数控原理检测元件培训资料

CH4进给运动的控制内容提要：介绍数控系统的进给驱动装置。主要开环、半闭环、全闭环系统的各个组成部分及其进给运动控制的原理与特性。输入输出装置

数控装置

伺服系统

机床电器控制装置机床本体知识准备

伺服（Servo）系统又叫随动系统，是一种能够跟随指令信号的变化而动作的自动控制系统，它是以机床运动部件的位置和速度作为控制量的。？？什么是伺服系统

在数控机床中，CNC装置是发布命令的“大脑”，而伺服系统则是数控机床的“四肢”，是一种执行机构，它能够准确地执行来自CNC装置的运动指令。伺服系统由伺服驱动装置、伺服电动机、位置检测装置等组成。将电能转换为机械能，拖动机械部件移动或转动。主要内容§1概述§2开环数控系统进给运动的控制§3闭环及半闭环数控系统进给运动的控制及特性分析§4

位置检测装置§1概述

开环进给伺服驱动装置半闭环闭环全闭环1．开环伺服系统2．半闭环伺服系统3．闭环伺服系统

§2开环数控系统进给运动的控制伺服控制驱动单元+步进电动机

——开环伺服系统开环数控系统控制原理图电机机械执行部件A相、B相C相、…f、nCNC插补指令脉冲频率f脉冲个数n换算脉冲环形分配变换功率放大步进进电电动动机机步进进电电机机的的外外观观图图步进进电电机机的的内内部部结结构构图图一、、反反应应式式步步进进电电机机的的结结构构二．．步步进进电电动动机机的的工工作作原原理理给A相绕绕组组通通电电时时，，转转子子位位置置如如图图，，转转子子齿齿偏偏离离定定子子齿齿一一个个角角度度。。由于于励励磁磁磁磁通通力力图图沿沿磁磁阻阻最最小小路路径径通通过过，，因因此此对对转转子子产产生生电电磁磁吸吸力力，，迫迫使使转转子子齿齿转转动动；；当转子子转到到与定定子齿齿对齐齐位置置时，，因转转子只只受径径向力力而无无切线线力，，故转转矩为为零，，转子子被锁锁定在在这个个位置置上。。由此可可见：：错齿是助使使步进进电机机旋转转的根根本原原因。。二、步步进电电动机机的工工作原原理一拍从一次次通电电到另另一次次通电电。步距角角每一拍拍转子子转过过的角角度。。运行方方式1．通电电方式式的分分析1423142314231423U1U2V1V2W2W11）m相单m拍运行行（三三相单单三拍拍运行行）通电顺顺序：：U相→V相→W相→U相。①U相通电电1423U1U2V1V2W2W11423②V相通电电U1U2V1V2W2W1③W相通电电14231423一步两步三步※步距角角：θ=30°°河南工工业大大学电电气工工程学学院2）m相双m拍运行行（三三相双双三拍拍运行行）通电顺顺序：：UV相→VW相→WU相。1423U1U2V1V2W2W1①UV相通电电14231423U1U2V1V2W2W1②VW相通电电14231423U1U2V1V2W2W1③WU相通电电1423※步距角角：θ=30°°142314233）m相单－－双2m拍运行行(三相单单－双双六拍拍运行行）通电顺顺序：：U→UV→→V→VW→→W→→WU→→U。1423U1U2V1V2W2W111423U1U2V1V2W2W121423U1U2V1V2W2W131423U1U2V1V2W2W141423U1U2V1V2W2W151423U1U2V1V2W2W161423※步距角角：θ=15°°步距角角θ步进电电机定定子绕绕组的的通电电状态态每改改变一一次，，其转转子转转过一一确定定的角角度为为步距距角。。步进电电动机机的步步距角角公式式：θ=360°/ZmKm步进电电动机机的相相数Z步进电电动机机转子子的齿齿数K步进电电动机机通电电方式式单单拍为为1双拍为为2三、步进电电动机机的运运行特特性1．步进进电动动机的的静态态特性性当步进进电动动机一一相或或几相相通入入恒定定不变变的直直流电电流时时，转转子将将固定定在某某一位位置上上保持持不动动，这这一状状态称称为静静止状状态。。规定定定子、、转子子齿轴轴线重重合的的位置置为静静态空空载情情况下下的初初始稳稳定平平衡位位置，，转子子偏离离初始始稳定定平衡衡位置置的电电角度度称为为失调调角。。在静静止状状态下下，电电磁转转矩与与失调调角之之间的的函数数关系系称为为步进进电动动机的的矩角角特性性。1．步进进电动动机的的静态态特性性2．步进进运行行状态态当接入入控制制绕组组的脉脉冲频频率较较低，，电动动机转转子完完成一一步之之后，，下一一个脉脉冲才才到来来，则则电动动机呈呈现出出一转转一停停的状状态，，称此此状态态为步步进运运行状状态。。3．连续续运行行状态态当脉冲冲频率率f较高时时，电电动机机转子子未停停止而而下一一个脉脉冲已已经到到来，，此时时步进进电动动机已已经不不是一一步一一步地地转动动，而而是呈呈连续续运转转状态态。图4-26步进电电动机机的矩矩频特特性4.步进电电动机机的主主要性性能指指标1）步距距角步距角角是步步进电电动机机的主主要性性能指指标之之一。。