计算机数控技术及理论研究生数控技术第２次课ppt
- 1. 1.3 计算机数控的系统图计算机数控系统又可分为三个子系统： 控制系统 驱动系统 反馈系统 （注：这三个子系统必须同时工作即可形成完整的计算机数控系统。）图1-8 计算机数字控制交互允许操作员装载程序，控制机床操作（哈斯Courtesy自动化公司）
- 2. 1.3 计算机数控的系统图——控制系统计算机数控系统的核心是控制系统（如图1-8所示）。这就是能存储、读取、告诉其它组件做什么的计算机。控制系统可作为用户交互，这样操作员可以启动、操作机床。从技术角度讲，控制系统称为机床控制单元（MCU）。但是近年来最常使用的名称是控制器、控制单元或平面控制。控制系统形成两个基本要素：所有权与PC基（IBM可容个人计算机），前者迄今为止是最常见的。
- 3. 1.3 计算机数控的系统图——控制系统 所有权控制有个封闭式结构。系统由制造商按特殊要求制作的，常包括保护电路、算法、控制程序。你无需到当地特大型商店购买你的专有控制系统或在硬件驱动装置中安装微软最新的操作系统，这种控制系统昂贵，但能提供绝对的可靠性。
- 4. 1.3 计算机数控的系统图——控制系统 开放式结构控制——也就是说，控制系统可由一般可用的组件和软件组成。开放式结构意味着开发并采纳工业标准，对所有制造商都发放——不必基于Windows/PC平台。
- 5. 1.3 计算机数控的系统图——控制系统计算机数字控制系统是一种逐渐熟知的运动控制系统的混合。运动控制系统可以在机器人学、航空电子学和许多工业自动化系统应用中找到。计算机数控系统只在编程、轴定义、预编程功能等方面更加专业化。不管使用哪个端点，所有运动控制系统都能粗略地完成相同功能。它们读取用户提供的程序，由指令生成电子定位轮廓，然后将信号传给电动机产生预期运动。更先进的系统（即现代计算机数控系统）利用反馈环比较预期位置与实际位置，如果存在差异，则作调整。
- 6. 1.3 计算机数控的系统图——控制系统工作原理：控制系统（称为控制程序）中计算机程序处理翻译零件程序工作，把它转换成一系列电信号，控制程序读取零件程序指令，生成微小电信号，从而发动电机。然而，控制是计算机，计算机控制非常低的电压和电流。另一方面，电动机是强电设备，需要不同更强的信号。因此，在控制与电机之间称作放大器的中间设备必须起到解释程序作用。这种方式与你的晶体管收音机将天线接收到的微小电信号转换成你在听筒能听得到的放大信号没有太大区别。
- 7. 1.3 计算机数控的系统图——驱动系统组成：驱动系统由电动机和最终将零件程序转换成运动的螺状物组成。第一种典型驱动系统的组件是称为滚珠丝杠的高精度导杆，如图1-9所示。计算机数控机床使用相似的启动方式，但是导杆是由螺母与螺钉间附加的球轴承改进的。轴承通过螺母管再循环。结果是显著的，低摩擦、零间隙。图1-9 滚珠丝杠用来将运动传递给加工台（Hass Courtesy自动化公司）
- 8. 1.3 计算机数控的系统图——驱动系统因为当螺钉、球轴承、螺母装配在一起时，会产生一些干涉配合，所以要去除滚珠丝杠的间隙。换言之，螺母与螺钉间的空间要比它们配合的更小。去除间隙有两个重要原因。首先，当固定时，如果工作台有点自由移动的话，就很难达到高精定位。控制系统会连续调整适应定位误差，这样松动的工作台就会随着移动而驱动反馈系统。其次，如果去除间隙，材料可以顺铣。顺铣是计算机数控机床机加工最希望使用的方法。如果旋钮中有间隙，材料就会跳入机床，可能引起机床损坏或可能毁坏工件。
- 9. 1.3 计算机数控的系统图——驱动电机 驱动电机是驱动系统第二个专用组件。电机旋转会带动滚珠丝杠旋转，直接引起加工台移动。计算机数控系统使用多种电机，偶尔也使用液压电机。有多种类型电机，但是它们都是基于磁性吸引、排斥这样相同的原理运行的。
