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數(shù)控機(jī)床,數(shù)控人才需求,“藍(lán)領(lǐng)層”數(shù)控技術(shù)人才：承擔(dān)數(shù)控機(jī)床的具體操作及日常簡單維護(hù)工作的技術(shù)工人?！盎翌I(lǐng)層”數(shù)控技術(shù)人才：承擔(dān)數(shù)控編程的工藝員和數(shù)控機(jī)床維護(hù)、維修人員?！敖痤I(lǐng)層”數(shù)控技術(shù)人才：具備并精通數(shù)控操作、數(shù)控工藝編程和數(shù)控機(jī)床維護(hù)、維修所需要的綜合知識，積累了大量實際經(jīng)驗，知識面廣。,數(shù)控人才知識結(jié)構(gòu),“藍(lán)領(lǐng)型”：以傳統(tǒng)的機(jī)械制造技術(shù)為基礎(chǔ)，學(xué)習(xí)，掌握“數(shù)控機(jī)床原理及應(yīng)用基礎(chǔ)”和“數(shù)控加工編程技術(shù)”，掌握“CAD/CAM”軟件。“灰領(lǐng)型”：編程工藝員，應(yīng)具有良好的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，熟悉產(chǎn)品的三維設(shè)計，產(chǎn)品的加工工藝；維修人員，以機(jī)、電、光和液（氣）控制技術(shù)為基礎(chǔ)，掌握數(shù)控機(jī)床維護(hù)與維修的技術(shù)和技能。“金領(lǐng)型”：有較扎實的專業(yè)基礎(chǔ)，較全面地掌握數(shù)控設(shè)備的相關(guān)原理與技術(shù)，具備數(shù)控設(shè)備研制與開發(fā)能力，掌握網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，有較高的外語水平。,未來數(shù)控人才需求,第一章緒論,第一節(jié)數(shù)控機(jī)床的基本組成及工作原理,一、數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生原因—社會生產(chǎn)發(fā)展（軍備競賽的產(chǎn)物）目的—解決單件、中小批量精密復(fù)雜零件的加工問題,,,二、概念：,數(shù)字控制：是指用數(shù)字信息控制機(jī)械運動。數(shù)控機(jī)床：是一種裝有程序控制系統(tǒng)（數(shù)控系統(tǒng)）的高效自動化機(jī)床。它綜合了綜合了計算機(jī)、自動控制、精密測量、機(jī)床的機(jī)構(gòu)設(shè)計與制造等方面的最新成果。數(shù)控系統(tǒng)：數(shù)控設(shè)備的數(shù)據(jù)處理和控制電路以及伺服機(jī)構(gòu)等統(tǒng)稱數(shù)控控制系統(tǒng)。它由程序輸入\輸出設(shè)備、計算機(jī)數(shù)字控制裝置、可編程控制器、主軸進(jìn)給及驅(qū)動裝置等組成。,三、計算機(jī)數(shù)控的發(fā)展,從1952年至今，數(shù)控機(jī)床按數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了五代。第一代：1955年數(shù)控系統(tǒng)以電子管組成，體積大，功耗大。第二代：1959年數(shù)控系統(tǒng)以晶體管組成，廣泛采用印刷電路板。出現(xiàn)帶自動換刀裝置的數(shù)控機(jī)床，稱為加工中心。第三代：1965年數(shù)控系統(tǒng)采用小規(guī)模集成電路，其特點是體積小，功耗低，可靠性有了提高。,1970年采用小型計算機(jī)控制的計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)（簡稱CNC），使數(shù)控裝置進(jìn)入了以小型計算機(jī)化為特征的第四代。其部分功能由軟件實現(xiàn)。1974年，研制成功使用微處理器和半導(dǎo)體存貯器的微型計算機(jī)數(shù)控裝置（簡稱MNC），這是第五代數(shù)控系統(tǒng)。使實現(xiàn)真正意義上機(jī)電一體化成為可能。,三、計算機(jī)數(shù)控的發(fā)展（續(xù)）,,四、基本結(jié)構(gòu)及工作原理,控制介質(zhì),輸入裝置,數(shù)控裝置,伺服驅(qū)動裝置,,,,,位置檢測,,數(shù)控機(jī)床的基本結(jié)構(gòu),,輔助控制裝置,,1、控制介質(zhì)控制介質(zhì)是記錄零件加工程序的媒介,2、輸入裝置,將所輸入的程序載體上的數(shù)控程序變成相應(yīng)的電脈沖信號，傳送并存入數(shù)控裝置內(nèi)。,3、數(shù)控裝置,數(shù)控裝置是接受輸入裝置送來的脈沖信號，經(jīng)過編譯、運算和邏輯處理后，輸出指令控制機(jī)床的各個部分，按程序動作的裝置。,虛線框部分統(tǒng)稱為數(shù)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對機(jī)床主機(jī)的加工控制，目前大部分采用計算機(jī)數(shù)控（即CNC）。下面簡要介紹各部分的功能。數(shù)控裝置數(shù)控裝置是數(shù)控系統(tǒng)的核心，是由硬件和軟件兩大部分組成。它接受從機(jī)床輸入裝置（軟盤、硬盤、紙帶閱讀機(jī)、磁帶機(jī)以及網(wǎng)絡(luò)或串口傳輸?shù)龋┹斎氲目刂菩盘柎a，經(jīng)過輸入、緩存、譯碼、寄存、運算、存儲等轉(zhuǎn)變成控制指令實現(xiàn)直接或通過可編程邏輯控制器（PLC）對伺服驅(qū)動系統(tǒng)的控制。,圖1-2數(shù)控裝置示意圖,4）伺服驅(qū)動/進(jìn)給裝置伺服驅(qū)動/進(jìn)給裝置是數(shù)控裝置與機(jī)床本體之間的連接環(huán)節(jié)，它是接受數(shù)控裝置插補(bǔ)生成的進(jìn)給脈沖信號，經(jīng)過信號放大后，驅(qū)動機(jī)床主機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)機(jī)床的運動進(jìn)給。伺服驅(qū)動/進(jìn)給裝置包括主軸驅(qū)動單元（主要控制主軸的速度）、進(jìn)給驅(qū)動單元（主要是進(jìn)給系統(tǒng)的速度控制和位置控制）、主軸電機(jī)和進(jìn)給電機(jī)等。目前常用的有交、直流伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)等。且交流伺服電機(jī)正逐漸取代直流伺服電機(jī)。5）測量反饋裝置測量反饋裝置是通過現(xiàn)代化的測量元件：脈沖編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、光柵、磁尺和激光等，將執(zhí)行元件（如電機(jī)、刀架等）或工作臺等的速度和位移量檢測出來，經(jīng)過相應(yīng)的電路將所測得信號反饋回伺服驅(qū)動裝置或數(shù)控裝置，構(gòu)成半閉環(huán)或全閉環(huán)系統(tǒng)，補(bǔ)償進(jìn)給電機(jī)的速度或執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運動誤差，以達(dá)到提高運動機(jī)構(gòu)精度的目的。