数控伺服系统概述

第3章数控伺服系统

主要内容主要内容

概述

伺服系统的驱动元件

步进式伺服系统

鉴相式伺服系统鉴幅式伺服系统

脉冲比较式伺服系统CNC数字伺服系统1数控伺服系统是指以机床运动部件(如工作台、主轴和刀具等)的位置和速度作为控制量的自动控制系统。数控伺服系统的作用在于接受来自数控装置的进给脉冲信号，经过一定的信号变换及电压、功率放大，驱动机床运动部件实现运动，并保证动作的快速性和准确性。数控伺服系统作为数控装置和机床的联系环节，是数控机床的重要组成部分，数控机床的精度和速度等技术指标很大程度上取决于伺服系统的性能优劣。3.1概述21.输出位置精度要高

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：跟随精度，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。3.1.1对数控伺服系统的要求3.1概述32.响应速度快且无超调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。要求从0→Fmax（Fmax→0），时间应尽可能小，且不能有超调，否则对机械部件不利，有害于加工质量。tFtp3.1.1对数控伺服系统的要求3.1概述43.1.1对数控伺服系统的要求3.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。3.1概述54.系统的可靠性高

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。3.1.1对数控伺服系统的要求3.1概述6按有无反馈检测元件分为开环和闭环(含半闭环)两种类型

开环伺服系统由驱动控制单元、执行元件和机床组成。

闭环(半闭环)伺服系统由执行元件、驱动控制单元、机床以及反馈检测元件、比较环节组成。

3.1.2数控伺服系统的基本组成3.1概述73.1.3数控伺服系统的分类按反馈比较控制方式分类数字脉冲比较伺服系统鉴相式伺服系统鉴幅式伺服系统全数字伺服系统按伺服系统的用途和功能分类进给驱动系统主轴驱动系统按执行元件的类别分类直流伺服系统交流伺服系统3.1概述8伺服驱动元件又称为执行电动机数控伺服系统的执行元件，是根据输入的控制信号产生角位移或角速度，带动被控对象运动。数控伺服系统中常用的驱动元件有：步进电动机直流伺服电动机交流伺服电动机3.2伺服系统的驱动元件93.2.1步进电动机

步进电机流行于70年代，系统结构简单、控制容易、维修方面，且控制为全数字化。随着计算机技术的发展，除功率驱动电路之外，其它部分均可由软件实现，从而进一步简化结构。目前步进电机仅用于小容量、低速、精度要不高的场合，如经济型数控；打印机、绘图机等计算机的外部设备。步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转换成角位移的机电元件。每输入一个脉冲，步进电动机转轴就转过一定角度。

