數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)控制與檢測(cè)概述課件

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),*,模塊二 數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)控制與位置檢測(cè),主講：郭士義,制作：王天予,概述,2.1,主軸驅(qū)動(dòng),2.3,進(jìn)給驅(qū)動(dòng),2.2,檢測(cè)元件,2.4,2.1,概述,2.1.1,伺服系統(tǒng)的基本概念,2.1.2,對(duì)伺服系統(tǒng)的基本要求,2.1.3,伺服控制系統(tǒng)的分類(lèi),2.1.1,伺服系統(tǒng)的基本概念,在數(shù)控機(jī)床中，伺服系統(tǒng)是以機(jī)床的移動(dòng)部件（如工作臺(tái)）的位置和速度作為控制量的自動(dòng)控制系統(tǒng)它又稱(chēng)為隨動(dòng)系統(tǒng)或伺服機(jī)構(gòu)CNC控制器經(jīng)過(guò)插補(bǔ)運(yùn)算生成的進(jìn)給脈沖或進(jìn)給位移量指令輸入到伺服系統(tǒng)，由伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)機(jī)械執(zhí)行部件，帶動(dòng)機(jī)床工作臺(tái)的位移和主軸的運(yùn)動(dòng)伺服系統(tǒng)作為數(shù)控機(jī)床的重要組成部分，其本身的性能直接影響了整個(gè)數(shù)控機(jī)床的精度和速度等技術(shù)指標(biāo)數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)主要有兩種：進(jìn)給伺服系統(tǒng)和主軸伺服系統(tǒng)，進(jìn)給伺服系統(tǒng)是一種高精度的位置跟蹤與定位系統(tǒng)。

它的性能決定了數(shù)控機(jī)床的最大進(jìn)給速度，定位精度等主軸伺服系統(tǒng)控制機(jī)床主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，隨著高速加工技術(shù)的發(fā)展，對(duì)主軸伺服系統(tǒng)的要求也越來(lái)越高2.1.2,對(duì)伺服系統(tǒng)的基本要求,隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)控機(jī)床對(duì)伺服系統(tǒng)提出了很高的要求一般對(duì)伺服系統(tǒng)有如下要求：,（1）精度高、伺服系統(tǒng)要具有較好的定位精度和輪廓加工精度，定位精度一般為0.010.001mm，甚至0.1um2）快速響應(yīng)，為了提高生產(chǎn)率和保證加工精度，要求伺服系統(tǒng)跟蹤指令信號(hào)的響應(yīng)要快這一方面要求過(guò)渡過(guò)程時(shí)間短，一般在200ms以?xún)?nèi)，甚至小于幾十毫秒；另一方面要求超調(diào)小，否則將形成過(guò)切，影響加工質(zhì)量同時(shí)，要求系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性好，當(dāng)系統(tǒng)受到干擾時(shí)，振蕩小，恢復(fù)時(shí)間快3）調(diào)速范圍寬在數(shù)控機(jī)床中，要求進(jìn)給伺服系統(tǒng)的速度達(dá)到1-24000mm/min的范圍，要求速度均勻、穩(wěn)定、無(wú)爬行、速降小在零速時(shí)，要求電機(jī)有電磁轉(zhuǎn)矩，以維持定位精度對(duì)主軸伺服系統(tǒng)一般要求1:1001000范圍內(nèi)的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速和1：10以上的恒功率調(diào)速，且有足夠大的輸出功率隨著高速加工技術(shù)的發(fā)展，要求主軸具有更高的轉(zhuǎn)速，如當(dāng)前國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的電主軸，最高轉(zhuǎn)速?gòu)?0000r/min到150000r/min。

2.1.3,伺服控制系統(tǒng)的分類(lèi),按控制方式分類(lèi),按控制方式分類(lèi)，位置控制系統(tǒng)可分為開(kāi)環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)三種開(kāi)環(huán)數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖,閉環(huán)和半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖,2.2,進(jìn)給系統(tǒng),2.2.1,步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng),2.2.2,直流速度控制單元,2.2.3,交流電動(dòng)機(jī)速度控制單元,2.2.1,步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng),步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)前已述及，加到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的定子繞組上的電脈沖信號(hào)，是由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制器給出的，驅(qū)動(dòng)控制器由環(huán)形分配器和功率放大器兩部分組成在許多CNC系統(tǒng)中，環(huán)形分配器的功能由軟件產(chǎn)生，在這種情況下，驅(qū)動(dòng)器就不包括環(huán)形分配器三相硬件環(huán)形分配器的驅(qū)動(dòng)控制示意圖,2.2.2,直流速度控制單元,2.2.3,交流電動(dòng)機(jī)速度控制單元,2.3,主軸驅(qū)動(dòng),2.3.1,對(duì)主軸驅(qū)動(dòng)的要求,2.3.2,直流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),2.3.3,交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),2.3.1,對(duì)主軸驅(qū)動(dòng)的要求,隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的主軸驅(qū)動(dòng)已不能滿(mǎn)足數(shù)控技術(shù)的需要現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床對(duì)主軸傳動(dòng)系統(tǒng)提出了更高的要求，具體要求為：,（1）對(duì)功率的要求：要求主軸電動(dòng)機(jī)有2.2250kw的功率范圍，即要能輸出大的功率，又要求主軸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

