数控机床的伺服系统和常用驱动元件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,机床数控技术,*,第,4,章 数控机床的伺服系统和常用驱动元件,4.1,数控机床的伺服系统,4.2,数控机床的驱动电动机,4.3,数控机床的驱动装置,2024/9/20,1,机床数控技术,4.1,数控机床的伺服系统,. 伺服系统的定义、组成,.,定义：,伺服系统(,Servo,System),以机床运动部件的,位置,和,速度,作为控制量的自动控制系统。,进给伺服系统,以机械,位移,为直接控制目标,保证加工轮廓,.,主轴伺服系统,以,速度,控制为主，提供切削转矩和功率,.,当有螺纹加工、准停和恒线速加工时主轴有位置控制要求,.,2.,组成,由伺服电动机、伺服驱动装置、位置检测装置等组成。,电能,机械能,功率放大和速度调节,检测和反馈,2024/9/20,2,机床数控技术,2、特点（,与主运动系统比较）：,功率相对较小；,控制精度要求高；,控制性能要求高，尤其是动态性能。,1.,作用,接受来自数控装置的进给脉冲信号，经过一定的信号变换及电压、功率放大，驱动机床运动部件实现运动，并保证动作的快速性和准确性。,二、进给伺服系统的作用、特点及组成,2024/9/20,3,机床数控技术,3、,组成： 位置控制单元；速度控制单元；驱动元件(电机)；检测与反馈单元；机械执行部件。,位置控制调节器,速度控制,调节与驱动,检测与反馈单元,位置控制单元,速度控制单元,+,+,-,-,电机,机械执行部件,CNC,插补,指令,实际位置反馈,实际速度反馈,2024/9/20,4,机床数控技术,1.,输出位置精度要高,2.,响应快且无超调,三、,NC,机床对数控进给伺服系统的要求,t,F,t,p,t,p,应尽可能短,2024/9/20,5,机床数控技术,3.,调速范围要宽且要有良好的稳定性,调速范围,：,一般要求：,稳定性,：指输出速度的波动要少。,4.,负载特性硬,在系统负载范围内，当负载变化时，输出速度的变化,F,尽可能小，且,t,尽可能短,t,F,t,F,2024/9/20,6,机床数控技术,四、 进给伺服系统的类型,1.,开环数控系统,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,。,电机,机械执行部件,A,相、,B,相,C,相、,f、n,CNC,插补指令,脉冲频率,f,脉冲个数,n,换算,脉冲环形分配变换,功率放大,2024/9/20,7,机床数控技术,无位置反馈，精度不高，其精度主要取决于伺服驱动系统和机械传动机构的性能和精度。,一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。,这类系统具有结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉等优点，在精度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合得到广泛应用。一般用于经济型数控机床。,特点：,2024/9/20,8,机床数控技术,2.,全闭环数控系统,全闭环数控系统的位置采样点如图所示，直接对运动部件的实际位置进行检测。,位置控制调节器,速度控制,调节与驱动,检测与反馈单元,位置控制单元,速度控制单元,+,+,-,-,电机,机械执行部件,CNC,插补,指令,实际位置反馈,实际速度反馈,2024/9/20,9,机床数控技术,特点：,从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节的误差、间隙，具有很高的位置控制精度。,由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的，故很容易造成系统的不稳定，使闭环系统的设计、安装和调试都相当困难。