机床数控技术3.ppt

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1、第三章数控机床的控制伺服系统第三章数控机床的控制伺服系统第一节第一节 概述概述第二节第二节 CNC 系统系统第三节第三节 数控机床的检测装置数控机床的检测装置第四节第四节 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统第五节第五节 位置控制位置控制第一节第一节 概述概述l计算机数字控制（计算机数字控制（CNC）系统主要由硬件和软件两部分组成）系统主要由硬件和软件两部分组成 l计算机数控系统是数控系统的核心。计算机数控系统是数控系统的核心。l数控系统的位置控制是伺服系统的重要组成部分，闭环或半数控系统的位置控制是伺服系统的重要组成部分，闭环或半闭环控制的数控机床的加工精度主要由检测装置的精度决定。

2、闭环控制的数控机床的加工精度主要由检测装置的精度决定。常用的检测装置有旋转变压器、感应同步器、编码器、光常用的检测装置有旋转变压器、感应同步器、编码器、光栅、磁栅等。栅、磁栅等。l机床的主轴运动和伺服进给运动是机床的基本成形运动。机床的主轴运动和伺服进给运动是机床的基本成形运动。NC程序程序输入设备输入设备CNC装置装置PLC主轴控制单元主轴控制单元主轴电机主轴电机 机床机床 进给电机进给电机 位置检测器位置检测器速度控制单元速度控制单元I/O信号信号CNC系统：系统：一、数控系统（一、数控系统（CNC系统）系统）数控程序数控程序I/O设备设备 数控装置（数控装置（CNC装置）装置）可编程控制

3、器（可编程控制器（PLC）主轴驱动装置主轴驱动装置是一种轨迹控制系统是一种轨迹控制系统是以多个执行部件（各运动轴）是以多个执行部件（各运动轴）的位移量为控制对象，并使其协的位移量为控制对象，并使其协调运动的自动控制系统。调运动的自动控制系统。进给伺服系统进给伺服系统第二节第二节 CNC系统系统二、二、CNC装置的组成装置的组成硬件：硬件：具有计算机具有计算机的基本结构的基本结构;具有数控机具有数控机床所特有的床所特有的功能模块和功能模块和接口单元。接口单元。CPUEPROM或E PROMRAMI/O接口主轴控制通讯接口2 MDI接口PLC接口CRT或LCD显示接口位置控制纸带阅读机接口硬件和软

4、件构成硬件和软件构成软件软件：从从本质上看，是具有本质上看，是具有实时性实时性和和多任务性多任务性的专用操作系统的专用操作系统从从功能特征看，功能特征看，CNC管理软件：管理软件：主要进行系统资源的管主要进行系统资源的管理和系统各子任务的调度。理和系统各子任务的调度。编译处理刀具补偿计算 速度处理 插补运算 位置控制机床输入输出 主轴控制零件程序管理 显示处理 人机交互输入输出管理故障诊断处理 CNC装置系统软件管理软件控制软件CNC控制软件：控制软件：主要完成各种控制功能主要完成各种控制功能软件、硬件在一起构成了软件、硬件在一起构成了CNC装置的系统平台装置的系统平台CNC装置的装置的系统平

5、台系统平台硬件硬件操作系统操作系统管理软件管理软件应用软件应用软件控制软件控制软件数控加工程序数控加工程序 接接口口被控设备被控设备 机机 床床 机器人机器人 测量机测量机 .二、数控装置的工作过程二、数控装置的工作过程首先要将被加工零件图的几何信息和工艺信息数字化，首先要将被加工零件图的几何信息和工艺信息数字化，即将刀具与工件的相对运动轨迹，用代码按规定的规则即将刀具与工件的相对运动轨迹，用代码按规定的规则和格式编成加工程序，数控系统则按照程序的要求，进和格式编成加工程序，数控系统则按照程序的要求，进行相应的运算、处理，然后发出控制命令，使各坐标轴、行相应的运算、处理，然后发出控制命令，使各

6、坐标轴、主轴以及辅助动作相互协调运动，实现刀具与工件的相主轴以及辅助动作相互协调运动，实现刀具与工件的相对运动，自动完成零件的加工。对运动，自动完成零件的加工。1.逼近处理逼近处理 2.插补运算插补运算 3.指令输出指令输出三三.CNC 装置的优点装置的优点1.具有灵活性和通用性具有灵活性和通用性2.2.数控功能丰富数控功能丰富 3.3.可靠性高可靠性高 4.4.使用维护方便使用维护方便 5.5.易于实现机电一体化易于实现机电一体化四四.CNC 装置的功能装置的功能数控装置的功能包括基本功能和选择功能基本功能基本功能 数控系统基本配置的功能，即必备的功能；选择功能选择功能 用户可根据实际使用要

