数控原理与系统第四章.ppt

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数控技术数控技术第四章进给运动的控制数控技术数控技术第一节概述一、进给伺服系统及其性能1.1.进给伺服系统的组成进给伺服系统的组成数控技术数控技术位置控制调节器速度控制与驱动检测单元位置控制单元速度控制单元+-电机机械执行部件CNC插补指令实际位置反馈实际速度反馈数控机床进给伺服系统的一般结构（闭环）数控机床进给伺服系统的一般结构（闭环）位置环位置环执行部件位置闭环控制执行部件位置闭环控制速度环速度环伺服电机速度闭环控制伺服电机速度闭环控制电流环电流环伺服电机电枢电流闭环控制伺服电机电枢电流闭环控制三环结构：

三环结构：

数控技术数控技术2.2.数控机床对进给伺服系统的要求数控机床对进给伺服系统的要求稳定性好稳定性好精度高精度高动态精度动态精度/跟随误差；静态精度跟随误差；静态精度/重复定位误差重复定位误差快速响应且无超调快速响应且无超调电动机调速范围宽电动机调速范围宽低速大转矩低速大转矩数控技术数控技术二、进给伺服系统的分类二、进给伺服系统的分类1.1.按控制方式分按控制方式分开环伺服系统开环伺服系统全闭环伺服系统全闭环伺服系统半闭环伺服系统半闭环伺服系统特点：

采用特点：

采用步进电机作为驱动电机；没有位置反馈和速步进电机作为驱动电机；没有位置反馈和速度反馈回路，度反馈回路，结构简单，工作稳定、调试方便；控制精度结构简单，工作稳定、调试方便；控制精度较低，运行速度较慢；一般用于低档数控机床及普通机床较低，运行速度较慢；一般用于低档数控机床及普通机床的数控化改造。

的数控化改造。

半闭环伺服系统的位置检测元件一般安装在电机轴或丝杠半闭环伺服系统的位置检测元件一般安装在电机轴或丝杠端部。

控制回路中不包含机械传动装置。

为提高控制精度，端部。

控制回路中不包含机械传动装置。

为提高控制精度，需提高机械传动装置的精度。

与全闭环控制相比，半闭环伺需提高机械传动装置的精度。

与全闭环控制相比，半闭环伺服系统调试容易、性能较高，在数控机床中得到广泛应用。

服系统调试容易、性能较高，在数控机床中得到广泛应用。

全闭环控制直接对执行部件的位置进行反馈控制，理论全闭环控制直接对执行部件的位置进行反馈控制，理论上控制精度最高。

但是传动链的非线性影响因素（间隙、摩上控制精度最高。

但是传动链的非线性影响因素（间隙、摩擦、弹性变形等）对系统稳定性影响大。

这类系统结构复杂、擦、弹性变形等）对系统稳定性影响大。

这类系统结构复杂、调试困难，主要用于精度要求高的数控机床和加工中心。

调试困难，主要用于精度要求高的数控机床和加工中心。

数控技术数控技术2.2.按驱动元件的类型分按驱动元件的类型分步进伺服系统步进伺服系统直流伺服系统直流伺服系统交流伺服系统交流伺服系统3.3.按反馈比较方式分按反馈比较方式分脉冲数字比较伺服系统脉冲数字比较伺服系统相位比较伺服系统相位比较伺服系统幅值比较伺服系统幅值比较伺服系统全数字伺服系统全数字伺服系统数控技术数控技术三、驱动系统的工作特性曲线1.1.步进驱动系统工作特性曲线步进驱动系统工作特性曲线数控技术数控技术2.2.直流伺服系统工作特性曲线直流伺服系统工作特性曲线FANUCBESK15FANUCBESK15直流伺服电机的工作曲线直流伺服电机的工作曲线数控技术数控技术第二节开环数控系统进给运动控制数控技术数控技术一、步进电机的工作原理1.1.步进电机结构及分类步进电机结构及分类反应式（变磁阻式）反应式（变磁阻式）永磁式永磁式永磁感应子式（永磁感应子式（混合式）混合式）11）按工作原理分按工作原理分22）按定子绕组相数分）按定子绕组相数分33相、相、55相相数控技术数控技术通电方式通电方式单拍单拍一次通电时只有一相通电一次通电时只有一相通电双拍双拍一次通电时有两相同时通电一次通电时有两相同时通电单双拍单双拍单拍和双拍交替的通电方式单拍和双拍交替的通电方式2.2.工作原理工作原理数控技术数控技术单拍双拍方式单拍双拍方式kk=2=2；单拍、双拍方式；单拍、双拍方式k=1k=1每一拍，转子转过一个固定的角度，称为步距角每一拍，转子转过一个固定的角度，称为步距角常用步距角：

