數(shù)控機床的伺服驅(qū)動與監(jiān)測

數(shù)控機床的伺服驅(qū)動與監(jiān)測第一節(jié)概述一、伺服系統(tǒng)的概念數(shù)控機床伺服系統(tǒng)是以機械位移為直節(jié)控制目標(biāo)的自動控制系統(tǒng)，也可稱為位置隨動系統(tǒng)，簡稱為伺服系統(tǒng)。數(shù)控機床伺服系統(tǒng)主要有兩種：一種是進(jìn)給伺服系統(tǒng)，它控制機床各坐標(biāo)軸的切削進(jìn)給運動，以直線運動為主；另一種是主軸伺服系統(tǒng)，它控制主軸的切削運動，以旋轉(zhuǎn)運動為主。本章只介紹第一種伺服系統(tǒng)。CNC裝置是數(shù)控機床發(fā)布命令的“大腦”，而伺服驅(qū)動則為數(shù)控機床的“四肢”，是一種“執(zhí)行機構(gòu)”，它能夠準(zhǔn)確的執(zhí)行來自CNC裝置的運動指令。驅(qū)動裝置由驅(qū)動部件和速度控制單元組成。驅(qū)動部件由交流或直流電動機、位置監(jiān)測元件及相關(guān)的機械傳動和運動部件組成。伺服系統(tǒng)的控制方法主要分為開環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)三種控制方法。它實際上是指伺服系統(tǒng)實現(xiàn)位置伺服控制的三種方式。開環(huán)控制只有從發(fā)出的位置指令輸入到最后的位置輸出的前向通道控制，而沒有測量實際位置輸出的反饋通道。由步進(jìn)電動機直接驅(qū)動滾珠絲桿副的結(jié)構(gòu)就是開環(huán)控制系統(tǒng)的實例。它的結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整維護(hù)方便、工作可靠、成本低，但每一指令脈沖的進(jìn)給誤差、傳動鏈的誤差間隙、導(dǎo)軌滑動時摩擦力的不均衡等造成的誤差等最終都反映到實際位移中去，使得定位精度較低。此外，它的速度低，低速平穩(wěn)性差，效率也較低。電機機械執(zhí)行部件A相、B相C相、…f、nCNC插補指令脈沖頻率f脈沖個數(shù)n換算脈沖環(huán)形分配變換功率放大如果在電動機軸或絲桿上安裝一個旋轉(zhuǎn)變壓器反饋轉(zhuǎn)角的變化，則系統(tǒng)變成了半閉環(huán)系統(tǒng)。這樣，與開環(huán)系統(tǒng)相比，半閉環(huán)系統(tǒng)，提高了精度，但它檢測的反饋信號來自于系統(tǒng)中某一個非最終輸出的環(huán)節(jié)，使得系統(tǒng)無法對這一環(huán)節(jié)到最終控制目標(biāo)之間的誤差自動進(jìn)行補償。位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動檢測與反饋單元位置控制單元速度控制單元++--電機機械執(zhí)行部件CNC插補指令實際位置反饋實際速度反饋在前向控制通道的基礎(chǔ)上在加上直接檢測最終輸出的反饋控制通道就形成了閉環(huán)控制的伺服系統(tǒng)。檢測元件通常為直線感應(yīng)同步器和光柵等直線行位檢元件，安裝在最終的移動目標(biāo)工作臺上。伺服驅(qū)動系統(tǒng)的性能在很大程度上決定了數(shù)控機床的性能。數(shù)控機床的最高移動速度，跟蹤速度，定位精度等重要的指標(biāo)都取決于伺服系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)特性。它一直是數(shù)控機床研究的重要課題之一。位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動檢測與反饋單元位置控制單元速度控制單元++--電機機械執(zhí)行部件CNC插補指令實際位置反饋實際速度反饋二、進(jìn)給伺服系統(tǒng)的要求數(shù)控機床完成各種不同的加工任務(wù)，對進(jìn)給伺服系統(tǒng)的要求也不盡相同，可概括為以下幾點要求。1.精度高伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量能復(fù)現(xiàn)輸入量的精確程度。直接影響機的定位精度和重復(fù)定位精度，因而對零件的加工精度影響很大。精密加工的數(shù)控機床要求定位和輪廓切削精度都比較高，一般允許偏差在0.01~0.001mm之間，甚至到0.1um。2.調(diào)速范圍寬調(diào)速范圍Rn為Rn=nmax/nmin式中nmax、nmin——額定負(fù)載時的最高、最低轉(zhuǎn)速，單位為r/min。對一般的數(shù)控機床而言，進(jìn)給伺服系統(tǒng)的調(diào)速范圍Rn為1:24000就足夠了，即在1~24000mm/min調(diào)速范圍內(nèi)速度能夠均衡、穩(wěn)定、無爬行地工作。較為先進(jìn)的機床可以獲得更大的調(diào)速范圍。3.快速響應(yīng)為了保證輪廓切削形狀精度和表面粗糙度，除了保證較高的定位精度外，還要求跟蹤指令信號響應(yīng)快，一般在200ms以內(nèi)，甚至小于幾十ms。4.低速大轉(zhuǎn)矩切削加工的特點一般是在低速時進(jìn)行重切削。為適應(yīng)加工要求對伺服系統(tǒng)要求低速大轉(zhuǎn)矩。系統(tǒng)具有這一特性，可以簡化傳動鏈，使傳動裝置機械結(jié)構(gòu)得道簡化系統(tǒng)剛性加強，使傳動裝置的動態(tài)質(zhì)量和傳動精度得到提高。4.高性能的伺服電動機伺服電動機是伺服系統(tǒng)的重要驅(qū)動元件。