-
-------------
常见机床资料缩写
AC
交流电
AMP
安培
APC
自动托盘交换装置
APL
自动部件装载机
ASCII
美国信息交换标准法规
ATC
自动刀具交换装置
ATC FWD
自动刀具交换装置前进
ATC
REV
自动刀具交换装置后退
AWG
美国线规
BHCS
圆头帽螺钉
CAD
计算机辅助设计
CAM
计算机辅助制造（辅助加工）
CB
断路开关
CC
立方厘米
CCW
逆时针
CFM
每分钟立方英尺
CNC
计算机数控
CNCR SPINDLE
与轴运动同步的芯轴
CRC
循环冗余码校验数字
CRT
阴极射线管
CTS
清除发送
CW
顺时针
DB
牵引杆
DC
直流电
DGNOS
诊断
DHCP
动态主机配置协议
DIR
目录
DNC
直接数字控制
DOS
磁盘操作系统
DTE
数据终端设备
ENA CNVR
启动输送机
EOB
块结束
EOF
文件结束
EPROM
可擦可编程只读存储器
E-STOP
紧急停机
FADAL
其他人
FHCS
平头帽螺钉
FT
英尺
FU
保险丝
FWD
前进
GA
量规
-------------
-------------
HAAS
正确的刀具
HHB
六角头螺钉
HP
马力
HS
卧式系列加工中心
ID
内径
IGBT
隔离栅双极晶体管
IN
英寸
IOPCB
输入输出印刷电路板
LAN
局域网
LB
磅
LED
发光二极管
LO CLNT
冷却剂低压
LOW AIR PR
低气压
LVPS
低电压电源
MB
兆字节
(1
百万
)
MCD RLY BRD
M-
代码继电器盘
MDI
手动数据输入
MEM
存储器
M-FIN
M-
代码完成
MM
毫米
MOCON
电动机控制器
MOTIF
电动机接口
MSG
信息
MSHCP
公制插座帽螺钉
NC
数字控制
NC
常闭合
NO
常开
OD
外径
OPER
操作员
P
袋
PARAM
参数
PCB
印制电路板
PGM
程序
POR
通电复位
POSIT
位置
PROG
程序
PSI
每平方英寸磅
PWM
脉冲宽度调制
RAM
随机存取存储器
REPT RIG
TAP
围盘轧制刚性螺丝攻
RET
返回，回车
REV CNVR
回动输送机
RJH
遥控摇柄
RPDBDN
旋转式托盘拉杆放下
-------------
-------------
RPDBUP
旋转式托盘拉杆提起
RPM
每分钟转数
RIS
请求输送
RXD
接收数据
S
芯轴转速
SDIST
伺服机构分配印制电路板
SFM
每分钟平方英尺
SHCS
套筒扳手头帽螺钉
SIO
串行输入／输出
SKBIF
串行键盘接口印制电路板
SMTC
侧挂式刀具交换装置
SP
芯轴
T
刀具编号
TC
刀具交换装置
TIR
总指示偏转
TNC
刀尖偏差
TRP
刀具释放活塞
IS
尾架
ISC
通过芯轴的冷却剂
TXD
发送数据
VDI
德国工程师协会
VF
立式铣床（第一台）
VF-E
立式铣床－扩展型
VMC
立式加工中心
WAN
广域网
红色骑警
游民
润滑油脂专业术语
积
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一、
密度与相对密度
密度是批在规定温度
下，单位体积内所含物质的质量数，以
g/cm3
或
g/mL
表示。
相对密
度，
是指物质在给定定温度正气密度与标准温度下标准物质的密度之比值。
对
石油液体其标准物质是水。
二、
粘度
液体流动时内磨擦力的量度叫粘度，
粘度值随温度的升高而降低
。
大多数润滑油是根
据粘度来分牌号的。粘度一般有
5
种表示方式，即动力粘度、运动粘度、恩氏粘度、
雷氏粘度和赛氏粘度。
动力粘度：
表示液体在一定剪切应力下流动时内磨擦力的量度，
其值为加于流动液体
的剪切应力和剪切速率之比在我国法定计量单位中以帕
?
秒（
Pa?s
）为单位。习惯用
主题
：润滑油脂专业术语
-------------
-------------
厘泊（
Cp
）为单位，
1cp=10-
3Pa
?s
。
运动粘度：
< br>表示液体在重力作用下流动时内磨擦力的量度，
其值为相同温度下液体的
动力粘度与其密度之比，在我国法定计量单位中以
m2/s
为单位。习惯用厘斯
（
cst
）
,1cst=1mm2/s
。
<
/p>
恩氏粘度：在规定条件下，一定体积的试样从恩格勒粘度计的小孔流出
200mL
试增
所需要的时间（
s
）与该粘度计测定水的值之比，以
0Et
表示。
雷氏粘度：
在规定条件下，
一定体积的试样从雷德乌德粘度计流出
50mL
试样所需要
量的时间，以
s
为
单位。
赛氏粘度：在规定条件下，一定体积的试样从赛波特粘
度计流出所需要的时间，以
s
为单位。
赛氏粘度分为赛氏通用粘度
（以
SUV
表示）
和赛氏重油粘度
（以
SFV
表示）
。
三、
粘度指数
粘度指数是表示油品粘度随
温度变化这个特性的一个约定量值。
粘度指数高表示油品
的粘度
随温度变化较小，反之亦然。
四、
闪点
在规定条件下，
加热油品所逸出的蒸气和空气组成的混合物与火焰接触发生瞬间火时
的最低温度
称为闪点，以℃表示。闪点的测定方法分为开口杯法和闭口杯法，开口杯
法用以测定重质
润滑油的闪点；闭口杯法用以测定燃料和轻质润滑油的闪点。
五、
凝点
试油在规定条件下冷却至停止移动时的最高温度称为凝点，
以℃
表示。
凝点是评价油
品低温性能的项目。
油品的凝点与蜡含量有直接关系，油品中的蜡含量越多，凝点越高。因此凝点在石油
产品加工工艺中可以指导脱蜡工艺操作。
六、
倾点
倾点是指在规定条件下，被冷却了的试油能流动时的最低温度，以℃表示。倾点和凝
点一样都是用来表示石油产品低温流动性能的指标。
七、
水分
水分是指油品中的含水量，
以重量百分数表示。
在石油产品分析标准中有好几种水分
测定方法，一般都是以
%
表示，小于
0.03%
即为痕迹
。特殊要求的油品，其水分以
10-6
（
ppm
）表示。
八、
机械杂质
存在于油品中所有不溶于规定溶剂的杂质叫做机械杂质。
九、
水溶性酸或碱
水溶性酸或碱是指存在
于油品中可溶于水的酸性或碱性物质的总称。
十、
残炭
在规定条件下，油品在裂解中所形成的残留物叫残炭。以重量百分数表示。
十一、
灰分
在规定条件下油品被炭化后的残
留物经煅烧所得的无机物叫做灰分，
以重量百分数表
示。灰分主
要是油品中含有的环烷酸盐类。通常油品中的灰分含量都很小。在润滑油
中加入某些高灰
分添加剂后，油品的灰分含量会增大。
十二、
破乳化值
油品从油水乳化液中分离能
力的量度值叫做破乳化值，
以
min
表
示。
它是汽轮机油的
一项主要规格项目。汽轮机油在使用过程中
，有时会与漏水、漏气接触，甚至混合，
形成暂的乳化，
因此必
须具有能与水迅速分离的性能，
才能保证油品正常循环和润滑
机
件。
-------------
-------------
十三、
氧化安定性
石油产品抵抗空气
（或氧气）
的作用而保持其性质不发生永久性变化的能力叫做油品
的氧化安定性。
十四、
剪切安定性
剪切安定性是指在规定。
条件下，
石油产品抵抗剪切作用保持粘度的粘度有关的性质
不变之能力。
十五、
成沟点
成沟点是把试验油样在规定的
温度下存放
18h
，用金属片把试油切成一条沟，然后在
10s
内测定试油是否流到一起并盖住试油容器底部。
若在
10s
内油样流回并完全覆盖
试油容器底部，则报告油样不成沟；反之则报告油样成沟。成沟点是测定齿轮油（低
温）的成沟性能。
十六、
滴点
在规定条件下的固体或半固体石
油产品达到一定流动性时的最低温度叫做滴点，
以℃
表示。
润滑脂的滴点与其组成有很大关系。常用润滑脂滴点的大致范围如
下：
烃基脂的滴点
一般为
40~80
℃
钙基脂的滴点
约为
< br>75~95
℃
钙钠基脂的滴点
大约为
120~135
℃
钠基脂的滴点
大约为
130~200
℃
锂基脂的滴点
大约在
170
℃
复合皂脂的滴点
大约在
250
℃以上
十七、
锥入度
在
2
5
℃时，
总荷重为
150±
0.25g
的标准锥在
5s
内垂直穿入润滑脂试样的深度叫润滑
脂锥入度，以
1/10m
m
表示。
锥入度是表示润滑脂软硬的项目。
锥入度越大，
稠度越大，
稠度越小，
润滑脂就越软。
反之，则润滑脂
越硬，稠度越大。绝大多数润滑脂是根据锥入度大小来分号的，其规
定如下表：
润滑脂牌号
锥入度（
25
℃）
/10-1mm
000 445~475
00
400~430
0 355~385
1 310~340
2 265~295
3
220~250
4 175~205
5 130~160
6 85~115
十八、
游离酸和游离碱
润滑脂是动植物油或
全盛脂肪酸用碱皂化后，
稠化矿物油而成的。
如果皂化不完全或
矿物油氧化分解，就会出现游离酸；如果用碱量过多，高精尖会出现游离碱。过多的
游离酸、碱的存在，会引起机件腐蚀所以润滑脂的游离酸、碱应控制在一定数值内。
十九、
胶体安定性
润滑脂在使用或长期储存
中会有少量的油析出，
这种现象称为分油。
润滑脂抵抗分油
-------------
-------------
的能力称为胶体安定性。
二十、
机械安定性
润滑脂的机械安定性又称
为剪切安定性，
它表示润滑脂在机械工作条件下抵抗稠度变
化的
能力。润滑脂在机械力长期作用下，稠度将下降，在极端苛刻条件下，润滑脂的
结构将被
破坏而变成流体，从润滑部位流失，丧失润滑作用。这是因为稠化剂的纤维
结构，当承受
长时间剪断破坏时，使纤维变短，导致稠度下降，在遭受轻度剪断时，
纤维还可以再度叠
合而恢复稠度，
这种搞机械剪断作用性能，
称为润滑脂的机械安
定
性。
主题列表
红色骑警
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精
]
主题：高速切削的加工
技术
高速切削的加工技术
高速切削的加工技术
在现代机械切削
加工技术中，
高速切削正在越来越多地被人提及，
其技术已开始
被使
用，
随之而来的，
首先是高速机床
，
那么，
高速切削与传统切削技术究竟有什么不同
?
其实现的条件是什么
?
实现它有哪些益处
?
其适用性怎么样呢
?
