数控系统及伺服驱动系统.ppt

《数控系统及伺服驱动系统.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数控系统及伺服驱动系统.ppt（62页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、数控技术,CNC控制系统,5-1 概述 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,主轴电机,伺服电机,刀库刀具定位电机,机械手旋转定位电机,带制动器伺服电机,加工中心,5-1 系统结构,控制系统组成,直观分为三部分：CNC装置电控箱安装与机械本体部分的控制部件,CNC装置,控制系统硬件结构,按功能结构分：,CNC系统,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,伺服驱动系统（Servo System),CNC系统,驱动电机,检测装置,控制信号,反馈信

2、号,光栅尺,伺服驱动系统,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”，“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：,三、数控机床对伺服系统的要求,高精度 要求定位准确（定位误差持别是重复定位误差要小），跟随精度高（跟随误差小）。一般定位精度要求达到mm级，高的达0.010.005 mm。灵敏度高，响应快 提高生产率和保证加工质量，一般电机升降速过渡过程，时间在0.2s以下。另外，当负载突变时，要求速度的恢复时间短，且无振荡，

3、这样才能得到光滑的加工表面。调速范围宽 保证在任何情况下都能得到最佳切削条件和加工质量，一般要求调速范围：最低转速/最高转速=1/10001/10000，且通常是无级调速。低速大转矩 一般是在低速进行重切削，所以在低速时进给驱动要有大的转矩输出。可靠性高 对环境的适应性强，性能稳定，使用寿命长。,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 直接测量实际位移进行反馈，精度高半闭环系统 间接测量位移进行反馈，精度低于闭环,5-2 检测装置,性能指标 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，10/3

4、60等。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,检测装置的分类,按检测信号分：数字式、模拟式按测量基准分：增量式、绝对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,常见检测装置,一、光栅尺,光栅尺属于光学元件，是一种高精度的位移传感器。1.光栅尺的种类,光栅检测装置基本结构示意图,2.直线透射光栅（1）组成,光栅检测

5、装置的结构,透射光栅,反射光栅,（2）直线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”。,莫尔条纹的特点 放大作用,莫尔条纹纹距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。,光栅尺横向莫尔条纹及其参数,均化误差作用 莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成的，栅距之间的相邻误差被均化。短光栅的工作长度愈长,这一均化误差的作用

6、愈显著。,莫尔条纹的特点（续）：,（5）光栅特点 优点：1）精度高 测直线：精度 0.5-3mm，分辨率 0.1mm 2）易实现动态测量和自动化测量 3）较强的抗干扰能力 缺点：1）对环境要求高，怕振动，怕油污 2）高精度光栅制作成本高 目前多用于精密定位的数控机床，数显机床中也应用较多。,二、编码器 一种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

7、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,2.增量式光电脉冲编码器（1）组成 由光源、聚光镜、光电盘、光栏板、光敏元件(光电管)、整形放大电路和数字显示装置等组成。,光电编码器在旋转工作台上的安装,（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。,（3）脉冲编码器的辨向 光栏板上两

8、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。,（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。,3.绝对式光电脉冲编码器,（1）结构 绝对式脉冲编码器结构与增量式相似，就是在码盘的每一转

9、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。,码盘的种类 按码制不同分二进制码、格雷码（循环码）、十进制码、六十进制码等，最常用的是二进制循环码盘。,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，提高了读数的可靠性。,（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

10、“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，从而实现了角度的绝对值测量。,（4）应用 在实际应用过程中，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。,开环伺服系统,开环伺服系统采用步进电机作为驱动元件；没有位置反

11、馈回路和速度反馈回路；设备投资低，调试维修方便，但精度差，高速扭矩小；用于中、低档数控机床及普通机床改造。,半闭环伺服系统,位置检测元件安装在电动机轴上或丝杠上，用以精确控制电机的角度，为间接测量；坐标运动的传动链有一部分在位置闭环以外，其传动误差没有得到系统的补偿；半闭环伺服系统的精度低于闭环系统。适用于精度要求适中的中小型数控机床。,闭环伺服系统,闭环伺服系统的位置检测装置安装在机床的工作台上；检测装置构成闭环位置控制。闭环方式被大量用在精度要求较高的大型数控机床上。,数控技术,第五章 伺服驱动系统,5-1 概述 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

12、制 5-5 主轴驱动 5-6 位置控制,伺服系统（Servo System),CNC系统,驱动电机,检测装置,控制信号,反馈信号,光栅尺,伺服驱动系统,5-3 步进电动机及其驱动系统,步进电动机主要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。,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