7、求选择的功能。主要功能：主要功能：1.控制功能控制功能 CNC能控制和能联动控制的进给轴数能控制和能联动控制的进给轴数2.准备功能准备功能（G功能）功能）指令机床动作方式的功能指令机床动作方式的功能3.插补功能和固定循环功能插补功能和固定循环功能4.进给功能进给功能 数控及机床进给速度的控制功能。数控及机床进给速度的控制功能。5.主轴功能主轴功能 主轴切削速度、周向位置控制功能。主轴切削速度、周向位置控制功能。6.辅助功能辅助功能（M功能）功能）用于指令机床辅助操作的功能。用于指令机床辅助操作的功能。7.刀具管理功能刀具管理功能实现对刀具几何尺寸和刀具寿命的管理。实现对刀具几何尺寸和刀具寿命的

8、管理。8.补偿功能补偿功能9.人机对话功能人机对话功能10.自诊断功能自诊断功能 CNC 自动实现故障预报和故障定位的功能自动实现故障预报和故障定位的功能11.通讯功能通讯功能 CNC 与外界进行信息和数据交换的功能。与外界进行信息和数据交换的功能。CNC 装置从它的硬件组成结构来看，若按其中含有装置从它的硬件组成结构来看，若按其中含有 CPU 的多少来分，可分为单机系统和多机系统：的多少来分，可分为单机系统和多机系统：1.单微处理器单微处理器CNC2.多微处理器多微处理器CNC 整个整个 CNC 装置只有一个装置只有一个CPU，它集中控制和管理整个，它集中控制和管理整个系统资源，通过分时处理

9、的方式来实现各种系统资源，通过分时处理的方式来实现各种 NC 功能。其优功能。其优点在于投资小，结构简单，易于实现。但系统功能受到点在于投资小，结构简单，易于实现。但系统功能受到 CPU 字长、数据宽度、寻址能力和运算速度等因素的限制。现在字长、数据宽度、寻址能力和运算速度等因素的限制。现在这种结构已被多机系统的主从结构所取代。这种结构已被多机系统的主从结构所取代。CNC装置中有两个或两个以上的装置中有两个或两个以上的 CPU，即系统中的某些功，即系统中的某些功能模块自身也带有能模块自身也带有CPU，根据部件间的相互关系又可将其分为：，根据部件间的相互关系又可将其分为：主从结构、多主结构构、分

10、布式结构。主从结构、多主结构构、分布式结构。nCNC 装置的硬件结构装置的硬件结构单微处理器单微处理器CNC结构结构模块化设计方法：模块化设计方法：将控制系统按功能划分成将控制系统按功能划分成若干具有独立功能的单元模块若干具有独立功能的单元模块,并配上相应并配上相应的驱动软件。系统设计时按功能的要求选择的驱动软件。系统设计时按功能的要求选择不同的功能模块，并将其插入控制单元母板不同的功能模块，并将其插入控制单元母板上，即可组成一个完整的控制系统的方法。上，即可组成一个完整的控制系统的方法。其中单元母板一般为总线结构的无源母板，其中单元母板一般为总线结构的无源母板，它提供模块间互联的信号通路。它

11、提供模块间互联的信号通路。实现实现CNC 系统模块化设计的系统模块化设计的条件条件是总线是总线(BUS)标准化。标准化。1、计算机主板和系统总线、计算机主板和系统总线(母板母板)2、显示模块、显示模块、(显示卡显示卡)3、输入、输入/输出模块输出模块(多功能卡多功能卡)4、电子盘、电子盘 (存储模块存储模块)5、设备辅助控制接口模块、设备辅助控制接口模块6、位置控制模块、位置控制模块7、功能接口模块、功能接口模块1、计算机主板和系统总线、计算机主板和系统总线(母板母板)u计算机主板计算机主板 u系统总线系统总线(母板母板)计算机主板是计算机主板是CNC 装置的核心。它的主要作用：对输入装置的核

12、心。它的主要作用：对输入到到 CNC 装置中的种种数据、信息装置中的种种数据、信息(零件加工程序，各种零件加工程序，各种 I/O 信息等信息等)进行相应的算术和逻辑运算。并根据其处理进行相应的算术和逻辑运算。并根据其处理结果，向各功能模块发出控制命令，传送数据，使用户结果，向各功能模块发出控制命令，传送数据，使用户的指令得以执行。的指令得以执行。系统总线系统总线(母板母板)：由一组传送数字信息的物理导线组成，：由一组传送数字信息的物理导线组成，它是计算机系统内部进行数据或信息交换的通道：分数据它是计算机系统内部进行数据或信息交换的通道：分数据总线、地址总线、控制总线。总线、地址总线、控制总线。

13、显示卡的主要作用：接收来自显示卡的主要作用：接收来自CPU 的控制命令和显示用的的控制命令和显示用的数据，经过数据，经过 CRT 的扫描信号调制后产生的扫描信号调制后产生 CRT 显示器所需要显示器所需要的视频信号，在的视频信号，在 CRT 上产生所需要的画面。它是人机交流的上产生所需要的画面。它是人机交流的重要媒介。重要媒介。2、显示模块、显示模块、(显示卡显示卡)3、输入、输入/输出模块输出模块(多功能卡多功能卡)它是它是 CNC 装置与外界进行数据和信息交换的接口板，即装置与外界进行数据和信息交换的接口板，即 CNC 装置通过该接口可以从输入设备获取数据，也可以将装置通过该接口可以从输入

