工艺技术_数控机床的伺服驱动与监测讲义

数控机床的伺服驱动与监测 第一节概述 一 伺服系统的概念数控机床伺服系统是以机械位移为直节控制目标的自动控制系统 也可称为位置随动系统 简称为伺服系统 数控机床伺服系统主要有两种 一种是进给伺服系统 它控制机床各坐标轴的切削进给运动 以直线运动为主 另一种是主轴伺服系统 它控制主轴的切削运动 以旋转运动为主 本章只介绍第一种伺服系统 CNC装置是数控机床发布命令的 大脑 而伺服驱动则为数控机床的 四肢 是一种 执行机构 它能夠准确的执行来自CNC装置的运动指令 驱动装置由驱动部件和速度控制单元组成 驱动部件由交流或直流电动机 位置监测元件及相关的机械传动和运动部件组成 伺服系统的控制方法主要分为开环 闭环和半闭环三种控制方法 它实际上是指伺服系统实现位置伺服控制的三种方式 开环控制只有从发出的位置指令输入到最后的位置输出的前向通道控制 而没有测量实际位置输出的反馈通道 由步进电动机直接驱动滚珠丝杆副的结构就是开环控制系统的实例 它的结构简单 调整维护方便 工作可靠 成本低 但每一指令脉冲的进给误差 传动链的误差间隙 导轨滑动时摩擦力的不均衡等造成的误差等最终都反映到实际位移中去 使得定位精度较低 此外 它的速度低 低速平稳性差 效率也较低 如果在电动机轴或丝杆上安装一个旋转变压器反馈转角的变化 则系统变成了半闭环系统 这样 与开环系统相比 半闭环系统 提高了精度 但它检测的反馈信号来自于系统中某一个非最终输出的环节 使得系统无法对这一环节到最终控制目标之间的误差自动进行补偿 在前向控制通道的基础上在加上直接检测最终输出的反馈控制通道就形成了闭环控制的伺服系统 检测元件通常为直线感应同步器和光栅等直线行位检元件 安装在最终的移动目标工作台上 伺服驱动系统的性能在很大程度上决定了数控机床的性能 数控机床的最高移动速度 跟踪速度 定位精度等重要的指标都取决于伺服系统的动态和静态特性 它一直是数控机床研究的重要课题之一 二 进给伺服系统的要求数控机床完成各种不同的加工任务 对进给伺服系统的要求也不尽相同 可概括为以下几点要求 1 精度高伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确程度 直接影响机的定位精度和重复定位精度 因而对零件的加工精度影响很大 精密加工的数控机床要求定位和轮廓切削精度都比较高 一般允许偏差在0 01 0 001mm之间 甚至到0 1um 2 调速范围宽调速范围Rn为Rn nmax nmin 式中nmax nmin 额定负载时的最高 最低转速 单位为r min 对一般的数控机床而言 进给伺服系统的调速范围Rn为1 24000就足够了 即在1 24000mm min调速范围内速度能够均衡 稳定 无爬行地工作 较为先进的机床可以获得更大的调速范围 3 快速响应为了保证轮廓切削形状精度和表面粗糙度 除了保证较高的定位精度外 还要求跟踪指令信号响应快 一般在200ms以内 甚至小于几十ms 4 低速大转矩切削加工的特点一般是在低速时进行重切削 为适应加工要求对伺服系统要求低速大转矩 系统具有这一特性 可以简化传动链 使传动装置机械结构得道简化系统刚性加强 使传动装置的动态质量和传动精度得到提高 4 高性能的伺服电动机伺服电动机是伺服系统的重要驱动元件 为满足上述要求 对伺服电动机的要求应该是 从最低速度到最高速度能平滑运转 具有大的 较长时间的过载能力 响应快 还要求能承受平凡的启动 制动和反转 进给驱动用的伺服电动机主要有步进电动机 直流和交流调速电动机 交流调速电动机是机床进给驱动的一个方向 自80年代中期开始 交流进给驱动得到了迅速的发展 今天 一些先进的国家几乎全部采用交流进给驱动 交流调速电动机是以异步电动机和永磁同步电动机为基础的交流电动机 