数控机床的伺服系统●伺服系统的组成

第 三 章 数 控 机 床 的 伺 服 系 统 伺 服 系 统 的 组 成 伺 服 系 统 的 基 本 要 求 检 测 装 置 闭 环 进 给 伺 服 系 统 开 环 进 给 伺 服 系 统 变 频 调 速 系 统教 学 目 标 ： 熟 悉 数 控 机 床 伺服 系 统 ， 掌 握 结 构组 成 部 件 原 理 。 在 自 动 控 制 系 统 中 ， 把 被 控 量 以 一 定 的 准 确 度 跟 随 控 制 量的 变 化 而 变 化 的 系 统 称 为 随 动 系 统 ， 亦 称 伺 服 系 统 。 数 控 机 床 的 伺 服 系 统 是 以 机 床 移 动 部 件 的 位 置 和 速 度 为 被控 制 量 的 自 动 控 制 系 统 。 伺 服 驱 动 系 统 接 收 来 自 插 补 装 置 或 插 补 软 件 生 成 的 进 给 脉冲 指 令 ， 经 过 一 定 的 信 号 变 换 及 电 压 、 功 率 放 大 ， 将 其 转化 为 机 床 工 作 台 相 对 于 切 削 刀 具 的 运 动 。 第 一 节 伺 服 系 统 的 组 成 一 、 驱 动 电 路 驱 动 电 路 接 收 CNC装 置 发 出 的 指 令 ， 并 将 这 种 指 令 信 号转 换 成 后 面 执 行 元 件 所 需 要 的 控 制 信 号 的 形 式 ， 经 过 功 率 放大 后 ， 驱 动 执 行 元 件 动 作 。 驱 动 电 路 的 主 要 功 能 是 控 制 信 号 类 型 的 转 变 和 功 率 放 大 。 二 、 执 行 元 件 执 行 元 件 的 功 能 是 接 受 驱 动 电 路 的 控 制 信 号 进 行 转 动 ，从 而 带 动 数 控 机 床 的 工 作 台 按 一 定 的 轨 迹 移 动 ， 进 行 工 件加 工 。 常 用 的 执 行 元 件 有 直 流 电 动 机 、 交 流 电 动 机 ， 也 可 以是 步 进 电 动 机 。 一 般 我 们 把 根 据 电 磁 感 应 原 理 使 发 电 机 转 子 形 成 旋 转 磁 场 的 过 程 称 为 励 磁 传 动 装 置 的 作 用 是 把 执 行 元 件 的 运 动 传 递 给 工 作 台 。在 传 递 过 程 中 ， 它 会 对 运 动 速 度 进 行 变 换 ， 从 而 实 现 速 度和 转 矩 的 改 变 。 传 动 装 置 的 精 度 ， 是 决 定 数 控 机 床 加 工 精度 的 最 重 要 的 一 个 因 素 。 常 用 的 传 动 装 置 包 括 减 速 箱 和 滚珠 丝 杠 等 。三 、 传 动 装 置 四 位 置 检 测 元 件 及 反 馈 回 路对 位 置 的 移 动 准 确 与 否 进 行 检 测 判 断 ， 反 馈 校 正 ， 从 而 提高 了 位 置 控 制 的 精 度 。 数 控 机 床 上 常 用 的 位 置 检 测 元 件 有 光 电 编 码 器 、 直 线 感 应同 步 器 、 光 栅 和 磁 尺 等 。 1952年美国麻省理工学院和帕森斯公司合作研制成功了世界上第一台具有信息存储和处理功能的数控机床 1952年美国麻省理工学院和帕森斯公司合作研制成功了世界上第一台具有信息存储和处理功能的数控机床 五 、 测 速 发 电 机 及 反 馈 回 路对 执 行 元 件 的 转 速 进 行 检 测 判 断 ， 反 馈 校 正 ， 从 而 提 高 了速 度 控 制 的 精 度 。 测 速 发 电 机 只 是 一 种 检 测 元 件 ， 也 可 以 选 择 别 的 。 