3.2伺服系统的驱动元件10步进进电电动动机机的种种类类运动动方方式式：：旋旋转转运运动动的的、、直直线线运运动动的的和和平平面面运运动动；结构构上上：：反反应应式式、、励励磁磁式式；按定定子子数数目目：：单单段段定定子子式式、、多多段段定定子子式式；；按相相数数：：单单相相、、两两相相、、三三相相及及多多相相。。3.2伺服服系系统统的的驱驱动动元元件件11三相相三三拍拍反反应应式式的的工工作作原原理理三相相是是指指步步进进电电机机有有三三相相定定子子绕绕组组，，三三拍拍是是指指每每三三次次转转换换为为一一个个循循环环三相相步步进进电电机机，，定定子子有有六六个个磁磁极极，，分分为为三三对对，，每每个个磁磁极极上上装装有有控控制制绕绕组组。。一一对对磁磁极极通通电电后后，，对对应应产产生生N/S极磁磁场场；；转转子子为为带带齿齿的的铁铁心心（（反反应应式式））或或磁磁钢钢（（混混合合式式））。。当定定子子三三相相依依次次通通电电时时，，三三对对磁磁极极依依次次产产生生气气隙隙磁磁场场，，吸吸引引转转子子一一步步步步转转动动。。3.2伺服服系系统统的的驱驱动动元元件件12步进进电电动动机机的的主主要要特特性性步距距角角:步进进电电动动机机绕绕组组的的通通电电状状态态每每改改变变一一次次，，转转子子转转过过的的角角度度起动动频频率率:空载载时时，，步步进进电电动动机机由由静静止止状状态态突突然然起起动动，，进进入入不不丢丢步步的的正正常常运运行行的的最最高高频频率率连续续运运行行频频率率:步进进电电动动机机起起动动以以后后．．其其运运行行速速度度能能跟跟踪踪指指令令脉脉冲冲频频率率连连续续上上升升而而不不丢丢步步的的最最高高工工作作频频率率加减减速速特特性性:描述述步步进进电电动动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，，定定子子绕绕组组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3.2伺服服系系统统的的驱驱动动元元件件133.2.2直流流伺伺服服电电动动机机小惯惯量量直直流流电电动动机机:转动动惯惯量量小小，，反反应应灵灵敏敏，，动动态态特特性性好好，，适适用用于于高高速速与与负负载载惯惯量量较较小小的的场场合合。。大惯惯量量宽宽调调速速直直流流伺伺服服电电动动机机:既具具有有一一般般直直流流电电动动机机的的各各项项优优点点，，又又具具有有小小惯惯量量直直流流电电动动机机的的快快速速响响应应性性能能，，易易与与较较大大的的负负载载惯惯量量匹匹配配，，能能较较好好地地满满足足伺伺服服驱驱动动的的要要求求。。3.2伺服服系系统统的的驱驱动动元元件件14直流流伺伺服服电电动动机机的的结结构构特特点点按磁磁极极的的种种类类，，宽宽调调速速直直流流电电动动机机分分为为电电励励磁磁和和永永久久磁磁铁铁两两种种3.2伺服服系系统统的的驱驱动动元元件件15宽调调速速直直流流电电动动机机性性能能输出出力力矩矩大大过载载能能力力强强动态态响响应应性性能能好好低速速运运转转平平稳稳易于于调调试试因此此，，宽宽调调速速直直流流伺伺服服电电动动机机是是目目前前机机电电一一体体化化闭闭环环伺伺服服系系统统中中应应用用较较多多的的控控制制电电动动机机。。3.2伺服服系系统统的的驱驱动动元元件件16直流流伺伺服服电电动动机机调调速速方方式式晶闸闸管管直直流流调调速速（（SCR）脉宽宽调调制制直直流流调调速速(PWM)频带带宽宽电动动机机脉脉动动小小电源源的的功功率率因因数数高高动态态硬硬度度好好，，系系统统具具有有良良好好的的线线性性3.2伺服服系系统统的的驱驱动动元元件件173.2.3交流流伺伺服服电电动动机机由于于直直流流伺伺服服电电机机具具有有优优良良的的调调速速性性能能，，80年代代初初至至90年代代中中，，在在要要求求调调速速性性能能较较高高的的场场合合，，直直流流伺伺服服电电机机调调速速系系统统的的应应用用一一直直占占据据主主导导地地位位。。但但其其却却存存在在一一些些固固有有的的缺缺点点，，即即：：电刷刷和和换换向向器器易易磨磨损损，，维维护护麻麻烦烦结构构复复杂杂，，制制造造困困难难，，成成本本高高而交交流流伺伺服服电电机机则则没没有有上上述述缺缺点点。。