6）機(jī)床本體機(jī)床本體就是數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)件，包括床身、箱體、立柱、導(dǎo)軌、工作臺、主軸、進(jìn)給機(jī)構(gòu)、刀具交換機(jī)構(gòu)等。此外，為保證數(shù)控機(jī)床功能的充分發(fā)揮，還有一些輔助系統(tǒng)，如冷卻、潤滑、液壓（或氣動）、排屑、防護(hù)系統(tǒng)等,第二節(jié)、數(shù)控機(jī)床的分類,1、按加工工藝分類普通數(shù)控機(jī)床：如：數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控磨床、數(shù)控鉆床等等加工中心：帶刀庫和自動換刀裝置如：車削中心、加工中心金屬成型類數(shù)控機(jī)床如：數(shù)控折彎機(jī)、數(shù)控彎管機(jī)、數(shù)控回轉(zhuǎn)頭壓力機(jī)。數(shù)控特種加工機(jī)床如：數(shù)控線切割機(jī)床、數(shù)控電火花加工機(jī)床、數(shù)控激光切割機(jī)床。其它：三坐標(biāo)測量機(jī)、機(jī)械手（工業(yè)機(jī)器人）、自動繪圖機(jī)等,2、按機(jī)床運動軌跡分類,點位控制數(shù)控機(jī)床為點到點精確定位運動，運動過程中不進(jìn)行任何加工。這類機(jī)床有數(shù)控鉆床、數(shù)控坐標(biāo)鏜床、數(shù)控沖剪床、數(shù)控測量機(jī)等。,數(shù)控鉆床點位控制示意圖,點位控制系統(tǒng)只是精確地控制刀具相對工件從一個坐標(biāo)點移動到另一個坐標(biāo)點，移動過程中不進(jìn)行任何切削加工，點與點之間移動軌跡、速度和路線決定了生產(chǎn)率的高低。為了提高加工效率，保證定位精度，系統(tǒng)采用“快速趨近，減速定位”的方法實現(xiàn)控制。這類數(shù)控機(jī)床有數(shù)控鉆床、數(shù)控鏜床和數(shù)控沖床等。,直線控制數(shù)控機(jī)床,除點到點的準(zhǔn)確位置之外，還要保證兩點之間移動的軌跡是直線，而且對移動的速度也要進(jìn)行控制，以便適應(yīng)隨工藝因素變化的不同需要。簡易數(shù)控車床、數(shù)控鏜銑床，一般有2?3個可控坐標(biāo)軸，但同時控制的坐標(biāo)軸只有一個。,數(shù)控銑床直線控制示意圖,直線控制系統(tǒng)不僅要求具有準(zhǔn)確的定位功能，而且要控制兩點之間刀具移動的軌跡是一條直線，且在移動過程中刀具能以給定的進(jìn)給速度進(jìn)行切削加工。直線控制系統(tǒng)的刀具運動軌跡一般是平行于各坐標(biāo)軸的直線；特殊情況下，如果同時驅(qū)動兩套運動部件，其合成運動的軌跡是與坐標(biāo)軸成一定夾角的斜線。這類數(shù)控機(jī)床有數(shù)控車床、數(shù)控鏜銑床等。,輪廓控制的數(shù)控機(jī)床,能夠?qū)蓚€或兩個以上運動坐標(biāo)的位移及速度進(jìn)行連續(xù)相關(guān)的控制，因而可進(jìn)行曲線或曲面的加工。,數(shù)控線切割機(jī)床加工示意圖,輪廓控制系統(tǒng)能同時控制兩個或兩個以上坐標(biāo)軸，需要進(jìn)行復(fù)雜的插補(bǔ)運算，即根據(jù)給定的運動代碼指令和進(jìn)給速度，計算刀具相對工件的運動軌跡，實現(xiàn)連續(xù)控制。這類數(shù)控機(jī)床有數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控線切割機(jī)床、數(shù)控加工中心等。,3、按驅(qū)動裝置的類型分類,開環(huán)控制數(shù)控機(jī)床,特點：結(jié)構(gòu)簡單，步進(jìn)驅(qū)動、步進(jìn)電機(jī)，無位置速度反饋,2）半閉環(huán)控制系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床,半閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床,特點：精度較高，采用交流或直流伺服驅(qū)動及伺服電機(jī)，有角位移、角速度檢測裝置，結(jié)構(gòu)緊湊,閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床,特點：精度高，采用交流或直流伺服驅(qū)動及伺服電機(jī)，有直線位移、速度檢測裝置，價格貴，調(diào)試?yán)щy,3）閉環(huán)控制系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床,混合控制數(shù)控機(jī)床,開環(huán)補(bǔ)償型半閉環(huán)補(bǔ)償型,第三節(jié)數(shù)控機(jī)床的特點及應(yīng)用范圍,數(shù)控機(jī)床特點1.復(fù)雜零件加工2.高精度3.加工穩(wěn)定可靠4.高柔性5.高生產(chǎn)率6.勞動條件好7.有利于管理現(xiàn)代化8.投資大，使用費用高9.生產(chǎn)準(zhǔn)備工作復(fù)雜10.維修困難,數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用范圍,1、多品種小批量生產(chǎn)的零件2、結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的零件3、需要頻繁改型的零件4、價值昂貴，不允許報廢的關(guān)鍵零件5、需要最短生產(chǎn)周期的急需零件,第二節(jié)數(shù)控編程常用的指令及其格式,數(shù)控程序由一系列程序段和程序塊構(gòu)成。每一程序段用于描述準(zhǔn)備功能、刀具坐標(biāo)位置、工藝參數(shù)和輔助功能等。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）對數(shù)控機(jī)床的數(shù)控程序的編碼字符和程序段格式、準(zhǔn)備功能和輔助功能等制定了若干標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。,第二節(jié)數(shù)控編程常用的指令及其格式,2.1程序的結(jié)構(gòu)與格式（1）程序的結(jié)構(gòu)程序的組成：刀具T01程序名：O2000,程序段,N01G91G17G00G42T01X85Y-25N02Z-15S400M03M08N03G01X85F300N04G03Y50I25N05G01X-75N06Y-60N07G00Z15M05M09N08G40X75Y35M02,第二節(jié)數(shù)控編程常用的指令及其格式,上面是一個完整的零件加工程序，它主要由程序名和若干程序段組成。程序名是該加工程序的標(biāo)識；程序段是一個完整的加工工步單元，它以N（程序段號）指令開頭，LF指令結(jié)尾；M02作為整個程序結(jié)束的指令，有些數(shù)控系統(tǒng)可能還規(guī)定了一個特定的程序開頭和結(jié)束的符號，如%、EM等,第二節(jié)數(shù)控編程常用的指令及其格式,由上面的程序可知：加工程序——由程序名和若干程序段有序組成的指令集。程序是由若干程序段組成程序段是由干指令字組成。指令字是由字母（地址符）和其后所帶的數(shù)字一起組成。