河南科技大学教案

河南科技大学教案首页 课程名称 数控技术及装备 任课教师 张丰收 第 四 章 进给伺服系统 计划学时 10 教学目的和要求 通过本章的学习 使学生掌握数控机床伺服机构和位置检测装置的工作 原理和选用方法 要求了解伺服系统的组成和分类 掌握步进电机及其驱动装置和常用数 控机床的位置检测装置的工作原理 重点 伺服电机及其驱动 常用位置检测装置的工作原理 难点 数控机床常用伺服电机及其驱动和调速控制 思考题 4 1 试述进给他伺系统的组成以及各组成环节的作用和联系 4 2 简述闭环进给伺服系统的控制原理 4 3 简述步进电机的工作原理和使用特性 4 4 哪些因素影响开环进给伺服系统的精度 哪些措施可以提高系统的精度 4 5 试述位置检测装置的类型有哪些 常用的有哪些 第一节第一节 概述概述 一一 进给伺服系统的定义及组成进给伺服系统的定义及组成 1 定义 进给伺服系统 Feed Servo System 以移动部件 的位置位置和速度速度作为控 制量的自动控制系统 2 组成 进给伺服系统主要由以下几个部分组成 位置控制单元 速度控制单元 驱动元件 电机 检测与反馈单元 机械执行部件 二 二 NCNC机床对数控进给伺服系统的要求机床对数控进给伺服系统的要求 1 调速范围要宽且要有良好的稳定性 在调速范围内 调速范围 一般要求 稳定性 指输出速度的波动要少 尤其是在低速时的平稳性显得特别重要 2 输出位置精度要高 静态 静态 定位精度和重复定位精度要高 即定位误差和重复定位误差要小 尺寸精度 动态 动态 跟随精度 这是动态性能指标 用跟随误差表示 轮廓精度 灵敏度要高 有足够高的分辩率 3 负载特性要硬 在系统负载范围内 当负载变化时 输出速度应基本不变 即 F尽可能小 当负载突变时 要求速度的恢复时间短且无振荡 即 t尽可能短 应有足够的过载能力 这是要求伺服系统有良好的静态与动态刚度 4 响应速度快且无超调 这是对伺服系统动态性能的要求 即在无超调的前提下 执行部件的运动 速度的建立时间 tp 应尽可能短 通常要求从 0 Fmax Fmax 0 其时间应小于200ms 且不能有超调 否则对机械部件不利 有害于加工质量 5 能可逆运行和频繁灵活启停 6 系统的可靠性高 维护使用方便 成本低 综上所述 对伺服系统的要求包括静态和动态特性两方面 对高精度的数控机床 对其动态性能的要求更严 第二节第二节 进给伺服系统的位置检测装置进给伺服系统的位置检测装置 一 概 概 述述 组成组成 位置测量装置是由检测元件 传感器 和信号处理装置组成的 作用作用 实时测量执行部件的位移和速度信号 并变换成位置控制单元所要 求的信号形式 将运动部件现实位置反馈到位置控制单元 以实施闭环控制 它是闭环 半闭环进给伺服系统的重要组成部分 闭环数控机床的加工精度在很大程度上是由位置检测装置的精度决定的 在设计数控机床进给伺服系统 尤其是高精度进给伺服系统时 必须精心选择 位置检测装置 1 进给伺服系统对位置测量装置的要求 高可靠性和高抗干扰性 受温度 湿度的影响小 工作可靠 精度保持性好 抗干扰能力强 能满足精度和速度的要求 位置检测装置分辨率应高于数控机床的分辨率 一个数量级 位置检测装置最高允许的检测速度应数控机床的最高运行速度 使用维护方便 适应机床工作环境 成本低 3 位置检测装置的分类 按输出信号的形式分类 数字式和模拟式数字式和模拟式 按测量基点的类型分类 增量式和绝对式增量式和绝对式 按位置检测元件的运动形式分类 回转型和直线型回转型和直线型 常用位置检测装置分类表 二 感应同步器感应同步器 1 1 感应同步器的结构及分类感应同步器的结构及分类 结构 分类 2 2 感应同步器的工作原理感应同步器的工作原理 感应同步器是利用励磁绕组与感应绕组间发生相对位移时 由于电磁耦合 的变化 感应绕组中的感应电压随位移的变化而变化 借以进行位移量的检测 感应同步器滑尺上的绕组是励磁绕组 定尺上的绕组是感应绕组 感应同步器的工作原理 感应同步器的信号处理原理 滑尺正旋绕组上加激磁电压Us后 与之相耦合的定尺绕组上的感应电压为 Uos KUScos 1 滑尺余旋绕组上加激磁电压Uc后 与之相耦合的定尺绕组上的感应电压为 Uoc KUccos 1 