第五章数控机床的伺服系统

第五章数控机床的伺服系统数控技术第五章数控机床的伺服系统第2页共83页退出目录页返回5.1概述5.2伺服系统的驱动5.3位置检测装置5.4位置控制系统目录5.1伺服系统概述5.2伺服系统的驱动5.3位置检测装置5.4位置控制系统数控技术第五章数控机床的伺服系统第3页共83页退出目录页返回5.1概述5.2伺服系统的驱动5.3位置检测装置5.4位置控制系统•5.1伺服系统概述数控机床CNC装置发出的一系列信号必须通过一个执行系统来实现刀具相对于工件的移动，这个系统就是数控机床的伺服系统，它是一个以机床移动部件的位置和速度为控制量的自动控制系统。数控伺服系统是数控系统的重要组成部分。伺服系统的执行部件就是交流伺服电动机或直流伺服电动机或步进电动机。伺服系统的静、动态特性，决定了数控机床的精度、稳定性、可靠性和加工效率。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。数控技术第五章数控机床的伺服系统第4页共83页退出目录页返回5.1概述5.2伺服系统的驱动5.3位置检测装置5.4位置控制系统伺服系统的执行元件：伺服电机、步进电机数控技术第五章数控机床的伺服系统第5页共83页退出目录页返回5.1概述5.2伺服系统的驱动5.3位置检测装置5.4位置控制系统一、伺服系统的组成定义：以机床移动部件的位置和速度作为控制对象的自动控制系统,叫数控机床伺服系统。又称为位置随动系统、拖动（驱动）系统、伺服机构。作用：它接受来自数控（CNC）装置的进给指令信号，经变换、调节和放大后驱动执行件，转化为直线或旋转运动。重要性:如果说CNC装置是数控机床的“大脑”，那么伺服系统则是数控机床的“四肢”,在很大程度上决定了数控机床的性能,如:最高移动速度、跟踪精度、定位精度等。它能忠实地执行由CNC装置发来的运动命令，精确控制执行部件的运动方向，进给速度与位移量。数控技术第五章数控机床的伺服系统第6页共83页退出目录页返回5.1概述5.2伺服系统的驱动5.3位置检测装置5.4位置控制系统伺服系统的组成如上图所示,数控伺服驱动系统按有无反馈检测元件分为开环和闭环（含半闭环）两种类型。这两种类型的伺服系统的基本组成不完全相同，但不管是哪种类型，执行元件及其驱动控制单元（含位置控制单元和速度控制单元）都必不可少。驱动控制单元的作用是将进给指令转化为执行元件所需要的信号形式，执行元件则将该信号转化为相应的机械位移。数控技术第五章数控机床的伺服系统第7页共83页退出目录页返回5.1概述5.2伺服系统的驱动5.3位置检测装置5.4位置控制系统二、对伺服系统的要求1．精度高是指输出量能复现输入量的精确程度。包括定位精度和轮廓加工精度。2．稳定性好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。直接影响数控加工的精度和表面粗糙度。3.快速响应要求伺服系统跟踪指令信号的响应要快，200ms。4．调速范围宽是指电机能提供的最高转速和最低转速之比。在分辨率为1微米时，调速范围为0～24m/min。5．低速大转矩进给伺服控制属于恒转矩控制，在整个速度范围内都要保持恒转矩；主轴伺服控制在低速时恒转矩控制，能提供较大转矩，高速时为恒功率控制，具有足够大的输出功率。对伺服系统总的要求是：具有稳定的切削力和进给速度，准确的定位和复杂轮廓加工控制功能。对伺服系统的具体要求是：数控技术第五章数控机床的伺服系统第8页共83页退出目录页返回5.1概述5.2伺服系统的驱动5.3位置检测装置5.4位置控制系统三、伺服系统的分类1.按控制方式和有无检测反馈环节分类1）开环伺服系统：2）闭环伺服系统：3）半闭环伺服系统：驱动电路步进电机工作台脉冲指令伺服电机速度检测速度控制位置控制位置检测伺服电机速度控制位置控制工作台脉冲编码器指令数控技术第五章数控机床的伺服系统第9页共83页退出目录页返回5.1概述5.2伺服系统的驱动5.3位置检测装置5.4位置控制系统开环伺服系统:没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置→进给系统），故系统稳定性好，但精度差。