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数控机床,数控人才需求,“蓝领层”数控技术人才：承担数控机床的具体操作及日常简单维护工作的技术工人。“灰领层”数控技术人才：承担数控编程的工艺员和数控机床维护、维修人员。“金领层”数控技术人才：具备并精通数控操作、数控工艺编程和数控机床维护、维修所需要的综合知识，积累了大量实际经验，知识面广。,数控人才知识结构,“蓝领型”：以传统的机械制造技术为基础，学习，掌握“数控机床原理及应用基础”和“数控加工编程技术”，掌握“CAD/CAM”软件。“灰领型”：编程工艺员，应具有良好的数学基础，熟悉产品的三维设计，产品的加工工艺；维修人员，以机、电、光和液（气）控制技术为基础，掌握数控机床维护与维修的技术和技能。“金领型”：有较扎实的专业基础，较全面地掌握数控设备的相关原理与技术，具备数控设备研制与开发能力，掌握网络技术，有较高的外语水平。,未来数控人才需求,第一章 绪论,第一节 数控机床的基本组成及工作原理,一、数控机床的产生原因社会生产发展（军备竞赛的产物）目的解决单件、中小批量精密复杂零件的加工问题,二、概念：,数字控制：是指用数字信息控制机械运动。数控机床：是一种装有程序控制系统（数控系统）的高效自动化机床。它综合了综合了计算机、自动控制、精密测量、机床的机构设计与制造等方面的最新成果。数控系统：数控设备的数据处理和控制电路以及伺服机构等统称数控控制系统。它由程序输入输出设备、计算机数字控制装置、可编程控制器、主轴进给及驱动装置等组成。,三、计算机数控的发展,从1952年至今，数控机床按数控系统的发展经历了五代。第一代：1955年 数控系统以电子管组成，体积大，功耗大。第二代：1959年 数控系统以晶体管组成，广泛采用印刷电路板。出现带自动换刀装置的数控机床，称为加工中心。第三代：1965年 数控系统采用小规模集成电路，其特点是体积小，功耗低，可靠性有了提高。,1970年采用小型计算机控制的计算机数控系统（简称 CNC），使数控装置进入了以小型计算机化为特征的第四代。其部分功能由软件实现。1974年，研制成功使用微处理器和半导体存贮器的微型计算机数控装置（简称 MNC），这是第五代数控系统。使实现真正意义上机电一体化成为可能。,三、计算机数控的发展（续）,四、基本结构及工作原理,控制介质,输入装置,数控装置,伺服驱动装置,位置检测,数控机床的基本结构,辅助控制装置,1、控制介质控制介质是记录零件加工程序的媒介,2、输入装置,将所输入的程序载体上的数控程序变成相应的电脉冲信号，传送并存入数控装置内。,3、数控装置,数控装置是接受输入装置送来的脉冲信号，经过编译、运算和逻辑处理后，输出指令控制机床的各个部分，按程序动作的装置。,虚线框部分统称为数控系统，实现对机床主机的加工控制，目前大部分采用计算机数控（即CNC）。下面简要介绍各部分的功能。数控装置 数控装置是数控系统的核心，是由硬件和软件两大部分组成。它接受从机床输入装置（软盘、硬盘、纸带阅读机、磁带机以及网络或串口传输等）输入的控制信号代码，经过输入、缓存、译码、寄存、运算、存储等转变成控制指令实现直接或通过可编程逻辑控制器（PLC）对伺服驱动系统的控制。,图1-2 数控装置示意图,4）伺服驱动/进给装置 伺服驱动/进给装置是数控装置与机床本体之间的连接环节，它是接受数控装置插补生成的进给脉冲信号，经过信号放大后，驱动机床主机的执行机构，实现机床的运动进给。伺服驱动/进给装置包括主轴驱动单元（主要控制主轴的速度）、进给驱动单元（主要是进给系统的速度控制和位置控制）、主轴电机和进给电机等。目前常用的有交、直流伺服电机和步进电机等。且交流伺服电机正逐渐取代直流伺服电机。5）测量反馈装置 测量反馈装置是通过现代化的测量元件：脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、光栅、磁尺和激光等，将执行元件（如电机、刀架等）或工作台等的速度和位移量检测出来，经过相应的电路将所测得信号反馈回伺服驱动装置或数控装置，构成半闭环或全闭环系统，补偿进给电机的速度或执行机构的运动误差，以达到提高运动机构精度的目的。6）机床本体 机床本体就是数控机床的机械结构件，包括床身、箱体、立柱、导轨、工作台、主轴、进给机构、刀具交换机构等。