数控机床伺服驱动系统

第5章数控机床伺服驱动系统数控机床伺服驱动系统概述数控机床主轴驱动系统数控机床进给驱动系统5.1概述伺服系统的组成数控机床对伺服系统的基本要求伺服系统的分类一、伺服系统的组成数控伺服系统由伺服电机（M）、驱动信号控制转换电路、电力电子驱动放大模块、电流调解单元、速度调解单元、位置调解单元和相应的检测装置（如光电脉冲编码器G）等组成。一般闭环伺服系统的结构如图5.1所示。它是一个三环结构系统，其中，外环是位置环，中环是速度环，内环为电流环。伺服系统的组成位置环由位置调节控制模块、位置检测和反馈控制部分组成；速度环由速度比较调节器、速度反馈和速度检测装置（如测速发电机、光电脉冲编码器等）组成；电流环由电流调节器、电流反馈和电流检测环节组成。电力电子驱动装置由驱动信号产生电路和功率放大器等组成。二、数控机床对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。作为数控加工，对定位精度和轮廓加工精度要求都比较高，定位精度一般允许的偏差为0.01~0.001mm，甚至0.1。轮廓加工精度与速度控制、联动坐标的协调一致控制有关。在速度控制中，要求较高的调速精度，具有比较强的抗负载扰动能力，对静态、动态精度要求都比较高。数控机床对伺服系统的基本要求2）稳定性好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。稳定性是保证数控机床正常工作的条件，直接影响数控加工的精度和表面粗糙度。数控机床对伺服系统的基本要求3）快速响应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。为了保证轮廓切削形状精度和低的加工表面粗糙度，要求伺服系统跟踪指令信号的响应要快。一方面要求过渡过程（电机从静止到额定转速）的时间要短，一般在200ms以内，甚至小于几十毫秒；另一方面要求超调要小。这二方面的要求往往是矛盾的，实际应用中要采取一定措施，按工艺加工要求做出一定的选择。数控机床对伺服系统的基本要求4）调速范围宽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。通常表示为：在数控机床中，由于加工用刀具，被加工材质及零件加工要求的不同，进给伺服系统需要具有足够宽的调速范围。目前较先进的水平是，在分辨率为1的情况下，进给速度范围为0~240m/min，且无级连续可调。但对于一般的数控机床而言，要求进给伺服系统在0~24m/min进给速度范围内都能工作就足够了。nRminmaxnnRn数控机床对伺服系统的基本要求5）低速大转矩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。进给坐标的伺服控制属于恒转矩控制，在整个速度范围内都要保持这个转矩；主轴坐标的伺服控制在低速时为恒转矩控制，能提供较大转矩；在高速时为恒功率控制，具有足够大的输出功率。三、伺服系统的分类（1）按调节理论分类开环伺服系统闭环伺服系统半闭环系统伺服系统的分类（2）按使用的执行元件分类电液伺服系统电气伺服系统（步进伺服系统、直流伺服系统、交流伺服系统）伺服系统的分类（3）按被控对象分类进给伺服系统主轴伺服系统伺服系统的分类（4）按反馈比较控制方式分类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全数字伺服系统5.2数控机床主轴驱动系统主轴驱动装置及工作特性主轴分段无极变速及控制主轴准停控制主轴与进给轴关联控制一、主轴驱动装置及工作特性（1）主轴电动机及驱动装置数控机床的主轴驱动系统由主轴驱动装置和主轴电动机两部分构成，有直流电动机及相应的驱动装置和交流电动机及相应的驱动装置两种。直流电动机及驱动装置•数控机床进给轴采用永磁式伺服电动机和脉宽调制（PWM）调速装置，其特点是惯性小、调速性能优越，便于位置控制应用。