《《数控机床电气控制》第七章.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《数控机床电气控制》第七章.ppt（74页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、数控机床电气控制数控机床电气控制第一节第一节 CNC装置的构成与原理装置的构成与原理（课时（课时2）第二节第二节伺服驱动系统的简介伺服驱动系统的简介（课时（课时2）第三节第三节 进给驱动系统进给驱动系统（课时（课时4）第四节第四节 主主轴驱动轴驱动系系统统（课时（课时4）第五节第五节 检测元件检测元件（课时（课时4）第七章第七章 数控系统与伺服驱动系统数控系统与伺服驱动系统数控机床电气控制数控机床电气控制（1）了解）了解CNC系统硬件结构及基本原理，正确系统硬件结构及基本原理，正确理解理解CNC系统软件功能以及系统软件功能以及CNC系统工作过程。系统工作过程。（2 2）了解机床对伺服驱动系统控
2、制要求，熟练）了解机床对伺服驱动系统控制要求，熟练掌握步进电机、进给电机、主轴电机的工作原理、掌握步进电机、进给电机、主轴电机的工作原理、特性，正确理解交流变频调速控制的工作原理。特性，正确理解交流变频调速控制的工作原理。（3 3）熟练掌握光栅、光电编码器和旋转变压器）熟练掌握光栅、光电编码器和旋转变压器的原理与应用。的原理与应用。v本本章重点：章重点：数控机床电气控制数控机床电气控制通过本章的学习，要求读者具有正确应用通过本章的学习，要求读者具有正确应用数控技术及相关设备的能力。数控技术及相关设备的能力。v本本章的能力要求章的能力要求:数控机床电气控制数控机床电气控制一、一、CNC装置的构成
3、装置的构成CNC装置由硬件和软件两大部分组成。装置由硬件和软件两大部分组成。第一节第一节 CNC装置的构成与原理装置的构成与原理数控机床电气控制数控机床电气控制数控机床电气控制数控机床电气控制1.1.单微处理器结构单微处理器结构二、二、CNC装置的硬件结构装置的硬件结构单微处理器结构的单微处理器结构的CNC装置，由于只有一个微装置，由于只有一个微处理器，因此多采用集中控制，分时处理的方式完处理器，因此多采用集中控制，分时处理的方式完成数控的各项任务。成数控的各项任务。单微处理器结构的单微处理器结构的CNC装置分为专用型装置分为专用型CNC装装置和通用型置和通用型CNC装置。专用型装置。专用型C
4、NC装置的硬件是由装置的硬件是由制造厂专门设计和制造的，因此不具有通用性。通制造厂专门设计和制造的，因此不具有通用性。通用型用型CNC装置指的是采用工业标准计算机（如工业装置指的是采用工业标准计算机（如工业PC机）构成的机）构成的CNC装置。装置。数控机床电气控制数控机床电气控制 微处理器微处理器CPU由运算器及控制器两大部分组由运算器及控制器两大部分组成。运算器对数据进行算术运算和逻辑运算，控制成。运算器对数据进行算术运算和逻辑运算，控制器则是将存储器中的程序指令进行译码，并向器则是将存储器中的程序指令进行译码，并向CNC装置各部分顺序发出执行操作的控制信号，装置各部分顺序发出执行操作的控制
5、信号，并且接收执行部件的反馈信息，从而决定下一步的并且接收执行部件的反馈信息，从而决定下一步的命令操作。命令操作。总线是总线是CPU与各组成部件、接口等之间的信息与各组成部件、接口等之间的信息公共传输线。总线由地址总线、数据总线和控制总公共传输线。总线由地址总线、数据总线和控制总线三总线组成。线三总线组成。（1）微处理器和总线）微处理器和总线 数控机床电气控制数控机床电气控制 CNC装置的存储器包括只读存储器（装置的存储器包括只读存储器（ROM）和随机存储器（和随机存储器（RAM）两类。两类。CNC装置的系统程序存放在只读存储器装置的系统程序存放在只读存储器EPROM之中。零件加工程序、机床参
6、数、刀具参之中。零件加工程序、机床参数、刀具参数等存放在有后备电池的数等存放在有后备电池的RAM中，断电后，信息中，断电后，信息仍被保留。数控中各种运算的中间结果，需显示的仍被保留。数控中各种运算的中间结果，需显示的信息、数据，运行中的状态，标志信息等均放在随信息、数据，运行中的状态，标志信息等均放在随机存储器机存储器RAM中，它可以随时读出和写入，断电中，它可以随时读出和写入，断电后，信息就消失后，信息就消失。（2）存储器）存储器 数控机床电气控制数控机床电气控制它主要用来控制数控机床各进给坐标轴的位它主要用来控制数控机床各进给坐标轴的位移量，需要随时把插补运算所得的各坐标位移指移量，需要随
