机床电气控制与PLC伺服系统学习教案

1、会计学1机床机床(jchung)电气控制与电气控制与PLC 伺服系统伺服系统第一页，共123页。第1页/共122页第二页，共123页。工件的外形和尺寸的最终目的。伺服系统的性能，在很大程度上决定了数控机床的性能。第2页/共122页第三页，共123页。图8-1 伺服系统结构(jigu)框图 第3页/共122页第四页，共123页。第4页/共122页第五页，共123页。图8-2 开环伺服系统结构(jigu)示意图 第5页/共122页第六页，共123页。闭环位置控制。如图闭环位置控制。如图8-3所示。所示。图8-3 闭环伺服系统结构(jigu)示意图 第6页/共122页第七页，共123页。图8-4 半

2、闭环伺服系统结构(jigu)示意图 第7页/共122页第八页，共123页。场合。场合。第8页/共122页第九页，共123页。机两种。交流异步型电动机一般机两种。交流异步型电动机一般用于主轴交流伺服系统，交流同用于主轴交流伺服系统，交流同步型伺服电机，一般用于进给伺步型伺服电机，一般用于进给伺服电机。服电机。第9页/共122页第十页，共123页。(bjio)伺服系统和全数字伺服系伺服系统和全数字伺服系统。统。第10页/共122页第十一页，共123页。第11页/共122页第十二页，共123页。n在给定新的输入指令在给定新的输入指令(zhlng)信信号或外界干扰作用下，号或外界干扰作用下， 能在短暂

3、能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢的调节过程后，达到新的或者恢复到原来的稳定状态。复到原来的稳定状态。第12页/共122页第十三页，共123页。第13页/共122页第十四页，共123页。第14页/共122页第十五页，共123页。电动机必须电动机必须(bx)具备小的转动具备小的转动惯量和较大的制动转矩，尽可能惯量和较大的制动转矩，尽可能小的机电时间常数和起动电压。小的机电时间常数和起动电压。n电动机应具备能承受频繁的电动机应具备能承受频繁的正、反转、制动。正、反转、制动。第15页/共122页第十六页，共123页。进给伺服电动机进给伺服电动机/i 系列系列(xli)/i系列系列(xli)直线直线

4、(zhxin)电动机电动机第16页/共122页第十七页，共123页。进给伺服放大器进给伺服放大器系列系列(xli)伺服伺服放大器放大器i 系列系列(xli)伺服放大伺服放大器器第17页/共122页第十八页，共123页。进给伺服电动机进给伺服电动机联轴器联轴器滚珠滚珠(gnzh)(gnzh)丝丝杠杠进给伺服电动机及传动进给伺服电动机及传动(chundng)机构机构第18页/共122页第十九页，共123页。第19页/共122页第二十页，共123页。第20页/共122页第二十一页，共123页。第21页/共122页第二十二页，共123页。第22页/共122页第二十三页，共123页。第23页/共122页

5、第二十四页，共123页。模拟量主轴模拟量主轴(zhzhu)放大器（变频器）放大器（变频器）主主 轴轴 放放 大大 器器串串 行行 主主 轴轴 放放 大大 器器第24页/共122页第二十五页，共123页。主主 轴轴 电电 动动 机机普通型和变频普通型和变频(bin pn)专专用电动机用电动机串行数字串行数字(shz)主轴主轴电动机电动机第25页/共122页第二十六页，共123页。带传动带传动(chundng)（经过（经过一级降速）一级降速）经过经过(jnggu)一级齿轮一级齿轮的带传动的带传动主主 轴轴 传传 动动 机机 构构第26页/共122页第二十七页，共123页。几级降速齿轮几级降速齿轮(

