数控机床进给驱动系统

数控机床电气控制武汉软件职业学院机电工程系方占桥第四章数控机床进给驱动系统本章要点进给系统的简介步进电机及其驱动系统伺服电机及驱动系统进给系统的接口半闭环、闭环进给传动系统本章重点步进、伺服电机的原理；驱动系统的结构及原；检测元件的作用及原理4.1概述4.1.1进给驱动系统的概念进给系统：是根据数控装置发出控制指令来驱动的执行机构实现机床的精确进给运动。特点：位置随动、精确定位。作用：1.放大CNC装置发出的控制信号，具有功率输出能力；2.根据CNC装置发出的控制信号对机床移动部件的位置和速度进行控制。4.1.2数控.机床对进给系统的要求1.调整范围要宽；2.定位精度要高；4.低速大转矩，过载能力强；5.可靠性高。3.快速响应、无超调；4.1.3进给系统的分类步进电动机按执行元件分直流伺服电动机交流伺服电动机开环控制系统按控制类型分闭环控制系统4.1.5进给驱动系统的组成驱动装置-------信号转换、传递、放大；执行元件------将电信号转换为机械能，完成机械动作(位移、速度、运动方向)；传动机构---------机械部件；检测元件------将位移、速度、运动方向转换为电信信号，并反馈至CNC。4.2步进电动机驱动的进给系统步进电动机是一种将电脉冲信号转换为机械角位移的电磁机械装置。步----一个电脉冲的作用下，步进电动机旋转一固定的角度。步距角------一步所对应旋转过的角度。如0.36/0.724.2.1步进电动机的分类快速步进电动机------连续输出工作频率高，但输出功率小。按输出功率分功率步进电动机-----工作频率不高，但输出功率大。按工作原理可分为：永磁式（PM），反应式（VR）和混合式（HB）永磁式步进:一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度；反应式步进:一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家80年代已被淘汰；混合式步进:混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。按励磁相数分为：两相、三相、四相、五相、六相、八相。电流极性分为：单极性和双极性步进电动机。运动形式分为：旋转、直线，平面步进电动机。4.2.2步进电动机的特点1.输出转角与输入的脉冲个数成正比；2.输出转速励磁电流频率正比；3.具有较高的定位精度，无需制动力矩，无累积误差；4.改变转向方便(改变励磁电流的方向)；5.低频特性欠佳，易产生振荡。4.2.3步进电动机的工作原理及特性一、步进电动机的工作原理1.结构定子------定子铁芯和励磁绕组，转子------铁芯(铁磁材料或永久磁钢)。2.工作原理反应式结构原理图如图所示单三拍(又称三相三拍)控制步进电动机工作原理单三拍控制中的“单”是指每次只有一相控制绕组通电，通电顺序为U→V→W→U或按U→W→V→U顺序。“三拍”是指经过三次切换控制绕组的电脉冲为一个循环。步距角为θ=30度三相六拍(双三拍)控制方式步进电动机工作原理六拍控制方式中三相控制绕组通电顺序按U→UV→V→VW→W→WU→U进行图示θ=30度转速混合式工作原理定子铁芯上均布8个磁极，每极上分布3个齿，每齿相差120，有A(A1、A2、A3、A4)和B(B1、B2、B3、B4)四相。转子铁芯均布30个齿，两齿间相差12度。转子铁芯分为两段，中间有环形永久磁钢，充磁方向为轴向，两段齿相差6度。A-B相顺序通电，电机正转。交替通电，则反转。步进角为3度步进角的细分A、B相正采用正(余)弦电源，且每周期采样40点，步进角可达0.3度。二、步进电机的主要特性1、步距误差步进电动机工作时，实际步距角与理论值间的差值称为步距误差。2、静态距角特性步进电动机在不改变通电状态下，转子处于不动状态，若在电动机轴上外加一负载转矩，使转子按一定方向转过一个角度，此时转子所受的电磁转矩（T）称为静态转矩，所对应的转角（θ）称为失调角。