数控机床的伺服系统.ppt

黑龙江大学机电工程学院 刘国华,数控技术,第六章 数控机床的伺服系统,第一节 概述 第二节 开环步进伺服系统 第三节 数控机床的检测装置 第四节 闭环伺服系统,数控伺服系统是指以机床运动部件(如工作台、主轴和刀具等)的位置和速度作为控制量的自动控制系统，又称为随动系统。 数控伺服系统的作用在于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。 伺服系统既是数控机床控制器与刀具、主轴间的信息传递环节，又是能量放大与传递的环节，它的性能在很大程度上决定了数控机床的性能。因此，伺服系统一直是现代数控机床的关键技术之一。,第一节 概述,伺服系统的主要功能:从数控系统接收微小的电控信号（5V左右，mA级），放大成强电的驱动信号（几十、上百伏、安培级），用以驱动伺服系统的执行元件伺服电动机，将电控信号的变化，转换成电动机输出轴的角位移或角速度的变化，从而带动机床主体部件（如工作台、主轴或刀具进给等）运动，实现对机床主体运动的速度控制和位置控制，达到加工出所需工件的外形和尺寸的最终目标。,数控机床的伺服驱动,第一节 概述,CNC装置,伺服驱动器,伺服电机,数控机床,第一节 概述,一、数控机床对数控伺服系统的要求,1、精度高 由于伺服系统控制数控机床的速度和位移输出，为保证加工质量，要求它有足够高的定位精度和重复定位精度。一般要求定位精度为0.001-0.01mm，高档设备达到0.1m以上。速度控制要求较高的调节精度和较强的抗负载干扰能力，以保证动、静态精度较高。 2、快速响应特性好 快速响应是伺服系统动态品质的标志之一，反映系统的跟踪精度。它要求伺服系统跟随指令信号不仅跟随误差小，而且响应要快，稳定性要好。现代数控机床的插补时间都在20ms以内，在短时间内指令变化一次，要求伺服系统动态、静态误差小，反向死区小，能频繁启、停和正、反向运动。,第一节 概述,3、调速范围宽 由于工件材料、刀具以及加工要求各不相同，要保证数控机床在任何情况下都能得到最佳切削条件，伺服系统就必须有足够的调速范围。既满足高速加工要求，又满足低速进给要求。在低速切削时，还要求伺服系统能输出较大的转距。 4、系统可靠性好 数控机床的使用率很高，常常是24h连续工作不停机，因而要求其工作可靠。系统的可靠性常用发生故障时间间隔的长短的平均值作为依据，即平均无故障时间。这个时间越长，可靠性越好。,第一节 概述,执行元件及其驱动控制单元必不可少。驱动控制单元将进给指令转化为执行元件所需要的信号形式，执行元件则将该信号转化为相应的机械位移。 开环伺服系统由驱动控制单元、执行元件和机床组成。通常，执行元件选用步进电动机。 闭环（半闭环）伺服系统由执行元件、驱动控制单元、机床以及反馈检测元件、比较环节组成。反馈检测元件分为速度反馈和位置反馈两类，闭环伺服系统采用位置反馈元件将工作台的实际位置检测后反馈给比较环节，比较环节将指令信号和反馈信号进行比较，以两者的差值作为伺服系统的跟随误差，经驱动控制单元驱动和控制执行元件带动工作台运动。,二、数控机床伺服系统的基本组成,第一节 概述,数控伺服系统的基本组成,第一节 概述,三、数控机床伺服驱动系统的分类,按控制原理和有无位置反馈装置分为开环和闭环伺服系统；按用途和功能分为进给驱动系统和主轴驱动系统；按驱动执行元件的动作原理分为电液伺服驱动系统和电气伺服驱动系统。电气伺服驱动系统又分为直流伺服驱动系统、交流伺服驱动系统及直线电动机伺服系统。,第一节 概述,1.开环和闭环控制,(1) 开环伺服系统,开环伺服系统由步进电机及其驱动电路组成，无位置检测装置。 数控系统发出指令脉冲经过驱动线路变换与放大，传给步进电机。步进电机每接收一个指令脉冲，就旋转一个角度，再通过齿轮副和丝杠螺母副带动机床工作台移动。 指令脉冲的频率决定了步进电机的转速，进而决定了工作台的移动速度；指令脉冲的数量决定了步进电机转动的角度，进而决定了工作台的位移大小。 开环伺服系统加工精度低。由于无位置检测装置，其精度取决于步进电机的步距精度和工作频率以及传动机构的传动精度。 结构简单，成本较低，适用于对精度和速度要求不高的经济型、中小型数控系统。