第03章 数控系统.ppt

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1、第第3章章 数数 控控 系系 统统3.1 数控系统概述数控系统概述计算机数控系统是计算机数字控制装置、可编程控制器、计算机数控系统是计算机数字控制装置、可编程控制器、进给驱动与主轴驱动装置等相关设备的总称，它利用计算进给驱动与主轴驱动装置等相关设备的总称，它利用计算机控制加工功能，实现数值控制。机控制加工功能，实现数值控制。与早期的硬件数控相比，计算机数控系统具有以下特点。与早期的硬件数控相比，计算机数控系统具有以下特点。灵活性灵活性 通用性通用性 可靠性可靠性 易于实现许多复杂的功能易于实现许多复杂的功能 使用、维修方便使用、维修方便3.1.2 数控系统的组成及其工作原理数控系统的组成及其工

2、作原理计算机数控系统由输入计算机数控系统由输入/输出装置、输出装置、CNC装置、可编程控制装置、可编程控制器器(Programmable Logic Control，PLC)、主轴驱动装置、主轴驱动装置、伺服驱动装置及检测反馈装置等组成。如图伺服驱动装置及检测反馈装置等组成。如图3-1所示。所示。图图3-1 数控系统组成数控系统组成 其基本工作原理如下：机床数控装置读取来自输入介质或输其基本工作原理如下：机床数控装置读取来自输入介质或输入设备、通信设备的数控程序后，根据加工程序信息进行信入设备、通信设备的数控程序后，根据加工程序信息进行信息处理，计算出理想轨迹息处理，计算出理想轨迹(计算轨迹的

3、过程称为插补计算轨迹的过程称为插补)和运动速和运动速度，并将处理的结果输出到机床的主轴及进给驱动装置，控度，并将处理的结果输出到机床的主轴及进给驱动装置，控制机床运动部件按预定的轨迹和速度运动，完成数控加工。制机床运动部件按预定的轨迹和速度运动，完成数控加工。(1)输入输入/输出装置。数控加工程序可通过键盘，用手工方式输出装置。数控加工程序可通过键盘，用手工方式直接输入并存放到直接输入并存放到CNC装置的程序存储器内，还可由编程计装置的程序存储器内，还可由编程计算机用算机用RS232C或采用网络通信方式传送到数控装置中。或采用网络通信方式传送到数控装置中。(2)CNC装置。装置。CNC装置是数

4、控系统的核心。自动加工时，装置是数控系统的核心。自动加工时，数控加工程序从存储器中被读出，数控加工程序从存储器中被读出，CNC装置先对其进行译码装置先对其进行译码处理，即将零件数控加工程序转换成计算机能处理的内部形处理，即将零件数控加工程序转换成计算机能处理的内部形式式位置数据和控制指令，并存放到相应的存储区域，最后位置数据和控制指令，并存放到相应的存储区域，最后根据数据和指令的性质进行各种流程处理，完成数控加工的根据数据和指令的性质进行各种流程处理，完成数控加工的各项功能。各项功能。(3)伺服驱动装置。伺服驱动装置又称伺服系统，它是伺服驱动装置。伺服驱动装置又称伺服系统，它是CNC装置和机床

5、本体的联系环节。它把来自装置和机床本体的联系环节。它把来自CNC装置的指令信号装置的指令信号通过调解、转换、放大后驱动伺服电机，通过执行部件驱动通过调解、转换、放大后驱动伺服电机，通过执行部件驱动机床运动，使工作台精确定位或使刀具与工件按规定的轨迹机床运动，使工作台精确定位或使刀具与工件按规定的轨迹作相对运动，最后加工出符合图纸要求的零件。数控机床的作相对运动，最后加工出符合图纸要求的零件。数控机床的伺服驱动装置主要分为主轴驱动单元伺服驱动装置主要分为主轴驱动单元(主要是转速控制主要是转速控制)、进、进给驱动单元给驱动单元(包括位移和速度控制包括位移和速度控制)、回转工作台和刀库伺服、回转工作

6、台和刀库伺服控制装置等。控制装置等。(4)检测反馈装置。检测反馈装置又叫检测装置，主要用于检测反馈装置。检测反馈装置又叫检测装置，主要用于闭环和半闭环系统的反馈控制。检测装置检测出实际的位移闭环和半闭环系统的反馈控制。检测装置检测出实际的位移量，反馈给量，反馈给CNC装置中的比较器，与装置中的比较器，与CNC装置发出的指令信装置发出的指令信号比较。如果有差值，就发出运动控制信号，控制数控机床号比较。如果有差值，就发出运动控制信号，控制数控机床移动部件向消除该差值的方向移动，直到差值为移动部件向消除该差值的方向移动，直到差值为 0，运动停，运动停止。一般常用的检测装置有旋转变压器、编码器、感应同

