進電動機機、直流伺伺服電動機機、交流伺伺服電動機機1.調速速范圍寬而而有良好的的穩定性，，低速時要求速度度平穩；2.負載載特性硬，，即使在低低速時，有有足夠的負載能力，，反應速度度快；3.可頻頻繁地起、、停、換向向等。352．4．2開環進進給伺服系系統一、工作原原理：組成部分：：驅動控制制環節、執執行元件驅動控制環環節的任務務：是將指指令脈沖轉轉化為執行行元件所需需的信號步進電機的的任務：是是將（處理理過的指令令脈沖）進進給脈沖變變換為轉角角，通過齒齒輪和絲杠杠帶動工作作臺移動36二．特點：：在工作頻率率范圍內，，每輸入一一個脈沖，，步進電機機轉過一定定角度為步步距角控制輸入脈脈沖的數量量可以控制制步進電機機的轉角大大小，經絲絲桿螺母轉轉換為工作作臺位移量量控制輸入脈脈沖的頻率率可以控制制定轉數的的快慢，經經絲桿螺母母轉換為工工作臺移動動速度改變步進電電機各繞組組的通電順順序，可以以控制它的的正轉與反反轉，從而而改變工作作臺的移動動方向當步進電機機啟動頻率率或下降頻頻率大于步步進電機突突變頻率是是回發生是是失步現象象。要分別別進行自動動減速或加加速。37三、步進電電機3相步進電電機57BYG350系列4相步進電電機42BYGH系系列YKA2304ME步進電機機驅動器38反映式步進進電機的性性能指標步距角靜態步距角角誤差最大靜態距距啟動頻率(突跳頻率率)和啟動動距頻特性性連續運行的的最高工作作頻率和運運行距頻特特性加減速特性性39四、步進電電機的驅動動方式步進電機的的控制方式式三相三拍：：（（一般不不采用）三相六拍：：（（正向））拍數＝相數數X2環行分配器器（脈沖分分配器）作用：把來來自數控裝裝置的指令令脈沖（進進給指令）），按一定定方式轉換換成若干路路電平信號號，控制步步進電機的的幾個定子子繞組（相相數）的通通斷電。功率放大器器402．4．3閉環伺伺服系統一、概述執行元件：：直流伺服服電機，交交流伺服電電機組成部分：：驅動放大大，執行元元件，控制制對象反饋饋檢測單元元，比較單單元反饋檢測單單元：以固固定的時間間周期，將將工作臺的的實際位置置檢測出來來并將機械械位移量轉轉變成一個個電信號。。反饋給比比較環節。。比較單元：：將反饋檢檢測單元所所輸出的數數字量與插插補程序所所輸出的進進給指令值值比較，得得到跟隨誤誤差的數字字量41二、直流伺伺服電機工作原理:電刷和和換向器的的作用，轉轉子的總磁磁勢方向始始終與定子子磁勢正交交，兩磁場場的相互作作用，產生生了電動機機的電磁轉轉距，從而而使電動機機轉動。機械特性公公式422．電機定定子3．電機電電樞差異：電樞鐵芯：：光滑無槽槽的圓柱體體，低速運運行穩定電樞繞組：：環氧樹脂脂固化成型型后粘結在在電樞鐵芯芯表面電樞長度：：長度與外外徑之比在在5倍以上上，減少了了轉動慣量量氣隙尺寸：：比一般直直流電機大大10倍以以上，換向向性良好43（1）小慣慣量電動機機通過減小電電機轉動慣慣量，提高高動態特性性（2）寬調調速直流伺伺服電機（（大慣量電電機）提高轉距的的方法來改改善動態特特性分兩種特點點：采用增增加極對數數和電樞導導體數來提提高電磁轉轉距采用增增加槽槽對數數和換換向片片數，，來減減小電電機轉轉距的的波動動永磁式式的定定子，，采用用轎頑頑力較較高的的永磁磁材料料，提提高瞬瞬時加加速轉轉距，，采用用高絕絕緣材材料，，提高高過載載能力力。44通過調調整開開關頻頻率（（閉合合時間間），調調整平平均電電壓4．直直流電電機的的調速速主要是是調整整電樞樞電壓壓常規采采用方方法45三、交交流伺伺服電電機1．種種類及及特點點分類進給系系統中中多采采用永永磁式式同步步電機機主軸驅驅動系系統中中用異異步型型交流流伺服服電動動機462.永永磁磁式交交流同同步伺伺服電電動機機工作作原理理定子產產生旋旋轉磁磁場轉子將將以同同步轉轉數與與定定子旋旋轉磁磁場一一起旋旋轉3．交交流電電機的的調速速變頻器器47四、位位置控控制按反饋饋信息息的檢檢測和和比較較方法法，可可分為為三種種:脈沖比比較伺伺服系系統：：以光電電編碼碼盤，，光柵柵作為為位置置檢測測元元件件，以以數字字脈沖沖形成成直接接比較較相位比比較伺伺服系系統:以感應應式元元件作作為位位置檢檢測元元件。。幅值比比較伺伺服系系統：：以旋轉轉變壓壓器和和感應應同步步器作作為位位置檢檢測元元件48隨著數數控技技術的的不斷斷發展展，傳傳統的的主軸軸驅動動已不不滿足足要求求，現現代數數控機機床對對主傳傳動提提出了了更高高的要要求2．5數數控機機床的的主軸軸驅動動及其其機械械結構構492．5．1主主軸驅驅動及及其控控制①數控控機床床主傳傳動要要有較較寬的的調速速范圍圍②無級級調速速③全速速度范范圍內內提供供主軸軸電動動機的的最大大功率率，即即恒功功率范范圍要要寬④自動動加減減速控控制⑤自動動換刀刀，準準停控控制⑥具有有旋轉轉進給給軸（（C軸軸）的的控制制功能能50變速方方法現代機機床常常采用用主軸軸電動動機→→變速速齒輪輪傳遞遞→主主軸的的結構構，當當然變變速齒齒輪箱箱比傳傳統機機床主主軸箱箱簡單單得多多。液液壓撥撥叉和和電磁磁離合合器是是兩種種常用用的變變速方方法。。液壓撥撥叉51主軸準準停控控制主軸準準停功功能又又稱為為定位位功能能。即即當主主軸停停止時時，控控制其其停于于固定定位置置，這這是自自動換換到所所必須須的功功能。。在自自動換換刀的的鏜銑銑加工工中心心上，，切削削的轉轉矩通通常是是通過過刀桿桿的端端面鍵鍵來傳傳遞的的。這這就要要求主主軸具具有準準確定定位于于圓周周上特特定角角度的的功能能。當加工工階梯梯孔或或精鏜鏜孔具具有準準停功功能52主軸準準停功功能分分為機機械準準停和和電器器準停停機械準準停53編程序序控制制器的的產生生和發發展可編程程序控控制器器是一一種新新型的的工業業控制制器，，由計計算機機來實實