第5章數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制終

1、伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)元件伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)元件 進(jìn)給驅(qū)動(dòng)進(jìn)給驅(qū)動(dòng) 主軸驅(qū)動(dòng)主軸驅(qū)動(dòng) 常用的檢測裝置常用的檢測裝置 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制 概述概述 位置控制位置控制 5.1 概述概述 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制 伺服系統(tǒng)的組成 圖5-1 半閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 組成：一般由控制調(diào)節(jié)器、功率驅(qū)動(dòng)裝置、檢測反饋裝組成：一般由控制調(diào)節(jié)器、功率驅(qū)動(dòng)裝置、檢測反饋裝 置和伺服電機(jī)四部分組成。置和伺服電機(jī)四部分組成。 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制 伺服系統(tǒng)的組成 5.1 概述概述 5.1 概述概述 第第5章章 數(shù)

2、控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制 主軸伺服系統(tǒng) 進(jìn)給伺服系統(tǒng) 按用途和功能 全數(shù)字伺服系統(tǒng) 幅值比較伺服系統(tǒng) 相位比較伺服系統(tǒng) 脈沖數(shù)字比較伺服系統(tǒng) 按反饋比較控制方式 半閉環(huán)伺服系統(tǒng) 閉環(huán)伺服系統(tǒng) 開環(huán)伺服系統(tǒng) 按調(diào)節(jié)理論 伺服系統(tǒng)的分類 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)元件伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)元件 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)元件伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)元件 (1)電動(dòng)機(jī)從最低轉(zhuǎn)速到最高轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)應(yīng)都能平滑地 運(yùn)轉(zhuǎn)；轉(zhuǎn)矩波動(dòng)要小，尤其在最低轉(zhuǎn)速時(shí)，仍要有平 穩(wěn)的速度而無爬行現(xiàn)象； (2

3、)電動(dòng)機(jī)應(yīng)具有大的、較長時(shí)間的過載能力，以滿足 低速大轉(zhuǎn)矩的要求； (3)電動(dòng)機(jī)應(yīng)可控性好、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、響應(yīng)速度快； (4)電動(dòng)機(jī)應(yīng)能承受頻繁的啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)。 對伺服驅(qū)動(dòng)元件即伺服電動(dòng)機(jī)的要求：對伺服驅(qū)動(dòng)元件即伺服電動(dòng)機(jī)的要求： 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)元件伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)元件 1.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)元件伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)元件 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制 三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu) (1)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu) 有永磁式(pm,permanent magnet),磁阻式即

4、反應(yīng)式 (vr,variable reluctance) 和混合式(hb,hybrid)等。 電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子鐵心通常由 硅鋼片疊成。定子和轉(zhuǎn)子均勻 分布著很多小齒。定子上有a、 b、c三對磁極，在相對應(yīng)的磁 極上繞有a、b、c三向控制繞 組。其幾何軸線依次分別與轉(zhuǎn) 子齒軸線錯(cuò)開。 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)元件伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)元件 步進(jìn)電機(jī)是按電磁吸引的原 理進(jìn)行工作的。當(dāng)定子繞組 按順序輪流通電時(shí)，a、b、 c三對磁極就依次產(chǎn)生磁場， 并每次對轉(zhuǎn)子的某一對齒產(chǎn) 生電磁引力，將其吸引過來， 而使轉(zhuǎn)子一步步轉(zhuǎn)動(dòng)。每當(dāng) 轉(zhuǎn)子某一對齒的中心線

5、與定 子磁極中心線對齊時(shí)，磁阻 最小，轉(zhuǎn)矩為零。 (2)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)元件伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)元件 v 三相單三拍：三相單三拍： abca (轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)） acba （轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)） v 三相雙三拍：三相雙三拍： abbccaab (轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)） accbbaac (轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)） 按通電順序不同，其運(yùn)行方式有三相單三拍、三相雙三拍和 三相單雙六拍三種。 特點(diǎn)：(1)每輸入一個(gè)脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過1/3齒距，步距角為30。 (2)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定于控制繞組與電

6、源接通和斷開的脈沖 變化頻率。 (3)由于每次只有一相繞組通電，在切換瞬間將失去自鎖轉(zhuǎn)矩， 容易失步，另外，只有一相繞組通電，易在平衡位置附近產(chǎn)生振蕩， 穩(wěn)定性不佳，故實(shí)際應(yīng)用中不采用單三拍工作方式。 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)元件伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)元件 v 三相六拍：三相六拍： aabbbcccaa (轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)） aacccbbbaa (轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)） 特點(diǎn)： (1)每輸入一個(gè)脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過1/6齒距，步距角為15。 (2)這種控制方式比三相三拍控制方式步距角小一半，因 而精度更高，且轉(zhuǎn)換過程中始終保證有一個(gè)繞組通電，工作穩(wěn) 定，

7、因此這種方式被大量采用。 特點(diǎn)： (1)有兩對磁極同時(shí)對轉(zhuǎn)子的兩對齒進(jìn)行吸引，因此其步 距角仍為30。 (2)由于每次有二相繞組通電，而且切換時(shí)總保持一相繞 組通電，所以工作比較穩(wěn)定，避免了單三拍通電方式的弱點(diǎn)。 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)元件伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)元件 (2)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要特性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要特性 0 360 mzk a= m定子相數(shù)；z轉(zhuǎn)子齒數(shù)；k拍數(shù)與相數(shù)的比例系數(shù) 1).步距角與歩距誤差 步距角指步進(jìn)電機(jī)定子繞組通電狀態(tài)每改變一次，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn) 過的角度。 常見的步距角0.60/1.20 , 0.750/1.50 , 0.9