14、设备获取数据，也可以将 CNC 装置中的数据送给输出设备。装置中的数据送给输出设备。4 、电子盘、电子盘(存储模块存储模块)电子盘是电子盘是CNC 装置特有的存储模。计算机的存储器装置特有的存储模。计算机的存储器件有三类：件有三类：磁存储器件，如：软磁存储器件，如：软/硬磁盘；硬磁盘；光存储光存储器件，如：光盘；器件，如：光盘；半导体存储器件，如半导体存储器件，如 RAM、ROM、FLASH 等。在等。在 CNC 装置中，常采用电子存储器件作装置中，常采用电子存储器件作为外存储器。为外存储器。5、设备辅助控制接口模块、设备辅助控制接口模块设备辅助控制接口模块是设备辅助控制接口模块是CNC 装置

15、实现顺序控制的模块。装置实现顺序控制的模块。它的作用是接收来自操作面板、机床上的各行程开关、传它的作用是接收来自操作面板、机床上的各行程开关、传感器、按钮、强电柜里的继电器以及主轴控制、刀库控制感器、按钮、强电柜里的继电器以及主轴控制、刀库控制的有关信号，经处理后输出去控制相应器件的运行。的有关信号，经处理后输出去控制相应器件的运行。设备辅助控制接口必须完成两个任务：即电平的转换设备辅助控制接口必须完成两个任务：即电平的转换和功率放大、电气隔离。和功率放大、电气隔离。设备辅助控制接口的实现方式：设备辅助控制接口的实现方式：l简单简单I/O 接口板；接口板；lPLC 控制。分内装型控制。分内装型

16、 PLC 和独立型和独立型PLC。简单简单I/O 接口板接口板PLC 控制控制6、位置控制模块、位置控制模块位置控制模块是进给伺服系统的重要组成部分，是实现轨位置控制模块是进给伺服系统的重要组成部分，是实现轨迹控制时，迹控制时，CNC 装置与伺服驱动系统连接的接口模块。装置与伺服驱动系统连接的接口模块。常用的位置控制模块有：开环位置控制模块、闭环（含常用的位置控制模块有：开环位置控制模块、闭环（含半闭环）位置控制模块。半闭环）位置控制模块。开环位置控制模块开环位置控制模块开开环环位位置置控控制制模模块块闭环（含半闭环）位置控制模块闭环（含半闭环）位置控制模块该模块由三部组成：该模块由三部组成：

17、速度指令转换部分；速度指令转换部分；位置反馈脉冲回收部分；位置反馈脉冲回收部分；速度反馈电压转换部分。速度反馈电压转换部分。n多微处理器多微处理器 CNC 系统硬件简介系统硬件简介 多主多主CNC 结构中，有两个或两个以上的结构中，有两个或两个以上的 CPU 部件，部件，部件之间采用紧耦合，有集中的操作系统，通过总线仲部件之间采用紧耦合，有集中的操作系统，通过总线仲裁器裁器(由硬件和软件组成由硬件和软件组成)来解决总线争用问题，通过来解决总线争用问题，通过公共存储器来进行信息交换。公共存储器来进行信息交换。结构的特点：结构的特点：能实现真正意义上的并行处理，处理速度快，可以实现能实现真正意义上

18、的并行处理，处理速度快，可以实现较复杂的系统功能。容错能力强，在某模块出了故障后，通较复杂的系统功能。容错能力强，在某模块出了故障后，通过系统重组仍可继续工作。过系统重组仍可继续工作。结构的结构形式：结构的结构形式：n共享总线结构共享总线结构n共享存储器结构共享存储器结构1.共享总线结构共享总线结构具有结构简单、系统组配灵、成本相对较低、共享总线结构具有结构简单、系统组配灵、成本相对较低、可靠性高等优点。可靠性高等优点。2.共享存储器结构共享存储器结构这种结构是面向公共存储器来设计的，即采用多端口这种结构是面向公共存储器来设计的，即采用多端口来实现各主模块之间的互连和通讯。一般采用双端口来实现

19、各主模块之间的互连和通讯。一般采用双端口存储器（双端口存储器（双端口 RAM）。）。nCNC 装置的软件结构装置的软件结构一一.CNC 装置软件和硬件的功能界面装置软件和硬件的功能界面二二.CNC 装置的数据转换流程装置的数据转换流程三三.CNC 系统软件结构特点系统软件结构特点四四.CNC 系统软件结构模式系统软件结构模式一一.CNC 装置软件和硬件的功能界面装置软件和硬件的功能界面CNC 软件构成软件构成二二.CNC 装置的数据转换流程装置的数据转换流程1、译码、译码（用（用ASCII码表达加工程序，数据结构格式）码表达加工程序，数据结构格式）2、刀补处理、刀补处理（零件轮廓变换成刀具中心

