第5章数控机床的位置检测装置

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1、第六讲 总复习,这一讲，我们一起对前面学过的知识进行一次总复习，按章节顺序对于一些实用的知识点进行总结归纳，以利于同学们掌握这门课程的主要内容,第1章 绪论 一、数控机床进行加工时，数控系统必须按照工件加工的要求对机床的运动进行控制，归纳起来可分为三种类别的控制： 1主轴控制 主轴运动和普通机床一样，主轴运动主要完成工件的切削任务。 2进给控制 即用电气自控驱动替代了人工机械驱动，数控机床的进给运动是由进给伺服系统完的。 3辅助控制 数控系统对加工程序处理后输出的控制信号除了对进给运行轨迹进行连续控制外，还要对机床的各种开关状态进行控制。这部分功能一般由可编程序逻辑控制器实现。,图1.3数控机

2、床的基本组成 二、数控机床控制系统的组成 数控机床控制系统的基本组成包括输入/输出装置、数控装置、伺服驱动装置、机床电气逻辑控制装置、位置检测装置，如图1.3所示。其功能应了解。,三、数控机床的分类 1、按被控制对象运动轨迹进行分类 1）点位控制的数控机床 点位控制数控机床的数控装置只要求能够精确地控制从一个坐标点到另一个坐标点的定位精度，而不管是按什么轨迹运动，在移动过程中不进行任何加工。 2）直线控制的数控机床 直线控制数控机床一般要在两点间移动的同时进行加工，所以不仅要求有准确的定位功能，还要求从一点到另一点之间按直线规律运动，而且对运动的速度也要进行控制。 3）轮廓控制的数控机床 轮廓

3、控制又称连续控制，大多数数控机床具有轮廓控制功能。其特点是能同时控制两个以上的轴，具有插补功能。它不仅控制起点和终点位置，而且要控制加工过程中每一点的位置和速度，加工出任意形状的曲线或曲面组成的复杂零件。,2、按控制方式分类 1）开环控制数控机床 这类数控机床没有检测反馈装置，数控装置发出的指令信号流程是单向的，其精度主要决定于驱动元件和伺服电机的性能，开环数控机床所用的电动机主要是步进电动机。 2）闭环控制系统 闭环控制系统是指在机床的运动部件上安装位置测量装置。伺服系统采用交伺服电动机、直流伺服电动机 3）半闭环控制系统 半闭环控制系统是在开环系统的丝杠上或进给电动机的轴上装有角位移检测装

4、置。,第2章 数控机床强电控制电路 一、低压断路器 低压断路器又称自动空气开关，它不但能用于正常工作时不频繁接通和断开的电路，而且当电路发生过载、短路或失压等故障时，能自动切断电路，有效地保护串接在它后面的电气设备。因此，低压断路器在机床上使用得越来越广泛。 二、交流接触器 接触器是一种用来频繁地接通或分断带有负载（如电动机）的主电路自动控制电器。接触器按其主触头通过电流的种类不同，分为交流、直流两种，机床上应用最多的是交流接触器，我们仅介绍交流接触器。 交流接触器的结构 交流接触器的外形与结构组成如图2.17所示，交流接触器的结构由电磁机构、触头系统、灭弧装置及其他部件等四部分组成。,三、继

5、电器 继电器是一种根据某种输入信号的变化，而接通或断开控制电路，实现控制目的的电器。继电器的输入信号可以是电流、电压等电学量，也可以是温度、速度、时间、压力等非电量，而输出通常是触头的动作（断开或闭合）。 电流继电器与电压继电器在结构上的区别主要是线圈不同。电流继电器的线圈匝数少、导线粗，与负载串联以反映电路电流的变化。电压继电器的线圈匝数多、导线细，与负载并联以反映其两端的电压。中间继电器实际上也是一种电压继电器，只是它具有数量较多、容量较大的触点，起到中间放大的作用。,四、接近开关 接近开关又称无触点行程开关。当运动着的物体在一定范围内与之接近时，接近开关就会发生物体接近而“动作”的信号，

6、以不直接接触方式控制运动物体的位置。 接近开关多为三线制。三线制接近开关有二根电源线（通常为24V）和一根输出线。输出有常开、常闭两种状态。 五、热继电器 热继电器是利用电流的热效应原理来切断电路的保护电器，主要用于电动机或其他负载的过载保护。当负载电流超过整定电流值并经过一定时间后，发热元件所产生的热量使双金属片受热弯曲，带动动触点与静触点分断，切断电动机的控制回路，使接触器线圈断电释放，从而断开主电路，实现对电动机的过载保护。由此可见，热继电器由于热惯性，当电路短路时不能立即动作使电路立即断开，因此不能作短路保护。,六、电气控制线路的绘制 电气控制系统图有三类：电气原理图、电器元件布置图和

