數控機床的驅動與控制系統(tǒng)

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1、 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 2 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 3 4.1 數 控 機 床 的 位 置 檢 測 裝 置 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 4 4.1 數 控 機 床 的 位 置 檢 測 裝 置 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 5 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 6 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系

2、 統(tǒng) 7 （ 二 ） 數 字 式 測 量 和 模 擬 式 測 量1. 數字式測量 它 是 將 被 測 的 量 以 數 字 形 式 來 表 示 ， 測 量 信 號 一 般為 脈 沖 ， 可 以 直 接 把 它 送 到 數 控 裝 置 進 行 比 較 、 處 理 。信 號 抗 干 擾 能 力 強 、 處 理 簡 單 。2. 模擬量測量 它 是 將 被 測 的 量 用 連 續(xù) 變 量 來 表 示 ， 如 電 壓 變 化 、相 位 變 化 等 。 它 對 信 號 處 理 的 方 法 相 對 來 說 比 較 復 雜 。 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 8

3、（ 三 ） 增 量 式 測 量 和 絕 對 式 測 量1. 增量式測量 在 輪 廓 控 制 數 控 機 床 上 多 采 用 這 種 測 量 方 式 ， 增量 式 測 量 只 測 相 對 位 移 量 ， 其 優(yōu) 點 是 測 量 裝 置 較 簡 單 ，對 任 何 一 個 中 間 點 都 可 以 作 為 測 量 的 起 點 ， 而 位 移 是由 測 量 信 號 計 數 累 加 所 得 ， 但 一 旦 計 數 有 誤 ， 以 后 測量 所 得 結 果 完 全 錯 誤 。2.絕 對 式 測 量 絕 對 式 測 量 裝 置 對 于 被 測 量 的 任 意 一 點 位 置 均 由固 定 的 零 點 標 起

4、， 每 一 個 被 測 點 都 有 一 個 相 應 的 測 量值 。 測 量 裝 置 的 結 構 較 增 量 式 復 雜 ， 如 編 碼 盤 中 ， 對應 于 碼 盤 的 每 一 個 角 度 位 置 便 有 一 組 二 進 制 位 數 。 顯然 ， 分 辨 精 度 要 求 愈 高 ， 量 程 愈 大 ， 則 所 要 求 的 二 進制 位 數 也 愈 多 ， 結 構 就 愈 復 雜 。 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 9 一 、 位 移 傳 感 器 常 見 的 位 移 傳 感 器 ： 旋 轉 變 壓 器 ， 感 應同 步 器 ， 光 柵 測 量 裝

5、 置 ， 脈 沖 編 碼 器 等 。 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 10 一、結構與工作原理 旋 轉 變 壓 器 是 一 種 角 位 移 測 量 裝 置 ， 由 定 子 和 轉子 組 成 。 2 3 4 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 11 旋 轉 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 ， 接 受 勵 磁 電 壓 。 轉 子繞 組 作 為 變 壓 器 的 二 次 側 ， 通 過 電 磁 耦 合 得 到

6、感 應 電 壓 ，只 是 其 輸 出 電 壓 大 小 與 轉 子 位 置 有 關 。 旋 轉 變 壓 器 通 過 測 量 電 動 機 或 被 測 軸 的 轉 角 來 間 接測 量 工 作 臺 的 位 移 。 旋 轉 變 壓 器 分 為 單 極 和 多 極 形 式 ， 先 分 析 一 下 單 極工 作 情 況 。 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 12 定 子 和 轉 子 各 有 一 對 磁 極 ， 設 加 到 定 子 繞 組 勵 磁 電 壓為 ， 當 轉 子 繞 組 的 磁 軸 自 垂 直 位 置 轉 過 一 定角 度 時 ， 轉 子 繞 組 中

7、產 生 的 感 應 電 壓 為當 轉 子 轉 過 900， 兩 磁 軸 平 行 ， 此 時 轉 子 繞 組 中 感 應 電 壓 最大 ， 即 。 cossin2 tKVV mtKVV m sin2 tVV m sin1 V1 V1 V1定 子轉 子 V2 V2 V21=900 = 1 =00 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 13 二 、 應 用 旋 轉 變 壓 器 典 型 工 作 方 式 ， 鑒 相 式 和 鑒 幅 式 。鑒 相 式 是 根 據 感 應 輸 出 電 壓 的 相 位 來 檢 測 位 移 量 ；鑒 幅 式 是 根 據 感 應 輸 出

