数控机床的驱动与位置

Copyright©byARTCOMPTAllrightsreserved.数控技术第６章数控机床的驱动与位置控制Copyright©byARTCOMPTAllrightsreserved.数控技术6.1概述6.2开环进给伺服系统6.3闭环及半闭环进给伺服系统6.4检测元件Copyright©byARTCOMPTAllrightsreserved.数控技术数控机床与其它机床主要区别是什么？为什么数控机床能加工复杂曲面，而普通机床不能？答案是数控机床具有驱动与位置控制统。数控机床驱动与位置控制统称伺服系统，它是数控机床的重要组成部分。伺服系统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。在数控机床上，伺服驱动系统接收来自插补装置或插补软件生成的进给脉冲指令，经过一定的信号变换及电压、功率放大，将其转化为机床工作台相对于切削刀具的运动或主电机的运动。目前，这主要通过对交、直流伺服电动机或步进电动机等进给驱动元件的控制来实现。进给伺服系统的性能，如最高移动速度、跟踪精度、定位精度等动态和静态性能，在很大程度上决定了数控机床的加工精度、加工表面质量和生产效率。Copyright©byARTCOMPTAllrightsreserved.数控技术6.1概述数控机床伺服系统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。在数控机床上，伺服驱动系统接收来自插补装置或插补软件生成的进给脉冲指令，经过一定的信号变换及电压、功率放大，将其转化为机床工作台相对于切削刀具的运动或主电机的运动。目前，这主要通过对交、直流伺服电动机或步进电动机等驱动元件的控制来实现。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。数控机床的最高移动速度、跟踪精度、定位精度等重要指标均取决于伺服系统的动态和静态性能。Copyright©byARTCOMPTAllrightsreserved.数控技术6.1.1伺服系统的基本要求1．精度高(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机床工作台进给的位移量和该指令脉冲经伺服系统转化为工作台实际位移量之间的符合程度。目前，数控机床伺服系统位移精度可达到在全程范围内±5μm。伺服系统的定位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，高精度的定位精度为±0.001mm，甚至0.1μm。Copyright©byARTCOMPTAllrightsreserved.数控技术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。稳定性直接影响数控加工的精度和表面粗糙度。3.动态响应快动态响应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值，要求伺服系统跟踪指令信号的响应要快。这一方面要求过渡过程时间要短，一般在200ms以内，甚至小于几十毫秒；另一方面要求超调要小。这两方面的要求往往是矛盾的，实际应用中要采取一定措施，按工艺加工要求作出一定的选择。Copyright©byARTCOMPTAllrightsreserved.数控技术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（nmax和nmin一般是指额定负载时的转速，对于少数负载很轻的机械，也可以是实际负载时的转速。）。目前，先进水平是在进给速度范围已达到脉冲当量为lμm的情况下，进给速度从0～240m/min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进给速度下都能工作，而且可以分为以下几种状态:（1）在l～24000mm/min范围，要求速度均匀、稳定、无爬行，且速降要小。（2）在lmm/min以下时，具有一定的瞬时速度，而平均速度很低。（3）在零速时，即工作台停止运动时，要求电动机有电磁转矩，以维持定位精度，使定位精度满足系统的要求。也就是说，应处于伺服锁住状态。主轴伺服系统主要是速度控制，它要求1:100～1000范围内的恒转矩调速和1:10以上的恒功率调速，而且要保证足够大的输出功率。Copyright©byARTCOMPTAllrightsreserved.数控技术5．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，具体是：（1）电动机从最低进给速度到最高进给速度范围内都能平滑运转，转矩波动要小，尤其在最低转速时，如0.1r/min或更低转速时，仍有平稳的速度而无爬行现象。（2）电动机负载特性硬，应具有较长时间的较大过载能力，以满足低速大转矩的要求。（3）满足快速响应的要求，即随着控制信号的变化，电动机应能在较短时间内达到规定的速度。因此，伺服电动机必须具有较小的转动惯量和大的堵转转矩，机电时间常数和起动电压应尽可能的小。（4）电动机应能承受频繁的起动、制动和反转。Copyright©byARTCOMPTAllrightsreserved.数控技术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。6.1.2伺服系统的分类Copyright©byARTCOMPTAllrightsreserved.数控技术（2）闭环伺服系统数控机床进给系统的误差，是CNC输出的位置指令和机床工作台（或刀架）实际位置的差值。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。