第四章数控机床的驱动与控制系统.ppt

1、位置检测装置是数控机床的重要组成部分。在闭环、半闭环控制系统中，它的主要作用是检测位移和速度，并发出反馈信号，构成闭环或半闭环控制。 数控机床对位置检测装置的要求如下： （1）工作可靠，抗干扰能力强； （2）满足精度和速度的要求； （3）安装，维护方便，适合机床工作环境； （4）成本低。,4.2 位移 速度 位置传感器,一、位移传感器,位置检测装置分类： （一） 直接测量和间接测量 1. 直接测量 直接测量是将直线型检测装置安装在移动部件上，用来直接测量工作台的直线位移，作为全闭环伺服系统的位置反馈信号，而构成位置闭环控制。,优点：准确性高、可靠性好； 缺点：测量装置要和工作台行程等长； 在大

2、型数控机床上受到一定限制。,2. 间接测量 它是将旋转型检测装置安装在驱动电机轴或滚珠丝杠上，通过检测转动件的角位移来间接测量机床工作台的直线位移，作为半闭环伺服系统的位置反馈用。 优点：测量方便、无长度限制。 缺点：测量信号中增加了由回转运动转变,为直线运动的传动链误差，从而影响了测量精度。,（二）数字式测量和模拟式测量 1. 数字式测量 它是将被测的量以数字形式来表示，测量信号一般为脉冲，可以直接把它送到数控装置进行比较、处理。信号抗干扰能力强、处理简单 2. 模拟量测量 它是将被测的量用连续变量来表示，如电压变化、相位变化等。它对信号处理的方法相对来说比较复杂。,（三） 增量式测量和绝对

3、式测量 增量式测量 在轮廓控制数控机床上多采用这种测量方式，增量式测量只测相对位移量，如测量单位为0.001mm，则每移动0.001mm就发出一个脉冲信号，其优点是测量装置较简单，任何一个对中点都可以作为测量的起点，而位移是由测量信号计数累加所得，但一旦计数有误，以后测量所得结果完全错误。 绝对式测量 绝对式测量装置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。测量装置的结构较增量式复杂，如编码盘中，对应于码盘的每一个角度位置便有一组二进制位数。显然，分辨精度要求愈高，量程愈大，则所要求的二进制位数也愈多，结构就愈复杂。,1.旋转变压器,一、结构与工作原理 旋转

4、变压器是一种角位移测量装置，由定子和转子组成。 旋转变压器的工作原理与普通变压器基本相似，其中定子绕组作为变压器的一次侧，接受励磁电压。转子绕组作为变压器的二次侧，通过电磁耦合得到感应电压，只是其输出电压大小与转子位置有关。 旋转变压器通过测量电动机或被测轴的转角来间接测量工作台的位移。 旋转变压器分为单极和多极形式，先分析一下单极工作情况。,如图所示，定子和转子各有一对磁极，设加到定子绕组励磁电压为 ，当转子绕组的磁轴自垂直位置转过一定角度时，转子绕组中产生的感应电压为 当转子转过900，两磁轴平行，此时转子绕组中感应电压最大，即 。,U1,U1,U1,定子,转子,U2,U2,U2,1,=0

5、0,= 1,=900,二、应用 旋转变压器典型工作方式，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。 1 . 鉴相工作方式 给定子两绕组分别通以幅值相同、频率相同、相位差900的交流励磁电压，即,这两个励磁电压在转子绕组中都产生了感应电压，如上图所示，根据线性叠加原理，转子中的感应电压应为这两个电压的代数和：,由式可见，转子输出电压的相位角和转子的偏转角之间有严格的对应关系，这样，只要检测出转子输出电压的相位角，就可知道转子的转角。由于旋转变压器的转子和被测轴连接在一起，所以，被测轴的角位移就知道了。,2. 鉴幅工作方式 给定

6、子的两个绕组分别通以频率相同、相位相同、幅值分别按正弦和余弦变化的交流激磁电压，即,由式可见，转子感应电压的幅值随转子的偏转角而变化，测量出幅值即可求得转角。 如果将旋转变压器装在数控机床的滚珠丝杠上，当角从00到3600时，丝杠上的螺母带动工作台移动了一个导程，间接测量了执行部件的直线位移。测量所走过的行程时，可加一个计数器，累计所转的转数，折算成位移总长度。,则转子上的叠加电压为,1）结构与工作原理 感应同步器和旋转变压器均为电磁式检测装置，属模拟式测量，二者工作原理相同，其输出电压随被测直线位移或角位移而改变。 感应同步器按其结构特点一般分为直线式和旋转式两种： 直线式感应同步器由定尺和

