数控机床的伺服驱动与监测

数控机床的伺服驱动与监测第一节概述一、伺服系统的概念数控机床伺服系统是以机械位移为直节控制目标的自动控制系统，也可称为位置随动系统，简称为伺服系统。数控机床伺服系统主要有两种：一种是进给伺服系统，它控制机床各坐标轴的切削进给运动，以直线运动为主；另一种是主轴伺服系统，它控制主轴的切削运动，以旋转运动为主。本章只介绍第一种伺服系统。CNC装置是数控机床发布命令的“大脑”，而伺服驱动则为数控机床的“四肢”，是一种“执行机构”，它能夠准确的执行来自CNC装置的运动指令。驱动装置由驱动部件和速度控制单元组成。驱动部件由交流或直流电动机、位置监测元件及相关的机械传动和运动部件组成。伺服系统的控制方法主要分为开环、闭环和半闭环三种控制方法。它实际上是指伺服系统实现位置伺服控制的三种方式。开环控制只有从发出的位置指令输入到最后的位置输出的前向通道控制，而没有测量实际位置输出的反馈通道。由步进电动机直接驱动滚珠丝杆副的结构就是开环控制系统的实例。它的结构简单、调整维护方便、工作可靠、成本低，但每一指令脉冲的进给误差、传动链的误差间隙、导轨滑动时摩擦力的不均衡等造成的误差等最终都反映到实际位移中去，使得定位精度较低。此外，它的速度低，低速平稳性差，效率也较低。电机机械执行部件A相、B相C相、…f、nCNC插补指令脉冲频率f脉冲个数n换算脉冲环形分配变换功率放大如果在电动机轴或丝杆上安装一个旋转变压器反馈转角的变化，则系统变成了半闭环系统。这样，与开环系统相比，半闭环系统，提高了精度，但它检测的反馈信号来自于系统中某一个非最终输出的环节，使得系统无法对这一环节到最终控制目标之间的误差自动进行补偿。位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元++--电机机械执行部件CNC插补指令实际位置反馈实际速度反馈在前向控制通道的基础上在加上直接检测最终输出的反馈控制通道就形成了闭环控制的伺服系统。检测元件通常为直线感应同步器和光栅等直线行位检元件，安装在最终的移动目标工作台上。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。数控机床的最高移动速度，跟踪速度，定位精度等重要的指标都取决于伺服系统的动态和静态特性。它一直是数控机床研究的重要课题之一。位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元++--电机机械执行部件CNC插补指令实际位置反馈实际速度反馈二、进给伺服系统的要求数控机床完成各种不同的加工任务，对进给伺服系统的要求也不尽相同，可概括为以下几点要求。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。直接影响机的定位精度和重复定位精度，因而对零件的加工精度影响很大。精密加工的数控机床要求定位和轮廓切削精度都比较高，一般允许偏差在0.01~0.001mm之间，甚至到0.1um。2.调速范围宽调速范围Rn为Rn=nmax/nmin式中nmax、nmin——额定负载时的最高、最低转速，单位为r/min。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。3.快速响应为了保证轮廓切削形状精度和表面粗糙度，除了保证较高的定位精度外，还要求跟踪指令信号响应快，一般在200ms以内，甚至小于几十ms。4.低速大转矩切削加工的特点一般是在低速时进行重切削。为适应加工要求对伺服系统要求低速大转矩。系统具有这一特性，可以简化传动链，使传动装置机械结构得道简化系统刚性加强，使传动装置的动态质量和传动精度得到提高。4.高性能的伺服电动机伺服电动机是伺服系统的重要驱动元件。为满足上述要求，对伺服电动机的要求应该是：从最低速度到最高速度能平滑运转，具有大的、较长时间的过载能力、响应快，还要求能承受平凡的启动、制动和反转。