8、電 壓 的 幅 值 來 檢 測 位 移 量 。 定 子 轉 子VC VS V 2 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 14 二 、 應 用 1 . 鑒 相 工 作 方 式 給 定 子 兩 繞 組 分 別 通 以 幅 值 相 同 、 頻 率 相 同 、 相 位 差900的 交 流 勵 磁 電 壓 ， 即 tVV tVV mc ms cossin 定 子 轉 子VC VS V2 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 15 這 兩 個 勵 磁 電 壓 在 轉 子 繞 組 中 都 產 生 了 感 應 電 壓 ， 如上

9、 圖 所 示 ， 根 據 線 性 疊 加 原 理 ， 轉 子 中 的 感 應 電 壓 應 為 這兩 個 電 壓 的 代 數 和 ： )90cos(cos2 cs KVKVV )sin( sincoscossin tKV tKVtKV m mm 定 子 轉 子VC VS V2 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 16 2. 鑒幅工作方式 給 定 子 的 兩 個 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tVV tVV mc ms sincos sins

10、in則 轉 子 上 的 疊 加 電 壓 為 )90cos(cos2 cs KVKVV tKV tKV mm sin)sin( )sincoscos(sinsin 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 17 1）結構與工作原理 感 應 同 步 器 和 旋 轉 變 壓 器 均 為 電 磁 式 檢 測 裝 置 ， 屬 模擬 式 測 量 ， 二 者 工 作 原 理 相 同 ， 其 輸 出 電 壓 隨 被 測 直 線 位移 或 角 位 移 而 改 變 。 感 應 同 步 器 按 其 結 構 特 點 一 般 分 為 直 線 式 和 旋 轉 式 兩種 ：直 線 式

11、感 應 同 步 器 由 定 尺 和 滑 尺 組 成 ， 用 于 直 線 位 移 測 量 。旋 轉 式 感 應 同 步 器 由 轉 子 和 定 子 組 成 ， 用 于 角 位 移 測 量 。 以 直 線 式 感 應 同 步 器 為 例 ， 介 紹 其 結 構 和 工 作 原 理 。 2. 感 應 同 步 器 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 18 結 構 ： 定 尺滑 尺余 弦 繞 組正 弦 繞 組 V2Vs Vc2/4 2 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 19 定 尺滑 A 尺 B t241位 C t

12、221置 D t243 E t2 EAV2 M N 正 弦 繞 組余 弦 繞 組 B DCO P 工 作 原 理 ： 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 20 應 用 ：工 作 方 式 ： 鑒 相 式 和 鑒 幅 式 。特 點 ：1） 精 度 高 ；2） 測 量 長 度 不 受 限 制 ；3） 對 環(huán) 境 的 適 應 性 強 ；4） 維 護 簡 單 ， 壽 命 長 。 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 21 根 據 光 線 在 光 柵 中 是 透 射 還 是 反 射 分 為 透 射 光 柵和 反 射 光

13、柵 ， 透 射 光 柵 分 辨 率 較 反 射 光 柵 高 ， 其 檢 測精 度 可 達 1m以 上 。 從 形 狀 上 看 ， 又 可 分 為 圓 光 柵 和直 線 光 柵 。 圓 光 柵 用 于 測 量 轉 角 位 移 ， 直 線 光 柵 用 于檢 測 直 線 位 移 。 兩 者 工 作 原 理 基 本 相 似 ， 本 節(jié) 著 重 介紹 一 種 應 用 比 較 廣 泛 的 透 射 式 直 線 光 柵 。光柵尺的結構直 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 尺 光 柵 或 長 光 柵 ， 一 般 固 定 在 機 床 移 動 部

14、件上 ， 要 求 與 行 程 等 長 。 短 的 為 指 示 光 柵 或 短 光 柵 ， 裝在 機 床 固 定 部 件 上 。 兩 光 柵 尺 是 刻 有 均 勻 密 集 線 紋 的透 明 玻 璃 片 ， 線 紋 密 度 為 25、 50、 100、 250條 /mm等 。線 紋 之 間 距 離 相 等 ， 該 間 距 稱 為 柵 距 ， 測 量 時 它 們 相互 平 行 放 置 ， 并 保 持 0.050.1mm的 間 隙 。 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 22 22 原 理 ： 如 果 將 指 示 光 柵 在 其 自 身 的 平 面 內 轉

