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1、第六章 数控机床的伺服系统l学习目的与要求l第一节概述l第二节进给驱动l第三节主轴驱动l第四节检测元件l第五节位置控制系统l小结第六章 数控机床的伺服系统l学习目的与要求：学习和掌握数控机床伺服系统的概念、进给驱动、主轴驱动、检测元件和位置控制系统等知识和概念。第一节 概述l一、伺服的基本概念l二、常用伺服执行元件l三、伺服控制系统分类第一节 概述l一、伺服的基本概念l伺服系统：是以机械位置或角度作为控制量的自动控制系统。l在数控机床中，CNC控制器经过插补运算生成的进给脉冲或进给位移量指令输入到伺服系统，由伺服系统经变换和功率放大转化为机床机械部件的高精度运动。l伺服系统既是数控机床控制器与
2、刀具、主轴间的信息传递环节，又是能量放大与传递的环节，它的性能在很大程度上决定了数控机床的性能，如：最高移动速度、运动精度和定位精度等。l早期数控机床，尤其是大中型数控机床常采用电液伺服系统驱动。它由电液脉冲马达构成开环驱动系统。八十年代起全电气伺服系统成为数控机床的主要驱动器。l电气伺服系统是指以各种伺服电动机作为驱动元件的伺服系统。第一节 概述l一、伺服的基本概念l（1）精度高l伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确程度mm，um。轮廓加工精度与速度控制和联动坐标的协调一致控制有关。对静态、动态精度要求都比较高。l（2）稳定性好l稳定性是指系统在给定输入或外界干扰作用下，能在短暂的调节
3、过程后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态。对伺服系统要求有较强的抗干扰能力，保证进给速度均匀、平稳。稳定性直接影响数控加工的精度和表面粗糙度。l（3）快速响应l快速响应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。一方面要求过渡过程时间要短（200ms以内或更小），另一方面要求超调要小。两者互相矛盾，要合理选择。 第一节 概述l一、伺服的基本概念l（4）调速范围宽l调速范围RN指生产机械要求电机能提供的最高转速nmax和最低转速nmin之比。通常 RN=nmax/nmin （nmax和nmin指额定负载时的转速）l1）进给伺服系统的调速要求lmm时达到024m/min就够了。分以下几种
4、状态：l在124000mm/min范围，即1:24000调速范围内，要求速度均匀、稳定、无爬行、速降小。l在1mm/min以下时，具有一定的瞬时速度，而平均速度很低。l在零速时，即工作台停止运动时，要求电机有电磁转矩，以维持定位精度，也就是说，处于伺服锁定状态。l2）主轴调速范围要求l主轴主要考虑速度控制，一般在1:1001000范围内为恒转矩调速，1:10以上为恒功率调速，要有足够大的输出功率。 第一节 概述l一、伺服的基本概念l（5）低速大转矩l机床加工的特点是，在低速时进行重切削。因此，要求伺服系统在低速时要有大的转矩输出。l进给坐标的伺服控制属于恒转矩控制；l而主轴坐标的伺服控制在低速
5、时为恒转矩控制，在高速时为恒功率控制。 第一节 概述l一、伺服的基本概念l图61是典型的电气伺服系统框图。l伺服系统为三闭环控制：电枢电流闭环、速度闭环和位置闭环。l电流反馈：采用取样电阻、霍尔集成电路传感器等。l速度反馈：采用测速发电机、光电编码器、旋转变压器等。l位置反馈：采用光电编码器、旋转变压器、光栅等。l一般的电气伺服产品中主要包括电流闭环和速度闭环控制，而位置环则由CNC装置中的计算机进行控制。第一节 概述l一、伺服的基本概念l从器件上来说，电气伺服系统包括：l执行部件（例如交、直流伺服电动机及速度检测元件）l伺服驱动器（速度、电流控制单元，功率放大器等）lCNC中的位置控制器三部
