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文檔簡(jiǎn)介

數(shù)控技術(shù)1/4/20241第四章數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)4-1概述一、CNC主要功能及組成主要功能:

位置控制:刀具與工件的相對(duì)位置及軌跡控制(即程序編制中的G代碼功能)。

功能控制:主要是開關(guān)量控制信號(hào)處理(即程序編制中的M代碼功能)。

信號(hào)處理:系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)的分析處理(信號(hào)檢測(cè)和處理)系統(tǒng)組成:輸入輸出設(shè)備、CNC裝置、伺服驅(qū)動(dòng)及位置檢測(cè)裝置、輔助機(jī)能驅(qū)動(dòng)電路、數(shù)控系統(tǒng)軟件。1/4/202424-1概述二、CNC系統(tǒng)的主要特點(diǎn)系統(tǒng)柔性好、通用性強(qiáng)

不同于NC(硬線數(shù)控),CNC軟件結(jié)構(gòu)變更性強(qiáng),功能易于拓展。易于實(shí)現(xiàn)多功能

CNC豐富的指令系統(tǒng)可進(jìn)行高次曲線插補(bǔ)、刀補(bǔ)、多坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)控制和在線編程等。系統(tǒng)可靠性高

大部分功能由軟件實(shí)行,減少了硬件出錯(cuò)率。維修方便

采用模塊化結(jié)構(gòu)并配有自診斷軟件。通信功能強(qiáng)

通常配有RS232C或DNC接口,便于實(shí)現(xiàn)DNC、FMS、CIMS等系統(tǒng)的聯(lián)機(jī)通訊;圖形編程功能

具有人機(jī)交互圖形自動(dòng)編程功能。1/4/202434-2位移、速度、位置傳感器一、檢測(cè)元件的作用與分類作用:檢測(cè)工作臺(tái)或絲杠的直線位移(角位移)和線速度(角速度)并形成反饋控制主要技術(shù)指標(biāo):可靠性、抗干擾性、分辨率、響應(yīng)速度等分辨率:位移檢測(cè)系統(tǒng)能夠測(cè)量的最小位移量分辨率選擇:測(cè)量系統(tǒng)的分辨率應(yīng)比加工精度高一個(gè)數(shù)量級(jí)檢測(cè)系統(tǒng)的選擇:

大型機(jī)床:速度響應(yīng)要高

中小型和高精度機(jī)床:以滿足精度要求為主分類1/4/202444-2位移、速度、位置傳感器1/4/202454-2位移、速度、位置傳感器二、旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu):由定子和轉(zhuǎn)子組成的旋轉(zhuǎn)式小型交流電機(jī),如圖1/4/20246工作原理:根據(jù)互感原理工作,平行時(shí)互感最大,副邊感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大;垂直時(shí)互感為零,副邊感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最小,如圖。4-2位移、速度、位置傳感器副邊繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電壓為當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組磁軸與定子繞組磁軸平行時(shí),即=90o時(shí),互感電壓最大:1/4/202474-2位移、速度、位置傳感器旋轉(zhuǎn)變壓器的工作方式

