合工大数控课件 进给伺服系统

1第四章进给伺服系统概述伺服电机及其调速位置检测装置典型进给伺服系统2第7章数控机床的伺服驱动系统主要内容3主要内容数控机床伺服系统是以机床移动部件的位置和速度为控制量的自动控制系统。7.1概述伺服系统的作用:接受CNC装置发出的插补结果(指令脉冲等)，作一定的转换和放大后，经伺服电机（直流、交流伺服电机、步进电机等）和机械传动机构，驱动机床的工作台等执行部件实现工作进给或快速运动。数控机床的“大脑”数控机床的“四肢”，是执行“命令”的机构，它是一个不折不扣的跟随者。4一、数控机床伺服系统的定义二、数控机床伺服系统的分类三、数控机床对伺服系统的要求4.1概述5一、数控机床伺服系统的定义1.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”。2.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。4.1概述6二、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，多采用位置控制4.1概述7开环与闭环开环–负载变化时，速度也随着变化，需人为修正–结构简单，易于控制，精度差，低速不平稳，高速扭矩小–用于轻负载且负载变化不大的场合闭环/半闭环–不间断的比较系统输入与驱动输出–闭环–半闭环8开环伺服系统开环伺服系统采用步进电机作为驱动元件；没有位置反馈回路和速度反馈回路；设备投资低，调试维修方便，但精度差，高速扭矩小；用于中、低档数控机床及普通机床改造。9闭环伺服系统闭环伺服系统的位置检测装置安装在机床的工作台上；检测装置构成闭环位置控制。闭环方式被大量用在精度要求较高的大型数控机床上。10半闭环伺服系统位置检测元件安装在电动机轴上或丝杠上，用以精确控制电机的角度，为间接测量；坐标运动的传动链有一部分在位置闭环以外，其传动误差没有得到系统的补偿；半闭环伺服系统的精度低于闭环系统。适用于精度要求适中的中小型数控机床。11二、数控机床伺服系统的分类3、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4.1概述12三、数控机床对伺服系统的要求1.高精度定位准确(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。2.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。3.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。4.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。5.可靠性高对环境的适应性强，性能稳定，使用寿命长。4.1概述13134.1概述4.2步进电动机及其控制原理4.3直流伺服电动机及其控制原理4.4交流伺服电动机及其控制原理14定义：是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。主要用于开环位置控制系统。组成：由步进电动机驱动电源和步进电动机组成，没有反馈环节特点：系统较简单，控制较容易，维修也较方便，而且为全数字化控制。但由于开环系统精度不高，且步进电动机的功率和速度不高，因此步进电动机驱动系统仅用于小容量、加工速度低、脉冲当量和精度不太高的场合，如经济型数控机床和电加工机床、计算机的打印机、绘图仪等设备。一、步进电动机4.2步进电动机及其控制原理15主要内容7.2步进电机及其驱动控制系统161.步进电动机的分类按工作原理分：反应式(磁阻式)、电磁式、永磁式、永磁感应子式(混合式)。按相数分：三相、四相、五相、六相和八相等。按使用频率分：高频步进电动机和低频步进电动机。17(1)反应式步进电动机极与极之间的夹角为60°，每个定子磁极上均匀分布了五个齿，齿槽距相等，齿距角为9°。转子铁心上无绕组，只有均匀分布的40个齿，齿槽距相等，齿距角为360°/40＝9°。单段式三相反应式步进电动机的结构：定子铁心上有六个均匀分布的磁极，沿直径相对两个极上的线圈串联，构成一相励磁绕组。特点：转子无绕组，定转子开小齿、步距小。应用最广。AB定子转子IAIBIC19(2)永磁式步进电动机工作原理：转子或定子的一方具有永久磁钢，另一方有软磁材料制成，由绕组轮流通电产生的磁场与永久磁钢相互作用，产生转矩是转子转动。特点：不开小齿，步距角大，内阻较大，效率高，断电后有一定的定位转矩。(3)混合式步进电动机（永磁感应子式）定子结构与反应式基本相同，转子由环形磁钢及两段铁心组成。兼有以上两种的主要优点，是步进电动机的新产品。202.步进电动机的控制原理各部分的作用：数控装置：根据控制要求发出指令脉冲，每发出一个脉冲电机旋转一个特定的角度，即步距角环形分配：根据指令方向，依次产生步进电机的各相的通电步骤，分为硬件环分、软件环分两种。放大电路：放大环形分配的各相指令，产生步进电机的各相的驱动电流21位移量的控制向步进电动机送一个控制脉冲，其转轴就转过一个角度或移动一个直线位移，称为一步；脉冲数增加，角位移(或线位移)随之增加，即脉冲数决定位移量。进给速度的控制脉冲频率高，则步进电动机的旋转速度就高，反之则低，即脉冲频率决定进给速度。运动方向的控制改变分配脉冲的相序，实现步进电动机的正、反转，从而改变运动方向。与一般交流和直流电动机所不同的是，步进电动机定子绕组所加的电源形式为脉冲电压，而不是正弦电压或者恒定直流电压22按电磁吸引的原理工作的。