機(jī)床數(shù)控技術(shù)第3章

1、第三章數(shù)控機(jī)床的控制伺服系統(tǒng)第三章數(shù)控機(jī)床的控制伺服系統(tǒng)第一節(jié)第一節(jié) 概述概述第二節(jié)第二節(jié) CNC 系統(tǒng)系統(tǒng)第三節(jié)第三節(jié) 數(shù)控機(jī)床的檢測裝置數(shù)控機(jī)床的檢測裝置第四節(jié)第四節(jié) 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)第五節(jié)第五節(jié) 位置控制位置控制第一節(jié)第一節(jié) 概述概述l計算機(jī)數(shù)字控制（計算機(jī)數(shù)字控制（CNC）系統(tǒng)主要由硬件和軟件兩部分組成）系統(tǒng)主要由硬件和軟件兩部分組成 l計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)的核心。計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)的核心。 l數(shù)控系統(tǒng)的位置控制是伺服系統(tǒng)的重要組成部分，閉環(huán)或半數(shù)控系統(tǒng)的位置控制是伺服系統(tǒng)的重要組成部分，閉環(huán)或半閉環(huán)控制的數(shù)控機(jī)床的加工精度主要由檢測裝置的精度決定

2、。閉環(huán)控制的數(shù)控機(jī)床的加工精度主要由檢測裝置的精度決定。 常用的檢測裝置有旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、編碼器、光常用的檢測裝置有旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、編碼器、光柵、磁柵等。柵、磁柵等。l機(jī)床的主軸運(yùn)動和伺服進(jìn)給運(yùn)動是機(jī)床的基本成形運(yùn)動。機(jī)床的主軸運(yùn)動和伺服進(jìn)給運(yùn)動是機(jī)床的基本成形運(yùn)動。 NC程序程序輸入設(shè)備輸入設(shè)備CNC裝置裝置PLC主軸控制單元主軸控制單元主軸電機(jī)主軸電機(jī) 機(jī)床機(jī)床 進(jìn)給電機(jī)進(jìn)給電機(jī) 位置檢測器位置檢測器速度控制單元速度控制單元I/O信號信號CNC系統(tǒng)：系統(tǒng)：一、數(shù)控系統(tǒng)（一、數(shù)控系統(tǒng)（CNC系統(tǒng)）系統(tǒng)）數(shù)控程序數(shù)控程序I/O設(shè)備設(shè)備 數(shù)控裝置（數(shù)控裝置（CNC裝置）裝置）可編

3、程控制器（可編程控制器（PLC）主軸驅(qū)動裝置主軸驅(qū)動裝置是一種軌跡控制系統(tǒng)是一種軌跡控制系統(tǒng)是以多個執(zhí)行部件（各運(yùn)動軸）是以多個執(zhí)行部件（各運(yùn)動軸）的位移量為控制對象，并使其協(xié)的位移量為控制對象，并使其協(xié)調(diào)運(yùn)動的自動控制系統(tǒng)。調(diào)運(yùn)動的自動控制系統(tǒng)。進(jìn)給伺服系統(tǒng)進(jìn)給伺服系統(tǒng)第二節(jié)第二節(jié) CNC系統(tǒng)系統(tǒng)二、二、CNC裝置的組成裝置的組成硬件：硬件：具有計算機(jī)具有計算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu);具有數(shù)控機(jī)具有數(shù)控機(jī)床所特有的床所特有的功能模塊和功能模塊和接口單元。接口單元。 CPUEPROM或E PROMRAMI/O接口主軸控制通訊接口2 MDI接口PLC接口CRT或LCD顯示接口位置控制紙帶閱讀機(jī)接口

4、硬件和軟件構(gòu)成硬件和軟件構(gòu)成軟件軟件：從本質(zhì)上看，是具有從本質(zhì)上看，是具有實(shí)時性實(shí)時性和和多任務(wù)性多任務(wù)性的專用操作系統(tǒng)的專用操作系統(tǒng)從功能特征看，從功能特征看，CNC管理軟件：管理軟件：主要進(jìn)行系統(tǒng)資源的管主要進(jìn)行系統(tǒng)資源的管理和系統(tǒng)各子任務(wù)的調(diào)度。理和系統(tǒng)各子任務(wù)的調(diào)度。 編譯處理刀具補(bǔ)償計算 速度處理 插補(bǔ)運(yùn)算 位置控制機(jī)床輸入輸出 主軸控制零件程序管理 顯示處理 人機(jī)交互輸入輸出管理故障診斷處理 CNC裝置系統(tǒng)軟件管理軟件控制軟件CNC控制軟件：控制軟件：主要完成各種控制功能主要完成各種控制功能軟件、硬件在一起構(gòu)成了軟件、硬件在一起構(gòu)成了CNC裝置的系統(tǒng)平臺裝置的系統(tǒng)平臺CNC裝置的裝

5、置的系統(tǒng)平臺系統(tǒng)平臺硬件硬件操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)管理軟件管理軟件應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件控制軟件控制軟件數(shù)控加工程序數(shù)控加工程序 接接口口被控設(shè)備被控設(shè)備 機(jī)機(jī) 床床 機(jī)器人機(jī)器人 測量機(jī)測量機(jī) .二、數(shù)控裝置的工作過程二、數(shù)控裝置的工作過程首先要將被加工零件圖的幾何信息和工藝信息數(shù)字化，首先要將被加工零件圖的幾何信息和工藝信息數(shù)字化，即將刀具與工件的相對運(yùn)動軌跡，用代碼按規(guī)定的規(guī)則即將刀具與工件的相對運(yùn)動軌跡，用代碼按規(guī)定的規(guī)則和格式編成加工程序，數(shù)控系統(tǒng)則按照程序的要求，進(jìn)和格式編成加工程序，數(shù)控系統(tǒng)則按照程序的要求，進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算、處理，然后發(fā)出控制命令，使各坐標(biāo)軸、行相應(yīng)的運(yùn)算、處理，然后發(fā)出控制

6、命令，使各坐標(biāo)軸、主軸以及輔助動作相互協(xié)調(diào)運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)刀具與工件的相主軸以及輔助動作相互協(xié)調(diào)運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)刀具與工件的相對運(yùn)動，自動完成零件的加工。對運(yùn)動，自動完成零件的加工。1. 逼近處理逼近處理 2. 插補(bǔ)運(yùn)算插補(bǔ)運(yùn)算 3. 指令輸出指令輸出三三.CNC 裝置的優(yōu)點(diǎn)裝置的優(yōu)點(diǎn)1.具有靈活性和通用性具有靈活性和通用性2. 數(shù)控功能豐富數(shù)控功能豐富 3. 可靠性高可靠性高 4. 使用維護(hù)方便使用維護(hù)方便 5. 易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化四四.CNC 裝置的功能裝置的功能數(shù)控裝置的功能包括基本功能和選擇功能基本功能基本功能 數(shù)控系統(tǒng)基本配置的功能， 即必備的功能；選擇功能選擇功能 用戶可根據(jù)

7、實(shí)際使用要求選擇的功能。主要功能：主要功能： 1. 控制功能控制功能 CNC能控制和能聯(lián)動控制的進(jìn)給軸數(shù)能控制和能聯(lián)動控制的進(jìn)給軸數(shù)2. 準(zhǔn)備功能準(zhǔn)備功能（ G功能）功能） 指令機(jī)床動作方式的功能指令機(jī)床動作方式的功能3.插補(bǔ)功能和固定循環(huán)功能插補(bǔ)功能和固定循環(huán)功能4. 進(jìn)給功能進(jìn)給功能 數(shù)控及機(jī)床進(jìn)給速度的控制功能。數(shù)控及機(jī)床進(jìn)給速度的控制功能。5. 主軸功能主軸功能 主軸切削速度、周向位置控制功能。主軸切削速度、周向位置控制功能。6. 輔助功能輔助功能（ M功能）功能） 用于指令機(jī)床輔助操作的功能。用于指令機(jī)床輔助操作的功能。7.刀具管理功能刀具管理功能實(shí)現(xiàn)對刀具幾何尺寸和刀具壽命的管理。

