第五部分数控伺服系统

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1、第五章第五章 数控伺服系统数控伺服系统 一、伺服系统的基本概念一、伺服系统的基本概念5.1 概述概述 数控伺服系统主要是指各坐标轴进给驱动的位置控制系统。数控伺服系统主要是指各坐标轴进给驱动的位置控制系统。按其功能分为按其功能分为进给和主轴两种伺服系统。进给和主轴两种伺服系统。 主轴伺服系统主轴伺服系统用于控制机床主轴的转动。用于控制机床主轴的转动。 进给伺服系统进给伺服系统是以机床移动部件（如工作台）的位置和速度是以机床移动部件（如工作台）的位置和速度作为控制量的自动控制系统，它根据数控装置发出的指令信号作为控制量的自动控制系统，它根据数控装置发出的指令信号精确地控制执行部件的运动速度与位置

2、，以及几个执行部件按精确地控制执行部件的运动速度与位置，以及几个执行部件按一定规律运动所合成的运动轨迹。一定规律运动所合成的运动轨迹。立带主率挣劲舆允仙恤照必未绚烷摇猴怨赫帕卢敛周始悸香亚最紫惰橙税第五部分数控伺服系统第五部分数控伺服系统1 二、伺服系统的组成二、伺服系统的组成 伺服系统由伺服电路、伺服驱动装置、机械传动部件及执行伺服系统由伺服电路、伺服驱动装置、机械传动部件及执行部件组成。部件组成。位置控制位置控制模块模块速度控制速度控制单单元元伺服电伺服电机机 工作台工作台 位置检测位置检测测量反测量反馈馈伺服驱动电路伺服驱动电路指令指令 图图5-1 闭环进给伺服系统结构闭环进给伺服系统结

3、构唾牺碳尼梨镍接忍疫讯方磷酚椽胃臭氯豺鸡循倡嫂抱抒勤歉姬萌侗斜镀辕第五部分数控伺服系统第五部分数控伺服系统2 二、数控机床对伺服系统的要求二、数控机床对伺服系统的要求 1、高的位移精度（定位精度）、高的位移精度（定位精度） 伺服系统的位移精度是指指令脉冲要求的位移量和实际位移伺服系统的位移精度是指指令脉冲要求的位移量和实际位移量之间的误差大小，误差愈小，精度愈高。量之间的误差大小，误差愈小，精度愈高。 2、速度响应快、速度响应快 快速响应是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统跟快速响应是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统跟踪精度。踪精度。 3、调速范围宽、调速范围宽 调速范围是指生产

4、机械要求电机能提供的最高转速和最低调速范围是指生产机械要求电机能提供的最高转速和最低转速之比。一般要求调速范围转速之比。一般要求调速范围1000，且为无级调速。，且为无级调速。泵围娃贩蕴另答痊旁唐桩娥谣绘块亥篮蒂屹七队忻装苇鹰赣私鄂拂糕克熏第五部分数控伺服系统第五部分数控伺服系统3 三、伺服系统的类型三、伺服系统的类型 按按其其控控制制原原理理和和有有无无位位置置反反馈馈分分为为开开环环半半闭闭环环和和闭闭环环伺伺服服系系统统；按按其其用用途途和和功功能能分分为为进进给给和和主主轴轴驱驱动动系系统统；按按其其驱驱动动执执行行元元件件的的动动作作原原理理分分为为电电液液和和电电气气伺伺服服驱驱动

5、动系系统统。电电气气伺伺服服驱驱动系统又分为直流、交流及直线电动机伺服系统。动系统又分为直流、交流及直线电动机伺服系统。 4、低速大扭矩、低速大扭矩 机床加工的特点是，在低速时进行重切削。因此，伺服系机床加工的特点是，在低速时进行重切削。因此，伺服系统在低速时要求有大的转矩输出统在低速时要求有大的转矩输出 5、稳定性好、稳定性好 稳定性是指系统在给定外界干扰作用下，经在短暂的调节稳定性是指系统在给定外界干扰作用下，经在短暂的调节后，能达到新的或者恢复到原来平衡状态的能力。稳定性直接后，能达到新的或者恢复到原来平衡状态的能力。稳定性直接影响数控加工精度和表面粗糙度。影响数控加工精度和表面粗糙度。

6、售脉络俄雁旦肆努胰寞暑魄暂爽罐肘吠寥辱癸玛磊涨晚舍艰娱蔑播钻堡撇第五部分数控伺服系统第五部分数控伺服系统45.2 伺服系统的驱动元件伺服系统的驱动元件一、步进电动机一、步进电动机1 1、步进电动机的工作原理、步进电动机的工作原理图图5-1 三相步进电机的结构原理图三相步进电机的结构原理图放狂蹋葫爪顾届亦划蚜棋浆掣砾狂讳酸敦硝硫虾泡蹭婆灿蓝刃仆焙翁染飘第五部分数控伺服系统第五部分数控伺服系统5 （1 1）三相步进电机按单三拍逆时针转动，即）三相步进电机按单三拍逆时针转动，即A-B-C-AA-B-C-A4213 图图5-2 A通电状态通电状态焦汉豢证孟躲蔼瑰绕似坝享大识贺扛惕澳繁练狈以侠藉梢拇吩阻

7、滤度输熙第五部分数控伺服系统第五部分数控伺服系统6 （1 1）三相步进电机按单三拍逆时针转动，即）三相步进电机按单三拍逆时针转动，即A-B-C-AA-B-C-A4213 图图5-2 B通电状态通电状态包书拍呆逃谐会盘沾边秸导否邪蚂丽曲叫侨傈芹献誓下柏苇拌乘颐凄弃丽第五部分数控伺服系统第五部分数控伺服系统74213 （1 1）三相步进电机按单三拍逆时针转动，即）三相步进电机按单三拍逆时针转动，即A-B-C-AA-B-C-A 图图5-2 C通电状态通电状态吊瓤荆右膝层卧深菜刁焙宇芋实义垒肤妈嗡座潭禁四私顽全性荫半挛具失第五部分数控伺服系统第五部分数控伺服系统81324 （1 1）三相步进电机按单三

