机床数控技术3

第三章数控机床的控制伺服系统 第一节概述第二节CNC系统第三节数控机床的检测装置第四节数控机床的伺服驱动系统第五节位置控制 第一节概述 计算机数字控制 CNC 系统主要由硬件和软件两部分组成 计算机数控系统是数控系统的核心 数控系统的位置控制是伺服系统的重要组成部分 闭环或半闭环控制的数控机床的加工精度主要由检测装置的精度决定 常用的检测装置有旋转变压器 感应同步器 编码器 光栅 磁栅等 机床的主轴运动和伺服进给运动是机床的基本成形运动 NC程序 输入设备 CNC装置 PLC 主轴控制单元 主轴电机机床进给电机位置检测器 速度控制单元 I O信号 CNC系统 一 数控系统 CNC系统 数控程序 I O设备 数控装置 CNC装置 可编程控制器 PLC 主轴驱动装置 是一种轨迹控制系统 是以多个执行部件 各运动轴 的位移量为控制对象 并使其协调运动的自动控制系统 进给伺服系统 第二节CNC系统 二 CNC装置的组成 硬件 具有计算机的基本结构 具有数控机床所特有的功能模块和接口单元 CPU EPROM或EPROMRAMI O接口主轴控制通讯接口 2 MDI接口PLC接口CRT或LCD显示接口位置控制纸带阅读机接口 硬件和软件构成 软件 从本质上看 是具有实时性和多任务性的专用操作系统 从功能特征看 CNC管理软件 主要进行系统资源的管理和系统各子任务的调度 编译处理 刀具补偿计算 速度处理 插补运算 位置控制 机床输入输出 主轴控制 零件程序管理 显示处理 人机交互 输入输出管理 故障诊断处理 CNC装置系统软件 管理软件 控制软件 CNC控制软件 主要完成各种控制功能 软件 硬件在一起构成了CNC装置的系统平台 二 数控装置的工作过程 首先要将被加工零件图的几何信息和工艺信息数字化 即将刀具与工件的相对运动轨迹 用代码按规定的规则和格式编成加工程序 数控系统则按照程序的要求 进行相应的运算 处理 然后发出控制命令 使各坐标轴 主轴以及辅助动作相互协调运动 实现刀具与工件的相对运动 自动完成零件的加工 逼近处理插补运算指令输出 三 CNC装置的优点 具有灵活性和通用性2 数控功能丰富3 可靠性高4 使用维护方便5 易于实现机电一体化 四 CNC装置的功能 数控装置的功能包括基本功能和选择功能 基本功能 数控系统基本配置的功能 即必备的功能 选择功能 用户可根据实际使用要求选择的功能 主要功能 1 控制功能 CNC能控制和能联动控制的进给轴数2 准备功能 G功能 指令机床动作方式的功能3 插补功能和固定循环功能4 进给功能 数控及机床进给速度的控制功能 5 主轴功能 主轴切削速度 周向位置控制功能 6 辅助功能 M功能 用于指令机床辅助操作的功能 7 刀具管理功能 实现对刀具几何尺寸和刀具寿命的管理 8 补偿功能9 人机对话功能10 自诊断功能 CNC自动实现故障预报和故障定位的功能11 通讯功能 CNC与外界进行信息和数据交换的功能 CNC装置从它的硬件组成结构来看 若按其中含有CPU的多少来分 可分为单机系统和多机系统 单微处理器CNC 2 多微处理器CNC 整个CNC装置只有一个CPU 它集中控制和管理整个系统资源 通过分时处理的方式来实现各种NC功能 其优点在于投资小 结构简单 易于实现 但系统功能受到CPU字长 数据宽度 寻址能力和运算速度等因素的限制 现在这种结构已被多机系统的主从结构所取代 CNC装置中有两个或两个以上的CPU 即系统中的某些功能模块自身也带有CPU 根据部件间的相互关系又可将其分为 主从结构 多主结构构 分布式结构 CNC装置的硬件结构 单微处理器CNC结构 模块化设计方法 将控制系统按功能划分成若干具有独立功能的单元模块 并配上相应的驱动软件 