数控机床各组成部分结构及控制原理

F≥0，则进给＋x 若
F<0，则进给＋y
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用递推法简化计算方法
结论：第一象限
F 0 F 0
x y
F F ye F F xe
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3. 终点判别
总步长法：N X e Ye
单边计数法：N maxXe , Ye
坐标计数法 长边坐标计数法
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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。
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3.刀具半径补偿计算
直线刀具补偿计算（考虑推导过程） X’＝X+△X Y’＝Y+△Y △X＝r.sinα △Y＝－r.cosα X’＝X+r.Y/（X2+Y2）0.5 Y’＝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。
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4. 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。
2 数控机床各组成部分的结构及其控制原理
课程内容
❖ 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
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2.1 数控系统的控制原理
❖ 偏差判别 ❖ 进给 ❖ 偏差计算 ❖ 终点判别
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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/Ye y.Xe-x.Ye=0，
❖ 令 F y xe x ye
F称为偏差函数
Y
E（Xe，Ye）
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
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1. 脉冲编码器
数控钻床 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。
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❖ 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。
偏差判别
进給
偏差计算
判终
F00 0
X
F10 F00 ye 0 3 3 J=8－1＝7
F10 0
Y
F11 3 5 2
J=6
Y
F11 0
X
F21 2 3 1
比值的最大值为1，最小值为
（2 1～0.707）
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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。
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❖
9、 人的价值，在招收诱惑的一瞬间被决定 。21.6.321.6.3T hursday, June 03, 2021
❖
10、低头要有勇气，抬头要有低气。13:16:4913:16:4913:166/3/2021 1:16:49 PM
正余弦旋转变压器结构原理图
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4. 感应同步器
定尺绕组上的感应电势为
VB KVS cos KVm cos sin t （4? 15） 式中K——耦合系数；
Vm —VS的幅值
反映的是定尺和滑尺的相对移动的距离x，有公式表示
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 VB 的 值，便可求出 角，进而求得滑尺相对 于定尺移动的距离x。
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CNC装置的工作原理
G01 XA YA
译 XB 刀具 XC 插补 △X1
码 YB 补偿 YC
△Y1
位置 △X2 控制 △Y2
一个脉冲 当量
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2.3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
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
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1．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.T
2．插补运算时间
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2．4 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
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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
❖
11、人总是珍惜为得到。21.6.313:16:4913:16Jun-213-Jun-21
❖
12、人乱于心，不宽余请。13:16:4913:16:4913:16Thursday, June 03, 2021
❖
13、生气是拿别人做错的事来惩罚自 己。21.6.321.6.313:16:4913:16:49June 3, 2021
?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
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。
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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
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2. 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
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。
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❖
14、抱最大的希望，作最大的努力。2021年6月3日 星期四 下午1时 16分49秒13:16:4921.6.3
❖
15、一个人炫耀什么，说明他内心缺 少什么 。。2021年6月 下午1时16分21.6.313:16June 3, 2021
❖
16、业余生活要有意义，不要越轨。2021年6月3日 星期四1时16分 49秒13:16:493 June 2021
❖
11、人总是珍惜为得到。21.6.313:16:4913:16Jun-213-Jun-21
❖
12、人乱于心，不宽余请。13:16:4913:16:4913:16Thursday, June 03, 2021
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13、生气是拿别人做错的事来惩罚自 己。21.6.321.6.313:16:4913:16:49June 3, 2021
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2. 光栅位置检测装置
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光栅尺
光栅
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❖ 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。
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3. 旋转变压器
转子绕组Z1Z2、Z3Z4中所产生的电压分别为 UZ12 kuU1 cos
UZ 34 kuU1 sin
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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）
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2.2 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）
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功能模块式全功能型车床数控系统框图
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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
J=5
F21 0
Y
F22 1 5 4
J=4
F22 0
X
F32 4 3 1
J=3
F32 0
X
F42 1 3 2
J=2
O
F42 0
Y
F43 2 5 3
J=1
F43 0
X
F53 3 3 0
J=0
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E(5,3)
X Y
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逐点比较法的合成进给速度
合成进給速度 v vx2 v2 y
N（x，y）
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0
X5
2. 偏差计算和进给
N在OE上方 N在OE下方 N于OE重合
tg
tg
，
0
y x
ye xe
.
tg
tg
，
0
y x
ye xe
.
tg＝tg
，
0
y＝ ye x xe
.
y xe ye x 0. F 0 y xe ye x 0. F 0 y xe ye x＝0. F＝0
❖
17、一个人即使已登上顶峰，也仍要 自强不 息。下 午1时16分49秒 下午1时16分13:16:4921.6.3
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❖
9、 人的价值，在招收诱惑的一瞬间被决定 。21.6.321.6.3T hursday, June 03, 2021
❖
10、低头要有勇气，抬头要有低气。13:16:4913:16:4913:166/3/2021 1:16:49 PM
❖
17、一个人即使已登上顶峰，也仍要 自强不 息。下 午1时16分49秒 下午1时16分13:16:4921.6.3
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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
❖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：
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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。
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
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❖ 2．位置检测装置的分类
数字式测量 模拟式测量
增量式测量 绝对式测量
直接测量 间接测量
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❖ 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。
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）
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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：
❖
14、抱最大的希望，作最大的努力。2021年6月3日 星期四 下午1时 16分49秒13:16:4921.6.3
❖
15、一个人炫耀什么，说明他内心缺 少什么 。。2021年6月 下午1时16分21.6.313:16June 3, 2021
❖
16、业余生活要有意义，不要越轨。2021年6月3日 星期四1时16分 49秒13:16:493 June 2021
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
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3．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＝4ms
4．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
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数控机床伺服驱动系统分类
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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
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全数字伺服系统
伺服系统常用的驱动元件