7、步止。一般常用的检测装置有旋转变压器、编码器、感应同步器、光栅、磁栅和霍尔检测元件等。器、光栅、磁栅和霍尔检测元件等。(5)可编程控制器。在数控系统中除了进行轮廓轨迹控制可编程控制器。在数控系统中除了进行轮廓轨迹控制和点位控制外，还包括一些开关量控制，如主轴的启动与和点位控制外，还包括一些开关量控制，如主轴的启动与停止、冷却液的开与关、刀具的更换和工作台的夹紧与松停止、冷却液的开与关、刀具的更换和工作台的夹紧与松开等，主要由可编程控制器来完成。开等，主要由可编程控制器来完成。CNC系统的核心是系统的核心是CNC装置。由于使用了计算机，系统具有了软件功能，又装置。由于使用了计算机，系统具有了软件

8、功能，又用用PLC代替了传统的机床电器逻辑控制装置，从而使系统更代替了传统的机床电器逻辑控制装置，从而使系统更小巧；其灵活性、通用性、可靠性更好；易于实现复杂的小巧；其灵活性、通用性、可靠性更好；易于实现复杂的数控功能；使用、维护也方便；并具有与上位机连接及进数控功能；使用、维护也方便；并具有与上位机连接及进行远程通信的功能。行远程通信的功能。3.1.3 常用数控系统常用数控系统3.1.3.1 FANUC数控系统简介数控系统简介FANUC公司是生产数控系统和工业机器人的著名厂家，该公司公司是生产数控系统和工业机器人的著名厂家，该公司自自20世纪世纪60年代生产数控系统以来，已经开发出年代生产数

9、控系统以来，已经开发出40多种系列多种系列产品。目前生产的数控装置有产品。目前生产的数控装置有F0、F10、F11、F12、F15、F16、F18系列。系列。1主要主要特点特点(1)系统在设计中大量采用模块化结构。系统在设计中大量采用模块化结构。(2)具有很强的抵抗恶劣环境影响的能力。具有很强的抵抗恶劣环境影响的能力。(3)有较完善的保护措施。有较完善的保护措施。(4)FANUC系统所配置的系统软件具有比较齐全的基本功能系统所配置的系统软件具有比较齐全的基本功能和选项功能。和选项功能。(5)提供大量丰富的提供大量丰富的PMC信号和信号和PMC功能指令。功能指令。(6)具有很强的具有很强的DNC

10、功能。功能。(7)提供丰富的维修报警和诊断功能。提供丰富的维修报警和诊断功能。2主要系列主要系列(1)高可靠性的高可靠性的PowerMate 0系列。系列。(2)普及型普及型CNC 0-D系列。系列。(3)全功能型的全功能型的0-C系列。系列。(4)高性价比的高性价比的0i系列。系列。(5)具有网络功能的超小型、超薄型具有网络功能的超小型、超薄型CNC 16i/18i/21i系系列。列。除此之外，还有体现机床个性化的除此之外，还有体现机床个性化的CNC 16/18/160/180系列。系列。3.1.3.2 SINUMERIK数控系统简介数控系统简介西门子公司的西门子公司的SINUMERIK数控

11、系统采用模块化结构设计，经数控系统采用模块化结构设计，经济性好，在一种标准硬件上，配置多种软件，使它具有多种工济性好，在一种标准硬件上，配置多种软件，使它具有多种工艺类型，满足各种机床的需要，并成为系列产品。其产品包括艺类型，满足各种机床的需要，并成为系列产品。其产品包括SINUMERIK3/8/810/820/850/880/805/802/840系列，系列，目前在中国广泛采用的主要有目前在中国广泛采用的主要有SINUMERIK810/802/840系系列等数控系统。列等数控系统。3.1.3.3 国产数控系统国产数控系统南方数控、华中数控、航天数控和大森数控等，发展至今已有南方数控、华中数控

12、、航天数控和大森数控等，发展至今已有十余年历史。在国家的大力扶植下已有了很大的发展，不但在十余年历史。在国家的大力扶植下已有了很大的发展，不但在经济型数控系统方面实现了规模化生产经济型数控系统方面实现了规模化生产(如南方数控年产过万如南方数控年产过万台台)，而且在中档数控系统的研发及产业化上取得了突破，而且在中档数控系统的研发及产业化上取得了突破(如华如华中数控已成功开发出五轴联动的数控系统中数控已成功开发出五轴联动的数控系统)。目前，国产数控。目前，国产数控系统还主要应用于旧设备的数控化改造领域及车、铣类中低端系统还主要应用于旧设备的数控化改造领域及车、铣类中低端经济型数控机床。经济型数控机

13、床。3.1.3.4 机床制造商自行开发的专用数控系统机床制造商自行开发的专用数控系统如美国的哈斯公司、格里森公司和日本的大隈等，这类专如美国的哈斯公司、格里森公司和日本的大隈等，这类专用数控系统都集成了机床制造商拥有自主知识产权的专利用数控系统都集成了机床制造商拥有自主知识产权的专利技术，在一些特殊加工领域有其独到之处，适用于专业规技术，在一些特殊加工领域有其独到之处，适用于专业规模化生产中的整条流水线的集中装备。模化生产中的整条流水线的集中装备。3.2 数控插补原理数控插补原理 在实际加工中，常采用一小段直线或圆弧去进行拟合就可在实际加工中，常采用一小段直线或圆弧去进行拟合就可满足精度要求满

