数控机床运动控制与检测概述课件

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,11/7/2009,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,模块二 数控机床运动控制与位置检测,主讲：郭士义,制作：王天予,概述,2.1,主轴驱动,2.3,进给驱动,2.2,检测元件,2.4,2.1,概,述,述,2.1.1,伺,服,服,系,系,统,统,的,的,基,基,本,本,概,概,念,念,2.1.2,对,伺,伺,服,服,系,系,统,统,的,的,基,基,本,本,要,要,求,求,2.1.3,伺,服,服,控,控,制,制,系,系,统,统,的,的,分,分,类,类,2.1.1,伺,服,服,系,系,统,统,的,的,基,基,本,本,概,概,念,念,在,数,数,控,控,机,机,床,床,中,中,，,，,伺,伺,服,服,系,系,统,统,是,是,以,以,机,机,床,床,的,的,移,移,动,动,部,部,件,件,（,（,如,如,工,工,作,作,台,台,）,）,的,的,位,位,置,置,和,和,速,速,度,度,作,作,为,为,控,控,制,制,量,量,的,的,自,自,动,动,控,控,制,制,系,系,统,统,。,。,它,它,又,又,称,称,为,为,随,随,动,动,系,系,统,统,或,或,伺,伺,服,服,机,机,构,构,。,。CNC,控,控,制,制,器,器,经,经,过,过,插,插,补,补,运,运,算,算,生,生,成,成,的,的,进,进,给,给,脉,脉,冲,冲,或,或,进,进,给,给,位,位,移,移,量,量,指,指,令,令,输,输,入,入,到,到,伺,伺,服,服,系,系,统,统,，,，,由,由,伺,伺,服,服,系,系,统,统,驱,驱,动,动,机,机,械,械,执,执,行,行,部,部,件,件,，,，,带,带,动,动,机,机,床,床,工,工,作,作,台,台,的,的,位,位,移,移,和,和,主,主,轴,轴,的,的,运,运,动,动,。,。,伺,伺,服,服,系,系,统,统,作,作,为,为,数,数,控,控,机,机,床,床,的,的,重,重,要,要,组,组,成,成,部,部,分,分,，,，,其,其,本,本,身,身,的,的,性,性,能,能,直,直,接,接,影,影,响,响,了,了,整,整,个,个,数,数,控,控,机,机,床,床,的,的,精,精,度,度,和,和,速,速,度,度,等,等,技,技,术,术,指,指,标,标,。,。,数,控,控,机,机,床,床,的,的,伺,伺,服,服,系,系,统,统,主,主,要,要,有,有,两,两,种,种,：,：,进,进,给,给,伺,伺,服,服,系,系,统,统,和,和,主,主,轴,轴,伺,伺,服,服,系,系,统,统,，,，,进,进,给,给,伺,伺,服,服,系,系,统,统,是,是,一,一,种,种,高,高,精,精,度,度,的,的,位,位,置,置,跟,跟,踪,踪,与,与,定,定,位,位,系,系,统,统,。,。,它,它,的,的,性,性,能,能,决,决,定,定,了,了,数,数,控,控,机,机,床,床,的,的,最,最,大,大,进,进,给,给,速,速,度,度,，,，,定,定,位,位,精,精,度,度,等,等,。,。,主,主,轴,轴,伺,伺,服,服,系,系,统,统,控,控,制,制,机,机,床,床,主,主,轴,轴,的,的,旋,旋,转,转,运,运,动,动,，,，,随,随,着,着,高,高,速,速,加,加,工,工,技,技,术,术,的,的,发,发,展,展,，,，,对,对,主,主,轴,轴,伺,伺,服,服,系,系,统,统,的,的,要,要,求,求,也,也,越,越,来,来,越,越,高,高,。,。,2.1.2,对伺,服,服系,统,统的,基,基本,要,要求,随着,数,数控,技,技术,的,的不,断,断发,展,展，,数,数控,机,机床,对,对伺,服,服系,统,统提,出,出了,很,很高,的,的要,求,求。