第六章 数控机床的检测装置
数控加工工艺
2.1 数控加工工艺基础
（4）在同—次安装中进行的多个工步，应先安排对工件 刚性破坏较小的工步。
（5）为了提高机床的使道工序。
（6）加工中容易损伤的表面(如螺纹等)，应放在加工路线 的后面。
（7）上道工序的加工不能影响下道工序的定位与夹紧，中 间穿插有通用机床加工工序的也要综合考虑。
3）加工顺序的安排
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2.1 数控加工工艺基础
（1）尽量使工件的装夹次数、工作台转动次数、刀具更 换次数及所有空行程时间减至最少，提高加工精度 和生产率。
（2）先内后外原则，即先进行内型内腔加工，后进行外 形加工。
（3）为了及时发现毛坯的内在缺陷，精度要求较高的主 要表面的粗加工一般应安排在次要表面粗加工之前； 大表面加工时，因内应力和热变形对工件影响较大， 一般 也需先加工。
（2）对于既有铣面又有镗孔的零件，可先铣面后镗孔。按 此方法划分工步，可以提高孔的精度。因为铣削时切 削力较大，工主件要易内容发生变形。先铣面后镗孔，使其有 一段时间恢复，减少由变形引起的对孔的精度的影响。
（3）按刀具划分工步。某些机床工作台回转时间比换刀时 间短，可采用按刀具划分工步，以减少换刀次数，提 高加工效率。
2.1 数控加工工艺基础
2）零件各加工部位的结构工艺性应符合 数控加工的特点 （1）统一几何类型或尺寸。 （2）内槽圆角的大小决定着刀具直径的大小，因而内槽圆角 半径不应过小。
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2.1 数控加工工艺基础
（3）零件铣削底平面时，槽底圆角半径r不应过大。
图2.6 零件底面圆弧对结构工艺性的影响
（4）应采用统一的基准定位。
数控技术及应用
1
数控技术及应用
目录
第一章 绪论 第二章 数控加工工艺 第三章 数控加工编程 第四章 数字控制原理 第五章 计算机数控装置 第六章 数控机床检测装置 第七章 数控机床伺服系统 第八章 数控机床的机械结构 第九章 数控机床故障诊断与维修
机床数控技术：第6章 数控伺服系统
6.2 伺服电动机
伺服电动机是数控伺服系统的重要组成部分， 是速度和轨迹控制的执行元件。
数控机床中常用的伺服电机： ● 直流伺服电机（调速性能良好） ● 交流伺服电机（主要使用的电机） ● 步进电机（适于轻载、负荷变动不大） ● 直线电机（高速、高精度）
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6.2.1 直流伺服电机及工作特性
6.1 概述
伺服系统的性能直接关系到数控机床执行件的 静态和动态特性、工作精度、负载能力、响应快慢 和稳定程度等。所以，至今伺服系统还被看做是一 个独立部分，与数控装置和机床本体并列为数控机 床的三大组成部分。
按ISO标准，伺服系统是一种自动控制系统，其 中包含功率放大和反馈，从而使得输出变量的值紧 密地响应输入量的值。
数控机床常用的直流电动机有： ●直流进给伺服系统：永磁式直流电机； ●直流主轴伺服系统：励磁式直流电机；
图6.5 直流伺服驱动系统的一般结构
32
6.2.1 直流伺服电机及工作特性
直流电动机原理
根据法拉第电磁感应定理 当载流导体位于磁场中，导
体上受到的电磁力F:
F = B ×L× i
B：磁场的磁通密度； L： 导体长度； i：导体中的电流。 F、B、i之间的方向关 系可用左手定则确定。
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6.1 概述
6.1.4 伺服系统的发展 由于直流电动机存在换向火花和电刷磨损等问题
，美国通用电气(GE)公司于1983年研制成功采用 笼型异步交流伺服电动机的交流伺服系统。采用 矢量变换控制变频调速，使交流电动机具有和直 流电动机—样的控制性能，又具有机构简单、可 靠性高、成本低，以及电动机容量不受限制和机 械惯性小等优点。 日本于1986年又推出了全数字交流伺服系统。