6、分。l数控机床的伺服驱动系统主要有两种：l进给驱动系统：控制机床各坐标轴的切削进给运动，l主轴驱动系统：控制机床主轴的旋转运动。l它们的职能是提供切削过程中所需要的转矩和功率，可以任意调节运转速度和准确的位置控制。 第一节 概述l二、常用伺服执行元件l常用的伺服执行元件主要有直流伺服电动机、交流伺服电动机、步进电动机和直接驱动电动机。l对伺服电动机的要求:l运转平稳：r/min以下时）无爬行。l承载能力强：电动机应具有大的、较长时间的过载能力，以满足低速大转矩的要求。比如，电动机能在数分钟内过载46倍而不损坏。l响应速度快：根据控制信号的变化，电动机应能在较短时间内完成必须的动作。电动机应具有
7、较小的转动惯量和大的堵转转矩，尽可能小的电动机时间常数和起动电压。有4000rad/s2s以内从静止起动到1500r/min。l能频繁起停及正反转：电动机应能承受频繁的起动、制动和反转。第一节 概述l二、常用伺服执行元件l1、步进电动机l步进电动机可分为三种：l（1）反应式步进电动机（VR）l反应式步进电动机又叫做可变磁阻式（Variable Reluctance）步进电动机。反应式步进电动机结构较简单，它的定子上有三对磁极，每一对磁极上绕着一相绕组，三相绕组接成星形；转子铁心及定子极靴上均有小齿，定转子齿距通常相等；定转子间有很小的气隙；转子铁心上没有绕组，转子齿数有限制，图中所示的转子齿数
8、为Zr=40，每一个齿距对应的空间角度为360/40=9 。l反应式步进电动机可以做成不同的相数，例如4、5、6、8相等均可以，其基本的工作原理同三相时相同。第一节 概述l二、常用伺服执行元件l1、步进电动机l（1）反应式步进电动机（VR）l反应式步进电动机的特点：l步矩角小，因为反应式步进电动机定转子是采用软磁材料做成的，在机械加工所能允许的最小步矩情况下，转子的齿数可以做得很多。l励磁电流较大，要求驱动电源功率较大。l电动机的内部阻尼较小，当相数较少时，单部运行振荡时间较长。l断电后无定位转矩。第一节 概述l二、常用伺服执行元件l1、步进电动机l（2）永磁式步进电动机（PM）l永磁式（Pe
9、rmanent Magnet)步进电动机是转子或定子的某一方具有永久磁钢的步进电动机，另一方是由软磁材料制成。绕组轮流通电，建立的磁场与永久磁钢的恒定磁场相互作用产生转矩。l结构原理如图所示。定子上为两相或多相绕组，转子为一极或多对极的星形磁钢，转子磁钢的级数与定子（每相）绕组的极数相同。从图中不难看出，当定子绕组按ABA的次序轮流通电时，转子将按顺时针的方向，每改变一次通电状态转过45空间角度，即步矩角为45 。第一节 概述l二、常用伺服执行元件l1、步进电动机l（2）永磁式步进电动机（PM）l永磁式步进电动机的特点：l步矩角大，一般为15、22.5、30、45、90等。这是因为在一个圆周上
10、能形成的磁极数受到极弧尺寸的限制，所以永磁式步进电动机的步矩角不能太小，5以下的很少见。l控制功率小，效率高。l内阻尼较大，单步振荡时间短。l断电后具有一定的定位转矩。第一节 概述l二、常用伺服执行元件l1、步进电动机l（3）永磁感应子式步进电动机l从磁路内含有永久磁钢这点看，可以说它是永磁式步进电动机，但因其结构的不同，使其作用原理以及性能方面，都与永磁式步进电动机有明显的区别。l从定子或转子的导磁性来看，又如反应式步进电动机，它好象是反应式和永磁式步进电动机的结合。所以常称此类电动机为混合式（hybrid)步进电动机。l永磁感应子式步进电动机可以做成像反应式步进电动机一样的小步矩，也具有永
11、磁式步进电动机控制功率小的优点。永磁感应子式步进电动机常常也作为低速同步电动机运行。l永磁感应子式步进电动机代表了步进电动机的最新发展。第一节 概述l二、常用伺服执行元件l1、步进电动机l（3）永磁感应子式步进电动机l电动机定子结构与反应式步进电动机基本相同，即分成若干极，极上有小齿及控制线圈。l转子由环形磁钢及两段铁心组成，环形磁钢在转子的中部，轴向充磁，两段铁心分别装在磁钢的两端，转子铁心上也有小齿，但两段铁心上的小齿相互错开半个齿距，定转子小齿的齿距相同。第一节 概述l二、常用伺服执行元件l2、直流伺服电动机：l（1）永磁式直流伺服电动机l是指以永磁材料获得励磁磁场的一类直流电动机。也叫
