《进给伺服系统》PPT课件.ppt

下午8时36分,数控技术,1,进给伺服系统,第六章 进给伺服系统,下午8时36分,数控技术,2,第六章 进给伺服系统,第一节 概述 第二节 进给伺服系统的位置检测装置 第三节 进给伺服驱动系统 第四节 典型进给伺服系统(位置控制) 第五节 伺服系统性能分析 第六节 伺服系统的特性对加工精度的影响,第六章 进给伺服系统,下午8时36分,数控技术,3,第六章 进给伺服系统,内容提要 本章将详细讨论进给伺服系统的软件硬件结构；进给伺服系统基本功能的原理及实现方法。,第六章 进给伺服系统,下午8时36分,数控技术,4,进给伺服系统是数控系统主要的子系统。如果说CNC装置是数控系统的“大脑”，是发布“命令”的“指挥所”，那么进给伺服系统则是数控系统的“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，精确控制执行部件的运动方向，进给速度与位移量。,第六章 进给伺服系统,第六章 进给伺服系统,下午8时36分,数控技术,5,立式铣床,下午8时36分,数控技术,6,主轴电机,伺服电机,刀库刀具定位电机,机械手旋转定位电机,带制动器伺服电机,加工中心,数控机床的伺服驱动,下午8时36分,数控技术,8,下午8时36分,数控技术,9,伺服驱动系统（Servo System),CNC系统,驱动电路,检测装置,控制信号,反馈信号,光栅尺,伺服驱动系统,下午8时36分,数控技术,10,第一节 概 述,第六章 进给伺服系统,下午8时36分,数控技术,11,第一节 概述,进给伺服系统(Feed Servo System)以移动部件的位置/角度和速度作为控制量的自动控制系统。它接收数控单元的位移/速度控制指令,驱动工作台/主轴按照的要求进行运动。 CNC装置是数控机床的“大脑” ， “指挥机构”，进给伺服系统是数控机床的“四肢” ， “执行机构”。 伺服系统直接影响移动速度、跟踪精度、定位精度等一系列重要指标，是数控机床的关键技术。,第六章 进给伺服系统,进给伺服系统的定义及组成 1、定义：,下午8时36分,数控技术,12,第一节 概述,第六章 进给伺服系统,2、组成：,进给伺服系统主要由以下几个部分组成：位置控制单元；速度控制单元；驱动元件(步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机)；检测与反馈单元（感应同步器、旋转变压器、光栅、脉冲编码器等）；机械执行部件。,下午8时36分,数控技术,13,第一节 概述,第六章 进给伺服系统,下午8时36分,数控技术,14,第一节 概述,第六章 进给伺服系统,3.作用:,接受CNC装置发出的位移/速度指令信号，由伺服驱动装置作一定的转换和放大后，经伺服电机（直流、交流伺服电机、步进电机等）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。,下午8时36分,数控技术,15,二、NC机床对数控进给伺服系统的要求,第一节 概述,第六章 进给伺服系统,1高精度（输出量能复现输入量的精确程度） 2稳定性好（抗干扰能力） 3响应速度快（系统跟踪精度） 4电机调速范围宽（最高转速和最低转速比） 5低速大转矩 6可靠性高(对环境的适应性),下午8时36分,数控技术,16,二、NC机床对数控进给伺服系统的要求,调速范围要宽且要有良好的稳定性(在调速范围内) 调速范围： 一般要求： 稳定性：指输出速度的波动要少，尤其是在低速时的平稳性显得特别重要。,第一节 概述,第六章 进给伺服系统,下午8时36分,数控技术,17,输出位置精度要高 静态：定位精度和重复定位精度要高，即定位误差和重复定位误差要小。(尺寸精度) 动态：跟随精度，这是动态性能指标，用跟随误差表示。 (轮廓精度) 灵敏度要高，有足够高的分辩率。,第一节 概述,第六章 进给伺服系统,下午8时36分,数控技术,18,负载特性要硬 在系统负载范围内， 当负载变化时，输出速度应基本不变。即F尽可能小； 当负载突变时，要求速度的恢复时间短且无振荡。即t尽可能短； 应有足够的过载能力。 这是要求伺服系统有良好的静态与动态刚度。,第一节 概述,第六章 进给伺服系统,下午8时36分,数控技术,19,响应速度快且无超调 这是对伺服系统动态性能的要求，即在无超调的前提下，执行部件的运动速度的建立时间 tp 应尽可能短。 