8、0/1.80 ,10/20, 1.50/30 等。 步距角越小,控制越精確。 步距誤差直接影響執(zhí)行部件的定位精度。 m相m拍，k=1, m相2m拍， k=2 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)元件伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)元件 圖5-5 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)靜態(tài)矩角特性曲線 2).矩角特性、最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩mjmax和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩mq 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)元件伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)元件 4).連續(xù)運(yùn)行的最高工作頻率 最高工作頻率指步進(jìn)電機(jī)連續(xù)運(yùn)行時(shí)，不丟步運(yùn)行的極限頻率。 5). 加減速特性 加減速特性是描述步進(jìn)電機(jī)由

9、靜止到工作頻率和由工作頻率 到靜止的加減速過程中，定子繞組通電狀態(tài)的變化頻率與時(shí)間的關(guān)系。 6). 矩頻特性與動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)距 矩頻特性是描述步進(jìn)電機(jī)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩與連續(xù)運(yùn)行頻 率之間的關(guān)系。 3).啟動(dòng)頻率 啟動(dòng)頻率指空載時(shí)，步進(jìn)電機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)突然啟動(dòng)，并進(jìn) 入不丟步的正常運(yùn)行的最高頻率。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的矩頻特性 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)加減速特性曲線 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)元件伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)元件 2.直流伺服電動(dòng)機(jī)直流伺服電動(dòng)機(jī) (1)直流伺服電機(jī)的分類與特點(diǎn)直流伺服電機(jī)的分類與特點(diǎn) a.小慣量直流伺服電機(jī)小慣量直流伺服電機(jī) 結(jié)構(gòu)一般為永磁式，

10、長徑比大，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，響 應(yīng)速度快，但過載能力低；由于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，必須配 齒輪減速箱，才能拖動(dòng)負(fù)載。用于進(jìn)給驅(qū)動(dòng)。 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)元件伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)元件 b.大慣量寬調(diào)速直流伺服電機(jī)大慣量寬調(diào)速直流伺服電機(jī) 結(jié)構(gòu)為永磁式，慣量大，輸出 轉(zhuǎn)矩大，可以直接與絲杠相連， 過載能力強(qiáng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，穩(wěn) 定性好，調(diào)速范圍寬且運(yùn)轉(zhuǎn)平 穩(wěn)。用于進(jìn)給驅(qū)動(dòng)。 l-轉(zhuǎn)子 2-定子(永磁體) 3-電刷 4-測速發(fā)電動(dòng)機(jī) 大慣量寬調(diào)速永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖 l-換向極；2-主磁極； 3-定子；4-轉(zhuǎn)子；5-線圈 直流主軸電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖 第第5章章

11、數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)元件伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)元件 c.直流主軸電動(dòng)機(jī)直流主軸電動(dòng)機(jī) 由于輸出功率較大，結(jié)構(gòu)上不 做成永磁式，而與普通勵(lì)磁直 流電動(dòng)機(jī)相同，為他勵(lì)式。為 了改善換向性能，在電動(dòng)機(jī)結(jié) 構(gòu)上都有換向極；為縮小體積， 改善冷卻效果，采用了軸向強(qiáng) 迫通風(fēng)冷卻或“熱管”冷卻。 電動(dòng)機(jī)外殼結(jié)構(gòu)為密封式，以 適應(yīng)惡劣的機(jī)械加工車間環(huán)境。 用于主軸驅(qū)動(dòng)。 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)元件伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)元件 (2)直流伺服電機(jī)的工作原理直流伺服電機(jī)的工作原理 (a)工作原理 (b)等效電路 他勵(lì)直

12、流電機(jī)工作原理圖 直流電機(jī)的基本調(diào)速方式有直流電機(jī)的基本調(diào)速方式有 三種：三種： 即調(diào)節(jié)電阻ra、調(diào)節(jié)電樞電 壓ua和調(diào)節(jié)磁通的值。 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)元件伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)元件 他勵(lì)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為他勵(lì)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為 (3)直流伺服電機(jī)的機(jī)械特性直流伺服電機(jī)的機(jī)械特性 直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系稱機(jī)械特性，機(jī)械特性是電機(jī)的 靜態(tài)特性，是穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)帶動(dòng)負(fù)載的性能，此時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩與 外負(fù)載相等。當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)負(fù)載時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速與理想轉(zhuǎn)速產(chǎn)生轉(zhuǎn) 速差n，它反映了電機(jī)機(jī)械特性的硬度，n越小，表明機(jī)械特 性越硬。 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的

13、驅(qū)動(dòng)與位置控制數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)元件伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)元件 (a)改變電樞電壓時(shí)的機(jī)械特性 (b)改變磁通時(shí)的機(jī)械特性 由圖 (a)可見，當(dāng)調(diào)節(jié)電樞電壓時(shí)，直流電機(jī)的機(jī)械特性為一組 平行線，即機(jī)械特性曲線的斜率不變，而只改變電機(jī)的理想轉(zhuǎn) 速，保持了原有較硬的機(jī)械特性，所以數(shù)控機(jī)床伺服進(jìn)給動(dòng)系 統(tǒng)的調(diào)速采用調(diào)節(jié)電樞電壓調(diào)速方式。由圖 (b)可見，調(diào)磁調(diào)速 不但改變了電機(jī)的理想轉(zhuǎn)速，而且使直流電機(jī)機(jī)械特性變軟， 所以調(diào)磁調(diào)速主要用于機(jī)床主軸電機(jī)調(diào)速。 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)元件伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)元件 2.交流伺服電

