进给-数控机床电气控制

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半闭环位置检测方式一般将位置检测元件安装在电动机的轴上(通常已由电动机 生产厂家装好),用于精确控制电动机的角度,然后通过滚珠丝杠等传动机构,将 角度转换成工作台的直线位移。
全闭环方式直接从机床的移动部件上获取位置的实际移动值,因此其检测精度不 受机械传动精度的影响。
混合闭环方式采用半闭环与全闭环结合的方式。它利用半闭环所能达到的高位置 增益,从而获得了较高的速度与良好的动态特性。它又利用全闭环补偿半闭环无法 修正的传动误差,从而提高了系统精度。混合闭环方式适用于重型、超重型数控机 床,因为这些机床的移动部件很重,设计时提高刚性较困难。
第4章
4.1.3位置伺服驱动系统的开环、闭环控制
位置伺服驱动系统分为开环和闭环控制两类。开环控制采用步进电动机作为驱动 元件。由于它没有位置反馈控制回路和速度反馈控制回路,从而简化了线路,因此 设备投资低,调试维修都很方便。但它的进给速度和精度都较低,一般应用于中、 低档数控机床及普通的机床改造。闭环驱动按位置检测的方式可分为半闭环、全闭 环和混合闭环三种。闭环驱动采用直流或交流伺服电动机驱动。
第4章
4.2.1步进电动机
2.步进电动机的工作原理及主要技术特性 (2)步进电动机的主要技术特性
(1)步进电动机的工作原理
步距误差
起动频率
矩频特性与动态转矩
图4-1 三相反应式步进电动机的工作原理图
图4-3 步进电动机的矩频特性 连续运行频率
第4章
4.2.2步进驱动控制基础
1.环形脉冲分配器 (1)硬件环分器
2.功率驱动器
步进电动机的功率驱动器又称功率放大电路,其作用是将来自环形分配器的脉冲信号进行功率放大。功 率放大电路的控制方式种类较多,常使用单电压驱动、高低压切换驱动、恒流斩波驱动、调频调压驱动 等。所采用的功率半导体元件可以是大功率晶体管GTR,也可以是功率场效应晶体管MOSFET或可关断 晶闸管GTO。图4-7(a)所示为恒流斩波驱动电路。它的工作原理是,将环形脉冲分配器输出的脉冲作 为输入信号,若为正脉冲,则V1、V2导通,由于U1电压较高,绕组回路又没串联电阻,所以绕组中的电 流迅速上升。当绕组中的电流上升到额定值以上某个数值时,由于采样电阻R e的反馈作用,经整形、放 大后送至V1的基极,使V1截止。接着绕组由U 2低压供电,绕组中的电流立即下降,但刚降到额定值以 下时,由于采样电阻Re的反馈作用,使整形电路无信号输出,此时高压前置放大电路又使V1导通,电流 又上升。如此反复进行,形成一个在额定电流值上下波动呈锯齿状的绕组电流波形,近似恒流,如图4-7 (b)所示。锯齿波的频率可通过调整采样电阻Re和整形电路的电位器来改变。
1.数控机床检测装置的要求 (1)工作可靠,抗干扰性强。 (2)满足精度和速度要求。 (3)使用维护方便,适合机床运行环境。 (4)经济性好。
2.检测装置的分类 (1)数控系统中的检测装置按被检测的物理量分为位移、速度和电流三种 类型。 (2)按安装的位置及耦合方式分为直接测量和间接测量两种。
第4章
状态;管脚CL、EN为进给脉冲输入端:若EN=1,
进给脉冲接CL,脉冲上升沿使环形分配器工作, 图4-5 集成芯片的引脚图和三相
若CL=0,进给脉冲接EN,脉冲下降沿使环形 六拍接线图
分配器工作,否则环形分配器状态锁定;管脚 J3r、J3L、J6r、J6L为三拍或六拍工作方式的 控制端;管脚UD、US为电源端。
(2)软件环分器
图4-5(b)所示为三相六拍工作方式, 进给脉冲CP的上升沿有效。方向信号 为1则正转,为0则反转。
CNC装置直接控制步进电动机各绕组的通、断电。不同种类、不同相数、不同通
电方式的步进电动机,用软件环分驱动只需编制不同的程序,将其存入CNC装置
的EPROM中即可。
第4章
4.2.2步进驱动控制基础
第4章
4.3.2光栅传感器
