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1、2019/1/14,第四章 进给运动控制,2019/1/14,4.1 概 述,1. 数控机床伺服系统的概念,数控机床伺服系统是以数控机床移动部件（如工作台、主轴或刀具等）的位置和速度为控制对象的自动控制系统，也称为随动系统、拖动系统或伺服机构。它接受CNC装置输出的插补指令，并将其转换为移动部件的机械运动（主要是转动和平动）。伺服系统是数控机床的重要组成部分，是数控装置和机床本体的联系环节，其性能直接影响数控机床的精度、工作台的移动速度和跟踪精度等技术指标。,2019/1/14,通常将伺服系统分为开环系统和闭环系统。开环系统通常主要以步进电动机作为控制对象，闭环系统通常以直流伺服电动机或交流伺
2、服电动机作为控制对象。,2019/1/14,速度环由速度调节器、电流调节器及功率驱动放大器等部分组成，利用测速发电机、脉冲编码器等速度传感元件，作为速度反馈的测量装置。位置环是由CNC装置中位置控制、速度控制、位置检测与反馈控制等环节组成，用以完成对数控机床运动坐标轴的控制。数控机床运动坐标轴的控制不仅要完成单个轴的速度位置控制，而且在多轴联动时，要求各移动轴具有良好的动态配合精度，这样才能保证加工精度、表面粗糙度和加工效率。,2019/1/14,(1)伺服系统的作用,2)根据CNC装置发出的控制信息对机床移动部件的位置和速度进行控制。,1) 数控伺服系统具有放大控制信号的能力。,(2)数控机
3、床对伺服系统应具有的基本性能,1)高精度：伺服系统的精度指输出量能够复现输入量的精确程度。由于数控机床执行机构的运动是由伺服电动机直接驱动的，为了保证移动部件的定位精度和零件轮廓的加工精度，要求伺服系统应具有足够高的定位精度和联动坐标的协调一致精度。一般的数控机床要求的定位精度为0.010.001mm，高档设备的定位精度要求达到0.1m以上。在速度控制中，要求高的调速精度和比较强的抗负载扰动能力。即伺服系统应具有比较好的动、静态精度。,2019/1/14,2)良好的稳定性 稳定性是指系统在给定输入作用下，经过短时间的调节后达到新的平衡状态；或在外界干扰作用下，经过短时间的调节后重新恢复到原有平
4、衡状态的能力。稳定性直接影响数控加工的精度和表面粗糙度，为了保证切削加工的稳定均匀，数控机床的伺服系统应具有良好的抗干扰能力，以保证进给速度的均匀、平稳。,3动态响应速度快 动态响应速度是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统的跟踪精度。目前数控机床的插补时间一般在20ms以下，在如此短的时间内伺服系统要快速跟踪指令信号，要求伺服电动机能够迅速加减速，以实现执行部件的加减速控制，并且要求很小的超调量。,2019/1/14,4调速范围要宽，低速时能输出大转矩。机床的调速范围RN是指机床要求电动机能够提供的最高转速nmax和最低转速nmin之比，即：,车床的主轴伺服系统一般是速度控制系统，除了一
5、般要求之外，还要求主轴和伺服驱动可以实现同步控制，以实现螺纹切削的加工要求。有的车床要求主轴具有恒线速功能。,机床的加工特点是低速时进行重切削，因此要求伺服系统应具有低速时输出大转矩的特性，以适应低速重切削的加工实际要求，同时具有较宽的调速范围以简化机械传动链，进而增加系统刚度，提高转动精度。一般情况下，进给系统的伺服控制属于恒转矩控制，而主轴坐标的伺服控制在低速时为恒转矩控制，高速时为恒功率控制。,2019/1/14,5)高性能电动机 伺服电动机是伺服系统的重要组成部分，为使伺服系统具有良好的性能，伺服电动机也应具有高精度、快响应、宽调速和大转矩的性能。具体是：,（1）电动机从最低速到最高速
