任務(wù)一Ｘ軸步進驅(qū)動線路連接一、數(shù)控系統(tǒng)與步進驅(qū)動的連接如圖７－２所示為數(shù)控系統(tǒng)ＸＳ３０～ＸＳ３３接口（頭孔座針）各引腳功能和定義，和步進驅(qū)動器相連的接口是ＸＳ３０，其中只有ＣＰ＋、ＣＰ－（指令脈沖輸出端）和ＤＩＲ＋、ＤＩＲ－（指令方向輸出）這４根線分別連接步進驅(qū)動上的ＰＵＬ＋、ＰＵＬ－和ＤＩＲ＋、ＤＩＲ－。二、驅(qū)動器和步進電機的連接本實驗臺所用步進電機為四相電機，一般情況下四相電機與兩相步進電機的繞組的繞法相同，我們現(xiàn)在所提供的步進驅(qū)動器是兩相驅(qū)動器，如果想要利用兩相步進驅(qū)動器來控制四相步進電機，可以將四相步進電機的繞組線圈兩兩并聯(lián)或串聯(lián)在一起，當作兩相電機進行使用。下一頁返回任務(wù)一Ｘ軸步進驅(qū)動線路連接具體做法是將電機繞組端子Ａ－和Ｃ－短接在一起，將電機繞組端子Ｂ－和Ｄ－短接在一起，然后電機上的Ａ＋接驅(qū)動器上的Ａ＋，Ｃ＋接驅(qū)動器上的Ａ－，Ｂ＋接驅(qū)動器上的Ｂ＋，Ｄ＋接到驅(qū)動器Ｂ－端子上。三、電源及其他部分連接驅(qū)動器上的ＧＮＤ和＋Ｖ是電源端，分別連接控制變壓器后出來，經(jīng)ＱＦ３斷路器的＋Ｖ１和ＧＮＤ端。ＥＮＡ＋和ＥＮＡ－是使能信號，一般不用，只有需要在驅(qū)動器停止工作時電機處于釋放狀態(tài)才用，此實驗臺上不用連接該使能信號。上一頁返回知識鏈接一步進電機與步進驅(qū)動系統(tǒng)步進電機伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖７－３所示。在開環(huán)伺服系統(tǒng)中，執(zhí)行元件是步進電機，它將ＣＮＣ裝置輸出的進給脈沖轉(zhuǎn)換成機械角位移運動，并通過齒輪、絲杠帶動工作臺直線移動。步進電機伺服系統(tǒng)中無位置、速度檢測環(huán)節(jié)，其精度主要取決于步進電機的步距角以及與之相連傳動鏈的精度。步進電機的最高轉(zhuǎn)速通常要比直流伺服電機和交流伺服電機低，且在低速時容易產(chǎn)生振動，影響加工精度。但步進電機伺服系統(tǒng)的制造與控制比較容易，在速度和精度要求不太高的場合有一定的使用價值，特別適合于中、低精度的經(jīng)濟型數(shù)控機床和普通機床的數(shù)控化改造。上一頁下一頁返回知識鏈接一步進電機與步進驅(qū)動系統(tǒng)一、步進電機的工作原理步進電機是一種能將數(shù)字脈沖信號輸入轉(zhuǎn)換成物體的旋轉(zhuǎn)增量運動的電磁執(zhí)行元件。每輸入一個脈沖信號，步進電機轉(zhuǎn)軸步進一個步距角增量。因此，步進電機能方便地將脈沖信號轉(zhuǎn)換為角位移，具有定位精度好、無漂移和無累積定位誤差等優(yōu)點。它還能跟蹤一定頻率范圍的脈沖序列，可作為同步電機使用，廣泛應(yīng)用于各種小型自動化設(shè)備及儀器中。１步進電機的結(jié)構(gòu)我國使用的反應(yīng)式步進電機較多，圖７－４所示是一典型的單定子、徑向分相、反應(yīng)式步進電機的結(jié)構(gòu)。它與普通電動機一樣，也是由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成，其中定子又分為定子鐵芯和定子繞組。定子鐵芯由硅鋼片疊壓而成，定子繞組是繞置在定子鐵芯６個均勻分布的齒上的線圈，在徑向上相對的兩個齒上的線圈串聯(lián)在一起，構(gòu)成一相控制繞組。圖７－５為步進電機的定子、轉(zhuǎn)子展開后齒距的示意圖。