14、動(dòng)機(jī)交流伺服電動(dòng)機(jī) (1)永磁式交流同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)永磁式交流同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn) 種類：同步型交流伺服電動(dòng)機(jī)（種類：同步型交流伺服電動(dòng)機(jī)（sm）和異步型交流伺服電動(dòng)機(jī)（）和異步型交流伺服電動(dòng)機(jī)（im） 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)元件伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)元件 (2)永磁式交流同步電機(jī)的工作原理永磁式交流同步電機(jī)的工作原理 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)元件伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)元件 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)元件伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)元件 (3

15、)交流主軸伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)交流主軸伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)元件伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)元件 1-交流主軸電機(jī)交流主軸電機(jī) 2-普通交流異步感應(yīng)電機(jī)普通交流異步感應(yīng)電機(jī) 3-通風(fēng)孔通風(fēng)孔 (3)交流主軸伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理交流主軸伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)元件伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)元件 3.直線電動(dòng)機(jī)直線電動(dòng)機(jī) 直線電動(dòng)機(jī)的實(shí)質(zhì)是把旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)沿徑向剖開，然后拉直演變而 成，利用電磁作用原理，將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)動(dòng)能的一種推 力裝置，是一種較為

16、理想的驅(qū)動(dòng)裝置。 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)元件伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)元件 在機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中，采用直線電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)與旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的最 大區(qū)別是取消了從電動(dòng)機(jī)到工作臺(tái)之間的機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)，把機(jī)床進(jìn) 給傳動(dòng)鏈的長度縮短為零。正由于這種傳動(dòng)方式，帶來了旋轉(zhuǎn)電動(dòng) 機(jī)驅(qū)動(dòng)方式無法達(dá)到的性能指標(biāo)和優(yōu)點(diǎn)。 磁懸浮列車 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制 5.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)元件伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)元件 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制 5.3 進(jìn)給驅(qū)動(dòng)進(jìn)給驅(qū)動(dòng) 1.對進(jìn)給伺服系統(tǒng)的要求：對進(jìn)給伺服系統(tǒng)的要求：

17、(1)精度要求高：包括定位精度、重復(fù)定位精度及輪廓加工精度。 (2)穩(wěn)定性好:有較強(qiáng)的抗干擾能力，保證進(jìn)給速度均勻、平穩(wěn)。 (3)響應(yīng)速度快且無超調(diào)：快速響應(yīng)是伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)的重要指 標(biāo)，它反映了系統(tǒng)的跟蹤精度。 (4)調(diào)速范圍寬：要求有較寬的無級調(diào)速范圍，既能滿足高速加工 要求，又能滿足低速進(jìn)給要求,且在低速時(shí)運(yùn)行平穩(wěn)無爬行。 (5)低速大轉(zhuǎn)矩：要求伺服系統(tǒng)在低速時(shí)要有大的轉(zhuǎn)矩輸出，防止 出現(xiàn)低速爬行現(xiàn)象。 定位精度：移動(dòng)件到達(dá)指令位置的準(zhǔn)確度 重復(fù)定位精度：移動(dòng)件在任意定位點(diǎn)的定位一致性 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制 5.3 進(jìn)給驅(qū)動(dòng)進(jìn)給驅(qū)動(dòng) 2. 步進(jìn)電

18、動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 (1) 步進(jìn)電機(jī)的環(huán)形分配器步進(jìn)電機(jī)的環(huán)形分配器 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)線路完成由弱電到強(qiáng)電的轉(zhuǎn)換和放 大，也就是將邏輯電平信號(hào)變換成電機(jī)繞組所需的具 有一定功率的電流脈沖信號(hào)。驅(qū)動(dòng)控制電路由環(huán)形分 配器和功率放大器組成。 環(huán)形分配器是用于控制步進(jìn)電機(jī)的通電方式的，其 作用是將數(shù)控裝置送來的一系列指令脈沖按照一定的 順序和分配方式加到功率放大器上，控制各相繞組的 通電、斷電。環(huán)形分配器功能可由硬件或軟件產(chǎn)生， 硬件環(huán)形分配器是根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)和控制方式設(shè) 計(jì)的。硬件環(huán)形分配器是根據(jù)真值表或邏輯關(guān)系式采 用邏輯門電路和觸發(fā)器來實(shí)現(xiàn)。 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制數(shù)

19、控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制 5.3 進(jìn)給驅(qū)動(dòng)進(jìn)給驅(qū)動(dòng) 硬件環(huán)形分配器硬件環(huán)形分配器 硬件環(huán)形分配器是根據(jù)真值表或邏輯關(guān)系式采用邏輯門電路 和觸發(fā)器來實(shí)現(xiàn)?？刂芻lk的頻率，可控制步進(jìn)電機(jī)的速度。 cnc 裝置 電源 環(huán)形 分配器 a相驅(qū)動(dòng) b相驅(qū)動(dòng) c相驅(qū)動(dòng)full/half dir clk m 三相硬件環(huán)形分配器的驅(qū)動(dòng)控制 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制 5.3 進(jìn)給驅(qū)動(dòng)進(jìn)給驅(qū)動(dòng) 【工程實(shí)例】國產(chǎn)【工程實(shí)例】國產(chǎn)cmos型集成脈沖分配器型集成脈沖分配器ch250 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制 5.3 進(jìn)給驅(qū)動(dòng)進(jìn)給驅(qū)動(dòng) 軟件環(huán)形分配器軟