為滿足上述要求，對伺服電動機的要求應(yīng)該是：從最低速度到最高速度能平滑運轉(zhuǎn)，具有大的、較長時間的過載能力、響應(yīng)快，還要求能承受平凡的啟動、制動和反轉(zhuǎn)。進(jìn)給驅(qū)動用的伺服電動機主要有步進(jìn)電動機，直流和交流調(diào)速電動機。交流調(diào)速電動機是機床進(jìn)給驅(qū)動的一個方向。自80年代中期開始，交流進(jìn)給驅(qū)動得到了迅速的發(fā)展。今天，一些先進(jìn)的國家?guī)缀跞坎捎媒涣鬟M(jìn)給驅(qū)動。交流調(diào)速電動機是以異步電動機和永磁同步電動機為基礎(chǔ)的交流電動機，而所采用的異步電動機多為批量生產(chǎn)的普通結(jié)構(gòu)形式的異步電動機，可以預(yù)見，交流調(diào)速電動機將是最有發(fā)展前途的進(jìn)給驅(qū)動裝置。第二節(jié)步進(jìn)電動機的驅(qū)動與應(yīng)用步進(jìn)電動機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機械角位移的驅(qū)動元件。給一個電脈沖信號，步進(jìn)電動機就回轉(zhuǎn)一個固定的角度，稱為一步，所以稱為步進(jìn)電動機。有由于它輸入的是脈沖電流，也稱為脈沖電動機。步進(jìn)電動機具有精度高，慣性小的特點，對各種干擾因素不敏感，誤差不會長期積累，轉(zhuǎn)過360°以后其積累誤差為“0”。它主要用于開環(huán)控制系統(tǒng)，使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠，也可用于閉環(huán)控制系統(tǒng)。按勵磁方式的不同，步進(jìn)電動機可分為反應(yīng)式、永磁式、感應(yīng)式和混合式等?；旌鲜讲竭M(jìn)電動機的結(jié)構(gòu)和原理具有反應(yīng)式和永磁式兩種電動機的特點，在同樣的勵磁電流下，它可以產(chǎn)生更大的轉(zhuǎn)矩。目前這種電動機以在數(shù)控機床等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。反應(yīng)式步進(jìn)電動機應(yīng)用普遍，結(jié)構(gòu)也簡單，是我們分析的重點對向。一、步進(jìn)進(jìn)電動機機的工作作原理圖6-2所示為為反應(yīng)式式步進(jìn)電電動機的的結(jié)構(gòu)原原理圖。。它的定定子和轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子鐵心心通常由由硅鋼片片疊成。。定子上上有A、、B、C三對磁磁極，在在相對應(yīng)應(yīng)的磁極極上繞有有A、B、C三三向控制制繞組。。假設(shè)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子上有有四個齒齒，齒寬寬與定子子的極靴靴寬相等等，相鄰鄰兩齒所所對應(yīng)的的空間角角度為齒齒距角。。齒距角Ot為Ot=360/Zr式中Zr——轉(zhuǎn)子子齒數(shù)。。在圖6-2所示示的三相相(A、、B、C)步進(jìn)進(jìn)電動機機中，Zr=4,齒齒距角Ot=90。。二、步進(jìn)進(jìn)電動機機的主要要性能指指標(biāo)1、步距距角及步步距精度度同一相數(shù)數(shù)的步進(jìn)進(jìn)電動機機通常有有兩種步步距角，，如1.5°/0.75°、1.2°/0.6°、3°/1.5°等。單、、雙拍制制的步距距角比單單拍制或或雙拍制制的步距距角減小小一半。。靜態(tài)步距距角誤差差是實際際步距角角與理論論步距角角之間的的誤差，，以偏差差的角度度或理論論步距角角的百分分?jǐn)?shù)來衡衡量。它它的值越越小，就就表示精精度越高高。按靜靜態(tài)步距距角誤差差，步進(jìn)進(jìn)電動機機的精度度分為兩兩級，如如表6-1所示示。表6-1步步進(jìn)電動動機步距距角精度度分級步距角1級精度2級精度θs<1.5+-25%+-25%1.5≤θs≤7.5+-15%+-25%7.5≤θs≤15+-5%+-10%步進(jìn)電動動機的精精度可用用步距角角的誤差差或累積積誤差衡衡量。累累積誤差差是指轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子從任任意位置置開始，，經(jīng)過任任意步后后，轉(zhuǎn)子子的實際際轉(zhuǎn)角與與理論轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角之間間的最大大值。電電動機轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)一周，，其積累累誤差應(yīng)應(yīng)為零，，在一周周內(nèi)積累累誤差可可大可小小，可正正可負(fù)。。2、最大大靜轉(zhuǎn)矩矩Tmax與起動轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩Tq(1)最最大靜轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩Tmax當(dāng)定子一一相繞組組通電時時，轉(zhuǎn)子子在-ЛЛ到Л之之間任何何一個位位置停留留，當(dāng)定定子通電電后，轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子與定定子齒都都會對準(zhǔn)準(zhǔn)，回到到初始平平衡位置置；所以以把空載載靜穩(wěn)定定區(qū)定為為-Л到到Л之間間。