常用步距角：

步距角步距角zz转子齿数转子齿数mm定子相数定子相数kk通电方式系数通电方式系数控制输入脉冲频率可控制步进控制输入脉冲频率可控制步进电机转速电机转速控制控制通电相序可改变电机转向通电相序可改变电机转向控制脉冲个数可控制步进电机角位移控制脉冲个数可控制步进电机角位移数控技术数控技术3.3.步进电机的特性步进电机的特性

（1）

（1）矩角特性矩角特性步进电机在不改变通电状态时，在电机轴上外加负载转矩，转子转过一定的角度；负载撤除后转子回复原来位置。

这种外加转矩与转子转角的称为矩角特性。

在矩角特性曲线中的最大转矩称为步进电机的最大静态转矩。

最大静转矩表示了步进电机容量的大小。

数控技术数控技术

（2）

（2）起动频率起动频率空载起动（突跳）频率空载起动（突跳）频率空载起动（突跳）频率空载起动（突跳）频率：

空载时步进电机由静止突然启动，：

空载时步进电机由静止突然启动，进入不失步的正常运行状态的最高控制脉冲频率。

进入不失步的正常运行状态的最高控制脉冲频率。

数控技术数控技术步进电机的单步运行分析步进电机的单步运行分析数控技术数控技术（3）（3）矩频特性矩频特性步进电机的最大动态转矩与脉冲频率的关系。

步进电机的最大动态转矩与脉冲频率的关系。

最高运行频率最高运行频率数控技术数控技术（4）（4）步进电机的选择步进电机的选择步距角应满足数控机床进给系统对脉冲当量的要求。

增步距角应满足数控机床进给系统对脉冲当量的要求。

增大传动比、减小丝杠导程也可减小脉冲当量。

大传动比、减小丝杠导程也可减小脉冲当量。

根据快速进给速度，确定步进电机最高工作频率。

根据快速进给速度，确定步进电机最高工作频率。

根据负载转矩，选择步进电机的最大静转矩根据负载转矩，选择步进电机的最大静转矩步进电机最大静转矩步进电机最大静转矩=（510）510）倍负载转矩倍负载转矩根据加工精度要求确定脉冲当量根据加工精度要求确定脉冲当量并选择步距角并选择步距角数控技术数控技术校核步进电机的突跳频率和加速性能校核步进电机的突跳频率和加速性能查步进电机起动惯查步进电机起动惯-频特性曲线，确定步进电机在带负载频特性曲线，确定步进电机在带负载惯量下的突跳频率。

若无电机起动惯惯量下的突跳频率。

若无电机起动惯-频特性曲线，可按下频特性曲线，可按下式近似计算步进电机带惯性负载的突跳频率。

式近似计算步进电机带惯性负载的突跳频率。

步进电机带有惯性负载的突跳频率步进电机带有惯性负载的突跳频率步进电机空载突跳频率步进电机空载突跳频率数控技术数控技术二、开环系统控制原理数控装置发出数控装置发出NN个进给脉冲个进给脉冲步进电机定子绕阻通电状态改变步进电机定子绕阻通电状态改变NN次次电电机轴角位移机轴角位移=步距角步距角NN工作台位线移工作台位线移L=/360L=/360tt1.1.工作台位移量控制工作台位移量控制脉冲当量脉冲当量数控技术数控技术2.2.工作台进给速度控制工作台进给速度控制控制脉冲频率控制脉冲频率ff改变定子绕阻通断电状态变化频率改变定子绕阻通断电状态变化频率ff改变步进改变步进电机转速电机转速改变工作台进给速度改变工作台进给速度vv。

工作台进给速度工作台进给速度3.3.工作台运动方向控制工作台运动方向控制改变步进电机定子绕阻通电相序改变步进电机定子绕阻通电相序改变工作台运动方向。

改变工作台运动方向。

数控技术数控技术例例4-14-1解：

步距角脉冲当量最高工作频率某某55相步进电动机的转子齿数相步进电动机的转子齿数z=40z=40，采用，采用55相相1010拍通电方拍通电方式，试计算该步进电动机的步距角。

若已知进给系统的传动式，试计算该步进电动机的步距角。

若已知进给系统的传动比比i=1.25i=1.25，丝杠导程，丝杠导程t=5mmt=5mm，系统的最高进给速度，系统的最高进给速度=3000mm/min=3000mm/min，步进电机的最高工作频率选择多大？

