数控机床的驱动与控制系统

2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 2 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 3 4.1 数 控 机 床 的 位 置 检 测 装 置 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 4 4.1 数 控 机 床 的 位 置 检 测 装 置 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 5 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 6 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 7 （ 二 ） 数 字 式 测 量 和 模 拟 式 测 量1. 数字式测量 它 是 将 被 测 的 量 以 数 字 形 式 来 表 示 ， 测 量 信 号 一 般为 脉 冲 ， 可 以 直 接 把 它 送 到 数 控 装 置 进 行 比 较 、 处 理 。信 号 抗 干 扰 能 力 强 、 处 理 简 单 。2. 模拟量测量 它 是 将 被 测 的 量 用 连 续 变 量 来 表 示 ， 如 电 压 变 化 、相 位 变 化 等 。 它 对 信 号 处 理 的 方 法 相 对 来 说 比 较 复 杂 。 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 8 （ 三 ） 增 量 式 测 量 和 绝 对 式 测 量1. 增量式测量 在 轮 廓 控 制 数 控 机 床 上 多 采 用 这 种 测 量 方 式 ， 增量 式 测 量 只 测 相 对 位 移 量 ， 其 优 点 是 测 量 装 置 较 简 单 ，对 任 何 一 个 中 间 点 都 可 以 作 为 测 量 的 起 点 ， 而 位 移 是由 测 量 信 号 计 数 累 加 所 得 ， 但 一 旦 计 数 有 误 ， 以 后 测量 所 得 结 果 完 全 错 误 。2.绝 对 式 测 量 绝 对 式 测 量 装 置 对 于 被 测 量 的 任 意 一 点 位 置 均 由固 定 的 零 点 标 起 ， 每 一 个 被 测 点 都 有 一 个 相 应 的 测 量值 。 测 量 装 置 的 结 构 较 增 量 式 复 杂 ， 如 编 码 盘 中 ， 对应 于 码 盘 的 每 一 个 角 度 位 置 便 有 一 组 二 进 制 位 数 。 显然 ， 分 辨 精 度 要 求 愈 高 ， 量 程 愈 大 ， 则 所 要 求 的 二 进制 位 数 也 愈 多 ， 结 构 就 愈 复 杂 。 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 9 一 、 位 移 传 感 器 常 见 的 位 移 传 感 器 ： 旋 转 变 压 器 ， 感 应同 步 器 ， 光 栅 测 量 装 置 ， 脉 冲 编 码 器 等 。 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 10 一、结构与工作原理 旋 转 变 压 器 是 一 种 角 位 移 测 量 装 置 ， 由 定 子 和 转子 组 成 。 2 3 4 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 11 旋 转 变 压 器 的 工 作 原 理 与 普 通 变 压 器 基 本 相 似 ， 其中 定 子 绕 组 作 为 变 压 器 的 一 次 侧 ， 接 受 励 磁 电 压 。 转 子绕 组 作 为 变 压 器 的 二 次 侧 ， 通 过 电 磁 耦 合 得 到 感 应 电 压 ，只 是 其 输 出 电 压 大 小 与 转 子 位 置 有 关 。 旋 转 变 压 器 通 过 测 量 电 动 机 或 被 测 轴 的 转 角 来 间 接测 量 工 作 台 的 位 移 。 旋 转 变 压 器 分 为 单 极 和 多 极 形 式 ， 先 分 析 一 下 单 极工 作 情 况 。 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 12 定 子 和 转 子 各 有 一 对 磁 极 ， 设 加 到 定 子 绕 组 励 磁 电 压为 ， 当 转 子 绕 组 的 磁 轴 自 垂 直 位 置 转 过 一 定角 度 时 ， 转 子 绕 组 中 产 生 的 感 应 电 压 为当 转 子 转 过 900， 两 磁 轴 平 行 ， 此 时 转 子 绕 组 中 感 应 电 压 最大 ， 即 。 cossin2 tKVV mtKVV m sin2 tVV m sin1 V1 V1 V1定 子转 子 V2 V2 V21=900 = 1 =00 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 13 二 、 应 用 旋 转 变 压 器 典 型 工 作 方 式 ， 鉴 相 式 和 鉴 幅 式 。