此外，为保证数控机床功能的充分发挥，还有一些辅助系统，如冷却、润滑、液压（或气动）、排屑、防护系统等,第二节、数控机床的分类,1、按加工工艺分类普通数控机床：如：数控车床、数控铣床、数控磨床、数控钻床等等加工中心：带刀库和自动换刀装置 如：车削中心、加工中心金属成型类数控机床 如：数控折弯机、数控弯管机、数控回转头压力机。数控特种加工机床 如：数控线切割机床、数控电火花加工机床、数控激光切割机床。其它：三坐标测量机、机械手（工业机器人）、自动绘图机等,2、按机床运动轨迹分类,点位控制数控机床为点到点精确定位运动，运动过程中不进行任何加工。这类机床有数控钻床、数控坐标镗床、数控冲剪床、数控测量机等。,数控钻床点位控制示意图,点位控制系统只是精确地控制刀具相对工件从一个坐标点移动到另一个坐标点，移动过程中不进行任何切削加工，点与点之间移动轨迹、速度和路线决定了生产率的高低。为了提高加工效率，保证定位精度，系统采用“快速趋近，减速定位”的方法实现控制。这类数控机床有数控钻床、数控镗床和数控冲床等。,直线控制数控机床,除点到点的准确位置之外，还要保证两点之间移动的轨迹是直线，而且对移动的速度也要进行控制，以便适应随工艺因素变化的不同需要。简易数控车床、数控镗铣床，一般有23个可控坐标轴，但同时控制的坐标轴只有一个。,数控铣床直线控制示意图,直线控制系统不仅要求具有准确的定位功能，而且要控制两点之间刀具移动的轨迹是一条直线，且在移动过程中刀具能以给定的进给速度进行切削加工。直线控制系统的刀具运动轨迹一般是平行于各坐标轴的直线；特殊情况下，如果同时驱动两套运动部件，其合成运动的轨迹是与坐标轴成一定夹角的斜线。这类数控机床有数控车床、数控镗铣床等。,轮廓控制的数控机床,能够对两个或两个以上运动坐标的位移及速度进行连续相关的控制，因而可进行曲线或曲面的加工。,数控线切割机床加工示意图,轮廓控制系统能同时控制两个或两个以上坐标轴，需要进行复杂的插补运算，即根据给定的运动代码指令和进给速度，计算刀具相对工件的运动轨迹，实现连续控制。这类数控机床有数控车床、数控铣床、数控线切割机床、数控加工中心等。,3、按驱动装置的类型分类,开环控制数控机床,特点：结构简单，步进驱动、步进电机，无位置速度反馈,2）半闭环控制系统数控机床,半闭环控制数控机床,特点：精度较高，采用交流或直流伺服驱动及伺服电机，有角位移、角速度检测装置，结构紧凑,闭环控制数控机床,特点：精度高，采用交流或直流伺服驱动及伺服电机，有直线位移、速度检测装置，价格贵，调试困难,3）闭环控制系统数控机床,混合控制数控机床,开环补偿型半闭环补偿型,第三节 数控机床的特点及应用范围,数控机床特点 1.复杂零件加工 2.高精度 3.加工稳定可靠 4.高柔性 5.高生产率 6.劳动条件好 7.有利于管理现代化 8.投资大，使用费用高 9.生产准备工作复杂 10.维修困难,数控机床的应用范围,1、多品种小批量生产的零件2、结构比较复杂的零件3、需要频繁改型的零件4、价值昂贵，不允许报废的关键零件5、需要最短生产周期的急需零件,第二节 数控编程常用的指令及其格式,数控程序由一系列程序段和程序块构成。每一程序段用于描述准备功能、刀具坐标位置、工艺参数和辅助功能等。国际标准化组织（ISO）对数控机床的数控程序的编码字符和程序段格式、准备功能和辅助功能等制定了若干标准和规范。,第二节 数控编程常用的指令及其格式,2.1 程序的结构与格式（1）程序的结构程序的组成：刀具T01程序名：O2000,程 序 段,N01 G91 G17 G00 G42 T01 X85 Y-25N02 Z-15 S400 M03 M08 N03 G01 X85 F300 N04 G03 Y50 I25 N05 G01 X-75 N06 Y-60 N07 G00 Z15 M05 M09 N08 G40 X75 Y35 M02,第二节 数控编程常用的指令及其格式,上面是一个完整的零件加工程序，它主要由程序名和若干程序段组成。程序名是该加工程序的标识；程序段是一个完整的加工工步单元，它以N（程序段号）指令开头，LF指令结尾；M02作为整个程序结束的指令，有些数控系统可能还规定了一个特定的程序开头和结束的符号，如%、EM等,第二节 数控编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组成的指令集。程序是由若干程序段组成程序段是由干指令字组成。指令字是由字母（地址符）和其后所带的数字一起组成。