12、大惯量宽调速直流伺服电动机。l优点：体积小、转矩大、转矩和电流成正比、伺服性能好、反应迅速、功率体积比大、功率质量比大、稳定性好等。l永磁式直流电动机能在较大过载转矩下长时间工作。它的转子惯量较大，可以直接与丝杠相连而不需中间传动装置。l缺点：需要电刷，限制了电动机转速的提高，一般转速为10001500r/min。在7080年代，永磁直流电动机的结构同一般直流电动机相似，但电枢铁心长度对直径的比大些，气隙较小，在相同功率的情况下，转子惯量较小。第一节 概述l二、常用伺服执行元件l2、直流伺服电动机：l（）小惯量直流电动机l转动惯量较小，适合要求快速响应的伺服系统，但过载能力低。l无槽电枢电动机
13、。励磁方式为电磁式或永磁式，其电枢铁心为光滑圆柱体，电枢绕组是用耐热环氧树脂固定在圆柱体铁心表面，气隙大。其转动惯量小，机电时间常数小，换向良好，一般用于需要快速动作，功率较大的伺服系统。l空心杯电枢电动机。励磁方式采用永磁式，其电枢绕组用环氧树脂浇注成杯形，空心杯电枢内外两侧均有铁心构成磁路。用于如机器人的腕、臂关节及其他高精度伺服系统中作伺服电动机。l印制绕组电动机。励磁方式采用永磁式，在圆形绝缘薄板上，印制裸露的绕组构成电枢，磁极轴向安装，具有扇面极靴。电动机换向性好，旋转平稳，机电时间常数小，具有快速响应特性，低速运转性能好，能承受频繁的可逆运转，适应于低速和起动、反转频繁的电气伺服系
14、统，如机器人关节控制。第一节 概述l二、常用伺服执行元件l3、交流伺服电动机l交流伺服电动机无需电刷，转子惯量小，动态响应好。在相同体积下，交流伺服电动机的输出功率比直流伺服电动机提高10%70%。从80年代后期，交流伺服电动机占主要地位。l（1）永磁同步交流伺服电动机l组成：由永磁同步电动机、转子位置传感器、速度传感器组成。l特点：用转子位置传感器取代了直流电动机整流子和电刷的机械换向，因此无此项维护要求，l使用：无机械换向电火花，能用在腐蚀性、易燃易爆气体的环境。l（2）感应式异步交流伺服电动机l异步交流伺服电动机采用感应式电动机，它的笼型转子结构简单、坚固，价格便宜，过载能力强。但与同步
15、交流伺服电动机相比，其效率低、体积大，转子有较明显的损耗和发热，且需要供给无功励磁电流，从而要求驱动功率大。最困难的是控制系统非常复杂。 第一节 概述l二、常用伺服执行元件l4、直接驱动电动机l直接驱动（DD）电动机是电动机与负载直接连接，结构简洁，是机电一体化产品的最新成果。具有很高的伺服刚度和传输效率，快速的动态响应和精确的定位精度。具有以下特性：lDD方式无减速装置，DD电动机应有大的输出转矩和低的转速。l在DD方式中，电动机的转矩脉动将直接传输到负载上，产生不希望的振动，同时导致可控性降低。所以，一般应将DD电动机的转矩脉动抑制在输出转矩的510以内。lDD方式无减速机构，系统具有非常
16、低的机械阻尼，控制系统的阻尼性变坏。因此，必须在控制环路中加入阻尼措施。l由于增大了DD电动机的转矩，它们一般具有较大的电感，使电动机的电气时间常数变大，容易引起不稳定。为了补偿，电动机的功率放大器必须具有快速的动态响应来克服电动机的阻抗影响。第一节 概述l二、常用伺服执行元件l4、直接驱动电动机l由于DD方式没有减速机构，DD电动机的控制系统必须具有很高的增益，但增益的加大可能导致系统不稳定。l在DD方式下，负载对电动机的干扰力明显加大，系统呈现出多变量非线性强耦合特性，从而使控制系统的设计复杂化。l在DD方式下，负载的质量必须全由电动机来承受，从而导致连续负载下，电动机及驱动器发热严重。lDD方式中的位置检测和速度检测元件必须具有非常高的分辨率和精度。l由于需要DD电动机具有较大的转矩，所以它的体积一般较大。这在直接驱动应用最多的机器人上受到限制。所以，在设计上必须提高DD电动机的转矩质量比。第一节 概述l三、伺服控制系统分类l位置控制系统分为开环、半闭环和闭环三种。开环控制不需要位置检测及反馈，半闭环、闭环控制需要位置检测及反馈。l开环控制系统常用步进电动机作为执行机构。数控装置