,第二節(jié)數(shù)控編程常用的指令及其格式,（2）程序段的格式程序段的格式，是指一個程序段中指令字的排列順序和書寫規(guī)則，不同的數(shù)控系統(tǒng)往往有不同的程序段格式，格式不符合規(guī)定，數(shù)控系統(tǒng)就不能接受。目前廣泛采用的是地址符可變程序段格式（或者稱字地址程序段格式），格式：N_G_X_Y_Z_F_S_T_M_LF這種格式的特點：程序段中的每個指令字均以字母（地址符）開始，其后再跟符號和數(shù)字。指令字在程序段中的順序沒有嚴(yán)格的規(guī)定，即可以任意順序的書寫。不需要的指令字或者與上段相同的續(xù)效代碼可以省略不寫。因此，這種格式具有程序簡單、可讀性強(qiáng)，易于檢查等優(yōu)點。,程序中的信息字和程序格式,2．程序段格式程序段格式就是指信息字的特定排列方式。目前廣泛使用地址字程序段格式。例如：N001G01X70.0Z-40.0F140S300T0101M03LF,數(shù)控編程常用的指令及其格式,常用地址碼的含義如表所示,第二節(jié)數(shù)控編程常用的指令及其格式,2.2程序編制中的基本指令（1）G指令——準(zhǔn)備功能指令是使CNC機(jī)床準(zhǔn)備好某種運動方式的指令分為模態(tài)指令和非模態(tài)指令。模態(tài)指令表示在程序中一經(jīng)被應(yīng)用，直到出現(xiàn)同組其它任一G指令時才失效。否則該指令繼續(xù)有效，直到被同組指令取代為止。非模態(tài)指令只在本程序段中有效。組成：G后帶二位數(shù)字組成，從G00到G99共100種,第二節(jié)數(shù)控編程常用的指令及其格式,（2）M指令——輔助功能指令作用：用于控制CNC機(jī)床開關(guān)量，如主軸正反轉(zhuǎn)、冷卻液的開停、工件的夾緊松開等。組成：M后帶二位數(shù)字組成。（3）F指令——進(jìn)給速度指令續(xù)效代碼，一般直接指定，即F后跟的數(shù)字就是進(jìn)給速度的大小，如F100表示進(jìn)給速度為100mm/min在程序啟動第一個G01或G02或G03功能時，必須同時驅(qū)動F功能。,第二節(jié)數(shù)控編程常用的指令及其格式,（4）S指令——主軸速度功能指令S代碼后的數(shù)值為主軸轉(zhuǎn)速，要求為整數(shù)在零件加工之前一定要啟動主軸運轉(zhuǎn)（M03或M04）（5）T指令——刀具功能指令Tnn代碼用于選擇刀具庫中的刀具，nn表示刀號,地址字程序段格式的特點：,1)在程序段中功能字排列順序并不嚴(yán)格，沒有必要的功能字可以省去；2)有一些功能字屬模態(tài)指令。所謂模態(tài)指令就是由前面程序段指定的某些G功能和M、S、T功能，若本程序段仍然有效，可以省略；3)要取消模態(tài)指令功能，必須重新設(shè)定相關(guān)指令。4)對于坐標(biāo)字后面的數(shù)字只要求寫有效數(shù)字，不要求坐標(biāo)字后的數(shù)字寫滿固定位數(shù)。,第二章數(shù)控機(jī)床的程序編制,第一節(jié)程序編制的基本知識采用數(shù)控機(jī)床加工零件時，只需要將零件圖形和工藝參數(shù)、加工步驟等以數(shù)字信息的形式，編成程序代碼輸入到機(jī)床控制系統(tǒng)中，再由其進(jìn)行運算處理后轉(zhuǎn)成驅(qū)動伺服機(jī)構(gòu)的指令信號，從而控制機(jī)床各部件協(xié)調(diào)動作，自動地加工出零件來,一、程序編制的內(nèi)容,為了理解數(shù)控機(jī)床加工過程和加工程序之間的關(guān)系，首先討論在立式數(shù)控銑床上加工一個簡單工件的實例。教材圖2—1a是工件圖，要求在立式數(shù)控銑床上加工溝槽，溝槽的寬度是1Omm，深度是5mm，故選用直徑1Omm的立銑刀，刀具的位置和加工時刀具中心移動軌跡如教材圖2—1b所示，采用增量值編程方式，Z坐標(biāo)軸方向同主軸一致，主軸向上移動為Z軸的正方向，加工程序如下：,程序:,N001G91G00X18.0Y15.0；由O點移至P。點。N002S500M03；主軸正轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速500r／min。N003M08；冷卻泵起動。N004Z--27．0；由P0快速下移27mm。N005G01Z—8．0F140；140mm／min速度下移至槽底P1點。N006X160．0；由Pl點加工至P2點。N007Y46．0；由P2點加工至P3點。N008G02X—35．0Y35．0R35．0；加工順時針圓弧P3點至P4點。N009G0lX—90．0；由P4點加工至P5點。N010G03X—35．0Y—35．0R35．0；加工逆時針圓弧P5點至P6點。N011G01Y—46．0；由P6點加工至Pl點。N012G00Z35．0；由P1點快速上升至P。點。N013M09；關(guān)冷卻液。N014M05；主軸停止轉(zhuǎn)動。N015X—18．0Y—15．0；快速反回起始點。N016M02；程序結(jié)束。,根據(jù)以上實例，可以歸納出程序編制的流程圖如下：,,程序編制的一般內(nèi)容和過程,1)首先分析加工工件圖2)在編制程序前還要進(jìn)行運動軌跡坐標(biāo)值計算，這些坐標(biāo)值就是編制程序時所需要的輸人數(shù)據(jù)3)根據(jù)計算出的運動軌跡坐標(biāo)值和已確定的運動順序、刀具號、切削參數(shù)以及輔助動作等，按照數(shù)控機(jī)床規(guī)定使用的功能代碼及程序格式，逐段編寫加工程序清單4)程序清單只是程序設(shè)計的文字記錄，還必須將程序清單的內(nèi)容記錄在輸入介質(zhì)上，再輸入至數(shù)控裝置5)程序清單所制作的輸入介質(zhì)必須經(jīng)過調(diào)試和實際切削運行后，才可以使用或保存。,二、程序編制方法,1．手工編程手工編程是指編制工件加工程序的各個步驟，即從工件圖樣分析、工藝處理、確定加工路線和工藝參數(shù)、計算程序中所需的數(shù)據(jù)、編寫加工程序清單直到程序的檢驗，均由人工來完成。,二、程序編制方法,2．自動編程自動編程又稱計算機(jī)輔助編程。自動編程在自動編程系統(tǒng)上進(jìn)行，它是由一臺通用計算機(jī)配上打印機(jī)、自動穿孔機(jī)和自動繪圖機(jī)等組成，可以完成手工編程的大部分工作。,三、數(shù)字控制標(biāo)準(zhǔn)與穿孔帶代碼,為了設(shè)計、制造、維修和使用的方便，在輸入代碼、坐標(biāo)系統(tǒng)、加工指令、輔助功能及程序格式等方面逐漸形成了兩種國際通用數(shù)字控制標(biāo)準(zhǔn)。ISO(InternationalStandardOrganization)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織標(biāo)準(zhǔn)。EIA(ElectroniclndustriesAssociation)美國電子工業(yè)協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)。我國也已頒布了相關(guān)的數(shù)字控制標(biāo)準(zhǔn)JB3208—83。由于各類機(jī)床使用的代碼、指令其含意不一定完全相同，因此，編程人員還必須按照數(shù)控機(jī)床使用手冊的具體規(guī)定進(jìn)行程序編制。,ISO代碼中地址字符及其含義,3．