數(shù)控系統(tǒng)及伺服驅(qū)動系統(tǒng)課件

數(shù)控技術(shù)CNC控制系統(tǒng)§5-1概述§5-2檢測裝置§5-3步進電動機及其驅(qū)動系統(tǒng)§5-4伺服電機及其速度控制§5-5主軸驅(qū)動§5-6位置控制主軸電機伺服電機刀庫刀具定位電機機械手旋轉(zhuǎn)定位電機帶制動器伺服電機加工中心§5-1

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)CNC裝置控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)按功能結(jié)構(gòu)分：CNC系統(tǒng)伺服控制器主軸控制器IO控制用戶接口XYZ伺服馬達主軸主電路繼電器按鈕報警器限位開關(guān)鼠標(biāo)鍵盤等一、數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的定義

伺服系統(tǒng)是一種以機械位置或角度作為控制對象的自動控制系統(tǒng)。CNC裝置是數(shù)控機床的“大腦”，“指揮機構(gòu)”伺服系統(tǒng)是數(shù)控機床的“四肢”，

“執(zhí)行機構(gòu)”。

伺服系統(tǒng)的組成檢測裝置：感應(yīng)同步器、旋轉(zhuǎn)變壓器、光柵、脈沖編碼器等。電機及其控制器：三、數(shù)控機床對伺服系統(tǒng)的要求高精度要求定位準(zhǔn)確（定位誤差持別是重復(fù)定位誤差要?。?，跟隨精度高（跟隨誤差?。?。一般定位精度要求達到mm級，高的達0.01~0.005mm。靈敏度高，響應(yīng)快

提高生產(chǎn)率和保證加工質(zhì)量，一般電機升降速過渡過程，時間在0.2s以下。另外，當(dāng)負載突變時，要求速度的恢復(fù)時間短，且無振蕩，這樣才能得到光滑的加工表面。調(diào)速范圍寬

保證在任何情況下都能得到最佳切削條件和加工質(zhì)量，一般要求調(diào)速范圍：最低轉(zhuǎn)速/最高轉(zhuǎn)速=1/1000~1/10000，且通常是無級調(diào)速。低速大轉(zhuǎn)矩

一般是在低速進行重切削，所以在低速時進給驅(qū)動要有大的轉(zhuǎn)矩輸出?？煽啃愿邔Νh(huán)境的適應(yīng)性強，性能穩(wěn)定，使用壽命長。二、數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的分類按伺服系統(tǒng)控制方式分開環(huán)系統(tǒng)

步進電機，無位置反饋，投資低，精度低閉環(huán)系統(tǒng)

直接測量實際位移進行反饋，精度高半閉環(huán)系統(tǒng)

間接測量位移進行反饋，精度低于閉環(huán)檢測裝置的分類按檢測信號分：數(shù)字式、模擬式按測量基準(zhǔn)分：增量式、絕對式按安裝位置關(guān)系分：直接測量、間接測量按信號類型分：光、磁、電常見檢測裝置一、光柵尺光柵尺屬于光學(xué)元件，是一種高精度的位移傳感器。1.光柵尺的種類透射光柵反射光柵封閉式光柵開放式光柵增量式光柵絕對式光柵光柵檢測裝置基本結(jié)構(gòu)示意圖

2.直線透射光柵（1）組成010,00,11,01,1反射光柵（2）直線透射光柵的工作原理由于擋光效應(yīng)和光的衍射，在與線紋幾乎垂直方向上，會出現(xiàn)明暗交替、間隔相等的粗大條紋，稱為“莫爾條紋”。莫爾條紋的特點

放大作用

莫爾條紋紋距B

與光柵節(jié)距w和傾角θ之間的關(guān)系：光柵橫向移動一個節(jié)距w，莫爾條紋正好沿刻線上下移動一個節(jié)距B，用光電元件檢測莫爾條紋信號的變化就可以測量光柵的位移。例：當(dāng)

w=0.01mm，θ=0.01red，則B=1mm，將柵距放大100倍的莫爾條紋寬度。由于θ很小，因此

22sin/qw=BqwμB均化誤差作用

莫爾條紋是由光柵的大量刻線共同形成的，柵距之間的相鄰誤差被均化。短光柵的工作長度愈長,這一均化誤差的作用愈顯著。莫爾條紋的特點（續(xù)）：

（5）光柵特點優(yōu)點：1）精度高測直線：精度0.5-3mm，分辨率0.1mm2）易實現(xiàn)動態(tài)測量和自動化測量3）較強的抗干擾能力缺點：1）對環(huán)境要求高，怕振動，怕油污2）高精度光柵制作成本高目前多用于精密定位的數(shù)控機床，數(shù)顯機床中也應(yīng)用較多。二、編碼器一種旋轉(zhuǎn)式的檢測角位移的傳感器。將角位移用數(shù)字(脈沖)形式表示，故又稱脈沖編碼器。廣泛應(yīng)用于NC機床的位置檢測，也常用它作為速度檢測元件。

