数控机床各组成部分结构及控制原理

12数控机床各组成部分的结构及其控制原理2.1数控系统的控制原理2.2计算机数控装置2.3数控机床的位置检测装置2.4数控机床的进给伺服系统2.5数控机床的主轴驱动及其机械结构2.6可编程序控制器在数控机床上的应用课程内容22.1数控系统的控制原理一、总体结构及各部分功能三部分：微机及其相应的I/O设备外部设备机床控制及其I/O通道框图：3二、CNC装置的插补原理插补的任务：根据进给速度，在轮廓的起点和终点之间计算出若干个中间点的坐标。插补算法分两大类：脉冲增量插补：逐点比较法、数字积分法。特点：每次插补后产生一个行程增量，脉冲当量驱动步进电机（开环）数据采样插补：时间分割法。特点：进行粗插补和精插补（闭环）4逐点比较法基本思路：被控对象在按要求的轨迹进行运动时，每走一步都要和规定的轨迹比较一下，由比较的结果决定下一步移动的方向。每走一步完成四个节拍：偏差判别进给偏差计算终点判别5直线插补1.偏差函数的选择动点坐标N（x，y），起点坐标O（0，0），终点坐标E（Xe，Ye）直线方程：Y/X=Xe/Yey.Xe-x.Ye=0，令F称为偏差函数eeyxxyF0N（x，y）E（Xe，Ye）XY62.偏差计算和进给0.0.0.0.0.0.000＝＝＝，＝重合于，下方在，上方在FxyxyxyxytgtgOENFxyxyxyxytgtgOENFxyxyxyxytgtgOENeeeeeeeeeeeeF≥0，则进给＋x若F0，则进给＋y7用递推法简化计算方法eexFFyFyFFxF00结论：第一象限8eeeeYXNYXN,max单边计数法：总步长法：3.终点判别坐标计数法长边坐标计数法9偏差判别进給偏差计算判终J=8－1＝7J=6J=5J=4J=3J=2J=1J=0000FX3300010eyFF010FY25311F011FX13221F021FY45122F022FX13432F032FX23142F042FY35243F043FX03353F4.举例若加工第一象限直线OE，起点为O（0，0），终点为E（5，3）。按逐点比较法进行插补计算，并作出插补轨迹图。E(5,3)OYXY10逐点比较法的合成进给速度合成进給速度yxvvv22比值的最大值为1，最小值为22（1～0.707）加工速度若恒定，则表面质量以1～0.707的速度变化，对一般机床可以满足。11数据采样插补（时间分割法）直流或交流伺服电机为驱动元件，闭环系统分为：粗插补、精插补粗插补：将曲线分成若干个微线段。在每个插补周期（T）内计算一次，算出坐标位置增量值精插补：进一步密化，对直线的脉冲增量插补。在每个采样周期内，由硬、软件对反馈的位置增量值和插补输出的指令位置增量值进行采用。插补一般指粗插补121．插补周期的选择T的选择非常重要基本思想：采用时间分割的思想，根据编程给定的进给速度F将轮廓曲线分割为相等的插补周期T的进给段，即轮廓步长ΔL，ΔL＝F.T2．插补运算时间T必须大于插补运算时间和CPU执行其他实时任务所需的时间之和133．位置反馈采样周期插补运算结果是供位置采样周期使用的各坐标轴的位置增量值，因此，采样周期TF通常＝T，或者T是TF的整数倍。T=8ms，TF＝4ms4．插补精度和速度直线：插补分割的每个小线段与给定直线重合，没有轮廓轨迹误差圆弧：用内接弦线逼近法，误差为er为使er尽可能小，F尽可能大，则T应尽可能小。14三、CNC装置的刀具半径补偿1.刀具半径补偿发生在插补准备阶段加工程序CNC译码（刀具补偿）插补模块152.刀具半径补偿的执行过程建立刀具半径补偿：从起刀点接近工件，由G41或G42确定。在原来程序轨迹上伸长或缩短一个刀具半径。刀具半径补偿进行：维持所建立的刀补状态，直至撤消。刀具中心轨迹始终偏离编程轨迹一个刀具半径值的距离。