数控技术及其应用(第2版)第5章数控机床及位置检测装置课件.ppt

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1、数控技术及其应用第一章 绪论第五章 数控机床及 位置检测装置 数控机床是数控加工技术的具体执行机构，位置检测装置则是数控机床执行数控命令的信息反馈机构。本章将简要介绍各种数控机床的结构和主要技术参数以及各种位置检测装置的工作原理和应用方法。5.1 数 控 机 床 常见的数控机床包括数控车床、数控铣床、数控电火花线切割和数控加工中心等，本节将简要介绍各种数控机床的基本结构和主要技术参数。5.1.1 数控车床概述 数控车床是切削加工的主要技术装备。数控车床品种繁多，规格不一。按数控系统功能分，有全功能型和经济型两种；按主轴轴线处于水平位置或垂直位置分，有卧式和立式数控车床两种。1 数控车床的布局形

2、式与基本构成数控车床的布局 CK7815 型数控车床的外观图3 数控车床的主要结构 数 控 车 床 是 由 床 身、主 轴 箱、刀 架 进 给 系 统、液 压、冷却、润滑系统等部分组成。（1）主传动系统及主轴部件 数控车床主传动系统图主轴结构图（2）进给传动系统 横向进给系统 纵向进给驱动 数控车床横向进给系统纵向驱动装置4 自动回转刀架结构 数控转塔刀架5.1.2 数控铣床概述 数控铣床是采用铣削方式加工工件的数控机床。其加工功能很强，能够铣削各种平面轮廓和立体轮廓零件，如凸轮、模具、叶片、螺旋桨等。配上相应的刀具后，数控铣床还可用来对零件进行钻、扩、铰、锪和镗孔加工及攻螺纹等。虽然随着加工

3、中心的兴起，数控铣床在数控机床的所占比例将有所减少，但就我国现状而言，数控铣床仍广泛应用于机械制造行业的各个部门以及军工企业。1 数控铣床的分类及用途 数控铣床种类很多，从不同的角度看，分类就有所不同。按体积大小可以分为小型、中型和大型数控铣床。按其控制坐标的联动数可以分为二坐标联动、三坐标联动和多坐标联动数控铣床等。常用的分类方法是按其主轴的布局形式分，分为立式数控铣床、卧式数控铣床和立卧两用数控铣床。（a）立式（b）卧式 数控铣床主轴布局形式简图2 数控铣床的主要技术参数（2）数控铣床主轴部件 主轴部件是数控铣床的关键部件，它包括主轴、主轴支承、主轴端部结构等。主轴支承的形式 主轴端部结构

4、形状 数控铣床主轴支承（3）数控铣床的进给传动系统 数控铣床进给传动系统的性能要求 高传动精度。低摩擦。小惯量。小间隙。齿轮传动副 滚珠丝杠螺母副 导轨（4）工作台数控铣床一般采用上表面带有T 形槽矩形工作台。数控铣床滚珠丝杆支撑形式2 数控加工中心构成 加工中心自问世至今世界各国出现了各种类型的加工中心，虽然外形结构各异，但从总体看来主要由以下各部分构成：（1）基础部件（2）主轴组件（3）控制系统（4）伺服系统（5）自动换刀装置（6）自动托盘更换系统（7）辅助系统3 数控加工中心分类（1）按加工范围分类 车削加工中心、钻削加工中心、镗铣加工中心、磨削加工中心和电火花加工中心等。一般镗铣加工中

5、心简称加工中心，其余种类的加工中心要有前面的定语。（2）按加工中心的布局方式分类立式加工中心卧式加工中心 龙门式加工中心万能加工中心(复合加工中心)虚轴加工中心 JCS 018立式镗铣加工中心外形图立式加工中心布局 卧式加工中心卧式加工中心布局 龙门式加工中心万能加工中心不同形式的万能加工中心 并联机构工作原理德国的Mikromat公司的6x型机床1固定平台；2运动平台 三轴联动加工中心多轴联动加工中心六、按工作台的数量和功能分类有单工作台、双工作台加工中心和多工作台加工中心。可更换工作台加工中心5.1.4 数控电火花线切割机床概述1 概述（1）电火花线切割加工的基本原理 电火花线切割加工（W