鑒相方式鑒幅方式定子和轉(zhuǎn)子空間結(jié)構(gòu)1)鑒相方式正弦繞組和余弦繞組分別加上幅值相同、頻率相同、相位相差90o的正弦交流電壓:1/4/202482)鑒幅方式正弦繞組和余弦繞組分別加上頻率相同、相位相等、幅值分別按正弦、余弦規(guī)律變化的交變電壓:4-2位移、速度、位置傳感器1/4/20249三、感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu)相當(dāng)于展開的多級(jí)旋轉(zhuǎn)變壓器圖4-64-2位移、速度、位置傳感器1/4/2024102.感應(yīng)同步器工作原理相當(dāng)于旋轉(zhuǎn)變壓器的原理如圖4-2位移、速度、位置傳感器1)鑒相方式正弦繞組和余弦繞組分別加上幅值相同、頻率相同、相位相差90o的交流電壓:分別在定尺繞組上產(chǎn)生感應(yīng)電壓:1/4/2024114-2位移、速度、位置傳感器鑒相系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖1/4/2024124-2位移、速度、位置傳感器2)鑒幅方式正弦繞組和余弦繞組分別加上頻率相同、相位相等、幅值分別按正弦、余弦規(guī)律變化的交變電壓:1/4/202413鑒幅系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖4-2位移、速度、位置傳感器1/4/202414感應(yīng)同步器的特點(diǎn)安裝:定尺與滑尺之間的間隙應(yīng)控制在0.25±0.05mm范圍內(nèi),間隙變化控制范圍0.01mm特點(diǎn):精度高:測(cè)量范圍大環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)維護(hù)簡(jiǎn)單、壽命長(zhǎng)4-2位移、速度、位置傳感器1/4/202415四、光柵測(cè)量裝置光柵的工作原理組成:長(zhǎng)光柵(標(biāo)尺光柵)、短光柵(指示光柵)、狹縫、光學(xué)鏡和光電管圖4-104-2位移、速度、位置傳感器1/4/2024161/4/2024174-2位移、速度、位置傳感器光柵:刻有刻線的光學(xué)玻璃柵距:光柵上相鄰兩刻線間的距離工作原理:摩爾條文的工作原理圖4-10平均效應(yīng):特點(diǎn):放大效應(yīng):1/4/202418光柵測(cè)量裝置分光讀數(shù)頭垂直入射讀數(shù)頭反射多數(shù)頭光柵檢測(cè)裝置電路

四倍頻細(xì)分

方向辨別4-2位移、速度、位置傳感器1/4/202419功能:角位移測(cè)量特點(diǎn):非接觸式檢測(cè)、驅(qū)動(dòng)力小、檢測(cè)速度快分類:增量式編碼器和絕對(duì)式編碼器兩種增量式編碼器組成:光源、光電盤、光電接收元件工作原理:

信號(hào)處理:信號(hào)接收、放大、整形及反饋

方向辨別:DA、DB空間相差90o

基準(zhǔn)脈沖:由DC產(chǎn)生缺點(diǎn):停電或停機(jī)后,無法找到原始位置4-2位移、速度、位置傳感器c五、脈沖編碼器1/4/202420增量式編碼器4-2位移、速度、位置傳感器1/4/202421絕對(duì)式編碼器4-2位移、速度、位置傳感器分類:機(jī)械式、光電式、磁電式組成及原理:編碼盤、信號(hào)產(chǎn)生元件、信號(hào)接收元件0101111001100111100010011010101111001101111100000001001000110100202122231/4/202422格雷碼的絕對(duì)編碼器的分度盤代碼盤用格雷碼編碼1/4/202423編碼器安裝方式編碼器在擴(kuò)展軸上編碼器在實(shí)體軸上絕對(duì)編碼器分解器臨近傳感器通用編碼器安裝在擴(kuò)展軸上1/4/202424六、速度傳感器(自學(xué))測(cè)速發(fā)電機(jī)

特點(diǎn):輸出電壓與轉(zhuǎn)速嚴(yán)格的成線性關(guān)系輸出電勢(shì)與轉(zhuǎn)速比的斜率大脈沖編碼器的使用編碼器+定時(shí)器七、位置傳感器(自學(xué))

特點(diǎn):不同于位移傳感器,該傳感器僅用于定位測(cè)量接觸式位置傳感器接近式位置傳感器4-2位移、速度、位置傳感器1/4/2024254-3伺服驅(qū)動(dòng)裝置伺服系統(tǒng)的組成

