《机床数控原理与电气装调》-7

任务一Ｘ轴步进驱动线路连接一、数控系统与步进驱动的连接如图７－２所示为数控系统ＸＳ３０～ＸＳ３３接口（头孔座针）各引脚功能和定义，和步进驱动器相连的接口是ＸＳ３０，其中只有ＣＰ＋、ＣＰ－（指令脉冲输出端）和ＤＩＲ＋、ＤＩＲ－（指令方向输出）这４根线分别连接步进驱动上的ＰＵＬ＋、ＰＵＬ－和ＤＩＲ＋、ＤＩＲ－。二、驱动器和步进电机的连接本实验台所用步进电机为四相电机，一般情况下四相电机与两相步进电机的绕组的绕法相同，我们现在所提供的步进驱动器是两相驱动器，如果想要利用两相步进驱动器来控制四相步进电机，可以将四相步进电机的绕组线圈两两并联或串联在一起，当作两相电机进行使用。下一页返回任务一Ｘ轴步进驱动线路连接具体做法是将电机绕组端子Ａ－和Ｃ－短接在一起，将电机绕组端子Ｂ－和Ｄ－短接在一起，然后电机上的Ａ＋接驱动器上的Ａ＋，Ｃ＋接驱动器上的Ａ－，Ｂ＋接驱动器上的Ｂ＋，Ｄ＋接到驱动器Ｂ－端子上。三、电源及其他部分连接驱动器上的ＧＮＤ和＋Ｖ是电源端，分别连接控制变压器后出来，经ＱＦ３断路器的＋Ｖ１和ＧＮＤ端。ＥＮＡ＋和ＥＮＡ－是使能信号，一般不用，只有需要在驱动器停止工作时电机处于释放状态才用，此实验台上不用连接该使能信号。上一页返回知识链接一步进电机与步进驱动系统步进电机伺服系统结构原理如图７－３所示。在开环伺服系统中，执行元件是步进电机，它将ＣＮＣ装置输出的进给脉冲转换成机械角位移运动，并通过齿轮、丝杠带动工作台直线移动。步进电机伺服系统中无位置、速度检测环节，其精度主要取决于步进电机的步距角以及与之相连传动链的精度。步进电机的最高转速通常要比直流伺服电机和交流伺服电机低，且在低速时容易产生振动，影响加工精度。但步进电机伺服系统的制造与控制比较容易，在速度和精度要求不太高的场合有一定的使用价值，特别适合于中、低精度的经济型数控机床和普通机床的数控化改造。上一页下一页返回知识链接一步进电机与步进驱动系统一、步进电机的工作原理步进电机是一种能将数字脉冲信号输入转换成物体的旋转增量运动的电磁执行元件。每输入一个脉冲信号，步进电机转轴步进一个步距角增量。因此，步进电机能方便地将脉冲信号转换为角位移，具有定位精度好、无漂移和无累积定位误差等优点。它还能跟踪一定频率范围的脉冲序列，可作为同步电机使用，广泛应用于各种小型自动化设备及仪器中。１步进电机的结构我国使用的反应式步进电机较多，图７－４所示是一典型的单定子、径向分相、反应式步进电机的结构。它与普通电动机一样，也是由定子和转子构成，其中定子又分为定子铁芯和定子绕组。定子铁芯由硅钢片叠压而成，定子绕组是绕置在定子铁芯６个均匀分布的齿上的线圈，在径向上相对的两个齿上的线圈串联在一起，构成一相控制绕组。图７－５为步进电机的定子、转子展开后齿距的示意图。上一页下一页返回知识链接一步进电机与步进驱动系统２步进电机工作原理步进电机的工作原理与电磁铁相似：当定子绕组按顺序轮流通电时，定子上各对磁极就依次产生磁场，每次对转子的某一对齿产生电磁转矩，使它一步步转动。每当转子某一对齿的中心线与定子磁极中心线对齐时，磁阻最小，转矩为零，每次就在此时按一定方向切换定子绕组各相电流，使转子按一定方向一步步转动。下面以图７－６所示的反应式三相步进电机为例来说明步进电机的工作原理。