14、足精度要求(也有需要抛物线和高次曲线拟合的情况也有需要抛物线和高次曲线拟合的情况)，这，这种拟合方法就是种拟合方法就是插补插补，实质上插补就是数据密化的过程。，实质上插补就是数据密化的过程。插补的任务是根据进给速度的要求，在轮廓起点和终点之插补的任务是根据进给速度的要求，在轮廓起点和终点之间计算出若干个中间点的坐标值。每个中间点计算所需时间计算出若干个中间点的坐标值。每个中间点计算所需时间直接影响系统的控制速度，而插补中间点坐标值的计算间直接影响系统的控制速度，而插补中间点坐标值的计算精度又影响到数控系统的控制精度，因此，插补算法是整精度又影响到数控系统的控制精度，因此，插补算法是整个数控系统

15、控制的核心。个数控系统控制的核心。3.2.2 逐点比较法逐点比较法逐点比较法，就是每走一步都要将加工点的瞬时坐标同规逐点比较法，就是每走一步都要将加工点的瞬时坐标同规定的图形轨迹相比较，判断其偏差，然后决定下一步的走定的图形轨迹相比较，判断其偏差，然后决定下一步的走向。如果加工点走到图形外面去了，那么下一步就要向图向。如果加工点走到图形外面去了，那么下一步就要向图形里面走；如果加工点在图形里面，那么下一步就要向图形里面走；如果加工点在图形里面，那么下一步就要向图形外面走，以缩小偏差。这样就能得出一个非常接近规定形外面走，以缩小偏差。这样就能得出一个非常接近规定图形的轨迹，最大偏差不超过一个脉冲

16、当量。在逐点比较图形的轨迹，最大偏差不超过一个脉冲当量。在逐点比较法中，每进给一步都须要进行偏差判别、坐标进给、新偏法中，每进给一步都须要进行偏差判别、坐标进给、新偏差计算和终点比较差计算和终点比较4个节拍。个节拍。逐点比较法的基本原理是：在刀具按要求轨迹运动加工零逐点比较法的基本原理是：在刀具按要求轨迹运动加工零件轮廓的过程中，不断比较刀具与被加工零件轮廓之间的件轮廓的过程中，不断比较刀具与被加工零件轮廓之间的相对位置，并根据比较结果决定下一步的进给方向，使刀相对位置，并根据比较结果决定下一步的进给方向，使刀具向减小偏差的方向进给具向减小偏差的方向进给(始终只有一个方向始终只有一个方向)。一

17、般地，逐点比较法插补过程有一般地，逐点比较法插补过程有4个处理节拍，如图个处理节拍，如图3-2所示。所示。(1)偏差判别。偏差判别。(2)坐标进给。坐标进给。(3)偏差计算。偏差计算。(4)终点判别。终点判别。图图3-2 逐点比较法插补过程逐点比较法插补过程 3.2.2.1 直线插补直线插补1偏差计算公式偏差计算公式设被加工直线设被加工直线OE位于位于xOy平面的第一象限内，起点为平面的第一象限内，起点为O，终点为终点为E。再设刀具刀位点某一时刻位于。再设刀具刀位点某一时刻位于 点，它在直点，它在直线线OE的上方，有的上方，有 ，即，即 ；若位于若位于 点，点，它在直线它在直线OE上，如图上，

18、如图3-3所示，有所示，有 ，即，即 ；若位于若位于 点，它在直线点，它在直线OE的下方，有的下方，有 ，即，即 。令令 为偏差判别函数，由为偏差判别函数，由F即可判别刀位点与即可判别刀位点与直线的位置关系，判别方法如下。直线的位置关系，判别方法如下。(1)F0，刀位点在直线上方；，刀位点在直线上方；(2)F=0，刀位点在直线上；，刀位点在直线上；(3)F0，刀位点在直线下方。，刀位点在直线下方。2进给进给由由F的符号判别进给方向：的符号判别进给方向：F0，沿，沿+x方向走一步；方向走一步；F0，沿，沿+y方向走一步。方向走一步。图图3-3偏差计算偏差计算 3偏差计算公式简化偏差计算公式简化设

19、某时第一象限中某点为设某时第一象限中某点为 ，其，其F值为值为 ()。(1)经偏差判别后，经偏差判别后，0，沿，沿 方向走一步，则方向走一步，则因而，新的偏差判别函数为因而，新的偏差判别函数为(2)经偏差判别后，经偏差判别后，0，沿，沿+y方向走一步，则方向走一步，则因而，新的偏差判别函数为因而，新的偏差判别函数为计算时，第一次的偏差值是赋给的计算时，第一次的偏差值是赋给的(一般令一般令 =0)，其他几次采，其他几次采用偏差递推公式。用偏差递推公式。4终点判断终点判断(1)设置一个减法计数器，在其中存入设置一个减法计数器，在其中存入 ，x或或y坐坐标方向进给时均在计数器中减去标方向进给时均在计

