數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)

1、第四章數(shù)控機床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)學(xué)章 節(jié)教學(xué) 內(nèi) 容重點、難點時2§4-1位移、速度、位置傳感器理解其應(yīng)用情況1§4-2進給伺服驅(qū)動系統(tǒng)典型進給伺服系統(tǒng) (位置控制 )掌握系統(tǒng)的組成及工作4§ 4-3.1步進式伺服系統(tǒng)原理1 § 4-3.2 閉環(huán)、半閉環(huán)進給伺服系統(tǒng)第一節(jié)位移、速度、位置傳感器數(shù)控機床若按伺服系統(tǒng)有無檢測裝置進行分類， 可分為開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán) (或半環(huán) ) 系統(tǒng)。也就是說檢測裝置是閉環(huán) (半閉環(huán) )系統(tǒng)的重要部件之一， 它的作用是測量工作實際位移并反饋送至數(shù)控裝置，使工作臺按規(guī)定的路徑精確移動。因此對于閉環(huán)系統(tǒng)來說，檢測裝置決定了它的定位精度

2、和加工精度。數(shù)控機床對檢測裝置的主要要求為：(1) 工作可靠，抗干擾性強；(2) 使用維護方便，適應(yīng)機床的工作環(huán)境；(3) 滿足精度和速度的要求；(4) 成本低。通常， 數(shù)控裝置要求位置檢測的分辨率為0.001 0.0lmm ；測量精度為±0.002± 0.02mm m，能滿足數(shù)控機床以1 l0m min 的最大速度移動位置檢測裝置的分類列表于4 1 中。本章僅就其中常用的檢測裝置(旋轉(zhuǎn)變壓器感應(yīng)同步器光柵、磁柵、編碼盤)的結(jié)構(gòu)和原理予以講述。旋轉(zhuǎn)變壓器位置檢測裝置分類是一種常用的轉(zhuǎn)角檢測元件，由于它結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，且其精度能滿足一般的檢測要求，因此被廣泛應(yīng)用在數(shù)控機床

3、上。工作原理當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組的磁軸與定子繞組的磁軸自垂直位置轉(zhuǎn)動一角度 時，繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢應(yīng)為E1 nV 1 sin nV m sint sin式中n變壓比；V1定子的輸入電壓；Vm定子最大瞬時電壓。o當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到兩磁軸平行時 (即 90 )，轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)電勢最大，即E1nV msin t旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用V3nVsin t sin cos t cos m1+ nV m1 nV mcos(t 1)感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器是一種電磁式位置檢測元件，按其結(jié)構(gòu)特點一般可分為直線式和旋轉(zhuǎn)式兩種。直線式感應(yīng)同步器由定尺和滑尺組成；旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器由轉(zhuǎn)子和定子組成。前者用于直線位移的測量，后者用于角度位移的測量

4、。它們的工作原理都與旋轉(zhuǎn)變壓器相似。感應(yīng)同步器具有檢測精度高、抗干擾性強、壽命長、維護方便、成本低、工藝性好等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于高精度的數(shù)控機床。本節(jié)主要以直線式感應(yīng)同步器為例，對其結(jié)構(gòu)特點和工作原理進行講述。1. 感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)及分類結(jié)構(gòu)定尺節(jié)距 2 （2mm）基板 (鋼、銅 )絕緣粘膠銅箔耐切削液涂層鋁箔分類直線感應(yīng)同步器圓感應(yīng)同步器2.感應(yīng)同步器的工作原理.1sincos4節(jié)距 （ 0.5mm）滑尺絕對式標(biāo)準型增量式窄長型帶型絕對式增量式感應(yīng)同步器是利用勵磁繞組與感應(yīng)繞組間發(fā)生相對位移時，由于電磁耦合的變化，感應(yīng)繞組中的感應(yīng)電壓隨位移的變化而變化，借以進行位移量的檢測。感應(yīng)同步器滑尺上的