15、 過 一 個 很 小的 角 度 ， 這 樣 兩 塊 光 柵 的 刻 線 相 交 ， 當 平 行 光 線 垂 直照 射 標 尺 光 柵 時 ， 則 在 相 交 區(qū) 域 出 現 明 暗 交 替 、 間 隔相 等 的 粗 大 條 紋 ， 稱 為 摩 爾 條 紋 。 當 兩 光 柵 尺 沿 與 刻線 垂 直 的 方 向 相 對 移 動 時 ， 莫 爾 條 紋 沿 刻 線 方 向 移 動 ，當 光 柵 尺 移 動 一 個 柵 距 ， 莫 爾 條 紋 正 好 移 動 一 個 節(jié) 距 。這 樣 只 要 通 過 光 電 元 件 檢 測 出 莫 爾 條 紋 移 動 的 數 目 和方 向 ， 就 可 以 知 道

16、光 柵 移 過 了 多 少 個 柵 距 和 移 動 的 方向 。 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 23 23 工 作 原 理 ： 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 24 特 點 ： 1. 放大作用 用 W（ mm） 表 示 莫 爾 條紋 的 寬 度 ， P(mm)表 示 柵 距 ， (rad)為 光 柵 線 紋 之 間 的夾 角 ， 如 圖 所 示 則 有 莫 爾 條 紋 寬 度 W與 角 成 反 比 ，越 小 ， 放 大 倍 數 越 大 。 PPW sin WPW P 2021-4-23 第 四 章

17、 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 25 2. 均化誤差作用 莫 爾 條 紋 是 由 光 柵 的 大 量 刻 線 共 同 組 成 ， 例 如 ，200條 /mm的 光 柵 ， 10mm寬 的 光 柵 就 由 2000條 線 紋組 成 ， 這 樣 柵 距 之 間 的 固 有 相 鄰 誤 差 就 被 平 均 化 了 ，消 除 了 柵 距 之 間 不 均 勻 造 成 的 誤 差 。3. 莫爾條紋的移動與柵距的移動成比例 當 光 柵 尺 移 動 一 個 柵 距 P時 ， 莫 爾 條 紋 也 剛 好移 動 了 一 個 條 紋 寬 度 W。 只 要 通 過 光 電 元 件 測 出 莫爾 條

18、紋 的 數 目 ， 就 可 知 道 光 柵 移 動 了 多 少 個 柵 距 ，工 作 臺 移 動 的 距 離 可 以 計 算 出 來 。 若 光 柵 移 動 方 向相 反 ， 則 莫 爾 條 紋 移 動 方 向 也 相 反 。 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 26 P1 P 2 P3 P 4 指 示 光 柵 標 尺 光 柵 硅 光 電 池 聚 光 鏡 光 源 光 柵 測 量 系 統(tǒng) ： 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 27 27 編 碼 器 是 一 種 旋 轉 式 測 量 元 件 ， 通 常 裝 在

19、 被 檢 測軸 上 （ 或 同 步 帶 聯(lián) 接 ） ； 隨 被 測 軸 一 起 轉 動 ， 可 將 被 測軸 的 角 位 移 轉 換 為 增 量 脈 沖 形 式 或 絕 對 式 的 代 碼 形 式 。根 據 內 部 結 構 和 檢 測 方 式 ， 編 碼 器 可 分 為 接 觸 式 、 光 電式 和 電 磁 式 3種 。 其 中 ， 光 電 編 碼 器 在 數 控 機 床 上 應 用較 多 ， 由 霍 爾 效 應 構 成 的 電 磁 編 碼 器 則 可 用 作 速 度 檢 測元 件 。 4. 編碼器 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 28 28 光

20、 電 式 編 碼 器 光 電 式 編 碼 器 是 一 種 光 電 式 轉 角 檢 測 裝 置 。 編 碼 器用 透 明 及 不 透 明 區(qū) 域 按 一 定 編 碼 構 成 ， 根 據 其 編 碼 方 式不 同 ， 可 分 為 增 量 式 光 電 編 碼 器 和 絕 對 式 光 電 編 碼 器 。 增 量 式 光 電 編 碼 器 可 通 過 光 電 轉 換 將 被 測 軸 的 角 位移 增 量 轉 換 成 相 應 的 脈 沖 數 字 量 ， 然 后 由 微 機 數 控 系 統(tǒng)或 計 數 器 計 數 得 到 角 位 移 量 和 直 線 位 移 量 。 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床