光栅传感器是数控机床检测系统中常用的位移或转角测量装置 。 1.光栅传感器的工作原理 (1)光栅的类型 直线光栅(长光栅):在一块长条形的玻璃表面上制成透 明与不透明间隔相等的条纹或在一块长条型的金属的镜面上制成全反射与漫 反射间隔相等的条纹,称为直线光栅。光栅上栅线的宽度为a,线间宽度为b, 一般取a=b,而W=a+b,W称为光栅栅距。如图4-12所示。
4.2步进电动机及其驱动控制第4章
4.2.1步进电动机
2.步进电动机的工作原理及主要技术特性
当A相通电时,转子的1号、3号两齿在磁场力的作用下与 AA磁极对齐。此时,转子的2号、4号齿和B相、C相绕组 磁极形成错齿状。当A相断电而B相通电时,新磁场力又 吸引转子2号、4号两齿与BB磁极对齐,转子顺时针转过 30°。如果控制线路不断地按A→B→C→A的顺序控制步 进电动机绕组的通、断电,步进电动机的转子便会不停地 顺时针转动。很明显,A、B、C三相轮流通电一次,转子 的齿移动了一个齿距=90°。
图4-4 硬件环分驱动与数控装置的连接图
第4章
4.2.2ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ进驱动控制基础
1.环形脉冲分配器 (1)硬件环分器
图4-5所示为国产CMOS脉冲分配器CH250集
成芯片的引脚图和三相六拍接线图。图4-5(a)
中,管脚A、B、C为相输出端;管脚R、R*用于
确定初始励磁相:若为10,则为A相,若为01,
则为A、B相,若为00,则为环形分配器工作
4.3.1 概述
(3)按测量方法分为增量式和绝对式两种。 增量式检测方法只测量位移的增量,每移动一个测量单位就
发出一个测量信号。其优点是检测装置简单,任何一个终点都 可以作为测量起点。
绝对值测量方式可以避免上述缺点,被测量的任何一点位置 都以一个固定的零点作为基准,每一被测点都有一个相应的测 量值。采用这种方式,分辨率要求愈高,结构也愈复杂。 (4)按检测信号的类型分为模拟式和数字式两种 。 (5)按信号转换方式可分为光电效应、光栅效应、电磁感应、压 电效应、压阻效应和磁阻效应等类检测装置。 (6)按运动方式分为旋转型和直线型检测装置。
图4-9 KT350步进电动机驱动器的外形及接口图 图4-10 拨动开关示意图
第4章
4.2.3 步进电动机驱动器及应用
图4-11所示为混合式步进电动机驱动器的典型接线图。
图4-11 混合式步进电动机驱动器的典型接线图
第4章
4.3数控机床位置传感器
4.3.1 概述
检测装置是数控机床的重要组成部分。检测装置起着测量和反馈两个作 用。在闭环控制系统中,检测装置发出的反馈信号,送回计算机或专用控制 器,与设定值相比较,若有偏差,经放大后控制执行部件正确运转,直至偏 差消除为止。
第4章
第4章数控机床进给运动的控制
❖ 4.1 概述 ❖ 4.2 步进电动机及其驱动控制 ❖ 4.3 数控机床位置传感器 ❖ 4.4直流伺服进给电动机及其驱动控制 ❖ 4.5交流伺服进给电动机及其驱动控制 ❖ 4.6数控机床伺服系统
第4章
4.1概述
4.1.1 进给伺服系统
数控系统所发出的控制指令,是通过进给伺服系统驱动机械执行部件, 最终实现精确的进给运动的,因此,进给伺服系统实际上是一种高精度的 位置跟踪与定位系统。它的性能决定了数控机床的许多性能,如最高移动 速度、轮廓跟随精度、定位精度等等。一般对进给伺服系统有如下要求:
第4章
4.2步进电动机及其驱动控制
4.2.1步进电动机
1.步进电动机的基本类型 根据电动机的结构与材料的不同,步进电动机分为反应式(VR)、永 磁式(PM)和混合式(HB)三种基本类型。数控机床常采用功率型反 应式或混合式步进电动机,功率型步进电动机可以直接驱动较大的负载。
2.步进电动机的工作原理及主要技术特性 (1)步进电动机的工作原理 图4-1所示为三相反应式步进电动机 的工作原理图。在定子上有六个磁极,分别绕有A、B、C三相绕组, 构成三对磁极,转子上有四个齿。当定子绕组按顺序轮流通电时, A、B、C三对磁极就依次产生磁场,对转子上的齿产生电磁转矩, 并吸引它,使它一步一步地转动。具体过程如下:
图4-7 恒流斩波驱动电路及电流波形图
第4章
4.2.2步进驱动控制基础
2.功率驱动器