,一,一般,对,对伺,服,服系,统,统有,如,如下,要,要求,：,：,（1,）,）精,度,度高,、,、伺,服,服系,统,统要,具,具有,较,较好,的,的定,位,位精,度,度和,轮,轮廓,加,加工,精,精度,，,，定,位,位精,度,度一,般,般为0.01,0.001mm,，,，甚,至,至0.1um,。,。,（2,）,）快,速,速响,应,应，,为,为了,提,提高,生,生产,率,率和,保,保证,加,加工,精,精度,，,，要,求,求伺,服,服系,统,统跟,踪,踪指,令,令信,号,号的,响,响应,要,要快,。,。这,一,一方,面,面要,求,求过,渡,渡过,程,程时,间,间短,，,，一,般,般在200ms以,内,内，,甚,甚至,小,小于,几,几十,毫,毫秒,；,；另,一,一方,面,面要,求,求超,调,调小,，,，否,则,则将,形,形成,过,过切,，,，影,响,响加,工,工质,量,量。,同,同时,，,，要,求,求系,统,统的,相,相对,稳,稳定,性,性好,，,，当,系,系统,受,受到,干,干扰,时,时，,振,振荡,小,小，,恢,恢复,时,时间,快,快。,（3,）,）调,速,速范,围,围宽,。,。,在数,控,控机,床,床中,，,，要,求,求进,给,给伺,服,服系,统,统的,速,速度,达,达到1-24000mm/min的,范,范围,，,，要,求,求速,度,度均,匀,匀、,稳,稳定,、,、无,爬,爬行,、,、速,降,降小,。,。在,零,零速,时,时，,要,要求,电,电机,有,有电,磁,磁转,矩,矩，,以,以维,持,持定,位,位精,度,度。,对,对主,轴,轴伺,服,服系,统,统一,般,般要,求,求1:100,1000,范,范围,内,内的,恒,恒转,矩,矩调,速,速和1：10,以,以上,的,的恒,功,功率,调,调速,，,，且,有,有足,够,够大,的,的输,出,出功,率,率。,随着,高,高速,加,加工,技,技术,的,的发,展,展，,要,要求,主,主轴,具,具有,更,更高,的,的转,速,速，,如,如当,前,前国,内,内外,生,生产,的,的电,主,主轴,，,，最,高,高转,速,速从10000r/min到150000r/min。,2.1.3,伺服,控,控制,系,系统,的,的分,类,类,按控,制,制方,式,式分,类,类,按控,制,制方,式,式分,类,类，,位,位置,控,控制,系,系统,可,可分,为,为开,环,环、,半,半闭,环,环和,闭,闭环,三,三种,。,。,开环,数,数控,系,系统,结,结构,示,示意,图,图,闭环,和,和半,闭,闭环,数,数控,系,系统,结,结构,示,示意,图,图,2.2,进给,系,系统,2.2.1,步进,电,电动,机,机驱,动,动控,制,制系,统,统,2.2.2,直流,速,速度,控,控制,单,单元,2.2.3,交流,电,电动,机,机速,度,度控,制,制单,元,元,2.2.1,步进,电,电动,机,机驱,动,动控,制,制系,统,统,步进,电,电动,机,机的,驱,驱动,伺,伺服,系,系统,前,前已,述,述及,，,，加,到,到步,进,进电,动,动机,的,的定,子,子绕,组,组上,的,的电,脉,脉冲,信,信号,，,，是,由,由步,进,进电,动,动机,的,的驱,动,动控,制,制器,给,给出,的,的，,驱,驱动,控,控制,器,器由,环,环形,分,分配,器,器和,功,功率,放,放大,器,器两,部,部分,组,组成,。,。在,许,许多CNC系,统,统中,，,，环,形,形分,配,配器,的,的功,能,能由,软,软件,产,产生,，,，在,这,这种,情,情况,下,下，,驱,驱动,器,器就,不,不包,括,括环,形,形分,配,配器,。,。