而所采用的异步电动机多为批量生产的普通结构形式的异步电动机 可以预见 交流调速电动机将是最有发展前途的进给驱动装置 第二节步进电动机的驱动与应用 步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械角位移的驱动元件 给一个电脉冲信号 步进电动机就回转一个固定的角度 称为一步 所以称为步进电动机 有由于它输入的是脉冲电流 也称为脉冲电动机 步进电动机具有精度高 惯性小的特点 对各种干扰因素不敏感 误差不会长期积累 转过360 以后其积累误差为 0 它主要用于开环控制系统 使系统的结构简单 运行可靠 也可用于闭环控制系统 按励磁方式的不同 步进电动机可分为反应式 永磁式 感应式和混合式等 混合式步进电动机的结构和原理具有反应式和永磁式两种电动机的特点 在同样的励磁电流下 它可以产生更大的转矩 目前这种电动机以在数控机床等领域得到了广泛的应用 反应式步进电动机应用普遍 结构也简单 是我们分析的重点对向 一 步进电动机的工作原理图6 2所示为反应式步进电动机的结构原理图 它的定子和转子铁心通常由硅钢片叠成 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 假设转子上有四个齿 齿宽与定子的极靴宽相等 相邻两齿所对应的空间角度为齿距角 齿距角Ot为Ot 360 Zr式中Zr 转子齿数 在图6 2所示的三相 A B C 步进电动机中 Zr 4 齿距角Ot 90 二 步进电动机的主要性能指标1 步距角及步距精度同一相数的步进电动机通常有两种步距角 如1 5 0 75 1 2 0 6 3 1 5 等 单 双拍制的步距角比单拍制或双拍制的步距角减小一半 静态步距角误差是实际步距角与理论步距角之间的误差 以偏差的角度或理论步距角的百分数来衡量 它的值越小 就表示精度越高 按静态步距角误差 步进电动机的精度分为两级 如表6 1所示 中国最大的资料库下载 表6 1步进电动机步距角精度分级 步进电动机的精度可用步距角的误差或累积误差衡量 累积误差是指转子从任意位置开始 经过任意步后 转子的实际转角与理论转角之间的最大值 电动机转一周 其积累误差应为零 在一周内积累误差可大可小 可正可负 2 最大静转矩Tmax与起动转矩Tq 1 最大静转矩Tmax当定子一相绕组通电时 转子在 到 之间任何一个位置停留 当定子通电后 转子与定子齿都会对准 回到初始平衡位置 所以把空载静稳定区定为 到 之间 当转子受到外力的作用后 转子齿要偏离初始位置 这时定转子之间产生的定子转矩用以克服负载转矩 直到相互平衡 转子停在一个心的平衡点 这时转子齿所偏离的角度成为失调角 e 这时 电动机的静态转矩与失调角之间关系接近正弦变化 称之为矩角特性 图6 5中下图 T Tm sin e当 e 2时 T为最大静转矩 它表示步进电动机所能承受的最大静态转矩Tmax 显然 当转子加上负载后 其负载静稳定区在 2 2之间 当转子受到的负载转矩是脉动的情况下 转子的失调角将随负载变化而变化 可以看见转子在作轻微的晃动 这种现象是正常的 步矩角越小 晃动范围越小 对数控系统精度的影响也就越小 当多相通电时 矩角特性可由单项矩角特性以矢量和的方式算出 当绕组数大于3时 多相通电多数能提高静态转矩 见表6 2 功率较大的步进电动机多数采用大于三相的励磁绕组 而且多相通电 表6 2步进电动机多相通电时的转矩 2 最大起动转矩Tq图6 6表示三相步进电动机的矩角特性 图中相连两个矩角性的交点所对应的电磁转矩为起动转矩Tq 它代表步进电动机单相励磁时所能代动的极限转矩 当电动机所带的负载T1 Tq时 A相通电 转子的平衡点转到m处 在此点Tam T1 当由A相切换到B相时 B相在m点的电磁转矩Tbm Tam 在电磁转矩作用下 转过一个步矩角到达新的平衡位置n 此时 Tbn