数控机床电气控制习题答案.doc

习题答案习题11-1有以下优点：无温漂，稳定性好。基于数值计算，精度高。通过参数对设定，调整减少。容易做成ASIC电路。有以下缺点： 电动机容量、最高转速、环境条件受到限制。 换向器、电刷维护不方便。1-2(1)工厂管理级(2)车间单元控制级(3)现场设备级其中工厂管理级一般由以太网组成。车间单元控制级，一般由DNC功能进行控制。现场级与车间单元控制级及信息集成系统主要完成底层设备单机及I/O控制、连线控制、通信连网、在线设备状态监测及现场设备生产、运行数据的采集、存储、统计等功能，保证现场设备高质量完成生产任务，并将现场设备生产运行数据信息传送到工厂管理层，向工厂级提供数据。1-3参见教材4-5页内容。习题22-1电气控制系统是由电动机和若干电气元件按照一定要求连接组成，以便完成生产过程控制特定功能的系统。为了表达生产机械电气控制系统的组成及工作原理，同时也便于设备的安装、调试和维修，而将系统中各电气元件及连接关系用一定的图样反映出来，在图样上用规定的图形符号表示各电气元件，并用文字符号说明各电气元件，电气原理图结构简单、层次分明，适用于研究和分析电路工作原理、并可为寻找故障提供帮助，同时也是编制电气安装接线图的依据，因此在设计部门和生产现场得到广泛应用。2-21电器元件布置图电器元件布置图主要是表明电气设备上所有电器元件的的实际位置，为电气设备的安装及维修提供必要的资料。电器元件布置图可根据电气设备的复杂程度集中绘制或分别绘制。2电气安装接线图电气安装接线图主要用于电气设备的安装配线、线路检查、线路维修和故障处理。在图中要表示出各电气设备、电器元件之间的实际接线情况，并标注出外部接线所需的数据。2-3额定电流在600A以下，且短路电流不大时，可选用塑壳断路器；额定电流较大，短路电流亦较大时，应选用万能式断路器。一般选用原则为：断路器额定电流负载工作电流；断路器额定电压电源和负载的额定电压；断路器脱扣器额定电流负载工作电流；断路器极限通断能力电路最大短路电流；线路末端单相对地短路电流/断路器瞬时(或短路时)脱扣器整定电流1.25；断路器欠电压脱扣器额定电压=线路额定电压。2-4用于频繁地接通或断开交直流主电路、大容量控制电路的自动切换电器。在功能上接触器除能自动切换外，还具有手动开关所缺乏的远距离操作功能和失压（或欠压）保护功能，但没有自动开关所具有的过载和短路保护功能。参考教材8-10页内容。2-5（1）持续运行的设备对于持续运行的设备，接触器按67%75%算，即100A的交流接触器，只能控制最大额定电流是67A75A以下的设备。（2）间断运行的设备对于间断运行的设备，接触器按80%算，即100A的交流接触器，只能控制最大额定电流是80A以下的设备。（3）反复短时工作的设备反复短时工作的设备，接触器按116%120%算，即100A的交流接触器，只能控制最大额定电流是116A120A以下的设备。还要考虑工作环境和接触器的结构形式。2-6每一种时间继电器都有其各自的特点，应根据电路工作性能要求进行合理选用，以充分发挥它们的优点。因此，在选用时应从以下几个方面进行考虑：确定延时方式，使更方便于组成控制电路。根据延时精度要求选用适当的时间继电器。 考虑电源参数变化及工作环境温度变化对延时精度的影响。操作频率高是否影响其延时动作的失调。时间继电器动作后，其复位时间的长短。时间继电器的延时范围。电路励磁电流的性能。2-7热继电器的保护对象是电动机，故选用时应了解电动机的技术性能、启动情况、负载性质以及电动机允许过载能力等。（1）长期稳定工作的电动机可按电动机的额定电流选用热继电器。取热继电器整定电流的0.951.05倍或中间值等于电动机额定电流。使用时要将热继电器的整定电流调至电动机的额定电流值。（2）应考虑电动机的绝缘等级及结构由于电动机绝缘等级不同，其的容许温升和承受过载的能力也不同。同样条件下，绝缘等级越高，过载能力就越强。即使所用绝缘材料相同，但电动机结构不同，在选用热继电器时也应有所差异。例如，封闭式电动机散热比开启式电动机差，其过载能力比开启式电动机低，热继电器的整定电流应选为电动机额定电流的6080%。（3）应考虑电动机的启动电流和启动时间电动机的启动电流一般为额定电流的57倍。