機(jī)床電氣控制與PLC伺服系統(tǒng)學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1機(jī)床機(jī)床(jchung)電氣控制與電氣控制與PLC 伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)第一頁，共123頁。第1頁/共122頁第二頁，共123頁。工件的外形和尺寸的最終目的。伺服系統(tǒng)的性能，在很大程度上決定了數(shù)控機(jī)床的性能。第2頁/共122頁第三頁，共123頁。圖8-1 伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(jigu)框圖 第3頁/共122頁第四頁，共123頁。第4頁/共122頁第五頁，共123頁。圖8-2 開環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(jigu)示意圖 第5頁/共122頁第六頁，共123頁。閉環(huán)位置控制。如圖閉環(huán)位置控制。如圖8-3所示。所示。圖8-3 閉環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(jigu)示意圖 第6頁/共122頁第七頁，共123頁。圖8-4 半

2、閉環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(jigu)示意圖 第7頁/共122頁第八頁，共123頁。場合。場合。第8頁/共122頁第九頁，共123頁。機(jī)兩種。交流異步型電動(dòng)機(jī)一般機(jī)兩種。交流異步型電動(dòng)機(jī)一般用于主軸交流伺服系統(tǒng)，交流同用于主軸交流伺服系統(tǒng)，交流同步型伺服電機(jī)，一般用于進(jìn)給伺步型伺服電機(jī)，一般用于進(jìn)給伺服電機(jī)。服電機(jī)。第9頁/共122頁第十頁，共123頁。(bjio)伺服系統(tǒng)和全數(shù)字伺服系伺服系統(tǒng)和全數(shù)字伺服系統(tǒng)。統(tǒng)。第10頁/共122頁第十一頁，共123頁。第11頁/共122頁第十二頁，共123頁。n在給定新的輸入指令在給定新的輸入指令(zhlng)信信號(hào)或外界干擾作用下，號(hào)或外界干擾作用下， 能在短暫

3、能在短暫的調(diào)節(jié)過程后，達(dá)到新的或者恢的調(diào)節(jié)過程后，達(dá)到新的或者恢復(fù)到原來的穩(wěn)定狀態(tài)。復(fù)到原來的穩(wěn)定狀態(tài)。第12頁/共122頁第十三頁，共123頁。第13頁/共122頁第十四頁，共123頁。第14頁/共122頁第十五頁，共123頁。電動(dòng)機(jī)必須電動(dòng)機(jī)必須(bx)具備小的轉(zhuǎn)動(dòng)具備小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和較大的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，盡可能慣量和較大的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，盡可能小的機(jī)電時(shí)間常數(shù)和起動(dòng)電壓。小的機(jī)電時(shí)間常數(shù)和起動(dòng)電壓。n電動(dòng)機(jī)應(yīng)具備能承受頻繁的電動(dòng)機(jī)應(yīng)具備能承受頻繁的正、反轉(zhuǎn)、制動(dòng)。正、反轉(zhuǎn)、制動(dòng)。第15頁/共122頁第十六頁，共123頁。進(jìn)給伺服電動(dòng)機(jī)進(jìn)給伺服電動(dòng)機(jī)/i 系列系列(xli)/i系列系列(xli)直線直線

4、(zhxin)電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)第16頁/共122頁第十七頁，共123頁。進(jìn)給伺服放大器進(jìn)給伺服放大器系列系列(xli)伺服伺服放大器放大器i 系列系列(xli)伺服放大伺服放大器器第17頁/共122頁第十八頁，共123頁。進(jìn)給伺服電動(dòng)機(jī)進(jìn)給伺服電動(dòng)機(jī)聯(lián)軸器聯(lián)軸器滾珠滾珠(gnzh)(gnzh)絲絲杠杠進(jìn)給伺服電動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)進(jìn)給伺服電動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)(chundng)機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)第18頁/共122頁第十九頁，共123頁。第19頁/共122頁第二十頁，共123頁。第20頁/共122頁第二十一頁，共123頁。第21頁/共122頁第二十二頁，共123頁。第22頁/共122頁第二十三頁，共123頁。第23頁/共122頁

