第二讲数控机床的伺服系统课件

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,0,08 十月 2024,1,第二讲数控机床的伺服系统,第二讲 数控机床的伺服系统,在这一讲，我们一同窗习,数控机床对进给伺服系统的要求,数控伺服驱动系统的分类,步进电机驱动系统,交流伺服系统,一、伺服驱动概述,伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。假设说CNC装置是数控系统的大脑，是发布命令的指挥所，那么进给伺服系统那么是数控系统的四肢，是一种执行机构。它忠实地执行由CNC装置发来的运动命令，准确控制执行部件的运动方向，进给速度与位移量。伺服系统接纳来自数控装置的进给脉冲，经变换和缩小，再驱动数控机床各加工坐标轴运动。这些轴有的带动任务台，有的直接带动刀架，经过几个坐标轴的综合联动，使刀具相关于工件发生各种复杂的机械运动，从而加工出所要求的零件外形。,1、伺服系统的组成,数控机床伺服系统普通由位置检测装置、位置控制模块、伺服驱动装置、伺服电动机及机床进给传动链组成，如图4.1所示。,图4.1闭环伺服系统组成,闭环伺服系统的普通结构通常由位置环和速度环组成。速度环速度控制单元是一个独立的单元部件，它由伺服电动机、伺服驱动装置、测速装置及速度反应组成；位置环由数控系统中的位置控制模块、位置检测装置及位置反应组成。,在伺服系统位置控制中，来自数控装置插补运算失掉的位置指令，与位置检测装置反应来的机床坐标轴的实践位置相比拟，构成位置偏向，经变换为伺服装置提供控制电压，驱动任务台向误差减小的方向移动。在速度控制中，伺服驱动装置依据速度给定电压和速度检测装置反应的实践转速对伺服电动机停止控制，以驱动机床进给传动部件。,2、数控机床对进给伺服系统的要求,数控机床进给伺服系统的功用在很大水平上决议了数控机床的效率及精度的上下。为此数控机床对进给伺服系统的位置控制、速度控制、以及伺服电动机、机械传动等方面都有很高的要求。详细来说有这样一些要求：,1可逆运转,在加工进程中，机床任务台依据加工轨迹的要求，随时都能够完成正向或反向运动。从能量角度看，应该完成能量的可逆转换，即在加工运转时，电动机从电网吸收能质变为机械能；在制动时应把电动机的机械惯功用质变为电能回馈给电网，以完成快速制动。,2速度范围宽,为顺应不同的加工条件，数控机床要求进给能在很宽的范围内无级变化。这就要求伺服电动机有很宽的调速范围和优秀的调速特性。对普通数控机床而言，进给速度范围在024mmin时，就可满足加工要求。,3具有足够的传动刚性和高的速度动摇性,伺服系统在不同的负载状况下或切削条件发作变化时，也就是工件重量发作变化或加工时吃刀深度发作变化时，伺服系统应使刀具进给速度坚持恒定。刚性良好的伺服系统系统，速度受负载力矩变化的影响很小。通常状况，数控机床要求接受的额外力矩变化时，静态速降(静态速降指的是伺服系统带负载运转时的转速和理想空载转速之差)应小于5，静态速降(静态速降指伺服系统在接受突加负载时因电机轴力矩与接受的突加负载不相顺应而形成的短时速度陡降超调现象)应小于10。,4快速照应无超调,数控机床在加工时，为了保证轮廓切削外形精度和提高零件外表光亮度，对位置伺服系统既要求有较高的定位精度，还要求有良好的快速照应特性。这就对伺服系统的静态功用提出两方面的要求：一方面，在伺服系统处于频繁地启动、制动、减速、减速等静态进程中，为了提高消费效率和保证加工质量，要求减速度、减速度足够大，以延长过渡进程时间，普通电动机速度由零到最大，或从最大增加到零，过渡时间应控制在200ms以下，甚至少于几十毫秒，而且速度变化时不应有超调超越给定速度值；另一方面，当负载突变时，过渡进程恢复时间要短且无振荡，这样才干失掉润滑的加工外表。,5高精度,要满足数控加工精度的要求，关键是保证数控机床的定位精度和进给跟随精度。位置伺服系统的定位精度普通要求能到达1m甚至0.1m，相应地，对伺服系统的分辨力也提出了要求，什么是伺服系统的分辨力呢？