对于不频繁启动、连续运行的电动机，在启动时间不超过6s的情况下，可按电动机的额定电流选用热继电器。（4）若用热继电器作电动机缺相保护，应考虑电动机的接法对于Y形接法的电动机，当某相断线时，其余未断相绕组的电流与流过热继电器电流的增加比例相同。一般的三相式热继电器，只要整定电流调节合理，是可以对Y形接法的电动机实现断相保护的。对于形接法的电动机，其相断线时，流过未断相绕组的电流与流过热继电器的电流增加比例则不同。也就是说，流过热继电器的电流不能反映断相后绕组的过载电流，因此，一般的热继电器，即使是三相式，也不能为形接法的三相异步电动机的断相运行提供充分保护。此时，应选用JR20型或T系列这类带有差动断相保护机构的热继电器。（5）应考虑具体工作情况若要求电动机不允许随便停机，以免遭受经济损失，只有发生过载事故时，方可考虑让热继电器脱扣。此时，选取热继电器的整定电流应比电动机额定电流偏大一些。热继电器只适用于不频繁启动、轻载启动的电动机进行过载保护。对于正、反转频繁转换以及频繁通断的电动机，如起重用电动机则不宜采用热继电器作过载保护。2-81 热继电器是一种电气保护元件。它是利用电流的热效应来推动动作机构使触头闭合或断开的保护电器，主要用于电动机的过载保护、断相保护、电流不平衡保护以及其他电气设备发热状态时的控制。 2接触器触点容量大，可直接控制电机等负载输出；继电器有中间继电器，时间继电器等，触点小，一般不用于直接控制负载，仅用于增加触点，或作为信号放大或其他特殊功能用。3继电器的种类较多，如电磁式继电器、舌簧式继电器、启动继电器、限时继电器、直流继电器、交流继电器等。2-9电流继电器的线圈串联在被测量的电路中，用来监控电路的电流。为了不影响电路的工作情况，电流继电器线圈匝数少，导线粗，线圈阻抗小。电流继电器有欠电流继电器和过电流继电器两类。欠电流继电器的吸引电流为线圈额定电流的3065，释放电流为线圈额定电流的1020，因此，在电路正常工作时，衔铁是吸合的。只有当电流降低到某一整定值时，继电器释放，输出信号。过电流继电器在电路正常工作时不动作，当电流超过某一整定值时才动作，整定范围通常为1.1倍4倍的额定电流。在机床电气控制系统中，用得较多的电流继电器有JL14、JL15、JT3、JT9等型号，主要根据主电路内的电流种类和额定电流来选择。而电压继电器的结构与电流继电器相似，不同的是电压继电器线圈并联在被测量电路的两端，以监控电路电压的变化。为了不影响电路的工作情况，电压继电器线圈匝数多，导线细，线圈阻抗大。2-101 参数（1）额定电压 额定电压指熔断器能长期正常工作时承受的电压，其值一般等于或大于电气设备的额定电压。 （2）额定电流 额定电流指熔断器长期工作时各部件温升不超过规定值时所能承受的电流称为熔断器额定电流，而熔体能长期流过而不被熔断的电流则称为熔体额定电流。其值应大于或等于电气设备的额定电流。 （3）分断能力 分断能力指熔断器在额定电压等规定工作条件下可以分断的预期短路电流值，也就是熔断器可以分断的最大短路电流值。 （4）保护特性 保护特性又称安秒特性，指熔体的熔化电流I与熔断时间t的关系。电流通过熔体时产生的热量与电流通过时间成正比，电流越大，则熔体熔断时间越短，其特征曲线如图2-21所示。（5）熔断器熔化系数 通常将熔断器熔体额定电流与最小熔化电流之比I/称为熔化系数，一般I/1.52，该系数反映熔断器在过载时的保护特性。若要使熔断器能保护小过载电流，则熔化系数应低；为避免电动机起动时的短时电流，熔体熔化系数就应选高。2选择（1）熔断器类型选用 对于小容量电动机或照明线路，一般考虑过电流保护，应选较小熔化系数的熔体材料，如铅锡合金或RC1A系列熔断器；对于大容量电动机或照明线路，除考虑过电流保护外还要考虑短路时的分断短路电流的能力，预期短路电流较小时，可选用熔体为铜质的RC1A系列和熔体为锌质的RM10系列熔断器，预期短路电流较大时，宜选用具有高分断能力的RL6系列螺旋式熔断器，预期短路电流很大时，需选用具有更高分断能力的RT12或RT14系列的熔断器。 （2）熔断器额定电压选择 额定电压应大于或等于所在电气控制线路的额定电压。2-11电气原理图中的电器元件是按未通电和没有受外力作用时的状态绘制。