数控技术51ppt课件

1,第5章数控机床的伺服系统,2,3,5.1伺服系统概述,数控机床的伺服系统按其功能可分为：进给伺服系统和主轴伺服系统。主轴伺服系统用于控制机床主轴的转动。进给伺服系统是以机床移动部件（如工作台）的位置和速度作为控制量的自动控制系统，通常由伺服驱动装置、伺服电机、机械传动机构及执行部件组成。,一、伺服系统的组成,4,进给伺服系统的作用：接受数控装置发出的进给速度和位移指令信号，由伺服驱动装置作一定的转换和放大后，经伺服电机（直流、交流伺服电机、功率步进电机等）和机械传动机构，驱动机床的工作台等执行部件实现工作进给或快速运动。数控机床的进给伺服系统能根据指令信号精确地控制执行部件的运动速度与位置，以及几个执行部件按一定规律运动所合成的运动轨迹。如果把数控装置比作数控机床的“大脑”，是发布“命令”的指挥机构，那么伺服系统就是数控机床的“四肢”，是执行“命令”的机构，它是一个不折不扣的跟随者。,5,进给伺服系统是数控装置和机床机械传动部件间的联系环节，是数控机床的重要组成部分。它包含机械、电子、电机（早期产品还包含液压）等各种部件，并涉及到强电与弱电控制，是一个比较复杂的控制系统，要使它成为一个既能使各部件互相配合协调工作、又能满足相当高的技术性能指标的控制系统是一个相当复杂的任务。在现有技术条件下，CNC装置的性能已相当优异，并正在迅速向更高水平发展，而数控机床的最高运动速度、跟踪及定位精度、加工表面质量、生产率及工作可靠性等技术指标，往往又主要决定于伺服系统的动态和静态性能，数控机床的故障也主要出现在伺服系统上，可见，提高伺服系统的技术性能和可靠性，对于数控机床具有重大意义，研究与开发高性能的伺服系统直是现代数控机床的关键技术之一.,6,图5-1闭环进给伺服系统结构,数控机床闭环进给系统的一般结构如下图所示，这是一个双闭环系统，内环为速度环，外环为位置环。速度环由速度控制单元、速度检测装置等构成。,7,速度控制单元是一个独立的单元部件，它是用来控制电机转速的，是速度控制系统的核心。速度检测装置有测速发电机、脉冲编码器等。位置环是由CNC装置中的位置控制模块、速度控制单元、位置检测及反馈控制等部分组成。由速度检测装置提供速度反馈值的速度环控制在进给驱动装置内完成，而装在电动机轴上或机床工作台上的位置反馈装置提供位置反馈值构成的位置环由数控装置来完成。伺服系统从外部来看，是一个以位置指令输入和位置控制为输出的位置闭环控制系统。但从内部的实际工作来看，是先把位置控制指令转换成相应的速度信号后，通过调速系统驱动伺服电机，才实现实际位移的。,8,图5-2伺服电机,9,图5-3滚珠丝杠,10,二、对伺服系统的基本要求,1.位置精度高,伺服系统的定位精度是指输出量能复现输入量的精确程度。伺服系统的位移精度是指指令脉冲要求机床工作台进给的位移量和该指令脉冲经伺服系统转化为工作台实际位移量之间的符合程度。两者误差愈小，位置精度愈高。在数控加工过程中，对机床的定位精度和轮廓加工精度要求都比较高，一般定位精度要达到0.010.001mm，有的要求达到0.1m；而轮廓加工与速度控制和联动坐标的协调控制有关，这种协调控制，对速度调节系统的抗负载干扰能力和静动态性能指标都有较高的要求。,11,稳定性是指系统在给定外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来平衡状态的能力。要求伺服系统具有较强的抗干扰能力，保证进给速度均匀、平稳。稳定性直接影响数控加工精度和表面粗糙度。,2.稳定性好,12,3.快速响应快速响应是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统跟踪精度。机床进给伺服系统实际上就是一种高精度的位置随动系统，为保证轮廓切削形状精度和低的表面粗糙度，要求伺服系统跟踪指令信号的响应要快，跟随误差小。在加工过程中，为了保证轮廓的加工精度，降低表面粗糙度，要求系统跟踪指令信号的速度要快，过渡时间尽可能短，而且无超调，一般应在200ms以内，甚至几十毫秒。这两项指标往往相互矛盾，实际应用时应采取一定的措施，按工艺要求加以选择。,13,4.调速范围宽调速范围是指数控机床要求电机能提供的最高转速和最低转速之比。此最高转速和最低转速一般是指额定负载时的转速，对于少数负载很轻的数控机床，也可以是实际负载时的转速。在数控机床中，由于所用刀具、加工材料及零件加工要求的不同，为保证在各种情况下都能得到最佳切削条件，就要求伺服系统具有足够宽的调速范围，一般要求调速范围应达到1:1000，而性能较高的数控系统调速范围应能达到1:10000，而且是无级调速。主轴伺服系统主要是速度控制，它要求低速（额定转速以下）恒转矩调速具有1:1001000调速范围，高速（额定转速以上）恒功率调速具有1:10以上的调速范围。