主程序和子程序,,五、數(shù)控機(jī)床的坐標(biāo)系和運動方向的規(guī)定,標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系采用右手直角笛卡兒坐標(biāo)，規(guī)定空間直角坐標(biāo)系X、Y、Z三者的關(guān)系及其方向由右手定則判定，X、Y、Z各軸的回轉(zhuǎn)運動及其正方向+A、+B、+C分別用右手螺旋法則判定。工件固定，刀具移動時采用上面規(guī)定的法則；如果工件移動，刀具固定時，工件移動的正方向與+X、+Y、…+C相反，其正方向用帶“‘”的+Y’、+X’、…C’表示。,五、數(shù)控機(jī)床的坐標(biāo)系和運動方向的規(guī)定,,坐標(biāo)系和方向確定,在使用和判別坐標(biāo)系時，作如下規(guī)定：,1)編寫程序時，采用工件固定不動、刀具相對移動的原則編程，編程人員不需要考慮數(shù)控機(jī)床的實際運動形式；2)確定數(shù)控機(jī)床的標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系統(tǒng)時，若工件固定不動、刀具移動，坐標(biāo)系正方向字母不帶“’”；若刀具固定不動、工件移動，坐標(biāo)系正方向字母帶“’”表示；,在使用和判別坐標(biāo)系時，作如下規(guī)定：,3)數(shù)控機(jī)床各坐標(biāo)軸的確定方法如下：Z坐標(biāo)軸與傳送切削動力的主軸方向一致，使工件和刀具之間的距離增大的方向是Z坐標(biāo)軸的正方向+Z，刀具進(jìn)入工件的方向是Z坐標(biāo)的負(fù)方向。X坐標(biāo)軸一般是水平線，與工件裝夾面平行，且垂直Z坐標(biāo)軸。對于工件旋轉(zhuǎn)的機(jī)床，例如數(shù)控車床，取平行刀具移動面的工件徑向射線作為X坐標(biāo)軸，刀具離開主軸中心線方向是X坐標(biāo)軸的正方向+X。對于刀具旋轉(zhuǎn)的數(shù)控機(jī)床：當(dāng)Z坐標(biāo)軸處在水平面上時，從刀具主軸后端看工件，十X方向指向右向；當(dāng)Z坐標(biāo)軸處在垂直面上時，面對刀具主軸看立柱，+X方向指向右向。Y坐標(biāo)軸的方向可以根據(jù)Z和X方向由右手定則判別。,在使用和判別坐標(biāo)系時，作如下規(guī)定：,4)與主坐標(biāo)系平行的坐標(biāo)系稱為輔助坐標(biāo)系，分別用U、v、w表示，如果還有第二輔助坐標(biāo)系，則用P、Q、R表示。工藝與編程人員在編程時只考慮不帶“”’的運動，即在編寫程序時采用工件固定不動、刀具相對移動的原則編寫程序；機(jī)床設(shè)計者在設(shè)計時還要考慮帶”’“的運動。,數(shù)控車床坐標(biāo)系,,數(shù)控銑床坐標(biāo)系,,數(shù)控鏜銑床坐標(biāo)系,,CNC系統(tǒng)軟件可分為管理軟件和控制軟件兩部分。管理軟件包括零件程序的輸入、輸出、顯示、診斷和通信功能軟件；控制軟件包括譯碼、刀具補(bǔ)償、速度處理、插補(bǔ)運算和位置控制等功能軟件。下面是幾個主要程序。1、輸入程序CNC系統(tǒng)中零件的加工程序,一般是通過鍵盤、磁盤等方式輸入的。,2、譯碼程序輸入的零件加工程序，在計算機(jī)插補(bǔ)運算與操作控制之前，必須翻譯成計算機(jī)內(nèi)部所能識別的語言。譯碼程序的功能就是把程序段中的各個數(shù)據(jù)，根據(jù)其前后的文字地址送到相應(yīng)的緩沖寄存器中。3、數(shù)據(jù)處理程序數(shù)據(jù)處理程序有三個任務(wù)，即刀具半徑補(bǔ)償、速度計算以及輔助功能的處理等。4、插補(bǔ)計算程序插補(bǔ)計算是CNC系統(tǒng)中最重要的計算工作之一，是在理想的軌跡或輪廓上的已知點之間確定一些中間點的計算。5、伺服（位置）控制程序伺服（位置）控制程序的主要功能是對插補(bǔ)值進(jìn)行處理，計算出位置的指令值，同時讀一次實際的反饋值，然后計算出指令值與反饋值之間的差值（稱為位置跟隨誤差），在經(jīng)過換算得到速度指令值。6、輸出程序輸出程序的主要功能如下：1）伺服控制2）反向間隙補(bǔ)償3）絲杠的螺距誤差補(bǔ)償4）M、S、T輔助功能的輸出7、管理程序,7、管理程序管理程序是實現(xiàn)計算機(jī)數(shù)控裝置協(xié)調(diào)工作的主體軟件。8、診斷程序,計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)由硬件和軟件兩大部分組成。硬件和軟件兩者缺一不可，硬件為軟件的運行提供了支持環(huán)境；沒有軟件，硬件便無法工作。硬件處理速度快，但造價高，線路復(fù)雜，故障率也高；軟件設(shè)計靈活，適應(yīng)性強(qiáng)，但處理速度慢。因此在系統(tǒng)中，軟、硬件的分工是由性能價格比決定的?，F(xiàn)代CNC系統(tǒng)中，軟件和硬件的界面關(guān)系是不確定的。,2.3數(shù)控系統(tǒng)插補(bǔ)原理與計算,2.3.1插補(bǔ)的基本概念,數(shù)控系統(tǒng)的主要任務(wù)之一是控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)按預(yù)定的軌跡運動。一般已知運動軌跡的起點坐標(biāo)、終點坐標(biāo)和軌跡的曲線方程，由數(shù)控系統(tǒng)計算出各個中間點的坐標(biāo)，“插補(bǔ)”、“補(bǔ)上”運動軌跡中間點的坐標(biāo)值，通常把這個過程稱為“插補(bǔ)”。換言之，就是沿著規(guī)定的輪廓，在輪廓的起點和終點之間按一定的算法進(jìn)行數(shù)據(jù)點的密化。插補(bǔ)結(jié)果輸出運動軌跡中間點的坐標(biāo)值，機(jī)床伺復(fù)系統(tǒng)根據(jù)此坐標(biāo)值控制各坐標(biāo)軸協(xié)調(diào)運動，走出預(yù)定軌跡。需要指出的是刀具的運動軌跡是折線，而不是光滑曲線。刀具不能嚴(yán)格地沿著要求的曲線運動，只能沿折線逼近所要加工的曲線。,2.3.2常用插補(bǔ)方法,1、基準(zhǔn)脈沖插補(bǔ)法在插補(bǔ)過程中不斷地向各個坐標(biāo)軸發(fā)出進(jìn)給脈沖，驅(qū)動各坐標(biāo)軸的伺服電動機(jī)轉(zhuǎn)動。每發(fā)出一個脈沖，工作臺就移動一個基本長度單位，即脈沖當(dāng)量。脈沖當(dāng)量的大小決定了加工精度，發(fā)送給各坐標(biāo)軸的脈沖數(shù)目決定了相對運動距離，而脈沖的頻率代表了坐標(biāo)軸的速度?；久}沖插補(bǔ)的實現(xiàn)方法比較簡單，既可以用硬件來實現(xiàn)，也可以用軟件來實現(xiàn)。基準(zhǔn)脈沖插補(bǔ)有多種方法，最常見的是逐點比較插值法和數(shù)字積分插補(bǔ)法。適用開環(huán)系統(tǒng)。,2.3.3逐點比較插補(bǔ)法,2、數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)法數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)法是軟件插補(bǔ)法，用于閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，其輸出的結(jié)果不是脈沖，而是數(shù)據(jù)。