数控机床进给伺服系统

第四章数控机床进给伺服系统数控机床进给伺服系统的组成和分类数控机床伺服系统驱动装置典型进给伺服系统学习导论：进给伺服系统是联系CNC系统和机床进给运动执行机构的桥梁，加工工件轮廓形状精度很大程度上取决于进给伺服系统的工作精度。通过本章学习，了解完善进给伺服系统的配置由位置环、速度环、电流环以及驱动装置组成；伺服系统常见的类型及特点，掌握伺服系统常用驱动装置如步进电动机、直流伺服电动机、交流伺服电动机的结构及工作原理；典型伺服系统如开环伺服系统、半闭环伺服系统、闭环伺服系统的基本配置、控制原理及控制特点。数控机床进给伺服系统的组成和分类一、数控机床对进给伺服系统的要求（1）可逆运行可逆运行要求能灵活地正反向运行。在加工过程中，机床工作台处于随动状态，根据加工轨迹的要求，随时实现正向或反向运动。同时要求在方向变化时，不应有反向间隙和运动损失。从能量角度看，应该实现能量的可逆转换，即在加工运行时，电动机从电网吸收能量改变为机械能；在制动时应把电动机的机械惯性能量变为电能回馈给电网，以实现快速制动。一、数控机床对进给伺服系统的要求（2）高精度数控机床是按预定的程序自动进行加工的，不同于普通机床用手动操作来调整和补偿各种因素对加工精度的影响，故要求数控机床的实际位移与指令位移之差要小。现代数控机床的位移精度一般为0.01~0.001㎜，甚至可高达0.1μm，以保证加工质量的一致性，保证复杂曲线、曲面零件的加工精度。一、数控机床对进给伺服系统的要求（3）调速范围宽调速范围是指最高进给速度和最低进给速度之比。由于加工所用刀具、被加工零件材质以及零件加工要求的变化范围很广，为了保证在所有加工情况下都能得到最佳的切削条件和加工质量，要求进给速度能在很大的范围内变化，即有很大的调速范围。目前最先进水平是在脉冲当量或最小设定单位为1μm的情况下，进给速度能在0～240m／min的范围内连续可调。一般数控机床的进给速度能在0～24m／min的范围之内连续可调并能满足加工要求。在这一调速范围内，要求速度均匀、稳定，低速时无爬行。还要求在零速时伺服电动机处于电磁锁住状态，以保证定位精度不变。一、数控机床对进给伺服系统的要求（4）快速响应并无超调为了保证轮廓切削形状精度和低的加工表面粗糙度，对进给伺服系统除了要求有较高的定位精度外，还要求有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应要快。这就对伺服系统的动态性能提出了两方面的要求：一方面在伺服系统处于频繁地起动、制动、加速、减速等动态过程中，为了提高生产率和保证加工质量，则要求加、减速度足够大，以缩短过渡过程时间。一、数控机床对进给伺服系统的要求（5）低速大转矩机床加工，大多是低速时进行切削，即在低速时进给驱动要有大的转矩输出。二、进给伺服系统的组成如图所示为数控机床进给伺服系统的组成。从图中可以看出，它是一个双闭环系统，内环是速度环，外环是位置环。位置环的输入信号是计算机给出的指令信号和位置检测装置反馈的位置信号，这个反馈是一个负反馈，即与指令信号的相位相反。指令信号是向位置环送去加数，而反馈信号向位置环送去减数。位置检测装置通常有光电编码器、旋转变压器、光栅尺、感应同步器或磁栅尺等。它们或者直接对位移进行检测，或者间接对位移进行检测。数控机床进给伺服系统组成示意图例三、数控机床进给伺服系统的分类（1）开环伺服系统开环伺服系统是最简单的进给伺服系统，无位置反馈环节。如图所示，这种系统的伺服驱动装置主要是步进电动机、功率步进电动机、电液脉冲电动机等。由数控系统发出的指令脉冲，经驱动电路控制和功率放大后，使步进电动机转动，通过齿轮副与滚珠丝杠螺母副驱动执行部件。开环伺服系统示意图例三、数控机床进给伺服系统的分类（2）闭环伺服系统闭环伺服系统原理图如图所示。系统所用的伺服驱动装置主要是直流或交流伺服电动机以及电液伺服阀—液压马达。