第6章-数控机床的伺服系统

1第6章数控机床的伺服系统6.1概述6.2伺服电机6.3速度控制6.4位置控制2第6章数控机床的伺服系统本章重点:主轴伺服系统和进给伺服系统；本章难点:交流伺服驱动的工作原理。36.1概述6.1.1伺服系统的组成数控机床的伺服系统按其功能可分为：进给伺服系统和主轴伺服系统。主轴伺服系统用于控制机床主轴的转动。进给伺服系统是以机床移动部件（如工作台）的位置和速度作为控制量的自动控制系统，通常由伺服驱动装置、伺服电机、机械传动机构及执行部件组成。46.1.1伺服系统的组成进给伺服系统的作用：接受数控装置发出的进给速度和位移指令信号，由伺服驱动装置作一定的转换和放大后，经伺服电机和机械传动机构，驱动机床的工作台等执行部件实现工作进给或快速运动。如果把数控装置比作数控机床的“大脑”，是发布“命令”的指挥机构，那么伺服系统就是数控机床的“四肢”，是执行“命令”的机构，它是一个不折不扣的跟随者。56.1.1伺服系统的组成进给伺服系统的一般结构如图所示，这是一个双闭环结构，内环为速度环，外环为位置环。全闭环进给伺服系统的一般结构66.1.1伺服系统的组成速度环由速度控制单元、速度检测装置等构成。是用来控制电机转速的。速度检测装置有测速发电机、脉冲编码器等。位置环是由CNC装置中的位置控制模块、速度控制单元、位置检测及反馈控制等部分组成。伺服系统从外部来看，是一个以位置指令输入和位置控制为输出的位置闭环控制系统。但从内部的实际工作来看，它是一个双闭环系统。76.1.2对伺服系统的基本要求（1）位移精度高伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确程度。伺服系统的位移精度是指指令脉冲要求机床工作台进给的位移量和该指令脉冲经伺服系统转化为工作台实际位移量之间的符合程度。两者误差愈小，位移精度愈高。86.1.2对伺服系统的基本要求（2）稳定性好稳定性是指系统在给定外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来平衡状态的能力。稳定性直接影响数控加工精度和表面粗糙度。96.1.2对伺服系统的基本要求（3）快速响应它反映了伺服系统跟踪精度。机床进给伺服系统实际上就是一种高精度的位置随动系统，为保证轮廓切削形状精度和低的表面粗糙度，要求伺服系统跟踪指令信号的响应要快，跟随误差小。106.1.2对伺服系统的基本要求（4）调速范围宽调速范围是指生产机械要求电机能提供的最高转速和最低转速之比。在数控机床中，由于所用刀具、加工材料及零件加工要求的不同，为保证在各种情况下都能得到最佳切削条件，就要求伺服系统具有足够宽的调速范围。116.1.2对伺服系统的基本要求（5）低速大扭矩要求伺服系统有足够的输出扭矩或驱动功率。机床加工的特点是，在低速时进行重切削。因此，伺服系统在低速时要求有大的扭矩输出。126.1.2对伺服系统的基本要求（6）可逆运行要求能灵活地正反向运行。在加工过程中，机床工作台处于随机状态，根据加工轨迹的要求，随时都可能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的损失。从能量角度看，应该实现能量的可逆转换，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。136.1.3伺服系统的分类（1）按调节理论分类●全闭环伺服系统；●开环伺服系统；●半闭环伺服系统；（2）按使用的执行元件分类●电液伺服系统；●直流伺服系统；●交流伺服系统；146.1.3伺服系统的分类（3）按被控对象分类●进给伺服系统；●主轴伺服系统；（4）按反馈比较控制方式分类●脉冲、数字比较伺服系统；●相位比较伺服系统；●幅值比较伺服系统；●全数字伺服系统。156.1.3伺服系统的分类开环伺服系统采用步进电机作为驱动元件，它没有位置反馈回路和速度反馈回路，步进电机转过的角度与指令脉冲个数成正比，其速度由进给脉冲的频率决定。