数控机床常用检测装置
4-1 数控机床常用传感器
Es = KUs sin(90o −θ ) = KUm sinα sin wt cosθ 感应电势： 感应电势： Ec = KUc sin(−θ ) = −KUm cosα cos wt sinθ
S1 Us C2 Uc S2
光电转换原理。 光电转换原理。
莫尔条纹
P— 栅距 W— 莫尔条纹宽度
3.莫尔条纹性质 3.莫尔条纹性质
i）平行光照射光栅时，莫尔条纹由亮带到暗带，再由暗带 平行光照射光栅时，莫尔条纹由亮带到暗带， 到亮带透过的光强度分布近似于余弦函数。 到亮带透过的光强度分布近似于余弦函数。 ii）放大作用： （Ｗ＝P/sinθ） ii）放大作用： （Ｗ＝P/sinθ P/sin iii）均化误差作用 iii）
五.光栅 光栅
位置检测装置． 位置检测装置．将机械位移或者模拟量转变为数字脉 反馈给数控装置，实现闭环控制． 冲，反馈给数控装置，实现闭环控制．
1.结构和种类 1.结构和种类
包括： 包括： 标尺光栅: 标尺光栅:固定在机床活动部件上 指示光栅: 指示光栅:安装在读数头内
光栅读数头示意图
2.原理 2.原理
1. 结构
利用互感原理工作
在结构上与二相线绕式异 步电动机相似， 步电动机相似，由定子和 转子组成。 转子组成。
间接测量角位移
2.基本工作原理 2.基本工作原理
Us
Us = Um sin ω t
S1
S2
U B = KU s sin θ = KU m sin θ sin ω t
θ B2
B1
Z
按工作方式分为鉴相式和鉴幅式
四. 绝对值编码器
数控机床填空题及判断
基本概念1.NC机床的含义是数控机床，CNC机床的含义是计算机数字控制机床，FMS的含义是柔性制造系统, CIMS的含义是计算机集成制造系统。
2.数控机床按控制运动轨迹可分为点位控制、点位直线控制和轮廓控制等几种。
按控制方式又可分为开环控制、闭环控制和半闭环控制等。
3.数控机床的进给伺服系统可以分为开环控制系统、半闭环控制系统和闭环控制系统。
4机电一体化系统的设计过程，主要包括系统总体设计、机械结构设计、控制系统设计、软件设计等几个方面。
编程1.数控机床坐标系三坐标轴X、Y、Z及其正方向用右手定则判定，X、Y、Z各轴的回转运动及其正方向+A、+B、+C分别用右手螺旋判断。
2.在数控机床坐标系中，绕平行于X、Y和Z轴的回转运动的轴，分别称为 A 轴、B轴和 C轴。
3.以下常用G代码含义分别是：（1）G01 直线插补指令，G02 顺时针圆弧插补（2）G17 XY平面选择（3）G42 刀具右补偿（2）G41 刀具左补偿6.数控铣床中以下常用G代码含义分别是：（1）G00 点定位（2）G18 ZX平面选择（3）G41 刀具左补偿数控车床中以下常用G代码含义分别是：（4）G98 指定每分钟移动量（5）G50 主轴最高转速设置4.数控机床的坐标联动数是指数控装置控制的坐标轴同时到达空间某一点的坐标数若G01X50Y126Z200A60F90S500是一合法程序段，说明此机床数控系统能控制的联动坐标数为4轴以上。
5.在数控编程时，使用刀具半径补偿指令后，就可以按工件的轮廓尺寸进行编程，而不需按照刀具的中心线运动轨迹来编程。
7.轮廓控制中，为了保证一定的精度和编程方便，通常需要有刀具半径和长度补偿功能。
8.APT（自动编程系统）中，刀具运动轨迹由1）零件面 2）驱动面 3）检查面三个面控制。
1.数控加工的编程方法主要有_手工编程_和__自动编程_两大类。
3.编程时的数值计算，主要是计算零件的__基点和__节点__的坐标，或刀具中心轨迹的__对刀点_和__换位点__的坐标。
第4章 数控机床伺服系统
第4章 数控机床伺服系统
第4章 数控机床伺服系统 工作原理：假设是单三拍通电工作方式。 （1）A 相通电时，定子A 相的五个小齿和转子对 齐。此时，B 相和 A 相空间差120，含 1 120/9 = 13 齿 3 2 A 相和 C 相差240，含240/ 9 = 26 个 3 齿。所以，A 相的转子、定子的五个小齿对 齐时，B 相、C 相不能对齐，B相的转子、 定子相差 1/3 个齿（3），C相的转子、定 子相差2/3个齿（6）。
mz2 k
式中：n —转速（r/min）； f —控制脉冲频率，即每秒输入步进电动机的脉冲数； 由上式可知：工作台移动的速度由指令脉冲的频率所控制。
第4章 数控机床伺服系统 特点：
(1)来一个脉冲，转一个步距角。
(2)控制脉冲频率，可控制电机转速。
(3)改变脉冲顺序，改变方向。
种类：
有励磁式和反应式两种。两种的区别在于励磁式步进电机的转 子上有励磁线圈，反应式步进电机的转子上没有励磁线圈。
第4章 数控机床伺服系统
计算机数控系统 机床 I/O 电路和装置 操作面板 键盘 输入输出 设备 机 床
PLC
计算机 数 装 控 置
主轴伺服单元
主轴驱动装置
进给伺服单元 测量装置
进给驱动装置
主进辅 运给助 传控 动 动制 机机机 构构构
数控机床的组成
第4章 数控机床伺服系统
第4章
数控机床伺服系统
第4章 数控机床伺服系统
360o s mz2 k
第4章 数控机床伺服系统
每个步距角对应工作台一个位移值，这个位移值称为脉 冲当量。 因此，只要控制指令脉冲的数量即可控制工作台移动的 位移量。步距角越小，它所达到的位置精度越高，因此实际 使用的步进电动机一般都有较小的步距角。 步进电动机的转速公式为：n 60 f
