第五章-数控机床的伺服系统.ppt

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1、现代数控技术,第五章 数控机床的伺服系统,第一节 概述 第二节 开环步进伺服系统 第三节 数控机床的检测元件 第四节 闭环伺服系统,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，又称为随动系统。 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。 伺服系统既是数控机床控制器与刀具、主轴间的信息传递环节，又是能量放大与传递的环节，它的性能在很大程度上决定了数控机床的性能。因此，伺服系统一直是现代数控机床的关键技术之一。,第一节 概述,伺服系统的主要功能:从

2、数控系统接收微小的电控信号（5V左右，mA级），放大成强电的驱动信号（几十、上百伏、安培级），用以驱动伺服系统的执行元件伺服电动机，将电控信号的变化，转换成电动机输出轴的角位移或角速度的变化，从而带动机床主体部件（如工作台、主轴或刀具进给等）运动，实现对机床主体运动的速度控制和位置控制，达到加工出所需工件的外形和尺寸的最终目标。,数控机床的伺服驱动,第一节 概述,CNC装置,伺服驱动器,伺服电机,数控机床,第一节 概述,一、数控机床对数控伺服系统的要求,1、精度高 由于伺服系统控制数控机床的速度和位移输出，为保证加工质量，要求它有足够高的定位精度和重复定位精度。一般要求定位精度为0.001-0

3、.01mm，高档设备达到0.1m以上。速度控制要求较高的调节精度和较强的抗负载干扰能力，以保证动、静态精度较高。 2、快速响应特性好 快速响应是伺服系统动态品质的标志之一，反映系统的跟踪精度。它要求伺服系统跟随指令信号不仅跟随误差小，而且响应要快，稳定性要好。现代数控机床的插补时间都在20ms以内，在短时间内指令变化一次，要求伺服系统动态、静态误差小，反向死区小，能频繁启、停和正、反向运动。,第一节 概述,3、调速范围宽 由于工件材料、刀具以及加工要求各不相同，要保证数控机床在任何情况下都能得到最佳切削条件，伺服系统就必须有足够的调速范围。既满足高速加工要求，又满足低速进给要求。在低速切削时，

4、还要求伺服系统能输出较大的转距。 4、系统可靠性好 数控机床的使用率很高，常常是24h连续工作不停机，因而要求其工作可靠。系统的可靠性常用发生故障时间间隔的长短的平均值作为依据，即平均无故障时间。这个时间越长，可靠性越好。,第一节 概述,执行元件及其驱动控制单元必不可少。驱动控制单元将进给指令转化为执行元件所需要的信号形式，执行元件则将该信号转化为相应的机械位移。 开环伺服系统由驱动控制单元、执行元件和机床组成。通常，执行元件选用步进电动机。 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。反馈检测元件分为速度反馈和位置反馈两类，闭环伺服系统采用位置反馈元件

5、将工作台的实际位置检测后反馈给比较环节，比较环节将指令信号和反馈信号进行比较，以两者的差值作为伺服系统的跟随误差，经驱动控制单元驱动和控制执行元件带动工作台运动。,二、数控机床伺服系统的基本组成,伺服系统若按有无检测装置可分为两大类；开环伺服系统和闭环伺服系统。,开环伺服系统,闭环伺服系统,第一节 概述,数控伺服系统的基本组成,第一节 概述,三、数控机床伺服驱动系统的分类,按控制原理和有无位置反馈装置分为开环和闭环伺服系统；按用途和功能分为进给驱动系统和主轴驱动系统；按驱动执行元件的动作原理分为电液伺服驱动系统和电气伺服驱动系统。电气伺服驱动系统又分为直流伺服驱动系统、交流伺服驱动系统及直线电

6、动机伺服系统。,第一节 概述,1.开环和闭环控制,(1) 开环伺服系统,开环伺服系统由步进电机及其驱动电路组成，无位置检测装置。（信号流是单向的） 数控系统发出指令脉冲经过驱动线路变换与放大，传给步进电机。步进电机每接收一个指令脉冲，就旋转一个角度，再通过齿轮副和丝杠螺母副带动机床工作台移动。 指令脉冲的频率决定了步进电机的转速，进而决定了工作台的移动速度；指令脉冲的数量决定了步进电机转动的角度，进而决定了工作台的位移大小。 开环伺服系统加工精度低。由于无位置检测装置，其精度取决于步进电机的步距精度和工作频率以及传动机构的传动精度。 结构简单，成本较低，适用于对精度和速度要求不高的经济型、中小

