第七章 数控机床的伺服系统

第七章数控机床的伺服系统第一节概述数控机床的伺服系统是CNC插补器的输出，信号作为输入用来控制机床部件的位置和速度的自动控制系统，也称随动系统，进给拖动系统。伺服系统的输入量来自数控装置发出的进给脉冲或进给位移量，伺服系统的输出就是能直接驱动伺服电机所需的电压或电流，从而经伺服电机传动系统，使机床的工作台等产生精确的位移。伺服系统是数控系统的重要组成部分，伺服系统的性能在很大的程度上决定了数控机床的性能。例如，数控机床的最高移动速度，跟踪速度，定位速度等指标均与伺服系统的动态和静态性能有关。因此，伺服系统一直是现代数控机床的关键技术之一。数控机床伺服系统的一般结构如图7-1所示。这是一个双闭环系统，内环是速度环，外环是位置环。速度环中用作速度反馈的检测装置，目前大多数通过位置量的微分得到速度。速度控制单元由速度调节器，电流调节器及功率驱动放大器等组成。位置环是由CNC装置中的位置控制模块、速度单元、位置检测及反馈控制等组成。位置控制主要是对机床运动坐标轴进行控制使之满足一定的位置精度，速度控制在满足位置控制的前提下，按系统的参数与控制速度使之以最快响应且无超调满足进给要求。图7-1伺服系统的一般结构图第二节伺服系统的基本性能指标的要求及分类一、对性能指标的要求（1）控制精度高伺服系统的控制精度是指反映出输出量的精度程度，当然最终还要看机床的精度，对定位精度和轮廓加工精度要求都比较高，对一般切削加工的数控机床定位精度一般为0.1～0.001mm，对于高精度高速切削及高档磨床其精度要求达到0.1μm，控制精度不得低于机床的总体精度。一般总体机床精度为0.01mm对控制精度不得低于0.005mm较为合适。（2）稳定性好稳定性是指系统受外界干扰要小，在外界干扰作用下，能在短暂的时间内恢复到原来的平衡状态。伺服系统有较强的抗干扰能力，确保进给速度的正常工作。（3）快速响应快速响应是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统在确保精度的前提下的跟踪速度，稳定性是指系统受外界干扰要小，当稳定输入发生跳变时，系统能在较短的时间内从一个状态过度到新的状态，要求伺服系统跟踪指令信号的响应更快。（4）调速范围宽调速范围RN是指生产机械要求电机能提供的最高转速nmax和最低转速nmin之比，通常RN=nmax/nmin，式中，nmax和nmin一般都是指额定转矩下的转速。在中、高档数控机床中就要求伺服系统具有足够宽的调速范围。目前，最先进的水平是，在进给速度范围已可达到脉冲当量为1μm的情况之下，进给速度以0～240m/min连续可调。但对于一般中档数控机床而言，要求伺服系统在0～24m/min进给速度下都能工作就足够了。一般来说，对于要求速度范围为1:20000的位置控制系统，在总的开环位置增益为20（1/s）时，只要保证速度单元具有1:1000的调速范围就完全可以满足要求。当然，现代数控机床中最先进水平的速度控制单元的技术已达到1:100000的调速范围。对于主轴伺服系统主要是速度及准停控制，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，而且保证足够大的输出功率。（5）低速大转矩一般切削加工时，大切削量均采用低速进给，所以要求伺服系统在低速时要有大的转矩输出。进给伺服控制属于恒转矩控制，而主轴伺服控制在低速时为恒转矩控制，在高速时为恒功率控制，在低速下要减小或消除难以解决的爬行现象及低速振动噪音。对于主轴用的伺服系统有时可以用一个的进给伺服系统来替代主轴伺服系统，一般为速度控制系统，除上面的一般要求之外，还具有下面的控制功能：1)准停控制为了自动换刀，要求主轴能进行高精度的准确位置停止。2)角度分析控制分度有两种：一是固定的等分角位置控制。二是连续的任意角度控制。（作特殊加工时，主轴坐标有了进给坐标的功能，称为“C”轴控制。）为了满足对伺服系统的要求，对伺服系统的执行元件——伺服电机也相应提出高精度、快反映、宽调速和大转矩的要求，一般具备小惯量大转矩的具体特征。