系统设计时按功能的要求选择不同的功能模块 并将其插入控制单元母板上 即可组成一个完整的控制系统的方法 其中单元母板一般为总线结构的无源母板 它提供模块间互联的信号通路 实现CNC系统模块化设计的条件是总线 BUS 标准化 计算机主板和系统总线 母板 显示模块 显示卡 输入 输出模块 多功能卡 电子盘 存储模块 设备辅助控制接口模块 位置控制模块 功能接口模块 计算机主板和系统总线 母板 计算机主板 系统总线 母板 计算机主板是CNC装置的核心 它的主要作用 对输入到CNC装置中的种种数据 信息 零件加工程序 各种I O信息等 进行相应的算术和逻辑运算 并根据其处理结果 向各功能模块发出控制命令 传送数据 使用户的指令得以执行 系统总线 母板 由一组传送数字信息的物理导线组成 它是计算机系统内部进行数据或信息交换的通道 分数据总线 地址总线 控制总线 显示卡的主要作用 接收来自CPU的控制命令和显示用的数据 经过CRT的扫描信号调制后产生CRT显示器所需要的视频信号 在CRT上产生所需要的画面 它是人机交流的重要媒介 2 显示模块 显示卡 3 输入 输出模块 多功能卡 它是CNC装置与外界进行数据和信息交换的接口板 即CNC装置通过该接口可以从输入设备获取数据 也可以将CNC装置中的数据送给输出设备 4 电子盘 存储模块 电子盘是CNC装置特有的存储模 计算机的存储器件有三类 磁存储器件 如 软 硬磁盘 光存储器件 如 光盘 半导体存储器件 如RAM ROM FLASH等 在CNC装置中 常采用电子存储器件作为外存储器 5 设备辅助控制接口模块 设备辅助控制接口模块是CNC装置实现顺序控制的模块 它的作用是接收来自操作面板 机床上的各行程开关 传感器 按钮 强电柜里的继电器以及主轴控制 刀库控制的有关信号 经处理后输出去控制相应器件的运行 设备辅助控制接口必须完成两个任务 即电平的转换和功率放大 电气隔离 设备辅助控制接口的实现方式 简单I O接口板 PLC控制 分内装型PLC和独立型PLC 简单I O接口板 PLC控制 6 位置控制模块 位置控制模块是进给伺服系统的重要组成部分 是实现轨迹控制时 CNC装置与伺服驱动系统连接的接口模块 常用的位置控制模块有 开环位置控制模块 闭环 含半闭环 位置控制模块 开环位置控制模块 开环位置控制模块 闭环 含半闭环 位置控制模块 该模块由三部组成 速度指令转换部分 位置反馈脉冲回收部分 速度反馈电压转换部分 多微处理器CNC系统硬件简介 多主CNC结构中 有两个或两个以上的CPU部件 部件之间采用紧耦合 有集中的操作系统 通过总线仲裁器 由硬件和软件组成 来解决总线争用问题 通过公共存储器来进行信息交换 结构的特点 能实现真正意义上的并行处理 处理速度快 可以实现较复杂的系统功能 容错能力强 在某模块出了故障后 通过系统重组仍可继续工作 结构的结构形式 共享总线结构共享存储器结构 1 共享总线结构 共享总线结构具有结构简单 系统组配灵 成本相对较低 可靠性高等优点 2 共享存储器结构 这种结构是面向公共存储器来设计的 即采用多端口来实现各主模块之间的互连和通讯 一般采用双端口存储器 双端口RAM CNC装置的软件结构 一 CNC装置软件和硬件的功能界面二 CNC装置的数据转换流程三 CNC系统软件结构特点四 CNC系统软件结构模式 一 CNC装置软件和硬件的功能界面 CNC软件构成 二 CNC装置的数据转换流程 1 译码 用ASCII码表达加工程序 数据结构格式 2 刀补处理 零件轮廓变换成刀具中心轨迹 3 速度预处理 计算每个插补周期内的合成移动量 4 插补计算 计算插补周期的实际合成位移量 分解 L1 X1 Y1 5 位置控制处理 进行各进给轴跟随误差的计算 