2）寬調(diào)速范圍：數(shù)控機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要求在1：1001000范圍內(nèi)進(jìn)行恒轉(zhuǎn)矩和1：10的恒功率調(diào)速，而且要求主軸在正、反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，均可進(jìn)行加減速控制，即要求具有四象限驅(qū)動(dòng)能力3）定位準(zhǔn)停功能：為了使數(shù)控車(chē)床具有螺紋切削功能，要求主軸能與進(jìn)給驅(qū)動(dòng)實(shí)行同步控制；在加工中心上，為了自動(dòng)換刀，還要求主軸具有高精度的準(zhǔn)停功能2.3.2,直流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),2.3.3,交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),交流主軸電動(dòng)機(jī)與交流進(jìn)給用伺服電動(dòng)機(jī)不同，交流主軸電動(dòng)機(jī)一般采用交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)從結(jié)構(gòu)上分有帶換向器和不帶換向器兩種，通常采用不帶換向器的三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)（也稱(chēng)籠型電動(dòng)機(jī)或異步電動(dòng)機(jī)）一般交流主軸電動(dòng)機(jī)是專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的，為了增加輸出功率，縮小電動(dòng)機(jī)的體積，都采用定子鐵心在空氣中直接冷卻的方法，沒(méi)有機(jī)殼，而且在定子鐵心上作有軸向孔以利通風(fēng)等這類(lèi)電機(jī)軸的尾部都同軸安裝有測(cè)速發(fā)電機(jī)或脈沖編碼器等檢測(cè)元件變頻調(diào)速有下面三種控制方式：,2.4,檢測(cè)元件,2.4.1,位置檢測(cè)元件的要求及分類(lèi),2.4.2,脈沖編碼器,2.4.1,位置檢測(cè)元件的要求及分類(lèi),檢測(cè)元件是數(shù)控機(jī)床閉環(huán)伺服系統(tǒng)的重要組成部分，它的作用是檢測(cè)位移、角位移和速度的實(shí)際值，把反饋信號(hào)傳送回?cái)?shù)控裝置或伺服裝置，構(gòu)成閉環(huán)控制。

閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的加工精度主要由檢測(cè)環(huán)節(jié)的精度決定，而檢測(cè)環(huán)節(jié)的精度是通過(guò)檢測(cè)傳感器的分辨率來(lái)體現(xiàn)的分辨率不僅取決于檢測(cè)傳感器本身，也取決于測(cè)量轉(zhuǎn)換電路數(shù)控機(jī)床對(duì)檢測(cè)元件的主要要求有：,（1）工作可靠，抗干擾性強(qiáng)；,（2）滿(mǎn)足測(cè)量精度，檢測(cè)速度和測(cè)量范圍的要求；,（3）易于實(shí)現(xiàn)高速的動(dòng)態(tài)測(cè)量和處理，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化；,（4）使用維護(hù)方便，適合機(jī)床的工作環(huán)境，成本低常用的檢測(cè)元件：,旋轉(zhuǎn)變壓器，,脈沖編碼器、絕對(duì)式編碼器，,直線(xiàn)光柵、圓光柵，,直線(xiàn)感應(yīng)同步器，,磁尺，,激光干涉儀等2.4.2,脈沖編碼器,脈沖編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式測(cè)量元件，通常裝在被檢測(cè)軸上，隨被測(cè)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，可將被測(cè)軸的角位移轉(zhuǎn)換成增量脈沖或絕對(duì)式的數(shù)字代碼在數(shù)控機(jī)床上它通常與驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)同軸聯(lián)接，屬間接式測(cè)量元件脈沖編碼器根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和檢測(cè)方式分類(lèi)，可分為接觸式、光電式和電磁式三種按照編碼方式可分為絕對(duì)式編碼和增量式編碼兩種在數(shù)控機(jī)床上大多采用光電式增量脈沖編碼器下面分別介紹絕對(duì)式編碼和增量式編碼的編碼器結(jié)構(gòu)及工作原理1、絕對(duì)式編碼器,絕對(duì)值編碼器是一種直接編碼的檢測(cè)元件，它通過(guò)讀取碼盤(pán)上的圖案來(lái)表示軸的絕對(duì)位置，沒(méi)有累積誤差，電源切除后，信息位置不丟失。

