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1、数控技术,1,第六章 数控机床的伺服系统,第一节 概述 第二节 开环步进式伺服系统 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,数控技术,2,第一节 概述,定义：以位置和速度作为控制对象的自动控制系统 又称：随动系统。即输出随输入而变化。 伺服：侍候和服从 功用：接受CNC装置送来的进给指令脉冲，经过一定的信号转换，功率放大，转化为机床各坐标轴的进给运动（承上启下：桥梁作用）,数控技术,3,第一节 概述,功能的实现：主要通过对步进电机、伺服电机的控制来实现。综述：伺服驱动系统作为一种实现进给运动的执行机构，是数控机床的一个重要组成部分，在很大程度上决定了数控机床
2、的性能。伺服控制技术是数控机床的关键技术之一。,数控技术,4,第一节 概述,一、数控机床对伺服系统的要求 二、伺服驱动系统的基本组成 三、伺服驱动系统的分类,数控技术,5,一、数控机床对伺服系统的要求,1 精度高 一般脉冲当量为0.010.001mm 2 快速响应特性好 能在200ms以内恢复平衡 3 调速范围大 调速范围在110000之间 4 可靠性好 平均无故障工作时间达一万小时以上。,数控技术,6,二、伺服驱动系统的基本组成,1 比较环节（开环没有） 2 驱动控制单元 3 执行元件 4 反馈检测单元（开环没有）,比较控制环节,检测与反馈单元,驱动控制单元,电机,机械执行部件,CNC插补
3、指令,数控 装置,伺服驱动系统的基本组成,数控技术,7,三、伺服驱动系统的分类,一般根据其控制原理和有无位置检测反馈环节来进行分类： 1 开环伺服系统 2 闭环伺服系统 3 半闭环伺服系统,数控技术,8,1 开环伺服系统,数控技术,9,2 闭环伺服系统,数控技术,10,3 半闭环控制系统,数控技术,11,第二节 开环步进式伺服系统,开环步进式伺服系统主要由： 环形脉冲分配器（环分） 功率放大器（功放） 步进电机等组成 工作时从左向右，设计时从右向左。所以先看步进电机。,数控技术,12,一、步进电机的工作原理和特性,1、概念：每给一个脉冲走一步。 2、类型： 根据力矩产生原理：反应式、励磁式、混
4、合式 根据相数：三相、四相、五相、 根据绕组分布：径向绕组、轴向绕组、混合绕组 根据运动方式：回转式、直线式 3、应用：数控机床、机器人、打印机,数控技术,13,轴向绕组,数控技术,14,三相、径向、反应式步进电机工作原理,组成：转子（带齿）定子（6个磁极、三相 绕组）。 通电方式：单三拍正转：A-B-C-A单三拍反转：A-C-B-A双三拍正转：AB-BC-CA-AB双三拍反转：AC-CB-BA-AC三相六拍正转：A-AB-B-BC-C-CA-A三相六拍反转：A-AC-C-CB-B-BA-A,数控技术,15,工作原理,数控技术,16,单三拍电压波形,数控技术,17,双三拍电压波形,数控技术,1
5、8,三相六拍电压波形,数控技术,19,径向式步进电机结构图,数控技术,20,步进电机的基本特点,1）转角与脉冲数成正比 ）转速与脉冲频率成正比 3）转向取决于通电顺序4）输出转角精度高 5）自整角能力 缺点:（）效率低 （）没有过载能力 （）低频共振现象或震荡,数控技术,21,步进电机的主要特性,步距角和步距误差 启动频率3连续运行的最高工作频率fmax4加减速特性5矩频特性和动态转矩,数控技术,22,步距角和步距误差 步距角 ：0mzk 式中：m_步进电机相数z_ 转子齿数k_拍数和相数的比例系数三相三拍制式时，k=1; 三相六拍制式时，k= 步距误差：转子每一步实际转过的角度与理论步距角之