當(dāng)轉(zhuǎn)子受受到外力力的作用用后，轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子齒要要偏離初初始位置置，這時時定轉(zhuǎn)子子之間產(chǎn)產(chǎn)生的定定子轉(zhuǎn)矩矩用以克克服負(fù)載載轉(zhuǎn)矩，，直到相相互平衡衡，轉(zhuǎn)子子停在一一個心的的平衡點點，這時時轉(zhuǎn)子齒齒所偏離離的角度度成為失失調(diào)角θθe。這時，，電動機機的靜態(tài)態(tài)轉(zhuǎn)矩與與失調(diào)角角之間關(guān)關(guān)系接近近正弦變變化，稱稱之為矩矩角特性性（圖6-5中中下圖））。T=-Tm*sinθe當(dāng)Θe=+-п/2時，，T為最最大靜轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，它它表示步步進(jìn)電動動機所能能承受的的最大靜靜態(tài)轉(zhuǎn)矩矩Tmax。顯然，當(dāng)當(dāng)轉(zhuǎn)子加加上負(fù)載載后，其其負(fù)載靜靜穩(wěn)定區(qū)區(qū)在-ЛЛ/2ＯＯ＜θ＜＜Л/2之間。。當(dāng)轉(zhuǎn)子子受到的的負(fù)載轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩是脈脈動的情情況下，，轉(zhuǎn)子的的失調(diào)角角將隨負(fù)負(fù)載變化化而變化化，可以以看見轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子在作作輕微的的晃動，，這種現(xiàn)現(xiàn)象是正正常的，，步矩角角越小，，晃動范范圍越小小，對數(shù)數(shù)控系統(tǒng)統(tǒng)精度的的影響也也就越小小。當(dāng)多相通通電時，，矩角特特性可由由單項矩矩角特性性以矢量量和的方方式算出出，當(dāng)繞繞組數(shù)大大于3時時，多相相通電多多數(shù)能提提高靜態(tài)態(tài)轉(zhuǎn)矩（（見表6-2））。功率率較大的的步進(jìn)電電動機多多數(shù)采用用大于三三相的勵勵磁繞組組，而且且多相通通電。表6-2步步進(jìn)電動動機多相相通電時時的轉(zhuǎn)矩矩步進(jìn)電動機相數(shù)

3

4

5同時通電相數(shù)121231231234合成轉(zhuǎn)矩/Tmax

1111.4111.61.611.721.7(2)最最大起動動轉(zhuǎn)矩Tq圖6-6表示三三相步進(jìn)進(jìn)電動機機的矩角角特性，，圖中相相連兩個個矩角性的交點點所對應(yīng)應(yīng)的電磁磁轉(zhuǎn)矩為為起動轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩Tq，它代表表步進(jìn)電電動機單單相勵磁磁時所能能代動的的極限轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。當(dāng)當(dāng)電動機機所帶的的負(fù)載T1＜Tq時，A相相通電，，轉(zhuǎn)子的的平衡點點轉(zhuǎn)到m處，在在此點Tam﹦T1；當(dāng)由A相切換換到B相相時，B相在m點的電電磁轉(zhuǎn)矩矩Tbm>Tam，在電磁磁轉(zhuǎn)矩作作用下，，轉(zhuǎn)過一一個步矩矩角到達(dá)達(dá)新的平平衡位置置n，此此時，Tbn=T1。顯然，，如果負(fù)負(fù)載T1>Tq，A、B相的切切換無法法使轉(zhuǎn)子子到達(dá)新新的平衡衡位置n，而產(chǎn)產(chǎn)生“失失步“現(xiàn)現(xiàn)象。不不同相數(shù)數(shù)的步進(jìn)進(jìn)電動機機的起動動轉(zhuǎn)矩不不同，一一般相數(shù)數(shù)越多，，拍數(shù)越越多，則則氣動轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩越大大。根據(jù)步進(jìn)進(jìn)電動機機的相數(shù)數(shù)、拍數(shù)數(shù)選取起起動轉(zhuǎn)矩矩，見表表6-3。表中中Tmax為步進(jìn)電電動機的的最大靜靜轉(zhuǎn)矩。。3、起動動頻率和和起動特特性起動頻率率是指步步進(jìn)電動動機不失失步起動動所能施施加的最最高控制制脈沖頻頻率。在在電動機機空載情情況下，，成為空空載起動動頻率。。在有負(fù)負(fù)載情況況下，不不失步起起動所允允許的最最高頻率率將大大大降低。。例如70BF3型步步進(jìn)電動動機空載載起動頻頻率是1400Hz，，當(dāng)負(fù)載載為最大大轉(zhuǎn)矩Tmax的0.55倍時時，起動動頻率下下降到50Hz。表6-3步步進(jìn)電動動機相數(shù)數(shù)、拍數(shù)數(shù)、最大大負(fù)載轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩表運行方式相數(shù)3456拍數(shù)3648510612Tq/Tmax0.50.8660.7070.7070.8090.9510.8660.866步進(jìn)電動動機帶一一定負(fù)載載起動后后，連續(xù)續(xù)緩慢提提高脈沖沖頻率直直到不丟丟步運行行的最高高頻率稱稱為運行行頻率。。它比起起動頻率率大得多多。因此此步進(jìn)電電動機常常采用升升降速控控制，起起停時頻頻率降低低，正常常運行時時，頻率率升高。。圖6-7表示示了負(fù)載載轉(zhuǎn)矩與與運行頻頻率的關(guān)關(guān)系。頻率選擇擇時因滿滿足下式式ft≥[fop](6-4)式中ft——步進(jìn)進(jìn)電動機機極限起起動頻率率；[fop]———要求步步進(jìn)電動動機最高高起動頻頻率。