静态距角特性是指静态转矩与失调角间的关系。3、启动频率空载时，步进电动机由静止状态突然启动，并在不丢步的正常运行的最高频率。4、连续运行频率步进电动机启动后，其运行速度能跟踪指令脉冲频率连续上升而不丢步的最高工作频率。5、矩频特性与动态转矩6、加减特性4.2.4步进电动机的驱动器的控制原理1、驱动装置的组成：环形脉冲分配器、功率放大作用：数控装置：根据控制要求发出指令脉冲，指令脉冲的个数代表移动距离；脉冲频率代表移动速度。每发出一个脉冲电机旋转一个特定的角度，即步距角环形分配：根据指令方向，依次产生步进电机的各相的通电步骤，分为硬件环分、软件环分两种。放大电路：放大环形分配的各相指令，产生步进电机的各相的驱动电流2.步进电动机驱动电源1）单电压驱动电路特点：（1）线路简单（2）电流上升速度慢，高频时带负载能力差。2)高、低压驱动特点：（1）启动电流上升快；（2）较宽频率范围内有较大的平均电流；（3）电磁转矩大且稳定（4）功率损耗较小。（5）启动后有电流波动，影响其工作稳定性。3）恒流斩波驱动特点：（1）绕组中脉冲电流上升沿和睛降沿较陡，快速响应好；（2）电路功耗小、效率高；（3）能输出恒转矩。4.3伺服电动机驱动的进给系统按工作原理分为一、感应式(异步式)：结构与单相异步电动机相拟。特点：1.转子细长，惯量小；2.转子电阻大、转速高；3.无刷、坚固、价低；4.控制精度不高、效率较低。二、永磁同步式(为现行主流机型)特点：1.定子为三相绕组，转子为永磁式(稀土永磁体)；2.控制电枢电流来实现转矩的控制；3.控制精度高、快速响应好、惯量小；4.功率因素和效率高、过载能力强。三、永磁直流无刷式特点：1.结构与永磁同步式相近；2.定子一般有三相绕组，分别由三套功率放电路来控制；3.可控性好；4.低频响应较差。四、磁阻同步式特点：1.转子无绕组，无磁体，采用变磁阻结构；2.低频响应较好；3.效率低。4.3.1交流伺服电动机工作原理一、永磁直流无刷伺服电动机的工作原理三相永磁电动机、功率逻辑开关单元和转子位置传感器组成。位置传感器由三只光电器件VP1、VP2、VP3，其位置均匀分布互差120度。当光源依次照到光电器件VP1、VP2、VP3上，其绕组通电，产生磁场，与转子磁场相互作用，使转子对应转动。二、永磁同步式交流伺服电动机的工作有原理三相绕组接三相电源时，产生旋转磁场Fs，其空间相位角与电流的相位角有关.如，当A相电流达最大值时，Fs的相位角与A轴向重合，三相交变时，转子逆时针转动。其转矩Tm与Fs、Fr的乘积成正比。当转子加上负载转矩后，转子磁极轴线将落后定子磁场轴线一个θ夹角。转子的负载转矩增大时，定子磁极轴线与转子磁极轴线间的夹角θ增大；当负载转矩减小时θ角减小。速度控制：当驱动装置读取传感器PS的值，给出转子磁场的移动量时，用以控制定子电流，以改变三相电流相位，使其沿转子旋转方向，并移动相应的角度。方向控制：改变三相电流的相位移相180度)，则旋转方向改变。4.3.2交流伺服电动机伺服系统交流伺服系统的组成1.交流伺服电动机；2.PWM功率逆变器；3.微处理器控制器及逻辑门阵列；4.位置传感器；5.电源及能耗制动电路；6.键盘显示电路；7.接口电路及通信电路；8.故障检测、保护电路。zz214.4进给驱动装置的接口和选型4.4.1进给驱动装置的接口分类连接对象：CNC、PLC接口、电动机接口、外部设备接口等功能：指令接口、控制接口、状态接口、安全接口、通讯接口、显示接口。接口信号电压：高压电源接口、低压电源接口、无源电压接口。接口信号幅值特性：开关量接口和模拟量接口。电源接口1.动力电源：进给驱动装置用于变换驱动电动机运行的电源。动力电源的范围较宽，种类也较多，从三相460V到直流24V或更低。典型交流伺服驱动装置的电源多为交流200V，步进电动机的驱动装置的电源为单相交流或直流。对于用直流供电方式来说，其允许电压变化范围宽（如M535为例，允许DC24V――DC48V）。