20、件環(huán)形分配器 控制相鄰兩次軟件環(huán)分狀態(tài)之間的延時(shí)，可控制步進(jìn)電機(jī)線控制相鄰兩次軟件環(huán)分狀態(tài)之間的延時(shí)，可控制步進(jìn)電機(jī)線 圈通電狀態(tài)的變化頻率，從而控制步進(jìn)電機(jī)的速度。圈通電狀態(tài)的變化頻率，從而控制步進(jìn)電機(jī)的速度。 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制 5.3 進(jìn)給驅(qū)動(dòng)進(jìn)給驅(qū)動(dòng) 作用：將環(huán)形分配器 發(fā)出的ttl電平信號(hào) 放大至幾安培到十幾 安培的電流，送至步 進(jìn)電動(dòng)機(jī)的各繞組。 控制電路：單電壓簡 單驅(qū)動(dòng)、高低壓切換 驅(qū)動(dòng)、高壓恒流斬波、 調(diào)頻調(diào)壓、細(xì)分驅(qū)動(dòng) 等。 (2) 步進(jìn)電機(jī)的功率放大器步進(jìn)電機(jī)的功率放大器 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控

21、制 5.3 進(jìn)給驅(qū)動(dòng)進(jìn)給驅(qū)動(dòng) 單電壓功率放大電路單電壓功率放大電路 i t 單電壓驅(qū)動(dòng)電流波形單電壓驅(qū)動(dòng)電路原理圖 單電壓驅(qū)動(dòng)電路的優(yōu)點(diǎn)是線路簡單，缺點(diǎn)是電流上升不夠快，高單電壓驅(qū)動(dòng)電路的優(yōu)點(diǎn)是線路簡單，缺點(diǎn)是電流上升不夠快，高 頻時(shí)帶負(fù)載能力低。頻時(shí)帶負(fù)載能力低。 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制 5.3 進(jìn)給驅(qū)動(dòng)進(jìn)給驅(qū)動(dòng) 高低雙電壓驅(qū)動(dòng)高低雙電壓驅(qū)動(dòng) 電路原理圖電流波形 特點(diǎn)：特點(diǎn)： 高壓充電，保證電流以較快的速度上升，低壓供電，維持繞高壓充電，保證電流以較快的速度上升，低壓供電，維持繞 組中的電流為額定值；缺點(diǎn)是高低壓電路波形連接處有凹形組中的電流為額定值；缺

22、點(diǎn)是高低壓電路波形連接處有凹形 。 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制 5.3 進(jìn)給驅(qū)動(dòng)進(jìn)給驅(qū)動(dòng) 恒流斬波驅(qū)動(dòng)恒流斬波驅(qū)動(dòng) 電路原理圖電流波形 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制 5.3 進(jìn)給驅(qū)動(dòng)進(jìn)給驅(qū)動(dòng) 【工程實(shí)例】集成斬波恒流功放芯片【工程實(shí)例】集成斬波恒流功放芯片sla7026m應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例 調(diào)頻調(diào)壓型功放電路調(diào)頻調(diào)壓型功放電路 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制 5.3 進(jìn)給驅(qū)動(dòng)進(jìn)給驅(qū)動(dòng) 細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路 四相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正弦細(xì)分相電流時(shí)序圖 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置

23、控制 5.3 進(jìn)給驅(qū)動(dòng)進(jìn)給驅(qū)動(dòng) 【工程實(shí)例】步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正弦細(xì)分驅(qū)動(dòng)實(shí)例【工程實(shí)例】步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正弦細(xì)分驅(qū)動(dòng)實(shí)例 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制 5.3 進(jìn)給驅(qū)動(dòng)進(jìn)給驅(qū)動(dòng) 2.直流電動(dòng)機(jī)的速度控制單元直流電動(dòng)機(jī)的速度控制單元 (1)可控硅直流調(diào)速系統(tǒng)可控硅直流調(diào)速系統(tǒng) 速度 調(diào)節(jié)器 電流 調(diào)節(jié)器 觸發(fā)脈沖 發(fā)生器 可控硅 整流器 電流反饋 速度反饋 電流檢測 編碼器電機(jī) ur + - uf if ir + - er us 通過對晶閘管觸發(fā)角的控制來控制電機(jī)電樞電壓，以達(dá) 到調(diào)速的目的。 晶閘管直流雙環(huán)調(diào)速系統(tǒng)框圖 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位

24、置控制 5.3 進(jìn)給驅(qū)動(dòng)進(jìn)給驅(qū)動(dòng) ，使 電使電機(jī)轉(zhuǎn)整流、放大、驅(qū)(主回路：可控硅整流 后移使可控硅觸發(fā)可控硅觸,發(fā)生器：產(chǎn)生移相脈沖觸發(fā) 系統(tǒng)作用 調(diào)節(jié)：電pi)或(p電流環(huán) 好的靜 態(tài)作用 速度 調(diào)度(pi)速度 環(huán) 控制回路 動(dòng)放大器即 脈沖 快速性、穩(wěn)定性改善：；流 、動(dòng)態(tài)特性：；： 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制 5.3 進(jìn)給驅(qū)動(dòng)進(jìn)給驅(qū)動(dòng) 主回路主回路由大功率晶閘管構(gòu)成的三相全控橋式反并接可逆 電路，分成二大部分（ 和 ），每部分內(nèi)按三相橋式連接，二 組反并接，分別實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。1、3、5在正半周導(dǎo)通， 2、4、 6在負(fù)半周導(dǎo)通。每組內(nèi)（即二相間）觸發(fā)脈

