数控机床进给伺服系统.ppt

第五讲 数控机床进给伺服系统 武汉船舶职业技术学 院机械系 周兰 数控机床与使用维修 本讲主要内容 数控机床对进给伺服系统的要求 进给伺服系统的组成 数控机床进给伺服系统的分类 典型进给伺服系统 引言 数控机床 伺服系统 是指以机床移动部件的位置和速度作 为控制量的自动控制系统 ， 又称随动系统 。 数控机床的进给伺服系统是数控装置与机床本体间电传 动联系的环节 ， 也是数控系统的执行部分 。 在数控机床中 ， 伺服是指有关的传动或运动参数均严格 按照数控装置的控制指令实现 ， 这些参数主要包括 运动 的速度 、 运动的方向和运动的起停位置 等 。 数控机床的 性能在很大程度上取决于进给伺服系统的性能 。 一、 数控机床对进给伺服系统的要求 1 可逆运行 可逆运行要求能灵活地 正反向运行 。 在加工过程 中 ， 机床工作台处于随动状态 ， 根据加工轨迹的 要求 ， 随时实现正向或反向运动 。 要求在方向变化时 ， 不应有反向间隙和运动损失 。 从能量角度看 ， 应该实现 能量的可逆转换 ， 即在 加工运行时 ， 电动机从电网吸收能量改变为机械 能；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 ， 以实现快速制动 。 2高精度 数控机床是按预定的程序自动进行加工的 ， 不同 于普通机床用手动操作来调整和补偿各种因素对 加工精度的影响 ， 故要求 数控机床的实际位移与 指令位移之差 要小 。 现代数控机床的位移精度一 般为 0.010.001 ， 甚至可高达 0.1m， 以保证 加工质量的一致性 ， 保证复杂曲线 、 曲面零件的 加工精度 。 3调速范围宽 调速范围是指 最高进给速度和最低进给速度之比 。 由于 加工所用刀具 、 被加工零件材质以及零件加工要求的变 化范围很广 ， 为了保证在所有加工情况下都能得到最佳 的切削条件和加工质量 ， 要求进给速度能在很大的范围 内变化 ， 即有很大的调速范围 。 目前最先进水平是在脉冲当量或最小设定单位为 1m的 情况下 ， 进给速度能在 0 240m min的范围内连续可 调 。 一般数控机床的进给速度能在 0 240m min的范 围之内连续可调并能满足加工要求 。 在这一调速范围内 ， 要求速度均匀 、 稳定 ， 低速时无爬行 。 还要求在零速时 伺服电机处于电磁锁住状态 ， 以保证定位精度不变 。 4快速响应并无超调 要求有 良好的快速响应特性 ， 即要求跟踪指令信 号的响应要快 。 伺服系统处于频繁地启动 、 制动 、 加速 、 减速等 动态过程中 ， 为了提高生产率和保证加工质量 ， 则 要求加 、 减速度足够大 ， 以缩短过渡过程时间 。 当负载突变时 ， 过渡过程前沿要陡 ， 恢复时间要 短 ， 且无振荡 。 这样才能得到光滑的加工表面 。 5低速大转矩 机床加工，大多是低速时进行切削，即 在低速时 进给驱动要有大的转矩输出 。 二、进给伺服系统的组成 数控机床进给伺服系统的组成 框图： 1组成 是一个双闭环系统 ， 内环是速度环 ， 外环是位置 环 。 位置环 位置环的输入信号是 计算机给出的指令信号 和 位 置检测装置反馈的位置信号 ， 这个反馈是一个负 反馈 ， 即与指令信号的相位相反 。 指令信号是 向位置环送去 加数 ， 而 反馈信号 向位 置环送去 减数 。 位置检测装置通常有 光电编码器 、 旋转变压器 、 光栅尺 、 感应同步器或磁栅尺 等 。 它们或者直接 对位移进行检测 ， 或者间接对位移进行检测 。 速度环 速度环是一个非常重要的环 ， 由 速度调节器 、 电 流调节器 及 功率放大器 等部分组成 。 它的输入信号有两个：一个是 位置环的输出 ， 作 为速度环的指令信号送给速度环；电动机转速检 测装置测得的 速度信号作为负反馈送给速度环 。 速度环中用作速度反馈检测的装置通常为 测速发 电机 、 脉冲编码器 等 。 三 、 数控机床进给伺服系统的分类 1开环伺服系统（） 开环伺服系统 是最简单的进给伺服系统 ， 无位置 反馈环节 。 伺服驱动装置主要是 步进电机 、 功率步进电机 、 电液脉冲电机 等 。 