模块二--数控机床运动控制与位置检测.pptx

模块二 数控机床运动控制与位置检测主讲：郭士义制作：王天予模块二 数控机床运动控制与位置检测 概述概述2.1 主轴驱动主轴驱动2.3 进给驱动进给驱动2.2 检测元件检测元件2.4模块二 数控机床运动控制与位置检测2.1 概述概述 2.1.1 2.1.1 伺服系统的基本概念伺服系统的基本概念伺服系统的基本概念伺服系统的基本概念 2.1.2 2.1.2 对伺服系统的基本要求对伺服系统的基本要求对伺服系统的基本要求对伺服系统的基本要求 2.1.3 2.1.3 伺服控制系统的分类伺服控制系统的分类伺服控制系统的分类伺服控制系统的分类模块二 数控机床运动控制与位置检测2.1.1 2.1.1 伺服系统的基本概念伺服系统的基本概念伺服系统的基本概念伺服系统的基本概念在数控机床中，伺服系统是以机床的移动部件（如工作台）的位在数控机床中，伺服系统是以机床的移动部件（如工作台）的位置和速度作为控制量的自动控制系统。它又称为随动系统或伺服机置和速度作为控制量的自动控制系统。它又称为随动系统或伺服机构。构。CNC控制器经过插补运算生成的进给脉冲或进给位移量指令控制器经过插补运算生成的进给脉冲或进给位移量指令输入到伺服系统，由伺服系统驱动机械执行部件，带动机床工作台输入到伺服系统，由伺服系统驱动机械执行部件，带动机床工作台的位移和主轴的运动。伺服系统作为数控机床的重要组成部分，其的位移和主轴的运动。伺服系统作为数控机床的重要组成部分，其本身的性能直接影响了整个数控机床的精度和速度等技术指标。本身的性能直接影响了整个数控机床的精度和速度等技术指标。数控机床的伺服系统主要有两种：进给伺服系统和主轴伺服系统，数控机床的伺服系统主要有两种：进给伺服系统和主轴伺服系统，进给伺服系统是一种高精度的位置跟踪与定位系统。它的性能决定进给伺服系统是一种高精度的位置跟踪与定位系统。它的性能决定了数控机床的最大进给速度，定位精度等。主轴伺服系统控制机床了数控机床的最大进给速度，定位精度等。主轴伺服系统控制机床主轴的旋转运动，随着高速加工技术的发展，对主轴伺服系统的要主轴的旋转运动，随着高速加工技术的发展，对主轴伺服系统的要求也越来越高。求也越来越高。模块二 数控机床运动控制与位置检测2.1.2 2.1.2 对伺服系统的基本要求对伺服系统的基本要求对伺服系统的基本要求对伺服系统的基本要求随着数控技术的不断发展，数控机床对伺服系统提出了很高的要随着数控技术的不断发展，数控机床对伺服系统提出了很高的要求。一般对伺服系统有如下要求：求。一般对伺服系统有如下要求：（1）精度高、伺服系统要具有较好的定位精度和轮廓加工精度，）精度高、伺服系统要具有较好的定位精度和轮廓加工精度，定位精度一般为定位精度一般为0.010.001mm，甚至，甚至0.1um。（2）快速响应，为了提高生产率和保证加工精度，要求伺服系）快速响应，为了提高生产率和保证加工精度，要求伺服系统跟踪指令信号的响应要快。这一方面要求过渡过程时间短，一般统跟踪指令信号的响应要快。这一方面要求过渡过程时间短，一般在在200ms以内，甚至小于几十毫秒；另一方面要求超调小，否则以内，甚至小于几十毫秒；另一方面要求超调小，否则将形成过切，影响加工质量。同时，要求系统的相对稳定性好，当将形成过切，影响加工质量。同时，要求系统的相对稳定性好，当系统受到干扰时，振荡小，恢复时间快。系统受到干扰时，振荡小，恢复时间快。（3）调速范围宽。）调速范围宽。模块二 数控机床运动控制与位置检测在数控机床中，要求进给伺服系统的速度达到在数控机床中，要求进给伺服系统的速度达到1-24000mm/min的的范围，要求速度均匀、稳定、无爬行、速降小。在零速时，要求电范围，要求速度均匀、稳定、无爬行、速降小。在零速时，要求电机有电磁转矩，以维持定位精度。对主轴伺服系统一般要求机有电磁转矩，以维持定位精度。对主轴伺服系统一般要求1:1001000范围内的恒转矩调速和范围内的恒转矩调速和1：10以上的恒功率调速，以上的恒功率调速，且有足够大的输出功率。且有足够大的输出功率。随着高速加工技术的发展，要求主轴具有更高的转速，如当前国随着高速加工技术的发展，要求主轴具有更高的转速，如当前国内外生产的电主轴，最高转速从内外生产的电主轴，最高转速从10000r/min到到150000r/min。