21、 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 29 291-旋 轉 軸 2-軸 承 3-透 光 窄 縫 4-光 柵 編 碼 器5-光 源 6-聚 光 鏡 7-光 瀾 板 8-光 敏 元 件 增 量 式 光 電 編 碼 器 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 30 30 光 電 編 碼 器 需 解 決 的 兩 個 問 題 ： 1、 正 反 向 辨 別 2、 掉 電 位 置 記 憶 為 了 測 量 出 轉 向 ， 光 瀾板 的 兩 個 窄 縫 距 離 比 編 碼器 兩 個 窄 縫 之 間 的 距 離 小1/4節(jié) 距 ， 使 兩 個 光 敏 元 件的 輸 出 信 號

22、相 差 /2相 位 。 如 果 將 其 輸 出 的 脈 沖 信號 經 頻 率 電 壓 變 換 后 ，得 到 與 轉 軸 轉 速 成 正 比 的電 壓 信 號 ， 它 就 是 速 度 反饋 信 號 。 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 31 31 在 數 控 車 床 主 軸 末 端 通 常 就 使 用 增 量 式 光 柵 編碼 器 ， 來 檢 測 主 軸 的 位 置 ， 以 保 證 切 削 螺 紋 時 不 會亂 扣 。 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 32 32 它 與 接 觸 式 編 碼 器 結 構

23、相 似 ， 它 與 增 量 式 編 碼 器相 比 特 點 是 ： 由 于 某 種 原 因 停 機 后 再 開 機 ， 還 能 找 到正 確 位 置 ， 但 因 其 結 構 的 限 制 ， 分 辨 率 不 能 做 得 很 高 。 絕 對 式 光 柵 編 碼 器 與 增 量 式 編 碼 器 的 共 同 特 點 是 ：沒 有 接 觸 磨 損 ， 編 碼 器 壽 命 長 ， 允 許 轉 速 高 ， 精 度 較高 。絕 對 式編碼器 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 33 33 絕 對 式編碼器 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與

24、 驅 動 系 統(tǒng) 34 34 絕 對 式編碼器 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 35 35 分 類 ： 線 速 度 型 角 速 度 型常 用 的 速 度 傳 感 器 ： 測 速 發(fā) 電 機 脈 沖 編 碼 器二 、 速 度 傳 感 器 同 步異 步交 流直 流 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 36 36 特 點 ：輸 出 電 壓 與 轉 速 嚴 格 成 線 性 關 系 ；輸 出 電 勢 與 轉 速 比 的 斜 率 大 。結 構 與 工 作 原 理 ：1. 交 流 測 速 發(fā) 電 機 nKfNE 24

25、4.4 d 122 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 37 37 結 構 與 工 作 原 理 ：2. 直 流 測 速 發(fā) 電 機10/1 RR nCV ae 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 38 38 位 置 檢 測 元 件 與 位 移 檢 測 元 件 不 同 ， 它 所 測 量 的 不是 一 段 距 離 的 變 化 量 ， 而 是 通 過 檢 測 ， 確 定 是 否 已 到 達某 一 位 置 。 因 此 ， 它 不 需 要 產 生 連 續(xù) 變 化 的 模 擬 量 ， 只需 要 產 生 能 反 映 某

26、 種 狀 態(tài) 的 開 關 量 即 可 。 這 種 檢 測 元 件常 用 于 數 控 機 床 更 換 刀 具 、 工 件 或 工 作 臺 到 位 或 行 程 限制 等 輔 助 機 能 的 信 號 檢 測 。 三、 位置檢測元件 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 39 39 位 置 檢 測 元 件 分 為 接 觸 式 和 接 近 式 兩 種 。 接 觸 式位 置 檢 測 元 件 必 須 與 被 測 物 接 觸 才 能 產 生 信 號 ， 如 微動 開 關 、 行 程 開 關 等 ， 而 接 近 式 無 需 直 接 接 觸 ， 檢 測元 件 與 被 測

27、物 之 間 通 過 光 電 、 電 磁 或 超 聲 波 等 獲 得 信號 ， 如 電 磁 式 接 近 開 關 。接 觸 式 可 靠 性 高 、 壽 命 有 限 ， 用 于 限 位接 近 式 無 磨 損 、 壽 命 長 。三、 位置檢測元件 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 40 40 數 控 機 床 常 用 的 幾 種 位 置 檢 測 元 件 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 41 41 4.2 伺 服 驅 動 裝 置伺 服驅 動電 路 伺 服 驅動 裝 置(電 機 ) 機 械傳 動機 構 執(zhí) 行部 件

