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1、第8章 伺服系统,8.1概述 8.2步进电动机进给驱动系统 8.3直流伺服电机及其速度控制系统 8.4交流伺服电机及其速度控制 8.5数控机床位置检测,8.1概述,伺服系统也叫随动系统，是数控机床的重要组成部分。它能够严格按照CNC装置的控制指令进行动作,并能获得精确的位置、速度或力矩输出的自动控制系统。它是一种“执行机构”,是CNC装置和机床本体的联结环节, 是数控机床的“四肢”。它及时而准确地执行CNC装置发来的运动指令,准确地控制机床各运动部件的速度和位置,达到加工出所需工件的外形和尺寸的最终目的。伺服驱动系统的性能,在很大程度上决定了数控机床的性能,研究与开发高性能的伺服系统是现代数控
2、机床发展的关键技术之一。,8.1.1数控机床伺服系统的组成 数控机床进给伺服系统, 一般是由位置控制环和速度控制环组成。内环是速度控制环,外环是位置控制环。伺服系统的结构框图如图8-1所示。,图8-1 伺服系统结构框图,8.1.2数控机床伺服系统的分类 数控机床伺服系统的分类方法通常是按控制方式、伺服电机的类型、反馈比较控制、进给驱动和主轴驱动等方式进行分类的。,1.按控制方式分类 按控制方式分可分为开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统。开环控制无位置检测和反馈装置,半闭环、闭环控制有位置检测和反馈装置。,(1)开环伺服系统。 开环伺服系统就是不需要位置检测与反馈装置的伺服系统(如图8-
3、2所示)。执行机构通常采用步进电动机，系统位移正比于指令脉冲的个数,位移速度取决于指令脉冲的频率。每一个进给脉冲驱动步进电动机旋转一个步距角,再经过传动系统转换成工作台的一个当量位移。步进电动机开环伺服系统的功率不大,所以电动机的转速不能太高,一般正常工作转速不要超过1000r/min。,图8-2 开环伺服系统结构示意图,(2)闭环伺服系统 闭环伺服系统有位置检测装置和反馈装置，是误差控制随动系统。如图8-3所示。CNC输出的位置指令与位置检测装置反馈回来的机床坐标轴的实际位置相比较,形成位置误差, 经变换得到速度给定电压。在速度控制环,伺服驱动装置根据速度给定电压和速度检测装置反馈的实际转速
4、对伺服电机进行控制, 由此构成闭环位置控制。,图8-3 闭环伺服系统结构示意图,(3)半闭环伺服系统 半闭环和闭环系统的控制结构是一样的, 区别是其位置检测反馈装置没有直接安装在进给坐标的最终运动部件上，如图8-4所示, 而是将运动的传动链有一部分在位置环以外，在环外的传动误差没能得到系统的补偿,使半闭环伺服系统的精度低于闭环系统。其性能介于开环和闭环伺服系统之间。,图8-4 半闭环伺服系统结构示意图,2.按伺服电机的类型分类 可分为步进电动机伺服系统、直流伺服系统和交流伺服系统。 (1)步进伺服系统 步进伺服系统就是典型的开环伺服系统,它由步进电机及其驱动系统组成。步进伺服系统优点是结构简单
5、、使用维护方便、可靠性较高、制造成本低等,所以广泛的应用于小型数控机床和速度、精度要求不太高的场合。,(2)直流伺服系统 直流伺服系统通常用的伺服电机为小惯量直流伺服电机和永磁直流伺服电机(也称为大惯量宽调速直流伺服电机)。小惯量直流伺服电机最大限度地减小了电枢的转动惯量,它的快速性较好,在早期的数控机床上应用最多。 (3)交流伺服系统 交流伺服电机分为交流同步型伺服电机和交流异步型伺服电机两种。由于交流伺服电机没有直流伺服电机的缺点, 而且有较大的输出功率、更高的电压和转速,交流异步型电动机一般用于主轴交流伺服系统,交流同步型伺服电机，一般用于进给伺服电机。目前,交流伺服电机的应用得到了迅速
