数控工作回转台的传动及伺服系系统的设计.doc

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1、徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书中图分类号： 编号：毕业设计（论文）数控工作回转台的传动及伺服系系统的设计学生姓名：学 号：班 级：机电04-2学 制：三 年专业名称：机电一体化学历层次：指导教师：评 阅 人：论文（设计）提交日期：2007年 6月15日论文（设计）答辩日期：2007年6月19日徐州建筑职业技术学院二七年六月十五日毕业设计任务书专业、班级 机电04-2 班 姓名 王华玺 日期 2007-6 1、设计题目：数控回转工作台的传动及伺服系统的设计 、设计原始资料：、任务与要求：设计文件： (1)绘制系统结构原理图(2)绘制输入、输出结构电路图(3)绘制程序流程图(4)毕业论文说明书

2、：一份图纸：三张、设计任务下达日期： 2007年3月3日、设计任务完成日期：2007年6月 15日、设计章节答疑人：硬件设计部分软件设计部分、设计指导教师 、系部主任 中图分类号： 编号：毕业设计（论文）数控工作回转台的传动及伺服系系统的设计学生姓名：王华玺学 号：0450053235班 级：机电04-2学 制：三 年专业名称：机电一体化学历层次：专 科指导教师：黄 烨评 阅 人：黄 烨论文（设计）提交日期：2007年 6月15日论文（设计）答辩日期：2007年6月19日徐州建筑职业技术学院二七年六月十五日毕业设计任务书专业、班级 机电04-2 班 姓名 王华玺 日期 2007-6 1、设计题

3、目：数控回转工作台的传动及伺服系统的设计 、设计原始资料：、任务与要求：设计文件： (1)绘制系统结构原理图(2)绘制输入、输出结构电路图(3)绘制程序流程图(4)毕业论文说明书：一份图纸：三张、设计任务下达日期： 2007年3月3日、设计任务完成日期：2007年6月 15日、设计章节答疑人：硬件设计部分软件设计部分、设计指导教师 、系部主任 目录第1章 概述11.1本文的选题及主要研究内容11.1.1本文的选题11.1.2主要研究内容11.1.3数控机床的发展预测21.1.4 数控改造的意义2第2章 总体方案设计32.1 总体方案设计要求32.2设计参数42.3具体的机械改装5第3章 机械部

4、分设计63.1传动系统改装设计与计算63.1.1 纵向进给系统步进电动机的确定63.2 步进电动机的选择103.2.1 纵向进给系统步进电动机的确定103.2.2 横向进给系统步进电动机的确定113.2.3 电动刀架的选择113.3横向进给系统的设计与计算123.3.1横向进给系统的设计123.3.2横向进给系统的设计计算12第4章 控制系统设计164.1控制系统硬件的基本组成164.2数控系统硬件设计164.2.1单片机的选择174.2.2储存器芯片的选择184.2.3 I/O接口芯片194.2.4 8031与I/O口的连接204.3数控系统软件设计214.3.1 直线插补程序的设计224.

5、3.2 圆弧插补程序的设计254.4 操作面板显示294.5 键盘及显示器接口设计31第5章 控制电路设计345.1 X、Z轴限位和参考点返回电路345.1.1. x. z轴的限位输入端设置为负逻辑345.1.2参考点返回采用双开关方式355.2 其他辅助电路365.2.1 8031的时钟电路365.2.2复位电路365.3 电动刀架控制电路365.4 步进电机的接口电路设计375.4.1光电隔离电路375.4.2功率放大电路38第6章 数控机床的调试、精度检测40结论41致谢42参考文献43第一章 绪论1.1 数控回转工作台概述数控机床中常用的回转工作台有分度工作台和数控回转工作台，它们的功

6、用各不相同。分度工作台的功用只是将工件转位换面，和自动换刀装置配套使用，实现工件一次安装完成几个面的多种工序；而数控回转工作台除了分度和转位的功能之外，还能实现圆周进给运动。回转工作台可以实现精确的自动分度，扩大了数控机床可加工零件的范围。为了扩大数控加工性能，适应某些零件加工的需要，数控机床的进给运动，除了X、Y、Z三个坐标轴的直线进给运动之外，还可以有绕X、Y、Z三个坐标轴的圆周进给运动，分别称为A、B、C轴，数控机床的圆周进给运动，一般由数控回转工作台来实现。数控回转工作台除了可以实现圆周进给运动之外，还可以完成分度运动，例如，加工分度盘的轴向孔，若采用间歇分度转位结构进行分度，由于它的

