数控系统及伺服驱动系统学习教案

会计学1数控系统及伺服驱动数控系统及伺服驱动(q dn)系统系统第一页，共62页主轴电机伺服电机刀库刀具(doj)定位电机机械手旋转(xunzhun)定位电机带制动器伺服电机加工(ji gng)中心 5-1 系统结构第1页/共62页第二页，共62页第2页/共62页第三页，共62页第3页/共62页第四页，共62页第4页/共62页第五页，共62页第5页/共62页第六页，共62页CNC系统(xtng)伺服控制器主轴控制器IO控制用户接口XYZ伺服马达主轴主电路继电器按钮报警器限位开关鼠标键盘等第6页/共62页第七页，共62页伺服驱动(q dn)系统（Servo System)CNC系统(xtng)驱动(q dn)电机检测装置控制信号反馈信号光栅尺第7页/共62页第八页，共62页一、数控机床伺服系统的定义 伺服系统是一种以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统 CNC装置是数控机床的“大脑(dno)” ， “指挥机构” 伺服系统是数控机床的“四肢” ， “执行机构” 伺服系统的组成 检测装置：感应同步器、旋转变压器、光栅、脉冲编码器等 电机及其控制器：第8页/共62页第九页，共62页第9页/共62页第十页，共62页。

二、数控机床伺服系统的分类按伺服系统控制方式分开环系统 步进电机，无位置反馈，投资低，精度低闭环系统 直接测量实际位移(wiy)进行反馈，精度高半闭环系统 间接测量位移(wiy)进行反馈，精度低于闭环第10页/共62页第十一页，共62页 5-2 检测(jin c)装置l性能指标l 系统精度：是指在一定长度或转角内测量积累误差的最大值，如0.0020.02mm/m，10/360等l 系统分辨率：是测量元件所能正确检测的最小位移量，如目前(mqin)直线位移的分辨率为0.0010.01mm角位移分辨率为2 检测装置是伺服系统的重要组成部分作用 检测位置和速度，发送反馈信号，构成闭环或半闭环， 对驱动装置进行(jnxng)控制要求 工作可靠，抗干扰能力强 满足精度、分辨率、测量范围 使用维修方便、成本低第11页/共62页第十二页，共62页按检测信号分：数字式、模拟式按测量基准分：增量式、绝对(judu)式按安装位置关系分：直接测量、间接测量按信号类型分：光、磁、电第12页/共62页第十三页，共62页一、光栅尺一、光栅尺 光栅尺属于光学(gungxu)元件，是一种高精度的位移传感器1. 光栅尺的种类透射光栅反射光栅封闭式光栅开放式光栅增量式光栅绝对式光栅第13页/共62页第十四页，共62页。

光栅检测装置基本(jbn)结构示意图 2. 直线透射(tu sh)光栅（1）组成第14页/共62页第十五页，共62页光栅检测装置(zhungzh)的结构透射(tu sh)光栅第15页/共62页第十六页，共62页010,00,11,01,1反射光栅第16页/共62页第十七页，共62页2） 直线(zhxin)透射光栅的工作原理 由于挡光效应和光的衍射，在与线纹几乎垂直方向上，会出现明暗交替、间隔相等的粗大条纹，称为“莫尔条纹” 第17页/共62页第十八页，共62页莫尔条纹的特点(tdin) 放大作用 莫尔条纹(tio wn)纹距B 与光栅节距w和倾角之间的关系： 光栅横向移动一个节距w ，莫尔条纹正好沿刻线上下移动一个节距B，用光电元件检测莫尔条纹信号的变化(binhu)就可以测量光栅的位移例：当 w = 0.01mm， = 0.01 red， 则 B = 1mm，将栅距放大100倍的莫尔条纹宽度由于很小，因此 22sin/qw=BqwB第18页/共62页第十九页，共62页光栅尺横向(hn xin)莫尔条纹及其参数 22sin/qw=BB2B第19页/共62页第二十页，共62页 均化误差作用 莫尔条纹是由光栅(gungshn)的大量刻线共同形成的，栅距之间的相邻误差被均化。