不同同的应应用场场合，，对步步距角角大小小的要要求不不同。。2）静态态步距距角误误差即实际际的步步距角角同理理论的的步距距角之之间的的差值值。常常用理理论步步距角角的百百分数数或绝绝对值值来衡衡量。。3）最大大静转转矩指步进进电动动机在在规定定的通通电相相数下下矩角角特性性上的的转矩矩最大大值。。通常常技术术数据据中所所规定定的最最大静静转矩矩是指指一相相绕组组通上上额定定电流流时的的最大大转矩矩值。。4）启动动频率率和启启动矩矩频特特性启动频频率是是能够够使步步进电电动机机由静静止定定位状状态不不失步步地启启动，，并进进入正正常运运行的的控制制脉冲冲最高高频率率，又又称突突跳频频率。。5）运行频频率和运运行矩频频特性运行频率率是指步步进电动动机启动动后，在在控制脉脉冲频率率连续上上升时，，能维持持不失步步运行的的最高频频率。通通常给出出的也是是空载情情况下的的运行频频率。6）额定电电流和额额定电压压额定电流流是指电电动机静静止时每每相绕组组允许通通过的最最大电流流。额定定电压是是指驱动动电源提提供的直直流电压压。5.步进电动动机的选选择1．步距角角的选择择电动机的的步距角角取决于于负载精精度的要要求。可可将负载载的最小小分辨率率换算到到电动机机轴上，，看看每每个当量量电动机机应走多多少角度度，电动动机的步步距角应应等于或或小于此此角度。。2．静力矩矩的选择择静力矩选选择的依依据是电电动机工工作的负负载，而而负载可可分为惯惯性负载载和摩擦擦负载两两种。一一般情况况下，静静力矩应应在摩擦擦负载的的2-3倍内为好好，静力力矩一旦旦选定，，电动机机的机座座及长度度便能确确定下来来。3．电流的的选择对于对于于静力矩矩一样的的电动机机，因电电流参数数不同，，所以其其运行特特性差别别很大。。可依据据矩频特特性曲线线图来判判断电动动机的电电流。二、开环环系统控控制原理理步进驱动动器步进电机机的驱动动电路变频频信号源源脉冲冲分配器器功率率放大器器步进电动动机指令1、工作台台位移量量的控制制进给脉冲冲的数量量N定子绕组组通电状状态改变变次数N步进电动动机转子子角位移移Ψ机床工作作台位移移量L步进驱动动系统的的脉冲当当量为：：δ=———步进电机机的步距距角滚珠丝杠杠螺距(mm)齿轮的减减速比θh360i例1：设某数控控系统的的脉冲当当量为0.005mm，步进电电动机步步距角为为0.75°，滚珠丝丝杠的螺螺距为4mm,试求减速速箱的传传动比。。2、工作台台速度的的控制进给脉冲冲频率f定子绕组组通电/断电状态态的变化化频率f步进电动动机的转转速ω工作台的的进给速速度v步进驱动动系统的的进给速速度v=60δfmm/min脉冲/s例2：设步进进电动机机转子有有80个齿，采采用三相相六拍驱驱动方式式，与滚滚珠丝杠杠直连，，工作台台作直线线运动。。丝杠螺螺距为5mm，工作台台的最大大移动速速度为6mm/s,求：（1）步进电电动机的的步距角角θ（2）系统的的脉冲当当量δ（3）步进电电动机的的最高工工作频率率f3、工作台台运动方方向的控控制改变步进进电机输输入脉冲冲信号的的循环顺顺序方向向改变步进进电机定定子绕组组中电流流的通断断循环顺顺序步进电机机实现正正转和反反转工作台进进给方向向改变知识回顾顾开环、半半闭环以以及全闭闭环的区区别CNC步进驱动步进电机开环进给给伺服系系统的构构成三、步进进驱动系系统与数数控装置置的连接接数控装置Z轴步进驱驱动信号动力Z轴步进驱驱动信号动力X轴步进驱驱动信号动力主轴控制制单元或或变频器器信号动力反馈主轴编码码器主轴电机机Z轴电机X轴电机电源变压压器四、步进进电动机机的控制制1、步进电电动机驱驱动控制制电路2.环形脉冲冲分配器器环形脉冲冲分配器器用来控控制步进进电动机机的运行行通电方方式。三相三拍拍环形脉脉冲分配配1）硬件件脉冲分分配器硬件脉冲冲分配器器由逻辑辑门电路路和触发发器构成成。三相六拍拍脉冲分分配器输输出真值值表图三三相六拍拍脉冲分分配器上图所示示为三相相六拍环环形脉冲冲分配器器原理图图，当当X＝“1”时，每每来一个个脉冲(CP)则电动机机正转一一步，分分配顺顺序为A→AB→B→→BC→→C→CA→A；当X=“0”时，每每来一个个脉冲（（CP）则电动动机反转转一步，，分配配顺序为为A→AC→C→→CB→→B→BA→A。输出出状态真真值表如如表所所示。图CH250实现的脉脉冲分配配电路三相双三三拍三相六拍拍2）软件件脉冲分分配为了提高高脉冲分分配器的的灵活性性，也也可用软软件来实实现环形形脉冲分分配。下下图所所示为89C51单片机与与步进电电动机驱驱动电路路的接口口框图。。图单单片机控控制的三三相步进进电动机机驱动电电路框图图3、驱动放放大电路路作用：将将环形分分配器发发出的TTL电平信号号放大至至几安培培到十几几安培的的电流，，送至步步进电动动机的各各绕组。。控制电路路：单电电压简单单驱动、、高低压压切换驱驱动、高高压恒流流斩波、、调频调调压、细细分驱动动等。