驅(qū)動(dòng)電路:信號(hào)的轉(zhuǎn)換(D/A)和放大

伺服電機(jī):信號(hào)和能量的轉(zhuǎn)化輸出(電—機(jī))傳動(dòng)機(jī)構(gòu):信號(hào)和能量傳遞作用:接收數(shù)控系統(tǒng)的指令,驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成預(yù)定的進(jìn)給和快速運(yùn)動(dòng)特點(diǎn):能夠?qū)崿F(xiàn)位置和運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確控制分類:開環(huán)伺服系統(tǒng)和閉環(huán)伺服系統(tǒng)一、概述1/4/202426開環(huán)伺服系統(tǒng)組成:步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電路、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)工作原理:4-3伺服驅(qū)動(dòng)裝置1/4/2024274-3伺服驅(qū)動(dòng)裝置特點(diǎn)

1)無位移檢測(cè)裝置,控制精度低

2)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于調(diào)整、成本低。主要技術(shù)指標(biāo)

1)定位精度可達(dá)±0.02mm2)脈沖當(dāng)量可達(dá)0.01mm3)最高進(jìn)給速度低于6m/min應(yīng)用:經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床及機(jī)床數(shù)控化改造1/4/202428關(guān)于步進(jìn)電機(jī)

步距角:步進(jìn)電機(jī)每接受一個(gè)指令脈沖,轉(zhuǎn)子相應(yīng)的轉(zhuǎn)角

脈沖當(dāng)量:步進(jìn)電機(jī)每接受一個(gè)指令脈沖,工作臺(tái)相應(yīng)的位移

轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)向的決定因素:脈沖頻率、脈沖數(shù)和通電相序。

主要類型:反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)、混合式步進(jìn)電機(jī)4-3伺服驅(qū)動(dòng)裝置1/4/2024294-3伺服驅(qū)動(dòng)裝置閉環(huán)伺服系統(tǒng)組成:伺服單元、伺服電機(jī)、位移檢測(cè)裝置、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等工作原理:圖4-311/4/202430特點(diǎn):1)設(shè)有位移檢測(cè)裝置,控制精度高2)調(diào)試維護(hù)困難、成本較高主要技術(shù)指標(biāo)

1)定位精度可達(dá)±0.002mm2)檢測(cè)分辨率可達(dá)0.001mm3)最高進(jìn)給速度可達(dá)14m/min應(yīng)用:加工中心及中、高檔數(shù)控機(jī)床4-3伺服驅(qū)動(dòng)裝置1/4/202431關(guān)于閉環(huán)和半閉環(huán)系統(tǒng)閉環(huán):采用線位移檢測(cè)元件對(duì)工作臺(tái)位移直接進(jìn)行測(cè)量反饋。特點(diǎn):控制精度高、安裝調(diào)試?yán)щy半閉環(huán):采用角位移檢測(cè)元件對(duì)電機(jī)軸或滾珠絲杠的角位移進(jìn)行測(cè)量反饋。特點(diǎn):控制精度相對(duì)較低、安裝調(diào)試方便4-3伺服驅(qū)動(dòng)裝置1/4/202432伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選用1)精度要求:定位精度、重復(fù)定位精度、加工精度2)響應(yīng)速度:跟蹤指令信號(hào)的速度3)調(diào)速范圍:最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比Rn=nmax/nmin4)低速轉(zhuǎn)距特性:低速時(shí)轉(zhuǎn)距輸出能力關(guān)于定位精度和重復(fù)定位精度定位精度:移動(dòng)件到達(dá)指令位置的準(zhǔn)確度重復(fù)定位精度:移動(dòng)件在任意定位點(diǎn)的定位一致性4-3伺服驅(qū)動(dòng)裝置1/4/202433二、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(開環(huán)控制系統(tǒng))一)步進(jìn)電機(jī)的工作原理、結(jié)構(gòu)及特工作原理工作原理4-3伺服驅(qū)動(dòng)裝置1/4/2024344-3伺服驅(qū)動(dòng)裝置通電方式

三相雙三拍:(正轉(zhuǎn))AB

BC

CA

AB(反轉(zhuǎn))AC

CB

BA

AC三相六拍:

(正轉(zhuǎn))A

AB

B

BC

C

CA

A(反轉(zhuǎn))A

AC

C

CB

B

BA

A三相單三拍:(正轉(zhuǎn))ABC

A(反轉(zhuǎn))A

CBA1/4/202435m相步進(jìn)電機(jī)通電方式

m相單m拍:例ABC

D

E

A

m相雙m拍:例

AB

BC

CD

DEEAAB

或ABC

BCD

CDE

DEAEABABCm相2m拍:例A

AB

B

BC

C

CDDDEEEAA

或AB

ABC

BC

BCD

CD

CDEDEDEA

EAEABAB三種通電方式的特點(diǎn):?jiǎn)蝝拍:每次一相通電,切換瞬間失去自鎖力矩易失步,在平衡位置易振蕩雙m拍:每次同時(shí)有二相通電,切換瞬間仍有一相保持通電,運(yùn)行穩(wěn)定

2m拍:步距角小一半,切換瞬間仍有一相保持通電,運(yùn)行穩(wěn)定4-3伺服驅(qū)動(dòng)裝置1/4/202436步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)(橫向視圖)4-3伺服驅(qū)動(dòng)裝置1/4/2024372.步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)(縱向視圖)4-3伺服驅(qū)動(dòng)裝置1/4/202438步進(jìn)電機(jī)的主要特性1)步距角和靜態(tài)步距誤差步距角:

m:線圈相數(shù)

z:轉(zhuǎn)子齒數(shù)

q:2m拍q=2,其它q=1

步距誤差:實(shí)際步距角與理論步距角之差一般為10`2)輸出扭矩:必須大于負(fù)載轉(zhuǎn)距3)最高啟動(dòng)、停止脈沖頻率:步進(jìn)電機(jī)所能接受的最高啟、停脈沖頻率,此值必須大于負(fù)載實(shí)際啟、停所需的脈沖頻率。4-3伺服驅(qū)動(dòng)裝置1/4/2024394)連續(xù)運(yùn)行的最高工作頻率:步進(jìn)電機(jī)連續(xù)運(yùn)行所能接受的最高工作頻率,此值必須大于步進(jìn)電機(jī)實(shí)際運(yùn)行的最高工作頻率。5)步進(jìn)運(yùn)行和低頻振蕩

步進(jìn)運(yùn)行:當(dāng)脈沖間隔大于步進(jìn)電機(jī)的過渡過程時(shí),電機(jī)呈步進(jìn)運(yùn)行狀態(tài)

低頻振蕩:當(dāng)脈沖頻率接近步進(jìn)電機(jī)的固有頻率時(shí),將產(chǎn)生振蕩(必要時(shí)可設(shè)可調(diào)阻尼器)4-3伺服驅(qū)動(dòng)裝置1/4/202440二)開環(huán)控制系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選用傳動(dòng)計(jì)算4-3伺服驅(qū)動(dòng)裝置傳動(dòng)比直線進(jìn)給1/4/2024414-3伺服驅(qū)動(dòng)裝置式中:α為步進(jìn)電機(jī)的步距角

δ為系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量

i為傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比圓周進(jìn)給傳動(dòng)比1/4/202442步進(jìn)電機(jī)的選用輸出轉(zhuǎn)距:通常取ML/Mjmax=0.2~0.5步距角:步距角與系統(tǒng)應(yīng)匹配,即應(yīng)滿足脈沖頻率:應(yīng)與系統(tǒng)要求的啟動(dòng)、連續(xù)運(yùn)行頻率匹配轉(zhuǎn)動(dòng)慣量:應(yīng)滿足以下匹配條件

式中:JM

步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

JL

負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

脈沖頻率:所選步進(jìn)電機(jī)脈沖頻率要滿足負(fù)載要求,即:所選步進(jìn)電機(jī)連續(xù)運(yùn)行的最高脈沖頻率要高于負(fù)載連續(xù)運(yùn)行要求的脈沖頻率,所選步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行的最高脈沖頻率要高于負(fù)載啟動(dòng)運(yùn)行要求的脈沖頻率