目前闭环系统的分辨率多数为lμm，定位精度可达±0.01～±0.05mm；高精度系统分辨率可达0.1μm。系统精度只取决于测量装置的制造精度和安装精度。Copyright©byARTCOMPTAllrightsreserved.数控技术（3）半闭环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，称为间接测量。亦即坐标运动的传动链有一部分在位置闭环以外，在环外的传动误差没有得到系统的补偿，因而伺服系统的精度低于闭环系统。Copyright©byARTCOMPTAllrightsreserved.数控技术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。此外，机床运行一段时间后，由于机械传动部件的磨损、变形及其它因素的改变，容易使系统稳定性改变，精度发生变化。目前使用半闭环系统较多。只在具备传动部件精密度高、性能稳定、使用过程温差变化不大的高精度数控机床上才使用全闭环伺服系统。Copyright©byARTCOMPTAllrightsreserved.数控技术2．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）。小惯量伺服电动机最大限度地减少了电枢的转动惯量，快速性较好。小惯量伺服电动机一般都设计成有高的额定转速和低的惯量，所以应用时，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在较大过载转矩下长时间工作以及电动机的转子惯量较大，能直接与丝杠相连而不需中间传动装置。此外，它还有一个特点是可以在低速下运转，如能在lr/min甚至在0.1r/min下平稳地运转。缺点是有电刷，限制了转速的提高，一般额定转速为1000～1500r/min。而且结构复杂，价格较贵。Copyright©byARTCOMPTAllrightsreserved.数控技术（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）。由于直流伺服电动机存在着一些固有的缺点（如上所述），使其应用环境受到限制。交流伺服电动机没有这些缺点，且转子惯量较直流电动机小，使得动态响应快。另外在同样体积下，交流电动机的输出功率可比直流电动机提高10%～70%。还有交流电动机的容量可以比直流电动机制造得大，达到更高的电压和转速。因此，交流伺服系统得到了迅速发展，已经形成潮流。从80年代后期开始大量使用交流伺服系统，到今天，有些国家的厂家，已全部使用交流伺服系统。Copyright©byARTCOMPTAllrightsreserved.数控技术3．按进给驱动和主轴驱动分类（1）进给伺服系统它包括速度控制环和位置控制环。进给伺服系统完成各坐标轴的进给运动，具有定位和轮廓跟踪功能，是数控机床中要求最高的伺服控制。（2）主轴伺服系统主要实现主轴的旋转运动，提供切削过程中的转矩和功率，而且需保证任意转速的调节，来完成在转速范围内的无级变速。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。此外，刀库的位置控制是为了在刀库的不同位置选择刀具，与进给坐标轴的位置控制相比，性能要低得多，故称为简易位置伺服系统。Copyright©byARTCOMPTAllrightsreserved.数控技术4．按反馈比较控制方式分类（1）脉冲、数字比较伺服系统该系统是闭环伺服系统中的一种控制方式。它是将数控装置发出的数字（或脉冲）指令信号与检测装置测得的以数字（或脉冲）形式表示的反馈信号直接进行比较，以产生位置误差，达到闭环控制。脉冲、数字比较伺服系统结构简单，容易实现，整机工作稳定，在一般数控伺服系统中应用十分普遍。（2）相位比较伺服系统在相位比较伺服系统中，位置检测装置采取相位工作方式，指令信号与反馈信号都变成某个载波的相位，然后通过两者相位的比较，获得实际位置与指令位置的偏差，实现闭环控制。相位伺服系统适用于感应式检测元件（如旋转变压器，感应同步器）的工作状态，可得到满意的精度。此外由于载波频率高，响应快，抗干扰性强，很适合于连续控制的伺服系统。。Copyright©byARTCOMPTAllrightsreserved.数控技术（3）幅值比较伺服系统幅值比较伺服系统是以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移的数值，并以此信号作为位置反馈信号，一般还要将此幅值信号转换成数字信号才与指令数字信号比较，从而获得位置偏差信号构成闭环控制系统。在以上三种伺服系统中，相位比较和幅值比较系统从结构上和安装维护上都比脉冲、数字比较系统复杂、要求高，所以一般情况下脉冲、数字比较伺服系统应用的最广泛，而相位比较系统要比幅值比较系统应用普遍。（4）全数字伺服系统随着微电子技术、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开始采用高速、高精度的全数字伺服系统。使伺服控制技术从模拟方式、混合方式走向全数字方式。由位置、速度和电流构成的三环反馈全部数字化，软件数字PID使用灵活，柔性好。数字伺服系统还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Copyright©byARTCOMPTAllrightsreserved.数控技术6.1.3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。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