1、編碼器分類按碼盤信號的讀取方式可分為：光電式、接觸式和電磁式以光電式的精度和可靠性最好，NC機床常用光電式編碼器按測量坐標(biāo)系又可分為：增量式和絕對式按每轉(zhuǎn)發(fā)出的脈沖數(shù)分為：高分辨率20000-30000p/r

普通分辨率2000-3000p/r光電編碼器在旋轉(zhuǎn)工作臺上的安裝（2）工作原理

光電盤按裝在被測軸上，隨主軸一起轉(zhuǎn)動。光電盤轉(zhuǎn)動時，光電元件把通過光電盤和光欄板射過來的忽明忽暗的光信號(近似于正弦信號)轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)整形、放大等電路的變換后變成脈沖信號，通過計算脈沖的數(shù)目，即可測出工作軸的轉(zhuǎn)角，并通過數(shù)顯裝置進行顯示。通過測定計數(shù)脈沖的頻率，即可測出工作軸的轉(zhuǎn)速。3.絕對式光電脈沖編碼器

（1）結(jié)構(gòu)絕對式脈沖編碼器結(jié)構(gòu)與增量式相似，就是在碼盤的每一轉(zhuǎn)角位置刻有表示該位置的唯一代碼，稱為絕對碼盤。絕對式脈沖編碼器是通過讀取編碼盤上的代碼(圖案)來表示軸的位置。

碼盤的種類

按碼制不同分二進制碼、格雷碼（循環(huán)碼）、十進制碼、六十進制碼等，最常用的是二進制循環(huán)碼盤。

純二進制碼有一個缺點：相鄰兩個二進制數(shù)可能有多位二進制碼不同，當(dāng)數(shù)碼切換時有多個數(shù)位要進行切換，增大了誤讀的機率。而格雷碼則不同，相鄰兩個二進制數(shù)碼只有一個數(shù)位不同，因此兩數(shù)切換時只在一位進行，提高了讀數(shù)的可靠性。

（3）工作原理光源經(jīng)過柱面鏡，變成一束平行光照射在碼盤上，通過碼盤經(jīng)狹縫形成一束很窄的光束照射在光電元件上，光電元件的排列與碼道一一對應(yīng)，亮區(qū)輸出為“1”，暗區(qū)輸出為“0”，再經(jīng)信息處理電路，進行放大、整形、鎖存與譯碼，輸出自然二進制代碼，從而實現(xiàn)了角度的絕對值測量。（4）應(yīng)用

在實際應(yīng)用過程中，用絕對脈沖編碼器來檢測軸的位置和速度時，當(dāng)編碼器旋轉(zhuǎn)超過一周時，讀出準(zhǔn)確數(shù)值的解決方法：

在旋轉(zhuǎn)軸上安裝多個碼盤，其中一些盤是專門用來計量所轉(zhuǎn)過的圈數(shù)N，而另一部分碼盤是用來檢測一圈以內(nèi)的度數(shù)θ。之后將兩個碼盤所檢測的進行(N×360°＋θ)的疊加。

在軟件設(shè)計時，設(shè)置一個專門的計數(shù)器，并規(guī)定碼盤上的一個專門的代碼為“零”代碼，當(dāng)碼盤轉(zhuǎn)過“零”代碼時，計數(shù)器的值就被自動加一，這樣也可以實現(xiàn)即測圈數(shù)又測度數(shù)的目的。開環(huán)伺服系統(tǒng)☆開環(huán)伺服系統(tǒng)采用步進電機作為驅(qū)動元件；☆沒有位置反饋回路和速度反饋回路；☆設(shè)備投資低，調(diào)試維修方便，但精度差，高速扭矩小；☆用于中、低檔數(shù)控機床及普通機床改造。

半閉環(huán)伺服系統(tǒng)☆位置檢測元件安裝在電動機軸上或絲杠上，用以精確控制電機的角度，為間接測量；☆坐標(biāo)運動的傳動鏈有一部分在位置閉環(huán)以外，其傳動誤差沒有得到系統(tǒng)的補償；☆半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的精度低于閉環(huán)系統(tǒng)?！钸m用于精度要求適中的中小型數(shù)控機床。閉環(huán)伺服系統(tǒng)☆閉環(huán)伺服系統(tǒng)的位置檢測裝置安裝在機床的工作臺上；