特特别别是是在在同同样样体体积积下下，，交交流流伺伺服服电电机机的的输输出出功功率率比比直直流流电电机机提提高高10%～70%，且且可可达达到到的的转转速速比比直直流流电电机机高高。。因因此此，，人人们们一一直直在在寻寻求求交交流流电电机机调调速速方方案案来来取取代代直直流流电电机机调调速速的的方方案案。。3.2伺服服系系统统的的驱驱动动元元件件18交流流伺伺服服电电动动机机的的结结构构特特点点交流流伺伺服服电电动动机机采采用用全全封封闭闭无无刷刷构构造造，，不不需需定定期期检检查查和和维维修修。。定子子省省去去了了铸铸件件壳壳体体，，结结构构紧紧凑凑，，外外形形小小，，重重量量轻轻它的的转转子子采采用用具具有有精精密密磁磁极极形形状状的的永永久久磁磁铁铁，，常常做做成成鼠鼠笼笼式式，，为为了了使使伺伺服服电电动动机机反反应应迅迅速速，，转转子子做做得得较较细细长长。。空心心杯杯形形转转子子，，杯杯壁壁很很薄薄3.2伺服服系系统统的的驱驱动动元元件件19交流流伺伺服服电电动动机机的的工工作作原原理理与单单相相异异步步电电动动机机相相似似交流流伺伺服服电电动动机机调调速速交流流伺伺服服电电动动机机调调速速通通常常由由调调频频调调速速的的方方法法实实现现。。实现现调调频频调调压压方方法法：：脉冲冲幅幅值值调调制制(PAM)方法脉宽调制制(PWM)方法3.2伺服系统统的驱动动元件203.2.4直线电动动机直线电动动机是一一种能将将电信号号直接转转换成为为直线位位移的电电动机。。直线电电动机没没有传动动机械的的磨损，，并且噪噪音低、、结构简简单、操操作维护护方便。。直线电动动机主要要应用的的机型有有直流直直线电动动机、交交流直线线电动机机以及直直线步进进电动机机等，在在实际中中应用较较多的是是交流直直线电动动机。3.2伺服系统统的驱动动元件21直线电动动机的优优点结构简单单应用范围围广、适适应性强强反应速度度快，灵灵敏度高高，随动动性好额定值高高、冷却却条件好好有精密定定位和自自锁能力力工作稳定定可靠，，寿命长长3.2伺服系统统的驱动动元件22开环步进伺服系统统(Open-LoopSystem)不带位置置测量反反馈装置置的系统统；驱动电机机只能用用步进电电机；主要用于于经济型型数控或或普通机机床的数数控化改改造3.3步进式伺伺服系统统233.3.1步进式伺伺服系统统的工作作原理步进电动动机的驱动控制制线路和步进电动动机两部分组组成步进式伺伺服系统统受驱动动控制线线路的控控制，将将代表进给脉脉冲的电平平信号通过步进电电动机转变变为具有一一定大小和和方向的机机械角位移，通过齿轮轮和丝杠带带动工作台台移动。控制位移量：步进电动动机转过的的角位移量量，由进给脉冲数决决定方向：通电顺序序不同进给速度：由进给脉脉冲频率决决定3.3步进式伺服服系统243.3.2步进电动机机的驱动控控制线路驱动控制线线路的功能能：将具有一定定频率f、一定数量量和方向的的进给脉冲转换成控制制步进电动动机各相定定子绕组通通断电的电平信号。驱动控制线线路组成：：脉冲混合电电路、加减减脉冲分配配电路、加加减速电路路、环形分分配器和功功率放大器器3.3步进式伺服服系统253.3步进式伺服服系统脉冲混合电电路将插补信号号或者手动动信号等转转换为使工工作台正向向进给的““正向进给给”信号或或使工作台台反向进给给的“反向向进给”信信号。加减脉冲分分配电路当机床在进进给脉冲的的控制下正正在沿着某某一方向进进给时，由由于各种误误差补偿脉脉冲的存在在，可能会会有个别的的方向进给给脉冲，通通过加减脉脉冲分配电电路从正在在进给方向向的进给脉脉冲指令中中抵消相同同数量的方方向补偿脉脉冲。加减速电路路加减脉冲分分配电路来来的进给脉脉冲频率的的变化是有有跃变的作用：使之之变成符合合步进电动动机加减速速特性的脉脉冲频率，，然后再送送入步进电电动机的定定于绕组3.3步进式伺服服系统27环形分配器器环形分配器器的作用：把来自于于加减速电电路的一系系列进给脉脉冲指令，，转换成控控制步进电电动机定于于绕组通电电、断电的的电平信号号，电平信信号状态的的改变次数数及顺序与与进给脉冲冲的数量及及方向对应应。