計算機(jī)定時地對反饋回路采樣，得到的采樣數(shù)據(jù)與插補(bǔ)產(chǎn)生的指令數(shù)據(jù)相比較，用誤差信號驅(qū)動伺服電動機(jī)。采樣周期各系統(tǒng)不盡相同，一般10毫秒左右。采樣周期太短計算機(jī)來不及處理，太長會損失信息影響伺服精度。這種方法所產(chǎn)生的最大速度不受計算機(jī)最大運算速度的限制，但插補(bǔ)程序比較復(fù)雜。適用半閉環(huán)或閉環(huán)系統(tǒng)。,所謂逐點比較插補(bǔ)法，就是每進(jìn)給一步都要將加工點的瞬時坐標(biāo)與規(guī)定的軌跡相比較，判斷其偏差，然后決定下一步的進(jìn)給方向。一、逐點比較法直線插補(bǔ),第三章數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng),,,3.1.1伺服系統(tǒng)的組成,數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)是以機(jī)床移動部件的位置和速度為控制量的系統(tǒng)，又稱隨動系統(tǒng)，簡稱伺服系統(tǒng)。它接收插補(bǔ)生成的指令，并將其變換為機(jī)床工作臺的位移。伺服系統(tǒng)作為數(shù)控機(jī)床的重要組成部分，其本身的性能直接影響著整個數(shù)控系統(tǒng)的精度和速度等技術(shù)指標(biāo)。按有無檢測反饋裝置，伺服系統(tǒng)可分為開環(huán)和閉環(huán)兩大類；按檢測元件安裝的位置和檢測方式的不同，閉環(huán)系統(tǒng)又可分為半閉環(huán)系統(tǒng)和全閉環(huán)系統(tǒng)。1、開環(huán)控制系統(tǒng),上圖所示為一開環(huán)控制系統(tǒng)原理圖。它主要由驅(qū)動電路和執(zhí)行元件兩部分組成。驅(qū)動電路的作用是將指令脈沖信號轉(zhuǎn)換為執(zhí)行元件所需的信號，并滿足執(zhí)行元件的工作特性要求。執(zhí)行元件的作用是將驅(qū)動電路輸出的電信號轉(zhuǎn)換成位移信號，帶動機(jī)床工作臺移動。開環(huán)控制系統(tǒng)中常用的執(zhí)行元件為步進(jìn)電動機(jī)，它將指令脈沖變換為機(jī)械轉(zhuǎn)動角，在經(jīng)過齒輪副和絲杠螺母帶動機(jī)床工作臺移動。開環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本較低。但系統(tǒng)對移動部件的實際位移量不進(jìn)行檢測，也不能進(jìn)行誤差校正，因此其精度較低。2、閉環(huán)系統(tǒng),上圖所示為一閉環(huán)控制系統(tǒng)原理圖。它主要由位置檢測器、比較線路、伺服放大線路和執(zhí)行元件四大部分組成。位置檢測器的作用是檢測工作臺的實際位置并轉(zhuǎn)換成電信號反饋給比較線路；比較線路的作用是將指令信號和反饋信號進(jìn)行比較，把兩者的差值作為伺服系統(tǒng)的跟隨誤差經(jīng)伺服放大線路和執(zhí)行元件帶動工作臺移動，直至跟隨誤差為零；伺服放大線路的作用是將比較環(huán)節(jié)輸出的信號進(jìn)行整形、濾波、電壓放大和功率放大，然后驅(qū)動執(zhí)行元件帶動工作臺移動；閉環(huán)控制系統(tǒng)的執(zhí)行元件為伺服電動機(jī)，其作用是根據(jù)來自比較環(huán)節(jié)的跟隨誤差信號，將表示位移量的電信號轉(zhuǎn)化成為機(jī)械位移。閉環(huán)控制系統(tǒng)是位置反饋控制，位置檢測元件的精度很高，系統(tǒng)傳動鏈的誤差、環(huán)內(nèi)各元件的誤差及運動中造成的誤差，均可以得到補(bǔ)償，因此系統(tǒng)的精度較高。該系統(tǒng)主要用于高精度或大型數(shù)控機(jī)床。全閉環(huán)控制系統(tǒng)是在機(jī)床工作臺上安裝位置檢測元件，檢測工作臺的直線位移，要求檢測元件的測量范圍與工作臺移動范圍相等。而制造較長的位置檢測元件比較困難，價格高且安裝調(diào)整都比較復(fù)雜。相比之下，測量轉(zhuǎn)角要容易得多。因此大部分?jǐn)?shù)控機(jī)床是將位置位置檢測元件安裝在伺服電動機(jī)軸或數(shù)控機(jī)床的傳動絲杠上，這就是所謂的半閉環(huán)控制系統(tǒng)。由于絲杠和工作臺存在的傳動誤差得不到補(bǔ)償，所以半閉環(huán)控制系統(tǒng)要比閉環(huán)控制系統(tǒng)的精度低。,3.1.2數(shù)控機(jī)床對伺服系統(tǒng)的要求,伺服系統(tǒng)作為數(shù)控系統(tǒng)的執(zhí)行裝置，其性能直接影響機(jī)床的加工特性、生產(chǎn)率和加工精度。因此數(shù)控機(jī)床對伺服系統(tǒng)有如下要求：1、精度高。滿足數(shù)控加工精度的要求，關(guān)鍵是保證數(shù)控機(jī)床的定位精度和進(jìn)給跟蹤精度，也是伺服系統(tǒng)靜態(tài)特性與動態(tài)特性的具體表現(xiàn)。2、響應(yīng)快。為了提高生產(chǎn)率和保證加工質(zhì)量，對伺服系統(tǒng)的動態(tài)性能提出兩方面的要求。一方面在頻繁地啟動、制動、加減速等動態(tài)過程中，要求縮短伺服系統(tǒng)的過度時間，減小輪廓過渡誤差。另一方面，當(dāng)負(fù)載突變時，過渡恢復(fù)時間要求短且無振蕩，才能得到光滑的加工表面。3、調(diào)速范圍寬。為適應(yīng)不同的加工條件，要求進(jìn)給速度能在很寬的范圍內(nèi)變化。而且在低速時，電動機(jī)能平穩(wěn)運行，輸出較大的轉(zhuǎn)矩，滿足低速進(jìn)給切削的要求。,3.2步進(jìn)電動機(jī)控制系統(tǒng),3.2.1步進(jìn)電動機(jī)的工作原理,在開環(huán)伺服系統(tǒng)中，一般采用步進(jìn)電動機(jī)作為執(zhí)行元件，而在閉環(huán)和半閉環(huán)系統(tǒng)中，目前大都采用直流或交流伺服電動機(jī)作為執(zhí)行元件。步進(jìn)電機(jī)是一種能將數(shù)控裝置輸入的進(jìn)給脈沖轉(zhuǎn)化成角位移的特殊電機(jī)，每接受一個進(jìn)給脈沖步進(jìn)電機(jī)就走一步，轉(zhuǎn)過一定的角度。這個角度稱為步距角，用α表示。只要控制輸入脈沖的數(shù)量，便可控制步進(jìn)電機(jī)位移量大小。而控制輸入脈沖的頻率，便可控制步進(jìn)電機(jī)的速度。以反應(yīng)式功率步進(jìn)電機(jī)為例講解其動作原理。所謂反應(yīng)式就是電機(jī)轉(zhuǎn)子上無繞組，步進(jìn)運行靠定子繞組通入激磁電流產(chǎn)生反應(yīng)力矩而實現(xiàn)的。此種通電方式在A相斷電B相尚未接通時轉(zhuǎn)子齒不受磁場控制，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動不平穩(wěn)。在電機(jī)的定子上有三相繞組，故稱三相步進(jìn)電機(jī)。,首先,向A相繞組通以直流電時，A相產(chǎn)生磁場，吸引在A相附近的1、3齒與A相對齊，電機(jī)轉(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn)30后停止。然后A相斷電，B相通電。則A相磁場消失，而B相產(chǎn)生磁場，此時，在B相磁場的作用下又吸引了最靠近B相的2、4齒。