- 10. 1.3 计算机数控的系统图——驱动电机计算机数控定位系统中常用的最简单的电机是步进电机（有时称为步进马达）。步进电机当接收电脉冲时，旋转固定角度。步进电机具有几个不同线圈结构，每一步产生适当的吸引、排斥。称为步进电机翻译器的独立电路需要产生适当的信号来形成向前或相反方向的旋转。步进特征使步进电机容易控制。
- 11. 1.3 计算机数控的系统图——驱动电机典型的步进电机结构允许0.7°/脉冲。如果电机安装在倾斜角度为0.25″的导杆上，那么工作台会倾斜移动0.7/360或约0.00048″。这称为分辨率或只是系统可能移动的最小位移。如果要求更高分辨率的话，就会选择更精密的导杆。例如，使用旋转0.7°/脉冲的相同步进电机，斜率0.100″的导杆会产生约0.00019″/脉冲的分辨率。然而，电机以恒定速度旋转，因此定位速度更低。
- 12. 1.3 计算机数控的系统图——伺服电机伺服电机在光滑、连续运动中运行——不像步进电机的非连续运动。光滑运动导致高期望加工特征，但它们很难控制。专用硬件控制和反馈系统需要控制和驱动电机。附加硬件使系统更贵、更复杂，但是它也提供立即刹住控制和光滑加速曲线。图1-10 伺服电机提供计算机数控机床光滑、连续运动
- 13. 1.3 计算机数控的系统图——电机伺服电机与步进电机的构造与控制方式区别： 当电信号送到伺服电机时，它会连续旋转直到电流停止。伺服电机速度由改变信号强度或改变信号频率来控制，这取决于特殊结构。伺服电机具有几种不同结构和电属性。一些早期基于伺服系统的计算机数控机床使用直流（DC）伺服电机。电力强，但是直流电在电池中流通。随着控制技术的发展，机床厂商开始使用交流（AC）伺服电机。交流电在你的墙壁插座里就能得到。交流周期性地上下震荡更像在称作频率的规则时间间隔内的波动。工程师不久意识到他们可以操作震荡来控制电机的速度和运动。尽管交流电机的想法要追溯到世纪早期，但在控制系统达到它们可以经济使用交流伺服电机的先进水平前更晚。
- 14. 1.3 计算机数控的系统图——反馈系统反馈系统的作用是提供关于运动控制系统状态的控制信息，如图1-11所示。控制可以比较预期条件与实际条件并进行修正。图1-11 计算机数控机床的典型运动控制系统
- 15. 1.3 计算机数控的系统图——反馈系统有两种主要的反馈系统：开放式反馈系统与闭环式反馈系统，如图1-12所示。开放式反馈系统实际是无反馈系统的。图1-12 两种反馈环。因为预期输出与实际输出相比较，因此闭环反馈系统可以纠正错误
- 16. 1.3 计算机数控的系统图——反馈系统闭环式反馈系统使用外部传感器纠正遇到的状况。位置与速度反馈对于准确计算机数控系统而言是基本重要的。反馈系统只是确保机床按照控制系统的要求运行的一种方式。为了跟踪位置、速度和加速度，计算机数控系统伺服电机通常需要闭环反馈系统。也有可能建立开放式伺服系统。闭环反馈系统使用多种传感器报告机床位置、电机或主轴速度信息。使用称为编码器的传感器来测量机床工作台的线性位移。
- 17. 1.3 计算机数控的系统图——反馈系统两种主要的编码器：旋转编码器和线性编码器，如图1-13所示。旋转编码器是一种当安装在电机轴上即可检测角位置的传感器。旋转编码器由光源、光学传感器、切成像车轮辐条的小块盘子组成。有切槽的盘被安装在电机轴上，光源和光学传感器安装在盘的相反面。随着盘子旋转，透过狭缝光线照到光学传感器上。光学传感器起到开关作用。随着灯光的照射实现开、关。（这些称为编码器标记）通过这种方式，光学传感器将电信号传回控制系统。图1-13 旋转（左）与线性（右）编码器利用光电效应传送位置变化。二者在相对或绝对测量中均可使用