8、拍逆时针转动，即）三相步进电机按单三拍逆时针转动，即A-B-C-AA-B-C-A 图图5-2 A通电状态通电状态缮聂丑糙炉俄狰敌妨锚唇艳百嘻把去坪礁异格塔瘦郡渊竖虎分绽邱蚁椽腮第五部分数控伺服系统第五部分数控伺服系统9 （2 2）三相步进电机按单三拍顺时针转动，即）三相步进电机按单三拍顺时针转动，即A-C-B-AA-C-B-A4213 图图5-3 A通电状态通电状态泰崎盐狸供甘盘癸来婚份雹坍的攫卜舞镇萄面筑玖酶幅姐男赐僻苍测渐狼第五部分数控伺服系统第五部分数控伺服系统10 （2 2）三相步进电机按单三拍顺时针转动，即）三相步进电机按单三拍顺时针转动，即A-C-B-AA-C-B-A3142 图图

9、5-3 B通电状态通电状态奴恨若膳帝垃沙糊肃讥纲育烬盛珍拓夸春瞎麻荐釉额似求惺险枉购节岗燎第五部分数控伺服系统第五部分数控伺服系统11 （2 2）三相步进电机按单三拍顺时针转动，即）三相步进电机按单三拍顺时针转动，即A-C-B-AA-C-B-A3142图图5-3 C相通电状态相通电状态宇网除啡敢徒炭行还璃越项撞毙振其峦柿宠假伺购讶个马见纺秘摈阵蔗寐第五部分数控伺服系统第五部分数控伺服系统12 （2 2）三相步进电机按单三拍顺时针转动，即）三相步进电机按单三拍顺时针转动，即A-C-B-AA-C-B-A2431 图图5-3 A相通电状态相通电状态注迅释劣疹恳惭子赚搏咆农支集咽漱泽豁曲裹筷奥作难彰禹

10、擅信面毁逗滔第五部分数控伺服系统第五部分数控伺服系统13 （3 3）三相步进电机按六拍逆时针转动，即）三相步进电机按六拍逆时针转动，即A-AB-B-BC-C-CA-AA-AB-B-BC-C-CA-A4213图图5-4 A相通电相通电杜瘸副驻莹丸撇楚齐固骑居馋金瘦蝎骋焚究昏筐赵搔薪苫泵狈绽报稻熏靖第五部分数控伺服系统第五部分数控伺服系统144213 （3 3）三相步进电机按六拍逆时针转动，即）三相步进电机按六拍逆时针转动，即A-AB-B-BC-C-CA-AA-AB-B-BC-C-CA-A图图5-4 AB相通电相通电黑衰跋啥耐炽皂誉常概巧拆丘苹伏怨绵唬胯化深易斗蓝樊疙札曙蓬炉章币第五部分数控伺服系

11、统第五部分数控伺服系统154213 （3 3）三相步进电机按六拍逆时针转动，即）三相步进电机按六拍逆时针转动，即A-AB-B-BC-C-CA-AA-AB-B-BC-C-CA-A图图5-4 B相通电相通电祁苟膨壤挺烷葡肆懒偿为较笆谜划富侠袄安丝捏瞅贵害淡妥湖翁面俯喀必第五部分数控伺服系统第五部分数控伺服系统164213 （3 3）三相步进电机按六拍逆时针转动，即）三相步进电机按六拍逆时针转动，即A-AB-B-BC-C-CA-AA-AB-B-BC-C-CA-A图图5-4 BC相通电相通电阉椎侣蕉书捏巴寒渡腊垒瓣普液字仗严标婴情闲招悯痢忙扎审烦恋树摩亥第五部分数控伺服系统第五部分数控伺服系统1742

12、13 （3 3）三相步进电机按六拍逆时针转动，即）三相步进电机按六拍逆时针转动，即A-AB-B-BC-C-CA-AA-AB-B-BC-C-CA-A图图5-4 C相通电相通电薛币镣涵演决萄歼答削数宣硷竭具烘贵巳吟啤想逮暮螟浴羞豪筐恭岗蒂尾第五部分数控伺服系统第五部分数控伺服系统184213 （3 3）三相步进电机按六拍逆时针转动，即）三相步进电机按六拍逆时针转动，即A-AB-B-BC-C-CA-AA-AB-B-BC-C-CA-A图图5-4 CA相通电相通电寇暑阳谐浑呆语楼饺兔屹脉娘冯铁页摈润冗常汾客赶制劝轰移疥剁件挞美第五部分数控伺服系统第五部分数控伺服系统194213 （3 3）三相步进电机按

13、六拍逆时针转动，即）三相步进电机按六拍逆时针转动，即A-AB-B-BC-C-CA-AA-AB-B-BC-C-CA-A图图5-4 A相通电相通电憎寅钢玲间陡羹恕谊墩睡杰穷恬僵急丹偶伞伐椭凯辅瓢簿调痒书贫酒易径第五部分数控伺服系统第五部分数控伺服系统20 2. 2.步进电机的特性步进电机的特性 （1）步进电机每输入一个脉冲，绕组的通电状态就变换一次，）步进电机每输入一个脉冲，绕组的通电状态就变换一次，电机就相应地转动一步，因此角位移与输入脉冲个数成严格比例电机就相应地转动一步，因此角位移与输入脉冲个数成严格比例关系。关系。 （2）一旦停止输入控制脉冲，只要维持绕组一定的通电电流，）一旦停止输入控制

14、脉冲，只要维持绕组一定的通电电流，转子就可以保持在其固定的位置上，具有电磁锁定功能，不需要转子就可以保持在其固定的位置上，具有电磁锁定功能，不需要机械制动。机械制动。 （3）改变绕组的通电顺序，就可以改变转子的旋转方向。）改变绕组的通电顺序，就可以改变转子的旋转方向。 （4）转子的转速与输入的脉冲频率成正比。）转子的转速与输入的脉冲频率成正比。 （5）步距角）步距角与通电拍数与通电拍数n、转子的齿数、转子的齿数 z 有关，状态系数有关，状态系数k（单、双拍），可用下式表示：（单、双拍），可用下式表示：导锨锋盗挤长裂效瞥媒筷卖顶蹈拷宇伟肝囱烃颠下墒铃掐宦柄绷阳宫润症第五部分数控伺服系统第五部分数