20、轨迹）（零件轮廓变换成刀具中心轨迹）3、速度预处理、速度预处理（计算每个插补周期内的合成移动量）（计算每个插补周期内的合成移动量）4、插补计算、插补计算（计算插补周期的实际合成位移量、分解（计算插补周期的实际合成位移量、分解 L 1 （X 1、Y 1）5、位置控制处理、位置控制处理（进行各进给轴跟随误差的计算，调（进行各进给轴跟随误差的计算，调节处理，输出为位移控制指令）节处理，输出为位移控制指令）三、三、CNC 系统软件结构特点系统软件结构特点 1、多任务性与并行处理技术、多任务性与并行处理技术uCNC 控制要求的多任务性控制控制要求的多任务性控制u基于并行处理的多任务调度技术基于并行处理的

21、多任务调度技术 资源分时共享（对单一资源的系统）资源分时共享（对单一资源的系统）并发处理和流水处理（对多资源的系统）并发处理和流水处理（对多资源的系统）2、实时性和优先抢占调度机制、实时性和优先抢占调度机制u实时性任务的分类实时性任务的分类u优先抢占调度机制优先抢占调度机制四四.CNC 系统软件结构模式系统软件结构模式 所谓结构模式是指系统软件的组织管理所谓结构模式是指系统软件的组织管理方式，即系统任务的划分方式、任务调度机方式，即系统任务的划分方式、任务调度机制、任务间的信息交机换制、以及系统集成制、任务间的信息交机换制、以及系统集成方法等。结构模式要解决的问题是如何组织方法等。结构模式要解

22、决的问题是如何组织和协调各个任务的执行，使之满足一定的时和协调各个任务的执行，使之满足一定的时序配合要求和逻辑关系，以满足序配合要求和逻辑关系，以满足 CNC 系统系统的各种控制要求。的各种控制要求。1、前后台型结构模式、前后台型结构模式2、中断型结构模式、中断型结构模式3、基于实时操作系统的结构模式、基于实时操作系统的结构模式n国外主要数控系统产品国外主要数控系统产品（1 1）日本日本FANUCFANUC公司数控系统公司数控系统 （2 2）德国德国SIEMENSSIEMENS公司数控系统公司数控系统（3 3）西班牙西班牙FAGORFAGOR公司数控系统公司数控系统 FANUC Series

23、0i MODEL C，FANUC Series 0i Mate MODEL C FANUC Series 16i/18i/21i-MODEL B，FANUC Series 18i-MODEL B5 FANUC Series 160i/180i/210i-MODEL B，FANUC Series 180i-MODEL B5 SINUMERIK 802S base line SINUMERIK 802C base line SINUMERIK 802D base line SINUMERIK 802D SINUMERIK 810D powerline SINUMERIK 840Di SINUMER

24、IK 840D powerline FAGOR 8035 M/8035 T FAGOR 8040 MC/8040 TC FAGOR 8055 MC/8055 TC FAGOR 8055-i T/8055-i TC/8055-i TCO第三节第三节 数控机床的检测装置数控机床的检测装置位置检测装置是数控机床闭环和半闭环伺服系统的重要组成部分，其作用是检测位移（线位移或角位移）和速度，并反馈至数控装置，构成伺服系统的闭环或半闭环控制，使工作台按指令的路径精确地移动。闭环或半闭环控制的数控机床的加工精度主要由检测系统的精度决定。位置检测装置的精度主要包括系统精度和分辨率。一、检测装置的要求及分类一、

25、检测装置的要求及分类（一）数控机床对检测装置的主要（一）数控机床对检测装置的主要要求要求有：有：受温度、湿度的影响小，工作可靠，抗于扰能力强；受温度、湿度的影响小，工作可靠，抗于扰能力强；在机床移动的范围内满足精度和速度要求；在机床移动的范围内满足精度和速度要求；使用维护方便，适合机床运行环境；使用维护方便，适合机床运行环境；成本低；成本低；易于实现高速的动态测量易于实现高速的动态测量。大型机床以满足大型机床以满足速度速度要求为主。要求为主。对中、小型机床和高精度机床以满足对中、小型机床和高精度机床以满足精度精度为主。为主。数控机床检测装置的分辨率一般为数控机床检测装置的分辨率一般为0.000

26、10.01mm/m，测量精度为测量精度为0.0010.01mm/m 类型类型数数 字字 式式模模 拟拟 式式增量式增量式绝对绝对式式增量式增量式绝对绝对式式回回转转型型增量式脉冲编增量式脉冲编码器，圆光栅码器，圆光栅绝对绝对式脉冲式脉冲编编码码器器旋旋转变压转变压器，器，圆圆感感应应同步器，同步器，圆圆磁尺磁尺多多级级旋旋转变压转变压器，器，3 3速速圆圆感感应应同步器同步器直直线线型型计计量光量光栅栅激光干涉激光干涉仪仪多通道透射光多通道透射光栅栅直直线线感感应应同器，同器，磁尺磁尺3 3速直速直线线感感应应同同步器，步器，绝对绝对式式磁尺磁尺（二）（二）位置检测装置分类位置检测装置分类u脉