6、的调速范围内能够平滑运转，转矩波动要小，尤其是在低速时要无爬行现象；,（2）电动机应具有大的、长时间的过载能力，一般要求数分钟内过载46倍而不烧毁；,（3）为了满足快速响应的要求，即随着控制信号的变化，电动机应能在较短的时间内达到规定的速度；,（4）电动机应能承受频繁启动、制动和反转的要求。,2019/1/14,2.伺服驱动系统的分类,（1）驱动方式分类 液压伺服系统、气压伺服系统和电气伺服系统,伺服系统可以分为电液伺服系统和电气伺服系统，电液伺服系统的执行元件是电液脉冲马达和电液伺服马达。但由于该系统存在噪音、漏油等问题，其逐渐被电气伺服系统所取代。 电气伺服系统全部采用电子元件和电动机部件
7、，操作方便，可靠性高。 目前电气伺服系统的驱动元件主要有步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机，有关这些驱动元件的工作原理可以参阅本章中的相关内容。,2019/1/14,（3）按有无检测元件和反馈环节分类，伺服系统可以分为开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统。开环伺服系统与闭环伺服系统如前所述。半闭环与闭环伺服系统的结构一致，只是位置检测元件不直接安装在最终运动部件上（工作台），而是传动装置的一个环节上（如丝杠或传动轴上），由于传动链有一部分在位置环以外，在位置环以外的传动精度得不到系统的补偿，因此其控制精度低于闭环伺服系统。但对于闭环伺服系统，由于受机械变形、温度变化、振动以及其他
8、因素的影响，系统的稳定性较差。同时由于半闭环的反馈量测量方便等特点，使半闭环伺服系统也得到广泛应用。,（2）驱动执行元件分类，可分为直流电动机伺服系统、交流电动机伺服系统、步进电动机伺服系统。,（4）按输出被控制量的性质分类，可分为位置伺服系统、速度伺服系统.,2019/1/14,4.进给伺服电动机的类型,伺服电动机为数控伺服系统的重要组成部分，是速度和轨迹控制的执行元件。 数控机床中常用的伺服电机： 直流伺服电机（调速性能良好） 交流伺服电机（主要使用的电机） 步进电机（适于轻载、负荷变动不大） 直线电机（高速、高精度）,2019/1/14,1.由于直流伺服电动机使用机械(电刷、换向器)换向
9、，因此存在许多缺点。而直流伺服电动机优良的调速特性正是通过机械换向得到的，因而这些缺点无法克服。,2.交流伺服电动机与直流伺服电动机相比最大的优点在于它不需要维护，制造简单，适合于在恶劣环境下工作。目前，国外的交流伺服系统已实现了全数字化，即在伺服系统中，除了驱动级外，全部功能均由微处理器完成，可高速、实时地实现前馈控制、补偿、最优控制、等功 能。 应用于进给驱动的交流伺服电动机有交流同步电动机与异步电动机两大类。 由于数控机床进给驱动的功率一般不大(数百至数千瓦)，而交流异步电动机的调速指标一般不如交流同步电动机，因此大多数进给伺服系统采用永磁式交流同步电动机。,2019/1/14,4.2
10、步进电动机伺服系统,步进电动机伺服系统主要应用于开环位置控制中，该系统由环形分配器、步进电动机、驱动电源等部分组成。这种系统简单容易控制，维修方便且控制为全数字化，比较适应当前计算机技术发展的趋势,2019/1/14,4.2.1步进电动机的工作原理,1. 步进电动机分类 步进电动机的分类方法很多，根据不同的分类方式，可将步进电动机分为多种类型，如表所示,步进电动机是一种将电脉冲信号转换为机械角位移的电磁机械装置。又叫脉冲马达。每施加一个电脉冲信号，步进电动机就旋转一个固定的角度，称为一步，每一步所转过的角度称为步距角。,2019/1/14,步进电动机的分类,2019/1/14,2019/1/1
11、4,2019/1/14,2步进电动机的结构,目前，我国使用的步进电动机多为反应式步进电动机。在反应式步进电动机中，有轴向分相和径向分相两种。图所示是一典型的单定子、径向分相、反应式(转子是带齿的铁心(反应式)或磁钢(混合式)，无绕组。 )伺服步进电动机的结构原理图,1-绕组 2-定子铁心 3-转子铁,步进电动机可构成A、B、C三相控制绕组，故称三相步进电动机。若任一相绕组通电，便形成一组定子磁极，其方向即图中所示的NS极。在定子的每个磁极上面向转子的部分，又均匀分布着5个小齿，这些小齿呈梳状排列，齿槽等宽，齿间夹角为。转子上没有绕组，只有均匀分布的40个齿，其大小和间距与定子上的完全相同。,2