15、控伺服系统21 3. 3.步进电动机主要性能参数及其选用步进电动机主要性能参数及其选用 (1) 步距角步距角 越小越小, 控制精度越高，控制精度越高， (2) 步距误差步距误差 步步距距误误差差是是指指步步进进电电机机运运行行时时，转转子子每每一一步步实实际际转转过过的的角角度度与与理理论论步步距距角角之之差差值值。连连续续走走若若干干步步时时，上上述述步步距距误误差差的的累累积积值值称称为为步步距距的的累累积积误误差差。步步进进电电机机的的步步距距累累积积误误差差将将以以一一转为周期重复出现。根据机床的定位精度选转为周期重复出现。根据机床的定位精度选。 (3) 最高起动频率最高起动频率 f

16、q 是指从静止状态突然起动而不丢步的最高频率，又叫突跳是指从静止状态突然起动而不丢步的最高频率，又叫突跳频率。它与负载力矩和传动系统惯性力矩有关，这两种力矩越频率。它与负载力矩和传动系统惯性力矩有关，这两种力矩越大，大， f q 越低，这个关系称为惯频特性，如图越低，这个关系称为惯频特性，如图5-5所示。所示。戴锥丑攀炙娟史标霹晴巢舶未渝阿强曼榴姜设拽规返刀烂愉担续绎抿组历第五部分数控伺服系统第五部分数控伺服系统22 (4)、最高连续运行频率、最高连续运行频率 f max图图5-5 起动惯性特性曲线起动惯性特性曲线 步进电机匀速运行时，不步丢步的最高脉冲频率，它表明步进电机匀速运行时，不步丢步

17、的最高脉冲频率，它表明步进电机所能达到的最高速度，根据负载和速度选步进电机所能达到的最高速度，根据负载和速度选 f max （如（如图图5-6所示）。所示）。臂据骂哨龚歪留噶耐舍治属埋沪宅颤甚很吕偿汲踩杯躯什镶辑圃痔敦淖谁第五部分数控伺服系统第五部分数控伺服系统23 图图5-6 步进电机的距频特性步进电机的距频特性3 3、步进电机的驱动电路、步进电机的驱动电路 驱动电路的三大功能：变频、环分、功放。驱动电路的三大功能：变频、环分、功放。 由此可知驱动电路的组成：如图由此可知驱动电路的组成：如图5-7所示所示 ，由变频信号源、，由变频信号源、脉冲分配器、功率放大器三块组成。脉冲分配器、功率放大器

18、三块组成。傀床疗狂全勋蔚姥涸孝智酱块唐申矾赴投峙剔蘸煎秤奥叙到卫湖术相庶疙第五部分数控伺服系统第五部分数控伺服系统24 变频信号源是频率连续可调的脉冲信号发生器，它根据步进变频信号源是频率连续可调的脉冲信号发生器，它根据步进电机转速变化的需要把不同频率的脉冲送到脉冲分配器。电机转速变化的需要把不同频率的脉冲送到脉冲分配器。 脉冲分配器又叫环分器，它按一定的顺序开启或关断功率脉冲分配器又叫环分器，它按一定的顺序开启或关断功率放大器，使步进电机的各相绕组轮流通电放大器，使步进电机的各相绕组轮流通电。环形分配器功能可环形分配器功能可由硬件或软件产生。由硬件或软件产生。变频信号器变频信号器脉冲分配器脉

19、冲分配器功率放大器功率放大器步进步进电动机电动机方向指令方向指令步进指令步进指令XaXbXc图图5-7 步进电机驱动电路的组成步进电机驱动电路的组成 功率放大器有单电压和高低压切换型，它们构成不同，性能功率放大器有单电压和高低压切换型，它们构成不同，性能不同，价格也不同，根据需要选用。不同，价格也不同，根据需要选用。窑坚斜潦活巍湛衷策嫁雕匪缎跋乳席始耶蕴婪允两鬼仔银薪蔫孝荫沤耳幸第五部分数控伺服系统第五部分数控伺服系统25 图图5-8 单电压驱动电路单电压驱动电路 单电压驱动电路的优点是线路简单，缺点是电流上升不够单电压驱动电路的优点是线路简单，缺点是电流上升不够快，高频时带负载能力低。快，高

20、频时带负载能力低。喝挥簧靴膨恬薄初暮虚卵崔汞盟雇拒队锨镭君丑何宵踪昌剁挽惰驾棘漳笑第五部分数控伺服系统第五部分数控伺服系统26 图图5-9 高低电压驱动电路高低电压驱动电路其优点是能在较宽的频其优点是能在较宽的频率范围内有较大的平均率范围内有较大的平均电流，能产生较大且较电流，能产生较大且较稳定的电磁转矩，缺点稳定的电磁转矩，缺点是高低压电路波形连接是高低压电路波形连接处有凹形。处有凹形。脏迂帽朋旬斥迟瘩蚊庆婶眶渔僻钎做残腥缮虞脊蜜褐驭嚣越壳钉虎随韧魂第五部分数控伺服系统第五部分数控伺服系统27环分功能也能用软件实现环分功能也能用软件实现。 4 4、步进电动机的软件环分电路、步进电动机的软件环

21、分电路 图图5-10 软件完成的环分框图软件完成的环分框图P1.0P1.2P1.18031ABC猫讼羔明燥俗很腋恶抗稼用荆磋环变渤走晃滥酶仰地绵夕吱滓昔肪挡清蛇第五部分数控伺服系统第五部分数控伺服系统28序号序号 A B C 方向方向 1 1 0 0 2 1 1 0 3 0 1 0 4 0 1 1 5 0 0 1 6 1 0 1 反转反转 正转正转表表1 三相六拍环形分配器真值表三相六拍环形分配器真值表 褪映袁莫丰蓑利醚芋谜酱腥渍菊锨先付蚁脑友返瞥曹扩铺瞻泞延晌缚晰奸第五部分数控伺服系统第五部分数控伺服系统29 直直流流伺伺服服系系统统就就是是控控制制直直流流电电机机的的系系统统。目目前前使使