在不同的工作阶段，各个电器的动作不同，由于触点时闭时开，而在电气原理图中只能表示出一种情况，因此，规定所有电器的触点均表示在原始情况下的位置，即在没有通电或没有发生机械动作时的位置。对接触器来说，是线圈未通电，触点未动作时的位置；对按钮来说，是手指未按下按钮时触点的位置；对热继电器来说，是常闭触点在未发生过载动作时的位置等等。触点的绘制位置。使触点动作的外力方向必须是：当图形垂直放置时为从左到右，即垂线左侧的触点为常开触点，垂线右侧的触点为常闭触点；当图形水平放置时为从下到上，即水平线下方的触点为常开触点，水平线上方的触点为常闭触点。 主电路、控制电路和辅助电路应分开绘制。主电路是设备的驱动电路，是从电源到电动机大电流通过的路径；控制电路是由接触器和继电器线圈、各种电器的触点组成的逻辑电路，实现所要求的控制功能；辅助电路包括信号、照明、保护电路。动力电路的电源电路绘成水平线，受电的动力装置（电动机）及其保护电器支路应垂直于电源电路。主电路用垂直线绘制在图的左侧，控制电路用垂直线绘制在图的右侧，控制电路中的耗能元件画在电路的最下端。图中自左而右或自上而下表示操作顺序，并尽可能减少线条和避免线条交叉。图中有直接电联系的交叉导线的连接点（即导线交叉处）要用黑圆点表示。无直接电联系的交叉导线，交叉处不能画黑圆点。在原理图的上方将图分成若干图区，并标明该区电路的用途与作用；在继电器、接触器线圈下方列有触点表，以说明线圈和触点的从属关系。2-121自锁控制三相异步电机单向全压启动、停止控制线路的线路图如图2-41所示，该主电路由断路器QA，接触器KM的主触点、电机构成。通过停止按钮SB1、启动按钮SB2、接触器线圈KM和接触器线圈辅助常开触点KM组成了该控制回路。当合上QA，按下SB2，则KM线圈通电，KM主触点和辅助常开触点闭合，该控制回路就可以启动；而松开SB2后，由于KM线圈自身的辅助常开触点保持通电，将这种状态称为自锁状态，简称自锁。按下按钮SB1（停止按钮）时，KM线圈断电释放，KM主触点和辅助常开触点断开，控制回路解除自锁，此时电机停止工作运转，放松按钮SB1后，该控制电路即可停止自激运转。2互锁控制在通常生产中电机通常具有能实现正反两个方向的转动的功能，例如数控机床主轴的正反转，其实现的方法通常将电机接入电源中的三根输入线中任意两根连线相互交换。如图2-42中，按钮SB2、SB3采用的是复合按钮，复合按钮的常闭触点用来切断转向相反的接触器线圈的通电回路，常闭触点KM1、KM2中一个接触器通电时，其常闭触点断开，使另一个接触器线圈不能通电。3联锁控制为了保证润滑泵电动机启动后主轴电动机才允许起动。数控车床主轴转动前要求油泵先给其齿轮箱供油润滑，把油泵电机接触器KM1常开触点串入主轴电机接触器KM2的线圈电路中实现这一联锁。如图2-43所示SB2、SB4分别为油泵电机的起动、停止按钮；SB3、SB5分别为主轴电机的起动、停止按钮。这样生产实践中就可以要求各运动部件之间实现按顺序工作。本部分参考教材。2-13延时动作限流器FR接触器KM断路器QF接触器KM电流继电器KA按钮开关SB控制开关SA行程开关 SQ2-14必须熟悉图中各器件符号和作用。阅读主电路。应该了解主电路有哪些用电设备（如电动机、电炉等），以及这些设备的用途和工作特点；并根据工艺过程，了解各用电设备之间的相互联系，采用的保护方式等；在完全了解主电路的这些工作特点后，就可以根据这些特点再去阅读控制电路。阅读控制电路。控制电路有各种电器组成，主要用来控制主电路工作的。在阅读控制电路时，一般先根据主电路接触器主触点的文字符号，到控制电路中去找与之相应的吸引线圈，进一步弄清楚电机的控制方式。这样可将整个电气原理图划分为若干部分，每一部分控制一台电动机。另外控制电路一般是依照生产工艺要求，按动作的先后顺序，自上而下、从左到右、并联排列。因此，读图时也应当自上而下、从左到右，一个环节、一个环节地进行分析。对于机、电、液配合得比较紧密的生产机械，必须进一步了解有关机械传动和液压传动的情况，有时还要借助于工作循环图和动作顺序表，配合电器动作来分析电路中的各种连锁关系，以便掌握其全部控制过程。阅读照明、信号指示、监测、保护等各辅助电路环节。对于比较复杂的控制电路，可按照先简后繁，先易后难的原则，逐步解决。