Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,模塊二 數(shù)控機(jī)床運(yùn)動控制與位置檢測,主講：郭士義,制作：王天予,概述,2.1,主軸驅(qū)動,2.3,進(jìn)給驅(qū)動,2.2,檢測元件,2.4,2.1,概述,2.1.1,伺服系統(tǒng)的基本概念,2.1.2,對伺服系統(tǒng)的基本要求,2.1.3,伺服控制系統(tǒng)的分類,2.1.1,伺服系統(tǒng)的基本概念,在數(shù)控機(jī)床中，伺服系統(tǒng)是以機(jī)床的移動部件（如工作臺）的位置和速度作為控制量的自動控制系統(tǒng)。它又稱為隨動系統(tǒng)或伺服機(jī)構(gòu)。CNC控制器經(jīng)過插補(bǔ)運(yùn)算生成的進(jìn)給脈沖或進(jìn)給位移量指令輸入到伺服系統(tǒng)，由伺服系統(tǒng)驅(qū)動機(jī)械執(zhí)行部件，帶動機(jī)床工作臺的位移和主軸的運(yùn)動。伺服系統(tǒng)作為數(shù)控機(jī)床的重要組成部分，其本身的性能直接影響了整個數(shù)控機(jī)床的精度和速度等技術(shù)指標(biāo)。,數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)主要有兩種：進(jìn)給伺服系統(tǒng)和主軸伺服系統(tǒng)，進(jìn)給伺服系統(tǒng)是一種高精度的位置跟蹤與定位系統(tǒng)。它的性能決定了數(shù)控機(jī)床的最大進(jìn)給速度，定位精度等。主軸伺服系統(tǒng)控制機(jī)床主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，隨著高速加工技術(shù)的發(fā)展，對主軸伺服系統(tǒng)的要求也越來越高。,2.1.2,對伺服系統(tǒng)的基本要求,隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)控機(jī)床對伺服系統(tǒng)提出了很高的要求。一般對伺服系統(tǒng)有如下要求：,（1）精度高、伺服系統(tǒng)要具有較好的定位精度和輪廓加工精度，定位精度一般為0.010.001mm，甚至0.1um。,（2）快速響應(yīng)，為了提高生產(chǎn)率和保證加工精度，要求伺服系統(tǒng)跟蹤指令信號的響應(yīng)要快。這一方面要求過渡過程時間短，一般在200ms以內(nèi)，甚至小于幾十毫秒；另一方面要求超調(diào)小，否則將形成過切，影響加工質(zhì)量。同時，要求系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性好，當(dāng)系統(tǒng)受到干擾時，振蕩小，恢復(fù)時間快。,（3）調(diào)速范圍寬。,在數(shù)控機(jī)床中，要求進(jìn)給伺服系統(tǒng)的速度達(dá)到1-24000mm/min的范圍，要求速度均勻、穩(wěn)定、無爬行、速降小。在零速時，要求電機(jī)有電磁轉(zhuǎn)矩，以維持定位精度。對主軸伺服系統(tǒng)一般要求1:1001000范圍內(nèi)的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速和1：10以上的恒功率調(diào)速，且有足夠大的輸出功率。,隨著高速加工技術(shù)的發(fā)展，要求主軸具有更高的轉(zhuǎn)速，如當(dāng)前國內(nèi)外生產(chǎn)的電主軸，最高轉(zhuǎn)速從10000r/min到150000r/min。,2.1.3,伺服控制系統(tǒng)的分類,按控制方式分類,按控制方式分類，位置控制系統(tǒng)可分為開環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)三種。,開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖,閉環(huán)和半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖,2.2,進(jìn)給系統(tǒng),2.2.1,步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng),2.2.2,直流速度控制單元,2.2.3,交流電動機(jī)速度控制單元,2.2.1,步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng),步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動伺服系統(tǒng)前已述及，加到步進(jìn)電動機(jī)的定子繞組上的電脈沖信號，是由步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動控制器給出的，驅(qū)動控制器由環(huán)形分配器和功率放大器兩部分組成。