數(shù)控機(jī)床第6章數(shù)控機(jī)床驅(qū)動系統(tǒng)與檢測技術(shù)原理

第6章數(shù)控機(jī)床驅(qū)動系統(tǒng)與檢測技術(shù)機(jī)床伺服系統(tǒng)是指以機(jī)械位置或角度作為被控參數(shù)的自動控制系統(tǒng)，有時也稱為隨動系統(tǒng)或伺服機(jī)構(gòu)。在數(shù)控機(jī)床中，伺服系統(tǒng)接受來自插補(bǔ)器的進(jìn)給脈沖，經(jīng)變換放大后轉(zhuǎn)化為機(jī)床工作臺的位移。伺服系統(tǒng)若按有無檢測裝置可分為兩大類；開環(huán)伺服系統(tǒng)和閉環(huán)伺服系統(tǒng)。下頁6.1開環(huán)步進(jìn)驅(qū)動系統(tǒng)在步進(jìn)式伺服系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，受驅(qū)動控制線路的控制，將代表進(jìn)給脈沖的電平信號直接變換為具有一定方向、大小和速度的機(jī)械角位移，并通過齒輪和絲杠帶動工作臺移動。由于該系統(tǒng)沒有反饋檢測環(huán)節(jié)，它的精度較差，速度也受到步進(jìn)電機(jī)性能的限制，但它的結(jié)構(gòu)簡單，容易調(diào)整，故在速度和精度要求不太高的場合，具有一定的使用價值。

步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號變換成角位移或線位移的一種機(jī)電式數(shù)模轉(zhuǎn)換器，它是根據(jù)同步電機(jī)原理制成的。下面以三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為例，說明步進(jìn)電機(jī)的基本工作原理電機(jī)定子有6極，每個極裝有控制繞組，每兩個相對的極組成一相。轉(zhuǎn)子是四個分布均勻的齒上面有繞組。通電時轉(zhuǎn)子按30°轉(zhuǎn)過，使轉(zhuǎn)子和定子反復(fù)循環(huán)對齊，使電機(jī)按一定的角度轉(zhuǎn)動。(1)步進(jìn)電機(jī)定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次，它的轉(zhuǎn)子便轉(zhuǎn)過一個確定的角度，即為步進(jìn)電機(jī)的步距角；(2)改變步進(jìn)電機(jī)定子繞組的通電順序，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向?qū)㈦S之改變；(3)步進(jìn)電機(jī)定子繞組通電狀態(tài)的變化頻率越高，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速越高；(4)步進(jìn)電機(jī)的步距角與定子繞組的相數(shù)m、轉(zhuǎn)子的齒數(shù)z、通電方式K有關(guān)，可用下式表示：

式中，三相三拍時K=1；三相六拍時K=2。如前圖所示的步進(jìn)電機(jī)，若轉(zhuǎn)子齒數(shù)z＝40，以三相三拍通電時，步距角為

若以三相六拍通電方式工作時，步距角為步進(jìn)電機(jī)的類型及結(jié)構(gòu)

步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)形式很多，其分類方式也很多。常見的分類方式是按產(chǎn)生力矩的原理、輸出力矩的大小以及定子和轉(zhuǎn)子的數(shù)量等方面來分類目前，我國使用的步進(jìn)電機(jī)多為反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，如圖所示。這是一臺典型的單定子徑向分相的三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理圖單定子徑向分相式三相步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖

步進(jìn)電機(jī)的主要特性步距角步進(jìn)電機(jī)的步距角是反映步進(jìn)電機(jī)定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度。它是決定步進(jìn)伺服系統(tǒng)脈沖當(dāng)量的重要參數(shù)。數(shù)控機(jī)床中常見的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的步距角一般為0.5o~3o度。通常，步進(jìn)角越小，加工精度越高?？蛰d啟動頻率步進(jìn)電機(jī)在空載的條件下由靜止突然啟動，并進(jìn)入不丟步的正常運行所允許的最高頻率，稱為啟動頻率或突跳頻率。若啟動時頻率大于突跳頻率，步進(jìn)電機(jī)就不能正常啟動。因此，空載啟動時，步進(jìn)電機(jī)定子繞組通電狀態(tài)變化的頻率不能高于該突跳頻率．當(dāng)步進(jìn)電機(jī)加負(fù)載后，其啟動頻率隨負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量增加而減小。