SLA7026M是由图4-7所示原理构成的集成斩波恒流功率放大芯片之一。图4-8是一个实际使 用SLA7026M模块组成的四相步进电动机驱动电路。其中:A、B、C、D是相控制信号输入端; 经分压电阻R 2、R3得到的控制信号U REF由芯片的REFA、REFB端输入;R5、R6是绕组电 流采样电阻(1Ω),分别接在RSA、RSB端,控制绕组电流;功率输出端OUTA、OUTA、 OUTB、OUTB分别接到步进电动机的A、B、C、D四极上;VZ是稳压管,用来防止输入电压 超过额定值而损坏芯片和电动机。该芯片的最大输出电流为2A,可直接连接驱动小功率电动 机。对于数控机床所用的较大功率的步进电动机,可在芯片输出端接大功率管以扩展输出电 流和功率。
图4-12 光 栅刻线
图4-13 莫尔 条纹
第4章
4.3.2光栅传感器
第4章
4.1.2 伺服驱动系统分类
早期的数控机床采用电液伺服驱动的较多,而现代数控机床基本上都采用 全电气伺服驱动系统。它可分为步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动 机伺服驱动系统三大类。
1.步进驱动系统一般与脉冲增量插补算法相配合,目前均选用功率型步进电 动机作为驱动元件。步进驱动系统在我国经济型数控领域和老式机床改造中 起到了极其重要的作用。 2.直流伺服驱动系统从20世纪70年代到20世纪80年代中期,在数控机床领域占 据主导地位。此类电动机大多配有晶闸管全控或半控桥SCR-D调速装置。为适 应部分数控机床(如钻床、冲床等)频繁起动、制动及快速定位要求,又开发了 直流中小惯量伺服电动机以及大功率晶体管脉宽调制(PWM)驱动装置。 3.交流伺服驱动系统应用于进给驱动的交流伺服电动机有交流同步电动机与异 步电动机两大类。由于数控机床进给驱动的功率一般不大(数百至数千瓦), 而交流异步电动机的调速指标一般不如交流同步电动机,因此大多数进给伺服 系统采用永磁式交流同步电动机。
图4-4所示为硬件环分驱动与数控装置的连接图。图中环形脉冲分配器的输入、输 出信号一般均为TTL电平,输出信号为高电平,则表示相应的绕组通电,反之则失电。 CLK为数控装置所发脉冲信号,每个脉冲信号的上升或下降沿到来时,输出则改变一 次绕组的通电状态;DIR为数控装置发出的方向信号,其电平的高低即对应电动机绕组 通电顺序的改变(转向的改变);FULL.HALF用于控制电动机的整步或半步(即三拍或 六拍)运行方式,一般情况下,根据需要将其接在固定电平上即可。
图4-8 四相步进电动机驱动电路图
第4章
4.2.3 步进电动机驱动器及应用
图4-9为KT350步进电动机驱动器的外形及接口图。其中接线端子排A、A、B、B、C、C、D、D、E、E接 至电动机的各相;AC为电源进线,用于接50Hz、80V的交流电源,端子G用于接地;连接器CN1为一个9芯连 接器,可与控制装置连接。RPW、CP为两个LED指示灯;SW是一个四位拨动开关,用于设置步进电动机的 控制方式。 图4-10为拨动开关示意图,其中第1位用于脉冲控制模式的选择,OFF位置为单脉冲控制方式,ON位置为 双脉冲控制方式;第2位用于运行方向的选择(仅在单脉冲方式时有效),OFF位置为标准运行,ON位置为 单方向运行;第3位用于整.半步运行模式选择,OFF位置时,电动机以半步方式运行,ON位置时,电动机以 整步方式运行;第4位用于运行状态控制,OFF位置时,驱动器接受外部脉冲控制运行,ON位置时,自动试 机运行(不需外部脉冲)。
(1)精度高。伺服系统要具有较好的静态特性和较高的伺服刚度,从而达到 较高的定位精度,以保证机床具有较小的定位误差与重复定位误差。 (2)快速响应,无超调。为了提高生产率和保证加工质量,在起、制动时, 要求加速度足够大,以缩短伺服系统的过渡过程时间,减小轮廓过渡误差。
(3)调速范围宽。在数控机床中,由于所用刀具、被加工材料、主轴转速 以及进给速度等加工工艺要求各有不同,为保证在任何情况下都能得到最佳 切削条件,要求进给驱动系统必须具有足够宽的无限调速范围(通常要大于 1∶10000)。
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