7、滑尺组成，用于直线位移测量。 旋转式感应同步器由转子和定子组成，用于角位移测量。 以直线式感应同步器为例，介绍其结构和工作原理。,2. 感应同步器,结构：,直线感应同步器相当于一个展开的多极旋转变压器，如图所示，定尺和滑尺的基板采用与机床热膨胀系数相近的钢板制成，钢板上用绝缘粘结剂贴有铜箔，并利用腐蚀的办法做成图示的印刷绕组。长尺叫定尺，安装在机床床身上，短尺为滑尺，安装于移动部件上，两者平行放置，保持0.250.05mm间隙。 感应同步器两个单元绕组之间的距离为节距，滑尺和定尺的节距均为2mm ，这是衡量感应同步器精度的主要参数。标准感应同步器定尺长250mm，滑尺长100mm，节距为2mm

8、。定尺上是单向、均匀、连续的感应绕组，滑尺有两组绕组，一组为正弦绕组，另一为余弦绕组。当正弦绕组与定尺绕组对齐时，余弦绕组与定尺绕组相差1/4节距。,工作原理：,应用： 工作方式：鉴相式和鉴幅式。 特点： 1）精度高； 2）测量长度不受限制； 3）对环境的适应性强； 4）维护简单，寿命长。,3. 光栅,光栅种类较多。根据光线在光栅中是透射还是反射分为透射光栅和反射光栅，透射光栅分辨率较反射光栅高，其检测精度可达1m以上。从形状上看，又可分为圆光栅和直线光栅。圆光栅用于测量转角位移，直线光栅用于检测直线位移。两者工作原理基本相似，本节着重介绍一种应用比较广泛的透射式直线光栅。 光栅尺的结构 直线

9、光栅通常包括一长和一短两块配套使用，其中长的称为标尺光栅或长光栅，一般固定在机床移动部件上，要求与行程等长。短的为指示光栅或短光栅，装在机床固定部件上。两光栅尺是刻有均匀密集线纹的透明玻璃片，线纹密度为25、50、100、250条/mm等。线纹之间距离相等，该间距称为栅距，测量时它们相互平行放置，并保持0.050.1mm的间隙。,17,原理： 如果将指示光栅在其自身的平面内转过一个很小的角度，这样两块光栅的刻线相交，当平行光线垂直照射标尺光栅时，则在相交区域出现明暗交替、间隔相等的粗大条纹，称为摩尔条纹。当两光栅尺沿与刻线垂直的方向相对移动时，莫尔条纹沿刻线方向移动，当光栅尺移动一个栅距，莫尔

10、条纹正好移动一个节距。这样只要通过光电元件检测出莫尔条纹移动的数目和方向，就可以知道光栅移过了多少个栅距和移动的方向。,18,工作原理：,特点： 1. 放大作用 用W（mm）表示莫尔条纹的宽度，P(mm)表示栅距，(rad)为光栅线纹之间的夹角，如图所示则有 莫尔条纹宽度W与角成反比，越小，放大倍数越大。,特点： 莫尔条纹宽度W与角成反比，越小，放大倍数越大。,2. 均化误差作用 莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同组成，例如，200条/mm的光栅，10mm宽的光栅就由2000条线纹组成，这样栅距之间的固有相邻误差就被平均化了，消除了栅距之间不均匀造成的误差。 3. 莫尔条纹的移动与栅距的移动成比例

11、 当光栅尺移动一个栅距P时，莫尔条纹也刚好移动了一个条纹宽度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。若光栅移动方向相反，则莫尔条纹移动方向也相反。,光栅测量系统：,光栅测量系统如图所示，由光源、聚光镜、光栅尺、光电元件和驱动线路组成。读数头光源采用普通的灯泡，发出辐射光线，经过聚光镜后变为平行光束，照射光栅尺。光电元件（常使用硅光电池）接受透过光栅尺光强信号，并将其转换成相应的电压信号。由于此信号比较微弱，在长距离传递时，很容易被各种干扰信号淹没，造成传递失真，驱动线路的作用就是将电压信号进行电压和功率放大。除标尺光栅与工作台一起移动