27、冲编码器脉冲编码器 编码器又称码盘和脉冲编码器，是一种旋转式测量元编码器又称码盘和脉冲编码器，是一种旋转式测量元件，通常装在被测轴上，随被测轴一起转动，可将被测轴件，通常装在被测轴上，随被测轴一起转动，可将被测轴的角位移转换成增量脉冲形式或绝对式的代码形式。的角位移转换成增量脉冲形式或绝对式的代码形式。l根据输出信号的形式的不同，可分为根据输出信号的形式的不同，可分为绝对值式编码器绝对值式编码器和和脉冲增量式编码器脉冲增量式编码器。l根据内部结构和检测方式可分为根据内部结构和检测方式可分为接触式接触式、光电式光电式和和电磁电磁式式三种。三种。编码器在数控机床中有两种安装方式：一是和伺服电编码器

28、在数控机床中有两种安装方式：一是和伺服电机同轴联接在一起，称为机同轴联接在一起，称为内装式编码器内装式编码器，伺服电机再和，伺服电机再和滚珠丝杠联接，编码器在进给传动链的前端；二是编码滚珠丝杠联接，编码器在进给传动链的前端；二是编码器联接在滚珠丝杠末端，称为器联接在滚珠丝杠末端，称为外装式编码器外装式编码器。信号处理装置abz码盘基片透镜光源光敏元件透光狭缝光栏板节距m+/4 光电编码器的结构示意图光电编码器的结构示意图增量式光电编码器原理图增量式光电编码器原理图 当圆光栅旋转时，光线透过当圆光栅旋转时，光线透过两个光栅的线纹部分，形成明两个光栅的线纹部分，形成明暗条纹。光电元件接受这些明暗条

29、纹。光电元件接受这些明暗相间的光信号，转换为交替暗相间的光信号，转换为交替变化的电信号，该信号为两组变化的电信号，该信号为两组近似于正弦波的电流信号近似于正弦波的电流信号A和和B，A和和B信号的相位相差信号的相位相差90。经放大整形后变成方波形成两经放大整形后变成方波形成两个光栅的信号。光电编码器还个光栅的信号。光电编码器还有一个有一个“一转脉冲一转脉冲”，称为，称为Z相脉冲，每转产生一个，用来相脉冲，每转产生一个，用来产生机床的基准点。产生机床的基准点。(1)光电脉冲编码器的工作原理光电脉冲编码器的工作原理:脉冲编码器输出信号有脉冲编码器输出信号有A、B、Z、等信号，这些信号作为位等信号，这

30、些信号作为位移测量脉冲以及经过频率移测量脉冲以及经过频率/电压变换作为速度反馈信号，进行速度调节。电压变换作为速度反馈信号，进行速度调节。编码盘编码盘黑部分是绝缘，按导电为黑部分是绝缘，按导电为“1”、绝缘为、绝缘为“”组成二进制码，组成组成二进制码，组成编码的各圈称为码道。对应编码的各圈称为码道。对应4个码道并排安装有个码道并排安装有4个电刷，电经电阻个电刷，电经电阻接到电源正极。当被测对象带动编码盘一起转动时，根据与电刷串接到电源正极。当被测对象带动编码盘一起转动时，根据与电刷串联的电阻上有无电流流过，可用相应的二进制代码表示。联的电阻上有无电流流过，可用相应的二进制代码表示。接触式：接触

31、式：（2）脉冲编码器在数控机床中的应用脉冲编码器在数控机床中的应用 位移测量位移测量 由于增量式光电编码器每转过一个分辨角就发出一由于增量式光电编码器每转过一个分辨角就发出一个脉冲信号，因此，根据脉冲的数量、传动比及滚珠丝杠螺距即个脉冲信号，因此，根据脉冲的数量、传动比及滚珠丝杠螺距即可得出移动部件的直线位移量。在数控回转工作台中，通过在回可得出移动部件的直线位移量。在数控回转工作台中，通过在回转轴末端安装编码器，可直接测量回转工作台的角位移量。转轴末端安装编码器，可直接测量回转工作台的角位移量。主轴控制主轴控制 主运动（主轴控制）中采用编码器，则成为具有主运动（主轴控制）中采用编码器，则成为

32、具有位置控制功能的主轴控制系统。位置控制功能的主轴控制系统。测速测速 光电编码器输出脉冲的频率与其转速成正比，因此，光光电编码器输出脉冲的频率与其转速成正比，因此，光电编码器可代替测速发电机的模拟测速而成为数字测速装置。电编码器可代替测速发电机的模拟测速而成为数字测速装置。零脉冲用于回参考点控制零脉冲用于回参考点控制 当数控机床采用增量式的位置检当数控机床采用增量式的位置检测装置时，数控机床在接通电源后要做回到参考点的操作。测装置时，数控机床在接通电源后要做回到参考点的操作。u感应同步器感应同步器（一）感应同步器的结构与工作原理（一）感应同步器的结构与工作原理 直线式和旋转式两种。直线式感应同