通常要求从 0Fmax（Fmax0），其时间应小于200ms，且不能有超调，否则对机械部件不利，有害于加工质量。,第一节 概述,第六章 进给伺服系统,下午8时36分,数控技术,20,能可逆运行和频繁灵活启停。 系统的可靠性高，维护使用方便，成本低。 综上所述： 对伺服系统的要求包括静态和动态特性两方面； 对高精度的数控机床，对其动态性能的要求更严。,第一节 概述,第六章 进给伺服系统,下午8时36分,数控技术,21,三、伺服系统的分类 按控制原理和有无检测反馈装置：开环和闭环伺服系统； 按其用途和功能：进给驱动系统和主轴驱动系统； 按其驱动执行元件的动作原理：电液伺服驱动系统、电气伺服驱动系统（直流伺服驱动系统、交流伺服驱动系统及直线电机伺服系统）,第一节 概述,第六章 进给伺服系统,下午8时36分,数控技术,22,第一节 概述,第六章 进给伺服系统,下午8时36分,数控技术,23,第一节 概述,第六章 进给伺服系统,闭环进给伺服系统结构,下午8时36分,数控技术,24,第二节 进给伺服系统的位置检测装置,第六章 进给伺服系统,下午8时36分,数控技术,25,第二节 进给伺服系统的位置检测装置,、概 述 组成：位置测量装置是由检测元件（传感器）和信号处理装置组成的。 作用：实时测量执行部件的位移和速度信号，并变换成位置控制单元所要求的信号形式，将运动部件现实位置反馈到位置控制单元，以实施闭环控制。它是闭环、半闭环进给伺服系统的重要组成部分。 闭环数控机床的加工精度在很大程度上是由位置检测装置的精度决定的，在设计数控机床进给伺服系统，尤其是高精度进给伺服系统时，必须精心选择位置检测装置。,第六章 进给伺服系统,下午8时36分,数控技术,26,进给伺服系统对位置测量装置的要求 高可靠性和高抗干扰性： 受温度、湿度的影响小，工作可靠，精度保持性好，抗干扰能力强； 能满足精度和速度的要求： 位置检测装置分辨率应高于数控机床的分辨率（一个数量级）； 位置检测装置最高允许的检测速度应数控机床的最高运行速度。 使用维护方便，适应机床工作环境； 成本低。,第二节 进给伺服系统的位置检测装置,第六章 进给伺服系统,下午8时36分,数控技术,27,. 位置检测装置的分类,第二节 进给伺服系统的位置检测装置,第六章 进给伺服系统,在数控机床中，位置检测的对象有工作台的直线位移及回转工作台的角位移等，与此相对应有直线式和旋转式检测装置。 直接测量：位置检测装置所测量的对象就是被测量值本身，如直线式测直线位移、旋转式测角位移。 直线测量：光栅、感应同步器、磁栅等； 旋转位置检测：光电编码器、旋转变压器。 间接测量：用旋转式检测装置反映工作台的直线位移，即通过角位移与直线位移的线性关系求出工作台的直线位移。 如丝杠螺距为6mm，角位移测量值为300,则工作台直线位移为6mm/3600*300=0.5mm半闭环,按输出信号的形式分类：数字式和模拟式 按测量基点的类型分类：增量式和绝对式 按位置检测元件的运动形式分类：回转型和直线型,下午8时36分,数控技术,28,常用位置检测装置分类表,第二节 进给伺服系统的位置检测装置,第六章 进给伺服系统,增量式测量特点是只测位移增量，即工作台每移动一个基本长度单位，检测装置便发出一个测量信号(通常为脉冲形式)。 这样，一个脉冲所代表的基本长度单位就是分辨率，通过对脉冲计数便可得到位移量。如分辨率为0.01mm/脉冲，当计数脉冲为200时，表示工作台移动了0.01*200=2mm 绝对式测量的特点是，被测的任一点的位置都从一个固定的零点算起，每一个被测点都有一个对应的测量值。,下午8时36分,数控技术,29,二. 脉冲编码器,脉冲编码器又称码盘，是一种回转式数字测量元件，通常装在被检测轴上，随被测轴一起转动，可将被测轴的角位移转换为增量脉冲形式或绝对式的代码形式。根据内部结构和检测方式码盘可分为接触式、光电式和电磁式3种。其中，光电码盘在数控机床上应用较多，而由霍尔效应构成的电磁码盘则可用作速度检测元件。另外，它还可分为绝对式和增量式两种。,第二节 进给伺服系统的位置检测装置,第六章 进给伺服系统,下午8时36分,数控技术,30,. 增量脉冲编码器,结构及工作原理,第二节 进给伺服系统的位置检测装置,第六章 进给伺服系统,下午8时36分,数控技术,31,第二节 进给伺服系统的位置检测装置,第六章 进给伺服系统,下午8时36分,数控技术,32,光电码盘随被测轴一起转动，在光源的照射下，透过光电码盘和光欄板形成忽明忽暗的光信号，光敏元件把此光信号转换成电信号，通过信号处理装置的整形、放大等处理后输出。