8、實(shí)現(xiàn)對刀具幾何尺寸和刀具壽命的管理。8.補(bǔ)償功能補(bǔ)償功能9. 人機(jī)對話功能人機(jī)對話功能10. 自診斷功能自診斷功能 CNC 自動實(shí)現(xiàn)故障預(yù)報和故障定位的功能自動實(shí)現(xiàn)故障預(yù)報和故障定位的功能11. 通訊功能通訊功能 CNC 與外界進(jìn)行信息和數(shù)據(jù)交換的功能。與外界進(jìn)行信息和數(shù)據(jù)交換的功能。 CNC 裝置從它的硬件組成結(jié)構(gòu)來看，若按其中含有裝置從它的硬件組成結(jié)構(gòu)來看，若按其中含有 CPU 的多少來分，可分為單機(jī)系統(tǒng)和多機(jī)系統(tǒng)：的多少來分，可分為單機(jī)系統(tǒng)和多機(jī)系統(tǒng)：1.單微處理器單微處理器CNC2.多微處理器多微處理器CNC 整個整個 CNC 裝置只有一個裝置只有一個CPU ，它集中控制和管理整個，它

9、集中控制和管理整個系統(tǒng)資源，通過分時處理的方式來實(shí)現(xiàn)各種系統(tǒng)資源，通過分時處理的方式來實(shí)現(xiàn)各種 NC 功能。其優(yōu)功能。其優(yōu)點(diǎn)在于投資小，結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)。但系統(tǒng)功能受到點(diǎn)在于投資小，結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)。但系統(tǒng)功能受到 CPU 字長、數(shù)據(jù)寬度、尋址能力和運(yùn)算速度等因素的限制。字長、數(shù)據(jù)寬度、尋址能力和運(yùn)算速度等因素的限制。現(xiàn)在這種結(jié)構(gòu)已被多機(jī)系統(tǒng)的主從結(jié)構(gòu)所取代?，F(xiàn)在這種結(jié)構(gòu)已被多機(jī)系統(tǒng)的主從結(jié)構(gòu)所取代。 CNC裝置中有兩個或兩個以上的裝置中有兩個或兩個以上的 CPU ，即系統(tǒng)中的某些功，即系統(tǒng)中的某些功能模塊自身也帶有能模塊自身也帶有CPU ，根據(jù)部件間的相互關(guān)系又可將其分，根據(jù)部件間的相互

10、關(guān)系又可將其分為：主從結(jié)構(gòu)、多主結(jié)構(gòu)構(gòu)、分布式結(jié)構(gòu)。為：主從結(jié)構(gòu)、多主結(jié)構(gòu)構(gòu)、分布式結(jié)構(gòu)。nCNC 裝置的硬件結(jié)構(gòu)裝置的硬件結(jié)構(gòu)單微處理器單微處理器CNC結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計方法：模塊化設(shè)計方法：將控制系統(tǒng)按功能劃分成將控制系統(tǒng)按功能劃分成若干具有獨(dú)立功能的單元模塊若干具有獨(dú)立功能的單元模塊, 并配上相應(yīng)并配上相應(yīng)的驅(qū)動軟件。系統(tǒng)設(shè)計時按功能的要求選擇的驅(qū)動軟件。系統(tǒng)設(shè)計時按功能的要求選擇不同的功能模塊，并將其插入控制單元母板不同的功能模塊，并將其插入控制單元母板上，即可組成一個完整的控制系統(tǒng)的方法。上，即可組成一個完整的控制系統(tǒng)的方法。其中單元母板一般為總線結(jié)構(gòu)的無源母板，其中單元母板一般為總

11、線結(jié)構(gòu)的無源母板，它提供模塊間互聯(lián)的信號通路。它提供模塊間互聯(lián)的信號通路。實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)CNC 系統(tǒng)模塊化設(shè)計的系統(tǒng)模塊化設(shè)計的條件條件是總線是總線 (BUS) 標(biāo)準(zhǔn)化。標(biāo)準(zhǔn)化。1 、計算機(jī)主板和系統(tǒng)總線、計算機(jī)主板和系統(tǒng)總線 ( 母板母板 ) 2 、顯示模塊、顯示模塊、 ( 顯示卡顯示卡 ) 3 、輸入、輸入/ 輸出模塊輸出模塊 ( 多功能卡多功能卡) 4 、電子盤、電子盤 ( 存儲模塊存儲模塊 ) 5 、設(shè)備輔助控制接口模塊、設(shè)備輔助控制接口模塊6 、位置控制模塊、位置控制模塊7 、功能接口模塊、功能接口模塊1 、計算機(jī)主板和系統(tǒng)總線、計算機(jī)主板和系統(tǒng)總線 ( 母板母板 ) u計算機(jī)主板計算機(jī)主

12、板 u系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線 (母板母板 )計算機(jī)主板是計算機(jī)主板是CNC 裝置的核心。它的主要作用：對輸入裝置的核心。它的主要作用：對輸入到到 CNC 裝置中的種種數(shù)據(jù)、信息裝置中的種種數(shù)據(jù)、信息 (零件加工程序，各種零件加工程序，各種 I/O 信息等信息等 ) 進(jìn)行相應(yīng)的算術(shù)和邏輯運(yùn)算。并根據(jù)其處理進(jìn)行相應(yīng)的算術(shù)和邏輯運(yùn)算。并根據(jù)其處理結(jié)果，向各功能模塊發(fā)出控制命令，傳送數(shù)據(jù)，使用戶結(jié)果，向各功能模塊發(fā)出控制命令，傳送數(shù)據(jù)，使用戶的指令得以執(zhí)行。的指令得以執(zhí)行。系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線 ( 母板母板) ：由一組傳送數(shù)字信息的物理導(dǎo)線組成，：由一組傳送數(shù)字信息的物理導(dǎo)線組成，它是計算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)或信

13、息交換的通道：分?jǐn)?shù)據(jù)它是計算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)或信息交換的通道：分?jǐn)?shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線?？偩€、地址總線、控制總線。 顯示卡的主要作用：接收來自顯示卡的主要作用：接收來自CPU 的控制命令和顯示用的的控制命令和顯示用的數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)，經(jīng)過 CRT 的掃描信號調(diào)制后產(chǎn)生的掃描信號調(diào)制后產(chǎn)生 CRT 顯示器所需要顯示器所需要的視頻信號，在的視頻信號，在 CRT 上產(chǎn)生所需要的畫面。它是人機(jī)交流的上產(chǎn)生所需要的畫面。它是人機(jī)交流的重要媒介。重要媒介。2 、顯示模塊、顯示模塊、 ( 顯示卡顯示卡)3 、輸入、輸入 / 輸出模塊輸出模塊(多功能卡多功能卡 ) 它是它是 CNC 裝置與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)和

14、信息交換的接口板，即裝置與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)和信息交換的接口板，即 CNC 裝置通過該接口可以從輸入設(shè)備獲取數(shù)據(jù)，也可以將裝置通過該接口可以從輸入設(shè)備獲取數(shù)據(jù)，也可以將 CNC 裝置中的數(shù)據(jù)送給輸出設(shè)備。裝置中的數(shù)據(jù)送給輸出設(shè)備。4 、電子盤、電子盤 ( 存儲模塊存儲模塊 ) 電子盤是電子盤是CNC 裝置特有的存儲模。計算機(jī)的存儲器裝置特有的存儲模。計算機(jī)的存儲器件有三類：件有三類： 磁存儲器件，如：軟磁存儲器件，如：軟 / 硬磁盤；硬磁盤； 光存儲光存儲器件，如：光盤；器件，如：光盤； 半導(dǎo)體存儲器件，如半導(dǎo)體存儲器件，如 RAM 、 ROM 、FLASH 等。在等。在 CNC 裝置中，常采用電子

