数 控 机 床 进 给 运 动 的 控 制 www 91HMI com 数 控 机 床 进 给 运 动 的 控 制 本章内容本章内容 第一节 概述第一节 概述 第二节 步进驱动及开环进给控制第二节 步进驱动及开环进给控制 第三节 位置检测装置第三节 位置检测装置 第四节 直流 交流伺服驱动装置第四节 直流 交流伺服驱动装置 www 91HMI com 数 控 机 床 进 给 运 动 的 控 制 第一节 概述第一节 概述 一 进给伺服系统的概念一 进给伺服系统的概念 1 组成 进给伺服系统是以机床移动部件 如工作台 的位置 和速度作为控制量的自动控制系统 通常由伺服驱动装 置 伺服电机 机械传动机构及执行部件组成 2 作用 接受数控装置发出的进给速度和位移指令信号 由伺服 驱动装置作一定的转换和放大后 经伺服电机 直流 交 流伺服电机 功率步进电机等 和机械传动机构 驱动机 床的工作台等执行部件实现工作进给或快速运动 www 91HMI com 数 控 机 床 进 给 运 动 的 控 制 一 进给伺服系统的给概念一 进给伺服系统的给概念 3 基本技术要求 1 精度高 伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确程 度 在速度控制中 要求高的调速精度 比较强的抗负 载扰动能力 即对静 动态精度要求都比较高 2 稳定性好 稳定性是指系统在给定输入或外界干扰作用下 能 在短暂的调节过程后 达到新的或者恢复到原来的平衡 状态 对伺服系统要求有较强的抗干扰能力 保证进 给速度均匀 平稳 稳定性直接影响数控加工的精度 和表面粗糙度 第一节 概述第一节 概述 www 91HMI com 数 控 机 床 进 给 运 动 的 控 制 第一节 概述第一节 概述 一 伺服系统的基本技术要求一 伺服系统的基本技术要求 3 快速响应 快速响应是伺服系统动态品质的重要指标 它反映了 系统的跟踪精度 为了保证轮廓切削形状精度和低的加 工表面粗糙度 要求伺服系统跟踪指令信号的响应要 快 这一方面要求过渡过程时间要短 一般在200ms以 内 甚至小于几十毫秒 另一方面要求超调要小 www 91HMI com 数 控 机 床 进 给 运 动 的 控 制 一 伺服系统的基本技术要求一 伺服系统的基本技术要求 4 调速范围宽 数控机床中 进给伺服系统的调速范围与伺服系统的 分辨率有关 一般的调速范围要求在脉冲当量为0 001mm 时达到0 24m min 要求有较宽的无级调速范围 在低速时运行平稳无爬 行 第一节 概述第一节 概述 www 91HMI com 数 控 机 床 进 给 运 动 的 控 制 第一节 概述第一节 概述 二 分类二 分类 步进电机驱动系统 直流伺服驱动系统 永磁直流伺服电动机 交流伺服驱动系统 永磁交流伺服电动机 反应式 混合式 www 91HMI com 数 控 机 床 进 给 运 动 的 控 制 第一节 概述第一节 概述 三 位置伺服驱动系统的开环 闭环控制三 位置伺服驱动系统的开环 闭环控制 开环控制系统 半闭环控制系统 CNC 步进 驱动 步进 电机 转速n测 量及反馈 角位移 测量及反馈 n CNC 伺服 驱动 伺服 电机 以步进电机作为驱动 元件 没有位置和速 度检测元件及反馈 位置控制精度完全由 进给传动机构的精度 及电气控制精度决 定 控制精度低 以伺服电机作为驱动元件 有测速元件和 位置检测 通过测量滚珠丝杠的角位移间 接测量出工作台的直线位移 通过对传动 系统的误差补偿 可获得很高的位置控制 精度 系统的稳定性易得到保证 www 91HMI com 数 控 机 床 进 给 运 动 的 控 制 三 位置伺服驱动系统的开环 闭环控制三 位置伺服驱动系统的开环 闭环控制 全闭环控制系统 第一节 概述第一节 概述 转速n测 量及反馈 直线位移x测量及反馈 CNC 伺服 驱动 伺服 电机 x n 位置检测装置安装在工作台上 直接反映工作台的直线 