数控技术第六章 伺服驱动系统

数控技术第五章伺服驱动系统§5-1概述§5-2检测装置§5-3步进电动机及其驱动系统§5-4直流伺服电动机及其速度控制§5-5交流伺服电动机及其速度控制§5-6主轴驱动§5-7位置控制立式铣床§5-1概述主轴电机伺服电机刀库刀具定位电机机械手旋转定位电机带制动器伺服电机加工中心伺服驱动系统（ServoSystem)CNC系统驱动电机检测装置控制信号反馈信号光栅尺伺服驱动系统一、数控机床伺服系统的定义伺服系统是一种以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。CNC装置是数控机床的“大脑”，“指挥机构”伺服系统是数控机床的“四肢”，“执行机构”。伺服系统的组成检测装置：感应同步器、旋转变压器、光栅、脉冲编码器等。驱动电机：步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机数控加工与传统加工的比较本质区别由人操作，机床进给系统能保证切削过程继续进行，不能控制执行件的位移和轨迹.由CNC装置按照零件程序完成零件的加工。能精确地控制执行件的速度、方向、和位置，且可使几个执行件按一定的运动规律合成轨迹。二、数控机床伺服系统的分类1、按伺服系统控制方式分开环系统步进电机，无位置反馈，投资低，精度低闭环系统直接测量实际位移进行反馈，精度高半闭环系统间接测量位移进行反馈，精度低于闭环2、按控制对象和使用目的不同分进给伺服系统控制各坐标轴的切削进给运动主轴驱动伺服系统控制主轴的旋转运动辅助伺服系统控制刀库、料库等辅助系统的运动，多采用建议的位置控制。二、数控机床伺服系统的分类（续）3、按反馈比较控制方式分脉冲比较伺服系统相位比较伺服系统幅值比较伺服系统全数字伺服系统。4、按所用驱动元件的类型分步进电动机驱动系统直流伺服驱动系统交流伺服驱动系统直线电动机驱动系统三、数控机床对伺服系统的要求高精度要求定位准确（定位误差持别是重复定位误差要小），跟随精度高（跟随误差小）。一般定位精度要求达到mm级，高的达0.01~0.005mm。灵敏度高，响应快提高生产率和保证加工质量，一般电机升降速过渡过程，时间在0.2s以下。另外，当负载突变时，要求速度的恢复时间短，且无振荡，这样才能得到光滑的加工表面。调速范围宽保证在任何情况下都能得到最佳切削条件和加工质量，一般要求调速范围：最低转速/最高转速=1/1000~1/10000，且通常是无级调速。低速大转矩一般是在低速进行重切削，所以在低速时进给驱动要有大的转矩输出。可靠性高对环境的适应性强，性能稳定，使用寿命长。§5-2检测装置性能指标系统精度：是指在一定长度或转角内测量积累误差的最大值，如±0.002～0.02mm/m，±10/360°等。系统分辨率：是测量元件所能正确检测的最小位移量，如目前直线位移的分辨率为0.001～0.01mm。角位移分辨率为2。检测装置是伺服系统的重要组成部分。作用检测位置和速度，发送反馈信号，构成闭环或半闭环，对驱动装置进行控制。要求工作可靠，抗干扰能力强满足精度、分辨率、测量范围使用维修方便、成本低检测装置的分类按检测信号分：数字式、模拟式按测量基准分：增量式、绝对式按安装位置关系分：直接测量、间接测量常见检测装置一、旋转变压器旋转变压器是一种角度测量装置。1．旋转变压器的结构在结构上和两相绕线式异步电动机相似，由定子和转于组成。定子绕组为变压器的一次绕组转子绕组为变压器的二次绕组。根据转子绕组两种不同的引出方式旋转变压器分有刷式无删式旋转变压器的内部结构图根据互感原理工作的，定子绕组加上励磁电压，通过电磁耦合，转子绕组产生感应电功势。输出感应电功势大小与转子位置有关，就是通过测量被测轴的转速来间接测量工作台的位移。2．旋转变压器的工作原理3．旋转变压器的应用特点结构简单，动作灵敏，对环境无特殊要求，维护方便．输出信号幅度大，抗干扰能力强，工作可靠，广泛应用于数控机床上。应用实际使用中采用的是正余弦旋转变压器，其定子和转子均由两组匝数相等、互相垂直的绕组构成。