☆檢測裝置構(gòu)成閉環(huán)位置控制。

☆閉環(huán)方式被大量用在精度要求較高的大型數(shù)控機床上。

數(shù)控技術(shù)第五章伺服驅(qū)動系統(tǒng)§5-1

概述§5-2檢測裝置§5-3步進電動機及其驅(qū)動系統(tǒng)§5-4伺服電機及其速度控制§5-5主軸驅(qū)動§5-6位置控制伺服系統(tǒng)（ServoSystem)CNC系統(tǒng)驅(qū)動電機檢測裝置控制信號反饋信號光柵尺伺服驅(qū)動系統(tǒng)

§5-3步進電動機及其驅(qū)動系統(tǒng)

步進電動機主要用于開環(huán)位置控制系統(tǒng)。它由步進電動機驅(qū)動電源和步進電動機組成，沒有反饋環(huán)節(jié)。這種系統(tǒng)較簡單，控制較容易，維修也較方便，而且為全數(shù)字化控制。

由于開環(huán)系統(tǒng)精度不高，且步進電動機的功率和速度不高，因此步進電動機驅(qū)動系統(tǒng)僅用于小容量、加工速度低、脈沖當(dāng)量和精度不太高的場合，如經(jīng)濟型數(shù)控機床和電加工機床、計算機的打印機、繪圖儀等設(shè)備。2.步進電動機的控制原理

步進電動機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的控制電動機。

位移量的控制

向步進電動機送一個控制脈沖，其轉(zhuǎn)軸就轉(zhuǎn)過一個角度或移動一個直線位移，稱為一步；脈沖數(shù)增加，角位移(或線位移)隨之增加，即脈沖數(shù)決定位移量。進給速度的控制脈沖頻率高，則步進電動機的旋轉(zhuǎn)速度就高，反之則低，即脈沖頻率決定進給速度。運動方向的控制改變分配脈沖的相序，實現(xiàn)步進電動機的正、反轉(zhuǎn)，從而改變運動方向。

與一般交流和直流電動機所不同的是，步進電動機定子繞組所加的電源形式為脈沖電壓，而不是正弦電壓或者恒定直流電壓。（2）步進電動機的工作原理

按電磁吸引的原理工作的。必須抓住兩點：磁力線力圖走磁阻最小的路徑，從而產(chǎn)生反應(yīng)力矩各相定子齒之間彼此錯齒1/m齒距，m為相數(shù)

幾個概念的含義：“拍”——定子相繞組每改變一次通電狀態(tài)，稱為“一拍”?！皢巍薄钢挥幸幌嗬@組通電?！半p”——指有兩相繞組同時通電。“單三拍”供電方式的步進電動機的工作原理：

第一拍：A相勵磁繞組通電，B、C相勵磁繞組斷電。A相定子磁極的電磁力要使相鄰轉(zhuǎn)子齒與其對齊(使磁阻最小)，B相和C相定、轉(zhuǎn)子錯齒分別為1/3齒距(3°)和2/3齒距(6°)。第二拍：B相繞組通電，A、C相繞組斷電。電磁反應(yīng)力矩使轉(zhuǎn)子順時針方向轉(zhuǎn)動3°，與B相的定子齒對齊，此時A、C相的定、轉(zhuǎn)子齒互相錯開。第三拍：C相繞組通電，A、B相繞組斷電。電磁反應(yīng)力距又使轉(zhuǎn)子順時針方向轉(zhuǎn)動了3°，與C相定子齒對齊，同時A相、B相定、轉(zhuǎn)子齒錯開

重復(fù)通電順序，ABCA……單三拍步進電動機的反轉(zhuǎn)

若定子繞組通電順序為ACBA……，則電動機轉(zhuǎn)子就逆時針方向旋轉(zhuǎn)起來，其步距角仍為3°。

單三拍步進電動機的步距角

重復(fù)單三拍的通電順序，ABCA

……，步進電機就順時針方向旋轉(zhuǎn)起來，對應(yīng)每個指令脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一固定角度3°(步距角)。單三拍通電控制方式的缺點