6、差,步进电机的主要特性,数控技术,23,启动频率空载时，步进电动机由静止状态突然起动，并进入不丢步的正常运行的最高频率，称为起动频率或突跳频率。 加给步进电动机的指令脉冲频串如大于起动频率，就不能正常工作。 步进电动机在带负载(尤其是惯性负载)下的起动频率比空载要低，而且，随着负载加大(在允许范围内)，起动频率会进一步降低。,步进电机的主要特性,数控技术,24,连续运行的最高工作频率fmax： 步进电动机启动以后，其运行速度能跟踪指令脉冲频率连续上升而不丢步的最高工作频率，称为连续运行频率。 其值远大于起动频率，它也随着电动机所带负载的性质和大小而异，与驱动电源也有很大关系。,步进电机的主要特
7、性,数控技术,25,加减速特性： 在加减速的过程中通电状态变化的频率与时间的关系。 要求：加速时要逐渐加速；减速时要逐渐减速。,步进电机的主要特性,数控技术,26,矩频特性和动态转矩： 矩频特性M=F(f)是描述步进电动机连续稳定运行时输出转矩与连续运行频率之间的关系(见图2-25)。 该特性上没一个频率对应的转矩称为动态转矩。使用时，一定要考虑动态转矩随连续运行频率的上升而下。,步进电机的主要特性,数控技术,27,二、步进电机的选择,根据运行速度、负载转矩、负载转动惯量、 步距角来选择。Mm=（Jm+Jleq）1+MleqJLeq=J1+J2/+（t/2)2W/gMleq=t/(2)（FL+
8、W）,数控技术,28,三、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绕组通断的电平信号。,进 给 脉 冲,脉冲 混合 电路,加减 脉冲 分配 电路,加 减 速 电 路,环 形 分 配 器,功 率 放 大 器,步 进 电 机,数控技术,29,1 脉冲混合电路： 将各种信号混合成工 作台正向进给的“正 向脉冲”和反向进给 的- 2 加减脉冲分配电路：从正在进给方向的 进给脉冲指令中，抵消相同数量的相反方向的补偿脉冲,三、步进电机的驱动控制线路,数控技术,30,三、步进电机的驱动控制线路,3 加减速电路（升降速电路）,数控技术,31,硬件环形分配器：
9、如集成块CH250、YB016等，它一般由D-触发器、J-K触发器、CMOS电路和门电路组成。 软件环形分配器：比较简单，但速度慢些，多占用I/O点。,4 环形分配器,三、步进电机的驱动控制线路,数控技术,32,JK触发器组成的五相十拍环形分配器组成：五个组合逻辑控制门、五只JK触发器 JK触发器的特性：CP=1时，正向输出=J端的输入 CP=0时，输出不变。 JK触发器的作用：使送来分配的脉冲处于低电平时 输出保持原来的状态。 通电顺序：ABCBCBCDCDCDEDEDEA EAEABABABC,三、步进电机的驱动控制线路,数控技术,33,指令脉冲经两个反相器驱动，作为触发脉冲送到各触发器
10、开始工作时，由清零控制线将五个触发器置为“0”状态，这时：A=1 B=1 C=1 D=0 E=0 以正向控制为例说明原理。K+为1，K-为0时，只有正向控制门起作用。 各触发器J端的输入状态：A1J=-A3 A2J=A4 A3J=A5 A4J=A1 A5J=A2,五相十拍环形分配器,数控技术,34,A1J =-A3 =C A2J =A4 =D A3J =A5 =E A4J =A1 =-A A5J =A2 =-B,数控技术,35,五相十拍环分正向工作过程,初态： A=1 B=1 C=1 D=0 E=0 A1准备翻转 第一个脉冲：A=0 B=1 C=1 D=0 E=0 A4准备翻转 第二个脉冲：A
11、=0 B=1 C=1 D=1 E=0 A2准备翻转 第三个脉冲：A=0 B=0 C=1 D=1 E=0 A5准备翻转 第四个脉冲：A=0 B=0 C=1 D=1 E=1 A3准备翻转 第五个脉冲：A=0 B=0 C=0 D=1 E=1 A1准备翻转 第六个脉冲：A=1 B=0 C=0 D=1 E=1 A4准备翻转 第七个脉冲：A=1 B=0 C=0 D=0 E=1 A2准备翻转 第八个脉冲：A=1 B=1 C=0 D=0 E=1 A5准备翻转 第九个脉冲：A=1 B=1 C=0 D=0 E=0 A3准备翻转 第十个脉冲：A=1 B=1 C=1 D=0 E=0 A1准备翻转 回到初态，一个循环结