20、数器中减去1，当，当 时，停止插补。时，停止插补。(2)设置设置 和和 两个减法计数器，在其中分别存入终点坐两个减法计数器，在其中分别存入终点坐标值标值 和和 ，x或或y坐标方向每进给一步时，就在相应的计坐标方向每进给一步时，就在相应的计数器中减去数器中减去1，直到两个计数器都为，直到两个计数器都为0时，停止插补。时，停止插补。(3)选终点坐标值较大的坐标作为计数坐标，用其终值作选终点坐标值较大的坐标作为计数坐标，用其终值作为计数器初值，仅在该轴走步时才减去为计数器初值，仅在该轴走步时才减去1，当减到，当减到0时，停时，停止插补。止插补。【例例3-1】第一象限直线第一象限直线OE，起点为，起点

21、为O(0,0)，终点为，终点为E(5,3)，请写出用逐点比较法插补此直线的过程并画出，请写出用逐点比较法插补此直线的过程并画出运动轨迹图运动轨迹图(脉冲当量为脉冲当量为1)。解：插补完这段直线，刀具沿解：插补完这段直线，刀具沿x和和y轴脉冲应走的总步数轴脉冲应走的总步数为为 5+38，插补运算过程见表，插补运算过程见表3-1，刀具，刀具的运动轨迹如图的运动轨迹如图3-4所示。所示。图图3-4 刀具运动轨迹刀具运动轨迹 表表3-1 逐点比较法直线插补运算过程逐点比较法直线插补运算过程 3.2.2.2 圆弧插补圆弧插补1偏差计算公式偏差计算公式如图如图3-5所示，以第一象限逆圆弧为例，起点为所示，

22、以第一象限逆圆弧为例，起点为S，终点为，终点为E，半径为半径为r，圆心在原点。再设刀具刀位点某一时刻位于，圆心在原点。再设刀具刀位点某一时刻位于 点，它在圆弧点，它在圆弧SE的外部，有的外部，有 ；若位于若位于 点，它在圆弧上，有点，它在圆弧上，有 ；若位于若位于 点，它在圆弧的内部，有点，它在圆弧的内部，有 。令令 为偏差判别函数，由即可判别刀位点与圆弧为偏差判别函数，由即可判别刀位点与圆弧的位置关系，判别方法如下：的位置关系，判别方法如下：(1)F0，刀位点在圆弧外部；，刀位点在圆弧外部；(2)F=0，刀位点在圆弧上；，刀位点在圆弧上；(3)F0，刀位点在圆弧内部。，刀位点在圆弧内部。图图

23、3-5 刀具运动坐标刀具运动坐标 2进给进给由的符号判别进给方向：由的符号判别进给方向：F0，沿，沿-x方向走一步；方向走一步；F0，沿，沿+y方向走一步。方向走一步。3偏差计算公式简化偏差计算公式简化设某时第一象限中某点为，其设某时第一象限中某点为，其F值为值为()。(1)偏差判别后，偏差判别后，0，沿，沿-x方向走一步，则方向走一步，则因而，新的偏差判别函数为因而，新的偏差判别函数为(2)偏差判别后，偏差判别后，0，沿，沿+y方向走一步，则方向走一步，则因而，新的偏差判别函数为因而，新的偏差判别函数为实际计算时，第一次的偏差值是赋值的实际计算时，第一次的偏差值是赋值的(一般令一般令)，其他

24、几次，其他几次采用偏差计算的递推公式。采用偏差计算的递推公式。4终点判断终点判断与逐点比较法直线插补相同。与逐点比较法直线插补相同。3.2.3 其他插补方法其他插补方法3.2.3.1 数字积分插补数字积分插补(又叫又叫DDA法法)数字积分插补是脉冲增量插补的一种。它具有运算速度快、脉数字积分插补是脉冲增量插补的一种。它具有运算速度快、脉冲分配均匀、易于实现各坐标联动及描绘平面各种函数曲线的冲分配均匀、易于实现各坐标联动及描绘平面各种函数曲线的特点，应用比较广泛。其缺点是速度调节不便，插补精度需要特点，应用比较广泛。其缺点是速度调节不便，插补精度需要采用一定措施才能满足要求。不过目前采用一定措施

25、才能满足要求。不过目前CNC数控系统中多采用数控系统中多采用软件实现软件实现DDA插补时，可以很容易克服以上缺点，所以插补时，可以很容易克服以上缺点，所以DDA插补是目前使用范围很广的一种插补方法。它的基本原理可以插补是目前使用范围很广的一种插补方法。它的基本原理可以用如图用如图3-6所示的函数积分表示，从微分几何概念来看，从时所示的函数积分表示，从微分几何概念来看，从时刻刻0到时刻到时刻t求函数求函数y=f(t)曲线所包围的面积时，可用如下的积曲线所包围的面积时，可用如下的积分公式。分公式。(3-1)如果将如果将0t的时间划分成时间间隔的时间划分成时间间隔为为 的有限区间，当的有限区间，当

