数控技术第4章1

数控技术湘潭大学机械工程学院1第4章进给伺服驱动系统4.1概述4.2位置检测装置4.3进给电机及驱动4.4交流进给伺服系统的控制原理和方法4.5伺服系统性能分析24.1概述进给伺服系统(FeedServoSystem)定义—以移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统。作用：是数控装置和机床机械传动部件的连接环节，是数控机床的重要组成部分。功能：接受数控装置发来的指令信号，信号经变换和放大由执行元件（伺服电机）将其转变为角位移或直线位移，从而实现驱动数控机床各运动部件的进给运动。3进给伺服系统(FeedServoSystem)组成—般由控制调节器、功率驱动装置、检测反馈装置和伺服电机四部分组成4.1概述44.1概述51.位置精度要高静态（尺寸精度）：定位精度和重复定位精度要高，即定位误差和重复定位误差要小。高档数控机床微米级，超精密机床亚微米级。动态（轮廓精度）：跟随精度，这是动态性能指标，用跟随误差表示。灵敏度要高，有足够高的分辩率。4.1概述4.1.1数控机床对进给伺服驱动系统的要求62.响应要快加工过程中，进给伺服驱动系统跟踪指令信号的速度要快，过渡时间要短，且无超调，这样跟随误差才小。否则对机械部件不利，有害于加工质量。过渡过程一般应在几十毫秒以内。tFtp4.1概述73.调速范围要宽调速范围是指电机在额定负载时所能提供的最高转速和最低转速之比。为保证在任何切削条件下都能获得最佳的切削速度，要求进给伺服驱动系统必须提供较大的调速范围，一般调速范围应达到1︰2000。现有的高性能进给伺服系统已具备无级调速，且调速范围在1︰10000以上。速度稳定性：指输出速度的波动要少，尤其是在低速时的平稳性显得特别重要。4.1概述84.工作稳定性好工作稳定性是指伺服系统在突变指令信号或外界干扰的作用下，能够快速的达到新平衡状态或恢复原有平衡状态的能力。工作稳定性越好，机床运动平稳性越高，工件的加工质量就越好。速度稳定性：指输出速度的波动要少，尤其是在低速时的平稳性显得特别重要4.1概述95.低速转矩要大在切削加工中，粗加工一般要求低进给速度、大切削量，为此，要求进给伺服驱动系统在低速进给时输出足够大的转矩，提供良好的切削能力。6.能可逆运行和频繁灵活启停。7.可靠性高4.1概述101.按有无位置检测反馈装置分：开环、半闭环和闭环控制系统.2.按驱动电机的类型分：步进电机、直流电机、交流电机和直线电机进给伺服驱动系统.4.1.2进给伺服驱动系统的分类4.1概述111.按有无位置检测反馈装置分（1）开环采用步进电机驱动。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。但控制精度低。4.1概述121.按有无位置检测反馈装置分采用伺服电机驱动。位置采样是从伺服电机引出，不是直接检测运动部件的实际位置，采用旋转角度传感器。精度比闭环差，但结构简单，便于调整，稳定性好。广泛用于中小型数控设备。角位移测量装置（2）半闭环4.1概述13（3）闭环采用伺服电机驱动。位置检测装置装在工作台上，可直接测量工作台实际位移。将所有传动部分都包含在控制环之内，可消除机械系统引起的误差。精度高于半闭环，结构复杂，控制较难，成本高，调试和维修困难。适用于大型或高档数控机床4.1概述14光栅尺光栅尺4.1概述152.按驱动电机的类型分：（1）步进电机伺服驱动系统。进电机将进给指令信号变换为具有一定方向、大小和速度的机械角位移，通过齿轮和丝杠螺母副带动工作台移动。特点：在大负载和速度较高的情况下容易失步、能耗大、速度低、精度较差。应用：故主要用于速度和精度要求不太高的经济型数控机床和旧机床改造。4.1概述162.按驱动电机的类型分：（2）直流电机伺服驱动系统。特点：有良好的宽调速性能，输出转矩大、过载能力强。在上世纪70年代和80年代初，数控机床多采用直流电机伺服系统。