因为无论怎样复杂的控制线路，总是由许多简单的基本环节所组成。阅读时可将他们分解开来，先逐个分析各个基本环节，然后再综合起来全面加以解决。2-15（1）主电路（2）控制电路（3）照明和保护环节概括地说，阅读的方法可以归纳为：从机到电、先“主”后“控”、化整为零、连成系统。 习题33-1参见教材50-53页内容。3-2电磁兼容性（EMC）是指电气设备产生的电磁骚扰不应超过其预期使用场合允许的水平；设备对电磁骚扰应有足够的抗扰度水平，以保证电气设备在预期使用环境中可以正确运行。3-3电磁兼容的主要内容是围绕造成干扰的三要素进行的，即电磁骚扰源、传输途径和敏感设备。3-4数控机床的工作环境通常是强磁环境，所以为了使数控系统能在强磁环境下正常运转，必须有一系列技术规范，保证其正常工作。电磁兼容标准的主要来源有：CISPR 出版物。是 IEC下设的一个特别委员会。它成立的初衷是避免无线电业务中出现障碍，目前世界各国对用电设备的无线电骚扰的限制大多取材于它。IEC/TC77制定的IEC61000系列标准TC77是IEC下设的一个技术委员会，工作范围有：整个频率范围内的抗扰度；低频范围内（9kHz）的骚扰发射现象。美国军用标准。我国军用标准主要取材于它，其中电磁兼容的标准号为GJB151和GJB152。其他。国外先进企业的内控标准，国内自主科研成果而制定的标准。3-5屏蔽技术 接地技术 滤波技术3-6第一种方法，用1.2、1.6或1.9cm，长为1.82.43.03.6或4.8 m的铜包钢棒（选择地势低、较潮湿的地方）将棒打人或埋人地下，由一根接地棒组成的单一电极，它的对地电阻往往大20，一般采用多个金属棒并联构成接地电阻小于4的接地极。第二种方法是利用厚度5mm，表面积0.5m2的金属板（铜板为佳）埋人地底。3-7电场屏蔽设计应该注意到系统中的强电设备（伺服驱动器、变频器、步进驱动器、开关电源、电机）金属外壳可靠接地，实现主动屏蔽。敏感设备（如数控装置等）外壳应可靠接地，实现被动屏蔽。强电设备与敏感设备之间距离尽可能远，一般在电柜内，强、弱电设备尽量保持30 cm以上的距离，最小距离为10 cm。高电压、大电流动力线与信号线应分开走线，例如各自使用各自独立的线槽等，距离尽可能保持在30 cm以上，最小距离为57.5 cm，同时尽量避免平行走线，不能将强电线与信号线捆扎在一起。信号线应尽量靠近地线（或接地平板）或者用地线包围它。屏蔽电缆既能对电场起到被动屏蔽作用，也能起到主动屏蔽作用，条件是屏蔽层接地。如果屏蔽层不接地，则有可能造成比不用屏蔽线时更大的电场耦合。强电线如不能与信号线分开走线，则强电线应采用屏蔽线，屏蔽层应可靠接地。磁场屏蔽应该在设计的时候注意选用高导磁率的材料，如玻莫合金等，并适当增加屏蔽体的壁厚；而且被屏蔽的物体不要安排在紧靠屏蔽体的位置上，以尽量减少通过被屏蔽物体体内的磁通；注意磁屏蔽体的结构设计，对于强磁场的屏蔽可采用双层磁屏蔽体结构；减少干扰源和敏感电路的环路面积。最好的办法是使用双绞线和屏蔽线，让信号线与接地线（或载流回线）扭绞在一起，以便使信号与接地（或载流回线）之间的距离最近；增大线间的距离，使得干扰源与受感应的线路之间的互感尽可能地小；如有可能，使干扰源的线路与受感应线的线路呈直角（或接近直角）布线，这样可大大降低两线路间的磁场耦合。敏感设备应远离干扰源布置，相隔距离大于30 cm。3-8采用电源滤波器抑制电源线传输电磁干扰。习题44-1数控机床的伺服驱动系统按有无反馈检测单元分为开环和闭环两种类型，这两种类型的伺服驱动系统的基本组成不完全相同。但不管是哪种类型，执行元件及其驱动控制单元都必不可少。驱动控制单元的作用是将进给指令转化为驱动执行元件所需要的信号形式，执行元件则将该信号转化为相应的机械位移。4-2开环伺服驱动系统由驱动控制单元、执行元件和机床组成。通常，执行元件选用步进电机。执行元件对系统的特性具有重要影响。闭环伺服驱动系统由执行元件、驱动控制单元、机床，以及反馈检测单元、比较控制环节组成。反馈检测单元将工作台的实际位置检测后反馈给比较控制环节，比较控制环节将指令信号和反馈信号进行比较，以两者的差值作为伺服系统的跟随误差经驱动控制单元，驱动和控制执行元件带动工作台运动。