,第二节 数控编程常用的指令及其格式,（2）程序段的格式程序段的格式，是指一个程序段中指令字的排列顺序和书写规则，不同的数控系统往往有不同的程序段格式，格式不符合规定，数控系统就不能接受。目前广泛采用的是地址符可变程序段格式（或者称字地址程序段格式），格式：N_ G_ X_ Y_ Z_ F_ S_ T_ M_ LF这种格式的特点：程序段中的每个指令字均以字母（地址符）开始，其后再跟符号和数字。指令字在程序段中的顺序没有严格的规定，即可以任意顺序的书写。不需要的指令字或者与上段相同的续效代码可以省略不写。因此，这种格式具有程序简单、可读性强，易于检查等优点。,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。目前广泛使用地址字程序段格式。例如：N001 G01 X70.0 Z-40.0 F140 S300 T0101 M03 LF,数控编程常用的指令及其格式,常用地址码的含义如表所示,第二节 数控编程常用的指令及其格式,2.2 程序编制中的基本指令（1）G指令准备功能指令是使CNC机床准备好某种运动方式的指令分为模态指令和非模态指令。模态指令表示在程序中一经被应用，直到出现同组其它任一G指令时才失效。否则该指令继续有效，直到被同组指令取代为止。非模态指令只在本程序段中有效。组成：G后带二位数字组成，从G00到G99共100种,第二节 数控编程常用的指令及其格式,（2）M指令辅助功能指令作用：用于控制CNC机床开关量，如主轴正反转、冷却液的开停、工件的夹紧松开等。组成：M后带二位数字组成。（3）F指令进给速度指令续效代码，一般直接指定，即F后跟的数字就是进给速度的大小，如F100表示进给速度为100mm/min在程序启动第一个G01或G02或G03功能时，必须同时驱动F功能。,第二节 数控编程常用的指令及其格式,（4）S指令主轴速度功能指令S代码后的数值为主轴转速，要求为整数在零件加工之前一定要启动主轴运转（M03或M04）（5）T指令刀具功能指令Tnn代码用于选择刀具库中的刀具，nn表示刀号,地址字程序段格式的特点：,1)在程序段中功能字排列顺序并不严格，没有必要的功能字可以省去；2)有一些功能字属模态指令。所谓模态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)要取消模态指令功能，必须重新设定相关指令。4)对于坐标字后面的数字只要求写有效数字，不要求坐标字后的数字写满固定位数。,第二章 数控机床的程序编制,第一节 程序编制的基本知识 采用数控机床加工零件时，只需要将零件图形和工艺参数、加工步骤等以数字信息的形式，编成程序代码输入到机床控制系统中，再由其进行运算处理后转成驱动伺服机构的指令信号，从而控制机床各部件协调动作，自动地加工出零件来,一、程序编制的内容,为了理解数控机床加工过程和加工程序之间的关系，首先讨论在立式数控铣床上加工一个简单工件的实例。教材图21a是工件图，要求在立式数控铣床上加工沟槽，沟槽的宽度是1Omm，深度是5mm，故选用直径1Omm的立铣刀，刀具的位置和加工时刀具中心移动轨迹如教材图21b所示，采用增量值编程方式，Z坐标轴方向同主轴一致，主轴向上移动为Z轴的正方向，加工程序如下：,程序:,N001 G91G00 X18.0 Y15.0；由O点移至P。点。N002 S500 M03；主轴正转、转速500rmin。N003 M08；冷却泵起动。N004 Z-270；由P0快速下移27mm。N005 G01 Z80F140；140mmmin速度下移至槽底P1 点。N006 X1600；由Pl点加工至P2点。N007 Y460；由P2点加工至P3点。N008 G02X350Y350R350；加工顺时针圆弧P3点至P4点。N009 G0l X900；由P4点加工至P5点。N010 G03 X350Y350R350；加工逆时针圆弧P5点至P6点。N011 G01 Y460；由P6点加工至Pl点。N012 G00Z350；由P1点快速上升至P。点。N013 M09；关冷却液。N014 M05；主轴停止转动。N015 X180Y150；快速反回起始点。N016 M02；程序结束。,根据以上实例，可以归纳出程序编制的流程图如下：,程序编制的一般内容和过程,1)首先分析加工工件图 2)在编制程序前还要进行运动轨迹坐标值计算，这些坐标值就是编制程序时所需要的输人数据 3)根据计算出的运动轨迹坐标值和已确定的运动顺序、刀具号、切削参数以及辅助动作等，按照数控机床规定使用的功能代码及程序格式，逐段编写加工程序清单 4)程序清单只是程序设计的文字记录，还必须将程序清单的内容记录在输入介质上，再输入至数控装置 5)程序清单所制作的输入介质必须经过调试和实际切削运行后，才可以使用或保存。