输出的波形有六路： 其中， 是 的取反信号。,第二节 进给伺服系统的位置检测装置,第六章 进给伺服系统,下午8时36分,数控技术,33,输出信号的作用及其处理,A、B两相的作用 根据脉冲的数目可得出被测轴的角位移； 根据脉冲的频率可得被测轴的转速； 根据A、B两相的相位超前滞后关系可判断被测轴旋转方向。 Z相的作用 被测轴的周向定位基准信号； 被测轴的旋转圈数记数信号。,A,B,90O,第二节 进给伺服系统的位置检测装置,第六章 进给伺服系统,下午8时36分,数控技术,34,增量式码盘的规格及分辨率,规格 增量式码盘的规格是指码盘每转一圈发出的脉冲数； 现在市场上提供的规格从 36线/ 转 到 10万线 /转 都有； 选择：伺服系统要求的分辨率； 考虑机械传动系统的参数。 分辨率（分辨角） 设增量式码盘的规格为 n 线/转：,第二节 进给伺服系统的位置检测装置,第六章 进给伺服系统,下午8时36分,数控技术,35,. 光电编码器的特点,非接触测量，无接触磨损，码盘寿命长，精度保证性好； 允许测量转速高，精度较高；。 光电转换，抗干扰能力强； 体积小，便于安装，适合于机床运行环境； 结构复杂，价格高，光源寿命短； 码盘基片为玻璃，抗冲击和抗震动能力差。,第二节 进给伺服系统的位置检测装置,第六章 进给伺服系统,下午8时36分,数控技术,36,内容小结,1、进给伺服系统的定义及组成 2、数控机床对数控进给伺服系统的要求 。 3、位置检测装置的分类。 4、光栅 5、脉冲编码器,下午8时36分,数控技术,37,习题与思考题,1、名词解释： 进给伺服系统 2、简述数控机床对数控进给伺服系统的要求。 3、简述位置检测装置的分类。 4、简述脉冲编码器的工作原理。 5、简述增量脉冲编码盘中A、B、Z三相输出信号的作用。,下午8时36分,数控技术,38,第三节 进给伺服驱动系统,第六章 进给伺服系统,下午8时36分,数控技术,39,第三节 进给伺服驱动系统,、概述 进给伺服驱动系统：由进给伺服系统中的 电机及其控制和驱动装置 组成。 电机：进给系统的动力部件，它提供执行部件运动所需的动力，在数控机床上目前常用的电机有： 步进电机 直流伺服电机 交流伺服电机 直线电机。,第六章 进给伺服系统,下午8时36分,数控技术,40,速度单元：电机的控制和驱动装置，通常驱动电机与速度控制单元是相互配套供应的，其性能参数都是进行了相互匹配，这样才能获得高性能的系统指标。 速度控制单元主要作用：接受来自位置控制单元的速度指令信号，对其进行适当的调节运算(目的是稳速)，将其变换成电机转速的控制量(频率，电压等)，再经功率放大部件将其变换成电机的驱动电量，使驱动电机按要求运行。简言之：调节、变换、功放。,第三节 进给伺服驱动系统,第六章 进给伺服系统,下午8时36分,数控技术,41,进给驱动系统的特点（与主运动（主轴）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。,第三节 进给伺服驱动系统,第六章 进给伺服系统,下午8时36分,数控技术,42,、步进电机及其驱动装置,步进电机流行于70年代，该系统结构简单、控制容易、维修方面，且控制为全数字化。随着计算机技术的发展，除功率驱动电路之外，其它部分均可由软件实现，从而进一步简化结构。因此，这类系统目前仍有相当的市场。目前步进电机仅用于小容量、低速、精度要不高的场合，如经济型数控；打印机、绘图机等计算机的外部设备。,第三节 进给伺服驱动系统,第六章 进给伺服系统,下午8时36分,数控技术,43,、直流伺服电机及驱动,直流电机的工作原理是建立在电磁力定律基础上的，电磁力的大小正比于电机中的气隙磁场，直流电机的励磁绕组所建立的磁场是电机的主磁场，按对励磁绕组的励磁方式不同，直流电机可分为： 他激式、 并激式、 串激式、 复激式、 永磁式。 20世纪8090年代中期，永磁式直流伺服电机在NC机床中广泛采用。,第三节 进给伺服驱动系统,第六章 进给伺服系统,下午8时36分,数控技术,44,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，电机的加速大，响应快。 低速转矩大，惯量大，可与丝杆直接相联。 调速范围大：12000。 