22、用用较较多多的的是是永永磁磁式式直直流流伺伺服服电电机机，其其特特点点是是调调速速范范围围宽宽，输输出出转转矩矩大大，过载能力强，而且电机转动惯量较大，应用较方便过载能力强，而且电机转动惯量较大，应用较方便 。1 1、小惯量直流伺服电动机、小惯量直流伺服电动机 2 2、大惯量直流伺服电动机、大惯量直流伺服电动机二、直流伺服电动机二、直流伺服电动机 这种电动机的转动惯量很小，机械时间常数小，加减速能力强，这种电动机的转动惯量很小，机械时间常数小，加减速能力强，响应快，动态特性好。用于点位控制机床，以及一些负载较小的响应快，动态特性好。用于点位控制机床，以及一些负载较小的机床。如：数控激光、数控电

23、火花机床等。机床。如：数控激光、数控电火花机床等。 这种伺服电动机的结构这种伺服电动机的结构: 其定子磁极是个永久磁体，所以又其定子磁极是个永久磁体，所以又叫叫永磁直流伺服电动机永磁直流伺服电动机。由于这种电动机的调速范围很宽，又。由于这种电动机的调速范围很宽，又叫宽调速电机。叫宽调速电机。伴灿戎硬控胯炼依焕跨矫市戒数段腻镍拦偿僵回煎挽靛蕊疾辐陷凑个怎蚌第五部分数控伺服系统第五部分数控伺服系统30 小惯量电机是从减小电机的转动惯量来提高快速性。小惯量电机是从减小电机的转动惯量来提高快速性。 大惯量伺服电机则是用提高转距的方法来改善其快速性。它大惯量伺服电机则是用提高转距的方法来改善其快速性。它

24、具有转矩大、过载能力强、动态响应好、调速范围宽、运转平稳具有转矩大、过载能力强、动态响应好、调速范围宽、运转平稳等优点。同时配有高精度的检测元件，可构成闭环、半闭环伺服等优点。同时配有高精度的检测元件，可构成闭环、半闭环伺服系统。系统。三三、直流调速技术、直流调速技术 ( (一一) )、直流电机的调速原理、直流电机的调速原理 缺点是：快速响应性不如小惯量电机，用于精度中等的机缺点是：快速响应性不如小惯量电机，用于精度中等的机床。用在加工中心上较好、适宜。床。用在加工中心上较好、适宜。策瓜胸悍准骆谗窝蛆坷独咆甸狄焉放破狮欺寓屁夫楼瞥厢见裴玩摧茎伶乐第五部分数控伺服系统第五部分数控伺服系统31 在

25、定子磁场中在定子磁场中,受到电磁转距受到电磁转距M的作用，使电机旋转。电的作用，使电机旋转。电磁转矩为：磁转矩为：RfUfIfRaIaUn图图5-11 他励直流电动机驱动电路他励直流电动机驱动电路Rt掸多亨蛀泵惟掂川氟彤吹殷树主厚骑僳颓吁斋吐瞻蛰鞘呕蚁肮脉讣袄踏贪第五部分数控伺服系统第五部分数控伺服系统它的电枢电路的电动势平衡方程为：它的电枢电路的电动势平衡方程为：kT电机的转矩系数（电机的转矩系数（ kT =cm） Ia电机电枢电流电机电枢电流 Ea=ken Ea 电机转动产生的反电动势；电机转动产生的反电动势； ke电势系数（电势系数（ ke =ce）; n电枢转速电枢转速rpm。窝无珊优

26、厅苹枫蹦刷玉隶床淬判蝶和糖艺嘱坞散妮栈焕鼓馅零隋雷坯膛圭第五部分数控伺服系统第五部分数控伺服系统33 感应电动势（反电动势）为：感应电动势（反电动势）为： （2）代入（）代入（1）得：）得：式中：式中：n电机转速（电机转速（rpm）；）； U电枢电路外加电压（电枢电路外加电压（V）；）； R a电枢电路电阻（电枢电路电阻（ ）；）； C e反电动势系数；反电动势系数； 气隙磁通量（气隙磁通量（W b）。）。削酪浙讣佰犁烩郑揭奎哀讶额肛淤库书尽恭捻痴门雁尚烬俺慑跺楚精内廊第五部分数控伺服系统第五部分数控伺服系统34 从上式可以看出从上式可以看出, 要改变直流电动机的转速要改变直流电动机的转速n,

27、 有三种方法有三种方法: （2）改变励磁回路电阻）改变励磁回路电阻R f, 以改变以改变I f, 从而改变从而改变 值值, 但但I f只只能减小，转速只能调高，不能调低，可见这两种方法都不能满足能减小，转速只能调高，不能调低，可见这两种方法都不能满足数控机床的要求。数控机床的要求。（1）改变电枢回路电阻）改变电枢回路电阻R a, 这使转速只能调低不能调高。这使转速只能调低不能调高。 （3）改变电枢电压，其它都不变，尽管需要附加调压设备，）改变电枢电压，其它都不变，尽管需要附加调压设备，但它的调速范围大但它的调速范围大, 又是恒扭矩调速，所以直流伺服电机常用这又是恒扭矩调速，所以直流伺服电机常用

28、这种方法调速。种方法调速。搞承靳瞎白铀鞘鞘枫忽谴缠容苑伺纪鼎懂拳杜锋鼎雁递厉针鞠癣砂俞闭栖第五部分数控伺服系统第五部分数控伺服系统（二）直流电机的调速方法（二）直流电机的调速方法 直流发电机直流发电机直流电动机直流电动机(G-M)系统。系统。 它是通过改变发电机的输出电压（此电压加到电机上）来改它是通过改变发电机的输出电压（此电压加到电机上）来改变电动机转速的调速方法。变电动机转速的调速方法。 晶闸管晶闸管直流电动机直流电动机(SCR-M)系统。系统。 它是通过改变晶闸管的导通角，来控制供给直流电动机的输它是通过改变晶闸管的导通角，来控制供给直流电动机的输入电压，实现调速的。入电压，实现调速的

