数控机床第6章 数控机床驱动系统与检测技术.ppt

1、第六章数控机床的驱动系统和检测技术、工作母机的伺服系统是以机械的位置和角度为受控残奥仪表的自动控制系统，也称为跟踪系统和伺服驱动系统。 在数控机床中，伺服系统接收来自内插器的进给脉冲，变换放大，变换为工作母机表的位移量。 伺服系统可根据有无检测装置分为2种开环伺服系统和闭环伺服系统。 在下一页，6.1开环步进大头针驱动系统、步进大头针伺服系统中，步进大头针电动机作为致动器，受到驱动控制线的控制，将表示进给脉冲的电平信号直接变换成具有一定方向、大小和速度的机械角位移，用齿轮和螺钉动作表该系统由于没有种子文件回程检测的环节，其精度差，速度也受到步进电动机性能的限制，但其结构简单，易于调整，在速度和

2、精度要求不高时，有一定的使用价值。 步进电动机是将电脉冲信号变换成角位移或线位移的机电式数字模拟转换器，可以根据同步电动机的原理化学基制作。 以三相反应式步进大头针电动机为例，说明了步进大头针电动机的基本工作原理。 电动机定子有6极，各极带有控制绕组，相对的2个极构成一相。 转子在4个分布均匀的齿上有绕组。 通电时转子旋转30圈，转子和定子反复循环整合，电机以一定的角度旋转。 (1)每当步进电动机定子绕组的通电状态变化时，该转子旋转规定的角度、即步进大头针电动机的步进角(2)如果改变步进电动机的定子绕组的通电顺序，则转子的旋转方向随之改变(3) 步进电动机的定子绕组的通电状态的变化频度越高，则

3、转子的转速越高(4)步进大头针电动机的步进角与定子绕组的相数m、转子的齿数z、通电方式k有关，可以用下式表示：式中，三相三拍时K=1三相六拍时K=2。 另外，如前图所示的步进电动机那样，在转子齿数z40为三相三拍通电的情况下，步进角以三相六拍通电方式动作的情况下，步进大头针角多为步进电动机的类型和构造、步进大头针电动机的构造形式，其分类方式也多。 常见的分类方式按产生扭矩的原理、输出扭矩的大小以及定子和转子的数量等方面进行分类，目前我国使用的步进大头针电动机多为反应式步进大头针电动机。 这是典型的单定子径向分相的三相反应式步进电动机的结构原理图，是单定子径向分相式三相步进大头针电动机的结构原理

4、图，步进大头针电动机的主要特性步进大头针角步进大头针电动机的步进大头针角在步进电动机的定子绕组的通电状态变化时为零在数控机床中常见的反应式步进大头针电机的步进角一般是0.5o3o度。 通常，阶梯角越小，加工精度越高。 空载启动频率步进电机在空载的条件下从静止状态突然地启动，进入不减速的通常运行所允许的最大射频波数，称为启动频率或突跳频率。 如果启动时的频率大于突跳频率，步进电机将无法正常启动。 因此，无负载启动时，步进电动机定子线圈的通电状态变化的频率不能高于该突跳频率。 当步进电动机受到负荷时，随着负荷惯性矩的增加，其起动频率减少(3)连续运转的最高工作频率fmax步进电动机连续运转时保证不

5、失去步行的临界频率fmax最高工作频率(4)最大静扭矩Tmax步进大头针电动机不改变通电状态刚使转子离开平衡位置的极限扭矩值称为最大静扭矩。 静力矩越大，电机上可负荷的施加力矩也越大。、步进伺服系统的工作原理、步进系统原理分块图、 1表位移量的控制进给脉冲数n定子绕组通电物态变化次数n步进大头针电动机运行子的旋转角度表位移量L 2表进给率的控制进给脉冲的频率f步进大头针子的旋转角度表进给率v 3表运动方向的控制步进电动机的通电顺序步进电动机的进给方向转子是4个分布的均匀通电时转子旋转30圈，转子和定子反复循环整合，电机以一定的角度旋转。 门，前页，前页，图6-2三相六拍动作模式图，三相电机将U