前置放大单电压简简单驱动动3、驱动放放大电路路特点：通过提高高驱动电电压加速速电流的的上升，，通过串串联大功功率电阻阻限制稳稳态电流流。但驱动电电路体积积大，发发热严重重。单稳延时前置放大前置放大高低压驱驱动原理理3、驱动放放大电路路特点：高压充电电，低压压维持。。4、细分驱驱动将一个步步距角细细分成若若干点步步的驱动动方式称称细分驱驱动。特点：在在不改动动电动机机结构参参数的情情况下，，使步距距角减小小。要实现细细分，需需将绕组组中的矩矩形电流流波改成成阶梯电电流波。。细分电流流波形五、步步进电动动机驱动动驱动装装置应用用实例§3闭环数控控系统进进给运动动的控制制一、闭环环位置控控制系统统1、概念2、闭环位位置控制制的实现现半闭环数数控系统统半闭环数数控系统统的位置置采样点点如图所所示，是是从驱动动装置(常用伺服服电机)或丝杠引引出，采采样旋转转角度进进行检测测，不是是直接检检测运动动部件的的实际位位置。位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元++--电机机械执行部件CNC插补指令实际位置反馈实际速度反馈全闭环数数控系统统全闭环数数控系统统的位置置采样点点如图的的虚线所所示，直直接对运运动部件件的实际际位置进进行检测测。位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元++--电机机械执行部件CNC插补指令实际位置反馈实际速度反馈3、执行元元件直流伺服服电机交流伺服服电机二、位置置控制回回路的结结构分析析位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元++--电机机械执行部件CNC插补指令实际位置反馈实际速度反馈闭环进给给位置控控制系统统结构框框图1、系统结结构2.闭环进给给位置控控制系统统的数学学模型闭环进给给位置控控制系统统的数学学模型3.数学模型型的构成成（1）跟随随误差E。跟随误差差E实际上就就是指令令位置Xi与实际位位置Xf的差值。。（2）开环环增益KK为整个系系统的开开环增益益，K=KvKdaKmKa（1/s）（3）传递函数数式中，ξp、ωp为二阶系统统阻尼比和和自然振荡荡角频率，，τ为死区延时时时间常数数。当忽忽略死区特特性的影响响时，可可简化为一般情况下下，为使使进给系统统稳定，把把伺服驱驱动系统调调整在临界界阻尼（ξp≈1）附近，超超调量较较小，可可近似看作作一阶惯性性环节，从从而可将将传递函数数进一步简简化为式中，K为开环增益益，T为时间常数数。（4）积分环环节描述了了伺服驱动动输出的速速度量经位位置反馈计计数转换成成为位置量量的过程。。（5）间隙隙非线性环环节描述了了典型的机机械传动反反转间隙对对整个系统统的影响。。（6）最后一一个环节描描述了机械械传动机构构的动力学学模型。知识回顾数控装置Z轴步进驱动动信号动力Z轴步进驱动动信号动力X轴步进驱动动信号动力主轴控制单单元或变频频器信号动力反馈主轴编码器器主轴电机Z轴电机X轴电机电源变压器器知识回顾闭环伺服系系统的结构构闭环进给控控制系统的的数学模型型§4位置检测装装置一、概述1、组成：位置测量装装置是由检检测元件（（传感器））和信号处处理装置组组成的。2、作用：实时测量执执行部件的的位移和速速度信号，，并变换成成位置控制制单元所要要求的信号号形式，将将运动部件件现实位置置反馈到位位置控制单单元，以实实施闭环控控制。分辨率：所所能测量的的最小位移移量。