带有高精度的速度和角位置检测元件； 电机允许温度达150以上，由于温升高，影响机床精度 因转子惯性大，电源容量以及机械传动件的刚度都需相应增大。 电刷、维护不便,第三节 进给伺服驱动系统,第六章 进给伺服系统,下午8时36分,数控技术,45,、交流伺服电机及驱动,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，在要求调速性能较高的场合，直流伺服电机调速系统的应用一直占据主导地位。但其却存在一些固有的缺点，即： 电刷和换向器易磨损，维护麻烦 结构复杂，制造困难，成本高 而交流伺服电机则没有上述缺点。特别是在同样体积下，交流伺服电机的输出功率比直流电机提高10%70%，且可达到的转速比直流电机高。因此，人们一直在寻求交流电机调速方案来取代直流电机调速的方案。,第三节 进给伺服驱动系统,第六章 进给伺服系统,下午8时36分,数控技术,46,分 类,第三节 进给伺服驱动系统,第六章 进给伺服系统,下午8时36分,数控技术,47,第四节 典型进给伺服系统(位置控制),第六章 进给伺服系统,下午8时36分,数控技术,48,开环数控系统进给运动控制,开环系统控制原理 步进电动机的原理及特点 1.工作台位移量的控制 2.工作台进给速度的控制,下午8时36分,数控技术,49,第四节 典型进给伺服系统(位置控制),. 开环进给伺服系统(Open-Loop System) 不带位置测量反馈装置的系统； 驱动电机只能用步进电机； 主要用于经济型数控或普通机床的数控化改造,第六章 进给伺服系统,下午8时36分,数控技术,50,. 步进电机的特点,第六章 进给伺服系统,1) 送给步进电动机定子绕组一个电流脉冲，其转子就转过了一个角度，并称之为步距角。 2) 有脉冲就走，无脉冲则停。 3) 脉冲数增加，角位移随之增加。 4) 脉冲频率越高，电动机转速越高；反之则低。 5) 脉冲频率变化太快，会引起失步或过冲。 6) 改变分配脉冲的相序就可改变电动机旋转方向。 7) 步进电动机运行状态是步进形式，故称之为步进电动机。 8) 定子绕组所加电源要求是脉冲电流形式,故也称之为脉冲电动机 9) 输出转角精度较高，并且一般只有相邻误差，但无积累误差。,6.4.1步进电机工作原理 按电磁吸引原理工作（以反应式步进电机为例） 反应式步进电机的定子上有磁极，每个磁极上有激磁绕组，转子无绕组，有周向均布的齿，依靠磁极对齿的吸合工作。,两个相对的磁极组成一相。,注意：这里的“相”和三相交流电中的“相”的概念不同。步进电机通的是电脉冲，主要是指线图的联接和组数的区别。,6.4.1步进电机工作原理,步进电机的工作方式(通电顺序)可分为： 三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等。,1）三相单三拍：,（1）三相绕组联接方式：Y 型,6.4.1步进电机工作原理,A 相通电使转子1、3齿和 AA 对齐,B,B,A,C,C,A,B相通电，转子2、4齿和B相轴线对齐,C,C相通电，转子1、3齿和C相轴线对齐,A,B,C,1,3,2,4,A,B,C,1,3,2,4,A,6.4.1步进电机工作原理,三相单三拍的特点：,（1）每来一个电脉冲，转子转过 30。,（2）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序。,（3）每次定子绕组只有一相通电，在切换瞬间失去自锁转矩，容易产生失步，只有一相绕组产生力矩吸引转子，在平衡位置易产生振荡 。,6.4.1步进电机工作原理,2)三相六拍工作方式 通电顺序为：AABBBCCCAA 六拍。,6.4.1步进电机工作原理,通电顺序 AABBBCCCAA（逆时针） AACCBCBCAA（顺时针） 每步转过15，步距角是三相三拍工作方式的一半， 特点：电机运转中始终有一相定子绕组通电，运转比较平稳。,6.4.1步进电机工作原理,3)双三拍工作方式 定子绕组通电顺序为 ABBCCAAB（转子逆时针旋转） ACBCCA（转子顺时针旋转） 有两对磁极同时对转子的两对齿进行吸引，每步仍旋转30。 特点：始终有一相定子绕组通电，工作比较平稳。避免了单三拍通电方式的缺点,6.4.1步进电机工作原理,实际上步进电机转子齿数很多，齿数越多，步距角越小,为改善运行性能，定子磁极上的齿的齿距与转子的齿距相同，但各极的齿依次与转子的齿错开齿距的1m（m电机相数）。每次定子绕组通电状态改变时，转子只转过齿距的1m（如三相三拍）或12m（如三相六拍）达到新的平衡位置。