数控机床的伺服系统62578.ppt

1、第六章数控机床伺服系统第一节概述一、伺服系统的组成数控机床伺服系统按其功能可分为进给伺服系统和主轴伺服系统。主轴伺服系统用于控制机床主轴的旋转。进给伺服系统是以机床运动部件(如工作台)的位置和速度为控制量的自动控制系统，通常由伺服驱动装置、伺服电机、机械传动机构和执行部件组成。返回到课件主页，进给伺服系统的功能：接收数控装置发出的进给速度和位移指令信号，由伺服驱动装置进行一定程度的转换和放大，通过伺服电机(DC和交流伺服电机、动力步进电机等)驱动工作台和机床的其他执行部件实现工作进给或快速运动。)和机械传动机构。数控机床进给伺服系统可以根据指令信号精确控制执行部件的运动速度和位置，以及由多个执

2、行部件按一定规则运动组成的运动轨迹。如果把数控设备比作数控机床的“大脑”，是命令机构发出“命令”，那么伺服系统就是数控机床的“四肢”，是执行“命令”的机构，是彻头彻尾的跟随者。数控机床闭环进给系统的总体结构如图6-1所示，为双闭环系统，内环为速度环，外环为位置环。速度回路由速度控制单元和速度检测装置组成。速度控制单元是一个独立的单元组件，用于控制电机速度，是速度控制系统的核心。速度检测装置包括测速发电机、脉冲编码器等。位置环由数控装置中的位置控制模块、速度控制单元、位置检测和反馈控制组成。由速度检测装置提供速度反馈值的速度回路控制在进给驱动装置中完成，而由安装在电机轴或机台上的位置反馈装置提供

3、的位置反馈值形成的位置回路由数控装置完成。从外部看，伺服系统是一个以位置指令输入和位置控制为输出的位置闭环控制系统。但从内部实际工作来看，它首先将位置控制指令转换成相应的速度信号，然后通过速度控制系统驱动伺服电机实现实际位移。速度环速度检测位置环图6-1闭环进给伺服系统结构，指令，伺服驱动装置，2。伺服系统的基本要求1。高位移精度伺服系统的精度是指输出再现输入的精度。伺服系统的位移精度是指指令脉冲进给机床工作台所需的位移与指令脉冲通过伺服系统转换的工作台实际位移的符合程度。它们之间的误差越小，位移精度越高。2.良好的稳定性是指在给定的外部干扰下，经过短暂的调整过程后，系统达到新的平衡状态或恢复

4、到原始平衡状态的能力。要求伺服系统具有很强的抗干扰能力，保证进给速度均匀稳定。稳定性直接影响数控加工精度和表面粗糙度。快速响应快速响应是伺服系统动态质量的一个重要指标，它反映了系统的跟踪精度。实际上，机床进给伺服系统是一种高精度的位置伺服系统。为了保证轮廓切割形状的精度和低表面粗糙度，要求伺服系统对跟踪指令信号的响应速度快，跟踪误差小。4.宽调速范围是指生产机械要求电机提供的最高速度和最低速度之比。在数控机床中，由于对刀具、加工材料和零件的不同要求，为了保证在各种条件下都能获得最佳的切削条件，要求伺服系统有足够宽的速度范围。5.低速和大扭矩要求伺服系统有足够的输出扭矩或驱动功率。机床加工的特点

5、是低速大切削。因此，伺服系统在低转速下需要大扭矩输出第三，伺服系统的分类数控机床的伺服系统根据其控制原理和有无位置反馈装置分为开环和闭环伺服系统；根据其用途和功能，分为进给驱动系统和主轴驱动系统；根据驱动执行机构的动作原理，可分为电液伺服驱动系统和电动伺服驱动系统。电动伺服驱动系统分为DC伺服驱动系统、交流伺服驱动系统和直线电机伺服系统。开环和闭环伺服系统开环伺服系统采用步进电机作为驱动元件，没有位置反馈回路和速度反馈回路，设备投资少，调试和维护方便，但精度差，高速转矩低，适用于中、低档数控机床和普通机床。图6-2是开环伺服系统的示意图。步进电机的转角与指令脉冲数成正比，其速度由进给脉冲的频率

6、决定。齿轮箱中步进电机的指令脉冲如图6-2所示。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(图6-1)。检测装置测量实际位移或实际位置，并将测量值反馈给数控装置，与指令进行比较，得到差值，从而构成闭环位置控制。闭环模式广泛应用于高精度要求的大型数控机床中。半闭环伺服系统通常在电机轴上安装位置检测元件，以精确控制电机的角度，然后通过滚珠丝杠等传动部件将角度转化为工作台的位移，进行间接测量(图6-3)。也就是说，坐标运动的传递链的一部分在位置闭环之外，其传递误差不被系统补偿，所以半闭环伺服系统的精度低于闭环系统。目前，半闭环系统广泛应用于精度要求适

