数控机床进给运动控制

数
第一节 概述
控
机 一、伺服系统的基本技术要求
床
4）调速范围宽
数控机床中，进给伺服系统的调速范围与伺服系统的
第 分辨率有关。 一般的调速范围要求在脉冲当量为0.001mm
四 时达到0-24m/min。
章 进
要求有较宽的无级调速范围，在低速时运行平稳无爬 行。
给
运
动
的
控
制
数
第一节 概述
控
机 床
二、分类
控
制
数 控
四、步进电动机的主要特性
机 5、矩频特性与动态转矩
床 矩频特性是描述步进电机连续稳定运行时输出转矩与连
续运行频率之间的关系，该特性上每一个频率对应的转
第
矩称为动态转矩。当步进电机正常运行时，若输入脉冲 频率逐渐增加，则电动机所能带动负载转矩将逐渐下降。
四 在使用时，一定要考虑动态转矩随连续运行频率的上升
的
控 ☆混合闭环控制系统：有开环补偿型和半闭环补偿型
制
数
第二节 步进驱动及开环进给控制
控
机 一、步进电动机的工作原理
床
步进电动机是一种把电脉冲转换成角位移的电动机。 用专用的驱动电源向步进电动机供给一系列的且有一定
规律的电脉冲信号，每输入一个电脉冲，步进电机就前
第 进一步，其角位移与脉冲数成正比，电机转速与脉冲频
第
四 章 进
伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确程 度。在速度控制中，要求高的调速精度，比较强的抗负 载扰动能力。即对静、动态精度
运
稳定性是指系统在给定输入或外界干扰作用下，能
动 在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来的平衡
的 状态。 对伺服系统要求有较强的抗干扰能力，保证进
床
第 四 章 进 给 运 动 的 控 制
每次都是两 相通电，即 按 A，B→ B，C→ C，A→ A，B→…… 的顺序通电， 则称双三拍 方式，步距 角为30°。
数 控
一、步进电动机的工作原理
机 3、三相六拍控制
床
第 四 章 进 给 运 动 的 控 制
如果单三拍和双 三拍相间通电， 即按 A→A，B→B→ B，C→C→C， A→A→……顺序 通电， 称为三相六拍方 式。此时每输入 一个脉冲信号， 转子转过1/6齿 距，步距角为 15°。
数 控
三、步进电动机的进给控制
机 1、软件脉冲分配的控制——查表法
床
对于三相六拍环形分配器，每当接收到一个进给脉冲指
令，环形分配器软件根据下表所示真值表，按顺序及方向
第 控制输出接口将A、B、C的值输出即可。
四 章 进 给
步序 正转 反转
导电相
A AB
工作状态
CB A 001 011
运
B 010
动
的
K—系数，相邻两次通电相数相同，K＝1；
控
制
相邻两次通电相数不同，K＝2。
数 控
四、步进电动机的主要特性
机 2、矩角特性与最大静转矩
床
第
四
章
进 如果在电机轴上外加一个负载转矩Mz，转子 给 会偏离平衡位置向负载转矩方向转过一个角
运 度θ，角度θ称为失调角。有失调角之后，
动
步进电机就产生一个静态转矩（也称为电磁 转矩），这时静态转矩等于负载转矩。静态
床
作用：将环形分配器发出的TTL电平信号放大至几
安培到十几安培的电流，送至步进电动机的各绕组。
第
控制电路：单电压简单驱动、高低压切换驱动、
四 高压恒流斩波、调频调压、细分驱动等。
章
进
给
运
动
的
控
制
数 控
二、步进电动机的驱动电源
机 2、驱动放大电路
床
第
四
章
进
前置放大
给
特点：
通过提高驱动电 压加速电流的上升， 通过串联大功率电阻 限制稳态电流。
数 控
一、步进电动机的工作原理
机 4、结构
床 电机的定子和转子铁心通常由硅钢片
叠成。定子和转子均匀分布着很多小
第 四
齿。定子上有A、B、C三对磁极，
在相对应的磁极上绕有A、B、C三向 控制绕组。其几何轴线依次分别与转
章 子齿轴线错开。
进
给
运
动
的
控
制
展开图
结构图
数 控
二、步进电动机的驱动电源
机 床
电动机的负载转矩在各种工作情况下是不同的，如
第 快速空载起动时所需转矩、快速进给时所需的转矩、最
四 大切削负载时所需力矩等。
章 进 给 运 动
对于数控机床常用快速空载起动力矩作为选择步进 电动机的依据。