4、連續(xù)續(xù)運行頻頻率步進(jìn)電動動機在實實際應(yīng)用用中一般般均處在在連續(xù)脈脈沖運行行狀態(tài)，，控制脈脈沖的變變化及對對它的影影響可分分為三個個區(qū)段：：（1）脈脈沖頻率率極低這這時時電動機機的運行行為連續(xù)續(xù)的單步步運動。。一般電電動機由由一個穩(wěn)穩(wěn)定點變變化到另另一個穩(wěn)穩(wěn)定點時時，轉(zhuǎn)子子要在新新的穩(wěn)定定點附近近來回振振蕩若干干次，最最后才穩(wěn)穩(wěn)定下來來。當(dāng)輸輸入的脈脈沖時間間間隔大大于電動動機振蕩蕩衰減時時間時，，第二個個脈沖還還沒到來來時，前前一次的的脈沖已已經(jīng)完畢畢，轉(zhuǎn)子子處在穩(wěn)穩(wěn)定位置置，其運運行過程程如圖6-8a所示，，每一步步都和單單步運動動一樣。。這種狀狀態(tài)步進(jìn)進(jìn)電動機機能夠跟跟隨輸入入脈沖可可靠的工工作。（2）脈脈沖頻率率很高這這時時脈沖間間隔短，，在前一一步還沒沒有振蕩蕩結(jié)束，，后一個個脈沖就就已經(jīng)來來臨，使使步進(jìn)電電動機連連續(xù)平滑滑的轉(zhuǎn)動動，轉(zhuǎn)速速比較穩(wěn)穩(wěn)定，如如圖6-8所示示。（3）低低頻共振振當(dāng)當(dāng)脈沖頻頻率介于于及低頻頻和高頻頻之間，，容易接接近于電電動機本本身的振振蕩頻率率，這時時電動機機將產(chǎn)生生強烈振振動，甚甚至失步步無法工工作。這這就是步步進(jìn)電動動機低頻頻共振丟丟步現(xiàn)象象。一般般不允許許步進(jìn)電電動機在在共振頻頻率下運運行。為為減少這這一共振振現(xiàn)象，，很多步步進(jìn)電動動機設(shè)置置了專門門的阻尼尼器，消消耗振動動能量，，限制振振幅。5、應(yīng)用用舉例下面舉一一個模擬擬工作臺臺的例子子。工作作臺的縱縱向軸是是導(dǎo)程P=1.25mm的普普通絲桿桿副，步步進(jìn)電動動機通過過一對降降速齒輪輪副與絲絲桿連接接。設(shè)①①絲桿軸軸向的負(fù)負(fù)載Fa=500N；②②最大進(jìn)進(jìn)給速度度vmax=0.8m/min；；③脈沖沖當(dāng)量δδ=0.002mm/step；④④傳動的的總效率率是η0.255。請請選用步步進(jìn)電動動機。設(shè)選用的的徚進(jìn)電電動機的的步矩角角θs=0.75°/step（1）確確定步進(jìn)進(jìn)電動機機的起動動力矩Tq當(dāng)電動機機在起動動力矩Tq作用下轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)一個步步矩角θs時，所作作的功為為WD=Tq*θs/360°2π工作臺克克服負(fù)載載Fa、位移δδ所做的的功Wa=Fa*δ根據(jù)能量量守恒WDη=Wa得Tq=360°*δ*Fa/2*π*θs*η=360°*0.002*5000/2*3.14*0.75。*0.255N.mm=2997.3N.mm（2）確確定步進(jìn)進(jìn)電動機機最大靜靜轉(zhuǎn)矩Tmax為為滿足最最小步矩矩要求，，電動機機選用三三相六拍拍工方式式，根據(jù)據(jù)表6-3得Tq/Tmax=0.866，，則Tmax=299.73/0.866N.cm=346.11N.cm（3）確確定步進(jìn)進(jìn)電動機機運行頻頻率fmax=1000*vmax/60*δ=1000*0.8/60*0.002Hz=6650Hz根據(jù)以上上參數(shù)選選電動機機100BF003。。它的Tmax=800N.cm,θs=0.75°/1.5°fmax=7000。三、脈脈沖分分配由步進(jìn)進(jìn)電動動機的的工作作原理理知，，要使使電動動機正正常的的一步步一步步地運運行，，控制制脈沖沖必須須按一一定的的順序序分別別供給給電動動機各各相，，例如如三相相單拍拍驅(qū)動動方式式，供供給脈脈沖的的順序序為A-B-C-A或A-C-A，也也可稱稱為環(huán)環(huán)形脈脈沖分分配。。脈沖沖分配配有兩兩種方方式：：一種種是硬硬件脈脈沖分分配，，另一一種是是軟件件分配配，是是由計計算機機的軟軟件完完成的的。1.脈脈沖分分配器器脈沖分分配器器可以以用門門電路路及邏邏輯電電路構(gòu)構(gòu)成，，提供供符合合步進(jìn)進(jìn)電動動機控控制指指令所所需的的順序序脈沖沖。目目前已已經(jīng)有有很多多可靠靠性高高、尺尺寸小小、使使用方方便的的脈沖沖分配配器供供選擇擇。按按其電電路結(jié)結(jié)構(gòu)不不同可可分為為TTL集集成電電路和和CMOS集成成電路路。目前市市場提提供的的國產(chǎn)產(chǎn)TTL脈脈沖分分配器器有三三相（（YBO13））、四四相（（YBO14））、五五相（（YBO15））和六六相（（YBO16）），均均為18個個管腳腳的直直插式式封裝裝。CMOS集集成脈脈沖分分配器器也有有不同同型號號，例例如CH250型用用來驅(qū)驅(qū)動三三相步步進(jìn)電電動機機，封封裝形形式為為本16腳腳直插插式。。這兩種種脈沖沖分配配器的的工作作方式式基本本相同同，當(dāng)當(dāng)各個個引腳腳連接接好之之后，，主要要通過過一個個脈沖沖輸入入端，，控制制步進(jìn)進(jìn)的速速度；；一個個輸入入端控控制電電動機機的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向；；并有有與步步進(jìn)電電動機機相數(shù)數(shù)相同同數(shù)目目的輸輸出端端分別別控制制電動動機的的各相相。2.