交流变化范围可为15%（如200V三相电源可从200V――－230V）。注意：1.交流电源一般由隔离变压器供电，以提高抗干扰能力和减小对其它设备的影响。有时还需用电抗器减小起动/停止时对电源和电源控制器件的冲击。电源干扰较强时感觉可增加高压瓷片电容，磁环，低通滤波器等。2.交流动力电源分为：整体式或模块式。逻辑电路电源：进给驱动装置的开关量、模拟量等逻辑接口电路工作或电平匹配所需的直流电源（24、5V）。控制电源：进给驱动装置自身的控制板卡、面板显示等内部电路工作电源（一般为单相），可与动力电源共用。二、指令接口作用：与CNC装置实现信息交换。分为脉冲和模拟量接口1.模拟量指令接口（图4.22）模拟量模块主要用于速度控制。输入/输出指令分为电流和电压控制（图4.214.23）电压指令范围：－10V――10V电流指令范围：－20mA――20mA注意：远程控制时一般先用电流控制方式。位置控制由CNC处理。图4.222.脉冲指令接口分类（图4.25）原理3.通讯指令接口作用：减少占有PLC的点数，实现更多的信息交换。注意：使用时一般与同一生产厂家的设备其用。4.总线指令接口减小CNC装置的通讯接口，采用串联接法相连。P107图4.304.31三、控制接口作用：驱动装置用于接受CNC、PLC及其它设备的的控制指令信号。分类开关量控制接口P108图4.32模拟量控制接口P109图4.33控制接口常用信号1.伺服ON允许进给驱动装置接受指令开始工作2.复位（清除报警）进给驱动装置恢复到初始状态（清除可自恢复故障报警）。3.控制方式选择允许进给驱动装置在两种工作方式之间切换，这两种工作方式可通过参数在位置控制模式、速度控制模式、转矩控制模式中任选两种。4.CCW驱动禁止和CW驱动禁止禁止电动机正/反向旋转，用于机床的限位保护。5.CCW转矩限制输入（0～10V）和CW转矩限制输入（0～－10V）限制电动机正/反转输出转矩，由模拟电压的值确定输入转矩的限制值。P109图4.33说明：在进给驱动装置内，可通过参数对控制接口的各位信号进行设定：A、设定某位控制接口是否有效；B、设定某位控制信号是常闭有效/常闭有效；C、修改某位控制接口信号的含义。四、状态与安全报警接口（输出接口）作用：用于通知CNC、PLC及其他设备驱动装置目前的工作状态。常用形式有：集电极开路输出；无源接点输出；模拟电压输出。注意：信号源多为电感性负载，应有保护措施。（交流并接RC吸收电路，直流并接续流二极管）。常用信号有：1.伺服准备好：驱动正常工作。2.伺服报警、故障：驱动、电动机有报警，不能正常工作。3.位置到过：位置指令完成。4.零速检出：电动机速度为0。5.速度到达：速度指令完成。6.速度监视：以与电动机速度线性对应的关系输出模拟电压。7.转矩监视：以与电动机转矩线性对应的关系输出模拟电压。说明：1.1～5项中，采用集电极开路输出试输出。图4.34a2.报警信号用继电器输出。图4.34b3.6～7项采用模拟电压方式输出。图4.34c4.有些驱动装置的状态与安全报警接口的有效和含义可通过参数来设定(故又称为多功能接口)。五、通信接口作用：对交流伺服系统，用于高级调试和控制功能。常用通信接口有RS232、RS422、RS485C以太网及厂家自定义。利用其接口可实现以下功能：1.查看和设置驱动装置的参数和运行模式；2.监视驱动装置的运行状态，包括端子状态、电流波形、电压波形等；3.实现网络化远程监控和远程调试功能。六、反馈接口1.来自位置、速度检测元件反馈接口2.输出到CNC的位置反馈接口七、电动机电源接口作用：为电动机提供电源。形式：端子排或插接件(小功率)。对步进电动机的驱动装置还有串联/并联接口(改变电动机的磁极数)。4.4.2进给驱动装置的选型进给系统的选型是以数控机床的设计要求为基础，与数控装置的选型有密切的关系，机床的各轴的进给速度、整机的加式精度、加工范围、传动方式等都直接对驱动系统的性能提出了要求。各生产厂家通常提