2 K Ucsin 1 滑尺正 余旋绕组上同时加激磁电压Us Uc时 感应同步器的磁路可是为线性 的 根据叠加原理 则与之相耦合的定尺绕组上的总感应电压为 Uo Uos Uos KUScos 1 K Ucsin 1 K 电磁感应系数 1 定尺绕组上的感应电压的相位角 滑尺与定尺 相对位移量 x 的求取 2 2 x 1 x 1 结论 结论 相对位移量 x 与 相位角 1 呈线性关系 只要能测出相位角 1 就 可求得位移量 x 根据滑尺正 余旋绕组上激磁电压Us Uc供电方式的不同可构成不同检测 系统 鉴相型系统和鉴幅型系统 3 鉴相型系统的工作原理 在鉴相型系统中 激磁电压是频率 幅值相同 相位差为 2的交变电 压 US Um sin t UC Um cos t 则 Uo Uos Uos KUScos 1 K Ucsin 1 K Um sin t cos 1 K Um cos t sin 1 K Um sin t 1 结论 结论 只要能测出Uo与US相位差 1 就可求得滑尺与定尺相对位移量 x 4 鉴幅型系统的工作原理 在鉴幅型系统中 激磁电压是频率 相位相同 幅值不同的交变电压 US Um sin 2sin t UC Um cos 2sin t 2 x 2 x 2是指令位移值 Uo Uos Uos KUScos 1 K Ucsin 1 K Um sin 2 cos 1sin t K Um cos 2sin tsin 1 K Um sin 2 1 sin t 结论 结论 只要能测出Uo与UC相位差 1 就可求得滑尺与定尺 相 对位移量 x 5 几点说明 感应同步器的测量周期为其绕组的节距2 2mm 感应同步器的测量精度取决于测量电路对输出感应电压的细分精度 现在商品化的感应同步器的输出大多是脉冲量 使其能方便 地采用现代的 数字处理技术 6 感应同步器的特点及使用注意事项 特点 精度高 平均自补偿特性 对环境的适应能力强 抗湿 温度 热变形影响的能力强 维护简单 寿命长 非接触测量 无磨损 精度保持性好 测量距离长 通过接长可满足大行程测量的要求 串联方式 n 伺服驱动系统 伺服驱动系统 n n 的的2 32 3倍 倍 各个环节的各个环节的 n n 应相互错开 以免发生振动耦合现象 应相互错开 以免发生振动耦合现象 各个环节的各个环节的 n n应避开系统的工作频率范围 以免在工作频率上发生共振 应避开系统的工作频率范围 以免在工作频率上发生共振 2 D 对园弧轮廓加工精度的影响 D 对园弧轮廓加工精度的影响可用加工圆弧的半径变动量 R描述 通 常 R 的变化较为复杂 为此 可先讨论下面条件下的情况 KSX KSY KS 然后再定性的讨论其它较为复杂的情况 R R的求取的求取 讨论讨论 在条件一定的情况下 轮廓误差 R 与 KS 的平方成反比 轮廓误差 R与 F 的平方成正比 因 此 KS 或 F 可大大提高轮廓加工精度 轮廓误差 R与加工园弧的半径 R成反比 在小圆弧加工时 要保证加工 精度 进给速度F不能太高 在数控系统中 各轴进给伺服系统的增益均稍有差别 在进行轮廓加工时 会产生轮廓误差 因此 要求各轴的 KS 值尽量接近 尤其是在低增益系统 目前先进的CNC系统均带有跟随误差 D的监视和 KS 值的显示功能 3 跟随误差对拐角加工精度的影响 在轮廓加工过程中 常要求坐标轴瞬时启停或改变速度 这时进给伺服系 统的跟随误差就会影响轮廓精度 当在铣床上加工工件的内 外拐角时 其影 响尤其明显 解决上述问题的办法是 在编程时使第一段先减速到零 然后再启动第 二轴 在数控系统中由实现这种功能的指令 如G09 G60 等 除此之外 合理 选择 KS 也是至关重要的 1 1 低速进给运动平稳性的概念低速进给运动平稳性的概念 进给系统在低速进给时 在驱动速度是均匀的情况下 当系统的刚度不 足 摩擦力偏大等系统参数不恰当时 就会出现执行部件运动时快时慢 甚至 停顿的现象 这种现象称为爬行现象爬行现象 它是低速运动不平稳的体现 2 2 爬行现象产生的原因爬行现象产生的原因 3 3 爬行对加工精度的影响爬行对加工精度的影响 爬行是在低速运动时产生的 因此 在低速加工过程中易产生爬行现象 其危 害是影响进行运动平稳性 即均匀性 其结果是 使被