《精编》数控机床的进给伺服系统概述

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1、第六章数控机床的进给伺服系统 第一节概述第二节开环步进电机第三节数控机床的检测装置第四节闭环伺服系统第五节闭环伺服系统分析 第一节概述 伺服驱动系统是指以位置和速度作为控制对象的自动控制系统 伺服系统的性能 在很大程度上决定了现代数控机床的性能 如 数控机床的最高移动速度 跟踪精度 定位精度等重要指标均取决于伺服系统的动态与静态性能 数控进给伺服系统是一种位置控制系统 分为开环 半闭环和闭环三种 一 数控机床对伺服系统的要求 1 精度高脉冲当量越小 机床的精度越高 0 01 0 001mm 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 达到最大稳态速度的时间要求在200ms以内 3

2、调速范围大调速范围 电机的最高转速Nmax和最低转速Nmin之比 要求应大于 1 100004 负载特性要硬当负载变化时 输出速度应基本不变 5 系统可靠性要好 二 数控机床伺服驱动系统的基本组成 数控机床的进给伺服系统是由 伺服电路 伺服驱动装置 机械传动机构及执行部件组成 三 数控机床伺服驱动系统的分类 按其用途和功能分为 进给驱动系统和主轴驱动系统按其控制原理和有无反馈环节分 开环系统 闭环系统和半闭环系统按驱动执行元件的动作原理分为 电液伺服系统和电气伺服系统 其中电气伺服系统又可分为直流伺服驱动系统和交流伺服驱动系统 1 开环控制和闭环控制进给系统特点 1 开环控制系统 结构较简单

3、调试 维修 使用方便 成本低 无位置反馈环节 系统稳定 速度及精度较低 2 半闭环与闭环进给系统 特点 结构比较复杂 安装调试比较麻烦 加工精度高 速度快 3 闭环进给系统 2 进给驱动与主轴驱动 进给驱动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 并提供切削过程的转矩 主轴驱动控制机床主轴的旋转运动 为机床主轴提供驱动率和所需的切削力 3 直流伺服驱动与交流伺服驱动 直流大惯量伺服电机有良好的宽调速性能 输出转矩大 过载能力强 由于电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机适于数控机床对于频繁启动 制动 快速定位 切削的要求 交流电

4、机的一个最大优点是交流容易维修 制造简单 易于向大容量 高速度方向发展 缺点 电刷和换向 四 数控系统常用伺服电机 1 步进电机开环进给驱动装置 在经济型数控机床上用 2 改进型直流电机在静态和动态特性较普通直流电机所改变 早期使用 3 小惯量直流电机减小电枢的转动惯量 获得好的快速性 早期使用 4 永磁直流伺服电机能在较大过载转矩下长期工作 可在低速下 1r mm甚至0 1r mm 平稳运转 70年代 80年代中期广泛应用 目前还在使用 5 无刷直流电机 实质是交流调速电机的一种 性能达到直流电机的水平 又取消换向器及电刷部件 电机寿命提高一个数量级 6 交流调速电机 自80年代中期开始 以

5、异步电机和永磁同步电机为基础的交流进给驱动得到迅速的发展 是进给驱动的一个发展方向 第二节开环步进式伺服系统 一 步进电机步进电机是将电脉冲信号转换成角位移 角位移量与电脉冲数成正比 转速与电脉冲频率成正比 1 步进电机的种类和结构 1 分类 SB 58 1型五定子轴向分相反应式步进电机 2 反应式步进电机工作原理 1 电机的转速取决于绕组与电源接通或断开的变化频率 2 电机的转动方向取决于绕组通电的顺序 3 电机转过的角度取决于通电的次数 4 电动机定子绕组每改变一次通电方式 称为一拍5 每输入一个脉冲信号 转子转过的角度 步距角 上述通电方式称为 三相单三拍 三相三拍 单 每次通电时 只有

6、一相绕组通电 双 每次通电时 有两相绕组通电 三拍 经过三次切换绕组的通电状态为一个循环 除此之外的通电方式还有 三相双三拍 AB BC CA AB三相单双六拍 A AB B BC C CA A 设步进电机的定子绕组有m相 转子齿数为Z齿 通电方式系数为k 则每输入一个脉冲电信号 转子的步距角 有 通电拍数相同时k 1 不同时k 2 步进电机的步距角越小 位置精度越高 由上式知道 磁极数越多 转子齿数越多 步距角就越小 m 相数 z 齿数 k m相m拍时k取1 m相2m拍时k取2 最常见的一种小步距角三相反应式步进电机如图所示 设定子有A B C三相绕组 转子上均匀分布40个齿 定子上每个极有

