数控原理-检测元件.ppt

CH4进给运动的控制,内容提要：介绍数控系统的进给驱动装置。主要开环、半闭环、全闭环系统的各个组成部分及其进给运动控制的原理与特性。,输入输出装置,数控装置,伺服系统,机床电器控制装置,机床本体,知识准备,伺服（Servo）系统又叫随动系统，是一种能够跟随指令信号的变化而动作的自动控制系统，它是以机床运动部件的位置和速度作为控制量的。,？什么是伺服系统,在数控机床中，CNC装置是发布命令的“大脑”，而伺服系统则是数控机床的“四肢”，是一种执行机构，它能够准确地执行来自CNC装置的运动指令。伺服系统由伺服驱动装置、伺服电动机、位置检测装置等组成。将电能转换为机械能，拖动机械部件移动或转动。,主要内容,1概述2开环数控系统进给运动的控制3闭环及半闭环数控系统进给运动的控制及特性分析4位置检测装置,1概述,开环进给伺服驱动装置半闭环闭环全闭环,1开环伺服系统,2半闭环伺服系统,3闭环伺服系统,2开环数控系统进给运动的控制,伺服控制驱动单元+步进电动机开环伺服系统,开环数控系统控制原理图,步进电动机步进电机的外观图,步进电机的内部结构图,一、反应式步进电机的结构,二步进电动机的工作原理,给A相绕组通电时，转子位置如图，转子齿偏离定子齿一个角度。由于励磁磁通力图沿磁阻最小路径通过，因此对转子产生电磁吸力，迫使转子齿转动；当转子转到与定子齿对齐位置时，因转子只受径向力而无切线力，故转矩为零，转子被锁定在这个位置上。由此可见：错齿是助使步进电机旋转的根本原因。,二、步进电动机的工作原理,一拍从一次通电到另一次通电。步距角每一拍转子转过的角度。运行方式,1通电方式的分析,1）m相单m拍运行（三相单三拍运行）,通电顺序：U相V相W相U相。,U相通电,V相通电,W相通电,一步,两步,三步,步距角：=30,河南工业大学电气工程学院,2）m相双m拍运行（三相双三拍运行）,通电顺序：UV相VW相WU相。,UV相通电,VW相通电,WU相通电,步距角：=30,3）m相单双2m拍运行(三相单双六拍运行）,通电顺序：UUVVVWWWUU。,1,2,3,4,5,6,步距角：=15,步距角步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，其转子转过一确定的角度为步距角。步进电动机的步距角公式：=360/ZmKm步进电动机的相数Z步进电动机转子的齿数K步进电动机通电方式单拍为1双拍为2,三、步进电动机的运行特性1步进电动机的静态特性当步进电动机一相或几相通入恒定不变的直流电流时，转子将固定在某一位置上保持不动，这一状态称为静止状态。,规定定子、转子齿轴线重合的位置为静态空载情况下的初始稳定平衡位置，转子偏离初始稳定平衡位置的电角度称为失调角。在静止状态下，电磁转矩与失调角之间的函数关系称为步进电动机的矩角特性。,1步进电动机的静态特性,2步进运行状态当接入控制绕组的脉冲频率较低，电动机转子完成一步之后，下一个脉冲才到来，则电动机呈现出一转一停的状态，称此状态为步进运行状态。,3连续运行状态当脉冲频率f较高时，电动机转子未停止而下一个脉冲已经到来，此时步进电动机已经不是一步一步地转动，而是呈连续运转状态。,图4-26步进电动机的矩频特性,4.步进电动机的主要性能指标1）步距角步距角是步进电动机的主要性能指标之一。不同的应用场合，对步距角大小的要求不同。2）静态步距角误差即实际的步距角同理论的步距角之间的差值。常用理论步距角的百分数或绝对值来衡量。3）最大静转矩指步进电动机在规定的通电相数下矩角特性上的转矩最大值。通常技术数据中所规定的最大静转矩是指一相绕组通上额定电流时的最大转矩值。,4）启动频率和启动矩频特性启动频率是能够使步进电动机由静止定位状态不失步地启动，并进入正常运行的控制脉冲最高频率，又称突跳频率。5）运行频率和运行矩频特性运行频率是指步进电动机启动后，在控制脉冲频率连续上升时，能维持不失步运行的最高频率。通常给出的也是空载情况下的运行频率。6）额定电流和额定电压额定电流是指电动机静止时每相绕组允许通过的最大电流。额定电压是指驱动电源提供的直流电压。,5.