28、CNC 伺 服 驅 動 系 統(tǒng) 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 42 42 4.2 伺 服 驅 動 裝 置 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 43 43 4.2 伺 服 驅 動 裝 置 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 44 44 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 45 45 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 46 46 2021-4-23 第 四 章 數 控 機

29、床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 47 47 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 48 48 （ 四 ） 數 控 機 床 對 伺 服 電 動 機 的 要 求 為 了 滿 足 數 控 機 床 對 伺 服 系 統(tǒng) 的 要 求 ，對 電 氣 伺 服 驅 動 系 統(tǒng) 的 執(zhí) 行 元 件伺 服 電 動機 也 必 須 有 較 高 的 要 求 ； 電 動 機 從 最 低 進 給 速 度 到 最 高 進 給 速 度范 圍 內 都 能 平 滑 地 運 轉 ； 轉 速 波 動 要 小 ， 尤其 在 最 低 速 度 轉 速 時 ， 如 0.1r min或 更 低 轉速

30、時 ， 仍 有 平 穩(wěn) 的 速 度 而 無 爬 行 現 象 。 電 動 機 應 具 有 大 的 、 較 長 時 間 的 過 載 能力 ， 以 滿 足 低 速 大 轉 矩 的 要 求 。 例 如 ， 電 動機 能 在 數 分 鐘 內 過 載 4 6倍 而 不 損 壞 。 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 49 49 （ 四 ） 數 控 機 床 對 伺 服 電 動 機 的 要 求 為 了 滿 足 快 速 響 應 的 要 求 ， 即 隨 著 控 制信 號 的 變 化 ， 電 動 機 應 能 在 較 短 時 間 內 完 成必 須 的 動 作 。 快 的 反

31、 應 速 度 直 接 影 響 到 系 統(tǒng)的 品 質 。 因 此 ， 要 求 電 動 機 必 須 具 有 較 小 的轉 動 慣 量 和 大 的 堵 轉 轉 矩 ， 盡 可 能 小 的 電 動機 時 間 常 數 和 起 動 電 壓 。 電 動 機 應 能 承 受 頻 繁 的 起 動 、 制 動 和 反 轉 。 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 50 主 軸 電 機帶 制 動 器 伺 服 電 機伺 服 電 機刀 庫 刀 具 定 位 電 機機 械 手 旋 轉 定 位 電 機 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 5

32、1 51 （ 五 ） 常 用 伺 服 電 動 機 常 用 的 伺 服 執(zhí) 行 元 件 主 要 有 :直流伺服電動機交流伺服電動機步進電動機直接驅動電動機 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 52 52 1、 步 進 電 動 機 步 進 電 機 是 一 種 將 電 脈 沖 信 號 轉 換 成 機 械 角 位 移 的電 磁 裝 置 。 由 于 所 用 電 源 是 脈 沖 電 源 ， 所 以 也 稱 為 脈 沖馬 達 。 步 進 電 機 是 一 種 特 殊 的 電 機 ， 一 般 電 機 通 電 后 連 續(xù)旋 轉 ， 而 步 進 電 機 則 跟 隨 輸 入

33、 脈 沖 按 節(jié) 拍 一 步 一 步 地 轉動 。 對 步 進 電 機 施 加 一 個 電 脈 沖 信 號 時 ， 步 進 電 機 就 旋轉 一 個 固 定 的 角 度 ， 稱 為 一 步 。 每 一 步 所 轉 過 的 角 度 叫做 步 距 角 。 步 進 電 機 的 角 位 移 量 和 輸 入 脈 沖 的 個 數 嚴 格地 成 正 比 例 ， 在 時 間 上 與 輸 入 脈 沖 同 步 。 因 此 ， 只 需 控制 輸 入 脈 沖 的 數 量 、 頻 率 、 及 電 機 繞 組 通 電 相 序 ， 便 可獲 得 所 需 的 轉 角 、 轉 速 及 轉 動 方 向 。 2021-4-23 第

34、 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 53 53 2、 步 進 電 動 機 的 結 構 與 工 作 原 理 通 過 被 勵 磁 的 定 子 的 電 磁 力 吸 引 轉 子 偏 轉輸 出 轉 矩 。 即 電 磁 作 用 原 理 。例 如 ： 三 相 反 應 式 步 進 電 動 機 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 54 54 實 際 的 三 相 反 應 式 步 進 電 動 機 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 55 55 ABCCP A B C A B C A B C 三 相 單 三

