数控原理与数控机床（机工版）——第5章 数控机床进给运动的控制.ppt

第五章 数控机床进给运动的控制 5.1概述 5.2步进驱动及开环进给控制 5.3直流伺服驱动系统 5.4交流伺服驱动系统 5.1概述5.1.1 数控机床对进给伺服系统的要求 （1）调速范围宽，进给速度范围要大。 （2）位移精度要高。 （3）快速响应特性好，跟随误差要小，即伺服系统的速度响应要快。 （4）工作稳定性高，可靠性好。 （5）低速大转矩 （6）高性能电动机 5.1.2进给伺服伺服系统的组成 1.进给伺服系统的作用 进给伺服系统是以移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系 统。 伺服系统是数控装置和机床主机的联系环节，它用于接收数控装置插 补器发出的进给脉冲或进给位移量信息，经过一定的信号转换和电压、功 率放大，由伺服电机和机械传动机构驱动机床的工作台等，最后转化为机 床工作台相对于刀具的直线位移或回转位移。 2.进给伺服系统的组成 数控机床的伺服驱动系统按有无反馈检测单元分为开环和闭环两种 类型(见进给伺服系统分类)，这两种类型的伺服驱动系统的基本组成不完 全相同。但不管是哪种类型，执行元件及其驱动控制单元都必不可少。驱 动控制单元的作用是将进给指令转化为驱动执行元件所需要的信号形式， 执行元件则将该信号转化为相应的机械位移。伺服系统一般由位置控制单 元、速度控制单元、驱动元件(电机)、检测与反馈单元、机械执行部件等 组成。例如图5.1所示为典型闭环伺服系统的一般组成。 5.1.3进给伺服系统的分类 1.按有无检测元件和反馈环节分类 （1）开环伺服系统 开环伺服系统（如图5.1所示）只有指令信号的前向控制 通道，没有检测反馈控制通道，其驱动元件主要是步进电机。 这种系统工作原理是将指令数字脉冲信号转换为电机的角度位 移。实现运动和定位，主要靠驱动装置（既驱动电路）和步进 电机本身保证。转过的角度正比于指令脉冲的个数；运动速度 由进给脉冲的频率决定。 5.1.3进给伺服系统的分类 （2）半闭环伺服系统 位置检测元件装在电机轴端或丝杠轴端，如图5.2所示。 半闭环系统通过角位移的测量间接计算出工作台的实际位移 量。机械传动部件不在控制环内，容易获得稳定的控制特性。 只要检测元件分辨率高、精度高，并使机械传动件具有相应的 精度，就会获得较高精度和速度。半闭环控制系统的精度介于 开环和全闭环系统之间。精度虽没有闭环高，调试却比全闭环 方便，因此是广泛使用的一种数控伺服系统。 5.1.3进给伺服系统的分类 （3）闭环伺服系统 闭环系统是误差控制随动系统。数控机床进给系统的控制量是CNC输 出的位移指令和机床工作台（或刀架等）实际位移的差值（误差）。因此 需要有位置检测装置。该装置放在工作台上，测出各坐标轴的实时位移量 或者实际所处位置，并将测量值反馈给CNC装置，与指令进行比较，求得 误差，CNC装置控制机床向着消除误差的方向运动。在闭环控制中还引入 了实际速度与给定速度比较调解的速度环（其内部有电流环），作用是对 电机运行状态实时进行较正、控制，达到速度稳定和变化平稳的目的，从 而改善位置环的控制品质。这种既有指令的前向控制通道，又有测量输出 的反馈控制通道，就构成了闭环控制伺服系统，如图5.3所示。 5.2步进驱动及开环进给控制 5.2.1步进电动机的工作原理 5.2.2步进电动机的驱动电源 5.2.3步进电动机的进给控制 5.2.4步进电动机的主要特性及其选择 5.2.1步进电动机的工作原理 一、步进电机的概念 步进电动机：是一种将电脉冲信号转换成机械角位移的驱动 元件。给一个电脉冲信号，步进电动机回转一个固定的角 度，称为一步，所以叫做步进电动机（也称为脉冲电动 机）。 二、开环控制系统 三、三相步进电机的工作原理 1.结构 2.工作原理 步距角（θS）：步进电机每步转过的角度称为步距角。 （1）三相单三拍控制（θS=30°） 三相：指定子有三相绕组A、B、C； 单：指每次只有一相绕组通电； 拍：指从一种通电状态转变为另一种通电状态； “三拍”是指每三次换接为一个循环。 （2）三相单、双拍（六拍）控制（θS=15°） （3）三相双三拍控制（θS=30°） 双：指每次有两相绕组通电。 通电顺序为： 正转：AB→BC→CA→AB（逆时针方向） 反转：AC→CB→BA→AC（顺时针方向） 齿距角（θt）： 步距角（θS）： 式中：m为电动机定子的相数，Zr为转子的齿数，k为与通 电系数有关的参数，单拍或双拍时k=1，单、双拍时k=2。 （4）小步距角三相反应式步进电机 单三拍运行方式： θS=360°/（3×40）=3° 单、双拍运行方式：