26、足够小时，足够小时，可得近似公式为可得近似公式为式中，式中，为为 时，时，的值，的值，此公式说明积分可以用数的累加来此公式说明积分可以用数的累加来近似代替，其几何意义就是用一系近似代替，其几何意义就是用一系列小矩形面积之和来近似表示函数列小矩形面积之和来近似表示函数 下面的面积。下面的面积。图图3-6(3-2)如果在数字运算时，用取如果在数字运算时，用取 为基本单位为基本单位1，则式，则式3-2可以简可以简化为化为如果系统的基本单位如果系统的基本单位t设置得足够小，那么就可以满足我们设置得足够小，那么就可以满足我们所需要的精度。所需要的精度。一般来说，每个坐标方向需要一个被积函数寄存器和一个累

27、一般来说，每个坐标方向需要一个被积函数寄存器和一个累加器，被积函数寄存器用以存放坐标值加器，被积函数寄存器用以存放坐标值f(t)，累加器也称余，累加器也称余数寄存器，用于存放坐标的累加值。每当数寄存器，用于存放坐标的累加值。每当t出现一次，被积出现一次，被积函数寄存器中的函数寄存器中的f(t)值就与累加器中的数值相加一次，并将值就与累加器中的数值相加一次，并将累加结果存放于累加器中。如果累加器的容量为一个单位面累加结果存放于累加器中。如果累加器的容量为一个单位面积，被积函数寄存器的容量与累加器的容量相同，那么在累积，被积函数寄存器的容量与累加器的容量相同，那么在累加过程中每超过一个单位面积，累

28、加器就有溢出。当累加次加过程中每超过一个单位面积，累加器就有溢出。当累加次数达到累加器的容量时，所产生的溢出总数就是要求的总面数达到累加器的容量时，所产生的溢出总数就是要求的总面积，即积分值。积，即积分值。(3-3)3.2.3.2 数据采样插补数据采样插补数据采样插补是根据用户程序的进给速度，将给定轮廓曲线分割数据采样插补是根据用户程序的进给速度，将给定轮廓曲线分割为每一插补周期的进给段，即轮廓步长。每一个插补周期执行一为每一插补周期的进给段，即轮廓步长。每一个插补周期执行一次插补运算，计算出下一个插补点坐标，从而计算出下一个周期次插补运算，计算出下一个插补点坐标，从而计算出下一个周期各个坐标

29、的进给量，进而得出下一插补点的指令位置。与基准脉各个坐标的进给量，进而得出下一插补点的指令位置。与基准脉冲插补法不同的是，计算出来的不是进给脉冲而是用二进制表示冲插补法不同的是，计算出来的不是进给脉冲而是用二进制表示的进给量，也就是在下一插补周期中，轮廓曲线上的进给段在各的进给量，也就是在下一插补周期中，轮廓曲线上的进给段在各坐标轴上的分矢量大小。计算机定时对坐标的实际位置进行采样，坐标轴上的分矢量大小。计算机定时对坐标的实际位置进行采样，采样数据与指令位置进行比较，得出位置误差，再根据位置误差采样数据与指令位置进行比较，得出位置误差，再根据位置误差对伺服系统进行控制，达到消除误差使实际位置跟

30、随指令位置的对伺服系统进行控制，达到消除误差使实际位置跟随指令位置的目的。数据采样法的插补周期可以等于采样周期，也可以是采样目的。数据采样法的插补周期可以等于采样周期，也可以是采样周期的整数倍，对于直线插补，动点在一个周期内运动的直线段周期的整数倍，对于直线插补，动点在一个周期内运动的直线段与给定直线重合；对于圆弧插补，动点在一个插补周期运动的直与给定直线重合；对于圆弧插补，动点在一个插补周期运动的直线段以弦线逼近圆弧。线段以弦线逼近圆弧。数据采样插补主要有：时间分割法、扩展数据采样插补主要有：时间分割法、扩展DDA法和双法和双DDA法等。法等。时间分割法插补是典型的数据采样插补。它的工作方式

31、是：先根时间分割法插补是典型的数据采样插补。它的工作方式是：先根据加工指令中的进给速度据加工指令中的进给速度F，计算出一个插补周期的轮廓步长，计算出一个插补周期的轮廓步长L，即用插补周期为时间单位，将加工过程分割成许多个单位时间内即用插补周期为时间单位，将加工过程分割成许多个单位时间内的进给过程。以插补周期为时间单位，则单位时间内的移动的路的进给过程。以插补周期为时间单位，则单位时间内的移动的路程就等于速度，因此轮廓步长程就等于速度，因此轮廓步长L与轮廓速度与轮廓速度f相等。插补计算的主相等。插补计算的主要任务是计算出下一个插补点的坐标，从而计算出轮廓速度要任务是计算出下一个插补点的坐标，从而

32、计算出轮廓速度f在各在各个坐标轴的分量，进而可以得到下一个插补周期内各个坐标轴方个坐标轴的分量，进而可以得到下一个插补周期内各个坐标轴方向的进给量。在进给过程中，对实际位置进行采样，与插补计算向的进给量。在进给过程中，对实际位置进行采样，与插补计算的坐标值进行比较，得出位置误差，位置误差将在下一个采样周的坐标值进行比较，得出位置误差，位置误差将在下一个采样周期期(采样周期可以等于插补周期，也可以小于插补周期采样周期可以等于插补周期，也可以小于插补周期)内修正，内修正，从而实现消除误差使实际位置跟随指令位置的目的。从而实现消除误差使实际位置跟随指令位置的目的。3.3 检测装置与执行元件检测装置与

