数控15

1第5章数控机床的伺服驱动与反馈系统2CNC装置发出控制信息通过伺服驱动系统根据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。转换成坐标轴的运动，完成程序所规定的操作。3数控机床伺服系统（Servomechanism）是以机床移动部件的位置和速度为控制量的自动控制系统，又称随动系统、拖动系统或伺服机构。在数控机床中，伺服是指有关的传动或运动参数均严格按照数控装置的控制指令实现，这些参数主要包括运动的速度、运动的方向和运动的起停位置等。伺服系统是数控装置和机床的联系环节，是实现切削刀具与工件间运动、主电机运动的驱动和执行机构，是数控机床的“四肢”。伺服系统的性能，在很大程度上决定了数控机床的性能。5.1概述4进给驱动系统用于数控机床工作台或刀架坐标的控制系统，来控制机床各坐标轴的切削进给运动，并提供切削过程所需的转矩。支承丝杠螺母伺服进给系统电机5滚珠丝杠螺母副65.1.1伺服系统的基本要求1．精度高伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确程度。包括位移精度和定位精度。一般允许偏差在0.01~0.001mm之间，甚至到0.1um。2.稳定性好稳定是指系统在给定输入或外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后，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。5.1概述73．动态响应快动态响应反映了系统的跟踪精度。伺服系统处于频繁地启动、制动、加速、减速等动态过程中，为了提高生产率和保证加工质量，当负载突变时，过渡过程前沿要陡，恢复时间要短(一般在200ms以内，甚至小于几十毫秒)，且无振荡。这样才能得到光滑的加工表面。４.调速范围宽调速范围S是指机械装置要求电动机能提供的最高转速nmax和最低转速nmin之比。对一般的数控机床而言，进给伺服系统的调速范围Rn为1:24000就足够了，即在1~24000mm/min调速范围内速度能够均衡、稳定、无爬行地工作。较为先进的机床可以获得更大的调速范围。5.1.1伺服系统的基本要求5.1概述85．低速大转矩数控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。为了满足对伺服系统的要求，对伺服系统的执行元件——伺服电动机也相应提出高精度、快响应、宽调速和大转矩的要求。5.1.1伺服系统的基本要求5.1概述95.1.2伺服系统的分类1．按调节理论分类1）开环伺服系统其驱动元件主要是功率步进电动机或电液脉冲马达。这两种驱动元件工作原理的实质是数字脉冲到角度位移的变换，它无位置反馈系统，不用位置检测元件实现定位，而是靠驱动装置本身，转过的角度正比于指令脉冲的个数；运动速度由进给脉冲的频率决定。开环系统的结构简单，易于控制，但精度差，低速不平稳，高速扭矩小。一般用于轻载负载或经济型数控机床上。5.1概述101．按调节理论分类2）闭环伺服系统闭环系统运动执行元件不能反映运动的位置，因此需要位置检测装置。该装置测出实际位移量或者实际所处位置，并将测量值反馈给CNC装置，与指令进行比较，求得误差，依此构成闭环位置控制。由于闭环伺服系统是反馈控制，反馈测量装置精度很高，所以系统传动链的误差，环内各元件的误差以及运动中造成的误差都可以得到补偿，从而大大提高了跟随精度和定位精度。5.1概述5.1.2伺服系统的分类111．按调节理论分类3）半闭环伺服系统位置检测元件没直接安装在进给坐标的最终运动部件上，而是经过中间机械传动部件的位置转换，半闭环和闭环系统的控制结构是一致的，不同点只是闭环系统环内包括较多的机械传动部件，传动误差均可被补偿，理论上精度可以达到很高。但由于受机械变形、温度变化、振动以及其它因素的影响，系统稳定性难以调整。因此，目前使用半闭环系统较多。5.1概述5.1.2伺服系统的分类121．按调节理论分类随着微电子技术、计算机技术和伺服控制技术的发展，数控机床的伺服系统已经开始采用高速度、高精度的全数字伺服系统。