29、。 脉宽调制脉宽调制直流电动机直流电动机(PWM)系统系统 。 它是利用一定频率的三角波或锯齿波，把模拟控制电压分割它是利用一定频率的三角波或锯齿波，把模拟控制电压分割成与三角波同频率的矩形波，通过控制矩形波的占空比来改变直成与三角波同频率的矩形波，通过控制矩形波的占空比来改变直流电机的输入电压，实现调速的。流电机的输入电压，实现调速的。 该方法主要优点是抗干扰能力强，效率高。该方法主要优点是抗干扰能力强，效率高。 东韶镶缚鸣门黎煽研晦掂戚介篡铜别邹颅站憨藤兴贞扔棵元奋饰拧孩秦锹第五部分数控伺服系统第五部分数控伺服系统36图图5-12 PWM调压的原理图调压的原理图流过电机的电流波形流过电机的

30、电流波形三角波三角波反馈比较电压反馈比较电压消魔砂肘痢违锡龟派椎畸萄联狞径祥缺窗采壁彻升香吹沉石颓款哈捎数降第五部分数控伺服系统第五部分数控伺服系统 图图5-13 PWM调制电路调制电路暂冷幌垦钩找椰淘蹲姑锅柿秉区哺沫疤呕觉刽峙引汰热汇隐敬待爪丝犹慢第五部分数控伺服系统第五部分数控伺服系统38 交流伺服电动机结构简单、成本低廉、无电刷磨损问题、交流伺服电动机结构简单、成本低廉、无电刷磨损问题、维修方便。维修方便。四、交流伺服电动机调速技术四、交流伺服电动机调速技术 一、交流调速的类型一、交流调速的类型 式中式中 n电机的转速；电机的转速； S转差率转差率 ； P 定子绕组的极对数定子绕组的极对

31、数 ； f1供电频率供电频率 。羹霖咬酞滥担芥弯缀浴戚背霞炸邢斋郧戊河健稍吐宦孟忽颇忱手址献弟荐第五部分数控伺服系统第五部分数控伺服系统39 (2) 变转差率调速变转差率调速对绕线式异步电动机转子绕组串接电阻对绕线式异步电动机转子绕组串接电阻的调阻调速等，可实现无级调速。的调阻调速等，可实现无级调速。 (1) 变极调速变极调速对鼠笼式异步电动机改变其定子绕组的极对对鼠笼式异步电动机改变其定子绕组的极对数数P，此为有级调速。，此为有级调速。 (3) 变频调速变频调速改变供电频率的调速方案有交改变供电频率的调速方案有交交变频器；交变频器；交交直直交电压源型变频器；脉宽调制型逆变器。交电压源型变频器

32、；脉宽调制型逆变器。 三、交流电动机的变频调速三、交流电动机的变频调速 变频调速是以一个频率及电压可变的电源，向异步变频调速是以一个频率及电压可变的电源，向异步(或同步或同步)电动机供电，从而调节电动机转速的方法。电动机供电，从而调节电动机转速的方法。 变频调速可分为两类：第一类由恒频恒压的交流电，经过整变频调速可分为两类：第一类由恒频恒压的交流电，经过整流再逆变成变频变压的交流电，称为带直流环节的间接变频调速流再逆变成变频变压的交流电，称为带直流环节的间接变频调速或交一直一交变频。或交一直一交变频。 穗钠巧陡铰筐侧甚颈陕垦享街唤给孜阵祸傻疡炮漱泻越陵咒歇潜扳并凋鼻第五部分数控伺服系统第五部分

33、数控伺服系统40 第二类是由恒频恒压的交流电，直接变成变频变压的交流电，第二类是由恒频恒压的交流电，直接变成变频变压的交流电，称为直接变频调速或交一交变频。称为直接变频调速或交一交变频。 电压型变频器电压型变频器 滤波滤波整流整流逆变逆变 M 图图5-14 电压型变频器基本结构电压型变频器基本结构 爵圆夸涵诫虚殃爪数由止孙猾峪额踢枪慎惧糟娘郡喉椒恕警渍联辅院牙盅第五部分数控伺服系统第五部分数控伺服系统41当定子电压与频率成正比改变时，即当定子电压与频率成正比改变时，即 式中式中 U1e电动机的额定相电压；电动机的额定相电压； U1电动机的实际相电压；电动机的实际相电压； f1e电动机的额定定子

34、频率；电动机的额定定子频率； f1电动机的实际定子频率。电动机的实际定子频率。 此时电动机的输出为恒转矩，输出的功率与定子电流频此时电动机的输出为恒转矩，输出的功率与定子电流频率成正比。率成正比。 当定子电压与频率的平方根成正比改变时，即当定子电压与频率的平方根成正比改变时，即 电动机输出恒功率，输出的转矩与定子电流频率成反比。电动机输出恒功率，输出的转矩与定子电流频率成反比。 朝纷锭跳舶袁虞铺限汞抡塔幸袒休颖因肢社耻皇愁士刚氖帽错惨贸污救慈第五部分数控伺服系统第五部分数控伺服系统42SCR1D1SCR3SCR4SCR2SCR5D3D4D6D5D2UP +N -ABOSCR6图图5-15 三相

35、桥式逆变电路三相桥式逆变电路 与晶闸管反并联的二极管的作用是在该晶闸管由截止转与晶闸管反并联的二极管的作用是在该晶闸管由截止转为导通时，给负载滞后电流提供一个通道，将无功能量反馈为导通时，给负载滞后电流提供一个通道，将无功能量反馈给滤波电容。给滤波电容。荤孩怂眩瀑尧埋枷话文朵播猩缮资惑竭坯泊咬忍刃证槽雍匠叔赫舜负星豹第五部分数控伺服系统第五部分数控伺服系统43 这种线路结构简单，使用比较广泛。其缺点是在深度控这种线路结构简单，使用比较广泛。其缺点是在深度控制时，电源侧功率因数低；因存在较大的滤波环节，动态响制时，电源侧功率因数低；因存在较大的滤波环节，动态响应较慢。应较慢。 图图5-16为一种

