數控技術1/4/20241第四章數控機床的驅動與控制系統4-1概述一、CNC主要功能及組成主要功能：

位置控制：刀具與工件的相對位置及軌跡控制（即程序編制中的G代碼功能）。

功能控制：主要是開關量控制信號處理（即程序編制中的M代碼功能）。

信號處理：系統運行狀態信號的分析處理（信號檢測和處理）系統組成：輸入輸出設備、CNC裝置、伺服驅動及位置檢測裝置、輔助機能驅動電路、數控系統軟件。1/4/202424-1概述二、CNC系統的主要特點系統柔性好、通用性強

不同于NC(硬線數控)，CNC軟件結構變更性強，功能易于拓展。易于實現多功能

CNC豐富的指令系統可進行高次曲線插補、刀補、多坐標聯動控制和在線編程等。系統可靠性高

大部分功能由軟件實行，減少了硬件出錯率。維修方便

采用模塊化結構并配有自診斷軟件。通信功能強

通常配有RS232C或DNC接口，便于實現DNC、FMS、CIMS等系統的聯機通訊；圖形編程功能

具有人機交互圖形自動編程功能。1/4/202434-2位移、速度、位置傳感器一、檢測元件的作用與分類作用：檢測工作臺或絲杠的直線位移（角位移）和線速度（角速度）并形成反饋控制主要技術指標：可靠性、抗干擾性、分辨率、響應速度等分辨率：位移檢測系統能夠測量的最小位移量分辨率選擇：測量系統的分辨率應比加工精度高一個數量級檢測系統的選擇：

大型機床：速度響應要高

中小型和高精度機床：以滿足精度要求為主分類1/4/202444-2位移、速度、位置傳感器1/4/202454-2位移、速度、位置傳感器二、旋轉變壓器旋轉變壓器的結構和工作原理結構：由定子和轉子組成的旋轉式小型交流電機，如圖1/4/20246工作原理：根據互感原理工作，平行時互感最大，副邊感應電動勢最大；垂直時互感為零，副邊感應電動勢最小，如圖。4-2位移、速度、位置傳感器副邊繞組產生的感應電壓為當轉子繞組磁軸與定子繞組磁軸平行時，即＝90o時，互感電壓最大：1/4/202474-2位移、速度、位置傳感器旋轉變壓器的工作方式

鑒相方式鑒幅方式定子和轉子空間結構1）鑒相方式正弦繞組和余弦繞組分別加上幅值相同、頻率相同、相位相差90o的正弦交流電壓：1/4/202482）鑒幅方式正弦繞組和余弦繞組分別加上頻率相同、相位相等、幅值分別按正弦、余弦規律變化的交變電壓：4-2位移、速度、位置傳感器1/4/20249三、感應同步器感應同步器結構相當于展開的多級旋轉變壓器圖4-64-2位移、速度、位置傳感器1/4/2024102.感應同步器工作原理相當于旋轉變壓器的原理如圖4-2位移、速度、位置傳感器1）鑒相方式正弦繞組和余弦繞組分別加上幅值相同、頻率相同、相位相差90o的交流電壓：分別在定尺繞組上產生感應電壓：1/4/2024114-2位移、速度、位置傳感器鑒相系統結構框圖1/4/2024124-2位移、速度、位置傳感器2）鑒幅方式正弦繞組和余弦繞組分別加上頻率相同、相位相等、幅值分別按正弦、余弦規律變化的交變電壓：1/4/202413鑒幅系統結構框圖4-2位移、速度、位置傳感器1/4/202414感應同步器的特點安裝：定尺與滑尺之間的間隙應控制在0.25±0.05mm范圍內，間隙變化控制范圍0.01mm特點：精度高：測量范圍大環境適應性強維護簡單、壽命長4-2位移、速度、位置傳感器1/4/202415四、光柵測量裝置光柵的工作原理組成：長光柵（標尺光柵）、短光柵（指示光柵）、狹縫、光學鏡和光電管圖4-104-2位移、速度、位置傳感器1/4/2024161/4/2024174-2位移、速度、位置傳感器光柵：刻有刻線的光學玻璃柵距：光柵上相鄰兩刻線間的距離工作原理：摩爾條文的工作原理圖4-10平均效應：特點：放大效應：1/4/202418光柵測量裝置分光讀數頭垂直入射讀數頭反射多數頭光柵檢測裝置電路