撤消刀具半径补偿：刀具撤离工件，返回起刀点。用G40。163.刀具半径补偿计算直线刀具补偿计算（考虑推导过程）X’＝X+△XY’＝Y+△Y△X＝r.sinα△Y＝－r.cosαX’＝X+r.Y/（X2+Y2）0.5Y’＝Y－r.Y/（X2+Y2）0.5问题：当尖角过渡为内轮廓时，会出现工件的过切现象。引入C功能刀具半径补偿。174.C功能刀具半径补偿C刀补是为解决上述尖角过渡问题而设计的，专门处理两个程序段间转接的各种情况。在C刀补中，为了避免下一段加工轨迹对本段加工轨迹的影响，在计算本程序段的刀具中心轨迹时，提前将下一段程序读入，根据它们之间转换的具体情况，做出适当地处理。18转接过渡方式三种内型：伸长型缩短型插入型（加一段直线或圆弧）192.2数控装置CNC装置的硬件结构输入――决策――输出（计算机）输入――插补――伺服（数控）20功能模块式全功能型车床数控系统框图21软件功能管理功能和控制功能管理软件：加工程序的输入、I/O处理、显示软件、诊断软件控制软件：译码、刀具补偿、速度控制、插补运算、位置控制22CNC装置的工作原理G01XAYAXBYBXCYC△X1△Y1△X2△Y2译码刀具补偿插补位置控制一个脉冲当量232.3数控机床的位置检测装置1．对检测元件的要求（1）工作可靠，抗干扰能力强（2）满足精度，速度要求分辨率精度速度在线测量，对大型机床主要指标，测量速度要快。（3）使用维护方便（4）成本低242．位置检测装置的分类模拟式测量数字式测量绝对式测量增量式测量间接测量直接测量253．常用检测元件1）位置检测元件①旋转变压器与感应同步器实质是一样的，利用电磁感应，把位置检测模拟量转换为输出的模拟量，前者用在半闭环系统，后者被广泛采用的是直线型，用在闭环系统。②光栅利用莫尔条纹（光的干涉现象产生，来测位移，输入是模拟量，输出是数字脉冲）③编码盘用于半闭环，利用盘上明暗条纹组成的编码，输入模拟量，输出数字编码④磁尺2）速度检测元件—测速发电机26数控钻床1.脉冲编码器外缝隙B接至D触发器的D端，内缝隙A接到触发器的CP端。当B超前于A时，触发器Q输出为1，表示正转，而A超前于B，触发器输出Q为0，表示反转。A、B两路信号相与后，经适当的延时送入计数器。触发器的输出Q，可用来控制可逆计数器，即正转时做加法计数，反转时做减法计数。272.光栅位置检测装置光栅尺光栅2829光栅传感器由光源、透镜、光栅副（主光栅和指示光栅）和光电接收元件组成。303.旋转变压器正余弦旋转变压器结构原理图转子绕组Z1Z2、Z3Z4中所产生的电压分别为cos112UkUuZsin134UkUuZ31感应同步器的工作原理与两极式旋转变压器的工作原理一样，只要测量出的值，便可求出角，进而求得滑尺相对于定尺移动的距离x。4.感应同步器coscossin（4?15）BSmVKVKVt—的幅值mSVV定尺绕组上的感应电势为式中K——耦合系数；反映的是定尺和滑尺的相对移动的距离x，有公式表示BV322．4数控机床的进给伺服系统伺服系统的特点1.伺服系统的运动来源于偏差信号偏差：指令信号与反馈信号的比较2.伺服系统必须有负反馈回路3.伺服系统始终处于过渡过程状态4.伺服系统必须具有力（力矩）放大作用33伺服系统的基本要求位移精度要高定位精度高稳定性好动态响应快调速范围宽低速大转矩34数控机床伺服驱动系统分类1.按调节理论分开环闭环半闭环2.按使用电机分直流伺服系统交流伺服系统3.按驱动分：进给伺服系统主轴伺服系统4.按反馈比较控制方式分脉冲、数字比较伺服系统，广泛应用相位比较伺服系统，普遍应用幅值比较伺服系统全数字伺服系统35伺服系统常用的驱动元件步进电动机、直流伺服电动机、交流伺服电动机1.调速范围宽而有良好的稳定性，低速时要求速度平稳；2.负载特性硬，即使在低速时，有足够的负载能力，反应速度快；3.