33、执行元件3.3.1 常用检测装置常用检测装置检测装置按检测信号的类型来分，可以分成数字式与模拟检测装置按检测信号的类型来分，可以分成数字式与模拟式两大类。所谓数字式是指将被测量转变为数字信号的测式两大类。所谓数字式是指将被测量转变为数字信号的测量装置，如光电码盘和光栅等。而模拟式是指将被测量转量装置，如光电码盘和光栅等。而模拟式是指将被测量转变为模拟电压变为模拟电压(或电流或电流)的相位或幅值变化的测量装置，典型的相位或幅值变化的测量装置，典型的有感应同步器和旋转变压器等。的有感应同步器和旋转变压器等。检测装置按测量元件形状可分为回转型检测装置和直线型检测装置按测量元件形状可分为回转型检测装置

34、和直线型检测装置。如果用回转型位置检测装置测量机床的直线位检测装置。如果用回转型位置检测装置测量机床的直线位移则是间接测量，其测量精度取决于测量装置和机床传动移则是间接测量，其测量精度取决于测量装置和机床传动链两者的精度，如用编码器测量直线位移等；而用直线型链两者的精度，如用编码器测量直线位移等；而用直线型位置检测装置测量机床的直线位移则是直接测量，其测量位置检测装置测量机床的直线位移则是直接测量，其测量精度主要取决于测量装置的精度，不受机床传动精度的直精度主要取决于测量装置的精度，不受机床传动精度的直接影响。接影响。3.3.1.1 旋转变压器旋转变压器旋转变压器是一种转角检测元件。它是一种小

35、型的交流发电机，旋转变压器是一种转角检测元件。它是一种小型的交流发电机，由定子和转子组成。当激磁电压加到定子绕组上时，通过电磁由定子和转子组成。当激磁电压加到定子绕组上时，通过电磁耦合，转子绕组产生感应电动势。设在定子绕组上的激磁电压耦合，转子绕组产生感应电动势。设在定子绕组上的激磁电压为为 ，通过电磁耦合，转子绕组将产生感应电动势，通过电磁耦合，转子绕组将产生感应电动势 。式中式中 K电磁耦合系数；电磁耦合系数；转子转角。转子转角。(3-4)由上式可知，转子绕组中的感应电动势由上式可知，转子绕组中的感应电动势 为以角速度为以角速度 随随时间时间t变化的交变电压信号。其幅值变化的交变电压信号。

36、其幅值 随转子和定随转子和定子的相对角位移子的相对角位移 以余弦函数变化。因此，只要测出转子以余弦函数变化。因此，只要测出转子绕组中的感应电动势绕组中的感应电动势 的幅值，便可间接地得到转子相对的幅值，便可间接地得到转子相对于定子的位移，即于定子的位移，即 角的大小，也就可间接获得机床工作角的大小，也就可间接获得机床工作台的位移。台的位移。3.3.1.2 感应同步器感应同步器感应同步器是利用电磁耦合原理，将位移或转角转变为电感应同步器是利用电磁耦合原理，将位移或转角转变为电信号的位置检测元件。根据结构特点可分为旋转式和直线信号的位置检测元件。根据结构特点可分为旋转式和直线式两种。前者用于角位移

37、测量；后者用于直线位移测量，式两种。前者用于角位移测量；后者用于直线位移测量，工作原理与旋转变压器相似。感应同步器具有精度高、测工作原理与旋转变压器相似。感应同步器具有精度高、测量长度不受限制和环境适应性强等优点；缺点是同步回路量长度不受限制和环境适应性强等优点；缺点是同步回路中阻抗不对称时对同步精度有影响、感应电动势低、阻抗中阻抗不对称时对同步精度有影响、感应电动势低、阻抗低和要进行抗干扰设计等。低和要进行抗干扰设计等。感应同步器的结构如图感应同步器的结构如图3-7所示，其定尺和滑尺的基板由与所示，其定尺和滑尺的基板由与机床热膨胀系数相似的钢板做成、钢板上用绝缘粘结剂贴机床热膨胀系数相似的钢

38、板做成、钢板上用绝缘粘结剂贴有铜箔，并利用照相腐蚀的办法做成印制绕组。感应同步有铜箔，并利用照相腐蚀的办法做成印制绕组。感应同步器定尺和滑尺绕组的节距相等，均为器定尺和滑尺绕组的节距相等，均为2r，这是衡量感应同，这是衡量感应同步器精度的主要参数，工艺上要保证其节距的精度。如图步器精度的主要参数，工艺上要保证其节距的精度。如图3-7所示，滑尺上置有两组分段绕组，联成两相绕组所示，滑尺上置有两组分段绕组，联成两相绕组A、B，如果把定尺绕组和滑尺绕组，如果把定尺绕组和滑尺绕组A对准，那么滑尺绕组对准，那么滑尺绕组B正好正好和定尺绕组相差和定尺绕组相差1/4节距。也就是说，节距。也就是说，A绕组与绕