鉴 相 式 是 根 据 感 应 输 出 电 压 的 相 位 来 检 测 位 移 量 ；鉴 幅 式 是 根 据 感 应 输 出 电 压 的 幅 值 来 检 测 位 移 量 。 定 子 转 子VC VS V 2 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 14 二 、 应 用 1 . 鉴 相 工 作 方 式 给 定 子 两 绕 组 分 别 通 以 幅 值 相 同 、 频 率 相 同 、 相 位 差900的 交 流 励 磁 电 压 ， 即 tVV tVV mc ms cossin 定 子 转 子VC VS V2 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 15 这 两 个 励 磁 电 压 在 转 子 绕 组 中 都 产 生 了 感 应 电 压 ， 如上 图 所 示 ， 根 据 线 性 叠 加 原 理 ， 转 子 中 的 感 应 电 压 应 为 这两 个 电 压 的 代 数 和 ： )90cos(cos2 cs KVKVV )sin( sincoscossin tKV tKVtKV m mm 定 子 转 子VC VS V2 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 16 2. 鉴幅工作方式 给 定 子 的 两 个 绕 组 分 别 通 以 频 率 相 同 、 相 位 相同 、 幅 值 分 别 按 正 弦 和 余 弦 变 化 的 交 流 激 磁 电 压 ， 即tVV tVV mc ms sincos sinsin则 转 子 上 的 叠 加 电 压 为 )90cos(cos2 cs KVKVV tKV tKV mm sin)sin( )sincoscos(sinsin 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 17 1）结构与工作原理 感 应 同 步 器 和 旋 转 变 压 器 均 为 电 磁 式 检 测 装 置 ， 属 模拟 式 测 量 ， 二 者 工 作 原 理 相 同 ， 其 输 出 电 压 随 被 测 直 线 位移 或 角 位 移 而 改 变 。 感 应 同 步 器 按 其 结 构 特 点 一 般 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 ， 用 于 直 线 位 移 测 量 。旋 转 式 感 应 同 步 器 由 转 子 和 定 子 组 成 ， 用 于 角 位 移 测 量 。 以 直 线 式 感 应 同 步 器 为 例 ， 介 绍 其 结 构 和 工 作 原 理 。 2. 感 应 同 步 器 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 18 结 构 ： 定 尺滑 尺余 弦 绕 组正 弦 绕 组 V2Vs Vc2/4 2 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 19 定 尺滑 A 尺 B t241位 C t221置 D t243 E t2 EAV2 M N 正 弦 绕 组余 弦 绕 组 B DCO P 工 作 原 理 ： 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 20 应 用 ：工 作 方 式 ： 鉴 相 式 和 鉴 幅 式 。特 点 ：1） 精 度 高 ；2） 测 量 长 度 不 受 限 制 ；3） 对 环 境 的 适 应 性 强 ；4） 维 护 简 单 ， 寿 命 长 。 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 21 根 据 光 线 在 光 栅 中 是 透 射 还 是 反 射 分 为 透 射 光 栅和 反 射 光 栅 ， 透 射 光 栅 分 辨 率 较 反 射 光 栅 高 ， 其 检 测精 度 可 达 1m以 上 。 从 形 状 上 看 ， 又 可 分 为 圆 光 栅 和直 线 光 栅 。 圆 光 栅 用 于 测 量 转 角 位 移 ， 直 线 光 栅 用 于检 测 直 线 位 移 。 两 者 工 作 原 理 基 本 相 似 ， 本 节 着 重 介绍 一 种 应 用 比 较 广 泛 的 透 射 式 直 线 光 栅 。光栅尺的结构直 线 光 栅 通 常 包 括 一 长 和 一 短 两 块 配 套 使 用 ， 其 中 长的 称 为 标 尺 光 栅 或 长 光 栅 ， 一 般 固 定 在 机 床 移 动 部 件上 ， 要 求 与 行 程 等 长 。 短 的 为 指 示 光 栅 或 短 光 栅 ， 装在 机 床 固 定 部 件 上 。 两 光 栅 尺 是 刻 有 均 匀 密 集 线 纹 的透 明 玻 璃 片 ， 线 纹 密 度 为 25、 50、 100、 250条 /mm等 。线 纹 之 间 距 离 相 等 ， 该 间 距 称 为 栅 距 ， 测 量 时 它 们 相互 平 行 放 置 ， 并 保 持 0.050.1mm的 间 隙 。 