,该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精磨床以及较大型的数控机床等。,2024/9/20,10,机床数控技术,3.,半闭环数控系统,半闭环数控系统的位置采样点如图所示，是从驱动装置(常用伺服电机)或丝杠引出，采样旋转角度进行检测，不是直接检测运动部件的实际位置。,位置控制调节器,速度控制,调节与驱动,检测与反馈单元,位置控制单元,速度控制单元,+,+,-,-,电机,机械执行部件,CNC,插补,指令,实际位置反馈,实际速度反馈,2024/9/20,11,机床数控技术,特点：,半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，因此可获得比较稳定的控制性能。,由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难以消除。因此，其精度较闭环差。但可对这类误差进行补偿。,半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度也较高，因而在现代,CNC,机床中得到了广泛应用。,2024/9/20,12,机床数控技术,4,.2,数控机床的驱动电动机,电机是伺服系统的动力部件，提供运动所需的动力。在数控机床上常用的电机有：,图,4-4,数控机床驱动电动机的常用种类,2024/9/20,13,机床数控技术,一、步进电动机,步进电机流行于70年代，该系统结构简单、控制容易、维修方便。用于小容量、低速、精度要求不高的场合，如经济型数控；打印机、绘图机等计算机的外部设备。,步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制，并,将电脉冲信号转换成相应机械角位移,的机电执行元件。,当输入一个电脉冲时，电动机的转轴就转过一个相应的角度，该角度称为,步距角,。,角位移脉冲个数,转速脉冲频率,转向与分配脉冲的相序有关,2024/9/20,14,机床数控技术,1、分类,按转矩产生的工作原理分：,反应式,和,励磁式,按输出力矩大小分：,伺服步进电机和,功率步进电机,按励磁组数分：,三相,、四相、五相、六相步进电机,2,、结构及工作原理,以,三相反应式步进电动机为例,由定子、定子绕组和转子组成,。,图,4-5,三相反应式步进电动机结构示意图,1,定子,2,绕组,3,转子,工作方式：,三相单三拍,三相双三拍,三相单双六拍,2024/9/20,15,机床数控技术,(1),三相单三拍工作方式,通电顺序,ABCA,转子逆时针旋转,通电顺序,ACBA,转子顺时针旋转,一拍从一相通电换接到另一相通电,三相激磁绕组依次单独通电运行,为简化分析，假设步进电动机转子上只有,4,个齿,缺点：,易在切换瞬间失去自锁转矩，产生失步，或在平衡位置产生振荡。,2024/9/20,16,机床数控技术,(,2),三相双三拍工作方式,在实际工作过程中多采用,双三拍,工作方式，即定子绕组的通电顺序为,AB-BC-CA-AB,或,AC-CB-BA-AC，,此时有两对磁极同时对转子的两对齿进行吸引，每步仍然旋转30。,由于在步进电机工作过程中始终保持有一相定子绕组通电，所以工作比较平稳。,2024/9/20,17,机床数控技术,(,3),三相单双六拍工作方式,如果按,A-AB-B-BC-C-CA-A(,逆时针转动)或,A-AC-C-CB-B-BA-A(,顺时针转动)的顺序通电，称三相单双六拍工作方式。,每步转过15,，,步距角是三相三拍工作方式步距角的一半。,由于电动机运转中始终有一相定子绕组通电，运转也比较平稳。,2024/9/20,18,机床数控技术,实际应用的步进电动机转子上的齿数很多,，,因为齿数越多步距角越小，控制精度越高。通常的步距角是,3,、,1.5,或,0.75,。