第四章 进给运动的控制

4.2 开环数控系统进给运动控制
二.步进电动机的选择
(一)步进电动机的特点 将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的控制电动机。 1)送给步进电动机定子绕组一个电流脉冲，其转子就转过了一 个角度，并称之为步距 。 2)有脉冲就走，无脉冲则停。 3)脉冲数增加，角位移随之增加。 4)脉冲频率越高，电动机转速越高；反之则低。 5)脉冲频率变化太快，会引起失步或过冲。 6)改变相序就可以改变转向7)步进形式运行8)脉冲电源 9)精度较高无累积误差。
4.2 开环数控系统进给运动控制
(二)脉冲分配 也称为环形分配器。 脉冲分配方法有硬件和软件两种形式， 硬件脉冲分配形式又可分为触发器法和专用集成电路法。 软件脉冲分配形式又分查表法、比较法、移位法等。
4.2 开环数控系统进给运动控制
1.硬件分配—逻辑电路与触发器实现
QA = XQB + XQC QB = XQC + XQA QC = XQA + XQB
4.2 开环数控系统进给运动控制
(二)步进电动机的分类 其分类方式也很多。按其转矩产生的原理可分为反应式(磁阻式)、 永磁式、水磁感应式(混合式)步进电动机； 还有其他分类：按运动方式、相数，结构、功率、频率等分类。 1．反应式步进电动机 制造简单，价格便宜， 步进电动机在结构上也分为定子和转子两部分，其中定子又可分为 定子铁心和定子绕组。定转子铁心上均匀分布有齿。 反应式步进电动机的显著特点，1)控制方便 2)气隙小 3)步距角小 4) 励磁电流大,效率低。 5)电动机内部阻尼较小，当相数较少时，单步运行振荡时间较长。 6)带惯性负载能力差，尤其在高频时容易失步。 7)断电后无定位转矩。
4.1 概述
2.对伺服系统的基本要求:
1) 位移精度高 伺服系统的精度是指输出量跟随输入量的精确程度。伺服系 统的位移精度是指指令脉冲要求机床工作台进给的位移量和该指 令脉冲经伺服系统转化为工作台实际位移量之间的符合程度。两 者误差愈小，位移精度愈高。 2) 稳定性好 稳定性是指系统在给定外界干扰作用下，能在短暂的调节过 程后，达到新的或者恢复到原来平衡状态的能力。要求伺服系统 具有较强的抗干扰能力，保证进给速度均匀、平稳。稳定性直接 影响数控加工精度和表面粗糙度。
4.2 开环数控系统进给运动控制
(三)步进电动机选择 1．步距角(θ)的选择
通常情况下，首先根据负载性质、最高进给速度等条件选 定步进电动机类型。 然后根据系统精度、数据处理的字长、机床行程等确定δ 和机械传动系统的一些参数如h等。
4.2 开环数控系统进给运动控制
2．最大静态转矩(Mjmax)的选择 负载力矩为：
X=1,正转 X=0,反转 X
专用芯片--CH250,工作于三相单三拍、双三拍、单双六拍的方式； 缺点：对不同种类、相数和不同分配方式选用不同芯片，不方便。
4.2 开环数控系统进给运动控制
2.软件分配— 查表法
指针一1
4.2 开环数控系统进给运动控制
3．速度控制 在开环进给系统中，对进给速度的控制就是对步进电动机速度的 控制。 硬件环分，只要控制CP的频率，就可控制步进电动机的速度。 软件环分，只要控制相邻两次软件环形分配器输出状态之间的时 间间隔，也就是控循环流程中延时时间的长短： 4．自动升降速控制 由于进给状态的变化，要求步进电动机能够实现起动、停止或改 变运行速度，必须按一定规律完成一个升速或降速的过程。
关于数学模型的详细说明： 1)图4—16和图4—17所示跟随误差正实际上就是指令位置X与实际位 置XF的差。 2) K为整个系统的开环增益，K由四部分构成： 软件增益、数模转换系数、伺服装置的放大倍数、位置传感器的 转换系数： 3)伺服驱动装置简化为一个惯性环节 1/(TS+1) ，书上第7)条说明。 (当需要考虑伺服装置超调振荡特性、计算机内部D／A转换以 及驱动死区特性时，情况比较复杂。见式4-12) 4)积分环节描述了伺服驱动输出的速度量经位置反馈计数转换成为位 置量的过程。 5)间隙非线性环节描述了典型的机械传动反转间隙对整个系统的影 响。 6)最后一个环节，描述了机械传动机构的动力学模型。
4.2 开环数控系统进给运动控制
在计算机控制的步进系统中， 只要按一定规律改变延时子程序中 延时常数的大小或定时器中定时常 数的大小，即可完成步进电动机速 度的改变。 步进电动机自动升降速方法又 分定时法和定步法两种。 定时法：按一定时间间隔改变脉冲 频率以实现加减速。 定步法：按一定的步数间隔改变脉 冲频率实现加减速。
4.3 闭环数控系统进给运动控制分析
一、闭环位置控制系统
(一)闭环位置控制的概念 数控系统位置控制的任务是准确控制数控机床各坐标轴的位置。
4.3 闭环数控系统进给运动控制分析
(二)闭环位置控制的实现
4.3 闭环数控系统进给运动控制分析
二、位置控制回路的数学模型
4.3 闭环数控系统进给运动控制分析
然后依下式选择步进电动机的最大静态转矩
3．起动频率(fst)的选择 由于步进电动机带负载起动时其起动频率会降低，所以首先应 计算电动机轴上的等效负载惯量。 并按式4-7、4-8确定fst。 4．最高连续运行频率(fmax)的选择 根据机床工作台的最高运行速度，按式(4—2)即可选取fmax的大小.信号连接