二、感应同步器感应同步器是旋转变压器演变而来，也是一种电磁感应式的位移检测装置。1.感应同步器的结构圆型感应同步器由定子和转子组成，用于测量角位移直线型感应同步器由定子和转子组成，用于测量直线位移2.直线感应同步器的结构利用两个平面形印刷绕组，其间保持均匀气隙约为(0.25±0.05)mm作相对平行移动，根据交变磁场和互感原理而工作的。W2片宽a2间隔b2定尺为连续绕组，节距W2＝2(a2＋b2)，其中a2为导电片宽，b2为片间间隙，定尺节距即为检测周期W，常取W＝2mm。滑尺为分段绕组，分为正弦和余弦绕组两部分,两绕组的节距都为W1＝2(a1＋b1)，其中a1为导电片宽，b1为片间间隙，一般取W1＝W2或W1＝W2/3。2＇121＇L1W1a1b1滑尺上有正弦和余弦励磁绕组，在空间位置上相差1/4节距，定尺和滑尺绕组的节距相同。若滑尺绕组加励磁电压，则由于电磁感应而在定尺绕组上产生感应电压，其大小取决于滑尺与定尺的相对位置。2ττ/2E定尺正弦绕组滑尺余弦绕组VsVci1i23.直线感应同步器的工作原理根据交变磁场和互感原理而工作的。W可以看出：滑尺在移动一个节距的过程中，感应电势变化了一个周期。若励磁电压u＝Umsinωt，那么在定尺绕组产生的感应电势e为e＝kUmcosθcosωt若励磁电压u＝Umsinωt则定尺绕组产生的感应电势ee＝kUmcosθcosωt式中Um—励磁电压幅值(V)；ω—励磁电压角频率(rad/s)；k—比例常数，其值与绕组间最大互感系数有关；θ—滑尺相对定尺在空间的相位角。在一个节距W内，位移x与θ的关系应为θ＝2πx/W感应同步器就是利用感应电势的变化，来检测在一个节距W内的位移量，为绝对式测量。滑尺上的正弦、余弦励磁绕组提供同频率、同幅值、相位差90°的交流电压，即us＝Umsinωtuc＝Umcosωtus和uc单独励磁，在定尺绕组上感应电势分别为es＝kUmcosθcosωtec＝－kUmcos(θ＋π/2)sinωt＝kUmsinθsinωt3.感应同步器输出信号的处理方式常用的有鉴相方式和鉴幅方式（1）鉴相方式根据感应输出电压的相位来检测位移量根据叠加原理，定尺绕组上总输出感应电势e为e＝es＋ec＝kUmcosθcosωt＋kUmsinθsinωt＝kUmcos(ωt－θ)＝kUmcos(ωt－2πx/W)根据上式，通过鉴别定尺输出的感应电势的相位，即可测量定尺和滑尺之间的相对位置。感应同步器的鉴相方式用在相位比较伺服系统中。例：感应电势与励磁电压相位差θ=1.8°，节距W=2mm，由θ=2πx/W=0.01mm滑尺的正弦、余弦绕组励磁电压为同频率、同相位，但不同幅值，即us＝Umsinθdsinωtuc＝Umcosθdsinωt式中θd—励磁电压的给定相位角分别励磁时，在定尺绕组上产生的输出感应电势分别为es＝kUmsinθdcosθcosωtec＝kUmcosθdcos(θ＋π/2)cosωt＝－kUmcosθdsinθcosωt（2）鉴幅方式根据定尺输出的感应电势的振幅变化来检测位移量。根据叠加原理，定尺上输出总感应电势为e＝es＋ec＝kUm(sinθdcosθ－cosθdsinθ)cosωt＝kUmsin(θd－θ)cosωt＝kUmsin(θd－2πx/W)cosωt设初始状态θd＝θ，则e＝0。当滑尺相对定尺有一位移，使θ变为θ＋Δθ，则感应电势增量为Δe≈kUmΔxcosωt式中Δθ=2πΔx/W由此可知，在Δx较小的情况下，Δe与Δx成正比，也就是鉴别Δe幅值，即可测Δx大小。当Δx较大时，通过改变θd，使θd＝θ,使Δe＝0，根据θd可以确定θ，从而确定位移量Δx。4.感应同步器的特点精度高输出的电压是许多对极感应电压的平均值适用性强电磁感应，不怕油污和灰尘，不易受干扰可用于长距离测量可多根定尺接长使用寿命长，维护简单工艺性好，成本低应用广泛三、光栅光栅属于光学元件，是一种高精度的位移传感器。1.