,为此，在定子磁极上也制成同样大小的小齿。,但各极的齿依次与转子的齿错开齿距的1,3(,三相三拍,),或,1/6(,三相六拍,),。,（,a）,电动机的步距角结构 （,b）,展开后的齿距,图4-8 三相反应式步进电动机的步距角结构及展开后的齿距,假定三相步进电机转子上有40个小齿,每次定子绕组通电状态改变时，转子只转过齿距的1,3 (,三相三拍)或1,6 (,三相六拍)即达到新的平衡位置。,2024/9/20,19,机床数控技术,3,步进电动机的特点,（,1,）转子的角位移和转速严格地与输入脉冲的数量和脉冲频率成正比，改变通电顺序可改变步进电动机的转向。,（,2,）维持控制绕组的电流不变，电动机便停在某一位置上不动，即不需要机械制动。,（,3,）有一定的步距精度，没有累积误差。,（,4,）缺点是效率低，拖动负载的能力不大，最高输入脉冲频率一般不超过,18kHz,。,2024/9/20,20,机床数控技术,4,、步进电机的主要特性,(1)步距角,及其步距误差,指每输入一个脉冲信号，转子应转过角度的理论值。它取决于电机结构和控制方式。,式中,m,定子相数；,z,转子齿数；,k,通电系数，,若连续两次通电相数相同为,1，,若不同则为2。,数控机床所采用步进电动机的步距角一般都很小，通常为3、15或075等。,步距角越小，控制精度越高。,步进电动机一转内各实际步距角与理论步距角之间存在误差，误差的最大值定为,步距误差,。它的大小受制造精度、齿槽分布的不均匀和气隙不均匀等因素影响，通常在,10,左右。,2024/9/20,21,机床数控技术,(2)静态矩角特性和最大静转矩,当步进电动机单相通直流电时，转子处于静态。如果在电机轴上施加一个负载转矩，转子会在载荷方向上转过一个角度,，,转子因而受到一个电磁转矩,T,的作用与负载平衡。,静态电磁转矩,失调角,静态矩角特性,T,随,的变化曲线。,当外加转矩取消后，转子在,T,作用下，仍能回到稳定平衡点,0。,2024/9/20,22,机床数控技术,衡量承载能力,转子,定子,2024/9/20,23,机床数控技术,(3)启动转矩,Tq,和启动频率,fq,电机运行状态的最大启动转距,Tq,负载力矩,Tq,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。,空载启动时，步进电机定子绕组通电状态变化的频率必须小于启动频率，才能正常启动。,T,T,2024/9/20,24,机床数控技术,（,4,）连续运行频率,步进电动机启动以后，其运行速度能跟踪指令脉冲频率连续上升而不丢步的最高工作频率。,连续运行频率是决定定子绕组通电状态最高变化频率的参数，即决定了步进电动机的最高转速。其值远大于启动频率 。,2024/9/20,25,机床数控技术,（,5,）矩频特性与动态转矩,矩频特性,T,=F,（,f,）描述步进电动机连续稳定运行时，输出转矩与连续运行频率之间的关系。,该特性上每一个频率对应的转矩称为动态转矩。,图,4-10,步进电动机的矩频特性,2024/9/20,26,机床数控技术,图,4-11,步进电动机驱动工作台的典型结构,4、步进电动机的选择,主要用于经济型数控或普通机床的数控化改造中。,在选用时，应根据驱动对象的转矩、精度和控制特性来选择。,（,1,）首先应确定步进电动机的类型。,（,2,）根据机床的加工精度要求，选择进给轴的脉冲当量，如,0.01mm,或,0.005mm,。,（,3,）根据所选步进电动机的步距角、丝杠的螺距以及所要求的脉冲当量，计算减速齿轮的降速比。,(4),电动机的输出转矩应大于负载转矩,.,(5),带载启动频率应为空载启动频率的一半,.,2024/9/20,27,机床数控技术,图,4-11,步进电动机驱动工作台的典型结构,采用减速齿轮的作用：,容易配置出所要求的脉冲当量；,减小工作台和丝杠折算到电动机轴上的惯量；,增大工作台的推力。