12、019/1/14,步进电动机的齿距,三相定子磁极上的小齿在空间位置上依次错开1/3齿距，如图所示。当A相 磁极上的小齿与转子上的小齿对齐时，B相磁极上的齿刚好超前（或滞后）转子齿1/3齿距角，C相磁极齿超前（或滞后）转子齿2/3齿距角。步进电动机每走一步所转过的角度称为步距角，其大小等于错齿的角度。错齿角度的大小取决于转子上的齿数，磁极数越多，转子上的齿数越多，步距角越小，步进电动机的位置精度越高，其结构也越复杂。,2019/1/14,轴向分相反应式步进电动机结构原理图,各段定子铁心形如内齿轮，由硅钢片叠成。转子形如外齿轮，也由硅钢片叠成。各段定子上的齿在圆周方向均匀分布，彼此之间错开1/5齿
13、距，其转子齿彼此不错位。当设置在定子铁心环形槽内的定子绕组通电时，形成一相环形绕组，构成图中所示的磁力线。,2019/1/14,3.步进电动机的工作原理,当A相绕组通电时，转子的齿与定子AA上的齿对齐。若A相断电，B相通电，由于磁力的作用，转子的齿与定子BB上的齿对齐，转子沿顺时针方向转过，如果控制线路不停地按ABCA的顺序控制步进电动机绕组的通断电，步进电动机的转子便不停地顺时针转动。若通电顺序改为ACBA，步进电动机的转子将逆时针转动。这种通电方式称为三相三拍，而通常的通电方式为三相六拍，其通电顺序为AABBBCCCAA及AACCCBBBAA，相应地，定子绕组的通电状态每改变一次，转子转过
14、。因此在本例中，三相三拍的通电方式其步距角等于，三相六拍通电方式其步距角 等于,2019/1/14,综上所述，可以得到如下结论： （1）步进电动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，即步距角； （2）改变步进电动机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向随之改变； （3）步进电动机定子绕组通电状态的改变速度越快，其转子旋转的速度越快，即通电状态的变化频率越高，转子的转速越高； （4）步进电动机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m相m拍时，k=1；m相2m拍时，k=2。 对于上图所示的单定子、径向分相、反应式步进电动机，当它以三相三拍通
15、电方式工作时，其步距角为 若按三相六拍通电方式工作，则步距角为,2019/1/14,422 步进电动机的驱动电源由步进电动机的工作原理知道，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ABCA或ACBA，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（或称为脉冲分配器），另一种是软件脉冲分配，是由计算机的软件完成的。,环形分配器可用数字集成电路系列中的基本门电路和触发器构成，但这样构成的环形分配器过于复杂。实用的环形分配器均是集成化的专用电路芯片，这些芯片通常还包括除脉冲分配控制之外的其他功能,2019/1/14,
16、2019/1/14,2软件脉冲分配 在计算机控制的步进电动机驱动系统中，可以采用软件的方法实现环形脉冲分配。软件环形分配器的设计方法有很多，如查表法、比较法、移位寄存器法等，它们各有特点，其中常用的是查表法。,单片机控制的步进电动机驱动电路框图,P1口的三个引脚经过光电隔离、功率放大之后，分别与电动机的A、B、C三相连接。当采用三相六拍方式时，电动机正转的通电顺序为AABBBCCCAA；电动机反转的顺序为AACCCBBBAA。它们的环形分配如表6-2所示。把表中的数值按顺序存入内存的EPROM中，并分别设定表头的地址为TAB0，表尾的地址为TAB5。计算机的P1口按从表头开始逐次加1的顺序变化，电动机正向旋转。如果按从TAB5，逐次减1的顺序变化，电动机则反转。,2019/1/14,计算机的三相六拍环形分配表,2019/1/14,1)步进电动机的主要特性 (1)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