7、分度数有限。因而带来极大不便，若采用数控回转工作台进行加工就比较方便。数控回转工作台外形和分度工作台没有多大区别，但在结构上则具有一系列的特点。由于数控回转工作台能实现自动进给，所以它在结构上和数控机床的进给驱动机构有许多共同之点。不同之点在于数控机床的进给驱动机构实现的是直线进给运动，而数控回转工作台实现的是圆周进给运动。设计的需要，我们选用的是闭环数控回转工作台，闭环数控回转工作台的结构与开环数控回转工作台大致相同，其区别在于闭环数控回转工作台有转动角度的测量元件（圆光栅）。所测的结果经反馈与指令进行比较，按闭环原理进行工作，使转台分度精度更高。1.2 数控回转工作台的组成结构数控回转工作

8、台主要有：工作台、心轴、气压缸、蜗轮、蜗杆、箱体、伺服电机、导轨、光栅等。本设计数控回转工作台采用双蜗杆传动，伺服电机正反转分别带动两个蜗杆实现对蜗轮的传动，两个蜗杆分别与蜗轮的左右齿面接触，尽量消除正反传动间隙。采用六个气压缸作为工作台的夹紧装置。伺服电机通过联轴器带动蜗杆、蜗轮传动，从而使工作台回转，工作台的转角位置用圆光栅测量。1.3 数控机床的发展趋势从1952年美国麻省理工学院研制出第一台试验性数控系统，到现在已走过了半个世纪历程。随着电子技术和控制技术的飞速发展，当今的数控系统功能已经非常强大，与此同时加工技术以及一些其他相关技术的发展对数控系统的发展和进步提出了新的要求。趋势之一

9、：数控系统向开放式体系结构发展 20世纪90年代以来，由于计算机技术的飞速发展，推动数控技术更快的更新换代。世界上许多数控系统生产厂家利用PC机丰富的软、硬件资源开发开放式体系结构的新一代数控系统。开放式体系结构使数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、可扩展性，并可以较容易的实现智能化、网络化。近几年许多国家纷纷研究开发这种系统，如美国科学制造中心(NCMS)与空军共同领导的“下一代工作站/机床控制器体系结构”NGC，欧共体的“自动化系统中开放式体系结构”OSACA，日本的OSEC计划等。开放式体系结构可以大量采用通用微机技术，使编程、操作以及技术升级和更新变得更加简单快捷。开放式体系结构的新

10、一代数控系统，其硬件、软件和总线规范都是对外开放的，数控系统制造商和用户可以根据这些开放的资源进行的系统集成，同时它也为用户根据实际需要灵活配置数控系统带来极大方便，促进了数控系统多档次、多品种的开发和广泛应用，开发生产周期大大缩短。同时，这种数控系统可随CPU升级而升级，而结构可以保持不变。趋势之二：数控系统向软数控方向发展 现在，实际用于工业现场的数控系统主要有以下几种类型，分别代表了数控技术的不同发展阶段，对不同类型的数控系统进行分析后发现，数控系统不但从封闭体系结构向开放体系结构发展，而且正在从硬数控向软数控方向发展的趋势。趋势之三：数控系统控制性能向智能化方向发展 智能化是21世纪制

11、造技术发展的一个大方向。随着人工智能在计算机领域的渗透和发展，数控系统引入了自适应控制、模糊系统和神经网络的控制机理，不但具有自动编程、前馈控制、模糊控制、学习控制、自适应控制、工艺参数自动生成、三维刀具补偿、运动参数动态补偿等功能，而且人机界面极为友好，并具有故障诊断专家系统使自诊断和故障监控功能更趋完善。伺服系统智能化的主轴交流驱动和智能化进给伺服装置，能自动识别负载并自动优化调整参数。趋势之四：数控系统向网络化方向发展 数控系统的网络化，主要指数控系统与外部的其它控制系统或上位计算机进行网络连接和网络控制。数控系统一般首先面向生产现场和企业内部的局域网，然后再经由因特网通向企业外部，这就