数控机床电气控制试题库及答案
开设系部：数控技术系课程：《数控机床电气控制》一，填空题 81第一章1．按国标规定，“停止”按钮必须是色，“启动”按钮必须是色。
章节： 1.4题型：填空题难度系数：3答案：红色绿色2．当电路正常工作时，熔断器熔体允许长期通过1.2倍的额定电流而不熔断。
当电路发生_______或＿＿＿＿时，熔体熔断切断电路。
章节： 1.3题型：填空题难度系数：3答案：短路严重过载3．电磁式继电器按照励磁线圈电流的种类可分为和。
章节： 1.2题型：填空题难度系数：3答案：直流继电器交流继电器4．电磁铁的种类按电流性质分和。
章节： 1.5题型：填空题难度系数：4答案：直流交流5．选择接触器时应从其工作条件出发，控制交流负载应选用_________；控制直流负载则选用__________。
章节： 1.1题型：填空题难度系数：3答案：交流接触器直流接触器6．中间继电器的作用是将一个输入信号__________输出信号或将信号_____________。
章节： 1.2题型：填空题难度系数：4答案：转换放大7．电器按动作原理分为和。
章节： 1.1题型：填空题难度系数：4答案：手动电器自动电器8．接触器选用时，其主触点额定工作电压应____或____负载电路电压。
章节： 1.1题型：填空题难度系数：5答案：大于等于9．接触器主要组成部分有、、灭弧装置，具有控制和保护作用。
章节： 1.1题型：填空题难度系数：4答案：电磁结构触点系统10．空气阻尼式时间继电器主要由、和触点系统三部分。
章节： 1.2题型：填空题难度系数：4答案：电磁系统延时机构11．热继电器是对电动机进行保护的电器；熔断器是用于供电线路和电气设备的保护的电器。
章节： 1.2题型：填空题难度系数：3答案：长期过载短路12．热继电器是利用来切断电路的一种保护电器，它用作电动机的长期过载保护，不宜作为保护。
章节： 1.2题型：填空题难度系数：4答案：热敏元件短路13．熔断器用于各种电气电路中和保护。
第五章 数控机床的位置检测装置 曼初宏
第四节 光栅测量装置
2.光栅读数头 (1)分光读数头 如图5-15所示，从光源Q发出的光，经过透镜L1照 射到光栅G1和G2上形成莫尔条纹。 (2)垂直入射读数头 这种读数头主要用于每毫米25～125条刻线的 玻璃透射光栅测量装置，如图5-16所示。
图5-15 分光读数头
第四节 光栅测量装置
(3)反射读数头
图5-26 鉴相式测量检测电路框图
2.鉴幅式测量检测电路
第六节 编码器测量装置
一、光电式编码器的结构 光电式编码器是一种光电脉冲发生器，其最初结构就是一种光电 盘。它由光源、聚光镜、光电盘、分度狭缝、光电元件、数模转 换和方向辨别电路及数字显示装置等组成，如所示。
图5-27 光电式编码器测量装置
第六节 编码器测量装置
第五节 磁栅测量装置
图5-20 带状磁尺
第五节 磁栅测量装置
(4)圆形磁尺
图5-22 圆形磁尺
第五节 磁栅测量装置
2.磁头
图5-23 单磁头结构
第五节 磁栅测量装置
图5-24 双磁头结构
第五节 磁栅测量装置
三、磁栅测量装置的工作方式 磁栅测量是模拟测量，必须和检测电路配合才能实施检测。根据检 测方法的不同，磁栅测量可分为鉴相式测量和鉴幅式测量两种工作 方式，其中以鉴相式测量方式应用较多。 1.鉴相式测量检测电路
第一节 位置检测装置概述
2.按检测信号的选取形式不同分类 (1)数字式测量装置 该装置将被测位移量转换为脉冲个数，即数字 形式来表示。 (2)模拟式测量装置 该装置将被测位移量转换为连续变化的模拟电 量来表示，如电压变化、相位变化等，因此可直接对被测量进行检 测，无需量化处理；在小量程内可实现较高精度的测量，可用于直 接测量和间接测量。 3.按测量的绝对值不同分类 (1)增量式测量装置 它只测量相对位移量(位移增量)，即每移动一 个测量单位就发出一个测量信号。 (2)绝对式测量装置 对于被测量的任意点的位置，均由一个固定的 零点计算起，每一被测点都有一个相应的测量值。
数控机床精度检测装置及分析
控 机 床 上 通 常 使 用 光 电式 脉 冲编 码 器 。 数 控 机 床 的 定 位 精 度 和 加 工 精 度 在 很 （ ） 电 式 脉 冲 编 码 器 】光 大 的 程 度 上 取 决 于 检 测 装 置 的 精 度 。 它 的 光 电 式 脉 冲 编 码 器 可 分 为 增 量 式 脉 冲 作 用 是 检 测 位 移 量 ， 是 将 系 统 发 出 的 指 令 编 码 器 和 绝 对 式 脉 冲 编 码 器 。 信 号 位 置 与 实 际 反 馈 位 置 相 比 较 ， 用 其 差 光 电 脉 冲 编 码 器 是 按 它 每 转 发 出 的 脉 值 去 控 制 进 给 电 动 机 。 在 数 控 伺 服 系 统 冲数 的多 少 来 分 ，有几 种 型 号 ，数控 机 床 中 ，通 常 有两 种 反 馈 系 统 ：一 种 是 速 度 反 最常 用 的脉 冲编 码器 有 ２ ０ ０ ０脉 冲 ／ｒ ，每转 馈 系 统 ， 用 来 测 量 和 控 制 运 动 部 件 的 进 给 脉 冲 位 移 量 ／ ｍｍ 有 ２ ３ ４ ５ ８ ５０脉 冲 ／ ， ， ， ， ；２ ０ ； ａ ｒ ｌ ； ０ ０脉 速 度 ； 另 一种 是 位 置 反 馈 系统 ，用 来 测 量 ｒ 每 转 脉 冲 位 移 量 ／ ｍ 有 ５， ０ ３ ０ 和 控 制 运 动 部 件 的 位 移 量 。 