6、ire Cut Electrical Discharge Machining，WEDM），是在加工过程中，使线状电极（钼丝或铜丝）和工件之间不断产生脉冲性火花放电，靠放电时局部、瞬时产生的高温把材料蚀除下来，故称为电火花线切割，简称线切割。由于线切割加工可以切割高硬度的导电材料（如石墨、金刚石等）和形状极为复杂的零件或工艺品（如阿基米德螺旋线平面凸轮、太师椅、八角宝塔等），切割中几乎没有切削力，因而获得了广泛的应用。（3）数控线切割原理高速走丝线切割加工装置示意图 低速走丝线切割加工装置示意图2 数控线切割机床的组成及主要部件结构特点数控线切割机床主要由机床本体、脉冲电源、数控系统、工作液循环

7、系统和机床附件等几部分组成。（1）机床本体 床身 坐标工作台 走丝机构：慢速走丝机，构快速走丝机构 丝架（2）脉冲电源 要求用于线切割的脉冲电源具有：适当的脉冲峰值电流，其变化范围不宜太大，一般为15 35 A；适当窄的脉冲宽度；尽量高的脉冲频率使电极丝呈低损耗的性能。5.2 位置检测装置 在数控机床中，数控装置是依靠指令值与位置检测装置的反馈值进行比较，来控制工作台运动的。位置检测装置是数控系统的重要组成部分。在闭环系统中，它的主要作用是检测位移量，并将检测的反馈信号和数控装置发出的指令信号相比较，若有偏差，经放大后控制执行部件，使其向着消除偏差的方向运动，直到偏差为零。5.2.1 位置检测

8、装置概述1 对位置检测装置的要求（1）受温度、湿度的影响小，工作可靠，能长期保持精度，抗干扰能力强。（2）在机床执行部件移动范围内能满足精度和速度的要求。（3）使用维护方便，适应机床工作环境。（4）成本低。2 检测装置的分类5.2.2 感应同步器1 感应同步器的结构和工作原理 感应同步器也是一种电磁式的检测传感器，按其结构可分为直线式和旋转式两种，这里着重介绍直线式感应同步器。直线式感应同步器用于直线位移的测量，其结构相当于一个展开的多极旋转变压器。它的主要部件包括定尺和滑尺，定尺安装在机床床身上，滑尺则安装于移动部件上，随工作台一起移动。两者平行放置，保持0.2 0.3 mm 的间隙，如图所

9、示。感应同步器的结构示意图A 正弦励磁绕组；B 余弦励磁绕组 感应同步器的工作原理与旋转变压器的工作原理相似。当励磁绕组与感应绕组间发生相对位移时，由于电磁耦合的变化，感应绕组中的感应电压随位移的变化而变化，感应同步器和旋转变压器就是利用这个特点进行测量的。所不同的是，旋转变压器是定子、转子间的旋转位移，而感应同步器是滑尺和定尺间的直线位移。感应同步器的工作原理2 感应同步器的应用 根 据 励 磁 绕 组 中 励 磁 供 电 方 式 的 不 同，感 应 同 步 器 可 分 为 鉴相 工 作 方 式 和 鉴 幅 工 作 方 式。鉴 相 工 作 方 式 即 将 正 弦 励 磁绕 组 和 余 弦 励

10、 磁 绕 组 分 别 通 以 频 率 相 同、幅 值 相 同 但 相 位相 差/2 的 交 流 励 磁 电 压；鉴 幅 工 作 方 式 则 是 将 滑 尺 的 正 弦励 磁 绕 组 和 余 弦 励 磁 绕 组 分 别 通 以 相 位 相 同、频 率 相 同，但幅值不同的交流励磁电压。（1）鉴相方式 在 这 种 工 作 方 式 下，将 滑 尺 的 正 弦 励 磁 绕 组 和 余 弦 励 磁绕 组 分 别 通 以 幅 值 相 同、频 率 相 同、相 位 相 差90 的 交 流电压Us=Umsint Uc=Umcost 励磁信号将在空间产生一个以 为频率移动的行波。磁场切割定尺导片，并在其中感应出电

11、势，该电势随着定尺与滑尺相对位置的不同而产生超前或滞后的相位差。按照叠加原理可以直接求出感应电势 在一个节距内，与滑尺移动距离是一一对应的。通过测量定尺感应电势相位，便可测出定尺相对滑尺的位移。Uv=KUmsintsoc-KUmcostsin=KUmsin（t-）（2）鉴幅方式 在这种工作方式下，将滑尺的正弦励磁绕组和余弦励磁绕组分别通以频率相同、相位相同，但幅值不同的交流电压 Us=Umsin1sint Uc=Umcos1sint 此时，如果滑尺相对定尺移动一个距离d，其对应的相位移为2，那么在定尺上的感应电势为Uo=KUmsin1sintcos2-KUmcos1sint sin2=KUms