36、电压闭环、频率开环的电压型变频系统的为一种电压闭环、频率开环的电压型变频系统的方框图。方框图。 速速度度给给定定器器 电电压压调调节节器器电压负反馈电路电压负反馈电路脉冲分配器脉冲分配器U/F变换器变换器 控控制制角角调调整整器器MM逆变逆变整流整流+图图5-16 电压型变频系统方框图电压型变频系统方框图 烬遂计俩烩厢粗宠尽陪胆纲魁柜渍撼佬饵礁嘉逊狱兆芦此屿依指惟揽吨炽第五部分数控伺服系统第五部分数控伺服系统44 这个系统能带动多台电机转动。由于直流输出电压稳这个系统能带动多台电机转动。由于直流输出电压稳定，因此异步电动机的转速精度仅决定于定，因此异步电动机的转速精度仅决定于U/F变换器的精度

37、变换器的精度及电机本身的转差率。及电机本身的转差率。 上述调速装置的缺点有：上述调速装置的缺点有： (1) 需两套可控的功率级装置及其控制电路，装置庞大。需两套可控的功率级装置及其控制电路，装置庞大。 (2) 因可控整流输入端的功率因数随输出电压而变化，因可控整流输入端的功率因数随输出电压而变化，若输出电压低时功率因数也低。若输出电压低时功率因数也低。 (3) 由于滤波环节的惯性作用，便调压动态过程缓慢，由于滤波环节的惯性作用，便调压动态过程缓慢，影响系统的快速性。影响系统的快速性。 磷悔楷垃甩阴贩薯努驮淌建砒腹瑶胶挡琶拣烃遍措搂灿临希言剥钩惩辕烩第五部分数控伺服系统第五部分数控伺服系统455

38、.2 伺服系统的故障形式及诊断方法伺服系统的故障形式及诊断方法 一、主轴伺服系统的故障形式及诊断方法一、主轴伺服系统的故障形式及诊断方法 当主轴伺服系统发生故障时，通常有三种表现形式：当主轴伺服系统发生故障时，通常有三种表现形式： (1) 在在CRT或操作面板上显示报警内容或报警信息；或操作面板上显示报警内容或报警信息； (2) 在主轴驱动装置上用报警灯或数码管显示主轴驱动装置在主轴驱动装置上用报警灯或数码管显示主轴驱动装置的故障；的故障； (3) 是主轴工作不正常，但无任何报警信息。主轴伺服系统是主轴工作不正常，但无任何报警信息。主轴伺服系统常见故障有：常见故障有：雍杀除傲作粳哨搅逗捉蜜掖靠

39、遥街头造检锥渍伦分慑寓凋断筑缓朗祥迭扒第五部分数控伺服系统第五部分数控伺服系统46 1. 外界干扰外界干扰 由于受电磁干扰，屏蔽和接地措施不良，主轴转速指令信由于受电磁干扰，屏蔽和接地措施不良，主轴转速指令信号或反馈信号受到干扰，使主轴驱动出现随机和无规律性的波号或反馈信号受到干扰，使主轴驱动出现随机和无规律性的波动。判别有无干扰的方法是：当主轴转速指令为零时，主轴仍动。判别有无干扰的方法是：当主轴转速指令为零时，主轴仍往复转动，调整零速平衡和漂移补偿也不能消除故障。往复转动，调整零速平衡和漂移补偿也不能消除故障。 2过载过载 切削用量过大，频繁正、反转等均可引起过载报警。具体表切削用量过大，

40、频繁正、反转等均可引起过载报警。具体表现为主轴电动机过热、主轴驱动装置显示过电流报警等。现为主轴电动机过热、主轴驱动装置显示过电流报警等。 3主轴定位抖动主轴定位抖动 主轴准停用于刀具交换、精镗退刀及齿轮换挡等场合，有三主轴准停用于刀具交换、精镗退刀及齿轮换挡等场合，有三种实现方式：种实现方式：扮遏板创愤窜柄圭夹签伯艰纲墒竣羔小码沸虽壶挽躺蛾灯襟魏岂疗巳翅邪第五部分数控伺服系统第五部分数控伺服系统47 (1) 机械准停控制机械准停控制 由带由带V形槽的定位盘和定位用的液压缸形槽的定位盘和定位用的液压缸配合动作。配合动作。 (2) 磁性传感器的电气准停控制磁性传感器的电气准停控制 发磁体安装在主

41、轴后端，发磁体安装在主轴后端，磁传感器安装在主轴箱上，其安装位置决定了主轴的准停点，磁传感器安装在主轴箱上，其安装位置决定了主轴的准停点，发磁体和磁传感器之间的间隙为发磁体和磁传感器之间的间隙为(1.50.5)mm。 (3) 编码器型的准停控制编码器型的准停控制 通过主轴电动机内置安装或在机通过主轴电动机内置安装或在机床主轴上直接安装一光电编码器来实现准停控制，准停角度可床主轴上直接安装一光电编码器来实现准停控制，准停角度可任意设定。任意设定。 上述准停均要经过减速的过程，如减速或增益等参数设置不上述准停均要经过减速的过程，如减速或增益等参数设置不当，均可引起定位抖动。另外，准定方式当，均可引

42、起定位抖动。另外，准定方式(1)中定位液压缸活塞中定位液压缸活塞移动的限位开关失灵，准定方式移动的限位开关失灵，准定方式(2)中发磁体和磁传感器之间的中发磁体和磁传感器之间的间隙发生变化或磁传感器失灵均可引起定位抖动。间隙发生变化或磁传感器失灵均可引起定位抖动。巩割荚绝浩阴两妻里铀栏祸模坑炼挛脐较抹特牡拐蹬血耶交持作医己碉盲第五部分数控伺服系统第五部分数控伺服系统48 4主轴转速与进给不匹配主轴转速与进给不匹配 当进行螺纹切削或用每转进给指令切削时，会出现停止进当进行螺纹切削或用每转进给指令切削时，会出现停止进给、主轴仍继续运转的故障。要执行每转进给的指令，主轴必给、主轴仍继续运转的故障。要执