15、存儲器件作為裝置中，常采用電子存儲器件作為外存儲器。外存儲器。5 、設(shè)備輔助控制接口模塊、設(shè)備輔助控制接口模塊設(shè)備輔助控制接口模塊是設(shè)備輔助控制接口模塊是CNC 裝置實(shí)現(xiàn)順序控制的模塊。裝置實(shí)現(xiàn)順序控制的模塊。它的作用是接收來自操作面板、機(jī)床上的各行程開關(guān)、傳它的作用是接收來自操作面板、機(jī)床上的各行程開關(guān)、傳感器、按鈕、強(qiáng)電柜里的繼電器以及主軸控制、刀庫控制感器、按鈕、強(qiáng)電柜里的繼電器以及主軸控制、刀庫控制的有關(guān)信號，經(jīng)處理后輸出去控制相應(yīng)器件的運(yùn)行。的有關(guān)信號，經(jīng)處理后輸出去控制相應(yīng)器件的運(yùn)行。 設(shè)備輔助控制接口必須完成兩個任務(wù)：即電平的轉(zhuǎn)換設(shè)備輔助控制接口必須完成兩個任務(wù)：即電平的轉(zhuǎn)換和功

16、率放大、電氣隔離。和功率放大、電氣隔離。設(shè)備輔助控制接口的實(shí)現(xiàn)方式：設(shè)備輔助控制接口的實(shí)現(xiàn)方式：l簡單簡單I/O 接口板；接口板；lPLC 控制。分內(nèi)裝型控制。分內(nèi)裝型 PLC 和獨(dú)立型和獨(dú)立型PLC 。簡單簡單I/O 接口板接口板PLC 控制控制6 、位置控制模塊、位置控制模塊位置控制模塊是進(jìn)給伺服系統(tǒng)的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)軌位置控制模塊是進(jìn)給伺服系統(tǒng)的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)軌跡控制時，跡控制時， CNC 裝置與伺服驅(qū)動系統(tǒng)連接的接口模塊。裝置與伺服驅(qū)動系統(tǒng)連接的接口模塊。常用的位置控制模塊有：開環(huán)位置控制模塊、閉環(huán)（含常用的位置控制模塊有：開環(huán)位置控制模塊、閉環(huán)（含半閉環(huán)）位置控制模塊。半閉

17、環(huán)）位置控制模塊。開環(huán)位置控制模塊開環(huán)位置控制模塊開環(huán)位置控制模塊開環(huán)位置控制模塊閉環(huán)（含半閉環(huán)）位置控制模塊閉環(huán)（含半閉環(huán)）位置控制模塊該模塊由三部組成：該模塊由三部組成： 速度指令轉(zhuǎn)換部分；速度指令轉(zhuǎn)換部分； 位置反饋脈沖回收部分；位置反饋脈沖回收部分； 速度反饋電壓轉(zhuǎn)換部分。速度反饋電壓轉(zhuǎn)換部分。n多微處理器多微處理器 CNC 系統(tǒng)硬件簡介系統(tǒng)硬件簡介 多主多主CNC 結(jié)構(gòu)中，有兩個或兩個以上的結(jié)構(gòu)中，有兩個或兩個以上的 CPU 部件，部件，部件之間采用緊耦合，有集中的操作系統(tǒng)，通過總線仲部件之間采用緊耦合，有集中的操作系統(tǒng)，通過總線仲裁器裁器 ( 由硬件和軟件組成由硬件和軟件組成) 來

18、解決總線爭用問題，通過來解決總線爭用問題，通過公共存儲器來進(jìn)行信息交換。公共存儲器來進(jìn)行信息交換。結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)： 能實(shí)現(xiàn)真正意義上的并行處理，處理速度快，可以實(shí)現(xiàn)能實(shí)現(xiàn)真正意義上的并行處理，處理速度快，可以實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的系統(tǒng)功能。容錯能力強(qiáng)，在某模塊出了故障后，通較復(fù)雜的系統(tǒng)功能。容錯能力強(qiáng)，在某模塊出了故障后，通過系統(tǒng)重組仍可繼續(xù)工作。過系統(tǒng)重組仍可繼續(xù)工作。結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式：結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式：n共享總線結(jié)構(gòu)共享總線結(jié)構(gòu)n共享存儲器結(jié)構(gòu)共享存儲器結(jié)構(gòu)1. 共享總線結(jié)構(gòu)共享總線結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、系統(tǒng)組配靈、成本相對較低、共享總線結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、系統(tǒng)組配靈、成本相對較低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)?？?/p>

19、靠性高等優(yōu)點(diǎn)。2. 共享存儲器結(jié)構(gòu)共享存儲器結(jié)構(gòu)這種結(jié)構(gòu)是面向公共存儲器來設(shè)計的，即采用多端口這種結(jié)構(gòu)是面向公共存儲器來設(shè)計的，即采用多端口來實(shí)現(xiàn)各主模塊之間的互連和通訊。一般采用雙端口來實(shí)現(xiàn)各主模塊之間的互連和通訊。一般采用雙端口存儲器（雙端口存儲器（雙端口 RAM ）。）。nCNC 裝置的軟件結(jié)構(gòu)裝置的軟件結(jié)構(gòu)一一.CNC 裝置軟件和硬件的功能界面裝置軟件和硬件的功能界面二二.CNC 裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程三三 .CNC 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)四四 .CNC 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)模式系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)模式一一.CNC 裝置軟件和硬件的功能界面裝置軟件和硬件的功能界面CNC 軟件構(gòu)

20、成軟件構(gòu)成二二.CNC 裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程裝置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程1 、譯碼、譯碼 （用（用ASCII碼表達(dá)加工程序，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)格式）碼表達(dá)加工程序，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)格式）2 、刀補(bǔ)處理、刀補(bǔ)處理（零件輪廓變換成刀具中心軌跡）（零件輪廓變換成刀具中心軌跡）3 、速度預(yù)處理、速度預(yù)處理（計算每個插補(bǔ)周期內(nèi)的合成移動量）（計算每個插補(bǔ)周期內(nèi)的合成移動量）4 、插補(bǔ)計算、插補(bǔ)計算（計算插補(bǔ)周期的實(shí)際合成位移量、分解（計算插補(bǔ)周期的實(shí)際合成位移量、分解 L 1 （ X 1 、 Y 1）5 、位置控制處理、位置控制處理（進(jìn)行各進(jìn)給軸跟隨誤差的計算，調(diào)（進(jìn)行各進(jìn)給軸跟隨誤差的計算，調(diào)節(jié)處理，輸出為位移控制指令）節(jié)處理，輸

21、出為位移控制指令）三、三、 CNC 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 1 、多任務(wù)性與并行處理技術(shù)、多任務(wù)性與并行處理技術(shù)uCNC 控制要求的多任務(wù)性控制控制要求的多任務(wù)性控制u基于并行處理的多任務(wù)調(diào)度技術(shù)基于并行處理的多任務(wù)調(diào)度技術(shù) 資源分時共享（對單一資源的系統(tǒng)）資源分時共享（對單一資源的系統(tǒng)） 并發(fā)處理和流水處理（對多資源的系統(tǒng)）并發(fā)處理和流水處理（對多資源的系統(tǒng)）2 、實(shí)時性和優(yōu)先搶占調(diào)度機(jī)制、實(shí)時性和優(yōu)先搶占調(diào)度機(jī)制u實(shí)時性任務(wù)的分類實(shí)時性任務(wù)的分類u優(yōu)先搶占調(diào)度機(jī)制優(yōu)先搶占調(diào)度機(jī)制四四. CNC 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)模式系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)模式 所謂結(jié)構(gòu)模式是指系統(tǒng)軟件的組織管理所謂結(jié)構(gòu)模式是指系

22、統(tǒng)軟件的組織管理方式，即系統(tǒng)任務(wù)的劃分方式、任務(wù)調(diào)度機(jī)方式，即系統(tǒng)任務(wù)的劃分方式、任務(wù)調(diào)度機(jī)制、任務(wù)間的信息交機(jī)換制、以及系統(tǒng)集成制、任務(wù)間的信息交機(jī)換制、以及系統(tǒng)集成方法等。結(jié)構(gòu)模式要解決的問題是如何組織方法等。結(jié)構(gòu)模式要解決的問題是如何組織和協(xié)調(diào)各個任務(wù)的執(zhí)行，使之滿足一定的時和協(xié)調(diào)各個任務(wù)的執(zhí)行，使之滿足一定的時序配合要求和邏輯關(guān)系，以滿足序配合要求和邏輯關(guān)系，以滿足 CNC 系統(tǒng)系統(tǒng)的各種控制要求。的各種控制要求。1 、前后臺型結(jié)構(gòu)模式、前后臺型結(jié)構(gòu)模式2 、中斷型結(jié)構(gòu)模式、中斷型結(jié)構(gòu)模式3 、基于實(shí)時操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模式、基于實(shí)時操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模式n國外主要數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品國外主要數(shù)控系統(tǒng)