1)1)最低进给速度到最高进给速度范围都能稳定运行平滑过度。2)2)进给电机应具有大的较长时间的过载能力，一般能过载4-5倍左右，持续时间达10。分钟以上，转动惯量要小3)3)满足快速响应的要求，一般进给伺服电机做成细长，高档进给具备400rad/s2以上的加速度，保证电机在0.2s以内从静止起动到1500rad/min。4)电机应能承受频繁的起动制动和反转，20次/min以上。二、伺服系统的分类1.按调节理论分类1)1)开环伺服系统开环伺服系统即无位置反馈的系统，其驱动元件主要是功率步进电机或电液脉冲马达，这两种驱动元件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。2)2)闭环伺服系统闭环系统实际上是误差控制的随动系统，数控机床进给系统的误差是CNC输出的位置当指令和机床工作台移动实际位置的差值。闭环系统具备位置检测装置，该装置测出实际直线位移成实际角位移，并将测量值反馈给伺服控制系统给定量进行比较，求得误差。作为下一环节的输入并进行控制，构成闭环位置控制。由于闭环伺服系统是反馈控制，反馈测量装置精度高，所以系统传动链的误差可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为1μm定位精度可达±0.01～±0.05mm，高精度系统分辨率可达0.1μm。3)半闭环系统位置检测元件装在进给电机轴上，从电机轴到实际位移一般为机械传动不用检测，这个机械传动链的误差一般可看以固定不变的可以用加工程序来补偿（如间隙等），一般地半闭环系统的精度低于闭环系统。对于伺服系统的电控部分来说半闭环和闭环系统的控制原理上是一样的，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，而半闭环往复还不能全部消除传动链造成的误差，但由于半闭环比闭环调整容易，因此目前使用半闭环系统较多，只在具备性能稳定，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。2.按使用的驱动元件分类1）电液系统电液系统的执行元件为液压元件，其前一级为电气元件，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马达。电液脉冲马达驱动力矩大，但制造成体高、寿命不太长，所以只是在具有特殊要求时，才采用电液伺服系统。2）电气伺服系统电气伺服系统全部采用电子器件和电机部件，随着电子工业的发展，制）造成本越来越低，可靠性越来越高。电气伺服系统中的驱动元件主要有步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机。3、按执行电机类型分类1)1）直流伺服系统直流伺服系统常用的伺服电机有小惯量直流伺服电机和永磁直流伺服电机。永磁直流伺服电机能在较大过载转矩下长时间工作以及电机的转子惯量较大，能直接与丝杠相连而不需中间传动位置。此外，它还有一个特点是可在低速下运转，如能在1r/min甚至在0.1/min下平稳地运转。因此，这种直流伺服系统在数控机床上获得了广泛的运用。永磁直流伺服电机的缺点是有电刷，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。2）交流伺服系统交流伺服系统使用交流异步伺服电机和永磁同步伺服电机，交流伺服电机没有电刷换向器，维护保养简单且转子惯量较有直流电机小，使得动态响应好，另外在同样体积下，交流电机的输出功率可比直流电机提高50%左右，交流电机的容量可以比直流电机造得大，达到更高的电压和转速。4.驱动轴分类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，快速响应好，精度高，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）主轴伺服系统一般的主轴控制只是一个速度控制系统，主要实现主轴的旋转运动，提供切削过程中任意转速的转矩和功率，对于具有准停控制的主轴与进给伺服系统一样，有时就用进给伺服系统来替代主轴伺服系统。