课题二 数控机床的数控系统

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1、数控机床与数控编程技术单位：机电工程系濮阳职业技术学院课题二 数控机床的数控系统一、旧课复习1、数控机床主要由哪几部分组成？2、数控车床和数控铣床的切削运动有何区别？3、与传统机械加工方法相比，数控加工有哪些特 点?课题二 数控机床的数控系统二、新课的教学内容计算机数控系统的组成计算机数控系统（Computer Numerical Control）是数控机床的核心部分，主要由计算机数控装置（CNC）、伺服驱动装置、位置检测装置、可编程控制器PLC和接口电路组成。课题二 数控机床的数控系统课题二 数控机床的数控系统数控装置课题二 数控机床的数控系统伺服系统课题二 数控机床的数控系统图2-1计算机

2、数控系统的组成课题二 数控机床的数控系统(一) 计算机数控装置从自动控制的角度来看，从自动控制的角度来看，CNCCNC系统是一种位置（轨迹）控制系统是一种位置（轨迹）控制系统，系统，其本质上是以多执行部件其本质上是以多执行部件（各运动轴）（各运动轴）的位移量为的位移量为控制对象并使其协调运动的自动控制系统，是一种配有专控制对象并使其协调运动的自动控制系统，是一种配有专用操作系统的计算机控制系统。用操作系统的计算机控制系统。从外部特征来看，从外部特征来看，CNCCNC系统是由硬件（通用硬件和系统是由硬件（通用硬件和专用硬件）和软件（专用）两大部分组成的。专用硬件）和软件（专用）两大部分组成的。1

3、.1.CNCCNC装置的组成装置的组成课题二 数控机床的数控系统（1） CNC系统硬件的层次结构图图2-2 CNC2-2 CNC系统硬件的层次结构系统硬件的层次结构I/O设备计算机主板显 示 卡功能模板m功能模板1电 子 盘多功能卡位置控制板n位置控制板1PLC模块主轴控制模板机床I/O控制面板速度控制单元1速度控制单元n功能驱动1功能驱动m系 统 总 线（BUS）标准PC计算机CNC装置CNC系统课题二 数控机床的数控系统图图2-2-3 3 CNC CNC系统硬件结构系统硬件结构课题二 数控机床的数控系统从本质特征来看，CNC系统软件是具有实时性和多任务性的专用操作系统，从功能特征来看，该操

4、作系统由CNC管理软件和CNC控制软件两部分组成。它是CNC系统活的灵魂。其结构框图如图2-4所示。（2 2） CNCCNC系统软件的功能结构系统软件的功能结构课题二 数控机床的数控系统图图2-2-4 4 CNC CNC系统系统软件系统功能框图软件系统功能框图课题二 数控机床的数控系统CNC装置的系统软件在系统硬件的支持下，合理地组织、管理整个系统的各项工作，实现各种数控功能，使数控机床按照操作者的要求，有条不紊地进行加工。 CNC系统的硬件和软件构成了CNC系统的系统平台，如图2-5所示。（3 3） CNCCNC硬件软件的作用和相互关系硬件软件的作用和相互关系课题二 数控机床的数控系统图2-

5、5 CNC系统平台硬件操作系统管理软件应用软件控制软件数控加工程序接口被控设备机 床机器人测量机课题二 数控机床的数控系统2. CNC装置的工作过程图图2-2-6 6 CNC CNC装置的工作过程装置的工作过程课题二 数控机床的数控系统3. CNC装置可执行的功能1）CNC装置中使用了计算机，用存放在存储器中的软件来实现部分或全部数控功能。2）CNC装置的功能一般包括基本功能和选择功能。基本功能 是CNC系统必备的数控功能，选择功能是供用户根据机床特 点和工作途径进行选择的功能。控制功能控制功能 主轴功能主轴功能准备功能准备功能 辅助功能辅助功能插补功能插补功能 字符显示功能字符显示功能进给功

