数控机床运动控制与检测概述课件.pptx

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1、主讲：郭士义制作：王天予概述2.1主轴驱动2.3进给驱动2.2检测元件2.42.1概述2.1.1伺服系统的基本概念2.1.2对伺服系统的基本要求2.1.3伺服控制系统的分类2.1.1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。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

2、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求也越来越高。2.1.2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，定位精度一般为0.01—0.001mm，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200ms以内，甚至小于几十毫秒；另一方

3、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，当系统受到干扰时，振荡小，恢复时间快。（3）调速范围宽。在数控机床中，要求进给伺服系统的速度达到1-24000mm/min的范围，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1:100——1000范围内的恒转矩调速和1：10以上的恒功率调速，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，如当前国内外生产的电主轴，最高转速从10000r/min到150000r/min。2.1.3伺服控制系统的分类按控制方式分类按控制方式分类，位

4、置控制系统可分为开环、半闭环和闭环三种。开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2.2进给系统2.2.1步进电动机驱动控制系统2.2.2直流速度控制单元2.2.3交流电动机速度控制单元2.2.1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CNC系统中，环形分配器的功能由软件产生，在这种情况下，驱动器就不包括环形分配器。三相硬件环形分配器的驱动控制示意图2.2.2直流速度控制单元2.2.3交流电动机速度控制单元2.3主轴驱动2.3.1对

5、主轴驱动的要求2.3.2直流主轴驱动系统2.3.3交流主轴驱动系统2.3.1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：（1）对功率的要求：要求主轴电动机有2.2～250kw的功率范围，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1：100～1000范围内进行恒转矩和1：10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能力。（3）定位准停功能：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

6、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。2.3.2直流主轴驱动系统2.3.3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（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。这类电机轴的尾部都同轴安装有测速发电机或脉冲编码器等检测元件。变频调速有下面三种控制方式：2.4检测元件2.4.1位置检测元件的

7、要求及分类2.4.2脉冲编码器2.4.1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。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：（1）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；（3）易于实