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数控机床原理及应用教学作者何伟第十讲课件

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1、数控机床原理及应用,第十讲,本章内容提要,步进电动机的工作原理步进电动机的主要特性步进电动机的开环伺服系统,伺服驱动进给系统,伺服驱动进给系统的定义伺服驱动进给系统是以机床运动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统。伺服驱动进给系统能准确地执行CNC装置发出的位置和速度指令信号，由伺服驱动电路转换和放大后，再经伺服电动机和机械传动机构，驱动机床工作台等运动部件实现工作进给、快速移动以及位置控制。数控机床伺服驱动进给系统分类数控机床驱动进给系统可以分为开环伺服系统、半闭环伺服系统和闭环伺服系统三种控制方式。,步进电动机是一种将电脉冲信号转变为机械角位移或线位移的机电执行元件。它由转子、定子和定子绕组等主要部分组成。步进电动机的分类按照结构可分为反应式步进电动机、混合式步进电动机和永磁式步进电动机三类，用于数控机床驱动的步进电动机大多是前两类。,步进电动机,反应式步进电动机,结构定子上有A、B、C三对磁极，转子由四个齿的铁心做成，其上无绕组。电机转子上均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕组。,工作原理如果相邻两转子齿轴线间的距离为齿距，并以表示，其几何轴线依次分别与

2、转子齿轴线错开0、1/3、2/3，即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3，C与齿3向右错开2/3。,反应式步进电动机工作原理,反应式步进电动机工作原理,A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，转子不受任何力。 B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3，此时齿3与C偏移为1/3，齿4与A偏移（-1/3）=2/3。,反应式步进电动机工作原理,C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3，此时齿4与A（即A）偏移为1/3对齐。 A相通电，B，C相不通电，齿4与A（即A）对齐，转子又向右移过1/3。,反应式步进电动机工作原理,这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4移到A相，转子向右转过一个齿距。如果按ABCA通电，电机就每步1/3，向右旋转。如果按ACBA通电，电机就反转。,通电方式,三相单三拍步进电动机定子绕组从一种通电状态换接到另一种通电状态称为一拍，每拍转子转过的角度，称为步距角。 ABCA或ACBA的顺序的通电方式称为三相单三拍，即三相励磁绕组依次单独通电运行，换相三次完成一个通电循环。三相六拍 AABBBCC

3、CAA或AACCCBBBAA的顺序的通电方式，将原来每步1/3改变为1/6，这种通电方式称为三相六拍工作方式。,通电方式,步距角的计算实际使用的步进电动机，一般都要求有较小的步距角，步距角越小，它所达到的位置精度越高。步距角的计算公式为： s为步距角，m为电动机相数，z为转子齿数，k为通电方式系数，k拍数/相数。,通电方式总结,单相轮流通电方式每拍只有一相通电，对于一个定子为m相的步进电机，称为m相单m拍制。这种方式稳定性较差，容易失步。双相轮流通电方式每拍都有二相通电，称为m相双m拍制。这种方式两相同时通电，力矩大，定位精度高，且每拍只改变一相，另一相锁定，所以不易失步。单双相轮流通电方式单双相轮流通电，称为m相2m拍制。这种方式也能保证每拍都有一相锁定，不易失步，但步进电机每转所需的步数是前述单m拍制或双m拍制的两倍。,步进电机的主要特性,步进电动机单相通电的矩角特性步进电动机不改变通电状态时，转子处于不动状态。如果在电动机轴上外加一个负载转矩，使转子按一定方向转过一个角度e，此时转子所受的电磁转矩称为静态转矩，e称为失调角。步进电动机的静态转矩和失调角之间的关系叫

4、矩角特性。,步进电机的主要特性,步距角和步距误差步进电机的步距角s是指定子绕组的通电状态每改变一次，转子转过的一个确定的角度。步距角越小，机床运动部件的位置精度越高。步距误差s是指步进电动机运行时理论的步距角s与转子每一步实际的角度之间的差。步距误差直接影响执行部件的定位精度。它主要是由于异步电动机齿距制造误差，定子和转子气隙不均匀以及各相电磁转矩不均匀造成。由于步进电动机每转一转又回到原来位置，所以误差不会无限累积。,步进电机的主要特性,起动转矩 A相和B相的矩角特性交点的纵坐标值称为起动转矩。它表示步进电动机单相励磁时所能带动的极限负载转矩。负载转矩不能大于A、B两交点的转矩，否则转子无法转动，产生“失步”现象。,步进电机的主要特性,空载起动频率步进电动机在空载情况下，不失步起动所能允许的最高频率称为空载起动频率。在有负载情况下，不失步起动所能允许的最高频率将大大降低。连续运行的最高工作频率在不失步的情况下，步进电动机连续运行所能接受的最高频率称为最高工作频率。最高工作频率远大于起动频率，它表明步进电动机所能达到的最高速度。,步进电动机的选用,保证步进电动机的输出转

5、矩大于负载所需的转矩，即先计算机械系统的负载转矩，并使所选电动机有一定的余量，保证可靠运行。考虑系统的精度和速度的要求。为了提高精度，希望脉冲当量小。但是脉冲当量越小，系统的运行速度越低，所以应兼顾精度与速度的要求来选定系统的脉冲当量。考虑步进电动机的步距误差、负载引起的定位误差和传动机构的误差，使总的误差小于数控机床允许的定位误差。使异步电动机能与机械系统的负载惯量和机床要求的起动频率相匹配，并有一定的余量，还应使其最高工作频率能满足机床运动部件快速移动的要求。,步进电动机的开环控制,开环伺服系统由驱动电路、步进电动机和进给机械传动装置构成。开环伺服系统将数字脉冲转换成角位移，靠驱动装置本身定位。,微机控制的开环控制系统,目前的机床数控系统，都采用小型和微型计算机控制，在很多控制环节，如脉冲分配、脉冲产生、插补运算等都可以由计算机完成。此外，数控机床所用的步进电机要求控制驱动系统必须有足够的驱动功率，所以还要求有功率驱动部分。另外，还要有键盘、显示器等输入、输出设备的接口电路、通讯接口电路及其它附属环节。,本章小结,步进电动机的工作原理和主要特性步进电动机的开环伺服系统,作业,步进电动机的工作原理是什么？,

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