12、int sin（1-2）由上式可知，若电气角1已知，则只要测出Uo的幅值KUmsin（1-2）便可间接地求出2。5.2.3 旋转变压器1 旋转变压器的结构1.旋转变压器在结构上与两相绕线转子异步电动机相似，旋转变压器由定子和转子组成，定子绕组为变压器的一次线圈，转子绕组为变压器的二次线圈。其定子和转子铁芯由高导磁的铁镍软磁合金或硅铜薄板冲成的带槽芯片叠成，槽中嵌入定子绕组和转子绕组。励磁电压接到定子绕组上，励磁频率通常为400 Hz、500 Hz、1000 Hz 及5000 Hz。定子绕组通过固定在壳体上的接线板直接引出；转子绕组有两种不同的引出方式。根据转子绕组不同的引出方式可将旋转变压器分

13、为有刷式和无刷式两种结构形式。旋转变压器2 旋转变压器的工作原理1.当励磁电压加到定子绕组上时，通过电磁耦合，转子绕组中将产生感应电压。由于转子是可以旋转的，当转子绕组磁轴转到与定子绕组磁轴垂直时（=0），励磁磁通 不穿过转子绕组的横截面，因此感应电压u2=0。当转子绕组磁轴自垂直位置转过任一角度=t时，转子绕组中产生的感应电压为2.式中：k 是电磁耦合系数；u1是定子的励磁电压，ul=Umsint；Um是定子的最大瞬时电压。（a）（b）（c）旋转变压器的工作原理u2=ku1sin=kUmsintsin 当 转 子 绕 组 磁 轴 转 到 与 定 子 绕 组 磁 轴 平 行 时（=90），所

14、示，励 磁 磁 通 几 乎 全 部 穿 过 转 子 绕 组 的 横 截 面，因 此，转 子 绕 组 中 产 生 的 感 应 电 压 为 最 大，其 值 为 U2=k Um sint 旋 转 变 压 器 在 结 构 上 保 证 其 定 子 和 转 子 之 间 空 气 气 隙 内磁 通 分 布 符 合 正 弦 规 律，这 样 使 转 子 绕 组 中 的 感 应 电 压 随转 子 的 转 角 按 正 弦 规 律 变 化。当 转 子 绕 组 接 入 负 载 时，其绕 组 中 便 有 正 弦 感 应 电 流 通 过，该 电 流 所 产 生 的 交 变 磁 通将 使 定 子 和 转 子 之 间 的 气 隙

15、 中 的 合 成 磁 通 畸 变，从 而 使 转子绕组中输出电压也发生畸变。为 了 克 服 上 述 缺 点，通 常 采 用 正 弦、余弦 旋 转 变 压 器，其 定 子 和 转 子 绕 组 均 由两 个 匝 数 相 等，且 相 互 垂 直 的 绕 组 构 成，如 图 所 示。一 个 转 子 绕 组 作 为 输 出 信 号，另 一 个 转 子 绕 组 接 高 阻 抗 作 为 补 偿。当定 子 绕 组 用 两 个 相 位 相 差90的 电 压 励 磁时，即u1=Umsint u2=Umcost 应 用 叠 加 原 理，转 子 绕 组 中 一 个 绕 组 的 输 出电压（另一个绕组短接）为u3=kU

16、msintsin+Umcostcos=Umcos（t-）正弦、余弦旋转变压器1.3 磁阻式多极旋转变压器2.多极旋转变压器，其误差不超过3.5。这种旋转变压器是无接触式磁阻可变的耦合变压器。在多极旋转变压器中，定子（或转子）的极对数根据精度要求不同而不等，增加定子（或转子）的极对数，使电气转角为机械转角的倍数，从而提高精度，其比值即为定子（或转子）的极对数。当定子齿数为5，转子齿数为4，定子槽内安装了一个逐槽反向串接的输入绕组1-1，和两个间隔一个齿绕制的反向串接输出绕组2-2、3-3，当输入绕组为正弦电压时，两个输出绕组分别产生相应的电压，其幅值主要取决于定子和转子齿的相对位置间气隙磁导的大

