数控系统及伺服驱动系统

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1、数控技术CNC控制系统§5-1概述§5-2检测装置§5-3步进电动机及其驱动系统§5-4伺服电机及其速度控制§5-5主轴驱动§5-6位置控制主轴电机伺服电机刀库刀具定位电机机械手旋转定位电机带制动器伺服电机加工中心§5-1系统结构控制系统组成直观分为三部分：CNC装置电控箱安装与机械本体部分的控制部件CNC装置控制系统硬件结构按功能结构分：CNC系统伺服控制器主轴控制器IO控制用户接口XYZ伺服马达主轴主电路继电器按钮报警器限位开关鼠标键盘等伺服驱动系统（ServoSystem)CNC系统驱动电机检测装置控制信号反馈信号光栅尺伺服驱动系

2、统一、数控机床伺服系统的定义伺服系统是一种以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。CNC装置是数控机床的“大脑”，“指挥机构”伺服系统是数控机床的“四肢”，“执行机构”。伺服系统的组成检测装置：感应同步器、旋转变压器、光栅、脉冲编码器等。电机及其控制器：三、数控机床对伺服系统的要求高精度要求定位准确（定位误差持别是重复定位误差要小），跟随精度高（跟随误差小）。一般定位精度要求达到mm级，高的达0.01~0.005mm。灵敏度高，响应快提高生产率和保证加工质量，一般电机升降速过渡过程，时间在0.2s以下。另外，当负载突变时，要求速度的

3、恢复时间短，且无振荡，这样才能得到光滑的加工表面。调速范围宽保证在任何情况下都能得到最佳切削条件和加工质量，一般要求调速范围：最低转速/最高转速=1/1000~1/10000，且通常是无级调速。低速大转矩一般是在低速进行重切削，所以在低速时进给驱动要有大的转矩输出。可靠性高对环境的适应性强，性能稳定，使用寿命长。二、数控机床伺服系统的分类按伺服系统控制方式分开环系统步进电机，无位置反馈，投资低，精度低闭环系统直接测量实际位移进行反馈，精度高半闭环系统间接测量位移进行反馈，精度低于闭环§5-2检测装置性能指标系统精度：是指在一定长度或转角

4、内测量积累误差的最大值，如±0.002～0.02mm/m，±10"/360°等。系统分辨率：是测量元件所能正确检测的最小位移量，如目前直线位移的分辨率为0.001～0.01mm。角位移分辨率为2"。检测装置是伺服系统的重要组成部分。作用检测位置和速度，发送反馈信号，构成闭环或半闭环，对驱动装置进行控制。要求工作可靠，抗干扰能力强满足精度、分辨率、测量范围使用维修方便、成本低检测装置的分类按检测信号分：数字式、模拟式按测量基准分：增量式、绝对式按安装位置关系分：直接测量、间接测量按信号类型分：光、磁、电常见检测装置一、光栅尺光栅尺属于光学

5、元件，是一种高精度的位移传感器。1.光栅尺的种类透射光栅反射光栅封闭式光栅开放式光栅增量式光栅绝对式光栅光栅检测装置基本结构示意图2.直线透射光栅（1）组成光栅检测装置的结构透射光栅010,00,11,01,1反射光栅（2）直线透射光栅的工作原理由于挡光效应和光的衍射，在与线纹几乎垂直方向上，会出现明暗交替、间隔相等的粗大条纹，称为“莫尔条纹”。莫尔条纹的特点放大作用莫尔条纹纹距B与光栅节距w和倾角θ之间的关系：光栅横向移动一个节距w，莫尔条纹正好沿刻线上下移动一个节距B，用光电元件检测莫尔条纹信号的变化就可以测量光栅的位移。例：当w=

6、0.01mm，θ=0.01red，则B=1mm，将栅距放大100倍的莫尔条纹宽度。由于θ很小，因此22sin/qw=BqwµB光栅尺横向莫尔条纹及其参数22sin/qw=BB2B均化误差作用莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成的，栅距之间的相邻误差被均化。短光栅的工作长度愈长,这一均化误差的作用愈显著。莫尔条纹的特点（续）：（5）光栅特点优点：1）精度高测直线：精度0.5-3mm，分辨率0.1mm2）易实现动态测量和自动化测量3）较强的抗干扰能力缺点：1）对环境要求高，怕振动，怕油污2）高精度光栅制作成本高目前多用于精密定位的数控机床，数

7、显机床中也应用较多。二、编码器一种旋转式的检测角位移的传感器。将角位移用数字(脉冲)形式表示，故又称脉冲编码器。广泛应用于NC机床的位置检测，也常用它作为速度检测元件。1、编码器分类按码盘信号的读取方式可分为：光电式、接触式和电磁式以光电式的精度和可靠性最好，NC机床常用光电式编码器按测量坐标系又可分为：增量式和绝对式按每转发出的脉冲数分为：高分辨率20000-30000p/r普通分辨率2000-3000p/r2.增量式光电脉冲编码器（1）组成由光源、聚光镜、光电盘、光栏板、光敏元件(光电管)、整形放大电路和数字显示装置等组成。光电编码

8、器在旋转工作台上的安装（2）工作原理光电盘按装在被测轴上，随主轴一起转动。光电盘转动时，光电元件把通过光电盘和光栏板射过来的忽明忽暗的光信号(近似于正弦信号)转换为电信号，经整形、放大等电路的变换后变成脉冲