7、型数控系统。,第一节 概述,(2) 闭环伺服系统,有位置检测装置，且装在机床工作台上，直接检测工作台的实际位移。 利用CNC装置的指令值与位置检测装置的检测值的差值进行位置控制。 精度高，其运动精度取决于检测装置的精度，与传动链的误差无关。 位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的，故很容易造成系统的不稳定，使系统的设计、安装和调试都相当困难。 适用于大型或比较精密的数控设备。,第一节 概述,(3) 半闭环伺服系统,有位置检测装置，且装在电机或丝杠的端头，检测角位移，间接获得工作台的位移。 由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难以消除。因此，其精度较闭环差，较开环好。

8、但可对这类误差进行补偿，因而仍可获得满意的精度。 半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，因此可获得稳定的控制性能，其系统的稳定性虽不如开环系统，但比闭环要好。 适用于中小型数控机床。,第一节 概述,进给伺服系统用于数控机床工作台或刀架坐标的控制系统，控制机床各坐标轴的切削进给运动，并提供切削过程所需转矩，包括速度控制环和位置控制环。 主轴伺服系统只是一个速度控制系统，控制机床主轴的旋转运动，为机床主轴提供驱动功率和所需的切削力，且保证任意转速的调节。,2.进给驱动与主轴驱动,第一节 概述,2.直流伺服驱动与交流伺服驱动,直流大惯量伺服电动机具有良好的宽调速性能，输出转矩大，过载能力强，而

9、且由于电动机惯性与机床传动部件的惯量相当，构成闭环后易于调整；直流中小惯量伺服电动机，比较适应数控机床对频繁启动、制动，以及快速定位、切削的要求。直流电动机具有电刷和机械换向器，限制了它向大容量、高电压、高速度方向发展。 在电动机控制领域交流电动机调速技术的突破，交流伺服系统迅速进入电气传动调速控制的各个领域。交流伺服系统的最大优点是交流电动机容易维修，制造简单，易于向大容量、高速度方向发展，适合于在较恶劣的环境中使用。同时，从减少伺服驱动系统外形尺寸和提高可靠性角度来看，采用交流电动机比直流电动机将更合理。,第一节 概述,伺服驱动系统的发展概况 在50年代，数控机床主要采用液压驱动，称为液压

10、伺服系统，这种系统的优点是刚性好，时间常数小。 60年代初，日本推出步进电机开环伺服驱动系统，这种系统结构简单，价格低廉，使用维修方便，在数控设备中被广泛采用。 70年代，直流电机伺服系统采用闭环或半闭环控制，精度提高一个数量级，调速范围可达1：10000，运行速度提高到15-24m/min。直流电机伺服系统的缺点是结构复杂，价格昂贵。 在80年代以后，微机和微电子技术的迅速发展，为交流电机伺服系统的调速控制提供了条件，伺服系统发展的趋势是交流伺服驱动系统逐渐取代了直流伺服驱动系统。,第二节 步进式伺服系统,在步进式伺服系统中，步进电机作为执行元件，受驱动控制线路的控制，将代表进给脉冲的电平信

11、号直接变换为具有一定方向、大小和速度的机械角位移，并通过齿轮和丝杠带动工作台移动。由于该系统没有反馈检测环节，它的精度较差，速度也受到步进电机性能的限制，但它的结构简单，容易调整，故在速度和精度要求不太高的场合，具有一定的使用价值。,步进电机驱动模块,步进电机,步进电机的类型及结构,步进电机的结构形式很多，其分类方式也很多。常见的分类方式是按产生力矩的原理、输出力矩的大小以及定子和转子的数量等方面来分类,目前，我国使用的步进电机多为反应式步进电机，如图所示。这是一台典型的单定子径向分相的三相反应式步进电机的结构原理图,单定子径向分相式三相 步进电机结构原理图,多定子轴向分相式五相步进电机结构原