- 18. 1.3 计算机数控的系统图——反馈系统只有一套狭缝（或只有一个传感元）的旋转编码器有一个致命的缺点——它无法辨别旋转方向。只知道开关保持旋转启、停。在同一盘上需要另一套狭缝和另一个光学传感器确定旋转方向。这通过设置第二套旋转90°的狭缝来实现。如图1-14，盘与时间图。该图说明，当盘顺时针旋转时，传感器A领先于传感器B。换言之，当传感器A旋转时，传感器B稍微滞后一些再旋转。如果反向旋转，传感器A就落后于传感器B。如果看得困惑，不要紧——对控制系统来说是很容易跟踪的。图1-14 方向编码盘与时间图。两套狭缝相图。允许控制系统确定旋转方向。可供选择的结构利用一套放在相外的两个传感元的狭缝
- 19. 1.3 计算机数控的系统图——反馈系统旋转编码器基于光照的开、关时间和电机旋转的方向只能给出相对位置。它不能给出电机实际角位置——控制系统必须计数。由于该设计，机床每次必须移动到绝对参照位置，这样控制系统中的计数器就可以在误差累积时重置。还有一种旋转编码器设计，称为绝对编码器，可以实际确定真实角位置。它通过专用狭缝盘上多个传感器来实现。这些编码器由许多线连接，这使系统更复杂。而且，控制系统必须仍保持计算旋转转数。
- 20. 1.3 计算机数控的系统图——反馈系统旋转编码器易于旋转不确定小角度。因为它们安装在电机上，不能直接测量工作台位置——它们基于滚珠丝杠螺距给出计算位置。如果丝杠有误差，位置就不准确了。 为了解决这个问题研发了另一种叫做线性编码器的定位传感器。线性编码器更贵，但对于多数计算机数控机床来说变标准了。
- 21. 1.3 计算机数控的系统图——反馈系统线性编码器构造为在特定间隔下在玻璃束上蚀刻精细分度。玻璃束直接安装在机床工作台上，实质上是非常准确的标尺。旋转0.00005″（百万分之一英寸的一半）是正常的。还能获得指数方式的更高旋转精度。包括光源和光学传感器的固定编码器头读取刻度。光束照到比例尺上，光学传感器捕捉到反射光（或缺少反射）。信号再次被传到控制系统。可以得到这样想法的变化，包括计算记号数量的增加变化，可以确定比例尺上实际位置的绝对位置变化。
- 22. 1.3 计算机数控的系统图——反馈系统计算机数控系统也需要获取电机角速度和工作台线性速度信息。这可通过两种方式实现。首先，控制系统可通过划分共用时间内编码器标记数量的方法计算工作台或电机的速度。
- 23. 1.3 计算机数控的系统图——反馈系统测速计用来测量角速度（RPM）。测速计是可以直接或间接测量主轴每分钟旋转次数（RPM）的简单传感器。主轴RPM是每个机械师和数控编程员准确意识的关键数量——主轴RPM在机械加工中很大程度上会影响表面精度，刀具寿命。一些运动控制系统会使用测速计而非定位传感器来计算组件的线性速度。这是基于计算机可获取的驱动力和要求的时间反应的设计决定。当系统必须实时操作时，慢速的计算机不能足够快地计算。
- 24. 1.3 计算机数控的系统图——数控系统以系统的一个轴开始。控制系统将信号传给电机（输入），电机旋转（输出）。下一步，编码器提供控制系统反馈。反馈与输入求和（Σ）点比较。二者之间差值称为误差，然后调整输入，相反亦会改变输出。希望每次误差会更小。
- 25. 1.3 计算机数控的系统图——控制系统系统的输入如何在开始的地方生成 输入起始于数控编程员写的零件程序。零件给出移动到哪，主轴旋转多快的指令。控制系统接着读取指令，生成运动外轮廓。运动外轮廓由特定时间间隔内工作台所处位置的图来表示。 X轴位置图形成正弦曲线。这作为输入，驱动X轴电机。当然，用反馈来确定输出（工作台位置）是否正确。我们也应该考虑Y轴，Y轴图也是正弦曲线，只是有些部分不同。同时移动两轴就会产生圆弧。
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