四倍頻細分

方向辨別4-2位移、速度、位置傳感器1/4/202419功能：角位移測量特點：非接觸式檢測、驅動力小、檢測速度快分類：增量式編碼器和絕對式編碼器兩種增量式編碼器組成：光源、光電盤、光電接收元件工作原理：

信號處理：信號接收、放大、整形及反饋

方向辨別：DA、DB空間相差90o

基準脈沖：由DC產生缺點：停電或停機后，無法找到原始位置4-2位移、速度、位置傳感器c五、脈沖編碼器1/4/202420增量式編碼器4-2位移、速度、位置傳感器1/4/202421絕對式編碼器4-2位移、速度、位置傳感器分類：機械式、光電式、磁電式組成及原理：編碼盤、信號產生元件、信號接收元件0101111001100111100010011010101111001101111100000001001000110100202122231/4/202422格雷碼的絕對編碼器的分度盤代碼盤用格雷碼編碼1/4/202423編碼器安裝方式編碼器在擴展軸上編碼器在實體軸上絕對編碼器分解器臨近傳感器通用編碼器安裝在擴展軸上1/4/202424六、速度傳感器（自學）測速發電機

特點：輸出電壓與轉速嚴格的成線性關系輸出電勢與轉速比的斜率大脈沖編碼器的使用編碼器+定時器七、位置傳感器（自學）

特點：不同于位移傳感器，該傳感器僅用于定位測量接觸式位置傳感器接近式位置傳感器4-2位移、速度、位置傳感器1/4/2024254-3伺服驅動裝置伺服系統的組成

驅動電路：信號的轉換（D/A）和放大

伺服電機：信號和能量的轉化輸出（電—機）傳動機構：信號和能量傳遞作用:接收數控系統的指令，驅動執行機構完成預定的進給和快速運動特點：能夠實現位置和運動的準確控制分類：開環伺服系統和閉環伺服系統一、概述1/4/202426開環伺服系統組成：步進電機、驅動電路、傳動機構工作原理：4-3伺服驅動裝置1/4/2024274-3伺服驅動裝置特點

1）無位移檢測裝置，控制精度低

2）結構簡單、易于調整、成本低。主要技術指標

1）定位精度可達±0.02mm2）脈沖當量可達0.01mm3）最高進給速度低于6m/min應用:經濟型數控機床及機床數控化改造1/4/202428關于步進電機

步距角：步進電機每接受一個指令脈沖，轉子相應的轉角

脈沖當量：步進電機每接受一個指令脈沖，工作臺相應的位移

轉速、轉角和轉向的決定因素：脈沖頻率、脈沖數和通電相序。

主要類型：反應式步進電機、混合式步進電機4-3伺服驅動裝置1/4/2024294-3伺服驅動裝置閉環伺服系統組成：伺服單元、伺服電機、位移檢測裝置、傳動機構等工作原理：圖4-311/4/202430特點：1）設有位移檢測裝置，控制精度高2）調試維護困難、成本較高主要技術指標