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开环伺服系统的执行元件：步进电机（适于轻载、负荷变动不大）.齿轮机构步进电机数控技术第五章数控机床的伺服系统第10页共83页退出目录页返回5.1概述5.2伺服系统的驱动5.3位置检测装置5.4位置控制系统半闭环伺服系统: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半闭环数控系统的位置采样点如图所示，是从驱动装置(伺服电机)或丝杠引出，对采样旋转角度进行检测，不是直接检测运动部件的实际位置。数控技术第五章数控机床的伺服系统第11页共83页退出目录页返回5.1概述5.2伺服系统的驱动5.3位置检测装置5.4位置控制系统全闭环伺服系统: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全闭环数控伺服系统的位置采样点在工作台(或刀架)上,如图的虚线所示，直接对运动部件的实际位置进行检测。数控技术第五章数控机床的伺服系统第12页共83页退出目录页返回5.1概述5.2伺服系统的驱动5.3位置检测装置5.4位置控制系统相对于开环伺服系统而言，闭环伺服系统具有工作可靠、抗干扰性强，以及伺服精度高等优点，因此现代数控机床中常常采用闭环（半闭环）伺服系统。但由于闭环伺服系统增加了位置检测、反馈、比较等环节，因而，它的结构比较复杂，调试、使用与维护也相对更困难些。数控技术第五章数控机床的伺服系统第13页共83页退出目录页返回5.1概述5.2伺服系统的驱动5.3位置检测装置5.4位置控制系统•对闭环和半闭环伺服系统,按反馈控制又可分:•（1）数字脉冲比较伺服系统（广泛用）•（2）相位比较伺服系统（少用）•（3）幅值比较伺服系统（少用）•（4）全数字伺服系统（新用）数控技术第五章数控机床的伺服系统第14页共83页退出目录页返回5.1概述5.2伺服系统的驱动5.3位置检测装置5.4位置控制系统2.按伺服系统的用途和功能分类（1）进给伺服系统：指一般概念的位置伺服系统，包括速度控制、位置控制，是数控机床中要求最高的伺服控制。（2）主轴伺服系统：1）只有速度控制：主要实现主轴的旋转运动，提供切削过程中的转矩和功率，可以无级调速；2）有速度控制和C轴控制功能（主轴有准确定位功能）。数控技术第五章数控机床的伺服系统第15页共83页退出目录页返回5.1概述5.2伺服系统的驱动5.3位置检测装置5.4位置控制系统附：主轴伺服系统（数控主轴）应具备的功能:（1）有一定转矩和功率的无级调速功能。（2）与进给系统有同步控制功能（车螺纹时用）。（3）恒线速度控制功能。（4）具备（可选择的）主轴准停控制功能。（5）具备（可选择的）主轴分度控制功能。（6）具备（可选择的）C轴功能(即除以上功能外,还有位置控制功能，可停在指定的位置)。数控技术第五章数控机床的伺服系统第16页共83页退出目录页返回5.1概述5.2伺服系统的驱动5.3位置检测装置5.4位置控制系统3.按驱动电机的类别分类①直流伺服系统：进给运动系统采用中小惯量直流伺服电机和大惯量宽调速永磁直流伺服电机；主轴运动系统采用他激直流伺服电机。优点：调速性能好。缺点：有电刷，容量小、速度不高。②交流伺服系统：主轴运动系统采用交流感应异步伺服电机；进给运动系统采用永磁同步伺服电机。优点：结构简单、不需维护、适合于在恶劣环境下工作。动态响应好、转速高、容量大。应用广泛。数控技术第五章数控机床的伺服系统第17页共83页退出目录页返回5.1概述5.2伺服系统的驱动5.3位置检测装置5.4位置控制系统5.2伺服系统的驱动伺服电动机是指能无级调速,能精密控制其位置的一类电动机。