第 二 节 伺 服 系 统 的 基 本 要 求 一 、 进 给 伺 服 系 统 的 基 本 要 求 1.可 逆 运 行 即 正 反 方 向 都 可 运 行 ， 且 在 换 向 时 间 隙 误 差 小 。2.速 度 范 围 宽 这 样 ， 可 以 根 据 不 同 的 加 工 材 料 、 不 同 的 加 工 要 求 ， 选 用最 佳 的 速 度 。 目 前 ， 最 先 进 的 水 平 是 在 进 给 脉 冲 当 量 为 1um的 情 况下 ， 进 给 速 度 在 O 240m min范 围 内 连 续 可 调 。 对 一 般 数 控 机 床 而 言 ， 进 给 速 度 范 围 在 O 24m min时 ， 都 可 满 足 加 工 要求 。 通 常 在 这 样 的 速 度 范 围 还 可 以 提 出 以 下 更 细 致 的 技 术 要 求 。 (1)在 1mm min 24000mm min即 1： 24000调 速 范 围 内 ， 要 求 速 度 均 匀 、稳 定 、 无 爬 行 ， 且 转 矩 变 化 小 。 (2)在 1mm min以 下 时 具 有 一 定 的 瞬 时 速 度 ， 但 平 均 速 度 很 低 。 (3)在 零 速 时 ， 即 工 作 台 停 止 运 动 时 ， 要 求 电 动 机 有 电 磁 转 矩 以 维 持 定 位精 度 ， 使 定 位 误 差 不 超 过 系 统 的 允 许 范 围 ， 即 电 机 处 于 伺 服 锁 定 状 态 。 3.具 有 足 够 的 传 动 刚 性 和 高 的 速 度 稳 定 性 伺 服 系 统 在 不 同 的 负 载 情 况 下 或 切 削 条 件 发 生 变 化时 ， 应 使 进 给 速 度 保 持 恒 定 。 刚 性 良 好 的 系 统 ， 速 度 受负 载 力 矩 变 化 的 影 响 很 小 。 通 常 要 求 承 受 额 定 力 矩 变 化时 ， 静 态 速 降 应 小 于 5 ， 动 态 速 降 应 小 于 10 。 4.快 速 响 应 无 超 调 快 速 ： 效 率 高 无 超 调 ： 加 工 质 量 高5.高 精 度 6.低 速 大 转 矩 机 床 的 加 工 特 点 ， 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 。 7.对 伺 服 电 机 的 要 求 1、 输 出 大 功 率二 、 主 轴 伺 服 系 统 的 基 本 要 求 在 调 速 范 围 内 均 能 提 供 所 需 的 切 削 功 率 ， 提 供 主 轴电 动 机 的 最 大 功 率 。 为 满 足 数 控 机 床 低 速 、 强 力 切 削 的需 要 ， 常 采 用 分 段 无 级 变 速 的 方 法 (即 在 低 速 段 采 用 机械 减 速 装 置 )， 以 扩 大 输 出 转 矩 。 通 常 主 传 动 电 机 应 有2.5250kw的 功 率 范 围 ， 因 此 ， 对 功 率 驱 动 电 路 提 出 了更 高 的 要 求 。 具 有 足 够 的 功 率 、 宽 的 恒 功 率 调 节 范 围 及 速 度 调 节 范 围 2、 调 速 范 围 大 要 求 主 轴 能 在 较 宽 的 转 速 范 围 内 根 据 数 控 系 统 的 指 令 自 动 实 现无 级 调 速 ， 并 减 少 中 间 传 动 环 节 。 目 前 主 轴 驱 动 装 置 的 恒 转 矩 调 速 范 围 已 可 达 l： 100， 恒 功 率 调速 范 围 也 可 达 l： 30， 过 载 1.5倍 时 仍 可 持 续 工 作 达 30min。 