7、中的中小型数控机床中。指令-速度反馈位置反馈图6-3半闭环伺服系统示意图(2)进给驱动和主轴驱动进给伺服系统包括速度控制回路和位置控制回路，用于控制数控机床工作台或刀架的坐标系，控制机床各坐标轴的切削进给运动，并在切削过程中提供所需的扭矩。主轴伺服系统只是一个速度控制系统，它控制机床主轴的旋转，为机床主轴提供驱动力和切削力，并保证任意转速的调节。(3) DC伺服系统、交流伺服系统和直线电机伺服系统。目前，永磁DC伺服电机应用广泛。永磁DC伺服电机(又称大惯性宽调速DC伺服电机)调速范围宽，输出转矩大，过载能力强，转动惯量大，使用方便。但是，DC电机有电刷，限制了速度的提高，而且结构复杂，价格昂

8、贵。自20世纪80年代以来，由于交流电机速度控制技术的突破，交流伺服驱动系统进入了电驱动速度控制的各个领域。交流伺服电机具有比DC电机更小的转子惯量和更好的动态响应。此外，它易于维护，制造简单，适用于恶劣环境，易于向大容量和高速发展，其性能更加优异，达到或超过DC伺服系统，交流伺服电机已广泛应用于数控机床。直线电机的本质是旋转电机沿径向切割，然后拉直。它是一种利用电磁作用原理将电能直接转化为直线运动动能的推力装置。这是一个理想的驱动装置。在机床进给系统中，用直线电机直接驱动和用旋转电机驱动的最大区别是取消了电机到工作台的机械传动环节，将机床进给传动链的长度缩短到零。由于这种传动方式，它带来了旋

9、转电机驱动方式所不能达到的性能指标和优点。由于直线电机在机床上的应用还处于初级阶段，需要进一步研究和改进随着相关技术的发展和直线电机制造技术的提高，相信直线电机驱动的机床将得到广泛的应用。第一节步进电机及其驱动装置1。步进电机工作原理步进电机伺服系统是一种典型的开环控制系统，步进电机由驱动电路控制，将进给脉冲序列转换成一定方向、大小和速度的机械角位移，通过齿轮和丝杠驱动工作台运动。进给脉冲的频率代表驱动速度，脉冲数代表位移，移动方向由步进电机各相的通电顺序决定，通过保持电机各相的通电状态，电机可以自锁。但是，由于系统没有反馈检测环节，其精度主要由步进电机决定，其速度也受到步进电机性能的限制。步

10、进电机在结构上分为定子和转子，现在以图6-4所示的无功三相步进电机为例进行说明。定子上有六个磁极，每个磁极绕有励磁绕组，每两个相反的磁极形成一个相，该相分为三相：A相、B相和C相.转子没有绕组，它是由带齿的铁芯制成的。步进电机根据电磁吸引原理工作。当定子绕组依次通电时，A、B、C三对磁极依次产生磁场，每次对转子的某一对齿产生电磁引力，吸引它们使转子逐步转动。每当转子的一对齿的中心线与定子磁极的中心线对齐时，磁阻最小，转矩为零。如果控制电路不断地将定子绕组的相电流切换到某个方向，转子将继续沿某个方向旋转。步进电机每次旋转的角度称为步进角度。图6-4三相反应式步进电机的结构为了进一步了解步进电机的

11、工作原理，以图6-5为例说明其旋转的全过程，假设转子上有四个齿，相邻两个齿之间的夹角(节角)为900。当A相通电时，转子的齿1和3被磁极A产生的电磁引力吸引，从而齿1和3与A相磁极对准。然后B相通电，A相断电，磁极B吸引离它最近的一对齿2和4，使转子逆时针旋转30度。然后，c相通电，b相断电，转子逆时针旋转30，依此类推。定子按ABCA顺序通电，转子逆时针一步一步转动，每一步转动30。如果通电顺序改变，按下ACBA给定子绕组通电，步进电机将顺时针旋转，每转30度。这种控制模式称为三相单拍模式，其中“单”表示一次只有一个相绕组通电，“三拍”表示每三次切换为一个周期。由于一次只有一个相绕组通电，自