由于每拍只有一相繞組通電，在切換瞬間可能失去自鎖力矩，容易失步。而且，只有一相繞組通電吸引轉(zhuǎn)子，易在平衡位置附近產(chǎn)生振蕩。因此，單三拍通電控制方式，工作穩(wěn)定性差，一般較少采用。若定子繞組的通電順序為ABBCCAAB……，則步進電動機的轉(zhuǎn)子就逆時針方向轉(zhuǎn)動。

雙三拍工作方式

采用雙三拍通電控制方式，能克服單三拍工作的缺點。若定子繞組的通電順序為

ABBCCAAB……，則步進電動機的轉(zhuǎn)子就順時針方向轉(zhuǎn)動，從一個磁場最強處走到了另一個磁場最強處，故其步距角仍為3°。

若通電順序為：AACCBCBABA……則步進電動機的轉(zhuǎn)子就逆時針方向運動，步距角仍為1.5°。三相六拍控制方式比三相三拍控制方式步距角小一半；在切換時，保持一相繞組通電，工作穩(wěn)定，比雙三拍增大了穩(wěn)定區(qū)。所以三相步進電動機常采用這種控制方式。三相六拍工作方式

通電順序：AABBBCCCAA……

每切換一次，步進電動機就順時針方向轉(zhuǎn)動1.5°，步距角減小一半。原因是：當(dāng)由A相切換到AB相通電時，A相定子磁極力圖不讓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，而保持與其定子齒對齊，而B相定子磁極的電磁反應(yīng)力矩也力圖使其順時針轉(zhuǎn)動3°，與B相定子齒對齊，此時，轉(zhuǎn)子齒與A相、B相定子齒均未對齊，此位置是A相、B相定子合成磁場的最強方向，即轉(zhuǎn)子順時針方向轉(zhuǎn)動1.5°。三、步進電動機驅(qū)動電源

1.作用發(fā)出一定功率的電脈沖信號，使定子勵磁繞組順序通電。2.基本要求（1）電源的基本參數(shù)與電動機相適應(yīng)；（2）滿足步進電動機起動頻率和運行頻率的要求；（3）抗干擾能力強，工作可靠；（4）成本低，效率高，安裝維修方便。

3.組成由環(huán)形分配器和功率放大器組成。（1）環(huán)形分配器

主要功能是將CNC裝置的插補脈沖，按步進電動機所要求的規(guī)律分配給步進電動機驅(qū)動電源的各相輸入端，以控制勵磁繞組的導(dǎo)通或關(guān)斷。同時由于電動機有正反轉(zhuǎn)要求，所以環(huán)形分配器的輸出是周期性的，又是可逆的。

硬件環(huán)形分配器根據(jù)步進電機的相數(shù)和控制方式設(shè)計的真值表或邏輯關(guān)系式，采用邏輯門電路和觸發(fā)器來實現(xiàn)。一般由與非門和J－K觸發(fā)器組成。常用的是專用集成芯片或通用可編程邏輯器件組成的環(huán)形分配器。

軟件環(huán)形分配器按步進電動機的要求編制不同的軟環(huán)分程序，存入EPROM中。常用的是查表法（2）功率驅(qū)動器（功率放大電路）將環(huán)形分配器輸出的脈沖信號放大，以用足夠的功率來驅(qū)動步進電動機。最早的功率驅(qū)動器采用單電壓驅(qū)動電路，后來出現(xiàn)了雙電壓(高電壓)驅(qū)動電路、斬波電路、調(diào)頻調(diào)壓和細分電路等。

并串接一電阻Rc，為了減小回路的時間常數(shù)，電阻Rc并聯(lián)一電容C，從而提高電機的快速響應(yīng)能力和啟動性能。續(xù)流二極管VD和阻容吸收回路RC，是功率管VT的保護線路。

單電壓驅(qū)動電路的優(yōu)點是線路簡單，缺點是電流上升不夠快，高頻時帶負載能力低。

單電壓驅(qū)動電路

圖中L為步進電機勵磁繞組的電感，Ra為繞組電阻，高低壓驅(qū)動電路其特點是供給步進電機繞組有兩種電壓：一種是高電壓U1，由電機參數(shù)和晶體管特性決定，一般在80v至更高范圍，另一種是低電壓U2，即步進電機繞組額定電壓，一般為幾伏，不超過20v。高壓U1，以提高繞組中電流上升率，當(dāng)電流達到規(guī)定值時、VT1關(guān)斷、VT2仍然導(dǎo)通，則自動切換到低壓U2。該電路的優(yōu)點是在較寬的頻率范圍有較大的平均電流，能產(chǎn)生較大且穩(wěn)定的平均轉(zhuǎn)矩，其缺點是電流波頂有凹陷，電路較復(fù)雜。斬波驅(qū)動電路可以克服高低壓驅(qū)動電路的波頂?shù)陌枷菰斐筛哳l輸出轉(zhuǎn)矩的下降，使勵磁繞組中的電流維持在額定值附近。