,6.4.1步进电机工作原理,齿距的1m（m电机相数）,3600/ Z,6.4.1步进电机工作原理,转子40个齿，若通电为三相三拍，当转子齿与A相定子齿对齐时，转子齿与B相定子齿相差（3），与C相定子齿相差（6）。,6.4.1步进电机工作原理,每给一个脉冲信号，电机转子转过角度的理论值。,1步距角,m定子相数；z转子齿数；k通电系数， m相m拍，k1；m相2m拍，k2。,一般很小，如：31.5，1.50.75，0.720.36等,6.4.2 步进电机的主要特性,静态：步进电机处于通电状态，转子处在不动状态。 静态转矩Mj ：在电机轴上施加一个负载转矩M，转子会在载荷方向上转过一个角度（失调角），转子因而受到一个电磁转矩Mj的作用与负载平衡。,2矩角特性、最大静态转矩Mjmax和启动转矩Mq,矩角特性：步进电机单相通电的静态转矩Mj随失调角的变化曲线。,6.4.2 步进电机的主要特性,启动频率或突跳频率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状态所允许的最高频率。 高于启动频率，将不能正常起动。 启动时的惯频特性：是指电机带动纯惯性负载时启动频率和负载转动惯量之间的关系。,3启动频率fq和启动时的惯频特性,步进电机在带负载（尤其是惯性负载）下的启动频率比空载要低。,6.4.2 步进电机的主要特性,连续运行频率：步进电机启动后，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。其值远大于启动频率。 运行矩频特性：是描述步进电机在连续运行时，输出转矩与连续运行频率之间的关系。,4运行矩频特性,6.4.2 步进电机的主要特性,步进电机的加减速特性描述步进电机由静止到工作频率和由工作频率到静止的加、减速过程中，定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系。 当要求步进电机启动到大于启动频率的工作频率时，变化速度必须逐渐上升；从最高工作频率或高于启动频率的工作频率停止时，变化速度必须逐渐下降。逐渐上升和下降的加速、减速时间不能过小，否则会失步或超步。,5加、减速特性,6.4.2 步进电机的主要特性,下午8时36分,数控技术,67,失步或过冲,因为负载位置对控制电路没有反馈，步进电机就必须正确响应每次励磁变化。如果励磁频率选择不当，电机不能够移到新的位置，那么实际的负载位置相对控制器所期待的位置出现永久误差，即发生失步现象或过冲现象。 失步和过冲现象分别出现在步进电机启动和停止的时候。 一般情况下，系统的极限启动频率比较低，而要求的运行速度往往比较高。如果系统以要求的运行速度直接启动，因为该速度已超过极限启动频率而不能正常启动，轻则可能发生丢步，重则根本不能启动，产生堵转。 系统运行起来以后，如果达到终点时立即停止发送脉冲串，令其立即停止，则由于系统惯性作用，电机转子会转过平衡位置，如果负载的惯性很大，会使步进电机转子转到接近终点平衡位置的下一个平衡位置，并在该位置停下。 升降速控制,5加、减速特性,6.4.2 步进电机的主要特性,1根据相数分类 有三、四、五、六相等，相数越多，步距角越小， 通电方式采用m相m拍、双m拍和m相2m拍，m相m拍和m相2m拍通电方式中，可采用一/二相、二三相转换通电， 如五相步进电机，五相十拍的二三相转换方式：ABABCBCBCDCDCDEDEDEAEAEAB 如四相步进电机，四相单双八拍通电顺序：AABBBC CCDDAA,单四拍、双四拍的通电顺序,6.4. 3 步进电机的分类,根据定子与转子间磁场建立方式，可分：反应式、永磁反应式（混合式）两类。 反应式步进电机：定子有多相磁极，其上有励磁绕组，转子无绕组，用软磁材料制成，由被励磁的定子绕组产生反应力矩实现步进运行 永磁反应式步进电机：定子结构与反应式相似，转子用永磁材料制成或有励磁绕组、由电磁力矩实现步进运行。,2根据产生力矩的原理分类,6.4. 3 步进电机的分类,可将步进电机分两类：伺服步进电机 功率步进电机 伺服步进电机（快速步进电机），输出力矩在几十数百Nm，只能带动小负载，加上液压扭矩放大器可驱动工作台。 功率步进电机输出力矩在550Nm以上，能直接驱动工作台。,3根据输出力矩的大小分类,6.4. 3 步进电机的分类,下午8时36分,数控技术,71,a 反应式步进电动机,1) 控制十分方便。 