4-3 1电生磁：定子三相绕组U，V，W，通三相交流电流产生旋转磁场，其转向与相序一致，为顺时针方向。假定该瞬间定子旋转磁场方向向下。 2(动)磁生电：定子旋转磁场旋转切割转子绕组，在转子绕组感应电动势，其方向由“右手螺旋定则”确定。由于转子绕组自身闭合，便有电流流过，并假定电流方向与电动势方向相同。 3电磁力(矩)：这时转子绕组感应电流在定子旋转磁场作用下，产生电磁力，其方向由“左手螺旋定则”判断。该力对转轴形成转矩(称电磁转矩)，并可见，它的方向与定子旋转磁场(即电流相序)一致，于是，电动机在电磁转矩的驱动下，以n的速度顺着旋转磁场的方向旋转。4-4SINUMERIK 840C系统主要由中央控制器、中央控制组件、外围组件、输入输出组件、接口组件、手持操作器和14TFT彩色显示器等组成。中央控制器配有功能强大的PLCl35WB2及电源、接口等。中央控制组件有NC-CPU386DX、MMC-CPU386SX、MMC-CPU386SX、附带387SX。采用分散的机床外设(DMP)，主要分三个区域，交互式图形车间编程（IGM）区，NC区和PLC区。SINUMERIK 840C系统的主要特点有4个轴同时独立运行，5轴联动，两个手轮同时独立运行，双溜板或双主轴结构。输入分辨率10m到0.001m，坐标轴0.01到0.00001。具有32位微处理机，并配有计算机辅助设计（CAD）功能，与IBM PCAT兼容，具有标准的多任务操作系统。PLC用户程序存储器32K字节（RAM）可扩展到256M，用户数据存储器8K字节，可扩展到48K字节。CNC用户存储器512K字节，硬盘中央用户存储器可扩展到40M字节。3964R或LSV2接口共4个，及通用串行接口RS232C（V24），具有功能全面的文字管理方式。在加工时，可同时读入和输出程序及PLC报警。4-5与FANUC数控系统配套的控制电机，包括伺服电机、主轴电机、放大器和编码器，全是FANUC自己开发和制造的。由于这些电机是作为运动控制、特别是轮廓控制的执行对象，因此，具有以下特点:高速度;高精度;高效率;体积小;工作可靠等。非常适合高精、高速和紧湊型的数控机床。参见教材75-78页的内容。4-6数控机床以其高效率、高精度和高柔性而占据大部分市场，数控机床的进给伺服系统是数控机床技术水平的标志，因此进给伺服系统的速度控制、位置控制、伺服电机控制都必须具有很高的质量控制要求，基于数控机床的各式加工任务，其对进给伺服系统的要求有以下几点： 随时可实现反转。实际加工工件的时候，要求机床执行部件要灵活地正反转运行，这些工作指令是随机的，而且是根据加工轨迹要求来完成的。精度相对较高。数控机床的定位精度和进给跟踪精度是保证数控机床加工精度的重要内容，也是保证精度的关键。传动刚性高且速度稳定性好。数控机床的伺服系统在负载发生变化或者切削条件产生波动时应保证进给速度恒定，这样就能使负载力矩变化对进给速度不影响或者影响很小。可实现低转速大转矩。在低速大进给量加工零件时要求伺服系统进给驱动输出较大的转矩。习题55-1随着数控机床的不断发展，传统的主轴系统已不能满足要求，现代数控机床对主轴系统提出了以下要求：数控机床主传动要有宽的调速范围，以保证加工时选用合理的切削用量。要求主轴在整个范围内均能提供切削所需功率，并能尽可能在全速范围内提供主轴电机的最大功率，恒功率范围要宽。数控机床主轴的速度是由数控加工程序中的指令控制的，要求能在较大的转速范围内进行无级连续调速，减少中间传动环节，简化主轴的机械结构，一般要求主轴具备1（1001000）的恒转矩调速范围和110的恒功率调速范围。数控机床要求主轴在正、反转动时均可进行加减速控制，即要求主轴有四象限驱动能力，并尽可能缩短加减速时间。在车削中心上，为了使之具有螺纹车削功能，要求主轴与进给驱动实行同步控制，即主轴具有旋转进给轴（C轴）的控制功能。加工中心上，要求主轴具有高精度的准停控制。在加工中心上自动换刀时，主轴须停在一个固定不变的方位上，以保证换刀位置的准确；为了满足某些加工工艺，也要求主轴具有高精度的准停控制。此外，有的数控机床还要求具有角度分度控制功能。为了达到上述有关要求，对主轴调速系统还需加位置控制，比较多的采用光电编码器作为主轴的转角检测。