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1、 数控机床的伺服驱动与监测第一节 概述一、伺服系统的概念v数控机床伺服系统是以机械位移为直节控制目标的自动 控制系统，也可称为位置随动系统，简称为伺服系统。 数控机床伺服系统主要有两种：一种是进给伺服系统， 它控制机床各坐标轴的切削进给运动，以直线运动为主 ；另一种是主轴伺服系统，它控制主轴的切削运动，以 旋转运动为主。本章只介绍第一种伺服系统。vCNC装置是数控机床发布命令的“大脑”，而伺服驱动则 为数控机床的“四肢”，是一种“执行机构”，它能夠准确的 执行来自CNC装置的运动指令。驱动装置由驱动部件和 速度控制单元组成。驱动部件由交流或直流电动机、位 置监测元件及相关的机械传动和运动部件组
2、成。v伺服系统的控制方法主要分为开环、闭环和半闭环三种控制方法。 它实际上是指伺服系统实现位置伺服控制的三种方式。v开环控制只有从发出的位置指令输入到最后的位置输出的前向通道 控制，而没有测量实际位置输出的反馈通道。由步进电动机直接驱 动滚珠丝杆副的结构就是开环控制系统的实例。它的结构简单、调 整维护方便、工作可靠、成本低，但每一指令脉冲的进给误差、传 动链的误差间隙、导轨滑动时摩擦力的不均衡等造成的误差等最终 都反映到实际位移中去，使得定位精度较低。此外，它的速度低， 低速平稳性差，效率也较低。电机机械执行部件A相、B相C相、f、nCNC插补指令脉冲频率f 脉冲个数n 换算脉冲环 形分配 变
3、换功率 放大v如果在电动机轴或丝杆上安装一个旋转变压器反馈转角 的变化，则系统变成了半闭环系统。这样，与开环系统 相比，半闭环系统，提高了精度，但它检测的反馈信号 来自于系统中某一个非最终输出的环节，使得系统无法 对这一环节到最终控制目标之间的误差自动进行补偿。位置控制调节器速度控制 调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元+-电机机械执行部件CNC插 补 指令实际位 置反馈实际速 度反馈v在前向控制通道的基础上在加上直接检测最终输出的反 馈控制通道就形成了闭环控制的伺服系统。检测元件通 常为直线感应同步器和光栅等直线行位检元件，安装在 最终的移动目标工作台上。v伺服驱动系统的性能在很
4、大程度上决定了数控机床的性 能。数控机床的最高移动速度，跟踪速度，定位精度等 重要的指标都取决于伺服系统的动态和静态特性。它一 直是数控机床研究的重要课题之一。位置控制调节器速度控制 调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元+-电机机械执行部件CNC插 补 指令实际位 置反馈实际速 度反馈二、进给伺服系统的要求v 数控机床完成各种不同的加工任务，对 进给伺服系统的要求也不尽相同，可概括 为以下几点要求。1.精度高 伺服系统的精度是指输出量能复 现输入量的精确程度。直接影响机的定位 精度和重复定位精度，因而对零件的加工 精度影响很大。精密加工的数控机床要求 定位和轮廓切削精度都比较高，一
5、般允许 偏差在0.010.001mm之间，甚至到0.1um 。2.调速范围宽 调速范围Rn为Rn=nmax/nmin式中nmax 、nmin 额定负载时的最高、最低转 速，单位为r/min。v 对一般的数控机床而言，进给伺服系统的调速 范围Rn为1:24000就足够了，即在 124000mm/min调速范围内速度能够均衡、稳 定、无爬行地工作。较为先进的机床可以获得更 大的调速范围。3.快速响应 为了保证轮廓切削形状精度和表面 粗糙度，除了保证较高的定位精度外，还要求跟 踪指令信号响应快，一般在200ms以内，甚至小 于几十ms。4.低速大转矩 切削加工的特点一般是在低速时 进行重切削。为适应