2、4齒與B相對齊，轉(zhuǎn)子又逆時針方向旋轉(zhuǎn)30后停止。按A→B→C→A→B…的順序連續(xù)通電，則步進(jìn)電機(jī)一步一步地沿逆時針方向不停地旋轉(zhuǎn)。這種通電方式稱為三拍控制。即三相三拍反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。若步進(jìn)電機(jī)按A→C→B→A→C→B→A…的順序通電，則電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)。,此種通電方式在A相斷電B相尚未接通時，轉(zhuǎn)子齒不受磁場控制，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動不平穩(wěn)。如果把通電方式改為A相通電后，再A–B兩相同時通電.則定子附近轉(zhuǎn)子上的1-4齒,同時受到A﹑B兩相磁極的吸引，1-4齒將位于A﹑B兩相磁極之間。當(dāng)以A→AB→B→BC→C→CA→A的順序通電，步進(jìn)電機(jī)每接受一個脈沖逆時針方向旋轉(zhuǎn)15，這種通電方式稱為六拍控制方式。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)定轉(zhuǎn)子齒數(shù)不變,控制方式改變時,步距角可以減小一半。這種通電方式的特點是它在整個通電過程中,始終有一相處于通電狀態(tài),轉(zhuǎn)子齒始終有磁場吸引。,3.2.2步進(jìn)電動機(jī)的主要特性,1、步距角和步距誤差：轉(zhuǎn)子每步轉(zhuǎn)過的空間機(jī)械角度，即步距角β為β=360/Z*N其中Z-轉(zhuǎn)子齒數(shù)，N-運行拍數(shù)。步進(jìn)電機(jī)每走一步，轉(zhuǎn)子實際的角位移與設(shè)計的步距角存在有步距誤差。連續(xù)走若干步時，上述誤差形成累積值。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一圈后，回至上一轉(zhuǎn)的穩(wěn)定位置，因此步進(jìn)電機(jī)步距的誤差不會長期積累。步進(jìn)電機(jī)步距的積累誤差，是指一轉(zhuǎn)范圍內(nèi)步距積累誤差的最大值，步距誤差和積累誤差通常用度、分或者步距角的百分比表示。影響步距誤差和積累誤差的主要因素有:齒與磁極的分度精度；鐵心迭壓及裝配精度；各相矩角特性之間差別的大?。粴庀兜牟痪鶆虺潭鹊?。2、啟動頻率啟動頻率是步進(jìn)電動機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)不失步地啟動到穩(wěn)定速度，所允許的最高輸入脈沖頻率。一般均采用較低的啟動頻率啟動步進(jìn)電動機(jī)，然后再逐漸升高脈沖頻率，最后達(dá)到所要求的工作頻率。,3、步進(jìn)電機(jī)矩頻特性：矩頻特性是用來描述步進(jìn)電機(jī)連續(xù)穩(wěn)定運行時輸出轉(zhuǎn)矩與連續(xù)運行頻率之間的關(guān)系曲線。矩頻特性曲線上每一頻率所對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩稱為動態(tài)轉(zhuǎn)矩。動態(tài)轉(zhuǎn)矩除了和步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)及材料有關(guān)外，還與步進(jìn)電機(jī)繞組連接、驅(qū)動電路、驅(qū)動電壓有密切的關(guān)系。下圖是混合式步進(jìn)電機(jī)連續(xù)運行時的典型的矩頻特性曲線。,4、工作頻率：步進(jìn)電動機(jī)能保持正常工作的最高頻率，稱為工作頻率,3.2.3步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動電路,由步進(jìn)電動機(jī)的工作原理可知，使定子繞組按順序通電，并具有一定功率的電脈沖信號，才能使其正常運轉(zhuǎn)。步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動電路承擔(dān)此項任務(wù)。驅(qū)動電路通常由環(huán)形分配器和功率放大器組成。1、環(huán)形分配器環(huán)形分配器的作用是把來自數(shù)控系統(tǒng)的一系列指令脈沖，按一定的規(guī)律依次分配給各相功率放大器，使相應(yīng)的勵磁繞組通電或斷電，以實現(xiàn)步進(jìn)電動機(jī)按確定的工作方式工作。實現(xiàn)脈沖環(huán)形分配有硬件和軟件兩種方法。1）硬件脈沖環(huán)形分配器硬件脈沖環(huán)形分配器是由門電路和觸發(fā)器組成的邏輯電路，通常把它做成專用的集成電路芯片。2）軟件脈沖環(huán)形分配器步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動裝置中沒有環(huán)形分配器，脈沖分配由計算機(jī)軟件完成，即數(shù)控裝置直接控制步進(jìn)電動機(jī)各繞組的通斷電。2、功率放大器功率放大器的作用是將環(huán)形分配器或計算機(jī)輸出的電流，放大至幾安培或幾十安培，送至步進(jìn)電動機(jī)的各繞組。,3.3直流伺服電動機(jī)控制系統(tǒng),3.3.1直流伺服電動機(jī)的工作原理,直流伺服電動機(jī)由固定磁極（定子）、電樞（轉(zhuǎn)子）、電刷和換向片等組成。由于電刷和換向片的作用，電樞繞組中任何一根導(dǎo)體，只要一轉(zhuǎn)過中心線，導(dǎo)體內(nèi)的電流必定反向，使磁極N、S下的導(dǎo)體內(nèi)的電流方向始終如一，電流切割磁場，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T由下式確定：T=ktIa式中kt——轉(zhuǎn)矩系數(shù)；Ia——電樞電流。,直流伺服電動機(jī)具有調(diào)速特性好、啟動力矩較大等優(yōu)點，尤其是調(diào)速特性為一般交流電動機(jī)所不及，因此在數(shù)控機(jī)床上得到了廣泛的應(yīng)用。,3.3.2直流伺服電動機(jī)的調(diào)速方法,由電工知識可知，電動機(jī)電樞回路的電壓平衡方程式為：Ua=Ea+IaRa式中：Ua——電樞電壓；Ea——電樞繞組的感應(yīng)電動勢；Ra——電樞回路總電阻。電樞繞組的感應(yīng)電動勢：Ea=keΦn式中：ke——電動勢常數(shù)；Φ——磁通量；n——電動機(jī)轉(zhuǎn)速。由以上各式即可求得直流伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)速公式：n=Ua/（Φn）-RaT/（kektΦ）上式表明了直流伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，此關(guān)系稱為機(jī)械特性。當(dāng)轉(zhuǎn)矩T一定時，轉(zhuǎn)速n是電樞電壓Ua和磁通Φ的函數(shù)。它表明了電動機(jī)的控制特性，就是說，改變Ua或Φ都可以達(dá)到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速n的目的。通過調(diào)節(jié)電樞電壓來控制轉(zhuǎn)速的方法叫“電樞控制”；通過調(diào)節(jié)磁通來控制轉(zhuǎn)速的方法叫“磁場控制”。