軟軟件脈脈沖分分配在計算算機控控制的的步進(jìn)進(jìn)電動動機驅(qū)驅(qū)動系系統(tǒng)中中，通通常采采用軟軟件的的方法法實現(xiàn)現(xiàn)環(huán)形形脈沖沖分配配。圖圖6-9所所示是是一個個8031單片片機與與步進(jìn)進(jìn)電動動機驅(qū)驅(qū)動電電路接接口的的框圖圖。P1口口的三三個引引腳經(jīng)經(jīng)過光光電隔隔離/功率率放大大后，，分別別與電電動機機的A、B、C三相相連接接。當(dāng)當(dāng)采用用三相相六拍拍方式式時，，電動動機正正轉(zhuǎn)的的通常常順序序為A-AB-B-BC-C-CA-A；；電動動機反反轉(zhuǎn)的的順序序為A-AC-C-CB-B-BA-A。。它們們的環(huán)環(huán)形分分配如如表6-4所示示。蛇蛇P1的某某口為為高電電平時時，相相應(yīng)的的電動動機相相通電電。步序?qū)щ娤喙ぷ鳡顟B(tài)數(shù)值（16進(jìn)制）程序的數(shù)據(jù)表正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)CBATAB

A00101HTAB0DB01HAB01103HDB03HB01002HDB02HBC11006HDB06HC10004HDB04HCA10105HTAB5DB05H把表中中的數(shù)數(shù)值按按順序序存入入內(nèi)存存的EPROM中，，并分分別設(shè)設(shè)定表表頭的的地址址為TAB0。。計算算機的的P1口按按從表表頭開開始逐逐步加加1的的順序序變化化，電電動機機正相相旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，如如果按按從TAB5，，逐步步減1的順順序變變化，，電動動機則則反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)。圖圖6-10是控控制電電動機機方向向、速速度的的子程程序流流程圖圖和源源程序序。子程序序的如如口、、出口口如下下：入口：：R6：步步進(jìn)電電動機機步數(shù)數(shù)；R5：：正反反轉(zhuǎn)控控制，，R5=0時為為正，，R5>0或R5<0時時為反反；R7：：TAB數(shù)數(shù)據(jù)表表指針針。以上參參數(shù)在在主程程序中中給定定。出口：：R7：子子程序序結(jié)束束時電電動機機的狀狀態(tài)，，供下下次調(diào)調(diào)用時時參考考。源程序序如下下：SBU1：：MOVDPTR，，#TABAJMPREDO；；轉(zhuǎn)移移去判判斷正正反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)DRIVER：：MOV，R7；；驅(qū)驅(qū)動步步進(jìn)電電動機機MOVA，··A+DPTRMOVP1，，AACALLDELAY；；調(diào)調(diào)延時時子程程序DJNZR6，REDO；；距距離不不為0轉(zhuǎn)移移MOVR7，，A；；為0保存存指針針后返返回RETREDO：：CJNER5，，#00，，NON；；如為為反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)則轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移CJNER7，#05，L1；；正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)：指指針不不到數(shù)數(shù)組尾尾轉(zhuǎn)移移MOVR7，，#00H；；否否則指指針清清零AJMPDRIVERL1：：INCR7；；指針針加1AJMPDRIVERNON：CJNER7，#00H，，L2；；反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)：指指針不不在數(shù)數(shù)組首首轉(zhuǎn)移移MOVR7，，#05H；；否則則指針針置5AJMPDRIVERL2：：DECR7；；指指針減減1TAB：DB01H，03H，02H，06H，04H，05H這里省省略了了延時時子程程序，，通過過改變變延時時時間間的長長短來來控制制電動動機的的速度度。在在以計計算機機為控控制核核心的的經(jīng)濟濟型數(shù)數(shù)控機機床中中采用用軟件件進(jìn)行行脈沖沖分配配已形形成趨趨勢。。雖然然軟件件脈沖沖分配配增加加了編編程的的復(fù)雜雜程度度，但但它省省去了了環(huán)形形脈沖沖分配配器，，系統(tǒng)統(tǒng)減少少了器器件，，降低低了成成本，，也提提高了了系統(tǒng)統(tǒng)的可可靠性性。四、驅(qū)驅(qū)動電電源及及速度度控制制環(huán)型脈脈沖分分配器器輸出出的電電流很很小，，必需需經(jīng)過過功率率放大大。過過去常常采用用高低低壓驅(qū)驅(qū)動電電源，，現(xiàn)在在則多多采用用恒流流斬波波和調(diào)調(diào)頻調(diào)調(diào)壓等等形式式的驅(qū)驅(qū)動電電源。。1.高高低壓壓驅(qū)動動電源源隨著頻頻率增增大，，步進(jìn)進(jìn)電動動機負(fù)負(fù)載能能力下下降，，如圖圖6-11所示示，當(dāng)當(dāng)某一一相繞繞組通通電時時，三三極管管VT1導(dǎo)導(dǎo)通，，繞組組已經(jīng)經(jīng)加上上電壓壓，但但是繞繞組中中的電電流是是按著著指數(shù)數(shù)規(guī)律律上升升，并并將電電源的的一部部分能能量轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成成勢能能存儲儲在繞繞組中中，電電流的的時間間常數(shù)數(shù)為Ti=Lm/R（（6-5）式中Lm———步步進(jìn)電電動機機一相相繞組組的平平均電電感量量；R———通電電回路路的電電阻，，包括括繞組組電阻阻，功功率放放大器器輸出出級的的內(nèi)阻阻及串串聯(lián)電電阻。。