进给伺服系统

1、2020/7/11,数控技术,1,第四章 进给伺服系统,内容提要 本章将详细讨论进给伺服系统的软件硬件结构；进给伺服系统基本功能的原理及实现方法。,第四章 进给伺服系统,2020/7/11,数控技术,2,第四章 进给伺服系统,进给伺服系统是数控系统主要的子系统。如果说CNC装置是数控系统的“大脑”，是发布“命令”的“指挥所”，那么进给伺服系统则是数控系统的“四肢”，是一种“执行机构”。它忠实地执行由CNC装置发来的运动命令，精确控制执行部件的运动方向，进给速度与位移量。,第四章 进给伺服系统,2020/7/11,数控技术,3,第一节 概述,、进给伺服系统的定义及组成 . 定义： 进给伺服系统(

2、Feed Servo System)以移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统。,第四章 进给伺服系统,2020/7/11,数控技术,4,2 .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。,一、进给伺服系统的定义及组成,第一节 概 述,2020/7/11,数控技术,5,二、NC机床对数控进给伺服系统的要求,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。,第一节 概 述,二、NC机床对数控进给伺服系统的要求,2020/7/11,

3、数控技术,6,2、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，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。,二、NC机床对数控进给伺服系统的要求,第一节 概 述,2020/7/11,数控技术,7,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。,第一节 概 述,二、NC机床对数控进给伺服系统的要求,这就要求伺服系统有良好的静态与动态刚度,2020/7/11,数控技术,8,响应速

4、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 0Fmax（Fmax0）的响应时间应小于200ms，且不能有超调，否则对机械部件不利，有害于加工质量。,第一节 概 述,二、NC机床对数控进给伺服系统的要求,2020/7/11,数控技术,9,能可逆运行和频繁灵活启停。 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。,第一节 概 述,二、NC机床对数控进给伺服系统的要求,2020/7/11,数控技术,10,第三节 进给伺服驱动系统

5、,、概述 进给伺服驱动系统：由进给伺服系统中的电机及其控制和驱动单元 组成。 电机：进给系统的动力部件，它提供执行部件运动所需的动力，在数控机床上目前常用的电机有： 步进电机 直流伺服电机 交流伺服电机 直线电机。,第四章 进给伺服系统,2020/7/11,数控技术,11,伺服单元：电机的控制和驱动单元，通常驱动电机与伺服单元是相互配套供应的，其性能参数进行了相互匹配，这样才能获得高性能的系统指标。 伺服单元主要作用：接受来自CNC单元的位置（速度、电流）指令信号，对其进行适当的调节运算，将其变换成电机转速的控制量(频率，电压等)，再经功率放大部件将其变换成电机的驱动电量，使驱动电机按要求运行

6、。简言之：调节、变换、功放。,第三节 进给伺服驱动系统,一、概述,2020/7/11,数控技术,12,进给驱动系统的特点（与主运动系统比较）： 功率相对较小； 控制精度要求高； 控制性能要求高，尤其是动态性能。,一、概述,第三节 进给伺服驱动系统,2020/7/11,数控技术,13,、步进电机及其驱动装置,步进电机流行于70年代，其结构简单、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，除功率驱动电路外，其它部分均可由软件实现，从而进一步简化结构，降低价格，因此，这类系统目前仍有相当的市场。 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

7、外部设备。,第三节 进给伺服驱动系统,2020/7/11,数控技术,14,、步进电机及其驱动装置,按力矩产生的原理，步进电机可分为反应式和励磁式等几种： 反应式转子无绕组，由被励磁的定子绕组产生反应力矩实现步进进给； 励磁式转子、定子均有绕组(或转子用永久磁钢)，由电磁力矩实现步进进给,第三节 进给伺服驱动系统,2020/7/11,数控技术,15,、步进电机及其驱动装置,三相反应式步进电机的工作原理电磁铁的作用原理：,第三节 进给伺服驱动系统,定子上有6个磁极，分成A、B、C三相，每个磁极上绕有励磁绕组，转子无绕组，是由带齿的铁芯做成的。当某相定子绕组通以直流电压激磁后产生磁场，对转子的某一对