在許多CNC系統(tǒng)中，環(huán)形分配器的功能由軟件產(chǎn)生，在這種情況下，驅(qū)動器就不包括環(huán)形分配器。,三相硬件環(huán)形分配器的驅(qū)動控制示意圖,2.2.2,直流速度控制單元,2.2.3,交流電動機(jī)速度控制單元,2.3,主軸驅(qū)動,2.3.1,對主軸驅(qū)動的要求,2.3.2,直流主軸驅(qū)動系統(tǒng),2.3.3,交流主軸驅(qū)動系統(tǒng),2.3.1,對主軸驅(qū)動的要求,隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的主軸驅(qū)動已不能滿足數(shù)控技術(shù)的需要。現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床對主軸傳動系統(tǒng)提出了更高的要求，具體要求為：,（1）對功率的要求：要求主軸電動機(jī)有2.2250kw的功率范圍，即要能輸出大的功率，又要求主軸結(jié)構(gòu)簡單。,（2）寬調(diào)速范圍：數(shù)控機(jī)床主軸驅(qū)動系統(tǒng)要求在1：1001000范圍內(nèi)進(jìn)行恒轉(zhuǎn)矩和1：10的恒功率調(diào)速，而且要求主軸在正、反向轉(zhuǎn)動時，均可進(jìn)行加減速控制，即要求具有四象限驅(qū)動能力。,（3）定位準(zhǔn)停功能：為了使數(shù)控車床具有螺紋切削功能，要求主軸能與進(jìn)給驅(qū)動實(shí)行同步控制；在加工中心上，為了自動換刀，還要求主軸具有高精度的準(zhǔn)停功能。,2.3.2,直流主軸驅(qū)動系統(tǒng),2.3.3,交流主軸驅(qū)動系統(tǒng),交流主軸電動機(jī)與交流進(jìn)給用伺服電動機(jī)不同，交流主軸電動機(jī)一般采用交流感應(yīng)電動機(jī)，交流感應(yīng)電動機(jī)從結(jié)構(gòu)上分有帶換向器和不帶換向器兩種，通常采用不帶換向器的三相感應(yīng)電動機(jī)（也稱籠型電動機(jī)或異步電動機(jī)）。,一般交流主軸電動機(jī)是專門設(shè)計的，為了增加輸出功率，縮小電動機(jī)的體積，都采用定子鐵心在空氣中直接冷卻的方法，沒有機(jī)殼，而且在定子鐵心上作有軸向孔以利通風(fēng)等。這類電機(jī)軸的尾部都同軸安裝有測速發(fā)電機(jī)或脈沖編碼器等檢測元件。,變頻調(diào)速有下面三種控制方式：,2.4,檢測元件,2.4.1,位置檢測元件的要求及分類,2.4.2,脈沖編碼器,2.4.1,位置檢測元件的要求及分類,檢測元件是數(shù)控機(jī)床閉環(huán)伺服系統(tǒng)的重要組成部分，它的作用是檢測位移、角位移和速度的實(shí)際值，把反饋信號傳送回數(shù)控裝置或伺服裝置，構(gòu)成閉環(huán)控制。,閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的加工精度主要由檢測環(huán)節(jié)的精度決定，而檢測環(huán)節(jié)的精度是通過檢測傳感器的分辨率來體現(xiàn)的。分辨率不僅取決于檢測傳感器本身，也取決于測量轉(zhuǎn)換電路。,數(shù)控機(jī)床對檢測元件的主要要求有：,（1）工作可靠，抗干擾性強(qiáng)；,（2）滿足測量精度，檢測速度和測量范圍的要求；,（3）易于實(shí)現(xiàn)高速的動態(tài)測量和處理，易于實(shí)現(xiàn)自動化；,（4）使用維護(hù)方便，適合機(jī)床的工作環(huán)境，成本低。,常用的檢測元件：,旋轉(zhuǎn)變壓器，,脈沖編碼器、絕對式編碼器，,直線光柵、圓光柵，,直線感應(yīng)同步器，,磁尺，,激光干涉儀等。,2.4.2,脈沖編碼器,脈沖編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式測量元件，通常裝在被檢測軸上，隨被測軸一起轉(zhuǎn)動，可將被測軸的角位移轉(zhuǎn)換成增量脈沖或絕對式的數(shù)字代碼。在數(shù)控機(jī)床上它通常與驅(qū)動電動機(jī)同軸聯(lián)接，屬間接式測量元件。,脈沖編碼器根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和檢測方式分類，可分為接觸式、光電式和電磁式三種。