2022年范文范本河南大学教案 模板(共7篇) .doc
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1、河南大学教案 模板(共7篇) YOUR LOGO原 创 文 档 请 勿 盗 版河南大学教案 模板(共7篇) 第1篇:河南科技大学教案河南科技大学教案首页课程名称 数控技术及装备 任课教师 张丰收 第 四 章 进给伺服系统 规划学时 10 教学目的和要求:通过本章的学习,使学生了解数控机床伺服机构和位置检测装置的工作原理和选用方法。要求了解伺服系统的组成和分类,了解步进电机及其驱动装置和常用数控机床的位置检测装置的工作原理。着重:伺服电机及其驱动;常用位置检测装置的工作原理。难点:数控机床常用伺服电机及其驱动和调速控制。思考题:4-1试述进给他伺系统的组成以及各组成环节的作用和联系。 4-2简述
2、闭环进给伺服系统的控制原理。 4-3简述步进电机的工作原理和使用特性。4-4哪些因素影响开环进给伺服系统的精度,哪些措施可以提高了系统的精度? 4-5试述位置检测装置的类型有哪些?常用的有哪些?一.进给伺服系统的定义及组成 1.定义: 进给伺服系统(Feed Servo System)以移动部件 的位置和速度作为控制量的自动控制系统。 2.组成: 进给伺服系统主要由以下几次局部组成:位置控制单元;速度控制单元;驱动元件(电机);检测和反馈单元;机械执行部件。第一节 概述二、NC机床对数控进给伺服系统的要求1.调速范围要宽且要有良好的稳定性(在调速范围内) 调速范围:一般要求:稳定性:指输出速度
3、的稳定要少,特别是在低速时的平稳性显得特殊重要。 2.输出位置精度要高静态:定位精度和重复定位精度要高,即定位误差和重复定位误差要小。(尺寸精度)动态:跟随精度,这是动态性能指标,用跟随误差表现。 (轮廓精度)灵敏度要高,有足够高的分辩率。 3.负载特性要硬在系统负载范围内,当负载变更时,输出速度应基本不变。即F尽可能小;当负载突变时,要求速度的恢复时间紧迫且无振荡。即t尽可能短; 应有足够的过载能力。这是要求伺服系统有良好的静态和动态刚度。 4.响应速度快且无超调这是对伺服系统动态性能的要求,即在无超调的前提下,执行部件的运动速度的建立时间 tp 应尽可能短。通常要求从 0Fmax(Fmax
4、0),其时间应小于200ms,且不能有超调,否则对机械部件不利,有害于加工质量 5.能可逆运行和频繁灵活启停。6.系统的可靠性高,维护使用方便,本钱低。综上所述:.对伺服系统的要求包含静态和动态特性两方面; .对高精度的数控机床,对其动态性能的要求更严一、概 述组成:位置丈量装置是由检测元件(传感器)和信号处理装置组成的。作用:实时丈量执行部件的位移和速度信号,并变换成位置控制单元所要求的信号形式,将运动部件实际位置反馈到位置控制单元,以实施闭环控制。它是闭环、半闭环进给伺服系统的重要组成局部。闭环数控机床的加工精度在很大水平上是由位置检测装置的精度决定的,在设计数控机床进给伺服系统,特别是高
5、精度进给伺服系统时,必需精心选择位置检测装置。1.进给伺服系统对位置丈量装置的要求高可靠性和高抗干扰性:受温度、湿度的影响小,工作可靠,精度坚持性好,抗干扰能力强; 能满足精度和速度的要求:位置检测装置分辨率应高于数控机床的分辨率(一次数量级); 位置检测装置最高允许的检测速度应数控机床的最高运行速度。 使用维护方便,适应机床工作环境; 本钱低。3.位置检测装置的分类按输出信号的形式分类:数字式和模拟式 按丈量基点的类型分类:增量式和绝对式按位置检测元件的运动形式分类:回转型和直线型 第二节 进给伺服系统的位置检测装置二、感应同步器1.感应同步器的结构及分类结构常用位置检测装置分类表.分类2.
