第三章 数控机床伺服系统

1第三章数控机床伺服系统《数控技术》讲义———模块22本章知识要点及要求(4学时)知识要点要求伺服系统的组成及分类掌握伺服系统的组成分类及机床对其的要求.步进电机伺服系统掌握步进电机的结构、工作原理及特点伺服电动机理解直流伺服电机的工作原理及性能了解直流伺服电机的工作原理测量装置了解常用测量装置的类型《数控技术》讲义———模块233.1概述伺服系统是以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统，也是数控系统的执行部分。“伺服”（servo），是指有关的传动或运动参数严格按照数控装置的控制指令来实现，这些参数包括运动的速度、运动的方向和运动的起止点。伺服系统位于数控装置与机床主体之间，是二者的联接环节，其功能是接受来自数控装置或插补软件生成的脉冲指令，经过一定的信号变换及电压、功率放大、检测反馈，然后进行D/A转换，驱动执行电机实现工作台相对刀具运动的控制系统。伺服系统既是数控机床控制器与刀具、主轴间的信息传递环节，又是能量放大与传递的环节，它的性能在很大程度上决定了数控机床的性能。《数控技术》讲义———3.13-1加工录象4《数控技术》讲义———3.1机床I/O电路和装置测量装置主轴驱动装置进给驱动装置主轴伺服单元进给伺服单元计算机数控装置操作面板PLC计算机数控系统机床辅助控制机构进给传动机构主运动机构键盘输入输出设备5《数控技术》讲义———3.1一、数控机床对伺服系统要求数控机床的性能很大程度取决与伺服系统的性能，对伺服系统的性能有如下要求：1、精度高关键是保证机床的定位精度和位移精度。目前，定位精度一般要求达到1µm，位移精度可达到在全程范围内±5µm，高精度的数控机床脉冲可达0.001mm/脉冲。2、稳定性好稳定性指当作用在系统上的扰动信号消失后，系统能恢复到原来的稳定状态下运行的能力。3、速度响应要快它反映了系统的跟踪精度，即要求跟踪指令信号的响应要快，一方面，在伺服系统处与频繁启动、制动、加减速等动态过程中，要求缩短过度过程，一般在200ms内，另一方面，当负载突变时，过渡过程恢复时间要短。4、调速范围要宽指机械装置要求电动机提供的最高转速和最低转速之比。对于一般数控机床而言，进给速度范围在0-24m/min时，可满足加工要求。5、低速大转矩数控机床要求进给伺服系统在低速时要有大的转矩输出，即低速大转矩，以满足重切削加工要求。6《数控技术》讲义———3.1二、伺服系统的功能与组成1、功能1)指令转变成机床工作部件的运动;2)功率放大。2、组成及控制信号的流向伺服电动机伺服控制电路功率放大电路7《数控技术》讲义———3.1二、伺服系统的分类有多种的分类方法，从位置控制的角度分类包括三种：1、开环伺服系统结构简单，不需要位置检测与反馈，执行组件多采用步进电机，系统位移正比于指令脉冲的个数，位移速度取决于指令脉冲的频率。易于控制，但精度低，低速平稳性差，高速扭矩小，一般用于轻载、负载变化不大或经济型数控机床上。8《数控技术》讲义———4.1二、伺服系统的分类2、闭环伺服系统是误差控制随动系统，通常由位置环和速度环组成，系统内各组件的误差以及运动中造成的误差都可以得到补偿，提高了位移精度和定位精度，系统精度只取决于测量装置的制造精度和安装精度。9《数控技术》讲义———3.1二、伺服系统的分类3、半闭环伺服系统位置检测反馈组件没有直接安装在进给坐标的最终运动部件上,将部分机械构件封闭在反馈控制环之外,其性能介于开环和闭环之间10《数控技术》讲义———3.23.2步进电动机伺服系统步进电动机是有一种将电脉信号转换为相应角位移或直线位移的转换装置，是开环伺服系统的最后执行元件。