1）定位精度可達±0.002mm2）檢測分辨率可達0.001mm3）最高進給速度可達14m/min應用：加工中心及中、高檔數控機床4-3伺服驅動裝置1/4/202431關于閉環和半閉環系統閉環：采用線位移檢測元件對工作臺位移直接進行測量反饋。特點：控制精度高、安裝調試困難半閉環：采用角位移檢測元件對電機軸或滾珠絲杠的角位移進行測量反饋。特點：控制精度相對較低、安裝調試方便4-3伺服驅動裝置1/4/202432伺服驅動系統的選用1）精度要求：定位精度、重復定位精度、加工精度2）響應速度：跟蹤指令信號的速度3）調速范圍：最高轉速與最低轉速之比Rn=nmax/nmin4）低速轉距特性:低速時轉距輸出能力關于定位精度和重復定位精度定位精度：移動件到達指令位置的準確度重復定位精度：移動件在任意定位點的定位一致性4-3伺服驅動裝置1/4/202433二、步進電機驅動系統（開環控制系統）一）步進電機的工作原理、結構及特工作原理工作原理4-3伺服驅動裝置1/4/2024344-3伺服驅動裝置通電方式

三相雙三拍：(正轉)AB

BC

CA

AB(反轉)AC

CB

BA

AC三相六拍：

(正轉)A

AB

B

BC

C

CA

A(反轉)A

AC

C

CB

B

BA

A三相單三拍：(正轉)ABC

A(反轉)A

CBA1/4/202435m相步進電機通電方式

m相單m拍：例ABC

D

E

A

m相雙m拍：例

AB

BC

CD

DEEAAB

或ABC

BCD

CDE

DEAEABABCm相2m拍：例A

AB

B

BC

C

CDDDEEEAA

或AB

ABC

BC

BCD

CD

CDEDEDEA

EAEABAB三種通電方式的特點：單m拍：每次一相通電,切換瞬間失去自鎖力矩易失步,在平衡位置易振蕩雙m拍：每次同時有二相通電,切換瞬間仍有一相保持通電,運行穩定

2m拍：步距角小一半，切換瞬間仍有一相保持通電，運行穩定4-3伺服驅動裝置1/4/202436步進電機的結構（橫向視圖）4-3伺服驅動裝置1/4/2024372.步進電機的結構（縱向視圖）4-3伺服驅動裝置1/4/202438步進電機的主要特性1）步距角和靜態步距誤差步距角：

m:線圈相數

z:轉子齒數

q:2m拍q=2，其它q=1

步距誤差：實際步距角與理論步距角之差一般為10`2）輸出扭矩：必須大于負載轉距3）最高啟動、停止脈沖頻率：步進電機所能接受的最高啟、停脈沖頻率，此值必須大于負載實際啟、停所需的脈沖頻率。4-3伺服驅動裝置1/4/2024394）連續運行的最高工作頻率：步進電機連續運行所能接受的最高工作頻率，此值必須大于步進電機實際運行的最高工作頻率。5）步進運行和低頻振蕩

步進運行：當脈沖間隔大于步進電機的過渡過程時，電機呈步進運行狀態

低頻振蕩：當脈沖頻率接近步進電機的固有頻率時，將產生振蕩（必要時可設可調阻尼器）4-3伺服驅動裝置1/4/202440二）開環控制系統步進電機的計算和選用傳動計算4-3伺服驅動裝置傳動比直線進給1/4/2024414-3伺服驅動裝置式中：α為步進電機的步距角

δ為系統的脈沖當量

i為傳動系統的傳動比圓周進給傳動比1/4/202442步進電機的選用輸出轉距：通常取ML/Mjmax=0.2～0.5步距角：步距角與系統應匹配，即應滿足脈沖頻率：應與系統要求的啟動、連續運行頻率匹配轉動慣量：應滿足以下匹配條件

式中：JM

步進電機的轉動慣量

JL

負載轉動慣量

脈沖頻率：所選步進電機脈沖頻率要滿足負載要求，即：所選步進電機連續運行的最高脈沖頻率要高于負載連續運行要求的脈沖頻率，所選步進電機啟動運行的最高脈沖頻率要高于負載啟動運行要求的脈沖頻率

