数控机床的伺服系统概述(PPT 125页).ppt

数控技术,1,第六章数控机床的伺服系统,第一节概述第二节开环步进式伺服系统第三节数控机床的检测装置第四节闭环伺服系统第五节闭环伺服系统分析,数控技术,2,第一节概述,定义：以位置和速度作为控制对象的自动控制系统又称：随动系统。即输出随输入而变化。伺服：侍候和服从功用：接受CNC装置送来的进给指令脉冲，经过一定的信号转换，功率放大，转化为机床各坐标轴的进给运动（承上启下：桥梁作用）,数控技术,3,第一节概述,功能的实现：主要通过对步进电机、伺服电机的控制来实现。综述：伺服驱动系统作为一种实现进给运动的执行机构，是数控机床的一个重要组成部分，在很大程度上决定了数控机床的性能。伺服控制技术是数控机床的关键技术之一。,数控技术,4,第一节概述,一、数控机床对伺服系统的要求二、伺服驱动系统的基本组成三、伺服驱动系统的分类,数控技术,5,一、数控机床对伺服系统的要求,1精度高一般脉冲当量为0.010.001mm2快速响应特性好能在200ms以内恢复平衡3调速范围大调速范围在110000之间4可靠性好平均无故障工作时间达一万小时以上。,数控技术,6,二、伺服驱动系统的基本组成,1比较环节（开环没有）2驱动控制单元3执行元件4反馈检测单元（开环没有）,比较控制环节,检测与反馈单元,驱动控制单元,电机,机械执行部件,CNC插补指令,数控装置,伺服驱动系统的基本组成,数控技术,7,三、伺服驱动系统的分类,一般根据其控制原理和有无位置检测反馈环节来进行分类：1开环伺服系统2闭环伺服系统3半闭环伺服系统,数控技术,8,1开环伺服系统,数控技术,9,2闭环伺服系统,数控技术,10,3半闭环控制系统,数控技术,11,第二节开环步进式伺服系统,开环步进式伺服系统主要由：环形脉冲分配器（环分）功率放大器（功放）步进电机等组成工作时从左向右，设计时从右向左。所以先看步进电机。,数控技术,12,一、步进电机的工作原理和特性,1、概念：每给一个脉冲走一步。2、类型：根据力矩产生原理：反应式、励磁式、混合式根据相数：三相、四相、五相、根据绕组分布：径向绕组、轴向绕组、混合绕组根据运动方式：回转式、直线式3、应用：数控机床、机器人、打印机,数控技术,13,轴向绕组,数控技术,14,三相、径向、反应式步进电机工作原理,组成：转子（带齿）定子（6个磁极、三相绕组）。通电方式：单三拍正转：A-B-C-A单三拍反转：A-C-B-A双三拍正转：AB-BC-CA-AB双三拍反转：AC-CB-BA-AC三相六拍正转：A-AB-B-BC-C-CA-A三相六拍反转：A-AC-C-CB-B-BA-A,数控技术,15,工作原理,数控技术,16,单三拍电压波形,数控技术,17,双三拍电压波形,数控技术,18,三相六拍电压波形,数控技术,19,径向式步进电机结构图,数控技术,20,步进电机的基本特点,1）转角与脉冲数成正比）转速与脉冲频率成正比3）转向取决于通电顺序4）输出转角精度高5）自整角能力缺点:（）效率低（）没有过载能力（）低频共振现象或震荡,数控技术,21,步进电机的主要特性,步距角和步距误差启动频率3连续运行的最高工作频率fmax4加减速特性5矩频特性和动态转矩,数控技术,22,步距角和步距误差步距角：0mzk式中：m_步进电机相数z_转子齿数k_拍数和相数的比例系数三相三拍制式时，k=1;三相六拍制式时，k=步距误差：转子每一步实际转过的角度与理论步距角之差,步进电机的主要特性,数控技术,23,启动频率空载时，步进电动机由静止状态突然起动，并进入不丢步的正常运行的最高频率，称为起动频率或突跳频率。加给步进电动机的指令脉冲频串如大于起动频率，就不能正常工作。