上一頁下一頁返回知識鏈接一步進電機與步進驅(qū)動系統(tǒng)２步進電機工作原理步進電機的工作原理與電磁鐵相似：當定子繞組按順序輪流通電時，定子上各對磁極就依次產(chǎn)生磁場，每次對轉(zhuǎn)子的某一對齒產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使它一步步轉(zhuǎn)動。每當轉(zhuǎn)子某一對齒的中心線與定子磁極中心線對齊時，磁阻最小，轉(zhuǎn)矩為零，每次就在此時按一定方向切換定子繞組各相電流，使轉(zhuǎn)子按一定方向一步步轉(zhuǎn)動。下面以圖７－６所示的反應(yīng)式三相步進電機為例來說明步進電機的工作原理。該電動機定子上有Ａ、Ｂ、Ｃ三對磁極，在相應(yīng)磁極上繞有勵磁繞組，分成Ａ、Ｂ、Ｃ三相，按串聯(lián)（或并聯(lián)）方式聯(lián)接，使電流產(chǎn)生的磁場方向一致；轉(zhuǎn)子是由帶齒的鐵芯做成的，轉(zhuǎn)子上無繞組。現(xiàn)在假設(shè)轉(zhuǎn)子上有４個齒，相鄰兩齒所對應(yīng)的空間角度為齒距角，即齒距角為９０°。上一頁下一頁返回知識鏈接一步進電機與步進驅(qū)動系統(tǒng)如圖７－６（ａ），當Ａ相通電時，Ｂ相和Ｃ相都不通電，由于磁通總是沿著磁阻最小的路徑通過，使轉(zhuǎn)子的１、３齒與定子Ａ相的兩個磁極齒對齊，此時，因轉(zhuǎn)子只受到徑向力而無切向力，故轉(zhuǎn)矩為零，轉(zhuǎn)子被鎖定在該位置上；隨后將Ａ相斷電，Ｂ相通電，轉(zhuǎn)子受電磁力的作用，逆時針旋轉(zhuǎn)３０°，使２、４齒與Ｂ相磁極齒對齊，如圖７－６（ｂ）所示；若再使Ｂ相斷電，Ｃ相通電，轉(zhuǎn)子再逆時針轉(zhuǎn)３０°，使１、３齒與Ｃ相磁極齒對齊，如圖７－６（ｃ）所示；當Ｃ相斷電，Ａ相再次通電時，２、４齒又會與Ａ相磁極齒對齊，轉(zhuǎn)子又轉(zhuǎn)過３０°。依此類推，形成步進式旋轉(zhuǎn)。上一頁下一頁返回知識鏈接一步進電機與步進驅(qū)動系統(tǒng)三相反應(yīng)式步進電機的工作方式有三種：三相單三拍、三相雙三拍、三相單雙六拍?！叭唷笔侵付ㄗ永@組數(shù)有Ａ、Ｂ、Ｃ三相；“單”是指每次只有一相繞組通電（“雙”是指每次有兩相繞組同時通電）；“拍”是指定子繞組的通電狀態(tài)改變一次，例如“三拍”是指經(jīng)過三次通電狀態(tài)的改變，又重復(fù)以上通電變化規(guī)律。３步進電機的特點步進電機是一種可將電脈沖信號轉(zhuǎn)換為機械角位移的控制電動機，利用它可以組成一個簡單實用的全數(shù)字化伺服系統(tǒng)，并且不需要反饋環(huán)節(jié)。概括起來它主要有如下特點：（１）步進電機定子繞組每接收一個脈沖信號，控制其通電狀態(tài)改變一次，它的轉(zhuǎn)子便轉(zhuǎn)過一定角度，即步距角；上一頁下一頁返回知識鏈接一步進電機與步進驅(qū)動系統(tǒng)（２）改變步進電機定子繞組的通電順序，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向隨之改變；（３）步進電機定子繞組通電狀態(tài)的變化頻率越高，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速越高，但脈沖頻率變化過快，會引起失步或過沖（即步進電機少走或多走）；（４）定子繞組所加電源要求是脈沖電流形式，故也稱之為脈沖電機；（５）有脈沖就走，無脈沖就停，角位移隨脈沖數(shù)的增加而增加；（６）輸出轉(zhuǎn)角精度較高，一般只有相鄰誤差，但無累積誤差；（７）步距角與定子繞組相數(shù)ｍ、轉(zhuǎn)子齒數(shù)ｚ、通電方式ｋ有關(guān)，可用式（７－１）表示：上一頁下一頁返回知識鏈接一步進電機與步進驅(qū)動系統(tǒng)４步進電機的分類根據(jù)不同的分類方式，可將步進電機分為多種類型。