,第一节 概述,(2) 闭环伺服系统,有位置检测装置，且装在机床工作台上，直接检测工作台的实际位移。 利用CNC装置的指令值与位置检测装置的检测值的差值进行位置控制。 精度高，其运动精度取决于检测装置的精度，与传动链的误差无关。 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，使系统的设计、安装和调试都相当困难。 适用于大型或比较精密的数控设备。,第一节 概述,(3) 半闭环伺服系统,有位置检测装置，且装在电机或丝杠的端头，检测角位移，间接获得工作台的位移。 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，较开环好。但可对这类误差进行补偿，因而仍可获得满意的精度。 半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，因此可获得稳定的控制性能，其系统的稳定性虽不如开环系统，但比闭环要好。 适用于中小型数控机床。,第一节 概述,进给伺服系统用于数控机床工作台或刀架坐标的控制系统，控制机床各坐标轴的切削进给运动，并提供切削过程所需转矩，包括速度控制环和位置控制环。 主轴伺服系统只是一个速度控制系统，控制机床主轴的旋转运动，为机床主轴提供驱动功率和所需的切削力，且保证任意转速的调节。,2.进给驱动与主轴驱动,第一节 概述,2.直流伺服驱动与交流伺服驱动,直流大惯量伺服电动机具有良好的宽调速性能，输出转矩大，过载能力强，而且由于电动机惯性与机床传动部件的惯量相当，构成闭环后易于调整；直流中小惯量伺服电动机，比较适应数控机床对频繁启动、制动，以及快速定位、切削的要求。直流电动机具有电刷和机械换向器，限制了它向大容量、高电压、高速度方向发展。 在电动机控制领域交流电动机调速技术的突破，交流伺服系统迅速进入电气传动调速控制的各个领域。交流伺服系统的最大优点是交流电动机容易维修，制造简单，易于向大容量、高速度方向发展，适合于在较恶劣的环境中使用。同时，从减少伺服驱动系统外形尺寸和提高可靠性角度来看，采用交流电动机比直流电动机将更合理。,第一节 概述,伺服驱动系统的发展概况 在50年代，数控机床主要采用液压驱动，称为液压伺服系统，这种系统的优点是刚性好，时间常数小。 60年代初，日本推出步进电机开环伺服驱动系统，这种系统结构简单，价格低廉，使用维修方便，在数控设备中被广泛采用。 70年代，直流电机伺服系统采用闭环或半闭环控制，精度提高一个数量级，调速范围可达1：10000，运行速度提高到15-24m/min。直流电机伺服系统的缺点是结构复杂，价格昂贵。 在80年代以后，微机和微电子技术的迅速发展，为交流电机伺服系统的调速控制提供了条件，伺服系统发展的趋势是交流伺服驱动系统逐渐取代了直流伺服驱动系统。,步进电机伺服系统是典型的开环控制系统。步进电机受驱动线路控制，将进给脉冲序列转换成为具有一定方向、大小和速度的机械转角位移，并通过齿轮和丝杠带动工作台移动。进给脉冲的频率代表了驱动速度，脉冲的数量代表了位移量，而运动方向是由步进电机的各相通电顺序来决定。但由于该系统没有反馈检测环节，精度主要由步进电机来决定，速度也受到步进电机性能的限制。,一、步进电机工作原理,第二节 开环步进式伺服系统,步进电机驱动模块,步进电机,第二节 开环步进式伺服系统,二、步进电机 单定子反应式步进电机利用电磁铁原理，由定子和转子组成，定子分定子铁芯和定子励磁绕组。定子铁芯由硅钢片叠压而成，定子绕组是绕置在定子铁芯上的线圈，在直径方向上相对的两个齿上的线圈串联在一起，构成一相控制绕组，构成A、B、C三相控制绕组，任一相绕组通电形成一组定子磁极。转子无绕组，有周向均布的齿，依靠磁极对齿的吸合工作。,第二节 开环步进式伺服系统,1.三相单三拍工作方式：,假设转子上有四个齿，当A相通电时，转子1、3齿被磁极A产生的电磁引力吸引过去，使1、3齿与A相磁极对齐。接着B相通电，A相断电，磁极B又把距它最近的一对齿2、4吸引过来，使转子按逆时针方向转动30度。然后C相通电，B相断电，转子又逆时针旋转30度，依次类推，定子按ABCA顺序通电，转子就一步步地按逆时针方向转动，每步转30度。