但直流伺服电机由于具有电刷和机械换向器，使结构与体积受限制，现已基本被交流伺服电机取代。4.1概述172.按驱动电机的类型分：（3）交流电机伺服驱动系统。常永磁同步伺服电机。特点：相对于直流伺服电机，具有结构简单、体积小、惯量小、响应速度快、效率高等特点。应用：它更适应大容量、高速加工的要求。交流电机伺服驱动系统在进给伺服驱动中已逐渐取代了直流电机伺服驱动系统。4.1概述182.按驱动电机的类型分：（4）直线电机伺服驱动系统。直接驱动机床工作台运动，取消了电机和工作台之间的一切中间传动环节，形成了所谓的“直接驱动”或“零传动”。特点：克服了传统驱动方式中传动环节带来的缺点，显著提高了机床的动态灵敏度、加工精度和可靠性。4.1概述19课后思考1.开、闭环进给控制系统的组成；比较开、闭环进给系统的特性。2.查阅资料，对步进进给系统、交流同步伺服系统、直流伺服系统的的特点与性能进行比较。20第4章进给伺服驱动系统4.1概述4.2位置检测装置4.3进给电机及驱动4.4交流进给伺服系统的控制原理和方法4.5伺服系统性能分析214.2位置检测装置位置检测装置：检测位移（线位移或角位移）和速度，反馈至数控装置或伺服驱动器，构成伺服驱动系统闭环或半闭环控制，使工作台按指令路径精确地移动。（1）组成：检测元件（传感器）和信号处理装置。（2）常用检测装置：旋转变压器、感应同步器、编码器、光栅、磁栅等22（3）精度：系统精度、分辨率系统精度：一定范围内测量累积误差最大值。直线位测量精度：±0.002～0.02㎜／m；回转角测量精度：±5″／360°系统分辨率：能正确检测的最小位移量。直线位移分辨率：1μm，高精度0.1μm；回转分辨率：可达2″(0.087″)。大型机床：速度为主；中小型机床、高精度机床：精度为主。数控机床加工精度主要由检测系统精度决定。4.2位置检测装置23（4）安装位置半闭环控制的数控机床旋转变压器、编码器等。安装在电机或丝杠上，测量电机或丝杠的角位移间接测量工作台的直线位移。闭环控制系统的数控机床感应同步器、光栅、磁栅等，安装在工作台和导轨上，直接测量工作台的直线位移。4.2位置检测装置24（5）数控机床对检测装置的要求受温度、湿度影响小，工作可靠，抗干扰能力强在机床移动范围内满足精度和速度要求使用维护方便，适合机床运行环境成本低易于实现高速的动态测量。4.2位置检测装置254.2.1位置检测装置分类数字式模拟式增量式绝对式增量式绝对式回转型增量式脉冲编码器圆光栅绝对式脉冲编码器旋转变压器圆感应同步器圆磁尺多极旋转变压器3速圆感应同步器直线型计量光栅激光干涉仪多通道透射光栅直线感应同步器光栅尺3速直线感应同步器绝对值式磁尺4.2位置检测装置26（1）增量式与绝对式增量式检测方式功能：测量增量，移动1个测量单位发出1个测量信号。如：测量单位为0.001mm，每移动0.001mm发出1个脉冲信号，对脉冲计数得到位移量。优点：装置较简单，任何一个对中点均可作测量起点；缺点：一旦计数有误，此后测量结果全错；发生故障（如断电、断刀等）时不能找到事故前的位置，须将工作台移至起点重新计数。增量式检测装置：有脉冲编码器，旋转变压器，感应同步器，光栅，磁栅，激光干涉仪等4.2位置检测装置27绝对式检测方式功能：被测量的任一点的位置都以一个固定的零点作基准，每一被测点都有一个相应的对零点的测量值。优点：避免了增量式检测方式的缺陷缺点：结构较复杂。绝对式检测装置：有绝对式脉冲编码器、三速式绝对编码器（或称多圈式绝对编码器）等4.2位置检测装置28（2）数字式与模拟式数字式测量方式以数字形式表示被测量，测量信号一般为脉冲，可直接把它送到数控装置进行比较、处理。特点：便于显示、处理；测量精度取决于测量单位，与量程基本无关（存在累加误差）检测装置简单，脉冲信号抗干扰能力强。4.2位置检测装置29模拟式测量方式用连续的变量表示被测量，如用相位变化、电压变化表示。特点：直接对被测量进行检测；在小量程内可以实现高精度测量；可用于直接检测和间接检测。