25、沖相位相差120，每 相內(nèi)二個(gè)觸發(fā)脈沖相差180。按管號(hào)排列，觸發(fā)脈沖的順序：1-2- 3-4-5-6，相鄰之間相位差60。為保證合閘后兩個(gè)串聯(lián)可控硅能同 時(shí)導(dǎo)通，或已截止的相再次導(dǎo)通， 采用雙脈沖控制。既每個(gè)觸發(fā) 脈沖在導(dǎo)通60后，在補(bǔ)發(fā)一個(gè)輔助脈沖；也可以采用寬脈沖控制， 寬度大于60，小于120 只要改變可控硅觸發(fā)角（即改變導(dǎo)通角），就能改變可控硅的整流 輸出電壓，從而改變直流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 觸發(fā)脈沖提前來，增大整流輸出電壓；觸發(fā)脈沖延后來，減小整流 輸出電壓。 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制 5.3 進(jìn)給驅(qū)動(dòng)進(jìn)給驅(qū)動(dòng) e) u acbcab a) b)

26、c) d) 135 t u b 246 b ca t t t t 1 1 3 3 5 5 1 1 3 3 6 2 2 4 4 6 6 2 2 4 13 5 246 120 120 180 60 1 3 24 60 60 5 6 主回路波形圖 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制 5.3 進(jìn)給驅(qū)動(dòng)進(jìn)給驅(qū)動(dòng) (2)晶體管脈寬調(diào)制（晶體管脈寬調(diào)制（pwm）調(diào)速系統(tǒng)）調(diào)速系統(tǒng) 通過脈寬調(diào)制器將直流電壓轉(zhuǎn)換成方波電壓，通過對方波脈沖寬 度的控制，改變電樞的平均電壓，以達(dá)到調(diào)速的目的。 pwm調(diào)速系統(tǒng)組成原理框圖 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制 5.3

27、 進(jìn)給驅(qū)動(dòng)進(jìn)給驅(qū)動(dòng) 脈寬調(diào)制器：脈寬調(diào)制器： 控制回路：控制回路： 速度調(diào)節(jié)器；電流調(diào)節(jié)器；固定頻率振蕩器及三角波發(fā)生器；脈 寬調(diào)制器和基極驅(qū)動(dòng)電路。 區(qū)別：與晶閘管調(diào)速系統(tǒng)比較，速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器原理一 樣。不同的是脈寬調(diào)制器和功率放大器。 作用：將電壓量轉(zhuǎn)換成可由控制信號(hào)調(diào)節(jié)的矩形脈沖，為功率晶 體管的基極提供一個(gè)寬度可由速度指令信號(hào)調(diào)節(jié)的脈寬電壓。 組成：調(diào)制信號(hào)發(fā)生器（三角波和鋸齒波兩種）和比較放大器。 原理：以三角波發(fā)生器為例介紹 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制 5.3 進(jìn)給驅(qū)動(dòng)進(jìn)給驅(qū)動(dòng) t u u s r +u u s c +u s r ooo -

28、u s r t t t t u sr 速度指令轉(zhuǎn)化過 來的直流電壓 u - 三角波 usc- 脈寬調(diào)制器的輸出 （ u s r +u ） 調(diào)制波形圖 r1 +12v usc r1 r3r2 + - 12v u s r u - 調(diào)制出正負(fù)脈寬一樣方波 平均電壓為0 調(diào)制出脈寬較寬的波形 平均電壓為正 調(diào)制出脈寬較窄的波形 平均電壓為負(fù) u s r +u usr為0時(shí)usr為正時(shí) usr為負(fù)時(shí) 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制 5.3 進(jìn)給驅(qū)動(dòng)進(jìn)給驅(qū)動(dòng) 主回路：可逆h型雙極式pwm開關(guān)功率放大器 電路圖: 由四個(gè)大功率晶體管（gtr）t 1 、t 2 、t 3 、t4

29、及四個(gè)續(xù)流二極管組成的橋式電路。 ub1、ub2、ub3、ub4為調(diào) 制器輸出，經(jīng)脈沖分配、基極驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換過來的脈沖電壓，分別 加到t1 、t2、t3 、t4的基極。以正脈沖較寬為例（既正轉(zhuǎn)時(shí)） ub3 ub4 ub1 ub2 us ab d1 d2 d3 d4 m t1 t2t4 t3 ud uab ub2 ub3 o t t ub1 ub 4 o t1t us -us o t t id id1 id2 id1id2 o 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制 5.3 進(jìn)給驅(qū)動(dòng)進(jìn)給驅(qū)動(dòng) 電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止： 由正、負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓脈沖寬窄而定。 當(dāng)正脈沖較寬時(shí)，既t1 t/2