,若改变通电顺序，按ACBA使定子绕组通电，步进电机就按顺时针方向转动，同样每步转30度。这种控制方式叫三相单三拍方式，“单”是指每次只有一相绕组通电，“三拍”是指每三次换接为一个循环。,第二节 开环步进式伺服系统,定子的每个磁极正对转子的圆弧面上均都均匀分布着5个小齿，呈梳状排列，齿槽等宽，齿间夹角为9。 转子上没有绕组，只有均匀分布的40个小齿，其大小和间距与定子上的完全相同。 三相定子磁极上的小齿在空间位置上依次错开1/3齿距。,第二节 开环步进式伺服系统,（1）步距角和静态步距误差 步进电机步距角与定子绕组的相数m、转子的齿数z、通电方式k有关，即有： 360/(mzk)。 其中：m相m拍时，k1；m相2m拍时，k2，依此类推。例如，三相三拍，z40时，360/(3401)3。 一般较小，如：31.5,1.50.75,0.720.36等。 静态步距误差：在空载情况下，理论的步距角与实际的步距角之差，一般在10之内。步距误差主要由步进电机步距制造误差，定子和转子间气隙不均匀以及各相电磁转矩不均匀等因素造成。,2.步进电机主要特征,(2) 启动频率 空载时，步进电机由静止状态突然起动，并进入不失步的正常运行的最高频率，称为启动频率或突跳频率，加给步进电机的指令脉冲频率如大于启动频率，就不能正常工作。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。随着负载加大（在允许范围内），启动频率会进一步降低。 (3) 连续运行频率 步进电机起动后，其运行速度能根据指令脉冲频率连续上升而不丢步的最高工作频率，称为连续运行频率。其值远大于启动频率，它也随着电机所带负载的性质和大小而异，与驱动电源也有很大关系。,第二节 开环步进式伺服系统,(4)矩频特性与动态转矩 矩频特性是描述步进电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。当步进电机正常运行时，若输入脉冲频率逐渐增加，则电动机所能带动负载转矩将逐渐下降。在使用时，一定要考虑动态转矩随连续运行频率的上升而下降的特点。,第二节 开环步进式伺服系统,第二节 开环步进式伺服系统,三.步进电机的驱动控制线路,功能：将具有一定频率f、一定数量N和方向的进给脉冲转换成控制步进电机各相定子绕组通电、断电的电平信号变化频率、变化次数和通断电顺序。 驱动控制器主要由环形脉冲分配器和功率放大器组成。,第二节 开环步进式伺服系统,1.环形脉冲分配器 功能：将进给脉冲指令转换成步进电机定子绕组通、断电的电平信号，电平信号状态的改变次数及顺序与进给脉冲的个数与方向对应。即将数控装置的插补脉冲，按步进电机所要求的规律分配给步进电机的各相输入端，以控制励磁绕组的通、断电。 分类：硬件环形分配器和软件环形分配器。 硬件环形分配器：步进电机驱动装置本身带有环形分配器。 软件环形分配器：驱动装置本身无环形分配器，环形分配需要软件完成。 2.功率放大器 功能：将环形分配器输出的脉冲信号放大，以用足够的功率来驱动步进电机。,第二节 开环步进式伺服系统,四.提高步进伺服系统精度的措施,1.传动间隙补偿 传动元件的齿轮、丝杠制造装配误差使机械传动链在改变运动或旋转方向时，最初若干个指令脉冲只能起到消除间隙的作用，造成步进电机的空走，而工作台无实际移动，从而产生传动误差。 补偿方法：先测出并存储间隙大小，接收反向位移指令时，先不向步进电机输出反向位移脉冲，而将间隙值转换为脉冲数，驱动步进电机转动，越过传动间隙，然后按照指令脉冲动作。 2.螺距误差补偿 滚珠丝杠螺距的制造误差直接影响机床工作台的位移精度。 补偿方法：设置若干个补偿点，在每个补偿点测量并记录工作台位移误差，确定补偿值并作为控制参数输送给数控装置。设备运行时，工作台每经过一个补偿点，CNC系统就加入补偿量，补偿螺距误差。 3.细分线路：将一个步距角细分为若干步的驱动方法。,第三节 闭环伺服系统,1 直流伺服电机 （1）直流伺服电机的结构 定子：产生定子磁极、磁场。 转子：表面嵌有线圈，通直流电时，在定子磁场作用下产生带负载旋转的电磁转矩。 