12、是所谓Internet/Intranet技术。趋势之五：数控系统向高可靠性方向发展 随着数控机床网络化应用的日趋广泛，数控系统的高可靠性已经成为数控系统制造商追求的目标。对于每天工作两班的无人工厂而言，如果要求在16小时内连续正常工作，无故障率在P(t)99%以上，则数控机床的平均无故障运行时间MTBF就必须大于3000小时。我们只对某一台数控机床而言，如主机与数控系统的失效率之比为10:1(数控的可靠比主机高一个数量级)。此时数控系统的MTBF就要大于33333.3小时，而其中的数控装置、主轴及驱动等的MTBF就必须大于10万小时。如果对整条生产线而言，可靠性要求还要更高。趋势之六：数控系统

13、向复合化方向发展 在零件加工过程中有大量的无用时间消耗在工件搬运、上下料、安装调整、换刀和主轴的升、降速上，为了尽可能降低这些无用时间，人们希望将不同的加工功能整合在同一台机床上，因此，复合功能的机床成为近年来发展很快的机种。趋势之七：数控系统向多轴联动化方向发展 由于在加工自由曲面时，3轴联动控制的机床无法避免切速接近于零的球头铣刀端部参与切削，进而对工件的加工质量造成破坏性影响，而5轴联动控制对球头铣刀的数控编程比较简单，并且能使球头铣刀在铣削3维曲面的过程中始终保持合理的切速，从而显着改善加工表面的粗糙度和大幅度提高加工效率，因此，各大系统开发商不遗余力地开发5轴、6轴联动数控系统，随着

14、5轴联动数控系统和编程软件的成熟和日益普及，5轴联动控制的加工中心和数控铣床已经成为当前的一个开发热点 电子技术、信息技术、网络技术、模糊控制技术的发展使新一代数控系统技术水平大大提高，促进了数控机床产业的蓬勃发展，也促进了现代制造技术的快速发展。数控机床性能在高速度、高精度、高可靠性和复合化、网络化、智能化、柔性化、绿色化方面取得了长足的进步。现代制造业正在迎来一场新的技术革命。 第二章 总体设计分析2.1 设计功能要求1)设计一个数控回转工作台、计算出它的重量、转矩2)根据工作台的条件设计出蜗轮的参数3)由蜗轮的已知条件计算蜗杆的其他因素4)由工作台承载的重量等选择弹簧气缸5)通过蜗杆的条

15、件可以查机械设计手册得到联轴器。6)通过蜗杆的功率选择电动机2.2 分度工作台分度工作台只能完成分度运动，不能实现周向进给运动，其分度，转位和定位工作是按照控制系统的指令自动进行的为满足分度的精度要求。需要使用专门的定位组件，常用的定位方式有插销定位、反靠定位、和钢球定位等几种。定位精度，是指被加工零件放置在机床上的实际加工位置与所要求的加工位置之间的接近程度。有定位原理可知，一个零件在机床上实现完全定位需要限定六个自由度。但是在一些特定环境下，没有必要去限定六个自由度。例如，在铣床上铣削轴类零件的键槽时，绕轴线旋转方向的自由度就没有必要限定，因为从端面上来看，所得到的圆是关于过轴线的任意一个

16、平面对称的。另外，在定位时，定位的基准选择十分重要，选择不好很容易导致零件报废。2.3 数控回转工作台的工作原理及选择数控机床的圆周进给运动，一般由数控回转工作台来实现，数控回转工作台除了可以实现圆周运动外还可以完成分度运动，数控回转工作台的外型和分度工作台没有很大的区别，但在结构上却有一系列的特点。图2.1所示为数控回转工作台. 图2.1数控回转工作台 1上盖； 2工作台； 3防尘钉1； 4防尘钉2； 5心轴； 6压板； 7压缩弹簧； 8压板2； 9压板3； 10轴套1； 11光栅； 12轴套4； 13阀盖1； 14活塞杆； B标准件 直流伺服电动机通过联轴器带动工作台2回转，工作台的转角位