该电动机定子上有Ａ、Ｂ、Ｃ三对磁极，在相应磁极上绕有励磁绕组，分成Ａ、Ｂ、Ｃ三相，按串联（或并联）方式联接，使电流产生的磁场方向一致；转子是由带齿的铁芯做成的，转子上无绕组。现在假设转子上有４个齿，相邻两齿所对应的空间角度为齿距角，即齿距角为９０°。上一页下一页返回知识链接一步进电机与步进驱动系统如图７－６（ａ），当Ａ相通电时，Ｂ相和Ｃ相都不通电，由于磁通总是沿着磁阻最小的路径通过，使转子的１、３齿与定子Ａ相的两个磁极齿对齐，此时，因转子只受到径向力而无切向力，故转矩为零，转子被锁定在该位置上；随后将Ａ相断电，Ｂ相通电，转子受电磁力的作用，逆时针旋转３０°，使２、４齿与Ｂ相磁极齿对齐，如图７－６（ｂ）所示；若再使Ｂ相断电，Ｃ相通电，转子再逆时针转３０°，使１、３齿与Ｃ相磁极齿对齐，如图７－６（ｃ）所示；当Ｃ相断电，Ａ相再次通电时，２、４齿又会与Ａ相磁极齿对齐，转子又转过３０°。依此类推，形成步进式旋转。上一页下一页返回知识链接一步进电机与步进驱动系统三相反应式步进电机的工作方式有三种：三相单三拍、三相双三拍、三相单双六拍。“三相”是指定子绕组数有Ａ、Ｂ、Ｃ三相；“单”是指每次只有一相绕组通电（“双”是指每次有两相绕组同时通电）；“拍”是指定子绕组的通电状态改变一次，例如“三拍”是指经过三次通电状态的改变，又重复以上通电变化规律。３步进电机的特点步进电机是一种可将电脉冲信号转换为机械角位移的控制电动机，利用它可以组成一个简单实用的全数字化伺服系统，并且不需要反馈环节。概括起来它主要有如下特点：（１）步进电机定子绕组每接收一个脉冲信号，控制其通电状态改变一次，它的转子便转过一定角度，即步距角；上一页下一页返回知识链接一步进电机与步进驱动系统（２）改变步进电机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向随之改变；（３）步进电机定子绕组通电状态的变化频率越高，转子的转速越高，但脉冲频率变化过快，会引起失步或过冲（即步进电机少走或多走）；（４）定子绕组所加电源要求是脉冲电流形式，故也称之为脉冲电机；（５）有脉冲就走，无脉冲就停，角位移随脉冲数的增加而增加；（６）输出转角精度较高，一般只有相邻误差，但无累积误差；（７）步距角与定子绕组相数ｍ、转子齿数ｚ、通电方式ｋ有关，可用式（７－１）表示：上一页下一页返回知识链接一步进电机与步进驱动系统４步进电机的分类根据不同的分类方式，可将步进电机分为多种类型。（１）按力矩产生的原理来分。（２）按输出力矩大小来分。伺服式：输出力矩在百分之几到十分之几（Ｎ·ｍ），只能驱动较小的负载，要与液压扭矩放大器配用，才能驱动机床工作台等较大的负载。５步进电机的性能指标和选用（１）步进电机的性能指标。上一页下一页返回知识链接一步进电机与步进驱动系统①步距角及步距误差。②矩角特性、最大静态转矩Ｍｊｍａｘ和启动转矩Ｍｑ。③启动频率ｆｑ。空载时，步进电机由静止突然启动，并进入不失步的正常运行所允许的最高频率，称为启动频率或突跳频率。若启动时频率大于突跳频率，步进电机就不能正常启动。空载启动时，步进电机定子绕组通电状态变化的频率不能高于该突跳频率。步进电机定子绕组通电状态变化的频率不能高于该突跳频率。④连续运行的最高工作频率ｆｍａｘ。上一页下一页返回知识链接一步进电机与步进驱动系统步进电机连续运行时，它所能接受的，即保证不失步运行的极限频率ｆｍａｘ，称为最高工作频率。它是决定定子绕组通电状态最高变化频率的参数，它决定了步进电机的最高转速。