步进电动机的选择1步距角的选择电动机的步距角取决于负载精度的要求。可将负载的最小分辨率换算到电动机轴上，看看每个当量电动机应走多少角度，电动机的步距角应等于或小于此角度。2静力矩的选择静力矩选择的依据是电动机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载两种。一般情况下，静力矩应在摩擦负载的2-3倍内为好，静力矩一旦选定，电动机的机座及长度便能确定下来。3电流的选择对于对于静力矩一样的电动机，因电流参数不同，所以其运行特性差别很大。可依据矩频特性曲线图来判断电动机的电流。,二、开环系统控制原理,步进驱动器步进电机的驱动电路,变频信号源,脉冲分配器,功率放大器,步进电动机,指令,1、工作台位移量的控制进给脉冲的数量N定子绕组通电状态改变次数N步进电动机转子角位移机床工作台位移量L,步进驱动系统的脉冲当量为：=,步进电机的步距角,滚珠丝杠螺距(mm),齿轮的减速比,h,360i,例1：设某数控系统的脉冲当量为0.005mm，步进电动机步距角为0.75，滚珠丝杠的螺距为4mm,试求减速箱的传动比。,2、工作台速度的控制进给脉冲频率f定子绕组通电/断电状态的变化频率f步进电动机的转速工作台的进给速度v,步进驱动系统的进给速度v=60f,mm/min,脉冲/s,例2：设步进电动机转子有80个齿，采用三相六拍驱动方式，与滚珠丝杠直连，工作台作直线运动。丝杠螺距为5mm，工作台的最大移动速度为6mm/s,求：（1）步进电动机的步距角（2）系统的脉冲当量（3）步进电动机的最高工作频率f,3、工作台运动方向的控制改变步进电机输入脉冲信号的循环顺序方向改变步进电机定子绕组中电流的通断循环顺序步进电机实现正转和反转工作台进给方向改变,知识回顾,开环、半闭环以及全闭环的区别,开环进给伺服系统的构成,三、步进驱动系统与数控装置的连接,数控装置,Z轴步进驱动,信号,动力,Z轴步进驱动,信号,动力,X轴步进驱动,信号,动力,主轴控制单元或变频器,信号,动力,反馈,主轴编码器,主轴电机,Z轴电机,X轴电机,电源变压器,四、步进电动机的控制,1、步进电动机驱动控制电路,2.环形脉冲分配器环形脉冲分配器用来控制步进电动机的运行通电方式。,三相三拍环形脉冲分配,1）硬件脉冲分配器硬件脉冲分配器由逻辑门电路和触发器构成。,三相六拍脉冲分配器输出真值表,图三相六拍脉冲分配器,上图所示为三相六拍环形脉冲分配器原理图，当X“1”时，每来一个脉冲(CP)则电动机正转一步，分配顺序为AABBBCCCAA；当X=“0”时，每来一个脉冲（CP）则电动机反转一步，分配顺序为AACCCBBBAA。输出状态真值表如表所示。,图CH250实现的脉冲分配电路,三相双三拍,三相六拍,2）软件脉冲分配为了提高脉冲分配器的灵活性，也可用软件来实现环形脉冲分配。下图所示为89C51单片机与步进电动机驱动电路的接口框图。,图单片机控制的三相步进电动机驱动电路框图,3、驱动放大电路作用：将环形分配器发出的TTL电平信号放大至几安培到十几安培的电流，送至步进电动机的各绕组。控制电路：单电压简单驱动、高低压切换驱动、高压恒流斩波、调频调压、细分驱动等。,单电压简单驱动,3、驱动放大电路,特点：通过提高驱动电压加速电流的上升，通过串联大功率电阻限制稳态电流。但驱动电路体积大，发热严重。,高低压驱动原理,3、驱动放大电路,特点：高压充电，低压维持。,4、细分驱动将一个步距角细分成若干点步的驱动方式称细分驱动。特点：在不改动电动机结构参数的情况下，使步距角减小。要实现细分，需将绕组中的矩形电流波改成阶梯电流波。,细分电流波形,五、步进电动机驱动驱动装置应用实例,3闭环数控系统进给运动的控制,一、闭环位置控制系统,1、概念,2、闭环位置控制的实现,半闭环数控系统半闭环数控系统的位置采样点如图所示，是从驱动装置(常用伺服电机)或丝杠引出，采样旋转角度进行检测，不是直接检测运动部件的实际位置。,全闭环数控系统全闭环数控系统的位置采样点如图的虚线所示，直接对运动部件的实际位置进行检测。,3、执行元件,直流伺服电机交流伺服电机,二、位置控制回路的结构分析,闭环进给位置控制系统结构框图,1、系统结构,2.