本文将试图回答
这
些问题，并且尽可能结合目前在世界上居领先水平的瑞士
MI
KRON
公司的机床的结
构、
特点来分
析，
用它同目前国内仍在普遍应用的传统的加工方法和切削理论相比较，
促进高新技术在国内的应用和普及。
缩短加工时的切削与非切削时间，
对于复杂形状和难加工材料及高硬度材料减
少加工
工序，最大限度地实现产品的高精度和高质量，是我们提高劳动生产率、实现经济
性
生产的一个重要的目标。
有人认为，一提高速加工，就是主轴转速要几万转；只要主轴转速一达到几万转，就
可以实现高速切削，这其实是不全面的。
随着科学技术的发展，现代机床已经具备了下面的条件，也只有具备这些条件，才会
使得高速切削成为可能。
< br>1.
机电一体化的主轴，
即所谓电主轴。
现代化的主轴是电机与主轴有机地结合成一体，
采用电子传感器来控制温度，<
/p>
自有的水冷或油冷循环系统，
使得主轴在高速下成为
“
恒
温
”
< br>；又由于使用油雾润滑、混合陶瓷轴承等新技术，使得主轴可以免维护、长寿命、
高精度。由于采用了机电一体化的主轴，减去了皮带轮、齿轮箱等中间环节，其主轴
转速
就可以轻而易举地达到
0
～
42000
r/min
，甚至更高。不仅如此，由于结构简化，
造价下降，
精度和可靠性提高，甚至机床的成本也下降了。
噪声、振动源
消除，主
轴自身的热源也消除了。
MIKRON
公司便采用了本集团
“STEP
－
TEC”
公司生产的电
主轴，
这种
电主轴采用了其特别的、
最先进的矢量式闭环控制、
高动平衡的
主轴结构、
油雾润滑的混合陶瓷轴承，
可以随室温调整的温度控
制系统，
确保主轴在全部工作时
间内温度衡定。
何为矢量式闭环控制呢？其实就是借助数
/
模转换，将交流异步电动机的电量值变换
为直
流电模型，这样，既可实现用无电刷的交流电机来实现直流电机的优点，即在低
----
---------
-------------
转速时，
保持全额扭矩，功率全额输出，主轴电机快速起动和制动。以
UCP710
机
床切削
45#
钢为例，用
STEP-TEC
的主轴铣削，铣刀直径
?
63mm,
主轴转速为
1770
r/min
，金切量为
540cm?
/
min
；在无底孔钻孔时，钻头直径
?
50mm,
转速
1350r/min
，可一次钻出，而无需常用的先打中心孔
,
而后钻孔再扩孔的方
法。
2.
机床普遍采用了线性的滚动导轨，代替过去的滑动导轨，其移动速度、摩擦阻力、
动态响
应，
甚至阻尼效果都发生了质的改变。
用手一推就可以将几百公
斤甚至上千公
斤的重工作台推动。其特有的双Ｖ型结构，大大提高了机床的抗扭能力；同
时，由于
磨损近乎为零，导轨的精度寿命较之过去提高几倍。
又因为配合使用了数字伺服驱
动电机，其进给和快速移动速度已
经从过去最高的
6m/min
，提高到了现在的
20
～
60m/min
，
MIKRON
公司的最新型机床使用线性电机，
进给和快移速度可达
80m/min
。
3.
目前最先进的数控系统已
经可以同时控制
8
根以上的轴，实现五轴五联动，甚至六
轴五联动，多个
CPU
，数据块的处理时间不
超过
0.4ms
；同时，均配置功能强大的
后置处理软件，
运算速度快，
仿真能力强且具备程序运行中
的
“
前视
”
功
能，
随时干预，
随时修改。外接插口，数据传输速度快，甚至可
以与以太网直联；加上全闭环的测量
系统，
< br>配合使用数字伺服驱动技术，机床的线性移动可以实现
1
～
2g
的加速和减速
运动。
4.
机床床身结构进
一步优化，现代机床均采用落地式床身，整体铸铁结构，龙门式框
架的主轴立柱，
尽可能由主轴部件来实现二轴甚至三轴的线性移动，
考虑到刀具重量<
/p>
的变化极小，这样，在工件乃至工作台不进行快速线性移动的情况下，
机床快速线
性移动的部件的重量近乎常量，
因此，
更容易实现快速加速和减速情况下的运动惯量
及实现动态平衡，
减少由于动态冲击所带来的不稳定，
从而保证
稳定的且更高的加工
精度和产品质量。
5.
刀具的材料和技术的发展也是高
速切削得以实现的一个重要因素。由于在高速切削
时，切削力已经不是重要因素，不需大
的切削扭矩，因此刀柄就不再是传统的锥柄，
而是短圆柄，即
H
SK
型柄，不需拉钉，主轴锁紧装置充分考虑离心力的影响。重要
的是需要动平衡，
即需加上动平衡环，在装好刀具后，由动
平衡仪进行平衡。刀具
本身采用通体硬质合金刀，或在硬质合金上涂
CBN
、
TiC
等，也可采用人造
金刚石，
即
PCD
等，使刀具可以承受
高达
300
～
500m/min
的切削线速度。
6.
切削时采用油雾润滑加工区，而不再使用传统的冷却润滑液。
高速切削
顾名思义，高速切削，首先是高的速度，即要有高的主轴转速，比如
12000r/
min
、
18000r/min
、
30000r/min
、
40000r/m
in
，
甚至还有更高的转速仍在试验中；
另一方面，
又应有更大的进给量，如
30000mm/min
、
40000mm/min
，甚至
60000mm/min
；再
有就是快速移
动、快速换刀、主轴换刀后从静态到达其所需转速的加速时间等等，只
有达到了上述标准
才能称之为高速。
其次是要针对不同的加工对象、不同的硬度、不同的材质、不同的形状来选择相应合
< br>理的参数，而不能一味地追求为高速而高速，特别是对于型腔加工，形状复杂而刀具
直径又较小时，
由于刀具的运动轨迹不是简单的直线运动而是曲线，
< br>甚至有直角拐弯
的时候，工艺参数的合理性就尤为重要，因为要想保持同一进给速
度进行直角切削，
搞不好会由于机床运动部件的巨大惯性而导致刀具做弯角运动时突然断
裂，
而变速运
动又会由于加速和减速等运动造成切削厚度的瞬间
变化，
而导致切削刀变化使工件表
面有切纹，由此使加工质量下
降，所以，针对不同的加工对象，需要编程人员选择合
理的刀具运动轨迹，优化切削参数
；另一方面，根据需要选择适合的切削速度，只有
-------------
-------------
这样才能真正发挥高速切削的长处。
应用高速切削，我们可以实现下列目标：
(1)
由于采用小的切削深度和厚度
，
刀具每刃的切削量极小，
因而机床主轴、
导轨的受
力就小，机床的精度寿命长，
同时刀具寿命也延长了。
(2)
虽然切削深度和厚度小，
但由于主轴转速
高，
进给速度快，
因此使单位时间内的金
属切除量反而增加了，由此加工效率也提高了。
(3)
加工时可将粗加工、半精加工、精加工合为一体，
全部在一台机床上完成，
减少了
机床台数，避免由于多
次装夹使精度产生误差。
(4)<
/p>
可以加工高硬度、难加工材料
(
可达
62HRC
左右
)
，可以钻
?
1mm
以下的小孔。
(5)
最重要的
是，加工时间短，经济性能好。
高速切削的应用
目前，高速切削已经
不是实验室里的技术了，它更多的是应用于以下几个方面。
(1)
有色金属，如铝、铝合金，特别是铝的薄壁加工。目前已经可以切出厚度为
0.1mm
、
高为几十毫米的成形曲面。
(2)
石墨加工。
< br>在模具的型腔制造中，
由于采用电火花腐蚀加工，
因而石
墨电极被广泛
使用。但石墨很脆，所以，必须采用高速切削才能较好地进行成形加工。<
/p>
(3)
模具
，
特别是淬硬模具的加工。
由于淬硬的材料可以直接从供应商处购买，
< br>因此
采用高速切削可以直接将模具切出，
这不单单是省去
了过去机加工
→
电加工的几道工
序；节
约工时，还由于目前高速切削已经可以达到很高的表面质量
(Ra≤0.4um)
，因
此省去了电加工后面的磨削和抛光的工序；
相反，
切削中形成的已加工表面的压应力
状态，
还会提高模具工件表面的耐磨程度（有统计说模具寿命因此能提高
3
～
5
倍）
，
这样，锻模和铸模仅经铣削就能完成加工已成为可能。
(4)
硬的、难切削的材料，如耐热
不锈钢等。
高速切削的适用性
高速加工作为一种
新的技术，
其优点是显而易见的，
它给传统的金属切削理论带来
了
一种革命性的变化。那么，它是不是放之四海而皆准呢
?