6、感应同步器的工作原理感应同步器是利用励磁绕组和感应绕组间发生相对位移时,由于电磁耦合的变更,感应绕组中的感应电压随位移的变更而变更,借以进行位移量的检测。感应同步器滑尺上的绕组是励磁绕组,定尺上的绕组是感应绕组。感应同步器的工作原理感应同步器的信号处理原理 滑尺正旋绕组上加激磁电压Us后,和之相耦合的定尺绕组上的感应电压为: Uos=KUScos1滑尺余旋绕组上加激磁电压Uc后,和之相耦合的定尺绕组上的感应电压为: Uoc=KUccos(1+/2) =K Ucsin1滑尺正、余旋绕组上同时加激磁电压Us、Uc时,感应同步器的磁路可是为线性的,根据叠加原理,则和之相耦合的定尺绕组上的总感应电压为
7、: Uo =Uos+ Uos=KUScos1K Ucsin1 K 电磁感应系数1 定尺绕组上的感应电压的相位角滑尺和定尺 相对位移量 x 的求取: 2: 2= x : 1 x = 1 结论:相对位移量 x 和 相位角1 呈线性关系,只要能测出相位角1 ,就可求得位移量 x 。根据滑尺正、余旋绕组上激磁电压Us、Uc供电方式的不同可构成不同检测系统-鉴相型系统和鉴幅型系统 3.鉴相型系统的工作原理在鉴相型系统中,激磁电压是频率、幅值相同,相位差为 /2的交变电压: US = Um sint UC = Um cost 则: Uo =Uos+ Uos=KUScos1K Ucsin1 = K Um s
8、int cos1K Um cost sin1= K Um sin(t 1)结论:只要能测出Uo和US相位差1 ,就可求得滑尺和定尺相对位移量 x 。 4.鉴幅型系统的工作原理 在鉴幅型系统中,激磁电压是频率、相位相同,幅值不同的交变电压: US = Um sin2sint UC = Um cos2sint 2= x 2 ( x 2是指令位移值)Uo = Uos+ Uos=KUScos1K Ucsin1 = K Um sin2 cos1sint K Um cos2sintsin1 = K Um sin(21)sint 结论:只要能测出Uo和UC相位差1 ,就可求得滑尺和定尺 相对位移量 x 。5
9、.几点说明感应同步器的丈量周期为其绕组的节距2(2mm)感应同步器的丈量精度取决于丈量电路对输出感应电压的细分精度。现在商品化的感应同步器的输出大多是脉冲量,使其能方便 地采取现代的数字处理技术6.感应同步器的特点及使用注意事项 特点精度高:平均自弥补特性;对环境的适应能力强:抗湿、温度、热变形影响的能力强; 维护简单、寿命长:非接触丈量,无磨损,精度坚持性好。 丈量距离长:通过接长可满足大行程丈量的要求。串联方式 n串并联方式 n 10使用注意事项在装置方面:1.保障装置精度(装置面的精度、定尺和滑尺的相对位2.置精度、接缝的调整精度)3.加装防护装置(防止切屑、油污、灰尘的影响) 在电气方
10、面:要保障激磁电压波形的对称性和保真性。对鉴相系统: 激磁电压的幅值、频率相等;相位差900 对鉴幅系统: 对Um sin2、Um cos2调制的精确性 当失真度大于2%时,将严重影响丈量精度。三、脉冲编码器脉冲编码器又称码盘,是一种回转式数字丈量元件,通常装在被检测轴上,随被测轴一起转动,可将被测轴的角位移转换为增量脉冲形式或绝对式的代码形式。根据内部结构和检测方式码盘可分为接触式、光电式和电磁式3种。其中,光电码盘在数控机床上应用较多,而由霍尔效应构成的电磁码盘则可用作速度检测元件。另外,它还可分为绝对式和增量式两种 1.增量脉冲编码器 结构及工作原理 光电码盘随被测轴一起转动,在光源的照
11、射下,透过光电码盘和光欄板形成忽明忽暗的光信号,光敏元件把此光信号转换成电信号,通过信号处理装置的整形、放大等处理后输出。输出的波形有六路:其中,的取反信号 是输出信号的作用及其处理 A、B两相的作用根据脉冲的数目可得出被测轴的角位移; 根据脉冲的频率可得被测轴的转速;根据A、B两相的相位超前滞后关系可判断被测轴旋转方向。后续电路可利用A、B两相的90相位差进行细分处理(四倍频电路实现)。Z相的作用 1被测轴的周向定位基准信号; 2被测轴的旋转圈数记数信号。的作用3后续电路可利用A、两相实现差分输入,以消除远距离传输的共模干扰。 增量式码盘的规格及分辨率规格增量式码盘的规格是指码盘每转一圈发出