當(dāng)繞組組斷電電，存存儲于于繞組組中的的勢能能將以以直線線形式式釋放放出來來，電電流按按指數(shù)數(shù)規(guī)律律下降降，其其時間間常數(shù)數(shù)為Tu=Lm/Rd(6-6)式中Rd———放放電回回路電電阻，，它包包括繞繞組，，續(xù)流流二級級管正正相電電阻等等這使得得繞組組中電電流只只能緩緩慢的的增加加和下下降，，即電電流波波形有有不陡陡的前前沿和和后沿沿。當(dāng)當(dāng)輸入入頻率率較低低時，，每相相繞組組通電電和斷斷電的的周期期T較較長，，電流流I的的波形形比較較接近近于理理想的的矩行行波，，如圖圖6-12a所所示。。當(dāng)頻頻率升升高后后，周周期T縮短短，電電流I來不不及上上升到到穩(wěn)定定值就就下降降，電電流的的幅值值降低低，各各相繞繞組電電流幾幾乎同同時存存在，，如圖圖6-12b致致使負(fù)負(fù)載能能力下下降，，嚴(yán)重重時不不能起起動。。為了了提高高步進(jìn)進(jìn)電動動機的的動態(tài)態(tài)特性性，必必須使使電流流波形形前后后沿更更陡些些。在單一一電壓壓型電電源中中，可可以在在繞組組回路路中串串聯(lián)一一個電電阻R0，，這時時電動動機的的電流流增長長的時時間常常數(shù)變變小，，為Ti=Lm/R+Ro(6-7)這樣，，電流流波形形的上上升沿沿變陡陡，消消耗了了一部部分功功率。。為了了使電電流波波形更更陡，，在電電阻Ro兩兩端并并聯(lián)電電容C，由由于電電容上上的電電壓不不能突突變，，在繞繞組通通電瞬瞬間相相當(dāng)于于R0短路路，電電源電電壓全全部加加在電電動機機控制制繞組組上，，電流流迅速速提高高。二二極管管VD及串串聯(lián)電電阻R1形形成放放電回回路，，繞組組斷電電速度度放慢慢，減減小電電動勢勢，保保護(hù)三三極管管VT1。。這種種驅(qū)動動電源源線路路簡單單，供供放元元件小小，成成本低低，但但功耗耗大，，只適適用于于小功功率的的步進(jìn)進(jìn)電動動機。。為了了彌補補這些些缺點點，常常采用用高低低壓切切換型型電源源。圖6-13a所所示是是一個個高低低壓切切換型型電源源的原原理圖圖，當(dāng)當(dāng)有輸輸入的的控制制型號號u后后，三三極管管VT1，，VT2的的基極極有電電壓輸輸入，，使VT1和VT2導(dǎo)通通，在在高壓壓電源源u1的作作用下下，二二極管管VD1承承受反反相電電壓，，使低低電壓壓源不不起作作用。。因此此，電電流I可以以迅速速上升升，當(dāng)當(dāng)?shù)竭_(dá)達(dá)a點點時，，利用用定時時電路路使VT1截止止，這這時切切換為為低壓壓電源源u2起作作用，，此時時繞組組中的的電流流如圖圖6-13b中中ab短所所示。。這種種電源源的電電動機機繞組組不需需串聯(lián)聯(lián)電阻阻，電電源功功耗小小，電電流波波形得得到了了很大大改善善矩平平特性性很好好。起起動和和運行行頻率率得到到較大大的提提高。。2.恒恒流斬斬波驅(qū)驅(qū)動電電源雙電壓壓功放放電路路缺點點是在在高低低連接接處出出現(xiàn)谷谷點，，引起起力矩矩在谷谷點時時下降降，而而斬波波型功功放電電路克克服了了這一一缺點點，并并提高高二．塑塑料導(dǎo)導(dǎo)軌鑲粘塑塑料導(dǎo)導(dǎo)軌，，已廣廣泛用用于數(shù)數(shù)控機機床上上，其其摩擦擦系數(shù)數(shù)小，，且動動、靜靜摩擦擦系數(shù)數(shù)差很很小，，能防防止低低速爬爬行現(xiàn)現(xiàn)象；；耐磨磨性，，抗撕撕傷能能力強強；加加工性性和化化學(xué)穩(wěn)穩(wěn)定性性好，，工藝藝簡單單，成成本低低，并并有良良好的的自潤潤滑性性和抗抗震性性。塑塑料導(dǎo)導(dǎo)軌多多與鑄鑄鐵導(dǎo)導(dǎo)軌或或淬硬硬鋼導(dǎo)導(dǎo)軌相相配使使用。。1.塑塑料導(dǎo)導(dǎo)軌的的類型型及特特點近年來來國內(nèi)內(nèi)已研研制了了數(shù)十十種塑塑料基基體的的復(fù)合合材料料用于于機床床導(dǎo)軌軌，其其中比比較引引人注注目的的為應(yīng)應(yīng)用較較廣的的填充充PTEE（聚聚四氟氟乙烯烯）軟軟帶材材料，，例如如美國國霞板板（Shanban）公公司的的得爾爾塞（（Turcite-B））塑料料導(dǎo)軌軌軟帶帶及我我國的的TSF軟軟帶。。Turcite-B自自潤滑滑復(fù)合合材料料是在在聚四四氟乙乙烯中中填充充50%的的青銅銅粉，，據(jù)稱稱還加加有二二硫化化鉬、、玻璃璃纖維維和氧氧化物物制成成帶狀狀復(fù)合合材料料。具具有優(yōu)優(yōu)異的的減磨磨、抗抗咬傷傷性能能，不不會損損壞配配合面面，吸吸振性性能好好，低低速無無爬行行，并并可在在干摩摩擦下下工作作。塑料導(dǎo)導(dǎo)軌軟軟帶與與其他他導(dǎo)軌軌相比比，有有以下下特點點：1)摩摩擦擦系數(shù)數(shù)低而而穩(wěn)定定比比鑄鑄鐵導(dǎo)導(dǎo)軌副副低一一個數(shù)數(shù)量級級。2)動動、、靜摩摩擦系系數(shù)相相近運運動平平穩(wěn)性性和爬爬行性性能較較鑄鐵鐵導(dǎo)軌軌副好好。3)吸吸收收振動動具具有有良好好的阻阻尼性性。4)耐耐磨磨性好好有有自自身潤潤滑作作用，，無潤潤滑油油也能能工作作。5)化化學(xué)學(xué)穩(wěn)定定性好好耐耐磨磨、耐耐低溫溫，耐耐強酸酸、強強堿、、強氧氧化劑劑及各各種有有機溶溶液。。6)維維護(hù)護(hù)修理理方便便軟軟帶帶耐磨磨，損損壞后后更換換容易易。