第3章-数控机床的伺服系统

1第3章数控机床的伺服系统认识伺服系统的工作过程3.1伺服系统的组成及分类3.2伺服电动机3.3位置检测装置3.423.1认识伺服系统的工作过程数控机床控制原理图1．认识伺服系统在数控机床控制中的作用33.1认识伺服系统的工作过程数控车床光机正面2．认识伺服系统的机械结构43.1认识伺服系统的工作过程数控车床光机背面2．认识伺服系统的机械结构53.2伺服系统的组成及分类3.2.1伺服系统的组成伺服系统是由伺服驱动装置、伺服电动机、位置检测装置等组成。接受数控系统发出的进给速度和位移指令信号，由伺服驱动电路作一定的转换和功率放大，经伺服驱动装置和机械传动机构，驱动工作台、主轴头架等执行部件，实现工作进给和快速运动。63.2伺服系统的组成及分类3.2.2对伺服系统的要求①精度高②速度反应快③调速范围大④可靠性高⑤低速时扭矩大73.2伺服系统的组成及分类3.2.3伺服系统的分类按反馈比较控制可分为：1）脉冲数字比较伺服系统2）相位比较伺服系统3）幅值比较伺服系统4）全数字伺服系统按使用的驱动装置分为电液伺服系统和电气伺服系统。按使用电机分为直流伺服电机和交流伺服电机。83.2伺服系统的组成及分类按控制方式分1.开环控制数控机床93.2伺服系统的组成及分类2.闭环控制数控机床103.2伺服系统的组成及分类3.半闭环控制数控机床113.3伺服电动机步进电机是一种将电脉冲信号转换成机械角位移的机电执行元件。步进式伺服驱动系统是典型的开环控制系统。由于没有反馈检测环节，精度较差，速度也受到步进电机性能的限制。但结构和控制简单、容易调整，故在速度和精度要求不太高的场合具有一定的使用价值。3.3.1步进电动机及其控制系统123.3.1步进电动机及其控制系统步进电动机的类型分类方式具体类型按力矩产生的原理（1）反应式：转子无绕组，由被激磁的定子绕组产生反应力矩实现步进运行。（2）激磁式：定、转子均有激磁绕组（或转子用永久磁钢），由电磁力矩实现步进运行按输出力矩大小（1）伺服式：输出力矩在百分之几之几至十分之几（N·m）只能驱动较小的负载，要与液压扭矩放大器配用，才能驱动机床工作台等较大的负载（2）功率式：输出力矩在5-50N·m以上，可以直接驱动机床工作台等较大的负载按定子数（1）单定子式（2）双定子式（3）三定子式（4）多定子式按各相绕组分布（1）径向分布式：电机各相按圆周依次排列（2）轴向分布式：电机各相按轴向依次排列133.3.1步进电动机及其控制系统步进电动机的工作原理1、步进电动机的工作原理三相单三拍通电方式:若按A→B→C……通电相序连续通电，则步进电动机就连续地沿逆时针方向转动，每换接一次通电相序，步进电动机沿逆时针方向转过30°，即步距角为30°。14步进电动机的通电方式有：（1）单拍。在各相轮流通电的过程中，每拍只有一相通电。（2）双拍。采用双相轮流通电方式，即每拍都有两相通电，称为双拍。如三相步进电动机的通电顺序为AB→BC→CA→AB，则构成三相双三拍工作制。（3）单双拍，即单双相轮流通电。如对三相步进电动机来说，单双拍工作时的通电顺序为A→AB→B→BC→C→CA→A，一个循环为6拍，称为三相六拍工作制。3.3.1步进电动机及其控制系统三相单三拍通电方式三相六拍通电方式173.3.1步进电动机及其控制系统2、步进电动机的主要特点（1）转子的角位移量和转速严格受脉冲的数量和频率控制，有脉冲就走，无脉冲则停，旋转方向由通电顺序决定。（2）体积小，重量轻，价格低。（3）驱动简单，工作可靠，误差不长期积累。（4）惯性小，容易调试。主要缺点：使用不当时，会引起“失步”或“过冲”；运转时有振动和噪音；额定转速较低，最高频率一般不超过1kHz。183.3.1步进电动机及其控制系统3、步进电动机的主要特性（1）步距角步进电动机的步距角越小，位置精度越高。对于定子相数为m，转子齿数为Z的步进电动机，其步距角为（2）步距误差理论步距角与转子每一步实际的步距角之间发热差值。