可频繁地起、停、换向等。362．4．2开环进给伺服系统一、工作原理：组成部分：驱动控制环节、执行元件驱动控制环节的任务：是将指令脉冲转化为执行元件所需的信号步进电机的任务：是将（处理过的指令脉冲）进给脉冲变换为转角，通过齿轮和丝杠带动工作台移动37二．特点：在工作频率范围内，每输入一个脉冲，步进电机转过一定角度为步距角控制输入脉冲的数量可以控制步进电机的转角大小，经丝杆螺母转换为工作台位移量控制输入脉冲的频率可以控制定转数的快慢，经丝杆螺母转换为工作台移动速度改变步进电机各绕组的通电顺序，可以控制它的正转与反转，从而改变工作台的移动方向当步进电机启动频率或下降频率大于步进电机突变频率是回发生是失步现象。要分别进行自动减速或加速。38三、步进电机3相步进电机57BYG350系列4相步进电机42BYGH系列YKA2304ME步进电机驱动器39反映式步进电机的性能指标步距角静态步距角误差最大静态距启动频率(突跳频率)和启动距频特性连续运行的最高工作频率和运行距频特性加减速特性40四、步进电机的驱动方式步进电机的控制方式三相三拍：（一般不采用）三相六拍：（正向）拍数＝相数X2ACACBCBABAACBA环行分配器（脉冲分配器）作用：把来自数控装置的指令脉冲（进给指令），按一定方式转换成若干路电平信号，控制步进电机的几个定子绕组（相数）的通断电。功率放大器412．4．3闭环伺服系统一、概述执行元件：直流伺服电机，交流伺服电机组成部分：驱动放大，执行元件，控制对象反馈检测单元，比较单元反馈检测单元：以固定的时间周期，将工作台的实际位置检测出来并将机械位移量转变成一个电信号。反馈给比较环节。比较单元：将反馈检测单元所输出的数字量与插补程序所输出的进给指令值比较，得到跟随误差的数字量42二、直流伺服电机工作原理:电刷和换向器的作用，转子的总磁势方向始终与定子磁势正交，两磁场的相互作用，产生了电动机的电磁转距，从而使电动机转动。2meaeaccmRcun机械特性公式432．电机定子绕组所形成的磁极永久磁铁3．电机电枢差异：电枢铁芯：光滑无槽的圆柱体，低速运行稳定电枢绕组：环氧树脂固化成型后粘结在电枢铁芯表面电枢长度：长度与外径之比在5倍以上，减少了转动惯量气隙尺寸：比一般直流电机大10倍以上，换向性良好44（1）小惯量电动机通过减小电机转动惯量，提高动态特性（2）宽调速直流伺服电机（大惯量电机）提高转距的方法来改善动态特性分两种特点：采用增加极对数和电枢导体数来提高电磁转距采用增加槽对数和换向片数，来减小电机转距的波动永磁式的定子，采用轿顽力较高的永磁材料，提高瞬时加速转距，采用高绝缘材料，提高过载能力。45通过调整开关频率（闭合时间），调整平均电压4．直流电机的调速主要是调整电枢电压au常规采用方法PWMSCR晶体管脉宽调制晶闸管（可控硅）调速au46三、交流伺服电机1．种类及特点分类进给系统中多采用永磁式同步电机主轴驱动系统中用异步型交流伺服电动机同步电机异步电机绕线式异步电机鼠笼式异步电机非电磁式电磁式472.永磁式交流同步伺服电动机工作原理定子产生旋转磁场转子将以同步转数与定子旋转磁场一起旋转snrn3．交流电机的调速正比，浪费功率，功率损耗与转差率成改变转差率工艺限制，但受电机结构和制造改变磁极对数，变频器技术复杂改变定子供电电源频率spf变频器动小）直型变频器（交流电波交动大）交型变频器（交流电波交48四、位置控制按反馈信息的检测和比较方法，可分为三种:脉冲比较伺服系统：以光电编码盘，光栅作为位置检测元件，以数字脉冲形成直接比较相位比较伺服系统:以感应式元件作为位置检测元件。幅值比较伺服系统：以旋转变压器和感应同步器作为位置检测元件49随着数控技术的不断发展，传统的主轴驱动已不满足要求，现代数控机床对主传动提出了更高的要求2．5数控