17、置用圆光栅11测量。测量结果发出反馈信号与数控装置发出的指令信号进行比较，若有偏差，偏差经放大后控制伺服电动机朝消除偏差方向转动，使工作台精确回转或定位。当工作台静止时，必须处于锁紧状态。台面的锁紧用均布的6个小气压缸来完成，当控制系统发出夹紧指令时，气压缸上腔通入空气，活塞下移，推开夹紧瓦，从而把蜗轮夹紧。当工作台回转时，控制系统发出指令，气缸上腔空气在弹簧的作用下，夹紧瓦松开，不再夹紧蜗轮，然后按数控系统的指令，有伺服电动机通过传动装置实现工作台的分度转位、定位、夹紧或连续回转运动。 工作台的中心回转轴5采用圆锥滚子轴承，并预紧消除其径向和轴向间隙，以提高工作台的刚度和回转精度。工作台支承

18、在导轨上，运动平稳而且耐磨。 数控中的夹具式工作台使用时，如夹具固定在直线进给工作台的T型槽内，不用时既可拆开！工作台可以由几个数控机床共用，其结构具有适应高温、高速度和装配合理的特点。数控机床除了沿X、Y、Z三个坐标的直线进给运动外往往还带有绕X、Y、Z轴的圆周进给运动，数控机床的圆周进给运动由回转工作台来实现，精度可大为提高！本文设计的可拆卸夹具的回转工作台采用双蜗杆传动。伺服电机的转动带动双蜗杆实现对蜗轮的传动，蜗杆与蜗轮的左右齿面接触，尽量清除传动的间隙，采用六个气缸作为工作台的夹紧装置在设计的可拆除夹具式数控回转工作台具有两个优点：一、使用时工作台如夹具固定在直线进给工作台的T型槽，

19、不用时可以拆除。二、本结构具有适应高温，高速度和便于保证装配精度的特点。经过几个工作台的比较得出：选择夹具式工作台。2.4 工作台的设计与计算初步选定回转工作台的材料为铸钢，其材料密度由已知的原始资料可选的工作台的尺寸为400mm400mm,由公式 推出 =3868.91N估算出工作台的转矩为200Nm工作台的承载工件重量为m=500kg 则总重量为: =8768.91N考虑到工作台的回转过程中受到的一定的摩擦力,查机械设计手册得摩擦系数u=0.1，则工作台工作时的摩擦为 =876.891N摩擦转距为工作所承受的负载转距为T总=T I+T摩=200Nm+175.38=375.38Nm第三章 蜗

20、轮蜗杆的传动设计3.1 蜗杆的传动及特点1. 蜗杆传动的最大特点是结构紧凑、传动比大。一般传动比=1040,最大可达80。若只传递运动（如分度运动），其传动比可达1000。2. 传动平稳、噪声小。由于蜗杆上的齿是连续不断的螺旋齿，蜗轮轮齿和蜗杆是逐渐进入啮合的，同时啮合的齿数较多，所以传动平稳、噪声小。3. 可制成具有自锁性的蜗杆。当蜗杆的螺旋线升角小于啮合面的当量摩擦角时，蜗杆传动具有自锁性。4. 蜗杆传动的主要特点是效率较低。这是由于蜗轮和蜗杆在啮合处有较大的相对滑动，因而发热量大，效率较低。传动效率一般为0.70.8，当蜗杆传动具有自锁性时，效率小于0.5。5. 蜗轮的造价较高。为减轻齿

21、面的磨损及防止胶合，蜗轮一般多用青铜制造，因此造价较高。3.2 工作台蜗杆传动的夹紧形式,材料选择对蜗杆与蜗轮材料的选用要求，主要有：蜗杆与蜗轮应以脆性和互溶性小的材料相匹配；当蜗杆齿面粗糙度低于0.9时，两齿面的硬度差较大，抗胶合、抗磨粒磨损、抗点蚀的能力越强，摩擦系数越小，所以蜗杆采用硬齿面，磨齿工艺；在选用材料时应充分考虑热处理及机加工，成本和材料来源等。1.蜗杆材料、毛坯及热处理蜗杆直径小、跨距大、多作主动件、硬齿面，所以选用的材料应具备刚度大，热处理、锻造、机加工工艺性要好，应有很高的齿面硬度（45HRC），同时芯部要有良好的韧性,综合考虑选用45号钢表面淬火。2.蜗轮材料、蜗轮毛坯