6、发展。,3.按反馈比较控制方式分类 在伺服系统中,因采用的位置检测元件不同,位置指令信号与反馈信号比较方式通常可分为脉冲比较、相位比较和幅值比较。伺服系统按反馈比较控制方式可分为脉冲数字比较伺服系统、相位比较伺服系统、幅值比较伺服系统和全数字伺服系统。,4.按进给驱动和主轴驱动分类 数控机床伺服系统按驱动对象,可分为进给伺服系统和主轴伺服系统。 (1)进给伺服系统 进给伺服系统是以机床移动部件的位置和速度为控制量, 它包括速度控制环和位置控制环。数控机床的进给伺服系统主要由伺服驱动控制系统与机床进给机械传动机构两大部分组成。 (2)主轴伺服系统 主轴伺服系统控制只是一个速度控制, 与进给伺服系
7、统基本相同,主要实现主轴的旋转运动, 提供切削过程中的转矩和功率, 也是采用交流调速或直流调速,能在转速范围内实现无级变速。当要求机床有螺纹加工、准停和恒线速度加工等功能时,就要对主轴提出相应的位置控制要求。,8.1.3对进给伺服系统的基本要求 数控机床进给伺服系统的的高性能在很大程度上，主要是取决于进给伺服系统的高性能。为此,数控机床对进给伺服系统的位置控制、速度控制、伺服电机、机械传动等方面都要求很高，可概括为以下几个方面:,1.高精度 伺服系统的精度指标主要有位移精度、定位精度、重复定位精度、分辨率和脉冲当量。 2.稳定性 进给系统的稳定性是指系统在给定新的输入指令信号或外界干扰作用下,
8、 能在短暂的调节过程后,达到新的或者恢复到原来的稳定状态。 3. 快速响应 快速响应是伺服系统动态性能的一项重要性能指标,反映了系统的跟踪精度,为确保轮廓切削加工精确度和表面的粗糙度，对进给伺服系统除要求有较高的定位精度外,还要求伺服系统跟踪指令信号的响应要快。,4. 调速范围宽 调速范围是指电动机所提供的最高进给速度与最低进给速度之比。数控加工过程中,被加工零件材质以及零件加工要求的变化范围很广, 为保证在任何情况下都能得到最佳切削条件, 要求进给驱动系统具有足够宽的调速范围和良好的无级调速特性。 （1）进给速度在124 000 mm/min时, 即l:24 000调速范围内, 要求运行均匀
9、、平稳、无爬行,且速降小。 （2）进给速度在1 mm/min以下时, 具有一定的瞬时速度,且瞬时速度要低。 （3）进给速度为零,即工作台停止运动时, 要求电动机有电磁转矩以维持定位精度, 即电动机处于伺服锁定状态，以确保定位精度不变。,5.低速大转矩 数控机床加工特点较多，其中在低速时进行重切削。要求进给伺服系统在低速时，输出的转矩要大,才能满足切削加工的要求。 为了满足进给伺服系统要求,对伺服电动机也提出相应要求,具体是: （1) 电动机从最低到最高转速范围内都能平滑地运转, 转矩波动要小, 尤其在低转速时, 仍然保持平稳的速度而无爬行现象。 （2) 电动机应具备较长时间工作下有较大的过载能
10、力, 以满足低速大转矩的要求。 （3) 为了满足快速响应要求, 电动机必须具备小的转动惯量和较大的制动转矩, 尽可能小的机电时间常数和起动电压。 （4) 电动机应具备能承受频繁的正、反转、制动。,进给伺服电动机,/i 系列,/i系列,直线电动机,进给伺服放大器,系列伺服放大器,i 系列伺服放大器,进给伺服电动机,联轴器,滚珠丝杠,进给伺服电动机及传动机构,8.1.4 对主轴伺服系统基本的要求 数控机床主轴伺服系统与进给伺服系统不同的是主轴电动机的功率要求大,对转速要求更高,但对调速性能的要求却远不如进给系统那样高。 数控机床对主传动的要求，在很宽的范围内转速能连续可调,恒功率的范围要宽, 具有
11、四象限的驱动能力。为满足自动换刀以及某些加工工艺的需要,要求主轴必须具有高精度的准停控制等。,1.对主轴伺服系统拖动特性的要求 （1）调速范围足够大 主轴驱动要求调速范围足够大,因为主轴变速是按指令自动进行的,要在较宽的转速范围内进行无级调速。一般要求在(1:100)(1:1000)的恒转矩调速范围, 1:10的恒功率调速范围,能实现四象限驱动功能。但对中型以上的数控机床,要求调速范围超过1:100。 (2)主轴输出功率大 为了满足生产率的需要, 主轴输出功率必须要大， 要求主轴在整个速度范围内均能提供切削所需要的功率,即恒功率范围要宽。但由于主轴电动机及其驱动的限制,通常采用分段无级变速的方
