《数控原理与系统 教学课件 ppt 作者 张伟中 姜晓强 徐安林 数控原理与系统3》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数控原理与系统 教学课件 ppt 作者 张伟中 姜晓强 徐安林 数控原理与系统3（79页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、数控原理与系统,2012年2月13日,三、伺服驱动系统,了解步进电动机和交流电动机的结构特点和工作原理。 熟悉常见伺服驱动电路。 掌握伺服驱动系统的应用方法。 掌握位置检测装置的结构原理和使用方法。,【学习目标】,基本思路： 特点-原理选型使用,三、伺服驱动系统,【1. 概念】,伺服驱动系统(Servo Drive，简称SV) 是CNC装置和机床的联系环节。CNC装置发出的控制信息，通过伺服驱动系统，转换成坐标轴的运动，完成程序所规定的操作。伺服驱动系统是数控机床的重要组成部分。伺服驱动系统的作用归纳如下： l）伺服驱动系统能放大控制信号，具有输出功率的能力； 2）伺服驱动系统根据CNC装置发
2、出的控制信息对机床移动部件的位置和速度进行控制。,【2.数控机床对伺服驱动系统的要求】,数控机床的性能在很大程度上取决伺服驱动系统的性能，对伺服驱动系统的主要要求如下： 进给调速范围宽，一般要求： 且0.1 mm/min nmin1 mm/min 位置精度高 速度响应快 低速大转矩,三、伺服驱动系统,【2.数控机床对伺服驱动系统的要求】,数控机床对伺服电动机的要求: 最低进给速度到最高进给速度范围内都能平滑地运转；转矩波动要小 ;无爬行现象。 具有大的、较长时间的过载能力，以满足低速大转矩的要求 具有较小的转动惯量和大的制动转矩，尽可能小的机电时间常数和起动电压 能承受频繁的起动、制动和反转,
3、三、伺服驱动系统,http:/ 伺服电机 展示SCARA robot system,三、伺服驱动系统,【3.伺服驱动系统组成】,三、伺服驱动系统,【4.伺服驱动系统分类】,三、伺服驱动系统,按驱动方式分： 可分为液压伺服系统、气压伺服系统和电气伺服系统。 按执行元件的类别分类： 可分为直流电动机伺服系统、交流电动机伺服驱动系统和步进电动机伺服系统。 按有无检测元件和反馈环节分类：可分为开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统。 按输出被控制量的性质分类： 可分为位置伺服系统、速度伺服系统。 按用途和功能分：进给伺服系统、主轴伺服系统,液压位置伺服系统结构图,【4.伺服驱动系统分类】,三、伺服
4、驱动系统,改进型直流电动机 转动惯量较小，过载能力较强，且具有较好的换向性能 ，用于早期数控机床。 小惯量直流电动机 分无槽圆柱体电枢结构和带印刷绕组的盘形结构，较好的快速性。 步进电动机 永磁直流伺服电动机 无刷直流电动机 交流调速电动机 ：优点是结构简单、不需维护、适合于在恶劣环境下工作；动态响应好、转速高和容量大。,【5.进给伺服电机类型】,三、伺服驱动系统,【5.进给伺服电机类型】,三、伺服驱动系统,小惯量直流电动机,步进电动机,交流伺服电动机,【5.进给伺服电机类型】,三、伺服驱动系统,应用范围:经济型数控机床改造,【6.步进电动机开环伺服系统】,三、伺服驱动系统,什么是步进电机?