7、时把插补运算所得的各坐标位移指令令与实际检测的位置反馈信号进行比较，并结合与实际检测的位置反馈信号进行比较，并结合有关补偿参数，适时地向各坐标伺服驱动控制单有关补偿参数，适时地向各坐标伺服驱动控制单元发出位置进给指令，使伺服控制单元驱动伺服元发出位置进给指令，使伺服控制单元驱动伺服电动机运转。位置控制是一种同时具有位置控制电动机运转。位置控制是一种同时具有位置控制和速度控制两种功能的反馈控制系统。和速度控制两种功能的反馈控制系统。（3）位置控制器位置控制器 数控机床电气控制数控机床电气控制（4）PLCPLC是用来代替传统机床强电的继电器逻辑控是用来代替传统机床强电的继电器逻辑控制，利用制，利用
8、PLC的逻辑运算功能实现各种开关量的控的逻辑运算功能实现各种开关量的控制制。（5）MDI/CRT接口接口MDI接口即手动数据输入接口，数据通过操作接口即手动数据输入接口，数据通过操作面板上的键盘输入。面板上的键盘输入。CRT接口是在接口是在CNC软件配合软件配合下，在显示器上实现字符和图型显示。近年来已开下，在显示器上实现字符和图型显示。近年来已开始出现平板式液晶显示器（始出现平板式液晶显示器（LCD）。）。数控机床电气控制数控机床电气控制（6）I/O接口接口CNC装置与机床之间的来往信号通过装置与机床之间的来往信号通过I/O接口接口电路来传送。电路来传送。（7）通信接口）通信接口 该接口用来
9、与外设进行信息传输，如上一级计该接口用来与外设进行信息传输，如上一级计算机、其他算机、其他CNC等。等。数控机床电气控制数控机床电气控制2.多微处理器结构多微处理器结构 多多微微处处理理器器CNC装装置置多多采采用用模模块块化化结结构构，每每个个微微处处理理器器分分管管各各自自的的任任务务，形形成成特特定定的的功功能能单单元。元。多多微微处处理理器器CNC装装置置一一般般采采用用紧紧耦耦合合结结构构（有有集集中中的的操操作作系系统统，共共享享资资源源）和和松松耦耦合合结结构构（有多重操作系统，可以有效地实现并行处理）。（有多重操作系统，可以有效地实现并行处理）。多多微微处处理理器器CNC装装置
10、置具具有有良良好好的的适适应应性性和和扩扩展展性性，且且结结构构紧紧凑凑，可可使使故故障障对对系系统统的的影影响响降降到到最最低低限限度度，其其运运算算速速度度有有了了很很大大的的提提高高，因因此此更更适适合合于于多多轴轴控控制制、高高进进给给速速度度、高高精精度度、高高效效率率的数控要求。的数控要求。数控机床电气控制数控机床电气控制三、标准型数控系统的软件结构三、标准型数控系统的软件结构1.软件结构特点软件结构特点（1）多任务并行处理）多任务并行处理1）CNC系统的多任务性系统的多任务性 在在许许多多情情况况下下，管管理理和和控控制制的的某某些些工工作作必必须须同同时时进进行行。在在单单CP
11、U数数控控系系统统中中，其其软软件件结结构构采采用用前前后后台台型型和和中中断断型型的的软软件件结结构构；而而在在多多CPU数数控控系系统统中中，通通常常是是各各个个CPU分分别别承承担担一一项项任任务务，然然后后通通过过它们之间相互通信、协调工作来完成控制。它们之间相互通信、协调工作来完成控制。2）CNC系统的多任务并行处理系统的多任务并行处理并行处理是指计算机在同一时刻完成两种或两并行处理是指计算机在同一时刻完成两种或两种以上性质相同或不相同的工作。种以上性质相同或不相同的工作。数控机床电气控制数控机床电气控制（2）实时中断处理）实时中断处理 1）前、后台软件结构的中断模式）前、后台软件结
12、构的中断模式 前台程序是一个实时中断服务程序，它完成全前台程序是一个实时中断服务程序，它完成全部的实时功能，如插补、位置控制等；而后台程序部的实时功能，如插补、位置控制等；而后台程序即背景程序，其实质是一个循环运行程序，它完成即背景程序，其实质是一个循环运行程序，它完成管理及插补准备等功能。管理及插补准备等功能。2）中断型软件结构的中断模式）中断型软件结构的中断模式 除了初始化程序之外，系统软件中所有任务模除了初始化程序之外，系统软件中所有任务模块均被安排在不同级别的中断服务程序中。块均被安排在不同级别的中断服务程序中。数控机床电气控制数控机床电气控制2.CNC系统软件的工作过程系统软件的工作