5、第二十四頁，共123頁。模擬量主軸模擬量主軸(zhzhu)放大器（變頻器）放大器（變頻器）主主 軸軸 放放 大大 器器串串 行行 主主 軸軸 放放 大大 器器第24頁/共122頁第二十五頁，共123頁。主主 軸軸 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)普通型和變頻普通型和變頻(bin pn)專專用電動(dòng)機(jī)用電動(dòng)機(jī)串行數(shù)字串行數(shù)字(shz)主軸主軸電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)第25頁/共122頁第二十六頁，共123頁。帶傳動(dòng)帶傳動(dòng)(chundng)（經(jīng)過（經(jīng)過一級(jí)降速）一級(jí)降速）經(jīng)過經(jīng)過(jnggu)一級(jí)齒輪一級(jí)齒輪的帶傳動(dòng)的帶傳動(dòng)主主 軸軸 傳傳 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī) 構(gòu)構(gòu)第26頁/共122頁第二十七頁，共123頁。幾級(jí)降速齒輪幾級(jí)降速齒輪(

6、chln)傳動(dòng)傳動(dòng)主主 軸軸 傳傳 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī) 構(gòu)構(gòu)內(nèi)裝式電機(jī)內(nèi)裝式電機(jī)(dinj)(dinj)主軸單元主軸單元 （電主軸）（電主軸）第27頁/共122頁第二十八頁，共123頁。第28頁/共122頁第二十九頁，共123頁。步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)(jigu)和工作原理和工作原理第29頁/共122頁第三十頁，共123頁。相控制繞組。第30頁/共122頁第三十一頁，共123頁。圖8-5 三相(sn xin)反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖 第31頁/共122頁第三十二頁，共123頁。步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)(dinj)工作原理工作原理第32頁/共122頁第三十三頁，共123頁。圖8-6 三相(sn xin)反應(yīng)式

7、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理圖 第33頁/共122頁第三十四頁，共123頁。沖頻率成正比，通過控制脈沖頻沖頻率成正比，通過控制脈沖頻率可實(shí)現(xiàn)寬范圍內(nèi)調(diào)節(jié)步進(jìn)電動(dòng)率可實(shí)現(xiàn)寬范圍內(nèi)調(diào)節(jié)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。機(jī)的轉(zhuǎn)速。第34頁/共122頁第三十五頁，共123頁。現(xiàn)累積誤差,但當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一轉(zhuǎn)以后，而累積誤差為“零”，所以不會(huì)長期積累。第35頁/共122頁第三十六頁，共123頁。第36頁/共122頁第三十七頁，共123頁。圖8-7 為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的外形及接口(ji ku)圖 圖8-8 撥動(dòng)開關(guān)示意圖步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)(q dn)裝置及其應(yīng)用裝置及其應(yīng)用第37頁/共122頁第三十八頁，共123頁。圖8-9 步進(jìn)

8、電機(jī)動(dòng)(jdng)裝置典型的接線圖 第38頁/共122頁第三十九頁，共123頁。第39頁/共122頁第四十頁，共123頁。概述概述(i sh)第40頁/共122頁第四十一頁，共123頁。n快速響應(yīng)性好：直流伺服電快速響應(yīng)性好：直流伺服電動(dòng)機(jī)具有較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和小的動(dòng)機(jī)具有較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。可控性好，時(shí)間常數(shù)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量?？煽匦院?，時(shí)間常數(shù)小。小。n轉(zhuǎn)矩大：直流伺服電動(dòng)機(jī)廣轉(zhuǎn)矩大：直流伺服電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用在寬調(diào)速系統(tǒng)和精確位置泛應(yīng)用在寬調(diào)速系統(tǒng)和精確位置控制系統(tǒng)上，輸出功率從控制系統(tǒng)上，輸出功率從1瓦至數(shù)瓦至數(shù)百瓦，甚至可達(dá)數(shù)千瓦。百瓦，甚至可達(dá)數(shù)千瓦。第41頁/共122頁第四十二頁，共1

9、23頁。第42頁/共122頁第四十三頁，共123頁。直流主軸電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)直流主軸電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)(q dn)控制控制第43頁/共122頁第四十四頁，共123頁。n改變電樞電路的電阻值。但得到的機(jī)械特性較軟,在數(shù)控機(jī)床上很少采用。直流主軸直流主軸(zhzhu)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)第44頁/共122頁第四十五頁，共123頁。的相位，調(diào)節(jié)勵(lì)磁繞組的電流大的相位，調(diào)節(jié)勵(lì)磁繞組的電流大小，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的恒功率弱磁調(diào)小，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的恒功率弱磁調(diào)速。速。第45頁/共122頁第四十六頁，共123頁。第46頁/共122頁第四十七頁，共123頁。 (a)主電路(dinl) (b)簡圖 圖8-10可逆調(diào)速系統(tǒng)的主