5、步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。 控制脉冲个数来控制角位移量 控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,【6.步进电动机开环伺服系统】,三、伺服驱动系统,快速步进电动机,功率步进电动机,步进电机分类：,按输出转矩的大小,按励磁组数分：三、四、五、六、八相等,按转矩产生工作原理：,永磁式（转子为永久磁铁，功率小、省电稳定、断电有保持转矩，但步距角太大）,反应式（结构简单，步距角小，但励磁电流大，带负载能力差，易失步震荡),混合式(更适合数控系统,兼有反应式和永磁式优点，但成本较高）,【6.步进电动机开环伺服系统】,三、伺服驱动系统,【6.步进电动机开环伺服系统】,三、伺服驱动系统,
6、工作原理及特点,三相是指步进电机有三相定子绕组，三拍是指每三次转换为一个循环 三相步进电机，定子有六个磁极，分为三对，每个磁极上装有控制绕组。一对磁极通电后，对应产生N/S极磁场；转子为带齿的铁心（反应式）或磁钢（混合式）。 当定子三相依次通电时，三对磁极依次产生气隙磁场，吸引转子一步步转动。,三相三拍工作原理,步进单三,步进双三,步进六拍,【6.步进电动机开环伺服系统】,三、伺服驱动系统,通电方式,A -B- C,AB-BC-CA,A -AB-B -BC-C-CA,步进工作原理电机动画演示,三相三拍与三相六拍相比较， 六拍的步距角 小，精度高,举例：以三相六拍为例,正转：A-AB-B-BC-
7、C-CA,反转：A-CA-C-CB-B-BA,A,B,C,1 2 3 4 5 6,【6.步进电动机】,三、伺服驱动系统,步距角,举例: 步进电机,3相6拍,30齿 计算:步距角?,【6.步进电动机】,三、伺服驱动系统,若步进电动机通电的脉冲频率为f，则步进电动机的转速： mzk为一转多少脉冲,三、伺服驱动系统,【7.步进电动机驱动器】,步进电动机的控制电路,环形分配器（硬件、软件）,环配,P,B,C,A,D,E,硬件：数字电路、CPLD、专用芯片 软件：单片机,三、伺服驱动系统,【7.步进电动机驱动器】,数字电路实现三相六拍环配,初值： ABC-100,环形分配器（硬件、软件）,三、伺服驱动系
8、统,【7.步进电动机驱动器】,专用电路三相六拍环配,1、E0：选通输出控制 2、/R清零 3、A0A1：00单三拍 01双三拍 1x 三相六拍 4、/E1、/E2：选通输入控制 5、CP时钟输入 6、-正反转控制,三、伺服驱动系统,CH250也是一款三相六拍步进机环形脉冲分配器专用集成电路,【7.步进电动机驱动器】,单片机三相六拍环配,开关定义： S1启动/停止 S2-正转/反转,三、伺服驱动系统,【7.步进电动机驱动器】,驱动电路 作用 小信号放大 要求 信号失真小、波形特性好（前沿、后沿、幅值）、效率高 种类 单电源驱动、高低压驱动、斩波驱动,【7.步进电动机驱动器】,三、伺服驱动系统,优
9、点：电路简单 缺点：功耗大、 效率低、时间常数大、高频力矩不够低频振荡,单电源驱动电路,=L/R+RL R=VCC/I,【7.步进电动机驱动器】,三、伺服驱动系统,高低压电源型驱动电路,为什么？提高频率响应,优点：功 耗较低、高频时有较大的转矩 缺点：高低压衔接处电流有谷点，影响运行平稳性,恒流斩波驱动电路,优点： 效率高 输出电流幅值和波形调整方便 可以采用较高的电压，又无需外接限流电阻 缺点：噪声大 改进：恒频脉宽调制驱动（采用较高的斩波频率20kHz）,恒流斩波驱动电路,三、伺服驱动系统,华中HNC21T数控系统中步进驱动系统线路电气原理图,三、伺服驱动系统,步进驱动系统电路连接,三、伺
10、服驱动系统,步进电机的选型,希望步进电动机的输出转矩大，启动频率和运行频率高，步距误差小，性能价格比高,选用的原则： 步矩角与机械系统相匹配，以得到系统所需的。 保证电动机输出转矩大于负载所需转矩。 能与机械系统的负载惯量相匹配。 电动机运行速度和最高工作频率能满足工作台切削加工和快移要求。 应遵循先选电动机后选驱动的原则。,步进电动机主要技术参数由步距角（涉及相数）、静力矩及电流3大要素组成。,电动机的步距角应等于或小于每个当量走的角度,目前市场上步进电动机的步距角一般有0.36/0.72（五相电动机）、0.9/1.8（二、四相电动机）、1.5/3（三相电动机）等。,静力矩依电动机工作的负载