13、过程（1）输入）输入CNC系统中的零件加工程序，一般是通系统中的零件加工程序，一般是通过键盘、磁盘或纸带阅读机等方式输入的。过键盘、磁盘或纸带阅读机等方式输入的。（2）译码）译码译码就是将输入的零件程序翻译成本系译码就是将输入的零件程序翻译成本系统所能识别的语言。统所能识别的语言。（3）数据处理数据处理 数据处理即预计算，通常包括刀具数据处理即预计算，通常包括刀具长度补偿、刀具半径补偿、反向间隙补偿、丝杠螺长度补偿、刀具半径补偿、反向间隙补偿、丝杠螺距补偿、进给速度换算和机床辅助功能处理等。距补偿、进给速度换算和机床辅助功能处理等。数控机床电气控制数控机床电气控制（4）插补运算）插补运算在实际
14、的在实际的CNC系统中，常采用软件粗插补，系统中，常采用软件粗插补，硬件精插补。硬件精插补。（5）位置控制）位置控制将插补计算的指令位置与实际反馈位置相比较，将插补计算的指令位置与实际反馈位置相比较，用其差值去控制伺服电动机。用其差值去控制伺服电动机。（6）输出）输出完成伺服控制，反向间隙、丝杠螺距补偿处理完成伺服控制，反向间隙、丝杠螺距补偿处理及及M、S、T辅助功能，还完成辅助功能，还完成CNC与与PLC之间的之间的I/O信号处理。信号处理。（7）管理与诊断）管理与诊断主要包括主要包括CPU管理与外设管理。管理与外设管理。数控机床电气控制数控机床电气控制第二节第二节 伺服驱动系统的简介伺服驱
15、动系统的简介一、数控机床对驱动装置的要求一、数控机床对驱动装置的要求1.对主轴驱动的要求对主轴驱动的要求（1）主轴输出大功率）主轴输出大功率为为了了满满足足生生产产率率的的要要求求，通通常常主主传传动动电电机机应应有有2.5250kW的的功功率率范范围围，因因此此，对对功功率率驱驱动动电电路路提出了更高的要求。提出了更高的要求。（2）调速范围要足够大）调速范围要足够大一一般般要要求求如如能能在在（1：100）（1：1000）范范围围内内进进行行恒恒转转矩矩调调速速，1：10范范围围内内进进行行恒恒功功率率调调速，并能实现四象限驱动功能。速，并能实现四象限驱动功能。数控机床电气控制数控机床电气控
16、制（3）控制功能）控制功能1）主轴与进给驱动的同步控制）主轴与进给驱动的同步控制2）准停控制（便于自动换刀）准停控制（便于自动换刀）3）角度分度控制）角度分度控制（“C”轴控制）轴控制）主轴电机应具备以下性能：主轴电机应具备以下性能：1）电电机机功功率率要要大大，且且在在大大的的调调速速范范围围内内速速度度要要稳稳定，恒功率调速范围宽；定，恒功率调速范围宽；2）在断续负载下电机转速波动要小；）在断续负载下电机转速波动要小；3）加速、减速时间短；）加速、减速时间短；4）温温升升低低，噪噪声声小小，振振动动小小，可可靠靠性性高高，寿寿命命长长，易维护，体积小，重量轻；易维护，体积小，重量轻；5）电
17、机过载能力强。）电机过载能力强。数控机床电气控制数控机床电气控制（1）精度高）精度高进给驱动系统的精度是指输出量能复现输入的进给驱动系统的精度是指输出量能复现输入的精确程度。精确程度。（2）稳定性好）稳定性好稳定是指系统在给定输入或外界干扰作用下，稳定是指系统在给定输入或外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态。的平衡状态。（3）快速响应）快速响应它反映了系统的跟踪精度。它反映了系统的跟踪精度。（4）调速范围宽）调速范围宽（5）低速大转矩）低速大转矩2对进给驱动的要求对进给驱动的要求数控机床电气控制数控机床电气控制1按有
18、无检测元件和反馈环节分类按有无检测元件和反馈环节分类二、伺服驱动系统的分类二、伺服驱动系统的分类（1）开环伺服驱动系统）开环伺服驱动系统 结构简单，易于控制，但精度差，低速不平稳，结构简单，易于控制，但精度差，低速不平稳，高速扭矩小。一般用于轻载负载变化不大或经济型高速扭矩小。一般用于轻载负载变化不大或经济型数控机床上。数控机床上。数控机床电气控制数控机床电气控制（2 2）闭闭环伺服驱动系统环伺服驱动系统 跟随精度和定位精度提高。跟随精度和定位精度提高。数控机床电气控制数控机床电气控制（3 3）半闭环伺服驱动系统）半闭环伺服驱动系统 半闭环伺服系统的精度低于闭环系统。半闭环伺服系统的精度低于闭
19、环系统。数控机床电气控制数控机床电气控制2按执行元件的类别分类按执行元件的类别分类 （1）步进驱动系统）步进驱动系统（2）直流伺服驱动系统）直流伺服驱动系统（3）交流伺服驱动系统）交流伺服驱动系统 3按控制对象和使用目的分类按控制对象和使用目的分类 （1）进给驱动系统）进给驱动系统（2）主轴驱动系统）主轴驱动系统 4按反馈比较控制方式分类按反馈比较控制方式分类 （1）脉冲（数字）比较伺服驱动系统）脉冲（数字）比较伺服驱动系统（2）相位比较伺服驱动系统）相位比较伺服驱动系统（3）幅值比较伺服驱动系统）幅值比较伺服驱动系统（4）全数字伺服驱动系统）全数字伺服驱动系统数控机床电气控制数控机床电气控制