10、電路(dinl)第47頁/共122頁第四十八頁，共123頁。第48頁/共122頁第四十九頁，共123頁。第49頁/共122頁第五十頁，共123頁。圖8-11 三相(sn xin)橋式反并聯(lián)四象限運(yùn)行示意圖第50頁/共122頁第五十一頁，共123頁。第51頁/共122頁第五十二頁，共123頁。第52頁/共122頁第五十三頁，共123頁。第53頁/共122頁第五十四頁，共123頁。第54頁/共122頁第五十五頁，共123頁。(fzi)減小時(shí)，Q角隨著減小。第55頁/共122頁第五十六頁，共123頁。圖8-13 交流(jioli)伺服電動(dòng)機(jī)工作原理圖 圖8-14 永磁式交流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)1一定(y

11、dng)子鐵心;2一轉(zhuǎn)子;3一定(ydng)子繞組;4一位置檢測元件;5一接線盒第56頁/共122頁第五十七頁，共123頁。;n結(jié)構(gòu)緊湊，在相同功率下有較小的質(zhì)量和體積n散熱性能好。第57頁/共122頁第五十八頁，共123頁。器。變頻變頻(bin pn)控制器控制器第58頁/共122頁第五十九頁，共123頁。波調(diào)制波調(diào)制)變頻控制器。交變頻控制器。交-直直-交變交變頻器原理示意圖如圖頻器原理示意圖如圖9-15所示。所示。第59頁/共122頁第六十頁，共123頁。9-15 交-直-交變頻器 第60頁/共122頁第六十一頁，共123頁。也可這樣處理。如果幅值改變也可這樣處理。如果幅值改變(gibi

12、n)，則各等高矩形脈沖的，則各等高矩形脈沖的寬度也相應(yīng)改變寬度也相應(yīng)改變(gibin)，這就，這就是與正弦波等效的正弦脈寬調(diào)制是與正弦波等效的正弦脈寬調(diào)制波波(SPWM)。第61頁/共122頁第六十二頁，共123頁。圖8-16 等效(dn xio)的SPWM波形 圖8-17三相正弦波與三角(snjio)波相比較后產(chǎn)生的三相脈寬調(diào)制波第62頁/共122頁第六十三頁，共123頁。第63頁/共122頁第六十四頁，共123頁。圖8-18 三相(sn xin)SPWM變頻器主電路結(jié)構(gòu)簡圖 第64頁/共122頁第六十五頁，共123頁。圖8-21所示。變頻器在機(jī)床變頻器在機(jī)床(jchung)上的應(yīng)用上的應(yīng)用

13、第65頁/共122頁第六十六頁，共123頁。圖8-19三菱FR-A500系列變頻器的系統(tǒng)(xtng)組成 第66頁/共122頁第六十七頁，共123頁。 三菱FR-A500系列變頻器的系統(tǒng)(xtng)接口電路 第67頁/共122頁第六十八頁，共123頁。圖2-21 MINAS交流伺服系統(tǒng)總體設(shè)備連線(lin xin)情況 第68頁/共122頁第六十九頁，共123頁。分段無級(jí)變速控制。如圖8-22所示，通常數(shù)控系統(tǒng)均提供(tgng)了2-4擋變速功能，而數(shù)控機(jī)床只需要2擋就可滿足要求。主軸分段主軸分段(fn dun)無級(jí)調(diào)速及控制無級(jí)調(diào)速及控制第69頁/共122頁第七十頁，共123頁。圖8-22