,二、程序编制方法,1手工编程 手工编程是指编制工件加工程序的各个步骤，即从工件图样分析、工艺处理、确定加工 路线和工艺参数、计算程序中所需的数据、编写加工程序清单直到程序的检验，均由人工来完成。,二、程序编制方法,2自动编程 自动编程又称计算机辅助编程。自动编程在自动编程系统上进行，它是由一台通用计算机配上打印机、自动穿孔机和自动绘图机等组成，可以完成手工编程的大部分工作。,三、数字控制标准与穿孔带代码,为了设计、制造、维修和使用的方便，在输入代码、坐标系统、加工指令、辅助功能及程序格式等方面逐渐形成了两种国际通用数字控制标准。ISO(International StandardOrganization)国际标准化组织标准。EIA(ElectroniclndustriesAssociation)美国电子工业协会标准。我国也已颁布了相关的数字控制标准JB320883。由于各类机床使用的代码、指令其含意不一定完全相同，因此，编程人员还必须按照数控机床使用手册的具体规定进行程序编制。,ISO代码中地址字符及其含义,3主程序和子程序,五、数控机床的坐标系和运动方向的 规定,标准坐标系采用右手直角笛卡儿坐标，规定空间直角坐标系 X、Y、Z三者的关系及其方向由右手定则判定，X、Y、Z各轴的回转运动及其正方向+A、+B、+C分别用右手螺旋法则判定。工件固定，刀具移动时采用上面规定的法则；如果工件移动，刀具固定时，工件移动的正方向与+X、+Y、+C相反，其正方向用带“”的+Y、+X、C表示。,五、数控机床的坐标系和运动方向的 规定,坐标系和方向确定,在使用和判别坐标系时，作如下规定：,1)编写程序时，采用工件固定不动、刀具相对移动的原则编程，编程人员不需要考虑数控机床的实际运动形式；2)确定数控机床的标准坐标系统时，若工件固定不动、刀具移动，坐标系正方向字母不带“”；若刀具固定不动、工件移动，坐标系正方向字母带“”表示；,在使用和判别坐标系时，作如下规定：,3)数控机床各坐标轴的确定方法如下：Z坐标轴与传送切削动力的主轴方向一致，使工件和刀具之间的距离增大的方向是Z坐标轴的正方向+Z，刀具进入工件的方向是Z坐标的负方向。X坐标轴一般是水平线，与工件装夹面平行，且垂直Z坐标轴。对于工件旋转的机床，例如数控车床，取平行刀具移动面的工件径向射线作为X坐标轴，刀具离开主轴中心线方向是X坐标轴的正方向+X。对于刀具旋转的数控机床：当Z坐标轴处在水平面上时，从刀具主轴后端看工件，十X方向指向右向；当Z坐标轴处在垂直面上时，面对刀具主轴看立柱，+X方向指向右向。Y坐标轴的方向可以根据Z和X方向由右手定则判别。,在使用和判别坐标系时，作如下规定：,4)与主坐标系平行的坐标系称为辅助坐标系，分别用U、v、w表示，如果还有第二辅助坐标系，则用P、Q、R表示。工艺与编程人员在编程时只考虑不带“”的运动，即在编写程序时采用工件固定不动、刀具相对移动的原则编写程序；机床设计者在设计时还要考虑带”“的运动。,数控车床坐标系,数控铣床坐标系,数控镗铣床坐标系,CNC系统软件可分为管理软件和控制软件两部分。管理软件包括零件程序的输入、输出、显示、诊断和通信功能软件；控制软件包括译码、刀具补偿、速度处理、插补运算和位置控制等功能软件。下面是几个主要程序。1、输入程序 CNC系统中零件的加工程序,一般是通过键盘、磁盘等方式输入的。,2、译码程序 输入的零件加工程序，在计算机插补运算与操作控制之前，必须翻译成计算机内部所能识别的语言。译码程序的功能就是把程序段中的各个数据，根据其前后的文字地址送到相应的缓冲寄存器中。3、数据处理程序 数据处理程序有三个任务，即刀具半径补偿、速度计算以及辅助功能的处理等。4、插补计算程序 插补计算是CNC系统中最重要的计算工作之一，是在理想的轨迹或轮廓上的已知点之间确定一些中间点的计算。5、伺服（位置）控制程序 伺服（位置）控制程序的主要功能是对插补值进行处理，计算出位置的指令值，同时读一次实际的反馈值，然后计算出指令值与反馈值之间的差值（称为位置跟随误差），在经过换算得到速度指令值。6、输出程序 输出程序的主要功能如下：1）伺服控制 2）反向间隙补偿 3）丝杠的螺距误差补偿 4）M、S、T辅助功能的输出7、管理程序,7、管理程序 管理程序是实现计算机数控装置协调工作的主体软件。