33、步器由直线式和旋转式两种。直线式感应同步器由定尺定尺和和滑尺滑尺组组成；旋转式感应同步器由转子和定子组成。前者用于直线位移成；旋转式感应同步器由转子和定子组成。前者用于直线位移测量测量,后者用于角位移测量。后者用于角位移测量。定尺定尺 sin cos 节距节距2（2mm）节距节距（0.5mm）绝缘粘胶绝缘粘胶 铜箔铜箔 铝箔铝箔 耐切削液涂层耐切削液涂层 基板基板(钢、铜钢、铜)滑尺滑尺滑尺滑尺工作原理：工作原理：利用电磁耦合原理，将位移或转角变成电信号。即利用电磁耦合原理，将位移或转角变成电信号。即使滑尺与定尺相互平行，并保持一定的间距。向使滑尺与定尺相互平行，并保持一定的间距。向滑尺通以交

34、流滑尺通以交流激磁电压激磁电压，则在滑尺中产生激磁电流，绕组周围产生按正弦规，则在滑尺中产生激磁电流，绕组周围产生按正弦规律变化的磁场，由电磁感应原理，在定尺上产生感应电压，当律变化的磁场，由电磁感应原理，在定尺上产生感应电压，当滑尺与定尺间产生相对位移时，由于电磁耦合的变化，使定尺滑尺与定尺间产生相对位移时，由于电磁耦合的变化，使定尺上感应电压随位移的变化而变化（相同频率）。上感应电压随位移的变化而变化（相同频率）。当定尺与滑尺重合时，如当定尺与滑尺重合时，如图中的图中的a点，此时的感应点，此时的感应电压电压最大最大。当滑尺相对于。当滑尺相对于定尺平行移动后，其感应定尺平行移动后，其感应电压

35、逐渐变小。在错开电压逐渐变小。在错开1/4节距的节距的b点，感应电压为点，感应电压为零零。依次类推，在。依次类推，在1/2节距节距的的c点，感应电压幅值与点，感应电压幅值与a点相同，极性点相同，极性相反相反；在；在3/4节距的节距的d点又变为点又变为零零。感应同步器的工作原理感应同步器的工作原理 滑尺每移动一个节距，感滑尺每移动一个节距，感应电压变化一个周期。应电压变化一个周期。按工作方式不同，感应同步器分为：按工作方式不同，感应同步器分为：鉴相型系统鉴相型系统方式：前提方式：前提 供给滑尺的激磁信号为频率、供给滑尺的激磁信号为频率、幅值相同，相位角相差幅值相同，相位角相差90的交流电压。的交

36、流电压。根据线性叠加原理，在定尺上的工作绕组中的感应电压为：根据线性叠加原理，在定尺上的工作绕组中的感应电压为：励磁角频率。励磁角频率。滑尺绕组相对于定尺绕组的空间相位角滑尺绕组相对于定尺绕组的空间相位角 电磁耦合系数。电磁耦合系数。通通过测过测量定尺感量定尺感应电压应电压的相位的相位，可，可以以测测量定尺量定尺对对滑尺的位移滑尺的位移（二）感应同步器的应用（二）感应同步器的应用 鉴幅型系统鉴幅型系统方式：前提方式：前提 给滑尺绕组通入相位相同、给滑尺绕组通入相位相同、频率相同，但幅值不同的励磁电压。频率相同，但幅值不同的励磁电压。根据线性叠加原理，在定尺上工作绕组中的感应电压为：根据线性叠加

37、原理，在定尺上工作绕组中的感应电压为：幅值幅值由以上可知，若电气角由以上可知，若电气角 已知，只要测出已知，只要测出 的幅值便可以的幅值便可以间接地求出间接地求出 鉴鉴相相型型测测量量系系统统结结构构图图 定尺上的感应电压的幅值随指令给定的位移量定尺上的感应电压的幅值随指令给定的位移量 与工与工作台的实际位移作台的实际位移 的差值按正弦规律变化。鉴幅型系统用的差值按正弦规律变化。鉴幅型系统用于数控机床闭环系统中时，当工作台未达到指令要求值时，于数控机床闭环系统中时，当工作台未达到指令要求值时，即即 ，定尺上的感应电压，定尺上的感应电压 。该电压经过检波放大。该电压经过检波放大后控制伺服执行机构

38、带动机床工作台移动。当工作台移动到后控制伺服执行机构带动机床工作台移动。当工作台移动到 时时 ，定尺上的感应电压，定尺上的感应电压 ，工作台停止运动。，工作台停止运动。（三）感应同步器的特点：（三）感应同步器的特点：（1）精度高精度高。感应同步器直接对机床工作台的位移进行测量，。感应同步器直接对机床工作台的位移进行测量，其测量精度只受本身精度限制。另外，定尺的节距误差有平均补其测量精度只受本身精度限制。另外，定尺的节距误差有平均补偿作用，定尺本身的精度能做得很高，其精度可以达到偿作用，定尺本身的精度能做得很高，其精度可以达到0.001mm，重复精度可达，重复精度可达0.002mm。（2）工作可