,三相硬,件,件环形,分,分配器,的,的驱动,控,控制示,意,意图,2.2.2,直流速,度,度控制,单,单元,2.2.3,交流电,动,动机速,度,度控制,单,单元,2.3,主轴驱,动,动,2.3.1,对主轴,驱,驱动的,要,要求,2.3.2,直流主,轴,轴驱动,系,系统,2.3.3,交流主,轴,轴驱动,系,系统,2.3.1,对主轴,驱,驱动的,要,要求,随着数,控,控技术,的,的不断,发,发展，,传,传统的,主,主轴驱,动,动已不,能,能满足,数,数控技,术,术的需,要,要。现,代,代数控,机,机床对,主,主轴传,动,动系统,提,提出了,更,更高的,要,要求，,具,具体要,求,求为：,（1）,对,对功率,的,的要求,：,：要求,主,主轴电,动,动机有2.2,250kw,的,的功率,范,范围，,即,即要能,输,输出大,的,的功率,，,，又要,求,求主轴,结,结构简,单,单。,（2）,宽,宽调速,范,范围：,数,数控机,床,床主轴,驱,驱动系,统,统要求,在,在1：100,1000范,围,围内进,行,行恒转,矩,矩和1,：,：10,的,的恒功,率,率调速,，,，而且,要,要求主,轴,轴在正,、,、反向,转,转动时,，,，均可,进,进行加,减,减速控,制,制，即,要,要求具,有,有四象,限,限驱动,能,能力。,（3）,定,定位准,停,停功能,：,：为,了,了使数,控,控车床,具,具有螺,纹,纹切削,功,功能，,要,要求主,轴,轴能与,进,进给驱,动,动实行,同,同步控,制,制；在,加,加工中,心,心上，,为,为了自,动,动换刀,，,，还要,求,求主轴,具,具有高,精,精度的,准,准停功,能,能。,2.3.2,直流主,轴,轴驱动,系,系统,2.3.3,交流主,轴,轴驱动,系,系统,交流主,轴,轴电动,机,机与交,流,流进给,用,用伺服,电,电动机,不,不同，,交,交流主,轴,轴电动,机,机一般,采,采用交,流,流感应,电,电动机,，,，交流,感,感应电,动,动机从,结,结构上,分,分有带,换,换向器,和,和不带,换,换向器,两,两种，,通,通常采,用,用不带,换,换向器,的,的三相,感,感应电,动,动机（,也,也称笼,型,型电动,机,机或异,步,步电动,机,机）。,一般交,流,流主轴,电,电动机,是,是专门,设,设计的,，,，为了,增,增加输,出,出功率,，,，缩小,电,电动机,的,的体积,，,，都采,用,用定子,铁,铁心在,空,空气中,直,直接冷,却,却的方,法,法，没,有,有机壳,，,，而且,在,在定子,铁,铁心上,作,作有轴,向,向孔以,利,利通风,等,等。这,类,类电机,轴,轴的尾,部,部都同,轴,轴安装,有,有测速,发,发电机,或,或脉冲,编,编码器,等,等检测,元,元件。,变频调,速,速有下,面,面三种,控,控制方,式,式：,2.4,检测元,件,件,2.4.1,位置检,测,测元件,的,的要求,及,及分类,2.4.2,脉冲编,码,码器,2.4.1,位置检,测,测元件,的,的要求,及,及分类,检测元,件,件是数,控,控机床,闭,闭环伺,服,服系统,的,的重要,组,组成部,分,分，它,的,的作用,是,是检测,位,位移、,角,角位移,和,和速度,的,的实际,值,值，把,反,反馈信,号,号传送,回,回数控,装,装置或,伺,伺服装,置,置，构,成,成闭环,控,控制。,闭环数,控,控系统,的,的加工,精,精度主,要,要由检,测,测环节,的,的精度,决,决定，,而,而检测,环,环节的,精,精度是,通,通过检,测,测传感,器,器的分,辨,辨率来,体,体现的,。,。分辨,率,率不仅,取,取决于,检,检测传,感,感器本,身,身，也,取,取决于,测,测量转,换,换电路,。,。,数控机床对,检,检测元件的,主,主要要求有,：,：,（1）工作,可,可靠，抗干,扰,扰性强；,（2）满足,测,测量精度，,检,检测速度和,测,测量范围的,要,要求；,（3）易于,实,实现高速的,动,动态测量和,处,处理，易于,实,实现自动化,；,；,（4）使用,维,维护方便，,适,适合机床的,工,工作环境，,成,成本低。