35、拍優(yōu) 點 ： 控 制 簡 單缺 點 ： 在 換 相 時 ， 失 去 自 鎖 轉 矩 ， 容 易 失 步 ； 轉 子易 在 平 衡 位 置 振 動 。 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 56 56 ABCCP AB BC CA AB BC CA AB BC CA 三 相 雙 三 拍 （ 環(huán) 分 ） 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 57 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 58 58 3. 步 進 電 機 的 主 要 特 性1） 步 距 角 和 靜 態(tài) 步 距

36、誤 差 )(360 mZQm定 子 相 數 ； Z轉 子 齒 數 ； Q拍 數 與 相 數 之 比 在 一 周 內 各 步 誤 差 的 最 大 值 ， 被 定 為 步 距 誤 差 。 它 的 大小 是 由 制 造 精 度 、 齒 槽 的 分 布 和 氣 隙 等 因 素 決 定 的 。 靜 態(tài)步 距 誤 差 一 般 在 10以 內 。 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 59 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 60 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 61 202

37、1-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 62 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 63 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 64 64？ 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 65 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 66 66 4. 步 進 電 機 開 環(huán) 進 給 的 傳 動 計 算 及 電 機 選 用1） 傳 動 計 算 titi 360360 即脈 沖 當 量 ： 數 控 系 統(tǒng) 發(fā)

38、 出 一 個 指 令 脈 沖 ， 工 作 臺 所 移 動 的距 離 。 它 決 定 了 數 控 機 床 的 加 工 精 度 和 最 高 工 作 頻 率 。 zzzz k21fv 60 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 67 67 2） 步 進 電 機 的 選 用 首 先 ， 根 據 負 載 轉 矩 確 定 步 進 電 動 機 的 最 大 靜 態(tài)轉 矩 , 其 次 ， 根 據 脈 沖 當 量 計 算 步 距 角 ； 第 三 ， 確 定 啟 停 最 高 頻 率 ； 最 后 ， 確 定 最 高 工 作 頻 率 。 2021-4-23 第 四 章 數 控

39、機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 68 68 5. 步 進 電 機 的 驅 動 步 進 電 機 不 能 直 接 接到 交 流 電 源 上 工 作 ， 而 必須 使 用 專 用 設 備 步 進電 機 驅 動 器 。 步 進 電 機 的運 行 性 能 是 電 動 機 和 驅 動器 兩 者 的 綜 合 效 果 。 在 數控 機 床 中 使 用 的 驅 動 器 有一 軸 一 板 型 ， 也 有 一 相 一板 型 ， 前 者 維 護 方 便 ， 但穩(wěn) 定 性 差 ； 后 者 集 成 度 高 ，可 靠 性 高 ， 因 此 ， 得 到 了廣 泛 的 應 用 。 接 口 電 路CPU環(huán) 形 分 配 器功

40、 率 放 大 器光 電 隔 離 驅 動 器步 進 電 動 機 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 69 69 5. 步 進 電 機 的 驅 動 步 進 電 動 機 驅 動 器 由 環(huán) 形分 配 器 、 功 率 放 大 器 及 其 他控 制 電 路 組 成 ， 數 控 裝 置 發(fā)出 脈 沖 信 號 通 過 環(huán) 形 分 配 器形 成 按 一 定 順 序 的 脈 沖 ， 例如 A-B-C-A-這 些 脈 沖 經 功率 放 大 后 加 到 步 進 電 動 機 的各 相 繞 組 上 。 接 口 電 路CPU環(huán) 形 分 配 器功 率 放 大 器光 電 隔 離 驅

41、 動 器步 進電 動 機 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 70 70ABCCP A B C A B C A B C 三 相 單 三 拍 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 71 71 硬 件 環(huán) 形 分 配 器 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 72 72 軟 件 環(huán) 形 分 配 器 特 點 ： 硬 件 簡 單 ； 占 用 CPU時 間 多 ， 只 用 于 速 度 要 求不 高 ， 系 統(tǒng) 比 較 簡 單 的 系 統(tǒng) 。 2021-4-23 第 四 章 數

42、控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 73 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 74 74 2） 步 進 電 動 機 的 驅 動1、 單 電 壓 驅 動電 路 簡 單 、 工 作 頻 率 不 高 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 75 75 2、 雙 電 壓 驅 動 啟 動 轉 矩 大 、 工 作 頻 率 高 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 76 76 3、 恒 流 斬 波 啟 動 轉 矩 大 、 工 作 頻 率 高 ， 電 源 效 率 高 。 202

