《单片机应用技术项目三》由会员分享，可在线阅读，更多相关《单片机应用技术项目三（96页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、学习项目三 数控机床的进给伺服系统,主讲教师：,知识目标 1、掌握数控机床十字滑台的机械结构原理与功能； 2、了解数控机床的进给伺服电机的功能与原理； 3、掌握数控机床的进给伺服系统的工作原理与结构原理； 4、掌握数控机床进行伺服测量装置的工作原理与结构原理。 技能目标1、学会机床十字滑台的机械装配与调试； 2、学会伺服电机、测量装置的选择。,3.1十字滑台的装配与调试,3.1.1 核心任务 十字滑台是数控机床进给伺服装置的核心传动部件。根据提供的电机、联轴器、电机支座、轴承支座、直线导轨、滑块、等高块、滚珠丝杠、螺母、螺母支座、轴承、运动平台等零部件，要求学生依据安装装配工艺要求完成十字滑台
2、的装配。图3-1是装配完成后的效果图。 装配要求： 1、导轨、滚珠丝杠平行度误差小于0.03mm； 2、十字滑台两根滚珠丝杠垂直度误差小于0.03mm； 3、工作台面的平面度误差小于0.05mm。 4、通过装配训练，了解十字滑台的结构，学会滑台的装配、调试工作；熟悉装调过程中的工具使用；学会团队合作，生产协作。,安装地座平板 1）在安装可调底脚以前，将4只可调底脚的固定螺栓拧至距尼龙底座37mm左右的高度，螺栓中间的螺母与尼龙底座间隙约为1mm。将扁平螺母放到工作台的固定槽中。 2）将底座平板放在工作台上，将可调底脚安装到底座平板底部，然后将水平仪放在底座平板上，调节可调底脚，达到水平要求后，
3、固定可调底脚并用内六角螺栓将底座平板安装在铝质型材平台上。 3）安装好两根导轨，如图3-2。,图3-2 装上两导轨,4）安装Z向丝杠 用内六角螺栓预装好电机支座上的压盖，将滚珠丝杠上的螺母与螺母支座拆开，将滚珠丝杠组件放入电机支座和轴承支座内，用内六角螺栓预紧电机支座与轴承支座。如图3-3所示,图3-3 安装Z向丝杠,用游标卡尺初测导轨与滚珠丝杠之间的平行度并进行粗调，将电机支座与轴承支座锁紧在底座平板上，用摇手将螺母停在滚珠丝杠的一端，将杠杆式百分表吸在基准导轨的滑块上，用百分表找正用于安装的螺母圆柱表面，并记下读数。用摇手将螺母停到滚珠丝杠的另一端，用百分表再找正螺母装配圆柱面，并记下读数
4、，计算电机支座与轴承支座的高度差。调整电机支座和轴承支座。用填隙片填入电机支座或轴承支座下面，使两支座高度一致。并紧固好两支座。 用摇手将螺母停在滚珠丝杠的一端，用游标卡尺测量滚珠丝杠的螺母与导轨的距离，并记录读数。再把螺母摇到滚珠丝杠的另一端，同样用游标卡尺测量滚珠丝杠的螺母与导轨的距离，并记录读数。比较两个读数，用橡皮榔头调整轴承座和电机座的位置，使滚珠丝杠与导轨平行，并处于与两导轨相对称的中间位置，固定滚珠丝杠。,安装支撑块 把等高支撑块安装到滚动滑块上，注意滑块上有螺孔侧向外，与底座平板上有螺孔的一侧对应，以便限位开关挡块的安装。如图3-4所示,图3-4安装上支撑块,安装下移动平台 用
5、内六角螺栓将下移动平台预紧放置在支撑滑块上，用塞尺测出丝杠支承座与下移动平台之间的间隙，用填隙片填充上述间隙，预紧下移动平台，用摇手转动滚珠丝杠，检查下移动平台是否移动平稳、灵活，如果平台移动平衡性不如意，更换填隙片直至符合要求为止。如图3-5所示。,图3-5安装下移动平台,图3-6安装X向导轨,8）安装X轴丝杠 用内六角螺栓预固定好X轴电机支座和轴承支座，将滚珠丝杠上的螺母与螺母支座拆开；把滚珠丝杠组件装入电机支座和轴承座内，加上压盖，用内六角螺栓预紧。 用游标卡尺初测导轨与滚珠丝杠之间的平行度，并进行粗调；将电机支座与轴承支座锁紧在下移动平板上，用摇手将螺母停在滚珠丝杠的一端，将杠杆式百分