4-3伺服驅(qū)動(dòng)裝置1/4/202443三)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)環(huán)形分配器作用:對(duì)步進(jìn)電機(jī)線圈的通電相序進(jìn)行分配種類:硬件環(huán)形分配器和軟件環(huán)形分配器兩種軟件環(huán)分器:通電相序狀態(tài)預(yù)先存入計(jì)算機(jī)并采用軟件查

表方式進(jìn)行控制特點(diǎn):節(jié)省了環(huán)分器硬件,但軟件運(yùn)行效率低,用于速度要求不高處4-3伺服驅(qū)動(dòng)裝置1/4/202444硬件環(huán)分器:通電相序狀態(tài)由硬件邏輯功能完成特點(diǎn):需要專用硬件資源,運(yùn)行效率高。4-3伺服驅(qū)動(dòng)裝置1/4/202445功率放大器(驅(qū)動(dòng)電源)作用:將數(shù)控系統(tǒng)輸出的弱電控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成能夠驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的強(qiáng)電信號(hào)。種類:?jiǎn)坞妷候?qū)動(dòng)電路高低壓驅(qū)動(dòng)電路恒流斬波驅(qū)動(dòng)電路4-3伺服驅(qū)動(dòng)裝置1/4/2024464-3伺服驅(qū)動(dòng)裝置提速(限流)電阻Rc:改變時(shí)間常數(shù),提高響應(yīng)速度續(xù)流二極管D:用于功率晶體管的過電壓保護(hù)特點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率低、能耗高,發(fā)熱大、工作穩(wěn)定性差。應(yīng)用:小功率步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)單電壓驅(qū)動(dòng)電路1/4/202447特點(diǎn):結(jié)構(gòu)復(fù)雜、響應(yīng)速度快、高頻驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、功耗低。應(yīng)用:大(中)型功率步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)4-3伺服驅(qū)動(dòng)裝置高低壓驅(qū)動(dòng)電路1/4/202448特點(diǎn):結(jié)構(gòu)復(fù)雜、響應(yīng)速度快、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、功耗低、噪聲大。應(yīng)用:大(中)型功率步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)4-3伺服驅(qū)動(dòng)裝置恒流斬波驅(qū)動(dòng)電路1/4/202449四)提高步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)精度的措施存在的問題:無位移檢測(cè)元件,定位精度主要取決于傳動(dòng)精度改善措施間隙補(bǔ)償:在換向時(shí)通過附加脈沖進(jìn)行補(bǔ)償螺距誤差補(bǔ)償:采用機(jī)械樣板或附加脈沖進(jìn)行補(bǔ)償反饋補(bǔ)償:通過檢測(cè)器進(jìn)行系統(tǒng)誤差檢測(cè),周期性地發(fā)出補(bǔ)償脈沖。4-3伺服驅(qū)動(dòng)裝置1/4/202450三、直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一)直流伺服電機(jī)小慣量直流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn):

1)轉(zhuǎn)子為光滑無槽的鐵芯,線圈由粘合劑粘結(jié)。

2)長(zhǎng)徑比大、慣量小。性能特點(diǎn):

1)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小,約為普通直流電機(jī)的1/10,快速響應(yīng)性好。

2)電樞反應(yīng)小,換向性好,電機(jī)時(shí)間常數(shù)?。ㄖ挥袔缀撩耄?。

3)由于轉(zhuǎn)子無槽,結(jié)構(gòu)均衡性好,低速平穩(wěn)性好。

4)最大扭矩為額定值的10倍,過載能力強(qiáng)。缺點(diǎn):由于慣量小,必須配齒輪減速葙,才能拖動(dòng)負(fù)載。4-3伺服驅(qū)動(dòng)裝置1/4/202451寬調(diào)速(大慣量)直流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn):轉(zhuǎn)子慣量大,響應(yīng)特性由大功率驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)保證性能特點(diǎn)輸出轉(zhuǎn)矩大