39、组与B绕组在空绕组在空间上相差间上相差1/4节距。感应同步器的定尺和滑尺通过定尺尺座节距。感应同步器的定尺和滑尺通过定尺尺座和滑尺尺座分别安装在机床上两个相对移动的部件上和滑尺尺座分别安装在机床上两个相对移动的部件上(如工如工作台和床身作台和床身)，当工作台移动时，滑尺在定尺上移动，用来，当工作台移动时，滑尺在定尺上移动，用来测量工作台位移的大小。测量工作台位移的大小。图图3-7 感应同号器的结构图感应同号器的结构图3.3.1.3 光栅光栅光栅通常作为高精度数控机床的位置检测元件，用于将机械位移量光栅通常作为高精度数控机床的位置检测元件，用于将机械位移量转变为数字量反馈给数控装置，实现闭环位置

40、控制。根据其形状不转变为数字量反馈给数控装置，实现闭环位置控制。根据其形状不同，光栅可分为圆光栅和直光栅；根据其工作原理不同又可分为透同，光栅可分为圆光栅和直光栅；根据其工作原理不同又可分为透射光栅和反射光栅。射光栅和反射光栅。透射光栅是在玻璃表面上制成一系列平行等距的透光缝隙和不透光透射光栅是在玻璃表面上制成一系列平行等距的透光缝隙和不透光的栅线，反射光栅是在金属的镜面上制成全反射和漫反射间隔相等的栅线，反射光栅是在金属的镜面上制成全反射和漫反射间隔相等的条纹。条纹之间的距离称为栅距的条纹。条纹之间的距离称为栅距W。光栅检测装置主要有光源、。光栅检测装置主要有光源、聚光镜、标尺光栅、指示光栅

41、和光敏元件。标尺光栅安装在机床的聚光镜、标尺光栅、指示光栅和光敏元件。标尺光栅安装在机床的移动部件上，指示光栅安装在机床的固定部件上。移动部件上，指示光栅安装在机床的固定部件上。如果指示光栅与标尺光栅具有相同的栅距如果指示光栅与标尺光栅具有相同的栅距，而指示光栅上的条纹，而指示光栅上的条纹与标尺光栅上的条纹成一小角度与标尺光栅上的条纹成一小角度 时，两光栅尺上条纹相互交叉。时，两光栅尺上条纹相互交叉。用平行光垂直照射标尺光栅时，在两块光栅条纹相交的钝角平分线用平行光垂直照射标尺光栅时，在两块光栅条纹相交的钝角平分线方向呈现出明暗交替、间隔相等的条纹，这就是莫尔条纹方向呈现出明暗交替、间隔相等的

42、条纹，这就是莫尔条纹。3.3.1.4 脉冲编码器脉冲编码器脉冲编码器是一种旋转式的角位移检测传感器。编码器按编码的脉冲编码器是一种旋转式的角位移检测传感器。编码器按编码的方式可分为增量式编码器和绝对式编码器；按结构可分为接触式方式可分为增量式编码器和绝对式编码器；按结构可分为接触式编码器、光电式编码器和电磁式编码器。编码器、光电式编码器和电磁式编码器。1增量式光电编码器增量式光电编码器在一个圆盘周围分成相等的透明与不透明相间的辐射状线纹，形在一个圆盘周围分成相等的透明与不透明相间的辐射状线纹，形成圆光栅成圆光栅(标尺光栅标尺光栅)，另在指示光栅上刻有两组线纹，另在指示光栅上刻有两组线纹A和和B

43、，每，每组线纹的节距与圆光栅的节距相同，但组线纹的节距与圆光栅的节距相同，但A、B两组线纹彼此错开两组线纹彼此错开1/4节距。指示光栅固定在底座上，且与圆光栅平行放置，并保节距。指示光栅固定在底座上，且与圆光栅平行放置，并保持一个很小的距离。当伺服电机带动编码器旋转时，光源的光线持一个很小的距离。当伺服电机带动编码器旋转时，光源的光线将透过两光栅的线纹部分，形成明暗相间的条纹将透过两光栅的线纹部分，形成明暗相间的条纹(即光信号即光信号)，光，光电池组接受这些明暗相间的光信号后，便产生近似于正弦波的两电池组接受这些明暗相间的光信号后，便产生近似于正弦波的两组电压信号组电压信号A和和B。如图如图3

44、-8所示两者相位差所示两者相位差90，经，经放大整形后，变成方波信号放大整形后，变成方波信号A和和B，当伺服电机正转时，当伺服电机正转时，A相超前相超前90；反转时，；反转时，B相超前相超前90。若。若以以A、B相方波的前沿相方波的前沿(或后沿或后沿)产生产生计数脉冲，把脉冲信号送到计数器，计数脉冲，把脉冲信号送到计数器，那么根据脉冲数目和频率就可测出那么根据脉冲数目和频率就可测出轴的转角和转速。轴的转角和转速。图图3-8 增量式光电编码器电压增量式光电编码器电压信号对比图信号对比图2绝对式光电编码器绝对式光电编码器绝对式编码器是在码盘的每一转角位置刻有表示该位置的唯绝对式编码器是在码盘的每一