12、束。,A1J =-A3 =C A2J =A4 =D A3J =A5 =E A4J =A1 =-A A5J =A2 =-B,数控技术,36,单电压功放 双电压功放,三、步进电机的驱动控制线路,5 功率放大器,数控技术,37,单电压功放,末级功放采用大功率晶体管，工作在开关状态（要么饱和，要么截止） 二极管：提供放电回路，保护三极管 电阻：提高电流上升速度，但消耗功率,数控技术,38,单电压功放,数控技术,39,双电压功放,L绕组 VT1高压管 VT2低压管 工作过程： 环分每相输出的脉冲信号分成两路： 一路控制T2的导通和截止。 当T2导通时，U2-L-R-T2-地； 另一路，经微分电路或单稳态
13、触发器， 靠窄脉冲控制高压管的导通和截止。 一开始高压供电，后来低压供电。 特点：高压供电，电流上升快，有利于提高启动频率和最高工作频率：低压供电时，能维持额定电流值，而功耗较低,数控技术,40,高低压驱动电路,高压,低压,停,线圈,1S几千次!,驱动器:电路集成,数控技术,41,环分加驱动 简称驱动,CP,DIR,+5V,59V,U,V,W,华龙,数控技术,42,电流波形,数控技术,43,四 提高步进伺服系统精度的措施,1传动间隙补偿 2螺距误差补偿 3细分电路,数控技术,44,螺距误差补偿,数控技术,45,细分电路,在进给速度不变的情况下,步距角相当于原来多少?,数控技术,46,第三节 数
14、控机床的检测装置,概述 进给伺服系统对位置测量装置的要求 位置检测装置的分类 旋转变压器 感应同步器 光栅 脉冲编码器,数控技术,47,概述,检测装置是闭环伺服系统的重要组成部分 作用：检测各种位移和速度，发出反馈信号，构成闭环控制 闭环系统的加工精度主要取决于- 分辨率：位移检测系统能测出的最小位移量 要求： 工作可靠，抗干扰能力强； 使用维护方便； 满足精度、位移、速度要求； 成本低。,数控技术,48,位置检测装置分类：,概述,数控技术,49,一、旋转变压器,1 旋转变压器的结构 2 工作原理 鉴相工作法 鉴幅工作法 3 旋转变压器的应用,数控技术,50,1 旋转变压器的结构,旋转变压器是
15、一种角位移测量装置，由定子和转子组成。 相似于两相绕线式异步电动机旋转变压器的工作原理与普通变压器基本相似，其中定子绕组作为变压器的一次侧，接受励磁电压。转子绕组作为变压器的二次侧，通过电磁耦合得到感应电压，只是其输出电压大小与转子位置有关。旋转变压器通过测量电动机或被测轴的转角来间接测量工作台的位移。 分为有刷式和无刷式 形式：旋转变压器分为单极和多极形式，两极绕组、四极绕组,数控技术,51,电磁耦合： 在定子绕组上加激磁电压，在转子绕组两端取出感应电压，再根据感应电压的相位角或幅值来测量转子的转角。,在相对转角较小时， 正比于感应电压的幅值，转 子和定子的磁轴垂直。转子安装在丝杠上，定子安
16、装在底座上， 则角代表的是丝杠转过的角度，间接反映了工作台位移。只 要测出幅值，便间接得出和工作台位移,2 工作原理,数控技术,52,旋转变压器的应用,四极绕组旋转变压器作为位置检测装置，有两种典型工作方式： 鉴相式：根据感应输出电压的相位来检测位移量； 鉴幅式：根据感应输出电压的幅值来检测位移量。,数控技术,53,旋转变压器的应用,给定子两绕组分别通以幅值相同、频率相同、相位差900的交流励磁电压，即这两个励磁电压在转子绕组中都产生了感应电压，转子中的感应电压应为这两个电压的代数和：,由式可见，转子输出电压的相位角和转子的偏转角之间有严格的对应关系，这样，只要专用鉴相器检测出转子输出电压的相位角，就可知道转子的转角。由于旋转变压器的转子和被测轴连接在一起，被测轴的角位移就知道了。,