8、诊断程序,计算机数控系统由硬件和软件两大部分组成。硬件和软件两者缺一不可，硬件为软件的运行提供了支持环境；没有软件，硬件便无法工作。硬件处理速度快，但造价高，线路复杂，故障率也高；软件设计灵活，适应性强，但处理速度慢。因此在系统中，软、硬件的分工是由性能价格比决定的。现代CNC系统中，软件和硬件的界面关系是不确定的。,2.3 数控系统插补原理与计算,2.3.1 插补的基本概念,数控系统的主要任务之一是控制执行机构按预定的轨迹运动。一般已知运动轨迹的起点坐标、终点坐标和轨迹的曲线方程，由数控系统计算出各个中间点的坐标，“插补”、“补上”运动轨迹中间点的坐标值，通常把这个过程称为“插补”。换言之，就是沿着规定的轮廓，在轮廓的起点和终点之间按一定的算法进行数据点的密化。插补结果输出运动轨迹中间点的坐标值，机床伺复系统根据此坐标值控制各坐标轴协调运动，走出预定轨迹。需要指出的是刀具的运动轨迹是折线，而不是光滑曲线。刀具不能严格地沿着要求的曲线运动，只能沿折线逼近所要加工的曲线。,2.3.2 常用插补方法,1、基准脉冲插补法 在插补过程中不断地向各个坐标轴发出进给脉冲，驱动各坐标轴的伺服电动机转动。每发出一个脉冲，工作台就移动一个基本长度单位，即脉冲当量。脉冲当量的大小决定了加工精度，发送给各坐标轴的脉冲数目决定了相对运动距离，而脉冲的频率代表了坐标轴的速度。基本脉冲插补的实现方法比较简单，既可以用硬件来实现，也可以用软件来实现。基准脉冲插补有多种方法，最常见的是逐点比较插值法和数字积分插补法。适用开环系统。,2.3.3 逐点比较插补法,2、数据采样插补法 数据采样插补法是软件插补法，用于闭环伺服系统中，其输出的结果不是脉冲，而是数据。计算机定时地对反馈回路采样，得到的采样数据与插补产生的指令数据相比较，用误差信号驱动伺服电动机。采样周期各系统不尽相同，一般10毫秒左右。采样周期太短计算机来不及处理，太长会损失信息影响伺服精度。这种方法所产生的最大速度不受计算机最大运算速度的限制，但插补程序比较复杂。适用半闭环或闭环系统。,所谓逐点比较插补法，就是每进给一步都要将加工点的瞬时坐标与规定的轨迹相比较，判断其偏差，然后决定下一步的进给方向。一、逐点比较法直线插补,第 三章 数控机床伺服系统,3.1.1 伺服系统的组成,数控机床伺服系统是以机床移动部件的位置和速度为控制量的系统，又称随动系统，简称伺服系统。它接收插补生成的指令，并将其变换为机床工作台的位移。伺服系统作为数控机床的重要组成部分，其本身的性能直接影响着整个数控系统的精度和速度等技术指标。按有无检测反馈装置，伺服系统可分为开环和闭环两大类；按检测元件安装的位置和检测方式的不同，闭环系统又可分为半闭环系统和全闭环系统。1、开环控制系统,上图所示为一开环控制系统原理图。它主要由驱动电路和执行元件两部分组成。驱动电路的作用是将指令脉冲信号转换为执行元件所需的信号，并满足执行元件的工作特性要求。执行元件的作用是将驱动电路输出的电信号转换成位移信号，带动机床工作台移动。开环控制系统中常用的执行元件为步进电动机，它将指令脉冲变换为机械转动角，在经过齿轮副和丝杠螺母带动机床工作台移动。开环控制系统结构简单，成本较低。但系统对移动部件的实际位移量不进行检测，也不能进行误差校正，因此其精度较低。2、闭环系统,上图所示为一闭环控制系统原理图。它主要由位置检测器、比较线路、伺服放大线路和执行元件四大部分组成。位置检测器的作用是检测工作台的实际位置并转换成电信号反馈给比较线路；比较线路的作用是将指令信号和反馈信号进行比较，把两者的差值作为伺服系统的跟随误差经伺服放大线路和执行元件带动工作台移动，直至跟随误差为零；伺服放大线路的作用是将比较环节输出的信号进行整形、滤波、电压放大和功率放大，然后驱动执行元件带动工作台移动；闭环控制系统的执行元件为伺服电动机，其作用是根据来自比较环节的跟随误差信号，将表示位移量的电信号转化成为机械位移。闭环控制系统是位置反馈控制，位置检测元件的精度很高，系统传动链的误差、环内各元件的误差及运动中造成的误差，均可以得到补偿，因此系统的精度较高。该系统主要用于高精度或大型数控机床。全闭环控制系统是在机床工作台上安装位置检测元件，检测工作台的直线位移，要求检测元件的测量范围与工作台移动范围相等。而制造较长的位置检测元件比较困难，价格高且安装调整都比较复杂。相比之下，测量转角要容易得多。因此大部分数控机床是将位置位置检测元件安装在伺服电动机轴或数控机床的传动丝杠上，这就是所谓的半闭环控制系统。