5-2主轴部件主要由主轴、轴承、传动件、密封件和刀具自动卡紧机构等组成，如图5-1所示。主轴系统在数控机床中的位置见教材104-105页图5-2所示。5-3参见教材106-110页内容。5-4主轴电气定向控制，实际上是在主轴速度控制基础上加一个位置控制环。为能进行主轴位置检测，需要采用磁性传感器或位置光电编码器等检测元件。电气定向控制一般应用于中、高档数控机床，特别是加工中心，采用电气定向控制有如下优点：简化机械结构。电气定向不需要定向的机械部件，它只需要旋转部件和固定部件上安装传感器（如光电编码器、磁性传感器等），即可实现主轴定向，机械结构比较简单。定向迅速。定向时间包括在换刀时间内，而换刀时间是加工中心的重要指标。采用电气定向，可以在主轴高速旋转时完成，大大缩短了定向时间。可靠性高。由于控制主轴定向的全是电子部件而无需复杂的机械、开关、液压缸等装置，也没有机械定向所形成的机械冲击、磨损，因而定向控制装置的寿命与可靠性大大增加。控制简单。通常只需要主轴定向指令信号、定向完成应答信号即可实现主轴定向控制。性能价格比提高。由于简化了机械结构和强电控制逻辑，成本大大降低。但数控系统生产厂家常把电气准停作为选择功能，订购电气准停附件需另加费用。但从整体来看，性能价格比大大提高。5-5加工中心的主轴部件上设有准停装置，其作用是使主轴每次都准确地停在固定不变的周向位置上，以保证自动换刀时主轴上的端面键能对准刀柄上的键槽，同时使每次装刀时刀柄与主轴的相对位置不变，提高刀具的重复安装精度，从而可提高孔加工时孔径的一致性。另外，一些特殊工艺要求，如在通过前壁小孔镗内壁的同轴大孔，或进行反倒角等加工时，也要求主轴实现准停，使刀尖停在一个固定的方位上，以便主轴偏移一定尺寸后，使大刀刃能通过前壁小孔进入箱体内对大孔进行镗削。目前，主轴准停装置很多，主要分为机械式和电气式两种。5-6（1）主回路 主回路采用交直交电压型结构，主要由整流电路、滤波器及逆变电路等组成。逆变电路采用新型功率器件智能功率模块(Intelligent Power Module，简称IPM)。智能功率模块IPM是一种先进的混合集成智能功率模块，它由高速、低耗的IGBT芯片和优化的门极驱动及过流、短路、欠压和过热保护电路组成，是继IGBT之后电力电子技术领域的又一革新性成果。由于IPM内部采用了能连续监测功率器件电流的IGBT芯片，实现了高效的过流保护和短路保护；IPM内部还集成了过热和欠压保护电路，大大提高了系统可靠性；IPM内部还集成了绝缘栅双极型晶体管IGBT及其驱动电路，缩短了产品开发周期；IPM通态损耗和开关损耗都较低，减少了散热片尺寸，降低了成本。所以，与IGBT相比，智能功率模块IPM具有明显的优势。 （2） 控制电路 为了实现数控机床的快速实时和可靠控制，控制电路采用80C196MC-80C196KC双单片机结构80C196MC CPU具有较高的运算速度和较强的控制能力，它的任务是完成要求实时性高的电流内环控制，产生PWM控制信号，完成保护等功能。特别是80C196MC片内含有3相波形发生器WFG(Wave Form Generator)。WFG具有3个同步的PWM模块，每个模块包含一个相位比较寄存器，一个无信号时间(dead-time)发生器和一对可编程的输出。WFG可以产生独立的3对PWM波形，它们具有共同的载波频率、无信号时间和操作方式，一旦启动之后，WFG只要求CPU在改变PWM的占空比时加以干预。如采用16MHz晶振时，中心对准的PWM的载波周期为0.15s16ms，增量为0.25s，无信号时间的调整范围为0.125125s。无信号时间用来防止一对互补的PWM同时有效，以保证输出波形不交叠。WFG大大简化了用于产生同步脉宽调制(PWM)波形的控制软件和外设硬件，特别适用于控制3相交流感应电动机，也可用于控制直流无刷电动机和其它需要多个PWM输出的装置。WFG80C196MC/MD独有的特色之一。80C196KC主要完成转速控制与检测，键盘中断输入并修改重要参数，显示有关信息，矢量变换，向80C196MC提供指令信号等功能。 双单片机之间的通讯采用共享RAM方式，以提高系统的运行速度。80C196KC将计算出的电流环所需参数，如励磁电流、转矩电流、旋转角速度等，传送到共享RAM相应单元，而80C196MC则从共享RAM中读取这些数据。