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数控机床电气控制第六章
第六章 检测装置
6.5 光栅 6.5.1 光栅结构与工作原理 无论是长光栅或圆光栅，主要由标尺光栅和光栅读数头两部分组成。通常，标尺光栅固定在机床活动部 件（如工作台或丝杠）上，光栅读数头安装在机床的固定部件（如机床底座）上，两者由于工作台的移动而 雨相对移动。在光栅读数头中，有一个指示光栅，它可以随光栅读数头在标尺光栅上移动，因此，在光栅安 装时，必须严格保证标尺光栅和指示光栅的平行度要求以及二者之间的间隙（通常取 0.05mm 或 0.lmm）要 求。 1 结构 （1）光栅尺 标尺光栅和指示光栅，统称光栅尺，采用真空镀膜方法光刻上均匀密集线纹的透明玻璃板或长条形金属 镜面。对于长光栅，这些线纹相互平行、距离相等，该间距被称为栅距。对于圆光栅，这些线纹是等栅距角 的向心条纹。栅距和栅距角是决定光栅光学性质的基本参数。常见的长光栅的线纹密度为每毫米 25 条、50 条、 条、 条、 条。 100 125 250 对于圆光栅， 如果直径为 70mm， 一周内的刻线 100～768 条； 如果直径为 110mrn， 一周内的刻线 600～1024 条。但是对于同一光栅元件，其标尺光栅和指示光栅的线纹密度必须相同。
Hale Waihona Puke 第六章 检测装置图 6-3 绝对式光电编码器的结构图 由于绝对式光电编码器转过的圈数由 RAM 保存，所以断电后机床的位置即使断电或断电后又移动过也 能够正常工作。
第六章 检测装置
6.3 感应同步器 6.3.1 感应同步器结构与工作原理 1.结构特点 直线式感应同步器由定尺和滑尺组成，相当于一个展开式的多极旋转变压器，其结构如图 6-4 所示。定 尺和滑尺的基板由与机床线胀系数相近的钢板制成，钢板上用绝缘粘接剂贴有钢箔，利用照相腐蚀的办法做 成图示的印刷线路绕组。感应同步器定尺绕组是一个单向均匀的连续绕组；滑尺有两个绕组，其位置相距绕 组节距（2 ）的 1/4，分别称为正弦绕组和余弦绕组。定尺和滑尺绕组的节距相等，均为 2 ，这是衡量感 应同步器精度的主要参数，工艺上要保证其节距的精度。一块标准型感应同步器定尺长度为 250mm，节距 为 2mm，其绝对精度可达 2.5 m，分辨率为 0.25 m。
第六章 自动检测技术应用举例
自动检测技术
四、键盘、显示与打印
为了节省I/O口，本测量仪采用3×4的矩阵式键盘，它由 行线和列线组成，按键位于行、列的交叉点上。采用函数 char key(chart)实现对键盘的查询与结果的返回。 显示采用液晶图形显示器，它具有低压、微功耗、寿命长、 无辐射等特点，是目前流行的显示方法。本测量仪选用香 港精电公司的MGLS19264，液晶显示驱动控制套件为 HD61203U、HD61202U。 打印机采用荣达MP系列微型打印机，它具有串行/并行打 印接口，并口采用26线针型扁平电缆插座，与标准并行口 Centyonics兼容，可直接由单片电感传感器中两个线圈的阻抗（线圈电感L与电 阻r的等效阻抗），另外两臂为电源变压器次级线圈的两半绕组（每半 绕组的电势为u）。输出电压 u sc为：
1 2
usc
Z1 Z 2 u Z1 Z 2
自动检测技术
当电感传感器的铁芯处于中间位置时，两线圈的阻抗相等，即, Z1 Z 2
sc
则，
＝0，电桥处于平衡状态，无输出电压。当测杆上升时，上线圈阻抗增加， u
即
Z,1下线圈阻抗减少，即 Z Z
，则有： Z2 Z Z
Z u sc u Z
当测杆下降同样位移时，上述变化相反，有：
Z u sc u Z
自动检测技术
由测量电桥输出的测量信号是一个交流电压信号，此信号经过交流放 大器放大后，其幅度与传感器测杆的位移成正比，但无法判断测杆是 上升还是下降，也就是无法知道被测尺寸具有正偏差还是负偏差。为 了判断信号的相位（方向），在交放之后、直放之前加一级相敏检波 器输出的直流缓变信号，再经一级直流放大，得到A/D转换器所需的直 流电压。其原理框图如图6-4所示。
数控机床对检测装置的主要要求和分类
数控机床对检测装置的主要要求和分类
位置检测装置的组成：位置检测装置由检测元件（传感器）和信号处理装置组成。
