《数控机床电气控制》第七章.ppt

1、第一节 CNC装置的构成与原理 （课时2）第二节 伺服驱动系统的简介 （课时2） 第三节 进给驱动系统（课时4） 第四节 主轴驱动系统（课时4） 第五节 检测元件（课时4）,第七章 数控系统与伺服驱动系统,（1）了解CNC系统硬件结构及基本原理，正确理解CNC系统软件功能以及CNC系统工作过程。（2）了解机床对伺服驱动系统控制要求，熟练掌握步进电机、进给电机、主轴电机的工作原理、特性，正确理解交流变频调速控制的工作原理。（3）熟练掌握光栅、光电编码器和旋转变压器的原理与应用。,本章重点：,通过本章的学习，要求读者具有正确应用数控技术及相关设备的能力。,本章的能力要求:,一、CNC装置的构成 C

2、NC装置由硬件和软件两大部分组成。,第一节 CNC装置的构成与原理,1.单微处理器结构,二、CNC装置的硬件结构,单微处理器结构的CNC装置，由于只有一个微处理器，因此多采用集中控制，分时处理的方式完成数控的各项任务。 单微处理器结构的CNC装置分为专用型CNC装置和通用型CNC装置。专用型CNC装置的硬件是由制造厂专门设计和制造的，因此不具有通用性。通用型CNC装置指的是采用工业标准计算机（如工业PC机）构成的CNC装置。,微处理器CPU由运算器及控制器两大部分组成。运算器对数据进行算术运算和逻辑运算，控制器则是将存储器中的程序指令进行译码，并向CNC装置各部分顺序发出执行操作的控制信号，并

3、且接收执行部件的反馈信息，从而决定下一步的命令操作。 总线是CPU与各组成部件、接口等之间的信息公共传输线。总线由地址总线、数据总线和控制总线三总线组成。,（1）微处理器和总线,CNC装置的存储器包括只读存储器（ROM）和随机存储器（RAM）两类。 CNC装置的系统程序存放在只读存储器EPROM之中。零件加工程序、机床参数、刀具参数等存放在有后备电池的 RAM中，断电后，信息仍被保留。数控中各种运算的中间结果，需显示的信息、数据，运行中的状态，标志信息等均放在随机存储器RAM中，它可以随时读出和写入，断电后，信息就消失。,（2）存储器,它主要用来控制数控机床各进给坐标轴的位移量，需要随时把插补

4、运算所得的各坐标位移指令与实际检测的位置反馈信号进行比较，并结合有关补偿参数，适时地向各坐标伺服驱动控制单元发出位置进给指令，使伺服控制单元驱动伺服电动机运转。位置控制是一种同时具有位置控制和速度控制两种功能的反馈控制系统。,（3）位置控制器,（4）PLC PLC是用来代替传统机床强电的继电器逻辑控制，利用PLC的逻辑运算功能实现各种开关量的控制。,（5）MDI/CRT接口 MDI接口即手动数据输入接口，数据通过操作面板上的键盘输入。CRT接口是在CNC软件配合下，在显示器上实现字符和图型显示。近年来已开始出现平板式液晶显示器（LCD）。,（6）I/O接口 CNC装置与机床之间的来往信号通过I

5、/O接口电路来传送。,（7）通信接口 该接口用来与外设进行信息传输，如上一级计算机、其他CNC等。,2. 多微处理器结构,多微处理器CNC装置多采用模块化结构，每个微处理器分管各自的任务，形成特定的功能单元。 多微处理器CNC装置一般采用紧耦合结构（有集中的操作系统，共享资源）和松耦合结构（有多重操作系统，可以有效地实现并行处理）。 多微处理器CNC装置具有良好的适应性和扩展性，且结构紧凑，可使故障对系统的影响降到最低限度，其运算速度有了很大的提高，因此更适合于多轴控制、高进给速度、高精度、高效率的数控要求。,三、标准型数控系统的软件结构,1. 软件结构特点 （1）多任务并行处理,1）CNC系

