数控技术第六章 PPT课件

第六章 第一节数控机床伺服系统概述第二节常用执行元件及其控制第三节数控检测元件第四节主轴伺服系统第五节进给伺服系统 1 第一节数控机床伺服系统概述 一 伺服系统基本要求和特点二 伺服系统控制原理三 伺服系统分类 2 一 伺服系统基本要求和特点 1 基本要求2 主要特点 3 1 基本要求 1 稳定性好稳定是自动控制系统正常工作的前提条件 不稳定的系统是没有意义的 2 准确度高控制系统准确度是指系统输出量能够复现输入量的精确程度 一般用稳态误差来表示 3 快速性好快速性是伺服系统动态品质的重要指标 它反映了系统快速响应的能力 决定了数控机床的加工效率和表面粗糙度 4 2 主要特点 1 精确的位置检测自动控制系统中反馈检测元件的精度将直接影响整个系统的精度 所以必须按照实际加工的性质和精度要求 选择适当类型和规格的位置传感器 才能构成足够精确的位置闭环控制 2 多种反馈比较原理按照检测元件实现位置反馈的原理不同 伺服系统反馈比较的方法也不相同 3 高性能的伺服电动机用于高效和复杂型面加工的数控机床 伺服系统将经常处于频繁的启动和制动过程中 4 宽的调速范围由于数控机床加工零件的材料和工艺指标有很大差别 因此为了适应不同场合的加工需要 就要求伺服系统具有较宽的调速范围 5 能长时间连续可靠运行由于数控机床的使用效率较高 在加工复杂轮廓零件时 经常要求24小时连续运行 5 二 伺服系统控制原理 图6 1数控机床伺服系统的基本组成 6 三 伺服系统分类 1 主轴伺服系统和进给伺服系统2 开环伺服系统 闭环伺服系统和半闭环伺服系统3 步进伺服系统 直流伺服系统 交流伺服系统和直线式伺服系统4 脉冲伺服系统 相位伺服系统 幅值伺服系统和全数字伺服系统 7 1 主轴伺服系统和进给伺服系统 主轴伺服系统控制机床主轴的旋转运动 为机床主轴切削提供所需的动力 控制量一般是主轴转速 并且与数控加工程序中的S功能相对应 因此 它主要关心主轴是否具有足够的功率 较宽的恒功率调节范围及速度调节范围等 进给伺服系统用于控制数控机床工作台或刀具的移动 并提供切削过程所需的力矩 控制量一般是角度或直线位移量 并与数控加工程序中的F功能相对应 因此 它主要关心各轴转矩大小 调速范围的大小 调节精度的高低以及动态响应的快慢等 8 2 开环伺服系统 闭环伺服系统和半闭环伺服系统 开环伺服系统只有从指令位置输入到位置输出的前向控制通道 而没有检测实际位置的反馈通道 这样 前向通道中伺服执行元件对于每个指令脉冲的控制进给误差 传动机构中齿隙误差 丝杠螺距误差 在导轨上滑动时摩擦力的不均衡等 都将直接影响控制精度 而且也不能得到完全补偿 因此 开环伺服系统控制精度不太高 开环伺服系统中广泛采用步进电动机作为执行元件 这样当负载力矩和惯量增加时 步进电动机连续运行矩频特性和起动矩频特性都存在着明显下降的趋势 并且噪声大 在低频段还会出现颤动现象 如果输入脉冲频率等于步进电动机的固有频率时 还将产生共振 当然 步进电动机驱动的开环伺服系统结构简单 实现与调试比较容易 9 3 步进伺服系统 直流伺服系统 交流伺服系统和直线式伺服系统 步进伺服系统选用的执行元件是步进电动机 多用于开环的经济型数控系统 由于没有反馈控制机制 系统的精度和速度都不太高 直流伺服系统常用的伺服电动机有小惯量直流伺服电动机和永磁直流伺服电动机 也称为大惯量宽调速直流伺服电动机 小惯量伺服电动机最大限度地减少了电枢的转动惯量 一般呈细长形 所以能获得很好的快速性 永磁直流伺服电动机能在较大过载转矩下长时间工作以及电动机的转子惯量较大 能直接与丝杆相连而不需中间传动装置 并且它还可在低速下平稳运行 10 4 脉冲伺服系统 相位伺服系统 幅值伺服系统和全数字伺服系统 在脉冲伺服系统中 由数控插补器给出以数字脉冲形式的指令信号 也称指令脉冲 由位置检测器产生反馈脉冲 