,按照編碼方式可分為絕對式編碼和增量式編碼兩種。,在數(shù)控機(jī)床上大多采用光電式增量脈沖編碼器。下面分別介紹絕對式編碼和增量式編碼的編碼器結(jié)構(gòu)及工作原理。,1、絕對式編碼器,絕對值編碼器是一種直接編碼的檢測元件，它通過讀取碼盤上的圖案來表示軸的絕對位置，沒有累積誤差，電源切除后，信息位置不丟失。從編碼器使用的計數(shù)制分，有二進(jìn)制碼、二進(jìn)制循環(huán)碼（格雷碼）、二-十進(jìn)制碼等。絕對式編碼器按結(jié)構(gòu)原理分，也有接觸式、光電式和電磁式三類。在這里以接觸式為例進(jìn)行介紹。,碼道的圈數(shù)就是二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)，若是n位二進(jìn)制碼盤，就有n圈碼道，且周圍均分為2n等分，即共有2n個數(shù)據(jù)分別表示碼盤所轉(zhuǎn)動到的不同位置。,二進(jìn)制碼盤的分辨角=360/2n,分辨率=1/2n,顯然，位數(shù)n越大，所能分辨的角度越小，測量精度就越高。若要求位數(shù)更高，則采用組合碼盤，一個粗計數(shù)碼盤，一個精計數(shù)碼盤，精計數(shù)碼盤轉(zhuǎn)一圈，粗計數(shù)碼盤依次轉(zhuǎn)一格。如果一個組合碼盤是由兩個8位二進(jìn)制碼盤組合而成的，那么便可以得到相當(dāng)于16位的二進(jìn)制碼盤，這就使測量精度大大提高，但結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜。,2、增量式編碼器,增量式編碼器俗稱脈沖編碼器，它能把被測軸的機(jī)械轉(zhuǎn)角變成脈沖信號，是數(shù)控機(jī)床上使用很廣泛的位置檢測元件。同時也作為速度檢測元件用于轉(zhuǎn)速檢測。增量式脈沖編碼器同樣也分為接觸式，光電式、電磁式三種，從精度和可靠性方面來看，光電式優(yōu)于其他兩種，數(shù)控機(jī)床上主要使用光電式脈沖編碼器。,由于增量式光電碼盤每轉(zhuǎn)過一個狹縫就發(fā)出一個脈沖信號，由此可得出如下結(jié)論：,1）根據(jù)脈沖的數(shù)目可得出工作軸的回轉(zhuǎn)角度，然后由傳動速此換算為直線位移距離。,2）根據(jù)脈沖的頻率，可得工作軸的轉(zhuǎn)速。,3）根據(jù)光欄板上兩條狹縫中信號的先后順序，可判斷工作軸的正反轉(zhuǎn)。,常用的脈沖編碼器的規(guī)格有：2000P/r、2500 P/r、3000 P/r、1024 P/r、2048 P/r等，也有高分辨率的達(dá)到20000 P/r、25000 P/r、30000 P/r等。,此外，現(xiàn)在數(shù)控機(jī)床上使用的脈沖編碼器，大多帶有零位標(biāo)志，在碼盤的里圈還有一條透光狹縫，相應(yīng)的光欄板的里圈也有一條透光狹縫，并多加一個光敏元件，每轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生一個零位脈沖信號。在進(jìn)給電動機(jī)所用的脈沖編碼器上，零位脈沖用于精確確定機(jī)床的參考點(diǎn)，而在主軸控制上則用于螺紋加工及準(zhǔn)停控制等。,謝謝觀看,/,歡迎下載,BY FAITH I MEAN A VISION OF GOOD ONE CHERISHES AND THE ENTHUSIASM THAT PUSHES ONE TO SEEK ITS FULFILLMENT REGARDLESS OF OBSTACLES.BY FAITH I BY FAITH,內(nèi)容總結(jié),主講：郭士義。（1）精度高、伺服系統(tǒng)要具有較好的定位精度和輪廓加工精度，定位精度一般為0.010.001mm，甚至0.1um。（2）快速響應(yīng)，為了提高生產(chǎn)率和保證加工精度，要求伺服系統(tǒng)跟蹤指令信號的響應(yīng)要快。這一方面要求過渡過程時間短，一般在200ms以內(nèi)，甚至小于幾十毫秒。另一方面要求超調(diào)小，否則將形成過切，影響加工質(zhì)量。在零速時，要求電機(jī)有電磁轉(zhuǎn)矩，以維持定位精度。（3）定位準(zhǔn)停功能：為了使數(shù)控車床具有螺紋切削功能，要求主軸能與進(jìn)給驅(qū)動實(shí)行同步控制。在加工中心上，為了自動換刀，還要求主軸具有高精度的準(zhǔn)停功能。（4）使用維護(hù)方便，適合機(jī)床的工作環(huán)境，成本低。顯然，位數(shù)n越大，所能分辨的角度越小，測量精度就越高。1）根據(jù)脈沖的數(shù)目可得出工作軸的回轉(zhuǎn)角度，然后由傳動速此換算為直線位移距離。謝謝觀看/歡迎下載,