由数控系统发出的 指令脉冲 ， 经驱动电路控制和 功率放大 后 ， 使步进电机 转动 ， 通过齿轮副与滚 珠丝杠螺母副 驱动执行部件 。 1开环伺服系统（） 控制指令脉冲的 数量 、 频率 以及 通电顺序 ， 便可 控制执行部件运动的 位移量 、 速度 和 运动方向 。 系统的 位移精度 主要 取决于 步进电机的 角位移精 度 、 齿轮丝杠等传动元件的 节距精度 以及系统的 摩擦阻尼特性 等 。 开环伺服系统的结构简单 ， 调试 、 维修方便 ， 成 本低廉 ， 但精度差 ， 一般用于经济型数控机床 。 开环伺服系统示意图 2闭环伺服系统 闭环伺服系统所用的伺服驱动装置主要是 直流或交流伺 服电机以及电液伺服阀 液压马达 。 与开环进给系统最主要的区别是： 安装在执行部件上 的 位置检测装置 ， 测量执行部件的实际位移量并转换成电 脉冲 ， 反馈到输入端并与输人位置指令信号进行比较 ， 求得误差 ， 依此构成闭环位置控制 。 由于采用了位置检测反馈装置 ， 所以闭环伺服系统的 位 移精度 主要 取决于 检测装置的精度 。 闭环伺服系统的定 位精度一般可达 0.01mm 0.005 mm。 闭环伺服系统示意图 3半闭环伺服系统 半闭环伺服系统 是将 检测元件 安装 在 中间传动 件上 ， 间接测量执行部件的位置 。 闭环系统可以消除机械传动机构的全部误差 ， 而 半闭环系统 只能 补偿 系统 环路内部分元件的 误差 。 半闭环系统的精度比闭环系统的精度要低一些 ， 但是它的结构与调试都比较简单 。 半闭环伺服系统示意图 4说明 采用直流或交流伺服电机的 闭环和半闭环伺服系 统 ， 具有较高的精度 、 速度和动态特性 ， 在 数控 机床中得到广泛应用 。 闭环伺服系统的设计和调试都较开环系统困难 。 目前数控机床上 使用半闭环伺服系统较多 ， 只有 在高精度数控机床上才使用全闭环伺服系统 。 全数字伺服系统 随着微电子技术 、 计算机技术和伺服控制技术的 发展 ， 数控机床的伺服系统已经开始采用高速度 、 高精度的 全数字伺服系统 。 由 位置 、 速度和电流构成的三环反馈全部数字化 ， 应用数字 PID算法 ， 用 PID程序来代替 PID调节器 的硬件 ， 使用灵活 ， 柔性好 。 数字伺服系统采用了许多新的控制技术和改进伺 服性能的措施 ， 使控制精度和品质大大提高 。 位置、速度、电流三环结构示意图 四、典型进给伺服系统 1 由步进电机构成的开环控制系统（） 由步进电机构成的 开环控制系统 因受所能达到的精度的 限制 ， 目前 常用于普通机床的数控改造上 。 采用步进电机开环伺服系统的数控机床 ， 其数控装置多 由 单片机构成 ， 步进电机由于采用脉冲方式工作 ， 且各 相需按一定规律分配脉冲 ， 因此 ， 由步进电机所构成的 开环控制系统中 ， 需要脉冲分配逻辑和脉冲产生逻辑 ， 这个功能由 环形脉冲分配器 实现 。 还要求有 功率驱动部 分 。 为了保证步进电机不失步地启停 ， 要求控制系统具 有升降速控制环节 步进电机开环进给伺服系统原理图： 1 由步进电机构成的开环控制系统（） 基本控制原理 由数控装置送来的 定频率和 数量的指令脉冲，经步进电机环形分配器分配和 功率放大器放大后驱动步进电机旋转。 步进电机的使用 步进电机的角位移或线位移 与脉冲数成正比，其转速与脉冲频率成正比，它 将指令脉冲变成步进电机输出轴的旋转运动。 1 由步进电机构成的开环控制系统（ 3） 步进电机开环伺服系统结构简单 ， 安装调试方便 ， 成本低 ， 但精度有限 。 影响精度的因素 精度取决于步进电机和机械装 置的精度 。 系统中 ， 步进电机的步距角精度 ， 机 械传动部件的精度 ， 丝杠 、 支承的传动间隙以及 传动和支承件的变形等 ， 将直接影响进给位移的 精度 。 为了提高系统的精度 ， 应该适当提高系统 组成环节的精度 ， 此外 ， 还可采取传动间隙补偿 和螺距误差补偿等补偿措施 。 2 闭环进给位置伺服系统（ 1） 数控机床的位置控制是数控机床伺服系统的重要 组成部分。 闭环位置控制 主要采用直流伺服电动 机或交流伺服电动机驱动，机床工作台的实际位 移可通过检测装置及时反馈给数控装置中的比较 器，以便与指令位移信号进行比较，两者的差值 又作为伺服电机的控制信号，进而驱动工作台消 除位移误差。 