6、能进给功能 自诊断功能自诊断功能刀具功能刀具功能 补偿功能及固定循环功能补偿功能及固定循环功能功能如下：课题二 数控机床的数控系统4. CNC装置的特点（1）具有灵活性与NC装置相比，灵活性是CNC装置的主要特点，只要改变系统 软件，就可以改变和扩展其功能。（2）具有通用性在CNC装置中，硬件有多种通用的模块化结构，而且易于扩展 ，主要依靠系统软件变化来满足机床的各种不同要求。（3）可靠性高CNC装置的零件程序在加工前被一次送入存储器，并经过检查 后方可调用。许多功能由软件实现，硬件结构大大简化，特别 是采用大规模和超大规模集成电路，使可靠性得到很大提高。（4）具有丰富的数控功能CNC装置利用

7、计算机的计算能力，可以实现许多复杂的数 控功能，如高次曲线插补、动态图形显示、各种补偿功能等 。（5）使用维修方便由于CNC装置具有诊断功能，使维修变得容易。又由于具 有编程功能，使编程变得简单。这些都表现出较好的使用性 。（6）基于PC平台的CNC可以缩短数控系统的开发和升级周期， 计算机发展的新技术只要用户需要，都可以移植到数控系统 当中。课题二 数控机床的数控系统课题二 数控机床的数控系统(二) 数控机床的检测装置位置检测装置是数控机床的重要组成部分。在闭环系统中，它的主要作用是检测位移量，并发出反馈信号和数控装置发 出的指令信号相比较，若有偏差，经放大后控制执行部件， 使着向消除偏差的

8、方向运动直至偏差等于零为止。 为此，对 位置检测装置提出如下要求：1、概述概述课题二 数控机床的数控系统(1) 在机床工作台移动范围内，能满足精度和速度的要求。通常要求检测元件的分辨度（即检测的最小位移量）在0.00010.01mm之内，测量精度在0.010.02mm以内。运动速度为024m/min。(2) 在机床的工作环境下，能可靠地工作，亦即受温度影响小，抗干扰能力强，并能长期保持精度。(3) 使用、维护简单方便，成本低。课题二 数控机床的数控系统数控系统的检测装置分位移、速度和加速度三种类型，数控机床伺服系统中采用的位置检测装置基本分为直线型和旋转型两大类。直线型位置检测装置用来检测运动

9、部件的直线位移量，旋转型位置检测装置用来检测回转部件的转动位移量。2.2.位置检测装置的分类位置检测装置的分类课题二 数控机床的数控系统图图2-2-7 7 常用的位置检测装置常用的位置检测装置课题二 数控机床的数控系统精度：精度主要由精密度（反映随机误差）和准确度（反映系 统误差）来决定。数控传感器要满足高精度和高速时测量的 要求。分辨率：是指所能测到的最小位移量，分辨率的提高对提高零 件的加工精度、提高运行平稳性都很重要，高分辨率传感器 已能满足亚微米和角秒级设备的要求。测量范围的量程：传感器的测量范围要满足系统的要求，并留 有余地。其他指标：对测量装置还要求工作可靠、抗干扰性强、使用维 护

10、方便、成本低等 3 3. .数控数控检测装置的检测装置的性能指标及要求性能指标及要求课题二 数控机床的数控系统（1）旋转变压器：旋转变压器是一种角度测量元件，它是一 种小型交流电机。在结构上与两相绕组式异步电动机相似，由 定子和转子组成，定子绕组为变压器的原边，转子绕组为变压 器的副边。激磁电压接到定子绕组上，激磁频率通常为400H、 500H、1000H、3000H、5000H，其结构简单、动作灵敏，对环境 无特殊要求，维护方便，输出信号幅度大，抗干扰性强，工作 可靠。3.常用的位置检测装置 ：课题二 数控机床的数控系统利用电磁耦合原理，将位移或转角变成电信号（极为普遍）。即使滑尺与定尺相互

11、平行，并保持一定的间距。向滑尺通以交流激磁 电压，则在滑尺中产生激磁电流，绕组周围产生按正弦规律变化的 磁场，由电磁感应，在定尺上感出感应电压，当滑尺与定尺间产生 相对位移时，由于电磁耦合的变化，使定尺上感应电压随位移的变 化而变化（相同频率）。2 2、感应同步器测量装置感应同步器测量装置课题二 数控机床的数控系统图图2-2-8 8 直线感应同步器直线感应同步器课题二 数控机床的数控系统光栅用于数控机床作为检测装置，已有几十年的历史，用以测量长度、角度、速度、加速度、振动和爬行等。它 是数控机床闭环系统用得较多的一种检测装置。光栅主要 是利用莫尔条纹实现的，使莫尔条纹的整体反映。它有两 个作用