电刷与换向片：为使产生的电磁转矩保持恒定的方向，保证转子能沿着固定方向均匀地连续旋转，将电刷与外加直流电源连接，换向片与电枢线圈连接。 数控机床的使用的直流伺服电机主要是大功率直流伺服电机： 小惯量直流伺服电机：最大限度地减小电枢的转动惯量，可以获得较快的响应速度。 宽调速直流伺服电机：转子直径较大，力矩大，转动惯量大，能在较大过载转矩时长时间工作。,一、直流伺服电机与速度控制,其中：n为电机转速，Ua为电枢外加电压，Ce为反电动势常数，为电机磁通量，Ra为电枢电阻，Cm为转矩常数，M为电磁转矩。 直流电机的三种调速方法： 改变电枢外加电压Ua。该方法可以得到调速范围较宽的恒转矩特性，机械特性好，适用于主轴驱动的低速段和进给驱动。 改变磁通量。改变励磁线圈电压使磁通量改变 ，适用于主轴驱动的高速段，不适合于进给驱动。 改变电枢电路的电阻Ra。该方法得到的机械特性较软，不能实现无级调速，也不适合于数控机床。 目前应用最多的是晶体管脉宽调制（PWM）调速系统：利用大功率晶体管的开关作用，将直流电压转换成一定频率的方波电压加到直流电机的电枢上，通过对方波脉冲宽度的控制，改变电枢的平均电压，调节电机的转速。,2 直流伺服电机速度调节,直流电机机械特性公式：,第三节 闭环伺服系统,二、交流伺服电机与速度控制,直流电机缺点： 电刷和换向器有磨损，有时会产生火花； 换向器由多种材料制成，制作工艺复杂； 电机最高速度受限制； 结构复杂，成本较高。 交流伺服电动机没有直流伺服电动机上述的缺点，而且转子惯量比直流伺服电动机小，动态响应好。同样体积下，交流伺服电动机的输出功率可比直流伺服电动机提高1020。交流伺服电动机的容量可以做得比直流伺服电动机大，达到更高的转速。从80年代后期开始，交流伺服电动机逐渐替代直流伺服电动机占据主要位置。,第三节 闭环伺服系统,1.交流伺服电机的类型 交流伺服电动机在结构上为一两相感应电动机，其定子两相绕组在空间相距90电角度，一相作为励磁绕组，运行时接到交流电源上，另一相作为控制绕组，输入控制电压。 主要有：永磁式交流伺服电机和感应式交流伺服电机 共同点：工作原理均由定子绕组产生旋转磁场使得转子跟随定子旋转磁场一起运转。 不同点：永磁式伺服电机的转速与外加交流电源的频率存在着严格的同步关系，即电机的转速等于旋转磁场的同步转速；而感应式伺服电机由于需要转速差才能产生电磁转矩，因此，电机的转速低于磁场同步转速，负载越大，转速差越大。,第三节 闭环伺服系统,交流异步电机的转速表达式为：,2.交流电机的速度控制,f1 定子电源频率（Hz）； p 磁极对数； s 转差率。 异步电机的调速方法，可以有变转差率、变极对数及变频三种。 （1）变磁极对数：通过对定子绕组接线的切换改变磁极对数来实现，只能产生二种或三种转速，不能无级调速，应用范围较窄。 （2）改变转差率：只适合于异步型交流电机的调速，低速时转差率大，转差损耗功率也大，效率低。 （3）变频调速：通过改变电机电源的频率而改变电机的转速。变频调速从高速到低速都可以保持有限的转差率，具有高效率、宽范围和高精度的调速性能，可以认为是一种理想的调速方法。,第三节 闭环伺服系统,（r/min）,第三节 闭环伺服系统,变频调速的主要环节：为交流电机提供变频电源的变频器。 变频器分： 交交 变频 ：利用可控硅整流器直接将工频交流电（频率50Hz）变成频率较低的脉动交流电，该方法所得的交流电波动比较大，且最大频率即为变频器输入的工频电压频率。 交直交 变频：先将交流电整流成直流电，然后将直流电压变成矩形脉冲方波电压，该调频方式所得交流电的波动小，调频范围比较宽，调节线性度好。 数控机床常采用交直交变频调速。其中，SPWM（正弦波脉宽调制）变频器是目前应用最广、最基本的一种交直交型电压型变频器，在交流调速系统中获得广泛应用。,三、直线电机的特点 机床进给系统采用直线电机直接驱动，与原旋转电机传动方式的最大区别是：取消了从电机到工作台（拖板）之间的机械中间传动环节，即把机床进给传动链的长度缩短为零，故这种传动方式称为“直接驱动”，也称“零传动”。直接驱动避免了丝杠传动中的反向间隙、惯性、摩擦力和刚性不足等缺点。