23、產(chǎn)品（1 1）日本日本FANUCFANUC公司數(shù)控系統(tǒng)公司數(shù)控系統(tǒng) （2 2）德國德國SIEMENSSIEMENS公司數(shù)控系統(tǒng)公司數(shù)控系統(tǒng)（3 3）西班牙西班牙FAGORFAGOR公司數(shù)控系統(tǒng)公司數(shù)控系統(tǒng) FANUC Series 0i MODEL C，F(xiàn)ANUC Series 0i Mate MODEL C FANUC Series 16i/18i/21i-MODEL B，F(xiàn)ANUC Series 18i-MODEL B5 FANUC Series 160i/180i/210i-MODEL B，F(xiàn)ANUC Series 180i-MODEL B5 SINUMERIK 802S base li

24、ne SINUMERIK 802C base line SINUMERIK 802D base line SINUMERIK 802D SINUMERIK 810D powerline SINUMERIK 840Di SINUMERIK 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第三節(jié)第三節(jié) 數(shù)控機(jī)床的檢測裝置數(shù)控機(jī)床的檢測裝置位置檢測裝置是數(shù)控機(jī)床閉環(huán)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的重要組成部分，其作用是檢測位移（線位移或

25、角位移）和速度，并反饋至數(shù)控裝置，構(gòu)成伺服系統(tǒng)的閉環(huán)或半閉環(huán)控制，使工作臺按指令的路徑精確地移動。閉環(huán)或半閉環(huán)控制的數(shù)控機(jī)床的加工精度主要由檢測系統(tǒng)的精度決定。位置檢測裝置的精度主要包括系統(tǒng)精度和分辨率。 一、檢測裝置的要求及分類一、檢測裝置的要求及分類 （一）數(shù)控機(jī)床對檢測裝置的主要（一）數(shù)控機(jī)床對檢測裝置的主要要求要求有：有： 受溫度、濕度的影響小，工作可靠，抗于擾能力強(qiáng)；受溫度、濕度的影響小，工作可靠，抗于擾能力強(qiáng)； 在機(jī)床移動的范圍內(nèi)滿足精度和速度要求；在機(jī)床移動的范圍內(nèi)滿足精度和速度要求； 使用維護(hù)方便，適合機(jī)床運(yùn)行環(huán)境；使用維護(hù)方便，適合機(jī)床運(yùn)行環(huán)境； 成本低；成本低； 易于實(shí)現(xiàn)高

26、速的動態(tài)測量易于實(shí)現(xiàn)高速的動態(tài)測量 。大型機(jī)床以滿足大型機(jī)床以滿足速度速度要求為主。要求為主。對中、小型機(jī)床和高精度機(jī)床以滿足對中、小型機(jī)床和高精度機(jī)床以滿足精度精度為主。為主。數(shù)控機(jī)床檢測裝置的分辨率一般為數(shù)控機(jī)床檢測裝置的分辨率一般為0.00010.01mm/m，測量精度為測量精度為0.0010.01mm/m 類型類型數(shù)數(shù) 字字 式式模模 擬擬 式式增量式增量式絕對式絕對式增量式增量式絕對式絕對式回轉(zhuǎn)型回轉(zhuǎn)型增量式脈沖編增量式脈沖編碼器，圓光柵碼器，圓光柵絕對式脈沖編絕對式脈沖編碼器碼器旋轉(zhuǎn)變壓器，旋轉(zhuǎn)變壓器，圓感應(yīng)同步器圓感應(yīng)同步器，圓磁尺，圓磁尺多級旋轉(zhuǎn)變壓多級旋轉(zhuǎn)變壓器，器，3 3速

27、圓感應(yīng)速圓感應(yīng)同步器同步器直線型直線型計量光柵計量光柵激光干涉儀激光干涉儀多通道透射光多通道透射光柵柵直線感應(yīng)同器，直線感應(yīng)同器，磁尺磁尺3 3速直線感應(yīng)同速直線感應(yīng)同步器，絕對式步器，絕對式磁尺磁尺（二）（二）位置檢測裝置分類位置檢測裝置分類u脈沖編碼器脈沖編碼器 編碼器又稱碼盤和脈沖編碼器，是一種旋轉(zhuǎn)式測量元編碼器又稱碼盤和脈沖編碼器，是一種旋轉(zhuǎn)式測量元件，通常裝在被測軸上，隨被測軸一起轉(zhuǎn)動，可將被測軸件，通常裝在被測軸上，隨被測軸一起轉(zhuǎn)動，可將被測軸的角位移轉(zhuǎn)換成增量脈沖形式或絕對式的代碼形式。的角位移轉(zhuǎn)換成增量脈沖形式或絕對式的代碼形式。l根據(jù)輸出信號的形式的不同，可分為根據(jù)輸出信號的

28、形式的不同，可分為絕對值式編碼器絕對值式編碼器和和脈沖增量式編碼器脈沖增量式編碼器。l根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和檢測方式可分為根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和檢測方式可分為接觸式接觸式、光電式光電式和和電磁電磁式式三種。三種。 編碼器在數(shù)控機(jī)床中有兩種安裝方式：一是和伺服電編碼器在數(shù)控機(jī)床中有兩種安裝方式：一是和伺服電機(jī)同軸聯(lián)接在一起，稱為機(jī)同軸聯(lián)接在一起，稱為內(nèi)裝式編碼器內(nèi)裝式編碼器，伺服電機(jī)再和，伺服電機(jī)再和滾珠絲杠聯(lián)接，編碼器在進(jìn)給傳動鏈的前端；二是編碼滾珠絲杠聯(lián)接，編碼器在進(jìn)給傳動鏈的前端；二是編碼器聯(lián)接在滾珠絲杠末端，稱為器聯(lián)接在滾珠絲杠末端，稱為外裝式編碼器外裝式編碼器。 信號處理裝置abz碼盤基片透鏡光源光敏

29、元件透光狹縫光欄板節(jié)距AABBZZm+/4 光電編碼器的結(jié)構(gòu)示意圖光電編碼器的結(jié)構(gòu)示意圖增量式光電編碼器原理圖增量式光電編碼器原理圖 90AB90節(jié)距PiABt 當(dāng)圓光柵旋轉(zhuǎn)時，光線透過當(dāng)圓光柵旋轉(zhuǎn)時，光線透過兩個光柵的線紋部分，形成明兩個光柵的線紋部分，形成明暗條紋。光電元件接受這些明暗條紋。光電元件接受這些明暗相間的光信號，轉(zhuǎn)換為交替暗相間的光信號，轉(zhuǎn)換為交替變化的電信號，該信號為兩組變化的電信號，該信號為兩組近似于正弦波的電流信號近似于正弦波的電流信號A和和B，A和和B信號的相位相差信號的相位相差90。經(jīng)。經(jīng)放大整形后變成方波形成兩個放大整形后變成方波形成兩個光柵的信號。光電編碼器還有光

30、柵的信號。光電編碼器還有一個一個“一轉(zhuǎn)脈沖一轉(zhuǎn)脈沖”，稱為，稱為Z相相脈沖，每轉(zhuǎn)產(chǎn)生一個，用來產(chǎn)脈沖，每轉(zhuǎn)產(chǎn)生一個，用來產(chǎn)生機(jī)床的基準(zhǔn)點(diǎn)。生機(jī)床的基準(zhǔn)點(diǎn)。(1)光電脈沖編碼器的工作原理光電脈沖編碼器的工作原理: 脈沖編碼器輸出信號有脈沖編碼器輸出信號有A、 B、 Z、 等信號，這些信號作為位等信號，這些信號作為位移測量脈沖以及經(jīng)過頻率移測量脈沖以及經(jīng)過頻率/電壓變換作為速度反饋信號，進(jìn)行速度調(diào)節(jié)。電壓變換作為速度反饋信號，進(jìn)行速度調(diào)節(jié)。 ABZ編碼盤編碼盤黑部分是絕緣，按導(dǎo)電為黑部分是絕緣，按導(dǎo)電為“1”、絕緣為、絕緣為“”組成二進(jìn)制碼，組成組成二進(jìn)制碼，組成編碼的各圈稱為碼道。對應(yīng)編碼的各圈

