第五章数控机床的伺服驱动系统

数控机床原理与系统西工大机电学院第五章数控机床的伺服驱动系统概述开环步进式伺服驱动系统闭环伺服控制原理与系统CNC伺服系统数控机床原理与系统西工大机电学院§5-1概述伺服驱动系统接收数控单元的位移/速度控制指令,驱动工作台/主轴按照控制指令的要求进行运动。伺服驱动系统直接影响移动速度、跟踪精度、定位精度等一系列重要指标，是数控机床的关键技术。数控机床原理与系统西工大机电学院机床的伺服驱动数控机床原理与系统西工大机电学院UmrichterSIMODRIVE611digitalmitCNCSINUMERIK840DE/R-ModulNCULeistungsteilBedientafelfrontmitPCU20/50/70Drehstrom-ServomotorenPeripherieSIMATICS7-300Drehstrom-Hauptspindelmotor数控机床原理与系统西工大机电学院一、数控机床伺服驱动系统的基本组成比较控制环节驱动控制单元执行元件反馈检测单元机床进给指令注:开环、闭环、CNC（比较由软件实现）数控机床原理与系统西工大机电学院二、伺服驱动系统的性能1.进给速度调速范围大：5mm/min，10m/min2.位移精度要高：全程积累误差≤±5μm，与脉冲当量有关，δ↓，Δ↓；3.跟随误差要小：闭环自控系统动态性能要好；4.伺服系统的工作稳定性要好：抗干扰能力强，速度均匀、平稳，粗糙度低，过载4～6倍，低速爬行工作可靠，抗干扰性强；数控机床原理与系统西工大机电学院三、数控机床伺服驱动系统的分类按用途和功能分按控制原理和有无检测分按执行元件和动作原理分按控制方式分数控机床原理与系统西工大机电学院1.按用途和功能分进给驱动：转距大小,调速范围,调节精度,动态响应速度等；主轴驱动：足够的功率,宽的恒功率调节范围，速度调节范围；数控机床原理与系统西工大机电学院2.按控制原理和有无检测分开环：无检测,经济型数控和老设备改造闭环：半闭环（检测丝杠转角）和全闭环（检测工作台直线位移）数控机床原理与系统西工大机电学院3.按执行元件和动作原理分电液伺服驱动：由电液伺服阀、低速大转矩液压马达或液压缸，位置检测等元件组成电气伺服驱动：步进电机、直流伺服电机（频繁起动，制动，快速定位等优点，但有电刷，需要维护），交流伺服电机（易于维护，制造简单）数控机床原理与系统西工大机电学院4.按控制方式分模拟伺服方式数字伺服方式数控机床原理与系统西工大机电学院§5-2开环步进式伺服驱动系统执行元件是步进电机开环，无检测装置结构简单、容易调整控制精度低，速度受到限制。驱动控制单元执行元件机床进给指令数控机床原理与系统西工大机电学院一、步进电机的种类、结构及工作原理数控机床原理与系统西工大机电学院1.步进电机的种类按产生力矩原理分：反应式、激磁式按输出力矩大小分：伺服式、功率式按定子数：单定子、双定子、三定子、多定子按各相绕阻分布：径向分相式、轴向分相式数控机床原理与系统西工大机电学院2.步进电机的结构数控机床原理与系统西工大机电学院3.步进电机的工作原理数控机床原理与系统西工大机电学院基本结论步进电机定子绕阻通电状态每改变一次，它的转子转过一个固定的角度，即电机的步距角；改变步进电机定子绕阻的通电顺序，其转子的旋转方向随之改变;步进电机定子绕阻通电状态变化的频率越高，转子的转速越高;步距角与定子绕阻相数m、转子齿数z、通电方式k有关。)/(360mzk数控机床原理与系统西工大机电学院4.步进电机的主要特征步距角α：0.5°～3°，决定控制精度，是决定步进式伺服系统脉冲当量的重要参数距角特性、最大静态转距Mjmax和启动转距Mq启动频率fq：空载时，步进电机由静止突然启动，并进入不丢步的正常运行所允许的最高频率连续运行的最高工作频率：保证不丢步运行的极限频率加减速特性：描述步进电机由静止到工作频率和由工作频率到静止的加减速过程中，定子绕阻通电状态的变化频率与时间的关系。数控机床原理与系统西工大机电学院二、步进式伺服驱动系统工作原理系统由“步进电机驱动线路”+“步进电机”组成，对工作台位移、速度和运动方向进行控制步进电机驱动线路步进电机机床进给指令数控机床原理与系统西工大机电学院1.工作台位移的控制进给脉冲个数N→定子绕阻通电状态改变次数N→角位移φ=αN→工作台位移L=φt/360°2.工作台进给速度的控制进给脉冲频率f→定子绕阻通断电状态变化频率f→步进电机转速ω→工作台进给速度v3.工作台运动方向的控制定子绕阻通电顺序改变→工作台运动方向改变数控机床原理与系统西工大机电学院三、步进电机的驱动（控制）线路功能：将一定频率f、数量N和方向的进给脉冲转换为控制步进电机定子各相绕阻通断电状态变化的频率、次数和顺序的功率信号功率放大器环形分配器加减速电路脉冲混合电路加减脉冲分配电路进给脉冲至步进电机绕阻数控机床原理与系统西工大机电学院1.脉冲混合电路将脉冲进给、手动进给、手动回原点、误差补偿等混合为正向或负向脉冲进给信号2.加减脉冲分配电路将同时存在正向或负向脉冲合成为单一方向的进给脉冲数控机床原理与系统西工大机电学院3.加减速电路将单一方向的进给脉冲调整为符合步进电机加减速特性的脉冲，频率的变化要平稳，加减速具有一定的时间常数。同步器可逆计数器振荡器数模转换fafb数控机床原理与系统西工大机电学院4.环形分配器将来自加减速电路的一系列进给脉冲转换成控制步进电机定子绕阻通、断电的电平信号，电平信号状态的改变次数及顺序与进给脉冲的个数及方向对应。5.功率放大器将环形分配器输出的mA级电流进行功率放大，一般由前置放大器和功率放大器组成。数控机床原理与系统西工大机电学院四、提高步进式伺服驱动系统精度的措施影响步进式伺服驱动系统精度的因素：•步进电机；•丝杠螺母传动幅；由于受工艺和结构的限制，常常从控制线路采取措施数控机床原理与系统西工大机电学院1.细分电路把步进电机的一步分得再细一些，减小脉冲当量2.齿隙补偿（反向间隙补偿）原因：机械传动链在改变方向时，由于间隙的存在，会引起步进电机的空走；补偿原理：对实际间隙进行实测并保存，当工作台换向时增加输出脉冲进行补偿。数控机床原理与系统西工大机电学院3.螺距误差补偿原因：丝杠螺距存在制造误差，会直接影响工作台的位置精度，需要进行补偿。补偿原理：实测丝杠全行程误差分布曲线，在相应位置时根据误差分布进行补偿。实现方法安置两个补偿杆按照螺距误差在补偿杆上设置档块工作台移动时行程开关与档块接触时进行补偿