12、的脉冲数;现在市场上提供的规格从 36线/ 转 到10万线 /转 都有; 选择:伺服系统要求的分辨率;考虑机械传动系统的参数。分辨率(分辨角)设增量式码盘的规格为 n 线/转:2.绝对式编码器结构和工作原理码盘基片上有多圈码道,且每码道的刻线数相等; 对应每圈都有光电传感器;输出信号的路数和码盘圈数成正比; 检测信号按某种规律编码输出,故可测得被测轴的周向绝对位置。 3.光电编码器的特点非接触丈量,无接触磨损,码盘寿命长,精度保障性好; 允许丈量转速高,精度较高;。 光电转换,抗干扰能力强;体积小,便于装置,适合于机床运行环境; 结构复杂,价格高,光源寿命短;码盘基片为玻璃,抗冲击和抗震动能力
13、差。 一、概述 1.进给伺服驱动系统由进给伺服系统中的 驱动电机及其控制和驱动装置。 2.驱动电机是进给系统的动力部件,它提供执行局部运动所需的动力,在数控机床上常用的电机有:步进电机直流伺服电机 交流伺服电机 直线电机。 3.速度单元是上述驱动电机及其控制和驱动装置,通常驱动电机和速度控制单元是相互配套供应的,其性能参数都是进行了相互匹配,这样才干获得高性能的系统指标。4.速度控制单元主要作用:接受来自位置控制单元的速度指令信号,对其进行适当的调节运算(目的是稳速),将其变换成电机转速的控制量(频率,电压等),再经功率放大部件将其变换成电机的驱动电量,使驱动电机按要求运行。简言之:调节、变换
14、、功放。5.进给驱动系统的特点(和主运动(主轴)系统比拟): 功率相对较小; 控制精度要求高;控制性能要求高,特别是动态性能二、步进电机及其驱动装置步进电机流行于70年代,该系统结构简单、控制容易、维修方面,且控制为全数字化。随着计算机技术的发展,除功率驱动电路之外,其它局部均可由软件实现,从而进一步简化结构。因此,这类系统目前仍有相当的市场。目前步进电机仅用于小容量、低速、精度要不高的场所,如经济型数控;打印机、绘图机等计算机的外部设备。三、直流伺服电机及驱动直流电机的工作原理是建立在电磁力定律基础上的,电磁力的大小正比于电机中的气隙磁场,直流电机的励磁绕组所建立的磁场是电机的主磁场,按对励
15、磁绕组的励磁方式不同,直流电机可分为:他激式、并激式、串激式、复激式、永磁式。20世纪8090年代中期,永磁式直流伺服电机在NC机床中广泛采取。 直流伺服电机的特点:过载倍数大,时间长; 具有大的转矩/惯量比,电机的加速大,响应快。低速转矩大,惯量大,可和丝杆直接相联,省去了齿轮等传动机构。可提高了了机床的加工精度。调速范围大,和高性能的速度控制单元组成速度控制系统时,调速范围超过12000。带有高精度的检测元件(包含速度和转子位置检测元件);电机允许温度可达150180,由于转子温度高,它可通过轴传到机械上去,这会影响机床的精度由于转子惯性较大,因此电源装置的容量以及机械传动件等的刚度都需相
16、应增加。第三节 进给伺服驱动系统 电刷、维护不便四、交流伺服电机及驱动由于直流伺服电机具有优良的调速性能, 80年代初至90年代中,在要求调速性能较高的场所,直流伺服电机调速系统的应用一直占据主导地位。但其却存在一些固有的缺点,即:电刷和换向器易磨损,维护麻烦 结构复杂,制造困难,本钱高而交流伺服电机则没有上述缺点。特殊是在同样体积下,交流伺服电机的输出功率比直流电机提高了10%70%,且可达到的转速比直流电机高。因此,人们一直在寻求交流电机调速方案来取代直流电机调速的方案。1.分类2.交流伺服电机的速度控制单元 交流伺服电机转速 n 调速的理论基础结论:交流伺服电机变频调速的关键是要获得可调