,14,5、系统可靠性要好数控机床的使用率要求很高，常常是24小时连续工作不停机。因而要求伺服系统工作可靠。三、伺服系统的分类数控机床的伺服系统按其控制原理和有无位置反馈装置分为开环和闭环伺服系统；按其用途和功能分为进给驱动系统和主轴驱动系统；按其驱动执行元件的动作原理分为电液伺服驱动系统和电气伺服驱动系统。电气伺服驱动系统又分为直流伺服驱动系统、交流伺服驱动系统及直线电动机伺服系统。,15,开环伺服系统采用步进电机作为驱动元件，没有位置反馈回路和速度反馈回路，因此设备投资低，调试维修方便，但精度差，高速扭矩小，被用于中、低档数控机床及普通机床改造。如下图为开环伺服系统简图，步进电机转过的角度与指令脉冲个数成正比，其速度由进给脉冲的频率决定。,（一）开环和闭环伺服系统,第一节伺服系统概述,16,闭环伺服系统又可进一步分为闭环和半闭环伺服系统。闭环伺服系统的位置检测装置安装在机床的工作台上，检测装置测出实际位移量，并将测量值反馈给CNC装置，与指令进行比较，求得差值，依此构成闭环位置控制。闭环方式被大量用在精度要求较高的大型数控机床上。,半闭环伺服系统一般将位置检测元件安装在电动机轴上，用以精确控制电机的角度，然后通过滚珠丝杠等传动部件，将角度转换成工作台的位移，为间接测量(见下图）。即坐标运动的传动链有一部分在位置闭环以外，其传动误差没有得到系统的补偿，因而半闭环伺服系统的精度低于闭环系统。目前在精度要求适中的中小型数控机床上，使用半闭环系统较多。,第一节伺服系统概述,17,指令+-速度反馈位置反馈图5-5半闭环伺服系统简图,第一节伺服系统概述,18,指令+-速度反馈位置反馈图5-6闭环伺服系统简图,位置比较,速度控制,工作台,伺服电机,第一节伺服系统概述,19,（二）进给驱动与主轴驱动进给伺服系统包括速度控制环和位置控制环，用于数控机床工作台或刀架坐标的控制系统，控制机床各坐标轴的切削进给运动，并提供切削过程所需转矩。主轴伺服系统只是一个速度控制系统，控制机床主轴的旋转运动，为机床主轴提供驱动功率和所需的切削力，且保证任意转速的调节。,第一节伺服系统概述,20,主轴高速化：采用电主轴（内装式主轴电机）。FANUC研制的MS112L主轴1122KW，重170Kg，力矩60NM，转速20000rpm；主轴转速的最高加（减）速为1.0g，即仅需2.0秒即可从0提速到20000r/min。,第一节伺服系统概述,图5-7电主轴结构,21,电主轴结构,22,电主轴及轴承的冷却,由于电主轴的转速很高，运转时会产生大量热量，引起电主轴的温升，严重影响电主轴的正常工作。因此必须严格控制电主轴的温度使其衡定在一个恒定值内。强制循环油冷却的方式对电主轴的定子及主轴轴承进行冷却，确保电主轴在恒定的温度范围内正常工作具体措施，以经过油冷却装置的冷却油强制性地在主轴定子外及主轴轴承外循环带走电主轴转速产生的热量,23,电主轴主轴轴承的润滑,电主轴主轴轴承的润滑可根据具体的使用要求，当转速要求不是太高时，根据选用轴承提供的数据在允许范围内可使用油脂润滑，因为油脂润滑简单方便不须任何附加设施当主轴转速要求较高油脂润滑不能满足时可以考虑采用油雾润滑喷油润滑及油气润滑目前国际上最流行的是油气润滑油气润滑必须使用相应的油气润滑装置其原理是用微量泵定时打出定量小油滴经通过净化冷却的干燥空气来润滑每个轴承的润滑点,24,电主轴发展趋势,采用交流永磁同步电动机对比现有的交流异步电动机,它有以下优点:(1)转子用永磁材料制造,工作过程中转子不发热。而当采用交流异步电动机时,定子发热虽可用水冷却,但转子发热却无法得到充分冷却。(2)功率密度更高,即可用较小的尺寸得到较大的功率和转矩,有利于缩小电主轴的径向尺寸。(3)转子的转速严格与电源频率同步,因此功率因数高,效率也高。(4)也可采用矢量控制,且电路比异步电动机简单。,25,（三）直流伺服系统、交流伺服系统与直线电动机伺服系统直流伺服系统就是控制直流电机的系统。目前使用比较多的是永磁式直流伺服电机。永磁直流伺服电机（也称为大惯量宽调速直流伺服电机），调速范围宽，输出转矩大，过载能力强，而且电机转动惯量较大，应用较方便。,26,但直流电机有电刷，限制了转速的提高，而且结构复杂，价格也高。进入80年代后，由于交流电机调速技术的突破，交流伺服驱动系统进入电气传动调速控制的各个领域。交流伺服电机，转子惯量比直流电机小，动态响应好。而且容易维修，制造简单，适合于在较恶劣环境中使用，易于向大容量、高速度方向发展，其性能更加优异，已达到或超过直流伺服系统，交流伺服电机已在数控机床中得到广泛应用。,27,直线电动机的实质是把旋转电动机沿径向剖开，然后拉直演变而成，利用电磁作用原理，将电能直接转换成直线运动动能的一种推力装置，是一种较为理想的驱动装置。在机床进给系统中，采用直线电