就是当伺服系统接受数控装置送来的一个脉冲时，任务台相应移动的单位距离叫分辨力，也称脉冲当量。系统分辨力取决于伺服系统动摇任务功用和所运用的位置检测元件。目前的闭环伺服系统都能到达1m的分辨力。高精度数控机床可到达0.1m的分辨力甚至更小。,6低速大转矩,数控机床的切削加工普通在任务台低速时停止，所以低速时进给驱动要有大的转矩输入，以满足低速进给切削的要求。,二、伺服系统的分类,1.按执行机构的控制方式分类,1)开环伺服系统,开环伺服系统没有检测反应装置，数控装置收回的指令信号流程是单向的，其精度主要决议于驱动元件和伺服电机的功用，开环伺服系统所用的电动机主要是步进电动机。移动部件的速度与位移是由输入脉冲的频率和脉冲数决议的，位移精度主要决议于该系统各有关零部件的精度。,按控制原理和有无检测反应环分类：,开环伺服系统,闭环伺服系统,半闭环伺服系统,按运用的伺服电动机类型分类：,直流伺服系统,交流伺服系统,开环控制的优点是：结构复杂、系统动摇、容易调试、本钱昂贵等。但是系统对移动部件的误差没有补偿和校正，所以精度低，位置精度通常为0.010.02mm。普通适用于经济型数控机床。图1.8所示为开环数控系统的表示图。),图1.8开环数控系统,2)闭环控制系统,闭环控制系统是指在机床的运动部件上装置位置测量装置，例如光栅、感应同步器和磁栅等位置测量装置，如图1.9所示。在加工中，位置测量装置将测量到的任务台实践位置反应到数控装置中，与输入的指令位移相比拟，用比拟的差值控制移动部件，直到差值为零，即完成移动部件的最终准确定位。从实际上讲，闭环控制系统的控制精度主要取决于检测装置的精度，它完全可以消弭由于传动部件制造中存在的误差给工件加工带来的影响，所以这种控制系统可以失掉很高的加工精度。但是闭环控制系统的设计和调整都有较大的难度，它主要用于一些精度要求很高的镗铣床、超精车床和加工中心上。,图1.9 闭环控制系统,3半闭环控制系统,半闭环控制系统是在伺服系统的丝杠上或进给电动机的轴上装有角位移检测装置(角位移检测装置有圆光栅、光电编码器及旋转式感应同步器等。半闭环控制系统不是直接测量任务台位移量，而是经过检测丝杠转角直接地测量任务台位移量，然后反应给数控装置，如图1.10所示。这种控制系统实践控制的是丝杠的传动，而丝杠的螺母副的传动误差无法测量，只能靠制造保证。因此半闭环控制系统的精度低于闭环系统。但由于角位移检测装置比直线位移检测装置结构复杂、装置调试方便，因此配有精细滚珠丝杠和齿轮的半闭环系统正在被普遍地采用。目前已逐渐将角位移检测装置和伺服电动机设计成一个部件，使系统变得愈加复杂，装置调试愈加方便，目前，中档数控机床普遍采用半闭环控制系统。,图1.10半闭环控制系统,2.按运用的伺服电动机类型分类,1)直流伺服系统,直流伺服系统常用的直流伺服电动机有小惯量直流伺服电动机和永磁直流伺服电动机这两种。,小惯量伺服电动机最大限制地增加了电枢的转动惯量，所以能取得最好的快速性。在早期的数控机床上运用较多，如今也有运用。小惯量伺服电动机普通都具有高的额外转速和低的转动惯量，所以运用时，要经过中间机械传动(如齿轮副)才干与丝杠相衔接。,永磁直流伺服电动机的转子惯量较大，能直接与丝杠相连而不需中间传动装置。此外，它还有一个特点是可在低速下运转，如能在1rmin甚至在0.1rmin下颠簸地运转。因此，自20世纪70年代至80年代中期，它在数控机床运用上占统治位置。永磁直流伺服电动机的缺陷是有电刷，限制了转速的提高，普通额外转速为10001500rmin，而且结构复杂，价钱较贵。,2)交流伺服系统,交流伺服系统可以运用交流异步伺服电动机(普通用于主轴伺服电动机)或许永磁同步伺服电动机(普通用于进给伺服电动机)。由于直流伺服电动机存在着一些如下面所说的固有的缺陷比如，有电刷，限制了转速的提高，而且结构复杂，价钱较贵。，使其运用环境遭到限制。交流伺服电动机没有这些缺陷，且转子惯量比直流电动机小，使得静态照应好。