主 轴 变 速 分 为 有 级 变 速 、 无 级 变 速 和 分 段 无 级 变 速 三 种 形 式 ，其 中 有 级 变 速 仅 用 于 经 济 型 数 控 机 床 ， 大 多 数 数 控 机 床 采 用 无 级 变速 或 分 段 无 级 变 速 。 在 无 级 变 速 中 ， 变 频 调 速 主 轴 一 般 用 于 普 及 型数 控 机 床 ， 交 流 伺 服 主 轴 则 用 于 中 、 高 档 数 控 机 床 。 要 求 主 轴 在 正 、 反 向 转 动 时 均 可 进 行 自 动 加 、 减 速 控 制 ， 并 且 加 、减 速 时 间 要 短 。 目 前 一 般 伺 服 主 轴 可 以 在 ls内 从 静 止 加 速 到 6000rmin。 主 轴 驱 动 一 般 为 速 度 控 制 系 统 ， 除 上 面 的 一 般 要 求 外 ， 还 具 有 下面 的 控 制 功 能 。 (1) 主 轴 与 进 给 驱 动 的 同 步 控 制 该 功 能 使 数 控 机 床 具 有 螺 纹 加工 （ 或 螺 旋 槽 ） 能 力 。 (2) 准 停 控 制 在 加 工 中 心 上 为 了 自 动 换 刀 ， 要 求 主 轴 能 进 行 高精 度 的 准 确 位 置 停 止 。 (3) 角 度 分 度 控 制3、 具 有 四 象 限 驱 动 能 力 为 了 满 足 上 述 数 控 机 床 对 主 轴 驱 动 的 要 求 ， 主 轴 电 机 应 具 备 以 下 性 能 ： (1) 电 机 功 率 要 大 ， 且 在 大 的 调 速 范 围 内 速 度 要 稳 定 ， 恒 功 率 调 速 范围 宽 ； (2) 在 断 续 负 载 下 电 机 转 速 波 动 要 小 ； (3) 加 速 、 减 速 时 间 短 ； (4) 温 升 低 ， 噪 声 小 ， 振 动 小 ， 可 靠 性 高 ， 寿 命 长 ， 易 维 护 ， 体 积 小 ，重 量 轻 ； (5) 电 机 过 载 能 力 强 。 第 三 节 检 测 装 置 在 闭 环 系 统 中 ， 它 的 主 要 作 用 是 检 测 位 移 量 ， 并 发 出反 馈 信 号 与 数 控 装 置 发 出 的 指 令 信 号 相 比 较 ， 若 有 偏 差 ，经 放 大 后 控 制 执 行 部 件 ， 使 其 向 着 消 除 偏 差 的 方 向 运 动 ，直 至 偏 差 等 于 零 为 止 。 一 般 要 求 检 测 元 件 的 分 辨 率 (检 测 元件 能 检 测 的 最 小 位 移 量 )在 0.0001 0.01mm之 内 ， 测 量 精 度为 0.001 O.02mm m， 运 动 速 度 为 O 24m min。 一 、 概 述 1.位 置 检 测 装 置 的 要 求 1)受 温 度 、 湿 度 的 影 响 小 ， 工 作 可 靠 ， 能 长 期 保 持 精 度 ，抗 干 扰 能 力 强 。 2)在 机 床 执 行 部 件 移 动 范 围 内 ， 能 满 足 精 度 和 速 度 的 要 求 。 3)使 用 维 护 方 便 ， 适 应 机 床 工 作 环 境 。 4)成 本 低 。 2.位 置 检 测 装 置 的 分 类(1)数 字 式 测 量 与 模 拟 式 测 量 1)数 字 式 测 量 数 字 式 测 量 是 将 被 测 的 量 以 数 字 的 形 式来 表 示 。 测 量 信 号 一 般 为 电 脉 冲 ， 可 以 直 接 把 它 送 到 数 控装 置 进 行 比 较 、 处 理 。 如 光 栅 位 置 检 测 装 置 。 