数控机床的驱动与位置控制PPT课件

1,教学内容,第六章数控机床的驱动与位置控制,6.1概述,6.2开环进给伺服系统,6.3闭环进给伺服系统,6.4检测元件,2,6.1.1伺服系统的基本要求,6.1.2伺服系统的分类,6.1概述,6.1.3常用伺服电动机,3,数控机床伺服系统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、拖动系统或伺服机构。在数控机床中，伺服是指有关的传动或运动参数均严格按照数控装置的控制指令实现，这些参数主要包括运动的速度、运动的方向和运动的起停位置等。伺服系统是数控装置和机床的联系环节，是实现刀具与工件间运动、主电机运动的驱动和执行机构，是数控机床的“四肢”。伺服系统的性能，在很大程度上决定了数控机床的性能。,4,1、精度高,包括位移精度和定位精度。位移精度：指令脉冲要求机床工作台进给的位移量和该指令脉冲经伺服系统转化为工作台实际位移量之间的符合程度。两者误差愈小，伺服系统的位移精度愈高。全程范围可达5mm。定位精度：输出量能复现输入量的精确程度。一般允许偏差在0.010.001mm之间，甚至到0.1mm。,6.1.1伺服系统的基本要求,5,2、稳定性好,稳定性是指系统在给定输入或外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态的一种性能。对伺服系统要求有较强的抗干扰能力，保证进给速度均匀、平稳。稳定性直接影响数控加工的精度和表面粗糙度。,6,3、动态响应快,动态响应表示系统的跟踪精度。当负载突变时，过渡过程前沿要陡，恢复时间要短(一般在200ms以内)，且无振荡。这样才能得到光滑的加工表面。,7,4、调速范围宽,调速范围S是指机械装置要求电动机能提供的最高转速和最低转速之比。,8,5、低速大转矩,数控机床加工的特点是在低速时进行重切削。因此，要求伺服系统在低速时要有大的转矩输出。为了满足对伺服系统的要求，对伺服系统的执行元件伺服电动机也相应提出高精度、快响应、宽调速和大转矩的要求。电动机从低速到高速能平滑运转，转矩波动小，尤其在最低转速时，仍有平稳的速度而无爬行现象。电动机负载特性硬，应具有较长时间的较大过载能力，已满足低速大扭矩的要求。,9,满足快速响应的要求，即随着控制信号的变化，电动机应能在较短时间内达到规定的速度。因此，伺服电动机必须具有较小的转动惯量和大的堵转转矩，机电时间常数和启动电压应尽可能小。电动机应能承受频繁的启动、制动和反转。,10,1、按调节理论分类,1）开环伺服系统2）闭环伺服系统3）半闭环伺服系统,6.1.2伺服系统的分类,11,1）开环伺服系统,驱动元件主要是功率步进电动机或电液脉冲马达。特点与用途：开环系统的结构简单，易于控制，但精度差，低速不平稳，高速扭矩小。一般用于轻载负载或经济型数控机床上。,12,2）闭环伺服系统,闭环伺服系统是反馈控制，反馈测量装置精度很高，所以系统传动链的误差，环内各元件的误差以及运动中造成的误差都可以得到补偿，从而大大提高了跟随精度和定位精度。,13,3）半闭环伺服系统,14,2、按使用驱动电机分类,1）直流伺服系统进给运动系统采用大惯量宽调速永磁直流伺服电机和中小惯量直流伺服电机；主运动系统采用他激直流伺服电机。优点：调速性能好。缺点：有电刷，速度不高。2）交流伺服系统交流感应异步伺服电机（一般用于主轴伺服系统）和永磁同步伺服电机（一般用于进给伺服系统）。优点：结构简单、不需维护、适合于在恶劣环境下工作。动态响应好、转速高和容量大。,15,3、按进给驱动和主轴分类,1）进给伺服系统进给伺服系统是指一般概念的伺服系统，它包括速度控制环和位置控制环。2）主轴伺服系统一般的主轴控制只是一个速度控制系统。具有C轴控制的主轴与进给伺服系统一样，为一般概念的位置伺服控制系统。,16,4、按反馈比较控制方式分类,1）脉冲、数字比较伺服系统2）相位比较伺服系统3）幅值比较伺服系统4）全数字伺服系统位置、速度和电流构成的三环反馈全部数字化。,17,6.1.3常用伺服电动机,伺服电动机是指能够精密地控制其位置的一类电动机。主要功能是转换和传递信号。伺服电动机在机床伺服系统中用作执行元件。常用的伺服电动机分为4大类：1、直流伺服电动机2、交流伺服电动机3、步进电动机4、直线驱动电动机,18,1、直流伺服电动机（调速性能良好）1）永磁直流伺服电动机：用于一般的直流伺服系统。2）无槽电枢直流伺服电动机：用于需要快速动作、功率较大的伺服系统。