数控机床的伺服系统曼初宏学习教案.pptx
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1、会计学1数控机床数控机床(sh kn j chun)的伺服系的伺服系统统 曼初宏曼初宏第一页,共59页。第六章数控机床第六章数控机床(sh kn j chun)(sh kn j chun)的伺服系统的伺服系统第1页/共59页第二页,共59页。第六章数控机床(sh kn j chun)的伺服系统第一节位第一节位 置置 控控 制制第二节步进电动机伺服系统第二节步进电动机伺服系统第三节直流电动机伺服系统第三节直流电动机伺服系统第四节交流电动机伺服系统第四节交流电动机伺服系统第五节数字第五节数字(shz)(shz)比较式伺服系统比较式伺服系统第2页/共59页第三页,共59页。第一节位 置 控 制一、位
2、置控制的概念一、位置控制的概念位置控制和速度控制环是紧密相连的,速度控制环的给定值就是位置控制和速度控制环是紧密相连的,速度控制环的给定值就是(jish)jish)来自位置控制环。位置控制环的输入数据来自轮廓插补运算来自位置控制环。位置控制环的输入数据来自轮廓插补运算,在每一个插补周期内插补运算输出一组数据给位置控制环,位,在每一个插补周期内插补运算输出一组数据给位置控制环,位置控制环根据速度指令的要求及各环节的放大倍数置控制环根据速度指令的要求及各环节的放大倍数(称增益称增益)对位对位置数据进行处理,再把处理的结果送给速度控制环,作为速度控置数据进行处理,再把处理的结果送给速度控制环,作为速
3、度控制环的给定值。制环的给定值。二、位置控制的基本原理二、位置控制的基本原理图6-1位置(wi zhi)控制系统示意图第3页/共59页第四页,共59页。第一节位 置 控 制图6-2指令位置与实际(shj)位置的关系第4页/共59页第五页,共59页。第一节位 置 控 制三、位置控制装置三、位置控制装置位置控制装置分软件和硬件两部分位置控制装置分软件和硬件两部分(b fen)(b fen),如图,如图6 6 4 4所示。软件部分所示。软件部分(b(b fen)fen)完成位置偏移量完成位置偏移量DiDi和速度指令值和速度指令值VOiVOi的计算。硬件部分的计算。硬件部分(b(b fen)fen)由
4、速度指令寄存器、计数器、模拟开关和滤波放大器等部分由速度指令寄存器、计数器、模拟开关和滤波放大器等部分(b(b fen)fen)组成。它把数字量的速度指令值组成。它把数字量的速度指令值VOiVOi转换成直流电压,输送给速度控转换成直流电压,输送给速度控制装置,控制电动机转动。这是一个数模转换电路,转换精度很高。制装置,控制电动机转动。这是一个数模转换电路,转换精度很高。图6-4位置控制(kngzh)装置框图第5页/共59页第六页,共59页。第一节位 置 控 制1.1.软件部分软件部分2.2.硬件硬件(yn jin)(yn jin)部分部分(1)(1)速度指令寄存器和粗精减法计数器图速度指令寄存
5、器和粗精减法计数器图6-6-5 5所示是位置控制装置的硬件所示是位置控制装置的硬件(yn jin)(yn jin)部分。部分。图6-5位置控制装置(zhungzh)的硬件部分第6页/共59页第七页,共59页。第一节位 置 控 制图6-6模拟(mn)开关电路图(2)(2)模拟模拟(mn)(mn)开关图开关图6-66-6所示是模拟所示是模拟(mn)(mn)开关电路图。开关电路图。第7页/共59页第八页,共59页。第一节位 置 控 制图6-7模拟开关(kigun)的输出波形图第8页/共59页第九页,共59页。第一节位 置 控 制(3)(3)滤波放大电路滤波放大电路滤波放大电路由两个运算放大器滤波放大
6、电路由两个运算放大器T1T1、T2T2和与之相连的电阻电容所组成,和与之相连的电阻电容所组成,粗计数器的输出由模拟粗计数器的输出由模拟(mn)(mn)开关变换成开关变换成VNPCVNPC信号,接到信号,接到T1T1的正输入端的正输入端,T1T1的负输入端与输出端短接,没有放大作用。的负输入端与输出端短接,没有放大作用。(4)(4)数模转换时数字量与模拟数模转换时数字量与模拟(mn)(mn)电压的对应关系电压的对应关系由于粗计数器是对由于粗计数器是对1414位的速度指令寄存器中的位的速度指令寄存器中的9 91212位计数,因而它每减位计数,因而它每减一个数相当于精计数器减一个数相当于精计数器减5