2 闭环进给位置伺服系统（ 2） 闭环系统的分类 由于闭环、半闭环控制系统 采用的位置检测元件不同，使得指令信号与位置 反馈信号的比较方式不同，通常有 脉冲比较 、 相 位比较 和 幅值比较 三种不同的比较方式。 2 闭环进给位置伺服系统（ 3） 脉冲比较伺服系统 工作原理 系统按功能模块大 致可分为三部分： 采用光电脉冲编码器产生位置 反馈脉冲 Pf； 实现指令脉冲 F与反馈脉冲 Pf的脉 冲比较环节 ， 以取得位置偏差信号 e； 以位置偏 差 e作为速度调节系统 。 脉冲比较伺服系统原理图 2 闭环进给位置伺服系统（ 4） 脉冲比较电路 在脉冲比较伺服系统中 ， 实现指 令脉冲 F与反馈脉冲 Pf的比较后 ， 才能检测出位 置的偏差 。 脉冲比较电路的基本组成有两个部分： 一是 脉冲分离部分 ， 二是 可逆计数器 。 脉冲比较环节框图 2 闭环进给位置伺服系统（ 5） 应用可逆计数器实现脉冲比较的基本原理 当输入指令 脉冲为正 （ 即 F ） 或反馈脉冲为负 （ 即 Pf ） 时 ， 可逆 计数器作加法计数；当指令脉冲为负 （ 即 F ） 或反馈脉 冲为正 （ 即 Pf ） 时 ， 可逆计数器作减法计数 。 举例 设初始状态的可逆计数器为全 0， 工作台静止 。 然 后突加正向指令脉冲 F = 1， 计数器加 l， 在工作台移 动之前 ， 可逆计数器的输出即位置偏差 e=+l。 为消除偏 差 ， 工作台应作正向移动 ， 随之产生反馈脉冲外 Pf = 1， 应使可逆计数减 1， e=0。 这样 ， 工作台就在正向前进一 个脉冲当量的位置上停下来 。 反之 ， F 来一个脉冲即 F = 1， 使计数器减 l， e= l。 则有 Pf = 1， 使计数器加 1， e=0。 2 闭环进给位置伺服系统（ 6） 脉冲分离原理 当加 、 减脉冲先后到来时 ， 脉 冲本身就是分离的 ， 则可直接进入可逆计数器按 预定的要求作加法计数或减法计数； 若加 、 减脉 冲同时到来时 ， 则由硬件逻辑电路保证 ， 先作加 法计数 ， 然后经过几个时钟的延时再作减法计数 ， 这样 ， 可保证两路计数脉冲信号均不会丢失 。 脉冲分离电路原理图 2 闭环进给位置伺服系统（ 7） 相位伺服系统的组成及 工作原理 在采用感应同步器作 为位置检测元件的相位伺服系统中 ， 感应同步器取相位 工作状态 ， 以定尺的相位检测信号经整形放大后所得的 PB（ ） 作为位置反馈信号 。 指令脉冲 F经脉冲调相后 ， 转换成重复频率为 f0的脉冲信号 PA（ ） 。 PA（ ） 和 PB （ ） 为两个同频的脉冲信号 ， 它们的相位差 反映了 指令位置与实际位置的偏差 ， 由鉴相器判别检测 。 伺服 放大器和伺服电机构成的调速系统 ， 接受相位差 信号 以驱动工作台朝指令位置进给 ， 实现位置跟踪 。 相位比较伺服系统原理框图 2 闭环进给位置伺服系统（ 8） 幅值比较 伺服系统 是 以位置检测信号的幅值大 小来反映机械位移的数值 ， 并以此作为位置反馈 信号与指令信号进行比较构成的闭环控制系统 。 该系统的特点之一是所用的位置检测元件应工作 在幅值工作方式 ， 而幅值比较伺服系统常用的检 测元件是 感应同步器和旋转变压器 。 幅值比较伺服系统框图 3 半闭环进给位置伺服系统 半闭环伺服系统的 基本构成 系统由 位置控制单 元和速度控制单元构成 。 光电脉冲编码器发出的 脉冲 ， 一方面用作位置的反馈信号 ， 另一方面用 作测速信号 。 当电机的负载变化时 ， 反馈脉冲信 号的频率将随着变化 。 频率 电压变换器的作用 是输出与反馈脉冲信号的频率变化成正比的直流 电压信号 ， 该信号就是速度单元的速度反馈信号 ， 它与速度指令电压比较来控制伺服电机转速 。 半闭环进给伺服系统原理图 思考与练习： 进给伺服系统在数控机床的主要作用是什么 ？ 它主要由哪几部分组成 ， 试用框图表示各部分 的关系 ， 并简要介绍各部分的功能 。 分析数控机床对进给伺服系统的基本要求 ， 并 说明你的理由 。 画出开环 、 闭环 、 半闭环伺服系统的工作原理 图 ， 并分别说明它们的工作原理及特点 。 闭环 、 半闭环进给伺服系统按其控制信号的形 式可分为哪几类 ？ 各类的主要特点是什么 ？