6、表吸在基准导轨的滑块上，用百分表找正用于安装的螺母圆柱表面，并记下读数。 用摇手将螺母停到滚珠丝杠的另一端，用百分表再找正螺母装配圆柱面，并记下读数，计算电机支座与轴承支座的高度差。调整电机支座和轴承支座。用填隙片填入电机支座或轴承支座下面，使两支座高度一致。并紧固好两支座。 用摇把将螺母停在滚珠丝杠的一端，用游标卡尺测量滚珠丝杠的螺母与导轨的距离，并记录读数。再把螺母摇到滚珠丝杠的另一端，同样用游标卡尺测量滚珠丝杠的螺母与导轨的距离，并记录读数。比较两个读数，用橡皮榔头调整轴承座和电机座的位置，使滚珠丝杠与导轨平行，并处于与两导轨相对称的中间位置，固定滚珠丝杠。如图3-7所示。,图3-7 安
7、装X轴丝杠,图3-8 安装上X平台上的支撑块,图3-9 安装X轴移动平台,图3-10 安装限位开关支架,图3-11 安装电机,32 数控伺服电机,3.2.1 核心任务 1、掌握步进电机的工作原理，基本结构； 2、了解直流伺服电机、交流伺服电机的工作原理，基本结构； 3、掌握各种伺服电机的基本性能，学会选择使用电机；,3.2.2 步进电机 步进电机是一种将电脉冲信号转换成机械角位移的电磁机械装置。由于所用电源是脉冲电源，所以也称为脉冲马达。每当输入一个电脉冲，电动机就转动一定角度前进一步。脉冲一个一个地输入，电动机便一步一步地转动。又因为它输入的既不是正弦交流电，又不是恒定的直流电，而是电脉冲，
8、又称为脉冲电动机。 按照励磁方式分类，步进电机可分为反应式、永磁式和感应子式。其中反应式步进电机用的比较普遍，结构也较简单。,图3-13 三相步进电机结构原理图,如图3-13所示，电机定子上均布有A，B，C三相绕组，转子上有4个齿，且互成90。当A相控制绕组通电，而B、C相都不通电时，由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点，所以转子齿与A相定子齿对齐。如图3-14（a）所示，若以此作为初始状态，由于B相磁极与A相磁极相差120度,且120度/90度1.333不为整数，所以，此时2号转子齿不能与B相定子齿对齐，只是靠近B相磁极的中心线，与中心线相差30度。如果此时突然变为B相通电，而A、C相都不通
9、电，则B相磁极迫使2号小齿与之对齐，整个转子就转动30度。此时称电机走了一步，如图3-14（b）所示。给步进电机每通一次电（即一个脉冲电压），步进电机移动的转角叫步距角。显然，步距角越小，电机在一转内细分数越大，相对精度越高。,我们按照ABCA顺序通电一周，则转子逆时针转动90度。转速取决于各控制绕组通电和断电的脉冲频率（即输入脉冲频率），旋转的角度取决于通电时间（即通电的脉冲数），旋转方向取决于控制绕组轮流通电的顺序。如上述绕组通电顺序改为ACBA，则电机转向相反。 这种按ABCA循环通电的方式运行称为三相单三拍，“三相”是指步进电机具有三相定子绕组，“单”是指每次只有一相绕组通电，“三拍”
10、是指三次换接为一个循环。,三相步进电机还可以以三相双三拍和三相六拍方式运行。 三相双三拍就是按ABBCCAAB循环方式供电。 三相六拍的供电方式是AABBBCCCAA，每一循环换接六次，共有六种通电状态，,3、步进电机的主要参数及选择 （1）步距角 步距角越小，加工精度越高。但步距角过小，定子和转子制造难度越大，电机体积增加，相对误差越大。静态步距误差是指理论的步距角和实际的步距角之差，以分表示，一般在10之内。电机的步距角应等于或小于数控机床最小分辨率。步进电机的步距角比较流行的有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/3度（三相电机）等。,（2）最
11、大静转矩 最大静转矩是指步进电动机在某相始终通电而处于静止不动状态时，所能承受的最大外加转矩，亦即所能输出的最大电磁转矩，它反映了步进电动机的制动能力和低速步进运行时的负载能力。 (3)启动频率（突跳频率） 空载时，步进电动机由静止突然启动，并进入不丢步的正常运行所允许的最高频率。 (4)连续运行的最高工作频率 步进电动机连续运行时，它所能接受的，即保证不丢步运行的极限频率fmax。其值远大于启动频率，它也随着电机所带负载的性质和大小而异，与驱动电源也有很大关系。 (5)加减速特性 步进电动机的加减速特是描述步进电动机由静止到工作频率和由工作频率到静止的加减速过程中，定子绕组通电状态的变化频率