6、-UV-V-VW-W-WU-U或U-UW-W-WV-V-VU-U进行推一推、门，前页，前页，图6-5转子吸铁石钢产生的磁通回路，门各相绕组卷绕在8个定子磁极中的第4个极上，按照u-v-u，分门、前页、后页、6.1开环步进大头针驱动系统、三、步进大头针电动机的开环系统步进大头针电动机通过脉冲控制方式动作，按照一定的规则通过各相绕组依次通电即可实现步进1 .步进电动机的操纵系统步进大头针电动机操纵系统供应脉冲数，供应脉冲频率，并提供各相励磁线圈通电顺序的变化。 步进大头针电动机操纵系统经由接口电路与驱动模块连接. 接口电路需要以下功能。 (1)电压隔离功能(2)信息传达功能(3)动作所需的控制信息

7、(4)产生动作所需的不同频率、关门、前页、后页、6.1开环步进大头针驱动系统、2 .步进大头针电动机的驱动电源设定校正步进电动机驱动电源的主要作用对来自操纵系统的控制脉冲进行电力化，步进大头针电机的驱动电源多种多样，按供电方式分为单电压供电和双电压供电。 (1)单电压驱动电源的基本形式是图6-12 (2 (双电压驱动电源、双电压驱动电源使用2组电源向电滚子线圈供电，高电压的作用是迅速提高步进电动机线圈电流，使线圈电流确立时的上升沿陡峭，低电压的作用是维持线圈电流。 图6-13是高压时间节点控制驱动电源、门、前页、后页、(3)调频、调压驱动电源、调频、调压驱动电源的基本原理：步进电机以次低频运行

8、时供电电压下降，射频波运行时供电电压上升。 也就是说，供电电压随着步进电动机的转速增加而上升。 由此，在解决次低频振荡问题的同时，保证了射频波运行时的输出扭矩。 (4)细分驱动电源细分驱动电源的基本原理：不变更电动机构成残奥表，将步进角细分为多步的电源驱动方式。 该驱动方式可以减小步进大头针角，并且使步进大头针电机运行顺畅，考虑、提高等速性，能够减弱或消除振动。 图6-12晶体管单电压驱动电源。 其中，Ucp是步进电机控制脉冲信号的开关。 w是步进电机的一相绕组。 VD以线程二极管c为电容，提高绕组脉冲电流的上升沿。前页、后页、图6-13高压时间节点控制驱动电源、Ug高压发生器电压Ud低压电源

9、电压Vg高压控制晶体管VD1线程二极管VD2断路二极管采用高低压供电的驱动电源，线圈电流的建立和消失比较快，改善了步进电动机的射频波性能。、因此，选择前页、后页、6.2半闭环、闭环伺服驱动系统、一、直流(DC )伺服电机及其特性1、直流伺服电机通过电刷和整流子的整流作用，使得励磁磁通势和电枢电流磁通势正交产生扭矩。 直流伺服电机的特点：响应速率、精度、频率高，控制特性优良。 在20世纪六十年代开发了小惯性直流伺服电动机在1970年代成功开发了大惯性直流伺服电动机。 特点是励磁容易调整，易配置补偿绕组和换流极，成本低。 其结构如图6-15 2 .通过调节直流伺服电机、目前常用的晶体管调光控制模块

10、驱动和晶体管直流调速驱动触发装置来控制晶体管的触发延迟角，从而改变整流电压。 调光控制模块直流调速驱动原理图例如6-16、返回、前页、下页、图6-15直流伺服电动机、返回、前页、下页、6.2半闭环、闭环伺服驱动系统、二交流(AC ) 伺服电机及其特性的基本原理是检测SM的交流电机的矢量控制原理交流伺服系统的工作原理：来自内插器的脉冲通过位置控制电路发出速度指令，在来自比较器中和检测器的信号相之后，通过放大器将转矩指令m发送到矢量处理电路。 另一方面，检测器的输出信号也被传送到矢量处理电路的交接旋转电路，使电动机的旋转位置r变化，在比较了放大冰和电动机电路的电流检测信号之后，在调光控制模块电路放

11、大之后，使交流伺服电动机以规定的旋转速度旋转，输出必要的扭矩值。门、前页、次页、6-18同步(SM )型伺服电机控制分块图、门、前页、次页、6.3主轴驱动系统和变频器、一、数控机床在主轴驱动的要求数控机床的主轴驱动和进给驱动上有很大差异。 初期的数控机床多采用直流主轴驱动系统，随着微处理器技术和大功率晶体管技术的发展，交流驱动系统被广泛使用。 目前，交流主轴的驱动已达到直流驱动系统的水平。 二、交流主轴驱动1、交流主轴驱动的特点：交流伺服电机有隆型鼠笼式电机和永久吸铁石型同步鼠笼式电机，通常采用鼠笼式电机进行矢量控制，其结构由三相绕组定子和有笼条的转子组成。 2 .交流主轴电机的性能基本速度以