位置检测装置的作用：实时测量执行部件的位移和速度信号，并变换成位置掌握单元所要求的信号形式。
是闭环、半闭环进给伺服系统的重要组成部分。
闭环和半闭环数控机床的加工精度在很大程度上由位置检测装置的精度打算，在设计数控机床进给伺服系统，尤其是高精度进给伺服系统时，必需细心选择位置检测装置。
位置检测装置的精度：系统精度和辨别率。
1、数控机床对检测装置的主要要求
（1）受温、湿度影响小，工作牢靠，抗干扰力量强；
（2）在机床移动范围内满意精度和速度要求；
（3）使用维护便利，适合机床运行环境；
（4）成本低；
（5）易于实现高速的动态测量。
2、位置检测装置分类
数控系统中的检测装置分为位移、速度和电流三种类型。
（1）安装的位置及耦合方式——直接测量和间接测量；
（2）测量方法——增量型和肯定型；
（3）检测信号的类型——模拟式和数字式；
（4）运动型式——回转型和直线型；
（5）信号转换的原理——光电效应、光栅效应、电磁感应原理、压电效应、压阻效应和磁阻效应等。
数控机床位置检测装置工作原理
数控机床位置检测装置工作原理一、什么是数控机床位置检测装置得说说什么是数控机床位置检测装置。
简单来说，这个装置就是用来检测机床上各个运动部件位置的设备。
它的作用有点像是“眼睛”，可以实时监控机床的精确位置，确保加工过程中每一个步骤都能做到精准无误。
机床上那么多部件一动不动的，如果没有“眼睛”来看着，哪能保证它们都在正确的位置呢？比如我们调节刀具，或者移动工作台，都需要这个装置来指引。
没有它，机床就像个盲人，不知道自己是不是偏离了预定轨道。
别看这个位置检测装置不起眼，但它对整个数控系统的重要性简直不言而喻。
要是没有它，机床的精度肯定大打折扣。
想想你买个高精度的手机，结果里面有个不太精确的传感器，玩个游戏屏幕上的位置都跑偏了，别提多懊恼了。
数控机床也是一样，位置检测装置就像是机床的精密“内眼”，它用来确保所有部件按照设定的轨迹运动，保证加工的高精度。
二、位置检测装置的工作原理说到工作原理，咱们也不难理解。
这个装置就像一个“定位系统”，通过感应器来检测机床各个部件的位置。
最常见的方式是使用光栅尺或者磁性传感器。
光栅尺呢，就像我们常见的条形码一样，机床上装有这样的编码条，传感器根据这些编码来判断部件的位置信息。
而磁性传感器则利用磁场的变化来精确测量，准确度高，不怕粉尘啥的，特别适合在恶劣的环境下使用。
其实这些原理说起来挺简单，但要做到精准却不容易。
就像有些人打游戏，手速快但是准度不够，这些位置检测装置可不是简单的“瞄一眼”就能做到的。
它们通过复杂的计算、数据处理，才能精确告诉机床的位置。
这些装置跟机床的运动轨迹一同工作，可以实时反馈到数控系统。
假设机床上的某个部件稍微跑偏了，系统会立刻收到警报信号，然后自动调整或者提醒操作员。
这就像是“老母鸡”在盯着自己的小鸡，一旦有点不对劲，马上就能察觉到，防患于未然，避免了出现加工误差。
三、位置检测装置的应用聊到这里，相信你对位置检测装置的工作原理已经有点了解了。
咱们再来说说它的应用。
第6章开环伺服系统
ni nm
2
)
+
n
∑Mj(
j-1
Vj 2πnm
2
)
kg m 2
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2)步进电机选择步骤
第六章 伺服驱动系统
② 计算惯量
m
Jleq=∑Ji(
i-1
ni nm
2
)
+
n
∑Mj(
j-1
Vj 2πnm
2
)
kg m 2
nm —— 步进电机速度 r/min
ni —— 第i个转动部件的转速r/min
3o
B相
6o
C相
转子
转子
转子
4.工作原理
360 一般 α= mzk
第六章 伺服驱动系统
m——绕组相数； Z——转子齿数，单拍k=1,双拍k=2。
360
. . 三拍通电激磁，步距角α=
= 3o
3 40 1
. . 六拍通电激磁，步距角α = 3
360 40
= 1.5o
2
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第六章 伺服驱动系统
逐渐上升或下降的加速时间、减速时间不能过小，否则会 出现失步或超步