14、有無齒輪(chln)減速主軸的T(n)、P(n)曲線 第70頁/共122頁第七十一頁，共123頁。當(dāng)S指令在01000r/min范圍內(nèi)變化時(shí)，M41指令所控制對應(yīng)的齒輪嚙合：當(dāng)S指令在10013500 r/min范圍內(nèi)變化時(shí)，M42指令控制對應(yīng)的齒輪嚙合。第71頁/共122頁第七十二頁，共123頁。圖8-23 分段(fn dun)無級(jí)變速 第72頁/共122頁第七十三頁，共123頁。主軸主軸(zhzhu)準(zhǔn)?？刂茰?zhǔn)?？刂频?3頁/共122頁第七十四頁，共123頁。圖8-24 主軸(zhzhu)準(zhǔn)停換刀圖 圖8-25 主軸(zhzhu)準(zhǔn)停鏜階梯孔示意圖 第74頁/共122頁第七十五頁，共123

15、頁。8-26 主軸準(zhǔn)?？刂七^程(guchng)框圖 圖8-27 機(jī)械(jxi)準(zhǔn)停原理示意圖 第75頁/共122頁第七十六頁，共123頁。第76頁/共122頁第七十七頁，共123頁。第77頁/共122頁第七十八頁，共123頁。在主軸上直接安裝另一個(gè)編碼器。在主軸上直接安裝另一個(gè)編碼器。不管哪種方式，它們都具有主軸不管哪種方式，它們都具有主軸位置閉環(huán)控制功能。數(shù)控系統(tǒng)本位置閉環(huán)控制功能。數(shù)控系統(tǒng)本身具有編碼器準(zhǔn)停功能。如圖身具有編碼器準(zhǔn)停功能。如圖8-29所示。所示。第78頁/共122頁第七十九頁，共123頁。圖8-29 編碼器主軸(zhzhu)準(zhǔn)?？刂平Y(jié)構(gòu) 圖8-28 磁傳感器準(zhǔn)?？刂葡到y(tǒng)(k

16、n zh x tn)構(gòu)成 第79頁/共122頁第八十頁，共123頁。因此更加方便靈活。如用因此更加方便靈活。如用M19指令，指令，可在可在M19指令后用指令后用S值制定準(zhǔn)停角度。值制定準(zhǔn)停角度。第80頁/共122頁第八十一頁，共123頁。圖8-30 數(shù)控系統(tǒng)控制主軸(zhzhu)準(zhǔn)停結(jié)構(gòu) 第81頁/共122頁第八十二頁，共123頁。第82頁/共122頁第八十三頁，共123頁。第83頁/共122頁第八十四頁，共123頁。電動(dòng)機(jī)內(nèi)裝位置電動(dòng)機(jī)內(nèi)裝位置(wi zhi)和速度和速度傳感器傳感器主軸主軸(zhzhu)位置與速位置與速度編碼器度編碼器主軸位置和速度主軸位置和速度(sd)檢檢測裝置測裝置第8

17、4頁/共122頁第八十五頁，共123頁。第85頁/共122頁第八十六頁，共123頁。第86頁/共122頁第八十七頁，共123頁。第87頁/共122頁第八十八頁，共123頁。圖8-31 位置檢測(jin c)裝置框圖 第88頁/共122頁第八十九頁，共123頁。n脈沖編碼器可分為光電式、接觸式和電磁感應(yīng)式三種。n光電脈沖編碼器又可分為增量式脈沖編碼器和絕對式脈沖編碼器。脈沖脈沖(michng)編碼器編碼器第89頁/共122頁第九十頁，共123頁。伺服電動(dòng)機(jī)內(nèi)裝編碼器伺服電動(dòng)機(jī)內(nèi)裝編碼器第90頁/共122頁第九十一頁，共123頁。獨(dú)立型旋轉(zhuǎn)獨(dú)立型旋轉(zhuǎn)(xunzhun)編碼器編碼器第91頁/共122

18、頁第九十二頁，共123頁。第92頁/共122頁第九十三頁，共123頁。第93頁/共122頁第九十四頁，共123頁。不透光相間的狹縫作透光用。狹不透光相間的狹縫作透光用。狹縫的數(shù)量可為幾百條或幾千條?？p的數(shù)量可為幾百條或幾千條。也可用精制的金屬圓盤，在圓盤也可用精制的金屬圓盤，在圓盤上再開出一定數(shù)量的等分圓槽縫，上再開出一定數(shù)量的等分圓槽縫，或在半徑的圓周上鉆出一定數(shù)量或在半徑的圓周上鉆出一定數(shù)量的孔，使圓盤產(chǎn)生明暗相間變化的孔，使圓盤產(chǎn)生明暗相間變化的區(qū)域。的區(qū)域。第94頁/共122頁第九十五頁，共123頁。計(jì)數(shù)碼將反映出圓盤轉(zhuǎn)過的角度。計(jì)數(shù)碼將反映出圓盤轉(zhuǎn)過的角度。第95頁/共122頁第九十