12、外，光源、聚光镜、指示光栅、光电元件和驱动线路均装在一个壳体内，作成一个单独部件固定在机床上，这个部件称为光栅读数头，又叫光电转换器，其作用把光栅莫尔条纹的光信号变成电信号。,24,编码器是一种旋转式测量元件，通常装在被检测轴上（或同步带联接）；随被测轴一起转动，可将被测轴的角位移转换为增量脉冲形式或绝对式的代码形式。根据内部结构和检测方式，编码器可分为接触式、光电式和电磁式3种。其中，光电编码器在数控机床上应用较多，由霍尔效应构成的电磁编码器则可用作速度检测元件。,4. 编码器,25,（一）接触式编码器 接触式编码器是一种绝对式的检测装置，可直接把被测转角用数字代码表示出来，且每一个角度位置

13、均有其对应的测量代码，因此这种测量方式即使断电或切断电源，也能读出转动角度。 接触式编码器体积小，输出信号功率大，但易磨损，寿命短且转速不能太高。,26,（二） 光电式编码器 光电式编码器是一种光电式转角检测装置。编码器用透明及不透明区域按一定编码构成，根据其编码方式不同，可分为增量式光电编码器和绝对式光电编码器。 增量式光电编码器可通过光电转换将被测轴的角位移增量转换成相应的脉冲数字量，然后由微机数控系统或计数器计数得到角位移量和直线位移量。,27,1-旋转轴 2-轴承 3-透光窄缝 4-光栅编码器 5-光源 6-聚光镜 7-光澜板 8-光敏元件,增量式光电编码器,28,光电编码器需解决的两

14、个问题： 1、正反向辨别 2、掉电位置记忆,为了测量出转向，光澜板的两个窄缝距离比编码器两个窄缝之间的距离小1/4节距，使两个光敏元件的输出信号相差/2相位。 如果将其输出的脉冲信号经频率电压变换后，得到与转轴转速成正比的电压信号，它就是速度反馈信号。,29,在数控车床主轴末端通常就使用增量式光栅编码器，来检测主轴的位置，以保证切削螺纹时不会乱扣。 例如，J1CJK6146型数控车床主轴编码器就采用增量式光栅编码器LF-90BM-CO5D；MJ-520数控车床主轴编码器采用的是Y615-720型增量式圆光栅编码器。此外，增量式光栅编码器也可以用于高速旋转的转数计数或加工中心等数控机床上的主轴准

15、停信号。,30,它与接触式编码器结构相似，它与增量式编码器相比特点是：由于某种原因停机后再开机，还能找到正确位置，但因其结构的限制，分辨率不能做得很高。 绝对式光栅编码器与增量式编码器的共同特点是：没有接触磨损，编码器寿命长，允许转速高，精度较高。,绝对式编码器,31,分类： 线速度型 角速度型 常用的速度传感器： 光电编码器 测速发电机 脉冲编码器,二、速度传感器,32,特点： 输出电压与转速严格成线形关系； 输出电势与转速比的斜率大。 结构与工作原理：,1. 交流测速发电机,33,结构与工作原理：,2. 直流测速发电机,34,位置检测元件分为接触式和接近式两种。接触式位置检测元件必须与被测

16、物接触才能产生信号，如微动开关、行程开关等，而接近式无需直接接触，检测元件与被测物之间通过光电、电磁或超声波等获得信号，如电磁式接近开关。 接触式可靠性高、寿命有限 ，用于限位 接近式无磨损、寿命长。,三、 位置检测元件,35,数控机床常用的几种位置检测元件,36,4.3 伺服驱动装置,（一）概述 伺服系统是以机械位置或角度作为控制量的自动控制系统，在数控机床中，CNC控制器经过插补运算生成的进给脉冲或进给位移量指令输入到伺服系统，由伺服系统经变换和传递放大转化为机床机械部件的高精度运动。 伺服系统既是数控机床控制器与刀具、主轴间的信息传递环节又是能量放大与传递的环节，它的性能在很大程度上决定