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 22 22 原 理 ： 如 果 将 指 示 光 栅 在 其 自 身 的 平 面 内 转 过 一 个 很 小的 角 度 ， 这 样 两 块 光 栅 的 刻 线 相 交 ， 当 平 行 光 线 垂 直照 射 标 尺 光 栅 时 ， 则 在 相 交 区 域 出 现 明 暗 交 替 、 间 隔相 等 的 粗 大 条 纹 ， 称 为 摩 尔 条 纹 。 当 两 光 栅 尺 沿 与 刻线 垂 直 的 方 向 相 对 移 动 时 ， 莫 尔 条 纹 沿 刻 线 方 向 移 动 ，当 光 栅 尺 移 动 一 个 栅 距 ， 莫 尔 条 纹 正 好 移 动 一 个 节 距 。这 样 只 要 通 过 光 电 元 件 检 测 出 莫 尔 条 纹 移 动 的 数 目 和方 向 ， 就 可 以 知 道 光 栅 移 过 了 多 少 个 栅 距 和 移 动 的 方向 。 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 23 23 工 作 原 理 ： 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 24 特 点 ： 1. 放大作用 用 W（ mm） 表 示 莫 尔 条纹 的 宽 度 ， P(mm)表 示 栅 距 ， (rad)为 光 栅 线 纹 之 间 的夹 角 ， 如 图 所 示 则 有 莫 尔 条 纹 宽 度 W与 角 成 反 比 ，越 小 ， 放 大 倍 数 越 大 。 PPW sin WPW P 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 25 2. 均化误差作用 莫 尔 条 纹 是 由 光 栅 的 大 量 刻 线 共 同 组 成 ， 例 如 ，200条 /mm的 光 栅 ， 10mm宽 的 光 栅 就 由 2000条 线 纹组 成 ， 这 样 栅 距 之 间 的 固 有 相 邻 误 差 就 被 平 均 化 了 ，消 除 了 栅 距 之 间 不 均 匀 造 成 的 误 差 。3. 莫尔条纹的移动与栅距的移动成比例 当 光 栅 尺 移 动 一 个 栅 距 P时 ， 莫 尔 条 纹 也 刚 好移 动 了 一 个 条 纹 宽 度 W。 只 要 通 过 光 电 元 件 测 出 莫尔 条 纹 的 数 目 ， 就 可 知 道 光 栅 移 动 了 多 少 个 栅 距 ，工 作 台 移 动 的 距 离 可 以 计 算 出 来 。 若 光 栅 移 动 方 向相 反 ， 则 莫 尔 条 纹 移 动 方 向 也 相 反 。 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 26 P1 P 2 P3 P 4 指 示 光 栅 标 尺 光 栅 硅 光 电 池 聚 光 镜 光 源 光 栅 测 量 系 统 ： 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 27 27 编 码 器 是 一 种 旋 转 式 测 量 元 件 ， 通 常 装 在 被 检 测轴 上 （ 或 同 步 带 联 接 ） ； 随 被 测 轴 一 起 转 动 ， 可 将 被 测轴 的 角 位 移 转 换 为 增 量 脉 冲 形 式 或 绝 对 式 的 代 码 形 式 。根 据 内 部 结 构 和 检 测 方 式 ， 编 码 器 可 分 为 接 触 式 、 光 电式 和 电 磁 式 3种 。 其 中 ， 光 电 编 码 器 在 数 控 机 床 上 应 用较 多 ， 由 霍 尔 效 应 构 成 的 电 磁 编 码 器 则 可 用 作 速 度 检 测元 件 。 4. 编码器 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 28 28 光 电 式 编 码 器 光 电 式 编 码 器 是 一 种 光 电 式 转 角 检 测 装 置 。 编 码 器用 透 明 及 不 透 明 区 域 按 一 定 编 码 构 成 ， 根 据 其 编 码 方 式不 同 ， 可 分 为 增 量 式 光 电 编 码 器 和 绝 对 式 光 电 编 码 器 。 增 量 式 光 电 编 码 器 可 通 过 光 电 转 换 将 被 测 轴 的 角 位移 增 量 转 换 成 相 应 的 脉 冲 数 字 量 ， 然 后 由 微 机 数 控 系 统或 计 数 器 计 数 得 到 角 位 移 量 和 直 线 位 移 量 。 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 29 291-旋 转 轴 2-轴 承 3-透 光 窄 缝 4-光 栅 编 码 器5-光 源 6-聚 光 镜 7-光 澜 板 8-光 敏 元 件 增 量 式 光 电 编 码 器 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 30 30 光 电 编 码 器 需 解 决 的 两 个 问 题 ： 1、 正 反 向 辨 别 2、 掉 电 位 置 记 忆 为 了 测 量 出 转 向 ， 光 澜板 的 两 个 窄 缝 距 离 比 编 码器 两 个 窄 缝 之 间 的 距 离 小1/4节 距 ， 使 两 个 光 敏 元 件的 输 出 信 号 相 差 /2相 位 。 