T1 显然 如果负载T1 Tq A B相的切换无法使转子到达新的平衡位置n 而产生 失步 现象 不同相数的步进电动机的起动转矩不同 一般相数越多 拍数越多 则气动转矩越大 根据步进电动机的相数 拍数选取起动转矩 见表6 3 表中Tmax为步进电动机的最大静转矩 3 起动频率和起动特性起动频率是指步进电动机不失步起动所能施加的最高控制脉冲频率 在电动机空载情况下 成为空载起动频率 在有负载情况下 不失步起动所允许的最高频率将大大降低 例如70BF3型步进电动机空载起动频率是1400Hz 当负载为最大转矩Tmax的0 55倍时 起动频率下降到50Hz 表6 3步进电动机相数 拍数 最大负载转矩表 步进电动机带一定负载起动后 连续缓慢提高脉冲频率直到不丢步运行的最高频率称为运行频率 它比起动频率大得多 因此步进电动机常采用升降速控制 起停时频率降低 正常运行时 频率升高 图6 7表示了负载转矩与运行频率的关系 频率选择时因满足下式ft fop 6 4 式中ft 步进电动机极限起动频率 fop 要求步进电动机最高起动频率 4 连续运行频率步进电动机在实际应用中一般均处在连续脉冲运行状态 控制脉冲的变化及对它的影响可分为三个区段 1 脉冲频率极低这时电动机的运行为连续的单步运动 一般电动机由一个稳定点变化到另一个稳定点时 转子要在新的稳定点附近来回振荡若干次 最后才稳定下来 当输入的脉冲时间间隔大于电动机振荡衰减时间时 第二个脉冲还没到来时 前一次的脉冲已经完毕 转子处在稳定位置 其运行过程如图6 8a所示 每一步都和单步运动一样 这种状态步进电动机能够跟随输入脉冲可靠的工作 2 脉冲频率很高这时脉冲间隔短 在前一步还没有振荡结束 后一个脉冲就已经来临 使步进电动机连续平滑的转动 转速比较稳定 如图6 8所示 3 低频共振当脉冲频率介于及低频和高频之间 容易接近于电动机本身的振荡频率 这时电动机将产生强烈振动 甚至失步无法工作 这就是步进电动机低频共振丢步现象 一般不允许步进电动机在共振频率下运行 为减少这一共振现象 很多步进电动机设置了专门的阻尼器 消耗振动能量 限制振幅 5 应用举例下面举一个模拟工作台的例子 工作台的纵向轴是导程P 1 25mm的普通丝杆副 步进电动机通过一对降速齿轮副与丝杆连接 设 丝杆轴向的负载Fa 500N 最大进给速度vmax 0 8m min 脉冲当量 0 002mm step 传动的总效率是 0 255 请选用步进电动机 设选用的徚进电动机的步矩角 s 0 75 step 1 确定步进电动机的起动力矩Tq当电动机在起动力矩Tq作用下转一个步矩角 s时 所作的功为WD Tq s 360 2 工作台克服负载Fa 位移 所做的功Wa Fa 根据能量守恒WD Wa得Tq 360 Fa 2 s 360 0 002 5000 2 3 14 0 75 0 255N mm 2997 3N mm 2 确定步进电动机最大静转矩Tmax为满足最小步矩要求 电动机选用三相六拍工方式 根据表6 3得Tq Tmax 0 866 则Tmax 299 73 0 866N cm 346 11N cm 3 确定步进电动机运行频率fmax 1000 vmax 60 1000 0 8 60 0 002Hz 6650Hz根据以上参数选电动机100BF003 它的Tmax 800N cm s 0 75 1 5 fmax 7000 三 脉冲分配由步进电动机的工作原理知 要使电动机正常的一步一步地运行 控制脉冲必须按一定的顺序分别供给电动机各相 例如三相单拍驱动方式 供给脉冲的顺序为A B C A或A C A 也可称为环形脉冲分配 脉冲分配有两种方式 一种是硬件脉冲分配 另一种是软件分配 是由计算机的软件完成的 1 脉冲分配器脉冲分配器可以用门电路及逻辑电路构成 提供符合步进电动机控制指令所需的顺序脉冲 