(3)連續(xù)運行的最高工作頻率fmax步進(jìn)電機(jī)連續(xù)運行時保證不丟步的極限頻率fmax稱為最高工作頻率(4)最大靜轉(zhuǎn)矩Tmax當(dāng)步進(jìn)電機(jī)不改變通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子不動時，在軸上加一負(fù)載轉(zhuǎn)矩，定子與轉(zhuǎn)子就有一個角位移θ，稱為失調(diào)角。使轉(zhuǎn)子剛剛離開平衡位置的極限轉(zhuǎn)矩值稱為最大靜轉(zhuǎn)矩。靜轉(zhuǎn)矩越大，電動機(jī)所能承載的外加轉(zhuǎn)矩也越大。步進(jìn)式伺服系統(tǒng)的工作原理步進(jìn)系統(tǒng)原理框圖1．工作臺位移量的控制進(jìn)給脈沖數(shù)N→定子繞組通電狀態(tài)變化次數(shù)N→步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角→工作臺位移量L2．工作臺進(jìn)給速度的控制進(jìn)給脈沖的頻率f→定子繞組通電狀態(tài)的變化頻率f→步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速→工作臺進(jìn)給速度v3．工作臺運動方向的控制步進(jìn)電機(jī)定子繞組的通電順序→步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)→工作臺的進(jìn)給方向圖6-1反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理電機(jī)定子有6極，每個極裝有控制繞組，每兩個相對的極組成一相。轉(zhuǎn)子是四個分布均勻的齒上面有繞組。通電時轉(zhuǎn)子按30°轉(zhuǎn)過，使轉(zhuǎn)子和定子反復(fù)循環(huán)對齊，使電機(jī)按一定的角度轉(zhuǎn)動。返回上頁下頁圖6-2三相六拍工作示意圖三相電機(jī)按U-UV-V-VW-W-WU-U或者U-UW-W-WV-V-VU-U的通電順序這種方式工作時，定子三相繞組須經(jīng)過六次切換才能完成一個一個循環(huán)，故稱為“六拍”而且在通電時，有時是單個繞組接通，有時是兩個繞組同時接通，因此稱為“三相六拍”。返回上頁下頁圖6-5轉(zhuǎn)子磁鋼產(chǎn)生的磁通回路返回上頁下頁圖6-6混合式步進(jìn)電動機(jī)剖面圖圖中，每相繞組繞在8個定子磁極中的第4個極上，按照U-V-U-V-U時序通電，步進(jìn)電動機(jī)就能沿逆時針方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)，反之，電動機(jī)沿順時針方向旋轉(zhuǎn)。返回上頁下頁6.1開環(huán)步進(jìn)驅(qū)動系統(tǒng)三、步進(jìn)電動機(jī)的開環(huán)控制步進(jìn)電動機(jī)是采用脈沖控制方式工作的，只有按一定的規(guī)律對各相繞組輪流通電，步進(jìn)電機(jī)才能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)動，因此需要脈沖分配、脈沖產(chǎn)生和插補(bǔ)運算等功能。1.步進(jìn)電動機(jī)的控制系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)提供脈沖數(shù)量，提供脈沖頻率，提供各相勵磁線圈通電順序的變化。步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)通過接口電路與驅(qū)動模塊相連。接口電路必須具有以下功能。（1）電壓隔離功能（2）信息傳遞功能（3）產(chǎn)生工作所需的控制信息（4）產(chǎn)生工作所需的不同頻率返回上頁下頁6.1開環(huán)步進(jìn)驅(qū)動系統(tǒng)2.步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動電源設(shè)計步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電源的主要作用是對控制系統(tǒng)發(fā)出的控制脈沖進(jìn)行功率放大，以使步進(jìn)電機(jī)獲得足夠大的功率驅(qū)動負(fù)載運行。步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動電源多種多樣，按供電方式來分，有單壓供電和雙壓供電。（1）單電壓驅(qū)動電源基本形式如圖6-12（2）雙電壓驅(qū)動電源雙電壓驅(qū)動電源采用兩套電源給電動機(jī)繞組供電，高電壓的作用是使步進(jìn)電機(jī)繞組電流迅速提高，使繞組電流建立時的上升沿變陡，低電壓的作用是維持繞組電流。圖6-13為高壓定時控制驅(qū)動電源返回上頁下頁（3）調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動電源調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動電源的基本原理：當(dāng)步進(jìn)電機(jī)在低頻運行時，供電電壓降低，當(dāng)運行高頻段時，供電電壓升高。即供電電壓隨著步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速增加而升高。這樣，既解決了低頻振蕩問題，也保證了高頻運行時的輸出轉(zhuǎn)矩。(4)細(xì)分驅(qū)動電源細(xì)分驅(qū)動電源的基本原理：在不改動電動機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況下，使步距角細(xì)分成若干個步的電源驅(qū)動方式。