如 果 将 其 输 出 的 脉 冲 信号 经 频 率 电 压 变 换 后 ，得 到 与 转 轴 转 速 成 正 比 的电 压 信 号 ， 它 就 是 速 度 反馈 信 号 。 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 31 31 在 数 控 车 床 主 轴 末 端 通 常 就 使 用 增 量 式 光 栅 编码 器 ， 来 检 测 主 轴 的 位 置 ， 以 保 证 切 削 螺 纹 时 不 会乱 扣 。 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 32 32 它 与 接 触 式 编 码 器 结 构 相 似 ， 它 与 增 量 式 编 码 器相 比 特 点 是 ： 由 于 某 种 原 因 停 机 后 再 开 机 ， 还 能 找 到正 确 位 置 ， 但 因 其 结 构 的 限 制 ， 分 辨 率 不 能 做 得 很 高 。 绝 对 式 光 栅 编 码 器 与 增 量 式 编 码 器 的 共 同 特 点 是 ：没 有 接 触 磨 损 ， 编 码 器 寿 命 长 ， 允 许 转 速 高 ， 精 度 较高 。绝 对 式编码器 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 33 33 绝 对 式编码器 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 34 34 绝 对 式编码器 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 35 35 分 类 ： 线 速 度 型 角 速 度 型常 用 的 速 度 传 感 器 ： 测 速 发 电 机 脉 冲 编 码 器二 、 速 度 传 感 器 同 步异 步交 流直 流 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 36 36 特 点 ：输 出 电 压 与 转 速 严 格 成 线 性 关 系 ；输 出 电 势 与 转 速 比 的 斜 率 大 。结 构 与 工 作 原 理 ：1. 交 流 测 速 发 电 机 nKfNE 244.4 d 122 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 37 37 结 构 与 工 作 原 理 ：2. 直 流 测 速 发 电 机10/1 RR nCV ae 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 38 38 位 置 检 测 元 件 与 位 移 检 测 元 件 不 同 ， 它 所 测 量 的 不是 一 段 距 离 的 变 化 量 ， 而 是 通 过 检 测 ， 确 定 是 否 已 到 达某 一 位 置 。 因 此 ， 它 不 需 要 产 生 连 续 变 化 的 模 拟 量 ， 只需 要 产 生 能 反 映 某 种 状 态 的 开 关 量 即 可 。 这 种 检 测 元 件常 用 于 数 控 机 床 更 换 刀 具 、 工 件 或 工 作 台 到 位 或 行 程 限制 等 辅 助 机 能 的 信 号 检 测 。 三、 位置检测元件 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 39 39 位 置 检 测 元 件 分 为 接 触 式 和 接 近 式 两 种 。 接 触 式位 置 检 测 元 件 必 须 与 被 测 物 接 触 才 能 产 生 信 号 ， 如 微动 开 关 、 行 程 开 关 等 ， 而 接 近 式 无 需 直 接 接 触 ， 检 测元 件 与 被 测 物 之 间 通 过 光 电 、 电 磁 或 超 声 波 等 获 得 信号 ， 如 电 磁 式 接 近 开 关 。接 触 式 可 靠 性 高 、 寿 命 有 限 ， 用 于 限 位接 近 式 无 磨 损 、 寿 命 长 。三、 位置检测元件 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 40 40 数 控 机 床 常 用 的 几 种 位 置 检 测 元 件 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 41 41 4.2 伺 服 驱 动 装 置伺 服驱 动电 路 伺 服 驱动 装 置(电 机 ) 机 械传 动机 构 执 行部 件CNC 伺 服 驱 动 系 统 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 42 42 4.2 伺 服 驱 动 装 置 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 43 43 4.2 伺 服 驱 动 装 置 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 44 44 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 