從編碼器使用的計(jì)數(shù)制分，有二進(jìn)制碼、二進(jìn)制循環(huán)碼（格雷碼）、二-十進(jìn)制碼等絕對(duì)式編碼器按結(jié)構(gòu)原理分，也有接觸式、光電式和電磁式三類(lèi)在這里以接觸式為例進(jìn)行介紹碼道的圈數(shù)就是二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)，若是n位二進(jìn)制碼盤(pán)，就有n圈碼道，且周?chē)譃?n等分，即共有2n個(gè)數(shù)據(jù)分別表示碼盤(pán)所轉(zhuǎn)動(dòng)到的不同位置二進(jìn)制碼盤(pán)的分辨角=360/2n,分辨率=1/2n,顯然，位數(shù)n越大，所能分辨的角度越小，測(cè)量精度就越高若要求位數(shù)更高，則采用組合碼盤(pán)，一個(gè)粗計(jì)數(shù)碼盤(pán)，一個(gè)精計(jì)數(shù)碼盤(pán)，精計(jì)數(shù)碼盤(pán)轉(zhuǎn)一圈，粗計(jì)數(shù)碼盤(pán)依次轉(zhuǎn)一格如果一個(gè)組合碼盤(pán)是由兩個(gè)8位二進(jìn)制碼盤(pán)組合而成的，那么便可以得到相當(dāng)于16位的二進(jìn)制碼盤(pán)，這就使測(cè)量精度大大提高，但結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜2、增量式編碼器,增量式編碼器俗稱(chēng)脈沖編碼器，它能把被測(cè)軸的機(jī)械轉(zhuǎn)角變成脈沖信號(hào)，是數(shù)控機(jī)床上使用很廣泛的位置檢測(cè)元件同時(shí)也作為速度檢測(cè)元件用于轉(zhuǎn)速檢測(cè)增量式脈沖編碼器同樣也分為接觸式，光電式、電磁式三種，從精度和可靠性方面來(lái)看，光電式優(yōu)于其他兩種，數(shù)控機(jī)床上主要使用光電式脈沖編碼器由于增量式光電碼盤(pán)每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)狹縫就發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)，由此可得出如下結(jié)論：,1）根據(jù)脈沖的數(shù)目可得出工作軸的回轉(zhuǎn)角度，然后由傳動(dòng)速此換算為直線(xiàn)位移距離。

2）根據(jù)脈沖的頻率，可得工作軸的轉(zhuǎn)速3）根據(jù)光欄板上兩條狹縫中信號(hào)的先后順序，可判斷工作軸的正反轉(zhuǎn)常用的脈沖編碼器的規(guī)格有：2000P/r、2500 P/r、3000 P/r、1024 P/r、2048 P/r等，也有高分辨率的達(dá)到20000 P/r、25000 P/r、30000 P/r等此外，現(xiàn)在數(shù)控機(jī)床上使用的脈沖編碼器，大多帶有零位標(biāo)志，在碼盤(pán)的里圈還有一條透光狹縫，相應(yīng)的光欄板的里圈也有一條透光狹縫，并多加一個(gè)光敏元件，每轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生一個(gè)零位脈沖信號(hào)在進(jìn)給電動(dòng)機(jī)所用的脈沖編碼器上，零位脈沖用于精確確定機(jī)床的參考點(diǎn)，而在主軸控制上則用于螺紋加工及準(zhǔn)?？刂频戎x謝觀看,/,歡迎下載,BY FAITH I MEAN A VISION OF GOOD ONE CHERISHES AND THE ENTHUSIASM THAT PUSHES ONE TO SEEK ITS FULFILLMENT REGARDLESS OF OBSTACLES.BY FAITH I BY FAITH,內(nèi)容總結(jié),主講：郭士義1）精度高、伺服系統(tǒng)要具有較好的定位精度和輪廓加工精度，定位精度一般為0.010.001mm，甚至0.1um。

2）快速響應(yīng)，為了提高生產(chǎn)率和保證加工精度，要求伺服系統(tǒng)跟蹤指令信號(hào)的響應(yīng)要快這一方面要求過(guò)渡過(guò)程時(shí)間短，一般在200ms以?xún)?nèi)，甚至小于幾十毫秒另一方面要求超調(diào)小，否則將形成過(guò)切，影響加工質(zhì)量在零速時(shí)，要求電機(jī)有電磁轉(zhuǎn)矩，以維持定位精度3）定位準(zhǔn)停功能：為了使數(shù)控車(chē)床具有螺紋切削功能，要求主軸能與進(jìn)給驅(qū)動(dòng)實(shí)行同步控制在加工中心上，為了自動(dòng)換刀，還要求主軸具有高精度的準(zhǔn)停功能4）使用維護(hù)方便，適合機(jī)床的工作環(huán)境，成本低顯然，位數(shù)n越大，所能分辨的角度越小，測(cè)量精度就越高1）根據(jù)脈沖的數(shù)目可得出工作軸的回轉(zhuǎn)角度，然后由傳動(dòng)速此換算為直線(xiàn)位移距離謝謝觀看/歡迎下載,。