22、蜗轮材料应具有摩擦、耐磨、耐高温、热膨胀系数小等性能，同时应具有跑合性及工艺性良好。常用的蜗轮轮缘材料有：（1）铸锡青铜有良好耐磨和减磨性铸造能，及机加工工艺良好用于较高速度的场合，是理想的蜗轮材料，常用的型号有ZCuSn10Zn2、ZCuSn10P1、ZCuSnPb5Zn5。（2）铸铝铁青铜具有良好的铸造性，抗点蚀能力较强，抗胶合能力较差，多用于中低速蜗杆传动（vs4m/s）。可用冷摸、砂摸或离心铸造。常用的型号有：ZCuAl10Fe3、ZCuAl9Fe4Ni4Mn等。（3）灰铸铁及球铁 用于不重要的蜗杆传动vs2m/s。常用的型号有HT200、HT250、HT300、QT70-2。3.蜗杆

23、与蜗轮材料的匹配蜗杆与蜗轮的材料匹配列于下表：表3.1 蜗杆副材料匹配蜗轮材料ZCuSn10Zn2ZCuSn10P1ZCuAl10Fe3灰铸铁备注蜗杆材料20CrMnTi,40Cr等20MnTi,40Cr等40Cr等45、40Cr等特性Vsm/svs510 m/sVs4 m/svs2 m/s 根据以上的数据结果所得:蜗轮所选用的材料为铸铝铁青铜,蜗杆所选材料为45号钢表面淬火.3.3 蜗杆、蜗轮的结构蜗杆的直径较小，常和轴制成一个整体。螺旋部分常用车削加工，也可以铣削加工。车削加工时需有退刀槽，因此刚性较差。按材料和尺寸的不同蜗轮的结构分为多种型式： 1.整体式蜗轮主要用于直径较小的青铜蜗轮或

24、铸铁蜗轮。 2.齿圈式蜗轮为了节约贵重金属，直径较大的蜗轮常采用组合结构，齿圈用青铜材料，轮芯用铸铁或铸钢制造。两者采用H7/r6配合，并用46个直径为（1.21.5）m的螺钉加固，m为蜗轮模数。为便于钻孔，应将螺孔中心线向材料较硬的轮芯部分偏移23mm。这种结构用于尺寸不太大而且工作温度变化较小的场合。 3.螺栓联接式蜗轮这种结构的齿圈与轮芯用普通螺栓或铰制孔螺栓联接，由于装拆方便，常用于尺寸较大或磨损后需要换蜗轮齿圈的场合。4.镶铸式蜗轮 将青铜轮缘铸在铸铁轮芯上，轮芯上制出榫槽，以防轴向滑动。3.4 蜗杆的传动计算 （1）假设机床滑动速度Vs4m/s故蜗轮轮缘选用铸锡磷青铜 ZGuSn1

25、0P1 （2）选择蜗杆头数Z1和蜗轮齿数Z2,由机械设计手册得i=50，选取Z1=1，则Z2=iZ=50（3）按齿面接触疲劳强度确定模数m和蜗杆分度圆直径d1 m2 .d1 作用于蜗轮上的转距T轮=T总=375.38Nm 确定载荷参数 其中： KA使用系数 KV 载荷系数 KB齿向载荷分布系数 由查表使用系数KA=1.0，假设蜗轮圆周速度V23m/s,取动载荷系数KV=1.0因工作载荷平稳故取齿向载荷分布系数KB=1.0所以 =1.0 确定许用接触应力查表取基本许用接触应力开始设定蜗杆转速n1=2000r/min假设寿命系数为KHN=0.85则 =170MPa 确定弹性系数ZE=160(MPa

26、)1/2 . 确定模数m和蜗杆分度圆直径d1 . 由查表知:按选取m=5, d1=50mm （4）计算传动中心距a,蜗轮分度圆直径d2=mz2 所以: A=1/2(d1+d2)=1/2(50+250)=150mm （5）验算蜗轮圆周速度V2,相对滑动速度Vs及传动效率 (n2=n1/i) =0.52ms-1 . 虽然v24m/s 与原假设值相符,选用ZGuSn10P1做蜗轮论缘材料合适,由v=5.26ms-1 .,查表可得出 所以 =(0.950.96) = 与原来的取值相符 表32 计算蜗杆和蜗轮的主要几何尺寸：蜗杆蜗轮齿顶高齿根高全齿高分度圆直径=50=250齿顶圆直径齿根圆直径蜗杆分度柱