5、繞組是勵磁繞組，定尺上的繞組是感應(yīng)繞組。光柵在高精度的數(shù)控機床上，目前大量使用光柵作為檢測元件。光柵與旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器不同，它是一種將機械位移或模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字脈沖的測量裝置。常見的光柵從形狀上可分為圓光柵和直線光柵兩大類。圓光柵用于測量轉(zhuǎn)角位移；直線光柵用于檢測直線位移。光柵的檢測精度較高，一般可達幾微米。本節(jié)主要以直線光柵為例講述其構(gòu)成和工作原理。光柵檢測裝置的構(gòu)成光柵檢測裝置是利用光的透射、 衍射現(xiàn)象制成的光電檢測元件。 它主要由光源、長光柵、短光柵和光電元件等組成工作原理常見光柵的工作原理都是基于物理上的莫爾條紋形成原理。莫爾條紋的形成原因?qū)Υ止鈻艁碚f， 主要是擋光積分效應(yīng)； 對

6、細光柵來說，則是光線通過線紋衍射后，發(fā)生干涉的結(jié)果圖 4-6 光柵的構(gòu)成脈沖編碼器脈沖編碼器又稱碼盤， 是一種回轉(zhuǎn)式數(shù)字測量元件， 通常裝在被檢測軸上，隨被測軸一起轉(zhuǎn)動，可將被測軸的角位移轉(zhuǎn)換為增量脈沖形式或絕對式的代碼形式。根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和檢測方式碼盤可分為接觸式、光電式和電磁式3 種。其中，光電碼盤在數(shù)控機床上應(yīng)用較多，而由霍爾效應(yīng)構(gòu)成的電磁碼盤則可用作速度檢測元件。另外，它還可分為絕對式和增量式兩種。1. 增量脈沖編碼器結(jié)構(gòu)及工作原理光敏元件透光狹縫碼盤基片光欄板透鏡zba光源信號處理裝置m+/4節(jié)距 ZZBBAA2. 絕對式編碼器結(jié)構(gòu)和工作原理碼盤基片上有多圈碼道，且每碼道的刻線數(shù)相等；

7、對應(yīng)每圈都有光電傳感器；輸出信號的路數(shù)與碼盤圈數(shù)成正比；檢測信號按某種規(guī)律編碼輸出，故可測得被測軸的周向絕對位置。23222120絕對編碼盤的編碼方式及特點二進制編碼：特點：編碼循序與位置循序相一致，但可能產(chǎn)生非單值性誤差。誤差分析：3. 光電編碼器的特點非接觸測量，無接觸磨損，碼盤壽命長，精度保證性好；允許測量轉(zhuǎn)速高，精度較高； 。光電轉(zhuǎn)換，抗干擾能力強；體積小，便于安裝，適合于機床運行環(huán)境；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格高，光源壽命短；碼盤基片為玻璃，抗沖擊和抗震動能力差。第二節(jié)進給伺服驅(qū)動系統(tǒng)一 . 概述1. 進給伺服驅(qū)動系統(tǒng) 由進給伺服系統(tǒng)中的 驅(qū)動電機及其控制和驅(qū)動裝置。2. 驅(qū)動電機 是進給系統(tǒng)的

8、動力部件，它提供執(zhí)行部分運動所需的動力，在數(shù)控機床上常用的電機有：步進電機直流伺服電機交流伺服電機直線電機。3.速度單元是上述驅(qū)動電機及其控制和驅(qū)動裝置 ，通常驅(qū)動電機與速度控制單元是相互配套供應(yīng)的， 其性能參數(shù)都是進行了相互匹配， 這樣才能獲得高性能的系統(tǒng)指標(biāo)。4.速度控制單元主要作用 ：接受來自位置控制單元的速度指令信號， 對其進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)運算 (目的是穩(wěn)速 )，將其變換成電機轉(zhuǎn)速的控制量(頻率，電壓等 ) ，再經(jīng)功率放大部件將其變換成電機的驅(qū)動電量，使驅(qū)動電機按要求運行。簡言之： 調(diào)節(jié)、變換、功放 。5. 進給驅(qū)動系統(tǒng)的特點（ 與主運動（主軸）系統(tǒng)比較） ：功率相對較小；控制精度要求高