调节处理 输出为位移控制指令 三 CNC系统软件结构特点 1 多任务性与并行处理技术CNC控制要求的多任务性控制基于并行处理的多任务调度技术资源分时共享 对单一资源的系统 并发处理和流水处理 对多资源的系统 2 实时性和优先抢占调度机制实时性任务的分类优先抢占调度机制 四 CNC系统软件结构模式 所谓结构模式是指系统软件的组织管理方式 即系统任务的划分方式 任务调度机制 任务间的信息交机换制 以及系统集成方法等 结构模式要解决的问题是如何组织和协调各个任务的执行 使之满足一定的时序配合要求和逻辑关系 以满足CNC系统的各种控制要求 1 前后台型结构模式2 中断型结构模式3 基于实时操作系统的结构模式 国外主要数控系统产品 1 日本FANUC公司数控系统 2 德国SIEMENS公司数控系统 3 西班牙FAGOR公司数控系统 FANUCSeries0iMODELC FANUCSeries0iMateMODELC FANUCSeries16i 18i 21i MODELB FANUCSeries18i MODELB5 FANUCSeries160i 180i 210i MODELB FANUCSeries180i MODELB5 SINUMERIK802Sbaseline SINUMERIK802Cbaseline SINUMERIK802Dbaseline SINUMERIK802D SINUMERIK810Dpowerline SINUMERIK840Di SINUMERIK840Dpowerline FAGOR8035M 8035T FAGOR8040MC 8040TC FAGOR8055MC 8055TC FAGOR8055 iT 8055 iTC 8055 iTCO 第三节数控机床的检测装置 位置检测装置是数控机床闭环和半闭环伺服系统的重要组成部分 其作用是检测位移 线位移或角位移 和速度 并反馈至数控装置 构成伺服系统的闭环或半闭环控制 使工作台按指令的路径精确地移动 闭环或半闭环控制的数控机床的加工精度主要由检测系统的精度决定 位置检测装置的精度主要包括系统精度和分辨率 一 检测装置的要求及分类 一 数控机床对检测装置的主要要求有 受温度 湿度的影响小 工作可靠 抗于扰能力强 在机床移动的范围内满足精度和速度要求 使用维护方便 适合机床运行环境 成本低 易于实现高速的动态测量 大型机床以满足速度要求为主 对中 小型机床和高精度机床以满足精度为主 数控机床检测装置的分辨率一般为0 0001 0 01mm m 测量精度为 0 001 0 01mm m 二 位置检测装置分类 脉冲编码器 编码器又称码盘和脉冲编码器 是一种旋转式测量元件 通常装在被测轴上 随被测轴一起转动 可将被测轴的角位移转换成增量脉冲形式或绝对式的代码形式 根据输出信号的形式的不同 可分为绝对值式编码器和脉冲增量式编码器 根据内部结构和检测方式可分为接触式 光电式和电磁式三种 编码器在数控机床中有两种安装方式 一是和伺服电机同轴联接在一起 称为内装式编码器 伺服电机再和滚珠丝杠联接 编码器在进给传动链的前端 二是编码器联接在滚珠丝杠末端 称为外装式编码器 光电编码器的结构示意图 增量式光电编码器原理图 当圆光栅旋转时 光线透过两个光栅的线纹部分 形成明暗条纹 光电元件接受这些明暗相间的光信号 转换为交替变化的电信号 该信号为两组近似于正弦波的电流信号A和B A和B信号的相位相差90 经放大整形后变成方波形成两个光栅的信号 光电编码器还有一个 一转脉冲 称为Z相脉冲 每转产生一个 用来产生机床的基准点 1 光电脉冲编码器的工作原理 脉冲编码器输出信号有A B Z 等信号 这些信号作为位移测量脉冲以及经过频率 电压变换作为速度反馈信号 