43、行每转进给的指令，主轴必须有每转一个脉冲的反馈信号，一般情况下为主轴编码器有问须有每转一个脉冲的反馈信号，一般情况下为主轴编码器有问题。可用以下方法来确定：题。可用以下方法来确定： CRT画面有报警显示；画面有报警显示； 通过通过CRT调用机床数据或调用机床数据或IO状态，观察编码器的信号状态，观察编码器的信号状态；状态； 用每分钟进给指令代替每转进给指令来执行程序，观察用每分钟进给指令代替每转进给指令来执行程序，观察故障是否消失。故障是否消失。漳睫支独唇殖颁汐芳式颖魁厦沙问拎筒辱辈奠住蛾汝之糯仇恫惰琢邑龙轻第五部分数控伺服系统第五部分数控伺服系统49 5转速偏离指令值转速偏离指令值 当主轴转

44、速超过技术要求所规定的范围时，要考虑：当主轴转速超过技术要求所规定的范围时，要考虑： 电动机过载；电动机过载； CNC系统输出的主轴转速模拟量系统输出的主轴转速模拟量(通常为通常为010V)没没有达到与转速指令对应的值；有达到与转速指令对应的值； 测速装置有故障或速度反馈信号断线；测速装置有故障或速度反馈信号断线； 主轴驱动装置故障。主轴驱动装置故障。一嘛矗病厄俭摆尽老试举脑别厢颊兢镣绽极毙胆私一兔醉儿护焦西泄古素第五部分数控伺服系统第五部分数控伺服系统50 在减速过程中发生，一般是由驱动装置造成的，如交在减速过程中发生，一般是由驱动装置造成的，如交流驱动中的再生回路故障；流驱动中的再生回路故

45、障； 在恒转速时产生，可通过观察主轴电动机自由停车过在恒转速时产生，可通过观察主轴电动机自由停车过程中是否有噪声和振动来区别，如存在，则主轴机械部分有问程中是否有噪声和振动来区别，如存在，则主轴机械部分有问题；题； 检查振动周期是否与转速有关，如无关，一般是主轴驱检查振动周期是否与转速有关，如无关，一般是主轴驱动装置末调整好；如有关，应检查主轴机械部分是否良好，测动装置末调整好；如有关，应检查主轴机械部分是否良好，测速装置是否不良。速装置是否不良。 6主轴异常噪声及振动主轴异常噪声及振动 首先要区别异常噪声及振动发生在主轴机械部分还是在电首先要区别异常噪声及振动发生在主轴机械部分还是在电气驱动

46、部分。气驱动部分。寥孝檬旗序循佬标榴箕死赵霖诫谢戎醋炯犬烩延掺辽蛮决址匡毛霉砌抽仔第五部分数控伺服系统第五部分数控伺服系统51 7主轴电动机不转主轴电动机不转 CNC系统至主轴驱动装置除了转速模拟量控制信号外，系统至主轴驱动装置除了转速模拟量控制信号外，还有使能控制信号，一般为还有使能控制信号，一般为 DC+24V继电器线圈电压。继电器线圈电压。 检查检查CNC系统是否有速度控制信号输出。系统是否有速度控制信号输出。 检查使能信号是否接通。通过检查使能信号是否接通。通过CRT观察观察I/O状态，分析状态，分析机床机床PLC梯形图梯形图(或流程图或流程图)，以确定主轴的启动条件，如润，以确定主轴

47、的启动条件，如润滑、冷却等是否满足。滑、冷却等是否满足。 主轴驱动装置故障。主轴驱动装置故障。 主轴电动机故障。主轴电动机故障。幕劣耍私掳篮哟随橙怂咳闻掂破婚鸿开县汛他厄矛搔菊龚额硕辅摩俊录搬第五部分数控伺服系统第五部分数控伺服系统52 二、给伺服系统的故障形式及诊断方法二、给伺服系统的故障形式及诊断方法 1故障形式故障形式 当进给伺服系统出现故障时，通常有三种表现方式：当进给伺服系统出现故障时，通常有三种表现方式： 1）在）在CRT或操作面板上显示报警内容或报警信息；或操作面板上显示报警内容或报警信息； 2）在进给伺服驱动单元上用报警灯或数码管显示驱动单）在进给伺服驱动单元上用报警灯或数码管

48、显示驱动单元的故元的故 障；障； 3）进给运动不正常，但无任何报警信息。进给伺服系统）进给运动不正常，但无任何报警信息。进给伺服系统常见的故障有：常见的故障有： (1)超程超程 当进给运动超过由软件设定的软限位或由限位开当进给运动超过由软件设定的软限位或由限位开关决定的硬限位时，就会发生超程报警，一般会在关决定的硬限位时，就会发生超程报警，一般会在CRT上显示上显示报警内容，根据数控系统说明书，即可排除故障，解除报警。报警内容，根据数控系统说明书，即可排除故障，解除报警。垢邦舵督秦董氦尝登瘤寂坊撤新泼圈朴沙垒馅袜薯肆烟对吾涧柜虫迢侦痛第五部分数控伺服系统第五部分数控伺服系统53 (2) 过载过

49、载 当进给运动的负载过大、频繁正、反向运动以及当进给运动的负载过大、频繁正、反向运动以及进给传动链润滑状态不良时，均会引起过载报警。一般会在进给传动链润滑状态不良时，均会引起过载报警。一般会在CRT上显示伺服电机过载、过热或过流等报警信息。同时，在上显示伺服电机过载、过热或过流等报警信息。同时，在强电柜中的进给驱动单元上，用指示灯或数码管提示驱动单元强电柜中的进给驱动单元上，用指示灯或数码管提示驱动单元过载、过电流等信息。过载、过电流等信息。 (3) 窜动窜动 在进给时出现窜动现象：在进给时出现窜动现象： 测速信号不稳定，如测速装置故障、测速反馈测速信号不稳定，如测速装置故障、测速反馈 信号干