12、法, 使主轴电动机在低速段采用机械减速装置,可提高输出转矩。,2.对主轴驱动的控制要求 主轴变速分为有级变速、无级变速和分段无级变速三种形式,有级变速主要用于经济型数控机床,大多数数控机床都采用无级变速或分段无级变速。,(1)主轴定向准停控制 为满足数控机床的自动换刀以及某些加工工艺的需要, 对主轴除调速要求外, 还要求主轴具有高精度的准停控制。当CNC发出Ml9指令后, 经CPU处理后作为主轴的定位信号,经过磁性传感器,可检测主轴的准确位置,从而控制主轴准确地停在规定的位置上。,(2)主轴旋转与坐标轴进给的同步控制 主轴的转速与坐标轴的进给量要保持一定的关系, 也就是说主轴每转一圈时,沿工件
13、的轴坐标必须按节矩进给相应的脉冲量。一般是将光电脉冲编码器装在主轴上, 构成主轴的脉冲发生器, 当主轴旋转发出脉冲, 经CPU对节矩计算后,去控制坐标轴位置伺服系统,从而使进给量与主轴转速保持同步。通常采用的主轴脉冲发生器,每转的脉冲数为1024。,(3)加减速功能 现代数控机床,在主轴在正、反向转动时, 都具备了四象限驱动功能和自动加减速功能, 并且加减速时间尽可能短。 (4)恒线速切削 根据车床和磨床进行端面切削时, 为确保加工端面的粗糙度Ra小于某值，要求被加工的零件与刀尖的接触点的线速度为恒值。但随着刀具的径向进给,切削直径的逐渐减小,必须不断提高主轴转速才能维持线速度为常值。 V=2
14、nd,模拟量主轴放大器（变频器）,主 轴 放 大 器,串 行 主 轴 放 大 器,主 轴 电 动 机,普通型和变频专用电动机,串行数字主轴电动机,带传动（经过一级降速）,经过一级齿轮的带传动,主 轴 传 动 机 构,几级降速齿轮传动,主 轴 传 动 机 构,内装式电机主轴单元 （电主轴）,8.2步进电动机进给驱动系统,8.2.1步进电机结构和工作原理 1.步进电机分类 步进电机就是脉冲电动机、又叫电脉冲马达,它是将电脉冲信号转换成机械角位移的一种执行器件。 步进电机按转矩产生的原理,按转矩产生的工作原理步进电机可分为 反应式: 数控机床上常用三至六相反应式步进电机, 这种步进电机的转子无绕组,
15、由被励磁的定子绕组产生感应力矩实现步进运动。这种电动机结构简单、步距角小。 永磁式：转子铁心上装有多条永久磁铁，转子的转动与定位是由定、转子之间的电磁引力与磁铁磁力共同作用的。相同体积的永磁式步进电动机转矩大，步距角也大。 混合式：综合了反应式和永磁式步进电机的优点，采用永久磁铁提高电动机的力矩，通过细密的极齿来减小步距角，,(2)按励磁组数可分为两相、三相、四相、五相、六相甚至八相步进电机。 2.步进电机结构 目前，我国使用的步进电机通常为反应式步进电机, 如图8-5所示为三相反应式步进电动机的结构图。它是由转子、定子及定子绕组所组成。定子上有六个均布的磁极,直径方向相对的两个极上的线圈串联
16、,构成电动机的一相控制绕组。,图8-5 三相反应式步进电机结构示意图,8.2.2步进电机工作原理 1. 步进电机的工作原理 按步进电机绕组的通电方式，可分为三相单三拍（通电顺序为：ABCA）、三相六拍（通电顺序为：AABBBCCCAA）和三相双三拍（通电顺序为：ABBCCAAB）。 步进电机绕组的每一次通断电称为一拍,每拍中只有一相绕组接通电, 称为三相单三拍通电方式。如果每拍中都有两相绕组接通电 ,就称为三相双三拍通电方式。如果通电循环的各拍交替出现单、双相通电状态, 就称为三相六拍通电方式或三相单双相通电方式。,如图8-6所示，说明步进电机的工作原理。步进电机定子上有6个磁极,分成A、B、C三相，转子上有四个齿,转子上无绕组,由带齿的铁心做成。如果先将A相通电, B、C相不加电脉冲, A相磁极便产生磁场,在磁场力矩作用下, 转子1、3齿被磁极A产生的电磁转矩吸引过去,当1、3齿与A对齐时, 转动停止；接着将电脉冲加到B相励磁绕组,A、C相不加电脉冲,B相磁极便产