12、：一是可以把信号放大，二是对误差有均化作用。3 3、光栅位置检测装置光栅位置检测装置课题二 数控机床的数控系统图图2-2-9 9 光栅条纹光栅条纹图图2-2-1010 莫尔条纹示意图莫尔条纹示意图课题二 数控机床的数控系统图图2-2-1111 光栅测量系统简图光栅测量系统简图l直线光栅尺的主要技术指标：l精度等级：分辨率： 测量长度：最大30ml零参考点：可选择一个或多个l允许最大运动速度：120m/minl安装方式：快速安装课题二 数控机床的数控系统l光电编码器是用来测量旋转运动的角位移，它是利用光电原理把机械角位移变成脉冲电信号，是一种使用广泛的角位移传感器。按输出信号与对应位置关系分类：

13、分别有增量式光电编码器、绝对式光电编码器和混合式光电编码器。课题二 数控机床的数控系统课题二 数控机床的数控系统增量式光电编码器图图2-2-1212 增量式光电编码器工作原理图增量式光电编码器工作原理图课题二 数控机床的数控系统编码盘测量装置图图2-2-1313 码盘码盘课题二 数控机床的数控系统l脉冲数/每转 刻线精度 1/10栅 距l最大速度 12000RPml零参考点 每转一个l最大频率 200KHzl输出信号 方波/正弦波光电编码器的主要技术指标：光电编码器的主要技术指标：课题二 数控机床的数控系统磁尺位置检测装置是由磁性标尺、磁头和检测电路组成。 利用 录磁的原理将一定周期变化的方法

14、，正弦波或脉冲电信号，用录磁 磁头记录在磁性标尺的磁膜上，作为测量的基准。检测时，用拾磁 磁头将磁性标尺上的磁信号转换成电信号，经过检测电路处理后， 用以计量磁头相对磁尺之间的位移量。 特点：对使用环境的条件要求较低，对周围磁场的抗干扰能力较强 ，在油污、粉尘较多的地方使用有较好的稳定性。磁尺测量装置磁尺测量装置课题二 数控机床的数控系统图图2-2-1414 读取磁头读取磁头课题二 数控机床的数控系统(三) 数控机床的伺服驱动装置1. 伺服系统的概念伺服系统完成机床移动部件的位置和速度控制。它接收计算机 的插补命令，将插补脉冲转换为机械位移。CNC装置是数控机床发布命令的“大脑”，而伺服驱动则

15、为数控 机床的“四肢”，是一种“执行机构”，它能够准确的执行来自CNC装 置的运动指令。驱动装置由驱动部件和速度控制单元组成。驱动部 件由交流或直流电动机、位置监测元件及相关的机械传动和运动部 件组成。课题二 数控机床的数控系统（1）可逆运行在加工过程中，根据加工轨迹的要求，随时都可能实现正传和反转， 同时要求在方向变化时，不应有反向间隙和运动的损失。 （2）速度范围宽为适应不同的加工条件，数控机床的进给速度需要在很宽的范围内无 级变速，这就要求伺服电机有很宽的调速范围和优异的调速特性。 2. 数控机床对伺服驱动系统的要求课题二 数控机床的数控系统（3）具有足够的传动刚性和速度稳定性要求伺服系统具有良好的静态与动态负载特性，即在负载变化 时，应使进给速度保持恒定。（4）响应快速并无超调为了保证轮廓切削形状精度和表面粗糙度，要求跟踪指令信号 响应要快。 课题二 数控机床的数控系统（5）高精度为满足数控加工精度的要求，关键是保证数控机床的定位精度 和进给跟踪精度，这也是伺服系统静态特性与动态特性指标是否 优良的具体表现。（6）低速大转矩数控机床的加工特点是在低速时进行重切削，因此要求伺服系 统在低速时进给驱动要有大的转矩输出。课题二 数控机床的数控系统