31、稱為碼道。對應(yīng)4個碼道并排安裝有個碼道并排安裝有4個電刷，電經(jīng)電阻個電刷，電經(jīng)電阻接到電源正極。當(dāng)被測對象帶動編碼盤一起轉(zhuǎn)動時，根據(jù)與電刷串接到電源正極。當(dāng)被測對象帶動編碼盤一起轉(zhuǎn)動時，根據(jù)與電刷串聯(lián)的電阻上有無電流流過，可用相應(yīng)的二進(jìn)制代碼表示。聯(lián)的電阻上有無電流流過，可用相應(yīng)的二進(jìn)制代碼表示。 接觸式：接觸式：（2） 脈沖編碼器在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用脈沖編碼器在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用 位移測量位移測量 由于增量式光電編碼器每轉(zhuǎn)過一個分辨角就發(fā)出一由于增量式光電編碼器每轉(zhuǎn)過一個分辨角就發(fā)出一個脈沖信號，因此，根據(jù)脈沖的數(shù)量、傳動比及滾珠絲杠螺距即個脈沖信號，因此，根據(jù)脈沖的數(shù)量、傳動比及滾珠絲杠螺距即

32、可得出移動部件的直線位移量。在數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺中，通過在回可得出移動部件的直線位移量。在數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺中，通過在回轉(zhuǎn)軸末端安裝編碼器，可直接測量回轉(zhuǎn)工作臺的角位移量。轉(zhuǎn)軸末端安裝編碼器，可直接測量回轉(zhuǎn)工作臺的角位移量。 主軸控制主軸控制 主運(yùn)動（主軸控制）中采用編碼器，則成為具有主運(yùn)動（主軸控制）中采用編碼器，則成為具有位置控制功能的主軸控制系統(tǒng)。位置控制功能的主軸控制系統(tǒng)。 測速測速 光電編碼器輸出脈沖的頻率與其轉(zhuǎn)速成正比，因此，光光電編碼器輸出脈沖的頻率與其轉(zhuǎn)速成正比，因此，光電編碼器可代替測速發(fā)電機(jī)的模擬測速而成為數(shù)字測速裝置。電編碼器可代替測速發(fā)電機(jī)的模擬測速而成為數(shù)字測速裝置。 零脈沖

33、用于回參考點(diǎn)控制零脈沖用于回參考點(diǎn)控制 當(dāng)數(shù)控機(jī)床采用增量式的位置檢當(dāng)數(shù)控機(jī)床采用增量式的位置檢測裝置時，數(shù)控機(jī)床在接通電源后要做回到參考點(diǎn)的操作。測裝置時，數(shù)控機(jī)床在接通電源后要做回到參考點(diǎn)的操作。 u感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器 （一）感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)與工作原理（一）感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)與工作原理 直線式和旋轉(zhuǎn)式兩種。直線式感應(yīng)同步器由直線式和旋轉(zhuǎn)式兩種。直線式感應(yīng)同步器由定尺定尺和和滑尺滑尺組成；旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器由轉(zhuǎn)子和定子組成。前者用于直線組成；旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器由轉(zhuǎn)子和定子組成。前者用于直線位移測量位移測量,后者用于角位移測量。后者用于角位移測量。定尺定尺 sin cos 節(jié)距節(jié)距2（2mm） 節(jié)

34、距節(jié)距（0.5mm）41 絕緣粘膠絕緣粘膠 銅箔銅箔 鋁箔鋁箔 耐切削液涂層耐切削液涂層 基板基板(鋼、銅鋼、銅)滑尺滑尺滑尺滑尺工作原理：工作原理：利用電磁耦合原理，將位移或轉(zhuǎn)角變成電信號。利用電磁耦合原理，將位移或轉(zhuǎn)角變成電信號。即使滑尺與定尺相互平行，并保持一定的間距。向即使滑尺與定尺相互平行，并保持一定的間距。向滑尺通以滑尺通以交流激磁電壓交流激磁電壓，則在滑尺中產(chǎn)生激磁電流，繞組周圍產(chǎn)生按，則在滑尺中產(chǎn)生激磁電流，繞組周圍產(chǎn)生按正弦規(guī)律變化的磁場，由電磁感應(yīng)原理，在定尺上產(chǎn)生感應(yīng)正弦規(guī)律變化的磁場，由電磁感應(yīng)原理，在定尺上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，當(dāng)滑尺與定尺間產(chǎn)生相對位移時，由于電磁耦合的變電

35、壓，當(dāng)滑尺與定尺間產(chǎn)生相對位移時，由于電磁耦合的變化，使定尺上感應(yīng)電壓隨位移的變化而變化（相同頻率）?；?，使定尺上感應(yīng)電壓隨位移的變化而變化（相同頻率）。節(jié)距 c點(diǎn)滑尺的位置 d點(diǎn) e點(diǎn)感應(yīng)電壓a感應(yīng)電壓b a點(diǎn) b點(diǎn)定 尺移動距離ecd當(dāng)定尺與滑尺重合時，如當(dāng)定尺與滑尺重合時，如圖中的圖中的a點(diǎn)，此時的感應(yīng)點(diǎn)，此時的感應(yīng)電壓電壓最大最大。當(dāng)滑尺相對于。當(dāng)滑尺相對于定尺平行移動后，其感應(yīng)定尺平行移動后，其感應(yīng)電壓逐漸變小。在錯開電壓逐漸變小。在錯開1/4節(jié)距的節(jié)距的b點(diǎn)，感應(yīng)電壓為點(diǎn)，感應(yīng)電壓為零零。依次類推，在。依次類推，在1/2節(jié)距節(jié)距的的c點(diǎn)，感應(yīng)電壓幅值與點(diǎn)，感應(yīng)電壓幅值與a點(diǎn)相同，極

36、性點(diǎn)相同，極性相反相反；在；在3/4節(jié)距的節(jié)距的d點(diǎn)又變?yōu)辄c(diǎn)又變?yōu)榱懔恪?感應(yīng)同步器的工作原理感應(yīng)同步器的工作原理 滑尺每移動一個節(jié)距，感滑尺每移動一個節(jié)距，感應(yīng)電壓變化一個周期。應(yīng)電壓變化一個周期。 按工作方式不同，感應(yīng)同步器分為：按工作方式不同，感應(yīng)同步器分為： 鑒相型系統(tǒng)鑒相型系統(tǒng)方式：前提方式：前提 供給滑尺的激磁信號為頻率、供給滑尺的激磁信號為頻率、幅值相同，相位角相差幅值相同，相位角相差90的交流電壓。的交流電壓。tUUtUUmcmscossin)sin()sincoscos(sinsincos0tnUttnUnUnUUmmcs根據(jù)線性疊加原理，在定尺上的工作繞組中的感應(yīng)電壓為：根

37、據(jù)線性疊加原理，在定尺上的工作繞組中的感應(yīng)電壓為：勵磁角頻率。勵磁角頻率。 滑尺繞組相對于定尺繞組的空間相位角滑尺繞組相對于定尺繞組的空間相位角 電磁耦合系數(shù)。電磁耦合系數(shù)。 nPx22p通過測量定尺感應(yīng)電壓的相位通過測量定尺感應(yīng)電壓的相位，可，可以測量定尺對滑尺的位移以測量定尺對滑尺的位移x （二）感應(yīng)同步器的應(yīng)用（二）感應(yīng)同步器的應(yīng)用 鑒幅型系統(tǒng)鑒幅型系統(tǒng)方式：前提方式：前提 給滑尺繞組通入相位相同、給滑尺繞組通入相位相同、頻率相同，但幅值不同的勵磁電壓。頻率相同，但幅值不同的勵磁電壓。tUUtUUmcmssincossinsin電電tnUtnUnUnUUmmcssin)sin()sinc