2) 气隙小。从制造工艺方面考虑，气隙大一些为好，但从电动机电性能方面考虑，要求气隙小一些。一般气隙处在3050m范围。 3) 步距角小。由于定子和转子均采用软磁材料制成，加工容易，所以转子齿数可以做得多一些。 4) 励磁电流(磁场)大,要求驱动电源功率也较大,因此效率较低。 5) 电动机内部阻尼较小，当相数较少时，单步运行振荡时间较长 6) 带惯性负载能力差，尤其在高频时容易失步。 7) 断电后无定位转矩。,6.4. 3 步进电机的分类,下午8时36分,数控技术,72,反应式步进电机和混合式步进电机的根本区别在于其转子是否具有永久磁性。 反应式步进电机转子上没有永久磁钢，所以转子的机械惯量比混合式步进电机的转子惯量低，因此可以更快地加、减速。 混合式步进电机转子有永久磁钢，所以在绕组未通电时，转子永久磁钢产生的磁通能产生自定位转矩，虽然这比绕组通电时产生的转矩小得多，很有用：使其在断电时，仍能保持转子的原来位置。 反应式步进电机在断电时靠干摩擦负载转矩或靠专门的磁定位或机械定位装置来实现定位。,a反应式步进电动机,下午8时36分,数控技术,73,b永磁式步进电动机,永磁式步进电动机的转子或定子的某一方具有永久磁钢，另一方用软磁材料制成。例如某步进电动机转子是由充过磁的永久磁钢制成，定子由硅钢片叠成，且有三对绕组，这样当定子绕组中轮流连续通电后，建立的电磁场与永久磁钢的恒定磁场相互作用而产生转矩，带动转子旋动起来。 1) 步距角大。由于一个圆周上所能形成的磁极数受到极弧尺寸的限制，不能太多，所以它的步距角不能太小。一般为15、22.5、30、45、90等。 2) 控制功率小，效率高。 3) 内阻尼较大，单步振荡时间短。 4) 断电后具有一定的定位转矩，这对需要锁定的场合十分有用,下午8时36分,数控技术,74,c永磁反应式步进电动机,从某种程度上讲，永磁反应式步进电动机是反应式步进电动机和永磁式步进电动机两者的结合。（磁路内含有永久磁钢；定子和转子中含有软磁材料） 1) 控制功率小，效率高。 2) 齿距角小。当用于数控系统中时可减小脉冲当量，从而提高了系统精度。 3) 运行频率高(几十kHz)。 4) 在相同输出转矩情况下，外径相对较小。 5) 断电后具有一定的锁定力矩。 6) 永磁易失磁，则会有振荡点和失步区。,下午8时36分,数控技术,75,6.4.4 步进电机开环系统设计,步进电机开环系统设计要解决的主要问题： 动力计算 、传动计算、 驱动电路设计或选择 目的：传动计算选择合适的参数以满足脉冲当量和进 给速度F的要求。 图中：f 脉冲频率（HZ ） 步距角 （度） Z1、Z2 传动齿轮齿数 t 螺距(mm) 脉冲当量（mm）,第四节 典型进给伺服系统(位置控制),第六章 进给伺服系统,下午8时36分,数控技术,76,1.工作台位移量的控制,数控装置发出的N个进给脉冲，经驱动电路放大后，变换成步进电动机定子绕组通电、断电的电流变化次数N， 使步进电动机定子绕组的通电状态改变N次， 决定了步进电动机的角位移量 ，再经减速齿轮、丝杠、螺母后转变为工作台的位移量L。,对应关系： 进给脉冲数量N定子绕组通电状态变化次数N 步进电动机转子角位移 机床工作台位移量L,开环系统的脉冲当量为：,:步进电动机步距角 h：滚珠丝杠螺距 i：减速齿轮的减数比,6.4.4 步进电机开环系统设计,下午8时36分,数控技术,77,传动比选择： 为了凑脉冲当量mm，也为了增大传递的扭矩，在步进电机与丝杆之间，要增加一对齿轮传动副，那么，传动比i=Z1/Z2与、 、t之间有如下关系： 例： = 0.01 t = 6 mm = 0.75,第四节 典型进给伺服系统(位置控制),第六章 进给伺服系统,下午8时36分,数控技术,78,2 工作台进给速度控制,进给脉冲频率f经驱动放大后转化为步进电动机定子绕组通电/断电状态变化的频率，从而决定步进电动机转子的转速。 经减数齿轮、丝杠、螺母之后，体现为工作台的进给速度v。,对应关系： 进给脉冲频率f定子绕组通电/断电的变化频率f 步进电动机转速工作台进给速度v,开环系统进给速度v60f f输入到步进电动机的脉冲频率,6.4.4 步进电机开环系统设计,下午8时36分,数控技术,79,进给速度F： 一般步进电机： 若：=0.01 mm 则： 若 =0.001mm 则： 因此，当 一定时， 与成正比，故我们在谈到步进电机开环系统的最高速度时，都应指明是在多大的脉冲当量下的 否则是没有意义的。