4-3伺服驅動裝置1/4/202443三）步進電機的驅動環形分配器作用：對步進電機線圈的通電相序進行分配種類：硬件環形分配器和軟件環形分配器兩種軟件環分器：通電相序狀態預先存入計算機并采用軟件查

表方式進行控制特點：節省了環分器硬件，但軟件運行效率低，用于速度要求不高處4-3伺服驅動裝置1/4/202444硬件環分器：通電相序狀態由硬件邏輯功能完成特點：需要專用硬件資源，運行效率高。4-3伺服驅動裝置1/4/202445功率放大器（驅動電源）作用：將數控系統輸出的弱電控制信號轉換成能夠驅動步進電機的強電信號。種類：單電壓驅動電路高低壓驅動電路恒流斬波驅動電路4-3伺服驅動裝置1/4/2024464-3伺服驅動裝置提速（限流）電阻Rc：改變時間常數，提高響應速度續流二極管D：用于功率晶體管的過電壓保護特點：結構簡單、效率低、能耗高，發熱大、工作穩定性差。應用：小功率步進電機驅動單電壓驅動電路1/4/202447特點：結構復雜、響應速度快、高頻驅動能力強、功耗低。應用：大（中）型功率步進電機的驅動4-3伺服驅動裝置高低壓驅動電路1/4/202448特點：結構復雜、響應速度快、驅動能力強、功耗低、噪聲大。應用：大（中）型功率步進電機的驅動4-3伺服驅動裝置恒流斬波驅動電路1/4/202449四）提高步進電機伺服系統精度的措施存在的問題：無位移檢測元件，定位精度主要取決于傳動精度改善措施間隙補償：在換向時通過附加脈沖進行補償螺距誤差補償：采用機械樣板或附加脈沖進行補償反饋補償：通過檢測器進行系統誤差檢測，周期性地發出補償脈沖。4-3伺服驅動裝置1/4/202450三、直流伺服電機驅動系統一）直流伺服電機小慣量直流伺服電機結構特點：

1）轉子為光滑無槽的鐵芯，線圈由粘合劑粘結。

2）長徑比大、慣量小。性能特點：

1）轉動慣量小，約為普通直流電機的1/10，快速響應性好。

2）電樞反應小，換向性好，電機時間常數?。ㄖ挥袔缀撩耄?。

3）由于轉子無槽，結構均衡性好，低速平穩性好。

4）最大扭矩為額定值的10倍，過載能力強。缺點：由于慣量小，必須配齒輪減速葙，才能拖動負載。4-3伺服驅動裝置1/4/202451寬調速（大慣量）直流伺服電機結構特點：轉子慣量大，響應特性由大功率驅動系統保證性能特點輸出轉矩大

不需齒輪減速箱即可直接驅動負載。過載能力強

轉子熱容量大，過載能力強（過載轉矩可達5～10倍）動態響應好電流過載能力強、瞬時加速轉矩大，動態響應好。調速范圍寬且運轉平穩低速時輸出轉矩大，調速調速范圍寬，運轉平穩。易于調試由于慣量大，受負載影響小，可不加負載調試。4-3伺服驅動裝置1/4/202452二）直流伺服電機的調速直流電機的轉速