光栅的种类透射光栅反射光栅物理光栅计量光栅圆光栅直线光栅主要介绍一下直线计量透射光栅。光栅检测装置的结构透射光栅010,00,11,01,1反射光栅光栅检测装置基本结构示意图2.直线透射光栅（1）组成（2）直线透射光栅的工作原理由于挡光效应和光的衍射，在与线纹几乎垂直方向上，会出现明暗交替、间隔相等的粗大条纹，称为“莫尔条纹”。莫尔条纹的特点放大作用莫尔条纹纹距B与光栅节距w和倾角θ之间的关系：光栅横向移动一个节距w，莫尔条纹正好沿刻线上下移动一个节距B，用光电元件检测莫尔条纹信号的变化就可以测量光栅的位移。例：当w=0.01mm，θ=0.01red，则B=1mm，将栅距放大100倍的莫尔条纹宽度。由于θ很小，因此22sin/qw=BqwB光栅尺横向莫尔条纹及其参数22sin/qw=BB2B均化误差作用莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成的，栅距之间的相邻误差被均化。短光栅的工作长度愈长,这一均化误差的作用愈显著。根据莫尔条纹的移动与栅距移动的对应关系莫尔条纹的特点（续）：逆时针方向选择(＋θ)顺时针方向选择(－θ)左下上右上下光栅移动方向莫尔条纹移动方向θ角的旋转方向（3）辨向为了辨别运动方向，需配置两个彼此错开1/4纹距的光电元件，使输出电信号彼此在相位上差90°，若以其中的一个作为参考信号，则另一个信号将超前或滞后参考信号90°，由此来确定运动方向。（4）倍频倍频又称为细分，倍频数就是指在莫尔条纹一个周期的范围内，等距离安装的感光元件的数目，从而在一个周期内产生若干个脉冲，达到细分的目的。提高倍频数可以提高光栅的最小读数值，提高分辨率，精密机床的测量常采用高倍频。例：栅距w=0.01mm，十倍频后，最小读数值1mm.四倍频电路（5）特点优点：1）精度高测直线：精度0.5-3mm，分辨率0.1mm2）易实现动态测量和自动化测量3）较强的抗干扰能力缺点：1）对环境要求高，怕振动，怕油污2）高精度光栅制作成本高目前多用于精密定位的数控机床，数显机床中也应用较多。四、编码器一种旋转式的检测角位移的传感器。将角位移用数字(脉冲)形式表示，故又称脉冲编码器。广泛应用于NC机床的位置检测，也常用它作为速度检测元件。1、编码器分类按码盘信号的读取方式可分为：光电式、接触式和电磁式以光电式的精度和可靠性最好，NC机床常用光电式编码器按测量坐标系又可分为：增量式和绝对式按每转发出的脉冲数分为：高分辨率20000-30000p/r普通分辨率2000-3000p/r2.增量式光电脉冲编码器（1）组成由光源、聚光镜、光电盘、光栏板、光敏元件(光电管)、整形放大电路和数字显示装置等组成。光电编码器在旋转工作台上的安装（2）工作原理光电盘按装在被测轴上，随主轴一起转动。光电盘转动时，光电元件把通过光电盘和光栏板射过来的忽明忽暗的光信号(近似于正弦信号)转换为电信号，经整形、放大等电路的变换后变成脉冲信号，通过计算脉冲的数目，即可测出工作轴的转角，并通过数显装置进行显示。通过测定计数脉冲的频率，即可测出工作轴的转速。（3）脉冲编码器的辨向光栏板上两条狭缝中的信号A和B(相位差90°)，通过整形，成为两相方波信号。根据先后顺序，即可判断光电盘的正反转。若A相超前于B相，对应电动机正转；若B相超前A相，对应电动机反转。若以该方波的前沿或后沿产生计数脉冲，可以形成代表正向位移和反向位移的脉冲序列。A相B相90°A相B相90°A相B相90°A相B相90°（4）提高光电脉冲编码器分辨率的方法提高光电盘圆周的等分狭缝的密度，实际上是使光电盘的狭缝变成了圆光栅线纹。增加光电盘的发信码道，使盘上不仅只有一圈透光狭缝，而且有若干大小不等的同心圆环狭缝(称为码道)，光电盘回转一周发出的脉冲信号数增多，使分辨率提高。3.绝对式光电脉冲编码器（1）结构绝对式脉冲编码器结构与增量式相似，就是在码盘的每一转角位置刻有表示该位置的唯一代码，称为绝对码盘。绝对式脉冲编码器是通过读取编码盘上的代码(图案)来表示轴的位置。码盘