6、chln)传动传动主主 轴轴 传传 动动 机机 构构内装式电机内装式电机(dinj)(dinj)主轴单元主轴单元 （电主轴）（电主轴）第27页/共122页第二十八页，共123页。第28页/共122页第二十九页，共123页。步进电机结构步进电机结构(jigu)和工作原理和工作原理第29页/共122页第三十页，共123页。相控制绕组。第30页/共122页第三十一页，共123页。图8-5 三相(sn xin)反应式步进电机结构示意图 第31页/共122页第三十二页，共123页。步进电机步进电机(dinj)工作原理工作原理第32页/共122页第三十三页，共123页。图8-6 三相(sn xin)反应式

7、步进电动机工作原理图 第33页/共122页第三十四页，共123页。冲频率成正比，通过控制脉冲频冲频率成正比，通过控制脉冲频率可实现宽范围内调节步进电动率可实现宽范围内调节步进电动机的转速。机的转速。第34页/共122页第三十五页，共123页。现累积误差,但当转子转过一转以后，而累积误差为“零”，所以不会长期积累。第35页/共122页第三十六页，共123页。第36页/共122页第三十七页，共123页。图8-7 为步进电机驱动器的外形及接口(ji ku)图 图8-8 拨动开关示意图步进电机驱动步进电机驱动(q dn)装置及其应用装置及其应用第37页/共122页第三十八页，共123页。图8-9 步进

8、电机动(jdng)装置典型的接线图 第38页/共122页第三十九页，共123页。第39页/共122页第四十页，共123页。概述概述(i sh)第40页/共122页第四十一页，共123页。n快速响应性好：直流伺服电快速响应性好：直流伺服电动机具有较大的起动转矩和小的动机具有较大的起动转矩和小的转动惯量。可控性好，时间常数转动惯量。可控性好，时间常数小。小。n转矩大：直流伺服电动机广转矩大：直流伺服电动机广泛应用在宽调速系统和精确位置泛应用在宽调速系统和精确位置控制系统上，输出功率从控制系统上，输出功率从1瓦至数瓦至数百瓦，甚至可达数千瓦。百瓦，甚至可达数千瓦。第41页/共122页第四十二页，共1

9、23页。第42页/共122页第四十三页，共123页。直流主轴电动机及其驱动直流主轴电动机及其驱动(q dn)控制控制第43页/共122页第四十四页，共123页。n改变电枢电路的电阻值。但得到的机械特性较软,在数控机床上很少采用。直流主轴直流主轴(zhzhu)驱动控制系统驱动控制系统第44页/共122页第四十五页，共123页。的相位，调节励磁绕组的电流大的相位，调节励磁绕组的电流大小，实现电动机的恒功率弱磁调小，实现电动机的恒功率弱磁调速。速。第45页/共122页第四十六页，共123页。第46页/共122页第四十七页，共123页。 (a)主电路(dinl) (b)简图 图8-10可逆调速系统的主

10、电路(dinl)第47页/共122页第四十八页，共123页。第48页/共122页第四十九页，共123页。第49页/共122页第五十页，共123页。图8-11 三相(sn xin)桥式反并联四象限运行示意图第50页/共122页第五十一页，共123页。第51页/共122页第五十二页，共123页。第52页/共122页第五十三页，共123页。第53页/共122页第五十四页，共123页。第54页/共122页第五十五页，共123页。(fzi)减小时，Q角随着减小。第55页/共122页第五十六页，共123页。图8-13 交流(jioli)伺服电动机工作原理图 图8-14 永磁式交流伺服电动机的结构1一定(y

11、dng)子铁心;2一转子;3一定(ydng)子绕组;4一位置检测元件;5一接线盒第56页/共122页第五十七页，共123页。;n结构紧凑，在相同功率下有较小的质量和体积n散热性能好。第57页/共122页第五十八页，共123页。器。变频变频(bin pn)控制器控制器第58页/共122页第五十九页，共123页。波调制波调制)变频控制器。交变频控制器。交-直直-交变交变频器原理示意图如图频器原理示意图如图9-15所示。所示。第59页/共122页第六十页，共123页。9-15 交-直-交变频器 第60页/共122页第六十一页，共123页。也可这样处理。如果幅值改变也可这样处理。如果幅值改变(gibi