一般用加速时间常数Ta 和减速时间常数Td来描 述步进电机的升速和降 速特性
步进电机卡开环伺服应用实例
步进电机转子有80个齿，采用三相六拍驱动方式，经
丝杠螺母传动副驱动工作台做直线运动，丝杠的导程
为5mm，工作台移动最大速度为6mm/s。求：
使磁路中的磁阻最小，转子处在平衡位置不动（θ＝0）。如果在电机轴上外 加一个负载转矩Mz，转子会偏离平衡位置向负载转矩方向转过一个角度θ， 角度θ称为失调角。有失调角之后，步进电机就产生一个静态转矩（也称为 电磁转矩），这时静态转矩等于负载转矩。静态转矩与失调角θ的关系叫矩 角特性，如图6-6所示，近似为正弦曲线。该矩角特性上的静态转矩最大值 称为最大静转矩。在静态稳定区内，当外加负载转矩除去时，转子在电磁转 矩作用下，仍能回到稳定平衡点位置（θ＝0）。
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
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第六章数控机床的检测装置
一、填空题
1、位置检测装置是由检测元件（传感器）和信号处理装置组成的。
2、数控系统中的检测装置分为位移，速度和电流三种类型。
二、选择题
1、鉴向倍频电路是光栅测量系统的组成之一，下列不属于鉴向倍频电路的作用是（D）（A）辨向（B）细分（C）提高光栅的分辨力（D）放大
2、下列不属于编码器在数控机床中的应用的是（C）
（A）位移测量（B）主轴控制（C）转速控制
（D）“零点脉冲”信号用于回参考点控制
3、下列那一项是衡量感应同步器精度的主要参数（A）
（A）节距（B）定尺长（C）滑迟长（D）相移
三、是非判断题
1、对机床的直线位移采用回转型检测装置测量称为直接测量。
答：错误。
应该是称为间接测量。
2、当正弦绕组与定尺绕组对齐时，余弦绕组与定尺绕组相差1/2节距。
答：错误。
应该是相差1/4节距。
3、脉冲编码器、旋转变压器、圆磁栅、数字脉冲编码器、直线感应同步器均是位移传感器。
答：错误。
数字脉冲编码器是速度传感器。
四、简答题
1、莫尔条纹具有哪些特性？
答：1）光学放大作用；
2）均化误差作用；
3）莫尔条纹移动与栅距移动成比例。
2、简述数控机床对位置检测装置有哪些要求。
举例说明检测装置的类型。
答：数控机床对位置检测装置的要求：
1）受温度、湿度的影响小，工作可靠，能长期保持精度，抗干扰能力强。
2）在机床执行部件移动范围内，能满足精度和速度的要求。
3）使用维护方便，适应机床工作环境。
4）成本低。
检测装置分类：位移传感器，如旋转变压器、光栅尺等;速度传感器，如测速发电机、数字脉冲编码器等;电流传感器，如霍尔电流传感器。
五、问答及设计题
1.某数控车采用步进电机作进给驱动,步进电机的步距角为1.8度,丝杠螺距为4mm,编码器与主轴连接方式如下, Z1,Z2,Z3,Z4分别为80,40,40,20,编码器每转1500个脉冲,问加工螺距P=6mm螺纹时,工作台走一个脉冲当量时对应的编码器脉冲是多少?
解：Z4 =20; Z3=40;步进电机转一圈需要360 /1.8=200 个脉冲，工作台平移4mm 需要步进电机转2圈及400个脉冲。
加工一个P=6mm的螺纹，步进电机需要转400X6/4=600个脉冲； Z2=40 ，Z1=80 ;主轴转一圈，编码器转两圈，发3000个脉冲；加工一个螺纹时主轴转一圈螺距为P 6mm所以步进电机需要600个脉冲，对应此时编码器发3000个脉冲。
2.某带光电编码器的伺服电动机与滚珠丝杠直连（传动比为1：1），光电编码器为1200脉冲/转，丝杠螺距为6mm，则数控系统位置控制中断时间内计数600脉冲，这段时间内，工作台移动多少mm？
解：因为伺服电动机与滚珠丝杠直连，传动比为1：1，且丝杠螺距为6mm。
所以伺服电动机转一圈，滚珠丝杠也转一圈，工作台移动距离为螺距，即6mm。
因为光电编码器为1200脉冲/转（即电机转一圈的脉冲也是1200），而计数600脉冲。
所以电机转了600/1200＝0.5圈，即转了半圈。
因为滚珠丝杠转一圈，工作台移动距离6mm。
所以滚珠丝杠转半圈，工作台移动距离3mm。