快速空载起动时所需力矩：
Mq=Ma+Mf+M0 要求:M≥Mq/λ，同时应保证最大切削负载力矩 ≤0.5倍Mjamx
运
但驱动电路体积
动
大，发热严重。
的
单电压简单驱动
控
制
数 控
二、步进电动机的驱动电源
机 2、驱动放大电路
床
前置放大
第
单稳
四
延时
章
进
给
运
前置放大
动
的
控
高低压驱动原理
制
特点：
高压充电， 低压维持。
数 控
二、步进电动机的驱动电源
机 3、细分驱动
床
将一个步距角细分成若干点步的驱动方式称细分驱
动。
第
特点：在不改动电动机结构参数的情况下，使步距
的 转矩与失调角θ的关系叫矩角特性，，近似
控
为正弦曲线。该矩角特性上的静态转矩最大 值称为最大静转矩。
制
数 控
四、步进电动机的主要特性
机 3、启动频率
床
空载时，步进电机由静止状态突然起动，并进入不失步
的正常运行的最高频率，称为启动频率或突跳频率，加给
步进电机的指令脉冲频率如大于启动频率，就不能正常工
反应式
☆步进电机驱动系统 混合式
第
四
☆直流伺服驱动系统：永磁直流伺服电动机
章
进
给
☆交流伺服驱动系统：永磁交流伺服电动机
运
动
的
控
制
数
第一节 概述
控
机 三、位置伺服驱动系统的开环、闭环控制
床 ☆开环控制系统
第 CNC 四
步进 驱动
步进 电机
章 ☆半闭环控制系统
进 给 CNC
伺服 驱动
伺服 电机
运 动
转速n测
章 而下降的特点。
进
给
运
Mq
动
的
控 制
O
f/Hz
矩频特性
数 控
四、步进电动机的选择
机
步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流
床
三大要素组成。一旦三大要素确定，步进电机的型号便确 定下来了。
第 1、确定电机类型。
四 2、选择脉冲当量、步距角。
章
进
开环控制系统中，脉冲当量是衡量机床加工精度的一个
进 2、作用：
给
接受数控装置发出的进给速度和位移指令信号，由伺服
运 驱动装置作一定的转换和放大后，经伺服电机（直流、交
动 流伺服电机、功率步进电机等）和机械传动机构，驱动机
的 床的工作台等执行部件实现工作进给或快速运动。
控
制
数
第一节 概述
控
机 一、进给伺服系统的给概念
床 3、基本技术要求
1）精度高
定子绕组按 A→B→C→A→… …的顺序轮流通 电，
转子顺时针转动， 按 A→C→B→A→… …的顺序通电， 则电动机转子逆 时针反向旋转。 每输入一个脉冲， 转子转过1/3齿距， 步距角为30°
步进电动机的转 速决定于控制绕 组与电源接通和 断开的脉冲变化
数 控
一、步进电动机的工作原理
机 2、三相双三拍控制
数
第一节 概述
控
机 三、位置伺服驱动系统的开环、闭环控制
床 ☆全闭环控制系统
x
伺服 伺服
第
CNC 驱动 电机
n
四 章
转速n测
量及反馈
进
直线位移x测量及反馈
给
位置检测装置安装在工作台上，直接反映工作台的直线
运
位移，位置控制精度比半闭环高，控制原理同半闭环。
动
由于受导轨摩擦系数、传动的润滑状况，传动间隙大小 等因素的影响，系统的稳定性不如半闭环。
控 给速度均匀、平稳。 稳定性直接影响数控加工的精度
制 和表面粗糙度。
数
第一节 概述
控
机 一、伺服系统的基本技术要求
床
3）快速响应
快速响应是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了
第 系统的跟踪精度。为了保证轮廓切削形状精度和低的加 四 工表面粗糙度，要求伺服系统跟踪指令信号的响应要快。 章 这一方面要求过渡过程时间要短，一般在200ms以内，甚 进 至小于几十毫秒； 另一方面要求超调要小。 给 运 动 的 控 制
B C1 1 0
的
C 100
控
C A1 0 1
制
数 控
三、步进电动机的进给控制
机 2、速度控制 床 进给脉冲频率f→定子绕组通电/断电状态变化频率f →
步进电机转速ω →工作台的进给速度V。
第
V=60δf
四
章 硬件环分：控制CLK的频率，控制电动机的速度。
进 软件环分：控制相邻两次软件环分状态之间的延时时间，
运
动 的
环形分配器功能可由硬件或软件产生，硬件环形分 配器是根据步进电机的相数和控制方式设计的