在比较环节中通过逆计数器直接对两种脉冲进行比较 以产生位置偏差信号 据此对机床移动部件实行控制 直到消除其间偏差 当位置检测器选用直光栅和感应同步器时 可实现全闭环伺服控制 当采用旋转变压器和脉冲编码器时 则构成半闭环伺服系统 可见 采用脉冲比较的伺服系统结构简单 容易实现 11 第二节常用执行元件及其控制 一 步进电动机二 交流伺服电动机三 直线电动机四 电主轴 12 一 步进电动机 一 工作原理 二 主要特性 三 驱动控制 13 一 工作原理 图6 2三相反应式步进电动机工作原理 14 一 工作原理 图6 3三相反应式步进电动机定子与转子磁极 15 二 主要特性 1 步距角和静态步距误差2 静态矩角特性3 起动频率4 连续运行频率5 矩频特性曲线与动态转矩 16 1 步距角和静态步距误差 步距角 是步进电动机定子绕组通电状态每改变一次 转子转过的角度 它取决于电动机结构和控制方式 其计算公式如下 360mzk 6 1 式中 m为定子相数 z为转子齿数 k为与通电方式有关的系数 当通电方式为单拍时k 1 单双拍时k 2 理论上步距角 应是圆周360 的等分值 而实际步距角往往存在误差 称每转内各步距误差的最大值为步距误差 它的大小是由制造精度 齿槽的分布不均匀和气隙不均匀等因素决定的 步进电动机的静态步距误差通常在10 以内 17 2 静态矩角特性 图6 4步进电动机静态矩角特性 18 3 起动频率 步进电动机在空载条件下由静止状态突然起动 并进入不丢步的正常运行最高频率 称为起动频率或突跳频率 送给步进电动机的指令脉冲频率如大于起动频率 就不能正常起动 步进电动机在带负载 尤其是惯性负载 下的起动频率比空载低 而且随着负载加大 在允许范围内 起动频率还会进一步降低 19 4 连续运行频率 步进电动机起动以后 其运行速度能跟踪指令脉冲频率连续上升而不丢步的最高工作频率 称为连续运行频率 其值远大于起动频率 并且随着电动机所带负载的性质和大小而异 与驱动电源也有很大的关系 20 5 矩频特性曲线与动态转矩 图6 5103H7523 7051型步进电动机矩频特性曲线频率 脉冲 s 21 三 驱动控制 1 环形分配器2 功率放大电路 22 三 驱动控制 图6 6步进电动机控制电路 23 1 环形分配器 图6 7三相六拍环形分配器电路 24 2 功率放大电路 图6 8高低电压定时切换步进电动机功率放大电路a 原理框图b 波形图 25 二 交流伺服电动机 一 交流异步电动机 二 永磁交流同步电动机 三 SPWM变频调速 四 矢量变换控制 26 一 交流异步电动机 交流异步伺服系统一般情况下采用了不带换向器的三相感应电动机 其结构为定子上装有对称三相绕组 在圆柱体转子铁心上嵌有均匀分布的导条 导条两端分别用金属环把它们联接成一个整体 当对称三相绕组接通对称三相电源以后 由电源供给励磁电流 在定子和转子之间的气隙内建立起以同步转速旋转的旋转磁场 依靠电磁感应作用 在转子导条内产生感应电动势 因为转子上导条已构成闭合回路 转子导条中就有电流通过 从而产生电磁转矩 实现由电能到机械能的能量转换 27 二 永磁交流同步电动机 图6 9永磁交流伺服电动机的工作原理图 28 三 SPWM变频调速 6Z10 tif 图6 11三角波调制原理 29 三 SPWM变频调速 6Z11 tif 30 三 SPWM变频调速 图6 12同步电动机速度控制系统基本构成 31 四 矢量变换控制 1 三相永磁同步伺服电动机矢量变换方程式2 三相永磁同步伺服电动机矢量解耦控制 32 四 矢量变换控制 图6 13三相永磁同步伺服电动机轴系间关系 33 1 三相永磁同步伺服电动机矢量变换方程式 图6 14三相永磁同步伺服电动机矢量图 34 2 三相永磁同步伺服电动机矢量解耦控制 1 d Ldid f 可以看出它会增加纵轴磁链或减小纵轴的磁链 特别是当id 0时 会使磁链减少 