mZK360193.3.1步进电动机及其控制系统3、步进电动机的主要特性（3）静态转矩和矩角特性θ为失调角Mmax为最大静态转矩tMMMLMmax－0初始平衡点静态稳定区定子转子－＋t203.3.1步进电动机及其控制系统3、步进电动机的主要特性（4）启动转矩相邻两条曲线的交点所对应的静态转矩是电机运行状态的最大启动转距Mq。一般地，电机相数的增加会使矩角特性曲线变密，相邻两条曲线的交点上移，会使Mq增加。（4）启动转矩相邻两条曲线的交点所对应的静态转矩是电机运行状态的最大启动转距Mq。一般地，电机相数的增加会使矩角特性曲线变密，相邻两条曲线的交点上移，会使Mq增加。（5）空载启动频率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。213.3.1步进电动机及其控制系统3、步进电动机的主要特性（6）运行矩频特性与动态转矩223.3.1步进电动机及其控制系统4、步进电动机的控制步进电动机驱动装置由环形脉冲分配器、功率放大驱动电路两大部分组成，功率放大脉冲分配BCAABC步进电动机控制电路233.3.1步进电动机及其控制系统4、步进电动机的控制1）脉冲分配器将数控装置送来的一串指令脉冲，按照运行通电方式所要求的顺序和分配规律，分配到各相驱动电路输入端，用以控制各相绕组中电流的开通和关断。三相三拍环形脉冲分配环形脉冲分配器165432165342A相驱动B相驱动C相驱动硬件脉冲分配器&C11DC11DC11DQAQBQCCPXX&&&&&&&&1三相六拍脉冲分配器软件脉冲分配器89C51功率驱动电路步进电动机CBA光耦P1.2光耦光耦P1.1P1.0单片机控制的三相步进电动机驱动电路框图263.3.1步进电动机及其控制系统4、步进电动机的控制2）步进电动机的驱动电路一般要求驱动电路应能够提供足够幅值、前后沿较陡的励磁电流，而且功耗小，效率高，运行稳定、可靠，易于维护。脉冲放大器控制信号步进电动机EVTVDRC单电源串电阻驱动电路273.3伺服电动机3.3.2直流伺服电动机及其速度控制根据磁场产生的方式，直流电机可分为电磁式和永磁式。永磁式用氧化体、铝镍钴、稀土钴等软磁性材料建立激磁磁场。根据控制方式，直流伺服电机可分为磁场控制方式和电枢控制方式。一般电磁式直流伺服电机大多也用电枢控制方式。283.3.2直流伺服电动机及其速度控制1．结构与工作原理宽调速直流伺服电动机又称大惯量直流伺服电动机，它通过提高输出力矩来提高力矩／惯量比。ZYSC系列永磁式直流宽调速伺服测速机组29宽调速直流伺服电动机特点：1）过载能力强，能承受10倍于额定电流的峰值冲击，能产生额定力矩10倍的瞬时转矩。2）力矩／惯量比大，快速性好。3）低速时输出力矩大。4）调速范围宽，与高性能伺服驱动单元组成速度控制系统时，调速比超过1∶10000。5）转子热容量大，电动机的过载性能好，一般能过载运行几十分钟。3.3.2直流伺服电动机及其速度控制303.3.2直流伺服电动机及其速度控制2.直流伺服电动机速度控制方法aa2eeMURnMCCC直流电动机的机械特性公式：在激磁电流I保持恒定的条件下，改变电枢电压调速，起动力矩大，机械特性好，具有恒转矩特性，是直流伺服驱动系统普遍采用的调速方法。313.3.2直流伺服电动机及其速度控制3、直流伺服电动机的工作特性1）转矩-速度特性曲线Ⅰ—连续工作区；Ⅱ—间断工作区；Ⅲ—瞬时工作区n/(r·min－1)ⅠⅢⅡ温度极限换向极限最高转速瞬时换向极限最大转矩15001000500020004000600080001000012000M/(N·cm)323.3.2直流伺服电动机及其速度控制3、直流伺服电动机的工作特性2）负载周期曲线在满足负载所需转矩，而又确保电动机不过热的情况下，允许电动机的工作时间。