6、统的多任务性 在许多情况下，管理和控制的某些工作必须同时进行。在单CPU数控系统中，其软件结构采用前后台型和中断型的软件结构；而在多CPU数控系统中，通常是各个CPU分别承担一项任务，然后通过它们之间相互通信、协调工作来完成控制。 2）CNC系统的多任务并行处理 并行处理是指计算机在同一时刻完成两种或两种以上性质相同或不相同的工作。,（2）实时中断处理,1）前、后台软件结构的中断模式 前台程序是一个实时中断服务程序，它完成全部的实时功能，如插补、位置控制等；而后台程序即背景程序，其实质是一个循环运行程序，它完成管理及插补准备等功能。2）中断型软件结构的中断模式 除了初始化程序之外，系统软件中所

7、有任务模块均被安排在不同级别的中断服务程序中。,2. CNC系统软件的工作过程,（1）输入CNC系统中的零件加工程序，一般是通过键盘、磁盘或纸带阅读机等方式输入的。 （2）译码译码就是将输入的零件程序翻译成本系统所能识别的语言。（3）数据处理 数据处理即预计算，通常包括刀具长度补偿、刀具半径补偿、反向间隙补偿、丝杠螺距补偿、进给速度换算和机床辅助功能处理等。,（4）插补运算 在实际的CNC系统中，常采用软件粗插补，硬件精插补。 （5）位置控制 将插补计算的指令位置与实际反馈位置相比较，用其差值去控制伺服电动机。 （6）输出 完成伺服控制，反向间隙、丝杠螺距补偿处理及M、S、T辅助功能，还完成C

8、NC与PLC之间的I/O信号处理。 （7）管理与诊断 主要包括CPU管理与外设管理。,第二节 伺服驱动系统的简介,一、数控机床对驱动装置的要求 1. 对主轴驱动的要求,（1）主轴输出大功率 为了满足生产率的要求，通常主传动电机应有2.5250kW的功率范围，因此，对功率驱动电路提出了更高的要求。 （2）调速范围要足够大 一般要求如能在（1：100）（1：1000）范围内进行恒转矩调速，1：10范围内进行恒功率调速，并能实现四象限驱动功能。,（3）控制功能 1）主轴与进给驱动的同步控制 2）准停控制（便于自动换刀） 3）角度分度控制 （“C”轴控制）,主轴电机应具备以下性能： 1）电机功率要大，

9、且在大的调速范围内速度要稳定，恒功率调速范围宽； 2）在断续负载下电机转速波动要小； 3）加速、减速时间短； 4）温升低，噪声小，振动小，可靠性高，寿命长，易维护，体积小，重量轻； 5）电机过载能力强。,（1）精度高 进给驱动系统的精度是指输出量能复现输入的精确程度。 （2）稳定性好 稳定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。 （3）快速响应 它反映了系统的跟踪精度。（4）调速范围宽 （5）低速大转矩,2对进给驱动的要求,1按有无检测元件和反馈环节分类,二、伺服驱动系统的分类,（1）开环伺服驱动系统,结构简单，易于控制，但精度差，低速不平稳

10、，高速扭矩小。一般用于轻载负载变化不大或经济型数控机床上。,（2）闭环伺服驱动系统,跟随精度和定位精度提高。,（3）半闭环伺服驱动系统,半闭环伺服系统的精度低于闭环系统。,2按执行元件的类别分类,（1）步进驱动系统 （2）直流伺服驱动系统 （3）交流伺服驱动系统,3按控制对象和使用目的分类,（1）进给驱动系统 （2）主轴驱动系统,4按反馈比较控制方式分类,（1）脉冲（数字）比较伺服驱动系统 （2）相位比较伺服驱动系统 （3）幅值比较伺服驱动系统 （4）全数字伺服驱动系统,第三节 进给驱动系统,一、步进电动机驱动的进给系统,1步进电动机的工作原理 步进电动机是一种将脉冲信号变换成角位线（或线位移