显然不行。目前，
即便是在
金属切削机床水平先进的瑞士、德国、日本、美国，对于这一崭新技术的研究也还处
< br>在不断的摸索研究当中。实际上，人们对高速切削的经验还很少，还有许多问题有待
于解决：比如高速机床的动态、热态特性；刀具材料、几何角度和耐用度问题，机床
与
刀具间的接口技术
（刀具的动平衡、
扭矩传输）
、
冷却润滑液的选择、
CAD/CAM
的
程序后置处理问题、高速加工时刀具轨迹的优化问题等等。迄今为止，国内
目前真正
在实际加工中使用的是瑞士
MIKRON
公司的主轴转速为
42000r/min
的机床，<
/p>
南京
航空航天大学购买了
MIKRON
的主轴为
18000r/min
机床，
上海交大、
大连理工大学
等也买了主轴转速为
18000r/min
的机床，
山东工大、西安交大、北京理工大学都将
购买高速机床做相应的研究。应该说，高速切削
在我国，尚未正式进入大学课堂，如
果一些教授、导师们的头脑中还是空白，那怎么去教
学生、去发展相应的技术？更不
要说国内的机床厂家的情况了。
应该实事求是地讲，
由于多年来国有企业科研投入少，
现有的机
制不能充分鼓励创新，
基础研究和元器件水平薄弱，
新产品开发
滞后等诸多
问题的影响，
我国的机床行业与国外同行业一流水平
的差距已经拉大，
这一差距总的
来说恐怕在十年以上。
现在看来，主轴转速为
10
～
42000r/min
这样
的高速切削在实际应用时仍受到一些限
制：
(1)
主轴转速
10
～
42000r/min
时，
刀具必须采用
HSK
的刀柄，外加
动平衡，刀具的
长度不能超过
120mm
，直径不能超过
16mm
，且必须采用进口刀具。这样，在进
行
-------------
-------------
深的型腔加工时便受到限制。
(2)
机床装备转速为
10
～
42000r/min
的电主轴时，
其扭矩极小，
通常只有十几个
N·
m
，
最高转速时只有
5
～
6N·
m
。这样的高速
切削，一般可用来进行石墨、铝合金、淬火
材料的精加工等。
(3)MIKRON
公司针对这些情
况开发了一些主轴最高转速为
12000r/min
、
15000r/min
、
18000r/min
和
24000r/min
的机床，尽力
提高进给量
(40000
～
60000
mm/min)
，以保
证机床既能进行粗加工，又能进行精加工
，既省时效率又高。
(4)
针对传统的加工方式和不同的被切削材料，应选择合适的刀具材料来实现高速加
工，而不能一味地追求高速，为高速而高速。如在美国的航天工业中，已经可以实现
7500m/min
的线速度来切削铝合金；
但是切削钢和
铸铁时，
目前世界上实际进行的高
速加工所能实现的最高速度，
也只能达到加工铝合金的
1/3
～<
/p>
1/5
，约为
1000
< br>～
1200m/min
，
其原因是切削热会使刀尖产生热破损。由此可见，刀具材料的耐热性
是加工黑色金属的关键。对超级合金，包括镍基、钴基、铁基和钛基合金而言，其共
同特
点是在高温下能保持高强度和高的耐腐蚀性，
但它们又都是难加工材料。
目前加
工这种材料时的最高进给速度为
500m/mi
n
，主要受制于刀具材料及其几何形状。
所以说，高速加工的刀具材料必须根据工件材料和加工性质来
选择。一般而言，陶瓷
(AlO
，
Si
N)
、
金属陶瓷及
PCBN
刀具等适用于对钢、
铁等黑色金属的高速加工；
P
CD
和
CVD
等刀具则适用于对铝、
镁、铜等有色金属的高速加工。
光栅与编码器介绍
位置检测装置作为
数控机床的重要组成部分，
其作用就是检测位移量，
并发出反馈
信
号与数控装置发出的指令信号相比较，
若有偏差，
经放大后控制执行部件使其向着消除偏差
的方向运动，
直至偏差等于零为止。
为了提高数控机床的加工精度，
必须
提高检测元件和检
测系统的精度。其中以编码器，光栅尺，旋转变压器，测速发电机等比
较普遍，下面主要对
光栅和编码器进行说明。
光栅
,
现代光栅测量技术
简要介绍：
将光源、两块长光栅（动
尺和定尺）
、光电检测器件等组合在一起构成的光栅传感器
通常
称为光栅尺。
光栅尺输出的是电信号，
动尺移动一个栅距，
输出电信号便变化一个周期，
它是通过对信号变化周期的测量来测出
动就与定就职相对位移。
目前使用的光栅尺的输出信
号一般有两
种形式，一是相位角相差
90
度的
2<
/p>
路方波信号，二是相位依次相差
90
度的
4
路正弦信号。
这些信号的空间位置周
期为
W
。下面针对输出方波信号的光栅尺进行了讨论，
而对于输出正弦波信号的光栅尺，经过整形可变为方波信号输出。输出方波的光栅尺有
A
相、
B
相和
Z
相三个电信号，
A
相信
号为主信号，
B
相为副信号，两个信号周期相同，均为
W
，相位差
90o
。<
/p>
Z
信号可以作为较准信号以消除累积误差。
一、栅式测量系统简述
从上个
世纪
50
年代到
70
< br>年代栅式测量系统从感应同步器发展到光栅、磁栅、容栅和
球栅，
这
5
种测量系统都是将一个栅距周期内的绝对式测量和
周期外的增量式测量结合了起
来，测量单位不是像激光一样的是光波波长，而是通用的米
制（或英制）标尺。它们有各自
-------------
-------------
的优势，相互补充，在竞争中都
得到了发展。由于光栅测量系统的综合技术性能优于其他
4
种，
而且制造费用又比感应同步器、磁栅、球栅低，因此光栅发展得最快，技术性能最高，
市
场占有率最高，产业最大。光栅在栅式测量系统中的占有率已超过
80%
，光栅长度测量
系统的分辨力已覆盖微米级、亚微米级和纳米级，测量速度从<
/p>
60m/min
，到
480m/min<
/p>
。测
量长度从
1m
、
3m
达到
30m
< br>和
100m
。
二、光栅测量技术发展的回顾
计量光栅技术的基础是莫尔条纹（
Moire fringes
）
，
1874
年由英国物理学家
gh
首先提出这种图案的工程价值，
直到
20
世纪
50
年代人们才开始利用光栅的莫尔条纹进行精
密测量。
1950
年德国
Heidenhain
首创
DIADUR
复制工艺，也就是在玻璃基板上蒸发
镀铬的
光刻复制工艺，这才能制造高精度、价廉的光栅刻度尺，光栅计量仪器才能为用户
所接受，
进入商品市场。
1953
年英
国
Ferranti
公司提出了一个
4
相信号系统，
可以在一个莫尔条纹周
期
实现
4
倍频细分，并能鉴别移动方向，这就是
< br>4
倍频鉴相技术，是光栅测量系统的基础，
并一直广泛应
用至今。
德国
He
idenhain
公司
1961
年开始
开发光栅尺和圆栅编码器，
并制造出栅距为
4
< br>μ
m
（
250
< br>线
/mm
）的光栅尺和
1000
0
线
/
转的圆光栅测量系统，能实现<
/p>
1
微米和
1
角秒
的测量分辨力。
1966
年制造出了栅距为
20
μ
m
（
50
线
/mm
）的封闭式直线光栅编
码器。在
80
年代又推出
AURODU
R
工艺，是在钢基材料上制作高反射率的金属线纹反射光栅。并在光栅一个参考
标记（零位）的基础上增加了距离编码。在
1987
年又提出一种新的干涉原理，采用衍射光
栅实现纳米级的测量，并允许较宽松的安装
。
1997
年推出用于绝对编码器的
E
nDat
双向串
行快速连续接口，使绝对编码器和增量编码器一
样很方便的应用于测量系统。
现在光栅测
量系统已十分完善，应
用的领域很广泛，全世界光栅直线传感器的年产量在
60
万件左
右，
其中封闭式光栅尺约占
85%
，开
启式光栅尺约占
15%
。
三、当今采用的光电扫描原理及其产品系列
光栅根据形成莫尔条纹的原理不同分为几何光栅
（幅值光栅）
和衍射光栅
（相位光栅）
，
< br>又可根据光路的不同分为透射光栅和反射光栅。
光米级和亚微米级的光栅测量是采
用几何光
栅，光栅栅距为
100
μ
m
至
20
μ
m
远于光源光波波长，衍射现象可以忽略，当两块光栅相
对移动时产生低频拍现象形成莫尔条纹，
其测量原理称影像原理。
纳米级的光栅测量是采用
衍射光栅，光栅栅距是
8
μ
m
或
4
μ
m
，栅线的宽度与光的波长很接近，则产
生衍射和干涉
现象形成莫尔条纹，其测量原理称干涉原理。现以
Heidenhain
产品采用的
3
种
测量原理介
绍如下。
1.<
/p>
具有四场扫描的影像测量原理（透射法）
采用垂直入射光学系统均为
4
相信号系统，
是将指示光栅（扫描掩膜）开四个窗口分
为
4
< br>相，
每相栅线依次错位四分之一栅距，
在接收的
4
个光电元件上可得到理想的
4
相信号，
这称为具有四场扫描的影像测量原理。
Hei
denhain
的
LS
系列产品均采用
此原理，其栅距为
20
μ
m
，测量步距为
0.5
μ
m
，准确度为±
10
、±
5
、±
3
μ
< br>m
三种，最大测量长度
3m
，载
体
为玻璃。
2.<
/p>
有准单场扫描的影像测量原理（反射法）
反射标尺光栅是采用
40
μ
m
栅距的钢带，指示光栅（扫描掩膜）用二个相互交错并有
不同衍射性能的相位光栅组成，
这样一来，
一个扫描场就可
以产生相移为四分之一栅距的四
个图象，
称此原理为准单场扫描
的影象测量原理。
由于只用一个扫描场，
标尺光栅局部的污
染使光场强度的变化是均匀的，
并对四个光电接收元件的影响是相同
的，
因此不会影响光栅
信号的质量。与此同时，指示光栅和标尺
光栅的间隙和间隙公差能大一些。
Heidenhain
LB
和
LIDA
系列的金属反射光栅就是采
用这一原理。
LIDA
系列开式光栅其栅距为
< br>40
μ
m
和
20
μ
m
，测量步距
0.1
μ
m
，准确度有±<
/p>
5
μ
m
、±
3
μ
m
，测量长度
可达
30m
，最大速度
-------
------
-------------
480m/mi
n
。
LB
系列闭式光栅栅距都是
40
μ
m
，最大速度
可达
120m/min
。
3.
单场扫描的干涉测量原理
对于栅距很小的光栅，指示光栅是一个透明的相位光栅，标尺光栅是自身反射的相位
光栅，光束是通过双光栅的衍射，在每一级的诸光束相互干涉，就形成了莫尔条纹，其中
+1
和
-1
级组干涉条
纹是基波条纹，基波条纹变化的周期与光栅的栅距是同步对应的。光调
制产生
3
个相位相差
120
°的
测量信号，由
3
个光电元件接收，随后又转换成通用的相位差<
/p>
90
°的正弦信号
.
Heidenhain LF
、
LIP
、
LIF
系列光栅尺是按干涉原理工作，其光栅尺的载体
有钢板、钢带、
玻璃和玻璃陶瓷，这些系列产品都是亚微米和纳米级的
，其中最小分辨力达
到
1
纳米。
在
80
年代
后期栅距为
10
μ
m
< br>的透射光栅
LID351
（分辨力为
0.05
μ
m
）其间隙要求就
比较严格为（
0.1
±
0.015
）
mm
。由于采用了新
的干涉测量原理对纳米级的衍射光栅安装公
差就放得比较宽，例如指示光栅和标尺光栅之
间的间隙和平行度都很宽（表
1
所示）
。只有
衍射光栅
LIP372
的栅距是
0.512
μ
m
，
经光学倍频后信号周期为
0.128
μ
m
，
其他栅距均为
8
μ
m
和
4
μ
m
，
经光学二倍频后得到的信号周期为
4
μ
m
和
2
μ
m<
/p>
，
其分辨力为
5nm
和
50nm
，
系统准确度为±
0.5
μ
m
和±<
/p>
1
μ
m
，
速度为
30m/min
。
LIF
系列栅距是
8
μ
m
，
分辨力
0.1
μ
m
，
准确度±
1
μ
m
，
速度为
72m/min
。
其载体为温度系数近于
0
的玻璃陶瓷或温度系数为
8ppm/K
的玻璃。衍射光栅
LF
系列是闭式光栅尺，其栅距为
8
μ
< br>m
，信号周期为
4
μ
m
，测量分辨力
0.1
μ
m
，系统准确度±
3
< br>μ
m
和±
2
μ
m
，最大速度
60m/min<
/p>
，测量长度达到
3m
，载体采用
钢尺和钢膨胀系数（
10ppm/K
）一样的玻
璃。
四、光栅测量系统的几个关键问题
1.