模块二 数控机床运动控制与位置检测2.1.3 2.1.3 伺服控制系统的分类伺服控制系统的分类伺服控制系统的分类伺服控制系统的分类按控制方式分类按控制方式分类按控制方式分类按控制方式分类 按控制方式分类，位置控制系统可分为开环、半闭环和闭环三按控制方式分类，位置控制系统可分为开环、半闭环和闭环三种。种。开环数控系统结构示意图开环数控系统结构示意图模块二 数控机床运动控制与位置检测闭环和半闭环数控系统结构示意图闭环和半闭环数控系统结构示意图模块二 数控机床运动控制与位置检测2.2 进给系统进给系统 2.2.1 2.2.1 步进电动机驱动控制系统步进电动机驱动控制系统步进电动机驱动控制系统步进电动机驱动控制系统 2.2.2 2.2.2 直流速度控制单元直流速度控制单元直流速度控制单元直流速度控制单元 2.2.3 2.2.3 交流电动机速度控制单元交流电动机速度控制单元交流电动机速度控制单元交流电动机速度控制单元 模块二 数控机床运动控制与位置检测2.2.12.2.1步进电动机驱动控制系统步进电动机驱动控制系统步进电动机驱动控制系统步进电动机驱动控制系统步进电动机的驱动伺服系统前已述及，加到步进电动机的定子绕步进电动机的驱动伺服系统前已述及，加到步进电动机的定子绕组上的电脉冲信号，是由步进电动机的驱动控制器给出的，驱动组上的电脉冲信号，是由步进电动机的驱动控制器给出的，驱动控制器由环形分配器和功率放大器两部分组成。在许多控制器由环形分配器和功率放大器两部分组成。在许多CNC系统系统中，环形分配器的功能由软件产生，在这种情况下，驱动器就不中，环形分配器的功能由软件产生，在这种情况下，驱动器就不包括环形分配器。包括环形分配器。模块二 数控机床运动控制与位置检测三相硬件环形分配器的驱动控制示意图三相硬件环形分配器的驱动控制示意图模块二 数控机床运动控制与位置检测2.2.2 2.2.2 直流速度控制单元直流速度控制单元直流速度控制单元直流速度控制单元 模块二 数控机床运动控制与位置检测2.2.3 2.2.3 交流电动机速度控制单元交流电动机速度控制单元交流电动机速度控制单元交流电动机速度控制单元 模块二 数控机床运动控制与位置检测2.3 主轴驱动主轴驱动主轴驱动主轴驱动 2.3.1 2.3.1 对主轴驱动的要求对主轴驱动的要求对主轴驱动的要求对主轴驱动的要求 2.3.2 2.3.2 直流主轴驱动系统直流主轴驱动系统直流主轴驱动系统直流主轴驱动系统 2.3.3 2.3.3 交流主轴驱动系统交流主轴驱动系统交流主轴驱动系统交流主轴驱动系统模块二 数控机床运动控制与位置检测2.3.1 2.3.1 对主轴驱动的要求对主轴驱动的要求对主轴驱动的要求对主轴驱动的要求随着数控技术的不断发展，传统的主轴驱动已不能满足数控技术随着数控技术的不断发展，传统的主轴驱动已不能满足数控技术的需要。现代数控机床对主轴传动系统提出了更高的要求，具体的需要。现代数控机床对主轴传动系统提出了更高的要求，具体要求为：要求为：（1）对功率的要求：要求主轴电动机有）对功率的要求：要求主轴电动机有2.2250kw的功率范围，的功率范围，即要能输出大的功率，又要求主轴结构简单。即要能输出大的功率，又要求主轴结构简单。（2）宽调速范围：数控机床主轴驱动系统要求在）宽调速范围：数控机床主轴驱动系统要求在1：1001000范围内进行恒转矩和范围内进行恒转矩和1：10的恒功率调速，而且要求主轴在的恒功率调速，而且要求主轴在正、反向转动时，均可进行加减速控制，即要求具有四象限驱动正、反向转动时，均可进行加减速控制，即要求具有四象限驱动能力。能力。（3）定位准停功能）定位准停功能：为了使数控车床具有螺纹切削功能，要求：为了使数控车床具有螺纹切削功能，要求主轴能与进给驱动实行同步控制；在加工中心上，为了自动换刀，主轴能与进给驱动实行同步控制；在加工中心上，为了自动换刀，还要求主轴具有高精度的准停功能。还要求主轴具有高精度的准停功能。