数控机床的驱动与控制系统

重点、难点2位移、速度、位置传感器理解其应用情况1进给伺服驱动系统4典型进给伺服系统(位置控制)——步进式伺服系统掌握系统的组成及工作原理1闭环、半闭环进给伺服系统实际位移并反馈送至数控装置，使工作台按规定的路径精确移动。因此对于闭环系统来说，检测装置决定了它的定位精度和加工精度。数控机床对检测装置的主要要(2)使用维护方便，适应机床的工作环境通常，数控装置要求位置检测的分辨率为0.001～0.0lmm;测量精度为±0.002~±0.02mm/m,能满足数控机床以1~10m/min的最大速度移动.位置检测装置的分类列表于4-1中。本章仅就其中常用的检测装置(旋转变压器感回转型光电盘、圆光糖编码盘旋转变压器，感应同步器、圆型磁尺多级装转变压器、旋转变压器组合直线型编码尺绝对值式磁尺是一种常用的转角检测元件，由于它结构简单，工作可靠，且其精度能满足一般的检测要求，因此被广泛应用在数控机床上。>工作原理当转子绕组的磁轴与定子绕组的磁轴自垂直位置转动一角度θ时，绕组中产生的感应电势应为式中n——变压比；V₁——定子的输入电压；Vm——定子最大瞬时电压。当转子转到两磁轴平行时(即θ=90°),转子绕组中感应电势最大，即E₁=nVmsinot>旋转变压器的应用=nVmcos(ot-θ)感应同步器是一种电磁式位置检测元件，按其结构特点一般可分为直线式和旋转式两种。直线式感应同步器由定尺和滑尺组成；旋转式感应同步器由转子和定子组成。前者用于直线位移的测量，后者用于角度位移的测量。它们的工作原理都与旋转变压器相似。感应同步器具有检测精度高、抗干扰性强、寿命长、维护方便、成本低、工艺性好等优点，广泛应用于高精度的数控机床。本节主要以直线式感应同步器为例，对其结构特点和工作原理进行讲述。滑尺增量式窄长型带型感应同步器是利用励磁绕组与感应绕组间发生相对位移时，由于电磁耦量的检测。感应同步器滑尺上的绕组是励磁在高精度的数控机床上，目前大量使用光栅作为检测元件。光栅与旋转变压器、感应同步器不同，它是一种将机械位移或模拟量转变为数字脉冲的测量装置。常见的光栅从形状上可分为圆光栅和直线光栅两大类。圆光栅用于测量转角位移；直线光栅用于检测直线位移。光栅的检测精度较高，一般可达几微米。本节主要以直线光栅为例讲述其构成和工作原理。>光栅检测装置的构成光栅检测装置是利用光的透射、衍射现象制成的光电检测元件。它主要由光源、长光栅、短光栅和光电元件等组成常见光栅的工作原理都是基于物理上的莫尔条纹形成原理。莫尔条纹的形成原因对粗光栅来说，主要是挡光积分效应；对细光栅来说，则是光线通过线纹衍射后，发生干涉的结果图4-6光栅的构成光敏元件光敏元件透光狭缝码盘基片光欄板透镜@光源信号处理装置ZZBBAA→检测信号按某种规律编码输出，故可测得被测轴的口绝对编码盘的编码方式及特点3.光电编码器的特点第二节进给伺服驱动系统1.进给伺服驱动系统由进给伺服系统中的驱动电机及其控制和驱动装置。2.驱动电机是进给系统的动力部件，它提供执行部分运动所需的动力，度控制单元是相互配套供应的，其性能参数都是进行了相互匹对其进行适当的调节运算(目的是稳速),将其变换成电机转速的控制量(频率，电压等),再经功率放大部件将其变换成电机的驱动电5.进给驱动系统的特点(与主运动(主轴)系统比较):口控制精度要求高；步进电机流行于70年代，该系统结构简单、控制容易、维修方面，且控制为全数字化。随着计算机技术的发展，除功率驱动电路之外，其它部分均可由软件实现，从而进一步简化结构。因此，这类系统目前仍有直流电机的工作原理是建立在电磁力定律基础上的，电磁力的大小正比20世纪80~90年代中期，永磁式直流伺服电机在NC机床中广泛采用。→调速范围大，与高性能的速度控制单元组成速度控制系统时，调速范围超过1:2000。>电机允许温度可达150°~180℃,由于转子温度高，它可通过轴传到机械上去，这会影响机床的精度>由于转子惯性较大，因此电源装置的容量以及机械传动件等的刚度由于直流伺服电机具有优良的调速性能，80年代初至90年代中，在要求调速性能较高的场合，直流伺服电机调速系统的应用一直占据主而交流伺服电机则没有上述缺点。特别是在同样体积下，交流伺服电机的输出功率比直流电机提高10%～70%,且可达到的转速比直流电机高。因此，人们一直在寻求交流电机调速方案来取代直流电机调速的交流感应伺服电机交流同步伺服电机交流伺服电机交流感应伺服电机交流同步伺服电机2.交流伺服电机的速度控制单元口交流伺服电机转速n调速的理论基础非电磁式电磁式磁滞式永磁式E=4.44fokoU≈E=4.44fwkφ结论：交流伺服电机变频调速的关键是要获得可调频调压的交流电源口调频调压电源的分类可控硅整流器整流器电压型变频器方案示意图口电压型变频器工作原理结论：变频器实现变频调压的关键是逆变器控制端获得要求的控制波形(如SPWM波)。2编码器单相220V串型接口编码器输出输入脉冲接口模拟接口口控制波形的实现方式(电机调速的控制方式):第三节典型进给伺服系统(位置控制)一.开环进给伺服系统(Open-LoopSystem)>不带位置测量反馈装置的系统；>驱动电机只能用步进电机；>主要用于经济型数控或普通机床的数控化改造插补指令-A相、B相C相、脉冲频率f脉冲个数n换算脉冲环形分配变换f、n一.开环进给伺服系统1.步进电机开环系统设计步进电机开环系统设计要解决的主要问题：①动力计算、②传动计算、③驱动电路设计或选择目的：传动计算选择合适的参数以满足脉冲当量δ和进给速度F的Z1、Z2—传动齿轮齿数为了凑脉冲当量δmm,也为了增大传递的扭矩，在步进电机与丝杆之间，要增加一对齿轮传动副，那么,传动比i=Z1/Z2与a、δ、t之间有如下关系：因此，当fn一定时，Fmax与δ成正比，故我们在谈到步进电机开环系统的最高速度时，都应指明是在多大的脉冲当量δ下2.提高步进电机开环伺服系统传动精度的影响步进电机开环系统传动精度的因素：提高步进电机开环系统传动精度的措施口传动间隙补偿口在整个行程范围内测量传动机构传动间隙，取其平均值存放在数控系统中的间隙补偿单元，当进给系统反向运动时，数控系统自动将补偿值加到口滚珠丝杆在数控机床应用广泛，虽然滚珠丝杆精度较高，但是总不可做的绝对精确，总是将其精度控制在一定的范围内的，也就是它的螺距总是存在着一定的误差的，利用计算机的运算处理能力，可以补偿滚珠丝杠的口方法：首先测量出进给丝框螺距误差曲线(规律),然后可采用下列两种方法特征：这类系统全部采用模拟元件构成；其输入(控制)信号、输出的位置、速度信号也是模拟量