这当然是不希望的 2 由于id在定子绕组中流动 那么就必然会在绕组电阻中产生铜耗 使电动机的定子铜耗增加 而使电动机温度上升 损失了能量 3 由于id的存在会对定子绕组端电压及视在功率有影响 35 三 直线电动机 一 工作原理 二 控制方法 36 三 直线电动机 图6 15直线电动机工作原理 37 一 工作原理 6Z16 tif 38 二 控制方法 图6 17LD系列直线电动机 39 四 电主轴 1 转子用永磁材料制造 工作过程中转子不发热 2 功率密度更高 即可用较小尺寸获得较大功率和转矩 有利于缩小电主轴的体积 3 转子的转速严格与电源频率同步 因此功率因数高 效率也高 4 也可以采用矢量控制技术 并且电路比异步电动机简单 40 四 电主轴 图6 18电主轴的曲型结构 41 第三节数控检测元件 一 基本要求二 旋转变压器三 脉冲编码器四 光栅五 感应同步器六 磁栅 42 一 基本要求 1 直接测量和间接测量如果对机床的直线位移采用直线型检测装置 如直光栅和感应同步器等 来测量叫直接测量 2 增量式测量和绝对式测量增量式测量方式单纯测量位移的增量 移动一个测量单位即发出一个测量信号 然后通过累加方式求得实际绝对位置 3 模拟式测量和数字式测量模拟式测量是将被测量用连续的变量来表示 如用相位的变化 电压的变化等 这样数控装置在使用这些信号时还要进行A D转换才行 43 二 旋转变压器 一 工作原理 二 角位移检测原理 44 一 工作原理 图6 19旋转变压器结构原理 45 二 角位移检测原理 1 鉴相式工作方式2 鉴幅式工作方式 46 1 鉴相式工作方式 这是一种利用旋转变压器转子绕组中感应电动势的相位关系来确定被测角位移大小的检测方式 如果给旋转变压器定子上励磁绕组和补偿绕组分别施加幅值相等 频率相同 相位相差90 的正弦交变电压 47 2 鉴幅式工作方式 这是通过旋转变压器转子绕组中感应电势幅值的检测来实现位移测量的 在这种工作方式中 定子上励磁绕组和补偿绕组分别施加频率相同 相位相同 而幅值成正交关系的交变电压 48 三 脉冲编码器 一 增量式光电脉冲编码器 二 接触式绝对脉冲编码器 49 一 增量式光电脉冲编码器 图6 20增量式光电脉冲编码器工作原理 50 一 增量式光电脉冲编码器 图6 21增量式光电脉冲编码器辨向波形图 51 一 增量式光电脉冲编码器 图6 22增量式光电脉冲编码器典型输出波形 52 二 接触式绝对脉冲编码器 图6 23接触式绝对脉冲编码器原理 53 四 光栅 一 工作原理 二 辨向与细分 54 四 光栅 图6 24绝对式编码盘a 二进制编码盘b 循环码编码盘 55 一 工作原理 图6 25摩尔条纹的产生 56 二 辨向与细分 图6 26直光栅读数装置的结构 57 二 辨向与细分 6Z27 tif 58 五 感应同步器 一 工作原理 二 测量电路 59 一 工作原理 图6 28标准型直线感应同步器的外形尺寸 60 一 工作原理 6Z29 tif 61 一 工作原理 图6 30直线式感应同步器感应电势的变化情况 62 二 测量电路 1 鉴相式工作方式2 鉴幅式工作方式 63 1 鉴相式工作方式 设施加于滑尺上正弦绕组的励磁电压为US Umsin t 余弦绕组的励磁电压为UC Umcos t 式中Um和 分别是励磁电压的幅值和频率 64 2 鉴幅式工作方式 这种方式在感应同步器滑尺的两个绕组上分别施加频率相同 幅值不同的正弦电压 并且这两个正弦电压的幅值又分别与相角 成正 余弦关系 65 六 磁栅 一 磁性标尺和拾磁磁头 二 工作原理 三 检测电路 66 六 磁栅 图6 31磁栅工作原理 67 一 磁性标尺和拾磁磁头 图6 32拾磁磁头结构及工作原理 68 二 工作原理 励磁电流在一个周期内两次过零 两次出现峰值 相应地磁开关也通断两次 磁路由通到断的时间内 输出绕组中交链磁通量由 0 0 