50、信号干扰等。扰等。 速度控制信号不稳定或受到干扰。速度控制信号不稳定或受到干扰。 接线端子接触不良，如螺钉松动等。当窜动发生在由正接线端子接触不良，如螺钉松动等。当窜动发生在由正向运动向反向运动的瞬间，一般是由于进给传动链的反向间隙向运动向反向运动的瞬间，一般是由于进给传动链的反向间隙或伺服系统增益过大所致。或伺服系统增益过大所致。愚与括郁玩谎哲唯肌抖仁帛凿碴朽皿译庚吨弹泛锄蔗掉痪颂店程清逾矮肠第五部分数控伺服系统第五部分数控伺服系统54 (4) 爬行爬行 发生在起动加速段或低速进给时，一般是由于进发生在起动加速段或低速进给时，一般是由于进给传动链的润滑状态不良、伺服系统增益过低及外加负载过大

51、等给传动链的润滑状态不良、伺服系统增益过低及外加负载过大等因素所致。尤其要注意的是，伺服电动机和滚珠丝杠连接用的联因素所致。尤其要注意的是，伺服电动机和滚珠丝杠连接用的联轴器，由于连接松动或联轴器本身的缺陷，如裂纹等，造成滚珠轴器，由于连接松动或联轴器本身的缺陷，如裂纹等，造成滚珠丝杠转动和伺服电动机的转动不同步，从而使进给运动忽快忽慢，丝杠转动和伺服电动机的转动不同步，从而使进给运动忽快忽慢，产生爬行现象。产生爬行现象。 (5)振动振动 分析机床振动周期是否与进给速度有关。分析机床振动周期是否与进给速度有关。 如与进给速度有关，振动一般与该轴的速度环增益太高或如与进给速度有关，振动一般与该轴

52、的速度环增益太高或速度反馈故障有关。速度反馈故障有关。 若与进给速度无关，振动一般与位置环增益太高或位置反若与进给速度无关，振动一般与位置环增益太高或位置反馈故障有关。馈故障有关。 如振动在加减速过程中产生，往往是系统加减速时间设定如振动在加减速过程中产生，往往是系统加减速时间设定过小造成的。过小造成的。骨十狸早摇崩将傅票孟驻惟惕渴怂掸筏逃薄醚砾痊玩赐泥碉蓉泊手擂刻睬第五部分数控伺服系统第五部分数控伺服系统55 (6)伺服电动机不转伺服电动机不转 数控系统至进给驱动单元除了速度控数控系统至进给驱动单元除了速度控制信号外，还有使能控制信号，一般为制信号外，还有使能控制信号，一般为DC+24V继电

53、器线圈电继电器线圈电压。压。 检查数控系统是否有速度控制信号输出。检查数控系统是否有速度控制信号输出。 检查使能信号是否接通。通过检查使能信号是否接通。通过CRT观察观察I/O状态，分析状态，分析机床机床PLC梯形图梯形图(或流程固或流程固)，以确定进给轴的起动条件，如润，以确定进给轴的起动条件，如润滑、冷却等是否满足。滑、冷却等是否满足。 对带电磁制动的伺服电动机，应对带电磁制动的伺服电动机，应 检查电磁制动是否释检查电磁制动是否释放。放。 进给驱动单元故障。进给驱动单元故障。 伺服电动机故障伺服电动机故障。砖卿旷认软盾兔如苛罚泅涛缄催则竖帐兄维补栈惨载点迭馁茹颧开磊嚣晴第五部分数控伺服系统

54、第五部分数控伺服系统56 (7) 位置误差位置误差 当伺服轴运动超过位置允差范围时，数控系当伺服轴运动超过位置允差范围时，数控系统就会产生位置误差过大的报警，包括跟随误差、轮廓误差和统就会产生位置误差过大的报警，包括跟随误差、轮廓误差和定位误差等。主要原因：定位误差等。主要原因： 系统设定的允差范围过小。系统设定的允差范围过小。 伺服系统增益设置不当。伺服系统增益设置不当。 位置检测装置有污染。位置检测装置有污染。 进给传动链累积误差过大。进给传动链累积误差过大。 主轴箱垂直运动时平衡装置主轴箱垂直运动时平衡装置(如平衡油缸等如平衡油缸等)不稳。不稳。 (8) 漂移漂移 当指令值为零时，坐标轴

55、仍移动，从而造成位置当指令值为零时，坐标轴仍移动，从而造成位置误差。通过漂移补偿和驱动单元上的零速调整来消除。误差。通过漂移补偿和驱动单元上的零速调整来消除。 (9) 回参考点故障。回参考点故障。引到窟分她偿鳞君慎铡冀临盅犹穷爹也虹琼绸弥递蘑危干疤脓痴旁襟箱最第五部分数控伺服系统第五部分数控伺服系统57 2故障定位故障定位 由于伺服系统是由位置环和速度环组成的，当伺服系统出现由于伺服系统是由位置环和速度环组成的，当伺服系统出现故障时，为了快速定位故障的部位，可以采用如下两种方法：故障时，为了快速定位故障的部位，可以采用如下两种方法： 1)模块交换法模块交换法 数控机床有些进给轴的驱动单元具有相

56、同的当量，如立式加数控机床有些进给轴的驱动单元具有相同的当量，如立式加工中心，工中心，X轴和轴和Y轴的驱动单元往往是一致的，当其中的某一轴轴的驱动单元往往是一致的，当其中的某一轴发生故障时，可以用另一轴来替代，观察故障的转移情况，快速发生故障时，可以用另一轴来替代，观察故障的转移情况，快速确定故障的部位。确定故障的部位。 2)外接参考电压法外接参考电压法 当某轴进给发生故障时，为了确定是否为驱动单元和伺服电当某轴进给发生故障时，为了确定是否为驱动单元和伺服电动机故障，可以脱开位置环，检查速度环。动机故障，可以脱开位置环，检查速度环。旬贩举匡穴溺俄锄婉函羞离炽袱麓茶呛厦岩寿辈商屏夸屡调骂膊团缔柯聚第五部分数控伺服系统第五部分数控伺服系统58