,步进电动机的步距角（,）；,脉冲当量（,mm/,脉冲）；,h,丝杠螺距（,mm,）,根据所要求的脉冲当量,，齿轮减速比,i=Z,1,/Z,2,的计算：,P120,2024/9/20,28,机床数控技术,传动比选择：,齿轮传动副降速比,i=Z,1,/Z,2,与,、,、h,之间有如下关系：,例：, = 0.01,mm h = 6 mm,= 0.75,2024/9/20,29,机床数控技术,二、伺服电动机,直流伺服电机的工作原理是,建立在电磁力和电磁感应的基础上的,。,20世纪,7080,年代中期，直流伺服电机在,NC,机床中广泛采用,。,80,年代后期，交流伺服电机成为主流。,2024/9/20,30,机床数控技术,1,伺服电动机的性能,（,1,）能够平稳运转，转矩波动要小，低速无爬行现象。停止时，电磁转矩要能锁住伺服系统。,（,2,）伺服电动机应具有较长时间的过载能力。,（,3,）应有较小的转动惯量和较大的堵转转矩。,（,4,）伺服电动机应具有频繁启动、制动和正、反转的能力。,2024/9/20,31,机床数控技术,（,a）,直流电动机的结构原理图 （,b）,直流电动机的,电路原理图,图4-12 直流电动机的工作原理图,t,a,a,2.,直流伺服电动机的工作原理,作用在电枢上的电压,U,应等于反电势与电枢压降之和，即有电压平衡方程：,U,=,E,a,+,I,a,R,a,E,a,= K,e,n,+,-,+,2024/9/20,32,机床数控技术,调节直流电动机的转速有三种方法：,改变电枢电压,U,。,调速范围很宽，常用于进给驱动调速。,改变磁通量,（,R,j,） 。这种方法由于激磁回路的电感较大，导致调速的快速性变差，但速度调节容易控制，用于数控机床主传动调速。,在电枢回路中串联调节电阻,R,t,，,这种方法的损耗大，且转速只能调低，故不经济。,2024/9/20,33,机床数控技术,3.,直流伺服电动机的类型,具有较高的力矩,/,惯量比,(1)小惯性直流伺服电机,响应快，低速运转稳定而均匀，能频繁启动与制动。,过载能力低，自身惯量比机床相应运动部件的惯量小,在早期的数控机床上应用得比较多。,(2) 大惯量宽调速直流伺服电机,转子直径较大、力矩大，转动惯量大，且能够在较大过载转矩时长时间地工作，因此可以直接与丝杠相连。,能够在较低转速下实现平稳运行，最低转速可以达到1,rmin，,甚至01,rmin。,目前数控机床广泛采用这类电动机构成闭环进给系统。,2024/9/20,34,机床数控技术,4.,大惯量直流伺服电机的特点,过载倍数大，时间长；,具有大的转矩/惯量比，电机的响应速度快；,调速范围大，与高性能的速度控制单元组成速度控制系统时，调速范围超过10000；,带有高精度的检测元件(速度和转子位置检测元件)。,由于直流伺服电机具有优良的调速性能， 80年代初至90年代中，它的应用一直占据主导地位。,电刷、换向器易磨损，维护不便；,结构复杂，制造困难。,2024/9/20,35,机床数控技术,5.,交流伺服电机,交流电机在结构上克服直流伺服电机的缺点，同时又充分发挥了坚固耐用、经济可靠、动态响应好，输出功率大等优点。,因此，在某些场合，交流伺服电机已逐渐取代直流伺服电机。,2024/9/20,36,机床数控技术,1,2,3,4,图4-15 三相交流永磁同步电动机的横剖面,1定子 2永久磁铁 3轴向通风孔 4转轴,2,1,3,4,5,6,图4-16 三相交流永磁同步电动机的纵剖面,1定子 2转子 3压板 4定子三相绕组,5脉冲编码器 6出线盒,三相交流永磁同步电动机的工作原理,它由定子、转子和检测元件三部分组成,。,定子具有齿槽，槽内嵌有三相绕组,。,转子由多块永久磁铁和冲片组成,。,定子三相绕组产生的空间旋转磁场和转子磁场相互作用，使定子带动转子一起旋转。,2024/9/20,37,机床数控技术,工作原理：,由定子绕组产生旋转磁场，使转子跟随定子旋转磁场一起运行。