45 45 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 46 46 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 47 47 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 48 48 （ 四 ） 数 控 机 床 对 伺 服 电 动 机 的 要 求 为 了 满 足 数 控 机 床 对 伺 服 系 统 的 要 求 ，对 电 气 伺 服 驱 动 系 统 的 执 行 元 件伺 服 电 动机 也 必 须 有 较 高 的 要 求 ； 电 动 机 从 最 低 进 给 速 度 到 最 高 进 给 速 度范 围 内 都 能 平 滑 地 运 转 ； 转 速 波 动 要 小 ， 尤其 在 最 低 速 度 转 速 时 ， 如 0.1r min或 更 低 转速 时 ， 仍 有 平 稳 的 速 度 而 无 爬 行 现 象 。 电 动 机 应 具 有 大 的 、 较 长 时 间 的 过 载 能力 ， 以 满 足 低 速 大 转 矩 的 要 求 。 例 如 ， 电 动机 能 在 数 分 钟 内 过 载 4 6倍 而 不 损 坏 。 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 49 49 （ 四 ） 数 控 机 床 对 伺 服 电 动 机 的 要 求 为 了 满 足 快 速 响 应 的 要 求 ， 即 随 着 控 制信 号 的 变 化 ， 电 动 机 应 能 在 较 短 时 间 内 完 成必 须 的 动 作 。 快 的 反 应 速 度 直 接 影 响 到 系 统的 品 质 。 因 此 ， 要 求 电 动 机 必 须 具 有 较 小 的转 动 惯 量 和 大 的 堵 转 转 矩 ， 尽 可 能 小 的 电 动机 时 间 常 数 和 起 动 电 压 。 电 动 机 应 能 承 受 频 繁 的 起 动 、 制 动 和 反 转 。 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 50 主 轴 电 机带 制 动 器 伺 服 电 机伺 服 电 机刀 库 刀 具 定 位 电 机机 械 手 旋 转 定 位 电 机 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 51 51 （ 五 ） 常 用 伺 服 电 动 机 常 用 的 伺 服 执 行 元 件 主 要 有 :直流伺服电动机交流伺服电动机步进电动机直接驱动电动机 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 52 52 1、 步 进 电 动 机 步 进 电 机 是 一 种 将 电 脉 冲 信 号 转 换 成 机 械 角 位 移 的电 磁 装 置 。 由 于 所 用 电 源 是 脉 冲 电 源 ， 所 以 也 称 为 脉 冲马 达 。 步 进 电 机 是 一 种 特 殊 的 电 机 ， 一 般 电 机 通 电 后 连 续旋 转 ， 而 步 进 电 机 则 跟 随 输 入 脉 冲 按 节 拍 一 步 一 步 地 转动 。 对 步 进 电 机 施 加 一 个 电 脉 冲 信 号 时 ， 步 进 电 机 就 旋转 一 个 固 定 的 角 度 ， 称 为 一 步 。 每 一 步 所 转 过 的 角 度 叫做 步 距 角 。 步 进 电 机 的 角 位 移 量 和 输 入 脉 冲 的 个 数 严 格地 成 正 比 例 ， 在 时 间 上 与 输 入 脉 冲 同 步 。 因 此 ， 只 需 控制 输 入 脉 冲 的 数 量 、 频 率 、 及 电 机 绕 组 通 电 相 序 ， 便 可获 得 所 需 的 转 角 、 转 速 及 转 动 方 向 。 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 53 53 2、 步 进 电 动 机 的 结 构 与 工 作 原 理 通 过 被 励 磁 的 定 子 的 电 磁 力 吸 引 转 子 偏 转输 出 转 矩 。 即 电 磁 作 用 原 理 。例 如 ： 三 相 反 应 式 步 进 电 动 机 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 54 54 实 际 的 三 相 反 应 式 步 进 电 动 机 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 55 55 ABCCP A B C A B C A B C 三 相 单 三 拍优 点 ： 控 制 简 单缺 点 ： 在 换 相 时 ， 失 去 自 锁 转 矩 ， 容 易 失 步 ； 转 子易 在 平 衡 位 置 振 动 。 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 56 56 ABCCP AB BC CA AB BC CA AB BC CA 三 相 双 三 拍 （ 环 分 ） 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 57 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 58 58 3. 