不需齒輪減速箱即可直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載。過載能力強(qiáng)

轉(zhuǎn)子熱容量大,過載能力強(qiáng)(過載轉(zhuǎn)矩可達(dá)5~10倍)動(dòng)態(tài)響應(yīng)好電流過載能力強(qiáng)、瞬時(shí)加速轉(zhuǎn)矩大,動(dòng)態(tài)響應(yīng)好。調(diào)速范圍寬且運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)低速時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩大,調(diào)速調(diào)速范圍寬,運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。易于調(diào)試由于慣量大,受負(fù)載影響小,可不加負(fù)載調(diào)試。4-3伺服驅(qū)動(dòng)裝置1/4/202452二)直流伺服電機(jī)的調(diào)速直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速

(電機(jī)電勢(shì)常數(shù))

調(diào)壓恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速:調(diào)節(jié)Ua,保持φ和Ra不變

(Cm為轉(zhuǎn)矩常數(shù))調(diào)磁恒功率調(diào)速:調(diào)節(jié)φ,保持Ua和Ra不變

(φ↑n↓T↑)調(diào)速方法的選擇:進(jìn)給系統(tǒng)一般選用調(diào)壓恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速

4-3伺服驅(qū)動(dòng)裝置1/4/202453直流伺服電機(jī)的可控硅調(diào)速三相半波反并聯(lián)可控硅調(diào)速4-3伺服驅(qū)動(dòng)裝置1/4/202454直流伺服電機(jī)脈寬調(diào)速(PWM)系統(tǒng)脈寬調(diào)制器:產(chǎn)生幅值恒定、寬度可變的矩形脈沖信號(hào)圖4-47晶體管脈寬信號(hào)放大器:信號(hào)放大和正反轉(zhuǎn)控制圖4-484-3伺服驅(qū)動(dòng)裝置1/4/202455PWM(PulseWidthModulation)控制就是脈寬調(diào)制技術(shù):即通過對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制,來等效的獲得所需要的波形(含形狀和幅值)1/4/2024566.1PWM控制的基本思想1)重要理論基礎(chǔ)——面積等效原理沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí),其效果基本相同。沖量窄脈沖的面積效果基本相同環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖d)單位脈沖函數(shù)f(t)d(t)tOa)矩形脈沖b)三角形脈沖c)正弦半波脈沖tOtOtOf(t)f(t)f(t)1/4/202457Ouωt>SPWM波6.1PWM控制的基本思想Ouωt>如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個(gè)正弦半波Ouωt>1/4/2024586.1PWM控制的基本思想若要改變等效輸出正弦波幅值,按同一比例改變各脈沖寬度即可。Ouωt>SPWM波Ouωt>如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個(gè)正弦半波Ouωt>1/4/2024596.1PWM控制的基本思想OwtUd-Ud對(duì)于正弦波的負(fù)半周,采取同樣的方法,得到PWM波形,因此正弦波一個(gè)完整周期的等效PWM波為:OwtUd-Ud根據(jù)面積等效原理,正弦波還可等效為下圖中的PWM波,而且這種方式在實(shí)際應(yīng)用中更為廣泛。1/4/2024601/4/202461PWM調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn)1)開關(guān)頻率高2)波紋系數(shù)小3)頻率較寬4)可在高峰值電流下工作4-3伺服驅(qū)動(dòng)裝置1/4/202462三)直流伺服電機(jī)閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)半閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)4-3伺服驅(qū)動(dòng)裝置半閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)1/4/2024634-3伺服驅(qū)動(dòng)裝置半閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)1/4/202464四、交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)特點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無電刷、可靠性高、維護(hù)方便。種類:永磁式同步交流伺服電機(jī)和感應(yīng)式異步交流伺服電機(jī)永磁式同步交流伺服電機(jī)特點(diǎn)與直流伺服電機(jī)相比,同等功率下,電機(jī)外形尺寸減小1/2,重量減輕60%,轉(zhuǎn)子慣量減至1/5(減小4/5)感應(yīng)式交流伺服電機(jī)特點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、過載能力強(qiáng),與永磁式交流伺服電機(jī)相比,效率低、體積大、轉(zhuǎn)子熱損耗大,轉(zhuǎn)子發(fā)熱直接影響系統(tǒng)性能。應(yīng)用:目前數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)多采用永磁式交流伺服電機(jī)。4-3伺服驅(qū)動(dòng)裝置1/4/2024654-4數(shù)控裝置一、數(shù)控裝置的組成1/4/202466二、CNC裝置的工作內(nèi)容1)輸入2)譯碼3)刀具補(bǔ)償4)進(jìn)給速度處理5)插補(bǔ)6)位置控制7)I/O處理8)顯示9)診斷4-4數(shù)控裝置1/4/202467三、CNC硬件設(shè)計(jì)一)CNC系統(tǒng)對(duì)微機(jī)的要求及選擇CNC系統(tǒng)對(duì)微機(jī)的要求較完善的中斷系統(tǒng)足夠的內(nèi)存一定數(shù)量的I/O通道高可靠性CNC系統(tǒng)的選擇標(biāo)準(zhǔn)總線工業(yè)控制機(jī):模塊化結(jié)構(gòu)、可靠性高、用戶可自由配置,應(yīng)用廣泛。單片機(jī)專用系統(tǒng):可靠性高,價(jià)格便宜,用于經(jīng)濟(jì)性數(shù)控機(jī)床中。4-4數(shù)控裝置1/4/202468二)MCS-51單片機(jī)控制系統(tǒng)4-4數(shù)控裝置MCS-51引腳1/4/202469功能

