18-2第四节主轴驱动系统第五节检测元件

1复习：1．伺服驱动系统的分类2．步进电动机的工作原理和特性是什么？第四节主轴驱动系统一、交流主轴电动机笼型异步电动机由有三相绕组的定子和有笼条的转子构成。在转子铁心上开有许多槽，每个槽内装有一根导体，所有导体两端短接在端环上。二、异步电动机调频调速感应电动机的转子转速为：n=60f1(1-s)/pf1——定子供电频率p——电动机定子绕组极对数；s——转差率。由上式可见，要改变电动机的转速：①改变磁极对数p，则电动机的转速可作有级变速；②改变转差率s；③改变频率f1。在数控机床中，交流电动机的调速通常采用变频调速的方式。感应电动机每相的感应电动势为：E1=4.44f1W1Φm≈U1f1——电源频率，单位为Hz；W1——每相绕组有效匝数；Φm——每极磁通；U1——定子电压，单位为V。则Φm=KU1/f1在降低频率的同时，降低电压U1，以保持Φm不变。这种U1和f1的配合变化称为恒磁通变频调速中的协调控制（恒转矩调速控制）。当f1频率超过异步电动机铭牌的额定频率，由于电源电压的限制，U1已达到变频器输出电压的最大值再不能随f1而升高，异步电动机的每极磁通Φm与f1成反比例下降，其转矩T也随着f1反比例下降。但因转速n提高，异步电动机的输出功率P则在此区域内保持不变（P=Tn），称为恒功率调速。2异步电动机的机械特性：在同一负载转矩下，有着相同的转速降落Δn，其转速降落百分比（Δn/n0）随着频率下降将越来越大，调速性能下降。三、异步电动机的矢量控制矢量变换控制的基本想法来自等效的概念，按照不同情况下的绕组产生同样的旋转磁场这一等效原则出发，通过坐标变换，将三相交流输出电流变为等效的、彼此独立的励磁电流和电枢电流，通过对等效电枢绕组电流和励磁绕组电流的反馈控制，达到控制转矩和励磁磁通的目的，最后，通过相反的变换，将等效的直流量再还原为三相交流量，控制实际的三相感应电动机。四、变频器在机床上的应用3五、主轴分段无级调速及控制数控装置可通过三种方式控制主轴驱动。一种是通过主轴模拟电压输出接口，输出0～±10V模拟电压至主轴驱动装置，电压的正负控制电动机转向，电压的大小控制电动机的转速。另一种是输出单极性0～10V模拟电压至主轴驱动装置，通过正转与反转开关量信号指定正反转。第三种是选择数控装置输出12位二进制代码或2位BCD码（4位BCD码）开关量信号至主轴驱动，控制主轴的转速。数控机床常采用1～4档齿轮变速与无级调速相结合的方式，即分段无级变速方式。数控系统可使用M41～M44代码进行齿轮的自动变档。首先需要在数控系统参数区设置M41～M444档对应的最高主轴转速，这样数控系统根据当前S指令值判断档位，并自动输出相应的M41～M44指令至PLC，控制更换相应的齿轮档，然后数控装置输出相应的模拟电压。六、主轴准停控制主轴准停功能又称为主轴定位功能，即当主轴停止时能控制其停于固定位置。4主轴准停可分为机械准停和电气准停。传统的做法是采用机械档块等来定位。在现代数控机床上，一般都采用电气方式使主轴定位，只要数控系统发出M19指令，主轴就能准确定位。电气方式的主轴定向控制，是利用装在主轴上的位置编码器和磁性传感器作为位置反馈部件，由它们输出的信号，使主轴准确停在规定的位置上。七、主轴进给功能主轴进给功能即主轴的C轴功能。对于车削中心，主轴除了完成传统的回转功能外，主轴的进给功能可以实现主轴的定向、分度和圆周进给，并在数控装置的控制下实现C轴与其他进给轴的插补。对于车、铣复合机床，则必须要求车主轴在铣状态下完成铣床C轴所有的进给插补功能。（1）机械式（2）双电动机切换（3）有C轴功能的主轴电动机第五节检测元件一、概述1．位置检测装置的要求1）受温度、湿度的影响小，工作可靠，能长期保持精度，抗干扰能力强。2）在机床执行部件移动范围内，能满足精度和速度的要求。3）使用维护方便，适应机床工作环境。4）成本低。2．位置检测装置的分类（1）数字式测量和模拟式测量1）数字式测量将被测的量以数字的形式来表示。