3）空心杯电枢直流伺服电动机：用于需要快速动作的伺服系统。4）印制绕组直流伺服电动机：用于低速运行和起动、反转频繁的系统。,19,2、交流伺服电动机（主要使用的电机）1）同步型交流伺服电动机：常用于位置伺服系统，如数控机床的进给系统。常见的功率范围是几十瓦几千瓦，个别的达到几十千瓦。2）异步型交流伺服电动机：主要用于需要以恒功率扩展调速范围的大功率调速系统中，如在数控机床中用作主轴系统驱动，常见的功率范围是几千瓦以上。,20,3、步进电动机（适于轻载、负荷变动不大）反应式步进电动机；永磁式步进电动机；永磁感应式步进电动机。,21,4、直线驱动电动机：（高速、高精度）1）直流力矩电动机2）同步型交流伺服电动机3）变磁阻电动机,22,6.2.1开环进给伺服系统,6.2.2步进电动机,6.2开环进给伺服系统,6.2.4步进电动机驱动电路,6.2.3步进电动机的开环系统设计,23,6.2.1开环进给伺服系统,开环控制系统是没有反馈的控制系统。,24,6.2.2步进电动机,原理：步进电机是利用电磁铁原理，将脉冲信号转换成线位移或角位移的电机。每来一个电脉冲，电机转动一个角度(步距角)，带动机械移动一小段距离。,特点：（1）来一个脉冲，转一个步距角；（2）控制脉冲频率，可控制电机转速；（3）改变脉冲顺序，改变方向。,25,1、步进电机的分类,按运动方式分：旋转运动、直线运动、平面运动；按工作原理分：磁阻式、电磁式、永磁式；按结构分：单段式（径向式）、多段式（轴向式）；按使用场合分：功率步进电机和控制步进电机；按相数分：三相、四相、五相、六相、八相等；按使用频率分：高频率和低频步进电机。不同的步进电机，工作原理驱动装置也不完全一样。,26,反应式步进电机,特点1）定转子开小齿；2）定转子均为软磁材料；3）小步距。,2、步进电动机结构,27,步进电机主要由两部分构成：定子和转子。它们均由磁性材料构成，其上分别有六个、四个磁极。,定子,转子,定子绕组,28,定子的六个磁极上有控制绕组，两个相对的磁极组成一相。,IB,IC,29,永磁式步进电机结构,特点1）转子磁极为永磁材料；2）定子每极相数等于转子极数；3）不开小齿，大步矩、大力矩。,30,混合式步进电机(Hybrid)结构,特点：转子永磁、两极，定转子均开小齿，混合二者优点。,31,3、步进电动机的工作原理,三相反应式步进电机,步进电机由转子和定子组成。定子上有A、B、C三对磁极绕组，分别为A相、B相、C相。,转子是硅钢片软磁材料迭合成的带齿廓形状的铁心。,这种步进电机称为三相步进电机。如果在定子上的三对绕组中通直流电流，就会产生磁场。,32,三相步进电机的工作方式可分为：三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等。,1）三相单三拍,33,（2）工作过程,化，吸引转子，使转子的位置力图使通电相磁路的磁阻最小，使转、定子的齿对齐停止转动。,A相通电，A方向的磁通经转子形成闭合回路。若转子和磁场轴线方向原有一定角度，则在磁场的作用下，转子被磁,A相通电使转子1、3齿和AA对齐。,34,B相通电，转子2、4齿和B相轴线对齐，相对A相通电位置转30；,C相通电再转30。,35,这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电，而且，一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相单三拍。,三相单三拍的特点：,每来一个电脉冲，转子转过30。此角称为步距角，用表示。,转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序，改变通电顺序即可改变转向。,若按ACB进行，则转子沿逆时针方向旋转。,36,2）三相单双六拍,三相绕组的通电顺序为：AABBBCCCAA共六拍。,工作过程：,A相通电，转子1、3齿和A相对齐。,37,所以转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对AA通电，转子转了15。,BB磁场对2、4齿有磁拉力，该拉力使转子顺时针方向转动。,A、B相同时通电,AA磁场继续对1、3齿有拉力。,38,总之，每个循环周期，有六种通电状态，所以称为三相六拍，步距角为15。,B相通电，转子2、4齿和B相对齐，又转了15。,39,3）三相双三拍,三相绕组的通电顺序为：ABBCCAAB共三拍。