20、第三节第三节 进给驱动系统进给驱动系统一、步进电动机驱动的进给系统一、步进电动机驱动的进给系统1步进电动机的工作原理步进电动机的工作原理步步进进电电动动机机是是一一种种将将脉脉冲冲信信号号变变换换成成角角位位线线（或或线线位位移移）的的电电磁磁装装置置，步步进进电电动动机机的的角角位位移移与与输入脉冲个数成正比，在时间上与输入脉冲同步。输入脉冲个数成正比，在时间上与输入脉冲同步。按步进电动机输出扭矩的大小，分为快速步进按步进电动机输出扭矩的大小，分为快速步进电动机与功率步进电动机；按其励磁相数分为两相、电动机与功率步进电动机；按其励磁相数分为两相、三相、四相、五相、六相；按其工作原理主要分为三
21、相、四相、五相、六相；按其工作原理主要分为反应式和混合式步进电动机两大类。反应式和混合式步进电动机两大类。数控机床电气控制数控机床电气控制（1 1）反应式步进电动机的工作原理）反应式步进电动机的工作原理 数控机床电气控制数控机床电气控制按按ABCA的的顺顺序序通通电电，电电动动机机便便按按一一定定的的方方向向转转动动。电电动动机机的的转转速速取取决决于于绕绕组组与与电电源源接接通通或或断断开开的的变变化化频频率率。若若按按ACBA的的顺顺序序通通电电，则则电电动动机机反反向向转转动动。电电动动机机绕绕组组与与电电源源的接通或断开，通常是由电子逻辑电路来控制的。的接通或断开，通常是由电子逻辑电路
22、来控制的。电动机定子绕组每改变一次通电方式，称为电动机定子绕组每改变一次通电方式，称为一拍。此时电动机转子转过的空间角度称为步距一拍。此时电动机转子转过的空间角度称为步距角角。上述通电方式称为三相单三拍。上述通电方式称为三相单三拍。“单单”是是指每次通电时，只有一相绕组通电；指每次通电时，只有一相绕组通电；“三拍三拍”是是指经过三次切换绕组的通电状态为一个循环，第指经过三次切换绕组的通电状态为一个循环，第四拍通电时就重复第一拍通电的情况。四拍通电时就重复第一拍通电的情况。数控机床电气控制数控机床电气控制（2）混合式步进电动机的结构和工作原理）混合式步进电动机的结构和工作原理数控机床电气控制数控
23、机床电气控制数控机床电气控制数控机床电气控制按按ABA（-）B（-）A的顺序通电，的顺序通电，转子将沿逆时针方向一步步地转动。如果按转子将沿逆时针方向一步步地转动。如果按AB（-）A（-）BA的顺序通电，转子将沿顺的顺序通电，转子将沿顺时针方向一步步地转动。时针方向一步步地转动。数控机床电气控制数控机床电气控制 脉冲信号源是一个脉冲发生器，脉冲的频率可脉冲信号源是一个脉冲发生器，脉冲的频率可以连续调整，送出的脉冲个数和脉冲频率由数控装以连续调整，送出的脉冲个数和脉冲频率由数控装置根据程序进行控制。脉冲分配器是将脉冲信号按置根据程序进行控制。脉冲分配器是将脉冲信号按一定顺序分配，然后送到驱动电路
24、中并进行功率放一定顺序分配，然后送到驱动电路中并进行功率放大，驱动步进电机工作。大，驱动步进电机工作。数控机床电气控制数控机床电气控制3步进电动机的特点步进电动机的特点1）步步进进电电动动机机的的驱驱动动装装置置接接受受指指令令脉脉冲冲信信号号，控控制步进电动机的通电顺序，无累积误差。制步进电动机的通电顺序，无累积误差。2）步步进进电电动动机机的的转转速速与与控控制制脉脉冲冲频频率率成成正正比比，改改变变控控制制脉脉冲冲的的频频率率即即可可在在很很宽宽的的范范围围内内调调节节电电动动机机的转速。的转速。3）改变绕组的通电顺序，控制电动机的正反转。改变绕组的通电顺序，控制电动机的正反转。4）在在
25、没没有有控控制制脉脉冲冲输输入入时时，只只要要维维持持绕绕组组电电流流不不变，电动机即可有电磁力矩维持其定位位置。变，电动机即可有电磁力矩维持其定位位置。5）上述性能不随外界电源及温度的变化而改变。）上述性能不随外界电源及温度的变化而改变。数控机床电气控制数控机床电气控制4步进电动机的主要特性步进电动机的主要特性（1）步距角的步距误差）步距角的步距误差 步进电动机每走一步，转子实际的角位移与设步进电动机每走一步，转子实际的角位移与设计的步距角存在步距误差。步距的误差不会无限累计的步距角存在步距误差。步距的误差不会无限累积，只会在一转的范围内存在一个最大累积误差。积，只会在一转的范围内存在一个最