7、电气安装接线图 1.电气原理图 电气原理图是表达所有电器元件的导电部件和接线端子之间的相互关系。 2.电器元件布置图 电气元件布置图主要用来表明各种电气元件在机械设备上和电气控制柜中的实际安装位置，为机械电气控制设备的制造、安装、维修提供必要的资料。 3.电器安装接线图 电气安装接线图是用规定的图形符号，根据原理图，按各电器元件相对位置绘制的实际接线图，它清楚地表明了各电器元件的相对位置和它们之间的电路连接的详细信息。,七、三相异步电动机的起动控制线路 为了减小起动电流，电动机在起动时应采用适当的措施。三相笼型电动机有直接起动（全电压起动）和间接起动（降压起动）两种方式。直接起动是一种简单、可

8、靠、经济的起动方式，适合小容量电动机。对于较大容量（大于10KW）的电动机，因起动电流大（可达额定电流的47倍），一般采用减压起动方式来降低起动电流。,第3章 数控装置（CNC）的结构 一、数控装置的组成 目前的数控装置都是基于微型计算机的硬件和软件来实现其功能，它一方面具有一般微型计算机的基本结构，另一方面。必须编写相应的系统软件来指挥和协调硬件的工作，两者缺一不可。CNC装置的软件由管理软件和控制软件两部分组成。 二、数控装置的硬件结构类型数控装置是整个数控系统的核心，其硬件结构按CNC装置中各印刷电路板的插接方式可以分为大板式结构和功能模块式结构；按CNC装置硬件的制造方式，可以分为专用

9、型结构和个人计算机式结构；按CNC装置中微处理的个数可以分为单微处理器结构和多微处理器结构。,三、数控系统的抗干扰 数控系统的干扰一般是指那些与信号无关的，在信号输入、传输和输出过程中出现的一些不确定的有害的电气瞬变现象。这些瞬变现象会使数控系统中的数据在传输过程中发生变化，增大误差，使局部装置或整个系统出现异常情况，引起故障。 抗干扰措施 1.减少供电线路干扰 数控机床的安置要远离中频、高频的电气设备；要避免大功率起动、停止频繁的设备，电火花设备同数控机床位于同一供电干线上，最好是采用独立的动力线供电。,2.减少机床控制中的干扰 3.屏蔽 屏蔽技术利用金属材料制成容器，将需要防护的电路或线路

10、包在其中，可以防止电场或磁场的耦合干扰。 4.保证“接地”良好 “接地”是数控机床安装中一项关键的抗干扰技术措施。电网的许多干扰都是通过“接地”这条途径对机床起作用的。,第4章 数控机床的伺服驱动 一、闭环伺服系统的组成 闭环伺服系统的一般结构通常有位置环和速度环组成。速度环速度控制单元是一个独立的单元部件，它由伺服电动机、伺服驱动装置、测速装置及速度反馈组成；位置环由数控系统中的位置控制、位置检测装置及位置反馈组成。 二、步进电动机的基本结构和工作原理 步进电动机是一种将电脉冲信号转换为机械角位移的机电执行元件。 图4.2a)为三相反应式步进电动机的结构图。它是由转子、定子及定子绕组所组成。

11、定子上有六个均布的磁极，直径方向相对的两个极上的线圈串联，构成电动机的一相控制绕组。下面我们分析步进电动机的工作原理：,图4.2b)所示为反应式步进电动机工作原理示意图。其定子、转子是用硅钢片等软磁材料制成的，定子上有A、B、C三对磁极，分别绕有A、B、C三相绕组。三对磁极在空间上相互错开120。转子上有4个齿，无绕组，它在定子磁场中被磁化而呈现极性。当定子A相绕组通电时，形成以A-A为轴线的磁场，转子受磁场拉力作用而产生转矩，使转子的1、3齿和定子的AA极对齐，如图4.2b)所示；当A相断电、B相绕组通电时，以B-B为轴线的磁场使转子的2、4齿和定子的B-B极对齐，转子将在空间逆时针转过30