,AB通电,BC通电,CA通电,40,比较：以上三种工作方式，三相双三拍和三相单双六拍较三相单三拍稳定，因此较常采用。,工作方式为三相双三拍时，每通入一个电脉冲，转子也是转30，即=30。,实际使用的步进电机，一般都要求有较小的步距角，因为步距角越小所达到的位置精度越高。,41,4、小步距角的步进电动机,实际采用的步进电机的步距角多为3和1.5，步距角越小，机加工的精度越高。,为产生小步距角，定、转子都做成多齿的，图中转子40个齿，定子仍是6个磁极，但每个磁极上也有五个齿。为使转、定子的齿对齐，定子磁极上的小齿，齿宽和齿槽和转子相同。,42,转子的齿距等于360/40=9，齿宽、齿槽各4.5。,为使转、定子的齿对齐，定子磁极上的小齿，齿宽和齿槽和转子相同。,43,1）工作原理：假设是单三拍通电工作方式。,（1）A相通电时，定子A相的五个小齿和转子对齐。此时，B相和A相空间差120，含120/9=齿，A相和C相差240，含240/9=个齿。所以，A相的转子、定子的五个小齿对齐时，B相、C相不能对齐，B相的转子、定子相差1/3个齿（3），C相的转子、定子相差2/3个齿（6）。,（2）A相断电、B相通电后，转子只需转过1/3个齿，使B相转子、定子对齐。同理，C相通电再转3。若工作方式改为三相六拍，则每通一个电脉冲，转子只转1.5。,44,5、步距角和转速计算,1）步距角,mk：一个周期的运行拍数Z：转子齿数,如：Z=40,mk=3时,45,每输入一个脉冲，电机转过,即转过整个圆周的1/(Zmk）,也就是1/(Zmk）转,因此每分钟转过的圆周数，即转速为,式中：n转速（r/min);f脉冲频率，即每秒输入步进电机的脉冲数；q用度数表示的步距角。,2）转速,46,6、步进电机的特点,（1）步进电机的输出转角与脉冲频率严格成正比，所以控制输入步进电机的脉冲个数就能控制位移量；（2）步进电机的转速与输入的脉冲频率成正比，只要控制脉冲频率就能调节步进电机的转速；（3）当停止送入脉冲时，只要维持绕组内电流不变，电机轴可以保持在某固定位置上，不需要机械制动装置；（4）改变通电相序即可改变电机转向；（5）步进电机存在齿间相邻误差，但不存在累积误差。,47,7、步进电机的使用特性：,1）步距误差。步距误差直接影响执行部件的定位精度。当单相通电时，步距误差决定于定子转子的分齿精度以及各相定子错位角度的精度；多相通电时，步距误差还与各相电流的大小、磁路性能等因素有关。国产步进电机的步距误差一般为1015，功率步进电机的步距误差一般为2025。,48,2）最高启动频率和最高工作频率。空载时，步进电机由静止突然启动，并不失步地进入稳速运行，所允许的启动频率的最高值称为最高启动频率。当启动频率大于最高启动频率时，电机便不能正常运行。最高启动频率fg与步进电机的负载惯量J有关，J增大则fg将下降。步进电机连续运行时所能接受的最高频率称为最高工作频率。它与步距角一起决定执行部件的最大运动速度。它决定于负载惯量J，还与定子相数，通电方式，控制电路的功率放大级等因素有关。,49,步进电动机的输出转矩与控制脉冲频率之间的关系称为矩频特性。,步进电动机矩频特性,特点下降曲线。以最大负载转矩（启动转矩）Tq为起点，随着控制脉冲频率增加，步进电动机的转速逐步升高、而带负载能力却下降。,3）输出的转矩-频率特性。,50,绕组电感影响绕组中的电流上升和下降都需要一定的时间。当脉冲频率较低时绕组通电的周期较长，电流的平均值较大，电动机获得的能量较高，能维持较高的转矩；当脉冲频率较高时，绕组中通电的周期较短,电流的平均值较小，电动机获得的能量较少，转矩下降。,铁耗：随着频率上升，转子转速升高，在定子绕组中产生的附加旋转电势使电动机受到更大的阻尼转矩，铁芯的涡流损失也增加。,矩频特性下降的原因,根据负载要求参照高频输出转矩来选用步进电机的规格。,51,改进工作方式采用多相励磁的工作方式，例如，三相步进电动机的双三拍、六拍方式。多相励磁工作方式使每一相通电的时间延长，电动机就能获得较多的能量，使高额时输出的转矩增加。,提高矩频特性的高频性能措施,52,6.2.3步进电动机的开环系统设计,步进电机开环系统设计要解决的主要问题：1、传动计算2、进给指令的给定3、驱动电路设计或选择。1、步进电机开环进给系统的传动计算图中：f脉冲频率（Hz）q步距角（度）Z1、Z2传动齿轮齿数t螺距（mm）d脉冲当量（mm）,53,传动比选择：为了凑脉冲当量mm，也为了增大传递的扭矩，在步进电机与丝杆之间，要增加一对齿轮传动副，那么，传动比i=Z1/Z2与q、d、t之间有如下关系：,例：d=0.01t=6mmq=0.75,54,2、进给速度F：一般步进电机：若：d=0.01mm则：若：d=0.001mm则：因此，当一定时，与d成正比，故我们在谈到步进电机开环系统的最高速度时，都应指明是在多大的脉冲当量d下的，否则是没有意义的。