11、）的电磁装置，步进电动机的角位移与输入脉冲个数成正比，在时间上与输入脉冲同步。 按步进电动机输出扭矩的大小，分为快速步进电动机与功率步进电动机；按其励磁相数分为两相、三相、四相、五相、六相；按其工作原理主要分为反应式和混合式步进电动机两大类。,（1）反应式步进电动机的工作原理,按ABCA的顺序通电，电动机便按一定的方向转动。电动机的转速取决于绕组与电源接通或断开的变化频率。若按ACBA的顺序通电，则电动机反向转动。电动机绕组与电源的接通或断开，通常是由电子逻辑电路来控制的。 电动机定子绕组每改变一次通电方式，称为一拍。此时电动机转子转过的空间角度称为步距角。上述通电方式称为三相单三拍。“单”是

12、指每次通电时，只有一相绕组通电；“三拍”是指经过三次切换绕组的通电状态为一个循环，第四拍通电时就重复第一拍通电的情况。,（2）混合式步进电动机的结构和工作原理,按ABA（-）B（-）A的顺序通电，转子将沿逆时针方向一步步地转动。如果按AB（-）A（-）BA的顺序通电，转子将沿顺时针方向一步步地转动。,脉冲信号源是一个脉冲发生器，脉冲的频率可以连续调整，送出的脉冲个数和脉冲频率由数控装置根据程序进行控制。脉冲分配器是将脉冲信号按一定顺序分配，然后送到驱动电路中并进行功率放大，驱动步进电机工作。,3步进电动机的特点,1）步进电动机的驱动装置接受指令脉冲信号，控制步进电动机的通电顺序，无累积误差。

13、2）步进电动机的转速与控制脉冲频率成正比，改变控制脉冲的频率即可在很宽的范围内调节电动机的转速。 3）改变绕组的通电顺序，控制电动机的正反转。 4）在没有控制脉冲输入时，只要维持绕组电流不变，电动机即可有电磁力矩维持其定位位置。 5）上述性能不随外界电源及温度的变化而改变。,4步进电动机的主要特性,（1）步距角的步距误差 步进电动机每走一步，转子实际的角位移与设计的步距角存在步距误差。步距的误差不会无限累积，只会在一转的范围内存在一个最大累积误差。步距误差和累积误差通常用度、分或者步距角百分比表示。,（2）静态矩角特性 所谓静态是指步进电动机不改变通电状态，转子不产生步进运动的工作状态。若在电

14、动机轴上加一顺时针方向的负载转矩TL，步进电动机转子则按顺时针方向转过一个小角度，并重新稳定，这时转子电磁转矩Tm为静态转矩，角度为失调角。描述步进电动机稳态时，电磁转矩Tm与失调角之间的曲线称为静态矩角特性或静转矩特性。,（3）启动频率 空载时，步进电动机由静止状态突然启动，不丢步地进入正常运行状态所允许的最高启动频率，称为启动频率或突跳频率。,（4）连续运行频率 步进电动机启动后，当控制的脉冲频率连续上升时，能不失步运行的最高脉冲重复频率称为连续运行频率。,（5）矩频特性 矩频特性是描述步进电动机在负载转动惯量一定且稳态运行时的最大输出转矩与脉冲重复频率的关系曲线。步进电动机的最大输出转矩

15、随脉冲重复频率的升高而下降。,二、交流伺服电动机驱动的进给系统,1. 速度控制,（1）交流伺服电动机的分类 分为永磁同步式、永磁直流无刷式、感应(或称异步)式等交流伺服电动机。,（2）交流伺服电动机工作原理 1）永磁直流无刷伺服电动机,三相永磁直流无刷伺服电动机主要由电动机本体、位置传感器和电子开关线路三部分组成。其结构与永磁同步伺服电动机相似。 借助较简单的位置传感器的信号，控制电枢绕组的换向，由于每个绕组的换向都需要一套功率开关电路，电枢绕组的数目通常只采用三相，相当于只有3个换向片的直流电动机，因此运行时电动机的脉动转矩大，造成速度的脉动，需要采用速度闭环才能较低转速运行。,2）永磁同步