与开环进给系统最主要的区别是：安装在执行部件上的位置检测装置，测量执行部件的实际位移量并转换成电脉冲，反馈到输入端并与输人位置指令信号进行比较，求得误差，依此构成闭环位置控制。由于采用了位置检测反馈装置，所以闭环伺服系统的位移精度主要取决于检测装置的精度。闭环伺服系统的定位精度一般可达±0.01mm～±0.005mm。闭环伺服系统示意图例三、数控机床进给伺服系统的分类（3）半闭环伺服系统半闭环伺服系统如图所示。将检测元件安装在中间传动件上，间接测量执行部件位置的系统称为半闭环系统。闭坏系统可以消除机械传动机构的全部误差，而半闭环系统只能补偿系统环路内部分元件的误差，因此，半闭环系统的精度比闭环系统的精度要低一些，但是它的结构与凋试都比较简单。半闭环伺服系统示意图例三、数控机床进给伺服系统的分类（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经开始采用高速度、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，应用数字PID算法，用PID程序来代替PID调节器的硬件，使用灵活，柔性好。数字伺服系统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。位置、速度和电流构成的三环结构如图所示。位置、速度、电流三环结构示意图例数控机床伺服系统驱动装置一、电动机的类型及特点（1）电动机分为两大类一类主要是用于将电能转换成机械能，实现动力驱动的电动机。根据所使用电源种类的不同，分为直流电动机和交流电动机。交流电动机又分为异步电动机和同步电动机。而直流电动机根据励磁方式的不同分为他励、并励、串励和复励四种。另一类电动机，其主要任务是转换和传递控制信号，当然也伴随着能量的转换，我们把这种类型的电动机称为控制电动机。电动机的分类图例二、对驱动装置的要求精度高输出位移有足够的精度，即实际位移与指令位移之差要小。具有较长时间的大过载能力以满足低速大转矩的要求。一般直流伺服电动机要求数分钟内过载4~6倍而不损坏。调速范围宽而且从最低速到最高速时，电动机均能平滑运转，转矩波动小，特别是在低速（如0.1r／min或更低）时，速度平稳而无爬行现象。能承受频繁起动、制动和反转。三、步进电动机（1）步进电动机的结构（1）步进电动机的结构型式有多种，这里介绍常用的单定子反应式（又称圆周分相式）步进电动机的结构。如图所示是单定子三相反应式步进电动机结构示意图，从图中可以看出，它由定子和转子组成。三、步进电动机（2）步进电动机的结构（2）定子定子铁芯由硅钢片叠加而成。图中定子上有六个磁极（也可以有多个），分成三对因此称为三相电动机，如果分成四对就是四相电动机，依次类推。每个磁极上均有控制绕组，每一对极上的绕组可以串联或并联，但绕线方向应使流过电流时产生的磁场方向一致。定子磁极上有均匀分布的小齿。转子由转子铁芯和转轴组成。转子铁芯同样由硅钢片叠加而成。转子上没有绕组，其上也有均匀分布的小齿。通常定子磁极上的小齿和转子上的小齿其齿宽和槽宽都是一样的。但它们之间的相对位置按一定的规律排列。错齿是步进电动机能够步进的根本原因。单定子三相反应式步进电动机结构示意图例三、步进电动机（3）步进电动机的工作原理单三拍步进电动机步进电动机的工作原理和一般电动机的原理是不同的。它是利用电磁铁作用的原理使步进电动机旋转的。如图所示，A相首先通电（B、C两相不通电），则产生A-A轴线方向的磁通，并通过转子形成闭合回路。这时，A、A就成为磁铁的N、S极。A相定子磁极就像电磁铁一样对转子产生一个吸力，在磁场的作用下，转子总是力图转到磁阻最小的位置。如果此时A相定子的齿和转子的齿没有对准，转子的齿就转到与A、A极对齐的位置；如果已对准，转子就不动。转子被磁极产生的电磁吸力牢牢吸住，转子处于定位状态。A相定子的齿对准后，B相和C相定子的齿就相对于转子错开。