步进电动机在带负载(尤其是惯性负载)下的起动频率比空载要低，而且，随着负载加大(在允许范围内)，起动频率会进一步降低。,步进电机的主要特性,数控技术,24,连续运行的最高工作频率fmax：步进电动机启动以后，其运行速度能跟踪指令脉冲频率连续上升而不丢步的最高工作频率，称为连续运行频率。其值远大于起动频率，它也随着电动机所带负载的性质和大小而异，与驱动电源也有很大关系。,步进电机的主要特性,数控技术,25,加减速特性：在加减速的过程中通电状态变化的频率与时间的关系。要求：加速时要逐渐加速；减速时要逐渐减速。,步进电机的主要特性,数控技术,26,矩频特性和动态转矩：矩频特性M=F(f)是描述步进电动机连续稳定运行时输出转矩与连续运行频率之间的关系(见图2-25)。该特性上没一个频率对应的转矩称为动态转矩。使用时，一定要考虑动态转矩随连续运行频率的上升而下。,步进电机的主要特性,数控技术,27,二、步进电机的选择,根据运行速度、负载转矩、负载转动惯量、步距角来选择。Mm=（Jm+Jleq）1+MleqJLeq=J1+J2/+（t/2)2W/gMleq=t/(2)（FL+W）,数控技术,28,三、步进电机的驱动控制线路,功能：将具有一定频率、一定数量和方向的进给脉冲转换成控制步进电机各相绕组通断的电平信号。,进给脉冲,脉冲混合电路,加减脉冲分配电路,加减速电路,环形分配器,功率放大器,步进电机,数控技术,29,1脉冲混合电路：将各种信号混合成工作台正向进给的“正向脉冲”和反向进给的-2加减脉冲分配电路：从正在进给方向的进给脉冲指令中，抵消相同数量的相反方向的补偿脉冲,三、步进电机的驱动控制线路,数控技术,30,三、步进电机的驱动控制线路,3加减速电路（升降速电路）,数控技术,31,硬件环形分配器：如集成块CH250、YB016等，它一般由D-触发器、J-K触发器、CMOS电路和门电路组成。软件环形分配器：比较简单，但速度慢些，多占用I/O点。,4环形分配器,三、步进电机的驱动控制线路,数控技术,32,JK触发器组成的五相十拍环形分配器组成：五个组合逻辑控制门、五只JK触发器JK触发器的特性：CP=1时，正向输出=J端的输入CP=0时，输出不变。JK触发器的作用：使送来分配的脉冲处于低电平时输出保持原来的状态。通电顺序：ABCBCBCDCDCDEDEDEAEAEABABABC,三、步进电机的驱动控制线路,数控技术,33,指令脉冲经两个反相器驱动，作为触发脉冲送到各触发器开始工作时，由清零控制线将五个触发器置为“0”状态，这时：A=1B=1C=1D=0E=0以正向控制为例说明原理。K+为1，K-为0时，只有正向控制门起作用。各触发器J端的输入状态：A1J=-A3A2J=A4A3J=A5A4J=A1A5J=A2,五相十拍环形分配器,数控技术,34,A1J=-A3=CA2J=A4=DA3J=A5=EA4J=A1=-AA5J=A2=-B,数控技术,35,五相十拍环分正向工作过程,初态：A=1B=1C=1D=0E=0A1准备翻转第一个脉冲：A=0B=1C=1D=0E=0A4准备翻转第二个脉冲：A=0B=1C=1D=1E=0A2准备翻转第三个脉冲：A=0B=0C=1D=1E=0A5准备翻转第四个脉冲：A=0B=0C=1D=1E=1A3准备翻转第五个脉冲：A=0B=0C=0D=1E=1A1准备翻转第六个脉冲：A=1B=0C=0D=1E=1A4准备翻转第七个脉冲：A=1B=0C=0D=0E=1A2准备翻转第八个脉冲：A=1B=1C=0D=0E=1A5准备翻转第九个脉冲：A=1B=1C=0D=0E=0A3准备翻转第十个脉冲：A=1B=1C=1D=0E=0A1准备翻转回到初态，一个循环结束。