数控原理检测元件

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电动机

步进电机的外观图步进电机的内部结构图一、反应式步进电机的结构二．步进电动机的工作原理给A相绕组通电时，转子位置如图，转子齿偏离定子齿一个角度。由于励磁磁通力图沿磁阻最小路径通过，因此对转子产生电磁吸力，迫使转子齿转动；当转子转到与定子齿对齐位置时，因转子只受径向力而无切线力，故转矩为零，转子被锁定在这个位置上。由此可见：错齿是助使步进电机旋转的根本原因。二、步进电动机的工作原理

一拍从一次通电到另一次通电。步距角每一拍转子转过的角度。

运行方式1．通电方式的分析1423142314231423U1U2V1V2W2W11）m相单m拍运行（三相单三拍运行）

通电顺序：U相→V相→W

相→U相。①U相通电1423U1U2V1V2W2W11423②V相通电U1U2V1V2W2W1③W相通电14231423一步两步三步※

步距角：θ=30°河南工业大学电气工程学院2）m相双m拍运行（三相双三拍运行）

通电顺序：UV相→VW相→WU相。1423U1U2V1V2W2W1①UV相通电14231423U1U2V1V2W2W1②VW相通电14231423U1U2V1V2W2W1③WU相通电1423※

步距角：θ=30°142314233）m相单－双2m拍运行(三相单－双六拍运行）通电顺序：U→UV→V→VW→W→WU→U。1423U1U2V1V2W2W111423U1U2V1V2W2W121423U1U2V1V2W2W131423U1U2V1V2W2W141423U1U2V1V2W2W151423U1U2V1V2W2W161423※步距角：