,55,驱动电路通常由环形分配器和功率放大器组成。,1）环形分配器,硬件环形分配器软件环行分配器软件环形分配器只需编制不同的软件环分程序，将其存入CNC装置的EPROM中即可。,3、步进电机的驱动电路,作用：将数控装置送来的一系列指令脉冲按一定的顺序和分配方式，控制绕组的通电、断电，实现电动机的正反转。,56,2）功率放大器,功率放大器作用：将环形分配器输出的TTL电平的通电状态信号经过几级功率放大，用于控制步进电动机各相绕组电流按一定顺序切换。,脉冲分配器输出的电流很小，必需经过功率放大。过去常采用高低压驱动电源，现在则多采用恒流斩波和调频调压等形式的驱动电源。,57,3）驱动装置与数控系统的连接,硬件环形分配器与数控装置的连接,58,软件环形分配器与数控装置的连接,59,步进电机的步距角精度；机械传动部件的精度；丝杆等机械传动部件、支承的传动间隙；传动件和支承件的变形。,4、影响步进电机开环系统传动精度的因素,60,5、提高步进电机开环系统传动精度的措施,1）适当提高系统组成环节的精度；2）采取各种精度补偿措施,传动间隙补偿：在整个行程范围内测量传动机构传动间隙，取其平均值存放在数控系统中的间隙补偿单元，当进给系统反向运动时，数控系统自动将补偿值加到进给指令中，从而达到补偿目的。螺距误差补偿：首先测量出进给丝杠螺距误差曲线(规律)，然后可采用下列两种方法实现误差补偿：硬件补偿、软件补偿。,61,6.3闭环进给伺服系统,6.3.1闭环进给伺服系统的组成及工作原理,6.3.2直流伺服电机及速度控制单元,6.3.3交流伺服电机及速度控制单元,6.3.4直线电机在数控机床进给驱动中的应用,6.3.5主轴驱动简介,62,6.3.1闭环进给伺服系统的组成及工作原理,1、闭环进给伺服系统的组成,内环是速度环外环是位置环,63,2、闭环进给伺服系统的工作原理,由CNC插补得到的指令进给位移量F与位置检测反馈的机床移动部件（如工作台）实际位移量Pf进入位置控制模块的比较环节后，可得到位置偏差e（eF-Pf）。位置控制模块除了完成理论位置与反馈的实际位置相比较外，还要完成位置回路的增益调整以及将位置偏差作为指令速度控制命令VCMD发往速度控制单元。而速度控制单元的任务则是根据指令速度控制命令VCMD值的大小，来控制伺服电动机转速的大小。,64,6.3.2直流伺服电机及速度控制单元,1、直流伺服电机的工作原理,直流电机的工作原理是建立在电磁力定律基础上的，电磁力的大小正比于电机中的气隙磁场。定子：永磁体；转子：电枢。,65,电机转矩系数,电机电枢电流,导体切割磁力线而产生的反电动势：,电势系数,电枢转速,电枢角速度,2、直流伺服电机的调速控制,电磁转矩,电磁力矩常数,反电动势常数,66,作用在电枢的电压等于反电势与电枢电压降之和,67,调节电机的转速的三种方法：1）改变电枢电压U；2）改变磁通量F，即改变ke的值。改变激磁回路的电阻Rj以改变激磁电流Ij，可以达到改变磁通量的目的。3）在电枢回路中串联调节电阻Rt，转速计算公式为：,68,调节电机的转速的比较调节激磁回路电阻方法，虽然容易控制，但激磁回路的电感大，因此，电气时间常数较大，调速的快速性较差；激磁回来串联电阻只能使激磁电流减小，所以转速只能提高；在电枢回来中串接电阻，转速只能调低，而且电阻上的铜耗大，这种方法不经济；磁通量与电枢电阻固定不变，改变电枢电压的调速方法，尽管需要附加调压设备，但是它的调速范围大，所以直流伺服电机常用改变电枢电压的方法调速。,69,1）机械特性,电枢电压U一定，激磁电压不变的情况下，除n和M以外都是常数，n与M的关系如图。,3、直流伺服电机的特性,70,电机没有负载转矩且没有空载损耗时，理想空载转速为：,当转速为零，则此时的转矩称为堵转转矩：,71,k大，对某一转矩变化DM，转速变化Dn也大，说明机械特性软；反之k小，则机械特性硬。,Ra大，则k大，说明机械特性软；反之Ra，则k小，则机械特性硬。,思考：数控机床对电动机机械特性有什么要求？,72,2）直流伺服电机的动态特性,电机及负载的转动惯量,电枢绕组不仅有电阻，且有电感，则在过渡过程中电枢电流是变化的，所以电枢回路中将产生电抗压降。