7、12512次计数。次计数。第9页/共59页第十页,共59页。第二节步进电动机伺服系统一、步进电动机的结构一、步进电动机的结构目前,我国使用的步进电动机多为反应式步进电动机。这种步进电动机有轴向目前,我国使用的步进电动机多为反应式步进电动机。这种步进电动机有轴向分相和径向分相两种。图分相和径向分相两种。图6 6 8 8所示是一台典型的径向三相反应式步进电动机结所示是一台典型的径向三相反应式步进电动机结构图。这种步进电动机分为定子和转子两部分,其中定子又分为定子铁心和定构图。这种步进电动机分为定子和转子两部分,其中定子又分为定子铁心和定子绕组。定子铁心由硅钢片叠压而成,定子绕组是绕置在定子铁心六个
8、均匀分子绕组。定子铁心由硅钢片叠压而成,定子绕组是绕置在定子铁心六个均匀分布大极上的线圈,在直径布大极上的线圈,在直径(zhjng)(zhjng)方向上相对的两个大极上的线圈串联在一起方向上相对的两个大极上的线圈串联在一起,构成一相控制绕组。图,构成一相控制绕组。图6 6 8 8所示的步进电动机可构成三相控制绕组,故也称所示的步进电动机可构成三相控制绕组,故也称为三相步进电动机。转子上没有绕组,只有均匀分布的为三相步进电动机。转子上没有绕组,只有均匀分布的4040个小齿,齿槽也是等个小齿,齿槽也是等宽的。宽的。第10页/共59页第十一页,共59页。第二节步进电动机伺服系统图6-8径向(jn x
9、in)三相反应式步进电动机结构图第11页/共59页第十二页,共59页。第二节步进电动机伺服系统二、步进电动机的工作二、步进电动机的工作(gngzu)(gngzu)原理原理图6-10一段定子(dngz)、转子及磁回路第12页/共59页第十三页,共59页。第二节步进电动机伺服系统图6-11步进电动机的齿距第13页/共59页第十四页,共59页。第二节步进电动机伺服系统表6-1步进电动机的整个(zhngg)步进循环过程三、步进电动机的主要特性三、步进电动机的主要特性1.1.步距角和静态步距角和静态(jngti)(jngti)步距误差步距误差2.2.静态静态(jngti)(jngti)距角特性距角特性第
10、14页/共59页第十五页,共59页。第二节步进电动机伺服系统图6-13步进电动机静态(jngti)距角特性和静态(jngti)稳定区第15页/共59页第十六页,共59页。第二节步进电动机伺服系统3.3.起动起动(q dn)(q dn)频率频率4.4.连续运行频率连续运行频率5.5.加减速特性加减速特性6.6.矩频特性与动态转矩矩频特性与动态转矩图6-14加减速(jin s)特性曲线第16页/共59页第十七页,共59页。第二节步进电动机伺服系统7.7.步进运行步进运行(ynxng)(ynxng)和共振和共振图6-16步进电动机转子运动的过渡(gud)过程第17页/共59页第十八页,共59页。第二
11、节步进电动机伺服系统四、步进电动机驱动控制技术四、步进电动机驱动控制技术根据步进式伺服系统的工作原理,步进电动机驱动控制电路的功能是根据步进式伺服系统的工作原理,步进电动机驱动控制电路的功能是:将具有一定频率:将具有一定频率f f、一定数量、一定数量n n和方向的进给脉冲转换成控制步进电和方向的进给脉冲转换成控制步进电动机各相定子绕组通电、断电的电平信号。电平信号的变化频率、变动机各相定子绕组通电、断电的电平信号。电平信号的变化频率、变化次数和通、断电顺序与进给指令脉冲的频率、数量和方向对应。故化次数和通、断电顺序与进给指令脉冲的频率、数量和方向对应。故一个较完整的步进电动机的驱动控制电路应包
12、括脉冲混合电路、加减一个较完整的步进电动机的驱动控制电路应包括脉冲混合电路、加减脉冲分配电路、加减速电路、环形分配器和功率放大器,并应能接收脉冲分配电路、加减速电路、环形分配器和功率放大器,并应能接收和处理各种类型的进给指令控制信号,如自动进给信号、手动信号和和处理各种类型的进给指令控制信号,如自动进给信号、手动信号和补偿信号等。除了功率放大器之外,其他电路既可用硬件电路来实现补偿信号等。除了功率放大器之外,其他电路既可用硬件电路来实现(shxin)(shxin),也可用软件来实现,也可用软件来实现(shxin)(shxin)。驱动控制电路框图,如图。驱动控制电路框图,如图6 6 1717所示
13、。所示。第18页/共59页第十九页,共59页。第二节步进电动机伺服系统图6-17驱动(q dn)控制电路框图1.1.脉冲脉冲(michng)(michng)混合电路混合电路2.2.加减脉冲加减脉冲(michng)(michng)分配电路分配电路3.3.加减速电路加减速电路(又称自动升降速电路又称自动升降速电路)第19页/共59页第二十页,共59页。第二节步进电动机伺服系统图6-18加减速电路(dinl)框图第20页/共59页第二十一页,共59页。第二节步进电动机伺服系统图6-19加减速电路(dinl)输入/输出特性曲线第21页/共59页第二十二页,共59页。第二节步进电动机伺服系统4.环形(h