19、六頁，共123頁。（a） (b) 圖8-32 增量(zn lin)式脈沖編碼器的結(jié)構(gòu)原理圖第96頁/共122頁第九十七頁，共123頁。第97頁/共122頁第九十八頁，共123頁。第98頁/共122頁第九十九頁，共123頁。(a)增量(zn lin)式脈沖編碼器辨向原理框圖 (b)增量式脈沖(michng)編碼器辨向原理波形圖圖8-33 增量式脈沖(michng)編碼器辨向圖 第99頁/共122頁第一百頁，共123頁。,、0010、1111的二進(jìn)制輸出。的二進(jìn)制輸出。第100頁/共122頁第一百零一頁，共123頁。 圖834 四位(s wi)二進(jìn)制編碼盤 (a) (b) (c) 第101頁/共1

20、22頁第一百零二頁，共123頁。表了一圈的粗計(jì)角度檢測，它和表了一圈的粗計(jì)角度檢測，它和交流伺服電機(jī)交流伺服電機(jī)4對磁極的結(jié)構(gòu)相對磁極的結(jié)構(gòu)相對應(yīng)，可實(shí)現(xiàn)對交流伺服電機(jī)的對應(yīng)，可實(shí)現(xiàn)對交流伺服電機(jī)的磁場位置進(jìn)行有效的控制。磁場位置進(jìn)行有效的控制。第102頁/共122頁第一百零三頁，共123頁。其它其它(qt)位置檢測器位置檢測器第103頁/共122頁第一百零四頁，共123頁。相對位置的改變，所以其輸出電壓的大小也要隨之改變。旋轉(zhuǎn)變壓器工作原理如圖8-35所示。第104頁/共122頁第一百零五頁，共123頁。n圓感應(yīng)同步器是由定子和轉(zhuǎn)圓感應(yīng)同步器是由定子和轉(zhuǎn)子組成，轉(zhuǎn)子相當(dāng)于直線感應(yīng)同子組成，轉(zhuǎn)

21、子相當(dāng)于直線感應(yīng)同步器的定尺，定子相當(dāng)于滑尺。步器的定尺，定子相當(dāng)于滑尺。圓感應(yīng)同步器按直徑大小有圓感應(yīng)同步器按直徑大小有302mm, 178mm, 76mm, 50mm四四種。種。第105頁/共122頁第一百零六頁，共123頁。圖8-36 直線感應(yīng)同步器的安裝圖l-機(jī)床(jchung)不動(dòng)部件 2-定尺 3-定尺座 4-防護(hù)罩 5-滑尺 6-滑尺座 7-機(jī)床(jchung)可動(dòng)部件第106頁/共122頁第一百零七頁，共123頁。第107頁/共122頁第一百零八頁，共123頁。圖8-37 直線(zhxin)磁柵1-尺身 2-接口 3-信號(hào)線 4-滑尺 5-密封唇第108頁/共122頁第一百零九

22、頁，共123頁。狀磁柵。常用磁柵的外形結(jié)構(gòu)如狀磁柵。常用磁柵的外形結(jié)構(gòu)如圖圖8-38所示。所示。第109頁/共122頁第一百一十頁，共123頁。圖8-38 常用(chn yn)磁柵外形結(jié)構(gòu)(a) 圓形磁柵 (b) 帶狀磁柵 (c)桿狀磁柵第110頁/共122頁第一百一十一頁，共123頁。它具有體積小、無抖動(dòng)、無觸頭、它具有體積小、無抖動(dòng)、無觸頭、無接觸檢測等特點(diǎn)無接觸檢測等特點(diǎn)(tdin)。接近。接近開關(guān)外形圖如圖開關(guān)外形圖如圖8-39所示。所示。第111頁/共122頁第一百一十二頁，共123頁。(shbi)出有無金屬物體接近，進(jìn)出有無金屬物體接近，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制開關(guān)的通或斷。而實(shí)現(xiàn)控制開關(guān)的通或斷。第112頁/共122頁第一百一十三頁，共123頁。屬物體進(jìn)行檢