11、而定，一般情况下，静力矩应为摩擦负载的23倍。 负载可分为惯性负载和摩擦负载两种,供电电源电流一般根据驱动器的输出相电流I来确定。 如果采用线性电源，电源电流一般可取I的1.11.3倍；如果采用开关电源，电源电流一般可取I的1.52.0倍。,三、伺服驱动系统,步进电机的选型,步进电动机进给系统传动比及脉冲当量的计算,三、伺服驱动系统,计算脉冲当量计算公式,a为步进电动机步距角；P为滚珠丝杠螺距；i为减速齿轮的减速比。,步进电动机工作频率,v为进给速度（m/min），为脉冲当量（mm），f为步进电动机工作频率。,步进电动机选型计算案例：,已知电机为三相反应式步进电动机，转子的齿数为80，采用三相
12、六拍的工作方式，丝杠螺距P=12mm，齿轮的齿数（小齿轮）Z1=20。若要求该工作台X方向的脉冲当量=0.01mm，请求出被动齿轮（大齿轮）Z2的齿数。,步距角,脉冲当量,因此被动齿轮的齿数Z2为50个齿,三、伺服驱动系统,三、伺服驱动系统,【8.交流伺服驱动系统】,交流伺服驱动系统包括伺服电动机、编码器、伺服驱动器和位置给定机构,交流伺服电动机克服了直流伺服电机体积大，电刷易磨损，需要定期维修等缺点，又具有调速范围宽，低速性能好，过载能力强等优点,三、伺服驱动系统,交流伺服电动机的内部结构,定子上放置了三相对称绕组，而转子则是永磁体，一般采用稀土磁钢制成。,三、伺服驱动系统,以FANUC伺服
13、电动机为对象，说明伺服电动机的分类,交流伺服电动机的分类,交流伺服电动机,i系列，高性能的交流同步电动机,i系列，属于经济型驱动电动机，主要配置于FANUC Mate系列的数控系统上，如FS 0i-Mate MC/TC 的数控系统，并且伺服电动机一般不超过22Nm，也适于PMC 轴（IOlink轴）的控制，用于刀库、齿牙盘转台、机械手的定位控制。,AC SERVO MOTOR,三、伺服驱动系统,交流主轴电动机,均采用“感应电机”，是异步电机，仍然分为 和 系列， 系列主轴为高性能主轴驱动， 系列为经济型结构, 系列,AC SPINDLE MOTOR,BiS 系列内装主轴电动机,FANUC Li
14、S直线电动机,FANUC DiS系列转矩电动机,三、伺服驱动系统,内装电动机,FANUC 电动机的命名：,一般主轴电动机规格以功率表示，而伺服电动机规格则以转矩表示,FANUC i系列主轴电机标牌为i 22，表明该主轴电动机功率为22kW；而FANUC i系列伺服电动机标牌为i 22，则表明该伺服电动机转矩为22Nm。,三、伺服驱动系统,转矩与功率的换算关系为,N表示转矩（Nm），P表示功率（kW），n表示转速（r/min）。,三、伺服驱动系统,伺服驱动系统的组成：,传统的伺服控制将速度环和电流环控制集成在“伺服单元”上（如FANUC 6系统，FANUC10系列等），但是如今FANUC i 系
15、列伺服已经将这3个控制环节通过软件的方式融入CNC系统中，FANUC伺服驱动模块仅起末级功率驱动的作用，不再有速度环和电流环控制作用,FANUC 伺服驱动系统框图详解,三、伺服驱动系统,三、伺服驱动系统,FANUC伺服驱动的连接,伺服驱动系统由： 电源模块（PSM）、 伺服驱动模块（SVM）、 主轴驱动模块（SPM） 等不同的模块所组成,三、伺服驱动系统,FANUC伺服驱动的连接,四、位置检测装置,数控机床常用检测元件 脉冲编码器 光栅尺 接近开关 其他：感应同步器、旋转变压器、磁栅等,主要检测对象: 位移（进给轴直线位移、旋转轴角位移） 速度（进给速度、主轴转速） 开关量（参考点位置、超程位置检测等）,数控机床对检测元件的要求： 可靠性高、抗干扰能力强、寿命长 精度、速度满足要求 使用维护方便、满足机床运行环境 成本低 与微机接口方便,四、位置检测装置,检测元件的分类：,增量式,绝对式,数字式,模拟式,直接测量式,间接测量