前者，轉(zhuǎn)速和電樞電壓之間是線性關(guān)系，而后者轉(zhuǎn)速和電樞電壓之間是非線性關(guān)系。因此，在伺服系統(tǒng)中多采用“電樞控制”。,3.3.3直流伺服電動機(jī)的應(yīng)用特點,數(shù)控機(jī)床大多采用永磁直流伺服電動機(jī)，其定子磁極是永磁體。按電樞慣量可分為小慣量和大慣量電動機(jī)兩大類。1、小慣量直流伺服電動機(jī)小慣量直流伺服電動機(jī)的主要特征是電動機(jī)的轉(zhuǎn)子細(xì)而長，慣性小，響應(yīng)快，適用于頻繁啟動與制動，要求有快速響應(yīng)的場合，但由于它過載能力低，自身慣量比機(jī)床相應(yīng)運動部件的慣量小得多，因此限制了它的廣泛應(yīng)用。2、大慣量直流伺服電動機(jī)大慣量直流伺服電動機(jī)又稱寬調(diào)速直流伺服電動機(jī)，利用提高轉(zhuǎn)矩的方法來改善調(diào)速性能，故在閉環(huán)伺服系統(tǒng)中應(yīng)用更廣泛。其主要特點如下：1）能承受的峰值電流和過載能力高。2）具有大的力矩與慣量比。3）低速時輸出力矩大。4）調(diào)速范圍寬。5）轉(zhuǎn)子熱容量大。,3.4交流伺服電動機(jī)控制系統(tǒng),3.4.1交流伺服電動機(jī)的工作原理,當(dāng)交流伺服電動機(jī)定子的三相繞組接通交流電時，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，該磁場以轉(zhuǎn)速ns旋轉(zhuǎn)。根據(jù)異性磁極相互吸引的道理，定子磁極緊緊吸引轉(zhuǎn)子的永久磁極，使其以同步轉(zhuǎn)速n（=ns）與旋轉(zhuǎn)磁場一起旋轉(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)子加上負(fù)載轉(zhuǎn)矩以后，轉(zhuǎn)子磁極軸線將落后定子磁極軸線一個θ角，隨著負(fù)載增加，θ角也隨之增大，負(fù)載減小時，θ角也減小，只要不超過限度，轉(zhuǎn)子始終跟著定子的旋轉(zhuǎn)磁場以恒定的同步轉(zhuǎn)速ns旋轉(zhuǎn)。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩超過一定的限度時，電動機(jī)就會“失步”，即不再按同步轉(zhuǎn)速運行甚至停轉(zhuǎn)。這一最大限度的轉(zhuǎn)矩稱為最大同步轉(zhuǎn)矩。因此，使用永磁式同步電動機(jī)時，負(fù)載轉(zhuǎn)矩不能大于最大同步轉(zhuǎn)速。,近年來交流調(diào)速有了飛速的發(fā)展，它克服了直流伺服電動機(jī)結(jié)構(gòu)上存在機(jī)械整流子、電刷維護(hù)困難、造價高、壽命短、應(yīng)用環(huán)境受到限制等缺點，同時又堅固耐用、經(jīng)濟(jì)可靠及動態(tài)響應(yīng)好等優(yōu)點。交流伺服電動機(jī)分為同步伺服電動機(jī)和異步伺服電動機(jī)兩大類。同步交流伺服電動機(jī)由變頻電源供電時，可方便地獲得與頻率成正比的可變轉(zhuǎn)速，得到非常硬的機(jī)械特性及較寬的調(diào)速范圍。所以在數(shù)控伺服系統(tǒng)中多采用永磁式交流同步伺服電動機(jī)。,3.4.2交流伺服電動機(jī)的調(diào)速方法,如前所述，當(dāng)同步電動機(jī)的定子繞組接通交流電源時，產(chǎn)生一定轉(zhuǎn)速的旋轉(zhuǎn)磁場，吸引永磁式轉(zhuǎn)子磁極同步旋轉(zhuǎn)，只要負(fù)載在允許的范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)子就會與磁場同步旋轉(zhuǎn)。同步電機(jī)也因此而得名。永磁式同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n為n=60f/p式中：f——電源的頻率；p——磁極對數(shù)?？梢?，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速只決定于電源的頻率和電機(jī)的磁極對數(shù)，與負(fù)載的大小無關(guān)。為實現(xiàn)交流伺服電動機(jī)的速度控制，需改變交流伺服電動機(jī)的供電頻率。因此變頻器是永磁式交流伺服電動機(jī)速度控制的一個關(guān)鍵部件。,3.4.3SPWM變頻控制器,SPWM變頻控制器是用脈沖寬度不等的一系列矩形脈沖逼近正弦波電壓或電流信號。中間脈沖寬而兩邊脈沖窄，各個脈沖的面積和與正弦波下的面積成正比，脈寬基本上按正弦分布。這種方法是一種最基本也是應(yīng)用最廣泛的調(diào)制方法。,3.5位置控制系統(tǒng),3.5.1脈沖比較伺服系統(tǒng),在進(jìn)給伺服系統(tǒng)中，脈沖比較伺服系統(tǒng)應(yīng)用比較普遍。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡單，易于實現(xiàn)數(shù)字化的閉環(huán)位置控制。目前，脈沖比較伺服系統(tǒng)普遍采用光電編碼器作為位置檢測元件，以半閉環(huán)形式構(gòu)成伺服系統(tǒng)。1、脈沖比較伺服系統(tǒng)的組成下圖所示是以光電編碼器作為位置檢測元件的脈沖比較伺服系統(tǒng)。它主要由比較器、D/A轉(zhuǎn)換器、位置檢測元件和執(zhí)行元件（伺服電動機(jī)）組成。1）比較器完成指令信號與反饋信號的比較。2）D/A轉(zhuǎn)換器將比較器輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)變成伺服電動機(jī)模擬控制信號。3）位置檢測元件將絲杠的轉(zhuǎn)角檢測出來并反饋給伺服系統(tǒng)。4）執(zhí)行元件根據(jù)比較器輸出的跟隨誤差信號，將表示位移量的電信號轉(zhuǎn)化為機(jī)械位移。,按有無檢測反饋裝置，伺服系統(tǒng)可分為開環(huán)和閉環(huán)兩大類；若按工作原理來分，閉環(huán)控制系統(tǒng)又可分為脈沖比較伺服系統(tǒng)、相位比較伺服系統(tǒng)和副值比較伺服系統(tǒng)。,2、脈沖比較伺服系統(tǒng)的工作原理脈沖比較伺服系統(tǒng)中，光電編碼器與伺服電動機(jī)軸連接，隨著電動機(jī)的轉(zhuǎn)動產(chǎn)生位置位置反饋脈沖系列輸出，脈沖的頻率將隨著轉(zhuǎn)速的快慢而升降。設(shè)工作臺處于靜止?fàn)顟B(tài)，指令脈沖F=0，反饋脈沖Pt也為零，兩脈沖信號進(jìn)入比較，得位置偏差e=F-Pt=0，則伺服電動機(jī)速度控制信號為零，工作臺繼續(xù)保持靜止不動；隨著指令脈沖的輸出，F(xiàn)≠0，在工作臺尚未移動之前，反饋脈沖Pt仍然為零，經(jīng)比較后的位置偏差e≠0。設(shè)F為正，則e=F-Pt＞0，偏差e經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換變成模擬電壓，控制伺服電動機(jī)驅(qū)動工作臺正向進(jìn)給；隨著電動機(jī)的運轉(zhuǎn)，光電編碼器的反饋脈沖Pt變成零狀態(tài)，如e=F-Pt≠0，繼續(xù)運動，不斷反,3.5.2相位比較伺服系統(tǒng),相位比較伺服系統(tǒng)是采用相位比較方法實現(xiàn)位置閉環(huán)控制的伺服系統(tǒng)，是高性能數(shù)控機(jī)床所使用的一種伺服系統(tǒng)。