《精编》数控机床的进给伺服系统培训教程

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1、第五章数控机床的进给伺服系统 内容提要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 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 第一节概述 一 进给伺服系统的定义及组成 定义进给伺服系统 FeedServoSystem 以移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统 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 二 NC机床对数控进给伺服系统的要求

2、 1 调速范围要宽且要有良好的稳定性调速范围 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 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 负载特性要硬 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 即 要求伺服系统有良好的静态与动态刚度 t F t F 响应速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

3、时间tp应尽可能短 通常要求从0 Fmax Fmax 0 其时间应小于200ms 且不能有超调 否则对机械部件不利 有害于加工质量 t F tp 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 5 能可逆运行和频繁灵活启停 6 系统的可靠性高 维护使用方便 成本低 第二节进给伺服驱动系统 概述1 进给伺服驱动系统由进给伺服系统中的驱动电机及其控制和驱动装置组成 2 驱动电机是进给系统的动力部件 它提供执行部分运动所需的动力 在数控机床上常用的电机有 步进电机直流伺服电机交流伺服电机直线电机 3 速度单元是上述驱动电机及其控制和驱动装置 通常驱动电

4、机与速度控制单元是相互配套供应的 其性能参数都是进行了相互匹配 这样才能获得高性能的系统指标 4 速度控制单元主要作用 接受来自位置控制单元的速度指令信号 对其进行适当的调节运算 目的是稳速 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 即 调节 变换 功放 进给驱动系统的特点 与主运动 主轴 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 步进电机及其驱动装置 步进电机流行于70年代 该系统结构简单 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 除功率驱动电路之外 其它部分均可由软件实现 从而进

5、一步简化结构 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 绘图机等计算机的外部设备 步进电机是一种将电脉冲信号转化为机械角位移的电磁机械装置 由于所用电源是脉冲电源 所以也称为脉冲马达 步进电机和一般电机不同 一般电机通电后连续转动 而步进电机则随输入的脉冲按节拍一步一步地转动 对步进电机施加一个电脉冲信号时 步进电机就旋转一个固定的角度 称为一步 每一步所转过的角度叫做步距角 步进电机 步进电机的角位移量和输入的脉冲数成正比 在时间上与输入的脉冲同步 因此 只需要控制输入脉冲的数量 频率及电机绕组通电相序 便可以获得所需要的转角

6、转速及转动方向 在无脉冲输入时 步进电机在绕组电源激励下 气隙磁场能使转子保持原有的位置而处于定位状态 步进电机 步进电机的分类 按运动方式分 旋转运动 直线运动式步进电机 按工作原理分 反应式 磁阻式 电磁式 永磁式 按结构分 单段式 径向式 多段式 轴向式 按使用场合分 功率步进电机和控制步进电机 按相数分 三相 四相 五相 六相 八相等 按使用频率分 高频率和低频步进电机不同的步进电机 其工作原理 驱动装置也不完全一样 步进电机的工作原理 如图所示 三相反应式步进电机工作原理图 由转子和定子组成 定子上有A B C三对磁极绕组 分别为A相 B相 C相 转子是硅钢片软磁材料迭合成的带齿廓形

7、状的铁心 如果在定子上的三对绕组中通直流电流 就会产生磁场 B相通电 A相通电 C相通电 当A B C三对磁极的绕组依次轮流通电 则A B C三对磁极依次产生磁场吸引转子转动 当A相通电时 B相和C相不通电 电机铁心的AA轴方向产生磁通 在磁拉力的作用下 转子1 3齿与A相磁极对齐 2 4两齿与B C两磁极相对错开300 当B相通电时 C相和A相断电 电机铁心的BB轴方向产生磁通 在磁拉力的作用下 转子沿逆时针方向旋转300 2 4齿与B相磁极对齐 1 3两齿与C A两磁极相对错开300 当C相通电时 A相和B相断电 电机铁心的CC轴方向产生磁通 在磁拉力的作用下 转子沿逆时针方向旋转300

8、1 3齿与C相磁极对齐 2 4两齿与A B两磁极相对错开300 若按ACB 进行 则转子沿顺时针方向旋转 上述通电方式称为三相单三拍通电方式 所谓 单 是指每次只有一相绕组通电的意思 一拍 从一相通电换接到另一相通电称为一拍 三拍 每一拍转子转过一个步距角 这样 三拍 是指通电换接三次后完成一个通电周期 三相六拍通电方式 即按AABBBCCCA相序通电 见下图 工作原理 当A相通电 1 3齿与A相磁极对齐 当A B两相同时通电 因A极吸引1 3齿 B极吸引2 4齿 转子逆时针旋转150 随着A相断电 只有B相通电 1 3 A吸1 3两齿A吸1 3两齿B吸2 4两齿 B吸2 4两齿 B吸2 4两

9、齿C吸1 3 2 4 C吸1 3A吸2 4 C吸1 3 转子又逆时针转150 2 4齿与B相磁极对齐 如果继续按BCCCAA 相序通电 步进电机就沿着逆时针方向 以150的步距角一步一步移动 这种通电方式采用单 双相轮流通电 在通电换接时 总有一相通电 所以工作较平稳 实际使用的步进电机 一般都要求有较小的步距角 因为步距角越小所达到的位置精度越高 以上所述 步进电机的步距角大小不仅与通电方式有关 还与转子的齿数有关 计算公式为 m 定子励磁绕组相数Z 转子齿数K 通电方式 单为1 双为2 步进电机转速计算 360 o n 60f 6 f o 式中 n 转速 r min f 脉冲频率 即每秒输

