数控系统位移与速度检测

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1、数控机床与编程宁波大学机械学院二0一0年第二章数控系统及工作原理第一节概述第二节数控插补原理第三节数控补偿原理第四节位移与速度检测第五节伺服驱动与控制第六节CNC装置第七节CNC系统中的可编程控制器（PLC）第五节伺服驱动与控制数控机床伺服系统属位置随动系统，又称进给伺服系统。以移动部件的直线或角位移为控制目标，以CNC装置插补输出为指令，对工作台、主轴箱、刀架等执行部件的坐标轴位移进行控制，最终获得要求的刀具运动轨迹。进给伺服系统是数控机床的关键部件，其静、动态性能决定了数控机床的精度、稳定性、可靠性和加工效率。一、概述分类：电液伺服系统电气伺服系统；开环伺服系统闭环伺服系统半

2、闭环伺服系统；步进电动机伺服系统直流伺服系统交流伺服系统相位伺服系统幅值伺服系统数字脉冲比较伺服系统全数字伺服系统现代数控机床几乎都采用电气伺服系统。CNC装置插补输出环形脉冲分配功率放大步进电动机传动与执行部件步进电动机驱动器图2-24开环伺服系统构成框图开环伺服系统的优点是结构简单、运行稳定，成本低、使用和维护方便，缺点是精度低、低速不平稳、高速扭矩小，主要用于轻载、负载变化不大或经济型数控机床上。闭环伺服系统是按误差控制的随动系统。三个控制环：电流环，速度环，位置环。理论上讲，闭环伺服系统反馈控制环内的各种机电误差都可以得到校正和补偿，系统的定位精度取决于检测装置的精度。但机

3、床结构和机械传动机构的各种非线性（摩擦特性、刚性、间隙等）都会影响自动调解的品质。只有机械系统具有较高精度和良好性能，才能保证系统的高精度和高速度。闭环系统的缺点是调试、维修较困难，故主要用于精密、大型数控设备上。半闭环伺服系统与闭环伺服系统工作原理相同，只是位置检测元件从执行件移到伺服电动机轴或机械传动机构的中间传动丝杠轴端，系统通过角位移的测量间接计算出末端执行部件的实际位移量。半闭环控制系统的性能和复杂程度介于开环和闭环系统之间。二、开环伺服系统1．步进电动机的工作原理步进电动机由转子和定子两部分组成，转子和定子均由带齿的硅钢片叠成。定子上均布有六个磁极及其绕组，在同一直径上

4、的为一相，共有三相，分别记为A、B、C，每相磁极上有齿。转子上均匀分布着40个齿，齿与齿槽宽度相等，齿间角（两相邻齿间的夹角）为9°。定子磁极的齿间角与转子的齿间角相等。如果A相齿与转子齿中心线对齐，则B相齿相对转子齿中心线逆时针方向相差1/3齿间角，C相齿相对转子齿中心线逆时针方向相差2/3齿间角。（一）步进电动机若按A-C-B-A……的顺序改变定子绕组通电状态，转子就逆时针旋转。上述两种通电方式称三相三拍或单三拍。若按A→AB→B→BC→C→CA→A……或A→AC→C→CB→B→BA→A……的顺序改变定子绕组通电状态，通电状态每改变一次，转子顺时针或转逆时针过1.5°。这种通电

5、方式称三相六拍。若按AB→BC→CA→AB……或AC→CB→BA→AC……的顺序改变定子绕组通电状态，通电状态每改变一次，转子顺时针或转逆时针过3°。这种通电方式称双三拍。2．步进电动机的主要特性（1）步距角和静态步距误差步距角是指步进电动机绕组通电状态改变一次（每给一个指令脉冲），转子理论上应转过的角度。静态步距误差是指其实际步距角与理论步距角之差。步进电动机静态步距角误差通常在±10′以内。m是定子相数；z是转子齿数；k是通电系数，由通电方式确定，m相m拍，k＝1；m相2m拍，k＝2。（2）静态矩角特性和最大静转矩矩角特性曲线上的电磁转矩的最大值称为最大静转矩Tmax。最大静转

6、矩与通电状态和绕组通电电流有关。失调角θ（3）最高启动频率最高启动频率是指空载时，步进电动机由静止突然启动并不丢步地进入正常运行状态所允许的最高指令脉冲频率。（4）最高工作频率步进电动机启动以后，在连续运行时所能接受的最高指令脉冲频率。（5）运行矩频特性步进电动机在连续运行时，输出转矩与连续运行频率之间的关系，它是衡量步进电动机连续运行时承载能力的动态指标。fMfM3．步进电动机的类型按相数分:按结构分:按工作原理分：径向分相式轴向分相式。反应式永磁式永磁感应子式（混合式）三、四、五、六相等（二）步进电动机驱动器1．环形脉冲分配器将CNC装置插补输出的进给指令脉冲，按步进电动机的绕

7、组通电方式，按规定的顺序分配给各绕组，作为绕组通电的控制脉冲。软件脉冲分配器：CNC装置输出接口的一位对应步进电动机绕组的一相，通过对输出接口置“1”和清“0”来实现脉冲的输出，脉冲分配规律则通过软件逻辑实现。硬件脉冲分配器：以D触发器或JK触发器为主加分立元件构成逻辑电路；用专用的集成环形脉冲分配器，外配分立元件构成；目前广泛采用集成环形脉冲分配器。集成环形脉冲分配器集成度高、功能强、可靠性好、可编程。在启动和停止阶段应进行加减速控制，使控制步进电动机的脉冲频率平滑