33伺服驱动系统结构框图CNC装置测速Un直流伺服驱动装置0～±10V编码器MTGTG＋－＋－3.3.2直流伺服电动机及其速度控制343.3伺服电动机3.3.3交流伺服电动机及其速度控制交流伺服电机分为异步型和同步型。同步型交流电机可分为永磁式及反应式两大类。永磁式同步电机与电磁式相比，其优点是结构简单、运行可靠效率高。采用高剩磁感应、高矫顽力的稀土类磁铁材料后，电机在外形尺寸、重量及转子惯量方面都比直流电机大幅减小。所以在数控机床进给驱动系统中多数采用永磁式同步电机。异步型交流伺服电机与直流电机相比，重量轻，价格便宜；缺点是其转速受负载的变化影响较大，同时不能经济地实现范围较广的平滑调速。所以一般用在进给运动中。353.3.3交流伺服电动机及其速度控制1．交流伺服电动机的结构与工作原理（1）结构永磁式交流伺服电动机横剖面永磁式交流伺服电动机纵剖面1—定子；2—永久磁铁；1—定子；2—转子；3—定子绕组；4—压板；3—轴向通风孔；4—转轴5—检测元件；6—接线盒363.3.3交流伺服电动机及其速度控制同步电机373.3.3交流伺服电动机及其速度控制1．交流伺服电动机的结构与工作原理（2）工作原理当定子三相绕组通以交流电后，产生一旋转磁场，以同步转速ns旋转。根据磁极的同性相斥、异性相吸的原理，定子旋转磁场与转子永久磁场磁极相互吸引，并带动转子一起旋转，转子也将以同步转速ns旋转。当转子轴加上外负载转矩时，转子磁极的轴线将与定子磁极的轴线相差一个θ角，若负载越大，θ也随之增大。383.3.3交流伺服电动机及其速度控制2．交流伺服电动机的调速原理060(1)(1)fnSnSp交流电机同步转速n=60f/p异步电动机的转速为改变电动机转速可采用以下几种方法:①改变磁极对数p。②改变转差率调速S。③变频调速f。393.3.3交流伺服电动机及其速度控制3、交流伺服电动机的性能永磁式交流伺服电动机的工作曲线①转矩-速度工作曲线。②高可靠性。③散热容易，便于安装热保护。④转子惯量小，其结构允许高速工作。⑤体积小，质量小。403.3.3交流伺服电动机及其速度控制变频调速的主要环节是为电机提供频率可变电源的变频器。变频器可分为：1）交-交变频利用可控硅整流器直接将工频交流电变成频率较低的脉动交流电，正组输出正脉冲，反组输出负脉冲，这个脉动交流电的基波就是所需的变频电压。413.3.3交流伺服电动机及其速度控制2）交-直-交变频方式先将交流电整流成直流电，然后将直流电压变成矩形脉冲波电压，这个矩形脉冲波的基波就是所需的变频电压。所得交流电的波动小，调频范围比较宽，调节线性度好。数控机床上常采用交-直-交变频调速。423.4数控机床的位置检测装置为了提高数控机床的加工精度，必须提高检测元件和检测系统的精度。一般要求检测元件的分辨率在0.0001～0.1mm之间，测量精度为±（0.001～0.02）mm／m。系统分辨率的提高，对机床加工精度有一定的影响，但不宜过小，分辨率的选取和脉冲当量的选择方法一样，按机床加工精度的1/10～1/3选取。3.4.1概述431）高可靠性和高抗干扰性。2）使用维护方便，适合机床运行环境。3）能够满足精度和速度的要求。4）易于实现高速的动态测量、处理和自动化。5）成本低、寿命长。3.4.1概述1、对位置检测装置的要求441）数字式测量是以量化后的数字形式表示被测的量。特点：测量装置简单，信号抗干扰能力强，且便于显示处理。模拟式测量是将被测的量用连续的变量（如电压变化、相位变化）表示。主要用于小量程的测量。3.4.1概述2、位置检测装置的分类452）增量式测量只测量位移增量，每移动一个测量单位就发出一个测量信号。优点：检测装置简单，任何一个对中点都可以作为测量起点，在轮廓控制数控机床上大都采用这种测量方式。绝对式测量对于被测量的任意一点位置均由固定的零点作基准，每一被测点都有一个相应的测量值。2、位置检测装置的分类3.4.1概述463）直接测量是将检测装置直接安装在执行部件上。测量直线位移量常用光栅、感应同步器等检测装置。优点：直接反映工作台的