工作原理：環(huán)形分配器輸出的正脈沖將VT1、VT2導(dǎo)通，由于U1電壓較高，繞組回路又沒串電阻，所以繞組電流迅速上升，當(dāng)繞組電流上升到額定值以上的某一數(shù)值時，由于采樣電阻Re的反饋作用，經(jīng)整形、放大后送至VT1的基極，使VT1管截止。接著繞組由U2低壓供電，繞組中的電流立即下降，但剛降到額定值以下時，由于采樣電阻Re的反饋作用，使整形電路無信號輸出，此時高壓前置放大電路又使VT1導(dǎo)通，電流又上升。如此反復(fù)進行，形成一個在額定電流值上下波動呈鋸齒狀的繞組電流波形，近似恒流。三種驅(qū)動電路的電流波形比較數(shù)控技術(shù)第五章伺服驅(qū)動系統(tǒng)§5-1

概述§5-2檢測裝置§5-3步進電動機及其驅(qū)動系統(tǒng)§5-4伺服電機及其速度控制§5-5主軸驅(qū)動§5-6位置控制§5-4伺服電機及其速度控制一、直流伺服電動機伺服電動機是指能夠精密地控制其位置的一種電動機。直流伺服電動機是伺服電動機的一種。1.直流伺服電動機分類及結(jié)構(gòu)特點

永磁直流伺服電動機無槽轉(zhuǎn)子直流伺服電動機空心杯轉(zhuǎn)子直流伺服電動機印刷繞組直流伺服電動機后三種直流伺服電動機為小慣量直流伺服電動機。

直流伺服電動機的組成

電動機本體

主要由機殼、定子磁極和轉(zhuǎn)子組成。

檢測部件

有高精度的測速發(fā)電機、旋轉(zhuǎn)變壓器以及脈沖編碼器等。特點小慣量直流伺服電動機慣量小，響應(yīng)速度快，但過載能力低。永磁直流伺服電動機轉(zhuǎn)矩大，慣量大，穩(wěn)定性好，調(diào)速范圍寬。但有電刷，限制速度的提高（1000~1500r/min）?！?-4交流伺服電機及其速度控制直流伺服電動機具有優(yōu)良的調(diào)速性能，但直流伺服電動機的電刷和換向器容易磨損，需要經(jīng)常維護；由于換向器換向時會產(chǎn)生火花而使最高轉(zhuǎn)速受到限制，也使應(yīng)用環(huán)境受到限制；直流伺服電動機結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造困難，成本高。自20世紀(jì)80年代中期以來，以交流伺服電動機作為驅(qū)動元件的交流伺服系統(tǒng)得到迅速發(fā)展，有逐漸代替直流伺服電機的趨勢?！?-4交流伺服電動機及其速度控制一、交流伺服電動機二、直線電機二、直線電機1.直線電機的結(jié)構(gòu)和工作原理直線電機是指一種利用電磁作用原理，將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運動動能的驅(qū)動裝置，是一種能實現(xiàn)往復(fù)直線運動的電動機。直線電機是從旋轉(zhuǎn)電機轉(zhuǎn)化而來的。(1)直線電機的結(jié)構(gòu)可以認為直線電機是將旋轉(zhuǎn)電機沿其軸向剖開，然后將其定子和轉(zhuǎn)子展開，變成如圖所示的由定子和動子組成的直線電機。

在數(shù)控機床上實際使用的直線電機如左圖所示。(2)直線電機工作原理在旋轉(zhuǎn)電機中，當(dāng)三相繞組中通入三相對稱正弦電流后，會在氣隙中產(chǎn)生按正弦分布的旋轉(zhuǎn)磁場。與此類似，在直線電機中通入三相電流后，也會在氣隙中產(chǎn)生磁場，如果不考慮端部效應(yīng)，磁場在直線方向也呈正弦分布，只是這個磁場是平移而不是旋轉(zhuǎn)的，因此稱為行波磁場。行波磁場與次級相互作用便產(chǎn)生電磁推力，驅(qū)動動子沿定子作往復(fù)直線運動。這就是直線電機運行的基本原理。

2.直線電機的分類及特點

(1)直線電機的分類

按工作原理分類

與旋轉(zhuǎn)電機相對應(yīng)，直線電機有：直線直流電機、直線