30、，平均電壓為正，電機(jī)正轉(zhuǎn)； 當(dāng)正脈沖較窄時(shí)，既t1 t/2 ，平均電壓為負(fù)，電機(jī)反轉(zhuǎn)； 如果正、負(fù)脈沖寬度相等，t1=t/2 ，平均電壓為零，電機(jī)停轉(zhuǎn)。 電機(jī)速度的改變： 電樞上的平均電壓uab越大，轉(zhuǎn)速越高。它是由驅(qū)動(dòng)電壓脈沖寬 度決定的。 雙極性： 可逆h型雙極式pwm開關(guān)功率放大器，無論負(fù)載是重還是輕、電機(jī)是正 轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，加在電樞上的電壓極性在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，都在us 和us之間變換一次，故稱為雙極性。 pwm調(diào)速系統(tǒng)的主要特點(diǎn)： 頻帶寬、頻率高； 電流脈動(dòng)?。?電源的功率因數(shù)高； 動(dòng)態(tài)硬度好。 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制 5.3 進(jìn)給驅(qū)動(dòng)進(jìn)給驅(qū)動(dòng) 3

31、.交流電動(dòng)機(jī)的速度控制單元交流電動(dòng)機(jī)的速度控制單元 (1)交流伺服電機(jī)的變頻調(diào)速交流伺服電機(jī)的變頻調(diào)速 (a) 交交變頻 (b) 交直交變頻 變頻調(diào)速的主要環(huán)節(jié)：為交流電機(jī)提供變頻電源的變頻器。 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制 w調(diào)制原理（以單相為例） 正弦脈寬調(diào)制 （spwm）波 形: 與正弦波等效的一系 列等幅不等寬的矩形脈沖 波，如圖所示。 等效原理：把正弦分成 n 等分，每一區(qū)間的面積用 與其相等的等幅不等寬的 矩形面積代替。 正弦的正負(fù)半周均如此處理。 u t t u o o a) b) 5.3 進(jìn)給驅(qū)動(dòng)進(jìn)給驅(qū)動(dòng) 正弦脈寬調(diào)制（正弦脈寬調(diào)制（spwm）變

32、頻器）變頻器 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制 5.3 進(jìn)給驅(qū)動(dòng)進(jìn)給驅(qū)動(dòng) spwm控制波的生成: 方波發(fā)生器 三角波發(fā) 生器 三角波與基準(zhǔn) 正弦波疊加 （比較器） spwm調(diào)制波 基準(zhǔn)正弦波 (由速度指令 轉(zhuǎn)化過來的) vd1 uut u1:調(diào)制波 u 0 oo o t t rf r r1 r2 r3 r4 r5 r6 r7 vd2 vd3 vd4 c 1 c 2 u0 (ua、ub、 uc ) t o - - - + + + t ut:載波 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制 5.3 進(jìn)給驅(qū)動(dòng)進(jìn)給驅(qū)動(dòng) 雙極性spwm主回路 uab 50h

33、zspwm d1 d2d3 d4 d5d6 d7d8d9 d10 d11d12 t1 t2t3 t4 t5t6 ua ua ub ub uc uc u1u2u3ut u1 ut ud ua 1t 1t 1t 1t 1t 1t ua0 ub0 uc0 逆變器輸出a相等 效正弦脈寬電壓 波 b相等效正弦脈 寬電壓波 逆變器輸出電壓 等效正弦脈寬電 壓波 u1:由f轉(zhuǎn)換來的ut 改變調(diào)制波的頻率、幅值， 就可改變最終輸出：變頻 變壓的交流電壓 c相等效正弦脈 寬電壓波 主回路： 左半部：整流器 右半部：逆變器 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制 5.3 進(jìn)給驅(qū)動(dòng)進(jìn)給驅(qū)動(dòng) (

34、2)永磁同步交流伺服電機(jī)矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)永磁同步交流伺服電機(jī)矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng) 矢量變換控制的基本思想實(shí)質(zhì)上就是通過數(shù)學(xué)變換把三相交流電動(dòng)機(jī)的 定子電流分解為兩個(gè)分量，一個(gè)用來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢的勵(lì)磁分量 id , 另 個(gè)用來產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩分量 iq 。 永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)速度、電流雙環(huán)永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)速度、電流雙環(huán)spwmspwm控制系統(tǒng)原理圖控制系統(tǒng)原理圖 恒功率范圍要寬 寬調(diào)速范圍 具有四象限驅(qū)動(dòng)能力 具有位置控制能力 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制 5.4 主軸驅(qū)動(dòng)主軸驅(qū)動(dòng) 1.對主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求對主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求 2.直流主軸控制單元直流主軸

35、控制單元 直流主軸伺服系統(tǒng)一般沒有位置控制，它只是一個(gè)速度控制系統(tǒng)，直 流主軸速度單元是由速度環(huán)和電流環(huán)構(gòu)成的雙環(huán)速度控制系統(tǒng)，用控制 主軸電機(jī)的電樞電壓來進(jìn)行恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，如下圖所示。主軸直流電機(jī)調(diào) 速還包括恒功率調(diào)速，它由框圖中上半部分的激磁控制回路完成，這部 分恒功率調(diào)速是由控制勵(lì)磁電路的勵(lì)磁電流的大小來實(shí)現(xiàn)的。早期的數(shù) 控機(jī)床多采用直流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制 5.4 主軸驅(qū)動(dòng)主軸驅(qū)動(dòng) 直流主軸速度控制單元框圖直流主軸速度控制單元框圖 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制 5.4主軸驅(qū)動(dòng)主軸驅(qū)動(dòng) 3.交流主軸控制