必须抓住两点：磁力线力图走磁阻最小的路径，从而产生反应力矩各相定子齿之间彼此错齿1/m齿距，m为相数几个概念的含义：“拍”----定子相绕组每改变一次通电状态，称为“一拍”。“单”----指只有一相绕组通电。“双”----指有两相绕组同时通电。3.反应式步进电动机的工作原理23步进电机工作原理示意24(1)“单三拍”供电方式的步进电动机的工作原理第一拍：A相励磁绕组通电，B、C相励磁绕组断电。A相定子磁极的电磁力要使相邻转子齿与其对齐(使磁阻最小)，B相和C相定、转子错齿分别为1/3齿距(3°)和2/3齿距(6°)。第二拍：B相绕组通电，A、C相绕组断电。电磁反应力矩使转子顺时针方向转动3°，与B相的定子齿对齐，此时A、C相的定、转子齿互相错开。第三拍：C相绕组通电，A、B相绕组断电。电磁反应力距又使转子顺时针方向转动了3°，与C相定子齿对齐，同时A相、B相定、转子齿错开，重复通电顺序：ABCA……25单三拍步进电动机的反转若定子绕组通电顺序为ACBA……，则电动机转子就顺时针方向旋转起来，其步距角仍为3°。单三拍步进电动机的步距角重复单三拍的通电顺序，ABCA……，步进电机就逆时针方向旋转起来，对应每个指令脉冲，转子转动一固定角度3°(步距角)。单三拍通电控制方式的缺点由于每拍只有一相绕组通电，在切换瞬间可能失去自锁力矩，容易失步。而且，只有一相绕组通电吸引转子，易在平衡位置附近产生振荡。因此，单三拍通电控制方式，工作稳定性差，一般较少采用。26步进电动机三相三拍制01421327步进电动机三相三拍制0228步进电动机三相三拍制0329步进电动机三相三拍制0430步进电动机三相三拍制0531步进电动机三相三拍制0632步进电动机三相三拍制0733步进电动机三相三拍制0834步进电动机三相三拍制0935步进电动机三相三拍制1036步进电动机三相三拍制1137步进电动机三相三拍制1238步进电动机三相三拍制13421339若定子绕组的通电顺序为：ACCBBAAC……，则步进电动机的转子就逆时针方向转动。(2)双三拍工作方式采用双三拍通电控制方式，能克服单三拍工作的缺点。若定子绕组的通电顺序为ABBCCAAB……，则步进电动机的转子就顺时针方向转动，从一个磁场最强处走到了另一个磁场最强处，故其步距角仍为3°40每切换一次，步进电动机就逆时针方向转动1.5°，步距角减小一半。原因是：当由A相切换到AB相通电时，A相定子磁极力图不让转子转动，而保持与其定子齿对齐，而B相定子磁极的电磁反应力矩也力图使其逆时针转动3°，与B相定子齿对齐，此时，转子齿与A相、B相定子齿均未对齐，此位置是A相、B相定子合成磁场的最强方向，即转子顺时针方向转动1.5°。若通电顺序为：AACCBCBBAA……则步进电动机的转子就顺时针方向运动，步距角仍为1.5°。三相六拍控制方式比三相三拍控制方式步距角小一半；在切换时，保持一相绕组通电，工作稳定，比双三拍增大了稳定区。所以三相步进电动机常采用这种控制方式。(3)三相六拍工作方式通电顺序：AABBBCCCAA……41步进电动机三相六拍制1421342步进电动机三相六拍制243步进电动机三相六拍制344步进电动机三相六拍制445步进电动机三相六拍制546步进电动机三相六拍制647步进电动机三相六拍制748二、步进电动机主要性能指标及选择1.步距角步进电动机每步的转角称为步距角，计算公式：式中m—步进电动机相数Z—转子齿数K—控制方式系数，K=拍数p/相数m厂家对于每种步进电动机给出两种步距角，彼此相差一倍。大步距角系指控制供电拍数与相数相等时的步距角；小步距角系指供电拍数是相数两倍时的步距角。)(360KmZ=49主要内容7.2步进电机及其驱动控制系统例如：转子40个齿，定子仍是3对磁极，三相六拍。问步距角是多少？==5.1234036050步距角的选择：根据总体方案要求，综合考虑，通过下式进行：式中δ—脉冲当量S—丝杠螺距(mm)θ—步距角i—电动机与丝杠间的齿轮传动减速比如果步进电动机的步距角θ和丝杠螺距S(基本导程)不能满足脉冲当量δ的要求时，应在步进电动机与丝杠之间加入齿轮传动，用减速比来满足δ的要求。)/(360脉冲mmiS=122z1zs已知：10.75=mms8=mm01.0=求：传动比?/21==zzi解一：1221zz=1212zz=又6.075.0801.036036000121===szz取211=z352=z3602as=211360zazs=122z1zs已知：75.01=mms8=mm01.0=求：传动比?/21==zzi解二：3545.075.0002112===zz取211=z352=z20:360:=s000245.0801.0360360===s于是：532.最大静转距Tjmax(N·m)静态：当步进电动机不改变通电状态时，转子处在不动状态静态转距：如果在电动机轴上外加一个负载转距，使转子转过一个角度θe，这时转子受的电磁转距T。矩角特性：描述静态时电磁转距T与θe之间的关系曲线。在静态稳定区内，当外加转距去除时，转子在电磁转距作用下，仍能回到稳定平衡点位置(θe＝0)。ππ/20-π-π/2静稳定区不稳定平衡点稳定平衡点不稳定平衡点TθeTjmax负载转矩TF应满足TF=（0.2~0.4）Tjmax543.空载起动频率fq（步/s）空载时步进电动机由静止突然起动，进入不丢步的正常运行的最高频率。是衡量步进电动机快速性能的重要技术数据。对于提高生产率和系统的快速性具有重要意义。fq应能满足机床工作台最高运行速度。步进电动机起动频率要比连续运行频率低得多，带负载的起动频率比空载的起动频率要低。这是因为步进电动机起动时，既要克服负载力矩，又要克服运转部分的惯性矩，电动机的负担比连续运转时重。55Tf4.起动矩频特性描述步进电动机