,A1J=-A3=CA2J=A4=DA3J=A5=EA4J=A1=-AA5J=A2=-B,数控技术,36,单电压功放双电压功放,三、步进电机的驱动控制线路,5功率放大器,数控技术,37,单电压功放,末级功放采用大功率晶体管，工作在开关状态（要么饱和，要么截止）二极管：提供放电回路，保护三极管电阻：提高电流上升速度，但消耗功率,数控技术,38,单电压功放,数控技术,39,双电压功放,L绕组VT1高压管VT2低压管工作过程：环分每相输出的脉冲信号分成两路：一路控制T2的导通和截止。当T2导通时，U2-L-R-T2-地；另一路，经微分电路或单稳态触发器，靠窄脉冲控制高压管的导通和截止。一开始高压供电，后来低压供电。特点：高压供电，电流上升快，有利于提高启动频率和最高工作频率：低压供电时，能维持额定电流值，而功耗较低,数控技术,40,高低压驱动电路,高压,低压,停,线圈,1S几千次!,驱动器:电路集成,数控技术,41,环分加驱动简称驱动,CP,DIR,+5V,59V,U,V,W,华龙,数控技术,42,电流波形,数控技术,43,四提高步进伺服系统精度的措施,1传动间隙补偿2螺距误差补偿3细分电路,数控技术,44,螺距误差补偿,数控技术,45,细分电路,在进给速度不变的情况下,步距角相当于原来多少?,数控技术,46,第三节数控机床的检测装置,概述进给伺服系统对位置测量装置的要求位置检测装置的分类旋转变压器感应同步器光栅脉冲编码器,数控技术,47,概述,检测装置是闭环伺服系统的重要组成部分作用：检测各种位移和速度，发出反馈信号，构成闭环控制闭环系统的加工精度主要取决于-分辨率：位移检测系统能测出的最小位移量要求：工作可靠，抗干扰能力强；使用维护方便；满足精度、位移、速度要求；成本低。,数控技术,48,位置检测装置分类：,概述,数控技术,49,一、旋转变压器,1旋转变压器的结构2工作原理鉴相工作法鉴幅工作法3旋转变压器的应用,数控技术,50,1旋转变压器的结构,旋转变压器是一种角位移测量装置，由定子和转子组成。相似于两相绕线式异步电动机旋转变压器的工作原理与普通变压器基本相似，其中定子绕组作为变压器的一次侧，接受励磁电压。转子绕组作为变压器的二次侧，通过电磁耦合得到感应电压，只是其输出电压大小与转子位置有关。旋转变压器通过测量电动机或被测轴的转角来间接测量工作台的位移。分为有刷式和无刷式形式：旋转变压器分为单极和多极形式，两极绕组、四极绕组,数控技术,51,电磁耦合：在定子绕组上加激磁电压，在转子绕组两端取出感应电压，再根据感应电压的相位角或幅值来测量转子的转角。,在相对转角较小时，正比于感应电压的幅值，转子和定子的磁轴垂直。转子安装在丝杠上，定子安装在底座上，则角代表的是丝杠转过的角度，间接反映了工作台位移。只要测出幅值，便间接得出和工作台位移,2工作原理,数控技术,52,旋转变压器的应用,四极绕组旋转变压器作为位置检测装置，有两种典型工作方式：鉴相式：根据感应输出电压的相位来检测位移量；鉴幅式：根据感应输出电压的幅值来检测位移量。,数控技术,53,旋转变压器的应用,给定子两绕组分别通以幅值相同、频率相同、相位差900的交流励磁电压，即这两个励磁电压在转子绕组中都产生了感应电压，转子中的感应电压应为这两个电压的代数和：,由式可见，转子输出电压的相位角和转子的偏转角之间有严格的对应关系，这样，只要专用鉴相器检测出转子输出电压的相位角，就可知道转子的转角。由于旋转变压器的转子和被测轴连接在一起，被测轴的角位移就知道了。