测量信号一般为电脉冲，可以直接把它送到数控装置进行比较、处理。如光栅、光电编码器等。2）模拟式测量将被测的量用连续变量来表示，如电压变化、相位变化等，数控机床所用模拟式测量主要用于小量程的测量如旋转变压器等。（2）增量式测量和绝对式测量1）增量式测量特点是只测位移量，如测量单位为0.01mm，则每移动0.01mm就发出一个脉冲信号。任何一个点都可作为测量的起点。典型的测量元件有光栅、增量编码器等。2）绝对式测量对于被测量的任意一点位置均由固定的零点标起，每一个被测点都有一个相应的测量5值，常以数据形式表示。典型的测量元件有绝对式光电编码器等。（3）直接测量和间接测量1）直接测量将检测装置直接安装在执行部件上，如光栅用来直接测量工作台的直线位移。2）间接测量将检测装置安装在滚珠丝杠或驱动电动机轴上，通过检测转动件的角位移来间接测量执行部件的直线位移。典型的测量元件有旋转变压器等。二、光栅光栅利用光的透射、衍射原理，通过光敏元件测量莫尔条纹移动的数量来检测机床工作台的位移量。1．直线透射光栅的组成2．莫尔条纹的原理光栅读数时利用莫尔条纹的形成原理进行的。将指示光栅和标尺光栅叠合在一起，中间保持0.05～0.1mm的间隙，并使指示光栅和标尺光栅的线纹相互交叉保持一个很小的夹角θ。两条暗带或两条亮带之间的距离叫莫尔条纹的间距B，设光栅的栅距为W，两光栅线纹的夹角为θ，则它们的近似关系为1一光栅尺(标尺光栅)2一指示光栅3一光电接收元件4一光源WB＝θ6如果两块光栅相对移动一个栅距，则光栅某一固定点的光强按明一暗一明规律变化一个周期，即莫尔条纹移动一个莫尔条纹的间距。因此，光电元件只要读出移动的莫尔条纹数目，就可以知道光栅移动了多少栅距，也就知道了运动部件的准确位移量。3．透射光栅的工作原理标尺光栅与工作台装在一起，光源、透镜、指示光栅、光敏元件和信号处理电路做成一个单独的部件（光栅读数头）固定在机床上，其作用是将莫尔条纹的光信号转换成所需的电脉冲信号。三、光电编码器光电编码器一种旋转式测量装置，通常安装在被测轴上，随被测轴一起转动，可将被测轴的角位移转换成电脉冲信号。1．增量式光电编码器测量精度取决于它所能分辨的最小角度，而这与码盘圆周的条纹数有关，即分辨角α=360°/条纹数实际应用的增量式光电编码器的光栏板上有A组和B组条纹，每组条纹的间隙与光电码盘相同，而A组与B组的条纹彼此错开1/4节距，两组条纹相对应的光电元件所产生的信号彼此相差90°相位，用于辨向。当光电码盘正转时，A信号超前B信号90°，当光电码盘反转时，B信号超前A信号90°。1一光源2一聚光镜3一光栏板4一光电码盘5一光电元件7在光电码盘的里圈里还有一条透光条纹C，用以每转产生一个脉冲，该脉冲信号又称一转信号或零标志脉冲。零标志脉冲用于精确确定机床的参考点，而在主轴电动机上，则可用于主轴准停以及螺纹加工。2．绝对式光电编码器与增量式光电编码器不同，绝对式光电编码器是通过读取编码盘上的图案确定轴的位置。四、旋转变压器旋转变压器是利用电磁感应原理的一种角度测量元件，由定子和转子组成，励磁电压接到定子绕组上，转子绕组输出感应电压。旋转变压器的工作原理和普通变压器基本相似，区别在于旋转变压器的一次、二次绕组则随转子的角位移发生相对位置的改变，因而其输出电压的大小也随之而变化。8e=kU1sinθ=kUmsinωtsinθk——旋转变压器的电压比；θ——两绕组轴线间夹角；Um——励磁电压的幅值；ω——励磁电压的角频率。实际应用时往往较多地使用正弦余弦旋转变压器，其定子和转子各有互相垂直的两个绕组。转子绕组中的一个绕组输出电压（另一个未画出的绕组短接）为e3=e1+e2=kUmcos（ωt-θ）感应电压的相位严格地随转子的偏角θ而变化，用测量相位作为间接测量转角θ。本章小结：本章主要介绍CNC系统的结构和基本原理、伺服驱动电机的工作原理及特性、交流变频调速控制的工作原理、检测元件的原理与应用。练习与作业：P1767