7、5个齿 与转子上的齿宽和齿距相同 采用单三拍运行方式 三相六拍运行方式 若输入一个脉冲 转子转过转 故电动机的转速n为 如果每秒输入f个脉冲 电动机的转子每秒钟转 f 控制脉冲的频率 定子和转子都分为5段 呈轴向分布 有16个齿均匀分布在圆周上 齿距 360 16 22 5 各相定子彼此径向错开1 5个齿的齿距 SB 58 1型五定子轴向分相反应式步进电机 如按5相5拍通电 则步距角为 如按5相10拍通电 即AB ABC BC BCD CD CDE 步距角为 例如 110BF003代表该步进电机为反应式 外径110mm 三相控制绕组 反应式步进电机的型号表示 3 步进电机工作特点 1 步进电机

8、受脉冲电流的控制 转子的角位移和角速度与输入脉冲的数量和脉冲频率成正比 改变相的通电顺序可以改变步进电机的旋转方向 2 步进电机有自整角能力 不需机械制动 3 步距无累积误差 4 步进电机的效率低 脉冲当量不能太小 调速范围不大 四 步进电机的主要特性 1 步距误差步距误差直接影响执行部件的定位精度 单相通电时 步距误差由定子和转子的分齿精度和各相定子错位角度的精度确定 多相通电时 步距误差还和各相电流的大小 磁路性能等因素有关 2 单相通电的矩角特性 单相通电时的电磁转矩与失调角之间的关系称为单相通电时的矩角特性 其大至上是一条正弦曲线 Mjmax 最大静态转矩 表明了电机能承受的最大静态负

9、载转矩 各相绕组单相通电的矩角特性不能相差太大 多相通电时的矩角特性 可根据单相通电的矩角特性以向量和的方式算出 当步进电机励磁绕组相数大于3时 多相通电多数能提高输出转矩 所以功率较大的步进电机多数采用多于三相的励磁绕组 且多相通电 3 启动转矩Mq 当电机所带负载ML Mq时 电机可不失步的启动 2 最高启动频率和最高工作频率 最高启动频率fg 步进电机由静止突然启动 并不失步地进入稳速运行 所允许的启动频率的最高值 最高启动频率fg与步进电机的惯性负载J有关 最高工作频率 步进电机连续运行时所能接受的最高频率 3 输出的转矩 频率特性 在步进电机正常运转时 若输入脉冲的频率逐渐增加 则电

10、机所能带动的负载转矩将逐渐下降 五 步进电机开环进给伺服系统 1 传动计算目的 计算齿轮传动比i 确定齿数 Z1 Z2 以 满足脉冲当量 的要求 提高步进电机的负载能力 1 直线进给系统 已知 进给系统的脉冲当量 mm 步进电机的步距角 滚珠丝杠的导程tmm 求 齿轮传动比i 1 为了求得所需的脉冲当量 2 满足结构要求和增大转矩的作用 步进电机的进给系统使用齿轮传动的作用 2 圆周进给系统 已知 脉冲当量为 蜗杆为Zk头 蜗轮为ZW点 则 2 步进电机的驱动电路 3 步进电机的驱动控制线路功能 将具有一定频率 一定数量和方向的进给脉冲转换成控制步进电机各相定子绕组通断电的电平信号 一个较完善

11、的步进电机的驱动控制线路包括脉冲混合电路 加减速电路 环形分配器和功率放大器 1 脉冲混合电路功能 将一些信号混合为使工作台正向进给的 正向进给 信号或使工作台负向进给的 负向进给 信号 2 加减脉冲分配电路功能 从正向进给方向的进给脉冲指令中抵消相同数量的反方向补偿脉冲 3 加减速电路 由同步器 可逆计数器 数模转换电路和RC变频振荡器组成 包括三部分 1 升速过程 fa fb 2 均匀过程 fa fb后 3 降速过程在整个过程中 进给脉冲Pa时可逆计数器作加法计数 RC变频振荡器的输出脉冲Pb 使其作减法计数 由于RC变频振荡器的输出脉冲Pb是进入步进电机的工作脉冲 因此 经过加法减速电路