,第四节 典型进给伺服系统(位置控制),第六章 进给伺服系统,下午8时36分,数控技术,80,3.工作台运动方向的控制,改变步进电动机输入脉冲信号的循环顺序方向，就可改变步进电动机定子绕组中电流的通/断循环顺序，从而实现正/反转改变工作台进给方向 在步进电动机驱动的开环数控系统中，输入的进给脉冲数量、频率、方向经驱动控制线路和步进电动机后，可以转换为工作台的位移量、进给速度和进给方向，从而满足对位移控制的要求。,6.4.4 步进电机开环系统设计,下午8时36分,数控技术,81,:步进电动机步距角 h：滚珠丝杠螺距 i：减速齿轮的减数比,脉冲当量直接影响加工零件的精度、表面粗糙度及进给速度。一般对精度要求较高数控机床如线切割机床、坐标镗床，脉冲当量可取0.001-0.0025mmHz，以保证0.01-0.005mm的加工精度。 加工精度在0.010.02mm范围的数控铣床、钻床、车床的脉冲当量可取0.0050.01mmHz。对于简易数控冲床等不太精密的机床或设备，脉冲当量可取0.1-0.15mmHz。对于同步驱动系统，脉冲当量还可选择更大些。,4、步进电动机选择根据加工精度要求确定脉冲当量选择步距角,6.4.4 步进电机开环系统设计,下午8时36分,数控技术,82,首先根据负载性质、最高进给速度等条件选定步进电动机类型。 根据系统精度、数据处理的字长、机床行程等确定和机械传动系统的一些参数如h等。 若初步选定的、和h三个参数仍满足不了公式的约束时，最后还要在步进电动机轴与丝杠之间增设齿轮来减速，以达到互相协调的目的。,4、步进电动机选择,6.4.4 步进电机开环系统设计,下午8时36分,数控技术,83,数控机床进给速度与电动机运行频率有着严格对应关系，机床的极限进给速度，v(m/min)受电动机最高运行频率约束。,步进电机的最高运行频率fmax与电机结构形式、驱动电源种类及控制方式有关。 有些厂家为适应用户需要，同一规格步进电机产品往往有高速和低速之分，两者外型尺寸完全相同，仅绕组电感不同。所以应根据机床要求的极限速度确定电机型式和最高运行频率。,vmax机床运行最高速度； fmax步进电机最高运行频率(Hz)； 脉冲当量(mm/Hz)。,4、步进电动机选择根据快速进给速度，确定步进电机最高工作频率,6.4.4 步进电机开环系统设计,下午8时36分,数控技术,84,若进给速度要求的频率大于起动频率，电动机包含加速运行。电动机除了必须克服数控机床施加给它的负载转矩外，还要提供由于速度变化引起的惯性加速转矩。可分为两种不同情况,4、步进电动机选择根据负载转矩或阻力，选择步进电机转矩,6.4.4 步进电机开环系统设计,下午8时36分,数控技术,85, 快速进退刀时所需转矩。 Tel=Ta1+T12 式中 Te1-快速退刀时电动机的转矩； Ta1-惯性加速转矩； T12-移动刀架或工作台的摩擦转矩。 切削进给所需转矩。 Te2=Ta2+T12 +Te 式中 Te2切削加工时电动机的转矩； Ta2切削加工时加速转矩； Te 克服切削抗力所需的转矩； T12移动刀架或工作台的摩擦转矩。 两种运行状态，对于数控机床来讲始终是交替出现。步进电机应同时满足上述两种状态下的转矩要求，因此需要分别计算各种转矩，取二者中较大者作为选择电动机转矩的依据。,4、步进电动机选择,6.4.4 步进电机开环系统设计,下午8时36分,数控技术,86,电动机负载主要由切削力F和工作台运动时的摩擦力组成，负载力矩为：,选择最大静态转矩Mjmax,4、步进电动机选择最大静态转矩,6.4.4 步进电机开环系统设计,下午8时36分,数控技术,87,步进电动机带负载起动时其起动频率会降低,电动机轴上的等效负载惯量,根据机床要求的启动频率fstm选择fst：,4、步进电动机选择启动频率,6.4.4 步进电机开环系统设计,下午8时36分,数控技术,88,5、步进驱动系统与数控装置的信号连接,6.4.4 步进电机开环系统设计,下午8时36分,数控技术,89,5、步进驱动系统与数控装置的信号连接,6.4.4 步进电机开环系统设计,下午8时36分,数控技术,90,5、步进驱动系统与数控装置的信号连接,6.4.4 步进电机开环系统设计,下午8时36分,数控技术,91,脉冲控制信号,方向控制信号,使能信号,5、步进驱动系统与数控装置的信号连接输入信号,6.4.4 步进电机开环系统设计,下午8时36分,数控技术,92,驱动输出至数控 