12、角；当B相断电，C相绕组通电时， 以C-C为轴线的磁场使转子的1、3齿和定子的C-C极对齐，转子将在空间又逆时针转过30角。如此按ABCA的顺序通电，转子就会不断地按逆时针方向转动；如按ACBA的顺序通电，转子就会不断地按顺时针方向转动。从一相通电换到另一相通电，叫一拍；每一拍转子转动一步，每步转过角度叫步距角，用表示。,图42反应式步进电动机工作原理,图4.5步进电动机控制驱动电路 三、步进电动机的驱动及控制 步进电机的运行性能，不仅与步进电机本身和负载有关，而且与配套的驱动装置有着十分密切的关系。步进电动机驱动装置由环形脉冲分配器、功率放大驱动电路两大部分组成，如图4.5所示。其中，步进电

13、动机驱动电路完成由弱电到强电的转换和放大，也就是将逻辑电平信号变换成电机绕组所需的具有一定功率的电流信号。,四、交流伺服系统 1.交流伺服系统使用交流异步伺服电动机(一般用于主轴伺服电动机)和永磁同步伺服电动机(一般用于进给伺服电动机)。由于直流伺服电动机存在着一些固有的缺点， （比如，有电刷，限制了转速的提高，而且结构复杂，价格贵。 ），使其应用环境受到限制。交流伺服电动机没有这些缺点，且转子惯量较直流电动机小，使得动态响应好。因此，交流伺服系统得到了迅速发展，已经形成潮流。从20世纪80年代后期开始，大量使用交流伺服系统，目前，已基本取代了直流电动机。,2交流伺服电动机的工作原理和结构 如

14、图4.20所示，交流伺服电动机的转子是一个具有两个极的永磁体(也可以是多极的)。按照电动机学原理，当同步型电动机的定子三相绕组接通三相交流电源时，就会产生旋转磁场(Ns，Ss)以同步转速ns逆时针方向旋转。根据两异性磁极相吸的原理，定子磁极Ns(或Ss)紧紧吸住转子，以同步转速ns在空间旋转，即转子和定子磁场同步旋转。 当转子加上负载转矩后，转子磁极轴线将落后定子磁场轴线一个夹角。转子的负载转矩增大时，定子磁极轴线与转子磁极轴线间的夹角增大；当负载转矩减小时角减小。,图4.20永磁式同步型电动机的工作原理,五、交流伺服电机驱动装置 1）交流电动机调速原理 由电动机学基本原理可知，交流电动机的同

15、步转速为 n0 60f1/p (r/min) 式中 f1定子供电频率，单位Hz； P电动机定子绕组磁极对数； 从上面的公式可以看出：平滑改变定子供电电压频率f1而使转速平滑变化，这就是变频调速方法。这是交流电动机的一种理想调速方法。目前，数控机床主要采用变频调速等先进交流调速技术。,2)正弦波脉宽调制(SPWM)变频器 SPWM变频器属于交一直一交变频器，基本工作过程是先将50Hz交流电经整流变压器变压得到所需电压，经二极管整流和电容滤波，形成恒定直流电压，然后送入由大功率晶体管构成的逆变器主电路，输出三相电压和频率均可调整的等效于正弦波的脉宽调制波(SPWM波)，即可拖动三相电机运转。这种变

16、频器在数控机床的交流驱动中广泛使用。,3）正弦波脉宽调制(SPWM) 逆变器的基本原理 SPWM波形与等效正弦波 在采样控制理论中有一个重要结论，冲量(窄脉冲的面积)相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。电动机就是一个惯性的环节，该结论是SPWM控制的重要理论基础。 SPWM逆变器输出的是正弦脉宽调制波,如图4.24b)所示。其工作原理是若把一个正弦半波分成N等分，然后把每一等分的正弦曲线与横坐标轴所包围的面积，都用一个与此面积相等的等高矩形脉冲来代替，这样可得到N个等高而不等宽的脉冲序列。根据上述冲量相等效果相同的原理，该矩形脉冲序列与正弦半波是等效的。如果对正弦波的负半周也做同样处理，即可得到相应的2N个脉冲，这就是与正弦波等效的正弦脉宽调制波，如图4.24所示。 通过对等效的正弦脉宽调制波的脉冲调制，就相当于调整了输出的正弦波频率。,a)正弦波的正半波 b)等效的SPWM波形 图4.24与正弦波等效的SPWM波形,六、主轴定向控制的作用 目前交流主轴驱动中均采用笼