步 进 电 机 的 主 要 特 性1） 步 距 角 和 静 态 步 距 误 差 )(360 mZQm定 子 相 数 ； Z转 子 齿 数 ； Q拍 数 与 相 数 之 比 在 一 周 内 各 步 误 差 的 最 大 值 ， 被 定 为 步 距 误 差 。 它 的 大小 是 由 制 造 精 度 、 齿 槽 的 分 布 和 气 隙 等 因 素 决 定 的 。 静 态步 距 误 差 一 般 在 10以 内 。 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 59 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 60 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 61 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 62 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 63 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 64 64？ 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 65 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 66 66 4. 步 进 电 机 开 环 进 给 的 传 动 计 算 及 电 机 选 用1） 传 动 计 算 titi 360360 即脉 冲 当 量 ： 数 控 系 统 发 出 一 个 指 令 脉 冲 ， 工 作 台 所 移 动 的距 离 。 它 决 定 了 数 控 机 床 的 加 工 精 度 和 最 高 工 作 频 率 。 zzzz k21fv 60 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 67 67 2） 步 进 电 机 的 选 用 首 先 ， 根 据 负 载 转 矩 确 定 步 进 电 动 机 的 最 大 静 态转 矩 , 其 次 ， 根 据 脉 冲 当 量 计 算 步 距 角 ； 第 三 ， 确 定 启 停 最 高 频 率 ； 最 后 ， 确 定 最 高 工 作 频 率 。 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 68 68 5. 步 进 电 机 的 驱 动 步 进 电 机 不 能 直 接 接到 交 流 电 源 上 工 作 ， 而 必须 使 用 专 用 设 备 步 进电 机 驱 动 器 。 步 进 电 机 的运 行 性 能 是 电 动 机 和 驱 动器 两 者 的 综 合 效 果 。 在 数控 机 床 中 使 用 的 驱 动 器 有一 轴 一 板 型 ， 也 有 一 相 一板 型 ， 前 者 维 护 方 便 ， 但稳 定 性 差 ； 后 者 集 成 度 高 ，可 靠 性 高 ， 因 此 ， 得 到 了广 泛 的 应 用 。 接 口 电 路CPU环 形 分 配 器功 率 放 大 器光 电 隔 离 驱 动 器步 进 电 动 机 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 69 69 5. 步 进 电 机 的 驱 动 步 进 电 动 机 驱 动 器 由 环 形分 配 器 、 功 率 放 大 器 及 其 他控 制 电 路 组 成 ， 数 控 装 置 发出 脉 冲 信 号 通 过 环 形 分 配 器形 成 按 一 定 顺 序 的 脉 冲 ， 例如 A-B-C-A-这 些 脉 冲 经 功率 放 大 后 加 到 步 进 电 动 机 的各 相 绕 组 上 。 接 口 电 路CPU环 形 分 配 器功 率 放 大 器光 电 隔 离 驱 动 器步 进电 动 机 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 70 70ABCCP A B C A B C A B C 三 相 单 三 拍 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 71 71 硬 件 环 形 分 配 器 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 72 72 软 件 环 形 分 配 器 特 点 ： 硬 件 简 单 ； 占 用 CPU时 间 多 ， 只 用 于 速 度 要 求不 高 ， 系 统 比 较 简 单 的 系 统 。 