5.按反馈量的方式分类1)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、整机控制稳定，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，给定量与反馈量都变成某个载波的相位通过检相器作两者相位比较，获得实际位置与给定位置的偏差，实现闭环控制。相位伺服系统对于感应式检测元件如旋转变压器，感应同步器较适用。1)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位移量。系统工作时要将此幅值信号转换成数字信号，然后给定数字信号进行比较，从而获得位置偏差信号构成闭环系统。在现代数控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、数字比较系统复杂和要求高，在一般情况下脉冲、数字比较伺服系统应用广泛，而相位比较系统又比幅值比较系统应用的多。第三节用步进电机工作开环伺服系统一、步进电机简介步进电机是较早实用的典型的机电一体化元件组件。步进电动机本体、步进电动机驱动器和控制器构成步进电动机系统不可分割的三大部分。1.步进电动机具有自身的特点，归纳起来有：1）可以用数字信号直接进行开环控制，整个系统造价低。2）位移与输入脉冲信号树相对应，步距误差不长期积累，可以组成结构较为简单而又具有一定精度的开环控制系统，也可以在要求高精度时组成闭环控制系统。3）无刷，电动机本体部件少，可靠性高。4）易于起动，停止，正反转及变转。5）停止时，可以通电自锁。6）速度可在相当宽的范围内平滑调节，同时用一台控制器控制几步电动机，可使它们完全同步运行。7）步进电动机带惯性负载能力差。8）由于存在失步和低频共振，因此步进电动机的加减方法根据利应用状态的不同而复杂化。2.步进电动机的常用术语1）步距角指每给一个电脉冲信号电动机转子所应转过的角度的理论值。步距角θb=公式360°/（m·zr·K），式中zr——转子齿数，m1——运行拍数，通常等于相数或相数的整数倍，即m1=km，m－电动机相数，K通电方式。2）齿距角相邻两齿中心线间的夹角，通常定子和转子具有相同的齿距角。3）零位或初始稳定平衡位置指不变绕组通电状态，转子在理想空载状态下的平衡位置。4）失调角失调角是指转子偏离理论平衡点的角度。5）矩角特性矩角特性是指不改变各相绕组的通电状态，即一相或几相绕组同时通以直流电流时，电磁矩与失调角的关系，即T=f(θ)。6）最大静转矩矩角特性上转矩最大值Tk称为最大静转矩7）最大静转矩特性绕组电流改变时，最大静转矩与相应电流的关系Tk=f(I)为最大转矩特性。8）误差步进电动机的误差有两种：一是最大步矩误差，是指电动机旋转一周内相邻两步之间最大步矩和理想步矩角的差值，用理想布局的百分数表示；二是最大累计误差，是指任意位置开始经过任意步之间，角位移误差的最大值。9）响应频率在步进电动机可以任意运动而不丢步，最大频率称为响应频率，通常用起动频率fs来作为衡量的指标。它是指在一定的负载下直接起动而不失步的极限频率，称为极限起动频率或突跳频率。10）运行频率指在额定负载下使频率连续上升时，步进电动机能不失步运行的极限频率。11）起动矩频特性负载惯量一定时，起动频率与负载转矩之间的关系称为起动矩频特性，也称牵入特性。12）运行矩频特性在负载惯量一定时运行频率与负载转矩之间的关系称为矩频特性，又称牵出特性。13）惯频特性在负载力矩一定时，频率和负载惯量之间的关系，称为惯频特性。惯频特性分为起动惯频特性和运行惯频特性。14）单步响应单步响应是指步进电动机在带电不动的情况下，改变一次脉冲电压，转子由起动到停止的运动轨迹。二、步进电动机驱动器步进电动机驱动系统的性能除与电动机自身的性能有关外，还与驱动器有很大关系。因此，对步进电动机驱动器的设计研究是CNC系统开发中的重要工作。步进电动机驱动器的框图如图7-2所示，一般由环形分配器（简称环分），信号处理级，推动级，驱动级等各部分组成，用于功率步进电动机的驱动器还有多种保护路线。环形分配器是