而 实 际 反 馈 位 冲 ／ ，每转 脉 冲 位 移量 ／ｍｍ３ ６ ｌ ｒ ， ， ２。 置 的 采 集 ， 则 是 由 位 置 检 测 装 置 来 完 成 增 量 式 脉 冲 编 码 器 由 光 源 、 光 敏 元 的 。 这 些 检 测 装 置 有 脉 冲 编 码 器 、 旋 转 变 件 、 透 光 狭 缝 、 码 盘 基 片 、 光 桶 板 、 透 明 压 器 、感 应 同步 器 、 光栅 、 接 近 开 关 等 。 镜 、 Ａ／Ｄ 转 换 线 路 及 数 字 显 示 装 置 组 成 。 ２精度检测装置原理简述 绝 对 式 光 电 编 码 器 是 一 种 直 接 编 码 式 的 测 检 测 装 置 种 类 较 多 ， 现 以 绝 对 式 脉 冲 量 元 件 ， 通 过 读 取 编 码 盘 上 的 图 案 确 定 轴 编 码 器 的 接触 式四 位 绝 对 编 码盘 为 例 ，简 的 位 置 没 有 积 累 误 差 。 述 其 工 作 原 理 。 图 ａ是 绝 对 式 光 电编 码 器 （ ） 合 式 绝对 值 编 码 器 ２混 混 合 式 绝 对 值 编 码 器 是 把 增 量 制 码 与 的 结 构 图 。 图 ｂ是 一 个 四 位 二 进 制 编 码 盘 ， 涂 黑 部 分 是 导 电 的 ， 其 余 是 绝 缘 的 ， 码 盘 绝 对 制 码 同做 在 一 码 盘 上 。 圆 盘 的 最 外 圈 上 有 四 条 码 道 。 四 个 码 道 并 排 装 有 四 个 电 是 高 密 度 的 增 量 制 条 纹 ， 中 间 分 布 在 ４ 其 刷 ， 电 刷 经 电 阻 接 到 电 源 正 极 。 码 盘 最 里 圈 圆 环 上 有 ４个 二 进 制 位 循 环 码 ， 每 １ ／４ 面 的 一 圈 是 电 源负 极 （ 图 １ 。 如 ） 圆 由 ４位 二 进 制 循 环 码 分 割 成 ｌ ６个 等 分 位 由 于 制 造 精 度 和 安 装 质 量 或 工 作 过 程 置 。 在 圆 盘 最 里 圈 仍 有 发 一 转 信 号 的 窄 缝 中 意 外 因 素 ， 易 于 引 起 阅 读 错 误 。 为 此 绝 条 。由循 环码读 出的 ４ｘ ｌ ６个位 置 ／转 ，代 对 式 光 电 编 码 盘 大 多 采 用 格 雷 码 编 码 盘 ， 表 了 一 圈 的 粗 计 角 度 检 测 ， 它 和 交 流 伺 服 图 ｃ为 ４位 格 雷 码 盘 。 其 特 点 是 任 何 两 个 相 电 机 ４对 磁 极 的 结 构 相 对 应 ，可 实 现 对 交 邻数 码 间 只有一 位 是变 化 的 ， 这 样 即使制 流 伺 服 电 机 的 磁 场 位 置 进 行 有 效 的 控 制 。 作和 安 装 不 太 准 确 ，产 生 的 误 差 最 多也 只 ３． 其 它检测 装 置 ２ 是 最 低 位 的 一 位 数 。 还 可 消 除 非 单 值 性 误 旋 转 变 压 器 ， 是 一 种 控 制 用 的 微 电 动 差。 机 ， 将 机 械 转 角 变 换 成 与 该 转 角 呈 某 一 函 ３精度检测装 置 数 关 系 的 电 信 号 ， 工 作 原 理 和 普 通 变 压 器 ３． 脉 冲编 码器 检 测装 置 １ 基 本 相 似 。 结 构 简 单 ， 抗 干 扰 能 力 强 ， 工 脉 冲 编 码 器 ， 是 一 种 旋 转 式 脉 冲 发 生 作 可 靠 ， 动 作 灵 敏 ， 对 环 境 没 有 特 殊 要 求 ， 器 ， 能 把 机 械 转 角 变 成 电 脉 冲 。 是 数 控 机 般 用 于 精 度 要 求 不 高 机 床 的 粗 铡 及 中 测 床 上 使 用 最 多 的 角位 移 检 测 传 感 器 。编 码 系 统 。 器 除 了 可 以 测 量 角 位 移 外 ， 还 可 以 通 过 测 感 应 同 步 器 和 旋 转 变 压 器 均 为 电 磁 式 量 光 电 脉 冲 的 频 率 。 经 过 变 换 电 路 也 可 用 检 测 装 嚣 ， 二 者 工 作 原 理 相 同 ， 其 输 出 电 于速 度 检 测 ， 同时 作 为 速 度 检 测 装 置 。 压 随 被 测 直 线 位 移 或 角 位 移 而 改 变 。 主 要 脉 冲 编 码 器 可 分 为 光 电 式 、 接 触 式 和 部 件 包 括 定 尺 和 滑 尺 ， 定 尺 和 滑 尺 分 剐 安 电磁 感 应 式 三 种 。 从 精 度 和 可 靠 性 来 看 ， 装在 机 床 床 身 和 移 动 部件 上 。感 应 同 步 器 光 电 式 较 好 ， 光 电 式 脉 冲 编 码 器 可 以 用 于 角 度 检 测 ， 也 可 用 于 速 度 检 测 。 所 以 在 数
第5章 数控机床的检测装置要点
U1c＝Um（sinωt+π/2）＝Umcosωt 当转子正转时，这两个激磁电压在转子绕组中产生的 感应电压经叠加，得到转子的感应电压U2为
U 2 = kU1s sin + kU1c cos
CNC
5.2 旋转变压器
U2＝kUmsinωtsinθ＋kUmcosωtcosθ
CNC
5.4 光栅
通常意义上讲，光栅按用途分有两大类：
物 理光 栅（衍 射光栅 ）： 200～ 500 条/㎜，栅距 0.002～0.005㎜，主要是利用光的衍射原理，用于 光谱分析和光波波长的测定。