，步进电机的最高工作频率选择多大？

数控技术数控技术例例4-24-2已知开环进给系统脉冲当量为已知开环进给系统脉冲当量为0.03mm/p0.03mm/p，丝杠与电，丝杠与电机直联，螺距机直联，螺距t=7.2mmt=7.2mm，11）步进电机的步距角选多大？

）步进电机的步距角选多大？

22）已选步进电机转子有）已选步进电机转子有4040个齿，试确定步进电机定子绕个齿，试确定步进电机定子绕组通断电为几相几拍，并写出正、反向运行时电机定子绕组通断电为几相几拍，并写出正、反向运行时电机定子绕组的通断电顺序。

组的通断电顺序。

解：

（1）

（2）选择3相6拍正转反转数控技术数控技术三、步进电机驱动与控制驱动系统组成驱动系统组成步进电机驱动装置利用控制脉冲信号对步进电机的工作步进电机驱动装置利用控制脉冲信号对步进电机的工作电源进行控制，驱动步进电机运行。

步进电机驱动器通常还电源进行控制，驱动步进电机运行。

步进电机驱动器通常还具有指令脉冲的分配功能。

具有指令脉冲的分配功能。

数控技术数控技术1.1.步进电动机的驱动电路步进电动机的驱动电路感性负载及其对驱动电路的影响感性负载及其对驱动电路的影响步进电机对功率放大器是感应负载，在脉冲频率较高时，步进电机对功率放大器是感应负载，在脉冲频率较高时，使绕组电流的变化缓慢。

为克服感性负载对功率放大电路的使绕组电流的变化缓慢。

为克服感性负载对功率放大电路的影响，出现了多种典型的步进电机功放电路。

影响，出现了多种典型的步进电机功放电路。

数控技术数控技术绕组电流波形图绕组电流波形图iitt线路简单，但是电流上升不够快，高频时带负载的能力低。

（1）

（1）单电压驱动电路单电压驱动电路数控技术数控技术

（2）

（2）高低压驱动电路高低压驱动电路绕组电流波形绕组电流波形iitt数控技术数控技术2.2.脉冲分配脉冲分配脉冲分配原理脉冲分配原理实现方法实现方法硬件脉冲分配硬件脉冲分配软件脉冲分配软件脉冲分配数控技术数控技术软件脉冲分配的算法软件脉冲分配的算法数控技术数控技术3.3.速度控制速度控制延时法延时法定时中断控制定时中断控制4.4.自动升降速控制自动升降速控制为避免电机起动过程中的冲击和电机丢步，要求脉冲频率为避免电机起动过程中的冲击和电机丢步，要求脉冲频率逐渐增加或减小，且逐渐增加或减小，且频率变化量应小于步进电机的频率变化量应小于步进电机的突跳频率突跳频率突跳频率突跳频率值值。

数控技术数控技术升降速的计算机控制方法升降速的计算机控制方法定步法定步法定时法定时法实现方法实现方法数控技术数控技术四、开环进给系统精度分析步进电机的步距误差步进电机的动态误差步进电机的起停误差滚珠丝杠的螺距误差齿轮副齿侧间隙丝杠等机械部件的受力变形和热变形工作台导轨的误差2.2.提高精度的措施提高精度的措施从驱动电路入手从软件入手从控制原理入手1.1.影响开环进给系统精度的因素影响开环进给系统精度的因素数控技术数控技术第三节闭环数控系统进给运动控制及特性分析数控技术数控技术一、闭环位置控制系统1.1.闭环位置控制原理闭环位置控制原理数控装置控制接口数控装置控制接口数控技术数控技术二、闭环进给伺服系统性能分析1.1.位置控制回路的数学模型位置控制回路的数学模型数控技术数控技术2.2.定位过程的误差分析定位过程的误差分析简化位置闭环控制数学模型简化位置闭环控制数学模型开环传递函数开环传递函数闭环传递函数闭环传递函数数控技术数控技术数字仿真实验数字仿真实验位置闭环控制系统是典型的位置闭环控制系统是典型的II型系统。

以下采用数字仿真的方法研究在型系统。

以下采用数字仿真的方法研究在定位过程中的动态响应性能。

定位过程中的动态响应性能。

数控技术数控技术若要提高系统的位置增益，驱动装置的时间常数要小。

若要提高系统的位置增益，驱动装置的时间常数