（１）按力矩產(chǎn)生的原理來分。（２）按輸出力矩大小來分。伺服式：輸出力矩在百分之幾到十分之幾（Ｎ·ｍ），只能驅(qū)動較小的負載，要與液壓扭矩放大器配用，才能驅(qū)動機床工作臺等較大的負載。５步進電機的性能指標和選用（１）步進電機的性能指標。上一頁下一頁返回知識鏈接一步進電機與步進驅(qū)動系統(tǒng)①步距角及步距誤差。②矩角特性、最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩Ｍｊｍａｘ和啟動轉(zhuǎn)矩Ｍｑ。③啟動頻率ｆｑ?？蛰d時，步進電機由靜止突然啟動，并進入不失步的正常運行所允許的最高頻率，稱為啟動頻率或突跳頻率。若啟動時頻率大于突跳頻率，步進電機就不能正常啟動。空載啟動時，步進電機定子繞組通電狀態(tài)變化的頻率不能高于該突跳頻率。步進電機定子繞組通電狀態(tài)變化的頻率不能高于該突跳頻率。④連續(xù)運行的最高工作頻率ｆｍａｘ。上一頁下一頁返回知識鏈接一步進電機與步進驅(qū)動系統(tǒng)步進電機連續(xù)運行時，它所能接受的，即保證不失步運行的極限頻率ｆｍａｘ，稱為最高工作頻率。它是決定定子繞組通電狀態(tài)最高變化頻率的參數(shù)，它決定了步進電機的最高轉(zhuǎn)速。一般來說，連續(xù)運行的最高工作頻率ｆｍａｘ遠大于啟動頻率ｆｑ。⑤加減速特性。步進電機的加減速特性是描述步進電機由靜止到工作頻率和由工作頻率到靜止的加減速過程中，定子繞組通電狀態(tài)的變化頻率與時間的關(guān)系。當要求步進電機啟動到大于突跳頻率的工作頻率時，變化速度必須逐漸上升；同樣，從最高工作頻率或高于突跳頻率的工作頻率停止時，變化速度必須逐漸下降。逐漸上升和下降的加速時間、減速時間不能過小，否則會出現(xiàn)失步或超步。我們用加速時間常數(shù)Ｔａ和減速時間常數(shù)Ｔｄ來描述步進電機的升速和降速特性，如圖７－８所示。上一頁下一頁返回知識鏈接一步進電機與步進驅(qū)動系統(tǒng)（２）步進電機的選用。步進電機的性能直接影響了開環(huán)伺服系統(tǒng)的性能，所以合理選用步進電機是相當重要的。步進電機的選擇必須在滿足系統(tǒng)指標的前提下，綜合考慮各方面的因素，進行最優(yōu)選擇。有關(guān)步進電機的性能指標和參數(shù)很多，例如步距角、最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩、啟動頻率、連續(xù)運行最高頻率等，在前面已經(jīng)介紹過，下面主要介紹一下步進電機的選用方法。①首先根據(jù)負載性質(zhì)、最高進給速度等條件選定步進電機的類型。數(shù)控機床上大多使用功率式步進電機、反應(yīng)式步進電機，其價格低于永磁反應(yīng)式步進電機，但性能上不如永磁反應(yīng)式步進電機，故應(yīng)選擇性價比較高的型號。上一頁下一頁返回知識鏈接一步進電機與步進驅(qū)動系統(tǒng)②根據(jù)系統(tǒng)的精度、機床行程等要求，選擇進給軸的脈沖當量δ和絲杠螺距ｈ等機械傳動參數(shù)。一般選擇脈沖當量值小于精度要求，例如某車床加工精度要求００１５ｍｍ，可選Ｚ軸脈沖當量００１ｍｍ，Ｘ軸脈沖當量０００５ｍｍ。在脈沖當量δ和絲杠螺距ｈ確定后，可以初選步進電機的步距角α，當δ、α、ｈ三個參數(shù)仍滿足不了式（７－２）的約束時，最后還要在步進電機和絲杠之間增加減速齒輪傳動，以達到互相協(xié)調(diào)的目的。