目前已经有很多可靠性高 尺寸小 使用方便的脉冲分配器供选择 按其电路结构不同可分为TTL集成电路和CMOS集成电路 目前市场提供的国产TTL脉冲分配器有三相 YBO13 四相 YBO14 五相 YBO15 和六相 YBO16 均为18个管脚的直插式封装 CMOS集成脉冲分配器也有不同型号 例如CH250型用来驱动三相步进电动机 封装形式为本16脚直插式 这两种脉冲分配器的工作方式基本相同 当各个引脚连接好之后 主要通过一个脉冲输入端 控制步进的速度 一个输入端控制电动机的转向 并有与步进电动机相数相同数目的输出端分别控制电动机的各相 2 软件脉冲分配在计算机控制的步进电动机驱动系统中 通常采用软件的方法实现环形脉冲分配 图6 9所示是一个8031单片机与步进电动机驱动电路接口的框图 P1口的三个引脚经过光电隔离 功率放大后 分别与电动机的A B C三相连接 当采用三相六拍方式时 电动机正转的通常顺序为A AB B BC C CA A 电动机反转的顺序为A AC C CB B BA A 它们的环形分配如表6 4所示 蛇P1的某口为高电平时 相应的电动机相通电 把表中的数值按顺序存入内存的EPROM中 并分别设定表头的地址为TAB0 计算机的P1口按从表头开始逐步加1的顺序变化 电动机正相旋转 如果按从TAB5 逐步减1的顺序变化 电动机则反转 图6 10是控制电动机方向 速度的子程序流程图和源程序 子程序的如口 出口如下 入口 R6 步进电动机步数 R5 正反转控制 R5 0时为正 R5 0或R5 0时为反 R7 TAB数据表指针 以上参数在主程序中给定 出口 R7 子程序结束时电动机的状态 供下次调用时参考 源程序如下 SBU1 MOVDPTR TABAJMPREDO 转移去判断正反转DRIVER MOV R7 驱动步进电动机MOVA A DPTRMOVP1 AACALLDELAY 调延时子程序DJNZR6 REDO 距离不为0转移MOVR7 A 为0保存指针后返回RETREDO CJNER5 00 NON 如为反转则转移CJNER7 05 L1 正转 指针不到数组尾转移MOVR7 00H 否则指针清零AJMPDRIVERL1 INCR7 指针加1AJMPDRIVERNON CJNER7 00H L2 反转 指针不在数组首转移MOVR7 05H 否则指针置5AJMPDRIVERL2 DECR7 指针减1TAB DB01H 03H 02H 06H 04H 05H 这里省略了延时子程序 通过改变延时时间的长短来控制电动机的速度 在以计算机为控制核心的经济型数控机床中采用软件进行脉冲分配已形成趋势 虽然软件脉冲分配增加了编程的复杂程度 但它省去了环形脉冲分配器 系统减少了器件 降低了成本 也提高了系统的可靠性 四 驱动电源及速度控制环型脉冲分配器输出的电流很小 必需经过功率放大 过去常采用高低压驱动电源 现在则多采用恒流斩波和调频调压等形式的驱动电源 1 高低压驱动电源随着频率增大 步进电动机负载能力下降 如图6 11所示 当某一相绕组通电时 三极管VT1导通 绕组已经加上电压 但是绕组中的电流是按着指数规律上升 并将电源的一部分能量转换成势能存储在绕组中 电流的时间常数为Ti Lm R 6 5 式中Lm 步进电动机一相绕组的平均电感量 R 通电回路的电阻 包括绕组电阻 功率放大器输出级的内阻及串联电阻 当绕组断电 存储于绕组中的势能将以直线形式释放出来 电流按指数规律下降 其时间常数为Tu Lm Rd 6 6 式中Rd 放电回路电阻 它包括绕组 续流二级管正相电阻等 这使得绕组中电流只能缓慢的增加和下降 即电流波形有不陡的前沿和后沿 当输入频率较低时 每相绕组通电和断电的周期T较长 电流I的波形比较接近于理想的矩行波 如图6 12a所示 当频率升高后 周期T缩短 电流I来不及上升到稳定值就下降 