短光栅(gungshn)的工作长度愈长,这一均化误差的作用愈显著莫尔条纹(tio wn)的特点（续）： 第20页/共62页第二十一页，共62页5 5）光栅特点）光栅特点 优点：优点： 1 1）精度高）精度高 测直线：精度测直线：精度 0.5-3mm 0.5-3mm，分辨率，分辨率 0.1mm 0.1mm 2 2）易实现动态测量和自动化测量）易实现动态测量和自动化测量 3 3）较强的抗干扰能力）较强的抗干扰能力 缺点：缺点： 1 1）对环境要求高，怕振动，怕油污）对环境要求高，怕振动，怕油污 2 2）高精度光栅制作成本高）高精度光栅制作成本高 目前多用于精密定位的数控机床目前多用于精密定位的数控机床(sh kn j (sh kn j chun)chun)，数显机床中也应用较多数显机床中也应用较多第21页/共62页第二十二页，共62页二、编码器 一种(y zhn)旋转式的检测角位移的传感器 将角位移用数字(脉冲)形式表示，故 又称脉冲编码器广泛应用于NC机床的位置检测，也常用它作为速度检测元件 1、编码器分类 按码盘信号的读取方式可分为：光电式、接触式和电磁式 以光电式的精度和可靠性最好，NC机床常用光电式编码器 按测量坐标系又可分为：增量式和绝对式按每转发出的脉冲数分为：高分辨率 20000-30000p/r 普通分辨率 2000-3000p/r第22页/共62页第二十三页，共62页。

2. 增量式光电脉冲增量式光电脉冲(michng)编码器编码器 （1）组成）组成 由光源、聚光镜、光电盘、光栏板、光由光源、聚光镜、光电盘、光栏板、光敏元件敏元件(光电管光电管)、整形放大电路和数字显示装置等、整形放大电路和数字显示装置等组成第23页/共62页第二十四页，共62页光电编码器在旋转(xunzhun)工作台上的安装第24页/共62页第二十五页，共62页2） 工作原理 光电盘按装在被测轴上，随主轴一起转动光电盘转动时，光电元件(yunjin)把通过光电盘和光栏板射过来的忽明忽暗的光信号(近似于正弦信号)转换为电信号，经整形、放大等电路的变换后变成脉冲信号，通过计算脉冲的数目，即可测出工作轴的转角，并通过数显装置进行显示通过测定计数脉冲的频率，即可测出工作轴的转速第25页/共62页第二十六页，共62页3）脉冲编码器的辨向 光栏板上两条狭缝中的信号A和B(相位差90)，通过整形，成为两相方波信号根据(gnj)先后顺序，即可判断光电盘的正反转若A相超前于B相，对应电动机正转；若B相超前A相，对应电动机反转若以该方波的前沿或后沿产生计数脉冲，可以形成代表正向位移和反向位移的脉冲序列A相B相90A相B相90A相B相90A相B相90第26页/共62页第二十七页，共62页。

4）提高光电脉冲编码器分辨率的方法 提高光电盘圆周的等分狭缝的密度，实际上是使光电盘的 狭缝变成了圆光栅线纹 增加光电盘的发信码道，使盘上不仅只有(zhyu)一圈透光狭缝， 而且有若干大小不等的同心圆环狭缝(称为码道)，光电盘 回转一周发出的脉冲信号数增多，使分辨率提高第27页/共62页第二十八页，共62页3. 绝对(judu)式光电脉冲编码器 （1）结构 绝对式脉冲编码器结构与增量式相似，就是(jish)在码盘的每一转角位置刻有表示该位置的唯一代码，称为绝对码盘绝对式脉冲编码器是通过读取编码盘上的代码(图案)来表示轴的位置第28页/共62页第二十九页，共62页 纯二进制码有一个缺点：相邻两个二进制数可能有多位二进制码不同，当数码切换时有多个数位要进行切换，增大了误读的机率 而格雷码则不同，相邻两个二进制数码只有一个数位不同，因此两数切换时只在一位进行，提高(t go)了读数的可靠性 第29页/共62页第三十页，共62页3）工作原理 光源经过柱面镜，变成一束平行光照射在码盘上，通过码盘经狭缝形成一束很窄的光束照射在光电元件上，光电元件的排列与码道一一对应，亮区输出为“1”，暗区输出为“0”，再经信息处理电路，进行放大、整形、锁存与译码，输出自然二进制代码，从而(cng r)实现了角度的绝对值测量。