测量准确度（精度）
光栅线位移传感器的测量准确度，首先取决于标尺光栅刻线划分度的质量和指示光栅
扫描的质量（栅线边沿清晰至关重要）
，其次才是信号处理电路的质量和
指示光栅沿标尺光
栅导向的误差。
影响光栅尺测量准确度的是在
光栅整个测量长度上的位置偏差和光栅一个信
号周期内的位置偏差。
光栅尺的准确度（精度）用准确度等级表示，
Heidenha
in
定义为：在任意
1m
测量长
度区段内建立在平均值基础上的位置偏差的最大值
Fmax
均落在±α（μ
m
）之内，则±α
为准确度等级。
Heidenhain
准确度等级划分
为：±
0.1
、±
0.2
、±
0.5
、±
1
、±
2
、±
3
、±
5
、
±
10
和±
15
μ
m
。由此可见
Heidenhain
光栅尺的准确度等级和测量长度无关，这是很高的
一个要求，现在还没有见
到其他生产厂家能够达到这一水平。
现在<
/p>
Heidenhain
玻璃透射光栅和金属反射光栅的栅距只采用
20
μ
m
和<
/p>
40
μ
m
，
对衍射
光栅栅距采用
4
μ
m
和
8
μ
m
，
（
1n
m
光栅除外）光学二倍频后信号周期为
2
μ
m
和
4
μ
m
。
Heidenhain
要求开式光栅一个信号周期的位置偏差仅为±
1%
，闭式光栅仅为±
2%
，光栅信
号周期
及位置偏差见表
2
。
表
2
---------------
--------------------------------------------------
---
光栅类别
信号周期（μ
m
）
< br>一个信号周期内的位置偏差（μ
m
）
---------------------------------------
-----------------------------
几何光栅
20
和
40
开启式光栅尺±
1%
，即±
0.2~<
/p>
±
0.4
封闭式光栅尺±
< br>2%
，即±
0.4~
±
0.8
---------------------------
-----------------------------------------
衍射光栅
2
和
4
开启
式光栅尺±
1%
，即±
0.02~
±
0.04
封闭式光栅尺±
< br>2%
，即±
0.02~
±
0.08
---------------------------
-----------------------------------------
-------------
-------------
2.
信号的处理及栅距的细分
光栅的测量是将一个周期内的绝对式测量和周期外的增量式测量结合在一起，也就是
说在栅距的一个周期内将栅距细分后进行绝对的测量，
超过周期的量程则
用连续的增量式测
量。
为了保证测量的精度，
< br>除了对光栅的刻划质量和运动精度有要求外，
还必须对光栅的莫
< br>尔条纹信号的质量有要求，
因为这影响电子细分的精度，
也就是影响光栅测量信号的细分数
（倍频数）和测量分辨力（测量步距）
。栅距的细分数和准确性也影响光栅测量系统的准确
度和测量步距。
对莫尔条纹信号质量的要求主要是信号的正弦性和正交性要好；
信号直流电
平漂移要小。
对读数头中的光电转换电路和后续的数字化插补电
路要求频率特性好，
才能保
证测量速度大。
Heidenhain
有专门为光栅传感器和
< br>CNC
相联结设计了光栅倍频器，也就是将光栅传
感器输
出的正弦信号（一个周期是一个栅距）进行插补和数字化处理后给出相位相差
90
°
的方波，
其细分数（倍频数）有
5
、
10
、
25
、
50
、
100
、
200
和
400
，再考虑到数控系统的
4
倍频后对栅距的细分数有
20
、
40
、
100
、
200
、
400
、
800
和
1600
，能实现测
量步距从
1nm
到
5
< br>μ
m
，倍频数选择取决于光栅信号一个栅距周期的质量。
随着倍频数的增加光栅传感器的
输出频率要下降，倍频器的倍频细分数和输入频率的关系
见表
3
。
表
3
---------------
--------------------------------------------------
---
倍频细分数
0 2 10 25 50 100 200 400
---
--------------------------------------------------
---------------
输入频率
kHz 600 500 200 100 50
25 12.5 6.25
---------------------------
-----------------------------------------
选择不同的倍频数可以得到不同的测量步距。在
Heidenhai
n
的数显表中可以设置
15
种之多的倍
频数，最高频数可达
1024
，即
1<
/p>
、
2
、
4
、
5
、
10
、
20
、
40
、
50
、
64
、
80
、
100
、
128
、
200<
/p>
、
400
、
10
24
。在微机上用的数量卡最大倍频数可到
4096
。
3.
光栅的参考标记和绝对座标
（
1
）光栅绝对位置的确立
光栅是增量测量，光栅尺的绝对位置是利用参考标记（零位）
确定。参考标记信号的
宽度和光栅一个栅距的信号周期一致，
经
后续电路处理后参考信号的脉冲宽度和系统一个测
量步距一致。
为了缩短回零位的距离，
Heidenhain
设计了在测量全
长内按距离编码的参考标
记，
每当经过两个参考标记后就可以确
定光栅尺的绝对位置，
例如栅距为
4
μ
m
和
20
μ<
/p>
m
的
光栅尺扫描单元相对于标尺移动
20mm
后就可确定绝对位置，栅距为
40
μ
m
的光栅尺要移
动
80mm
才能确定绝对位置。
（
2
）绝对坐标传感器
为了在任何时刻测量到绝对位置，
Heidenhain
设计制造了
LC
系列绝对光栅尺，它是
用七个增量码道得到绝对位置，每个码道是不同的，刻线最细码道的栅距有两种，一种是
16
μ
m
，另一种是
20
μ
m
，其
分辨力都可为
0.1
μ
m
，准确度±
3
μ
m
。测量长度可达
3m
，最
大速度
120m/min
。它所采用的是光电扫描原理和常用
的透射光栅一样，是具有四场扫描的
影像测量原理。
4.
光栅的载体和热性能
光栅尺是在
20
°±
0.1
℃环境中制造，
光栅的热性能直接影响到测量精度，<
/p>
在使用上光
栅尺的热性能最好和测量的对象的热性能一致。
考虑到不同的使用环境，
Heidenhain
光栅尺
刻度的载体具有不同的热膨胀系数。
现用的材料有玻璃
、
钢和零膨胀的玻璃陶瓷。
普通玻璃
的
膨胀系数为
8ppm/K
，
钢为
10ppm/K
，
现在
Heidenhain
已采用了和钢一样膨胀系数的玻璃。
这
些材料对振动、冲击不敏感，具有确定的热特性，并对气压和湿度的变化也不会有影响。
-------------
-------------
对测量长度在
3m
以下的光栅尺载体材料都是用玻璃、玻璃陶瓷
和钢，超过
3m
以上则用钢
带。
通过对标尺载体所用材料和相应结构的选择，
使光栅尺与被测对象的热
性能有最佳的匹
配。
5
．信号处理
此外在信号处理、测量电路中，
用到了触发器、计数器等多种数字集成电路，测量分<
/p>
辨率为光栅栅距
W
。目前，计量用光栅尺
的刻线一般为每毫米
50~250
线，对应的栅距
W
为
20~4
μ
m
，在精密测量中往往不能满足要求，需要进行曲细分。如果同时考虑<
/p>
A
、
90
度
信号上升沿和下降沿的各种情况，就可以实现信号四细分，其主要电路有：
< br>细分辨向、
计数
和接口电路等，以上功能可以由通用数字
集成电路来完成。
6
．西门子参数设置
30200
是编码器的数量；
31000=1
表示是光栅尺。
30240{0}=1
30240{1}=0
注意：电机编码器不能屏蔽，否则没法动了。
如果想让电机编码器做位置反馈，直接置位
DB3*.DBX1.5
就行，因为光栅尺一般都作为第
二反馈，即用
DB
3*.DBX1.6
激活。但如果
DBX1.5
和
DBX1.6
同时生效，第一测量系统起
作用。
但是上面做法的前提是
< br>PLC
程序中没有处理
DBX1.5,
< br>否则你无法置位。
脉冲编码器介绍
我们目前生产和使用
的数控机床大多采用的是半闭环控制方式，
大多数的系统生产厂
家均将位置编码器内置于驱动电机端部，间接测量执行部件的实际位置或位移。
1
、
脉冲编码器概念
脉冲编码器是一种光
学式位置检测元件，
编码盘直接装在电机的旋转轴上，
以测出轴
的旋转角度位置和速度变化，其输出信号为电脉冲。
这种检测方式的特点是：非接触式的，无摩擦和磨损，驱动力矩小，响应速度快。缺
点是抗污染能力差，容易损坏。按其编码化方式，可分为增量式和绝对值式。
1
）增量式编码器
-------------
-------------
增量式编码器工作原理
增量式编码器工作原理如上图
a
所示。在图中，
E
为等节距的辐射状透光窄
缝圆盘，
Q1
、
Q2
为光源，
Da
、
Db
、
Dc
为光电元件（光敏二极管或光电池），
Da
与
Db
错开
90
度相位角
安装。
当圆盘旋转一个节距时，
在光源照射下，
光电元件
Da
，
Db
上得到图
b(
所示的光电波形输出，
A
，
B
信号为具有
90
度相位差的正弦波，这组信号经放大器放大与整形，得到图
c)
的输出方
波，
A
相比
B
相导前
90
度，其电压幅值为
5V
。设<
/p>
A
相导前
B
相时
为正方向旋转，则
B
相导前
A
相时即为负方向旋转，利用
A
相与
B
相的相位关系可以判别编码器的旋转方向，
C
相产生的
脉冲为基准脉冲，
又称零点脉冲，
它是轴旋转一周在固定位置上产生一个脉冲，
在数控车床
上切削螺纹时，可将它作为车刀进刀点和退刀点的信号使用，以保证切削的螺纹不会乱扣。
在加工中心上可作为主轴准停信号，以保证主轴和刀库间的可靠换刀。
AB
相脉冲信号经频
率———电压变换后，得到与转轴转速成
比例的电压信号，便可测得速度值及位移量。
2
）绝对值式编码器
绝对值式编码器是通过读取编码盘上的图案来表示数值的。
下图所示的为葛莱编
码盘，
图中
空白的部分透光，用“
0<
/p>
”表示；涂黑的部分不透光，用“
1
”表
示。此码盘共有四环，由里
向外每一环配置的光电变换器对应
2
的
3
次方，
2
的
2
次方，
2
的
1
次方，
2
的
0
次方。图中的码盘
共分为
16
份，要提高检测精度，可多分。
-------------
-------------
葛莱编码盘
3
）增量式编码器和绝对值式编码器比较
< br>在实际应用中，
通过比较，发现增量式结构简单，
成本低
；但其移距是由测量信号计数
读出的，基点特别重要，
每次开机
或因故停机后，
都要重回参考点；并且排除故障后不能再
找到事
故前的正确位置，
而且由于干扰易产生计数误差。
这种增量式编
码器多用于精度要求
不是很高的经济型数控机床。
而绝对值式的
结构复杂，
成本高；
但其坐标值直接从码盘中读
出，不会有累积误差；编码器本身具有机械式存储功能（需要外加电池），即使因停电或其
它原因造成坐标值清除，
通电后，
仍可找到原绝对坐
标位置。
这种编码器多用于精度和速度
要求较高的数控机床，特
别是控制轴数多达四、五个的加工中心机床上。
2
、全闭环位置检测装置
还有一种全闭环控制方式，
可获得比半闭环更高的位移精度。
这种进给伺服系统的位置检测
装置安装在进给系统末端的执行部件上，
实测它的位置或位移量，
而安装在驱动电机端部的
编码器则作为测速元件，
构成速度环。
位置检测装置多选用
光栅尺，
位置信号的检出是由光
栅读数头完成，标尺光栅（长光
栅）和指示光栅（短光栅）分别安装在机床的移动部件及固
定部件上，
< br>两者相互平行，
它们之间保持
0.05
< br>或
0.1
的间隙。
当标尺光栅沿
指示光栅连续移动
时，光电元件所感应的光电流变化规律近似正弦波形，将此正弦信号经
放大、整形、微分线
路处理后，
转换为数字脉冲信号。
标尺光栅移动一个栅距产生一个计数脉冲，
用计数器来计
算脉冲数，
则可测得机床工作台的位移量。
采用倍频的
方法可提高光栅的分辨精度。
光栅尺
的特点是测量精度高，
而且精度可以长期保持；
但对工作环境的要求较高，
并且测量装置要
和工作台等长，
不便于在大型数控机床
上使用。
光栅尺多用于高精度的中、
小型数控机床上。
因全闭环控制系统将机械传动机构包含在系统之内，
机械传动机构的固有
频率、
阻尼、
间隙
等将成为系统不稳定
的因素，
所以全闭环系统在设计及调试上较困难，
不及半闭环应
用的广
泛，这里不再细说了。
附：
伺服电机和主轴电机的区别
转子结构不一样
,
主轴电机的转子与鼠笼电
机的转子一样
,
由于没有磁极
,
因而不需要相
应的检测转子位置的信号
,1P
H7
主轴电机的编码器型号为
ERN1381,1FT6/1F
K6
电机的编码
器型号为
ERN138
7,
其主要区别就是
ERN1381
没
有附加的
C
相和
D
相信号
,
故更换编码器不需
要重新
调整
,ERN1387
可以用在
1PH
电机上
,
但反过来
ERN1381
不能用在进给电机上
.