10、入步进电机的脉冲数 用度数表示的步距角 式中 当转子的步距角一定时 步进电机的转速与输入的脉冲频率成正比 步进电机的特点 1 步进电机的输出转角与脉冲频率严格成正比 所以控制输入步进电机的脉冲个数就能控制位移量 2 步进电机的转速与输入的脉冲频率成正比 只要控制脉冲频率就能调节步进电机的转速 3 当停止送入脉冲时 只要维持绕组内电流不变 电机轴可以保持在某固定位置上 不需要机械装制装置 4 改变通电相序即可改变电机转向 5 步进电机存在齿间相邻误差 但不存在累积误差 第三节典型进给伺服系统 位置控制 一 开环进给伺服系统 Open LoopSystem 不带位置测量反馈装置的系统 驱动电机只能

11、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 A 相 B 相C 相 A相 B相C相 f n CNC插补指令 脉冲频率f和脉冲个数n换算 脉冲环形分配变换 功率放大 步进电机 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 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 步距角 脉冲当量 t 丝杠导程 例

12、1 0 01mm t 6mm 0 75 进给速度F 一般步进电机 若 0 01mm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 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 传动间隙补偿在整个行程范围内测量传动机构传动间隙 取其平均值存放在数控系统中的间隙补偿单元 当进给系统反向

13、运动时 数控系统自动将补偿值加到进给指令中 从而达到补偿目的 螺距误差补偿利用计算机的运算处理能力 可以补偿滚珠丝杠的螺距累积误差 以提高进给位移精度 方法 首先测量出进给丝杠螺距误差曲线 规律 然后可采用下列两种方法实现误差补偿 硬件补偿 软件补偿 例2设X Y工作台由步进电机直接经丝杆螺母副驱动 丝杆螺距为5mm 步进电机步距角为150 工作方式三相六拍 工作台最大行程为400mm 求 1 脉冲当量 2 微机发出的脉冲总数是多少 2 计算脉冲数n 由n L 工作台最大行程 所以 脉冲数为 n L 400 0 02083 19200步 解 1 由计算脉冲当量 360 L0 已知 L0 5mm

14、 150求脉冲当量 5 360 1 5 0 02083 mm 例3步进电机直接经丝杆螺母驱动工作台 步进电机步距角0 720 工作台质量为100kg 负载质量为50kg 切削负载为4000N 丝杆螺距为5mm 如果步进电机从500Hz线性加速到2000Hz 加速时间为0 2S 求步进电机的驱动转距 解 1 忽略滚珠丝扛及电机的转动惯量 则折算到电机轴上等效转动惯量 V f 500 0 01 5mm s J m V 2 所以 100 50 5 2 95 08 10 6 kg m 2 2 2 求电机轴的等效转矩 T F V F 为切削负载4000N V 5mm s 4000 5 2 3184 7N

15、 mm 3 184N M 3 步进电动机的角加速度 d dt df dt t 0 t 2 360 0 72 2000 500 0 2 2 360 0 72 94 2rad s 2 所以 步进电机的启动转矩为 Tq T J T 等效转矩 J 空载启动时 产生最大加速度所需的转矩 步进电动机的角加速度 所以 Tq T J 3 184 95 08 10 6 94 2 3 27N m 例4一台五相步进电机 五相五拍运行时其步距角是1 50 此电动机转子上应有几个齿 齿距角是多少 此电动机若按十拍运行 齿距角度是多少度 按五拍和十拍运行时 每走一步对应的电角度是多少 解 1 步距角 Z 齿数 m 相数

16、K 1五拍 单拍 2十拍 双拍 所以 五拍运行时 360 mKz 0 1 5 0 K 1 m 5 Z 360 0 5 1 48齿 十拍运行时 360 5 2 48 0 0 75 0 2 齿距角 c 360 48 0 7 5 0 齿距角的电角度 e 360 mK 0 五拍运行时 e 360 5 1 0 72 0 十拍运行时 e 360 5 2 36 0 0 例5设有一步进电机驱动的工作台 步进电机通过减速齿轮副驱动滚珠丝杆 其参数符号如下 脉冲当量 滚珠丝杆的基本导程为L 步进电机的步距角为 减速齿轮比为1 i 问题 1 试写出 L i之间的关系 2 若 0 001mm L 5mm 减速比为1 5 问选择步进电机的步距角应为多少 解 1 求脉冲当量 2 步进电机的步距角 二 直流伺服电机及驱动 直流电机的工作原理是建立在电磁力定律基础上的 电磁力的大小正比于电机中的气隙磁场 直流电机的励磁绕组所建立的磁场是电机的主磁场 按对励磁绕组的励磁方式不同 直流电机可分为 他励式 并励式 串励式 复励式 永磁式 20世纪80 90年代中期 永磁式直流伺服电机在NC机床中广泛采用 直流伺服电机的特点