12、下为恒转矩范围，基本速度以上为恒功率范围。 3、新型主轴电机结构(1)输出转换型交流主轴电机(2)液冷主轴电机(图6-24) (3)内置式主轴电机(图6-25) (4)交流主轴电机控制单元针织面料(图6-26，门，前页，前页，交流主轴电机控制单元针织面料，门，前页，下页逆变器(1)逆变器的分类和特征逆变器的基本分类逆变器和正交逆变器的构造比较(图6-) (图2-29 )正交交流型逆变器的主电路构成形式。 (3-31 )数控机床中常用的逆变器(2)调光控制模块型逆变器(PWM ) (图3-31 )的特点：主电路只有一个可控的电力环节，结构简化整流侧使用不可控整流器，电力网功率因数与逆变器电压无关

13、。 调频调压在同一环节实现，变频器的动力响应加快。 通过PWM控制方式的控制，有效抑制去除低次间谐波，实现接近正弦波形的输出交流电压波形。、门、前页、次页、图6-28两种逆变器、门、前页、次页、图2-29交直-交电压型逆变器的主电路构成形式、门、前页、次页、图2 (3)正弦波调光控制模块(SPWM )逆变器SPWM逆变器将50Hz交流电力通过整流变压器变换为必要的电压后，不通过二极管控制整流和电容滤波，形成一定的直流电压，发送到由6个大功率晶体管构成的逆变器主电路， 能够调整三相频率和电压是等效的SPWM逆变器的工作原理1. SPWM波形和等效正弦波(图6-34) 4.产生SPWM波形的原理(

14、图6-33) 3. SPWM逆变器的主电路(图6-34) 4.基于单片微型计算机的SPWM控制() 图6-33三相SPWM控制电路原理分块图、返回、上一页、下一页、图6-34 SPWM逆变器主电路原理和电机线电压波形、返回、上一页、下一页、图6-35单片微型计算机控制的SPWM原理图、V/转换器基准正弦波的形成-基准正弦波由三路EPROM和D/A变换器构成。 因此，对前页、后页、6.4数控机床的检测技术、数控机床的位置检测要素的主要要求1 )工作可靠，抗干扰能力强2 )满足精度和速度的要求3 )零点灵敏度高4 )维护方便，适应工作母机的工作环境5 )成本低， 光栅由高精度的位置检查要素1 .光

15、栅的分类2 .光栅的结构和构成(图6-37) 3.光栅的基本工作原理4 .光栅的阀方向和细分、门、前页、下页、图3-37光栅位置检测装置构成，光栅由光源短光栅长条光栅固定在工作母机的固定部件上，长度相当于工作台移动的全行程，也称为比例光栅。 短光栅安装在工作母机的运动零配件上。 于是，前页、后页、波纹和光栅传感头、传感头光源一般从白光灯发出放射光线，通过透镜变为平行光束，照射标尺。 光电元件是将光强度的信号转换为电信号的光电转换元件。 于是，上一页，下一页，6.4数控机床的检验技术，3 .光栅的基本工作原理是，光栅在自身的平面内旋转很小的角度。 的双曲馀弦值。 这样的2张格子的刻度交叉的话，交

16、叉处会出现黑色条纹，被称为莫尔条纹。 由于两个光栅的树袋熊增量密度相等，即，栅格间距相等，所产生的波纹的方向和光栅的树袋熊增量的方向大致垂直，其几何关系如图6-38所示。 当波纹的间距w小时，波纹的间距w是光栅间距的1/倍。当标尺光栅移动时，光栅沿垂直移动的方向移动，当光栅移动时，波纹的间距w、即两者相应地各移动1个间距，所以，只要读取波纹的数量就可以知道光栅的移动距离于是，前一页，后一页，6.4数控机床的检验技术，4 .光栅的阀方向和细分是为了提高光栅的极限分辨率，必须提高其树袋熊蛋白的密度。 电子细分也称为倍频细分，通常是4倍频。 图6-39是使用拉格朗日头来实现4倍的方法。因此，前页、后页、6.4数控机床的检测技术，二、旋转变压器为常用的转角检测元件，结构简单，工作可靠，对环境条件要求