闭环进给位置控制系统的数学模型,闭环进给位置控制系统的数学模型,3.数学模型的构成（1）跟随误差E。跟随误差E实际上就是指令位置Xi与实际位置Xf的差值。（2）开环增益KK为整个系统的开环增益，K=KvKdaKmKa（1/s）,（3）传递函数,式中，p、p为二阶系统阻尼比和自然振荡角频率，为死区延时时间常数。当忽略死区特性的影响时，可简化为,一般情况下，为使进给系统稳定，把伺服驱动系统调整在临界阻尼（p1）附近，超调量较小，可近似看作一阶惯性环节，从而可将传递函数进一步简化为,式中，K为开环增益，T为时间常数。,（4）积分环节描述了伺服驱动输出的速度量经位置反馈计数转换成为位置量的过程。（5）间隙非线性环节描述了典型的机械传动反转间隙对整个系统的影响。（6）最后一个环节描述了机械传动机构的动力学模型。,知识回顾,数控装置,Z轴步进驱动,信号,动力,Z轴步进驱动,信号,动力,X轴步进驱动,信号,动力,主轴控制单元或变频器,信号,动力,反馈,主轴编码器,主轴电机,Z轴电机,X轴电机,电源变压器,知识回顾闭环伺服系统的结构闭环进给控制系统的数学模型,4位置检测装置,一、概述1、组成：位置测量装置是由检测元件（传感器）和信号处理装置组成的。2、作用：实时测量执行部件的位移和速度信号，并变换成位置控制单元所要求的信号形式，将运动部件现实位置反馈到位置控制单元，以实施闭环控制。分辨率：所能测量的最小位移量。,一、概述,3、直接测量和间接测量位置传感器有直线式和旋转式两大类。若位置传感器所测量的对象就是被测量本身，即用直线式传感器测直线位移，用旋转式传感器测角位移，则该测量方式为直接测量。若旋转式位置传感器测量的回转运动只是中间值，再由它推算出与之关联的移动部件的直线位移，则该测量方式为间接测量。,间接测量示例,一、概述,直接测量示例,一、概述,光栅,4位置检测装置,二、具体的检测装置光栅脉冲编码器感应同步器,4.2.1光栅直线光栅（即长光栅）玻璃透射光栅金属反射光栅圆光栅,光栅检测装置的结构,直线透射光栅,直线反射式光栅,透射式圆光栅,固定,光栅检测装置基本结构示意图,直线透射光栅1、组成,什么是光栅？由大量等宽等间距的平行狭缝组成的光学器件,光栅栅距或光栅常数,2、工作原理,W,条纹间距,W,条纹间距,光电元件,W,如何测量微小位移量？,光电元件,光电元件感受的光强变化是否明显？,莫尔现象演示,条纹位置方向不同,条纹运动方向不同,3、莫尔条纹的特点,（1）放大,L=W/sin,条纹间距大大增加,2）平均效应莫尔条纹是由若干条线纹共同形成的，对个别光栅线纹之间的误差具有平均效应，能消除栅距不均匀所造成的影响。3）移动规律光栅相对移动一个W，莫尔条纹移动一个B，当光栅移动方向变化时，莫尔条纹的移动方向也变化。,分辨力=W=1/50=0.02mm=20m放大倍数1/=1/(1.83.14/180)31.83莫尔条纹的宽度L=W/0.637mm,例：一直线光栅，每毫米刻线数为50，主光栅与指示光栅的夹角=1.8，分辨力、放大倍数、莫尔条纹的宽度分别为多少？,4、光栅在数控机床中的应用,1.工作台移动位移的检测BW，可计算出位移x。2.工作台移动速度的检测根据光强的变化频率可推断出两光栅尺的相对位移速度。3.工作台移动方向的检测测量通过A与B的莫尔条纹相位超前滞后关系，可判断出移动方向。,光栅尺及数显表,尺身,尺身安装孔,反射式扫描头（与移动部件固定）,扫描头安装孔,可移动电缆,防尘保护罩的内部为长光栅,扫描头（与移动部件固定）,光栅尺,可移动电缆,光栅在机床上的安装位置（2个自由度）,光栅在机床上的安装位置（3个自由度）,数显表,光栅在机床上的安装位置（3个自由度）（续）,安装有直线光栅的数控机床加工实况,防护罩内为直线光栅,光栅扫描头,被加工工件,切削刀具,角编码器安装在夹具的端部,4.2.2脉冲编码器,机械转角电脉冲,脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器。,固定,4.2.3感应同步器一种电磁式位置检测元件分为：直线式测长度位移旋转式测角位移,1直线式感应同步器结构,定尺移动部件的