26、大累积误差。步距误差和累积误差通常用度、分或者步距角百分步距误差和累积误差通常用度、分或者步距角百分比表示。比表示。数控机床电气控制数控机床电气控制（2）静态矩角特性）静态矩角特性所谓静态是指步进电动机不改变通电状态，转所谓静态是指步进电动机不改变通电状态，转子不产生步进运动的工作状态。若在电动机轴上加子不产生步进运动的工作状态。若在电动机轴上加一顺时针方向的负载转矩一顺时针方向的负载转矩TL，步进电动机转子则按步进电动机转子则按顺时针方向转过一个小角度顺时针方向转过一个小角度，并重新稳定，这时并重新稳定，这时转子电磁转矩转子电磁转矩Tm为静态转矩，角度为静态转矩，角度为失调角。描为失调角。描
27、述步进电动机稳态时，电磁转矩述步进电动机稳态时，电磁转矩Tm与失调角与失调角之间之间的曲线称为静态矩角特性或静转矩特性。的曲线称为静态矩角特性或静转矩特性。（3）启动频率）启动频率空载时，步进电动机由静止状态突然启动，不空载时，步进电动机由静止状态突然启动，不丢步地进入正常运行状态所允许的最高启动频率，丢步地进入正常运行状态所允许的最高启动频率，称为启动频率或突跳频率。称为启动频率或突跳频率。数控机床电气控制数控机床电气控制（4）连续运行频率）连续运行频率步步进进电电动动机机启启动动后后，当当控控制制的的脉脉冲冲频频率率连连续续上上升升时时，能能不不失失步步运运行行的的最最高高脉脉冲冲重重复复
28、频频率率称称为为连连续续运行频率。运行频率。（5）矩频特性）矩频特性矩矩频频特特性性是是描描述述步步进进电电动动机机在在负负载载转转动动惯惯量量一一定定且且稳稳态态运运行行时时的的最最大大输输出出转转矩矩与与脉脉冲冲重重复复频频率率的的关关系系曲曲线线。步步进进电电动动机机的的最最大大输输出出转转矩矩随随脉脉冲冲重重复复频率的升高而下降。频率的升高而下降。数控机床电气控制数控机床电气控制二、交流伺服二、交流伺服电动电动机机驱动驱动的的进给进给系系统统 1.速度控制速度控制（1）交流伺服交流伺服电动电动机的分机的分类类 分分为为永磁同步式、永磁直流无刷式、感永磁同步式、永磁直流无刷式、感应应(或
29、或称异步称异步)式等交流伺服式等交流伺服电动电动机。机。（2）交流伺服电动机工作原理）交流伺服电动机工作原理1）永磁直流无刷伺服永磁直流无刷伺服电动电动机机数控机床电气控制数控机床电气控制 三相永磁直流无刷伺服电动机主要由电动机本三相永磁直流无刷伺服电动机主要由电动机本体、位置传感器和电子开关线路三部分组成。其结体、位置传感器和电子开关线路三部分组成。其结构与永磁同步伺服电动机相似。构与永磁同步伺服电动机相似。借助较简单的位置传感器的信号，控制电枢绕借助较简单的位置传感器的信号，控制电枢绕组的换向，由于每个绕组的换向都需要一套功率开组的换向，由于每个绕组的换向都需要一套功率开关电路，电枢绕组的
30、数目通常只采用三相，相当于关电路，电枢绕组的数目通常只采用三相，相当于只有只有3个换向片的直流电动机，因此运行时电动机个换向片的直流电动机，因此运行时电动机的脉动转矩大，造成速度的脉动，需要采用速度闭的脉动转矩大，造成速度的脉动，需要采用速度闭环才能较低转速运行。环才能较低转速运行。数控机床电气控制数控机床电气控制数控机床电气控制数控机床电气控制2）永磁同步式交流伺服电动机永磁同步式交流伺服电动机 永永磁磁同同步步式式交交流流伺伺服服电电动动机机的的定定子子绕绕组组产产生生的的空空间间旋旋转转磁磁场场和和转转子子磁磁场场相相互互作作用用，使使定定子子带带动动转转子子一一起起旋旋转转。所所不不同
31、同的的是是转转子子磁磁极极不不是是由由转转子子的的三三相绕组产生，而是由永久磁铁产生。相绕组产生，而是由永久磁铁产生。转子速度转子速度nr=60f/pf 电源交流电的频电源交流电的频率率p 定子和转子的极定子和转子的极对数对数数控机床电气控制数控机床电气控制 交流伺服电机的转矩交流伺服电机的转矩-速度特性曲线如图所示速度特性曲线如图所示 。连续连续工作区工作区 断断续续工作区工作区 数控机床电气控制数控机床电气控制（3）进给系统调速方法简介）进给系统调速方法简介 交流伺服电机调速主要是变频调速。变频调交流伺服电机调速主要是变频调速。变频调速的主要环节是能为交流伺服电机提供变频电源速的主要环节是