位移 位置控制精度比半闭环高 控制原理同半闭环 由于受导轨摩擦系数 传动的润滑状况 传动间隙大小 等因素的影响 系统的稳定性不如半闭环 混合闭环控制系统 有开环补偿型和半闭环补偿型 www 91HMI com 数 控 机 床 进 给 运 动 的 控 制 第二节 步进驱动及开环进给控制第二节 步进驱动及开环进给控制 一 步进电动机的工作原理一 步进电动机的工作原理 步进电动机是一种把电脉冲转换成角位移的电动 机 用专用的驱动电源向步进电动机供给一系列的且有 一定规律的电脉冲信号 每输入一个电脉冲 步进电机 就前进一步 其角位移与脉冲数成正比 电机转速与脉 冲频率成正比 而且转速和转向与各相绕组的通电方式 有关 按通电顺序不同 其运行方式有三相 单三拍 三相 双 三拍和三相单双六拍三种 CNC 环形分 配器 步进电动机 功率放大器 指令 脉冲 n 电源 步进电动机 齿轮箱 www 91HMI com 数 控 机 床 进 给 运 动 的 控 制 一 步进电动机的工作原理一 步进电动机的工作原理 1 三相三拍控制 定子绕组按 A B C A 的顺序轮流通 电 转子顺时针转 动 按 A C B A 的顺序通电 则电动机转子逆 时针反向旋转 每输入一个脉 冲 转子转过1 3 齿距 步距角为 30 步进电动机的转 速决定于控制绕 组与电源接通和 录相 www 91HMI com 数 控 机 床 进 给 运 动 的 控 制 一 步进电动机的工作原理一 步进电动机的工作原理 2 三相双三拍控制 每次都是两 相通电 即 按 A B B C C A A B 的顺序通 电 则称双 三拍方式 步距角为 30 www 91HMI com 数 控 机 床 进 给 运 动 的 控 制 一 步进电动机的工作原理一 步进电动机的工作原理 3 三相六拍控制 如果单三拍和双 三拍相间通电 即按 A A B B B C C C A A 顺序 通电 称为三相六拍方 式 此时每输入 一个脉冲信号 转子转过1 6齿 距 步距角为 15 www 91HMI com 数 控 机 床 进 给 运 动 的 控 制 4 结构 电机的定子和转子铁心通常由硅钢片 叠成 定子和转子均匀分布着很多小 齿 定子上有A B C三对磁极 在相对应的磁极上绕有A B C三向 控制绕组 其几何轴线依次分别与转 子齿轴线错开 一 步进电动机的工作原理一 步进电动机的工作原理 展开图 结构图 www 91HMI com 数 控 机 床 进 给 运 动 的 控 制 二 步进电动机的驱动电源二 步进电动机的驱动电源 1 脉冲分配控制 步进电机驱动电路完成由弱电到强电的转换和放大 也就是将逻辑电平信号变换成电机绕组所需的具有一定 功率的电流脉冲信号 驱动控制电路由环形分配器和功率放大器组成 环 形分配器是用于控制步进电机的通电方式的 其作用是 将数控装置送来的一系列指令脉冲按照一定的顺序和分 配方式加到功率放大器上 控制各相绕组的通电 断 电 环形分配器功能可由硬件或软件产生 硬件环形分 配器是根据步进电机的相数和控制方式设计的 演示 www 91HMI com 数 控 机 床 进 给 运 动 的 控 制 二 步进电动机的驱动电源二 步进电动机的驱动电源 1 脉冲分配控制 硬件 环形分配器 CNC 装置 电源 环形 分配器 A相驱动 B相驱动 C相驱动 FULL HALF DIR CLK M 三相硬件环形分配器的驱动控制 www 91HMI com 数 控 机 床 进 给 运 动 的 控 制 二 步进电动机的驱动电源二 步进电动机的驱动电源 1 脉冲分配控制 硬件 环形分配器 三相六拍环形分配器 当DIR 1 时 每来一 个脉冲 CLK 则电 动机正转一 步 当DIR 0 时 每来一 个脉冲 CLK 则电 动机反转一 步 www 91HMI com 数 控 机 床 进 给 运 动 的 控 制 二 步进电动机的驱动电源二 步进电动机的驱动电源 2 驱动放大电路 作用 