进行速度调节 编码盘 黑部分是绝缘 按导电为 1 绝缘为 组成二进制码 组成编码的各圈称为码道 对应4个码道并排安装有4个电刷 电经电阻接到电源正极 当被测对象带动编码盘一起转动时 根据与电刷串联的电阻上有无电流流过 可用相应的二进制代码表示 接触式 2 脉冲编码器在数控机床中的应用 位移测量由于增量式光电编码器每转过一个分辨角就发出一个脉冲信号 因此 根据脉冲的数量 传动比及滚珠丝杠螺距即可得出移动部件的直线位移量 在数控回转工作台中 通过在回转轴末端安装编码器 可直接测量回转工作台的角位移量 主轴控制主运动 主轴控制 中采用编码器 则成为具有位置控制功能的主轴控制系统 测速光电编码器输出脉冲的频率与其转速成正比 因此 光电编码器可代替测速发电机的模拟测速而成为数字测速装置 零脉冲用于回参考点控制当数控机床采用增量式的位置检测装置时 数控机床在接通电源后要做回到参考点的操作 感应同步器 一 感应同步器的结构与工作原理 直线式和旋转式两种 直线式感应同步器由定尺和滑尺组成 旋转式感应同步器由转子和定子组成 前者用于直线位移测量 后者用于角位移测量 工作原理 利用电磁耦合原理 将位移或转角变成电信号 即使滑尺与定尺相互平行 并保持一定的间距 向滑尺通以交流激磁电压 则在滑尺中产生激磁电流 绕组周围产生按正弦规律变化的磁场 由电磁感应原理 在定尺上产生感应电压 当滑尺与定尺间产生相对位移时 由于电磁耦合的变化 使定尺上感应电压随位移的变化而变化 相同频率 当定尺与滑尺重合时 如图中的a点 此时的感应电压最大 当滑尺相对于定尺平行移动后 其感应电压逐渐变小 在错开1 4节距的b点 感应电压为零 依次类推 在1 2节距的c点 感应电压幅值与a点相同 极性相反 在3 4节距的d点又变为零 感应同步器的工作原理 滑尺每移动一个节距 感应电压变化一个周期 按工作方式不同 感应同步器分为 鉴相型系统方式 前提供给滑尺的激磁信号为频率 幅值相同 相位角相差90 的交流电压 根据线性叠加原理 在定尺上的工作绕组中的感应电压为 励磁角频率 滑尺绕组相对于定尺绕组的空间相位角 电磁耦合系数 通过测量定尺感应电压的相位 可以测量定尺对滑尺的位移 二 感应同步器的应用 鉴幅型系统方式 前提给滑尺绕组通入相位相同 频率相同 但幅值不同的励磁电压 根据线性叠加原理 在定尺上工作绕组中的感应电压为 幅值 由以上可知 若电气角已知 只要测出的幅值便可以间接地求出 鉴相型测量系统结构图 定尺上的感应电压的幅值随指令给定的位移量与工作台的实际位移的差值按正弦规律变化 鉴幅型系统用于数控机床闭环系统中时 当工作台未达到指令要求值时 即 定尺上的感应电压 该电压经过检波放大后控制伺服执行机构带动机床工作台移动 当工作台移动到时 定尺上的感应电压 工作台停止运动 三 感应同步器的特点 1 精度高 感应同步器直接对机床工作台的位移进行测量 其测量精度只受本身精度限制 另外 定尺的节距误差有平均补偿作用 定尺本身的精度能做得很高 其精度可以达到 0 001mm 重复精度可达0 002mm 2 工作可靠 抗干扰能力强 在感应同步器绕组的每个周期内测量信号与绝对位置有一一对应的单值关系 不受干扰的影响 3 维护简单 寿命长 定尺和滑尺之间无接触磨损 在机床上安装简单 4 测量距离长 可以根据测量长度需要 将多块定尺拼接成所需要的长度 就可测量长距离位移 适合于大 中型数控机床 5 成本低 易于生产 6 与旋转变压器相比 感应同步器的输出信号比较微弱 需要一个放大倍数很高的前置放大器 光栅传感器 光栅用于数控机床作为检测装置 已有几十年的历史 用以测量长度 角度 速度 加速度 振动和爬行等 它是数控机床闭环系统用得较多的一种检测装置 