9、；控制性能要求高，尤其是動態(tài)性能。二 .步進電機及其驅(qū)動裝置步進電機流行于 70 年代，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、控制容易、維修方面，且控制為全數(shù)字化。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，除功率驅(qū)動電路之外，其它部分均可由軟件實現(xiàn)，從而進一步簡化結(jié)構(gòu)。因此，這類系統(tǒng)目前仍有相當(dāng)?shù)氖袌?。目前步進電機僅用于小容量、低速、精度要不高的場合，如經(jīng)濟型數(shù)控；打印機、繪圖機等計算機的外部設(shè)備。三 . 直流伺服電機及驅(qū)動直流電機的工作原理是建立在電磁力定律基礎(chǔ)上的，電磁力的大小正比于電機中的氣隙磁場，直流電機的勵磁繞組所建立的磁場是電機的主磁場，按對勵磁繞組的勵磁方式不同，直流電機可分為：他激式、并激式、串激式、復(fù)激式、永磁式。2

10、0 世紀 8090 年代中期，永磁式直流伺服電機在NC 機床中廣泛采用。直流伺服電機的特點過載倍數(shù)大，時間長；具有大的轉(zhuǎn)矩/慣量比，電機的加速大，響應(yīng)快。低速轉(zhuǎn)矩大，慣量大，可與絲桿直接相聯(lián)，省去了齒輪等傳動機構(gòu)。可提高了機床的加工精度。調(diào)速范圍大， 與高性能的速度控制單元組成速度控制系統(tǒng)時，調(diào)速范圍超過 1 2000。帶有高精度的檢測元件(包括速度和轉(zhuǎn)子位置檢測元件)；電機允許溫度可達 150° 180，由于轉(zhuǎn)子溫度高，它可通過軸傳到機械上去，這會影響機床的精度由于轉(zhuǎn)子慣性較大， 因此電源裝置的容量以及機械傳動件等的剛度都需相應(yīng)增加。電刷、維護不便四 .交流伺服電機及驅(qū)動由于直流伺

11、服電機具有優(yōu)良的調(diào)速性能，80 年代初至90 年代中，在要求調(diào)速性能較高的場合，直流伺服電機調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用一直占據(jù)主導(dǎo)地位。但其卻存在一些固有的缺點，即：電刷和換向器易磨損，維護麻煩結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，成本高而交流伺服電機則沒有上述缺點。特別是在同樣體積下，交流伺服電機的輸出功率比直流電機提高10% 70%，且可達到的轉(zhuǎn)速比直流電機高。因此，人們一直在尋求交流電機調(diào)速方案來取代直流電機調(diào)速的方案。接線合繞組線圈轉(zhuǎn)子（永磁體）編碼器定子電機軸1.分類交流感應(yīng)伺服電機交流伺服電機非電磁式交流同步伺服電機磁滯式電磁式永磁式反應(yīng)式2. 交流伺服電機的速度控制單元交流伺服電機轉(zhuǎn)速 n 調(diào)速的理論基礎(chǔ)n

12、60 f (1 s) pf :電源頻率s : 轉(zhuǎn)速的滑差率p :電機的極對數(shù)E4.44 f kUE4.44 f kMCmI 2 cos結(jié)論 ：交流伺服電機變頻調(diào)速的關(guān)鍵是要獲得可調(diào)頻調(diào)壓 的交流電源調(diào)頻調(diào)壓電源的分類交 直電壓型變頻器交變頻器（間接式）電流型交 交變頻器（直接式）可控硅整流器逆變器整流器逆變器電壓型變頻器方案示意圖電壓型變頻器工作原理L dT1T2T3UUdAVCBWCT4T5T3結(jié)論：變頻器實現(xiàn)變頻調(diào)壓的關(guān)鍵是逆變器控制端獲得要求的控制波形（如SPWM 波）。IPM三相 220VPMSM+PG單相 220V開關(guān)電源保護電路驅(qū)動EEPROM顯示、按鍵光耦26LS32編碼器6輸入

13、接口AT89C52FPGADSP(ADSP401)串行通訊26LS31光耦光耦光耦362RS232編碼器輸出輸入脈沖接口模擬接口串型接口輸出信號控制波形的實現(xiàn)方式（電機調(diào)速的控制方式）：相位控制；矢量變換控制；PWM 控制；磁場控制；第三節(jié)典型進給伺服系統(tǒng) (位置控制 )一 . 開環(huán)進給伺服系統(tǒng) (Open-Loop System)不帶位置測量反饋裝置的系統(tǒng)；驅(qū)動電機只能用步進電機；主要用于經(jīng)濟型數(shù)控或普通機床的數(shù)控化改造CNC脈沖頻率 ff、 nA相、 B相功率脈沖環(huán)A 相、B相 步進脈沖個數(shù) n形分配放大電機插補指令變換換算C相、C 相、一 . 開環(huán)進給伺服系統(tǒng)1. 步進電機開環(huán)系統(tǒng)設(shè)計步