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 73 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 74 74 2） 步 进 电 动 机 的 驱 动1、 单 电 压 驱 动电 路 简 单 、 工 作 频 率 不 高 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 75 75 2、 双 电 压 驱 动 启 动 转 矩 大 、 工 作 频 率 高 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 76 76 3、 恒 流 斩 波 启 动 转 矩 大 、 工 作 频 率 高 ， 电 源 效 率 高 。 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 77 77 脉 冲 控 制 模 式 选 择控 制 信 号 输 入接 电 动 机 各 相接 电 源接 屏 蔽 地整 、 半 步 选 择 选 择方 向 选 择自 动 试 机 运 行 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 78 78 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 79 79 6. 步 进 电 动 机 可 分 为 三 类 ： 反 应 式 步 进 电 动 机 永 磁 式 步 进 电 动 机 永 磁 感 应 子 式 步 进 电 动 机 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 80 80 反 应 式 步 进 电 动 机 又 叫 做 可 变 磁 阻 式 步 进 电 动 机 。特 点 ： 步 距 角 小 ， 因 为 反 应 式 步 进 电 动 机 定 转 子 是 采 用 软 磁材 料 做 成 的 ， 允 许 的 最 小 步 距 情 况 下 ， 转 子 的 齿 数 可 以 做得 很 多 ; 励 磁 电 流 较 大 ， 要 求 驱 动 电 源 功 率 较 大 ; 电 动 机 的 内 部 阻 尼 较 小 ， 当 相 数 较 少 时 ， 单 相 运 行 振 荡时 间 较 长 ; 断 电 后 无 定 位 转 矩 。 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 81 81 永 磁 式 步 进 电 动 机永 磁 式 步 进 电 动 机 是 转 子 或 定 子 的 某 一 方 具 有 永 久 磁 钢的 步 进 电 动 机 ， 另 一 方 是 由 软 磁 材 料 制 成 。 绕 组 轮 流 通电 ， 建 立 的 磁 场 与 永 久 磁 钢 的 恒 定 磁 场 相 互 作 用 产 生 转矩 。特 点 ： 步 距 角 大 ， 这 是 因 为 在 一 个 圆 周 上 能 形 成 的 磁极 数 受 到 极 弧 尺 寸 的 限 制 ; 控 制 功 率 小 ， 效 率 高 ; 内 阻尼 较 大 单 步 振 荡 时 间 短 ; 断 电 后 具 有 一 定 的 定 位 转 矩 。例 如 济 南 机 床 一 厂 生 产 的 J1BNC320B数 控 机 床 上 使 用 的110YG 001就 是 永 磁 式 步 进 电 动 机 。 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 82 82 永 磁 感 应 式 步 进 电 动 机它 是 反 应 式 和 永 磁 式 步 进 电 动 机 的 结 合 。 所 以 常 称 此 类 电动 机 为 混 合 式 步 进 电 动 机 。 它 可 以 做 成 像 反 应 式 步 进 电 动机 一 样 的 小 步 距 ， 也 具 有 永 磁 式 步 进 电 动 机 控 制 功 率 小 的优 点 。 它 常 常 也 作 为 低 速 同 步 电 动 机 运 行 。 永 磁 感 应 子 式步 进 电 动 机 代 表 了 步 进 电 动 机 的 最 新 发 展 。 国 外 主 流 品 种 ，国 内 也 已 大 面 积 取 代 反 应 式 步 进 电 机 成 为 市 场 热 点 。 例 如济 南 机 床 一 厂 生 产 的 CK6132、 CK6125数 控 机 床 上 使 用 的BYG 404就 是 混 合 式 步 进 电 动 机 。 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 83 83 直 流 伺 服 电 动 机 采 用 直 流 伺 服 驱 动 器 将 交 流 电 转 变 为 可 控 制 的 直 流电 驱 动 直 流 伺 服 电 动 机 。 速 度 控 制 单 元 接 受 转 速 指 令 信号 ， 改 变 相 应 的 直 流 伺 服 电 动 机 电 枢 电 压 ， 达 到 调 速 的目 的 。 直 流 伺 服 驱 动 器 较 多 的 采 用 晶 闸 管 调 速 系 统 和 晶体 管 脉 宽 调 制 调 速 系 统 。