17、了数控机床的性能。因此伺服系统一直是现代数控机床的关键技术之一。,37,（二）伺服系统的基本技术要求 1、精度高 伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确程度。作为数控加工，对定位精度和轮廓加工精度要求都比较高，定位精度一股为0.01-0.001mm，甚至0.1um。 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。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。,38,（二）伺服系统的基本技术要求 3、快速响应 快速响应是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统的跟踪精度。为

18、了保证轮廓切削形状精度和低的加工表面粗糙度，要求伺服系统跟踪指令信号的响应要快。 4、调速范围宽 不仅能满足低速切削进给要求，如5mm/min，还要求满足高速进给要求，如20000 mm/min。,39,（三） 伺服驱动系统的发展概况 在50年代，数控机床主要采用液压驱动，称为液压伺服系统，这种系统的优点是刚性好，时间常数小。 60年代初，在日本首次推出了步进电机开环伺服驱动系统，这种系统的优点是结构简单，价格低廉，使用维修方便，所以在数控设备中被广泛采用. 随着生产的发展，对伺服驱动系统的精度、速度等性能指标要求更高，输出功率要求更大，而步进电机开环伺服驱动系统不能满足要求。 70年代，直流

19、电机伺服系统采用闭环或半闭环控制，精度提高一个数量级，调速范围可达1：10000，运行速度提高到15-24m/min。,40,（三） 伺服驱动系统的发展概况 直流电机伺服系统的缺点是结构复杂，价格昂贵。 在80年代以后，微机和微电子技术的迅速发展，为交流电机伺服系统的调速控制提供了条件，伺服系统发展的趋势是交流伺服驱动系统逐渐取代了直流伺服驱动系统。据国外资料统计：1975年，直流伺服驱动系统占80%，交流伺服驱动系统占20%；1985年，交流伺服驱动系统占80%，直流伺服驱动系统占20%。,41,（四） 数控机床对伺服电动机的要求 为了满足数控机床对伺服系统的要求，对电气伺服驱动系统的执行元

20、件伺服电动机也必须有较高的要求； 电动机从最低进给速度到最高进给速度范围内都能平滑地运转；转速波动要小，尤其在最低速度转速时，如0.1rmin或更低转速时，仍有平稳的速度而无爬行现象。 电动机应具有大的、较长时间的过载能力，以满足低速大转矩的要求。例如，电动机能在数分钟内过载46倍而不损坏。,42,（四） 数控机床对伺服电动机的要求 为了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完成必须的动作。快的反应速度直接影响到系统的品质。因此，要求电动机必须具有较小的转动惯量和大的堵转转矩，尽可能小的电动机时间常数和起动电压。 电动机应能承受频繁的起动、制动和反转。,43,（五）常

21、用伺服电动机 常用的伺服执行元件主要有: 直流伺服电动机 交流伺服电动机 步进电动机 直接驱动电动机,44,1、步进电动机 步进电机是一种将电脉冲信号转换成机械角位移的电磁装置。由于所用电源是脉冲电源，所以也称为脉冲马达。 步进电机是一种特殊的电机，一般电机通电后连续旋转，而步进电机则跟随输入脉冲按节拍一步一步地转动。对步进电机施加一个电脉冲信号时，步进电机就旋转一个固定的角度，称为一步。每一步所转过的角度叫做步距角。步进电机的角位移量和输入脉冲的个数严格地成正比例，在时间上与输入脉冲同步。因此，只需控制输入脉冲的数量、频率、及电机绕组通电相序，便可获得所需的转角、转速及转动方向。,45,2、

22、步进电动机的结构与工作原理 通过被励磁的定子的电磁力吸引转子偏转输出转矩。即电磁作用原理。 例如：三相反应式步进电动机,46,47,48,3. 步进电机的主要特性 1）步距角和静态步距误差,m定子相数；Z转子齿数；Q拍数与相数之比 在一周内各步误差的最大值，被定为步距误差。它的大小是由制造精度、齿槽的分布和气隙等因素决定的。静态步距误差一般在10以内。 2） 输出转距 是指与步进电动机的各种转速相对应的输出扭矩。如施加超过输出扭矩的负载扭矩时，步进电动机就会停转，因此，步进电动机的负载扭矩必须小于输出转矩。,49,3. 步进电机的主要特性 3）最高启动、停止脉冲频率 步进电动机所能接受的正确启