相同但幅值不同。
Vs = Vm sin sin t
Vc = Vm cos sin t
则在定尺绕组产生的总感应电压为
V2 = KVm sin sin t cos KVm cos sin t sin
＝ KV m sin ( )sin t
若电气角α已知，只要测出V2幅值，便能求出与位移对应 的角度θ。实际测量时，不断调整α ，让幅值为零。α 的变化量则代表θ对应的位移量，就可测得机械位移。
激磁
t
U2
输出
t
U 2 = KU m sin t sin
CNC
U 1c
5.2 旋转变压器
使用较广泛的为正余弦旋转变压器
U 1s
U 2 = kU1s sin + kU1c cos
主要内容
定子 1c
1ccos
θ
5° 4
1ssin
R
U 2 转子
1s
CNC
5.2 旋转变压器
1．鉴相工作方式 给定子的两个绕组通以相同幅值、相同频率，但相位
第6章 数控机床的检测装置
Ucm＝Umcosα
CNC
6.2 旋转变压器
转子正转时，U1s、U1c经叠加，转子感应电压U2为： U2＝kUmsinαsi主n要ω内ts容inθ＋k Umcosαsinωtcosθ
＝kUmcos（α－θ）sinωt 转子反转时，同理有：
就间接地测量了丝杠的直线位移（导程）的大小。
要检测工作台的绝对位置，需加一台绝对位置计数器， 累计所走的导程数，折算成位移总长度。
转子每转1周时，转子的输出电压将随旋转变压器的 极数不同而不止一次地通过零点，需加相敏检波器来 辨别转换点和区别不同的转向。
CNC
6.3 感应同步器
感应同步器和旋转变压器均为电磁式检测装置，属
多极对：增加定主子要内容 或转子极对数，使 电气转角为机械转 角的倍数，用于高 精度绝对式检测。
双极对：定子和转 子上各有两对相互 垂直的磁极，检测 精度较高，数控机 床中应用普遍。
CNC
6.2 旋转变压器
旋转变压器转子轴与电机轴或丝杠连接在一起，实 现电机轴或丝杠转角的测量。
主要内容
单极对：转子经精密齿轮升速后再与电机轴相联， 根据丝杠导程选用齿轮升速比（升速比通常为1:2、 1:3、1:4、2:3、1:5、2:5等），以保证机床的脉冲当 量与输入设定的单位相同。
U2＝ nUm sinωt sinθ
CNC
6.2 旋转变压器
单极型旋转变压器的定子和转子各有一对磁极， 假设加到定子绕组的励磁电压为U1，则转子通过 电磁耦合，产主生要内感容应电势U2。
U1 U m sin t
U 2 nU1 nU m sin t sin
Um—激磁电压幅值
机床数控技术--习题答案—第6章数控伺服系统
第5章 位置检测装置习题及答案1.伺服系统中常用的位置检测装置有几种？各有什么特点？答：伺服系统中常用的位置检测装置有：旋转变压器、感应同步器、脉冲编码器和光栅，各检测装置的特点如下：旋转变压器：又称同步分解器，是利用电磁感应原理的一种模拟式测角器件，是一种旋转式的小型交流电动机，在结构上和二相绕线式异步电动机相似，由定子和转子组成，分有刷和无刷两种。
其特点是坚固、耐热、耐冲击、抗干扰、成本低，是数控系统中较为常用的位置传感器；感应同步器：感应同步器是从旋转变压器发展而来的直线式感应器，相当于一个展开的多级旋转变压器。
踏实利用滑尺上的励磁绕组和定尺上的感应绕组之间相对位置的变化而产生电磁耦合的变化，从而发出相应的位置信号来实现位移检测的，其特点为：精度高，工作可靠，抗干扰能力强，维修简单、寿命长，测量距离长，工艺好、成本低、便于成批生产；脉冲编码器：脉冲编码器分为光电式、接触式和电磁感应式三种。
数控机床主要使用光电式脉冲编码器。
光电式脉冲编码器按编码方式又分为绝对值式和增量式两种，常用的为增量式脉冲编码器，其优点是结构简单、成本低、使用方便，缺点是有可能由于噪声或其它外界的干扰产生计数误差，若因停电、刀具破损而停机，事故排除后不能再找到事故发生前执行部件的正确位置；光栅：在高精度数控机床和数显系统中，常使用光栅作为位置检测装置。
它是将机械位移或模拟量转变为数字脉冲，反馈给CNC或数显装置来实现闭环控制的。
计量光栅分为圆光栅和长光栅两种。
圆光栅用于测量转角位移，长光栅用于测量直线位移，由于激光技术的发展，光栅制作的精度有了很大的提高，现在光栅精度可以达到微米级甚至亚微米级。
2. 旋转变压器由哪些部分组成？其检测的基本原理如何？答：旋转变压器又称同步分解器，是利用电磁感应原理的一种模拟式测角器件，是一种旋转式的小型交流电动机，在结构上和二相绕线式异步电动机相似，由定子和转子组成，分有刷和无刷两种，结构如下图所示：有刷式旋转变压器的结构无刷式旋转变压器结构示意图1-转轴 ; 2-轴承 ; 3-机壳; 4-转子铁心; 5-定子铁心6-端盖 ; 7-电刷 ;8-集电环旋转变压器是根据互感原理工作的。
第9章 数控机床的检测装置
图9-2 增量式光电编码器结构示意图
输出波形如图9-3所示. 输出波形如图 所示. 所示
图9-3 增量式光电编码器输出波形