12、n)，则各等高矩形脉冲的，则各等高矩形脉冲的宽度也相应改变宽度也相应改变(gibin)，这就，这就是与正弦波等效的正弦脉宽调制是与正弦波等效的正弦脉宽调制波波(SPWM)。第61页/共122页第六十二页，共123页。图8-16 等效(dn xio)的SPWM波形 图8-17三相正弦波与三角(snjio)波相比较后产生的三相脉宽调制波第62页/共122页第六十三页，共123页。第63页/共122页第六十四页，共123页。图8-18 三相(sn xin)SPWM变频器主电路结构简图 第64页/共122页第六十五页，共123页。图8-21所示。变频器在机床变频器在机床(jchung)上的应用上的应用

13、第65页/共122页第六十六页，共123页。图8-19三菱FR-A500系列变频器的系统(xtng)组成 第66页/共122页第六十七页，共123页。 三菱FR-A500系列变频器的系统(xtng)接口电路 第67页/共122页第六十八页，共123页。图2-21 MINAS交流伺服系统总体设备连线(lin xin)情况 第68页/共122页第六十九页，共123页。分段无级变速控制。如图8-22所示，通常数控系统均提供(tgng)了2-4挡变速功能，而数控机床只需要2挡就可满足要求。主轴分段主轴分段(fn dun)无级调速及控制无级调速及控制第69页/共122页第七十页，共123页。图8-22

14、有无齿轮(chln)减速主轴的T(n)、P(n)曲线 第70页/共122页第七十一页，共123页。当S指令在01000r/min范围内变化时，M41指令所控制对应的齿轮啮合：当S指令在10013500 r/min范围内变化时，M42指令控制对应的齿轮啮合。第71页/共122页第七十二页，共123页。图8-23 分段(fn dun)无级变速 第72页/共122页第七十三页，共123页。主轴主轴(zhzhu)准停控制准停控制第73页/共122页第七十四页，共123页。图8-24 主轴(zhzhu)准停换刀图 图8-25 主轴(zhzhu)准停镗阶梯孔示意图 第74页/共122页第七十五页，共123

15、页。8-26 主轴准停控制过程(guchng)框图 图8-27 机械(jxi)准停原理示意图 第75页/共122页第七十六页，共123页。第76页/共122页第七十七页，共123页。第77页/共122页第七十八页，共123页。在主轴上直接安装另一个编码器。在主轴上直接安装另一个编码器。不管哪种方式，它们都具有主轴不管哪种方式，它们都具有主轴位置闭环控制功能。数控系统本位置闭环控制功能。数控系统本身具有编码器准停功能。如图身具有编码器准停功能。如图8-29所示。所示。第78页/共122页第七十九页，共123页。图8-29 编码器主轴(zhzhu)准停控制结构 图8-28 磁传感器准停控制系统(k

16、n zh x tn)构成 第79页/共122页第八十页，共123页。因此更加方便灵活。如用因此更加方便灵活。如用M19指令，指令，可在可在M19指令后用指令后用S值制定准停角度。值制定准停角度。第80页/共122页第八十一页，共123页。图8-30 数控系统控制主轴(zhzhu)准停结构 第81页/共122页第八十二页，共123页。第82页/共122页第八十三页，共123页。第83页/共122页第八十四页，共123页。电动机内装位置电动机内装位置(wi zhi)和速度和速度传感器传感器主轴主轴(zhzhu)位置与速位置与速度编码器度编码器主轴位置和速度主轴位置和速度(sd)检检测装置测装置第8

17、4页/共122页第八十五页，共123页。第85页/共122页第八十六页，共123页。第86页/共122页第八十七页，共123页。第87页/共122页第八十八页，共123页。图8-31 位置检测(jin c)装置框图 第88页/共122页第八十九页，共123页。n脉冲编码器可分为光电式、接触式和电磁感应式三种。n光电脉冲编码器又可分为增量式脉冲编码器和绝对式脉冲编码器。脉冲脉冲(michng)编码器编码器第89页/共122页第九十页，共123页。伺服电动机内装编码器伺服电动机内装编码器第90页/共122页第九十一页，共123页。独立型旋转独立型旋转(xunzhun)编码器编码器第91页/共122