但永磁式伺服电动机和脉宽调制（PWM）调速装置都不能适应主轴电动机输出功率的要求，数控机床的主轴电动机一般只能采用它励式直流电动机和三相全控晶闸管调速装置。为缩小电动机体积并改善冷却效果，常采用轴向强迫风冷或热管冷却方式。主轴电动机及驱动装置交流电动机及驱动装置•输出转换型交流主轴电动机：为满足机床切削的需要，要求主轴电动机在任何刀具切削速度下都能提供恒定的功率，FANUC公司开发出一种称为输出转换型交流主轴电动机。其输出切换方法很多，包括三角形—星形切换和绕组数切换，或二者组合切换。尤其是绕组数切换方法比较方便，而且，每套绕组都能分别设计成最佳的功率特性，能得到非常宽的恒功率范围。交流电动机及驱动装置•液体冷却主轴电动机：其结构特点是在电动机外壳和前端盖中间有一个独特的油路通道，用强迫循环的润滑油经此来冷却绕组和轴承，使电动机可在20000r/min高速下连续运行。这类电动机的恒功率范围也很宽。•内装式主轴电动机（电主轴）：将主轴与电动机合为一体。电动机轴就是主轴本身，而电动机的定子被拼入在主轴内。内装式主轴电动机由空心轴转子、带绕组的定子和检测器三部分组成。由于电动机与主轴合二为一，既简化了结构，也消除了振动，降低了噪声，非常有利于高速运行。主轴驱动装置及工作特性（2）主轴驱动工作特性二、主轴分段无极变速及控制（1）分段无级变速原理数控机床采用无级调速主轴机构，可以大大简化主轴箱。但低速段输出转矩常无法满足强切削转矩的要求。如单纯追求无级调速，必然增大主轴电动机功率，主轴电动机与驱动装置的体积、质量及成本都会大大增加，电动机的运行效率会大大降低。因此数控机床常采用1~4挡齿轮变速与无级调速相结合的方案，即分段无级变速。图5.3所示为采用与不采用齿轮减速主轴的输出特性。分段无级变速原理采用齿轮减速虽然可增大低速时的输出转矩，但同时降低了最高主轴转速。因此须采用齿轮自动换挡，达到既满足低速转矩，又满足最高主轴转速的要求。数控系统一般均提供4挡自动变速功能，而数控机床通常使用两挡即可满足要求。在数控系统参数区设置M41~M44四挡对应的最高主轴转速后，即可用M41~M44指令控制齿轮自动换挡。控制过程中，数控系统将根据当前S指令值，自动判断挡位，向PLC输出相应的M41~M44指令，由PLC控制变换齿轮位置；数控装置同时输出相应的模拟电压或数字信号设定对应的速度。其控制结构如图5.4所示。主轴分段无极变速及控制（2）自动换挡控制自动变速动作控制时序如图5.5所示。M代码输出M选通M代码确认M代码执行主轴蠕动换挡完成转速设定主轴分段无极变速及控制（3）变挡机构液压拨叉变挡机构：液压拨叉是用一只或几只液压缸带动齿轮移动的变速机构。最简单的二位液压缸实现双联齿轮变速。三联或三联以上的齿轮换挡则需使用差动液压缸（具体结构和工作原理可参阅相关书籍）。液压拨叉变挡机构较为复杂，不但需要附加一套液压装置，还需将电信号转换为电磁阀动作，控制压力油分至相应的液压缸。变挡机构电磁离合器变挡机构：电磁离合器可以通过控制线圈的通断，来控制传动链接续和切断，便于实现电气自动控制。其缺点是体积较大，产生的磁通易使机械零件磁化。在数控机床主轴传动中，使用电磁离合器可简化变速机构，通过安装在各传动轴上离合器的吸合与分离，形成不同的运动组合传动链，实现主轴变速。数控机床常使用无滑环摩擦片式电磁离合器和牙嵌式电磁离合器。摩擦片式电磁离合器采用摩擦片传递转矩，允许不停车变速。但如果速度过高，会产生大量的摩擦热。牙嵌式电磁离合器将摩擦面加工成一定的齿形，可提高传递转矩，缩小离合器的径向和轴向尺寸，使主轴结构更加紧凑，减少摩擦势，但牙嵌式电磁离合器必须在低速时才能变速。三、主轴准停控制主轴准停功能指控制主轴准确停在固定位置的功能，又称为主轴定位功能，是数控加工过程中自动换刀所必需的功能。在自动换刀的镗、铣加工中心上，切削扭矩通常是通过刀杆的端面键传递的，因此，要求主轴具有准确的定位于圆周特定角度的功能（见图5.6）；当加工阶梯孔或精镗孔后退刀时，为防止刀具与小阶梯孔碰撞或拉毛已精加工过的孔表面，必须先让刀，再退刀。