主要功能有转换和传递信号，控制速度和轨迹。数控机床中常用的伺服电机：直流伺服电机（调速性能良好）;交流伺服电机（性能好，主要使用的电机）;步进电机（适于轻载、负荷变动不大）;直线电机（高速、高精度）。数控技术第五章数控机床的伺服系统第18页共83页退出目录页返回5.1概述5.2伺服系统的驱动5.3位置检测装置5.4位置控制系统步进电动机又称脉冲电动机，是一种将电脉冲信号变换成相应的角位移或直线位移的机电执行元件。工作时，每输入一个电脉冲，电动机就转动一个固定的角度，称为“一步”，脉冲一个一个地输入，电动机便一步一步地转动，故称为步进电动机。又因为它输入既不是正弦交流电，也不是恒定直流电，而是电脉冲，所以又称它为脉冲电动机。一、步进电机：用于开环系统中。数控技术第五章数控机床的伺服系统第19页共83页退出目录页返回5.1概述5.2伺服系统的驱动5.3位置检测装置5.4位置控制系统•1.分类（见教材P177表5.1）•1)按运动方式来分。分为旋转运动、直线运动、平面运动和滚切运动式步进电动机。•2)按工作原理来分。分为反应式（磁阻式）、电磁式、永磁式、永磁感应式（混合式）步进电动机。•3)按其工作方式来分。分为功率式和伺服式。前者输出转矩较大，能直接带动较大的负载；后者输出转矩较小，只能带动较小的负载，对于大负载需通过液压放大元件来传动。•4)按结构来分。分为单段式（径向式）、多段式（轴向式）、印刷绕组式。•5)按相数来分。分为三相、四相、五相、六相等。•6)按使用频率来分。分为高频步进电动机和低频步进电动机。数控技术第五章数控机床的伺服系统第20页共83页退出目录页返回5.1概述5.2伺服系统的驱动5.3位置检测装置5.4位置控制系统2.结构：目前以反应式步进电动机用得较多。步进电动机和一般旋转电动机一样，输入电脉冲对多相定子绕组轮流进行励磁；转子用硅钢片叠成或用软磁性材料做成凸极结构，转子本身没有励磁绕组的称为“反应式”步进电动机。反应式三相步进电机结构图A、B、C三相，齿距错开1/3数控技术第五章数控机床的伺服系统第21页共83页退出目录页返回5.1概述5.2伺服系统的驱动5.3位置检测装置5.4位置控制系统3.工作原理：如图所示,转子上均布40个齿（每个齿间角为90,40*90=3600），定子有六个均布的磁极，每极上有5个齿，并与转子上的齿错开1/3齿，90/3,即30。当定子AA相绕组通电时，便产生磁场，在AA相的磁力作用下，转子上靠近AA相的一对齿被定子AA上的一对齿吸引过来，当对齐时（转过3°步距角），磁阻最小，转矩为零，停止转动。此时，AA相断电，BB相通电，由于磁力的作用，转子上与BB最近的齿与定子BB上的齿对齐，转子沿逆时针方向又转过3°,如果按A-B-C-A…的顺序轮流通电断电，步进电机的转子(按一个循环3相*30=90)便一步一步地转动，故称为步进电机。是按电磁铁吸引原理进行工作的。数控技术第五章数控机床的伺服系统第22页共83页退出目录页返回5.1概述5.2伺服系统的驱动5.3位置检测装置5.4位置控制系统步进电机的通电方式:从一相通电改换成另一相通电，即通电方式改变一次叫做“一拍”。步进电动机有单相轮流通电、双相轮流通电和单双相轮流通电的方式。“单”是指每次切换前后只有一相绕组通电；“双”就是指每次有两相绕组通电，上述步进电机的控制方式叫做单三拍方式(单:是指每次只有一相供电，三拍:是指通电方式一个循环改变三次)。为了研究方便起见，在以后的分析过程中，我们假设转子只有四个齿（齿间角为900），每个定子磁极上只有一个齿（齿间角3600/相数），并与转子上的齿错开1/3齿，即300（步距角为300）。如下图所示。数控技术第五章数控机床的伺服系统第23页共83页退出目录页返回5.1概述5.2伺服系统的驱动5.3位置检测装置5.4位置控制系统三相单三拍步进电机的工作原理（1）三相单三拍通电方式其通电顺序为A—B—C—A。“三相”即定子有三个绕组，