38、oscos(sinsinsincos0電機(jī)機(jī)電機(jī)電機(jī)機(jī)根據(jù)線性疊加原理，在定尺上工作繞組中的感應(yīng)電壓為：根據(jù)線性疊加原理，在定尺上工作繞組中的感應(yīng)電壓為： x機(jī)幅值幅值由以上可知，若電氣角由以上可知，若電氣角 已知，只要測出已知，只要測出 的幅值便可以的幅值便可以間接地求出間接地求出 電機(jī)0U鑒相型測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖鑒相型測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 定尺上的感應(yīng)電壓的幅值隨指令給定的位移量定尺上的感應(yīng)電壓的幅值隨指令給定的位移量 與工與工作臺的實(shí)際位移作臺的實(shí)際位移 的差值按正弦規(guī)律變化。鑒幅型系統(tǒng)用的差值按正弦規(guī)律變化。鑒幅型系統(tǒng)用于數(shù)控機(jī)床閉環(huán)系統(tǒng)中時，當(dāng)工作臺未達(dá)到指令要求值時，于數(shù)控機(jī)床閉環(huán)系統(tǒng)中時，

39、當(dāng)工作臺未達(dá)到指令要求值時，即即 ，定尺上的感應(yīng)電壓，定尺上的感應(yīng)電壓 。該電壓經(jīng)過檢波放大。該電壓經(jīng)過檢波放大后控制伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶動機(jī)床工作臺移動。當(dāng)工作臺移動到后控制伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶動機(jī)床工作臺移動。當(dāng)工作臺移動到 時時 ，定尺上的感應(yīng)電壓，定尺上的感應(yīng)電壓 ，工作臺停止運(yùn)動。，工作臺停止運(yùn)動。)(1電x)(機(jī)x1xx 00U1xx 00U（三）感應(yīng)同步器的特點(diǎn)：（三）感應(yīng)同步器的特點(diǎn)：（1）精度高精度高。感應(yīng)同步器直接對機(jī)床工作臺的位移進(jìn)行測量，。感應(yīng)同步器直接對機(jī)床工作臺的位移進(jìn)行測量，其測量精度只受本身精度限制。另外，定尺的節(jié)距誤差有平均補(bǔ)其測量精度只受本身精度限制。另外，定尺的節(jié)距誤

40、差有平均補(bǔ)償作用，定尺本身的精度能做得很高，其精度可以達(dá)到償作用，定尺本身的精度能做得很高，其精度可以達(dá)到0.001mm，重復(fù)精度可達(dá)，重復(fù)精度可達(dá)0.002mm。（2）工作可靠，抗干擾能力強(qiáng)工作可靠，抗干擾能力強(qiáng)。在感應(yīng)同步器繞組的每個周期。在感應(yīng)同步器繞組的每個周期內(nèi)測量信號與絕對位置有一一對應(yīng)的單值關(guān)系，不受干擾的影響。內(nèi)測量信號與絕對位置有一一對應(yīng)的單值關(guān)系，不受干擾的影響。（3）維護(hù)簡單，壽命長維護(hù)簡單，壽命長。定尺和滑尺之間無接觸磨損，在機(jī)床。定尺和滑尺之間無接觸磨損，在機(jī)床上安裝簡單。上安裝簡單。（4）測量距離長測量距離長?？梢愿鶕?jù)測量長度需要，將多塊定尺拼接成?？梢愿鶕?jù)測量長度

41、需要，將多塊定尺拼接成所需要的長度，就可測量長距離位移，適合于大、中型數(shù)控機(jī)床。所需要的長度，就可測量長距離位移，適合于大、中型數(shù)控機(jī)床。（5）成本低，易于生產(chǎn)成本低，易于生產(chǎn)。（6）與旋轉(zhuǎn)變壓器相比，感應(yīng)同步器的輸出信號比較微弱，需）與旋轉(zhuǎn)變壓器相比，感應(yīng)同步器的輸出信號比較微弱，需要一個放大倍數(shù)很高的前置放大器。要一個放大倍數(shù)很高的前置放大器。u光柵傳感器光柵傳感器 光柵用于數(shù)控機(jī)床作為檢測裝置，已有幾十年的歷史，光柵用于數(shù)控機(jī)床作為檢測裝置，已有幾十年的歷史，用以測量長度、角度、速度、加速度、振動和爬行等。它是用以測量長度、角度、速度、加速度、振動和爬行等。它是數(shù)控機(jī)床閉環(huán)系統(tǒng)用得較多的

42、一種檢測裝置。數(shù)控機(jī)床閉環(huán)系統(tǒng)用得較多的一種檢測裝置。 在高精度的數(shù)控機(jī)床上，可以使用光柵作為位置檢測裝在高精度的數(shù)控機(jī)床上，可以使用光柵作為位置檢測裝置，將機(jī)械位移轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖，反饋給置，將機(jī)械位移轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖，反饋給CNC裝置，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)裝置，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。由于激光技術(shù)的發(fā)展，光柵制作精度得到很大的提高，控制。由于激光技術(shù)的發(fā)展，光柵制作精度得到很大的提高，現(xiàn)在光柵精度可達(dá)微米級，再通過細(xì)分電路可以做到現(xiàn)在光柵精度可達(dá)微米級，再通過細(xì)分電路可以做到0.1m甚甚至更高的分辨率至更高的分辨率。 （一）光柵的種類（一）光柵的種類 根據(jù)形狀可分為根據(jù)形狀可分為圓光柵圓光柵和和長光柵長光柵。長光柵

43、主要用于測。長光柵主要用于測量直線位移；圓光柵主要用于測量角位移。量直線位移；圓光柵主要用于測量角位移。 根據(jù)光線在光柵中是反射還是透射分為根據(jù)光線在光柵中是反射還是透射分為透射光柵透射光柵和和反射反射光柵光柵。透射光柵的基體為光學(xué)玻璃，反射光柵的基體為不。透射光柵的基體為光學(xué)玻璃，反射光柵的基體為不銹鋼帶。銹鋼帶。 （二）光柵檢測裝置的結(jié)構(gòu)（二）光柵檢測裝置的結(jié)構(gòu) 由光源、透鏡、由光源、透鏡、標(biāo)尺光柵標(biāo)尺光柵，指示光柵指示光柵、光電轉(zhuǎn)換元件、光電轉(zhuǎn)換元件（讀數(shù)頭）和測量電路組成。（讀數(shù)頭）和測量電路組成。 光柵由標(biāo)尺光柵和指示光柵兩部分組成。光柵由標(biāo)尺光柵和指示光柵兩部分組成。標(biāo)尺光柵標(biāo)尺光

44、柵一般安裝在機(jī)床活動部件上一般安裝在機(jī)床活動部件上（如工作臺上或絲杠上），（如工作臺上或絲杠上），光柵讀數(shù)頭光柵讀數(shù)頭安裝在機(jī)床固定部件上（如機(jī)床底座安裝在機(jī)床固定部件上（如機(jī)床底座上）。上）。指示光柵指示光柵裝在光柵讀數(shù)頭中。當(dāng)裝在光柵讀數(shù)頭中。當(dāng)光柵讀數(shù)頭相對于標(biāo)尺光柵移動時，指光柵讀數(shù)頭相對于標(biāo)尺光柵移動時，指示光柵便在標(biāo)尺光柵上相對移動。標(biāo)尺示光柵便在標(biāo)尺光柵上相對移動。標(biāo)尺光柵和指示光柵構(gòu)成了光柵尺。光柵和指示光柵構(gòu)成了光柵尺。標(biāo)尺柵和指示光柵上均勻刻有很多條紋，從局部放大部分看，黑的部分標(biāo)尺柵和指示光柵上均勻刻有很多條紋，從局部放大部分看，黑的部分為不透光寬度（縫隙寬度）為不透光寬

45、度（縫隙寬度）a，白的部分為透光寬度，白的部分為透光寬度(刻線寬度刻線寬度)b，設(shè)柵，設(shè)柵距為距為d，則，則da+b。通常情況下，。通常情況下，ab。123546驅(qū)動線路1 1光源；光源；2 2透鏡；透鏡；3 3標(biāo)尺光柵；標(biāo)尺光柵；4 4指示光柵；指示光柵；5 5光電元件；光電元件；6 6驅(qū)動線路驅(qū)動線路 光柵讀數(shù)頭又叫光電轉(zhuǎn)換器，它把光柵莫爾條紋變成電信光柵讀數(shù)頭又叫光電轉(zhuǎn)換器，它把光柵莫爾條紋變成電信號。如圖號。如圖 所示為垂直入射讀數(shù)頭。讀數(shù)頭由所示為垂直入射讀數(shù)頭。讀數(shù)頭由光源光源、聚光鏡聚光鏡、指示光柵指示光柵、光敏元件光敏元件和和驅(qū)動電路驅(qū)動電路等組成。等組成。(a) 透射光柵透射