即使让刀，刀具也必须能够准确定位。主轴准停控制主轴准停功能分为机械准停和电气准停。机械准停：电气准停电气准停1）磁传感器准停电气准停2）编码器主轴准停电气准停3）数控系统准停注意问题：①数控系统须具有主轴位置闭环控制功能。②当采用主轴电动机轴端编码器检测位置信号，主轴传动链的精度可能对准停控制精度产生影响。电气准停采用电气准停控制有如下优点：•简化机械结构•缩短准停时间•可靠性增大•性能价格比提高四、主轴与进给轴关联控制主轴与进给轴关联控制一般通过脉冲编码器来实现。（1）脉冲编码器•增量式脉冲编码器：脉冲发生器每次测量的角位移，都是相对上一次角度位置的增量。这种编码器结构简单，应用最广泛。为提高其分辨率，通常采用电子线路进行倍频细分。增量式脉冲编码器输出两个相位差90°的A、B信号和零位C信号，其中A、B信号可用来计算角位移的大小，还可利用它们相位超前或滞后的关系辨别旋转方向。脉冲编码器•绝对式脉冲编码器：码盘每一转角位置都刻有表示该位置的惟一代码，通过读取码盘之值即可直接获得主轴的角度坐标。单个码盘组成的绝对式脉冲编码器，只能测量0°~360°范围内的角位移，测量大于360°的角位移，必须使用有多个码盘的绝对式脉冲编码器。绝对式脉冲编码器码盘常用的码制有二进制、循环码、十进制码等几种。最常用的码制为二进制循环码。由于二进制循环码制的特点是相邻两组数码之间只有一位变化，即使制造与安装不太精确，所造成的误差也不会超过码盘自身的分辨率。主轴与进给轴关联控制（2）主轴旋转与轴向进给的关联控制以螺纹切削加工为例，介绍数控系统主轴旋转与轴向进给的关联控制功能。1）进给量与主轴转速关联控制在数控车床上加工圆柱螺纹时，无论螺纹是等距螺纹还是变距螺纹，都要求主轴转速与刀具轴向进给保持一定的协调关系，数控系统必须具有主轴转速与轴向进给量关联控制功能。在主轴上安装的脉冲编码器可以检测主轴转角、相位、零位等信号，在主轴旋转过程中，脉冲编码器不断向数控装置发送脉冲信号，根据插补计算结果，控制进给坐标轴伺服系统，使进给量与主轴转速保持螺纹加工所需的比例关系，从而实现螺纹的精确加工。主轴旋转与轴向进给的关联控制2）主轴旋转方向控制通过改变主轴旋转方向，可以加工出左螺纹或右螺纹，主轴旋转方向可通过脉冲编码器正交的A相、B相脉冲信号的顺序来判别。3）主轴绝对位置定位脉冲编码器的零位脉冲信号C，刚好对应主轴旋转一圈，可用于主轴绝对位置定位检测和控制。在多次循环切削同一螺纹时，该零位信号可作为刀具切入点，以确保螺纹螺距不出现乱扣现象。即在每次螺纹切削进给前，刀具必须经过零位脉冲定位后才能切削，以确保刀具在工件圆周同一点切入。主轴与进给轴关联控制（3）主轴旋转与径向进给的关联控制由机械加工工艺可知，利用数控车床或磨床进行端面加工时，为了保证加工端面的平整光洁（表面粗糙度R0小），应控制工件与刀具（车刀或砂轮）接触点处的速度为一恒定值，即实现所谓恒线速度加工。由于在端面加工过程中，刀具要不断地作径向进给运动，从而使刀具的切削直径逐渐减小（磨床还应考虑砂轮磨损造成的直径减小）。由切削速度与主轴转速的关系可知，若保持切削速v恒定不变，当切削直径D逐渐减小时，主轴转速n必须逐渐增大。数控装置必须设计相应的控制软件来完成主轴转速的调整。车削端面过程中，切削直径变化的增量为iitFD25.3数控机床进给驱动系统进给驱动系统组成与分类开环进给伺服控制闭环进给伺服控制及特性分析脉冲比较的进给伺服控制相位比较的进给伺服控制幅值比较的进给伺服控制数据采样式和反馈补偿式进给伺服控制一、进给驱动系统组成与分类（1）进给驱动系统的组成和基本要求基本要求：精度高、稳定性好、响应速度快、低速大转矩、调速范围宽。进给驱动系统组成与分类（2）进给伺服驱动机构早期多采用电液伺服驱动方式，其伺服执行元件采用液压元件，前级为电气元件，驱动元件为液动机和液压缸。常用的有电液脉冲马达和电液伺服