第七章 数控机床伺服系统.ppt

1、第7章数控机床伺服系统，返回课件主页，第一节概述，1，伺服系统的构成数控伺服系统包括伺服电动机、驱动信号控制转换电路、电力电子驱动放大模块、电流曹征单元、速度曹征单元、位置曹征单元、相应的检测单元等。典型闭环伺服系统的结构如图71所示。知识三环结构系统，外环是定位环，中心环是速度环，内环是电流环。2，伺服系统分类1。根据控制原理：(1)开环进料伺服控制(2)半闭环开环进料伺服控制(3)闭环开环开环进料伺服控制2。按控制对象划分：(1)进料伺服系统(2)主轴伺服系统3第二，伺服系统的分类3。根据反馈比较控制方法：(1)脉冲、数字比较伺服系统(2)相位比较系统(3)振幅比较系统(4)整个数字伺服系

2、统，3、数字控制机器伺服系统要求1。精度高2。稳定性好3 (a)开环和闭环伺服系统开环伺服系统采用无位置反馈回路和速度反馈回路的步进电机作为驱动元件。因此，设备投资低，调试维修方便，但准确度低，高速扭矩小，用于中、低等级数控机床和普通机械改造。下图是开环伺服系统的示意图。步进电动机的旋转角度与进给脉冲的频率确定的命令脉冲数成正比。步进电动机是将传记脉冲信号转换为每个变位或线位移的开环控制组件。没有过载的情况下，电动机的转速、停止位置不受负载变化的影响，仅取决于脉冲信号的频率和脉冲数。步进驱动器接收到脉冲信号后，驱动步进电动机以设定的方向旋转固定角度(称为“步角”)。旋转以固定角度逐步执行。为了

3、精确定位，可以通过控制脉冲数来控制每个位移量。另外，通过控制脉冲频率，可以控制电机旋转的速度和加速度，从而控制速度。闭环伺服系统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，检测装置测量实际位移量或实际位置，将测量结果反馈给CNC设备，并与命令进行比较，形成闭环位置控制。闭环法常用于高精度的大型数字控制机器。半闭环伺服系统通常通过将位置检测元件安装在电动机轴上，精确控制电动机的角度，然后通过滚珠丝杠等传动部件将角度转换为表位移来间接测量。也就是说，坐标运动的一些滚动链在位置闭环之外，传输误差不是由系统补偿的，因此半闭环伺服系统的精度低于闭环系统。目前，在精度

4、适当的中小型数字控制机器上，使用了很多半闭环系统。(2)进给和主轴驱动进给伺服系统控制速度控制环和位置控制环，控制CNC机床表或刀柄坐标的控制系统，控制机床每个轴的切削进给运动，并提供切削过程所需的扭矩。主轴伺服系统是控制机械主轴旋转运动，为机械主轴提供驱动动力和必要的切削力，确保所有旋转速度调整的速度控制系统。进给伺服系统是以工件机床移动零件(例如表)的位置和速度作为控制量的自动控制系统，通常由伺服驱动器、伺服马达、机械传动机构和执行零件组成。进给伺服系统的作用：接收数字控制单元的进给速度和变位命令信号，通过伺服驱动器(DC、AC伺服电动机、功率步进电动机等)和机器传动机构、驱动机床的工作台

5、等执行部件实现操作进给或快速运动。数字控制机器的进给伺服系统可以根据命令信号精确控制执行零件的运动速度和位置，以及几个执行零件以恒定的规则运动合成的运动轨迹。与CNC机床的“脑”相比，如果是发出“命令”的命令机构，那么伺服系统就是CNC机床的“肢体”，是执行“命令”的机制，是完美的追随者。(3)直流伺服系统、交流伺服系统和直线电动机伺服系统直流伺服系统是控制直流电动机的系统。目前更多使用的是永磁直流伺服电动机。永磁直流伺服电动机(也称为大型惯性宽调速直流伺服电动机)，调速范围，输出转矩，过载容量，电动机惯性惯量，应用比较方便。但是直流电机有刷子，限制了转速的增加，结构复杂，价格也高。进入80年