通過式（７－２）可以計算出齒輪減速比：上一頁下一頁返回知識鏈接一步進電機與步進驅(qū)動系統(tǒng)二、步進式伺服系統(tǒng)的控制原理及驅(qū)動控制１步進電機的控制原理對步進電機的控制最終是為了實現(xiàn)對工作臺的控制，下面分別從位移量、進給速度、進給方向等方面說明其控制過程。（１）工作臺位移量的控制。數(shù)控機床控制系統(tǒng)發(fā)出的Ｎ個進給脈沖，經(jīng)驅(qū)動線路之后，變成控制步進電機定子繞組通電、斷電的電平信號變化次數(shù)Ｎ，使步進電機定子繞組的通電狀態(tài)變化次數(shù)Ｎ。由步進電機工作原理可知，定子繞組通電狀態(tài)的變化次數(shù)Ｎ決定了步進電機的角位移?，該角位移經(jīng)絲杠螺母副之后轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ髋_的位移量Ｌ，即進給脈沖的數(shù)量Ｎ→定子繞組通電狀態(tài)變化次數(shù)Ｎ→步進電機的轉(zhuǎn)角?→工作臺位移量Ｌ。上一頁下一頁返回知識鏈接一步進電機與步進驅(qū)動系統(tǒng)（２）工作臺進給速度的控制。機床控制系統(tǒng)發(fā)出的進給脈沖的頻率ｆ，經(jīng)驅(qū)動控制線路之后，表現(xiàn)為控制步進電機定子繞組通電、斷電的電平信號變化頻率，也就是定子繞組通電狀態(tài)變化頻率。而定子繞組通電狀態(tài)的變化頻率ｆ決定了步進電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速ω。該轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ω經(jīng)絲杠螺母轉(zhuǎn)換之后，體現(xiàn)為工作臺的進給速度ｖ，即進給脈沖的頻率ｆ→定子繞組通電狀態(tài)的變化頻率ｆ→步進電機的轉(zhuǎn)速ω→工作臺的進給速度ｖ。（３）工作臺運動方向的控制。上一頁下一頁返回知識鏈接一步進電機與步進驅(qū)動系統(tǒng)當控制系統(tǒng)發(fā)出的進給脈沖是正向時，經(jīng)驅(qū)動控制線路，使步進電機的定子各繞組按一定的順序依次通電、斷電；當進給脈沖是負向時，驅(qū)動控制線路則使定子各繞組按與進給脈沖正向時相反的順序通電、斷電。由步進電機的工作原理可知，通過步進電機定子繞組通電順序的改變，可以實現(xiàn)對步進電機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)的控制，從而實現(xiàn)對工作臺的進給方向的控制。２步進電機的驅(qū)動控制步進電機的運行性能，不僅與步進電機本身和負載有關(guān)，而且和與其配套的驅(qū)動控制裝置有著十分密切的關(guān)系。步進電機驅(qū)動控制裝置主要由環(huán)形脈沖分配器和功率放大驅(qū)動電路兩大部分組成，如圖７－９所示。上一頁下一頁返回知識鏈接一步進電機與步進驅(qū)動系統(tǒng)（１）功率放大驅(qū)動電路。功率放大驅(qū)動電路完成由弱電到強電信號的轉(zhuǎn)換和放大，也就是將邏輯電平信號變換成電動機繞組所需的具有一定功率的電流脈沖信號。⑤細分控制驅(qū)動電路。（２）脈沖分配器。脈沖分配器完成步進電機繞組中電流的通斷順序控制，即控制插補輸出脈沖，按步進電機所要求的通斷電順序規(guī)律分配給步進電機驅(qū)動電路的各相輸入端，例如三相單三拍驅(qū)動方式，供給脈沖的順序為Ａ→Ｂ→Ｃ→Ａ或Ａ→Ｃ→Ｂ→Ａ，由于電動機有正反轉(zhuǎn)要求，因此脈沖分配器的輸出既是周期性的，又是可逆性的，因此也稱為環(huán)形脈沖分配。