磁路由断到通的时间内 输出绕组中交链磁通量由0 0 0是由磁性标尺中磁信号所决定 由此可见输出绕组中输出感应电势USC的是一个调幅信号 69 三 检测电路 磁栅检测电路由磁头励磁电路 滤波及辨向电路 细分内插电路 显示及控制电路等部分组成 比较感应同步器和磁栅这两种传感器的输出信号 很显然地看出它们的相同之处 70 第四节主轴伺服系统 一 基本要求二 工作原理三 主轴分段无级变速四 主轴准停 71 一 基本要求 1 数控机床主传动要有较宽的调速范围 以保证加工时选用合理的切削用量 从而获得最佳的生产率 加工精度和表面质量 2 数控机床主轴的变速是依指令自动进行的 要求能在较宽的转速范围内进行无级调速 并减少中间传递环节 简化主轴箱 3 要求主轴在整个速度范围内均能提供切削所需功率 并尽可能提供主轴电动机的最大功率 即恒功率范围要宽 4 要求主轴在正 反向转动时均可进行自动加减速控制 即要求具有四象限驱动能力 并且加减速时间短 5 为满足加工中心自动换刀 ATC 以及某些加工工艺的需要 要求主轴具有高精度的准停控制 6 在车削中心上 还要求主轴具有旋转进给轴 C轴 的控制功能 72 二 工作原理 图6 33主轴伺服系统工作特性曲线 73 三 主轴分段无级变速 1 当数控系统读到有速度档变化的S指令时 则输出相应的M代码 M41 M42 M43 M44 该代码采用BCD码形式还是二进制形式进行输出可通过数控系统的参数设定 输出信号送至可编程控制器 2 50ms后 数控装置发出M选通信号 指示可编程控制器可以读取并执行M代码 并且选通信号将持续100ms 3 可编程控制器接收到M选通信号后 立即使M完成信号变为无效 告诉数控装置M代码正在执行 4 可编程控制器开始对M代码进行译码 并执行相应的换挡控制逻辑 5 M代码输出200ms后 数控装置根据系统参数设置输出一定的主轴蠕动量 从而使主轴慢速摆动或振动 以解决齿轮顶齿问题 6 可编程控制器完成换挡后 置M完成信号有效 并告诉数控装置换挡工作已经完成 7 数控装置根据参数设置的每档主轴最高转速 自动输出新的模拟电压 使最终获得的主轴转速为给定的S值 74 三 主轴分段无级变速 6Z34 tif 75 三 主轴分段无级变速 图6 35二档齿轮变速的M n P n曲线 76 三 主轴分段无级变速 6Z36 tif 77 三 主轴分段无级变速 6Z37 tif 78 四 主轴准停 一 机械准停控制 二 电气准停控制 79 四 主轴准停 图6 38主轴准停换刀示意图 80 四 主轴准停 图6 39主轴准停镗背孔示意图 81 一 机械准停控制 6Z40 tif 82 二 电气准停控制 1 磁传感器主轴准停方式2 编码器主轴准停方式3 数控系统准停方式 83 1 磁传感器主轴准停方式 6Z41 tif 84 1 磁传感器主轴准停方式 6Z42 tif 85 1 磁传感器主轴准停方式 图6 43磁传感器主轴准停时序图 86 2 编码器主轴准停方式 6Z44 tif 87 2 编码器主轴准停方式 图6 45编码器主轴准停控制时序图 88 3 数控系统准停方式 图6 46数控系统控制主轴准停结构 89 第五节进给伺服系统 一 基本要求二 开环进给伺服系统三 闭环进给伺服系统四 进给运动的误差补偿 90 一 基本要求 数控机床进给伺服系统主要接收数控装置送来的命令 驱动控制机床工作台或刀具运动到所要求的位置 点位系统 或者按要求的几何轨迹移动 轮廓系统 所以 进给伺服系统在 稳 准 快 一般要求的基础上 特别关心定位精度和快速性 因为这将直接影响到加工零件的轮廓误差 当然 进给伺服系统的负载一般不太大 对电动机出力要求不高 功率较小 这有利于整个系统性能的提高 91 二 开环进给伺服系统 一 控制原理 二 步进电动机的控制 三 开环进给伺服系统精度分析 92 一 控制原理 1 工作台位移量的控制2 