数控机床的伺服驱动系统介绍

第五章数控机床的伺服驱动系统概述开环步进式伺服驱动系统闭环伺服控制原理与系统CNC伺服系统

数控机床原理与系统西工大机电学院§5-1

概述伺服驱动系统接收数控单元的位移/速度控制指令,驱动工作台/主轴按照控制指令的要求进行运动。伺服驱动系统直接影响移动速度、跟踪精度、定位精度等一系列重要指标，是数控机床的关键技术。数控机床原理与系统西工大机电学院机床的伺服驱动数控机床原理与系统西工大机电学院Umrichter

SIMODRIVE611digitalmitCNC

SINUMERIK840DE/R-ModulNCULeistungsteilBedientafelfront

mitPCU20/50/70Drehstrom-

ServomotorenPeripherie

SIMATICS7-300Drehstrom-

Hauptspindelmotor数控机床原理与系统西工大机电学院一、数控机床伺服驱动系统的基本组成比较控制环节驱动控制单元执行元件反馈检测单元机床进给指令注:开环、闭环、CNC（比较由软件实现）数控机床原理与系统西工大机电学院二、伺服驱动系统的性能1.进给速度调速范围大：5mm/min，10m/min2.位移精度要高：全程积累误差≤±5μm，与脉冲当量有关，δ↓，Δ↓；3.跟随误差要小：闭环自控系统动态性能要好；4.伺服系统的工作稳定性要好：抗干扰能力强，速度均匀、平稳，粗糙度低，过载4～6倍，低速爬行工作可靠，抗干扰性强；数控机床原理与系统西工大机电学院三、数控机床伺服驱动系统的分类按用途和功能分按控制原理和有无检测分按执行元件和动作原理分按控制方式分数控机床原理与系统西工大机电学院1.按用途和功能分进给驱动：转距大小,调速范围,调节精度,动态响应速度等；主轴驱动：足够的功率,宽的恒功率调节范围，速度调节范围；数控机床原理与系统西工大机电学院2.按控制原理和有无检测分开环：无检测,经济型数控和老设备改造闭环：半闭环（检测丝杠转角）和全闭环（检测工作台直线位移）数控机床原理与系统西工大机电学院3.按执行元件和动作原理分电液伺服驱动：由电液伺服阀、低速大转矩液压马达或液压缸，位置检测等元件组成电气伺服驱动：步进电机、直流伺服电机（频繁起动，制动，快速定位等优点，但有电刷，需要维护），交流伺服电机（易于维护，制造简单）数控机床原理与系统西工大机电学院4.按按控控制制方方式式分分模拟拟伺伺服服方方式式数字字伺伺服服方方式式数控控机机床床原原理理与与系系统统西工工大大机机电电学学院院§5-2开环环步步进进式式伺伺服服驱驱动动系系统统执行行元元件件是是步步进进电电机机开环环，，无无检检测测装装置置结构构简简单单、、容容易易调调整整控制制精精度度低低，，速速度度受受到到限限制制。。驱动控制单元执行元件机床进给指令数控控机机床床原原理理与与系系统统西工工大大机机电电学学院院一、、步步进进电电机机的的种种类类、、结结构构及及工工作作原原理理数控控机机床床原原理理与与系系统统西工工大大机机电电学学院院1.步步进进电电机机的的种种类类按产产生生力力矩矩原原理理分分：：反应应式式、、激激磁磁式式按输输出出力力矩矩大大小小分分：：伺服服式式、、功功率率式式按定定子子数数：：单定定子子、、双双定定子子、、三三定定子子、、多多定定子子按各各相相绕绕阻阻分分布布：：径向向分分相相式式、、轴轴向向分分相相式式数控控机机床床原原理理与与系系统统西工工大大机机电电学学院院2.步步进进电电机机的的结结构构数控控机机床床原原理理与与系系统统西工工大大机机电电学学院院3.步步进进电电机机的的工工作作原原理理数控控机机床床原原理理与与系系统统西工工大大机机电电学学院院基本本结结论论步进进电电机机定定子子绕绕阻阻通通电电状状态态每每改改变变一一次次，，它它的的转转子子转转过过一一个个固固定定的的角角度度，，即即电电机机的的步步距距角角；；改变变步步进进电电机机定定子子绕绕阻阻的的通通电电顺顺序序，，其其转转子子的的旋旋转转方方向向随随之之改改变变;步进进电电机机定定子子绕绕阻阻通通电电状状态态变变化化的的频频率率越越高高，，转转子子的的转转速速越越高高;步距距角角与与定定子子绕绕阻阻相相数数m、、转转子子齿齿数数z、、通通电电方方式式k有有关关。。