32、能为交流伺服电机提供变频电源的变频器，变频器可分为交的变频器，变频器可分为交-直直-交变频器和交交变频器和交-交变频器两大类。交变频器两大类。变变频频调调速速大大量量采采用用PWM型型变变频频器器，它它是是采采用用脉脉宽宽调调制制原原理理。PWM型型变变频频器器出出现现了了许许多多调调制方法，如制方法，如SPWM、电流跟踪电流跟踪PWM等。等。目前，交流伺服电机还采用矢量控制技术。目前，交流伺服电机还采用矢量控制技术。数控机床电气控制数控机床电气控制2.位置控制位置控制 （1）相位）相位伺服驱动系统伺服驱动系统位置检测装置采取相位工作方式，指令与反馈位置检测装置采取相位工作方式，指令与反馈信号
33、都变成某个载波的相位，然后通过两者相位的信号都变成某个载波的相位，然后通过两者相位的比较，获得实际位置与指令位置的偏差。比较，获得实际位置与指令位置的偏差。数控机床电气控制数控机床电气控制（2）幅值伺服驱动系统幅值伺服驱动系统 幅值伺服驱动系统是以位置检测信号的幅值大幅值伺服驱动系统是以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移的数值，并以此作为位置反馈信小来反映机械位移的数值，并以此作为位置反馈信号与指令信号进行比较构成的闭环控制系统。号与指令信号进行比较构成的闭环控制系统。数控机床电气控制数控机床电气控制（3）脉冲（数字）比脉冲（数字）比较较伺服伺服驱动驱动系系统统 它是将数控装置发出的脉冲（或
34、数字）指令信它是将数控装置发出的脉冲（或数字）指令信号与检测装置测得的以脉冲（或数字）形式表示的号与检测装置测得的以脉冲（或数字）形式表示的反馈信号直接进行比较，以产生位置误差，达到闭反馈信号直接进行比较，以产生位置误差，达到闭环控制。环控制。数控机床电气控制数控机床电气控制（4）全数字伺服驱动系统的特点全数字伺服驱动系统的特点 1）采用现代控制理论，通过计算机软件实现最佳）采用现代控制理论，通过计算机软件实现最佳最优控制。最优控制。2）数字伺服驱动系统是一种离散系统，它是由采）数字伺服驱动系统是一种离散系统，它是由采样器和保持器两个基本环节组成。离散系统的校样器和保持器两个基本环节组成。离散
35、系统的校正环节的正环节的PID控制可由软件实现。由位置、速度和控制可由软件实现。由位置、速度和电流构成的三环反馈实现全部数字化，由计算机电流构成的三环反馈实现全部数字化，由计算机处理。处理。3）数字伺服驱动系统具有较高的动、静态精度。）数字伺服驱动系统具有较高的动、静态精度。采采用用新新的的控控制制方方法法：前前馈馈控控制制；预预测测控控制制；学习控制。学习控制。数控机床电气控制数控机床电气控制第四节第四节 主轴驱动系统主轴驱动系统一、交流主轴电动机一、交流主轴电动机 笼型异步电动机由有三相绕组的定子和有笼条笼型异步电动机由有三相绕组的定子和有笼条的转子构成。在转子铁心上开有许多槽，每个槽内的
36、转子构成。在转子铁心上开有许多槽，每个槽内装有一根导体，所有导体两端短接在端环上。装有一根导体，所有导体两端短接在端环上。数控机床电气控制数控机床电气控制二、异步电动机调频调速二、异步电动机调频调速 感应电动机的转子转速为：感应电动机的转子转速为：n=60f1(1-s)/p f1 定子供电频率定子供电频率 p 电动机定子绕组极对数；电动机定子绕组极对数；s 转差率。转差率。由由上上式式可可见见，要要改改变变电电动动机机的的转转速速：改改变变磁磁极极对对数数p，则则电电动动机机的的转转速速可可作作有有级级变变速速；改改变变转转差差率率s；改改变变频频率率f1。在在数数控控机机床床中中，交交流流电
37、电动动机的调速通常采用变频调速的方式。机的调速通常采用变频调速的方式。数控机床电气控制数控机床电气控制感应电动机每相的感应电动势为：感应电动机每相的感应电动势为：E1=4.44f1W1mU1 f1 电源频率，单位为电源频率，单位为Hz；W1 每相绕组有效匝数；每相绕组有效匝数；m 每极磁通；每极磁通；U1 定子电压，单位为定子电压，单位为V。则则m=KU1/f1数控机床电气控制数控机床电气控制 在降低频率的同时，降低电压在降低频率的同时，降低电压U1，以保持以保持m不变。这种不变。这种U1和和f1的配合变化称为恒磁通变频调速的配合变化称为恒磁通变频调速中的协调控制（恒转矩调速控制）。当中的协调
