数控技术华科版PPT课件

.,数控技术,湖南科技大学机电工程学院,.,1,进给伺服系统(FeedServoSystem)定义以移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统。作用：是数控装置和机床机械传动部件的连接环节，是数控机床的重要组成部分。功能：接受数控装置发来的指令信号，信号经变换和放大由执行元件（伺服电机）将其转变为角位移或直线位移，从而实现驱动数控机床各运动部件的进给运动。,第4章进给伺服驱动系统,.,2,进给伺服系统(FeedServoSystem)组成般由控制调节器、功率驱动装置、检测反馈装置和伺服电机四部分组成,4.1概述,.,3,4.1概述,.,4,位置精度要高：静态（尺寸精度）、高档数控机床微米级，超精密机床亚微米级。动态（轮廓精度）、灵敏度要高（有足够高的分辩率）。响应要快：要求过渡时间要短，且无超调调速范围要宽：指电机在额定负载时所能提供的最低转速和最高转速之比。一般12000。高性能进给伺服系统已具备无级调速，调速范围在110000以上。,4.1概述,4.1.1数控机床对进给伺服驱动系统的要求,.,5,4.工作稳定性好：在突变指令信号或外界干扰的作用下，能够快速的达到新平衡状态或恢复原有平衡状态的能力，且输出速度的波动要少。5.低速转矩要大6.能可逆运行和频繁灵活启停。7.可靠性高,4.1概述,.,6,按有无位置检测反馈装置分：开环、半闭环和闭环控制系统.2.按驱动电机的类型分：步进电机、直流电机、交流电机和直线电机进给伺服驱动系统.,4.1.2进给伺服驱动系统的分类,4.1概述,.,7,1.按有无位置检测反馈装置分（1）开环,采用步进电机驱动。没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置进给系统），故系统稳定性好。但控制精度低。,4.1概述,.,8,1.按有无位置检测反馈装置分,采用伺服电机驱动。位置采样是从伺服电机引出，不是直接检测运动部件的实际位置，采用旋转角度传感器。精度比闭环差，但结构简单，便于调整，稳定性好。广泛用于中小型数控设备。,（2）半闭环,4.1概述,.,9,（3）闭环,采用伺服电机驱动。位置检测装置装在工作台上，可直接测量工作台实际位移。将所有传动部分都包含在控制环之内，可消除机械系统引起的误差。精度高于半闭环，结构复杂，控制较难，成本高，调试和维修困难。适用于大型或高档数控机床,4.1概述,.,10,光栅尺,光栅尺,4.1概述,.,11,2.按驱动电机的类型分：（1）步进电机伺服驱动系统。进电机将进给指令信号变换为具有一定方向、大小和速度的机械角位移，通过齿轮和丝杠螺母副带动工作台移动。特点：在大负载和速度较高的情况下容易失步、能耗大、速度低、精度较差。应用：故主要用于速度和精度要求不太高的经济型数控机床和旧机床改造。,4.1概述,.,12,2.步进电机工作原理反应式步进电机的定子上有磁极，每个磁极上有激磁绕组，转子无绕组，有周向均布的齿，依靠磁极对齿的吸合工作。,4.3进给电机及驱动,.,13,两个相对的磁极组成一相。,注意：这里的“相”和三相交流电中的“相”的概念不同。步进电机通的是电脉冲，主要是指线图的联接和组数的区别。,4.3进给电机及驱动,.,14,4.3进给电机及驱动,.,15,2.按驱动电机的类型分：（2）直流电机伺服驱动系统。特点：有良好的宽调速性能，输出转矩大、过载能力强。在上世纪70年代和80年代初，数控机床多采用直流电机伺服系统。但直流伺服电机由于具有电刷和机械换向器，使结构与体积受限制，现已基本被交流伺服电机取代。,4.1概述,.,16,.,17,2.按驱动电机的类型分：（3）交流电机伺服驱动系统。常永磁同步伺服电机。特点：相对于直流伺服电机，具有结构简单、体积小、惯量小、响应速度快、效率高等特点。应用：它更适应大容量、高速加工的要求。,交流电机伺服驱动系统在进给伺服驱动中已逐渐取代了直流电机伺服驱动系统。,4.1概述,.,18,交流永磁同步电机的工作原理与特性,结构：电机由定子、转子和检测元件组成。,4.3进给电机及驱动,.,19,2.按驱动电机的类型分：（4）直线电机伺服驱动系统。