它工作可靠，抗干擾能力強(qiáng)，精度高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)試也較困難。相位比較伺服系統(tǒng)常使用感應(yīng)同步器和旋轉(zhuǎn)變壓器作為檢測元件，并以相位方式工作。1、相位比較伺服系統(tǒng)的組成下圖所示是采用感應(yīng)同步器作為位置檢測元件的相位比較伺服系統(tǒng)。它主要由基準(zhǔn)信號發(fā)生器、脈沖調(diào)相器、鑒相器、伺服放大器、檢測元件和執(zhí)行元件等組成。1）基準(zhǔn)脈沖發(fā)生器輸出一系列具有一定頻率的脈沖信號，為伺服系統(tǒng)提供一個相位比較的基準(zhǔn)。2）脈沖調(diào)相器將數(shù)控裝置的進(jìn)給脈沖信號轉(zhuǎn)換為相位變化信號。3）鑒相器將指令信號和反饋信號進(jìn)行比較，輸出與相位差成正比的電壓信號。4）伺服放大器將鑒相器輸出的電壓信號進(jìn)行功率和電壓放大。5）檢測元件將工作臺的位移檢測出來并反饋給伺服系統(tǒng)。6）執(zhí)行元件實現(xiàn)電信號和機(jī)械位移的轉(zhuǎn)換。,饋，直到e=F-Pt＝0，工作臺停在指令規(guī)定的位置上；若指令的脈沖F為負(fù)，控制過程與F為正類似，此時位置偏差e＜0，工作臺反向進(jìn)給。,2、相位比較伺服系統(tǒng)的工作原理當(dāng)數(shù)控裝置要求工作臺沿某一方向進(jìn)給時，插補(bǔ)器或插補(bǔ)軟件便產(chǎn)生一系列進(jìn)給脈沖送入伺服系統(tǒng)。其數(shù)量代表工作臺的指令進(jìn)給量，其頻率代表工作臺的進(jìn)給速度，其方向代表工作臺的進(jìn)給方向。在伺服系統(tǒng)中，指令脈沖F經(jīng)脈沖調(diào)相器轉(zhuǎn)換為指令相位信號F1（θ），而感應(yīng)同步器為相位工作方式，定尺的位置檢測信號經(jīng)整形后得到位置反饋信號F2（θ），F(xiàn)1（θ）和F2（θ）是兩個同頻率的脈沖信號，它們的相位差反映了指令位置和實際位置的偏差。,3.5.3幅值比較伺服系統(tǒng),幅值比較伺服系統(tǒng)是以位置檢測信號的幅值變化來反映機(jī)械位移的大小，并以此作為位置反饋信號與指令信號進(jìn)行比較的閉環(huán)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的特點之一是所有位置檢測元件都以幅值工作方式工作。幅值比較伺服系統(tǒng)常用感應(yīng)同步器和旋轉(zhuǎn)變壓器作為位置檢測元件。其控制原理與相位比較伺服系統(tǒng)相似。1、幅值比較伺服系統(tǒng)的組成下圖所示是采用感應(yīng)同步器作為位置檢測元件的幅值比較伺服系統(tǒng)。它主要由比較器、D/A轉(zhuǎn)換器、伺服放大器、檢測元件、鑒幅器、電壓/頻率變換器和執(zhí)行元件等組成。,比較器、D/A轉(zhuǎn)換器、伺服放大器、檢測元件和執(zhí)行元件的作用與相位比較伺服系統(tǒng)中各相應(yīng)部件的作用相同。鑒幅器的作用是將感應(yīng)同步器的定尺輸出信號，轉(zhuǎn)換成方向與工作臺移動方向相對應(yīng)，幅值與工作臺位移成正比的直流電壓信號；電壓/頻率變換器的作用是將鑒幅器輸出的直流電壓信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字脈沖。2、幅值比較伺服系統(tǒng)的工作原理當(dāng)給感應(yīng)同步器滑尺上正弦繞組和余弦繞組分別輸入頻率相同、幅值成正交關(guān)系的勵磁信號時，定尺上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓為：Ud=KUmsin(ωt)sin(θ1-θ)式中：K——電磁耦合系數(shù)；Um——勵磁信號電壓幅值；θ1——定尺繞組和滑尺繞組的相對位移角；θ——勵磁信號的電氣角；ω——正弦交變勵磁信號的角頻率。由上式可知，當(dāng)θ1≠θ時，定尺繞組的感應(yīng)電壓Ud≠0。應(yīng)用這一原理，可測量定尺和滑尺之間移動的位移角θ1。即改變勵磁信號電氣角θ的設(shè)定值，然后測量Ud的大小。當(dāng)設(shè)定值θ變化到使Ud=0，即θ1=θ時，通過設(shè)定值θ就可獲得定尺和滑尺間的位移角θ1的實際值。所以在幅值比較伺服系統(tǒng)中，要獲得θ1和θ之間的關(guān)系，只須檢測定尺繞組的感應(yīng)電壓即可，這項工作由鑒幅器來完成。,3.6位置檢測裝置,3.6.1概述,1、位置檢測裝置的作用數(shù)控機(jī)床的位置檢測裝置通常安裝在機(jī)床的工作臺或絲杠上，不斷地將工作臺的位移量或絲杠的轉(zhuǎn)角檢測出來并反饋給控制系統(tǒng)。事實證明，閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的加工精度主要由位置檢測裝置的精度決定，而檢測裝置的精度是通過分辨率來體現(xiàn)的。分辨率為位置檢測裝置所能檢測到的最小位移單位，分辨率越小，說明檢測精度越高。所以，精度要求較高的數(shù)控機(jī)床，必須精心選擇檢測裝置。2、對位置檢測裝置的要求1）工作可靠，抗干擾性強(qiáng)。2）能滿足精度和速度的要求。3）使用維護(hù)方便，適應(yīng)機(jī)床的工作環(huán)境。4）成本低，壽命長。5）便于與數(shù)控系統(tǒng)相連。不同類型的數(shù)控機(jī)床對檢測裝置的精度和速度有不同的要求。一般情況下，選擇測量系統(tǒng)的分辨率或脈沖當(dāng)量，要求比加工精度高一個數(shù)量級。3、位置檢測裝置的測量方式,1）直接測量和間接測量所謂直接測量就是用直線式檢測裝置測量工作臺的實際位移量。典型的直線式檢測裝置有光柵、感應(yīng)同步器和磁柵等。若采用回轉(zhuǎn)式檢測裝置，則先測量出驅(qū)動電動機(jī)或絲杠的旋轉(zhuǎn)角度，再通過角位移與直線位移的關(guān)系求出工作臺的直線位移量，該測量方式稱為間接測量。典型的回轉(zhuǎn)式檢測裝置有光電編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器等。2）數(shù)字式測量和模擬式測量數(shù)字式測量是以量化后的數(shù)字形式表示被測量。典型的檢測裝置有光電編碼器和光柵等。模擬式測量是以模擬量表示被測量。由于模擬量需經(jīng)轉(zhuǎn)換后才能被計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)接受，所以目前在計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)中應(yīng)用很少。3）增量式測量和絕對式測量增量式測量的特點是只測位移增量，即工作臺每移動一個長度單位，檢測裝置就發(fā)出一個測量信號，此信號通常是脈沖形式，通過對脈沖記數(shù)得到位移量。這種檢測裝置結(jié)構(gòu)比較簡單，但如果記數(shù)有誤，后面的測量結(jié)果就會發(fā)生錯誤，即使排除了故障，也不能找到原來的正確位置。絕對式測量的特點是被測的任一點的位置都從固定的零點算起，測出的是絕對位移量。,