θ=15°步距角θ步进电机堆定子绕组节的通电状纳态每改变厅一次，其走转子转过倡一确定的铃角度为步掌距角。步进电括动机的否步距角揭公式：θ=36器0°/ZmKm步进电俩动机的窃相数Z步进电动遭机转子的志齿数K步进电动拌机通电方孙式零单拍台为1双拍为2三、步进电妈动机的穿运行特悬性1．步进断电动机轻的静态黑特性当步进骄电动机摩一相或毒几相通前入恒定回不变的飘直流电觉流时，轧转子将淘固定在爪某一位戚置上保挪持不动炒，这一筋状态称激为静止记状态。规定定子蚀、转子齿彻轴线重合幻玉的位置为著静态空载透情况下的丛初始稳定润平衡位置拆，转子偏祥离初始稳脾定平衡位茶置的电角肆度称为失移调角。在岭静止状态群下，电磁应转矩与失臭调角之间挽的函数关轻系称为步金进电动机请的矩角特坝性。1．步进电扭动机的静求态特性2．步进运浸行状态当接入竖控制绕跃组的脉妨冲频率遵较低，宰电动机蹦转子完亦成一步晴之后，棒下一个钞脉冲才钞到来，阁则电动怎机呈现什出一转局一停的董状态，花称此状啄态为步巡寿进运行电状态。3．连续测运行状革态当脉冲企频率f较高时，磨电动机转己子未停止依而下一个治脉冲已经刷到来，此多时步进电歌动机已经碎不是一步毙一步地转渡动，而是简呈连续运扇转状态。图4-26步进电动币机的矩频爬特性4.步进电蜜动机的吓主要性搬能指标1）步距角步距角朗是步进隐电动机膜的主要禾性能指性标之一秆。不同春的应用象场合，他对步距妹角大小篇的要求舞不同。2）静态步爷距角误差即实际的授步距角同赴理论的步粥距角之间福的差值。认常用理论脊步距角的凑百分数或炭绝对值来轰衡量。3）最大静率转矩指步进电吃动机在规辰定的通电剖相数下矩伪角特性上涝的转矩最根大值。通裙常技术数拴据中所规桥定的最大年静转矩是圾指一相绕与组通上额话定电流时舒的最大转丈矩值。4）启动频替率和启动智矩频特性启动频率拢是能够使告步进电动陷机由静止父定位状态僚不失步地迟启动，并拌进入正常赚运行的控乓制脉冲最银高频率，摆又称突跳养频率。5）运行频鹊率和运行妄矩频特性运行频率扯是指步进税电动机启赖动后，在城控制脉冲稠频率连续应上升时，某能维持不天失步运行冠的最高频肌率。通常弟给出的也戴是空载情惭况下的运携行频率。6）额定猴电流和端额定电浩压额定电骡流是指横电动机铅静止时巷每相绕灰组允许赔通过的充最大电掠流。额独定电压牛是指驱本动电源趋提供的帮直流电挤压。5.步进电唉动机的赌选择1．步距角赠的选择电动机袋的步距酱角取决设于负载追精度的酷要求。欲可将负吩载的最被小分辨洪率换算播到电动踩机轴上殃，看看见每个当粥量电动个机应走修多少角查度，电恋动机的酒步距角瞧应等于盆或小于插此角度部。2．静力矩毒的选择静力矩耳选择的目依据是超电动机铜工作的崖负载，斧而负载要可分为以惯性负蜘载和摩妈擦负载印两种。匆一般情肉况下，抹静力矩忌应在摩友擦负载叹的2-3倍内为好季，静力矩酱一旦选定质，电动机价的机座及贸长度便能昂确定下来谋。3．电流的糠选择对于对于餐静力矩一求样的电动吐机，因电课流参数不聪同，所以敞其运行特封性差别很尘大。可依墙据矩频特微性曲线图麦来判断电匪动机的电唇流。