开环伺服系统简图166.1.3伺服系统的分类全闭环伺服系统如图，其位置检测装置安装在机床的工作台上，将测量值反馈给CNC装置，与指令进行比较，构成闭环位置控制。176.1.3伺服系统的分类半闭环伺服系统将位置检测元件安装在电动机轴上，通过滚珠丝杠等传动部件，将角度转换成工作台的位移，为间接测量。186.1.3伺服系统的分类进给驱动与主轴驱动●进给伺服系统包括速度控制环和位置控制环，用于数控机床工作台或刀架坐标的控制系统，控制机床各坐标轴的切削进给运动，并提供切削过程所需转矩。●主轴伺服系统是一个速度控制系统，控制机床主轴的旋转运动，为机床主轴提供驱动功率和所需的切削力，且保证任意转速的调节。196.1.3伺服系统的分类直流伺服系统是控制直流电机的系统。目前使用比较多的是永磁式直流伺服电机。永磁直流伺服电机，调速范围宽，输出转矩大，过载能力强，转动惯量较大，应用较方便。●但直流电机有电刷，限制了转速的提高，而且结构复杂，价格也高。206.1.3伺服系统的分类交流伺服系统进入90年代后，由于交流电机调速技术的突破，交流伺服驱动系统进入电气传动调速控制的各个领域。●交流伺服电机，转子惯量比直流电机小，动态响应好。而且容易维修，制造简单，适合于在较恶劣环境中使用，易于向大容量、高速度方向发展，其性能更加优异，已达到或超过直流伺服系统，交流伺服电机已在数控机床中得到广泛应用。216.1.3伺服系统的分类直线电动机驱动系统其实质是把旋转电动机沿径向剖开，然后拉直演变而成，利用电磁作用原理，将电能直接转换成直线运动动能的一种推力装置。与旋转电动机的最大区别是使机床进给传动链的长度缩短为零，带来了旋转电动机驱动方式无法达到的性能指标和优点。●由于直线电动机在机床中的应用目前还处于初级阶段，还有待进一步研究和改进。226.1.4伺服系统的发展伺服机构的产生早于数控机床。早在40年代，伺服机构已在技术领域内取得较大的进展，当时主要用于武器系统的位置随动，一般只要求稳、准、快，对调速要求不高，所以只有位置反馈。到50年代，伺服机构开始用于数控机床。当时主要采用步进电动机驱动，由于受大功率晶体管生产条件的制约，步进电动机输出功率小，切削量很小，效率较低，只用于复杂形面的加工。236.1.4伺服系统的发展1959年，日本FANUNC公司开发研制了电液脉冲马达，使伺服驱动力矩大大提高，扩展了数控机床的应用。60年代几乎是电液伺服的全盛时期。由于液压机构的噪声、漏油、效率低、维护不便等本质上的缺点，不少厂家都致力于电动伺服的研制。如德国SIMENS公司、美国GE公司等力图研制一种高灵敏度的直流伺服电动机。246.1.4伺服系统的发展1969年美国CETTYS公司推出了大惯量直流伺服电动机。与机床传动机构达到惯量匹配，可直接与丝杠相连。同时，能瞬时输出数倍于额定扭矩的加速扭矩，使得动态响应大大加快。日本FANUC公司，于1974年，采用PWM晶体管脉宽调制系统作为其驱动控制电源，于1976年正式推出以大惯量电动机为基础的闭环直流伺服系统，并结束了它自己开创的电液开环伺服系统。256.1.4伺服系统的发展由于直流电动机存在换向火花和电刷磨损等问题，美国通用电气(GE)公司于1983年研制成功采用笼型异步交流伺服电动机的交流伺服系统。采用矢量变换控制变频调速，使交流电动机具有和直流电动机—样的控制性能，又具有机构简单、可靠性高、成本低，以及电动机容量不受限制和机械惯性小等优点。日本于1986年又推出了全数字交流伺服系统。266.2伺服电动机伺服电动机是数控伺服系统的重要组成部分，是速度和轨迹控制的执行元件。