模块二 数控机床运动控制与位置检测2.3.2 2.3.2 直流主轴驱动系统直流主轴驱动系统直流主轴驱动系统直流主轴驱动系统模块二 数控机床运动控制与位置检测2.3.3 2.3.3 交流主轴驱动系统交流主轴驱动系统交流主轴驱动系统交流主轴驱动系统交流主轴电动机与交流进给用伺服电动机不同，交流主轴电动机交流主轴电动机与交流进给用伺服电动机不同，交流主轴电动机一般采用交流感应电动机，交流感应电动机从结构上分有带换向一般采用交流感应电动机，交流感应电动机从结构上分有带换向器和不带换向器两种，通常采用不带换向器的三相感应电动机器和不带换向器两种，通常采用不带换向器的三相感应电动机（也称笼型电动机或异步电动机）。（也称笼型电动机或异步电动机）。一般交流主轴电动机是专门设计的，为了增加输出功率，缩小电一般交流主轴电动机是专门设计的，为了增加输出功率，缩小电动机的体积，都采用定子铁心在空气中直接冷却的方法，没有机动机的体积，都采用定子铁心在空气中直接冷却的方法，没有机壳而且在定子铁心上作有轴向孔以利通风等。这类电机轴的尾壳，而且在定子铁心上作有轴向孔以利通风等。这类电机轴的尾部都同轴安装有测速发电机或脉冲编码器等检测元件。部都同轴安装有测速发电机或脉冲编码器等检测元件。模块二 数控机床运动控制与位置检测变频调速有下面三种控制方式：变频调速有下面三种控制方式：模块二 数控机床运动控制与位置检测2.4 检测元件检测元件检测元件检测元件 2.4.1 2.4.1 位置检测元件的要求及分类位置检测元件的要求及分类位置检测元件的要求及分类位置检测元件的要求及分类 2.4.2 2.4.2 脉冲编码器脉冲编码器脉冲编码器脉冲编码器模块二 数控机床运动控制与位置检测2.4.1 2.4.1 位置检测元件的要求及分类位置检测元件的要求及分类位置检测元件的要求及分类位置检测元件的要求及分类检测元件是数控机床闭环伺服系统的重要组成部分，它的作用是检测元件是数控机床闭环伺服系统的重要组成部分，它的作用是检测位移、角位移和速度的实际值，把反馈信号传送回数控装置检测位移、角位移和速度的实际值，把反馈信号传送回数控装置或伺服装置，构成闭环控制。或伺服装置，构成闭环控制。闭环数控系统的加工精度主要由检测环节的精度决定，而检测环闭环数控系统的加工精度主要由检测环节的精度决定，而检测环节的精度是通过检测传感器的分辨率来体现的。分辨率不仅取决节的精度是通过检测传感器的分辨率来体现的。分辨率不仅取决于检测传感器本身，也取决于测量转换电路。于检测传感器本身，也取决于测量转换电路。数控机床对检测元件的主要要求有：数控机床对检测元件的主要要求有：（1）工作可靠，抗干扰性强；）工作可靠，抗干扰性强；（2）满足测量精度，检测速度和测量范围的要求；）满足测量精度，检测速度和测量范围的要求；（3）易于实现高速的动态测量和处理，易于实现自动化；）易于实现高速的动态测量和处理，易于实现自动化；（4）使用维护方便，适合机床的工作环境，成本低。）使用维护方便，适合机床的工作环境，成本低。模块二 数控机床运动控制与位置检测常用的检测元件：常用的检测元件：旋转变压器，旋转变压器，脉冲编码器、绝对式编码器，脉冲编码器、绝对式编码器，直线光栅、圆光栅，直线光栅、圆光栅，直线感应同步器，直线感应同步器，磁尺，磁尺，激光干涉仪等。激光干涉仪等。模块二 数控机床运动控制与位置检测2.4.2 2.4.2 脉冲编码器脉冲编码器脉冲编码器脉冲编码器脉冲编码器是一种旋转式测量元件，通常装在被检测轴上，随被脉冲编码器是一种旋转式测量元件，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成增量脉冲或绝对式的测轴一起转动，可将被测轴的角位移转换成增量脉冲或绝对式的数字代码。在数控机床上它通常与驱动电动机同轴联接，属间接数字代码。在数控机床上它通常与驱动电动机同轴联接，属间接式测量元件。式测量元件。脉冲编码器根据内部结构和检测方式分类，可分为接触式、光电脉冲编码器根据内部结构和检测方式分类，可分为接触式、光电式和电磁式三种。式和电磁式三种。按照编码方式可分为绝对式编码和增量式编码两种。按照编码方式可分为绝对式编码和增量式编码两种。在数控机床上大多采用光电式增量脉冲编码器。下面分别介绍绝在数控机床上大多采用光电式增量脉冲编码器。下面分别介绍绝对式编码和增量式编码的编码器结构及工作原理。对式编码和增量式编码的编码器结构及工作原理。