17、频调 压的交流电源 调频调压电源的分类电压型变频器方案示意图电压型变频器工作原理结论:变频器实现变频调压的关键是逆变器控制端获得要求的控制波形(如SPWM波)。控制波形的实现方式(电机调速的控制方式): 相位控制; 矢量变换控制; PWM控制; 磁场控制;第四节 典型进给伺服系统(位置控制)一、开环进给伺服系统(Open-Loop System) 不带位置丈量反馈装置的系统; 驱动电机只能用步进电机;主要用于经济型数控或普通机床的数控化改造1.步进电机开环系统设计步进电机开环系统设计要解决的主要问题:动力计算、传动计算、驱动电路设计或选择目的:传动计算选择合适的参数以满足脉冲当量d和进给速度F
18、的要求。 图中:f 脉冲频率(HZ ) 步距角(度) Z1、Z2 传动齿轮齿数 t 螺距(mm)d 脉冲当量(mm) 传动比选择:为了凑脉冲当量dmm,也为了增大传递的扭矩,在步进电机和丝杆之间,要增加一对齿轮传动副,那么,传动比i=Z1/Z2和、d、t之间有如下关系:例: d = 0.01 t = 6 mm = 0.75进给速度F:一般步进电机:若:=0.01 mm 则:若:=0.001mm 则:因此,当一定时, 和成正比,故我们在谈到步进电机开环系统的最高速度时,都应指明是在多大的脉冲当量下的,否则是没有意义的。2.提高了步进电机开环伺服系统传动精度的措施 概述 影响步进电机开环系统传动精
19、度的因素: 步进电机的步距角精度; 机械传动部件的精度;丝杆等机械传动部件、支承的传动间隙; 传动件和支承件的变形。提高了步进电机开环系统传动精度的措施适当提高了系统组成环节的精度; 采用各种精度弥补措施。 传动间隙弥补在整次行程范围内丈量传动机构传动间隙,取其平均值存放在数控系统中的间隙弥补单元,当进给系统反向运动时,数控系统自动将弥补值加到进给指令中,从而达到弥补目的。螺矩误差弥补滚珠丝杆在数控机床应用广泛,虽然滚珠丝杆精度较高,但是总不可做的绝对精确,总是将其精度控制在一定的范围内的,也就是它的螺距总是存在着一定的误差的,利用计算机的运算处理能力,可以弥补滚珠丝杠的螺矩累积误差,以提高了
20、进给位移精度。方法:首先丈量出进给丝框螺距误差曲线(规律),然后可采取下列两种方法实现误差弥补:硬件弥补、软件弥补。二、闭环、半闭环进给伺服系统 1.闭环进给伺服系统的实现方案分类和特征 按系统的控制信号类型分: 模拟型系统、数字型系统、模拟型系统: 特征:这类系统全部采取模拟元件构成;其输入(控制)信号、输出的位置、速度信号也是模拟量;速度和位置检测元也是模拟式的。 特点:抗干扰能力强,一般不会因峰值误差导致致命的误动作。可用惯例仪器仪表(示波器,万用表等)直接读取信息,易于随时掌握系统工作的基本情况。对弱信号信噪分离困难,控制精度的提高了受到限制。在零点附近容易受到温度漂移的影响,使位置控
21、制发生漂移误差。位置、速度调节器的结构和参数调整困难,适应负载变更的能力较差。模拟系统这种实质缺陷,使它很难满足高精度位置伺服控制的要求,目前已逐渐被数字伺服系统所取代。 数字型系统:特征:这类系统是指至少其位置环控制和调节采取数字控制技术,即位置指令和反馈信号都不再是模拟信号 改用数字信号(逻辑电平脉冲信号)的系统。特点:可以通过增加数字信息的字长,来满足要求的控制精度。对逻辑电以下的漂移、噪声不予晌应,零点定位精度可以得到充分保障。 容易对其结构和参数进行修改(根据控制要求),且易于和计算机进行数据交换。噪声峰值大于逻辑电平时,对数据的最高位和最低位的干扰出错程序是相同的,这种错误可能导致
22、系统致命的危害。传送数据的数字电路要求具有很宽的频带。以保障脉冲上、下降沿有足够的陡峭度。抑制干扰、防止数据出错,是数字伺服系统设计胜利的关键 2.数字伺服系统的类型全硬件伺服系统全硬件伺服系统又称脉冲比拟伺服系统,其典型的组成方式如图所示构成:该系统中,位置闭环的控制和调节运算主要由偏差计数器(一般为可逆计数器)和D/A完成。柔性差:系统全由硬件构成,使得它的各调节器参数在机电联调整定后就固定下来了,不易改变,这对负载惯量变更不大的位置伺服系统(如车床刀架进给控制),可获得满意的控制性能指。而对某些负载惯量较大的系统,则很难在整次范围内(负载惯量变更)都获得满意的控制效果。零漂将影响精度:这
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