由于丝杠和工作台存在的传动误差得不到补偿，所以半闭环控制系统要比闭环控制系统的精度低。,3.1.2 数控机床对伺服系统的要求,伺服系统作为数控系统的执行装置，其性能直接影响机床的加工特性、生产率和加工精度。因此数控机床对伺服系统有如下要求：1、精度高。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，也是伺服系统静态特性与动态特性的具体表现。2、响应快。为了提高生产率和保证加工质量，对伺服系统的动态性能提出两方面的要求。一方面在频繁地启动、制动、加减速等动态过程中，要求缩短伺服系统的过度时间，减小轮廓过渡误差。另一方面，当负载突变时，过渡恢复时间要求短且无振荡，才能得到光滑的加工表面。3、调速范围宽。为适应不同的加工条件，要求进给速度能在很宽的范围内变化。而且在低速时，电动机能平稳运行，输出较大的转矩，满足低速进给切削的要求。,3.2 步进电动机控制系统,3.2.1 步进电动机的工作原理,在开环伺服系统中，一般采用步进电动机作为执行元件，而在闭环和半闭环系统中，目前大都采用直流或交流伺服电动机作为执行元件。步进电机是一种能将数控装置输入的进给脉冲转化成角位移的特殊电机，每接受一个进给脉冲步进电机就走一步，转过一定的角度。这个角度称为步距角，用表示。只要控制输入脉冲的数量，便可控制步进电机位移量大小。而控制输入脉冲的频率，便可控制步进电机的速度。以反应式功率步进电机为例讲解其动作原理。所谓反应式就是电机转子上无绕组，步进运行靠定子绕组通入激磁电流产生反应力矩而实现的。此种通电方式在A相断电B相尚未接通时转子齿不受磁场控制，转子转动不平稳。在电机的定子上有三相绕组，故称三相步进电机。,首先,向A相绕组通以直流电时，A相产生磁场，吸引在A相附近的1、3齿与A相对齐，电机转子逆时针旋转30后停止。然后A相断电，B相通电。则A相磁场消失，而B相产生磁场，此时，在B相磁场的作用下又吸引了最靠近B相的2、4齿。2、4齿与B相对齐，转子又逆时针方向旋转30后停止。按ABCAB 的顺序连续通电，则步进电机一步一步地沿逆时针方向不停地旋转。这种通电方式称为三拍控制。即三相三拍反应式步进电机。若步进电机按ACBACBA的顺序通电，则电机反向旋转。,此种通电方式在A相断电B相尚未接通时，转子齿不受磁场控制，转子转动不平稳。如果把通电方式改为A相通电后，再AB两相同时通电.则定子附近转子上的1-4齿,同时受到AB两相磁极的吸引，1-4齿将位于AB两相磁极之间。当以AABBBCCCAA的顺序通电，步进电机每接受一个脉冲逆时针方向旋转15，这种通电方式称为六拍控制方式。当步进电机定转子齿数不变,控制方式改变时,步距角可以减小一半。这种通电方式的特点是它在整个通电过程中,始终有一相处于通电状态,转子齿始终有磁场吸引。,3.2.2 步进电动机的主要特性,1、步距角和步距误差：转子每步转过的空间机械角度，即步距角为=360/Z*N 其中 Z-转子齿数，N-运行拍数。步进电机每走一步，转子实际的角位移与设计的步距角存在有步距误差。连续走若干步时，上述误差形成累积值。转子转过一圈后，回至上一转的稳定位置，因此步进电机步距的误差不会长期积累。步进电机步距的积累误差，是指一转范围内步距积累误差的最大值，步距误差和积累误差通常用度、分或者步距角的百分比表示。影响步距误差和积累误差的主要因素有:齿与磁极的分度精度；铁心迭压及装配精度；各相矩角特性之间差别的大小；气隙的不均匀程度等。2、启动频率 启动频率是步进电动机由静止状态不失步地启动到稳定速度，所允许的最高输入脉冲频率。一般均采用较低的启动频率启动步进电动机，然后再逐渐升高脉冲频率，最后达到所要求的工作频率。,3、步进电机矩频特性：矩频特性是用来描述步进电机连续稳定运行时输出转矩与连续运行频率之间的关系曲线。矩频特性曲线上每一频率所对应的转矩称为动态转矩。动态转矩除了和步进电机结构及材料有关外，还与步进电机绕组连接、驱动电路、驱动电压有密切的关系。下图是混合式步进电机连续运行时的典型的矩频特性曲线。,4、工作频率：步进电动机能保持正常工作的最高频率，称为工作频率,3.2.3 步进电动机的驱动电路,由步进电动机的工作原理可知，使定子绕组按顺序通电，并具有一定功率的电脉冲信号，才能使其正常运转。步进电动机的驱动电路承担此项任务。驱动电路通常由环形分配器和功率放大器组成。