14、進電機開環(huán)系統(tǒng)設(shè)計要解決的主要問題：動力計算 、 傳動計算、 驅(qū)動電路設(shè)計或選擇目的： 傳動計算選擇合適的參數(shù)以滿足脈沖當(dāng)量和進給速度求。圖中： f 脈沖頻率（ HZ ） 步距角（度）Z1、 Z2 傳動齒輪齒數(shù)F 的要t 螺距 (mm) 脈沖當(dāng)量（mm）Z2f，t步進電機Z1傳動比選擇：為了湊脈沖當(dāng)量mm，也為了增大傳遞的扭矩，在步進電機與絲桿之間， 要增加一對齒輪傳動副，那么，傳動比 i=Z1/Z2 與 、t 之間有如下關(guān)系：:360: i tiZ 1360Z 2t例：= 0.01t = 6 mm = 0.75°Z13603600.0120Z120it0.750.8Z225Z262

15、5進給速度F：F60 fmm min一般步進電機：f max8000 16000 H Z若 =0.01 mm則：Fmax4800 9600 mm min若 =0.001mm則：Fmax480 960 mm min因此， 當(dāng)f max 一定時，F(xiàn)max與 成正比， 故我們在談到步進電機開環(huán)系統(tǒng)的最高速度時，都應(yīng)指明是在多大的脈沖當(dāng)量 下的否則是沒有意義的。2. 提高步進電機開環(huán)伺服系統(tǒng)傳動精度的措施概述影響步進電機開環(huán)系統(tǒng)傳動精度的因素：步進電機的步距角精度；機械傳動部件的精度；絲桿等機械傳動部件、支承的傳動間隙；傳動件和支承件的變形。提高步進電機開環(huán)系統(tǒng)傳動精度的措施適當(dāng)提高系統(tǒng)組成環(huán)節(jié)的精度

16、；采取各種精度補償措施。傳動間隙補償在整個行程范圍內(nèi)測量傳動機構(gòu)傳動間隙，取其平均值存放在數(shù)控系統(tǒng)中的間隙補償單元， 當(dāng)進給系統(tǒng)反向運動時， 數(shù)控系統(tǒng)自動將補償值加到進給指令中，從而達到補償目的。螺矩誤差補償滾珠絲桿在數(shù)控機床應(yīng)用廣泛，雖然滾珠絲桿精度較高，但是總不可做的絕對精確， 總是將其精度控制在一定的范圍內(nèi)的， 也就是它的螺距總是存在著一定的誤差的， 利用計算機的運算處理能力， 可以補償滾珠絲杠的螺矩累積誤差，以提高進給位移精度。方法：首先測量出進給絲框螺距誤差曲線 (規(guī)律 )，然后可采用下列兩種方法實現(xiàn)誤差補償： 硬件補償、軟件補償 。二 . 閉環(huán)、半閉環(huán)進給伺服系統(tǒng)閉環(huán)進給伺服系統(tǒng)的

17、實現(xiàn)方案分類和特征按系統(tǒng)的控制信號類型分：模擬型系統(tǒng)、數(shù)字型系統(tǒng)模擬型系統(tǒng)：特征： 這類系統(tǒng)全部采用模擬元件構(gòu)成； 其輸入 （控制） 信號、輸出的位置、速度信號也是模擬量；速度和位置檢測元也是模擬式的。特點 ：抗干擾能力強， 一般不會因峰值誤差導(dǎo)致致命的誤動作?？捎贸Ｒ?guī)儀器儀表（示波器，萬用表等）直接讀取信息，易于隨時把握系統(tǒng)工作的基本情況。對弱信號信噪分離困難，控制精度的提高受到限制。在零點附近容易受到溫度漂移的影響， 使位置控制產(chǎn)生漂移誤差。位置、速度調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)調(diào)整困難， 適應(yīng)負載變化的能力較差。模擬系統(tǒng)這種本質(zhì)缺陷，使它很難滿足高精度位置伺服控制的要求，目前已逐漸被數(shù)字伺服系統(tǒng)所取代。數(shù)字型系統(tǒng)：特征 ：這類系統(tǒng)是指至少其位