4.2 开环数控系统进给运动控制
4.2 开环数控系统进给运动控制
四、步进电动机控制
(一)步进电动机驱动电路 步进电动机对驱动电路的要求： 1)能提供幅值足够、前后沿较好 2)功耗小，转换效率高。 3)能长时间稳定可靠运行。 4)成本低且易于维护。 常用的几种类型 1)串电阻型基本驱动电路2)高低压双电源型 驱动电路。3)单电源恒流斩波型电路4) 高低压双电源恒流斩波电路; 5)调频调压驱动电路。6)细分控制驱动电路
第四章 进给运动的控制
概述 开环进给运动控制 闭环进给动运控制 闭环进给驱动信号连接 进给运动控制参数设置、传感器、误差
4.1 概述
一、进给伺服驱动装置的控制性能 1.伺服系统的类型 数控机床用伺服驱动装置分为 开环和闭环两大类。闭环型驱动按 位置检测的方式可分为闭环和全闭 环两种。 开环控制采用步进电动机作为 驱动元件，没有位置反馈回路和速 度控制回路，设备投资低，调试维 修方便。但进给速度和精度较低。 用于低档数控床及普通机床改造。
4.2 开环数控系统进给运动控制
五、开环进给系统精度分析
(一)精度分析 影响工作台位移精度的主要因素 1)步进电动机的步距误差。 2)步进电动机的动态误差。 3)步进电动机的起停误差。 4）齿隙误差。 5)滚珠丝杠的螺距累积误差。 6)机械部件的受力变形和热变形误差。 7)工作台导轨的误差。
4.2 开环数控系统进给运动控制
4.1 概述
闭环型采用直流或交流伺服电动机驱动。 半闭环位置检测方式一般将位置检测元件安装在电动机轴上 用以精确控制电动机的角度，然后通过滚珠丝杠副等传动机构， 将角度转换成工作的直线位移。 在精度要求适中的中小型数控机床上，半闭环控制得到了广 泛应用。 全闭环方式是直接从机床的移动部件上获取位置实际移动 值，因此其检测精度不受机械动精度的影响。 全闭环控制被大量应用在精度要求较高的大型数控机床上。
4.2 开环数控系统进给运动控制
一、开环系统控制原理
1.工作台位移量的控制
进给脉冲的 数量N 步进定子绕组 通电状态变化 次数N 电动机转 子角位移 机床工作 台位移量L
据此可很快推得开环系统的脉冲当量(一个进给脉冲对应 的工作台位移量)δ (mm/脉冲)为 δ =θh/360i θ——步进电动机步距角(。)； h——滚珠丝杠螺距(nm)； i——减速齿轮的减速比。
驱动控制 线路
工作台
4.2 开环数控系统进给运动控制
2．工作台进给速度控制 进给脉冲频率f →定子绕组通电断电状态的变化频率f →步进电动 机转速ω →工作台的进给速度v(mm/min)。 v=60δf (4-2)
f——输入到步进电动机的脉冲频率(脉冲／s)。 3．工作台运动方向的控制 改变步进电动机输入脉冲信号的循环顺序方向，使步进电动机 实现正转和反转，相应地，工作台进给方向就被改变。
4.3 闭环数控系统进给运动控制分析
三、定位过程的误差分析
系统为典型的I型系统， 因此不存在位置定位稳态误 差。 ·结论： 1)要想取得较高的位置增 益，驱动装置快速性要好。 即T要短。 2)KT=0.2-0.3比较合适， 要配合。实现小超调，快速 性。 3)在定位过程中会有跟随误 差。(v/K)
五、开环进给系统精度分析
(二)提高精度的几个措施 改善各个环节、步进电机、传动副、减小传动间隙。 1．从驱动电路入手 1）细分驱动 将一个步距角细分成若干点步的驱动方式称细分驱动。 特点：在不改动电动机结构参数的情况下，使步距角减小。 要实现细分，需将绕组中的矩形电流波改成阶梯电流波。 2）调频调压—减弱低频振荡 2．从软件入手 ：用软件对齿隙，螺距误差进行补偿。 3．从控制原理方面入手：增设工作台位置检测装置，根据偏 差补偿。
4.1 概述
2.对伺服系统的基本要求:
3) 快速响应快 快速响应是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统跟 踪精度。机床进给伺服系统实际上就是一种高精度的位置随动系 统，为保证轮廓切削形状精度和低的表面粗糙度，要求伺服系统 跟踪指令信号的响应要快，跟随误差小。 4) 调速范围宽 调速范围是指生产机械要求电机能提供的最高转速和最低转 速之比。在数控机床中，由于所用刀具、加工材料及零件加工要 求的不同，为保证在各种情况下都能得到最佳切削条件，就要求 伺服系统具有足够宽的调速范围。 5)低速大扭矩 要求伺服系统有足够的输出扭矩或驱动功率。机床加工的特 点是，在低速时进行重切削。因此，伺服系统在低速时要求有大 的转矩输出。
4.1 概述
二、电气伺服驱动系统
现在机床全部采用了全电气伺服驱动系统，分为步进、直流、交流 电动机三类。 1.步进驱动系统 步进驱动系统一般与脉冲增量插补算法相配合，主要有反应式和 混合式两类; 三相细分混合式步进电动机驱动器逐渐得到广泛使用. 1)采用交流伺服控制原理，电动机低速运行平稳，无共振区，噪声小。 2)具有细分、半流、掉电相位记忆等功能 3)驱动器功放级直接220V交流输入，高速时具有较高转矩。 4)具有短路、过电压、欠电压、过热等完善的保护功能。 步进驱动终将被交流伺服系统所取代。