由位置、速度和电流构成的三环反馈全部数字化，应用数字PID算法，用PID程序来代替PID调节器的硬件，使用灵活，柔性好。数字伺服系统采用了许多新的控制技术和改进伺服性能的措施，使控制精度和品质大大提高。5.1概述5.1.2伺服系统的分类132．按使用驱动电动机分类1）直流伺服系统直流伺服系统常用的伺服电动机有小惯量直流伺服电动机和永磁直流伺服电动机（也称为大惯量宽调速直流伺服电动机）。小惯量伺服电动机应用时，要经过中间机械传动（如齿轮副）才能与丝杠相连接。永磁直流伺服电动机能直接与丝杠相连而不需中间传动装置。2）交流伺服系统交流伺服系统使用交流异步伺服电动机（一般用于主轴伺服电动机）和永磁同步伺服电动机（一般用于进给伺服电动机）。5.1概述5.1.2伺服系统的分类143．按进给驱动和主轴驱动分类1）进给伺服系统进给伺服系统是指一般概念的伺服系统，它包括速度控制环和位置控制环。2）主轴伺服系统一般的主轴控制只是一个速度控制系统。具有C轴控制的主轴与进给伺服系统一样，为一般概念的位置伺服控制系统。5.1概述5.1.2伺服系统的分类154．按反馈比较控制方式分类1）脉冲、数字比较伺服系统2）相位比较伺服系统3）幅值比较伺服系统4）全数字伺服系统位置、速度和电流构成的三环反馈全部数字化。5.1概述5.1.2伺服系统的分类165.1.3常用伺服电动机伺服电动机是指能够精密地控制其位置的一类电动机。主要功能是转换和传递信号。伺服电动机在机床伺服系统中用作执行元件。常用的伺服电动机分为4大类：1．直流伺服电动机。2．交流伺服电动机。3．步进电动机。4．直接驱动电动机（直线电机）。5.1概述171．直流伺服电动机。（调速性能良好）1）永磁直流伺服电动机。用于一般的直流伺服系统。2）无槽电枢直流伺服电动机。用于需要快速动作、功率较大的伺服系统。3）空心杯电枢直流伺服电动机。用于需要快速动作的伺服系统。4）印制绕组直流伺服电动机。用于低速运行和起动、反转频繁的系统。5.1概述5.1.3常用伺服电动机182．交流伺服电动机。（主要使用的电机）1）同步型交流伺服电动机。常用于位置伺服系统,如数控机床的进给系统。常见的功率范围是数十瓦到数千瓦，个别的达到数十千瓦。2）异步型交流伺服电动机。主要用于需要以恒功率扩展调速范围的大功率调速系统中,如在数控机床中用作主轴系统驱动，常见的功率范围是数千瓦以上。5.1.3常用伺服电动机5.1概述19主轴高速化：采用电主轴（内装式主轴电机）。FANUC研制的MS112L主轴11～22KW，重170Kg，力矩60NM，转速20000rpm；主轴转速的最高加（减）速为1.0g，即仅需2.0秒即可从0提速到20000r/min。主轴驱动系统控制机床主轴的旋转运动，为机床主轴提供驱动功率和所需的切削力。一般地，对于进给驱动系统，主要关心它的转矩大小、调节范围的大小和调节精度的高低，以及动态响应速度的快慢。对于主轴驱动系统，主要关心其是否具有足够的功率、宽的恒功率调节范围及速度调节范围。203．步进电动机。（适于轻载、负荷变动不大）1）反应式步进电动机。2）永磁式步进电动机。3）永磁感应式步进电动机5.1概述5.1.3常用伺服电动机214．直接驱动电动机。（高速、高精度）1）直流力矩电动机。2）同步型交流伺服电动机。3）变磁阻电动机。5.1.3常用伺服电动机5.1概述22直线电动机利用电磁作用原理，将电能直接转换成直线运动动能的一种推力装置，是一种较为理想的驱动装置。在机床进给系统中，采用直线电动机直接驱动与旋转电动机的最大区别是取消了从电动机到工作台之间的机械传动环节，把机床进给传动链的长度缩短为零。正由于这种传动方式，带来了旋转电动机驱动方式无法达到的性能指标和优点。磁悬浮列车23工作台床身直线电机245.2.1开环进给伺服系统开环控制系统是没有反馈的控制系统。数控装置根据控制介质上的指令信号，经控制运算发出指令脉冲，使伺服驱动元件转过一定的角度，并通过传动齿轮、滚珠丝杠螺母副，使执行机构（如工作台）移动或转动。5.2步进电机驱动系统255.2.2步进电机原理：步进电机是利用电磁铁原理，将脉冲信号转换成线位移或角位移的电机。