16、式交流伺服电动机 永磁同步式交流伺服电动机的定子绕组产生的空间旋转磁场和转子磁场相互作用，使定子带动转子一起旋转。所不同的是转子磁极不是由转子的三相绕组产生，而是由永久磁铁产生。,转子速度nr=60f/p f 电源交流电的频 率 p 定子和转子的极 对数,交流伺服电机的转矩-速度特性曲线如图所示 。,连续工作区 断续工作区,（3）进给系统调速方法简介,交流伺服电机调速主要是变频调速。变频调速的主要环节是能为交流伺服电机提供变频电源的变频器，变频器可分为交-直-交变频器和交-交变频器两大类。 变频调速大量采用PWM型变频器，它是采用脉宽调制原理。PWM型变频器出现了许多调制方法，如SPWM、电流

17、跟踪PWM等。 目前，交流伺服电机还采用矢量控制技术。,2. 位置控制,（1）相位伺服驱动系统,位置检测装置采取相位工作方式，指令与反馈信号都变成某个载波的相位，然后通过两者相位的比较，获得实际位置与指令位置的偏差。,（2）幅值伺服驱动系统,幅值伺服驱动系统是以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移的数值，并以此作为位置反馈信号与指令信号进行比较构成的闭环控制系统。,（3）脉冲（数字）比较伺服驱动系统,它是将数控装置发出的脉冲（或数字）指令信号与检测装置测得的以脉冲（或数字）形式表示的反馈信号直接进行比较，以产生位置误差，达到闭环控制。,（4）全数字伺服驱动系统的特点,1）采用现代控制理论，通过

18、计算机软件实现最佳最优控制。 2）数字伺服驱动系统是一种离散系统，它是由采样器和保持器两个基本环节组成。离散系统的校正环节的PID控制可由软件实现。由位置、速度和电流构成的三环反馈实现全部数字化，由计算机处理。 3）数字伺服驱动系统具有较高的动、静态精度。 采用新的控制方法 ：前馈控制 ；预测控制；学习控制。,第四节 主轴驱动系统,一、交流主轴电动机,笼型异步电动机由有三相绕组的定子和有笼条的转子构成。在转子铁心上开有许多槽，每个槽内装有一根导体，所有导体两端短接在端环上。,二、异步电动机调频调速,感应电动机的转子转速为： n = 60f1(1-s) / p f1 定子供电频率 p 电动机定子

19、绕组极对数； s 转差率。 由上式可见，要改变电动机的转速：改变磁极对数p，则电动机的转速可作有级变速；改变转差率s；改变频率f1。在数控机床中，交流电动机的调速通常采用变频调速的方式。,感应电动机每相的感应电动势为： E1=4.44f1W1mU1 f1 电源频率，单位为Hz； W1 每相绕组有效匝数； m 每极磁通； U1 定子电压，单位为V。 则 m=KU1 / f1,在降低频率的同时，降低电压U1，以保持m不变。这种U1和f1的配合变化称为恒磁通变频调速中的协调控制（恒转矩调速控制）。当f1频率超过异步电动机铭牌的额定频率，由于电源电压的限制，U1已达到变频器输出电压的最大值再不能随f1

20、而升高，异步电动机的每极磁通m与f1成反比例下降，其转矩T也随着f1反比例下降。但因转速n提高，异步电动机的输出功率P则在此区域内保持不变（P =T n），称为恒功率调速。,异步电动机的机械特性：在同一负载转矩下，有着相同的转速降落n，其转速降落百分比（n/n0）随着频率下降将越来越大，调速性能下降。,三、异步电动机的矢量控制,矢量变换控制的基本想法来自等效的概念，按照不同情况下的绕组产生同样的旋转磁场这一等效原则出发，通过坐标变换，将三相交流输出电流变为等效的、彼此独立的励磁电流和电枢电流，通过对等效电枢绕组电流和励磁绕组电流的反馈控制，达到控制转矩和励磁磁通的目的，最后，通过相反的变换，将

21、等效的直流量再还原为三相交流量，控制实际的三相感应电动机。,四、变频器在机床上的应用,五、主轴分段无级调速及控制,数控装置可通过三种方式控制主轴驱动。一种是通过主轴模拟电压输出接口，输出010V模拟电压至主轴驱动装置，电压的正负控制电动机转向，电压的大小控制电动机的转速。另一种是输出单极性010 V模拟电压至主轴驱动装置，通过正转与反转开关量信号指定正反转。第三种是选择数控装置输出12位二进制代码或2位BCD码（4位BCD码）开关量信号至主轴驱动，控制主轴的转速。,数控机床常采用14档齿轮变速与无级调速相结合的方式，即分段无级变速方式。,数控系统可使用M41M44代码进行齿轮的自动变档。首先需