45、转角位置刻有表示该位置的唯一代码，通过读取编码盘上的代码来表示轴的位置。它是利一代码，通过读取编码盘上的代码来表示轴的位置。它是利用自然二进制或循环二进制编码方式进行光电转换的。用自然二进制或循环二进制编码方式进行光电转换的。码盘按其所用码制可分为二进制码、循环码码盘按其所用码制可分为二进制码、循环码(葛莱码葛莱码)和十进制和十进制码等。最常用的是光电式二进制循环码编码器。纯二进制编码等。最常用的是光电式二进制循环码编码器。纯二进制编码方式虽然简单、易于理解，但是图案转移点不明确，容易码方式虽然简单、易于理解，但是图案转移点不明确，容易产生误读。在位置变化时，可能有两个或更多位的状态同时产生误

46、读。在位置变化时，可能有两个或更多位的状态同时发生改变，而无论是哪种结构的码盘，各位变化的先后时间发生改变，而无论是哪种结构的码盘，各位变化的先后时间均不可避免存在误差，这种误差将发出错误信息，导致严重均不可避免存在误差，这种误差将发出错误信息，导致严重后果。例如，当从后果。例如，当从7(0111)变为变为8(1000)时，如果第一位先发时，如果第一位先发生变化，而其他三位还来不及变化，输出过程就是生变化，而其他三位还来不及变化，输出过程就是7(0111)15(1111)8(1000)。中间值。中间值15(1111)就是所谓就是所谓的的“错码错码”。针对以上特点，发展出了几种编码方法。其中常用

47、的葛莱针对以上特点，发展出了几种编码方法。其中常用的葛莱码的基本思想是：当码盘转动时，在相邻的计数位置，每码的基本思想是：当码盘转动时，在相邻的计数位置，每次只有一位代码有变化。因而，即使光电盘的制作和安装次只有一位代码有变化。因而，即使光电盘的制作和安装中有误差存在，产生的误差也不会超过读数的最低位的单中有误差存在，产生的误差也不会超过读数的最低位的单位量。位量。3.3.2 常用执行元件常用执行元件3.3.2.1 步进电动机步进电动机步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械角位移的电磁机械步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械角位移的电磁机械装置。由于所用电源是脉冲电源，所以也称为脉冲电动机。

48、每装置。由于所用电源是脉冲电源，所以也称为脉冲电动机。每输入一个电脉冲，电动机就转动一定角度前进一步，脉冲一个输入一个电脉冲，电动机就转动一定角度前进一步，脉冲一个一个地输入，电动机便一步一步地转动，其转过角度严格与脉一个地输入，电动机便一步一步地转动，其转过角度严格与脉冲数成正比，所以脉冲的频率决定了电动机的转速。冲数成正比，所以脉冲的频率决定了电动机的转速。步进电动机由转子和定子两部分组成。转子和定子均由带齿的步进电动机由转子和定子两部分组成。转子和定子均由带齿的硅钢片叠成。定子上的绕组分为若干相，每相磁极上有极齿。硅钢片叠成。定子上的绕组分为若干相，每相磁极上有极齿。当某相定子绕组通以直

49、流电压励磁后，便吸引转子，使转子上当某相定子绕组通以直流电压励磁后，便吸引转子，使转子上的齿与该相定子对齐，令转子转动一定的角度，依次向定子绕的齿与该相定子对齐，令转子转动一定的角度，依次向定子绕组轮流励磁，会使转子连续旋转。组轮流励磁，会使转子连续旋转。步进电动机种类繁多，有旋转运动的、直线运动的和平面步进电动机种类繁多，有旋转运动的、直线运动的和平面运动的。从结构上看，它分为反应式与励磁式。励磁式步运动的。从结构上看，它分为反应式与励磁式。励磁式步进电动机与反应式步进电动机相比，只是转子多了励磁绕进电动机与反应式步进电动机相比，只是转子多了励磁绕组，工作原理与反应式相似。其中励磁式又可分为

50、电励磁组，工作原理与反应式相似。其中励磁式又可分为电励磁式和永磁式两种。按定子数目分，步进电动机可分为单段式和永磁式两种。按定子数目分，步进电动机可分为单段定子式与多段定子式；按相数分，可分为单相、两相、三定子式与多段定子式；按相数分，可分为单相、两相、三相和多相，各相绕组可在定子上径向排列，也可在定子的相和多相，各相绕组可在定子上径向排列，也可在定子的轴向上分段排列。轴向上分段排列。3.3.2.2 直流伺服电动机直流伺服电动机目前在数控系统中使用的多为小惯量电动机和宽调速电动机。目前在数控系统中使用的多为小惯量电动机和宽调速电动机。1小惯量直流伺服电动机小惯量直流伺服电动机小惯量直流伺服电动