這種驅(qū)動方式既能使步距角減小，而且能使步進(jìn)電動機(jī)運行平穩(wěn)，提高想、勻速性，并能減弱或者消除震蕩圖6-12晶體管單電壓驅(qū)動電源其中Ucp是步進(jìn)電機(jī)控制脈沖信號的通斷。W是步進(jìn)電機(jī)的一相繞組。VD是緒流二極管C為電容，用來提高繞組脈沖電流的前沿。返回上頁下頁圖6-13高壓定時控制驅(qū)動電源Ug—高壓電源電壓Ud—低壓電源電壓Vg—高壓控制晶體管Vd—低壓控制晶體管VD1—緒流二極管VD2—阻斷二極管采用高低壓供電的驅(qū)動電源，繞組電流的建立和消失比較快，從而改善了步進(jìn)電機(jī)的高頻性能。返回上頁下頁6.2半閉環(huán)、閉環(huán)伺服驅(qū)動系統(tǒng)一、直流（DC）伺服電動機(jī)及其特性1.直流伺服電機(jī)的特性及選用直流伺服電機(jī)通過電刷和換向器產(chǎn)生的整流作用，使磁場磁動勢和電樞電流磁動勢正交，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。直流伺服電機(jī)特點：較高的響應(yīng)速度、精度和頻率，控制特性優(yōu)良。20世紀(jì)60年代—研制出小慣量直流伺服電機(jī)20世紀(jì)70年代—研制成功大慣量直流伺服電機(jī)，特點是：勵磁便于調(diào)整，易于安排補(bǔ)償繞組和換向極，成本低。其結(jié)構(gòu)如圖6-152.直流伺服電動機(jī)與驅(qū)動目前常用的有晶體管脈寬調(diào)制驅(qū)動和晶閥管直流調(diào)速驅(qū)動晶閥管直流調(diào)速驅(qū)動通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置控制晶閥管的觸發(fā)延遲角來改變整流電壓。脈寬調(diào)制直流調(diào)速驅(qū)動原理圖如6-16返回上頁下頁圖6-15直流伺服電機(jī)返回上頁下頁6.2半閉環(huán)、閉環(huán)伺服驅(qū)動系統(tǒng)二、交流(AC)伺服電機(jī)及其特性其基本原理是檢測SM型（如圖6-18）和IM型的氣隙磁場的大小和方向，用電力電子交換器代替整流子和電刷，并通過與氣隙磁場方向相同的磁化電流和與氣隙磁場方向垂直的有效電流來控制其主磁通量和轉(zhuǎn)矩。交流電機(jī)矢量控制的原理交流伺服系統(tǒng)的工作原理：插補(bǔ)器發(fā)出的脈沖經(jīng)位置控制回路發(fā)出速度指令，比較器中與檢測器來的信號相與之后，經(jīng)放大器送出轉(zhuǎn)矩指令M，至矢量處理電路。另一方面，檢測器的輸出信號也被送到矢量處理電路中的轉(zhuǎn)交回轉(zhuǎn)電路，將電動機(jī)的回轉(zhuǎn)位置θr變化，經(jīng)放大冰與電動機(jī)回路的電流檢測信號比較之后，經(jīng)脈寬調(diào)制電路放大后，控制三相橋式晶體管電路，使交流伺服電機(jī)按規(guī)定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，并輸出所需轉(zhuǎn)矩值。返回上頁下頁6-18同步（SM)型伺服電動機(jī)控制框圖返回上頁下頁6.3主軸驅(qū)動系統(tǒng)與變頻器一、數(shù)控機(jī)床對主軸驅(qū)動的要求數(shù)控機(jī)床的主軸驅(qū)動和進(jìn)給驅(qū)動有很大的差別。早期的數(shù)控機(jī)床上多采用直流主軸驅(qū)動系統(tǒng)，隨著微處理器技術(shù)和大功率晶體管技術(shù)的進(jìn)展，交流驅(qū)動系統(tǒng)開始使用。目前，交流主軸驅(qū)動已經(jīng)達(dá)到直流驅(qū)動系統(tǒng)的水平。二、交流主軸驅(qū)動1.交流主軸驅(qū)動特點：交流伺服電機(jī)有隆型異步電機(jī)和永磁式同步異步電機(jī)，通常采用異步電動機(jī)進(jìn)行矢量控制，其結(jié)構(gòu)有三相繞組定子和有籠條的轉(zhuǎn)子組成。2.交流主軸電機(jī)的性能;在基本速度以下為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域，基本速度以上為恒功率區(qū)域。3.新型主軸電機(jī)結(jié)構(gòu)（1）輸出轉(zhuǎn)換型交流主軸電動機(jī)（2）液體冷卻主軸電動機(jī)（圖6-24）（3）內(nèi)裝式主軸電動機(jī)（圖6-25）（4）交流主軸電動機(jī)控制單元（圖6-26，圖6-27）返回上頁下頁圖6-24液體冷卻主軸電動機(jī)返回上頁下頁圖6-25內(nèi)裝式主軸電動機(jī)返回上頁下頁交流主軸電動機(jī)控制單元返回上頁下頁6.3主軸驅(qū)動系統(tǒng)與變頻器三、變頻器（一）變頻器的分類與特點變頻器的基本分類交-交變頻器與交-直-交變頻器的結(jié)構(gòu)對比（圖6-28）交-直-交電壓型變頻器的主電路結(jié)構(gòu)形式。（圖2-29）交-直-交電流型變頻器的主電路結(jié)構(gòu)形式。（6-30）數(shù)控機(jī)床中常用的變頻器（二）脈寬調(diào)制型變頻器（PWM）（圖3-31）特點：主電路只有一個可控的功率環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)簡化整流側(cè)使用了不可控整流器，電網(wǎng)功率因數(shù)與逆變器電壓無關(guān)。調(diào)頻調(diào)壓在同一環(huán)節(jié)中實現(xiàn)，變頻器的動態(tài)響應(yīng)加快。通過對PWM控制方式的控制，能有效抑制和消除低次諧波，實現(xiàn)接近正弦形的輸出交流電壓波形。