36、單元交流主軸控制單元 為了實(shí)現(xiàn)對交流主軸電動(dòng)機(jī)的高精度和高性能的控制，目前大多 數(shù)數(shù)控機(jī)床的交流主軸控制采用矢量控制變頻調(diào)速的方法，正弦控 制波可以由矢量變換控制原理來獲得。 (1)三相a、b、c系統(tǒng)變換到兩相、系統(tǒng) 這種變換是將三相交流電機(jī)變?yōu)榈刃У亩嘟涣麟姍C(jī)。 (2)矢量旋轉(zhuǎn)變換 將三相電機(jī)轉(zhuǎn)化為二相電機(jī)后，還需將二相交流電機(jī) 變換為等效的直流電機(jī)。其實(shí)質(zhì)就是矢量向標(biāo)量的轉(zhuǎn) 換，是靜止的直角坐標(biāo)系向旋轉(zhuǎn)的直角坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制 5.4主軸驅(qū)動(dòng)主軸驅(qū)動(dòng) 交流主軸電動(dòng)機(jī)矢量控制交流主軸電動(dòng)機(jī)矢量控制spwm變頻調(diào)速系統(tǒng)原理圖變頻調(diào)速系

37、統(tǒng)原理圖 (4)交流主軸電機(jī)的矢量控制 （3） 直角坐標(biāo)與極坐標(biāo)的變換 矢量控制中，還要用到直角坐標(biāo)系與極坐標(biāo)系的變換。 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制 5.4 主軸驅(qū)動(dòng)主軸驅(qū)動(dòng) 主軸變頻器基本接口圖主軸變頻器基本接口圖 【工程實(shí)例】主軸變頻器接口簡介【工程實(shí)例】主軸變頻器接口簡介 如圖所示采用三相交流380v 電源供電，速度指令由3、4 腳輸入，指令電壓范圍是直 流0-10v；主軸電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng) 停止以及旋轉(zhuǎn)方向由外部 開關(guān)s1、s2控制，當(dāng)s1閉合 時(shí)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，當(dāng)s2閉合時(shí) 電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，若s1、s2同時(shí) 都斷開或閉合則電動(dòng)機(jī)停止。 也可以定義為s1控制電動(dòng)機(jī)

38、的啟動(dòng)和停止，s2控制電動(dòng) 機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。變頻器根據(jù) 輸入的速度指令和運(yùn)行狀態(tài) 指令輸出相應(yīng)頻率和幅值的 交流電源，控制電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)。 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制 5.5 數(shù)控機(jī)床常用的檢測裝置數(shù)控機(jī)床常用的檢測裝置 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制 5.5 數(shù)控機(jī)床常用的檢測裝置數(shù)控機(jī)床常用的檢測裝置 1.位置檢測裝置的要求和分類位置檢測裝置的要求和分類 數(shù)控機(jī)床對檢測裝置的主要要求有： (1)工作可靠，抗干擾性能強(qiáng)； (2)使用維護(hù)方便，適應(yīng)機(jī)床的工作環(huán)境； (3)滿足數(shù)控機(jī)床精度和速度的要求； (4)易于實(shí)現(xiàn)高速的動(dòng)態(tài)測量和處理

39、，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化； (5)成本低，壽命長。 常用位置檢測裝置分類 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制 5.5 數(shù)控機(jī)床常用的檢測裝置數(shù)控機(jī)床常用的檢測裝置 (1)旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器 結(jié)構(gòu)與工作原理結(jié)構(gòu)與工作原理 旋轉(zhuǎn)變壓器是一種角位移測量裝置，由定子和轉(zhuǎn)子組成。 旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理與普通變壓器基本相似，其中定子繞組作為 變壓器的一次側(cè)，接受勵(lì)磁電壓。轉(zhuǎn)子繞組作為變壓器的二次側(cè)， 通過電磁耦合得到感應(yīng)電壓，只是其輸出電壓大小與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)。 假設(shè)加到定子繞組的勵(lì)磁電壓為：tuu m sin 1 = cossincos 12 tkukuu m =轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電

40、壓為： 式中 k 變壓比（即繞組匝數(shù)比）； um 勵(lì)磁信號(hào)的幅值； 勵(lì)磁信號(hào)角頻率； 旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)角。 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制 5.5 數(shù)控機(jī)床常用的檢測裝置數(shù)控機(jī)床常用的檢測裝置 實(shí)際使用時(shí)通常采用多極形式，如正余弦旋轉(zhuǎn)變 壓器，其定子和轉(zhuǎn)子均由兩個(gè)匝數(shù)相等，軸線相 互垂直的繞組構(gòu)成，如圖所示。一個(gè)轉(zhuǎn)子繞組接 高阻抗作為補(bǔ)償，另一個(gè)轉(zhuǎn)子繞組作為輸出。 旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用 其有兩種典型工作方式，鑒相式和鑒幅式。鑒相式是根 據(jù)感應(yīng)輸出電壓的相位來檢測位移量；鑒幅式是根據(jù)感 應(yīng)輸出電壓的幅值來檢測位移量。 a.鑒相工作方式 給定子兩繞組分別通以幅

41、值相同、頻率 相同、相位差900的交流勵(lì)磁電壓，即: = = tuu tuu mc ms cos sin 1 1 這兩個(gè)勵(lì)磁電壓在轉(zhuǎn)子繞組中都 產(chǎn)生了感應(yīng)電壓，電壓的代數(shù)和： )cos( coscossinsin 2 = = tku tkutkuu m mm 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制 5.5 數(shù)控機(jī)床常用的檢測裝置數(shù)控機(jī)床常用的檢測裝置 b.鑒幅工作方式 給定子的兩個(gè)繞組分別通以頻率相同、相位相同、幅值分別按正弦 和余弦變化的交流激磁電壓，即 = = tutuu tutuu mcmc msms a a coscoscos sinsinsin 1 1 式中 激