将环形分配器发出的TTL电平信号放大至几 安培到十几安培的电流 送至步进电动机的各绕组 控制电路 单电压简单驱动 高低压切换驱动 高压恒流斩波 调频调压 细分驱动等 www 91HMI com 数 控 机 床 进 给 运 动 的 控 制 前置放大 单电压简单驱动 2 驱动放大电路 二 步进电动机的驱动电源二 步进电动机的驱动电源 特点 通过提高驱动电 压加速电流的上升 通过串联大功率电阻 限制稳态电流 但驱动电路体积 大 发热严重 www 91HMI com 数 控 机 床 进 给 运 动 的 控 制 单稳 延时 前置放大 前置放大 高低压驱动原理 2 驱动放大电路 二 步进电动机的驱动电源二 步进电动机的驱动电源 特点 高压充 电 低压 维持 www 91HMI com 数 控 机 床 进 给 运 动 的 控 制 3 细分驱动 将一个步距角细分成若干点步的驱动方式称细分驱 动 特点 在不改动电动机结构参数的情况下 使步距 角减小 要实现细分 需将绕组中的矩形电流波改成阶梯电 流波 二 步进电动机的驱动电源二 步进电动机的驱动电源 细分电流波形 www 91HMI com 数 控 机 床 进 给 运 动 的 控 制 三 步进电动机的进给控制三 步进电动机的进给控制 1 软件脉冲分配的控制 计算机控制的步进电机驱动系统中 使用软件实现脉 冲分配 常用查表法 CNC 装置 电源A相驱动 B相驱动 C相驱动 C B A M 软环分驱控制 www 91HMI com 数 控 机 床 进 给 运 动 的 控 制 三 步进电动机的进给控制三 步进电动机的进给控制 1 软件脉冲分配的控制 查表法 对于三相六拍环形分配器 每当接收到一个进给脉冲指 令 环形分配器软件根据下表所示真值表 按顺序及方向 控制输出接口将A B C的值输出即可 步序导电相工作状态 正转 反转C B A A0 0 1 A B0 1 1 B0 1 0 B C1 1 0 C1 0 0 C A1 0 1 www 91HMI com 数 控 机 床 进 给 运 动 的 控 制 三 步进电动机的进给控制三 步进电动机的进给控制 2 速度控制 进给脉冲频率f 定子绕组通电 断电状态变化频率f 步进电机转速 工作台的进给速度V V 60 f 硬件环分 控制CLK的频率 控制电动机的速度 软件环分 控制相邻两次软件环分状态之间的延时时 间 可电动机线圈通电状态的变化频率 www 91HMI com 数 控 机 床 进 给 运 动 的 控 制 1 步距角 s 每输入一个脉冲信号步进电动机所转过的角度称为 步距角 以 s表示 步距误差是指步进电机运行时 转子每一步实际转 过的角度与理论步距角之差值 mKZ s 360 m 电机相数 Z 转子齿数 K 系数 相邻两次通电相数相同 K 1 相邻两次通电相数不同 K 2 四 步进电动机的主要特性四 步进电动机的主要特性 www 91HMI com 数 控 机 床 进 给 运 动 的 控 制 四 步进电动机的主要特性四 步进电动机的主要特性 2 矩角特性与最大静转矩 如果在电机轴上外加一个负载转矩Mz 转子 会偏离平衡位置向负载转矩方向转过一个角 度 角度 称为失调角 有失调角之后 步进电机就产生一个静态转矩 也称为电磁 转矩 这时静态转矩等于负载转矩 静态 转矩与失调角 的关系叫矩角特性 近似 为正弦曲线 该矩角特性上的静态转矩最大 值称为最大静转矩 www 91HMI com 数 控 机 床 进 给 运 动 的 控 制 四 步进电动机的主要特性四 步进电动机的主要特性 3 启动频率 空载时 步进电机由静止状态突然起动 并进入不失步 的正常运行的最高频率 称为启动频率或突跳频率 加给 步进电机的指令脉冲频率如大于启动频率 就不能正常工 作 步进电机在带负载 尤其是惯性负载 下的启动频率 比空载要低 而且 随着负载加大 在允许范围内 启 动频率会进一步降低 4 连续运行频率 步进电机起动后 其运行速度能根据指令脉冲频率连