12、与时间的关系。 (6)矩频特性与动态转矩 矩频特性是描述步进电机连续稳定运行时输出转矩与连续运行频率之间的关系，如图3-17所示。该特性上每一个频率对应的转矩称为动态转矩。 (7)最大相电压和最大相电流 分别是指步进电动机每相绕组所允许施加的最大电源电压和流过的最大电流。 (8)步进电机的选择方法,323 直流伺服电机,1、直流伺服电机的结构，原理与调速 （1）定子。定子磁极磁场是由定子及绕组产生的。根据产生磁场的方式，直流伺服电动机可分为永磁式和他激式。永磁式磁极由永磁材料制成，他激式磁极由冲压硅钢片叠压而成，外绕线圈通以直流电流便产生恒定磁场。 （2）转子。又称为电枢，由硅钢片叠压而成，表
13、面嵌有线圈，通以直流电时，在定子磁场作用下产生带动负载旋转的电磁转矩。 （3）电刷与换向片。为使所产生的电磁转矩保持恒定方向，转子能沿固定方向均匀的连续旋转，电刷与外加直流电源相接，换向片与电枢导体相接。直流伺服电动机的工作原理与一般直流电动机的工作原理是完全相同，如图3-19所示。他激直流电机转子上的载流导体（即电枢绕组），在定子磁场中受到电磁转矩M的作用，使电机转子旋转。,图3-18 直流伺服电机,流伺服电机的转速公式：,由直流伺服电机的转速公式可知，调节电机的转速有三种方法： （1）改变电枢电压u。这种方法调速范围较大，直流伺服电机常用此方法调速； （2）变磁通量。改变激磁回路的电阻Rf
14、以改变激磁电流If，可以达到改变磁通量的目的；调磁调速因其调速范围较小常常作为调速的辅助方法。若采用调压与调磁两种方法互相配合，可以获得很宽的调速范围，又可充分利用电机的容量。 (3)在电枢回路中串联调节电阻Rt(图中无表示)，改变Ra。在电枢回路中串联电阻的办法，转速只能调低，而且电阻上的铜耗较大，这种办法并不经济，仅用于较少的场合。,324 交流伺服电机及其调速 1、交流伺服电机的分类和特点 （1）异步型交流伺服电动机 （2）同步型交流伺服电动机 2、永磁交流伺服电动机 即同步型交流伺服电动机（SM），如图3-20所示，主要由三部分组成：定子，转子和检测元件（转子位置传感器和测速发电机）。
15、其中定子有齿槽，内有三相绕组，形状与普通感应电动机的定子相同。但其外圆多呈多边行，且无外壳，以利于散热，避免电动机发热对机床精度的影响。,图3-20 永磁同步电动机结构,永磁同步伺服电动机的性能主要有： （1）交流伺服电动机的机械特性比直流伺服电动机的机械特性要硬，其直线更为接近水平线。另外，断续工作区范围更大，尤其是高速区，这有利于提高电动机的加、减速能力。 （2）高可靠性。用电子逆变器取代了直流电动机换向器和电刷，工作寿命由轴承决定。因无换向器及电刷，也省去了此项目的保养和维护。 （3）主要损耗在定子绕组与铁心上，故散热容易，便于安装热保护；而直流电动机损耗主要在转子上，散热困难。 （4）
16、转子惯量小，其结构允许高速工作。 （5）体积小，质量小。,3、交流调速的基本方法 （1）改变磁极对数P。这是一种有级的调速方法。它是通过对定子绕组接线的切换以改变磁极对数调速的。 （2）改变转差率调速。这实际上是对异步电动机转差率的处理而获得的调速方法。常用的是降低定子电压调速，电磁转差离合器调速，线绕式异步电动机转子串电阻调速或串极调速等。 （3）变频调速。变频调速是平滑改变定子供电电压频率f而使转速平滑变化的调速方法。这是交流电动机的一种理想调速方法。电机从高速到低速其转差率都很小，因而变频调速的效率和功率因数都很高。,4、交流伺服电动机的选择 (1)最高转速 （2）转换到电机上的最大负载贯量 （3）额定扭矩 （4）连续过载时间 连续过载时间应限制在规定的时间内。,33 步进电机开环伺服系统 331 核心任务步进电机开环伺服系统原理、结构、维修简单，工作稳定、调试方便，价格低廉等优点，在精度和速度要求不高、驱动力矩（通常小于20NM）不大的场合得到广泛应用，是经济型数控机床的主要进给伺服方式，也是我们学习数控进给伺服较理想的载体。通过学习，实现如下目标：1、掌握步进电机开环伺服系统的结构特点、工作原理、应用情况。2、掌握增量式插补原理,