27、面上的导程角 =0.1蜗轮分度柱上的螺旋角=r=5.71o .节圆直径传动中心距蜗杆轴向距蜗杆螺旋线导程蜗抡外圆径蜗抡齿宽齿根圆弧面齿顶圆弧面半径齿宽角蜗杆螺旋部分长度=80mm 注：x为变位系数，由于x过大会引起齿顶变尖，而x过小会引起轮齿根切，所以一般选取x1，则x取0.5 根据恒功率变频调速，对于恒功率负载要求在变频调速时电动机床输出功率保持不变既蜗杆功率为 = =1.57 kw 第四章 伺服系统的控制与设计4.1 控制系统的组成及应用机电一体化的控制一般由数控装置输入、输出装置、借口、功率放大电路部分组成。数控装的作用是对各种信号进行处理和对数控指令进行译码并向输出装置发出向应的状态信

28、号和控制信号。输入装置的作用是接收各种状态信号和控制命令。输出装置的作用是输出各种状态和计算结果。接口是连接数控装置和输出装置的桥梁。功率放大电路的作用的将接口电路输出的信号进行放大以驱动外设。机电一体化控制系统设计方案的可行性，设计水平的高低和系统的优劣，可以从以下方面分析评价：1) 功能实用性 一般用系统总体的技术指标的形式提出2) 系统可靠性 指系统在预定时间内，在给定工作条件下，能够满足工作的概率。3) 运行稳定性 当系统的输入量变化或受干扰作用时，输出量被迫 离开原先的稳定值，过渡到另一个新的稳定状态的时间过程中， 输出量是否发生超过规定限度的现象，或是发生非收敛性的状态，是系统稳定

29、或是不稳定的标志。系统稳定性的设计指标有过渡过程时间、超调量及震荡次数、上升时间、滞后时间及静态误差等。4) 操作宜人性 操作简单方便，符合人机工程学的要求5) 人机安全性 安全性是机电一体化系统必须认真解决的问题。机电一体化系统本身的工作要安全，自动设置安全过做区限，设计互锁安全操作，工作环境条件的监测监控，非正常工作的自动停机，对操作失误的自动安全处理等。6) 环境无害性 不能对环境造成污染。7) 技术经济性 具有两个作用，一是评价比较一次投资变为系统或设备时，不同设计方案的经济性；另一是评价比较保持系统或设备正常运行时，资源利用的合理性和运行费用的经济性。8) 结构工艺性 系统的结构设计

30、应当满足便于制造、施工、加工、装配、安装、运输和维修等工艺要求。9) 造型艺术性 系统的外形和色彩美观、大方。10) 成果规范性 设计结果遵从国家政治经济法规，符合国家规定的技术规范和法令，贯彻实行国家和国际标准。 反馈控制系统 利用反馈控制原理的自动控制系统，称之为反馈控制系统，在工程中，根据有无人为的反馈作用，可将控制系统分为开环控制和闭环控制。 （1）开环控制系统 所谓开环控制系统，是指系统的输入和输出之间不存在反馈回路，输出量对系统的控制作用没有影响的控制系统。 （2）闭环控制系统 所谓闭环控制系统，是指系统的输出端和输入之间存在反馈回路，即输出量对输入有直接影响的控制系统。 闭环控制

31、的优点是它利用反馈检测出实际控制量和目标之间的偏差，以作用于控制系统来减小偏差，因此控制控制精度高。但又因该系统是靠检测偏差来纠正偏差，靠偏差来进行控制，而实际工作过程总会存在偏差，在加上控制元件或负载的惯性，很容易引起振荡，使系统丧失稳定，所以控制精度和系统稳定始终是闭环控制存在的一对矛盾，而开环控制系统，因无反馈控制故控制精度低，一般也不存在稳定问题。本设计采用的是闭环控制系统，它的主要结构是：给定元件；检测反馈元件；比较元件；控制器，也叫控制装置，它包括放大元件，执行元件，通常还有校正元件；被控对象。如图4.1a所示： 比较被控对象控制器控制输入+ 偏差信号 输出信号- 反馈信号 检测反