46、光柵 (b) 反射光柵反射光柵1G2G(三三)光柵測量裝置光柵測量裝置 圖中圖中Q表示光源，表示光源，L表示透鏡，表示透鏡， 表示標(biāo)尺光柵，表示標(biāo)尺光柵， 表示指示表示指示光柵，光柵，P表示光電元件。表示光電元件。(四四)莫爾條紋莫爾條紋若標(biāo)尺光柵和指示光柵的柵距相等，若標(biāo)尺光柵和指示光柵的柵距相等，指示光柵指示光柵在其自身平面內(nèi)相對于在其自身平面內(nèi)相對于標(biāo)尺光柵標(biāo)尺光柵傾斜一個很小的角度，兩塊光柵的刻線就會相交。當(dāng)燈光通傾斜一個很小的角度，兩塊光柵的刻線就會相交。當(dāng)燈光通過聚光鏡呈平行光線垂直照射在標(biāo)尺光柵上，在兩塊光柵線相交的鈍過聚光鏡呈平行光線垂直照射在標(biāo)尺光柵上，在兩塊光柵線相交的鈍角

47、平分線上，出現(xiàn)明暗交替、間隔相等的粗短條紋，稱之為角平分線上，出現(xiàn)明暗交替、間隔相等的粗短條紋，稱之為莫爾條紋。莫爾條紋。兩條亮紋或兩條暗紋之間的距離稱為兩條亮紋或兩條暗紋之間的距離稱為莫爾條紋的寬度莫爾條紋的寬度，以，以w表示。表示。由于由于 角很小，所以莫爾條紋近似垂直于光柵的線紋，故有時稱角很小，所以莫爾條紋近似垂直于光柵的線紋，故有時稱莫爾條紋為莫爾條紋為橫向莫爾條紋。橫向莫爾條紋。 當(dāng)光柵移動一個柵距當(dāng)光柵移動一個柵距d 時，莫爾條紋也相應(yīng)移動一個莫爾條紋時，莫爾條紋也相應(yīng)移動一個莫爾條紋寬度寬度w；若光柵移動方向相反，則莫爾條紋移動方向也相反。莫爾；若光柵移動方向相反，則莫爾條紋移

48、動方向也相反。莫爾條紋移動方向與兩光柵夾角條紋移動方向與兩光柵夾角的平分線平行。這樣，測量光柵水平方的平分線平行。這樣，測量光柵水平方向移動的微小距離就可用檢測莫爾條紋移動的變化代替。向移動的微小距離就可用檢測莫爾條紋移動的變化代替。a、莫爾條紋具有放大作用。、莫爾條紋具有放大作用。 1wkd2、莫爾條紋的特點(diǎn)：、莫爾條紋的特點(diǎn)：1、莫爾條紋測量原理、莫爾條紋測量原理傾斜角的小時，莫爾條紋寬度傾斜角的小時，莫爾條紋寬度w與柵距與柵距d之間有如下關(guān)系之間有如下關(guān)系22ddwsin若取若取d為為0.01mm， 為為0.01rad，則，則wlmm，k100。 用光的干涉現(xiàn)象，就能把光柵的柵距用光的干

49、涉現(xiàn)象，就能把光柵的柵距d 轉(zhuǎn)換成放大轉(zhuǎn)換成放大100倍的莫爾倍的莫爾條紋寬度條紋寬度w。 b、具有誤差均化作用。、具有誤差均化作用。 c、利用莫爾條紋測量位移。、利用莫爾條紋測量位移。 莫爾條紋是由大量光柵線紋干涉共同形成的，使得柵距之莫爾條紋是由大量光柵線紋干涉共同形成的，使得柵距之間的相鄰誤差被平均化了間的相鄰誤差被平均化了,消除了由光柵線紋的制造誤差導(dǎo)致消除了由光柵線紋的制造誤差導(dǎo)致的柵距不均勻而造成的測量誤差。的柵距不均勻而造成的測量誤差。 莫爾條紋的移動與柵距之間的移動成比例。當(dāng)干莫爾條紋的移動與柵距之間的移動成比例。當(dāng)干涉條紋移動一個柵距時，莫爾條紋也移動一個莫爾條涉條紋移動一個

50、柵距時，莫爾條紋也移動一個莫爾條紋寬度紋寬度W，若光柵移動方向相反，則莫爾條紋移動的，若光柵移動方向相反，則莫爾條紋移動的方向也相反。莫爾條紋的移動方向與光柵移動方向相方向也相反。莫爾條紋的移動方向與光柵移動方向相垂直。這樣測量光柵水平方向移動的微小距離就用檢垂直。這樣測量光柵水平方向移動的微小距離就用檢測垂直方向的寬大的莫爾條紋的變化代替。測垂直方向的寬大的莫爾條紋的變化代替。 光柵測量系統(tǒng)光柵測量系統(tǒng) 標(biāo)尺光柵移動過程中，莫爾條紋由亮帶到暗帶，再由暗帶到亮帶，相互標(biāo)尺光柵移動過程中，莫爾條紋由亮帶到暗帶，再由暗帶到亮帶，相互交替出現(xiàn)，透過的光強(qiáng)度分布近似于余弦曲線，光電元件接收到的光通交替

51、出現(xiàn)，透過的光強(qiáng)度分布近似于余弦曲線，光電元件接收到的光通量也大小交替出現(xiàn)，產(chǎn)生了近似正弦曲線的電壓信號。這樣的信號，只量也大小交替出現(xiàn)，產(chǎn)生了近似正弦曲線的電壓信號。這樣的信號，只能用于計數(shù)，而不能辨別方向。實(shí)際應(yīng)用中，即要求有較高的檢測精度，能用于計數(shù)，而不能辨別方向。實(shí)際應(yīng)用中，即要求有較高的檢測精度，又能辨別方向。為了達(dá)到這種要求，通常使用倍頻電路實(shí)現(xiàn)。又能辨別方向。為了達(dá)到這種要求，通常使用倍頻電路實(shí)現(xiàn)。 (a) 電路圖電路圖 (b) 波形圖波形圖光柵測量系統(tǒng)四倍頻電路光柵測量系統(tǒng)四倍頻電路鑒向倍頻電路鑒向倍頻電路不僅可以起到辨別方向的作用，它還可以起到細(xì)分的作用，以不僅可以起到辨別

52、方向的作用，它還可以起到細(xì)分的作用，以提高光柵的分辨率。從上面的分析可知，從莫爾條紋原來一個周期內(nèi)輸出一提高光柵的分辨率。從上面的分析可知，從莫爾條紋原來一個周期內(nèi)輸出一個脈沖信號變?yōu)橐粋€周期內(nèi)輸出個脈沖信號變?yōu)橐粋€周期內(nèi)輸出4 4個脈沖。這樣，分辨率提高了個脈沖。這樣，分辨率提高了4 4倍。光柵測倍。光柵測量系統(tǒng)的分辨率取決于光柵柵距量系統(tǒng)的分辨率取決于光柵柵距d d和鑒向倍頻的倍數(shù)和鑒向倍頻的倍數(shù)n n，即，即分辨率為分辨率為2 2d d/ /n n。第四節(jié)第四節(jié) 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)伺服驅(qū)動系統(tǒng)接收來自CNC裝置（插補(bǔ)裝置或插補(bǔ)軟件）的進(jìn)給指令脈沖，經(jīng)過一定的信號