8、齿产生电磁转矩，吸引转子，使转子上的齿与该相定子磁极上的齿对齐，令转子转动一定的角度，依次向定子绕组轮流激磁，会使转子按一定方向连续旋转。,2020/7/11,数控技术,16,、步进电机及其驱动装置,单三拍方式：若定子按ABCA顺序通电，转子按逆时针方向转动，每次转30。若定子按ACBA顺序通电，转子按顺时针方向转动，每次同样转30。由于每次只一相通电，在切换瞬间失去自锁转矩，容易失步； 双三拍方式：通电顺序为ABBCCAAB（逆时针转动）或ACCBBAAC（顺时针转动）由于每次有两相绕组通电，在切换瞬间总保持一相绕组通电，所以工作稳定； 三相六拍工作方式：通电顺序为AABBBCCCAA（逆时

9、针转动）或AACCCBBBAA（顺时针转动），此时转子每次转过15。,第三节 进给伺服驱动系统,2020/7/11,数控技术,17,、步进电机及其驱动装置,步进电机的工作原理：,第三节 进给伺服驱动系统,定子绕组通电状态改变一次，转子便转过一定的角度，即步距角； 定子绕组通电状态改变速度(频率)越快，转子转速越高； 改变定子绕组的通电顺序，将导致其转子旋转方向的改变； 若维持定子绕组的通电状态，电机便停在某一位置不动，即步进电机具有自锁能力，不需机械制动； 步距角与定子绕组的相数m，转子的齿数z，通电方式k（k=拍数/相数）有关，360/ m z k 例如，三相三拍时，m=3，k=1；三相六拍

10、时，m=3，k=2。,2020/7/11,数控技术,18,、步进电机及其驱动装置,步进电机驱动控制器主要由加减速控制器、环形分配器和功率放大器组成,第三节 进给伺服驱动系统,2020/7/11,数控技术,19,、步进电机及其驱动装置,环形分配器软件算法:,第三节 进给伺服驱动系统,将“输出字” 以表格形式存放在指定的RAM或EPROM； 当加减速控制器送来正向进给脉冲指令时，环形分配器软件正序依次取出表格中的数据输出，控制步进电机逆时针方向转动； 当加减速控制器送来负向脉冲时，环形分配器反序依次取出表格中的数据输出，控制步进电机顺时针方向转动。,2020/7/11,数控技术,20,第四节 典型

11、进给伺服系统(位置控制),. 开环进给伺服系统(Open-Loop System) 不带位置测量反馈装置的系统； 驱动电机只能用步进电机； 主要用于经济型数控或普通机床的数控化改造,第四章 进给伺服系统,2020/7/11,数控技术,21,. 步进电机开环系统设计,步进电机开环系统设计要解决的主要问题： 动力计算 、传动计算、 驱动电路设计或选择 目的：传动计算选择合适的参数以满足脉冲当量和进 给速度F的要求。 图中：f 脉冲频率（HZ ） 步距角 （度） Z1、Z2 传动齿轮齿数 t 螺距(mm) 脉冲当量（mm）,第四节 典型进给伺服系统,一. 开环进给伺服系统,2020/7/11,数控技

12、术,22,传动比选择： 为了凑脉冲当量mm，也为了增大传递的扭矩，在步进电机与丝杆之间，要增加一对齿轮传动副，那么，传动比i=Z1/Z2与、 、t之间有如下关系： 例： = 0.01 t = 6 mm = 0.75,一. 开环进给伺服系统,第四节 典型进给伺服系统,2020/7/11,数控技术,23,进给速度F： 一般步进电机： 若：=0.01 mm 则： 若：=0.001mm 则： 因此，当 一定时， 与成正比，故我们在谈到步进电机开环系统的最高速度时，都应指明是在多大的脉冲当量下的 否则是没有意义的。,一. 开环进给伺服系统,第四节 典型进给伺服系统,2020/7/11,数控技术,24,. 提高步进电机开环伺服系统传动精度的措施,概述 影响步进电机开环系统传动精度的因素： 步进电机的步距角精度； 机械传动部件的精度； 丝杆等机械传动部件、支承的传动间隙； 传动件和支承件的变形。 提高步进电机开环系统传动精度的措施 适当提高系统组成环节的精度； 采取各种精度补偿措施。,第四节 典型进给伺服系统,一. 开环进给伺服系统,2020/7/11,数控技术,25,传动间隙补偿 在行程范围内测量传动机构传动间隙，取其平均值存放在数