39、靠，抗干扰能力强工作可靠，抗干扰能力强。在感应同步器绕组的每个周期。在感应同步器绕组的每个周期内测量信号与绝对位置有一一对应的单值关系，不受干扰的影响。内测量信号与绝对位置有一一对应的单值关系，不受干扰的影响。（3）维护简单，寿命长维护简单，寿命长。定尺和滑尺之间无接触磨损，在机床。定尺和滑尺之间无接触磨损，在机床上安装简单。上安装简单。（4）测量距离长测量距离长。可以根据测量长度需要，将多块定尺拼接成。可以根据测量长度需要，将多块定尺拼接成所需要的长度，就可测量长距离位移，适合于大、中型数控机床。所需要的长度，就可测量长距离位移，适合于大、中型数控机床。（5）成本低，易于生产成本低，易于生产

40、。（6）与旋转变压器相比，感应同步器的输出信号比较微弱，需）与旋转变压器相比，感应同步器的输出信号比较微弱，需要一个放大倍数很高的前置放大器。要一个放大倍数很高的前置放大器。u光栅传感器光栅传感器 光栅用于数控机床作为检测装置，已有几十年的历史，光栅用于数控机床作为检测装置，已有几十年的历史，用以测量长度、角度、速度、加速度、振动和爬行等。它是用以测量长度、角度、速度、加速度、振动和爬行等。它是数控机床闭环系统用得较多的一种检测装置。数控机床闭环系统用得较多的一种检测装置。在高精度的数控机床上，可以使用光栅作为位置检测装置，在高精度的数控机床上，可以使用光栅作为位置检测装置，将机械位移转换为数

41、字脉冲，反馈给将机械位移转换为数字脉冲，反馈给CNC装置，实现闭环控制。装置，实现闭环控制。由于激光技术的发展，光栅制作精度得到很大的提高，现在光由于激光技术的发展，光栅制作精度得到很大的提高，现在光栅精度可达微米级，再通过细分电路可以做到栅精度可达微米级，再通过细分电路可以做到0.1m甚至更高甚至更高的分辨率的分辨率。（一）光栅的种类（一）光栅的种类 根据形状可分为根据形状可分为圆光栅圆光栅和和长光栅长光栅。长光栅主要用于测。长光栅主要用于测量直线位移；圆光栅主要用于测量角位移。量直线位移；圆光栅主要用于测量角位移。根据光线在光栅中是反射还是透射分为根据光线在光栅中是反射还是透射分为透射光栅

42、透射光栅和和反射反射光栅光栅。透射光栅的基体为光学玻璃，反射光栅的基体为不。透射光栅的基体为光学玻璃，反射光栅的基体为不锈钢带。锈钢带。（二）光栅检测装置的结构（二）光栅检测装置的结构 由光源、透镜、由光源、透镜、标尺光栅标尺光栅，指示光栅指示光栅、光电转换元件、光电转换元件（读数头）和测量电路组成。（读数头）和测量电路组成。光栅由标尺光栅和指示光栅两部分组成。光栅由标尺光栅和指示光栅两部分组成。标尺光栅标尺光栅一般安装在机床活动部件上一般安装在机床活动部件上（如工作台上或丝杠上），（如工作台上或丝杠上），光栅读数头光栅读数头安装在机床固定部件上（如机床底座上）安装在机床固定部件上（如机床底座

43、上）。指示光栅指示光栅装在光栅读数头中。当光栅装在光栅读数头中。当光栅读数头相对于标尺光栅移动时，指示光读数头相对于标尺光栅移动时，指示光栅便在标尺光栅上相对移动。标尺光栅栅便在标尺光栅上相对移动。标尺光栅和指示光栅构成了光栅尺。和指示光栅构成了光栅尺。标尺栅和指示光栅上均匀刻有很多条纹，从局部放大部分看，黑的部分标尺栅和指示光栅上均匀刻有很多条纹，从局部放大部分看，黑的部分为不透光宽度（缝隙宽度）为不透光宽度（缝隙宽度）a，白的部分为透光宽度，白的部分为透光宽度(刻线宽度刻线宽度)b，设栅，设栅距为距为d，则，则da+b。通常情况下，。通常情况下，ab。1 1光源；光源；2 2透镜；透镜；3

44、 3标尺光栅；标尺光栅；4 4指示光栅；指示光栅；5 5光电元件；光电元件；6 6驱动线路驱动线路 光栅读数头又叫光电转换器，它把光栅莫尔条纹变成电信号。光栅读数头又叫光电转换器，它把光栅莫尔条纹变成电信号。如图如图 所示为垂直入射读数头。读数头由所示为垂直入射读数头。读数头由光源光源、聚光镜聚光镜、指示指示光栅光栅、光敏元件光敏元件和和驱动电路驱动电路等组成。等组成。(a)透射光栅透射光栅 (b)反射光栅反射光栅(三三)光栅测量装置光栅测量装置 图中图中Q表示光源，表示光源，L表示透镜，表示透镜，表示标尺光栅，表示标尺光栅，表示指示表示指示光栅，光栅，P表示光电元件。表示光电元件。(四四)莫