直接驱动机床工作台运动，取消了电机和工作台之间的一切中间传动环节，形成了所谓的“直接驱动”或“零传动”。特点：克服了传统驱动方式中传动环节带来的缺点，显著提高了机床的动态灵敏度、加工精度和可靠性。,4.1概述,.,20,感应式直线电机的演变：,4.3进给电机及驱动,.,21,永磁式直线电机的演变：,4.3进给电机及驱动,.,22,旋转电机演变为圆筒型直线电机的过程,4.3进给电机及驱动,.,23,弧型直线电机,圆盘型直线电机,4.3进给电机及驱动,.,24,直线电机的基本工作原理直线电机不仅在结构上相当于是从旋转电机演变而来的，而且其工作原理也与旋转电机相似。,7.5直线电机及其在数控机床中的应用简介,定子,动子,4.3进给电机及驱动,动子,定子,光栅,.,25,4.2位置检测装置,位置检测装置：检测位移（线位移或角位移）和速度，反馈至数控装置或伺服驱动器，构成伺服驱动系统闭环或半闭环控制，使工作台按指令路径精确地移动。（1）组成：检测元件（传感器）和信号处理装置。（2）常用检测装置：旋转变压器、感应同步器、编码器、光栅、磁栅等,.,26,（3）精度：系统精度、分辨率,系统精度：一定范围内测量累积误差最大值。直线位移测量精度：0.0020.02m；回转角测量精度：5360系统分辨率：能正确检测的最小位移量。直线位移分辨率：1m，高精度0.1m；回转分辨率：可达2(0.087)。大型机床：速度为主；中小型机床、高精度机床：精度为主。,数控机床加工精度主要由检测系统精度决定。,4.2位置检测装置,.,27,（4）安装位置,半闭环控制的数控机床旋转变压器、编码器等。安装在电机或丝杠上，测量电机或丝杠的角位移间接测量工作台的直线位移。闭环控制系统的数控机床感应同步器、光栅、磁栅等，安装在工作台和导轨上，直接测量工作台的直线位移。,4.2位置检测装置,.,28,（5）数控机床对检测装置的要求,受温度、湿度影响小，工作可靠，抗干扰能力强在机床移动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。,4.2位置检测装置,.,29,4.2.1位置检测装置分类,4.2位置检测装置,.,30,4.2.2编码器,编码器：将测量的角位移以编码的形式输出的位置检测装置，属于间接测量的数字式检测装置。输出信号的形式：绝对式、脉冲增量式内部结构和检测方式：接触式、光电式、电磁式。,4.2位置检测装置,.,31,安装方式1）与伺服电机同轴联接，编码器在进给传动链前端；安装方便；2）连在滚珠丝杠末端，包含的传动链误差比前者多，位置控制精度较高。,4.2位置检测装置,.,32,1.增量式光电编码器,（1）结构,4.2位置检测装置,.,33,（2）原理,将机械转角变成电脉冲,4.2位置检测装置,.,34,A,B,90,Z,码盘转一圈,光敏元件把此光信号转换成电信号，通过信号处理装置的整形、放大等处理后输出。输出的波形有六路：,4.2位置检测装置,.,35,输出信号的作用及其处理A、B两相的作用：,根据脉冲数目可测角位移根据脉冲频率可得轴的转速根据A、B两相的相位超前滞后关系可判断被测轴旋转方向,4.2位置检测装置,.,36,后续电路可利用A、B两相的90相位差进行四倍频细分处理，提高分辨率。,4.2位置检测装置,.,37,（3）增量式码盘的规格及分辨率,规格,分辨率,增量式码盘的规格是指码盘每转一圈发出的脉冲数。市场上提供的规格从36线/转到10万线/转都有。最大达1600万线（禁运）。,选择原则,伺服系统要求的分辨率；,考虑机械传动系统的参数。整数原则。,4.2位置检测装置,.,38,2.绝对式光电编码器,每一位置均由唯一对应的编码输出电源切除后位置信息不会丢失数控机床无需执行回参考点操作就能直接提供当前的位置值，没有累积误差,特点：,4.2位置检测装置,.,39,（3）绝对式编码器的规格及分辨率,规格,分辨率,绝对式码盘的规格与码盘码道数n有关；现在市场上提供从4道到27道都有。（23道以上禁运）,选择原则伺服系统要求的分辨率；考虑机械传动系统的参数。,4.2位置检测装置,.,40,3.编码器的信号传输方式,（1）传输对象：伺服电机、数控装置（2）传输方式：并行或串行并行传输：每位数据需要一根数据电缆线。