（電機電勢常數）

調壓恒轉矩調速：調節Ua，保持φ和Ra不變

（Cm為轉矩常數）調磁恒功率調速：調節φ，保持Ua和Ra不變

（φ↑n↓T↑）調速方法的選擇：進給系統一般選用調壓恒轉矩調速

4-3伺服驅動裝置1/4/202453直流伺服電機的可控硅調速三相半波反并聯可控硅調速4-3伺服驅動裝置1/4/202454直流伺服電機脈寬調速（PWM）系統脈寬調制器：產生幅值恒定、寬度可變的矩形脈沖信號圖4-47晶體管脈寬信號放大器：信號放大和正反轉控制圖4-484-3伺服驅動裝置1/4/202455PWM(PulseWidthModulation)控制就是脈寬調制技術：即通過對一系列脈沖的寬度進行調制，來等效的獲得所需要的波形（含形狀和幅值)1/4/2024566.1PWM控制的基本思想1）重要理論基礎——面積等效原理沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環節上時，其效果基本相同。沖量窄脈沖的面積效果基本相同環節的輸出響應波形基本相同形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖d)單位脈沖函數f(t)d(t)tOa)矩形脈沖b)三角形脈沖c)正弦半波脈沖tOtOtOf(t)f(t)f(t)1/4/202457Ouωt>SPWM波6.1PWM控制的基本思想Ouωt>如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波Ouωt>1/4/2024586.1PWM控制的基本思想若要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可。Ouωt>SPWM波Ouωt>如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波Ouωt>1/4/2024596.1PWM控制的基本思想OwtUd-Ud對于正弦波的負半周，采取同樣的方法，得到PWM波形，因此正弦波一個完整周期的等效PWM波為：OwtUd-Ud根據面積等效原理，正弦波還可等效為下圖中的PWM波，而且這種方式在實際應用中更為廣泛。1/4/2024601/4/202461PWM調速系統的特點1）開關頻率高2）波紋系數小3）頻率較寬4）可在高峰值電流下工作4-3伺服驅動裝置1/4/202462三）直流伺服電機閉環進給系統半閉環進給系統閉環進給系統4-3伺服驅動裝置半閉環進給系統1/4/2024634-3伺服驅動裝置半閉環進給系統1/4/202464四、交流伺服電機驅動系統特點：結構簡單、無電刷、可靠性高、維護方便。種類：永磁式同步交流伺服電機和感應式異步交流伺服電機永磁式同步交流伺服電機特點與直流伺服電機相比，同等功率下，電機外形尺寸減小1/2，重量減輕60%，轉子慣量減至1/5（減小4/5）感應式交流伺服電機特點結構簡單、價格便宜、過載能力強，與永磁式交流伺服電機相比，效率低、體積大、轉子熱損耗大，轉子發熱直接影響系統性能。應用：目前數控機床進給系統多采用永磁式交流伺服電機。4-3伺服驅動裝置1/4/2024654-4數控裝置一、數控裝置的組成1/4/202466二、CNC裝置的工作內容1）輸入2）譯碼3）刀具補償4）進給速度處理5）插補6）位置控制7）I/O處理8）顯示9）診斷4-4數控裝置1/4/202467三、CNC硬件設計一）CNC系統對微機的要求及選擇CNC系統對微機的要求較完善的中斷系統足夠的內存一定數量的I/O通道高可靠性CNC系統的選擇標準總線工業控制機：模塊化結構、可靠性高、用戶可自由配置，應用廣泛。單片機專用系統：可靠性高，價格便宜，用于經濟性數控機床中。4-4數控裝置1/4/202468二）MCS-51單片機控制系統4-4數控裝置MCS-51引腳1/4/202469功能

I/O口：P0、P1、P2、P3共4個8位口控制總線（CB）：、ALE、、RESET、P3第2功能地址總線（AB）：P2(高8位)+P0(低8位)=16位數據總線（DB）：由P0提供8位數據總線電源及時鐘：VCC、VSS、XTAL1、XTAL2雙重功能口：P0口即作8位數據線，又作低8位地址線