32、馈 图4.1a闭环系统构成方块图比较 输出信号位移信号被控对象：回转工作台变频器控制输入+ 偏差信号-反馈信号检测反馈：圆光栅、四分频图4.1b伺服比较单元的方块图数控回转工作台的位置检测装置是圆光栅。圆光栅是用来测量角位移。圆光栅是在玻璃圆盘的外环端面上，做成黑白间隔条纹，条纹呈辐射状、相互间的夹角相等。根据不同的使用要求，其圆周内线纹数也不相同。一般有三种形式：（1）60进制，如10800，21600，32400，64800等；（2）10进制，如1000，2500，5000等；（3）2进制，如512，1024，2048等。4.2 数控回转工作台的电气系统机床电气控制线路是机床的重要组成部分

33、，它能实现对机床运动部件的运动、制动、反向和调速等控制，保证各运动部件运动的准确和协调动作，以达到生产工艺的要求。在设计的课题中，主要使用的是电机正反转控制系统。X、Y、Z、A四轴以及主轴电机都要求实现正反转，设计中主要考虑的是A轴的电气系统。其具体的控制原理：图4.2 数控回转工作台的电气系统图SB得到控制指令立即闭合，使得接触器线圈KM得电，这样主电路中KM主触头闭合，电动机M正转，而此时线圈KM辅助动合触电闭合，KM线圈自锁，保证电动机的转动不受SB的影响。同时KM线圈因为线圈KM辅助动断触点断开而无法得电，这样达到互锁得作用，使得电动机M只能正转。同样当闭合SB得到指令立即闭合，接触器

34、线圈KM得电，这样主电路中KM主触头闭合，电动机M反转，而此时线圈KM辅助动合触电闭合，KM线圈自锁，保证电动机的转动不受SB得影响。同时KM线圈因为线圈KM辅助动断触点断开而无法得电，同样达到互锁得作用，使得电动机M只能反转。4.3 控制方框图的说明数控装置是数控系统的核心，现在的数控装置基本为CNC装置。现代数控系统采用可编程控制器（PLC）取代传统的机床电器逻辑控制装置。实现数控机床的各种继电器控制逻辑。PLC可位于数控装置之外，称为独立型PLC；也可以与数控装置合为一体，称为内装型PLC。独立型PLC又称通用型PLC。独立型PLC独立于CNC装置，具有完备的硬件合软件功能，能够独立完成

35、规定控制任务的装置，本设计过程中使用的是SIEMENS公司SIMATIC S5 系列的独立型PLC，其控制过程为：当控制器PLC接受CNC控制信息，对其进行译码转换成伺服单元的控制信号，来驱动伺服电机的转动，再通过编码器对电机的工作过程进行检测，将检测信息再传递给伺服单元返回控制器PLC，进行检测是否符合控制要求，以求达到控制要求。图4.3 控制方框图设计的第四轴控制系统中，使用了圆光栅对伺服电机的转动精度进行检测，看是否符合要求。因为回转的精度要求很高，因此检测的可靠性很重要。控制器在获得伺服单元返还的信息，来判断伺服电机的转动是否完成了指定的动作，是否达到控制精度的要求。在控制过程中，第四

36、轴控制信息的传递不受其它控制系统的影响，能够独立的完成，同样它还可以与其它伺服驱动系统同时执行，以便快速达到控制要求，提高系统的效率。44 工作台的光栅选择一、圆光栅的原理1、圆光栅的组成：光栅位置检测装置由光源、长光栅（标尺光栅）、短光栅（指示光栅）、光电元件等组成，如图4.4所示。长光栅若固定在机床不动件上，短光栅则固定在机床转动部件上。长、短光栅保持一定间隙、重叠在一起，并在自身的平面内转一个很小角度，如图4.4所示。（a表示长光栅；b表示短光栅）图4.4 莫尔条纹2、莫尔条纹的产生和特点：若光源以平行光照射光栅时，由于挡光效应和光的衍射，则在与线纹垂直方向，更确切地说，在两块光栅线纹夹