数 字 式 测 量装 置 的 特 点 是 ： 被 测 的 量 转 换 为 脉 冲 个 数 ， 便 于 显 示 和 处 理 。 测 量 精 度 取 决 于 测 量 单 位 ， 与 量 程 基 本 上 无 关 ， 但 存在 累 积 误 差 。 测 量 装 置 比 较 简 单 ， 脉 冲 信 号 抗 干 扰 能 力 较 强 。 2)模 拟 式 测 量 模 拟 式 测 量 是 将 被 测 的 量 用 连 续 变 量 来表 示 ， 如 电 压 变 化 、 相 位 变 化 等 ， 数 控 机 床 所 用 模 拟 式 测量 主 要 用 于 小 量 程 的 测 量 ， 如 感 应 同 步 器 的 一 个 线 距 (2mm)内 的 信 号 相 位 变 化 等 。 在 大 量 程 内 作 精 确 的 模 拟 式 测 量 时 ，对 技 术 要 求 较 高 。 模 拟 式 测 量 的 特 点 是 ： 直 接 测 量 被 测 的 量 ， 无 需 变 换 。 在 小 量 程 内 实 现 较 高 精 度 的 测 量 ， 技 术 上 较 为 成 熟 。如 用 旋 转 变 压 器 、 感 应 同 步 器 等 。 2)增 量 式 测 量 与 绝 对 式 测 量 1)增 量 式 测 量 增 量 式 测 量 的 特 点 是 ： 只 测 位 移 量 ， 如 测 量 单 位 为 0.01mm， 则 每 移 动 O.01mm就 发 出 一 个 脉 冲 信 号 。 在 轮 廓 控 制 的 数 控 机 床 上 大 都 采 用这 种 测 量 方 式 。 典 型 的 测 量 元 件 有 感 应 同 步 器 、 光 栅 、 磁尺 等 。 2)绝 对 式 测 量 绝 对 式 测 量 装 置 对 于 被 测 量 的 任 意 一 点 位 置 均 由 固 定的 零 点 标 起 ， 每 一 个 被 测 点 都 有 一 个 相 应 的 测 量 值 。 装 置的 结 构 较 增 量 式 复 杂 ， 如 编 码 盘 中 ， 对 应 于 码 盘 的 每 一 个角 度 位 置 便 有 一 组 二 进 制 位 数 。 显 然 ， 分 辨 精 度 要 求 愈 高 ，量 程 愈 大 ， 则 所 要 求 的 二 进 制 位 数 也 愈 多 ， 结 构 也 就 愈 复杂 。 3） 直 接 测 量 与 间 接 测 量 1)直 接 测 量 直 接 测 量 是 将 检 测 装 置 直 接 安 装 在 执 行部 件 上 ， 如 光 栅 、 感 应 同 步 器 等 用 来 直 接 测 量 工 作 台 的直 线 位 移 ， 其 缺 点 是 测 量 装 置 要 和 工 作 台 行 程 等 长 。 2)间 接 测 量 间 接 测 量 装 置 是 将 检 测 装 置 安 装 在 滚 珠丝 杠 或 驱 动 电 动 机 轴 上 ， 通 过 检 测 转 动 件 的 角 位 移 来 间接 测 量 执 行 部 件 的 直 线 位 移 。 间 接 测 量 方 便 可 靠 ， 无 长度 限 制 。 其 缺 点 是 测 量 信 号 中 增 加 了 由 回 转 运 动 转 变 为直 线 运 动 的 传 动 链 误 差 ， 从 而 影 响 了 测 量 精 度 。 感 应 同 步 器 是 利 用 电 磁 原 理 将 线 位 移 和 角 位 移 转 换 成电 信 号 的 一 种 装 置 。 根 据 用 途 ， 可 将 感 应 同 步 器 分 为 直 线式 和 旋 转 式 两 种 ， 分 别 用 于 测 量 线 位 移 和 角 位 移 。二 、 感 应 同 步 器 位 置 检 测 装 置 1.