一般来说，连续运行的最高工作频率ｆｍａｘ远大于启动频率ｆｑ。⑤加减速特性。步进电机的加减速特性是描述步进电机由静止到工作频率和由工作频率到静止的加减速过程中，定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系。当要求步进电机启动到大于突跳频率的工作频率时，变化速度必须逐渐上升；同样，从最高工作频率或高于突跳频率的工作频率停止时，变化速度必须逐渐下降。逐渐上升和下降的加速时间、减速时间不能过小，否则会出现失步或超步。我们用加速时间常数Ｔａ和减速时间常数Ｔｄ来描述步进电机的升速和降速特性，如图７－８所示。上一页下一页返回知识链接一步进电机与步进驱动系统（２）步进电机的选用。步进电机的性能直接影响了开环伺服系统的性能，所以合理选用步进电机是相当重要的。步进电机的选择必须在满足系统指标的前提下，综合考虑各方面的因素，进行最优选择。有关步进电机的性能指标和参数很多，例如步距角、最大静态转矩、启动频率、连续运行最高频率等，在前面已经介绍过，下面主要介绍一下步进电机的选用方法。①首先根据负载性质、最高进给速度等条件选定步进电机的类型。数控机床上大多使用功率式步进电机、反应式步进电机，其价格低于永磁反应式步进电机，但性能上不如永磁反应式步进电机，故应选择性价比较高的型号。上一页下一页返回知识链接一步进电机与步进驱动系统②根据系统的精度、机床行程等要求，选择进给轴的脉冲当量δ和丝杠螺距ｈ等机械传动参数。一般选择脉冲当量值小于精度要求，例如某车床加工精度要求００１５ｍｍ，可选Ｚ轴脉冲当量００１ｍｍ，Ｘ轴脉冲当量０００５ｍｍ。在脉冲当量δ和丝杠螺距ｈ确定后，可以初选步进电机的步距角α，当δ、α、ｈ三个参数仍满足不了式（７－２）的约束时，最后还要在步进电机和丝杠之间增加减速齿轮传动，以达到互相协调的目的。通过式（７－２）可以计算出齿轮减速比：上一页下一页返回知识链接一步进电机与步进驱动系统二、步进式伺服系统的控制原理及驱动控制１步进电机的控制原理对步进电机的控制最终是为了实现对工作台的控制，下面分别从位移量、进给速度、进给方向等方面说明其控制过程。（１）工作台位移量的控制。数控机床控制系统发出的Ｎ个进给脉冲，经驱动线路之后，变成控制步进电机定子绕组通电、断电的电平信号变化次数Ｎ，使步进电机定子绕组的通电状态变化次数Ｎ。由步进电机工作原理可知，定子绕组通电状态的变化次数Ｎ决定了步进电机的角位移ϕ，该角位移经丝杠螺母副之后转变为工作台的位移量Ｌ，即进给脉冲的数量Ｎ→定子绕组通电状态变化次数Ｎ→步进电机的转角ϕ→工作台位移量Ｌ。上一页下一页返回知识链接一步进电机与步进驱动系统（２）工作台进给速度的控制。机床控制系统发出的进给脉冲的频率ｆ，经驱动控制线路之后，表现为控制步进电机定子绕组通电、断电的电平信号变化频率，也就是定子绕组通电状态变化频率。而定子绕组通电状态的变化频率ｆ决定了步进电机转子的转速ω。该转子转速ω经丝杠螺母转换之后，体现为工作台的进给速度ｖ，即进给脉冲的频率ｆ→定子绕组通电状态的变化频率ｆ→步进电机的转速ω→工作台的进给速度ｖ。（３）工作台运动方向的控制。上一页下一页返回知识链接一步进电机与步进驱动系统当控制系统发出的进给脉冲是正向时，经驱动控制线路，使步进电机的定子各绕组按一定的顺序依次通电、断电；当进给脉冲是负向时，驱动控制线路则使定子各绕组按与进给脉冲正向时相反的顺序通电、断电。