,交流,永磁式,伺服电机转速与外加交流电源的频率存在着严格的同步关系、即电动机的转速等于同步转速，常用于,进给伺服,系统。,交流,感应式,伺服电机由于需要转速差才能产生电磁转矩所以电机的转速低于同步转速，转速差随外负载的增大而增大。常用于,主轴伺服,系统。,电机转速,f,交流电源的频率（,Hz,）；,p,定子和转子的极对数；,n,r,转子转速（,r,min,）；,n,s,同步转速（,r,min,）；,s,滑差率。,变频调速,2024/9/20,38,机床数控技术,图,4-19,液体冷却主轴电动机,1,、,8-,油,/,空气出口,2-,油,/,空气入口,3,、,6-O,形圈,4-,冷却油入口,5-,定子外壳,7-,通道档板,6.,新型电动机,（,1,）液体冷却主轴电动机,2024/9/20,39,机床数控技术,（,2,）内装式主轴电动机,图,4-20,内装式主轴电动机,2024/9/20,40,机床数控技术,（,3,）直线电进给动机 ,直接驱动工作台高速移动,直线电机最高速度可达,150180,m/min,，,加速度可达,60100,m/s,2,；,而滚珠丝杠：一般不超过,2030,m/min,，,最大加速度,13,m/s,2,。,1,直线滚动导轨,2,床身,3,工作台,4,直线电动机运动件（绕组）,5-,直线电动机固定件（永久磁钢）,2024/9/20,41,机床数控技术,4,3,数控机床的驱动装置,驱动装置接受数控系统输出的速度控制信号，输出电能驱动电动机。各类驱动电机的驱动装置如下：,矢量变频控制,通用变频器控制,交流主轴电动机,晶闸管控制（,SCR,）,直流主轴电动机,主轴,自控变频控制,他控变频控制,交流伺服电动机,晶闸管控制（,SCR,）,脉宽调制（,PWM,）,直流伺服电动机,单电压供电、高低压切换、细分驱动等,步进电动机,进给,驱动装置,驱动电机,部位,2024/9/20,42,机床数控技术,一、步进驱动装置,脉冲分配控制和功率放大。脉冲分配有硬件和软件两种控制方法：硬环分、软环分。,驱动装置可分两类：一类驱动装置本身包括环形分配器，数控装置只要发脉冲即可；另一类驱动装置没有环形分配器，由数控装置直接控制步进电动机各绕组的通断电。,2024/9/20,43,机床数控技术,1,脉冲分配控制,脉冲分配控制用于控制步进电动机的通电运行方式。,数控机床上采用的步进电动机有三相、四相、五相和六相等。工作方式有单,m,拍、双,m,拍及,2,m,拍等，,m,是电动机的相数。,电动机的相数越多，其工作方式越多。,2024/9/20,44,机床数控技术,AB,ABC,BC,BCD,CD,CDE,DE,DEF,EF,EFA,FA,FAB,AB,A,AB,B,BC,C,CD,D,DE,E,EF,F,FA,A,十二拍,AB,BC,CD,DE,EF,FA,AB,双六拍,A,B,C,D,E,F,A,单六拍,六相,AB,ABC,BC,BCD,CD,CDE,DE,DEA,EA,EAB,AB,A,AB,B,BC,C,CD,D,DE,E,EA,A,十拍,AB,BC,CD,DE,EA,AB,双五拍,A,B,C,D,E,A,单五拍,五相,AB,ABC,BC,BCD,CD,CDA,DA,DAB,AB,A,AB,B,BC,C,CD,D,DA,A,八拍,AB,BC,CD,DA,AB,双四拍,A,B,C,D,A,单四拍,四相,A,AB,B,BC,C,CA,A,六拍,AB,BC,CA,AB,双三拍,A,B,C,A,单三拍,三相,通,电,顺,序,循环拍数,相数,常用的反应式步进电动机的工作方式及其通电顺序,循环拍数越多，步距角越小，定位精度越高,2024/9/20,45,机床数控技术,2,硬件环形分配器,实用的环形分配器均是集成化的专用电路芯片。