三相反应式步进电动机工作原理图例：a）b）c）三、步进电动机（4）步进电动机定子绕组的电源(1)控制电源三相步进电动机定子绕组的供电是用晶体管或晶闸管（可控硅）来代替的。有脉冲信号时，晶体管导通，无脉冲信号时，晶体管截止。脉冲持续期即脉冲宽度就是晶体管导通的时间，也就是绕组通电的时间。如图所示表示了用晶体管控制步进电动机定子绕组通电顺序的接线图。第一个脉冲使晶体管TA的基极，TA导通，A相通电，第二个脉冲送入晶体管TB使晶体管TB导通，B相通电，第三个脉冲使晶体管TC导通，C相通电。这样按顺序重复的向TA、TB、、TC输入控制脉冲，就可以使步进电动机定子绕组按一定方式通电。用晶体管控制步进电动机通电顺序图例三、步进电动机（5）控制系统数控机床的开环系统通常使用步进电动机。如图所示表示了步进电动机与数控系统的连接方式。其中控制脉冲由数控系统发出。步进电动机与数控系统连接图例三、步进电动机（6）环形分配器来自数控系统的脉冲信号必须通过环行分配器才能使步进电动机的定子绕组依次通电，环形分配器是用于控制步进电动机的通电运行方式的，其作用就是将数控装置送来的一系列指令脉冲按照一定的顺序和分配方式，控制各相绕组的通电和断电。如图表示了四相电动机环形分配器的基本输入输出信号。步进电动机环行分配器基本输入输出图例三、步进电动机（7）功率放大器（1）功率放大器的作用是将来自于环形分配器的信号放大至几安培到十几安培的电流，送至步进电动机的各绕组。三、步进电动机（8）功率放大器（2）如图所示是一种单电压供电电动机一个绕组的功放电路，它由光电耦合器、限流功率电阻以及大功率晶体管组成。单电压供电功放电路图例三、步进电动机（9）功率放大器（3）功放电路的输入为环行分配器输出的一相绕组控制信号Vsr，当Vsr为“1”时，光电耦合器GD中的发光二极管截止，GD中的光敏三极管输出也截止，因此大功率三极管VT基极有了驱动电流，60V电压经绕组L、18Ω限流电阻以及大功率三极管VT形成通路，由于电感L的影响，绕组电流I按指数上升，达到稳定值3.3A。当Vsr变为“0”时，发光二极管导通，因此，光敏三极管也受光而导通，具导通电压一般小于1V，这样大功率三极管VT必然截止，绕组断电。由于绕组的电感效应，在断电时绕组两端会产生很大的感应电势，因此在绕组两端并联100Ω电阻和二极管D，形成放电回路，使绕组电流按指数下降。三、步进电动机（9）功率放大器（3）功放电路的输入为环行分配器输出的一相绕组控制信号Vsr，当Vsr为“1”时，光电耦合器GD中的发光二极管截止，GD中的光敏三极管输出也截止，因此大功率三极管VT基极有了驱动电流，60V电压经绕组L、18Ω限流电阻以及大功率三极管VT形成通路，由于电感L的影响，绕组电流I按指数上升，达到稳定值3.3A。当Vsr变为“0”时，发光二极管导通，因此，光敏三极管也受光而导通，具导通电压一般小于1V，这样大功率三极管VT必然截止，绕组断电。由于绕组的电感效应，在断电时绕组两端会产生很大的感应电势，因此在绕组两端并联100Ω电阻和二极管D，形成放电回路，使绕组电流按指数下降。三、步进电动机（10）功率放大器（4）高低压驱动电路特点是高压充电，低压维持。步进电动机的绕组每次通电时，首先接通高压，以保征电流以较快的速度上升，然后改由低压供电，维持绕组中的电流为额定值。通常高压导通时间固定在100～600μs之间的某一值（用符号tH表示），如图所示为其驱动原理框图。高低压驱动原理图例三、步进电动机（11）功率放大器（5）当环形分配器的某相绕组控制信号Vsr由低变高时，通过前置放大，大功率晶体管VTd导通。同时，单稳态电路输出一个固定宽度tH的高电平脉冲信号，在此tH期间大功率三极管VTg导通．高压（VH）供电电流经VTg、电阻R、电动机绕组（电感L）、VTd快速上升，当单稳电路所规定的时间tH结束，VTg即截止，此时由于二极管D1的作用，自然改由低压VL供电，维持绕组所需的额定电流。当环形分配器输出电平Vsr由高变低时，VTg、、VTd三极管截止，但由于绕组电