12、保证不会产生丢步 4 环形分配器 设计环形分配器时 先确定步进电机的工作状态 常用的步进电机的工作方式 5 功率放大器 由环形分配器输出的脉冲功率很小 只有几十毫安 不能直接驱动步进电机的绕组 需进行功率放大 使脉冲电流达1 10A才行 1 单电压供电功放器 缺点 由于R0的存在 无功功率耗增大 适用于小功率步进电机 3 提高步进伺服系统精度的措施 1 传动间隙补偿当收到反向位移指令后 由间隙补偿软件或补偿电路产生一定数量的补偿脉冲 使步进电机转动越过传动间隙 然后再按指令脉冲使执行部件作准确的位移 2 螺距误差补偿具体做法 1 安置两个补偿杆分别负责正误差和负误差的补偿 2 在两个补偿杆上

13、根据丝杠全程的误差分析及上述误差补偿原理 设置补偿开关或挡块 3 当机床工作台移动时 安装在机床上的微动开关每于挡块接触一次 就发出一个误差补偿信号 对螺距误差进行补偿 以消除螺距的累计误差 3 细分线路 把步进电机的一步再分得细一些 换句话说 采用十细分线路后 在进给速度不变的情况下 可使脉冲当量缩小到原来的1 10 第三节数控机床的检测装置 1 检测装置的作用检测装置是数控机床闭环伺服系统的重要组成部分其作用是 检测位移和速度 发送反馈信号 构成闭环控制 闭环控制的数控机床的加工精度主要取决于检测系统的精度 2 数控机床对位置检测装置的要求 1 高的可靠性和高抗干扰性 2 使用维护方便 适

14、合机床运行环境 3 满足精度与速度要求和机床工作行程的要求 4 成本低 5 便于与数控系统相联 不同类型数控机床对检测装置的精度和适应的速度要求是不同的 对于大型机床以满足速度要求为主 对中 小型机床和高精度机床以满足精度要求为主 3 检测装置的分类 1 按检测信号的类型分 2 按测量方式分类 3 按测量获得的值来分类绝对式测量和增量式测量 一 旋转变压器 1 旋转变压器结构分为定子和转子根据转子绕组两种不同的引出方式分为有刷式和无刷式两种结构 2 旋转变压器的工作原理 设加在定子绕组S1S2的激磁电压为Vs Vmsin t转子绕组感应电动势为VB KVssin KVmsin sin tK 电

15、磁耦合系数Vm Vs的幅值 转子的转角 二 感应同步器 感应同步器是一种电磁式位置检测元件 按其结构分为直线式和旋转式 直线式感应同步器由定尺和滑尺组成 直线位移测量 旋转式感应同步器由定子和转子组成 角位移测量 1 结构特点 定尺和滑尺的节距相同 标准型的感应同步器的节距为 2 2mm 两相绕组在空间相差1 2个节距 2 工作原理 A点表示滑尺绕组与定尺绕组重合 定尺绕组中的感应电势最大 B点表示两绕组错开1 4节距 感应电势减为零 C点表示两绕组错开1 2节距 感应电势负的最大 D点表示两绕组错开3 4节距 感应电势再次变为零 滑尺在移动一个节距的过程中 感应同步器定尺绕组的感应电势近似于

16、余弦函数变化了一个周期 设VS是加在滑尺任一绕组上的激磁交变电压 VS Vmsin t定尺绕组上的感应电势为 VB KVScos KVmcos sin t式中 K 电磁耦合系数Vm V的幅值 反映定尺和滑尺的相对移动的距离x 三 光栅 1 光栅的种类及结构 1 光栅种类按反射的原理分 1 透视光栅在玻璃的表面制成透明与不透明间隔相等的线纹 其特点为 光源可垂直入射 信号幅度大 读数头结构较简单 每毫米上的线纹数多 玻璃易碎 热胀系数与金属部件不一致 2 反射光栅 在金属的镜面上制成全反射与漫反射间隔相等的线纹 其特点为 长光栅的热胀系数容易做成与机休材料一致 长光栅的安装和调整比较方便 安装面积较小 易于接长 不易碰碎 形成的莫尔条纹反差较大 每毫米内线纹不宜过多 按形状分 2 光栅位置检测装置的结构 光栅系统的精度主要取决于光栅的制造精度 即光栅任意两点间的误差 累积误差 2 光栅的工作原理 1 摩尔条纹 白色代表不透光 黑色代表透光两条刻线之间的间隔称为栅距 若1毫米内刻100条线纹 则栅距为0 01mm W为摩尔条纹的宽度 可见 摩尔条纹可将原来的很小的栅距放大 莫尔条纹的特点