数控控机机床床原原理理与与系系统统西工工大大机机电电学学院院4.步步进进电电机机的的主主要要特特征征步距距角角αα：：0.5°°～～3°°，，决决定定控控制制精精度度，，是是决决定定步步进进式式伺伺服服系系统统脉脉冲冲当当量量的的重重要要参参数数距角角特特性性、、最最大大静静态态转转距距Mjmax和和启启动动转转距距Mq启动动频频率率fq：：空载载时时，，步步进进电电机机由由静静止止突突然然启启动动，，并并进进入入不不丢丢步步的的正正常常运运行行所所允允许许的的最最高高频频率率连续续运运行行的的最最高高工工作作频频率率：：保证证不不丢丢步步运运行行的的极极限限频频率率加减减速速特特性性：：描述述步步进进电电机机由由静静止止到到工工作作频频率率和和由由工工作作频频率率到到静静止止的的加加减减速速过过程程中中，，定定子子绕绕阻阻通通电电状状态态的的变变化化频频率率与与时时间间的的关关系系。。数控控机机床床原原理理与与系系统统西工工大大机机电电学学院院二、、步步进进式式伺伺服服驱驱动动系系统统工工作作原原理理系统统由由““步步进进电电机机驱驱动动线线路路””+““步步进进电电机机””组组成成，，对对工工作作台台位位移移、、速速度度和和运运动动方方向向进进行行控控制制步进电机驱动线路步进电机机床进给指令数控机床床原理与与系统西工大机机电学院院1.工工作台位位移的控控制进给脉冲冲个数N→定子子绕阻通通电状态态改变次次数N→→角位移移φ=αN→→工作台台位移L=φt/360°2.工工作台进进给速度度的控制制进给脉冲冲频率f→定子子绕阻通通断电状状态变化化频率f→步进进电机转转速ω→→工作台台进给速速度v3.工工作台运运动方向向的控制制定子绕阻阻通电顺顺序改变变→工作作台运动动方向改改变数控机床床原理与与系统西工大机机电学院院三、步进进电机的的驱动（（控制））线路功能：将一定频频率f、、数量N和方向向的进给给脉冲转转换为控控制步进进电机定定子各相相绕阻通通断电状状态变化化的频率率、次数数和顺序序的功率率信号功率放大器环形分配器加减速电路脉冲混合电路加减脉冲分配电路进给脉冲至步进电机绕阻数控机床床原理与与系统西工大机机电学院院1.脉脉冲混合合电路将脉冲进进给、手手动进给给、手动动回原点点、误差差补偿等等混合为为正向或或负向脉脉冲进给给信号2.加加减脉冲冲分配电电路将同时存存在正向向或负向向脉冲合合成为单单一方向向的进给给脉冲数控机床床原理与与系统西工大机机电学院院3.加加减速电电路将单一方方向的进进给脉冲冲调整为为符合步步进电机机加减速速特性的的脉冲，，频率的的变化要要平稳，，加减速速具有一一定的时时间常数数。同步器可逆计数器振荡器数模转换fafb数控机床床原理与与系统西工大机机电学院院4.环环形分配配器将来自加加减速电电路的一一系列进进给脉冲冲转换成成控制步步进电机机定子绕绕阻通、、断电的的电平信信号，电电平信号号状态的的改变次次数及顺顺序与进进给脉冲冲的个数数及方向向对应。。5.功功率放大大器将环形分分配器输输出的mA级电电流进行行功率放放大，一一般由前前置放大大器和功功率放大大器组成成。数控机床床原理与与系统西工大机机电学院院四、提高高步进式式伺服驱驱动系统统精度的的措施影响步进进式伺服服驱动系系统精度度的因素素：步进电机机；丝杠螺母母传动幅幅；由于受工工艺和结结构的限限制，常常常从控控制线路路采取措措施数控机床床原理与与系统西工大机机电学院院1.细细分电路路把步进电电机的一一步分得得再细一一些，减减小脉冲冲当量2.齿齿隙补偿偿（反向间间隙补偿偿）原因：机机械传动动链在改改变方向向时，由由于间隙隙的存在在，会引引起步进进电机的的空走；；补偿原理理：对实实际间隙隙进行实实测并保保存，当当工作台台换向时时增加输输出脉冲冲进行补补偿。数控机床床原理与与系统西工大机机电学院院3.螺螺距误差差补偿原因：丝丝杠螺距距存在制制造误差差，会直直接影响响工作台台的位置置精度，，需要进进行补偿偿。补偿原理理：实测测丝杠全全行程误误差分布布曲线，，在相应应位置时时根