由步进电机的工作原理可知，通过步进电机定子绕组通电顺序的改变，可以实现对步进电机正转或反转的控制，从而实现对工作台的进给方向的控制。２步进电机的驱动控制步进电机的运行性能，不仅与步进电机本身和负载有关，而且和与其配套的驱动控制装置有着十分密切的关系。步进电机驱动控制装置主要由环形脉冲分配器和功率放大驱动电路两大部分组成，如图７－９所示。上一页下一页返回知识链接一步进电机与步进驱动系统（１）功率放大驱动电路。功率放大驱动电路完成由弱电到强电信号的转换和放大，也就是将逻辑电平信号变换成电动机绕组所需的具有一定功率的电流脉冲信号。⑤细分控制驱动电路。（２）脉冲分配器。脉冲分配器完成步进电机绕组中电流的通断顺序控制，即控制插补输出脉冲，按步进电机所要求的通断电顺序规律分配给步进电机驱动电路的各相输入端，例如三相单三拍驱动方式，供给脉冲的顺序为Ａ→Ｂ→Ｃ→Ａ或Ａ→Ｃ→Ｂ→Ａ，由于电动机有正反转要求，因此脉冲分配器的输出既是周期性的，又是可逆性的，因此也称为环形脉冲分配。上一页下一页返回任务二Ｚ轴伺服驱动线路连接一、半闭环伺服控制系统半闭环伺服控制系统的作用是将位置检测装置安装在驱动电机的端部或丝杠的端部，用来检测丝杠或伺服电机的回转角，间接测出机床运动部件的实际位置，经反馈送回控制系统。其原理如图７－１１所示。由于半闭环控制系统的反馈信号从驱动装置（常用伺服电机）或丝杠引出，采样旋转角度进行检验，不是直接检测运动部件的实际位置，故其精度比开环高，但相比全闭环稍差，不过半闭环环路内由于不包括或只包括少量机械传动环节，因此可获得稳定的控制性能，其系统的稳定性虽不如开环系统，但比闭环要好。通过采取措施对这类误差进行补偿，仍可获得满意的精度。半闭环控制系统结构简单、测试方便、精度也较高，因而在现代ＣＮＣ机床中得到了广泛的应用。下一页返回任务二Ｚ轴伺服驱动线路连接二、旋转编码器编码器是一种旋转式角位移测量元件，它能够把机械转角转换为电脉冲信号，根据其内部结构和检测方式可分为接触式、光电式和电磁式三种。光电式的精度和可靠性都优于其他两种，因而广泛应用于数控机床上，常和伺服电机同轴连接或连接在滚珠丝杠末端，检测伺服电机或丝杠的转角。根据输出信号形式的不同，旋转编码器可分为绝对值式和增量式两种。上一页下一页返回任务二Ｚ轴伺服驱动线路连接常用的增量式编码器为增量式光电编码器，其结构如图７－１２所示，由光源、透镜、光栏板、光电码盘、光电元件及信号处理电路组成。光电码盘是在一块玻璃网盘上用真空镀膜的方法镀上一层不透光的金属薄膜，再涂上一层均匀的感光材料，然后用精密照相腐蚀工艺，制成沿圆周等距的透光和不透光部分相间的辐射状线纹，一个相邻的透光或不透光线纹构成一个节距Ｐ。在光电码盘里圈的不透光圆环上还刻有一条透光条纹，用来产生一转一个的脉冲信号Ｚ。光栏板固定在底座上，有两段线纹组Ａ和Ｂ，每组线纹的节距与光电码盘的节距相同，而Ａ组与Ｂ组的线纹彼此错开１／４节距。光电码盘与工作轴一起旋转时，光线通过光栏板和光电码盘产生明暗相间的变化，通过计量脉冲的数目，即可测出转轴的转角；通过计量脉冲的频率，即可测出转轴的速度；通过测量Ａ组与Ｂ组信号相位的超前或滞后的关系即可确定被测轴的旋转方向。上一页下一页返回任务二Ｚ轴伺服驱动线路连接光电编码器的精度取决于它所能分辨的最小角度，而这跟码盘圆周上的条纹