I/O口:P0、P1、P2、P3共4個(gè)8位口控制總線(CB):、ALE、、RESET、P3第2功能地址總線(AB):P2(高8位)+P0(低8位)=16位數(shù)據(jù)總線(DB):由P0提供8位數(shù)據(jù)總線電源及時(shí)鐘:VCC、VSS、XTAL1、XTAL2雙重功能口:P0口即作8位數(shù)據(jù)線,又作低8位地址線

P3口即可作輸入輸出口,又可作控制總線4-4數(shù)控裝置1/4/202470MCS-51系統(tǒng)中的地址譯碼規(guī)則1)程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器獨(dú)立編制2)外圍擴(kuò)展芯片與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址3)片外程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器尋址范圍216=64K字節(jié)地址譯碼方法1)線選法概念:直接用地址線進(jìn)行外圍芯片片選。圖4-54地址譯碼表4-3優(yōu)點(diǎn):電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單缺點(diǎn):地址空間利用不夠充分,芯片之間地址不夠連續(xù)。4-4數(shù)控裝置1/4/2024714-4數(shù)控裝置線選法地址譯碼1/4/2024722)全地址譯碼概念:采用譯碼器譯碼,保證空間的充分利用和地址的連續(xù)性4-4數(shù)控裝置全地址譯碼優(yōu)點(diǎn):地址連續(xù),尋址空間大缺點(diǎn):硬件電路要增加譯碼器說明:數(shù)控系統(tǒng)一般采用全地址譯碼1/4/202473三)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展關(guān)于RAM和ROM訪問:由于兩者獨(dú)立編址,地址空間完全重復(fù),必須建立訪問機(jī)制。對(duì)RAM的訪問:使用、控制線和MOVX指令操作對(duì)ROM的訪問:使用控制線和MOVC指令操作操作時(shí)序圖圖4-56

存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路圖4-574-4數(shù)控裝置1/4/2024744-4數(shù)控裝置操作時(shí)序1/4/2024754-4數(shù)控裝置存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路1/4/202476四)顯示器與鍵盤接口電路設(shè)計(jì)LED顯示器的結(jié)構(gòu)與原理分類:

按通電方式分:共陰極和共陽極按顯示方式分:靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示結(jié)構(gòu):七段組合共陰極和共陽極顯示器結(jié)構(gòu)如下圖4-4數(shù)控裝置1/4/2024774-4數(shù)控裝置LED顯示器結(jié)構(gòu)1/4/2024784-4數(shù)控裝置動(dòng)態(tài)顯示電路1/4/202479鍵盤的工作原理種類:獨(dú)立式按鍵和行列式按鍵

獨(dú)立式按鍵:如圖

4-4數(shù)控裝置1/4/2024804-4數(shù)控裝置行列式按鍵:如圖

1/4/202481顯示器鍵盤組合電路由于LED顯示器和鍵盤都采用循環(huán)掃描工作方式,將二者進(jìn)行組合可節(jié)省I/O端口,在控制系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。

4-4數(shù)控裝置1/4/202482五)I/O接口電路設(shè)計(jì)數(shù)控CNC中常用I/O接口芯片:可編程并行接口:Intel8255、Intel8155可編程串行接口:Intel8251鍵盤顯示器專用接口芯片:8279可編程定時(shí)器:8253鎖存器:74LS373、74LS273A/D、/DA轉(zhuǎn)換器:0809、0832在圖4-57基礎(chǔ)上增加I/O接口芯片的系統(tǒng)擴(kuò)展電路如圖4-634-4數(shù)控裝置1/4/2024834-4數(shù)控裝置系統(tǒng)擴(kuò)展電路1/4/202484以上是I/O接口芯片應(yīng)用的一般情況,以下重點(diǎn)討論機(jī)床信號(hào)與微機(jī)接口信號(hào)(強(qiáng)電與弱電)的匹配與抗干擾問題。接點(diǎn)輸入電路接點(diǎn):按鈕、繼電器、接近開關(guān)等接點(diǎn)輸入電路:用于將按鈕、繼電器、接近開關(guān)等的接點(diǎn)輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為CPU所需的TTL電平信號(hào)無源接點(diǎn):設(shè)備側(cè)無信號(hào)源圖4-65(a)有源接點(diǎn):設(shè)備側(cè)有信號(hào)源圖4-65(b)接點(diǎn)濾波器實(shí)例:圖4-65(c)4-4數(shù)控裝置1/4/2024854-4數(shù)控裝置無源接點(diǎn)有源接點(diǎn)1/4/2024864-4數(shù)控裝置接點(diǎn)濾波器實(shí)例1/4/202487接點(diǎn)抖動(dòng)的消除:濾波與整形

4-4數(shù)控裝置

按鍵類接點(diǎn)1/4/2024884-4數(shù)控裝置小信號(hào)接點(diǎn)1/4/202489強(qiáng)電(接觸器)接點(diǎn)4-4數(shù)控裝置1/4/202490接點(diǎn)輸出電路接點(diǎn)輸出電路:用于將CPU輸出的TTL電平轉(zhuǎn)換為控制繼電器、指示燈所需的節(jié)點(diǎn)輸出一般情況:功率晶體管驅(qū)動(dòng)圖4-69(a)高開關(guān)頻率:光耦和雙向可控硅組成的固態(tài)繼電器圖4-69(b)零交叉電路:零伏觸發(fā)。即當(dāng)交流電壓變到零伏附近時(shí),電路接通,然后由觸發(fā)電路給出可控硅器件的觸發(fā)信號(hào)。4-4數(shù)控裝置1/4/2024914-4數(shù)控裝置六)數(shù)控系統(tǒng)CNC實(shí)例1/4/202492單片機(jī)系統(tǒng):8031(A):鍵盤、顯示、手動(dòng)按鈕等控制管理。8031(B):插補(bǔ)、電機(jī)控制、輔助機(jī)能等的程序運(yùn)行控制管理。鍵盤顯示接口:并行接口8155,鍵盤顯示專用接口8279按鈕控制:并行接口8255輔助機(jī)能與電機(jī)控制:鎖存器273、光耦TLP521-4、驅(qū)動(dòng)器MC1413輸入控制:光

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