当光电码盘正转时, 信号超前 信号90° 信号超前B信号 当光电码盘正转时,A信号超前 信号 °,当光电 码盘反转时, 信号超前 信号90° 信号超前A信号 码盘反转时,B信号超前 信号 °,数控系统正是利用 这一相位关系来判断方向的. 这一相位关系来判断方向的. 光电编码器的输出信号A, 光电编码器的输出信号 ,和B,为差动信号.差 ,为差动信号. 动信号大大提高了传输的抗干扰能力.在数控系统中, 动信号大大提高了传输的抗干扰能力.在数控系统中, 常对上述信号进行倍频处理,以进一步提高分辨率. 常对上述信号进行倍频处理,以进一步提高分辨率. 此外,在光电码盘的里圈还有一条透光条纹C, 此外,在光电码盘的里圈还有一条透光条纹 ,用以 每转产生一个脉冲, 每转产生一个脉冲,该脉冲信号又称一转信号或零标 志脉冲,作为测量基准. 志脉冲,作为测量基准.
直线玻璃透射式光栅和金属反射式光栅检测装置分别如 图9-12和图 和图9-13所示. 所示. 和图 所示
图9-12 透射式光栅检测装置
图9-13 反射式光栅检测装置
玻璃透射式光栅是在透明的光学玻璃表面制成感光涂 层或金属镀膜,经过涂敷, 层或金属镀膜,经过涂敷,蚀刻等工艺制成间隔相等 的透明与不透明线纹, 的透明与不透明线纹,线纹的间距和宽度相等并与运 动方向垂直,线纹之间的间距称为栅距. 动方向垂直,线纹之间的间距称为栅距.常用的线纹 密度为25条/㎜,50条/㎜,100条/㎜,250条/㎜.条 密度为 条 ㎜ 条㎜ 条㎜ 条㎜ 数越多,光栅的分辨率越高. 数越多,光栅的分辨率越高. 圆光栅是在玻璃圆盘的圆环端面上, 圆光栅是在玻璃圆盘的圆环端面上,制成透光与不透 光相间的条纹,条纹呈辐射状,相互间的夹角相等. 光相间的条纹,条纹呈辐射状,相互间的夹角相等.
《数控原理与系统》复习题
《数控原理与系统》复习题一、教材本课程教材为：王细洋编著，《机床数控技术》，国防工业出版社。
二、复习题（一）填空题1．数控机床一般是由控制介质、数控装置、伺服驱动装置、机床本体等部分组成。
2．数控机床是用数字化代码来控制刀具与工件的相对运动，从而完成零件的加工。
3．标准机床坐标系中X 、Y 、Z 坐标轴的相互关系用右手直角笛卡尔坐标系决定，增大刀具与工件距离的方向即为各坐标轴的正方向。
4．从结构上看，柔性制造系统主要有两部分组成：一是传递物质的设备，我们称之为物质流；二是传递信息的网络，我们称之为信息流。
5．FMS 中文含义是柔性制造系统。
6．数控技术是指用数字化信号对机床运动及其加工过程进行自动控制的一种方法。
7．在整个使用寿命期，根据数控机床的故障频度，数控机床的故障发生规律大致分为三个阶段：早期故障期、偶发故障期、耗损故障期。
8．确定数控机床坐标系时首先要确定Z 轴，它是沿提供切削功率的主轴轴线方向。
9．数控机床按控制运动轨迹可分为点位控制、直线控制和轮廓控制等几种。
按控制方式又可分为开环、闭环和半闭环控制等。
10．穿孔带是数控机床的一种控制介质，国际上通用标准有EIA 和ISO 两种，我国采用的标准是ISO 。
11．当数控机床发生故障时，用于诊断出故障源所在范围或具体位置所使用的程序叫作诊断程序，它一般有三种类型：启动诊断、在线诊断、离线诊断。
12．从数控机床故障诊断的内容看。
故障诊断专家系统可以用于三个方面：故障监测、故障分析、决策处理。
13．所谓“插补”就是指在一条已知起点和终点的曲线上进行数据密化的过程。
14．对于以坐标原点为起点的第一象限直线OA ，其偏差函数为：e i e i i y x x y F -=，若0≥i F ，刀具往+X 进给；若0<i F ，刀具往+Y 进给。
15．逐点比较法的直线插补过程为每走一步都要进行：偏差判别、坐标进给、偏差计算和终点判别四个节拍。
16．CNC 系统的插补计算一般采用软件插补和硬件插补相结合的办法，即由CNC 软件把刀具轨迹分割成若干小线段，再由硬件电路在各个小线段的起点和终点之间进行数据密化，使刀具轨迹在允许的误差之内。
常见的位置检测元件
3、制造困难。光栅刻线要求很精确，两光栅之间的间隙 及倾角都要求保持不变，故制造困难。光学系统易受外 界的影响产生误差。对工作环境要求也较高。
图1-2 光栅测量系统
光 栅
光栅检测原理
9.1.3 光电脉冲编码器
• 伺服概念：
• 这是英文servo的谐音，念起来与外文的伺服 发音差不多。但伺服这个字就是“侍候”，就 是非常听话，让走到哪，就走到哪。
• 在数控机床中，由计算机发出指令脉冲，让 哪一个驱动电动机拖着工作台动，这一台电动 机就动，而且这台电动机的运动速度、运动的 距离，完全按着计算机的指令行事，非常准确 无误地完成指令要求的任务。
（二） 增量式测量和绝对式测量 1. 增量式测量 在轮廓控制数控机床上多采用这种测量方式，增量 式测量只测相对位移量，如测量单位为0.001mm，则 每移动0.001mm就发出一个脉冲信号，其优点是测量 装置较简单，任何一个对中点都可以作为测量的起点， 而移距是由测量信号计数累加所得，但一旦计数有误， 以后测量所得结果完全错误。 2. 绝对式测量 绝对式测量装置对于被测量的任意一点位置均由固 定的零点标起，每一个被测点都有一个相应的测量值。 测量装置的结构较增量式复杂，如编码盘中，对应于 码盘的每一个角度位置便有一组二进制位数。显然， 分辨精度要求愈高，量程愈大，则所要求的二进制位 数也愈多，结构就愈复杂。
脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器，能把机械转角 变成电脉冲，是数控机床上使用很广泛的位置检测装置。 脉冲编码器可分为增量式与绝对式两类。
绝对式编码器与增量式编码器相比有哪些特点 1、坐标值从绝对编码盘中直接读出，不会有累计误差 2、运转速度可以提高。 3、编码器本身具有机械式存储功能，因停电或其它原因 造成坐标值清除，通电后仍能找到原绝对坐标。 4、当进给转速大于一转，需要作特别处理。