,电机稳定运行时，电磁转矩应等于负载转矩，但是在启动或制动的过渡过程中，电机还要克服惯性转矩，因此转矩平衡方程为：,73,电机的机械时间常数，表示加上电枢电压后，转速达到额定值的响应过程的时间,电机的电气时间常数，表示加上电枢电压后，电枢电流达到额定值的响应过程的时间,TM和TE的乘积表示了U为输入，w为输出时的时间常数，它反映了电机响应的快慢程度,74,电机的机械时间常数，表示加上电枢电压后，转速达到额定值的响应过程的时间,电机的电气时间常数，表示加上电枢电压后，电枢电流达到额定值的响应过程的时间,令,75,等式两边进行拉氏变换,76,空载条件下，直流伺服电机的角速度,负载作用下造成电机的角速度下降,空载情况下，ML=0，电机转速为：,拉氏反变换,当,则,电枢受阶跃电压作用,77,讨论当4TETM，则，这时电机的过渡过程如图所示，为非周期的过程。电机的电感La比较小，Ra及J均较大时，电机速度的过渡过程属于这种过程。,当4TETM，这时过渡过程如下图示。Ra及J均较小，电机的电感La很大时，电机速度的过渡过程将出现振荡现象。,78,在大多数情况下，特别是放大器内阻与电枢绕组相串联时，有TMTE，此时TE可忽略不计，在空载和阶跃速度输入作用时，方程简化为：,电机的机械时间常数可定义为：电机在空载情况下，加上阶跃的额定电压后，速度上升到理想空载速度的63.2%所需的时间。,此时，过渡过程也基本结束，所以3TM称为过渡过程时间。,79,当电机带有负载时，电机轴上的转动惯量包括负载惯量JL及电机本身的惯量J0。电枢回路的电阻包括内阻Ra及放大器内阻Ri。若总惯量及总电阻越大，则机械时间常数越大，过渡过程时间就越长。,80,堵转时电枢电流,堵转时,机械特性的斜率k小，即机械特性硬，则机械时间常数小，过渡过程短；反之则机械时间常数大，过渡过程长。同时力矩惯性比越大，则过渡过程短，反之过渡过程长。,力矩惯性比,81,3、直流速度控制单元调速控制方式,晶闸管调速系统（SCR）：采用三相全控桥式整流电路作为直流速度控制单元的主回路，通过对12个晶闸管触发角的控制，达到控制电动机电枢电压的目的。脉宽调速系统（PWM）：利用脉宽调制器对大功率晶体管的开关时间进行控制，将直流电压转换成某一频率的方波电压，加到电动机电枢的两端，通过对方波脉冲宽度的控制，改变电枢的平均电压，从而达到控制电动机转速的目的。,82,二者的区别可控硅是直接对交流电进行控制；PWM是先将交流整流成稳定的直流电压，再对直流电压进行开关控制，PWM由于频率高，所以电流脉动小。中小功率的伺服驱动装置中，大多采用性能优异的PWM，而在大功率场合中，则采用SCR。,83,直流电动机固有的缺点1）直流电动机的电刷和换向器易磨损，需经常维护。2）直流电动机的换向器换向时会产生火花，使电动机的最高转速受到限制，也使应用环境受到限制。3）直流电动机的结构复杂，制造困难，所用铜材料消耗大，制造成本高。,84,6.3.3交流伺服电机及速度控制单元,1、结构,交流伺服电机也可称为同步电机。,1、电机轴2、前端盖3、三相绕组线圈4、压板5、定子6、磁钢（转子）7、后压板8、动力线接头9、后端盖10、反馈插头11、脉冲编码器12、电机后壳,85,2、永磁式交流同步伺服电动机工作原理,1）给定子通三相交流电流，由定子产生旋转磁场。2）转子磁场和定子的磁场相吸引，在旋转磁场的带动下产生旋转。3）通过转子位置的检测，系统保证旋转过程同步。,86,交流异步电机的转速表达式为：,式中f1定子电源频率（Hz）；p磁极对数；s转差率。,调速方法有变转差率、变磁极对数及变频三种。靠改变转差率对异步电机进行调速时，低速时转差率大，转差损耗功率也大，效率低。变极调速只能产生二种或三种转速，不可能做成无级调速，应用范围较窄。,变频调速是从高速到低速都可以保持有限的转差率，故它具有高效率、宽范围和高精度的调速性能，可以认为是一种理想的调速方法。,87,3、永磁式同步交流伺服电动机的速度控制单元,按其工作原理、驱动电流波形的控制方式可分为：矩形波电流驱动的永磁交流伺服系统；正弦波电流驱动的永磁交流伺服系统。前者的永磁交流伺服电动机也称为无刷直流伺服电动机，后者的也称为无刷交流伺服电动机。从发展趋势看，正弦波（SPWM）驱动将成为主流。,88,1、结构,6.3.4直线电机在数控机床进给驱动中的应用,目前，由“旋转伺服电动机滚珠丝杠”构成的传统直线运动进给方式已很难适应高速、高精的要求。,结构：1导轨；2次级；3初级；4检测系统,89,直线电动机的工作原理与旋转电动机相比，并没有本质的区别，就是将旋转电动机的转子、定子以及气隙分别沿轴线剖开，展成平面状，使电能直接转换成直线运动机械能。