P3口即可作輸入輸出口，又可作控制總線4-4數控裝置1/4/202470MCS-51系統中的地址譯碼規則1）程序存儲器和數據存儲器獨立編制2）外圍擴展芯片與數據存儲器統一編址3）片外程序存儲器和數據存儲器尋址范圍216=64K字節地址譯碼方法1)線選法概念：直接用地址線進行外圍芯片片選。圖4-54地址譯碼表4-3優點：電路結構簡單缺點：地址空間利用不夠充分，芯片之間地址不夠連續。4-4數控裝置1/4/2024714-4數控裝置線選法地址譯碼1/4/2024722）全地址譯碼概念：采用譯碼器譯碼，保證空間的充分利用和地址的連續性4-4數控裝置全地址譯碼優點：地址連續，尋址空間大缺點：硬件電路要增加譯碼器說明：數控系統一般采用全地址譯碼1/4/202473三）數據存儲器與程序存儲器的擴展關于RAM和ROM訪問：由于兩者獨立編址，地址空間完全重復，必須建立訪問機制。對RAM的訪問：使用、控制線和MOVX指令操作對ROM的訪問：使用控制線和MOVC指令操作操作時序圖圖4-56

存儲器擴展電路圖4-574-4數控裝置1/4/2024744-4數控裝置操作時序1/4/2024754-4數控裝置存儲器擴展電路1/4/202476四）顯示器與鍵盤接口電路設計LED顯示器的結構與原理分類：

按通電方式分：共陰極和共陽極按顯示方式分：靜態顯示和動態顯示結構：七段組合共陰極和共陽極顯示器結構如下圖4-4數控裝置1/4/2024774-4數控裝置LED顯示器結構1/4/2024784-4數控裝置動態顯示電路1/4/202479鍵盤的工作原理種類：獨立式按鍵和行列式按鍵

獨立式按鍵：如圖

4-4數控裝置1/4/2024804-4數控裝置行列式按鍵：如圖

1/4/202481顯示器鍵盤組合電路由于LED顯示器和鍵盤都采用循環掃描工作方式，將二者進行組合可節省I/O端口，在控制系統中應用廣泛。

4-4數控裝置1/4/202482五）I/O接口電路設計數控CNC中常用I/O接口芯片：可編程并行接口：Intel8255、Intel8155可編程串行接口：Intel8251鍵盤顯示器專用接口芯片：8279可編程定時器：8253鎖存器：74LS373、74LS273A/D、/DA轉換器：0809、0832在圖4-57基礎上增加I/O接口芯片的系統擴展電路如圖4-634-4數控裝置1/4/2024834-4數控裝置系統擴展電路1/4/202484以上是I/O接口芯片應用的一般情況，以下重點討論機床信號與微機接口信號（強電與弱電）的匹配與抗干擾問題。接點輸入電路接點：按鈕、繼電器、接近開關等接點輸入電路：用于將按鈕、繼電器、接近開關等的接點輸入信號轉換為CPU所需的TTL電平信號無源接點：設備側無信號源圖4-65（a）有源接點：設備側有信號源圖4-65（b）接點濾波器實例：圖4-65（c）4-4數控裝置1/4/2024854-4數控裝置無源接點有源接點1/4/2024864-4數控裝置接點濾波器實例1/4/202487接點抖動的消除：濾波與整形

4-4數控裝置

按鍵類接點1/4/2024884-4數控裝置小信號接點1/4/202489強電（接觸器）接點4-4數控裝置1/4/202490接點輸出電路接點輸出電路：用于將CPU輸出的TTL電平轉換為控制繼電器、指示燈所需的節點輸出一般情況：功率晶體管驅動圖4-69（a）高開關頻率：光耦和雙向可控硅組成的固態繼電器圖4-69（b）零交叉電路：零伏觸發。即當交流電壓變到零伏附近時，電路接通，然后由觸發電路給出可控硅器件的觸發信號。4-4數控裝置1/4/2024914-4數控裝置六）數控系統CNC實例1/4/202492單片機系統：8031（A）：鍵盤、顯示、手動按鈕等控制管理。8031（B）：插補、電機控制、輔助機能等的程序運行控制管理。鍵盤顯示接口：并行接口8155，鍵盤顯示專用接口8279按鈕控制：并行接口8255輔助機能與電機控制：鎖存器273、光耦TLP521-4、驅動器MC1413輸入控制：光