,常用的检测,元,元件：,旋转变压器,，,，,脉冲编码器,、,、绝对式编,码,码器，,直线光栅、,圆,圆光栅，,直线感应同,步,步器，,磁尺，,激光干涉仪,等,等。,2.4.2,脉冲编码器,脉冲编码器,是,是一种旋转,式,式测量元件,，,，通常装在,被,被检测轴上,，,，随被测轴,一,一起转动，,可,可将被测轴,的,的角位移转,换,换成增量脉,冲,冲或绝对式,的,的数字代码,。,。在数控机,床,床上它通常,与,与驱动电动,机,机同轴联接,，,，属间接式,测,测量元件。,脉冲编码器,根,根据内部结,构,构和检测方,式,式分类，可,分,分为接触式,、,、光电式和,电,电磁式三种,。,。,按照编码方,式,式可分为绝,对,对式编码和,增,增量式编码,两,两种。,在数控机床,上,上大多采用,光,光电式增量,脉,脉冲编码器,。,。下面分别,介,介绍绝对式,编,编码和增量,式,式编码的编,码,码器结构及,工,工作原理。,1、绝对式,编,编码器,绝对值编码,器,器是一种直,接,接编码的检,测,测元件，它,通,通过读取码,盘,盘上的图案,来,来表示轴的,绝,绝对位置，,没,没有累积误,差,差，电源切,除,除后，信息,位,位置不丢失,。,。从编码器,使,使用的计数,制,制分，有二,进,进制码、二,进,进制循环码,（,（格雷码）,、,、二-十进,制,制码等。绝,对,对式编码器,按,按结构原理,分,分，也有接,触,触式、光电,式,式和电磁式,三,三类。在这,里,里以接触式,为,为例进行介,绍,绍。,码道的圈数,就,就是二进制,数,数的位数，,若,若是n位二,进,进制码盘，,就,就有n圈码,道,道，且周围,均,均分为2n,等,等分，即共,有,有2n个数,据,据分别表示,码,码盘所转动,到,到的不同位,置,置。,二进制码盘,的,的分辨角= 360,/2n,分辨率=1/2n,显然，位数n越大，所,能,能分辨的角,度,度越小，测,量,量精度就越,高,高。若要求,位,位数更高，,则,则采用组合,码,码盘，一个,粗,粗计数码盘,，,，一个精计,数,数码盘，精,计,计数码盘转,一,一圈，粗计,数,数码盘依次,转,转一格。如,果,果一个组合,码,码盘是由两,个,个8位二进,制,制码盘组合,而,而成的，那,么,么便可以得,到,到相当于16位的二进,制,制码盘，这,就,就使测量精,度,度大大提高,，,，但结构相,当,当复杂。,2、增量式,编,编码器,增量式编码,器,器俗称脉冲,编,编码器，它,能,能把被测轴,的,的机械转角,变,变成脉冲信,号,号，是数控,机,机床上使用,很,很广泛的位,置,置检测元件,。,。同时也作,为,为速度检测,元,元件用于转,速,速检测。增,量,量式脉冲编,码,码器同样也,分,分为接触式,，,，光电式、,电,电磁式三种,，,，从精度和,可,可靠性方面,来,来看，光电,式,式优于其他,两,两种，数控,机,机床上主要,使,使用光电式,脉,脉冲编码器,。,。,由于增量式,光,光电码盘每,转,1）根据脉冲的数目可得出工作轴的回转角度，然后由传动速此换算为直线位移距离。,2）根据脉冲的频率，可得工作轴的转速。,3）根据光欄板上两条狭缝中信号的先后顺序，可判断工作轴的正反转。,常用的脉冲编码器的规格有：2000P/r、2500 P/r、3000 P/r、1024 P/r、2048 P/r等，也有高分辨率的达到20000 P/r、25000 P/r、30000 P/r等。,此外，现在数控机床上使用的脉冲编码器，大多带有零位标志，在码盘的里圈还有一条透光狭缝，相应的光欄板的里圈也有一条透光狭缝，并多加一个光敏元件，每转一圈产生一个零位脉冲信号。在进给电动机所用的脉冲编码器上，零位脉冲用于精确确定机床的参考点，而在主轴控制上则用于螺纹加工及准停控制等。,