22、要在数控系统参数区设置M41M44 4档对应的最高主轴转速，这样数控系统根据当前S指令值判断档位，并自动输出相应的M41M44指令至PLC，控制更换相应的齿轮档，然后数控装置输出相应的模拟电压。,六、主轴准停控制,主轴准停功能又称为主轴定位功能，即当主轴停止时能控制其停于固定位置。,主轴准停可分为机械准停和电气准停。传统的做法是采用机械档块等来定位。在现代数控机床上，一般都采用电气方式使主轴定位，只要数控系统发出M19指令，主轴就能准确定位。电气方式的主轴定向控制，是利用装在主轴上的位置编码器和磁性传感器作为位置反馈部件，由它们输出的信号，使主轴准确停在规定的位置上。,七、主轴进给功能,主轴进

23、给功能即主轴的C轴功能。对于车削中心，主轴除了完成传统的回转功能外，主轴的进给功能可以实现主轴的定向、分度和圆周进给，并在数控装置的控制下实现C轴与其他进给轴的插补。对于车、铣复合机床，则必须要求车主轴在铣状态下完成铣床C轴所有的进给插补功能。（1）机械式 （2）双电动机切换 （3）有C轴功能的主轴电动机,第五节 检测元件,一、概述,1位置检测装置的要求 1）受温度、湿度的影响小，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。,2位置检测装置的分类,（1）数字式测量和模拟式测量 1）数字式测量

24、 将被测的量以数字的形式来表示。测量信号一般为电脉冲，可以直接把它送到数控装置进行比较、处理。如光栅、光电编码器等。 2）模拟式测量 将被测的量用连续变量来表示，如电压变化、相位变化等，数控机床所用模拟式测量主要用于小量程的测量如旋转变压器等。,（2）增量式测量和绝对式测量,1）增量式测量 特点是只测位移量，如测量单位为0.01mm，则每移动0.01mm就发出一个脉冲信号。任何一个点都可作为测量的起点。典型的测量元件有光栅、增量编码器等。 2）绝对式测量 对于被测量的任意一点位置均由固定的零点标起，每一个被测点都有一个相应的测量值，常以数据形式表示。典型的测量元件有绝对式光电编码器等。,（3）

25、直接测量和间接测量,1）直接测量 将检测装置直接安装在执行部件上，如光栅用来直接测量工作台的直线位移。 2）间接测量 将检测装置安装在滚珠丝杠或驱动电动机轴上，通过检测转动件的角位移来间接测量执行部件的直线位移。典型的测量元件有旋转变压器等。,二、光栅,光栅利用光的透射、衍射原理，通过光敏元件测量莫尔条纹移动的数量来检测机床工作台的位移量。 1直线透射光栅的组成,1一光栅尺(标尺光栅) 2一指示光栅 3一光电接收元件 4一光源,2莫尔条纹的原理,光栅读数时利用莫尔条纹的形成原理进行的。将指示光栅和标尺光栅叠合在一起，中间保持0.050.1mm的间隙，并使指示光栅和标尺光栅的线纹相互交叉保持一个很小的夹角。,两条暗带或两条亮带之间的距离叫莫尔条纹的间距B，设光栅的栅距为W，两光栅线纹的夹角为，则它们的近似关系为,如果两块光栅相对移动一个栅距，则光栅某一固定点的光强按明一暗一明规律变化一个周期，即莫尔条纹移动一个莫尔条纹的间距。因此，光电元件只要读出移动的莫尔条纹数目，就可以知道光栅移动了多少栅距，也就知道了运动部件的准确位移量。,3透射光栅的工作原理,标尺光栅与工作台装在一起，光源、透镜、指示光栅、光敏元件和信号处理电路做成一个单独的部件（光栅读数头）固定在机床上，