1、环形分配器 环形分配器的作用是把来自数控系统的一系列指令脉冲，按一定的规律依次分配给各相功率放大器，使相应的励磁绕组通电或断电，以实现步进电动机按确定的工作方式工作。实现脉冲环形分配有硬件和软件两种方法。1）硬件脉冲环形分配器 硬件脉冲环形分配器是由门电路和触发器组成的逻辑电路，通常把它做成专用的集成电路芯片。2）软件脉冲环形分配器 步进电动机的驱动装置中没有环形分配器，脉冲分配由计算机软件完成，即数控装置直接控制步进电动机各绕组的通断电。2、功率放大器 功率放大器的作用是将环形分配器或计算机输出的电流，放大至几安培或几十安培，送至步进电动机的各绕组。,3.3 直流伺服电动机控制系统,3.3.1 直流伺服电动机的工作原理,直流伺服电动机由固定磁极（定子）、电枢（转子）、电刷和换向片等组成。由于电刷和换向片的作用，电枢绕组中任何一根导体，只要一转过中心线，导体内的电流必定反向，使磁极N、S下的导体内的电流方向始终如一，电流切割磁场，产生电磁转矩。电动机的电磁转矩T由下式确定：T=ktIa 式中 kt转矩系数；Ia电枢电流。,直流伺服电动机具有调速特性好、启动力矩较大等优点，尤其是调速特性为一般交流电动机所不及，因此在数控机床上得到了广泛的应用。,3.3.2 直流伺服电动机的调速方法,由电工知识可知，电动机电枢回路的电压平衡方程式为：Ua=Ea+IaRa式中：Ua电枢电压；Ea电枢绕组的感应电动势；Ra电枢回路总电阻。电枢绕组的感应电动势：Ea=ken式中：ke电动势常数；磁通量；n电动机转速。由以上各式即可求得直流伺服电动机的转速公式：n=Ua/（n）-RaT/（ke kt）上式表明了直流伺服电动机的转速与电磁转矩的关系，此关系称为机械特性。当转矩T一定时，转速n是电枢电压Ua和磁通的函数。它表明了电动机的控制特性，就是说，改变Ua或都可以达到调节转速n的目的。通过调节电枢电压来控制转速的方法叫“电枢控制”；通过调节磁通来控制转速的方法叫“磁场控制”。前者，转速和电枢电压之间是线性关系，而后者转速和电枢电压之间是非线性关系。因此，在伺服系统中多采用“电枢控制”。,3.3.3 直流伺服电动机的应用特点,数控机床大多采用永磁直流伺服电动机，其定子磁极是永磁体。按电枢惯量可分为小惯量和大惯量电动机两大类。1、小惯量直流伺服电动机 小惯量直流伺服电动机的主要特征是电动机的转子细而长，惯性小，响应快，适用于频繁启动与制动，要求有快速响应的场合，但由于它过载能力低，自身惯量比机床相应运动部件的惯量小得多，因此限制了它的广泛应用。2、大惯量直流伺服电动机 大惯量直流伺服电动机又称宽调速直流伺服电动机，利用提高转矩的方法来改善调速性能，故在闭环伺服系统中应用更广泛。其主要特点如下：1）能承受的峰值电流和过载能力高。2）具有大的力矩与惯量比。3）低速时输出力矩大。4）调速范围宽。5）转子热容量大。,3.4 交流伺服电动机控制系统,3.4.1 交流伺服电动机的工作原理,当交流伺服电动机定子的三相绕组接通交流电时，产生旋转磁场，该磁场以转速ns旋转。根据异性磁极相互吸引的道理，定子磁极紧紧吸引转子的永久磁极，使其以同步转速n（=ns）与旋转磁场一起旋转。当转子加上负载转矩以后，转子磁极轴线将落后定子磁极轴线一个角，随着负载增加，角也随之增大，负载减小时，角也减小，只要不超过限度，转子始终跟着定子的旋转磁场以恒定的同步转速ns旋转。当负载转矩超过一定的限度时，电动机就会“失步”，即不再按同步转速运行甚至停转。这一最大限度的转矩称为最大同步转矩。因此，使用永磁式同步电动机时，负载转矩不能大于最大同步转速。,近年来交流调速有了飞速的发展，它克服了直流伺服电动机结构上存在机械整流子、电刷维护困难、造价高、寿命短、应用环境受到限制等缺点，同时又坚固耐用、经济可靠及动态响应好等优点。交流伺服电动机分为同步伺服电动机和异步伺服电动机两大类。同步交流伺服电动机由变频电源供电时，可方便地获得与频率成正比的可变转速，得到非常硬的机械特性及较宽的调速范围。所以在数控伺服系统中多采用永磁式交流同步伺服电动机。,3.4.2 交流伺服电动机的调速方法,如前所述，当同步电动机的定子绕组接通交流电源时，产生一定转速的旋转磁场，吸引永磁式转子磁极同步旋转，只要负载在允许的范围内，转子就会与磁场同步旋转。同步电机也因此而得名。永磁式同步电动机转子的转速n为 n=60f/p式中：f电源的频率；p磁极对数。可见，转子的转速只决定于电源的频率和电机的磁极对数，与负载的大小无关。为实现交流伺服电动机的速度控制，需改变交流伺服电动机的供电频率。