数控机床的位置检测装置
二、位置检测装置的分类(3)
直接测量和间接测量
直接测量 将检测装置直接安装在执行部件上。测量 直线位移量，常用光栅，感应同步器等检测装置。其 优点是直接反映工作台的直线位移量，测量精度高。 缺点是检测装置要和行程等长，这对大型数控机床是 一个很大的限制。
间接测量 通过测量与工作台直线运动相关联的回转 运动间接地测量工作台的直线位移，检测装置常用旋 转变压器等。间接测量使用可靠方便，无长度限制， 其缺点是测量信号加入了直线运动转变为回转运动的 传动链误差，从而影响测量精度。
三、常见位置检测装置结构及工作原理(1)
光电脉冲编码器(1)
光电脉冲编码器是一种常用角位移传感器， 属间接测量元件。它通常与驱动电动机同轴 连接。光电编码器随着电动机轴旋转，可以 连续发出脉冲信号。数控系统通过对该信号 的接收、处理和计数，即可得到电动机的旋 转角度，从而算出当前工作台的位移。
直线感应同步器的结构图例
三、常见位置检测装置结构及工作原理(6)
旋转变压器的结构与工作原理（1）
旋转变压器是一种控制用的微电机，它将机械转角变 换成电信号输出。在结构上与两相式异步电动机相似， 由定子和转子组成。定子绕组为变压器的初级，转子 绕组为变压器的次级，励磁电压接到定子绕组上。旋 转变压器结构简单，动作灵敏，对环境无特殊要求， 维护方便，抗干扰性强，工作可靠，因此在数控机床 上广泛应用。
光电脉冲编码器原理图图例
三、常见位置检测装置结构及工作原理(3)
光电脉冲编码器(3)
光电编码器的指示光栅（固定不动）上有两段条纹组Ａ和Ｂ， 每组条纹的间距（称为节距）与圆光栅相同，而Ａ组与Ｂ组的 条纹彼此错开1/4节距，两组条纹相对应的光电元件所感应的信 号的相位彼此相差90º。当电动机正转时，Ａ信号超前Ｂ信号90º， 当电动机反转时Ｂ信号超前Ａ信号90º。数控装置正是利用这一 相位关系判断电动机的转动方向，同时利用Ａ信号（或Ｂ信号） 的脉冲数计算电动机的转角。因此采用光电编码器所构成的位 置闭环控制的分辨率主要取决于圆光栅一圈的条纹数。
第三节 数控机床的位置检测装置
直线型
长光栅、激光干涉仪 长光栅、
编码尺
绝对值式磁尺
20:40:43
一、旋转变压器 旋转变压器是一种角度测量装置，它是一种小型交流电动机。 旋转变压器是一种角度测量装置，它是一种小型交流电动机。 1.旋转变压器的结构及其特点 1.旋转变压器的结构及其特点 结构简单，动作灵敏，对环境无特殊要求，维护方便，输出信号幅度大，抗干扰 结构简单，动作灵敏，对环境无特殊要求，维护方便，输出信号幅度大， 工作可靠，广泛应用于数控机床上。 强，工作可靠，广泛应用于数控机床上。 旋转变压器在结构上和两相线饶式异步电动机相似，由定子和转子组成。定子 旋转变压器在结构上和两相线饶式异步电动机相似， 定子和转子组成。 组成 绕组为变压器的一次绕组，转子绕组为变压器的二次绕组。 绕组为变压器的一次绕组，转子绕组为变压器的二次绕组。 接线方式： 接线方式： 定子绕组通过固定在壳体上的接线柱直接引出。 定子绕组通过固定在壳体上的接线柱直接引出。 转子绕组有两种不同的引出方式。根据转子绕组两种不同的引出方式， 转子绕组有两种不同的引出方式。根据转子绕组两种不同的引出方式，旋转变 压器分有有刷式和无刷式两种结构。 压器分有有刷式和无刷式两种结构。
20:40:43
若 θ机
与转子绕组平行， 当 与转子绕组平行，即没有磁力线穿 θ 过转子绕组，因此感应电压为0， 垂直于转子绕组平面时， 过转子绕组，因此感应电压为 ，当磁通φ 垂直于转子绕组平面时，即（ 机 - θ电 = ±90 ） 转子绕组中感应电压最大。在实际应用中，根据转子误差电压的大小， 时，转子绕组中感应电压最大。在实际应用中，根据转子误差电压的大小，不断修正定 即励磁幅值）， ），使其跟踪 变化。 子励磁信号 θ电 （即励磁幅值），使其跟踪 θ 机 变化。 由上式可知，感应电压 E2 是以ω 为角频率的交变信号，其幅值为U msin（θ 机 − θ电） 为角频率的交变信号， 由上式可知， 已知， 的幅值， 的值， 若电气角 θ电 已知，那么只要测出 E2 的幅值，便可以间接地求出 θ 机 的值，即可以测 出被测角位移的大小。当感应电压的幅值为0时 出被测角位移的大小。当感应电压的幅值为 时，说明电气角的大小就是被测角位移 θ 的大小。旋转变压器在鉴幅工作方式时， 让感应电压的幅值为0， 电 的大小。旋转变压器在鉴幅工作方式时，不断调整 ，让感应电压的幅值为 ，用 θ电 θ电 θ机 的测量， 可通过具体电子线路测得。 代替对 的测量， 可通过具体电子线路测得。
数控机床常用检测装置
详细描述
旋转变压器与砂轮的驱动电机连接，实时监 测砂轮的转速和角度信息。旋转变压器将监 测到的信号转化为电信号，传输给数控系统 。数控系统根据接收到的信号，精确控制砂 轮的转速和磨削深度，确保磨削过程的稳定 性和精度。
THANKS
感谢观看
故障二
测量数据不准确
排除方法
对检测装置进行校准，检查测量元件是否正常，如 有需要更换测量元件。
机械运动不顺畅
故障三
排除方法
对机械部分进行润滑，检查机械结构是否正常，如有需 要调整或更换机械部件。
05
CATALOGUE
数控机床检测装置的应用案例分析