返回上頁下頁圖6-28兩種類型的變頻器返回上頁下頁圖2-29交-直-交電壓型變頻器的主電路結(jié)構(gòu)形式返回上頁下頁圖2-30交-直-交電壓型變頻器的結(jié)構(gòu)形式返回上頁下頁圖3-31PWM交-直-交變頻器示意圖返回上頁下頁6.3主軸驅(qū)動系統(tǒng)與變頻器（三）正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）變頻器SPWM變頻器屬于交-直-交靜止變頻裝置，它現(xiàn)將50Hz交流電經(jīng)整流變壓器變到所需的電壓后，經(jīng)二極管不控整流和電容濾波，形成恒定直流電壓，再送入6個大功率晶體管構(gòu)成的逆變器主電路，輸出三相頻率和電壓均可調(diào)整的等效于正弦波的脈寬調(diào)制波，即可拖動三相異步電動機(jī)運轉(zhuǎn)。SPWM變頻器工作原理1.SPWM波形和等效正弦波（圖6-32）2.產(chǎn)生SPWM波形的原理（圖6-33）3.SPWM變頻器的主電路（圖6-34）4.用單片微機(jī)實現(xiàn)的SPWM控制（6-35）返回上頁下頁圖6-32SPWM波形和等效正弦波返回上頁下頁圖6-33三相SPWM控制電路原理框圖返回上頁下頁圖6-34SPWM變頻器主電路原理與電動機(jī)線電壓波形返回上頁下頁圖6-35單片微機(jī)控制的SPWM原理圖V/?變換器-電壓頻率轉(zhuǎn)換器，將CNC的速度給定直流電壓變成相應(yīng)的頻率脈沖信號。計數(shù)分頻器及地址譯碼-一個計數(shù)值為0-359的計數(shù)器。基準(zhǔn)正弦波的形成-基準(zhǔn)正弦波有三路EPROM與D/A變換器組成。返回上頁下頁6.4數(shù)控機(jī)床的檢測技術(shù)數(shù)控機(jī)床對位置檢測元件的主要要求1）工作可靠，抗干擾能力強(qiáng)2）滿足精度和速度的要求3）零點靈敏度高4）使用維修方便，適應(yīng)機(jī)床的工作環(huán)境5）成本低一、光柵高精度的位置檢測元件，精度可達(dá)幾個微米。1.光柵的分類2.光柵的構(gòu)造與組成（圖6-37）3.光柵的基本工作原理4.光柵的辯向和細(xì)分返回上頁下頁圖3-37光柵位置檢測裝置組成光柵由光源、長光柵、短光柵、光電元件、透鏡及驅(qū)動電路組成。長光柵固定在機(jī)床固定部件上，長度相當(dāng)于工作臺移動的全行程，又稱為標(biāo)尺光柵。短光柵安裝在機(jī)床的運動部件上。返回上頁下頁莫爾條紋和光柵讀數(shù)頭讀數(shù)頭光源一般由白熾燈發(fā)出輻射光線，經(jīng)過透鏡后變成為平行光束，照射光柵尺。光電元件是一種將光強(qiáng)信號轉(zhuǎn)變成電信號的光電轉(zhuǎn)換元件。返回上頁下頁6.4數(shù)控機(jī)床的檢測技術(shù)3.光柵的基本工作原理如果將指示光柵在其自身的平面內(nèi)轉(zhuǎn)過一個很小的角度。,這樣兩塊光柵的刻度相交,則在相交處出現(xiàn)黑色條紋,稱為莫爾條紋。由于兩塊光柵的刻線密度相等,即柵距ω相等,而產(chǎn)生的莫爾條紋的方向和光柵刻線的方向大致垂直,其幾何關(guān)系如圖6-38所示。當(dāng)θ很小時,條紋的節(jié)距W為這表明莫爾條紋的節(jié)距是光柵距的1/θ