感 应 同 步 器 的 结 构 直 线 感 应 同 步 器 的 基 体 通 常 采 用 厚 度 为 10 mm的 铜 板 或 铸 铁 制 成 ， 以 减 小 与机 床 的 温 度 误 差 。 平 面 绕 组 为 铜 箔 ， 通 常 采 用 厚 度 为 0.05mm或 0.07mm的 紫铜 箔 ， 用 绝 缘 粘 结 剂 热 压 黏 结 在 基 体 上 ， 再 利 用 刻 蚀 方 法 制 成 所 需 的 绕 组 。节 距 W2=2(a2+ b2)定 尺 节 距 即 为 检 测 周 期 WW=2mm一 般 取 W1=W2或 者 取 W1=2W/3 2.感 应 同 步 器 的 工 作 原 理电 磁 感 应 的 强 弱 和 相 互 之 间 的 位 置 有 直 接 的 关 系 。 不 同 位 置 时 的感 应 效 果 对 比Wx在 一 个 节 距 内 ， 位 移与 的 关 系 应 为xW 2 滑 尺 在 移 动 一 个 节 距 的 过 程 中 ， 感 应 电 势 (按 余 弦 波 形 )变 化 了 一 个 周 期 。 若 励 磁 电 压 为 tUu m sin则 在 定 尺 绕 组 产 生 的 感 应 电 势 为 tkUe m sincos 1） 鉴 相 方 式 根 据 相 位 来 判 断 通 过 检 测 感 应 电 动 势 的 幅 值 测 量 位 移 2） 鉴 幅 方 式 根 据 幅 值 来 判 断 通 过 检 测 感 应 电 动 势 的 相 位 测 量 位 移 3.感 应 同 步 器 输 出 信 号 的 处 理 方 式 (1)鉴 相 方 式 tUu ms sin tUu mc cos 根 据 叠 加 原 理 ， 定 尺 绕 组 上 总 输 出 感 应 电 势 为 tkUtkUe tkUe mmc ms cossincos)2cos( sincos )2sin()sin( cossinsincos xWtkUtkU tkUtkUee mm mmsc mmmmx 02.02)360/6.3( 例 如 定 尺 输 出 的 感 应 电 动 势 与 滑 尺 励 磁 电 压 之 间 相 位差 为 3.6 ， 在 W=2mm的 情 况 下滑 尺 相 对 定 尺 节 距 为 零 的 位 置 移 动 了 0 02mm。 4 感 应 同 步 器 的 特 点(1)精 度 高 (2)工 作 可 靠 ， 抗 干 扰 性 强 (3)维 修 简 单 、 寿 命 长 (4)测 量 距 离 长 (5)工 艺 性 好 、 成 本 低 、 便 于 成 批 生 产 目 前 直 线 感 应 同 步 器 的 精 度 可 达 0.001mm， 重 复 精 度 0.0002mm， 灵 敏 度 0.00005mm。 三 、 光 栅 位 置 检 测 装 置 光 栅 用 于 数 控 机 床 作 为 检 测 装 置 ， 用 以 测 量 长 度 、 角 度 、速 度 、 加 速 度 、 振 动 和 爬 行 等 。 它 是 数 控 机 床 闭 环 系 统 中 用得 较 多 的 一 种 检 测 装 置 。 1 直 线 透 射 光 栅 的 组 成 光 栅 位 置 检 测 装 置 由 光 源 、 长 光 栅 (标 尺 光 栅 )、 短 光 栅 (指 示 光 栅 )、光 电 接 收 元 件 等 组 成 。 长 光 栅 随 运 动 部 件 移 动 ， 要 求 与 行 程 等 长 。 短 光栅 则 常 固 定 在 机 床 的 相 应 部 件 上 。 长 、 短 光 栅 保 持 一 定 间 隙 (0.050.1mm)重 叠 在 一 起 ， 短 光 栅 在 自 身 的 平 面 内 旋 转 一 个 很 小 的 角 度 。 