电流的幅值降低 各相绕组电流几乎同时存在 如图6 12b致使负载能力下降 严重时不能起动 为了提高步进电动机的动态特性 必须使电流波形前后沿更陡些 在单一电压型电源中 可以在绕组回路中串联一个电阻R0 这时电动机的电流增长的时间常数变小 为Ti Lm R Ro 6 7 这样 电流波形的上升沿变陡 消耗了一部分功率 为了使电流波形更陡 在电阻Ro两端并联电容C 由于电容上的电压不能突变 在绕组通电瞬间相当于R0短路 电源电压全部加在电动机控制绕组上 电流迅速提高 二极管VD及串联电阻R1形成放电回路 绕组断电速度放慢 减小电动势 保护三极管VT1 这种驱动电源线路简单 供放元件小 成本低 但功耗大 只适用于小功率的步进电动机 为了弥补这些缺点 常采用高低压切换型电源 图6 13a所示是一个高低压切换型电源的原理图 当有输入的控制型号u后 三极管VT1 VT2的基极有电压输入 使VT1和VT2导通 在高压电源u1的作用下 二极管VD1承受反相电压 使低电压源不起作用 因此 电流I可以迅速上升 当到达a点时 利用定时电路使VT1截止 这时切换为低压电源u2起作用 此时绕组中的电流如图6 13b中ab短所示 这种电源的电动机绕组不需串联电阻 电源功耗小 电流波形得到了很大改善矩平特性很好 起动和运行频率得到较大的提高 2 恒流斩波驱动电源双电压功放电路缺点是在高低连接处出现谷点 引起力矩在谷点时下降 而斩波型功放电路克服了这一缺点 并提高 二 塑料导轨镶粘塑料导轨 已广泛用于数控机床上 其摩擦系数小 且动 静摩擦系数差很小 能防止低速爬行现象 耐磨性 抗撕伤能力强 加工性和化学稳定性好 工艺简单 成本低 并有良好的自润滑性和抗震性 塑料导轨多与铸铁导轨或淬硬钢导轨相配使用 1 塑料导轨的类型及特点近年来国内已研制了数十种塑料基体的复合材料用于机床导轨 其中比较引人注目的为应用较广的填充PTEE 聚四氟乙烯 软带材料 例如美国霞板 Shanban 公司的得尔塞 Turcite B 塑料导轨软带及我国的TSF软带 Turcite B自润滑复合材料是在聚四氟乙烯中填充50 的青铜粉 据称还加有二硫化钼 玻璃纤维和氧化物制成带状复合材料 具有优异的减磨 抗咬伤性能 不会损坏配合面 吸振性能好 低速无爬行 并可在干摩擦下工作 塑料导轨软带与其他导轨相比 有以下特点 1 摩擦系数低而稳定比铸铁导轨副低一个数量级 2 动 静摩擦系数相近运动平稳性和爬行性能较铸铁导轨副好 3 吸收振动具有良好的阻尼性 4 耐磨性好有自身润滑作用 无润滑油也能工作 5 化学稳定性好耐磨 耐低温 耐强酸 强碱 强氧化剂及各种有机溶液 6 维护修理方便软带耐磨 损坏后更换容易 7 经济性好结构简单 成本低 约为滚动导轨成本的1 20 为三层复合材料DU导轨成本的1 4 2 Turcite B塑料软带的工作特性贴塑导轨的摩擦特性如图7 27所示的摩擦系数 速度特性曲线可知 其动 静摩擦系数相差很小 而且摩擦系数 速度特性曲线的斜率是正斜率 并具有良好的自润滑性 所以在短油或干摩擦下也不致拉伤导轨面 塑料导轨的pv值pv值是摩擦副的重要技术指标 在设计机床导轨尺寸时 应根据滑动速度v与比压p之值按图7 28所示pv线图选取 使p与v的交点处于曲线的下方 如满足不了要求 可加大导轨面积 以降低比压p值来满足要求 一般导轨的比压p 0 1Mpa 0 2Mpa 贴塑导轨的承载能力Turcite B软带的变形小 在比压p为14Mpa 温度为50 C时其变形不得超过原有厚度的5 在机床导轨上使用时 在任何情况下的变形率都应低于1 因此 在设计机床导轨尺寸时应注意减小导轨的比压 以获得较高的运动精度 此种软带的厚度有0 8mm 1 6mm及3 2mm等几种 根据承载变形宜选用厚度小的规格 如考虑到加工余量 一般选用厚度为1 6mm 约1 16 为宜 