23、动停止的指令脉冲系列的最高频率。它随着加在电机轴上的负载惯量和负载转矩的大小而变化。 4）连续运行最高频率 步进电动机连续运行时，所能接受的指令脉冲系列的最高频率。 5）步进运行和低频振荡 当控制脉冲的时间间隔大于步进电动机的过渡过程时间时，电机呈步进运行状态。 步进电动机在运行中存在着振荡，它有一个固有频率，当控制脉冲频率等于固有频率时，就会产生振荡。,50,4. 步进电机开环进给的传动计算及电机选用 1） 传动计算,脉冲当量：数控系统发出一个指令脉冲，工作台所移动的距离。它决定了数控机床的加工精度和最高工作频率。,51,2） 步进电机的选用 首先，根据负载转矩确定步进电动机的最大静态转矩；

24、 其次，根据脉冲当量计算步距角； 第三，确定启停最高频率； 最后，和最高工作频率。,52,5. 步进电机的驱动 步进电机不能直接接到交流电源上工作，而必须使用专用设备步进电机驱动器。步进电机的运行性能是电动机和驱动器两者的综合效果。在数控机床中使用的驱动器有一轴一板型，也有一相一板型，前者维护方便，但稳定性差；后者集成度高，可靠性高，因此，得到了广泛的应用。 步进电动机驱动器由环形分配器、功率放大器及其他控制电路组成，数控装置发出脉冲信号通过环形分配器形成按一定顺序的脉冲，例如A-B-C-A-这些脉冲经功率放大后加到步进电动机的各相绕组上。,53,1）环形分配器 硬件环型分配器,软件环型分配器

25、 特点： 硬件简单；站用CPU时间多，只用于速度要求不高，系统比较简单的系统。,54,2）步进电动机的驱动 1、单电压驱动 电路简单、工作频率不高,55,2）步进电动机的驱动 1、单电压驱动 电路简单、工作频率不高,2、双电压驱动 启动转矩大、工作频率高,56,2）步进电动机的驱动 3、恒流斩波 启动转矩大、工作频率高,57,6. 步进电动机可分为三类： 反应式步进电动机 永磁式步进电动机 永磁感应子式步进电动机,58,反应式步进电动机又叫做可变磁阻式步进电动机。 特点： 步距角小，因为反应式步进电动机定转子是采用软磁材料做成的，允许的最小步距情况下，转子的齿数可以做得很多; 励磁电流较大，要

26、求驱动电源功率较大; 电动机的内部阻尼较小，当相数较少时，单相运行振荡时间较长; 断电后无定位转矩。,59,永磁式步进电动机 永磁式步进电动机是转子或定子的某一方具有永久磁钢的步进电动机，另一方是由软磁材料制成。绕组轮流通电，建立的磁场与永久磁钢的恒定磁场相互作用产生转矩。 特点：步距角大，这是因为在一个圆周上能形成的磁极数受到极弧尺寸的限制;控制功率小，效率高;内阻尼较大单步振荡时间短;断电后具有一定的定位转矩。例如济南机床一厂生产的J1BNC320B数控机床上使用的110YG001就是永磁式步进电动机。,60,永磁感应式步进电动机 它是反应式和永磁式步进电动机的结合。所以常称此类电动机为混

27、合式步进电动机。它可以做成像反应式步进电动机一样的小步距，也具有永磁式步进电动机控制功率小的优点。它常常也作为低速同步电动机运行。永磁感应子式步进电动机代表了步进电动机的最新发展。国外主流品种，国内也已大面积取代反应式步进电机成为市场热点。例如济南机床一厂生产的CK6132、CK6125数控机床上使用的BYG404就是混合式步进电动机。,61,直流伺服电动机,采用直流伺服驱动器将交流电转变为可控制的直流电驱动直流伺服电动机。速度控制单元接受转速指令信号，改变相应的直流伺服电动机电枢电压，达到调速的目的。直流伺服驱动器较多的采用晶闸管调速系统和晶体管脉宽调制调速系统。,调压调速,调电阻调速,调励磁调速,62,调压调速的实现方法 发电机调压（G-M） 可控硅调压（SCR） 脉宽调制调压（PWM）,63,位置伺服工作原理,64,(1) 永磁式直流伺服电动机 永磁式直流伺服电动机系指以永磁材料获得励磁磁场的一