6、加工要求对伺服系统要求低 速大转矩。系统具有这一特性，可以简化传动链 ，使传动装置机械结构得道简化系统刚性加强， 使传动装置的动态质量和传动精度得到提高。4.高性能的伺服电动机 伺服电动机是伺服系 统的重要驱动元件。为满足上述要求，对伺服电 动机的要求应该是：从最低速度到最高速度能平 滑运转，具有大的、较长时间的过载能力、响应 快，还要求能承受平凡的启动、制动和反转。v进给驱动用的伺服电动机主要有步进电动机，直 流和交流调速电动机。交流调速电动机是机床进 给驱动的一个方向。自80年代中期开始，交流进 给驱动得到了迅速的发展。今天，一些先进的国 家几乎全部采用交流进给驱动。交流调速电动机 是以异
7、步电动机和永磁同步电动机为基础的交流 电动机，而所采用的异步电动机多为批量生产的 普通结构形式的异步电动机，可以预见，交流调 速电动机将是最有发展前途的进给驱动装置。第二节 步进电动机的驱动与 应用v步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机 械角位移的驱动元件。给一个电脉冲信号 ，步进电动机就回转一个固定的角度，称 为一步，所以称为步进电动机。有由于它 输入的是脉冲电流，也称为脉冲电动机。v步进电动机具有精度高，惯性小的特点，对各种 干扰因素不敏感，误差不会长期积累，转过360 以后其积累误差为“0”。它主要用于开环控制系 统，使系统的结构简单、运行可靠，也可用于闭 环控制系统。按励磁方式的不同，
8、步进电动机可 分为反应式、永磁式、感应式和混合式等。混合 式步进电动机的结构和原理具有反应式和永磁式 两种电动机的特点，在同样的励磁电流下，它可 以产生更大的转矩。目前这种电动机以在数控机 床等领域得到了广泛的应用。反应式步进电动机 应用普遍，结构也简单，是我们分析的重点对向 。一、步进电动机的工作原理v 图6-2所示为反应式步进电动机的结构原理图 。它的定子和转子铁心通常由硅钢片叠成。定子 上有A、B、C三对磁极，在相对应的磁极上绕有 A、B、C三向控制绕组。假设转子上有四个齿， 齿宽与定子的极靴宽相等，相邻两齿所对应的空 间角度为齿距角。齿距角Ot为 Ot=360/Zr 式中Zr转子齿数。
9、在图6-2所示的三相(A、B、C)步进电动机中， Zr=4,齿距角Ot=90。v二、步进电动机的主要性能指标v1、步距角及步距精度v同一相数的步进电动机通常有两种步距角，如 1.5/0.75、1.2/0.6、3/1.5等。单、双拍制 的步距角比单拍制或双拍制的步距角减小一半。v静态步距角误差是实际步距角与理论步距角之间 的误差，以偏差的角度或理论步距角的百分数来 衡量。它的值越小，就表示精度越高。按静态步 距角误差，步进电动机的精度分为两级，如表6- 1所示。中国最大的资料库下载表6-1 步进电动机步距角精度分 级步距角 1级精度 2级精度 sTam， 在电磁转矩作用下，转过一个步矩角到达新的
10、平 衡位置n，此时，Tbn=T1。显然，如果负载T1Tq ，A、B相的切换无法使转子到达新的平衡位置n ，而产生“失步“现象。不同相数的步进电动机的 起动转矩不同，一般相数越多，拍数越多，则气 动转矩越大。v根据步进电动机的相数、拍数选取起动转 矩，见表6-3。表中Tmax为步进电动机的最 大静转矩。3、起动频率和起动特性v起动频率是指步进电动机不失步起动所能 施加的最高控制脉冲频率。在电动机空载 情况下，成为空载起动频率。在有负载情 况下，不失步起动所允许的最高频率将大 大降低。例如70BF3型步进电动机空载起 动频率是1400Hz，当负载为最大转矩Tmax 的0.55倍时，起动频率下降到5
11、0Hz。表6-3 步进电动机相数、拍数、 最大负载转矩表运行 方式 相数 3456拍数 3648510612Tq/Tmax 0.5 0.866 0.707 0.707 0.809 0.951 0.866 0.866 v步进电动机带一定负载起动后，连续缓慢 提高脉冲频率直到不丢步运行的最高频率 称为运行频率。它比起动频率大得多。因 此步进电动机常采用升降速控制，起停时 频率降低，正常运行时，频率升高。图6-7 表示了负载转矩与运行频率的关系。频率选择时因满足下式ftfop (6-4)v式中 ft步进电动机极限起动频率；fop要求步进电动机最高起动频 率。4、连续运行频率v步进电动机在实际应用中一