7)經(jīng)經(jīng)濟濟性好好結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)簡單單，成成本低低，約約為滾滾動導(dǎo)導(dǎo)軌成成本的的1/20，為為三層層復(fù)合合材料料DU導(dǎo)軌軌成本本的1/4。2.Turcite-B塑料料軟帶帶的工工作特特性貼塑導(dǎo)導(dǎo)軌的的摩擦擦特性性如如圖圖7-27所示示的摩摩擦系系數(shù)——速度度特性性曲線線可知知，其其動、、靜摩摩擦系系數(shù)相相差很很小，，而且且摩擦擦系數(shù)數(shù)—速速度特特性曲曲線的的斜率率是正正斜率率，并并具有有良好好的自自潤滑滑性，，所以以在短短油或或干摩摩擦下下也不不致拉拉傷導(dǎo)導(dǎo)軌面面。塑料導(dǎo)導(dǎo)軌的的pv值pv值值是摩摩擦副副的重重要技技術(shù)指指標(biāo)。。在設(shè)設(shè)計機機床導(dǎo)導(dǎo)軌尺尺寸時時，應(yīng)應(yīng)根據(jù)據(jù)滑動動速度度v與與比壓壓p之之值按按圖7-28所所示pv線線圖選選取，，使p與v的交交點處處于曲曲線的的下方方。如如滿足足不了了要求求，可可加大大導(dǎo)軌軌面積積，以以降低低比壓壓p值值來滿滿足要要求，，一般般導(dǎo)軌軌的比比壓p=0.1Mpa~0.2Mpa。貼塑導(dǎo)導(dǎo)軌的的承載載能力力Turcite-B軟軟帶的的變形形小，，在比比壓p為14Mpa，溫溫度為為50°C時其其變形形不得得超過過原有有厚度度的5%。。在機機床導(dǎo)導(dǎo)軌上上使用用時，，在任任何情情況下下的變變形率率都應(yīng)應(yīng)低于于1%。因因此，，在設(shè)設(shè)計機機床導(dǎo)導(dǎo)軌尺尺寸時時應(yīng)注注意減減小導(dǎo)導(dǎo)軌的的比壓壓，以以獲得得較高高的運運動精精度。。此種種軟帶帶的厚厚度有有0.8mm、、1.6mm及及3.2mm等等幾種種。根根據(jù)承承載變變形宜宜選用用厚度度小的的規(guī)格格，如如考慮慮到加加工余余量，，一般般選用用厚度度為1.6mm(約約1/16")為宜宜。貼塑導(dǎo)導(dǎo)軌的的其他他性能能Turcite-B軟軟帶粘粘結(jié)剪剪切強強度高高達(dá)7Mpa；；彈性性模量量小于于金屬屬材料料，可可防止止振動動，減減少噪噪音；；導(dǎo)軌軌副的的磨損損量小小，若若采用用定時時定量量潤滑滑，可可進(jìn)一一步提提高導(dǎo)導(dǎo)軌的的使用用壽命命。3.塑塑料軟軟帶的的應(yīng)用用及粘粘貼工工藝塑料導(dǎo)導(dǎo)軌副副多為為塑料料/金金屬。。塑料料軟帶帶一般般粘貼貼在短短的動動導(dǎo)軌軌上，，不受受導(dǎo)軌軌形式式的限限制，，各種種組合合形式式的滑滑動導(dǎo)導(dǎo)軌均均可粘粘貼。。粘貼貼工藝藝如下下：金屬導(dǎo)導(dǎo)軌平平面加加工粘粘貼軟軟帶的的導(dǎo)軌軌面可可刨或或可銑銑加工工成兩兩邊帶帶支邊邊的表表面粗粗糙度度Ra25ηm～12.5ηηm的的凹槽槽或平平面，，槽邊邊各留留3mm～～10mm寬的的擋邊邊。槽槽深一一般可可選軟軟帶厚厚度的的1/2～～2/3。。如加加工成成平面面，要要在兩兩邊臨臨時粘粘接幾幾個等等高墊墊塊，，防止止粘接接軟帶帶加壓壓時移移位。。膠層層固化化后再再去掉掉墊塊塊。配配對金金屬導(dǎo)導(dǎo)軌面面的粗粗糙度度要求求Ra0.4ηηm～～0.8ηηm，，太大大使軟軟帶產(chǎn)產(chǎn)生劃劃痕，，太小小則不不能形形成聚聚四乙乙稀稀轉(zhuǎn)移移膜，，會使使軟帶帶加快快磨損損。對對磨導(dǎo)導(dǎo)軌面面硬度度要求求在25HRC以上上。軟帶切切成形形及清清洗粘粘接前前按導(dǎo)導(dǎo)軌面面的幾幾何尺尺寸將將軟帶帶切割割成形形，適適當(dāng)考考慮工工藝裕裕量。。軟帶帶表面面需經(jīng)經(jīng)過處處理，，先用用各種種清洗洗劑包包括丙丙酮將將軟帶帶洗凈凈，在在該牌牌號指指定的的去處處不可可粘性性的溶溶液中中按時時浸透透，再再用丙丙酮和和水等等清洗洗后干干燥備備用。。粘接及及加工工粘粘接接時，，將該該牌號號軟帶帶指定定的膠膠粘劑劑按規(guī)規(guī)定工工藝用用刮刀刀分別別涂布布于軟軟帶表表面和和粘接接軟帶帶導(dǎo)軌軌面上上，使使膠層層中央央略高高于四四周。。粘接接層厚厚度0.1mm左右右，接接觸壓壓力為為0.05Mpa～～0.1MPa。粘粘貼好好之后后，把把運動動部件件翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)就位位扣壓壓在靜靜導(dǎo)軌軌上，，利用用運動動部件件自身身重量量或外外加一一定重重量，，使固固化壓壓力達(dá)達(dá)0.1Mpa～0.15MPa。經(jīng)經(jīng)24h室室溫固固化，，將運運動部部件吊吊起翻翻轉(zhuǎn)，，用小小木錘錘輕敲敲整條條軟帶帶。若若敲打打時各各處聲聲響音音調(diào)一一致，，說明明粘接接質(zhì)量量好。。然后后檢查查動靜靜導(dǎo)軌軌的接接觸精精度，，讓導(dǎo)導(dǎo)軌副副對研研或機機械加加工，，并刮刮削到到接觸觸面的的斑點點符合合要求求（著著色點點面積積達(dá)50%以上上）為為止。。根據(jù)據(jù)設(shè)計計要求求，可可在軟軟帶上上開出出油槽槽，油油槽一一般不不開穿穿軟帶帶，寬寬度5mm左右右。并并可用用儀器器測出出軟帶帶導(dǎo)軌軌的實實際摩摩擦系系數(shù)。。貼塑導(dǎo)導(dǎo)軌有有逐漸漸取代代滾動動導(dǎo)軌軌的趨趨勢，，不僅僅適用用于數(shù)數(shù)控機機床，，而且且還適適用于于其他他各種種類型型機床床導(dǎo)軌軌，它它在舊舊機床床修理理和數(shù)數(shù)控化化改裝裝中可可以減減少機機床結(jié)結(jié)構(gòu)的的修改改，因因而更更加擴擴大了了塑料料導(dǎo)軌軌的應(yīng)應(yīng)用領(lǐng)領(lǐng)域。。