二、开榆环系统敬控制原朵理步进驱动更器步进电年机的驱售动电路变频席信号源脉冲漠分配器功勒率放大蓬器步进电窃动机指令1、工作台隆位移量的脏控制进给脉冲扒的数量N定子绕组户通电状态趋改变次数N步进电拼动机转仔子角位济移Ψ机床工条作台位矩移量L步进驱视动系统久的脉冲佣当量为或：δ=—贼—步进电献机的步次距角滚珠丝凭杠螺距(mm)齿轮的训减速比θh360东i例1：设某数怨控系统域的脉冲弄当量为0.0张05m棋m，步进电夺动机步距巡寿角为0.75°，滚珠丝棚杠的螺距放为4mm豪,试求减速恭箱的传动救比。2、工作台惭速度的控赖制进给脉冲陪频率f定子绕那组通电/断电状刑态的变聚化频率f步进电裕动机的扫转速ω工作台的抢进给速度v步进驱确动系统干的进给纠速度v=60δfmm/甲min脉冲/s例2：设步进齐电动机转备子有80个齿，漠采用三育相六拍尾驱动方示式，与蜘滚珠丝趋杠直连负，工作具台作直捡线运动逢。丝杠浅螺距为5mm，工作眯台的最看大移动她速度为6mm/奥s,求：（1）步进电纷动机的步辈距角θ（2）系统偷的脉冲职当量δ（3）步进堆电动机嫂的最高岔工作频筹率f3、工作台送运动方向害的控制改变步堵进电机鉴输入脉蜻冲信号烘的循环勉顺序方牺向改变步进盒电机定子钉绕组中电攀流的通断绍循环顺序步进电杆机实现潜正转和指反转工作台全进给方货向改变知识回顾开环、半酬闭环以及赢全闭环的奸区别CNC步进驱动步进电机开环进给届伺服系统久的构成三、步玩进驱动仿系统与旨数控装惭置的连他接数控装置Z轴步进摩驱动信号动力Z轴步进胃驱动信号动力X轴步进初驱动信号动力主轴控摸制单元膏或变频马器信号动力反馈主轴编码尤器主轴电机Z轴电机X轴电机电源变压绿器四、步进匆电动机的命控制1、步进搜电动机惩驱动控阶制电路2.环形脉冲淋分配器环形脉袖冲分配咏器用来野控制步爹进电动俗机的运乎行通电姐方式。三相三殖拍环形另脉冲分幕配1）硬件视脉冲分配地器硬件脉疫冲分配睬器由逻巩辑门电烟路和触犁发器构拼成。三相六悔拍脉冲幼分配器甘输出真搏值表图个三相六稼拍脉冲分答配器上图所慕示为三毫相六拍稳环形脉规冲分配肺器原理钞图，图当X＝“1”时，每徐来一个脉昨冲(CP枕)则电动机直正转一步走，分配宫顺序为A→AB闯→B→B尚C→C→仍CA→A；当X=“0”时，军每来一绪个脉冲断（CP）则电桶动机反龙转一步译，分殖配顺序浪为A→A似C→C轨→CB哨→B→传BA→远A。输出毕状态真值戴表如表幸所示。图CH25失0实现的脉四冲分配电赔路三相双三损拍三相六孩拍2）软件词脉冲分配为了提高陵脉冲分配圣器的灵活挺性，也秤可用软件摸来实现环装形脉冲分骆配。下浇图所示为89C5财1单片机与初步进电动钻机驱动电吹路的接口稍框图。图怨单片机妹控制的肾三相步加进电动备机驱动术电路框调图3、驱动放竖大电路作用：将嘉环形分配沸器发出的TTL电平信粗号放大死至几安枯培到十孕几安培携的电流描，送至协步进电兴动机的咸各绕组被。控制电路筹：单电压程简单驱动插、高低压吊切换驱动随、高压恒膨流斩波、页调频调压姐、细分驱防动等。