37、角的平分线相垂直的方向上，出现了明暗交替、间隔相等的粗大条纹，称谓“莫尔干涉条纹”，简称莫尔条纹，如图42所示。莫尔条纹有如下的特点：（1）起放大作用 用W（）表示栅距（节距），B（）表示莫尔条纹纹距，（rad）表示两光栅线纹间夹角，则：减小可增大B即增大莫尔条纹宽，使BW，起到放大作用。它使得根据莫尔条纹读数比按栅距读数方便得多。例如，已知W=0.01，通过减小，把莫尔条纹的纹距调到B=10时，其放大倍数相当于1000倍。这就是说，利用光的干涉现象，无须复杂的光学系统，就能把光栅的栅距放大1000倍，因而大大提高了光栅测量装置的分辨率，这是光栅的一个重要特点。（2）均化误差作用 莫尔条纹是由

38、光栅的大量刻线共同形成的，例如若W=0.01，则10长（短光栅长度）的一根莫尔条纹就由1000条线纹组成。这样一来，栅距之间或角度之间的固有相邻误差就平均化了。短光栅的工作长度愈长，这一均化误差的作用愈显著。(3)莫尔条纹移动与栅距之间移动的对应关系 当光栅移动一个栅距W时，莫尔条纹也相应地移动一个纹距B，其光强变化近似于正弦波形；若移动方向相反，则莫尔条纹移动方向也相反。莫尔条纹的移动有如下的规律：若长光栅不动，将短光栅条纹以上端点按逆时针方向转过一个很小角度（+），如图4.4所示，然后使它向左移动（逆时针旋转），则莫尔条纹向下移动；反之，当短光栅向右移动时（顺时针旋转），莫尔条纹向上移动。

39、若将短光栅条纹以上端点按顺时针方向转过一个很小角度（-）时，则情况与（+）的情况相反。图4.5四倍频辩向电路图a）结构原理 b）电路图 c）波形图栅距移动与莫尔条纹的移动的对应关系，便于用光电元件（如硅光电池）将光信号转换成电信号。角度位移反映在光栅的栅距上，通过莫尔条纹和光电元件而变成了检测的电信号。3、光栅位移数字变换处理：将光电元件反映栅距移动的正弦波电信号经过放大、整形、微分等处理，变成相应的测量脉冲，参见图4.5有关部分。简言之，它是用电脉冲来标定直线或角度位移，一个脉冲代表一个栅距那么大的位移或它对应角度的大小。 4、辩向：为了辩别运动或转动的方向，需配置两个彼此错开1/4纹距的光

40、电元件，使输出电信号彼此在相位上差90，若以其中的一个作为参考信号，则另一个信号将超前或滞后参考信号90，由此来确定运动方向或转动方向。辩向的另一种方法，将指示光栅的线纹部分分成两相，每一部分的栅距和长光栅的栅距完全一致。但两相的指示（短）光栅线纹彼此错开1/4栅距，再配置两相物镜和光电元件，使输出电信号彼此在相位上差90，采用参考信号法即可辩向。5、光栅位移的数字转换系统：在实际应用中，既要提高测量精度，同时又能达到自动辨向的目的，广泛采用所谓倍频或称为细分方法。4.5为四倍频电路。图4.5a中的硅光电池P1P4安装位置彼此相差1/4纹距B，则产生的信号彼此差90。这些信号送入差动放大器，成

41、为sin和cos的两路信号再经过整形，使之成为两路相位差90的方波。为了使在0、90、180、270的位置上都能得到脉冲，必须把两路相位差90的方波各自反相一次，然后在微分，就可得到4个脉冲，使分辨率提高4倍。为了辩向，正向运动时，用与门Y1Y4及或门H1，得到AB+AD+CD+BC的4个输出脉冲；反向运动时用与门Y5Y8及或门H2，得到BC+AB+AD+CD的4个脉冲，将正向脉冲和反向脉冲经过或门H3，得到的脉冲送入计数器，实现对角度转动的控制，其波形见图4.5c。在光栅位移的数字转换系统中，除了四倍频外，还有八倍频、十倍频、二十倍频等。例如，直光栅刻线密度为100线/，十倍频后，其最小读数值为1m；圆光栅刻线密