43、1-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 77 77 脈 沖 控 制 模 式 選 擇控 制 信 號 輸 入接 電 動 機 各 相接 電 源接 屏 蔽 地整 、 半 步 選 擇 選 擇方 向 選 擇自 動 試 機 運 行 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 78 78 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 79 79 6. 步 進 電 動 機 可 分 為 三 類 ： 反 應 式 步 進 電 動 機 永 磁 式 步 進 電 動 機 永 磁 感 應 子 式 步 進 電 動 機 202

44、1-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 80 80 反 應 式 步 進 電 動 機 又 叫 做 可 變 磁 阻 式 步 進 電 動 機 。特 點 ： 步 距 角 小 ， 因 為 反 應 式 步 進 電 動 機 定 轉 子 是 采 用 軟 磁材 料 做 成 的 ， 允 許 的 最 小 步 距 情 況 下 ， 轉 子 的 齒 數 可 以 做得 很 多 ; 勵 磁 電 流 較 大 ， 要 求 驅 動 電 源 功 率 較 大 ; 電 動 機 的 內 部 阻 尼 較 小 ， 當 相 數 較 少 時 ， 單 相 運 行 振 蕩時 間 較 長 ; 斷 電 后 無 定 位 轉

45、 矩 。 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 81 81 永 磁 式 步 進 電 動 機永 磁 式 步 進 電 動 機 是 轉 子 或 定 子 的 某 一 方 具 有 永 久 磁 鋼的 步 進 電 動 機 ， 另 一 方 是 由 軟 磁 材 料 制 成 。 繞 組 輪 流 通電 ， 建 立 的 磁 場 與 永 久 磁 鋼 的 恒 定 磁 場 相 互 作 用 產 生 轉矩 。特 點 ： 步 距 角 大 ， 這 是 因 為 在 一 個 圓 周 上 能 形 成 的 磁極 數 受 到 極 弧 尺 寸 的 限 制 ; 控 制 功 率 小 ， 效 率 高 ; 內

46、 阻尼 較 大 單 步 振 蕩 時 間 短 ; 斷 電 后 具 有 一 定 的 定 位 轉 矩 。例 如 濟 南 機 床 一 廠 生 產 的 J1BNC320B數 控 機 床 上 使 用 的110YG 001就 是 永 磁 式 步 進 電 動 機 。 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 82 82 永 磁 感 應 式 步 進 電 動 機它 是 反 應 式 和 永 磁 式 步 進 電 動 機 的 結 合 。 所 以 常 稱 此 類 電動 機 為 混 合 式 步 進 電 動 機 。 它 可 以 做 成 像 反 應 式 步 進 電 動機 一 樣 的 小 步

47、 距 ， 也 具 有 永 磁 式 步 進 電 動 機 控 制 功 率 小 的優(yōu) 點 。 它 常 常 也 作 為 低 速 同 步 電 動 機 運 行 。 永 磁 感 應 子 式步 進 電 動 機 代 表 了 步 進 電 動 機 的 最 新 發(fā) 展 。 國 外 主 流 品 種 ，國 內 也 已 大 面 積 取 代 反 應 式 步 進 電 機 成 為 市 場 熱 點 。 例 如濟 南 機 床 一 廠 生 產 的 CK6132、 CK6125數 控 機 床 上 使 用 的BYG 404就 是 混 合 式 步 進 電 動 機 。 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系

48、 統(tǒng) 83 83 直 流 伺 服 電 動 機 采 用 直 流 伺 服 驅 動 器 將 交 流 電 轉 變 為 可 控 制 的 直 流電 驅 動 直 流 伺 服 電 動 機 。 速 度 控 制 單 元 接 受 轉 速 指 令 信號 ， 改 變 相 應 的 直 流 伺 服 電 動 機 電 樞 電 壓 ， 達 到 調 速 的目 的 。 直 流 伺 服 驅 動 器 較 多 的 采 用 晶 閘 管 調 速 系 統(tǒng) 和 晶體 管 脈 寬 調 制 調 速 系 統(tǒng) 。調 壓 調 速 調 電 阻 調 速 調 勵 磁 調 速 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 84 8

49、4 調 壓 調 速 的 實 現 方 法 發(fā) 電 機 調 壓 （ G -M） 可 控 硅 調 壓 （ SCR） 脈 寬 調 制 調 壓 （ PWM） 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 85 85 位 置 伺 服 工 作 原 理 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 86 86 (1) 永 磁 式 直 流 伺 服 電 動 機 永 磁 式 直 流 伺 服 電 動 機 系 指 以 永 磁 材 料 獲 得 勵 磁磁 場 的 一 類 直 流 電 動 機 。 永 磁 式 直 流 電 動 機 具 有 體 積小 、 轉 矩