13、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。,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，而不是正弦电压或者恒定直流电压。,（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错齿1/m齿

14、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。,“单三拍”供电方式的步进电动机的工作原理：第一拍：A相励磁绕组通电，B、C相励磁绕组断电。A相定子磁极的电磁力要使相邻转子齿与其对齐(使磁阻最小)，B相和C相定、转子错齿分别为1/3齿距(3)和2/3齿距(6)。第二拍：B相绕组通电，A、C相绕组断电。电磁反应力矩使转子顺时针方向转动3，与B相的定子齿对齐，此时A、C相的定、转子齿互相错开。第三拍：C相绕组通电，A、B相绕组断电。电磁反应力距又使转子顺时针方向转动了3，与C相定子齿对齐，同时A相、B相定、转子

15、齿错开 重复通电顺序，A B C A,单三拍步进电动机的反转 若定子绕组通电顺序为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，单三拍通电控制方式，工作稳定性差，一般较少采用。,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逆时针方向转动。,双三拍工作方式

16、采用双三拍通电控制方式，能克服单三拍工作的缺点。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。,若通电顺序为：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

17、，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。,三、步进电动机驱动电源 1.作用 发出一定功率的电脉冲信号，使定子励 磁绕组顺序通电。2.基本要求（1）电源的基本参数与电动机相适应；（2）满足步进电动机起动频率和运行频率 的要求；（3）抗干扰能力强，工作可靠；（4）成本低，效率高，安装维修方便。,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

18、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,（2）功率驱动器（功率放大电路）将环形分配器输出的脉冲信号放大，以用足够的功率来驱动步进电动机。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(高电压)驱动电路、斩波电路、调

19、频调压和细分电路等。,并串接一电阻Rc，为了减小回路的时间常数，电阻Rc并联一电容C，从而提高电机的快速响应能力和启动性能。续流二极管VD和阻容吸收回路RC，是功率管VT的保护线路。单电压驱动电路的优点是线路简单，缺点是电流上升不够快，高频时带负载能力低。,单电压驱动电路 图中L为步进电机励磁绕组的电感，Ra为绕组电阻，,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，

20、则自动切换到低压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。,斩波驱动电路 可以克服高低压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

21、高压前置放大电路又使VT1导通，电流又上升。如此反复进行，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。,三种驱动电路的电流波形比较,数控技术,第五章 伺服驱动系统,5-1 概述 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,5-4 伺服电机及其速度控制,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

22、量直流伺服电动机。,直流伺服电动机的组成 电动机本体 主要由机壳、定子磁极和转子组成。检测部件 有高精度的测速 发电机、旋转变压器以及 脉冲编码器等。,特点 小惯量直流伺服电动机 惯量小，响应速度快，但过载能力低。永磁直流伺服电动机转矩大，惯量大，稳定性 好，调速范围宽。但有电刷，限制速度的提高（10001500r/min）。,5-4 交流伺服电机及其速度控制,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；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

23、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。,5-4 交流伺服电动机及其速度控制,一、交流伺服电动机二、直线电机,二、直线电机,1.直线电机的结构和工作原理 直线电机是指一种利用电磁作 用原理，将电能直接转换成直线 运动动能的驱动装置，是一种能 实现往复直线运动的电动机。直 线电机是从旋转电机转化而来的。(1)直线电机的结构 可以认为直线电机是将旋转电 机沿其轴向剖开，然后将其定子 和转子展开，变成如图所示的由 定子和动子组成的直线电机。,在数控机床上实际使用的直线电机如左图所示。,(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

24、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。,2.直线电机的分类及特点(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。,（2）直线电机的特点取消了从电动机

25、到工作台之间的机械传动环节，没有机械接触，传动力是在气隙中产生的，除了导轨外没有其它摩擦；结构简单，体积小，以最少的零部件数量实现直线驱动，而且是只有一个运动的部件；理论上行程不受限制，而且性能不会因为行程的改变而受到影响；可以提供很宽的速度范围，从每秒几微米到数米，特别适于高速，加速度很大，最大可达10g；运动平稳，这是因为除了起支撑作用的直线导轨或气浮轴承外，没有其它机械连接或转换装置的缘故；精度和重复精度高，因为消除了影响精度的中间环节，系统的精度取决于位置检测元件，有合适的反馈装置可达亚微米级；维护简单，由于部件少，运动时无机械接触，从而大大降低了零部件的磨损，只需很少甚至无需维护，使

26、用寿命更长。但端部磁场有畸变，控制难度大，安装困难、需要隔磁、成本高等。一个定子上可以配多个动子,5-6 主轴驱动,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角度控制功能等。,分类 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。,