每来一个电脉冲，电机转动一个角度(步距角)，带动机械移动一小段距离。特点：(1)来一个脉冲，转一个步距角。(2)控制脉冲频率，可控制电机转速。(3)改变脉冲顺序，改变方向。5.2步进电机驱动系统262728种类：有励磁式和反应式两种。两种的区别在于励磁式步进电机的转子上有励磁线圈，反应式步进电机的转子上没有励磁线圈。5.2步进电机驱动系统5.2.2步进电机29反应式步进电机工作原理：定子转子定子绕组步进机主要由两部分构成：定子和转子。它们均由磁性材料构成，其上分别有六个磁极，六个磁极上有控制绕组，两个相对的磁极组成一相。5.2步进电机驱动系统5.2.2步进电机30工作方式可分为：三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等。一、三相单三拍通电顺序为：A相B相C相A相A相C相B相A相5.2步进电机驱动系统5.2.2步进电机31这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电，而且，一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相单三拍。三相单三拍的特点：（1）每来一个电脉冲，转子转过30。此角称为步距角，用表示。（2）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序，改变通电顺序即可改变转向。5.2步进电机驱动系统5.2.2步进电机32CA'BB'C'A3412CA'BB'C'AC'CA'BB'A三相单三拍A相B相C相5.2步进电机驱动系统33二、三相单双六拍通电顺序为：AABBBCCCAA共六拍。CA'BB'C'A3412工作过程：A相通电，转子1、3齿和A相对齐。5.2步进电机驱动系统5.2.2步进电机34二、三相单双六拍A、B相同时通电，BB'磁场对2、4齿有磁拉力，该拉力使转子顺时针方向转动。AA'磁场继续对1、3齿有拉力。转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对AA'通电，转子转了15°。CA'BB'C'AAABBBCCCAA共六拍。5.2步进电机驱动系统5.2.2步进电机35二、三相单双六拍B相通电，转子2、4齿和B相对齐，又转了15。AABBBCCCAA共六拍。CA'BB'C'A总之，每个循环周期，有六种通电状态，所以称为三相六拍，步距角为15。5.2步进电机驱动系统5.2.2步进电机36三、三相双三拍通电顺序为：ABBCCAAB共三拍。AB通电CA'BB'C'ACA'BB'C'ABC通电CA通电CA'BB'C'A5.2步进电机驱动系统5.2.2步进电机37三、三相双三拍工作方式为三相双三拍时，每通入一个电脉冲，转子也是转30。以上三种工作方式，三相双三拍和三相单双六拍较三相单三拍稳定，因此较常采用。5.2步进电机驱动系统5.2.2步进电机38小步距角的步进电动机实际采用的步进电机的步距角多为3度和1.5度，步距角越小，机加工的精度越高。为产生小步距角，定、转子都做成多齿的，图中转子40个齿，定子仍是6个磁极，但每个磁极上也有五个齿。为使转、定子的齿对齐，定子磁极上的小齿，齿宽和齿槽和转子相同。5.2步进电机驱动系统5.2.2步进电机39小步距角的步进电动机转子的齿距等于360/40=9，齿宽、齿槽各4.5。5.2步进电机驱动系统5.2.2步进电机40工作原理：假设是单三拍通电工作方式。（1）A相通电时，定子A相的五个小齿和转子对齐。此时，B相和A相空间差120，含120/9=齿A相和C相差240，含240/9=个齿。所以，A相的转子、定子的五个小齿对齐时，B相、C相不能对齐，B相的转子、定子相差1/3个齿（3），C相的转子、定子相差2/3个齿（6）。5.2步进电机驱动系统5.2.2步进电机41工作原理：假设是单三拍通电工作方式。（2）A相断电、B相通电后，转子只需转过1/3个齿（3），使B相转子、定子对齐。同理，C相通电再转3……若工作方式改为三相六拍，则