14、un xn)分配器图6-20环形分配器硬件(yn jin)电路5.5.功率功率(gngl)(gngl)放大器放大器第22页/共59页第二十三页,共59页。第二节步进电动机伺服系统五、提高步进系统精度的措施五、提高步进系统精度的措施步进系统是一个开环系统,在这个系统中,步进电动机的质量、机械传动部步进系统是一个开环系统,在这个系统中,步进电动机的质量、机械传动部分的结构和质量以及控制电路的完善与否,均影响到步进系统的工作精度。分的结构和质量以及控制电路的完善与否,均影响到步进系统的工作精度。要提高步进系统的工作精度,应从以下几方面考虑:改善步进电动机的性能要提高步进系统的工作精度,应从以下几方面
15、考虑:改善步进电动机的性能,减小步距角;采用精密传动副,减小传动链中的传动间隙等。但这些因素,减小步距角;采用精密传动副,减小传动链中的传动间隙等。但这些因素往往由于结构工艺的关系而受到一定的限制往往由于结构工艺的关系而受到一定的限制(xinzh)(xinzh),在这种情况下,还可,在这种情况下,还可以从控制电路上采取一些措施,弥补其不足。以从控制电路上采取一些措施,弥补其不足。1.1.细分电路细分电路图6-21细分前后(qinhu)的角位移波形图a)无细分b)细分后第23页/共59页第二十四页,共59页。第二节步进电动机伺服系统2.2.反向反向(fn xin)(fn xin)间隙和螺距误差补
16、偿间隙和螺距误差补偿3.3.混合伺服系统混合伺服系统第24页/共59页第二十五页,共59页。第三节直流电动机(dngj)伺服系统一、直流伺服电动机的结构和工作原理一、直流伺服电动机的结构和工作原理图图6 6 22a22a所示是一般的直流电动机的结构和工作原理图。直流电动所示是一般的直流电动机的结构和工作原理图。直流电动机主要由定子机主要由定子(dngz)(dngz)、转子、转子(又称电枢又称电枢)、电刷和换向器等几部、电刷和换向器等几部分组成,在定子分组成,在定子(dngz)(dngz)上有励磁绕组和补偿绕组,转子绕组通上有励磁绕组和补偿绕组,转子绕组通过电刷供电。由于转子磁场和定子过电刷供电
17、。由于转子磁场和定子(dngz)(dngz)磁场始终正交,因而磁场始终正交,因而产生转矩,使转子旋转。由图产生转矩,使转子旋转。由图6 6 22b22b可知,定子可知,定子(dngz)(dngz)励磁电流励磁电流if if产生定子产生定子(dngz)(dngz)磁动势磁动势FsFs,转子电枢电流,转子电枢电流ia ia产生转子磁动势产生转子磁动势FrFr,FsFs与与FrFr垂直正交。补偿绕组与电枢绕组串联,电流垂直正交。补偿绕组与电枢绕组串联,电流ia ia又产生补偿磁又产生补偿磁动势动势FcFc,FcFc与与FrFr方向相反,它的作用是抵消电枢磁场对定子方向相反,它的作用是抵消电枢磁场对定
18、子(dngz(dngz)磁场的扭斜,使电动机具有良好的调速特性。磁场的扭斜,使电动机具有良好的调速特性。第25页/共59页第二十六页,共59页。第三节直流电动机(dngj)伺服系统图6-22直流伺服电动机的结构(jigu)和工作原理图第26页/共59页第二十七页,共59页。第三节直流电动机(dngj)伺服系统图6-23永磁直流伺服电动机的结构图1转子2定子(dngz)(永磁体)3电刷4低波纹测速发电机5小间隙齿轮6旋转变压器7安装座8齿轮9换向器10电动机轴第27页/共59页第二十八页,共59页。第三节直流电动机(dngj)伺服系统二、直流电动机的二、直流电动机的PWM(PWM(脉宽调制脉宽调
19、制)调速原理调速原理由电工学的知识可知:在转子磁场不饱和时,改变电枢电压可改变转子由电工学的知识可知:在转子磁场不饱和时,改变电枢电压可改变转子转速。由于电动机是电感转速。由于电动机是电感(din(din n)n)组件,转子的质量也较大,有较大的电磁时间常数和机械时间常数组件,转子的质量也较大,有较大的电磁时间常数和机械时间常数,因此电枢电压可用周期远小于电动机机械时间常数的方波平均电压来,因此电枢电压可用周期远小于电动机机械时间常数的方波平均电压来代替。图代替。图6 6 2424所示是用方波电压调速的原理图。利用大功率晶体管的开所示是用方波电压调速的原理图。利用大功率晶体管的开关作用,将直流
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