12、理图,步进电机工作原理,步进电机是将电脉冲信号变换成角位移或线位移的一种机电式数模转换器，它是根据同步电机原理制成的。下面以三相反应式步进电机为例，说明步进电机的基本工作原理,第二节 开环步进式伺服系统,三相单三拍工作方式：,假设转子上有四个齿，当A相通电时，转子1、3齿被磁极A产生的电磁引力吸引过去，使1、3齿与A相磁极对齐。接着B相通电，A相断电，磁极B又把距它最近的一对齿2、4吸引过来，使转子按逆时针方向转动30度。然后C相通电，B相断电，转子又逆时针旋转30度，依次类推，定子按ABCA顺序通电，转子就一步步地按逆时针方向转动，每步转30度。,若改变通电顺序，按ACBA使定子绕组通电，步

13、进电机就按顺时针方向转动，同样每步转30度。这种控制方式叫三相单三拍方式，“单”是指每次只有一相绕组通电，“三拍”是指每三次换接为一个循环。,(1)步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，它的转子便转过一个确定的角度，即为步进电机的步距角 ； (2)改变步进电机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向将随之改变； (3)步进电机定子绕组通电状态的变化频率越高，转子的转速越高； (4)步进电机的步距角 与定子绕组的相数m、转子的齿数z、通电方式K有关，可用下式表示： 式中，三相三拍时K=1；三相六拍时K=2。,如前图所示的步进电机，若转子齿数z40，以三相三拍通电时，步距角为 若以三相六拍通电方式工作时

14、，步距角为,例 题,步进电机的主要特性 步距角步进电机的步距角是反映步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，转子转过的角度。它是决定步进伺服系统脉冲当量的重要参数。数控机床中常见的反应式步进电机的步距角一般为0.5o3o度。通常，步进角越小，加工精度越高。 启动频率 步进电机在空载的条件下由静止突然启动，并进入不丢步的正常运行所允许的最高频率，称为启动频率或突跳频率。若启动时频率大于突跳频率，步进电机就不能正常启动。因此，空载启动时，步进电机定子绕组通电状态变化的频率不能高于该突跳频率当步进电机加负载后，其启动频率随负载转动惯量增加而减小。,(3) 连续运行的最高工作频率fmax 步进电机连续运

15、行时保证不丢步的极限频率fmax称为最高工作频率。 (4) 加减速特性步进电机的加减速特性是描述步进电机由静止到工作频率和由工作频率到静止的加减速过程中，定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系。,加减速特性曲线,步进系统原理框图,步进式伺服系统的工作原理,1工作台位移量的控制 进给脉冲数N定子绕组通电状态变化次数N步进电机转子的转角工作台位移量L 2工作台进给速度的控制 进给脉冲的频率f定子绕组通电状态的变化频率f步进电机转子的转速工作台进给速度v 3工作台运动方向的控制 步进电机定子绕组的通电顺序步进电机正转或反转工作台的进给方向,步进电机的驱动控制线路,1脉冲混合电路 无论是数控装置送来的

16、插补进给信号、齿补信号，还是手动进给、手动回原点信号等等，这些信号的目的无非是要使工作台正向进给和反向进给，因此首先应将这些信号混合为使工作台正向运行的“正向进给”信号或使之反向运行的“反向进给”信号。这就是脉冲混合电路的作用。 2加减脉冲分配电路 加减脉冲分配电路的作用，是将正反向进给脉冲，根据步进电机的原转向和可逆计数器的存数状态，决定脉冲进入可逆计数器时，应作加法计数还是减法计数。若步进电机正转，输入正向进给脉冲：步进电机反转，输入反向进给脉冲，此时不管可逆计数器是否全为零，均作加法计数。而当可逆计数器非全零时，步进电机正转，输入反向进给脉冲；步进电机反转，输入正向进给脉冲，均作减法计数。,3加减速电路(自动升降速电路) 步进电机的加减速特性要求是，进入步进电机绕组的脉冲电流的频率变化要平滑，而且应有一定的时间常数，但各进给脉冲频率间的变化可能是跃变的。因此应该将此跃变频率经加减速电路缓冲后，再进入步进电机绕组，使步进电机工作正常可靠。这就是加减速电路的作用。,4环形分配器 环形分配