有硬件环形分分配器和软件环形分分配器两种形式3.3步进式伺服服系统28功率放大器器从环形分配配器来的进进给控制信信号的电流流只有几毫毫安，而步步进电动机机的定子绕绕组需要几几安培电流流。因此，，需要对从从环形分配配器来的信信号进行功功率放大，，以提供幅幅值足够，，前后沿较较好的励磁磁电流。常用的功放放电路有以以下两种：：(1)单电压供电电功放器(2)双电压供电电功放器：：双电压供供电功率放放大器又又称高低电电压供电功功放器3.3步进式伺服服系统293.3.3提高步进式式伺服系统统精度的措措施影响步进电电机开环系系统传动精精度的因素素：步进电机的的步距角精精度；机械传动部部件的精度度；丝杆等机械械传动部件件、支承的的传动间隙隙；传动件和支支承件的变变形。提高步进电电机开环系系统传动精精度的措施施：适当提高系系统组成环环节的精度度；采取各种精精度补偿措措施：3.3步进式伺服服系统30传动间隙补补偿在整个行程程范围内测测量传动机机构传动间间隙，取其其平均值存存放在数控控系统中的的间隙补偿偿单元，当当进给系统统反向运动动时，数控控系统自动动将补偿值值加到进给给指令中，，从而达到到补偿目的的。螺矩误差补补偿滚珠丝杆在在数控机床床应用广泛泛，虽然滚滚珠丝杆精精度较高，，但是总不不可做的绝绝对精确，，总是将其其精度控制制在一定的的范围内的的，也就是是它的螺距距总是存在在着一定的的误差的，，利用计算算机的运算算处理能力力，可以补补偿滚珠丝丝杠的螺矩矩累积误差差，以提高高进给位移移精度。方法：首先先测量出进进给丝杆螺螺距误差曲曲线(规律)，然后可采采用下列两两种方法实实现误差补补偿：硬件补偿、、软件补偿偿。细分线路：是把步进电电动机的一一步再分得得细一些。3.3步进式伺服服系统31优点：是结构比较较简单用较较多的是以以光栅和光光电编码器器作为位置置检测装置置的闭环控控制系统。。组成3.6脉冲比较式式伺服系统统32脉冲比较式式伺服系统统的组成指令信号：由数控装置置提供，数数字脉冲信信号，也可可以是数码码信号反馈测量信信号：由测量装置置提供的机机床速度、、位置反馈馈信号，可可以是脉冲冲信号，也也可以是数数码信号常用的测量量装置是光光栅和脉冲冲编码器比较器作用：完成成指令信号号与测量反反馈信号比比较的环节节有三类：数数码比较器器、数字脉脉冲比较器器和数码与与数字脉冲冲比较器。。转换器：转换器是数数字脉冲信信号与数码码的相互转转换部件驱动执行元元件：根据比较器器的输出带带动工作台台移动3.6脉冲比较式式伺服系统统333.6脉冲比较式式伺服系统统34脉冲比较式式伺服系统统工作原理理以采用光电电脉冲编码码器为测量量元件的系系统为例说明数字脉脉冲比较伺伺服系统的的工作原理理。光电编码器器与伺服电电机的转轴轴连接，随随着电机的的转动产生生脉冲序列列输出，其其脉冲的频频率将随着着转速的快快慢而升降降。若工作作台处于静静止状态，，指令脉冲Pc=0，这时反馈脉冲Pf亦为零，经经比较器可可得偏差e=Pc－Pf=0，则伺服电机的的速度给定定为零，工工作台继续续保持静止止不动。3.6脉冲比较式式伺服系统统35脉冲比较式式伺服系统统工作原理理随着指令脉脉冲的输入入，Pc≠0，在工作台台尚未移动动之前，反反馈脉冲Pf仍为零。经经比较器比比较，得偏偏差e=Pc－Pf≠0，若指令脉脉冲为正向向进给脉冲冲，则e>0，由速度控控制单元驱驱动电机带带动工作台台正向进给给。随着电机运运转，光电电脉冲编码码器将输出出反馈脉冲冲Pf送入比较器器，与指令令脉冲Pc进行比较，，若e=Pc—Pf≠0，工作台继继续运动，，不断反馈馈，直到e=Pc－Pf=0，即反馈脉冲冲数等于指指令脉冲数数，工作台停在在指令规定定的位置上上。当指令脉冲冲为反向运运动脉冲时时，控制过过程与Pc为正时基本本上类似。。只是e<0，工作台作作反向进给给，直至e=0，工作台停停在指令所所规定的反反向某个位位置上。主要工作部部件⒈数字脉脉冲—数码转换器器⑴数字脉脉冲转换为为数码对于数字脉脉冲转化为为数码，其其最简单的的实现方法法就是采用用一个可逆逆计数器，，它将输入入的脉冲进进行计数，，以数码值值输出。图所示是由由两个二—十进制计数数器组成的的数字脉冲冲—数码转换器器。3.6脉冲比较式式伺服系统统