< br>主轴电机一般功率很大
,
因而电机的结构对散热要求更高
.
工作范围不一样
,
伺服电机工作在最低转速和额定转速之间的恒转矩区
,
而主轴电机工作
在额定转速和最高转速之间的恒功率区
,
由于要达到很大的调速范围
,
主轴电机的额定
转速
-------------
-------------
一般都很低
ERN1387
编码器更换方法
1.
卸开电机后盖
,
编码器的后盖
2.
松开编码器安装螺丝
3.
旋转电机转子轴
,
使编码器转子上的标志和编码
器壳上的标志重合
4.
卸下编码器
,
注意在装卸的时候尽
量使用特制螺丝顶出来
,
免得损坏编码器
5.
旋转新的编码器
,
使编码器的两个标志重合
6.
按以上相反的顺序安装编码器
注意<
/p>
:
在安装编码器的过程中
,
要保证电机的转子不同
,
否则会失去转子的相对位置
,
如果
失去了相对位置
,
老电机则需要用示波器来调整编码器的安装位置
,
新电机则可以依据电
机转子轴上的标志来判断调整编码器的安装位置时
,
即可以机械调整
,
也可以调整驱动参数
MD1016
来设置一个偏置值
,
但该方法仅能用在
840D
< br>上
,
通过这个方法调整的电机换到别的
机床上使用可能会因为驱动参数的不同而不能正常使用
.
光栅与编码器介绍
位置检测装置作为数控机床的重要组成部分，
其作用就是检测位移量，
并发出反馈信
号与数控装置发出的指令信号相比较，
若有偏差，
经放大后控制执行部件使其向着消除偏差
的方向
运动，
直至偏差等于零为止。
为了提高数控机床的加工精度，<
/p>
必须提高检测元件和检
测系统的精度。其中以编码器，光栅尺，旋
转变压器，测速发电机等比较普遍，下面主要对
光栅和编码器进行说明。
光栅
,
现代光栅测量技术<
/p>
简要介绍：
将光源、两块长光栅（动尺和定尺）
、光电检测器件等组合在一起构成的光栅传感器
通常称为光栅尺。
光栅尺输出的是电信号，
动尺移动一个栅距，
输出电信号便变化一个周期，
它是通过对信
号变化周期的测量来测出动就与定就职相对位移。
目前使用的光栅尺的输出信
号一般有两种形式，一是相位角相差
90
度的
2
路方波信号，二是相位依次相差
90
度的
4
路正弦信号。
这些信号的空间位置周期为
W
。下面针对输出方波信号的光栅
尺进行了讨论，
而对于输出正弦波信号的光栅尺，经过整形可变为方波信号输出。输出方
波的光栅尺有
A
相、
B
相和
Z
相三个电信号，
A
相信号为主信号，
B
相为副信号，两个信号
周期相同，均为
W
，相位差
90o
。
Z
信号可以作为较准信号以消除累积误差
。
一、栅式测量系统简述
从上个世纪
50
年代到
70
年代栅式测量系统从感应同步器发展到光栅、磁栅、容栅和
球栅，
这
5
种测量系统都是将一个
栅距周期内的绝对式测量和周期外的增量式测量结合了起
来，测量单位不是像激光一样的
是光波波长，而是通用的米制（或英制）标尺。它们有各自
的优势，相互补充，在竞争中
都得到了发展。由于光栅测量系统的综合技术性能优于其他
4
种
，而且制造费用又比感应同步器、磁栅、球栅低，因此光栅发展得最快，技术性能最高，
市场占有率最高，产业最大。光栅在栅式测量系统中的占有率已超过
80%
，光栅长度测量
系统的分辨力已覆盖微米级、亚微米级和纳米级，测量速度从
60m/min
，到
480m/min
。测
量长度从
1m
、
3m
达到
30m
和
100m
。
二、光栅测量技术发展的回顾
计量光栅技术的基础是莫尔条纹（
Moire fringes
）
，
1874
年由英国物理学家
gh
首先提出这种图案的工程价值，
直到
20
世纪
50
年代人们才开始利用光栅的莫尔条纹进行精
-----------
--
-------------
密测量。
1950
年德国
Heidenhain
首创
DIADUR
复制工艺，也就是在玻璃基板上蒸发
镀铬的
光刻复制工艺，这才能制造高精度、价廉的光栅刻度尺，光栅计量仪器才能为用户
所接受，
进入商品市场。
1953
年英
国
Ferranti
公司提出了一个
4
相信号系统，
可以在一个莫尔条纹周
期
实现
4
倍频细分，并能鉴别移动方向，这就是
< br>4
倍频鉴相技术，是光栅测量系统的基础，
并一直广泛应
用至今。
德国
He
idenhain
公司
1961
年开始
开发光栅尺和圆栅编码器，
并制造出栅距为
4
< br>μ
m
（
250
< br>线
/mm
）的光栅尺和
1000
0
线
/
转的圆光栅测量系统，能实现<
/p>
1
微米和
1
角秒
的测量分辨力。
1966
年制造出了栅距为
20
μ
m
（
50
线
/mm
）的封闭式直线光栅编
码器。在
80
年代又推出
AURODU
R
工艺，是在钢基材料上制作高反射率的金属线纹反射光栅。并在光栅一个参考
标记（零位）的基础上增加了距离编码。在
1987
年又提出一种新的干涉原理，采用衍射光
栅实现纳米级的测量，并允许较宽松的安装
。
1997
年推出用于绝对编码器的
E
nDat
双向串
行快速连续接口，使绝对编码器和增量编码器一
样很方便的应用于测量系统。
现在光栅测
量系统已十分完善，应
用的领域很广泛，全世界光栅直线传感器的年产量在
60
万件左
右，
其中封闭式光栅尺约占
85%
，开
启式光栅尺约占
15%
。
三、当今采用的光电扫描原理及其产品系列
光栅根据形成莫尔条纹的原理不同分为几何光栅
（幅值光栅）
和衍射光栅
（相位光栅）
，
< br>又可根据光路的不同分为透射光栅和反射光栅。
光米级和亚微米级的光栅测量是采
用几何光
栅，光栅栅距为
100
μ
m
至
20
μ
m
远于光源光波波长，衍射现象可以忽略，当两块光栅相
对移动时产生低频拍现象形成莫尔条纹，
其测量原理称影像原理。
纳米级的光栅测量是采用
衍射光栅，光栅栅距是
8
μ
m
或
4
μ
m
，栅线的宽度与光的波长很接近，则产
生衍射和干涉
现象形成莫尔条纹，其测量原理称干涉原理。现以
Heidenhain
产品采用的
3
种
测量原理介
绍如下。
1.<
/p>
具有四场扫描的影像测量原理（透射法）
采用垂直入射光学系统均为
4
相信号系统，
是将指示光栅（扫描掩膜）开四个窗口分
为
4
< br>相，
每相栅线依次错位四分之一栅距，
在接收的
4
个光电元件上可得到理想的
4
相信号，
这称为具有四场扫描的影像测量原理。
Hei
denhain
的
LS
系列产品均采用
此原理，其栅距为
20
μ
m
，测量步距为
0.5
μ
m
，准确度为±
10
、±
5
、±
3
μ
< br>m
三种，最大测量长度
3m
，载
体
为玻璃。
2.<
/p>
有准单场扫描的影像测量原理（反射法）
反射标尺光栅是采用
40
μ
m
栅距的钢带，指示光栅（扫描掩膜）用二个相互交错并有
不同衍射性能的相位光栅组成，
这样一来，
一个扫描场就可
以产生相移为四分之一栅距的四
个图象，
称此原理为准单场扫描
的影象测量原理。
由于只用一个扫描场，
标尺光栅局部的污
染使光场强度的变化是均匀的，
并对四个光电接收元件的影响是相同
的，
因此不会影响光栅
信号的质量。与此同时，指示光栅和标尺
光栅的间隙和间隙公差能大一些。
Heidenhain
LB
和
LIDA
系列的金属反射光栅就是采
用这一原理。
LIDA
系列开式光栅其栅距为
< br>40
μ
m
和
20
μ
m
，测量步距
0.1
μ
m
，准确度有±<
/p>
5
μ
m
、±
3
μ
m
，测量长度
可达
30m
，最大速度
480m/mi
n
。
LB
系列闭式光栅栅距都是
40
μ
m
，最大速度
可达
120m/min
。
3.
单场扫描的干涉测量原理
对于栅距很小的光栅，指示光栅是一个透明的相位光栅，标尺光栅是自身反射的相位
光栅，光束是通过双光栅的衍射，在每一级的诸光束相互干涉，就形成了莫尔条纹，其中
+1
和
-1
级组干涉条
纹是基波条纹，基波条纹变化的周期与光栅的栅距是同步对应的。光调
制产生
3
个相位相差
120
°的
测量信号，由
3
个光电元件接收，随后又转换成通用的相位差<
/p>
90
°的正弦信号
.
Heidenhain LF
、
LIP
、
LIF
系列光栅尺是按干涉原理工作，其光栅尺的载体
有钢板、钢带、
玻璃和玻璃陶瓷，这些系列产品都是亚微米和纳米级的
，其中最小分辨力达
-------------
-------------
到
1
纳米。
在
80
年代后期栅距为
10
μ
m
的透射光栅
LID351
（分辨力为
0.05
< br>μ
m
）其间隙要求就
比较严格为
（
0.1
±
0.015
）
mm
。由于采用了新的干涉测量原理对纳米级的衍射
光栅安装公
差就放得比较宽，例如指示光栅和标尺光栅之间的间隙和平行度都很宽（表<
/p>
1
所示）
。只有
衍射光栅
LIP372
的栅距是
0.5
12
μ
m
，
经
光学倍频后信号周期为
0.128
μ
m
，
其他栅距均为
8
μ
m
和
4
μ
m
，
经光学二倍频后得到的信号周期
为
4
μ
m
和<
/p>
2
μ
m
，
其分辨力为
5nm
和
50nm
，
系统准确度为±
0.5
μ
m
和±
1
μ
m
，
速度为
30m/min
。
LIF
系列栅距是
8
μ
m
，
分辨力
0.1
μ
m
，
准确度±
1
μ
m
，
速度为
72m/min
。
其载体为温度系数近于
0
的玻璃陶瓷或温度系数为
8ppm/K
的玻璃。衍射光栅
LF
系列是闭式光栅尺，
其栅距为
8
μ
m
，信号周期为
4
μ
m
，测量分辨力
0.1
μ
m
，系统准确度±
3
μ
m
和±
2
μ
m
，最大速度
60m/min
，测量长
度达到
3m
，载体采用
钢尺和钢膨胀系
数（
10ppm/K
）一样的玻璃。
四、光栅测量系统的几个关键问题
1.