12、般均处在连续脉冲运 行状态，控制脉冲的变化及对它的影响可分为三 个区段：（1）脉冲频率极低 这时电动机的运行为连续 的单步运动。一般电动机由一个稳定点变化到另 一个稳定点时，转子要在新的稳定点附近来回振 荡若干次，最后才稳定下来。当输入的脉冲时间 间隔大于电动机振荡衰减时间时，第二个脉冲还 没到来时，前一次的脉冲已经完毕，转子处在稳 定位置，其运行过程如图6-8a所示，每一步都和 单步运动一样。这种状态步进电动机能够跟随输 入脉冲可靠的工作。（2）脉冲频率很高 这时脉冲间隔短，在前一 步还没有振荡结束，后一个脉冲就已经来临，使 步进电动机连续平滑的转动，转速比较稳定，如 图6-8所示。（3）低
13、频共振 当脉冲频率介于及低频和高频 之间，容易接近于电动机本身的振荡频率，这时 电动机将产生强烈振动，甚至失步无法工作。这 就是步进电动机低频共振丢步现象。一般不允许 步进电动机在共振频率下运行。为减少这一共振 现象，很多步进电动机设置了专门的阻尼器，消 耗振动能量，限制振幅。5、应用举例v下面举一个模拟工作台的例子。工作台的 纵向轴是导程P=1.25mm的普通丝杆副， 步进电动机通过一对降速齿轮副与丝杆连 接。设丝杆轴向的负载Fa=500N；最 大进给速度vmax=0.8m/min；脉冲当量 =0.002mm/step；传动的总效率是 0.255。请选用步进电动机。v设选用的徚进电动机的步矩
14、角 s=0.75/step（1）确定步进电动机的起动力矩Tq 当电动机 在起动力矩Tq作用下转一个步矩角s时，所作的功为WD=Tq*s/3602工作台克服负载Fa、位移所做的功Wa=Fa*根据能量守恒WD=Wa得Tq=360*Fa/2*s*=360*0.002*5000/2*3. 14*0.75。*0.255N.mm=2997.3N.mm（2）确定步进电动机最大静转矩Tmax 为满足最小步矩要求，电动机选用三相六 拍工方式，根据表6-3得Tq/Tmax=0.866， 则Tmax=299.73/0.866N.cm=346.11N.cm（3）确定步进电动机运行频率 fmax=1000*vmax/6
15、0*=1000*0.8/60*0.002 Hz=6650Hz根据以上参数选电动机100BF003。它的 Tmax=800N.cm,s=0.75/1.5 fmax=7000。三、脉冲分配v由步进电动机的工作原理知，要使电动机正常的 一步一步地运行，控制脉冲必须按一定的顺序分 别供给电动机各相，例如三相单拍驱动方式，供 给脉冲的顺序为A-B-C-A或A-C-A，也可称为环 形脉冲分配。脉冲分配有两种方式：一种是硬件 脉冲分配，另一种是软件分配，是由计算机的软 件完成的。1.脉冲分配器v脉冲分配器可以用门电路及逻辑电路构成，提供 符合步进电动机控制指令所需的顺序脉冲。目前 已经有很多可靠性高、尺寸小
16、、使用方便的脉冲 分配器供选择。按其电路结构不同可分为TTL集 成电路和CMOS集成电路。v目前市场提供的国产TTL脉冲分配器有三 相（YBO13）、四相（YBO14）、五相（ YBO15）和六相（YBO16），均为18个管 脚的直插式封装。CMOS集成脉冲分配器 也有不同型号，例如CH250型用来驱动三 相步进电动机，封装形式为本16脚直插式 。v这两种脉冲分配器的工作方式基本相同， 当各个引脚连接好之后，主要通过一个脉 冲输入端，控制步进的速度；一个输入端 控制电动机的转向；并有与步进电动机相 数相同数目的输出端分别控制电动机的各 相。2.软件脉冲分配v在计算机控制的步进电动机驱动系统中， 通常采用软件的方法实现环形脉冲分配。 图6-9所示是一个8031单片机与步进电动 机驱动电路接口的框图。P1口的三个引