前置放大单电压简恒单驱动3、驱动放个大电路特点：通过提高州驱动电压膜加速电流劳的上升，泻通过串联互大功率电撕阻限制稳遣态电流。但驱动电家路体积大牌，发热严厌重。单稳延时前置放大前置放大高低压驱教动原理3、驱动放克大电路特点：高压充达电，低用压维持岔。4、细分驱法动将一个驳步距角宏细分成即若干点胡步的驱默动方式再称细分什驱动。特点：在惑不改动电染动机结构耕参数的情声况下，使壶步距角减伙小。要实现开细分，胳需将绕掉组中的唇矩形电掉流波改效成阶梯柄电流波吹。细分电流茶波形五、难步进电抬动机驱允动驱动摩装置应静用实例§3闭环数身控系统沙进给运面动的控吹制一、闭丽环位置唯控制系跃统1、概念2、闭环穷位置控疾制的实碍现半闭环数恰控系统半闭环数奔控系统的旬位置采样趋点如图所辰示，是从被驱动装置(常用伺服离电机)或丝杠筛引出，寄采样旋饰转角度桥进行检浴测，不鸭是直接漏检测运存动部件舞的实际连位置。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殿控系统全闭环数循控系统的棉位置采样止点如图的帜虚线所示苏，直接对傻运动部件著的实际位户置进行检够测。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、执行捷元件直流伺服扮电机交流伺服群电机二、位置基控制回路与的结构分团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哗位置控制伐系统结构沉框图1、系统牧结构2.闭环进给奖位置控制顺系统的数拒学模型闭环进给技位置控制摸系统的数中学模型3.数学模型蕉的构成（1）跟往随误差E。跟随误毫差E实际上就滤是指令位句置Xi与实际估位置Xf的差值。（2）开婆环增益KK为整个饶系统的最开环增赤益，K=KvKdaKmKa（1/s）（3）传递查函数式中，ξp、ωp为二阶系则统阻尼比闹和自然振蔑荡角频率必，τ为死区延芽时时间常蝴数。当半忽略死区批特性的影平响时，肯可简化为一般情况逼下，为掏使进给系适统稳定，膏把伺服妙驱动系统男调整在临全界阻尼（ξp≈1）附近蛇，超悲调量较门小，棍可近似兔看作一伯阶惯性现环节，前从而框可将传宜递函数兆进一步铸简化为式中，K为开环荐增益，T为时间驱常数。（4）积耍分环节冲描述了移伺服驱匀动输出功的速度乞量经位慈置反馈厘计数转贪换成为查位置量酿的过程智。（5）间响隙非线性将环节描述脂了典型的收机械传动遍反转间隙欣对整个系鸣统的影响士。（6）最描后一个此环节描障述了机最械传动牛机构的摔动力学青模型。知识回顾数控装置Z轴步进歪驱动信号动力Z轴步进驱奥动信号动力X轴步进驱要动信号动力主轴控呼制单元慢或变频伟器信号动力反馈主轴编略码器主轴电机Z轴电机X轴电机电源变压郑器知识回顾闭环伺血服系统割的结构闭环进给差控制系统饿的数学模君型§4位置检壳测装置一、概述1、组成绳：位置测量共装置是由脊检测元件兽（传感器炭）和信号涝处理装置湿组成的。2、作用猎：实时测量悼执行部件院的位移和工速度信号程，并变换呈成位置控睬制单元所势要求的信虑号形式，影将运动部亮件现实位柔置反馈到肿位置控制桃单元，以逮实施闭环夫控制。分辨率：窗所能测量绝的最小位现移量。一、概述3、直接饭测量和播间接测贸量位置传感访器有直线瓣式和旋转忽式两大类任。若位置哄传感器所撕测量的对揉象就是被迎测量本身烛，即用直唱线式传感张器测直线纲位移，用换旋转式传扶感器测角段位移，则吸该测量方础式为直接女测量。若旋转劈燕式位置滴传感器借测量的喝回转运士动只是章中间值旨，再由猛它推算刺出与之验关联的统移动部凝件的直辅线位移明，则该从测量方炎式为间侦接测量纹。。间接测蹦量示例工作台丝杠编码器步进电机一、概述直接测量蔬示例一、概述光栅§4位置检测厌装置二、具体所的检测装戒置光栅脉冲编鬼码器感应同郊步器4.2衰.1光栅直线光栅齐（即长光链栅）①玻璃妹透射光栅②金谅属反射选光栅圆光栅a透光b不透光光栅检测谨装置的结歇构直线透倚射光栅直线反姐射式光葱栅透射式坛圆光栅固定光栅检母测装置摇基本结拦构示意刊图直线透案射光栅1、组成什么是丙光栅？由大量等细宽等间距锡的平行狭吃缝组成的雨光学器件abW光栅栅距或光栅常数2、工作原绍理W条纹间距W条纹间距光电元挠件W如何测量柳微小位移犬量？光电元件光电元放件感受代的光强纳变化是耳否明显冲？β莫尔现象径演示条纹位置方向不属同条纹运动方向不同βLβWL3、莫尔条纹剂的特点（1）放大L=W严/si住nβ条纹间惊距大大裕增加2）平均效逼应莫尔条闲纹是由川若干条狼线纹共遍同形成谎的，对欠个别光辣栅线纹填之间的龄误差具亚有平均兵效应，喇能消除章栅距不亏均匀所棚造成的般影响。3）移动规闪律光栅相对示移动一个W，莫尔药条纹移录动一个B，当光栅东移动方向川变化时，遮莫尔条纹润的移动方恩向也变化鹅。分辨力=W=1/有50=汤0.0桶2mm殿=20m放大倍数龟≈1/θ去=1号/(1俗.8×3.影14/都180)≈3致1.83莫尔条纹违的宽度L=W/θ≈磨0.6塌37mm例：一直线跑光栅，蒸每毫米夫刻线数穿为50，主光兔栅与指垫示光栅茎的夹角β=1丢.8，分辨力挺、放大倍棒数、莫尔疯条纹的宽难度分别为皂多少？AB4、光栅在巧数控机床滤中的应用1.工作台殃移动位犁移的检玩测B→W，可计商算出位达移x。2.工作台暑移动速迹度的检继测根据光灭强的变抚化频率漠可推断习出两光骨栅尺的拉相对位怒移速度据。3.工作台幸移动方阵向的检鱼测测量通过A与B的莫尔条纹虚相位超前漠滞后关系绩，可判断贿出移动职方向。光栅尺线及数显腊表尺身尺身安装污孔反射式遵扫描头（与移动爱部件固定眯）扫描头安贩装孔可移动予电缆防尘保护兰罩的内部秤为长光栅扫描头（与移动盗部件固定训）光栅尺可移动电溜缆光栅在退机床上吊的安装刮位置（2个自由度叉）光栅在台机床上朴的安装颠位置（3个自由顷度）数显表光栅在尖机