贴塑导轨的其他性能Turcite B软带粘结剪切强度高达7Mpa 弹性模量小于金属材料 可防止振动 减少噪音 导轨副的磨损量小 若采用定时定量润滑 可进一步提高导轨的使用寿命 3 塑料软带的应用及粘贴工艺塑料导轨副多为塑料 金属 塑料软带一般粘贴在短的动导轨上 不受导轨形式的限制 各种组合形式的滑动导轨均可粘贴 粘贴工艺如下 金属导轨平面加工粘贴软带的导轨面可刨或可铣加工成两边带支边的表面粗糙度Ra25 m 12 5 m的凹槽或平面 槽边各留3mm 10mm宽的挡边 槽深一般可选软带厚度的1 2 2 3 如加工成平面 要在两边临时粘接几个等高垫块 防止粘接软带加压时移位 胶层固化后再去掉垫块 配对金属导轨面的粗糙度要求Ra0 4 m 0 8 m 太大使软带产生划痕 太小则不能形成聚四乙稀转移膜 会使软带加快磨损 对磨导轨面硬度要求在25HRC以上 软带切成形及清洗粘接前按导轨面的几何尺寸将软带切割成形 适当考虑工艺裕量 软带表面需经过处理 先用各种清洗剂包括丙酮将软带洗净 在该牌号指定的去处不可粘性的溶液中按时浸透 再用丙酮和水等清洗后干燥备用 粘接及加工粘接时 将该牌号软带指定的胶粘剂按规定工艺用刮刀分别涂布于软带表面和粘接软带导轨面上 使胶层中央略高于四周 粘接层厚度0 1mm左右 接触压力为0 05Mpa 0 1MPa 粘贴好之后 把运动部件翻转就位扣压在静导轨上 利用运动部件自身重量或外加一定重量 使固化压力达0 1Mpa 0 15MPa 经24h室温固化 将运动部件吊起翻转 用小木锤轻敲整条软带 若敲打时各处声响音调一致 说明粘接质量好 然后检查动静导轨的接触精度 让导轨副对研或机械加工 并刮削到接触面的斑点符合要求 着色点面积达50 以上 为止 根据设计要求 可在软带上开出油槽 油槽一般不开穿软带 宽度5mm左右 并可用仪器测出软带导轨的实际摩擦系数 贴塑导轨有逐渐取代滚动导轨的趋势 不仅适用于数控机床 而且还适用于其他各种类型机床导轨 它在旧机床修理和数控化改装中可以减少机床结构的修改 因而更加扩大了塑料导轨的应用领域 三 交流伺服电动机驱动简介支流伺服电动机具有很多优点 但它由于装有电刷和换向片 尺寸较大且必须定期维修 特别是受换向器限制 容量较小 电枢电压较低 很多特性参数随速度而变化 因而限制了支流伺服电动机高速度 大容量的发展 70年代以来 随着大规模集成电路和计算机控制技术的发展以及现代控制理论的应用 特别是矢量控制技术的应用 使得交流伺服电动机具备了调速范围宽 稳速 精度高 动态响应快以及良好的技术性能 目前国外已有系列化的交流伺服电动机 我国已研制出此种电动机 交流伺服电动机采用了全封闭无刷构造 不需要定期检查维修 定子省去了铸造件壳体 结构紧凑 质量小 定子铁心较一般电动机开槽多且深 绝缘可靠 磁场均匀 可对定子铁心直接冷却 散热效果好 因而传动机械部分的热量少 提高了整个系统的可靠性 转子采用具有精密磁极形状的永久磁铁 因而可得到高的转矩 惯量比 因此交流伺服电动机以其高性能 大容量得到了广泛的应用 交流伺服电动机提高其性能的关键在于解决对交流电动机的控制与驱动 目前采用的是一种新的控制方法 利用微机对交流电动机作矢量变换控制 第四节常用位置检测装置 一 概述1 位置检测装置的要求在闭环数控系统中 必须利用位置检测装置把机床运动部件的实际位移量随时检测出来 与给定的控制值进行比较 从而控制驱动元件正确运转 使工作台 或刀具 按规定的轨迹和坐标移动 因此 位置检测装置是数控机床的关键部件之一 它对于提高数控机床的加工精度有决定性的影响 为此 对位置检测装置提出如下要求 1 在机床工作台移动范围内 能满足精度和速度的要求 不同类型的数控机床对检测装置的精度和速度要求不一样 通常要求检测元件的分辨度 即检测的最小位移量 在0 0001 0 01mm之内 测量精