17、小。当转子转过一个齿距，气隙磁导变化一个周期，输出电压幅值也随之变化一个周期。而当转子转过一周时，输出电压幅值变化的周期等于转子齿数，转子的齿数就相当于磁阻式多极旋转变压器的极对数。磁阻式多极旋转变压器工作原理5.2.4 编码器1 编码器概述 编码器是一种位置检测元件，其主要元件编码盘（又称编码尺）是一种直接编码式的测量元件，可直接把被测转角或位移转换成相应的代码，指示其绝对位置。这种检测方式的特点是：没有累积误差，而且电源切断后位置信息不丢失；检测方式是非接触式的，无摩擦和磨损，驱动力矩小；由于光电变换器性能的提高，可得到较快的响应速度，由于照像腐蚀技术的提高，可以制造高分辨率、高精度的光电

18、盘，母盘制作后，复制很方便，且成本低。其缺点是检测通道数多，构造复杂，不易做到高精度和高分辨率，价格较贵；抗污染能力差，容易损坏。编码器的作用原理分接触式、光电式、电磁式等几种。其编码类型有二进制编码、二十进制计数码、葛莱码、余三码等。2 脉冲编码器 脉冲编码器是一种光学式位置检测元件，按照编码化的方式，可分为增量式和绝对值式两种。增量式编码器工作原理 二进制编码盘 葛莱编码盘绝对值式编码器比增量式具有许多优点：坐标值从绝对编码盘中直接读出，不会有累积进程中的误计数；运转速度可以提高，编码器本身具有机械式存储功能，即使因停电或其他原因造成坐标值清除，通电后仍可找到原绝对坐标位置。其缺点是当进给

19、转数大于一转，需做特别处理，而且必须用减速齿轮将两个以上的编码器连接起来，组成多级检测装置，使其结构复杂、成本高。5.2.5 光栅1 光栅的结构和工作原理 光栅是一种最常见的测量装置，具有精度高、响应速度快等优点，是一种非接触式测量装置。光栅利用光学原理进行工作，按形状可分为圆光栅和长光栅。光栅测量装置 光栅的工作原理2 光栅位移-数字变换电路 光栅测量系统的组成示意图（a）（b）4倍频电路波形图5.2.6 磁栅1 磁栅的结构和工作原理 磁栅又称磁尺，是一种录有等节距磁化信号的磁性标尺或磁盘。其录磁和拾磁原理与普通磁带相似。在检磁过程中，磁头读取磁性标尺上的磁化信号并把它转换成电信号，然后通过

20、检测电路将磁头相对于磁性标尺的位置送入计算机或数显装置。磁栅按磁性标尺基体的形状可分为平面实体型磁栅、带状磁栅、线状磁栅和圆形磁栅，前3 种用于直线位移测量，后一种用于角位移测量。磁栅结构框图2 磁栅的应用根 据 检 测 方 法 的 不 同，磁 栅 应 用 也 可 分 为 幅 值 检 测 和 相 位 检测两种，通常相位检测应用较多。相 位 检 测 时 在 两 组 磁 头A、B 的 励 磁 绕 组 中 通 以 同 频 率、同 相位、同幅值的励磁电流取 磁 尺 上 某N 极 点 为 起 点，若A 磁 头 离 开 该N 极 点 的 距 离 为d，则B 磁头上拾磁绕组输出的感应电势为则第二组磁头输出的

21、信号必是式中：I0 励磁电流的幅值；Um 磁头输出电压幅值；输出感应电势的频率。把 磁 头A 输 出 的 感 应 电 势 Usc1 中 的 信 号 Umsin t 移 相/2，得到如果在求和电路中，即将Usc1和Usc2相加，得到总的输出从 上 式 可 以 看 出，这 和 旋 转 变 压 器、感 应 同 步 器 的 鉴 相 方 式应用一样，调制相位 就可以得到位移d的大小。5.2.7 激光干涉仪 激光是20 世纪60 年代末兴起的一种新型光源，广泛应用于各个方面。它与普通光相比具有许多特殊性能。高度相干性。方向性好。高度单色性。亮度高。1 激光干涉法测距原理 根据光的干涉原理，两列具有固定相位