测量准确度（精度）
光栅线位移传感器的测量准确度，首先取决于标尺光栅刻线划分度的质量和指示光栅
扫描的质量（栅线边沿清晰至关重要）
，其次才是信号处理电路的质量和
指示光栅沿标尺光
栅导向的误差。
影响光栅尺测量准确度的是在
光栅整个测量长度上的位置偏差和光栅一个信
号周期内的位置偏差。
光栅尺的准确度（精度）用准确度等级表示，
Heidenha
in
定义为：在任意
1m
测量长
度区段内建立在平均值基础上的位置偏差的最大值
Fmax
均落在±α（μ
m
）之内，则±α
为准确度等级。
Heidenhain
准确度等级划分
为：±
0.1
、±
0.2
、±
0.5
、±
1
、±
2
、±
3
、±
5
、
±
10
和±
15
μ
m
。由此可见
Heidenhain
光栅尺的准确度等级和测量长度无关，这是很高的
一个要求，现在还没有见
到其他生产厂家能够达到这一水平。
现在<
/p>
Heidenhain
玻璃透射光栅和金属反射光栅的栅距只采用
20
μ
m
和<
/p>
40
μ
m
，
对衍射
光栅栅距采用
4
μ
m
和
8
μ
m
，
（
1n
m
光栅除外）光学二倍频后信号周期为
2
μ
m
和
4
μ
m
。
Heidenhain
要求开式光栅一个信号周期的位置偏差仅为±
1%
，闭式光栅仅为±
2%
，光栅信
号周期
及位置偏差见表
2
。
表
2
---------------
--------------------------------------------------
---
光栅类别
信号周期（μ
m
）
< br>一个信号周期内的位置偏差（μ
m
）
---------------------------------------
-----------------------------
几何光栅
20
和
40
开启式光栅尺±
1%
，即±
0.2~<
/p>
±
0.4
封闭式光栅尺±
< br>2%
，即±
0.4~
±
0.8
---------------------------
-----------------------------------------
衍射光栅
2
和
4
开启
式光栅尺±
1%
，即±
0.02~
±
0.04
封闭式光栅尺±
< br>2%
，即±
0.02~
±
0.08
---------------------------
-----------------------------------------
2.
信号的处理及栅距的细分
光栅的测量是将一个周期内的绝对式测量和周期外的增量式测量结合在一起，也就是
说在栅距的一个周期内将栅距细分后进行绝对的测量，
超过周期的量程则
用连续的增量式测
量。
为了保证测量的精度，
< br>除了对光栅的刻划质量和运动精度有要求外，
还必须对光栅的莫
< br>尔条纹信号的质量有要求，
因为这影响电子细分的精度，
也就是影响光栅测量信号的细分数
（倍频数）和测量分辨力（测量步距）
。栅距的细分数和准确性也影响光栅测量系统的准确
度和测量步距。
对莫尔条纹信号质量的要求主要是信号的正弦性和正交性要好；
信号直流电
平漂移要小。
对读数头中的光电转换电路和后续的数字化插补电
路要求频率特性好，
才能保
-------------
-------------
证测量速度大。
Hei
denhain
有专门为光栅传感器和
CNC
< br>相联结设计了光栅倍频器，也就是将光栅传
感器输出的正弦信号（一个周期是一个
栅距）进行插补和数字化处理后给出相位相差
90
°
的方波，
其细分数（倍频数）有
5
、
10
、
25
、
50
、
100
、
200
和
400
，再考虑到数控系统的
4
倍频后对栅距的细分数
有
20
、
40
、
100
、
200
、
400
、
800
和
1600
，能实现测量步距从
1nm
到
5
μ
m
，倍频数选择取决于光栅信号一个栅距周期的质量。随着倍频数的增加光栅传感器的
输出频率要下降，倍频器的倍频细分数和输入频率的关系见表
3
。
表
3
-----------------------------------------
---------------------------
倍频细分数
0 2 10 25
50 100 200 400
---------------------------
-----------------------------------------
输入频率
kHz 600 500 200 100 50
25 12.5 6.25
---------------------------
-----------------------------------------
选择不同的倍频数可以得到不同的测量步距。在
Heidenhai
n
的数显表中可以设置
15
种之多的倍
频数，最高频数可达
1024
，即
1<
/p>
、
2
、
4
、
5
、
10
、
20
、
40
、
50
、
64
、
80
、
100
、
128
、
200<
/p>
、
400
、
10
24
。在微机上用的数量卡最大倍频数可到
4096
。
3.
光栅的参考标记和绝对座标
（
1
）光栅绝对位置的确立
光栅是增量测量，光栅尺的绝对位置是利用参考标记（零位）
确定。参考标记信号的
宽度和光栅一个栅距的信号周期一致，
经
后续电路处理后参考信号的脉冲宽度和系统一个测
量步距一致。
为了缩短回零位的距离，
Heidenhain
设计了在测量全
长内按距离编码的参考标
记，
每当经过两个参考标记后就可以确
定光栅尺的绝对位置，
例如栅距为
4
μ
m
和
20
μ<
/p>
m
的
光栅尺扫描单元相对于标尺移动
20mm
后就可确定绝对位置，栅距为
40
μ
m
的光栅尺要移
动
80mm
才能确定绝对位置。
（
2
）绝对坐标传感器
为了在任何时刻测量到绝对位置，
Heidenhain
设计制造了
LC
系列绝对光栅尺，它是
用七个增量码道得到绝对位置，每个码道是不同的，刻线最细码道的栅距有两种，一种是
16
μ
m
，另一种是
20
μ
m
，其
分辨力都可为
0.1
μ
m
，准确度±
3
μ
m
。测量长度可达
3m
，最
大速度
120m/min
。它所采用的是光电扫描原理和常用
的透射光栅一样，是具有四场扫描的
影像测量原理。
4.
光栅的载体和热性能
光栅尺是在
20
°±
0.1
℃环境中制造，
光栅的热性能直接影响到测量精度，<
/p>
在使用上光
栅尺的热性能最好和测量的对象的热性能一致。
考虑到不同的使用环境，
Heidenhain
光栅尺
刻度的载体具有不同的热膨胀系数。
现用的材料有玻璃
、
钢和零膨胀的玻璃陶瓷。
普通玻璃
的
膨胀系数为
8ppm/K
，
钢为
10ppm/K
，
现在
Heidenhain
已采用了和钢一样膨胀系数的玻璃。
这
些材料对振动、冲击不敏感，具有确定的热特性，并对气压和湿度的变化也不会有影响。
对测量长度在
3m
以下的光栅尺载体材料都是用玻璃、玻璃陶瓷
和钢，超过
3m
以上则用钢
带。
通过对标尺载体所用材料和相应结构的选择，
使光栅尺与被测对象的热
性能有最佳的匹
配。
5
．信号处理
此外在信号处理、测量电路中，
用到了触发器、计数器等多种数字集成电路，测量分<
/p>
辨率为光栅栅距
W
。目前，计量用光栅尺
的刻线一般为每毫米
50~250
线，对应的栅距
W
为
20~4
μ
m
，在精密测量中往往不能满足要求，需要进行曲细分。如果同时考虑<
/p>
A
、
90
度
信号上升沿和下降沿的各种情况，就可以实现信号四细分，其主要电路有：
< br>细分辨向、
计数
-------------
-------------
和接口电路等，以上功能可以由通用数字集成电路来完成。
6
．西门子参数设置
30200
是编码器的数量；
31000=1
表示是光栅尺。
30240{0}=1
30240{1}=0
注意：电机编码器不能屏蔽，否则没法动了。
如果想让电机编码器做位置反馈，直接置位
DB3*.DBX1.5
就行，因为光栅尺一般都作为第
二反馈，即用
DB
3*.DBX1.6
激活。但如果
DBX1.5
和
DBX1.6
同时生效，第一测量系统起
作用。
但是上面做法的前提是
< br>PLC
程序中没有处理
DBX1.5,
< br>否则你无法置位。
脉冲编码器介绍
我们目前生产和使用
的数控机床大多采用的是半闭环控制方式，
大多数的系统生产厂
家均将位置编码器内置于驱动电机端部，间接测量执行部件的实际位置或位移。
2
、
脉冲编码器概念
脉冲编码器是一种光
学式位置检测元件，
编码盘直接装在电机的旋转轴上，
以测出轴
的旋转角度位置和速度变化，其输出信号为电脉冲。
这种检测方式的特点是：非接触式的，无摩擦和磨损，驱动力矩小，响应速度快。缺
点是抗污染能力差，容易损坏。按其编码化方式，可分为增量式和绝对值式。
1
）增量式编码器
增量式编码器工作原理
增量式编码器工作原理如上图
a
所示。在图中，
E
为等节距的辐射状透光窄
缝圆盘，
Q1
、
Q2
为光源，
Da
、
Db
、
Dc
为光电元件（光敏二极管或光电池），
Da
与
Db
错开
90
度相位角
安装。
当圆盘旋转一个节距时，
在光源照射下，
光电元件
Da
，
Db
上得到图
b(
所示的光电波形输出，
A
，
B
信号为具有
90
度相位差的正弦波，这组信号经放大器放大与整形，得到图
c)
的输出方
-------------
-------------
波，
A
相比
B
相导前
90
度，其电压幅值为
5V
。设
A
相导前
B
相时为正
方向旋转，则
B
相导前
A
相时即为负方向旋转，利用
A
相与
< br>B
相的相位关系可以判别编码器的旋转方向，
C
相产生的
脉冲为基准脉冲，
又称零点脉冲，
它是轴旋转一周在固定位置上产生一个脉冲，
在数控车床
上切削螺纹时，可将它作为车刀进刀点和退刀点的信号使用，以保证切削的螺纹不会乱扣。
在加工中心上可作为主轴准停信号，以保证主轴和刀库间的可靠换刀。
A
B
相脉冲信号经频
率———电压变换后，得到与转轴转速成比例
的电压信号，便可测得速度值及位移量。
2
）绝对值式编码器
绝对值式编码器是通过读取编码盘上的图案来表示数值的。
下图所示的为葛莱编
码盘，
图中
空白的部分透光，用“
0<
/p>
”表示；涂黑的部分不透光，用“
1
”表
示。此码盘共有四环，由里
向外每一环配置的光电变换器对应
2
的
3
次方，
2
的
2
次方，
2
的
1
次方，
2
的
0
次方。图中的码盘
共分为
16
份，要提高检测精度，可多分。
葛莱编码盘
3
）增量式编码器和绝对值式编码器
比较
在实际应用中，
通过比较，发现
增量式结构简单，
成本低；但其移距是由测量信号计数
读出的，
基点特别重要，
每次开机或因故停机后，
都要重回参考点；并且
排除故障后不能再
找到事故前的正确位置，
而且由于干扰易产生
计数误差。
这种增量式编码器多用于精度要求
不是很高的经济型
数控机床。
而绝对值式的结构复杂，
成本高；
< br>但其坐标值直接从码盘中读
出，不会有累积误差；编码器本身具有机械式存储功能
（需要外加电池），即使因停电或其
它原因造成坐标值清除，
通
电后，
仍可找到原绝对坐标位置。
这种编码器多用于精度和速度
要求较高的数控机床，特别是控制轴数多达四、五个的加工中心机床上。
2
、全闭环位置检测装置
还有一种全闭环控制方式，
可获得比半闭环更高的位移精度。<
/p>
这种进给伺服系统的位置检测
装置安装在进给系统末端的执行部件
上，
实测它的位置或位移量，
而安装在驱动电机端部的
编码器则作为测速元件，
构成速度环。
位置检测
装置多选用光栅尺，
位置信号的检出是由光
栅读数头完成，标尺
光栅（长光栅）和指示光栅（短光栅）分别安装在机床的移动部件及固
定部件上，
两者相互平行，
它们之间保持
0.05
或
0.1
的间隙。
当
标尺光栅沿指示光栅连续移动
时，光电元件所感应的光电流变化规律近似正弦波形，将此
正弦信号经放大、整形、微分线
路处理后，
转换为数字脉冲信号
。
标尺光栅移动一个栅距产生一个计数脉冲，
用计数器来计
算脉冲数，
则可测得机床工作台的位移量。
采用倍频的方法可提高光栅的分辨精度。
光栅尺
的特点是测量精
度高，
而且精度可以长期保持；
但对工作环境的要求较高，
并且测量装置要
和工作台等长，
不便于在大
型数控机床上使用。
光栅尺多用于高精度的中、
小型数控机床上
。
因全闭环控制系统将机械传动机构包含在系统之内，
机械传动
机构的固有频率、
阻尼、
间隙
----
---------
-------------
等将成为
系统不稳定的因素，
所以全闭环系统在设计及调试上较困难，
不
及半闭环应用的广
泛，这里不再细说了。
附：
伺服电机和主轴电机的区别
转子结构不一样
,
主轴电机的转子与鼠笼电
机的转子一样
,
由于没有磁极
,
因而不需要相
应的检测转子位置的信号
,1P
H7
主轴电机的编码器型号为
ERN1381,1FT6/1F
K6
电机的编码
器型号为
ERN138
7,
其主要区别就是
ERN1381
没
有附加的
C
相和
D
相信号
,
故更换编码器不需
要重新
调整
,ERN1387
可以用在
1PH
电机上
,
但反过来
ERN1381
不能用在进给电机上
.