6.1概述4.2位置检测装置30（3）直接测量与间接测量6.1概述直接测量用直线式检测装置测直线位移，作为全闭环伺服系统的位置反馈信号，构成闭环控制。对机床的直线位移采用直线型检测装置测量。优点：测量精度取决于测量元件的精度，不受机床传动精度的影响。缺点：检测装置要与行程等长，对大型数控机床来说，是一个很大的限制。4.2位置检测装置31间接测量检测装置测量只是中间值，再由它推算出与之关联的位移量，作为半闭环伺服系统的位置反馈。对机床的直线位移采用回转型检测装置测量，称为间接测量。优点：使用可靠方便，无长度限制，缺点：检测信号中加入了直线运动转变为旋转运动的传动链误差，影响检测精度。为提高定位精度，常需要对机床的传动误差进行补偿。4.2位置检测装置324.2.2编码器编码器：将测量的角位移以编码的形式输出的位置检测装置，属于间接测量的数字式检测装置。输出信号的形式：绝对式、脉冲增量式内部结构和检测方式：接触式、光电式、电磁式。4.2位置检测装置33工作台丝杠编码器电机安装方式1）与伺服电机同轴联接，编码器在进给传动链前端；安装方便；2）连在滚珠丝杠末端，包含的传动链误差比前者多，位置控制精度较高。4.2位置检测装置34码盘及狭缝转轴光敏元件光栏板及辨向用的A组、B组狭缝光源零位标志C1.增量式光电编码器（1）结构4.2位置检测装置35（2）原理将机械转角变成电脉冲信号处理装置abz码盘基片透镜光源光敏元件透光狭缝光欄板节距τAABBZZm+τ/44.2位置检测装置36AB90°Z……码盘转一圈光敏元件把此光信号转换成电信号，通过信号处理装置的整形、放大等处理后输出。输出的波形有六路：AA、ZZBB、、、4.2位置检测装置37输出信号的作用及其处理A、B两相的作用：根据脉冲数目可测角位移根据脉冲频率可得轴的转速根据A、B两相的相位超前滞后关系可判断被测轴旋转方向4.2位置检测装置38ABCP90O后续电路可利用A、B两相的90°相位差进行四倍频细分处理，提高分辨率。4.2位置检测装置39（3）增量式码盘的规格及分辨率规格分辨率α增量式码盘的规格是指码盘每转一圈发出的脉冲数。市场上提供的规格从36线/转到10万线/转都有。最大达1600万线（禁运）。选择原则n360伺服系统要求的分辨率；考虑机械传动系统的参数。整数原则。4.2位置检测装置402.绝对式光电编码器每一位置均由唯一对应的编码输出电源切除后位置信息不会丢失数控机床无需执行回参考点操作就能直接提供当前的位置值，没有累积误差特点：4.2位置检测装置41（1）结构和工作原理码盘基片上有多圈码道，且每码道的刻线数相等对应每圈都有光电传感器输出信号的路数与码盘圈数成正比检测信号按某种规律编码输出，故可测得被测轴的周向绝对位置232221204.2位置检测装置42（2）绝对编码盘的编码方式及其特点二进制编码：特点：编码循序与位置循序相一致，但可能产生非单值性误差。缺点：在1100和1011的交界处，可能会出现二义：11110000导致较大的误差。232221204.2位置检测装置4323222120格雷码（循环码）特点：任何两个编码之间只有一位是变化的，因而可把误差控制在最小单位上。但编码与位置循序无直接规律优点：最大误差为一个分辨率。4.2位置检测装置44格雷码的编码方法从二进制码转换而来的，转换规则为：将二进制码与其本身右移一位后并舍去末位的数码作不进位加法，得出的结果即为格雷码(循环码)。例：将二进制码0101转换成对应的格雷码（雷格码））（右移一位并舍去末位（二进制码）011101001014.2位置检测装置45（3）绝对式编码器的规格及分辨率规格分辨率α绝对式码盘的规格与码盘码道数n有关；现在市场上提供从4道到27道都有。（23道以上禁运）选择原则①伺服系统要求的分辨率；②考虑机械传动系统的参数。n23604.2位置检测装置463.编码器的信号传输方式（1）传输对象：伺服电机、数控装置（2）传输