,鉴相式工作方式：,数控技术,54,旋转变压器的应用,鉴幅式工作方式：,给定子的两个绕组分别通以频率相同、相位相同、幅值分别按正弦和余弦变化的交流激磁电压，即,则转子上的叠加电压为,由式可见，转子感应电压的幅值随转子的偏转角而变化，用专用鉴相器测量出幅值即可求得转角。,数控技术,55,3旋转变压器的应用,Sin/cos,A/D,工作台,D/A,放大器,伺服电机,定子,转子,反馈脉冲,指令脉冲,丝杠,寄存,请问：此图的工作方式是鉴相型，还是鉴幅型？,前向通道反馈通道,数控技术,56,二、感应同步器,1感应同步器的结构特点2感应同步器的工作原理3感应同步器的使用4性能特点与应用场合,数控技术,57,1感应同步器结构,数控技术,58,感应同步器安装图,数控技术,59,2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。,数控技术,60,2感应同步器的工作原理,当滑尺正旋绕组上加激磁电压Vs后，与之相耦合的定尺绕组上的感应电压为：VB=KVScos滑尺余旋绕组上加激磁电压Vc后，与之相耦合的定尺绕组上的感应电压为：VB=KVccos（+/2）=KVSsin滑尺正、余旋绕组上同时加激磁电压Vs、Vc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：VB=VBS+VBC=KVScosKVcsinK电磁感应系数定尺绕组上的感应电压的相位角,数控技术,61,鉴相式工作方式,为何能测0.001mm?,数控技术,62,3感应同步器的使用,A安装时，定尺安装在机床固定部件上，滑尺安装在移动部件上，定尺与滑尺都应该与机床导轨面平行B可拼装成各种需要的长度，定尺200mmC注意安装间隙，定尺与滑尺间隙0.25+0.05mm,数控技术,63,4性能特点与应用场合,感应同步器属增量式、非接触式位移或角位移测量装置。感应同步器的测量周期为其绕组的节距2（2mm）测量精度高，平均自补偿特性；测量长度不受限制，通过接长可满足大行程测量的要求。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。缺点：易受电磁干扰，应加强屏蔽。,数控技术,64,三、光栅,1光栅的结构和种类2光栅检测的工作原理3标尺光栅移动方向的判别:4提高光栅系统分辨率5性能特点与应用场合,数控技术,65,1光栅的结构和种类,A种类:从形状上看，又可分为圆光栅和直线光栅根据光线在光栅中是透射还是反射分为透射光栅和反射光栅B结构:直线光栅通常包括一长和一短两块配套使用，其中长的称为标尺光栅或长光栅，一般固定在机床移动部件上，要求与行程等长。短的为指示光栅或短光栅，装在机床固定部件上。两光栅尺是刻有均匀密集线纹的透明玻璃片，线纹密度为25、50、100、250条/mm等。线纹之间距离相等，该间距称为栅距，测量时它们相互平行放置，并保持0.050.1mm的间隙。组成:光源、标尺光栅、指示光栅、光电源件,数控技术,66,2光栅检测的工作原理,当指示光栅上的线纹与标尺光栅上的线纹成一小角度放置时，两光栅尺上线纹互相交叉。在光源的照射下，交叉点附近的小区域内黑线重叠，形成黑色条纹，其它部分为明亮条纹，这种明暗相间的条纹称为莫尔条纹。莫尔条纹与光栅线纹几乎成垂直方向排列。严格地说，是与两片光栅线纹夹角的平分线相垂直。,莫尔条纹的特点:放大作用起平均误差的作用莫尔条纹的移动与栅距的移动成正比,数控技术,67,2光栅检测的工作原理,放大作用,用W（mm）表示莫尔条纹的宽度，P(mm)表示栅距，(rad)为光栅线纹之间的夹角，则有莫尔条纹宽度W与角成反比，越小，放大倍数越大。