进给驱动用的伺服电动机主要有步进电动机，直流和交流调速电动机。交流调速电动机是机床进给驱动的一个方向。自80年代中期开始，交流进给驱动得到了迅速的发展。今天，一些先进的国家几乎全部采用交流进给驱动。交流调速电动机是以异步电动机和永磁同步电动机为基础的交流电动机，而所采用的异步电动机多为批量生产的普通结构形式的异步电动机，可以预见，交流调速电动机将是最有发展前途的进给驱动装置。第二节步进电动机的驱动与应用步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械角位移的驱动元件。给一个电脉冲信号，步进电动机就回转一个固定的角度，称为一步，所以称为步进电动机。有由于它输入的是脉冲电流，也称为脉冲电动机。步进电动机具有精度高，惯性小的特点，对各种干扰因素不敏感，误差不会长期积累，转过360°以后其积累误差为“0”。它主要用于开环控制系统，使系统的结构简单、运行可靠，也可用于闭环控制系统。按励磁方式的不同，步进电动机可分为反应式、永磁式、感应式和混合式等。混合式步进电动机的结构和原理具有反应式和永磁式两种电动机的特点，在同样的励磁电流下，它可以产生更大的转矩。目前这种电动机以在数控机床等领域得到了广泛的应用。反应式步进电动机应用普遍，结构也简单，是我们分析的重点对向。一、步进电动机的工作原理图6-2所示为反应式步进电动机的结构原理图。它的定子和转子铁心通常由硅钢片叠成。定子上有A、B、C三对磁极，在相对应的磁极上绕有A、B、C三向控制绕组。假设转子上有四个齿，齿宽与定子的极靴宽相等，相邻两齿所对应的空间角度为齿距角。齿距角Ot为Ot=360/Zr式中Zr——转子齿数。在图6-2所示的三相(A、B、C)步进电动机中，Zr=4,齿距角Ot=90。二、步进电动机的主要性能指标1、步距角及步距精度同一相数的步进电动机通常有两种步距角，如1.5°/0.75°、1.2°/0.6°、3°/1.5°等。单、双拍制的步距角比单拍制或双拍制的步距角减小一半。静态步距角误差是实际步距角与理论步距角之间的误差，以偏差的角度或理论步距角的百分数来衡量。它的值越小，就表示精度越高。按静态步距角误差，步进电动机的精度分为两级，如表6-1所示。表6-1步进电动机步距角精度分级步距角1级精度2级精度θs1.5+-25%+-25%1.5≤θs≤7.5+-15%+-25%7.5≤θs≤15+-5%+-10%步进电动机的精度可用步距角的误差或累积误差衡量。累积误差是指转子从任意位置开始，经过任意步后，转子的实际转角与理论转角之间的最大值。电动机转一周，其积累误差应为零，在一周内积累误差可大可小，可正可负。2、最大静转矩Tmax与起动转矩Tq(1)最大静转矩Tmax当定子一相绕组通电时，转子在-Л到Л之间任何一个位置停留，当定子通电后，转子与定子齿都会对准，回到初始平衡位置；所以把空载静稳定区定为-Л到Л之间。当转子受到外力的作用后，转子齿要偏离初始位置，这时定转子之间产生的定子转矩用以克服负载转矩，直到相互平衡，转子停在一个心的平衡点，这时转子齿所偏离的角度成为失调角θe。这时，电动机的静态转矩与失调角之间关系接近正弦变化，称之为矩角特性（图6-5中下图）。T=-Tm*sinθe当Θe=+-п/2时，T为最大静转矩，它表示步进电动机所能承受的最大静态转矩Tmax。显然，当转子加上负载后，其负载静稳定区在-Л/2Ｏ＜θ＜Л/2之间。当转子受到的负载转矩是脉动的情况下，转子的失调角将随负载变化而变化，可以看见转子在作轻微的晃动，这种现象是正常的，步矩角越小，晃动范围越小，对数控系统精度的影响也就越小。当多相通电时，矩角特性可由单项矩角特性以矢量和的方式算出，当绕组数大于3时，多相通电多数能提高静态转矩（见表6-2）。功率较大的步进电动机多数采用大于三相的励磁绕组，而且多相通电。表6-2步进电动机多相通电时的转矩步进电动机相数345同时通电相数121231231234合成转矩/Tmax1111.4111.61.611.721.7(2)最大起动转矩Tq图6-6表示三相步进电动机的矩角特性，图中相连两个矩角性的交点所对应的电磁转矩为起动转矩Tq，它代表步进电动机单相励磁时所能代动的极限转矩。