第30页/共62页第三十一页，共62页4）应用 在实际应用过程(guchng)中，用绝对脉冲编码器来检测轴的位置和速度时，当编码器旋转超过一周时，读出准确数值的解决方法： 在旋转轴上安装多个码盘，其中一些盘是专门用来计量所转过的圈数N，而另一部分码盘是用来检测一圈以内的度数之后将两个码盘所检测的进行(N360)的叠加 在软件设计时，设置一个专门的计数器，并规定码盘上的一个专门的代码为“零”代码，当码盘转过“零”代码时，计数器的值就被自动加一，这样也可以实现即测圈数又测度数的目的第31页/共62页第三十二页，共62页第32页/共62页第三十三页，共62页第33页/共62页第三十四页，共62页第34页/共62页第三十五页，共62页第五章第五章 伺服驱动伺服驱动(q dn)系统系统 5-1 概述(i sh) 5-2 检测装置 5-3 步进电动机及其驱动系统 5-4 伺服电机及其速度控制 5-5 主轴驱动 5-6 位置控制第35页/共62页第三十六页，共62页伺服系统（Servo System)CNC系统(xtng)驱动(q dn)电机检测(jin c)装置控制信号反馈信号光栅尺第36页/共62页第三十七页，共62页。

5-3 步进电动机及其驱动(q dn)系统 步进电动机主要(zhyo)用于开环位置控制系统它由步进电动机驱动电源和步进电动机组成，没有反馈环节 这种系统较简单，控制较容易，维修也较方便，而且为全数字化控制 由于开环系统(xtng)精度不高，且步进电动机的功率和速度不高，因此步进电动机驱动系统(xtng)仅用于小容量、加工速度低、脉冲当量和精度不太高的场合，如经济型数控机床和电加工机床、计算机的打印机、绘图仪等设备第37页/共62页第三十八页，共62页2. 步进电动机的控制原理 步进电动机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的控制电动机 位移量的控制 向步进电动机送一个控制脉冲，其转轴就转过一个角度或移动一个直线位移，称为一步；脉冲数增加，角位移(或线位移)随之增加，即脉冲数决定位移量 进给速度的控制 脉冲频率高，则步进电动机的旋转速度就高，反之则低，即脉冲频率决定进给速度 运动方向(fngxing)的控制 改变分配脉冲的相序，实现步进电动机的正、反转，从而改变运动方向(fngxing) 与一般交流和直流电动机所不同的是，步进电动机定子绕组所加的电源形式为脉冲电压，而不是(b shi)正弦电压或者恒定直流电压。

第38页/共62页第三十九页，共62页2）步进电动机的工作原理 按电磁吸引的原理工作的必须抓住两点： 磁力线力图走磁阻最小的路径，从而产生反应力矩 各相定子齿之间彼此(bc)错齿1/m齿距，m为相数 几个概念的含义： “拍”定子相绕组每改变一次 通电状态，称为“一拍” “单”指只有一相绕组通电 “双”指有两相绕组同时通电 A A B B C C 定子 转子 绕组 第39页/共62页第四十页，共62页第40页/共62页第四十一页，共62页 单三拍步进电动机的反转 若定子(dngz)绕组通电顺序为A C B A ，则电动机转子就逆时针方向旋转起来，其步距角仍为3 单三拍步进电动机的步距角 重复单三拍的通电顺序，A B C A ，步进电机就顺时针方向(fngxing)旋转起来，对应每个指令脉冲，转子转动一固定角度3(步距角) 单三拍通电控制(kngzh)方式的缺点 由于每拍只有一相绕组通电，在切换瞬间可能失去自锁力矩，容易失步而且，只有一相绕组通电吸引转子，易在平衡位置附近产生振荡因此，单三拍通电控制(kngzh)方式，工作稳定性差，一般较少采用第41页/共62页第四十二页，共62页若定子(dngz)绕组的通电顺序为AB BC CA AB ，则步进电动机的转子就逆时针方向转动。