在高精度的数控机床上 可以使用光栅作为位置检测装置 将机械位移转换为数字脉冲 反馈给CNC装置 实现闭环控制 由于激光技术的发展 光栅制作精度得到很大的提高 现在光栅精度可达微米级 再通过细分电路可以做到0 1 m甚至更高的分辨率 一 光栅的种类根据形状可分为圆光栅和长光栅 长光栅主要用于测量直线位移 圆光栅主要用于测量角位移 根据光线在光栅中是反射还是透射分为透射光栅和反射光栅 透射光栅的基体为光学玻璃 反射光栅的基体为不锈钢带 二 光栅检测装置的结构 由光源 透镜 标尺光栅 指示光栅 光电转换元件 读数头 和测量电路组成 光栅由标尺光栅和指示光栅两部分组成 标尺光栅一般安装在机床活动部件上 如工作台上或丝杠上 光栅读数头安装在机床固定部件上 如机床底座上 指示光栅装在光栅读数头中 当光栅读数头相对于标尺光栅移动时 指示光栅便在标尺光栅上相对移动 标尺光栅和指示光栅构成了光栅尺 标尺栅和指示光栅上均匀刻有很多条纹 从局部放大部分看 黑的部分为不透光宽度 缝隙宽度 a 白的部分为透光宽度 刻线宽度 b 设栅距为d 则d a b 通常情况下 a b 1 光源 2 透镜 3 标尺光栅 4 指示光栅 5 光电元件 6 驱动线路 光栅读数头又叫光电转换器 它把光栅莫尔条纹变成电信号 如图所示为垂直入射读数头 读数头由光源 聚光镜 指示光栅 光敏元件和驱动电路等组成 a 透射光栅 b 反射光栅 三 光栅测量装置 图中Q表示光源 L表示透镜 表示标尺光栅 表示指示光栅 P表示光电元件 四 莫尔条纹 若标尺光栅和指示光栅的栅距相等 指示光栅在其自身平面内相对于标尺光栅倾斜一个很小的角度 两块光栅的刻线就会相交 当灯光通过聚光镜呈平行光线垂直照射在标尺光栅上 在两块光栅线相交的钝角平分线上 出现明暗交替 间隔相等的粗短条纹 称之为莫尔条纹 两条亮纹或两条暗纹之间的距离称为莫尔条纹的宽度 以w表示 由于角很小 所以莫尔条纹近似垂直于光栅的线纹 故有时称莫尔条纹为横向莫尔条纹 当光栅移动一个栅距d时 莫尔条纹也相应移动一个莫尔条纹宽度w 若光栅移动方向相反 则莫尔条纹移动方向也相反 莫尔条纹移动方向与两光栅夹角的平分线平行 这样 测量光栅水平方向移动的微小距离就可用检测莫尔条纹移动的变化代替 a 莫尔条纹具有放大作用 2 莫尔条纹的特点 1 莫尔条纹测量原理 倾斜角的小时 莫尔条纹宽度w与栅距d之间有如下关系 若取d为0 01mm 为0 01rad 则w lmm k 100 用光的干涉现象 就能把光栅的栅距d转换成放大100倍的莫尔条纹宽度w b 具有误差均化作用 c 利用莫尔条纹测量位移 莫尔条纹是由大量光栅线纹干涉共同形成的 使得栅距之间的相邻误差被平均化了 消除了由光栅线纹的制造误差导致的栅距不均匀而造成的测量误差 莫尔条纹的移动与栅距之间的移动成比例 当干涉条纹移动一个栅距时 莫尔条纹也移动一个莫尔条纹宽度W 若光栅移动方向相反 则莫尔条纹移动的方向也相反 莫尔条纹的移动方向与光栅移动方向相垂直 这样测量光栅水平方向移动的微小距离就用检测垂直方向的宽大的莫尔条纹的变化代替 光栅测量系统 标尺光栅移动过程中 莫尔条纹由亮带到暗带 再由暗带到亮带 相互交替出现 透过的光强度分布近似于余弦曲线 光电元件接收到的光通量也大小交替出现 产生了近似正弦曲线的电压信号 这样的信号 只能用于计数 而不能辨别方向 实际应用中 即要求有较高的检测精度 又能辨别方向 为了达到这种要求 通常使用倍频电路实现 光栅测量系统四倍频电路 鉴向倍频电路不仅可以起到辨别方向的作用 它还可以起到细分的作用 以提高光栅的分辨率 从上面的分析可知 从莫尔条纹原来一个周期内输出一个脉冲信号变为一个周期内输出4个脉冲 这样 分辨率提高了4倍 