另内在异样体积下，交流电动机的输入功率可比直流电动机提高1070；其容量也可以比直流电动机造得大，到达更高的电压和转速。因此，交流伺服系统失掉了迅速开展，曾经构成潮流。从20世纪80年代前期末尾，少量运用交流伺服系统，目前，已基本取代了直流电动机。,三、步进电动机驱动系统,步进电动机是一种将电脉冲信号转换为机械角位移的机电执行元件,它同普通电动机一样，由转子、定子和定子绕组组成。当给步进电动机定子绕组输入一个电脉冲，转子就会转过一个相应的角度，并由传动丝杠带动任务台移动。由于步进电动机伺服系统是典型的开环控制系统，它没有任何反应检测环节，其精度主要由步进电动机的步距角和与之相联络的丝杠等传动机构所决议。步进电动机的最高极限速度通常要比伺服电动机低，并且在低速时容易发生振动，影响加工精度，但是步进电动机开环伺服系统具有价钱廉价，结构复杂，调整容易，运转牢靠，无累积误差等优点，所以在速度和精度要求不高的场所仍有普遍的运用价值。,1.步进电动机的任务原理,图4.2a)为三相反响式步进电动机的结构图。它是由转子、定子及定子绕组所组成。定子上有六个均布的磁极，直径方向相对的两个极的线圈串联，构成电动机的一相控制绕组。,图4.2b)所示为反响式步进电动机任务原理表示图。定子、转子是用硅钢片等软磁资料制成的，定子上有A、B、C三对磁极，区分绕有A、B、C三相绕组。三对磁极在空间上相互错开120。转子上有4个齿，它在定子磁场中被磁化，被磁化就会出现磁极性。当定子A相绕组通电时，构成以A-A为轴线的磁场，转子受磁场拉力作用而发生转矩，使转子的1、3两齿和定子的A-A极对齐，如图4.2b)所示；,当A相断电、B相绕组通电时，以B-B为轴线的磁场使转子的2、4两齿和定子的B-B极对齐，转子将在空间逆时针转过30角；当B相断电，C相绕组通电时，以C-C为轴线的磁场，使转子的1、3齿和定子的C-C极对齐，转子将在空间又逆时针转过30角。如此循环按ABCA的顺序通电，转子就会不时地按逆时针方向转动；反过去，如ACBA的顺序通电，转子就会不时地按顺时针方向转动。因此，步进电将会不时旋转。,从一相通电换到另一相通电，叫一拍；每一拍转子转动一步，每步转过角度叫步距角，用表示。,a)b),图42反响式步进电动机任务原理,步进电机的通电方式有3种，现以三相步进电动机为例说明步进电动机的通电方式。,1三相单三拍通电方式,通电顺序为ABCA。三相即是三相步进电动机，每次只要一相绕组通电，而每一个循环只要三次通电，故称为三相单三拍运转。,单三拍通电方式每次只要一相控制绕组通电吸引转子，容易使转子在平衡位置左近发生振荡，运转动摇性较差。另外，在切换时一相控制绕组断电而另一相控制绕组末尾通电，容易形成失步，因此实践上很少采用这种通电方式。,2双三拍通电方式,通电顺序为ABBCCAAB。这种通电方式由两相反时通电，转子遭到的感应力矩大，静态误差小，定位精度高。另外，转换时一直有一相的控制绕组通电，所以任务动摇，不易失步。,3三相六拍通电方式,通电顺序为AABBBCCCAA。这种通电方式是单、双相轮番通电。它具有双三拍的特点，且通电形状添加一倍，而使步距角增加一半。,2.步进电动机的特点：,1步进电动机受脉冲的控制，其转子的角位移量和转速严厉地与输入脉冲的数量和脉冲频率成正比，改动通电顺序可改动步进电动机的旋转方向；改动通电频率可改动电动机的转速。,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，即步进电动机有通电自锁才干，不需求机械制动。,3有一定的步距精度，没有累积误差。,4步进电动机的缺陷是效率低，拖动负载的才干不大，脉冲当量(步距角)不能太大，调速范围不宽，最高输入脉冲频率普通不超越18kHz。,3.步进电动机的驱动及控制,步进电机的运转功用，不只与步进电机自身和负载有关，而且与配套的驱动装置有着十分亲密的关系。步进电动机驱动装置由环形脉冲分配器、功率缩小驱动电路两大局部组成，如图4.5所示。其中，步进电动机驱