三、交交流伺伺服電電動機機驅(qū)動動簡介介支流伺伺服電電動機機具有有很多多優(yōu)點點，但但它由由于裝裝有電電刷和和換向向片，，尺寸寸較大大且必必須定定期維維修，，特別別是受受換向向器限限制，，容量量較小小，電電樞電電壓較較低，，很多多特性性參數(shù)數(shù)隨速速度而而變化化，因因而限限制了了支流流伺服服電動動機高高速度度、大大容量量的發(fā)發(fā)展。。70年年代以以來，，隨著著大規(guī)規(guī)模集集成電電路和和計算算機控控制技技術(shù)的的發(fā)展展以及及現(xiàn)代代控制制理論論的應(yīng)應(yīng)用，，特別別是矢矢量控控制技技術(shù)的的應(yīng)用用，使使得交交流伺伺服電電動機機具備備了調(diào)調(diào)速范范圍寬寬、穩(wěn)穩(wěn)速、、精度度高、、動態(tài)態(tài)響應(yīng)應(yīng)快以以及良良好的的技術(shù)術(shù)性能能。目目前國國外已已有系系列化化的交交流伺伺服電電動機機，我我國已已研制制出此此種電電動機機。交流流伺伺服服電電動動機機采采用用了了全全封封閉閉無無刷刷構(gòu)構(gòu)造造，，不不需需要要定定期期檢檢查查維維修修。。定定子子省省去去了了鑄鑄造造件件殼殼體體，，結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)緊緊湊湊，，質(zhì)質(zhì)量量小小。。定定子子鐵鐵心心較較一一般般電電動動機機開開槽槽多多且且深深，，絕絕緣緣可可靠靠，，磁磁場場均均勻勻。?？煽蓪Χǘㄗ幼予F鐵心心直直接接冷冷卻卻，，散散熱熱效效果果好好，，因因而而傳傳動動機機械械部部分分的的熱熱量量少少，，提提高高了了整整個個系系統(tǒng)統(tǒng)的的可可靠靠性性。。轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子子采采用用具具有有精精密密磁磁極極形形狀狀的的永永久久磁磁鐵鐵，，因因而而可可得得到到高高的的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩矩/慣慣量量比比。。因因此此交交流流伺伺服服電電動動機機以以其其高高性性能能、、大大容容量量得得到到了了廣廣泛泛的的應(yīng)應(yīng)用用。。交流流伺伺服服電電動動機機提提高高其其性性能能的的關(guān)關(guān)鍵鍵在在于于解解決決對對交交流流電電動動機機的的控控制制與與驅(qū)驅(qū)動動，，目目前前采采用用的的是是一一種種新新的的控控制制方方法法，，利利用用微微機機對對交交流流電電動動機機作作矢矢量量變變換換控控制制。。第四四節(jié)節(jié)常常用用位位置置檢檢測測裝裝置置一、概述述1.位位置置檢檢測測裝裝置置的的要要求求在閉閉環(huán)環(huán)數(shù)數(shù)控控系系統(tǒng)統(tǒng)中中，，必必須須利利用用位位置置檢檢測測裝裝置置把把機機床床運運動動部部件件的的實實際際位位移移量量隨隨時時檢檢測測出出來來，，與與給給定定的的控控制制值值進(jìn)進(jìn)行行比比較較，，從從而而控控制制驅(qū)驅(qū)動動元元件件正正確確運運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，，使使工工作作臺臺（（或或刀刀具具））按按規(guī)規(guī)定定的的軌軌跡跡和和坐坐標(biāo)標(biāo)移移動動。。因因此此，，位位置置檢檢測測裝裝置置是是數(shù)數(shù)控控機機床床的的關(guān)關(guān)鍵鍵部部件件之之一一，，它它對對于于提提高高數(shù)數(shù)控控機機床床的的加加工工精精度度有有決決定定性性的的影影響響。。為為此此，，對對位位置置檢檢測測裝裝置置提提出出如如下下要要求求：：(1)在在機機床床工工作作臺臺移移動動范范圍圍內(nèi)內(nèi)，，能能滿滿足足精精度度和和速速度度的的要要求求。。不不同同類類型型的的數(shù)數(shù)控控機機床床對對檢檢測測裝裝置置的的精精度度和和速速度度要要求求不不一一樣樣。。通通常常要要求求檢檢測測元元件件的的分分辨辨度度（（即即檢檢測測的的最最小小位位移移量量））在在0.0001~0.01mm之之內(nèi)內(nèi)，，測測量量精精度度在在±±0.01~±±0.02mm以以內(nèi)內(nèi)。。運運動動速速度度為為0~24m/min。。(2)在在機機床床的的工工作作環(huán)環(huán)境境下下，，能能可可靠靠地地工工作作，，亦亦即即受受溫溫度度影影響響小小，，抗抗干干擾擾能能力力強強，，并并能能長長期期保保持持精精度度。。(3)使使用用、、維維護(hù)護(hù)簡簡單單方方便便，，成成本本2.位位置置檢檢測測裝裝置置的的分分類類由于于工工作作條條件件和和測測量量要要求求不不同同，，數(shù)數(shù)控控機機床床常常用用以以下下幾幾種種測測量量方方式式；；（1））絕絕對對值值測測量量方方式式和和增增量量測測量量方方式式絕絕對對值值測測量量方方式式是是任任一一被被測測量量點點位位置置都都由由一一個個固固定定的的零零點點（（即即坐坐標(biāo)標(biāo)原原點點））算算起起，，每每一一測測量量點點，，都都有有一一個個相相應(yīng)應(yīng)的的對對原原點點的的測測量量值值。。而而增增量量測測量量方方式式檢檢測測的的是是相相對對位位移移量量，，有有多多個個測測量量基基準(zhǔn)準(zhǔn)，，任任何何一一個個對對中中點點都都可可作作為為測測量量起起點點，