2 莫 尔 条 纹 的 产 生 和 特 点1一 光 栅 尺 (标 尺 光 栅 ) 2一 指 示 光 栅 3一 光 电 接 收 元 件 4一 光 源 （ 1)放 大 作 用 当 标 尺 光 栅 和 指 示 光 栅 的 夹 角 很 小 时 ， 栅 距w和 莫 尔 条 纹 节 距 B(单 位 ： mm)有 下 列 关 系 WWB sin 莫 尔 条 纹 的 节 距 为 光 栅 栅 距 的 1/ 倍 。 由 于 很 小 (小 于1 O)， 因 此 节 距 B比 栅 距 W放 大 了 很 多 倍 。 若 W=0.01mm， 通 过 减 小 角 ， 将 莫 尔 条 纹 的 节 距 调 成 1Omm时 ， 其 放 大 倍 数 相 当 于 1000倍 (1 =B/W)。 因 此 ， 不 需 要 经过 复 杂 的 光 学 系 统 ， 便 将 光 栅 的 栅 距 放 大 了 1000倍 ， 从 而 大 大减 化 了 电 子 放 大 线 路 ， 这 是 光 栅 技 术 独 有 的 特 点 。 3 直 线 光 栅 的 工 作 原 理 根 据 莫 尔 条 纹 的 移 动 规 律 ， 当 光 栅 尺 移 动 一 个 栅 距 w时 ，莫 尔 条 纹 会 移 动 一 个 节 距 B。 移 动 一 个 节 距 就 会 产 生 一 个 光 电脉 冲 信 号 ， 这 个 信 号 通 过 光 电 元 件 可 以 检 测 到 。 这 样 ， 通 过光 电 元 件 接 收 到 的 脉 冲 个 数 就 可 知 道 光 栅 尺 移 动 了 多 少 个 栅距 w， 移 动 的 距 离 不 满 一 个 栅 距 的 ， 可 以 通 过 检 测 光 的 强 弱 来判 断 。 这 两 方 面 结 合 起 来 ， 就 能 精 确 地 测 量 出 光 栅 尺 的 移 动距 离 。 四 、 编 码 器 的 原 理 与 应 用 1一 光 源 2一 透 镜 3一 光 栏 板 4一 光 电 码 盘 5一 光 电 元 件 6一 参 考 标 记 编 码 器 是 一 种 旋 转 式 测 量 装 置 ， 通 常 安 装 在 被 测 轴 上 ， 随 被 测 轴 一 起 转动 ， 可 将 被 测 轴 的 角 位 移 转 换 成 增 量 脉 冲 形 式 或 绝 对 式 的 代 码 形 式 。条 纹/360如 条 纹 数 为 1024， 则 分 辨 角 352.01024/360 第 四 节 开 环 进 给 伺 服 系 统一 、 步 进 电 动 机 的 工 作 原 理 步 进 电 动 机 是 一 种 将 脉 冲 信 号 变 换 成 角 位 移 (或 线 位 移 )的 电 磁 装 置 ， 步 进 电 动 机 的 角 位 移 与 输 入 脉 冲 个 数 成 正 比 ，在 时 间 上 与 输 入 脉 冲 同 步 。 二 、 步 进 电 动 机 的 主 要 特 性1 步 距 角 与 步 距 角 误 差2 矩 角 特 性 与 最 大 静 转 矩 3 启 动 (突 跳 )频 率 4 连 续 运 行 频 率5 矩 频 特 性 三 、 步 进 电 动 机 的 驱 动1 环 形 分 配 器2 功 率 驱 动 器 简 介 第 五 节 闭 环 进 给 伺 服 系 统一 、 交 流 伺 服 电 动 机 的 分 类 和 特 点1 异 步 交 流 伺 服 电 动 机2 同 步 交 流 伺 服 电 动 机 二 、 永 磁 交 流 伺 服 电 动 机1 永 磁 交 流 伺 服 电 动 机 的 结 构 2 永 磁 交 流 伺 服 电 动 机 的 工 作 原 理 3 永 磁 交 流 伺 服 电 动 机 的 特 性 第 六 节 变 频 调 速 系 统