应用案例一：光电编码器在数控车床中的应用
总结词
光电编码器在数控车床中主要用于检测 主轴的转速和位置，实现精确的切削控 制。
特点
不同类型的检测装置具有不同的特点和应用范围，需要根据具体需求进行选择。接触式检测装置具有 较高的测量精度和可靠性，但易受环境影响；非接触式检测装置具有非接触、高精度、高速度等优点 ，但价格较高，对环境要求较高。
检测装置的发展趋势
发展趋势
随着数控技术的不断发展，数控机床检测装置正朝着高精度、高速度、智能化、集成化等方向发展。未来，随着 传感器技术、计算机技术和人工智能技术的不断进步，数控机床检测装置将更加智能化、自动化和高效化。
01
直线光栅尺是一种高精度的测量传感器，用于测量直线位 移，其测量精度可达±1μm。
02
它由标尺光栅和读数头两部分组成，标尺光栅固定在直线 导轨的一端，读数头与导轨滑块联接并随之运动。
03
当滑块移动时，与读数头相联的指示光束通过标尺光栅的缝隙 部分，在光电元件上形成位移量，该位移量通过后续电路的处
数控技术-学习指南
数控技术-学习指南一、填空题(每空1分)1．数控是数字操纵的简称，是用对机床的运动及加工过程进行操纵的自动操纵技术。
2．只在写有该代码的程序段中才有效的代码为代码。
3．数控编程一般分为和两种。
4.常用的坐标平面选择指令为、、。
5．刀具补偿功能是数控系统所具有的为方便用户精确编程而设置的功能，它可分为补偿和补偿。
6．M代码是操纵数控机床功能的指令，要紧用于完成加工操作时的一些辅助动作。
7.在一个程序段中差不多指定，直到出现同组另一个代码才失效的代码称为_。
,与主轴重合或平行于主轴的轴为轴,轴通常是水平的，且平行于工件装夹外表。
数控机床某一移动坐标的正方向是指增大_和_之间距离的方向。
9．数控机床按照操纵系统功能分类，能够分为数控机床、直线操纵数控机床、数控机床。
10.在数控编程时，使用__指令后，就能够按工件的轮廓尺寸进行编程，而不需按照刀具的中心线运动轨迹来编程。
11.数控机床一般是由、、、机床本体和测量反响装置组成。
12.是首先要确定的坐标轴，是沿提供切削功率的主轴轴线方向。
13.数控机床按照伺服操纵方式分类，能够分为数控机床、数控机床和数控机床。
14.指令是使数控机床预备好某种运动方式的指令；指令要紧用于数控机床的开关量操纵。
15.数控机床坐标系，以平行于机床主轴的刀具运动坐标轴为轴，以刀具远离工件方向为该坐标方向。
16．数控技术中常用的插补算法有和插补法两大类。
17．程序编制可分为手工编程和。
18．G代码中，代码表示在程序中一经被应用，直到出现同组的任一G代码时才失效；代码表示只在本程序段中有效。
19．数控机床常用的位置检测装置有：、、等。
和。
21．三相步进电机的转子上有40个齿，假设采纳三相六拍通电方式，那么步进电机的步距角为。
、、、和机床本体组成。
、、。
C系统软件按照功能分为软件和软件。
25.数控机床坐标系确实定：X、Y、Z的正向是工件尺寸增加的方向，通常平行于主轴的轴线为Z坐标，而坐标方向是水平的，同时平行于工件装卡面，而Y向坐标是按照来确定的。
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5.2.2 旋转变压器的应用（3）
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5.3 感应同步器
5.3.1 感应同步器的结构和种类 按结构可分为直线感应同步器和圆形感应同步器两种，
直线式用于测量直线位移，而圆形感应同步器用于检测 角位移。 直线式由定尺和滑尺两部分组成；而圆形感应同步器由 定子和转子组成。 感应同步器的这两部分绕组相当于旋转变压器的初级和 次级线圈，它们都是利用交变磁场和互感原理工作的。
如果滑尺继续向C点移动，则滑尺磁场在 定尺中产生的电压在负方向上逐渐增大， C点达到最大；
当滑尺再向D点移动时，定尺电压又逐渐 变为零。
当移动一个节距，到达E点时，又与A点的 情况20相19/同11/。25
图5-9 感应同步器工作原理
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5.3.4 感应同步器测量系统
感应同步器也器滑尺的两个正余弦绕组分别供以频率和幅值
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5.2 旋转变压器
5.2.1 旋转变压器的结构和工作原理 （1）旋转变压器的结构
图5-1 旋转变压器 a） 有刷结构 b） 无刷结构
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5.2.1 旋转变压器的结构和工作原理
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5.2.2 旋转变压器的应用（1）
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5.2.2 旋转变压器的应用（2）
第5章 数控机床常用检测装置
5.1 检测装置简介 检测元件的精度主要包括系统精度和系统分辨率两项。
系统精度是指在一定长度或转角范围内测量积累误差的 最大值，目前一般长度位置检测精度均已达到 ±0.002mm/m以内，回转角测量精度达到±10″/360°；