上一頁下一頁返回任務(wù)二Ｚ軸伺服驅(qū)動線路連接一、半閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)半閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)的作用是將位置檢測裝置安裝在驅(qū)動電機的端部或絲杠的端部，用來檢測絲杠或伺服電機的回轉(zhuǎn)角，間接測出機床運動部件的實際位置，經(jīng)反饋送回控制系統(tǒng)。其原理如圖７－１１所示。由于半閉環(huán)控制系統(tǒng)的反饋信號從驅(qū)動裝置（常用伺服電機）或絲杠引出，采樣旋轉(zhuǎn)角度進行檢驗，不是直接檢測運動部件的實際位置，故其精度比開環(huán)高，但相比全閉環(huán)稍差，不過半閉環(huán)環(huán)路內(nèi)由于不包括或只包括少量機械傳動環(huán)節(jié)，因此可獲得穩(wěn)定的控制性能，其系統(tǒng)的穩(wěn)定性雖不如開環(huán)系統(tǒng)，但比閉環(huán)要好。通過采取措施對這類誤差進行補償，仍可獲得滿意的精度。半閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、測試方便、精度也較高，因而在現(xiàn)代ＣＮＣ機床中得到了廣泛的應(yīng)用。下一頁返回任務(wù)二Ｚ軸伺服驅(qū)動線路連接二、旋轉(zhuǎn)編碼器編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式角位移測量元件，它能夠把機械轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換為電脈沖信號，根據(jù)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和檢測方式可分為接觸式、光電式和電磁式三種。光電式的精度和可靠性都優(yōu)于其他兩種，因而廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床上，常和伺服電機同軸連接或連接在滾珠絲杠末端，檢測伺服電機或絲杠的轉(zhuǎn)角。根據(jù)輸出信號形式的不同，旋轉(zhuǎn)編碼器可分為絕對值式和增量式兩種。上一頁下一頁返回任務(wù)二Ｚ軸伺服驅(qū)動線路連接常用的增量式編碼器為增量式光電編碼器，其結(jié)構(gòu)如圖７－１２所示，由光源、透鏡、光欄板、光電碼盤、光電元件及信號處理電路組成。光電碼盤是在一塊玻璃網(wǎng)盤上用真空鍍膜的方法鍍上一層不透光的金屬薄膜，再涂上一層均勻的感光材料，然后用精密照相腐蝕工藝，制成沿圓周等距的透光和不透光部分相間的輻射狀線紋，一個相鄰的透光或不透光線紋構(gòu)成一個節(jié)距Ｐ。在光電碼盤里圈的不透光圓環(huán)上還刻有一條透光條紋，用來產(chǎn)生一轉(zhuǎn)一個的脈沖信號Ｚ。光欄板固定在底座上，有兩段線紋組Ａ和Ｂ，每組線紋的節(jié)距與光電碼盤的節(jié)距相同，而Ａ組與Ｂ組的線紋彼此錯開１／４節(jié)距。光電碼盤與工作軸一起旋轉(zhuǎn)時，光線通過光欄板和光電碼盤產(chǎn)生明暗相間的變化，通過計量脈沖的數(shù)目，即可測出轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)角；通過計量脈沖的頻率，即可測出轉(zhuǎn)軸的速度；通過測量Ａ組與Ｂ組信號相位的超前或滯后的關(guān)系即可確定被測軸的旋轉(zhuǎn)方向。上一頁下一頁返回任務(wù)二Ｚ軸伺服驅(qū)動線路連接光電編碼器的精度取決于它所能分辨的最小角度，而這跟碼盤圓周上的條紋