双三拍工作(gngzu)方式 采用双三拍通电控制方式，能克服单三拍工作(gngzu)的缺点 若定子绕组的通电顺序为 AB BC CA AB ，则步进电动机的转子就顺时针方向转动，从一个磁场最强处走到了另一个磁场最强处，故其步距角仍为3第42页/共62页第四十三页，共62页 若通电顺序(shnx)为：A AC C BC B AB A 则步进电动机的转子就逆时针方向运动，步距角仍为1.5 三相六拍控制方式比三相三拍控制方式步距角小一半；在切换时，保持一相绕组通电，工作稳定，比双三拍增大了稳定区所以三相步进电动机常采用这种控制方式 三相六拍工作(gngzu)方式 通电顺序：A AB B BC C CA A 每切换一次，步进电动机就顺时针方向转动1.5，步距角减小一半原因是：当由A相切换到AB相通电时，A相定子磁极力图不让转子转动，而保持与其定子齿对齐，而B相定子磁极的电磁反应(fnyng)力矩也力图使其顺时针转动3，与B相定子齿对齐，此时，转子齿与A相、B相定子齿均未对齐，此位置是A相、B相定子合成磁场的最强方向，即转子顺时针方向转动1.5第43页/共62页第四十四页，共62页三、步进电动机驱动三、步进电动机驱动(q dn)电源电源 1. 作用作用 发出一定功率的电脉冲信号，发出一定功率的电脉冲信号，使定子励使定子励 磁绕组顺序通电。

磁绕组顺序通电 2. 基本要求基本要求 （1）电源的基本参数与电动机相）电源的基本参数与电动机相适应；适应； （2）满足步进电动机起动频率和）满足步进电动机起动频率和运行频率运行频率 的要求；的要求； （3）抗干扰能力强，工作可靠；）抗干扰能力强，工作可靠； （4）成本低，效率高，安装维修）成本低，效率高，安装维修方便 第44页/共62页第四十五页，共62页3. 组成 由环形分配器和功率放大器组成1） 环形分配器 主要功能是将CNC装置的插补脉冲，按 步进电动机所要求的规律分配给步进电动机驱动电源的各相输入端，以控制励磁绕组的导通或关断同时由于电动机有正反转要求，所以环形分配器的输出是周期性的，又是可逆的 硬件环形分配器 根据步进电机的相数和控制方式设计的真值表或逻辑关系式，采用(ciyng)逻辑门电路和触发器来实现一般由与非门和JK触发器组成常用的是专用集成芯片或通用可编程逻辑器件组成的环形分配器 软件环形分配器 按步进电动机的要求编制不同的软环分程序，存入EPROM中常用的是查表法第45页/共62页第四十六页，共62页2）功率驱动器（功率放大电路）功率驱动器（功率放大电路） 将环形分配器输出将环形分配器输出(shch)的的脉冲信号放大，以用足够的功脉冲信号放大，以用足够的功率来驱动步进电动机。

率来驱动步进电动机 最早的功率驱动器采用单电压最早的功率驱动器采用单电压驱动电路，后来出现了双电压驱动电路，后来出现了双电压(高电压高电压)驱动电路、斩波电路、驱动电路、斩波电路、调频调压和细分电路等调频调压和细分电路等第46页/共62页第四十七页，共62页第47页/共62页第四十八页，共62页 高低压驱动电路 其特点是供给步进电机绕组有两种电压：一种是高电压U1，由电机参数和晶体管特性(txng)决定，一般在80v至更高范围，另一种是低电压U2，即步进电机绕组额定电压，一般为几伏，不超过20v 高压U1 ，以提高绕组中电流上升率，当电流达到规定值时、VT1关断、VT2仍然导通，则自动切换到低压(dy)U2 该电路的优点是在较宽的频率范围有较大的平均电流，能产生较大且稳定的平均转矩，其缺点是电流波顶有凹陷，电路较复杂第48页/共62页第四十九页，共62页 斩波驱动电路 可以克服高低压(dy)驱动电路的波顶的凹陷造成高频输出转矩的下降，使励磁绕组中的电流维持在额定值附近 工作原理：环形分配器输出的正脉冲将VT1、VT2导通，由于U1电压较高，绕组回路又没串电阻，所以绕组电流迅速上升，当绕组电流上升到额定值以上的某一数值时，由于采样电阻Re的反馈作用，经整形、放大后送至VT1的基极，使VT1管截止。