45、尔条纹莫尔条纹若标尺光栅和指示光栅的栅距相等，若标尺光栅和指示光栅的栅距相等，指示光栅指示光栅在其自身平面内相对于在其自身平面内相对于标尺光栅标尺光栅倾斜一个很小的角度，两块光栅的刻线就会相交。当灯光通倾斜一个很小的角度，两块光栅的刻线就会相交。当灯光通过聚光镜呈平行光线垂直照射在标尺光栅上，在两块光栅线相交的钝过聚光镜呈平行光线垂直照射在标尺光栅上，在两块光栅线相交的钝角平分线上，出现明暗交替、间隔相等的粗短条纹，称之为角平分线上，出现明暗交替、间隔相等的粗短条纹，称之为莫尔条纹。莫尔条纹。两条亮纹或两条暗纹之间的距离称为两条亮纹或两条暗纹之间的距离称为莫莫尔尔条条纹纹的的宽宽度度，以，以w

46、表示。表示。由于由于 角很小，所以莫角很小，所以莫尔尔条条纹纹近似垂直于光近似垂直于光栅栅的的线纹线纹，故有，故有时时称莫称莫尔尔条条纹为纹为横向莫横向莫尔尔条条纹纹。当光当光栅栅移移动动一个一个栅栅距距d 时时，莫，莫尔尔条条纹纹也相也相应应移移动动一个莫一个莫尔尔条条纹纹宽宽度度w；若光；若光栅栅移移动动方向相反，方向相反，则则莫莫尔尔条条纹纹移移动动方向也相反。莫方向也相反。莫尔尔条条纹纹移移动动方向与两光方向与两光栅夹栅夹角角的平分线平行。这样，测量光栅水平方的平分线平行。这样，测量光栅水平方向移动的微小距离就可用检测莫尔条纹移动的变化代替。向移动的微小距离就可用检测莫尔条纹移动的变化

47、代替。a、莫尔条纹具有放大作用。、莫尔条纹具有放大作用。2、莫尔条纹的特点：、莫尔条纹的特点：1、莫尔条纹测量原理、莫尔条纹测量原理倾斜角的小时，莫尔条纹宽度倾斜角的小时，莫尔条纹宽度w与栅距与栅距d之间有如下关系之间有如下关系若取若取d为为0.01mm，为为0.01rad，则，则wlmm，k100。用光的干涉现象，就能把光栅的栅距用光的干涉现象，就能把光栅的栅距d 转换成放大转换成放大100倍的莫尔倍的莫尔条纹宽度条纹宽度w。b、具有误差均化作用。、具有误差均化作用。c、利用莫尔条纹测量位移。、利用莫尔条纹测量位移。莫尔条纹是由大量光栅线纹干涉共同形成的，使得栅距之莫尔条纹是由大量光栅线纹干

48、涉共同形成的，使得栅距之间的相邻误差被平均化了间的相邻误差被平均化了,消除了由光栅线纹的制造误差导致消除了由光栅线纹的制造误差导致的栅距不均匀而造成的测量误差。的栅距不均匀而造成的测量误差。莫尔条纹的移动与栅距之间的移动成比例。当干涉莫尔条纹的移动与栅距之间的移动成比例。当干涉条纹移动一个栅距时，莫尔条纹也移动一个莫尔条纹宽条纹移动一个栅距时，莫尔条纹也移动一个莫尔条纹宽度度W，若光栅移动方向相反，则莫尔条纹移动的方向也，若光栅移动方向相反，则莫尔条纹移动的方向也相反。莫尔条纹的移动方向与光栅移动方向相垂直。这相反。莫尔条纹的移动方向与光栅移动方向相垂直。这样测量光栅水平方向移动的微小距离就用

49、检测垂直方向样测量光栅水平方向移动的微小距离就用检测垂直方向的宽大的莫尔条纹的变化代替。的宽大的莫尔条纹的变化代替。光栅测量系统光栅测量系统 标尺光栅移动过程中，莫尔条纹由亮带到暗带，再由暗带到亮带，相互标尺光栅移动过程中，莫尔条纹由亮带到暗带，再由暗带到亮带，相互交替出现，透过的光强度分布近似于余弦曲线，光电元件接收到的光通交替出现，透过的光强度分布近似于余弦曲线，光电元件接收到的光通量也大小交替出现，产生了近似正弦曲线的电压信号。这样的信号，只量也大小交替出现，产生了近似正弦曲线的电压信号。这样的信号，只能用于计数，而不能辨别方向。实际应用中，即要求有较高的检测精度，能用于计数，而不能辨别

50、方向。实际应用中，即要求有较高的检测精度，又能辨别方向。为了达到这种要求，通常使用倍频电路实现。又能辨别方向。为了达到这种要求，通常使用倍频电路实现。(a)电电路路图图 (b)波形波形图图光栅测量系统四倍频电路光栅测量系统四倍频电路鉴向倍频电路鉴向倍频电路不仅可以起到辨别方向的作用，它还可以起到细分的作用，以不仅可以起到辨别方向的作用，它还可以起到细分的作用，以提高光栅的分辨率。从上面的分析可知，从莫尔条纹原来一个周期内输出一提高光栅的分辨率。从上面的分析可知，从莫尔条纹原来一个周期内输出一个脉冲信号变为一个周期内输出个脉冲信号变为一个周期内输出4 4个脉冲。这样，分辨率提高了个脉冲。这样，分