工作台进给速度控制3 工作台运动方向的控制 93 1 工作台位移量的控制 数控装置发出的N个进给脉冲 经驱动线路放大后 变换成步进电动机定子绕组通电 断电的电流变化次数N 使步进电动机定子绕组的通电状态改变了N次 因而也就决定了步进电动机的角位移量 然后再经减速齿轮 丝杠 螺母后转变为工作台的位移量L 可见 这种对应关系可表示为 进给脉冲的数量N 定子绕组通电状态变化次数N 步进电动机转子角位移 机床工作台位移量L 94 2 工作台进给速度控制 系统中进给脉冲频率f经驱动放大后就转化为步进电动机定子绕组通电 断电状态变化的频率 因而就决定了步进电动机转子的转速 该 经减速齿轮 丝杠 螺母之后 体现为工作台的进给速度v mm min 可见 这种对应关系可表示为 进给脉冲频率f 定子绕组通电 断电状态的变化频率f 步进电动机转速 工作台的进给速度v 95 3 工作台运动方向的控制 改变步进电动机输入脉冲信号的循环顺序 就可改变步进电动机定子绕组中电流的通断循环顺序 从而使步进电动机实现正转和反转 相应的工作台进给方向也被改变 综上所述 在步进电动机驱动的开环数控系统中 输入的进给脉冲数量 频率 方向经驱动控制线路和步进电动机后 可以转换为工作台的位移量 进给速度和进给方向 从而满足了数控系统对位移控制的要求 96 二 步进电动机的控制 1 软件环分设计2 速度控制3 自动升降速控制 97 1 软件环分设计 表4 1三相步进电动机脉冲分配表 98 1 软件环分设计 图6 47步进电动机软件环分流程图 99 2 速度控制 对于任何一个伺服系统来讲 都要求能够对速度实行控制 特别在数控系统中 这种要求就更高 在开环进给系统中 对进给速度的控制就是对步进电动机速度的控制 由前面步进电动机原理分析可知 通过控制步进电动机相邻两种励磁状态之间的时间间隔即可实现步进电动机速度的控制 对于硬件环分来讲 只要控制CP的频率就可控制步进电动机的速度 对于软件环分来讲 只要控制相邻两次软件环分输出状态之间的时间间隔 也就是控制如下循环流程中延时时间的长短 100 3 自动升降速控制 图6 48步进电动机升降速过程 101 三 开环进给伺服系统精度分析 1 精度分析2 提高精度的几个措施 102 三 开环进给伺服系统精度分析 图6 49步进电动机定步法自动升降速流程图 103 1 精度分析 1 步进电动机的步距误差 2 步进电动机的动态误差 当步进电动机进行单步运行时 存在明显的振荡现象 其超调量约为步距角的20 30 进一步当工作于较低频率区时 300 500Hz 还会出现共振现象 3 步进电动机的起停误差4 齿隙误差 104 2 提高精度的几个措施 针对上述误差的来源 也可以采取一些措施来加以改善 首先是从各个环节入手 在可能的情况下 尽量选择性能较好 精度较高的零部件实现进给驱动 例如选择步距角较小的步进电动机 采用精密传动副 减小传动链中的间隙等 另外 还可利用硬件电路和软件方法来进一步提高系统的综合性能 105 三 闭环进给伺服系统 一 位置控制回路 二 控制特性分析 106 一 位置控制回路 图6 50数控装置位置控制接口 107 一 位置控制回路 图6 51闭环位置控制软件流程 108 二 控制特性分析 1 位置控制回路数学模型2 系统误差分析3 直线插补轮廓误差分析4 圆弧插补轮廓误差分析5 拐角误差分析 109 1 位置控制回路数学模型 图6 52半闭环位置控制数学模型 图6 53全闭环位置控制数学模型 110 1 位置控制回路数学模型 6Z54 tif 111 1 位置控制回路数学模型 6Z55 tif 112 2 系统误差分析 6Z56 tif 113 2 系统误差分析 6Z57 tif 114 3 直线插补轮廓误差分析 图6 58直线插补运动示意图 115 3 直线插补轮廓误差分析 6Z59 tif 116 3 直线插补轮廓误差分