53、變換及電壓、功率放大，再驅(qū)動各加工坐標(biāo)軸按指令脈沖運(yùn)動，使刀具相對于工件產(chǎn)生各種復(fù)雜的機(jī)械運(yùn)動，加工出所要求的復(fù)雜形狀工件。 數(shù)控機(jī)床伺服驅(qū)動系統(tǒng)是以機(jī)床移動部件的位置和速度為控制量的自動控制系統(tǒng)，又稱隨動系統(tǒng) 主軸運(yùn)動和伺服進(jìn)給運(yùn)動是機(jī)床的基本成形運(yùn)動 (一)伺服系統(tǒng)的基本要求伺服系統(tǒng)的基本要求 （l l） 高精度高精度（2 2） 穩(wěn)定性好穩(wěn)定性好 （3 3） 響應(yīng)速度快，無超調(diào)響應(yīng)速度快，無超調(diào)（4 4） 電機(jī)調(diào)速范圍寬電機(jī)調(diào)速范圍寬 （5 5） 低速大轉(zhuǎn)矩低速大轉(zhuǎn)矩 （6 6） 可靠性高可靠性高( (二二) )步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動控制系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動控制系統(tǒng) 步進(jìn)電機(jī)是一種用電脈沖信號進(jìn)

54、行控制、并將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成步進(jìn)電機(jī)是一種用電脈沖信號進(jìn)行控制、并將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移的執(zhí)行器，也稱相應(yīng)的角位移的執(zhí)行器，也稱脈沖電機(jī)脈沖電機(jī)。 步距角步距角：每給步進(jìn)電機(jī)輸入一個電脈沖信號，其轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過一個角度：每給步進(jìn)電機(jī)輸入一個電脈沖信號，其轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過一個角度 位移量與位移量與電脈沖數(shù)電脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與電脈沖信號輸入的成正比，轉(zhuǎn)速與電脈沖信號輸入的頻率頻率成正比，通成正比，通過過改變頻率改變頻率就可以調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速就可以調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速 （1）步進(jìn)電機(jī)的分類）步進(jìn)電機(jī)的分類 （2）步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理）步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理 單定子徑向分相反應(yīng)式伺服單定子徑向分相反應(yīng)式伺服

55、 步進(jìn)電機(jī)的齒距步進(jìn)電機(jī)的齒距 步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖步進(jìn)電機(jī)的工作原理實(shí)際上是步進(jìn)電機(jī)的工作原理實(shí)際上是電磁鐵電磁鐵的作用原理。的作用原理。 五定子軸向分相反應(yīng)式伺服五定子軸向分相反應(yīng)式伺服 步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖 步進(jìn)電機(jī)工作原理圖步進(jìn)電機(jī)工作原理圖 ABCA的順序控制步進(jìn)電機(jī)繞組的通斷電的順序控制步進(jìn)電機(jī)繞組的通斷電 （3）步進(jìn)電機(jī)的主要特性）步進(jìn)電機(jī)的主要特性 步進(jìn)電機(jī)步距角與定子繞組的相數(shù)、轉(zhuǎn)子的齒數(shù)步進(jìn)電機(jī)步距角與定子繞組的相數(shù)、轉(zhuǎn)子的齒數(shù)z、通電、通電方式方式k有關(guān)，可用下式表示：有關(guān)，可用下式表示： =360/(mzk) 式中單拍通電，式中單拍通電，

56、k=1；雙拍通電時，；雙拍通電時，k=2 步距角步距角 maxjMqM 矩角特性、最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩矩角特性、最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩和啟動轉(zhuǎn)矩和啟動轉(zhuǎn)矩 三相步進(jìn)電機(jī)各相矩角特性三相步進(jìn)電機(jī)各相矩角特性 啟動頻率啟動頻率qf和啟動時慣性特性和啟動時慣性特性 運(yùn)行矩頻特性運(yùn)行矩頻特性 加減速特性加減速特性（4） 步進(jìn)電機(jī)的環(huán)形分配器步進(jìn)電機(jī)的環(huán)形分配器步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動控制由步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動控制由環(huán)形分配器環(huán)形分配器和和功率放大器功率放大器組成組成 主要功能主要功能是將數(shù)控系統(tǒng)送來的一串指令脈沖，按步進(jìn)電機(jī)所要求是將數(shù)控系統(tǒng)送來的一串指令脈沖，按步進(jìn)電機(jī)所要求的通電順序分配給步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電源的各相繞組輸入端，以控的

57、通電順序分配給步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電源的各相繞組輸入端，以控制勵磁繞組的通斷，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行及換向。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)在制勵磁繞組的通斷，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行及換向。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)在一個方向上連續(xù)運(yùn)行時，其各相通、斷的脈沖分配是一個循環(huán)，一個方向上連續(xù)運(yùn)行時，其各相通、斷的脈沖分配是一個循環(huán)，因此稱為因此稱為環(huán)形分配器環(huán)形分配器。 硬件環(huán)形分配器硬件環(huán)形分配器步進(jìn)電機(jī)的環(huán)形分配器與驅(qū)動器步進(jìn)電機(jī)的環(huán)形分配器與驅(qū)動器 軟件環(huán)形分配器軟件環(huán)形分配器軟件環(huán)形分配指由數(shù)控系統(tǒng)中的計算機(jī)軟件完成環(huán)形分配的任務(wù)，直軟件環(huán)形分配指由數(shù)控系統(tǒng)中的計算機(jī)軟件完成環(huán)形分配的任務(wù)，直接驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)各繞組的通、斷電。用軟件環(huán)形分配器

58、只需編制不同接驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)各繞組的通、斷電。用軟件環(huán)形分配器只需編制不同的環(huán)形分配程序，將其存入數(shù)控系統(tǒng)的的環(huán)形分配程序，將其存入數(shù)控系統(tǒng)的EPPROM中即可。中即可。 （5） 功率放大電路功率放大電路 高低壓驅(qū)動電路高低壓驅(qū)動電路 恒流斬波驅(qū)動電路恒流斬波驅(qū)動電路 調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動電路調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動電路 細(xì)分驅(qū)動電路細(xì)分驅(qū)動電路（三）直流伺服電機(jī)及其調(diào)速（三）直流伺服電機(jī)及其調(diào)速（1）直流伺服電機(jī)特性與類型）直流伺服電機(jī)特性與類型 改進(jìn)型直流伺服電機(jī)改進(jìn)型直流伺服電機(jī) 小慣量直流伺服電機(jī)小慣量直流伺服電機(jī) 永磁式直流伺服電機(jī)永磁式直流伺服電機(jī)（2）直流伺服電機(jī)的調(diào)速原理與方法）直流伺服電機(jī)的調(diào)速原

59、理與方法aaam0m22EETETURRnTnTCC CC C調(diào)速可有三種方法：調(diào)速可有三種方法： 改變改變aU 改變磁通量改變磁通量 改變電樞電路改變電樞電路的電阻的電阻 aR（常用）（常用）0aEUnCaaaaUEIRaEnmTaECTCI（3）直流伺服電機(jī)的調(diào)速）直流伺服電機(jī)的調(diào)速 晶閘管（晶閘管（Semiconductor Control Rectifier,簡稱簡稱SCR）調(diào)速系統(tǒng)）調(diào)速系統(tǒng)晶體管脈寬調(diào)制（晶體管脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation,簡稱簡稱PWM）系統(tǒng)兩類）系統(tǒng)兩類 所謂脈寬調(diào)制所謂脈寬調(diào)制，就是使功率晶體管工作于開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)頻率，就是使功率晶體

60、管工作于開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)頻率保持恒定，用改變開關(guān)導(dǎo)通時間的方法來調(diào)整晶體管的輸出，保持恒定，用改變開關(guān)導(dǎo)通時間的方法來調(diào)整晶體管的輸出，使電機(jī)兩端得到寬度隨時間變化的電壓脈沖。當(dāng)開關(guān)在每一周使電機(jī)兩端得到寬度隨時間變化的電壓脈沖。當(dāng)開關(guān)在每一周期內(nèi)的導(dǎo)通時間隨時間發(fā)生連續(xù)地變化時，電機(jī)電樞得到的電期內(nèi)的導(dǎo)通時間隨時間發(fā)生連續(xù)地變化時，電機(jī)電樞得到的電壓的平均值也隨時間連續(xù)地發(fā)生變化，而由于內(nèi)部的續(xù)流電路壓的平均值也隨時間連續(xù)地發(fā)生變化，而由于內(nèi)部的續(xù)流電路和電樞電感的濾波作用，電樞上的電流則連續(xù)地改變，從而達(dá)和電樞電感的濾波作用，電樞上的電流則連續(xù)地改變，從而達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。到調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)