< br>主轴电机一般功率很大
,
因而电机的结构对散热要求更高
.
工作范围不一样
,
伺服电机工作在最低转速和额定转速之间的恒转矩区
,
而主轴电机工作
在额定转速和最高转速之间的恒功率区
,
由于要达到很大的调速范围
,
主轴电机的额定
转速
一般都很低
ERN1387
编码器更换方法
1.
卸开电机后盖
,
编码器的后盖
2.
松开编码器安装螺丝
3.
旋转电机转子轴
,
使编码器转子上的标志和编码
器壳上的标志重合
4.
卸下编码器
,
注意在装卸的时候尽
量使用特制螺丝顶出来
,
免得损坏编码器
5.
旋转新的编码器
,
使编码器的两个标志重合
6.
按以上相反的顺序安装编码器
注意<
/p>
:
在安装编码器的过程中
,
要保证电机的转子不同
,
否则会失去转子的相对位置
,
如果
失去了相对位置
,
老电机则需要用示波器来调整编码器的安装位置
,
新电机则可以依据电
机转子轴上的标志来判断调整编码器的安装位置时
,
即可以机械调整
,
也可以调整驱动参数
MD1016
来设置一个偏置值
,
但该方法仅能用在
840D
< br>上
,
通过这个方法调整的电机换到别的
机床上使用可能会因为驱动参数的不同而不能正常使用
.
第一章
数控机床概述
第一节
数控加工的概念
一、概念：
数字控制
(Numerical Control
，
简称
NC)
技术是用数字
化信息进行控制的自动控制技术。
数控机床：
是以数字化的信息实现机床控制的机电一体化产品，
它把刀具和工件之间的相对
位置，机床电动机的起动和停止，主轴变速，工件松开夹紧，
刀具的选择，冷却泵的起停等
各种操作和顺序动作等信息用代码化的数字信息送入数控装
置或计算机，经过译码、运算，
发出各种指令控制机床伺服系统或其它执行元件，使机床
自动加工出所需要的工件。
数控加工：
根据零件图样及工艺要求等原始条件，
编制零件数控加工程序，
并输入
到数控机床的数控系统，以控制数控机床中刀具与工件的相对运动，从而完成零
件的加工。
二、产生：
1952
年美国帕森斯公司（
Parsons
）和麻
省理工学院
(MIT)
合作研制成功了世界上
< br>第一台数控机床，它是一台三坐标数控铣床，用于加工直升飞机叶片轮廓检查用样板。
第二节
数控机床的组成与分类
一、数控机床的组成
数控机床是机
电一体化的典型产品，
是集机床、计算机、电机及拖动、自动控制、
检测等技术为一体的自动化设备。现代数控
系统都为计算机数控系统
(Computer
Numerical
-------------
-------------
Control
，简称
CNC)
。数控机床的基本组成包括加工程序、
输入
/
输出装置、数控装置、伺服
系统
、辅助控制装置、反馈系统及机床本体。
图一
数控机床的组成
第二节
数控机床的组成与分类
CNC
装置
(CNC
单元
)
：
CNC
装置是数控机床的核心部件。
组成：计算机系统、位置控制板、
P
LC
接口板，通讯接口板、特殊功能模块
以及相应的控制软件。
作用：根据输入的零件加工程序进
行相应的处理（如运动轨迹处理、机床输
入输出处理等）
，然后
输出控制命令到相应的执行部件
(
伺服单元、驱动装置
和
PLC
等
)
，所有这些工作是由
CNC
装置内硬件和软件协
调配合，合理组
织，使整个系统有条不紊地进行工作的。
1.
操作面板
操作面板的是操作人员与机床数控装置进行信息交流的工具。
组成：按钮站、状态灯、按键阵列（功能与计算机键盘一样）
和显
示器；
。
它是数控机床特有的部件。
第二节
数控机床的组成与分类
2.
控制介质与输入输出设备
控制介质
记录零件加工程序的媒介
输入输出设备
CNC
系统与外部设备进行交互装置。交互的信息通
常是零
件加工程序。即将编制好的记录在控制介质上的零件加工程
序输入
CNC
系统或将调试好了的零件加工程序通过输出设备存放
或
记录在相应的控制介质上。
1.
操作面板
操作面板的是操作人员与机床数控装置进行信息交流的工具。
组成：按钮站、状态灯、按键阵列（功能与计算机键盘一样）
和显
示器；
。
它是数控机床特有的部件。
表
1
控制介质和输入输出设备表
控制介质
输入设备
输入设备
穿孔纸带
纸带阅读机
纸带穿孔机
磁带
磁带机或录音机
磁盘
磁盘驱动器
3.
通讯
现代的数控系统除采用输入输出设备进行信息交换外，一般都
具有用通讯方式进
-------------
-------------
行信息交换的能力。它们是实现
CAD/CAM
的集成、
FMS
和
CIMS
的基本技术。采用的方
式有：
串行通讯（<
/p>
RS-232
等串口）
、
自动控制专用接口和规范（
DNC
，
MAP
等）
网络技术（
intern
et
，
LAN
等）
。
第二节
数控机床的组成与分类
4.
CNC
装置
(CNC
单元
)
CNC
装置是数控机床的核心部件。
组成：
计算机系统、位置控制板、<
/p>
PLC
接口板，通讯接口板、特殊功能模块
以及相应的控制软件。
作用：<
/p>
根据输入的零件加工程序进行相应的处理（如运动轨迹处理、机床输
入输出处理等）
，然后输出控制命令到相应的执行部件
(
伺服单元、驱动装置
和
PLC
等
)
，所有这些工作是由
C
NC
装置内硬件和软件协调配合，合理组
织，使整个系统有条不
紊地进行工作的。
第二节
数控机床的组成与分类
伺服单元、驱动装置和测量装置
伺服单元和驱动装置
主轴伺服驱动装置和主轴电机
进给伺服驱动装置和进给电机
测量装置
位置和速度测量装置。以实现进给伺服系统的闭环控制。
作用
<
/p>
保证灵敏、准确地跟踪
CNC
装置指令：
进给运动指令：实现零件加工的成
形运动（速度和位置控制）
。
主轴运动指令，实现零件加工的切削运动（速度控制）
第二节
数控机床的组成与分类
PLC
(
P
rogrammable
L
ogic
C
ontroller)
、机床
I/O
电路和装置
PLC
：用于控制机床顺序动作，完
成与逻辑运算有关的开关量
I/O
控制，它
由硬件和软件组成；
机床
I/O
电路和装置：
实现开关量
I/O
控制的执行部件，即由继电器、电磁
阀、行
程开关、接触器等电器组成的逻辑电路；
功能：
接
受
CNC
的
M
、
S
、
T
指令
，对其进行译码并转换成对应的控制信
号，控制辅助装置完成机床相应开关动作
接受操作面板和机床侧的
< br>I/O
信号，送给
CNC
装置，
经其处理后，
输出指令控制
CNC
系统
的工作状态和机床的动作。
第二节
数控机床的组成与分类
7.