6、代，交流电机调速技术的突破，交流伺服驱动系统进入了传记传动调速控制的各个领域。交流伺服电动机，转子惯性量小于直流电动机，动态响应好。此外，易于维修、制造，适合在恶劣环境下使用，大容量、高速发展，性能更好，达到或超过直流伺服系统，交流伺服电动机已在数字控制机器中得到广泛应用。直线电机的本质是沿径向切割旋转电机，然后拉直而进化。利用电磁作用原理将电直接转换为直线运动动能的一种推力装置。是比较理想的驱动装置。在机器进给系统中使用直线电动机直接驱动电动机与直接驱动旋转电动机的主要区别在于，消除了从电动机到工作台的机器传动环，将机器进给链的长度减少到零。由于这种传动方式，旋转电机驱动方式具有无法实现的性

7、能指标和优点。因为在机器上应用直线电机还处于初级阶段，需要进一步研究和改进。随着各相关配合技术的发展和直线电机制造工艺的完成，相信以直线电机作为进给驱动的机床将得到广泛应用。线性直线电动机，磁悬浮列车，1，步进电动机工作原理步进电动机主要用于开环伺服系统。牙齿系统没有反馈检测链接，所以准确度主要由步进电机决定。速度也受步进电动机性能的限制。第二节步进电动机及其驱动装置，步进电动机从结构上分为定子和转子两部分。零子(PM，permanent magnet)、磁电阻(VR，variable reluctance)、混合式(HB，hybrid)。三相反应式步进电动机现在以图中所示的三相反应式步进电动

8、机为例。精子有6个磁极，每个磁极有磁绕组，每个相反的两个磁极形成一相，分为A，B，C三相。转子没有绕组，这是用有齿的铁芯制成的。步进电机按照电磁吸引原理工作。定子绕组按顺序转动，通电后，A，B，C三对磁极依次产生磁场，每次对转子的一对齿产生电磁重力，吸引，使转子转动一步。每当一对转子的中心线与定子极中心线对齐时，磁阻最小，转矩为零。控制线不断在一定方向切换定子绕组的各相电流，转子继续在一定方向旋转。步进电动机每次旋转的角度称为步进角度。为了更好地理解三相反应步进电动机结构、步进电动机的工作原理，下图说明了转子的整个过程。假设转子有四个齿，两个相邻齿之间的角度(齿距离角度)为90o。当A相通电时

9、，转子1，3被磁极A产生的电磁重力吸引，1，3与A相磁极对齐。然后B相电源打开，A相电源关闭，磁极B吸引最近的2，4对牙齿，使转子逆时针旋转30o。然后，C相电源打开，B相电源关闭，转子逆时针旋转30o等，精子按ABCA顺序打开电源，转子逆时针旋转一次30o。(阿尔伯特爱因斯坦，美国电视电视剧，旋转)改变通电顺序后，按ACBA为定子绕组供电，步进电动机顺时针旋转，每一步旋转30o。这种控制方式称为三相单三拍方式，“单”意味着每次只打开一相绕组，“三拍”意味着每三次转换为一个循环。每次只打开一相绕组，因此在切换瞬间失去自动锁定力矩，容易失去步伐，另外，如果只打开一相绕组，则在平衡位置附近容易发生

10、振动，稳定性下降，因此实际应用中不使用单三拍操作方式。逆时针方向30，逆时针方向30，逆时针方向30，双三拍控制每次都给两相绕组供电，如果按AABBBCCCAA顺序打开电源，则首先打开A相电源，然后继续打开A相电源，然后再打开B相电源。也就是说，A、B相电源同时打开。然后，A相电源关闭，B相电源保持打开状态。然后，每次切换B，C相电源等时，步进电动机逆时针转动15度。如果通电顺序更改为AACCCBBBAA，步进电动机将在步长角度15时顺时针旋转。牙齿控制方式是三相六拍，与三相三拍控制方式相比，步长小一半，因此精度高，转换过程中总是开启绕组电源，工作稳定，因此这种方式大量采用。实际应用的步进电动

11、机在转子芯和定子磁极上都有齿间距相等的小齿，齿数必须有一定比例的配合，如图所示。步进电动机步进角度；m电动机相位数；z转子齿数；k系数，两个相邻电源相数相等，k1；相邻两次电相的数目不同，K2。相同相位数的步进电动机通常有两个茄子步进角度：1.2/0.6度、1.5/0.75度、1.8/0.9度、3/1.5度等。步长距离误差是步进电动机运行时转子的每个步长实际旋转的角度和理论步长角度之间的差值。连续行走多个阶段时，上述阶段误差的累积值称为阶段距离的累积误差。步进电动机转动一次，就会重复上一次旋转的稳定位置。也就是说，步进电动机的步进累积误差以一个周期重复。2，步进电机的主要性能指标1。步长角度和