模块二 数控机床运动控制与位置检测1 1、绝对式编码器、绝对式编码器、绝对式编码器、绝对式编码器绝对值编码器是一种直接编码的检测元件，它通过读取码盘上的绝对值编码器是一种直接编码的检测元件，它通过读取码盘上的图案来表示轴的绝对位置，没有累积误差，电源切除后，信息位图案来表示轴的绝对位置，没有累积误差，电源切除后，信息位置不丢失。从编码器使用的计数制分，有二进制码、二进制循环置不丢失。从编码器使用的计数制分，有二进制码、二进制循环码（格雷码）、二码（格雷码）、二-十进制码等。绝对式编码器按结构原理分，也十进制码等。绝对式编码器按结构原理分，也有接触式、光电式和电磁式三类。在这里以接触式为例进行介绍。有接触式、光电式和电磁式三类。在这里以接触式为例进行介绍。模块二 数控机床运动控制与位置检测模块二 数控机床运动控制与位置检测码道的圈数就是二进制数的位数，若是码道的圈数就是二进制数的位数，若是n位二进制码盘，就有位二进制码盘，就有n圈码道，且周围均分为圈码道，且周围均分为2n等分，即共有等分，即共有2n个数据分别表示码盘所个数据分别表示码盘所转动到的不同位置。转动到的不同位置。二进制码盘的分辨角二进制码盘的分辨角=360/2n分辨率分辨率=1/2n显然，位数显然，位数n越大，所能分辨的角度越小，测量精度就越高。若越大，所能分辨的角度越小，测量精度就越高。若要求位数更高，则采用组合码盘，一个粗计数码盘，一个精计数要求位数更高，则采用组合码盘，一个粗计数码盘，一个精计数码盘，精计数码盘转一圈，粗计数码盘依次转一格。如果一个组码盘，精计数码盘转一圈，粗计数码盘依次转一格。如果一个组合码盘是由两个合码盘是由两个8位二进制码盘组合而成的，那么便可以得到相当位二进制码盘组合而成的，那么便可以得到相当于于16位的二进制码盘，这就使测量精度大大提高，但结构相当复位的二进制码盘，这就使测量精度大大提高，但结构相当复杂。杂。模块二 数控机床运动控制与位置检测2 2、增量式编码器、增量式编码器、增量式编码器、增量式编码器增量式编码器俗称脉冲编码器，它能把被测轴的机械转角变成脉增量式编码器俗称脉冲编码器，它能把被测轴的机械转角变成脉冲信号，是数控机床上使用很广泛的位置检测元件。同时也作为冲信号，是数控机床上使用很广泛的位置检测元件。同时也作为速度检测元件用于转速检测。增量式脉冲编码器同样也分为接触速度检测元件用于转速检测。增量式脉冲编码器同样也分为接触式，光电式、电磁式三种，从精度和可靠性方面来看，光电式优式，光电式、电磁式三种，从精度和可靠性方面来看，光电式优于其他两种，数控机床上主要使用光电式脉冲编码器。于其他两种，数控机床上主要使用光电式脉冲编码器。模块二 数控机床运动控制与位置检测模块二 数控机床运动控制与位置检测由于增量式光电码盘每转过一个狭缝就发出一个脉冲信号，由此由于增量式光电码盘每转过一个狭缝就发出一个脉冲信号，由此可得出如下结论：可得出如下结论：1）根据脉冲的数目可得出工作轴的回转角度，然后由传动速此换）根据脉冲的数目可得出工作轴的回转角度，然后由传动速此换算为直线位移距离。算为直线位移距离。2）根据脉冲的频率，可得工作轴的转速。）根据脉冲的频率，可得工作轴的转速。3）根据光欄板上两条狭缝中信号的先后顺序，可判断工作轴的正）根据光欄板上两条狭缝中信号的先后顺序，可判断工作轴的正反转。反转。常用的脉冲编码器的规格有：常用的脉冲编码器的规格有：2000P/r、2500 P/r、3000 P/r、1024 P/r、2048 P/r等，也有高分辨率的达到等，也有高分辨率的达到20000 P/r、25000 P/r、30000 P/r等。等。此外，现在数控机床上使用的脉冲编码器，大多带有零位标志，此外，现在数控机床上使用的脉冲编码器，大多带有零位标志，在码盘的里圈还有一条透光狭缝，相应的光欄板的里圈也有一条在码盘的里圈还有一条透光狭缝，相应的光欄板的里圈也有一条透光狭缝，并多加一个光敏元件，每转一圈产生一个零位脉冲信透光狭缝，并多加一个光敏元件，每转一圈产生一个零位脉冲信号。在进给电动机所用的脉冲编码器上，零位脉冲用于精确确定号。在进给电动机所用的脉冲编码器上，零位脉冲用于精确确定机床的参考点，而在主轴控制上则用于螺纹加工及准停控制等。机床的参考点，而在主轴控制上则用于螺纹加工及准停控制等。