接着绕组由U2低压(dy)供电，绕组中的电流立即下降，但刚降到额定 值以下时，由于采样电阻Re的反馈作用，使整形电路无信号输出，此时高压前置放大电路又使VT1导通，电流又上升如此反复(fnf)进行，形成一个在额定电流值上下波动呈锯齿状的绕组电流波形，近似恒流第49页/共62页第五十页，共62页第50页/共62页第五十一页，共62页第五章第五章 伺服驱动伺服驱动(q dn)系统系统 5-1 概述 5-2 检测(jin c)装置 5-3 步进电动机及其驱动系统 5-4 伺服电机及其速度控制 5-5 主轴驱动 5-6 位置控制第51页/共62页第五十二页，共62页 5-4 伺服电机及其速度(sd)控制一、直流伺服电动机 伺服电动机是指能够精密地控制其位置(wi zhi)的一种电动机直流伺服电动机是伺服电动机的一种1. 直流伺服电动机分类(fn li)及结构特点 永磁直流伺服电动机无槽转子直流伺服电动机空心杯转子直流伺服电动机印刷绕组直流伺服电动机后三种直流伺服电动机为小惯量直流伺服电动机第52页/共62页第五十三页，共62页特点 小惯量(gunling)直流伺服电动机 惯量(gunling)小，响应速度快， 但过载能力低。

永磁直流伺服电动机转矩大，惯量(gunling)大，稳定性 好，调速范围宽 但有电刷，限制速度的提高（10001500r/min）第53页/共62页第五十四页，共62页 5-4 交流伺服电机及其速度(sd)控制 直流伺服电动机具有优良的调速性能，但直流伺服电动机的电刷和换向器容易磨损，需要经常维护(wih)；由于换向器换向时会产生火花而使最高转速受到限制，也使应用环境受到限制；直流伺服电动机结构复杂、制造困难，成本高 自20世纪80年代中期以来，以交流伺服电动机作为驱动元件的交流伺服系统得到迅速发展，有逐渐代替直流伺服电机的趋势第54页/共62页第五十五页，共62页 5-4 交流(jioli)伺服电动机及其速度控制一、交流(jioli)伺服电动机二、直线电机第55页/共62页第五十六页，共62页直电动机直线电机是从旋转电机线电机是从旋转电机转化而来的转化而来的1)直线电机的结构直线电机的结构可以认为直线电机可以认为直线电机是将旋转电是将旋转电机沿其轴向剖开，然机沿其轴向剖开，然后将其定子后将其定子和转子展开，变成如和转子展开，变成如图所示的由图所示的由定子和动子组成的直定子和动子组成的直线电机。

线电机第56页/共62页第五十七页，共62页2)直线电机工作原理 在旋转电机中，当三相绕组中通入三相对称正弦电流后，会在气隙中产生按正弦分布的旋转磁场 与此类似，在直线电机中通入三相电流后，也会在气隙中产生磁场，如果不考虑端部效应，磁场在直线方向(fngxing)也呈正弦分布，只是这个磁场是平移而不是旋转的，因此称为行波磁场行波磁场与次级相互作用便产生电磁推力，驱动动子沿定子作往复直线运动这就是直线电机运行的基本原理 第57页/共62页第五十八页，共62页2. 直线电机的分类及特点(tdin) (1) 直线电机的分类 按工作原理分类与旋转电机相对应，直线电机有：直线直流电机、直线感应电机、直线同步电机、直线磁阻电机、直线压电电机等 按结构形式分类根据不同的使用场合，直线电机的结构形式可分为：平板式、U 形、圆筒式图中红色为动子，蓝色为定子第58页/共62页第五十九页，共62页第59页/共62页第六十页，共62页 5-6 主轴(zhzhu)驱动 数控机床的主轴驱动不同于进给驱动，主轴的工作运动通常为旋转运动主轴驱动的主要要求： 输出功率大 2.2250kw，结构上不能采用永磁式 宽的调速范围 1：1001000恒转矩，1：10恒功率调速 主轴既能正转、又能反转，且能快速制动 特殊要求 如：加工螺纹，要求主轴驱动与进给驱动实行同步控制；为了保证端面加工的光洁度，要求主轴驱动系统具有(jyu)恒线速切削控制；在加工中心上，由于自动换刀的需要，要求主抽驱动系统具有(jyu)高精度的停位控制；有的数控机床还要求主轴驱动系统具有(jyu)角度控制功能等。

第60页/共62页第六十一页，共62页分类(fn li) 直流主轴驱动系统 早期的数控机床多采用直流主轴驱动系统 交流主轴驱动系统 自20世纪70年代末80年代初，在数控机床主轴驱动中开始采用交流主轴驱动系统 现代数控机床多采用交流主轴驱动系统第61页/共62页第六十二页，共62页。