,数控技术,68,2光栅检测的工作原理,均化误差作用莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同组成，例如，200条/mm的光栅，10mm宽的光栅就由2000条线纹组成，这样栅距之间的固有相邻误差就被平均化了，消除了栅距之间不均匀造成的误差。莫尔条纹的移动与栅距的移动成比例当光栅尺移动一个栅距P时，莫尔条纹也刚好移动了一个条纹宽度W。只要通过光电元件测出莫尔条纹的数目，就可知道光栅移动了多少个栅距，工作台移动的距离可以计算出来。若光栅移动方向相反，则莫尔条纹移动方向也相反,数控技术,69,透射光栅,数控技术,70,光栅工作原理,光栅测量系统如图所示，由光源、聚光镜、光栅尺、光电元件和驱动线路组成。读数头光源采用普通的灯泡，发出辐射光线，经过聚光镜后变为平行光束，照射光栅尺。光电元件（常使用硅光电池）接受透过光栅尺光强信号，并将其转换成相应的电压信号。由于此信号比较微弱，在长距离传递时，很容易被各种干扰信号淹没，造成传递失真，驱动线路的作用就是将电压信号进行电压和功率放大。除标尺光栅与工作台一起移动外，光源、聚光镜、指示光栅、光电元件和驱动线路均装在一个壳体内，作成一个单独部件固定在机床上，这个部件称为光栅读数头，又叫光电转换器，其作用把光栅莫尔条纹的光信号变成电信号,数控技术,71,光栅工作原理,数控技术,72,光栅信号的光电转换,数控技术,73,光栅信号的四倍频线路,数控技术,74,3标尺光栅移动方向的判别:,标尺光栅右移条纹上移狭缝S2接受信号超前B/4标尺光栅左移条纹下移狭缝S1接受信号超前B/4,数控技术,75,4提高光栅系统分辨率,A提高光栅线纹密度B细分电路（倍频电路）,数控技术,76,5性能特点与应用场合,性能特点:增量式测量方式、非接触式测量。测量精度高、检测范围大、易于实现测量信号的数字化。缺点是不能承受大的冲击和振动，不耐油尘污染。应用场合：工作台位移或电机轴角位移等精密测量。,数控技术,77,四、脉冲编码器,编码盘直接装在旋转轴上测量角位移和角速度输出信号为电脉冲两种类型：1增量式光电编码盘2绝对值式编码盘光电编码器的特点,数控技术,78,1增量式光电编码盘,一个测量周期,数控技术,79,2绝对值式编码盘,0,1,2,3,4,超一圈如何处理?,缺点是什么?,与增量式比较,数控技术,80,循环编码盘,0,1,2,3,4,0101+00100111,读错有无影响?,特点是什么？,数控技术,81,光电编码器的特点,非接触测量，无接触磨损，码盘寿命长，精度保证性好；允许测量转速高，精度较高；。光电转换，抗干扰能力强；体积小，便于安装，适合于机床运行环境；结构复杂，价格高，光源寿命短；码盘基片为玻璃，抗冲击和抗震动能力差。,数控技术,82,第四节闭环伺服系统,一、闭环伺服系统的执行元件1.直流伺服电机2.交流伺服电机二、鉴相式伺服系统三、鉴幅式伺服系统四、数字脉冲比较式伺服系统,数控技术,83,一、闭环伺服系统的执行元件,对执行元件的要求：1调速范围宽，在整个调速范围内，输出的运动有良好的稳定性。一般调速范围应大于10000，低速能达到0.1r/min以下。2负载特性硬当负载变化时，输出速度基本不变。有足够的过载能力。3动态响应快在0.2秒内达到稳态精度。要求静态、动态误差小，反向死区小。4能频繁启、停及换向。,数控技术,84,1直流伺服电动机,直流伺服电动机的特点A小惯量直流伺服电动机B宽调速直流伺服电动机直流伺服电动机的速度调节,数控技术,85,直流伺服电动机特点,过载倍数大，时间长；具有大的转矩/惯量比，电机的加速大，响应快。低速转矩大，惯量大，可与丝杆直接相联，省去了齿轮等传动机构。可提高了机床的加工精度。调速范围大，与高性能的速度控制单元组成速度控制系统时，调速范围超过12000。