42、磁繞組中的電氣角 則轉(zhuǎn)子上的疊加電壓為 tkutkutkuu mmm aaasin)cos(coscoscossinsinsin 2 = (2)感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器 感應(yīng)同步器是利用勵(lì)磁繞組與感應(yīng)繞組間發(fā)生相對位移時(shí)，由于電磁耦合 的變化，感應(yīng)繞組中的感應(yīng)電壓隨位移的變化而變化，借以進(jìn)行位移量的 檢測。感應(yīng)同步器按其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)一般分為直線式和旋轉(zhuǎn)式兩種： 結(jié)構(gòu)與工作原理結(jié)構(gòu)與工作原理 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制 5.5 數(shù)控機(jī)床常用的檢測裝置數(shù)控機(jī)床常用的檢測裝置 直線式感應(yīng)同步器由定尺和滑尺組成,用于直線位移測量,如圖(a)所示。 旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器由轉(zhuǎn)子和定子

43、組成,用于角位移測量,如圖(b)所示。 感應(yīng)同步器滑尺上的兩分段繞組（正弦繞組和余弦繞組）是勵(lì)磁繞組，定尺上的 連續(xù)繞組是感應(yīng)繞組。定尺固定在床身上，滑尺則安裝在機(jī)床的移動(dòng)部件上。當(dāng) 正弦繞組與定尺繞組相位相同時(shí)，余弦繞組與定尺繞組錯(cuò)開1/4節(jié)距?；吆投ǔ?相對平行安裝，其間保持一定間隙（0.050.2mm）。通過對感應(yīng)電壓的測量，可以 精確地測量出位移量。 標(biāo)準(zhǔn)感應(yīng)同步器定尺長250mm，滑尺長100mm，節(jié)距為2mm。 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制 感應(yīng)電動(dòng)勢 移動(dòng)距離 在勵(lì)磁繞組上加上一定的交變勵(lì)磁 電壓，定尺繞組中就產(chǎn)生相同頻率 的感應(yīng)電動(dòng)勢，其幅值大

44、小隨滑尺 移動(dòng)呈余弦規(guī)律變化。滑尺移動(dòng)一 個(gè)節(jié)距，感應(yīng)電動(dòng)勢變化一個(gè)周期。 當(dāng)滑尺移動(dòng)的距離為x時(shí)，則對應(yīng)于感應(yīng)電勢以余弦函數(shù)將變化角： p t p t xx =2 2 (3)脈沖編碼器脈沖編碼器 光電編碼器是一種回轉(zhuǎn)式數(shù)字測量元件，通常裝在被檢測軸上，隨被測軸 一起轉(zhuǎn)動(dòng)，可將被測軸的角位移轉(zhuǎn)換為增量脈沖形式或絕對式的代碼形式。 從產(chǎn)生元件上分，脈沖編碼器有光電式、接觸式、電磁感應(yīng)式三種，從精 度和可靠性來看，光電式較好，數(shù)控機(jī)床上主要使用的是光電式脈沖編碼 器。型號(hào)用 脈沖數(shù)/轉(zhuǎn)（p/r）分，常用的2000，2500，3000p/r, 現(xiàn)在有10 萬p/r以上的產(chǎn)品。 5.5 數(shù)控機(jī)床常用的

45、檢測裝置數(shù)控機(jī)床常用的檢測裝置 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制 5.5 數(shù)控機(jī)床常用的檢測裝置數(shù)控機(jī)床常用的檢測裝置 增量式光電編碼器增量式光電編碼器 它由光源、聚光鏡、圓光柵、指示光柵、光敏元件和信號(hào)處理電路 等組成（如圖）。為了判斷旋轉(zhuǎn)方向，圓盤的兩個(gè)窄縫距離彼此錯(cuò) 開1/4節(jié)距，使兩個(gè)光電元件輸出信號(hào)相位差900。 信號(hào)處理裝置 abz 圓光柵透鏡 光源 光敏元件 透光狹縫指示光柵 節(jié)距 aabbzz m+/4 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制 5.5 數(shù)控機(jī)床常用的檢測裝置數(shù)控機(jī)床常用的檢測裝置 絕對式光電編碼器絕對式光電編碼器

46、 【工程實(shí)例】電機(jī)轉(zhuǎn)角位置檢測電路 如圖表示按二進(jìn)制編碼構(gòu)成絕對式編碼器的工作原 理。其中白的部分表示透光，黑的部分表示不透光。 當(dāng)光源通過透光部分并為光電接收器接收時(shí)表示“1” 信息，反之表示“0”信息。最里層的表示最高位， 最外層的表示最低位。 第第5章章 數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與位置控制 (5)光柵光柵 數(shù)控機(jī)床上用計(jì)量光柵。 計(jì)量光柵可分為透射式 光柵和反射式光柵兩大 類，均由光源、光柵副 (標(biāo)尺光柵和指示光柵)、 光敏元件三大部分組成。 計(jì)量光柵按形狀又可分 為長光柵和圓光柵。 5.5 數(shù)控機(jī)床常用的檢測裝置數(shù)控機(jī)床常用的檢測裝置 直線光柵通常包括一長和一短兩塊配套使用，其中長的稱為標(biāo)尺光柵或主 光柵，一般固定在機(jī)床移動(dòng)部件上，要求與行程等長。短的為指