22、差、相同频率、相同的振动方向或振动方向之间夹角很小的光相互交叠，将会产生干涉现象，如图所示。激光干涉法测距原理 由激光器发射的激光经分光镜A 分成反射光束S1和透射光束S2。两光束分别由固定反射镜M1和可动反射镜M2反射回来，两者在分光镜处汇合成相干光束。若两列光S1和S2的路程差为N（为波长，N 为零或正整数），实际合成光的振幅是两个分振幅之和，光强最大，如图（a）所示。当S1和S2的路程差为/2（或半波长的奇数倍）时，合成光的振幅和为零，如图（b）所示，此时，光强最小。激光干涉仪就是利用这一原理使激光束产生明暗相间的干涉条纹，由光电转换元件接收并转换为电信号，经处理后由计数器计数，从而实现

23、对位移量的检测。由于激光的波长极短，特别是激光的单色性好，其波长值很准确。所以利用干涉法测距的分辨率至少为/2，利用现代电子技术还可测定0.01 个光干涉条纹。可见，用光干涉法测距的精度极高。（a）（b）实际合成光2 单频激光干涉仪 激 光 器l 发 出 的 激 光 束，经 镀 有 半 透 明 银 箔 层 的 分光 镜5将 光 分 为 两 路，一 路 折 射 进 入 固 定 不 动 的 棱 镜4，另 一 路 反 射 进 入 可 动 棱 镜7。经 棱 镜4和7反 射 回来 的 光 重 新 在 分 光 镜5处 汇 合 成 相 干 光 束，此 光 束 又被 分 光 镜 分 成 两 路，一 路 进 入

24、 光 电 元 件3，另 一 路 经棱镜8射至光电元件2。由 于 分 光 镜5上 镀 有 半 透 明 半 反 射 的 金 属 膜，所 产生 的 折 射 光 和 反 射 光 的 波 形 相 同，但 相 位 上 有 变 化，适 当 调 整 光 电 元 件3和2的 位 置，使 两 光 电 信 号 相 位差90。工 作 时 两 者 相 位 超 前 或 滞 后 的 关 系 取 决 于 棱镜7的 移 动 方 向，当 工 作 台6移 动 时 棱 镜7也 移 动，则干 涉 条 纹 移 动，每 移 动 一 个 干 涉 条 纹，光 电 信 号 变化 一 个 周 期。如 果 采 用4倍 频 电 子 线 路 细 分，采

25、 用 波长=0.6328 m 的 氦 氖 激 光 为 光 源，则 一 个 脉 冲 信 号相 当 于 机 床 工 作 台 的 实 际 位 移 量。单 频激 光 干 涉 仪 使 用 时 受 环 境 影 响 较 大，调 整 麻 烦，放大 器 存 在 零 点 漂 移。为 克 服 这 些 缺 点，可 采 用 双 频激光干涉仪。1激光器；2，3光电元件；单频激光干涉仪原理图3 双频激光干涉仪 双频激光干涉仪的基本原理与单频激光干涉仪不同，是一种新型激光干涉仪，如图所示。它是利用光的干涉原理和多普勒效应产生频差的原理来进行位置检测的。双频激光测量仪的基本原理 激光管放在轴向磁场内，发出的激光为方向相反的右旋

26、圆偏振光和左旋圆偏振光，其振幅相同，但频率不同，分别表示为f1和f2。经分光镜M1，一部分反射光经检偏器射入光电元件D1作为基准频率f基（f基=f2-f1）。另一部分通过分光镜M1的折射到达分光镜M2的a 处，频率为f2的光束完全反射经滤光器变为线偏振光f2，投射到固定棱镜M3后反射到分光镜M2的b处。频率为f1的光束经滤光器变为线偏振光f1，投射到可动棱镜M4后也反射到分光镜M2的b处，两者产生相干光束。若M4移动，则反射光的频率发生变化而产生多普勒效应，其频差为多普勒频差f。频率为f=f1f 的反射光与频率为f2的反射光在b处汇合后，经检偏器射入光电元件D2，得到测量频率f测=f2-（f1f）的光电流，这路光电流与经光电元件D1后得到频率为f基的光电流，同时经放大器放大进入计算机，经减法器和计数器，即可算出差值f，并按下式计算出可动棱镜M4的移动速度v 和移动距离L。式中：N 是由计算机记录下来的脉冲数，将脉冲数乘以半波长就得到所测位移的长度。