,图,4-21,三相硬件环形分配器的驱动控制,2024/9/20,46,机床数控技术,3,软件脉冲分配控制,软件脉冲分配控制中常用查表法。 其基本设计思路是求出脉冲分配器输出的状态字，并将其组成的状态表存入,EPROM,中。然后根据转向取出状态字实现控制。,图,4-22,软环分驱动控制,2024/9/20,47,机床数控技术,假设计算机并行接口,PA0,、,PA1,、,PA2,分别与步进电动机的,A,、,B,、,C,三相对应，,EPROM,表格首址为,2000H,，脉冲分配表 ：,反转,正转,01H,03H,02H,06H,04H,05H,2000H,2001H,2002H,2003H,2004H,2005H,1,1,0,0,0,1,0,1,1,1,0,0,0,0,0,1,1,1,1,2,3,4,5,6,内容,地址,PA,0,PA,1,PA,2,方向,存贮单元,A,B,C,序号,2024/9/20,48,机床数控技术,图,4-23,查表法程序设计流程,反转,正转,01H,03H,02H,06H,04H,05H,2000H,2001H,2002H,2003H,2004H,2005H,1,1,0,0,0,1,0,1,1,1,0,0,0,0,0,1,1,1,1,2,3,4,5,6,内容,地址,PA,0,PA,1,PA,2,方向,存贮单元,A,B,C,序号,2024/9/20,49,机床数控技术,4,驱动放大电路,驱动放大电路的功能是将环形分配器发出的,TTL,电平信号放大至几安培到十几安培的电流，送至步进电动机的各相绕组。,（,1,）对驱动放大电路的要求, 能提供前后沿陡的接近矩形波的励磁电流, 电路本身的功耗小，效率高。, 成本较低且便于维修。, 能稳定可靠地运行。,2024/9/20,50,机床数控技术,（,2,）典型的驱动放大电路,驱动放大电路控制方式包括,单电压驱动、高低压切换驱动,、高压恒流斩波、调频调压、,细分驱动,等。,V,sr,图,4-24,单电压供电驱动电路,绕组,环分输出的一相,绕组控制信号,当,Vsr,1,截止,导通,2024/9/20,51,机床数控技术,sr,图,4-25,高低压切换驱动原理,（,2,）典型的驱动放大电路,2024/9/20,52,机床数控技术,细分驱动,将一个步距角细分成若干微步的驱动方法,矩形电流波供电时，绕组中的电流基本上从零值跃到额定值，或从额定值降至零值。,若绕组中的电流经若干阶梯上升到额定值，或经若干阶梯下降至零值，即在每次输入脉冲切换时，不是将绕组电流全部通入或切除，而是改变相应绕组中额定电流的一部分。,细分驱动的优点是使步进电动机的步距精度提高，运行更加平稳，提高了匀速性，并能减弱或消除振荡。,2024/9/20,53,机床数控技术,5.,步进电动机的进给控制,速度控制,v,=60, f,（,mm/min,）,(2),自动升降速控制,t,图,4-26,直线与指数加、减速控制曲线,f,进给脉冲频率,为防止步进电机在变速过程中出现过冲或失步，其频率不能突变！,2024/9/20,54,机床数控技术,二、直流伺服驱动装置,速度：,作用：将转速指令信号转换成电枢的电压值，,从而进行速度调节。,调速系统：晶闸管（,SCR,）调速系统、,晶体管脉宽控制（,PWM,）调速系统,2024/9/20,55,机床数控技术,1.,晶闸管（,SCR,）调速系统,具有良好的动、静态指标，启、制动过程快。适用于大功率的直流伺服电机调速控制,2024/9/20,56,机床数控技术,2024/9/20,57,机床数控技术,2.,晶体管脉宽控制（,PWM,）调速系统,具有很好的调速性能，在精度和速度要求较高的直流伺服电机调速控制。,2024/9/20,58,机床数控技术,本章重点:,伺服系统的作用,进给伺服系统的类型及其特点,步进电动机步距角的概念、转速和转向的控制；步进电动机的三种工作方式,直流伺服驱动装置中常用的两种调速系统的类型,2024/9/20,59,机床数控技术,