装置的报警信号 (继电器触点),5、步进驱动系统与数控装置的信号连接输出信号,6.4.4 步进电机开环系统设计,下午8时36分,数控技术,93,逻辑电平信号,电流脉冲信号,弱电到强电的转换和放大,6、步进电机的控制,6.4.4 步进电机开环系统设计,下午8时36分,数控技术,94,脉冲分配环节完成电动机绕组中电流通断顺序控制,脉冲分配器： 将插补输出脉冲按步进电动机要求的规律分配给步进电动机驱动电路的各相输入端，用以控制绕组电流的通、断,电动机有正反转要求，脉冲分配器的输出既是周期性又是可逆的称为环形分配器,6、步进电机的控制脉冲分配,6.4.4 步进电机开环系统设计,下午8时36分,数控技术,95,1)硬件脉冲分配,正反转控制信号,6、步进电机的控制,6.4.4 步进电机开环系统设计,下午8时36分,数控技术,96,正转；三相六拍 A-AB-B-BC-C-CA-A 当X“1”时，每来一个脉冲（CP），则电动机正转一步 当X“0”时，每来一个脉冲（CP），则电动机反转一步,下午8时36分,数控技术,97,2)软件脉冲分配,假设计算机并行接口PA0、PA1、PA2分别与步进电动机的ABC三相对应，且EPROM表格首地址2000H,A-AB-B-BC-C-CA-A,6、步进电机的控制,6.4.4 步进电机开环系统设计,下午8时36分,数控技术,98,6、步进电机的控制,6.4.4 步进电机开环系统设计,下午8时36分,数控技术,99,硬件环分控制CP的频率 软件环分控制相邻两次软件环形分配器输出状态之间的时间间隔延时长短,6、步进电机的控制速度控制,6.4.4 步进电机开环系统设计,下午8时36分,数控技术,100,起动、停止、速度调节等进给状态的变化 要求步进电动机的脉冲频率作相应变化。 失步和过冲现象分别出现在步进电机启动和停止的时候。 一般情况下，系统的极限启动频率比较低，而要求的运行速度往往比较高。如果系统以要求的运行速度直接启动，因为该速度已超过极限启动频率而不能正常启动，轻则可能发生丢步，重则根本不能启动，产生堵转。 系统运行起来以后，如果达到终点时立即停止发送脉冲串，令其立即停止，则由于系统惯性作用，电机转子会转过平衡位置，如果负载的惯性很大，会使步进电机转子转到接近终点平衡位置的下一个平衡位置，并在该位置停下。,6、步进电机的控制自动升降速控制,6.4.4 步进电机开环系统设计,下午8时36分,数控技术,101,为了防止过冲或失步现象，则要求步进电动机每次频率变化量小于其突跳频率值。 即，当步进电动机速度变化较大时，必须按照一定规律完成一个升速或降速过程,按直线规律或指数规律进行加减速控制,下午8时36分,数控技术,102,开环进给系统中影响工作台位移精度的主要因素包括如下几个方面： 1) 步进电动机的步距误差。 对于伺服式步进电动机来讲为10角秒30角秒；对于功率式步进电动机来讲为20角秒25角秒。 2) 步进电动机的动态误差。当步进电动机进行单步运行时，存在明显的振荡现象，其超调量约为步距角的2030。进一步当工作于较低频率区时(300Hz500Hz)，还会出现共振现象。 3) 步进电动机的启停误差。在步进电动机启动和停止过渡过程中，电动机的转动总是滞后于控制脉冲。 4) 齿隙误差。例如减速齿轮的传动间隙，滚珠丝杠和螺母副之间的传动间隙等。 5) 滚珠丝杆的螺距累积误差。 6) 滚珠丝杠、螺母支架、轴承等机械部件的受力变形和热变形引起的误差。传动件和支承件的变形. 7) 工作台导轨的误差。,7、开环进给系统精度分析,6.4.4 步进电机开环系统设计,下午8时36分,数控技术,103,1、细分驱动 2、软件对齿隙、螺距误差补偿等精度补偿措施 3、反馈检测的混合步进系统 4、适当提高系统组成环节的精度,8、步进电机的控制提高精度的几个措施,6.4.4 步进电机开环系统设计,下午8时36分,数控技术,104,传动间隙补偿 在整个行程范围内测量传动机构传动间隙，取其平均值存放在数控系统中的间隙补偿单元，当进给系统反向运动时，数控系统自动将补偿值加到进给指令中，从而达到补偿目的。 螺矩误差补偿 虽然滚珠丝杆精度较高，但是总不可做的绝对精确，它的螺距总是存在着一定的误差的，利用计算机的运算处理能力，可以补偿滚珠丝杠的螺矩累积误差，以提高进给位移精度。 方法：首先测量出进给丝框螺距误差曲线(规律)，然后可采用下列两种方法实现误差补偿：硬件补偿、软件补偿。,第六章 进给伺服系统,8、步进