系统分辨率是测量元件所能正确检测的最小位移量，目 前长度位移的分辨率多数为1μm，高精度系统分辨率可达 0.1μm，回转分辨率为2″。
莫尔条纹是由大量的光栅线纹共同作用产生的，对光栅的 线纹误差有平均作用。从而可以在很大程度上消除光栅线 纹的制造误差。光栅越长，参加工作的线纹越多，这种平 均效应就越大。
2）对应关系
如图5-11所示，当光栅移动一个栅距d，摩尔条纹也相应移 动一个纹距W，其光强变化近似正弦波形；若移动方向相 反，则摩尔条纹移动的方向也相反。
期性地变化，感应同步器就是利用这一特点来检测滑尺相对
定尺的位置的。
2
2
E
正弦绕组
Es
定尺
滑尺
Ec
余弦绕组
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图5–8 直线感应同步器的结构
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5.3.2 感应同步器的工作原理(2)
当定尺绕组与滑尺绕组之一相重合时，如 图5-9的A点，这时定尺输出的感应电压最 大；
当滑尺绕组相对于定尺绕组平行移动时， 感应电压逐渐减小，到达1/4节距的位置B 时，由于各滑尺线圈磁场在定尺各线圈中 产生的电压方向相反，所以定尺线圈输出 电压为零；
Vs Vm sin sin t Vc Vm cos sin t
ES KVm sin sin t cos EC KVm cos sin t sin
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2 2
x0
ud Es Ec
KVm sin(
2 2
x) sin t
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5.3.1 感应同步器的结构和种类
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5.3.2 感应同步器的工作原理(1)
如图5-8所示，滑尺上具有在空间上相差1/4节距的正弦绕组 和余弦绕组，且定尺与滑尺节距相同。
当滑尺励磁绕组与定尺感应绕组间发生相对位移时，由于电
磁耦合的作用，感应绕组中的感应电压随位移的变化而呈周
5.4.1 计量光栅的种类 按照不同的分类方法，计量光栅可分为：直线光栅和圆形
光栅；逶射光栅和反射光栅；增量式光栅和绝对式光栅等。
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5.4.2 计量光栅的工作原理（1）
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5.4.2 计量光栅的工作原理（2）
莫尔条纹有以下几个重要特性：
1）平均效应
KVm
sin t
sin
(x0x)
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5.4 光栅
光栅是利用光的反射、透射和干涉现象制成，有物理光栅 和计量光栅。
物理光栅两刻线之间距离在0.002-0.005 mm之间，常用于 光谱分析和光波波长的测定；
计量光栅栅距在0.004-0.025mm之间，常用于高精度位移的 检测，是数控系统中应用较多的一种检测装置
3）放大作用
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5.4.2 计量光栅的工作原理（3）
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5.4.2 计量光栅的工作原理（4）
（2）光电转换
光栅检测系统的光电转换转 由光栅读数头完成。最基本 的光栅读数头由光源、聚光 镜、指示尺光栅和硅光电池 组成，如图5-12 a所示。
为了便于说明其工作原理， 以光闸莫尔光栅为例，说明 当光栅移动一个栅距时，其 输出波形和两块光栅相互位 置变化的关系。
相同，相位差为90°的励磁信号：
则滑尺二绕组在定尺绕组中分别产生的感应电动势为：
ud EC ES KVm sin(t )
ud
KVm sin(t
x
2
2 )
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5.3.4 感应同步器测量系统
（2）鉴幅测控系统
鉴幅工作方式是根据感应输出电压的幅值变化来检测位 移的。在这种工作方式下，滑尺的两个正余弦绕组分别 供以频率和相位相同，幅值不同正弦电压，即
不同类型数控机床对检测装置的精度和使用速度要求是 不同的。
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5.1 检测装置简介
系统分辨率的提高，对加工精度有一定的影响，但也 不宜过小，分辨率的选取通常和脉冲当量的选取方法 一样，数值也相同，均按机床加工精度的1/3~1/10选取。
数控机床对检测装置的主要要求有： 工作可靠，抗干扰性能强。 使用维护方便，适应机床的工作环境。 满足精度和速度的要求。 易于实现高速的动态测量、处理的自动化。 成本低。
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5.4.2 计量光栅的工作原理（5）
当两块光栅的刻线重合时，透光最多，光电池输出的电压 信号最大；