数控系统及伺服驱动系统

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
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§ 5-1 系统结构
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 主轴电机
伺服电机
数控系统及伺服驱动系加统工中心
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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
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CNC装置
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控制系统硬件结构
➢ 按功能结构分：
伺服控制器
CNC系统
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
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/r
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2. 增量式光电脉冲编码器
➢ 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。
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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
性能指标
系统精度：是指在一定长度或转角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"。
（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。
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光电编码器在旋转工作台上的安装
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（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 换后变成脉冲信号，通过计算脉冲的数目，即可测出工作轴 的转角，并通过数显装置进行显示。通过测定计数脉冲的频 率，即可测出工作轴的转速。
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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0.01~0.005 mm。
➢ 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， 要求速度的恢复时间短，且无振荡，这样才能得到光滑的加 工表面。
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
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§ 5-2 检测装置
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，
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பைடு நூலகம்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
装常 置见
检 测
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一、光栅尺
光栅尺属于光学元件，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
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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：
B
=
w
/
q
2sin
由于θ很小，因此
2
B
w
q
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 = 0.01mm， θ= 0.01 red， 则 B = 1mm，将栅距放大100倍的莫尔条纹宽度。
限位开关
鼠标键盘等
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伺服驱动系统（Servo System)
控制信号
CNC系统
驱动电机
反馈信号
检测装置
伺服驱动系统
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光栅尺
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：
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2B
B
光栅尺横向莫尔条纹及其参数
B
=
w
/
q
2sin
2
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莫尔条纹的特点（续）：
➢ 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。
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（5）光栅特点 ➢ 优点：
增量式光栅 绝对式光栅
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2. 直线透射光栅 （1）组成
光栅检测装置基本结构示意图
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透射光栅
光栅检测装置的结构 数控系统及伺服驱动系统
反射光栅
0
1
1,1
0,0 0,1 1,0
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（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” 。
1）精度高 测直线：精度 0.5-3mm，分辨率 0.1mm 2）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，数显机床中也 应用较多。
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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。