数控机床中常用的伺服电机：●直流伺服电机（调速性能良好）●交流伺服电机（主要使用的电机）●步进电机（适于轻载、负荷变动不大）●直线电机（高速、高精度）276.2.1直流伺服电机及工作特性数控机床常用的直流电动机有：●直流进给伺服系统：永磁式直流电机；●直流主轴伺服系统：励磁式直流电机；直流伺服驱动系统的一般结构286.2.1直流伺服电机及工作特性(1)直流伺服电机的结构296.2.1直流伺服电机及工作特性(2)直流电机的工作原理他激直流电动机原理图306.2.1直流伺服电机及工作特性(2)直流电机的工作原理●电磁转矩：M=kTIa,(kT转矩系数；Ia电枢电流)●反电动势：Ea=ken,(ke电势系数；n电枢转速)Ea=ke60ω/2π，（ω：电枢转速，rad/s）●电枢电压等于反电动势与电枢压降之和，即ua=Ea+IaRa=ken+IaRa,(Ra电枢电阻)●电压平衡方程式：n=(ua-IaRa)/ke●调整：ua，ke可以调整直流电机速度。●调整Rt可以调整磁场Φ进而可以调整ke。316.2.1直流伺服电机及工作特性(3)直流电机的静态特性●电磁转矩：TM=kTΦIa,Φ：定子磁场磁通；●反电动势：Ea=keΦω,●电压平衡方程：Ua=IaRa+Ea,●转速方程或机械特性，即静态特性：MTeaeaTkkRkU2326.2.1直流伺服电机及工作特性直流电动机的机械特性336.2.1直流伺服电机及工作特性(3)直流电机的静态特性●稳定运行时，电磁转矩与负载转矩相等；●负载转矩TL=0时，电磁转矩也为零：TM=0；●理想空载转速：●启动转矩：Tq=kTΦUa/Ra；堵转转矩；●机械特性：LTeaTkkR2eakU0346.2.1直流伺服电机及工作特性(4)直流电机的动态特性●力矩平衡方程●式中TM─电机电磁转矩；TL─折算到电机轴上的负载转矩；ω─电机转子角速度；J─电机转子上总转动惯量；t─时间自变量。dtdJTTLM356.2.1直流伺服电机及工作特性(5)永磁直流伺服电动机永磁式大惯量宽调速直流电动机的基本结构366.2.1直流伺服电机及工作特性(5)永磁直流伺服电动机永磁式直流电动机工作原理示意图376.2.2交流伺服电机及工作特性直流伺服电机的缺点：●电刷和换向器易磨损；●电机最高转速的限制，应用环境的限制；●结构复杂，制造困难，成本高。交流伺服电机的优点：●转速高、动态响应好、输出功率大；交流伺服电机形式：●同步型交流伺服电机；●异步型交流感应伺服电机。386.2.2交流伺服电机及工作特性（1）永磁交流同步伺服电机永磁交流同步伺服电机结构1—定子；2—转子；3—脉冲编码器；4—定子三相绕组；5—接线盒396.2.2交流伺服电机及工作特性（1）永磁交流同步伺服电机●旋转磁场转速与转子转速同步：n0=nr=60f/p●f：交流电源频率；p：转子磁级对数永磁交流同步伺服电机的工作原理图406.2.2交流伺服电机及工作特性（1）永磁交流同步伺服电机永磁交流同步伺服电机的特性曲线416.2.2交流伺服电机及工作特性（2）交流主轴伺服电机交流主轴伺服电机与普通交流异步感应电机的比较示意图426.2.2交流伺服电机及工作特性交流主轴电机的要求：●大功率、鼠笼式交流异步伺服电机；●低速恒转矩、高速恒功率交流主轴伺服电机的特性曲线436.2.2交流伺服电机及工作特性（3）交流伺服电机的发展●永磁交流同步伺服电机的发展①新永磁材料的应用，钕铁硼，可以缩小电动机体积；②永久磁铁的结构改进，内装永磁交流同步伺服电机，与外装永磁电机相比，结构更牢固，允许在更高的转速下运行。③与机床部件一体化的电机空心轴永磁交流同步伺服电机446.2.2交流伺服电机及工作特性（3）交流伺服电机的发展●交流主轴伺服电机的发展①输出转换型交流主轴电机；三角-星形切换，绕组数切换或二者组合切换。②液体冷却电机；③内装式主轴电机高速电主轴。456.2.3步进电机及其工作特性（1）步进电机工作原理●步进电机伺服系统是典型的开环控制系统。步进电机是受驱动线路控制，将进给脉冲序列转换成为机械转角位移，并通过齿轮和丝杠带动工作台移动。●进给脉冲的频率代表了驱动速度，脉冲的数量代表了位移量，而运动方向是由步进电机的各相通电顺序来决定。●系统没有反馈检测环节。466.2.3步进电机及其工作特性（1）步进电机工作原理三相反应式步进电机结构476.2.3步进电机及其工作特性（1）步进电机工作原理反应式步进电