38、控制（恒转矩调速控制）。当f1频率超过频率超过异步电动机铭牌的额定频率，由于电源电压的限制，异步电动机铭牌的额定频率，由于电源电压的限制，U1已达到变频器输出电压的最大值再不能随已达到变频器输出电压的最大值再不能随f1而升而升高，异步电动机的每极磁通高，异步电动机的每极磁通m与与f1成反比例下降，成反比例下降，其转矩其转矩T也随着也随着f1反比例下降。但因转速反比例下降。但因转速n提高，异提高，异步电动机的输出功率步电动机的输出功率P则在此区域内保持不变（则在此区域内保持不变（P=T n），），称为恒功率调速。称为恒功率调速。数控机床电气控制数控机床电气控制数控机床电气控制数控机床电气控制 异
39、步电动机的机械特性：在同一负载转矩下，异步电动机的机械特性：在同一负载转矩下，有着相同的转速降落有着相同的转速降落n，其转速降落百分比其转速降落百分比（n/n0）随着频率下降将越来越大，调速性能下随着频率下降将越来越大，调速性能下降。降。数控机床电气控制数控机床电气控制三、异步电动机的矢量控制三、异步电动机的矢量控制 矢量变换控制的基本想法来自等效的概念，按矢量变换控制的基本想法来自等效的概念，按照不同情况下的绕组产生同样的旋转磁场这一等效照不同情况下的绕组产生同样的旋转磁场这一等效原则出发，通过坐标变换，将三相交流输出电流变原则出发，通过坐标变换，将三相交流输出电流变为等效的、彼此独立的励磁
40、电流和电枢电流，通过为等效的、彼此独立的励磁电流和电枢电流，通过对等效电枢绕组电流和励磁绕组电流的反馈控制，对等效电枢绕组电流和励磁绕组电流的反馈控制，达到控制转矩和励磁磁通的目的，最后，通过相反达到控制转矩和励磁磁通的目的，最后，通过相反的变换，将等效的直流量再还原为三相交流量，控的变换，将等效的直流量再还原为三相交流量，控制实际的三相感应电动机。制实际的三相感应电动机。数控机床电气控制数控机床电气控制四、四、变频变频器在机床上的器在机床上的应应用用 数控机床电气控制数控机床电气控制五、主轴分段无级调速及控制五、主轴分段无级调速及控制 数控装置可通过三种方式控制主轴驱动。一种数控装置可通过三
41、种方式控制主轴驱动。一种是通过主轴模拟电压输出接口，输出是通过主轴模拟电压输出接口，输出010V模拟模拟电压至主轴驱动装置，电压的正负控制电动机转向，电压至主轴驱动装置，电压的正负控制电动机转向，电压的大小控制电动机的转速。另一种是输出单极电压的大小控制电动机的转速。另一种是输出单极性性010V模拟电压至主轴驱动装置，通过正转与模拟电压至主轴驱动装置，通过正转与反转开关量信号指定正反转。第三种是选择数控装反转开关量信号指定正反转。第三种是选择数控装置输出置输出12位二进制代码或位二进制代码或2位位BCD码（码（4位位BCD码）码）开关量信号至主轴驱动，控制主轴的转速。开关量信号至主轴驱动，控制
42、主轴的转速。数控机床电气控制数控机床电气控制 数控机床常采用数控机床常采用14档齿轮变速与无级调速相档齿轮变速与无级调速相结合的方式，即分段无级变速方式。结合的方式，即分段无级变速方式。数控机床电气控制数控机床电气控制 数控系统可使用数控系统可使用M41M44代码进行齿轮的自代码进行齿轮的自动变档。首先需要在数控系统参数区设置动变档。首先需要在数控系统参数区设置M41M444档对应的最高主轴转速，这样数控系统根据档对应的最高主轴转速，这样数控系统根据当前当前S指令值判断档位，并自动输出相应的指令值判断档位，并自动输出相应的M41M44指令至指令至PLC，控制更换相应的齿轮档，然后数控制更换相应
43、的齿轮档，然后数控装置输出相应的模拟电压控装置输出相应的模拟电压。数控机床电气控制数控机床电气控制六、主六、主轴轴准停控制准停控制 主轴准停功能又称为主轴定位功能，即当主轴主轴准停功能又称为主轴定位功能，即当主轴停止时能控制其停于固定位置。停止时能控制其停于固定位置。数控机床电气控制数控机床电气控制 主轴准停可分为机械准停和电气准停。传统主轴准停可分为机械准停和电气准停。传统的做法是采用机械档块等来定位。在现代数控机的做法是采用机械档块等来定位。在现代数控机床上，一般都采用电气方式使主轴定位，只要数床上，一般都采用电气方式使主轴定位，只要数控系统发出控系统发出M19指令，主轴就能准确定位。电气
44、指令，主轴就能准确定位。电气方式的主轴定向控制，是利用装在主轴上的位置方式的主轴定向控制，是利用装在主轴上的位置编码器和磁性传感器作为位置反馈部件，由它们编码器和磁性传感器作为位置反馈部件，由它们输出的信号，使主轴准确停在规定的位置上。输出的信号，使主轴准确停在规定的位置上。数控机床电气控制数控机床电气控制七、主轴进给功能七、主轴进给功能 主轴进给功能即主轴的主轴进给功能即主轴的C轴功能。对于车削中轴功能。对于车削中心，主轴除了完成传统的回转功能外，主轴的进给心，主轴除了完成传统的回转功能外，主轴的进给功能可以实现主轴的定向、分度和圆周进给，并在功能可以实现主轴的定向、分度和圆周进给，并在数控