习题66-1对于不同类型的数控机床，因工作条件和检测要求不同，可以采用以下不同的检测方式。（1）增量式和绝对式测量增量式检测方式只测量位移增量，并用数字脉冲的个数来表示单位位移（即最小设定单位）的数量，每移动一个测量单位就发出一个测量信号。其优点是检测装置比较简单，任何一个对中点都可以作为测量起点。但在此系统中，移距是靠对测量信号累积后读出的，一旦累计有误，此后的测量结果将全错。另外在发生故障时（如断电）不能再找到事故前的正确位置，事故排除后，必须将工作台移至起点重新计数才能找到事故前的正确位置。脉冲编码器，旋转变压器，感应同步器，光栅，磁栅，激光干涉仪等都是增量检测装置。绝对式测量方式测出的是被测部件在某一绝对坐标系中的绝对坐标位置值，并且以二进制或十进制数字信号表示出来，一般都要经过转换成脉冲数字信号以后，才能送去进行比较和显示。采用此方式，分辨率要求愈高，结构也愈复杂。这样的测量装置有绝对式脉冲编码盘、三速式绝对编码盘（或称多圈式绝对编码盘）等。（2）数字式和模拟式测量数字式检测是将被测量单位量化以后以数字形式表示。测量信号一般为电脉冲，可以直接把它送到数控系统进行比较、处理。这样的检测装置有脉冲编码器、光栅。数字式检测有如下的特点：被测量单位转换成脉冲个数，便于显示和处理。测量精度取决于测量单位，与量程基本无关；但存在累计误码差。检测装置比较简单，脉冲信号抗干扰能力强。模拟式检测是将被测量单位用连续变量来表示，如电压的幅值变化，相位变化等。在大量程内做精确的模拟式检测时，对技术有较高要求，数控机床中模拟式检测主要用于小量程测量。模拟式检测装置有测速发电机、旋转变压器、感应同步器和磁尺等。模拟式检测的主要特点有：直接对被测量进行检测，无须量化。在小量程内可实现高精度测量。（3）直接检测和间接检测位置检测装置安装在执行部件（即末端件）上直接测量执行部件末端件的直线位移或角位移，都可以称为直接测量，可以构成闭环进给伺服系统。测量方式有直线光栅、直线感应同步器、磁栅、激光干涉仪等测量执行部件的直线位移；由于此种检测方式是采用直线型检测装置对机床的直线位移进行的测量。其优点是直接反映工作台的直线位移量。缺点是要求检测装置与行程等长，对大型的机床来说，这是一个很大的限制。位置检测装置安装在执行部件前面的传动元件或驱动电机轴上，测量其角位移，经过传动比变换以后才能得到执行部件的直线位移量，这样的称为间接测量，可以构成半闭环伺服进给系统。如将脉冲编码器装在电机轴上。间接测量使用可靠方便，无长度限制；其缺点是在检测信号中加入了直线转变为旋转运动的传动链误差，从而影响测量精度。一般需对机床的传动误差进行补偿，才能提高定位精度。除了以上位置检测装置，伺服系统中往往还包括检测速度的元件，用以检测和调节发动机的转速。常用的测速元件是测速发动机。6-2（1）增量式编码器增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相；A、B两组脉冲相位差90mrad；从而可方便地判断出旋转方向，而Z相为每转一个脉冲，用于基准点定位。它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。 （2）绝对式编码器绝对编码器是直接输出数字量的传感器，在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道，每条道上由透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件；当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数。这种编码器的特点是不要计数器，在转轴的任意位置都可 读出一个固定的与位置相对应的数字码。显然，码道越多，分辨率就越高，对于一个具有 N位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有N条码道。绝对式编码器是利用自然二进制或循环二进制（葛莱码）方式进行光电转换的。绝对式编码器与增量式编码器不同之处在于圆盘上透光、不透光的线条图形，绝对编码器可有若干编码，根据读出码盘上的编码，检测绝对位置。