50、大 、 轉 矩 和 電 流 成 正 比 、 伺 服 性 能 好 、 反 應迅 速 、 功 率 體 積 比 大 、 功 率 質 量 比 大 、 穩(wěn) 定 性 好 等 優(yōu)點 。 永 磁 式 直 流 電 動 機 能 在 較 大 過 載 轉 距 下 長 時 間 工作 。 它 的 轉 子 慣 量 較 大 ， 可 以 直 接 與 絲 杠 相 連 而 不 需中 間 傳 動 裝 置 。 永 磁 式 直 流 電 動 機 的 缺 點 是 需 要 電 刷 ，限 制 了 電 動 機 轉 速 的 提 高 ， 永 磁 直 流 電 動 機 的 結 構 同一 般 直 流 電 動 機 相 似 ， 但 電 摳 鐵 心 長 度 對

51、直 徑 的 比 大些 氣 隙 較 小 ， 在 相 同 功 率 的 情 況 下 ， 轉 子 慣 量 較 小 。 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 87 87 (2)小 慣 量 直 流 電 動 機 小 慣 量 直 流 伺 服 電 動 機 具 有 較 小 的 轉 動慣 量 ， 很 適 合 于 要 求 有 快 速 響 應 的 伺 服 系 統(tǒng) ，但 其 過 載 能 力 低 ， 電 樞 慣 量 與 機 械 傳 動 系 統(tǒng)匹 配 較 差 。 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 88 2021-4-23 第 四 章 數

52、控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 89 89 (三 ) 交 流 伺 服 電 動 機 交 流 伺 服 電 動 機 沒 有 直 流 伺 服 電 動 機 上 述 的 缺 點 ，而 且 轉 子 慣 量 比 直 流 伺 服 電 動 機 小 ， 使 其 動 態(tài) 響 應 好 。 在同 樣 體 積 下 ， 交 流 伺 服 電 動 機 的 輸 出 功 率 可 比 直 流 伺 服 電動 機 提 高 10 20 。 交 流 伺 服 電 動 機 的 容 量 可 以 做 得 比直 流 伺 服 電 動 機 大 達 到 更 高 的 電 壓 轉 速 。 從 80年 代 后 期開 始 ， 交 流 伺 服 電 動 機

53、逐 漸 替 代 直 流 伺 服 電 動 機 占 據 主 要位 置 。 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 90 90 (三 ) 交 流 伺 服 電 動 機 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 91 91 采 用 改 變 交 流 伺 服 電 動 機 的 供 電 頻 率 的 方 法 來 達到 電 動 機 調 速 的 目 的 。 對 于 永 磁 同 步 交 流 伺 服 電 動 機 ，由 于 其 轉 速 和 電 源 頻 率 保 持 同 步 關 系 ， 所 以 只 要 控 制電 源 的 頻 率 即 可 控 制 電 動

54、 機 速 度 。 而 感 應 式 異 步 交 流 伺 服 電 動 機 是 基 于 定 子 繞 組 的旋 轉 磁 場 在 鼠 籠 式 轉 子 短 路 繞 組 中 感 應 出 電 流 ， 再 由此 電 流 產 生 的 磁 場 與 定 子 繞 組 的 旋 轉 磁 場 產 生 旋 轉 磁力 而 工 作 的 。 因 此 ， 速 度 和 扭 矩 不 能 像 直 流 電 動 機 那樣 可 獨 立 控 制 ， 所 以 控 制 較 為 復 雜 ， 現 在 主 要 采 用 矢量 控 制 原 理 。 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 92 2021-4-23 第 四 章

55、 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 93 93 伺 服 電 動 機 與 驅 動 器 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 94 94 適 合 于 各 種 加 工 中 心 的 電 主 軸 2021-4-23 第 四 章 數 控 機 床 的 檢 測 與 驅 動 系 統(tǒng) 95 95 3、 何 謂 步 進 電 動 機 的 失 步 與 越 步 ？ 機 電 結 合 分 析引 起 失 步 與 越 步 的 原 因 ， 指 出 使 用 和 選 用 步 進 電 動 機 時 如 何 避 免 這 種 現 象 的 發(fā) 生 ？Tm-TL =Td= J 單 軸 系 統(tǒng)Tm-TL=Td=J 多 軸 系 統(tǒng)Tm=TL+J TL= TL /i ; J =J/i2 ; =d/dtTm TL J