18、页第九十二页，共123页。第92页/共122页第九十三页，共123页。第93页/共122页第九十四页，共123页。不透光相间的狭缝作透光用。狭不透光相间的狭缝作透光用。狭缝的数量可为几百条或几千条。缝的数量可为几百条或几千条。也可用精制的金属圆盘，在圆盘也可用精制的金属圆盘，在圆盘上再开出一定数量的等分圆槽缝，上再开出一定数量的等分圆槽缝，或在半径的圆周上钻出一定数量或在半径的圆周上钻出一定数量的孔，使圆盘产生明暗相间变化的孔，使圆盘产生明暗相间变化的区域。的区域。第94页/共122页第九十五页，共123页。计数码将反映出圆盘转过的角度。计数码将反映出圆盘转过的角度。第95页/共122页第九十

19、六页，共123页。（a） (b) 图8-32 增量(zn lin)式脉冲编码器的结构原理图第96页/共122页第九十七页，共123页。第97页/共122页第九十八页，共123页。第98页/共122页第九十九页，共123页。(a)增量(zn lin)式脉冲编码器辨向原理框图 (b)增量式脉冲(michng)编码器辨向原理波形图图8-33 增量式脉冲(michng)编码器辨向图 第99页/共122页第一百页，共123页。,、0010、1111的二进制输出。的二进制输出。第100页/共122页第一百零一页，共123页。 图834 四位(s wi)二进制编码盘 (a) (b) (c) 第101页/共1

20、22页第一百零二页，共123页。表了一圈的粗计角度检测，它和表了一圈的粗计角度检测，它和交流伺服电机交流伺服电机4对磁极的结构相对磁极的结构相对应，可实现对交流伺服电机的对应，可实现对交流伺服电机的磁场位置进行有效的控制。磁场位置进行有效的控制。第102页/共122页第一百零三页，共123页。其它其它(qt)位置检测器位置检测器第103页/共122页第一百零四页，共123页。相对位置的改变，所以其输出电压的大小也要随之改变。旋转变压器工作原理如图8-35所示。第104页/共122页第一百零五页，共123页。n圆感应同步器是由定子和转圆感应同步器是由定子和转子组成，转子相当于直线感应同子组成，转

21、子相当于直线感应同步器的定尺，定子相当于滑尺。步器的定尺，定子相当于滑尺。圆感应同步器按直径大小有圆感应同步器按直径大小有302mm, 178mm, 76mm, 50mm四四种。种。第105页/共122页第一百零六页，共123页。图8-36 直线感应同步器的安装图l-机床(jchung)不动部件 2-定尺 3-定尺座 4-防护罩 5-滑尺 6-滑尺座 7-机床(jchung)可动部件第106页/共122页第一百零七页，共123页。第107页/共122页第一百零八页，共123页。图8-37 直线(zhxin)磁栅1-尺身 2-接口 3-信号线 4-滑尺 5-密封唇第108页/共122页第一百零九

22、页，共123页。状磁栅。常用磁栅的外形结构如状磁栅。常用磁栅的外形结构如图图8-38所示。所示。第109页/共122页第一百一十页，共123页。图8-38 常用(chn yn)磁栅外形结构(a) 圆形磁栅 (b) 带状磁栅 (c)杆状磁栅第110页/共122页第一百一十一页，共123页。它具有体积小、无抖动、无触头、它具有体积小、无抖动、无触头、无接触检测等特点无接触检测等特点(tdin)。接近。接近开关外形图如图开关外形图如图8-39所示。所示。第111页/共122页第一百一十二页，共123页。(shbi)出有无金属物体接近，进出有无金属物体接近，进而实现控制开关的通或断。而实现控制开关的通或断。第112页/共122页第一百一十三页，共123页。属物体进行检