编码的设计可采用二进制码、循环码、二进制补码等。它的特点是： 可以直接读出角度坐标的绝对值； 没有累积误差； 电源切除后位置信息不会丢失。但是分辨率是由二进制的位数来决定的，也就是说精度取决于位数，目前有10位、14位等多种。 6-3首先无法判别方向，系统会安程序进行，导致系统瘫痪，无法完成预定指令动作。6-41.结构特点直线式感应同步器由定尺和滑尺组成，相当于一个展开式的多极旋转变压器，其结构如图6-4所示。定尺和滑尺的基板由与机床线胀系数相近的钢板制成，钢板上用绝缘粘接剂贴有钢箔，利用照相腐蚀的办法做成图示的印刷线路绕组。感应同步器定尺绕组是一个单向均匀的连续绕组；滑尺有两个绕组，其位置相距绕组节距（2）的1/4，分别称为正弦绕组和余弦绕组。定尺和滑尺绕组的节距相等，均为2，这是衡量感应同步器精度的主要参数，工艺上要保证其节距的精度。一块标准型感应同步器定尺长度为250 mm，节距为2 mm，其绝对精度可达2.5 m，分辨率为0.25 m。 图6-4 直线式感应同步器结构如图6-5所示，定尺和滑尺平行安装，如果把滑尺绕组A与定尺绕组对准，则滑尺绕组B和定尺绕组相差1/4节距。即绕组A和绕组B在空间上相差1/4节距。感应同步器的定尺通过定尺尺座装于机床的固定件上（如床身）；滑尺通过滑尺尺座固定在机床的运动部件上（如工作台），相对于定尺移动。滑尺和定尺要用防护罩罩住，以防铁屑、油污和切削液撒落其上，影响其正常工作。由于感应同步器的检测精度比较高，因此安装时需保证定尺安装面与机床导轨的平行度要求，否则将引起定尺、滑尺之间间隙变化，从而影响检测灵敏度和检测精度。图6-5 感应同步器绕组分布图A正弦绕组，激磁电压B余弦绕组，激磁电压2.工作原理 当滑尺的两个绕组中的任一绕组通入激磁交变电压时，由于电磁效应，定尺绕组上必然产生感应电势。感应电势的大小取决于滑尺相对于定尺的位置。表6-2所示为滑尺绕组相对于定尺绕组处于不同位置时，定尺绕组中感应电势的变化情况。当滑尺绕组与定尺绕组重合时（A点），定尺绕组中的感应电势最大；如果滑尺相对于定尺从A点向右平行移动，感应电势就随之减小，在两绕组刚好错开1/4节距的位置B点，感应电势减为零；再继续向右移动到1/2节距C点，感应电势变为与A点位置的大小相同，但极性相反；到达3/4节距的D点，感应电势再次变为零；当移动了一个节距达到E点，情况就又与A点相同了，相当于又回到了A点。这样，滑尺移动一个节距的过程中，感应同步器定尺绕组的感应电势以余弦函数变化了一个周期。感应同步器就是利用这个感应电压的变化进行位置检测的。6-5参见教材123-124页内容。6-6参见教材125-128页内容。6-7磁栅又称磁尺，是一种计算磁波数目的位置检测元件。它是用录磁磁头将具有周期变化的、一定波长的方波或正弦波电信号记录在磁性标尺上，用它作为测量位移量的基准尺。测量时，用拾磁磁头读取记录在磁性标尺上的方波或正弦波电磁信号，通过检测电路将其转化为电信号，根据此电信号，将位移量用数字显示出来或者送到位置控制系统。磁栅检测装置由磁性标尺、拾磁磁头及检测电路三部分组成。磁栅按其结构特点可分为直线式和角位移式，分别用于长度和角度的检测。6-81基本结构异步测速发电机是自动控制系统中应用较多的一种交流测速发电机，它的结构与交流伺服电动机相似，如图6-16所示。它主要由定子、转子组成，根据转子结构的不同分为笼式转子和空心杯转子两种。空心杯转子的应用较多，它由电阻率较大、温度系数较小的非磁性材料制成，以使测速发电机的输出特性线性度好、精度高。杯壁通常只有0.2mm0.3mm的厚度，转子较轻以使测速发电机的转动惯性较小。1空心杯转子；2外定子； 3内定子；4励磁绕组；5输出绕组 图6-16 空心杯转子测速发电机结构 空心杯转子异步测速发电机的定子分为内、外定子。内定子上嵌有输出绕组，外定子上嵌有励磁绕组并使两绕组在空间位置上有相差90电角度。内外定子的相对位置是可以调节的，可通过转动内定子的位置来调节剩余电压，使剩余电压为最小值。 2基本工作原理异步测速发电机的工作原理可以由图6-17来说明。图中是励磁绕组，是输出绕组。由于转子电阻较大，为分析方便起见，忽略转子漏抗的影响，认为感应电流与感