12、锁转矩在切换瞬间会丢失，容易失步。另外，只有一相绕组通电，在平衡位置附近容易产生振荡，导致稳定性差。因此，在实际应用中不采用单三拍工作模式。采用三相双三拍控制方式，即上电顺序为ABBCCAAB(逆时针)或ACCBBAAC(顺时针)，其步距角仍为300。由于在双三拍控制中，两相绕组每次都通电，而一相绕组在切换时总是通电，所以运行相对稳定。根据AABBBCCCAA序列，a相先上电，然后a相断电，b相再次上电，即a相和b相同时上电，然后a相断电，b相保持上电，然后b相和c相上电，依此类推。每次切换时，步进电机逆时针旋转15。如果通电顺序改为AACCCBBBAA，步进电机顺时针旋转15度。这种控制方式

13、为三相六拍，比三相三拍控制方式小一半，因此精度更高。此外，在转换过程中，一个绕组始终通电图6-5步进电机2的工作原理。步进电机的主要性能指标。步进角和步进误差步进角与相数、通电方式和电机转子齿数的关系如下：(6-1)步进电机的步进角；m电机相数；转子齿数；k系数，相邻带电相数相同，k1；相邻的两个通电相位不同，K2。相同相数的步进电机可以有两种步进角度，通常为1.2/0.6、1.5/0.75、1.8/0.9、3/1.5度等。步进误差是指步进电机运行时转子实际旋转角度与理论步进角度之间的差值。当连续进行几个步骤时，上述步骤误差的累积值称为步骤的累积误差。步进电机转动一圈后，将重复最后一圈的稳定位

14、置，即步进电机的累计步进误差将在一个转动周期内重复。静态扭矩和力矩角特性当步进电机上某一相的定子绕组通电时，转子齿将试图与定子齿对齐，以最小化磁路中的磁阻，并且转子将不会在平衡位置(0)移动。如果负载扭矩Mz施加到电机轴上，转子将偏离平衡位置，并朝着负载扭矩转动一个角度，这被称为错位角。失步角后，步进电机产生静态转矩(也称为电磁转矩)，此时静态转矩等于负载转矩。静态扭矩和失准角之间的关系称为力矩角特性，它近似为正弦曲线，如图6-6所示。力矩角特性上的最大静态力矩值称为最大静态力矩。在静态稳定区域，当施加的负载转矩被消除时，转子在电磁转矩的作用下仍能回到稳定平衡点(0)。图6-6静态力矩角特性图

15、6-7为三相单拍力矩角特性曲线，其中A、B分别为相邻A、B相的静态力矩角特性曲线，其交点对应的转矩为步进电机的最大启动转矩。如果施加的负载扭矩大于，电机将无法启动。如图6-7所示，当a相通电时，如果施加负载转矩，对应的偏移角为，当励磁电流从a相切换到b相时，对应的偏移角为，b相的静态转矩为。从图中可以看出，电机不能驱动负载做步进运动，所以启动转矩是电机能够驱动负载旋转的极限转矩。图6-7步进电机的起动转矩，4。当启动频率空载时，步进电机突然从静止状态启动，并进入正常运行的最高频率而不丢失步频，这称为启动频率或突跳频率。如果给步进电机的指令脉冲频率大于启动频率，它将不能正常工作。有负载(尤其是惯

16、性负载)时，步进电机的启动频率低于无负载时。此外，随着负载增加(在允许范围内)，启动频率将进一步降低。5.连续运行频率步进电机启动后，其运行速度可根据指令脉冲频率连续上升而不丢失步数，称为连续运行频率。它的值远远大于启动频率，并且它还随着电机所承载的负载的性质和大小而变化，并且与驱动电源有很大的关系。转矩-频率特性和动态转矩转矩-频率特性描述了步进电机连续稳定运行时输出转矩和连续运行频率之间的关系(见图6-8)，该特性中每个频率对应的转矩称为动态转矩。当步进电机正常运行时，如果输入脉冲频率逐渐增加，电机驱动的负载转矩将逐渐减小。在使用中，有必要考虑动态扭矩随连续工作频率的增加而减小的特性。M/F图6-8矩频特性，三步电机电源驱动步进电机驱动电路完成从弱电到强电的转换和放大，即将逻辑电平信号转换成电机绕组所需一定功率的电流脉冲信号。环形分配器的功能可以通过硬件或软件来实现。硬件环形分配器是根据步进电机的相数和控制方式设计的。三相、四相、五相和六相步进电机常用于数控机床。介绍了三相六拍步进电机环形分配器的工作原理。硬件环形分配器由逻辑门电路和触发器按照真值表或逻辑关系实现，如图6-9所示，电路由与非门和JK触发器组成。命令脉冲被施加到三个触发器的时钟输入端，并且旋转方向由正和负控制端的状态