机床
机床
：数控机床的主体，是实现制造
加工的执行部件。
组成
：由主运动部件、进给运动部件（工作台、拖板以及相应的传动机构）
、支
承件
（立柱、床身等）以及特殊装置（刀具自动交换系统
工件自动交换系统）和辅助装
置（如排屑装置等）
< br>。
二、数控机床的分类
按用途分类
1
、金属切削类数控机床
-------------
-------------
金属切削类数控机床有数控车床、
数控铣床、数控钻床、数控镗床、数控磨床、数控镗
铣床等。加工中心
< br>MC
是带有刀库和自动换刀装置的数控机床。
2
、金属成形类数控机床
金属成形类数控机床有数控折弯机
、数控弯管机和数控压力机等。
3
、数控特种加工机床
数控特种加工机床有数控电火花线
切割机床、
数控电火花加工机床、
数控激光加工机床
等。
按运动方式分类
1
、点位控制系统
这类控制系统只控制工具相对工件
从某一加工点移到另一个加工点之间的精确坐标位
置。
而对于点
与点之间移动的轨迹不进行控制，
且移动过程中不作任何加工。
通常采用这一
类系统的设备有数控钻床、镗床、冲床等。
2
、直线控制系统
这类系统不仅要控制点与点的精确
位置，
还要控制两点之间的移动轨迹是一条直线，
且
在移动中能以给定的进给速度进行加工。
采用此类控制方式的设备有数控车
床、
数控铣床等。
3
、连续控制系统
连续控制系统又称为轮廓控制系统
或轨迹控制系统。
这类系统能够对两个或两个以上坐
标方向进行
严格控制，
即不仅控制每个坐标的行程位置，
同时还控制每个<
/p>
坐标的运动速度。
各坐标的运动按规定
的比例关系相互配合，
精确地协调起来连续进行加工，
以形成所
需要的
直线、斜线或曲线、曲面。采用此类控制方式的设备有
数控车床、铣床、加工中心、电加
工机床、特种加工机床等。<
/p>
按
运
动
方
式
分
类
点位控制系统
直线控制系统
连续控制系统
按控制原理分类
1
、开环控制系统
这类系统不装备位置检测装置，<
/p>
即无位移的实际值反馈与指令值进行比较修正，
因而控制信号的流
程是单向的。
-------------
-------------
<
/p>
指
令
进
给
脉
冲
驱
动
电
路
步
进
电
动
机
传
动
结
构
工作台
按控制原理分类
2
、闭环控制系统
这种系统是带有位置检测装置，将
位移的实际值反馈回去与指令值比较，用比
较后的差值去控制，直至差值消除时才停止修
正动作的系统。
按控制原理分类
3
、半闭环控制系统
这种系统是闭环系统的一种派生。
它与闭环系统的不同之处仅在将检测元件装
在传动链的旋转部位，它所检测得到的不是工
作台的实际位移量，而是与位移量有
关的旋转轴的转角量。因
此，其精度比闭环系统稍差，但这种系统结构简单，便于
调整，检测元件价格也较低，因
而是广泛使用的一种数控系统。
-------------
-------------
按数控系统类型分类
1
、经济型数控系统（又称简易数控系统）
这一档次的数控机床仅能满足一般精度要求的加工，能加工形
状较简单的直线、斜线、
圆弧及带螺纹的零件，采用的微机系统为单板机或单片机系统，
具有数码
显示，
CRT
字符
显示功能，
机床进给由步进电动机实现开环驱动
，
控制的轴数和联动轴数在
3
轴或
3
轴以下。
2<
/p>
、普及型数控系统（通常称之为全功能数控系统）
这类数控系统功能较多，
除了具有一般数控系统的功能以外，
还具有一定的图形显示功
能及面向用户的宏程序功能等，采用的微机系统为
16
位或
32
位微处理
机，具有
RS-232C
通信接口，
机床的进给多用交流或直流伺服驱动，
一般系统能实现
4
轴或
4
轴以下联动控制。
3
、高档数控系统
采用的微机系统为
32
位以上微处理机系统，机床的进给大多采用交流伺服驱动，除了
具有一般数控系统的功能以外，应该至少能实现
5
轴或
5
轴以上的联动控
制。具有三维动
画图形
按数控系统类型分类
功能和
宜人的图形用户界面，同时还具有丰富的刀具管理功能、宽调速主轴系统、多功
能智能化
监控系统和面向用户的宏程序功能，
还有很强的智能诊断和智能工艺数据库，
能实
现加工条件的自动设定，且能实现与计算机的联网和通信。
4
、基于
PC
的开放式数控系统
用通用微机技术开发数控系统可以得到强有力的硬件与软件支持，
这些软件和硬件的技
术是开放式的，
此时的通用微机除了具备
本身的功能外，
还具备了全功能数控系统的所有功
能。
第三节
数控机床的控制对象
从数控机床最终要完成的任务看，主要应对以下三方面进行控
制：
1
、主运动
和通用机床一样，主运动主要完成切削任务，其动力约占整台
机床动力的
70%-80%
，
数控车床
的主轴旋转运动如图
1
所示。基本控制要实现主轴的正、反
转和停止，可自动换
档及无级调速；对加
工中心和一些数控车床还必须具有准停控制和
C
轴控制功能。<
/p>
2
、进给运动
数控机床的进给运动是通过进给伺
服系统来实现的，
这是数控机床区别于通用机床的重
要方面之一
。伺服控制的最终目的就是实现对机床工作台或刀具的位置控
制，伺服系统中
-------------
-------------
所采取的一切措施，都是为了保
证进给运动的位置精度。图
2
为数控车床的刀架的
Z
向进
给运动，图
3
为数控车床的刀架的
X
向进给运动。
3
、输入
/
输出
(I/O)
数控系统对加工程序处理后输出的控制信号除了对进给运动轨迹进行连续控制外，
还要
对机床的各种状态进行控制，这些状态包括主轴的变频控制，主轴
的正、
反转及停止，冷
却和润滑装置
的起动和停止，刀具自动交换，工件夹紧和放松及分度工作台转位等，图
4
所示为数控车床的换刀运动。
主运动
X
向进给运动
Z
向进给运动
换刀运动
第四节
数控机床的工作原理
数控机床加工零件时，
首先要将零件
图纸上的几何信息和工艺信息用规定的代码和格
式编写成加工程序，
然后将加工程序输入数控装置，经过计算机的处理、运算，按各坐标轴
的分量送到相
应的驱动电路，
经过转换、
放大去驱动伺服电动机，
使各坐标移动若干个最小
位移量，并进行反馈控制，使各轴精确走到程序要
求的位置，实现刀具与工件的相对运动，
完成零件全部轮廓的加工。
第四节
数控机床的工作原理
所谓插补，
就是指在被加工轨迹的起
点和终点之间，插进若干中间点，
然后用已知线型
（如
直线、
圆弧）逼近。通常把数控机床上刀具运动轨迹是直线加工的称为直
线插补；刀具运动
轨迹是圆弧加工的称为圆弧插补。
一般的数控
系统都具有直线和圆弧插补，
能加工出各象限
直线和圆弧。对于
复杂功能的数控机床，
通过多轴控制、
多轴联动实现空间曲线、
曲面的加
工。
-------------
-------------
Y
(5,2)
Y
O
直
线
插
补
X
O
圆
弧
插
补
3
X
第四节
数控机床的工作原理
数控机
床的数字控制功能是由数控系统完成的。
数控装置能接受零件图纸加工要求的信
息，
进行插补运算，
实时地向各坐标轴发出速度
控制指令。
伺服驱动装置能快速响应数控装
置发出的指令，
驱动机床各坐标轴运动，
同时能提供足够的功率和扭矩。
伺服系统中常用的
驱动装置，
根据控制系统的类型
不同而不同，
开环伺服系统常用步进电动机，
闭环伺服系统
常采用脉宽调速直流电动机和交流伺服电动机等。检测装置将坐标位移的实际位置检测出
来，
反馈给数控装置中的比较器与指令位置进行比较，
实现偏差控制。
伺服系统中常用的检
测装置有测量线
位移的光栅、磁栅、
感应同步器等，
测量角位移的旋转变压器、
数字脉冲编
码器等。可编程控制器
PLC,
< br>在数控机床中一般用来对一些逻辑开关量进行控制，如：主轴
的启、停，刀具更换
、冷却液开关等。
第五节
数控加工的特点及应用范围
?
数控机床的应用范围
零件复杂程度
价值昂贵，
不允许报费的关键零件；
需要最少周期的急需零
件；
批量较大精度要求高的零件。
第五节
数控加工的特点及应用范围
?
数控机床的特点
< br>1
、数控系统取代了通用机床的手工操作，具有充分的柔性，只要重新编制零件程
序，更换
相应工装，就能加工出新的零件。
< br>2
、零件加工精度一致性好，避免了通用机床加工时人为因素的影响。
3
、生产周期短，特别适合小批量、单件零件的
加工。
4
、可加工复杂形状的零件，
如二维轮廓或三维轮廓加工。
5
、易
于调整机床，与其他加工方法相比，所需调整时间较少。
6
、
易于建立计算机通信网络。
7
、
设备初期投资大。
8
、
由于系统本身的复杂性，增加了维修的技术难度和维修费用。
第五节
数控机床机械结构的特点
?
对数控机床机械结构的要求
-------------
-------------
?
提高机床的动、静刚度
?
减少机床的热变形
?
减少运动副的摩擦，提高传动精度
?
提高机床的寿命和精度保持性
?
自动化的机构，宜人的操作性
?
安全防护和宜人的造型
对数控机床机械结构的要求
一
.
提高机床的静、动刚度
?
合理选择支承件的结构形式
?
合理的结构布局
?
采用补偿变形的措施
?
合理选用构件的材料
二
.
减少机床热变形的措施
?
减少机内发热
?
改善散热和隔热条件
?
合理设计机床的结构与布局
?
进行热变形补偿
三
.
减少运动副的摩擦
?
采用滚动导轨或静压导轨
?
采用贴塑滑动导轨
?
用滚珠丝杠代替滑动丝杠
?
采用无间隙滚珠丝杠传动和无间隙齿轮传动以提高传动精度
数控机床的主传动系统
?
数控机床的主传动系统概述
主运动系统是指驱动主轴运动的系
统，
主轴是数控机床上带动刀具和工件旋转，
产生
切削运动的运动轴，它往往是数控机床上单轴功率消耗最大的运动轴。
?
主传动系统的作用：
①
传递动力，传递切削加工所需要的动力
②
传递运动，传递切削加工所需要的运动；
③
运动控制，控制主运动运行速度的大小、方向和起停。
与进给伺服系统相比，
它具有转速高、
传递的功率大等特点，
是数控机床
的关键部件
之一，对它的运动精度、刚度、噪声、温升、热变形都有较高的要求。
?
数控机床的主传动系统要求：
1
、动力功率高
由于对高效率的要求日益增长，<
/p>
加之刀具材料和技术的进步，
大多数
NC
机床均要求
有足够高的功率来满足高速强力切削。
一般
NC
机床的主轴驱动功率在
3.7kW
～
250kW
之间
2
、调速范围宽
除了功率方面的要求外，
还应使主轴转速具有足够大的调整范围。
调速范围是指最高
转速与最低转速之比，即
Rn=nmax/nmin
3
、控制功能多样化
4
、性能要求高
-------------
-------------
主传动功率
?
机床主传动的功率
N
可根据切削功率
N
c
与主运动传动链的总效率η由下式来确定
< br>
N
=
N
c
/
η
?
数控机床的加工范围一般都比较大，切削功率可以根据有代表性的加工情况，由其主切削
力
P
z
按下式
来确定
调速范围宽
?
在主运动系统中调速范围有恒扭矩、恒功率调速范围之分，如图所示，在基本转速<
/p>
(
额定转
速
n<
/p>
c
)
以下是
恒
转速调速
范围，通过调整电枢电压来实现，在
n
c
以上是
恒功率调速
，通过<
/p>
调磁调速。
而且现在恒功率调速范围尽可能大，
< br>以便在尽可能低的速度下，
利用其全功率
(
在
低速时往往由于电流的限制，
只能进行恒扭矩调速
。
因为加工一些难加工材料所需求的转速
范围相差很大，
例如，钛需要低速加工，
而铝合金材料却需要高速加工，而采用齿轮变
速箱
扩大变速范围的方法已不能满足要求。
?
?
主运动为旋转运动的机床，
主轴转速
n
(r/min)
< br>由切削速度
v
(m/min)
和
工件或刀具的直
径
d
(mm)
来确定
对于数控机床，为了适应切削速度和工
件（或刀具）直径的变化，主轴的最低和最
高转速可根据下式确定
数控机床的主传动变速方式
?
无级变速
?
分段无级变速
?
内置电动机主轴变速（电主轴）
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