特点：仅适用于短距离传输和特殊要求的场合。串行传输：通过一根双绞线实现数据传送，分为单工、半双工和全双工，同步串行通信或异步串行通信。特点：用线少、成本低、传输距离远、数据安全可靠。应用于远距离传输和高精密的场合。,4.2位置检测装置,.,41,4.编码器的选择,（1）电源。常用的编码器电源有5V、12V、24V几种类型。（2）机械允许转速。取决于编码器测量系统处理时间、分辨率和结构尺寸，处理时间越短，尺寸越小，机械允许转速越高。（3）分辨率。应根据测量精度要求选择编码器分辨率，综合考虑性价比。（4）输出信号类型。类型决定后续接收电路。（5）使用环境。,4.2位置检测装置,.,42,根据测量对象分：直线光栅（测量直线位移）和圆光栅（测量角位移）根据用途和材质分：玻璃透射光栅、金属反射光栅。根据刻度方法及信号输出形式分：绝对式光栅和增量式光栅。,光栅：是利用光的透射、衍射现象制成的光电检测装置，用于测量运动部件的直线位移和角位移。,4.2.3光栅,1.光栅的种类,4.2位置检测装置,.,43,（1）直线光栅,玻璃透射光栅：在玻璃表面上用真空镀膜法镀一层金属膜，再涂上一层均匀的感光材料，用照相腐蚀法制成透明与不透明间隔相等的线纹。特点：光源可采用垂直入射，光电元件直接接受光信号，因此信号幅度大，读数头结构较简单；一般为100、125、250条/mm，经过电路细分，可做到微米级的分辨率。,4.2位置检测装置,.,44,金属反射光栅：在钢尺或不锈钢的镜面上用照相腐蚀法或用钻石刀刻划制成光栅线纹；常用4、10、25、40、50条/mm，分辨率低。特点：标尺光栅的线膨胀系数易于与机床材料一致；标尺光栅的安装和调整较方便；安装面积较小；易于接长或制成整根的钢带长光栅；不易碰碎。,4.2位置检测装置,.,45,直线光栅的结构由标尺光栅和光栅读数头（即指示光栅）两部分组成。光栅读数头中有光源、透镜、扫描光栅、光电池和信号处理电路等。,4.2位置检测装置,.,46,4.2位置检测装置,2.光栅的工作原理,（1）成像扫描。透射光生成位置测量信号。指示光栅和标尺光栅的光线投射到规则排列的光电池上。当指示光栅和标尺光栅相对运动时，光电池接收到的光强不断变化，产生近似正弦变化的周期电信号。,.,47,（2）干涉扫描。利用精密光栅的衍射和干涉形成位置测量信号。,4.2位置检测装置,.,48,4.2位置检测装置,.,49,放大比k为：,若d=0.01mm，0.01rad，则w1mm，k100,莫尔条纹特性：光学放大作用,4.2位置检测装置,.,50,4.2.4旋转变压器,旋转变压器是一种输出电压与角位移量成连续函数关系的感应式微电机检测装置，主要用于半闭环控制的数控机床。优点：结构简单、动作灵敏、工作可靠、对环境条件要求低（特别是高温、高粉尘地方）、输出信号幅度大、抗干扰能力强。缺点：信号处理比较复杂。分类：按有无电刷分：接触式和无接触式两种按极对数分：单对极和多对极,4.2位置检测装置,.,51,1.旋转变压器的结构,与两相绕线式异步电机相似，由定子和转子组成，是一种旋转式的小型交流电机。定子绕组通过固定在壳体上的接线柱直接引出。转子绕组有两种不同的引出方式。根据转子绕组两种不同的引出方式，旋转变压器分为有刷式和无刷式两种结构形式。,4.2位置检测装置,.,52,（1）有刷式旋转变压器转子绕组通过滑环和电刷直接引出。特点：结构简单，体积小缺点：电刷与滑环是机械滑动接触的，所以旋转变压器的可靠性差，寿命也较短。,4.2位置检测装置,.,53,（2）无刷式旋转变压器由本体和附加变压器组成。附加变压器原、副边铁心及线圈成环形，分别固定于转子轴和壳体上，径向留有一定的间隙。本体的转子绕组与附加变压器原边线圈连在一起，在附加变压器原边线圈中的电信号，即转子绕组中的电信号，通过电磁耦合，经附加变压器副边线圈间接地送出。,4.2位置检测装置,.,54,无刷式旋转变压器避免了电刷与滑环之间的不良接触造成的影响，提高了旋转变压器的可靠性及使用寿命，但其体积、质量、成本均有所增加。,4.2位置检测装置,.,55,2.旋转变压器工作原理,旋转变压器利用绕组间的互感原理。当定