45、装置的控制下实现数控装置的控制下实现C轴与其他进给轴的插补。轴与其他进给轴的插补。对于车、铣复合机床，则必须要求车主轴在铣状态对于车、铣复合机床，则必须要求车主轴在铣状态下完成铣床下完成铣床C轴所有的进给插补功能。轴所有的进给插补功能。（1）机械式）机械式（2）双电动机切换）双电动机切换（3）有）有C轴功能的主轴电动机轴功能的主轴电动机 数控机床电气控制数控机床电气控制第五节第五节 检测检测元件元件 一、概述一、概述 1位置检测装置的要求位置检测装置的要求1）受受温温度度、湿湿度度的的影影响响小小，工工作作可可靠靠，能能长长期期保保持精度，抗干扰能力强。持精度，抗干扰能力强。2）在在机机床床执
46、执行行部部件件移移动动范范围围内内，能能满满足足精精度度和和速速度的要求。度的要求。3）使用维护方便，适应机床工作环境。）使用维护方便，适应机床工作环境。4）成本低。）成本低。数控机床电气控制数控机床电气控制2 2位置检测装置的分类位置检测装置的分类 （1）数字式测量和模拟式测量）数字式测量和模拟式测量1）数字式测量）数字式测量将将被被测测的的量量以以数数字字的的形形式式来来表表示示。测测量量信信号号一一般般为为电电脉脉冲冲，可可以以直直接接把把它它送送到到数数控控装装置置进进行行比较、处理。如光栅、光电编码器等。比较、处理。如光栅、光电编码器等。2）模拟式测量）模拟式测量 将被测的量用连续变
47、量来表示，如电压变化、将被测的量用连续变量来表示，如电压变化、相位变化等，数控机床所用模拟式测量主要用于相位变化等，数控机床所用模拟式测量主要用于小量程的测量如旋转变压器等。小量程的测量如旋转变压器等。数控机床电气控制数控机床电气控制（2）增量式测量和绝对式测量）增量式测量和绝对式测量1）增量式测量）增量式测量特特点点是是只只测测位位移移量量，如如测测量量单单位位为为0.01mm，则则每每移移动动0.01mm就就发发出出一一个个脉脉冲冲信信号号。任任何何一一个个点点都都可可作作为为测测量量的的起起点点。典典型型的的测测量量元元件件有有光光栅、增量编码器等。栅、增量编码器等。2）绝对式测量）绝对
48、式测量 对对于于被被测测量量的的任任意意一一点点位位置置均均由由固固定定的的零零点点标标起起，每每一一个个被被测测点点都都有有一一个个相相应应的的测测量量值值，常常以以数数据据形形式式表表示示。典典型型的的测测量量元元件件有有绝绝对对式式光光电电编码器等。编码器等。数控机床电气控制数控机床电气控制（3）直接测量和间接测量）直接测量和间接测量1）直接测量）直接测量将将检检测测装装置置直直接接安安装装在在执执行行部部件件上上，如如光光栅栅用来直接测量工作台的直线位移。用来直接测量工作台的直线位移。2）间接测量）间接测量 将将检检测测装装置置安安装装在在滚滚珠珠丝丝杠杠或或驱驱动动电电动动机机轴轴上
49、上，通通过过检检测测转转动动件件的的角角位位移移来来间间接接测测量量执执行行部部件的直线位移。典型的测量元件有旋转变压器等。件的直线位移。典型的测量元件有旋转变压器等。数控机床电气控制数控机床电气控制二、光栅二、光栅 光栅利用光的透射、衍射原理，通过光敏元件光栅利用光的透射、衍射原理，通过光敏元件测量莫尔条纹移动的数量来检测机床工作台的位移测量莫尔条纹移动的数量来检测机床工作台的位移量。量。1直线透射光栅的组成直线透射光栅的组成 1一光栅尺一光栅尺(标尺光栅标尺光栅)2一指示光栅一指示光栅3一光电接收元件一光电接收元件4一光源一光源数控机床电气控制数控机床电气控制2莫尔条纹的原理莫尔条纹的原理
50、光栅读数时利用莫尔条纹的形成原理进行的。光栅读数时利用莫尔条纹的形成原理进行的。将指示光栅和标尺光栅叠合在一起，中间保持将指示光栅和标尺光栅叠合在一起，中间保持0.050.1mm的间隙，并使指示光栅和标尺光栅的的间隙，并使指示光栅和标尺光栅的线纹相互交叉保持一个很小的夹角线纹相互交叉保持一个很小的夹角。数控机床电气控制数控机床电气控制 两条暗带或两条亮带之间的距离叫莫尔条纹两条暗带或两条亮带之间的距离叫莫尔条纹的间距的间距B，设光栅的栅距为设光栅的栅距为W，两光栅线纹的夹角两光栅线纹的夹角为为，则它们的近似关系为则它们的近似关系为WB 如果两块光栅相对移动一个栅距，则光栅某一如果两块光栅相对移