12、步长误差反应步长角度与步进电动机的相位数、电源供应方法和电动机转子齿数的关系如下：2 .静态扭矩和力矩角度特性、步进电动机的相位定子绕组通电后，向电动机轴添加负载扭矩Mz，使转子脱离平衡位置，在负载扭矩方向旋转一个角度，外部扭矩和不平衡角度的关系称为力矩特性，接近正弦曲线。牙齿力矩特性的最大静态转矩称为最大静态转矩。在静态稳定区域内，消除额外的负载扭矩后，转子由于电磁扭矩，可以返回到稳定平衡点位置(0)。最大静态扭矩，3。最大起始扭矩图是三相单3位力矩特性曲线。图中的A、B分别是相邻的A相和B相静态力矩特性曲线。对应于该交点的转矩是步进电动机的最大起始转矩Mq。如果外部负载扭矩大于Mq，则无法

13、打开马达。如果在打开A相电源时添加负载转矩Ma Mq，则该不平衡角度为A，如果励磁电流从A切换到B，则该角度，B相静态转矩为B，如图所示。如图中所示，Mb Mq是马达驱动负载而无法步进的极限扭矩，因此启动扭矩是马达驱动负载旋转的极限扭矩。B、A B C、图6-7步进电动机启动转矩、Mb、Mq、Ma、M、A、4。启动频率处于空载状态时，步进电动机在静止状态下突然启动，进入正常工作频率(不丢失步进)的最大频率称为启动频率或跳跃频率，步进电动机具有负载(特别是惯性负载)的启动频率低于空载状态。此外，随着负荷的增加(在允许范围内)，开始频率进一步降低。，f，5。连续工作频率步进电动机启动后，其工作速度

14、随指令脉冲频率持续上升的最大工作频率称为连续工作频率。其值远远大于启动频率，并且与驱动电源也有很大关系，具体取决于电动机所具有的负荷的特性和大小。6。力矩频率特性和动态力矩频率特性描述了步进电动机连续稳定运行时输出转矩和连续运行频率之间的关系。与牙齿特性的每个频率相对应的转矩称为动态转矩。步进电机正常运行时，输入脉冲频率逐渐增加，电机能驱动的负载扭矩逐渐降低。使用时，必须考虑随着连续工作频率的上升动态转矩下降的特点。步进电机旋转时，电机各相绕组的电感形成逆电动势。频率越高，反电动势越大。因此，马达随着频率(或速度)的增加，相位电流减少，力矩减小。瞬时频率特性，f，M，3，开环控制步进伺服系统的

15、工作原理1。工作台位移量控制数控装置产生N个脉冲，放大驱动线，然后将步进电机定子绕组的通电状态变更N次2。控制工作台进给速度的控制数控设备发出的进给脉冲频率表示为控制F、驱动控制电路、步进电动机定子绕组的开机、断电状态的水平信号变更频率。定子绕组电源状态变化频率决定步进电动机的速度。牙齿速度通过减速齿轮、螺钉、螺母后，工作台的进给速度V，即进给脉冲的频率决定工作台的进给速度3。工作台运动方向控制改变步进电动机输入脉冲信号的循环顺序方向，改变定子绕组的电流截止周期顺序，使步进电动机正向和反向。相应的工作台进给方向发生变化。1，小惯性直流伺服电动机2，直流主轴电动机3，晶闸管直流速度4，电晶体直流

16、脉宽调速，3段直流伺服控制，4段交流伺服系统，1，数控机床交流电动机在交流伺服系统中。根据电动机种类，可以分为同步和异步(感应电动机)。交流伺服动机电机有永磁、磁阻(反应式)、磁体式、绕组磁极式等。数字控制机进给伺服系统中常用永磁动机电机。动机马达的旋转速度由电源供应频率决定。也就是说，电源电压和频率固定时，转速稳定。在变频电源上给动机电动机供电时，容易获得与频率成比例的变速，从而得到非常坚硬的机械特性和宽的调速范围。交流主轴电机常用交流异步电动机，永磁动机电机很少使用。主要是因为永磁动机电动机的容量不够大，电动机成本高。此外，主轴驱动系统不需要像输送系统一样高的性能，速度调节范围也不应太大。因此，异步电动机完全可以满足主轴驱动系统中常用数字控制机械主轴的要求。伺服电动机和驱动器、各种加工中心的主轴、第二、交流电动机的速度控制交流电动机的速度控制、