输入的进给脉冲是不连续变化的数字量而输出的角唯一或直线位移是连续变化的模拟量,因此步进电机也称为D/A转换装置。主要用于经济型数控机床。11一、步进电机的工作原理步进电机的工作原理是基于电磁力的吸引和排斥产生转矩的现象。由定子、转子和绕组组成。定子上有六个磁极，每个磁极上有绕组，转子无绕组，由带齿的铁心做成。“相”是磁极的对数，“单”是每次切换后只有一相绕组通电，“一拍”指从一种通电状态到另一种通电状态。《数控技术》讲义———3.2三相步进电机工作原理12二、步进电机的主要特性步进电机的主要性能指标有静态矩角特性、步矩角和静态步矩误差和动特性。1、静态矩角特性当步进电动机不改变通电状态时，转子处在不动状态。如果在电动机轴上外加一个负载转矩，使转子按一定方向转过一个角度θ，此时转子所受的电磁转矩T称为静态转矩，θ称为失调角。《数控技术》讲义———3.213《数控技术》讲义———3.2二、步进电机的主要特性2、步矩角和静态步矩误差步矩角α是反映步进电动机定子绕组的通电状态每改变一次，转子转过的角度。它取决于电动机的结构和控制方式。α=360˚/（mzk）m—定子相数；z—转子齿数；k—系数（单三拍、双三拍时，k=1；单、双六拍时，k=2）m、z越大，步矩角就越小，控制越精确。步进电动机每走一步的步矩角α应是圆周360˚的等分值，但是，实际的步矩角与理论值有误差，在一转内各步矩误差的最大值，被定为步矩误差，通常在10’内。3、动特性动特性是描述电动机连续稳定运行时输出转矩与连续运行频率之间的关系。143.3伺服电动机伺服电动机在自动控制系统中作为执行元件，其任务是将接收的电信号转换为输出轴的角位移或直线位移，以驱动控制对象。伺服电动机分为直流伺服电机和交流伺服电机。《数控技术》讲义———3.315《数控技术》讲义———3.3一、直流伺服电机直流伺服电机具有优良的调速性能。由磁极（定子）、电枢（转子）、电刷及换向器组成。直流伺服电动机按定子磁场产生的方式可分为永磁式和他励式，两者性能相近。永磁式的磁极采用永磁材料制成，充磁后可产生恒定磁场，应用广泛。他励式的磁极由冲压硅钢片叠加而成，外加线圈，靠外加励磁电流产生磁场。缺点：电刷和换向器易磨损，换向时产生火花，使其最高转速限制，而且结构复杂，制造困难，成本高，逐渐开始被交流伺服电机取代。16《数控技术》讲义———3.3电机支承丝杠螺母伺服进给系统17《数控技术》讲义———3.4《数控技术》讲义———3.43.4检测装置检测装置是把位移和速度测量信号作为反馈信号，并将反馈信号转换成数字信号送回计算机与脉冲指令信号进行比较，以控制驱动元件正确运转。检测装置的精度直接影响数控机床的定位精度和加工精度。一、检测装置作用二、对检测装置的要求高的可靠性和抗干扰能力，满足机床加工精度和加工速度的要求，使用维护方便，成本低。一般要求测量系统的分辨率要高于加工精度一个数量级18《数控技术》讲义———3.4《数控技术》讲义———3.4三、检测装置的分类直接测量装置19《数控技术》讲义———3.4《数控技术》讲义———3.4三、检测装置的分类间接测量装置20《数控技术》讲义———3.4《数控技术》讲义———3.4三、检测装置的分类21《数控技术》讲义———3.4《数控技术》讲义———3.4三、检测装置的分类直线型直线位移检测装置位置检测装置旋转型检测装置角度位移检测装置速度检测装置感应同步器直线型检测装置光栅磁栅旋转变压器旋转型检测装置脉冲编码器测速发电机以感应同步器为例介绍工作原理