定子初级转子次级,2、直线电动机工作原理,90,3、使用直线电动机的高速机床系统的特点,1）速度高，可达60200m/min。2）惯性小，加速度特性好，可达12g，易于高速精定位。3）直线伺服电动机没有机械滞后或齿节周期误差，精度完全取决于反馈系统的检测精度。4）直线电动机上装配全数字伺服系统，可以达到极好的伺服性能。5）无中间传动环节，不存在摩擦磨损、反向间隙等问题，可靠性高，寿命长。,91,3、使用直线电动机的高速机床系统的特点,6）直线电动机系统在动力传动中由于没有低效率的中介传动部件而能达到高效率，可获得很好的动态刚度。7）行程长度不受限制，并可在一个行程全长上安装使用多个工作台。8）由于直线电动机的动件（初级）已和机床的工作台合二为一，因此，和滚珠丝杠进给单元不同，直线电动机进给单元只能采用全闭环控制系统。,92,4、直线电动机在机床上的应用存在的问题,1）由于没有机械联接或啮合，因此垂直轴需要外加一个平衡块或制动器。2）当负荷变化大时，需要重新整定系统。目前，大多数现代控制装置具有自动整定功能，因此能快速调机。3）磁铁（或线圈）对电动机部件的吸力很大，因此应注意选择导轨和设计滑架结构，并注意解决磁铁吸引金属颗粒的问题。,93,6.3.5主轴驱动简介,主传动电动机应有2.2150kW的功率范围，主驱动系统要求在1:1001:1000范围内进行恒转矩和1:10的恒功率调速，而且要求在主轴的两个转向中任一方向都可进行传动和加减速，即要求有4象限的驱动能力。,直流主轴驱动系统中，由于直流电动机的换向限制，大多数系统恒功率调速范围都非常小。因此，它成了主轴直流电气传动的一个大问题。到了20世纪70年代末、80年代初开始采用交流驱动系统，现在国际上新生产的数控机床绝大部分采用交流主轴驱动系统。交流电主轴电动机是一种具有笼式转子的三相感应电动机，也称为三相异步电动机。,94,主轴电动机可以作为进给电动机在大约0.01300r/min的低速范围内工作，实现进给坐标控制，这称为C轴控制。,旋转磁场的转速称为同步转速，转差率S为转子的转速目前大多数数控机床的交流主轴控制采用矢量控制。,95,6.4.1概述,6.4.2感应同步器位置检测装置,6.4检测元件,6.4.3旋转变压器位置检测装置,6.4.4磁尺位置检测装置,6.4.5光栅位置检测装置,6.4.6激光干涉位置检测装置,6.4.7脉冲编码器,96,6.4.1概述,位置检测装置是数控机床的重要组成部分。作用：检测位移和速度，并发出反馈信号和数控装置发出的指令信号相比较，构成半闭环、闭环控制。,97,98,1、要求1）受温度、湿度影响小，工作可靠，能长期保持精度，抗干扰能力强。2）在机床执行部件移动范围内，能满足精度和速度的要求。3）使用维护方便，适应机床工作环境。4）成本低。,99,2、检测元件的精度指标系统精度：在一定长度或转角内测量累积误差的最大值（0.0010.02mm/m，10/360）系统分辨率：所能正确检测的最小位移量0.0010.01mm，2（取1/31/10机床加工精度）,100,3、分类根据工作条件和测量要求不同，可采用不同的测量方式。1）按输出信号的形式分类：数字式测量和模拟式测量；2）按测量基点的类型分类：增量式测量和绝对式测量；3）按位置检测元件的运动形式分类：回转型和直线型；4）按位置检测元件的安装位置分类：直接测量和间接测量。,101,102,工作原理的分析要点要检测的位移反映在位置检测元件的什么部分?如何将位移转换成相应的电信号的检测量?用电的检测信号的什么量(脉冲幅值相位频率)来标定位移量的大小?,103,6.4.2感应同步器位置检测装置,1、感应同步器的结构参数,直线型感应同步器：由定尺和滑尺组成。圆型感应同步器：由转子和定子组成。,104,2、直线型感应同步器的工作原理,滑尺与定尺相互平行，并保持一定的间距。滑尺通以交流激磁电压，按正弦规律变化的磁场，定尺上感应电压，定尺上感应电压随位移的变化而变化（相同频率）。,105,当滑尺任意一绕组加交流激磁电压时，由于电磁感应作用，在定尺绕组中必然产生感应电压，该感应电压取决于滑尺和定尺的相对位置。,106,若励磁电压为：,则在定尺绕组产生感应电势e：,式中：Um励磁电压幅值（V）；w励磁电压角频率（rad/s）；k比例常数，值与绕组间最大互感系数有关；q滑尺相对定尺在空间的相位角。