光栅测量系统的分辨率取决于光栅栅距d和鉴向倍频的倍数n 即分辨率为2d n 第四节数控机床的伺服驱动系统 伺服驱动系统接收来自CNC装置 插补装置或插补软件 的进给指令脉冲 经过一定的信号变换及电压 功率放大 再驱动各加工坐标轴按指令脉冲运动 使刀具相对于工件产生各种复杂的机械运动 加工出所要求的复杂形状工件 数控机床伺服驱动系统是以机床移动部件的位置和速度为控制量的自动控制系统 又称随动系统 主轴运动和伺服进给运动是机床的基本成形运动 一 伺服系统的基本要求 l 高精度 2 稳定性好 3 响应速度快 无超调 4 电机调速范围宽 5 低速大转矩 6 可靠性高 二 步进电机及其驱动控制系统 步进电机是一种用电脉冲信号进行控制 并将电脉冲信号转换成相应的角位移的执行器 也称脉冲电机 步距角 每给步进电机输入一个电脉冲信号 其转轴转过一个角度 位移量与电脉冲数成正比 转速与电脉冲信号输入的频率成正比 通过改变频率就可以调节电机的转速 1 步进电机的分类 2 步进电机的结构及工作原理 单定子径向分相反应式伺服步进电机的齿距 步进电机结构原理图 步进电机的工作原理实际上是电磁铁的作用原理 五定子轴向分相反应式伺服 步进电机结构原理图 步进电机工作原理图 A B C A 的顺序控制步进电机绕组的通断电 3 步进电机的主要特性 步进电机步距角与定子绕组的相数 转子的齿数z 通电方式k有关 可用下式表示 360 mzk 式中单拍通电 k 1 双拍通电时 k 2 步距角 矩角特性 最大静态转矩 和启动转矩 三相步进电机各相矩角特性 启动频率 和启动时惯性特性 运行矩频特性 加减速特性 4 步进电机的环形分配器 步进电机的驱动控制由环形分配器和功率放大器组成 主要功能是将数控系统送来的一串指令脉冲 按步进电机所要求的通电顺序分配给步进电机的驱动电源的各相绕组输入端 以控制励磁绕组的通断 实现步进电机的运行及换向 当步进电机在一个方向上连续运行时 其各相通 断的脉冲分配是一个循环 因此称为环形分配器 硬件环形分配器 步进电机的环形分配器与驱动器 软件环形分配器 软件环形分配指由数控系统中的计算机软件完成环形分配的任务 直接驱动步进电机各绕组的通 断电 用软件环形分配器只需编制不同的环形分配程序 将其存入数控系统的EPPROM中即可 5 功率放大电路 高低压驱动电路 恒流斩波驱动电路 调频调压驱动电路 细分驱动电路 三 直流伺服电机及其调速 1 直流伺服电机特性与类型 改进型直流伺服电机 小惯量直流伺服电机 永磁式直流伺服电机 2 直流伺服电机的调速原理与方法 调速可有三种方法 改变 改变磁通量 改变电枢电路的电阻 常用 3 直流伺服电机的调速 晶闸管 SemiconductorControlRectifier 简称SCR 调速系统晶体管脉宽调制 PulseWidthModulation 简称PWM 系统两类 所谓脉宽调制 就是使功率晶体管工作于开关状态 开关频率保持恒定 用改变开关导通时间的方法来调整晶体管的输出 使电机两端得到宽度随时间变化的电压脉冲 当开关在每一周期内的导通时间随时间发生连续地变化时 电机电枢得到的电压的平均值也随时间连续地发生变化 而由于内部的续流电路和电枢电感的滤波作用 电枢上的电流则连续地改变 从而达到调节电机转速的目的 PWM调速系统 由速度和电流调节器 三角波发生器 脉宽调制器 基极驱动电路和开关功率放大器等组成 PWM调速系统组成框图 四 交流伺服电机及其调速 1 交流伺服电机的类型与特点 交流伺服电机可分为永磁式交流同步伺服电机和感应式交流异步伺服电机 永磁式交流同步伺服电机 异步式交流伺服电机 S 转差率 f1交流供电电源频率 p定子和转子的极对数 2 交流伺服电机的逆变器 交流伺服电机调速应