带有高精度的检测元件(包括速度和转子位置检测元件)；电机允许温度可达150180，由于转子温度高，它可通过轴传到机械上去，这会影响机床的精度由于转子惯性较大，因此电源装置的容量以及机械传动件等的刚度都需相应增加。电刷、维护不便；结构复杂，制造困难，成本高。,数控技术,86,直流伺服电机的调速控制,其工作原理相同于直流电机，有激磁回路和电枢回路。在定子磁场作用下，电枢绕组受到电磁转矩的作用，从而转动。N=（U-Ia（Ra+Rt）/KeRa-电枢电阻U-电枢电压Ia-电枢电流Ke-电势系数,数控技术,87,直流调速的三种方法,1改变电枢电压调速度范围宽，但需调压设备。2改变Rj改变磁通量改变Ke改变n3改变Rt转速只能调低，电阻功耗大。,数控技术,88,直流电动机的脉宽调速原理,直流电机的调速方法主要是调整电枢电压早期：G-M机组法机组复杂后来：SCR-M可控硅整流器-直流电机深调时，电流波形差，工作情况恶化限制了调速范围的提高。目前：PWM-M法pulsewidthmodulation晶体管脉宽调制器-直流电机具有响应快，效率高，噪声小，简单可靠的特点。,数控技术,89,PWM-M系统脉宽调速原理,数控技术,90,PWM-M系统双向脉宽调速,数控技术,91,2交流伺服电动机,交流调速的特点交流调速方法脉冲宽度调制PWM矢量控制,数控技术,92,交流调速的特点,1容量范围大，可达到更高的电压和转速，几百瓦几百千瓦2同体积，输出功率直流电机10%-70%3维护简单，坚固耐用4调速精度高，完全和直流调速效果一样5结构简单，成本底，无电刷和换向器磨损。,数控技术,93,交流调速方法,数控技术,94,交流调速方法,交流伺服电机转速n调速的理论基础变频调速：具有高效率、宽范围、高精度调速性能变极调速：只能产生2-3种速度同步电机S=0在低速时效率低结论：交流伺服电机变频调速的关键是要获得可调频调压的交流电源,数控技术,95,调频调压电源的分类,电压型变频器方案示意图,交流调速方法,数控技术,96,脉冲宽度调制PWM,交流伺服电机主要采用变频调速,数控技术,97,脉冲宽度调制PWM变频器,整流器：交流变直流电容：滤波逆变器：完成调频和调压，同时调节速度快、配合好、动态性能好优点：简化主回路和控制回路，仅有一个可控功率级，输出电压、电流的波形近似于正弦，电机运行性能得以改善。缺点：在低速时，高次谐波的影响较大，电机噪声大；要求采用快速性能的开关元件。,数控技术,98,PWM变频器,数控技术,99,PWM逆变器,电压型变频器工作原理,结论：变频器实现变频调压的关键是逆变器控制端获得要求的控制波形（如SPWM波）,数控技术,100,PWM信号波形,数控技术,101,PWM信号波形,控制波形的实现方式（电机调速的控制方式）：相位控制；矢量变换控制；PWM控制；磁场控制；,数控技术,102,矢量控制,交流伺服电机的矢量控制，是既适应于异步型电机也可用于同步型电机的一种调速控制方法。它是在PWM变频异步电机调速的基础上发展起来的。因为数控机床的主轴在工作时，为保证加工质量，对恒转矩有更高的要求，所以主轴交流电机更广泛地采用矢量控制调速用于产生正弦控制波原理和方法：将激磁电流分解成互相垂直的两个方向的分量（垂直和平行于电枢旋转轴），使异步电机能象直流电机一样，能实现磁通、转矩的单独控制。,数控技术,103,二鉴相式伺服系统,1鉴相式伺服系统的工作原理2脉冲调相器3鉴相器,数控技术,104,1.鉴相式伺服系统的工作原理,数控技术,105,基准信号发生器输出：一定频率的脉冲信号作用：为伺服系统提供相位比较基准检测元件及信号处理线路作用：检测工作台的位移，表达成与基准信号之间的相位差。方