,107,规律滑尺移动一个节距2t，感生电动势按余弦波形变化一个周期2p，在一个节距内：结论：相对位移量x与相位角q呈线性关系，只要能测出相位角q，就可求得位移量x。,108,根据滑尺正、余旋绕组上激磁电压Us、Uc供电方式的不同可构成不同检测系统。1）鉴相型系统2）鉴幅型系统,3、感应同步器输出信号的处理方式,109,1）鉴相方式根据感应输出电压的相位来检测位移量的一种工作方式。在滑尺上的正弦、余弦励磁绕组上供给同频率、同幅值、相位相差90的交流电压，即：,Us和Uc单独励磁，在定尺绕组上感应电势分别为：,110,根据叠加原理，定尺绕组上总输出感应电势e为：,由上式可知，通过鉴别定尺输出的感应电势的相位，就可测量定尺和滑尺之间的相对位置。,例：定尺输出感应电势与滑尺励磁电压之间相位差为3.6，在2t2mm的情况下：,它表明滑尺相对定尺节距为零的位置移动了0.02mm。,111,鉴相系统方框图,指令信号,反馈信号（感应电压）,误差信号,112,2）鉴幅方式,根据定尺输出的感应电势的振幅变化来检测位移量的一种工作方式。在滑尺的正弦、余弦绕组上供给同频率、同相位，但不同幅值的励磁电压，即：,两电压分别励磁时，在定尺绕组上产生的输出感应电势分别为：,式中f励磁电压的给定相位角。,113,根据叠加原理，定尺上输出总感应电势为：,若原始状态f=q，则e0。然后滑尺相对定尺有一位移，使q=q+Dq，则感应电势的增量为：,由此可知，在Dx较小的情况下，De与Dx成正比，也就是鉴别De的幅值，即能测量Dx大小。当Dx较大时，通过改变f，使fq，则De=0，根据f可以确定q，从而测量位移量Dx。,114,鉴幅系统方框图,115,感应同步器的特点及使用注意的事项（1）精度高；（2）可拼接成各种需要的长度；（3）对环境的适应性强；（4）使用寿命长；（5）注意安装间隙。,116,6.4.3旋转变压器位置检测装置,1、旋转变压器的结构,117,2、旋转变压器的工作原理,工作原理：根据互感原理工作，平行时互感最大，副边感应电动势最大；垂直时互感为零，副边感应电动势最小。,118,副边绕组产生的感应电压为,119,实际使用时通常采用多极形式，如正余弦旋转变压器，其定子和转子绕组匝数相等，轴线相互垂直。一个转子绕组作为输出信号，另一个转子绕组接高阻抗作为补偿。,120,3、旋转变压器的工作方式,旋转变压器作为位置检测装置，有两种典型工作方式，鉴相式和鉴幅式。鉴相式是根据感应输出电压的相位来检测位移量；鉴幅式是根据感应输出电压的幅值来检测位移量。,121,鉴相方式正弦绕组和余弦绕组分别加上幅值相同、频率相同、相位相差90的正弦交流电压：,122,鉴幅方式正弦绕组和余弦绕组分别加上频率相同、相位相等、幅值分别按正弦、余弦规律变化的交变电压：,123,6.4.4磁尺位置检测装置,磁尺位置检测装置是由磁性标尺、磁头和检测电路组成。工作原理：利用录磁的原理将一定周期变化的正弦波或脉冲电信号，用录磁磁头记录在磁性标尺的磁膜上，作为测量的基准。检测时，用拾磁磁头将磁性标尺上的磁信号转换成电信号，经过检测电路处理后，用以计量磁头相对磁尺之间的位移量。,124,1、磁性标尺,磁性标尺是在非导磁材料如铜、不锈钢、玻璃或其它合金材料的基体上，用涂敷、化学沉积或电镀上一层硬磁性材料，并在它的表面上录制相等节距周期变化的磁信号。在实际应用中，为防止磁头对磁性膜的磨损，一般在磁性膜上均匀地涂上一层厚12mm的耐磨塑料保护层，以提高磁性标尺的寿命。,125,2、磁头拾磁磁头是进行磁电转换的器件，它将磁性标尺上的磁信号检测出来，并转换成电信号。磁尺的拾磁磁头与一般录音机上使用的单间隙速度响应式磁头不同，它不仅能在磁头与磁性标尺之间有一定相对速度时拾取信号，而且也能在它们相对静止时拾取信号，它是一种磁通响应型磁头。,126,127,128,3、检测线路检测线路包括激磁电路，读取信号的滤波、放大、整形、倍频、细分、数字化和计数等线路。根据检测的方法不同，检测电路分为鉴幅型和鉴相型两种。（一）鉴幅型系统工作原理两磁头相对于磁尺每移动一个节距发出一个正（余）弦信号，经信号处理后可进行位置检测。,（二）鉴相型系统工作原理与感应同步器类似。,129,6.4.5光栅位置检测装置,光栅是闭环伺服系统中使用较多的一种光学测量元件，用以测量长度、角度、速度、加速度、振动和爬行等。,1、光栅的种类1）直线光栅（1）透射光栅：在玻璃的表面上制成透明与不透明间隔相等的线纹。（2）反射光栅：在钢直尺或不锈钢带的镜面上用照相腐蚀工艺制作光栅，或用钻石刀直接刻划制作光栅线纹。