调 压 调 速 调 电 阻 调 速 调 励 磁 调 速 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 84 84 调 压 调 速 的 实 现 方 法 发 电 机 调 压 （ G -M） 可 控 硅 调 压 （ SCR） 脉 宽 调 制 调 压 （ PWM） 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 85 85 位 置 伺 服 工 作 原 理 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 86 86 (1) 永 磁 式 直 流 伺 服 电 动 机 永 磁 式 直 流 伺 服 电 动 机 系 指 以 永 磁 材 料 获 得 励 磁磁 场 的 一 类 直 流 电 动 机 。 永 磁 式 直 流 电 动 机 具 有 体 积小 、 转 矩 大 、 转 矩 和 电 流 成 正 比 、 伺 服 性 能 好 、 反 应迅 速 、 功 率 体 积 比 大 、 功 率 质 量 比 大 、 稳 定 性 好 等 优点 。 永 磁 式 直 流 电 动 机 能 在 较 大 过 载 转 距 下 长 时 间 工作 。 它 的 转 子 惯 量 较 大 ， 可 以 直 接 与 丝 杠 相 连 而 不 需中 间 传 动 装 置 。 永 磁 式 直 流 电 动 机 的 缺 点 是 需 要 电 刷 ，限 制 了 电 动 机 转 速 的 提 高 ， 永 磁 直 流 电 动 机 的 结 构 同一 般 直 流 电 动 机 相 似 ， 但 电 抠 铁 心 长 度 对 直 径 的 比 大些 气 隙 较 小 ， 在 相 同 功 率 的 情 况 下 ， 转 子 惯 量 较 小 。 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 87 87 (2)小 惯 量 直 流 电 动 机 小 惯 量 直 流 伺 服 电 动 机 具 有 较 小 的 转 动惯 量 ， 很 适 合 于 要 求 有 快 速 响 应 的 伺 服 系 统 ，但 其 过 载 能 力 低 ， 电 枢 惯 量 与 机 械 传 动 系 统匹 配 较 差 。 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 88 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 89 89 (三 ) 交 流 伺 服 电 动 机 交 流 伺 服 电 动 机 没 有 直 流 伺 服 电 动 机 上 述 的 缺 点 ，而 且 转 子 惯 量 比 直 流 伺 服 电 动 机 小 ， 使 其 动 态 响 应 好 。 在同 样 体 积 下 ， 交 流 伺 服 电 动 机 的 输 出 功 率 可 比 直 流 伺 服 电动 机 提 高 10 20 。 交 流 伺 服 电 动 机 的 容 量 可 以 做 得 比直 流 伺 服 电 动 机 大 达 到 更 高 的 电 压 转 速 。 从 80年 代 后 期开 始 ， 交 流 伺 服 电 动 机 逐 渐 替 代 直 流 伺 服 电 动 机 占 据 主 要位 置 。 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 90 90 (三 ) 交 流 伺 服 电 动 机 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 91 91 采 用 改 变 交 流 伺 服 电 动 机 的 供 电 频 率 的 方 法 来 达到 电 动 机 调 速 的 目 的 。 对 于 永 磁 同 步 交 流 伺 服 电 动 机 ，由 于 其 转 速 和 电 源 频 率 保 持 同 步 关 系 ， 所 以 只 要 控 制电 源 的 频 率 即 可 控 制 电 动 机 速 度 。 而 感 应 式 异 步 交 流 伺 服 电 动 机 是 基 于 定 子 绕 组 的旋 转 磁 场 在 鼠 笼 式 转 子 短 路 绕 组 中 感 应 出 电 流 ， 再 由此 电 流 产 生 的 磁 场 与 定 子 绕 组 的 旋 转 磁 场 产 生 旋 转 磁力 而 工 作 的 。 因 此 ， 速 度 和 扭 矩 不 能 像 直 流 电 动 机 那样 可 独 立 控 制 ， 所 以 控 制 较 为 复 杂 ， 现 在 主 要 采 用 矢量 控 制 原 理 。 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 92 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 93 93 伺 服 电 动 机 与 驱 动 器 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 94 94 适 合 于 各 种 加 工 中 心 的 电 主 轴 2021-4-23 第 四 章 数 控 机 床 的 检 测 与 驱 动 系 统 95 95 3、 何 谓 步 进 电 动 机 的 失 步 与 越 步 ？ 机 电 结 合 分 析引 起 失 步 与 越 步 的 原 因 ， 指 出 使 用 和 选 用 步 进 电 动 机 时 如 何 避 免 这 种 现 象 的 发 生 ？Tm-TL =Td= J 单 轴 系 统Tm-TL=Td=J 多 轴 系 统Tm=TL+J TL= TL /i ; J =J/i2 ; =d/dtTm TL J