因此变频器是永磁式交流伺服电动机速度控制的一个关键部件。,3.4.3 SPWM变频控制器,SPWM变频控制器是用脉冲宽度不等的一系列矩形脉冲逼近正弦波电压或电流信号。中间脉冲宽而两边脉冲窄，各个脉冲的面积和与正弦波下的面积成正比，脉宽基本上按正弦分布。这种方法是一种最基本也是应用最广泛的调制方法。,3.5 位置控制系统,3.5.1 脉冲比较伺服系统,在进给伺服系统中，脉冲比较伺服系统应用比较普遍。该系统结构较为简单，易于实现数字化的闭环位置控制。目前，脉冲比较伺服系统普遍采用光电编码器作为位置检测元件，以半闭环形式构成伺服系统。1、脉冲比较伺服系统的组成 下图所示是以光电编码器作为位置检测元件的脉冲比较伺服系统。它主要由比较器、D/A转换器、位置检测元件和执行元件（伺服电动机）组成。1）比较器 完成指令信号与反馈信号的比较。2）D/A转换器 将比较器输出的数字信号转变成伺服电动机模拟控制信号。3）位置检测元件 将丝杠的转角检测出来并反馈给伺服系统。4）执行元件 根据比较器输出的跟随误差信号，将表示位移量的电信号转化为机械位移。,按有无检测反馈装置，伺服系统可分为开环和闭环两大类；若按工作原理来分，闭环控制系统又可分为脉冲比较伺服系统、相位比较伺服系统和副值比较伺服系统。,2、脉冲比较伺服系统的工作原理 脉冲比较伺服系统中，光电编码器与伺服电动机轴连接，随着电动机的转动产生位置位置反馈脉冲系列输出，脉冲的频率将随着转速的快慢而升降。设工作台处于静止状态，指令脉冲F=0，反馈脉冲Pt也为零，两脉冲信号进入比较，得位置偏差e=F-Pt=0，则伺服电动机速度控制信号为零，工作台继续保持静止不动；随着指令脉冲的输出，F0，在工作台尚未移动之前，反馈脉冲Pt仍然为零，经比较后的位置偏差e0。设F为正，则e=F-Pt0，偏差e经D/A转换变成模拟电压，控制伺服电动机驱动工作台正向进给；随着电动机的运转，光电编码器的反馈脉冲Pt变成零状态，如e=F-Pt0，继续运动，不断反,3.5.2 相位比较伺服系统,相位比较伺服系统是采用相位比较方法实现位置闭环控制的伺服系统，是高性能数控机床所使用的一种伺服系统。它工作可靠，抗干扰能力强，精度高，但结构复杂，调试也较困难。相位比较伺服系统常使用感应同步器和旋转变压器作为检测元件，并以相位方式工作。1、相位比较伺服系统的组成 下图所示是采用感应同步器作为位置检测元件的相位比较伺服系统。它主要由基准信号发生器、脉冲调相器、鉴相器、伺服放大器、检测元件和执行元件等组成。1）基准脉冲发生器 输出一系列具有一定频率的脉冲信号，为伺服系统提供一个相位比较的基准。2）脉冲调相器 将数控装置的进给脉冲信号转换为相位变化信号。3）鉴相器 将指令信号和反馈信号进行比较，输出与相位差成正比的电压信号。4）伺服放大器 将鉴相器输出的电压信号进行功率和电压放大。5）检测元件 将工作台的位移检测出来并反馈给伺服系统。6）执行元件 实现电信号和机械位移的转换。,馈，直到e=F-Pt0，工作台停在指令规定的位置上；若指令的脉冲F为负，控制过程与F为正类似，此时位置偏差e0，工作台反向进给。,2、相位比较伺服系统的工作原理 当数控装置要求工作台沿某一方向进给时，插补器或插补软件便产生一系列进给脉冲送入伺服系统。其数量代表工作台的指令进给量，其频率代表工作台的进给速度，其方向代表工作台的进给方向。在伺服系统中，指令脉冲F经脉冲调相器转换为指令相位信号F1（），而感应同步器为相位工作方式，定尺的位置检测信号经整形后得到位置反馈信号F2（），F1（）和F2（）是两个同频率的脉冲信号，它们的相位差反映了指令位置和实际位置的偏差。,3.5.3 幅值比较伺服系统,幅值比较伺服系统是以位置检测信号的幅值变化来反映机械位移的大小，并以此作为位置反馈信号与指令信号进行比较的闭环系统。该系统的特点之一是所有位置检测元件都以幅值工作方式工作。幅值比较伺服系统常用感应同步器和旋转变压器作为位置检测元件。其控制原理与相位比较伺服系统相似。1、幅值比较伺服系统的组成 下图所示是采用感应同步器作为位置检测元件的幅值比较伺服系统。它主要由比较器、D/A转换器、伺服放大器、检测元件、鉴幅器、电压/频率变换器和执行元件等组成。,比较器、D/A转换器、伺服放大器、检测元件和执行元件的作用与相位比较伺服系统中各相应部件的作用相同。鉴幅器的作用是将感应同步器的定尺输出信号，转换成方向与工作台移动方向相对应，幅值与工作台位移成正比的直流电压信号；电压/