,130,特点透射光栅信号幅值大，信噪比好，刻纹密度大，一般每毫米100、200、250条刻纹。反射光栅的线膨胀系数可做到和机床一致，接长方便，线纹密度一般为每毫米4、10、25、40或50条。,2）圆光栅,131,2、直线透射光栅的组成,光栅位置检测装置由光源、长光栅（标尺光栅）、短光栅（指示光栅）、光电接收元件等组成。指示光栅与标尺光栅刻度等宽。,132,光栅的结构1-防护垫2-光栅读数头3-标尺光栅4-防护罩,光栅读数头1-光源2-凸透镜3-指示光栅4-光敏元件5-驱动线路,光栅读数头由光源、透镜、指示光栅、光敏元件和驱动线路组成，是一个单独的部件。,133,长光栅安装在机床固定部件上，长度相当于工作台移动的全行程，短光栅则固定在机床移动部件上。,134,3、直线透射光栅的工作原理,长、短光栅保持一定间隙（0.050.1mm）重叠在一起，并在自身的平面内转一个很小角度q。在光源的照射下，交叉点附近的小区域内黑线重叠，形成黑色条纹，其它部分为明亮条纹，这种明暗相间的条纹称为莫尔条纹。,135,莫尔条纹与光栅线纹几乎成垂直方向排列。严格地说，是与两片光栅线纹夹角的平分线相垂直。当光栅移动一个栅距，莫尔条纹也移动一个纹距。,136,莫尔条纹的特点,放大作用当交角q很小时，栅距d和莫尔条纹节距W（单位：mm）有下列关系：,莫尔条纹的节距为光栅栅距的1/q倍。,例：栅距d=0.01，q=0.001rad，得W=10mm，放大1000。因此，不需要经过复杂的光学系统，便将光栅的栅距放大了1000倍，大大减化了电子放大线路，这是光栅技术独有的特点。,137,平均效应莫尔条纹是由若干线纹组成，例如每毫米100线的光栅，10mm长的莫尔条纹，等亮带由2000根刻线交叉形成。因而对个别栅线的间距误差（或缺陷）就平均化了，这在很大程度上消除了短周期误差的影响。因此莫尔条纹的节距误差就取决于光栅刻线的平均误差。,138,莫尔条纹的移动规律莫尔条纹的移动与栅距之间的移动成比例，当光栅向左或向右移动一个栅距d，莫尔条纹也相应地向上或向下准确地移动一个节距W。只要通过光电元件测出莫尔条纹的数目，就可知道光栅移动了多少个栅距，工作台移动的距离可以计算出来。由于光的衍射与干涉作用，莫尔条纹的变化规律近似正（余）弦函数，变化周期数与两光栅相对移过的栅距数同步。,139,4、直线光栅检测装置的辨向,当光栅移动一个栅距，莫尔条纹便移动一个条纹宽度，它在移动一个栅距期间明暗变化了一个周期，理论上光栅亮度变化是一个三角波形，但由于漏光和不能达到最大亮度，被削顶削底后而近似一个正弦波。硅光电池将近似正弦波的光强信号变为同频率的电压信号，经光栅位移数字变换电路放大、整形、微分输出脉冲。每产生一个脉冲，就代表移动了一个栅距的位移，通过对脉冲计数便可得到工作台的移动距离。,光栅的实际亮度变化,光栅的输出波形图,140,5、提高光栅分辨率的措施,提高刻线精度和增加刻线密度，但制造成本高；采用倍频。如果在莫尔条纹的宽度内，放置四个光电元件，每隔1/4光栅栅距产生一个脉冲，一个脉冲代表移动了1/4栅距的位移，分辨精度可提高四倍，这就是四倍频方案。,141,四倍频方案,142,143,若光栅栅距0.01mm，则工作台每移动0.0025mm，就会送出一个脉冲，即分辨率为0.0025mm。由此可见，光栅检测系统的分辨力不仅取决于光栅尺的栅距，还取决于鉴向倍频的倍数。除四倍频以外，还有十倍频、二十倍频等。,144,6、光栅检测装置的特点,莫尔条纹对刻线局部误差有平均作用，栅距误差对测量精度影响较小，还可采用倍频的方法来提高分辨率力，测量精度高。在检测过程中，标尺光栅与指示光栅不直接接触，无磨损，精度可以长期保持。光栅刻线要求精确，两光栅之间的间隙及倾角都要求保持不变，故制造、调试比较困难。,145,6.4.6激光干涉位置检测装置,1、激光的特殊性能,（1）高度相干性；（2）方向性好；（3）高度单色性；（4）高亮度。,146,2、激光干涉法测距原理,激光干涉仪利用光的干涉原理使激光束产生明暗相间的干涉条纹，由光电元件接受并转换为电信号，经处理后由计数器计数，从而实现对位移的测量。,147,6.4.7脉冲编码器,脉冲编码器用以测量轴的旋转角度位置和速度变化，其输出信号为电脉冲。在数控机床上属间接测量，它通常与驱动电动机同轴安装。,148,1、脉冲编码盘分类按码盘的读取方式可分为光电式、接触式和电磁式。就精度与可靠性来讲，光电式脉冲编码器优于其它两种，在数控机床上使用较多。,按照编码化的方式，可分为增量式和绝对值式两种。,149,亦称光电