一、概述3、直接测量量和间接测测量位置传感器器有直线式式和旋转式式两大类。。若位置传传感器所测测量的对象象就是被测测量本身，，即用直线线式传感器器测直线位位移，用旋旋转式传感感器测角位位移，则该该测量方式式为直接测测量。若旋转式位位置传感器器测量的回回转运动只只是中间值值，再由它它推算出与与之关联的的移动部件件的直线位位移，则该该测量方式式为间接测测量。。间接测量示示例工作台丝杠编码器步进电机一、概述直接测量示示例一、概述光栅§4位置检测装装置二、具体的的检测装置置光栅脉冲编码器器感应同步器器4.2.1光栅直线光栅（（即长光栅栅）①玻璃透透射光栅②金属反反射光栅圆光栅a透光b不透光光栅检测装装置的结构构直线透射光光栅直线反射式式光栅透射式圆光光栅固定光栅检测装装置基本结结构示意图图直线透射光光栅1、组成什么是光栅栅？由大量等宽宽等间距的的平行狭缝缝组成的光光学器件abW光栅栅距或光栅常数2、工作原理理W条纹间距W条纹间距光电元件W如何测量微微小位移量量？光电元件光电元件感感受的光强强变化是否否明显？β莫尔现象演演示条纹位置置方向不同同条纹运动动方向不同同βLβWL3、莫尔条纹纹的特点点（1）放大L=W/sinβ条纹间距距大大增增加2）平均效效应莫尔条纹纹是由若若干条线线纹共同同形成的的，对个个别光栅栅线纹之之间的误误差具有有平均效效应，能能消除栅栅距不均均匀所造造成的影影响。3）移动规规律光栅相对对移动一一个W，莫尔条条纹移动动一个B，当光栅栅移动方方向变化化时，莫莫尔条纹纹的移动动方向也也变化。。分辨力=W=1/50=0.02mm=20m放大倍数数≈1/θ=1/(1.8×3.14/180)≈≈31.83莫尔尔条条纹纹的的宽宽度度L=W/θθ≈≈0.637mm例：：一直直线线光光栅栅，，每每毫毫米米刻刻线线数数为为50，主主光光栅栅与与指指示示光光栅栅的的夹夹角角β=1.8，分分辨辨力力、、放放大大倍倍数数、、莫莫尔尔条条纹纹的的宽宽度度分分别别为为多多少少？？AB4、光光栅栅在在数数控控机机床床中中的的应应用用1.工作作台台移移动动位位移移的的检检测测B→W，可可计计算算出出位位移移x。2.工作作台台移移动动速速度度的的检检测测根据据光光强强的的变变化化频频率率可可推推断断出出两两光光栅栅尺尺的的相相对对位位移移速速度度。。3.工作作台台移移动动方方向向的的检检测测测量量通通过过A与B的莫尔尔条条纹纹相相位位超超前前滞滞后后关关系系，，可判判断断出出移移动动方方向向。。光栅栅尺尺及及数数显显表表尺身身尺身身安安装装孔孔反射射式式扫扫描描头头（与与移移动动部部件件固固定定））扫描描头头安安装装孔孔可移移动动电电缆缆防尘尘保保护护罩罩的的内内部部为为长长光光栅栅扫描描头头（与与移移动动部部件件固固定定））光栅栅尺尺可移移动动电电缆缆光栅栅在在机机床床上上的的安安装装位位置置（（2个自自由由度度））光栅栅在在机机床床上上的的安安装装位位置置（（3个自自由由度度））数显显表表光栅栅在在机机床床上上的的安安装装位位置置（（3个自自由由度度））（（续续））安装装有有直直线线光光栅栅的的数数控控机机床床加加工工实实况况防护护罩罩内内为为直直线线光光栅栅光栅栅扫扫描描头头被加加工工工工件件切削削刀刀具具角编编码码器器安安装装在在夹夹具具的的端端部部4.2.2脉冲冲编编码码器器机械械转转角角电电脉脉冲冲脉冲冲编编码码器器是是一一种种旋旋转转式式脉脉冲冲发发生生器器。。固定定4.2.3感应应同同步步器器一种种电电磁磁式式位位置置检检