倍,當(dāng)標(biāo)尺光柵移動時,莫爾條紋就沿垂直于光柵移動的方向移動.當(dāng)光柵移動一個柵距ω時,莫爾條紋就相應(yīng)地移動一個節(jié)距w,也就是說兩者一一對應(yīng).所以,只要讀出移過莫爾條紋的數(shù)目,就可以知道光柵移過了多少個柵距,而柵距在制造光柵時是已知的,光柵的移動距離就可以通過電氣系統(tǒng)自動地測量出來.返回上頁下頁6.4數(shù)控機(jī)床的檢測技術(shù)4.光柵的辯向和細(xì)分為了提高光柵的分辨率，必須增加其刻線的密度，常采用電子和機(jī)械細(xì)分的方法，提高光柵的分辨率，提高測量精度。電子細(xì)分又稱為倍頻細(xì)分，常用的是四倍頻。圖6-39是一個利用光柵讀數(shù)頭實現(xiàn)四倍頻的方法。返回上頁下頁6.4數(shù)控機(jī)床的檢測技術(shù)二、旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器是一種常用的轉(zhuǎn)角檢測元件，它結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，對環(huán)境條件要求低，信號輸出幅值大，抗干擾性強(qiáng)，因此，被廣泛的用在數(shù)控機(jī)床上。1.旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)變壓器分為定子和轉(zhuǎn)子兩大部分，定子繞組通過固定在殼體上的接線板直接引出。轉(zhuǎn)子繞組有兩種不同的引出方式，根據(jù)引出方式的不同可將旋轉(zhuǎn)變壓器分為有刷式和無刷式兩種。圖6-42為無刷式旋轉(zhuǎn)變壓器。返回上頁下頁圖6-42無刷式旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)示意圖它由旋轉(zhuǎn)變壓器本體和附加變壓器組成。附加變壓器的一、二測鐵心圈均做成環(huán)形，分別固定在定子和轉(zhuǎn)子上，在徑向留有一定的間隙，旋轉(zhuǎn)變壓器本體的轉(zhuǎn)子繞組和附加變壓器的二次側(cè)線圈連在一起，旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子在定子中回轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子上的電信號通過電磁耦合，經(jīng)附加變壓器的一次側(cè)線圈間接的輸出。返回上頁下頁6.4數(shù)控機(jī)床的檢測技術(shù)2.旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理旋轉(zhuǎn)變壓器定子繞組通勵磁電壓時，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。設(shè)釘子繞組的勵磁電壓為um—勵磁電壓的幅值ω—勵磁電壓的角頻率另外勵磁電壓產(chǎn)生一個脈動磁場，依時間按正弦規(guī)律變化，在空間上方向是固定的。Θ---定子和轉(zhuǎn)子之間的夾角n—電壓比返回上頁下頁6.4數(shù)控機(jī)床的