当电动机所带的负载T1＜Tq时，A相通电，转子的平衡点转到m处，在此点Tam﹦T1；当由A相切换到B相时，B相在m点的电磁转矩TbmTam，在电磁转矩作用下，转过一个步矩角到达新的平衡位置n，此时，Tbn=T1。显然，如果负载T1Tq，A、B相的切换无法使转子到达新的平衡位置n，而产生“失步“现象。不同相数的步进电动机的起动转矩不同，一般相数越多，拍数越多，则气动转矩越大。根据步进电动机的相数、拍数选取起动转矩，见表6-3。表中Tmax为步进电动机的最大静转矩。3、起动频率和起动特性起动频率是指步进电动机不失步起动所能施加的最高控制脉冲频率。在电动机空载情况下，成为空载起动频率。在有负载情况下，不失步起动所允许的最高频率将大大降低。例如70BF3型步进电动机空载起动频率是1400Hz，当负载为最大转矩Tmax的0.55倍时，起动频率下降到50Hz。表6-3步进电动机相数、拍数、最大负载转矩表运行方式相数3456拍数3648510612Tq/Tmax0.50.8660.7070.7070.8090.9510.8660.866步进电动机带一定负载起动后，连续缓慢提高脉冲频率直到不丢步运行的最高频率称为运行频率。它比起动频率大得多。因此步进电动机常采用升降速控制，起停时频率降低，正常运行时，频率升高。图6-7表示了负载转矩与运行频率的关系。频率选择时因满足下式ft≥[fop](6-4)式中ft——步进电动机极限起动频率；[fop]——要求步进电动机最高起动频率。4、连续运行频率步进电动机在实际应用中一般均处在连续脉冲运行状态，控制脉冲的变化及对它的影响可分为三个区段：（1）脉冲频率极低这时电动机的运行为连续的单步运动。一般电动机由一个稳定点变化到另一个稳定点时，转子要在新的稳定点附近来回振荡若干次，最后才稳定下来。当输入的脉冲时间间隔大于电动机振荡衰减时间时，第二个脉冲还没到来时，前一次的脉冲已经完毕，转子处在稳定位置，其运行过程如图6-8a所示，每一步都和单步运动一样。这种状态步进电动机能够跟随输入脉冲可靠的工作。（2）脉冲频率很高这时脉冲间隔短，在前一步还没有振荡结束，后一个脉冲就已经来临，使步进电动机连续平滑的转动，转速比较稳定，如图6-8所示。（3）低频共振当脉冲频率介于及低频和高频之间，容易接近于电动机本身的振荡频率，这时电动机将产生强烈振动，甚至失步无法工作。这就是步进电动机低频共振丢步现象。一般不允许步进电动机在共振频率下运行。为减少这一共振现象，很多步进电动机设置了专门的阻尼器，消耗振动能量，限制振幅。5、应用举例下面举一个模拟工作台的例子。工作台的纵向轴是导程P=1.25mm的普通丝杆副，步进电动机通过一对降速齿轮副与丝杆连接。设①丝杆轴向的负载Fa=500N；②最大进给速度vmax=0.8m/min；③脉冲当量δ=0.002mm/step；④传动的总效率是η0.255。请选用步进电动机。设选用的徚进电动机的步矩角θs=0.75°/step（1）确定步进电动机的起动力矩Tq当电动机在起动力矩Tq作用下转一个步矩角θs时，所作的功为WD=Tq*θs/360°2π工作台克服负载Fa、位移δ所做的功Wa=Fa*δ根据能量守恒WDη=Wa得Tq=360°*δ*Fa/2*π*θs*η=360°*0.002*5000/2*3.14*0.75。*0.255N.mm=2997.3N.mm（2）确定步进电动机最大静转矩Tmax为满足最小步矩要求，电动机选用三相六拍工方式，根据表6-3得Tq/Tmax=0.866，则Tmax=299.73/0.866N.cm=346.11N.cm（3）确定步进电动机运行频率fmax=1000*vmax/60*δ=1000*0.8/60*0.002Hz=6650Hz根据以上参数选电动机100BF003。它的Tmax=800N.cm,θs=0.75°/1.5°