,第三节 闭环伺服系统,直线电动机的工作原理与旋转电动机相似。以直线感应电动机为例：当初级绕组通入交流电源时，便在气隙中产生磁场，次级在磁场切割下，将感应出电动势并产生电流，该电流与气隙中的磁场相作用就产生电磁推力。如果初级固定，则次级在推力作用下做直线运动；反之，则初级做直线运动。,第三节 闭环伺服系统,特点：将指令脉冲信号和位置检测反馈信号都转换为相应的同频率的某一载波的不同相位的脉冲信号，在位置控制单元进行相位比较，相位差反映了指令位置与实际位置的偏差。 位置检测元件采用旋转变压器、感应同步器或磁栅，工作在相位工作状态。 脉冲调相器：将数控装置的进给脉冲信号转换为相位变化信号。 鉴相器：鉴别指令信号与反馈信号的相位，判别两者之间的相位差及其相位超前、滞后关系，并变成相应的误差电压信号作为速度单元的输入信号。,四、鉴相式伺服系统,第三节 闭环伺服系统,五、鉴幅式伺服系统,以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移的数值，并作为位置反馈信号与指令信号进行比较，构成半闭环控制系统。 位置检测元件工作在幅值工作方式，感应同步器、旋转变压器和磁栅。 鉴幅器：对位置检测装置输出的代表工作台实际位移的电压信号进行滤波、放大、检波、整流，变成正、负与工作台移动方向相对应、幅值与工作台位移成正比的直流电压信号。,第三节 闭环伺服系统,六、数字脉冲比较伺服系统 结构较简单，常用光电编码器、光栅作位置检测装置，以半闭环的控制结构形式较为普遍。 特点：指令脉冲信号与位置检测装置的反馈脉冲信号在比较器中以脉冲数字的形式进行比较。,第四节 数控机床的检测装置,作用：检测位移（线位移或角位移）和速度，发送反馈信号至数控装置，构成伺服系统闭环或半闭环控制，使工作台按指令路径精确地移动。 组成：检测元件（传感器）和信号处理装置。 常用检测装置：旋转变压器、感应同步器、编码器、光栅、磁栅等。 数控机床对位置检测装置的要求如下： （1）工作可靠，抗干扰能力强； （2）满足精度和速度的要求； （3）易于安装，维护方便，适应机床工作环境； （4）成本低。,一、概述,（一）直接测量和间接测量 1.直接测量 将直线型检测装置安装在移动部件上，用来直接测量工作台的直线位移，作为全闭环伺服系统的位置反馈信号，而构成位置闭环控制。优点是准确性高、可靠性好，缺点是测量装置要和工作台行程等长，所以在大型数控机床上受到一定限制。 2. 间接测量 将旋转型检测装置安装在驱动电机轴或滚珠丝杠上，通过检测转动件的角位移来间接测量机床工作台的直线位移，作为半闭环伺服系统的位置反馈用。优点是测量方便、无长度限制。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。,第四节 数控机床的检测装置,第四节 数控机床的检测装置,（二）数字式测量和模拟式测量 1. 数字式测量 将被测的量以数字形式来表示，测量信号一般为脉冲，可以直接把它送到数控装置进行比较、处理。信号抗干扰能力强、处理简单。 2. 模拟量测量 将被测的量用连续变量来表示，如电压变化、相位变化等。对信号处理的方法相对来说比较复杂。,第四节 数控机床的检测装置,（三）增量式测量和绝对式测量 1.增量式测量 在轮廓控制数控机床上多采用这种测量方式，增量式测量只测相对位移量，优点是测量装置较简单，任何一个对中点都可以作为测量的起点，而移距是由测量信号计数累加所得，但一旦计数有误，以后测量所得结果完全错误。 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。测量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，结构就愈复杂。,第四节 数控机床的检测装置,（一）结构与工作原理 旋转变压器是一种角位移测量装置，由定子和转子组成。工作原理与普通变压器基本相似，根据互感原理工作,其中定子绕组作为变压器的一次侧，接受励磁电压。转子绕组作为变压器的二次侧，通过电磁耦合得到感应电压，只是其输出电压大小与转子位置有关。旋转变压器通过测量电动机或被测轴的转角来间接测量工作台的位移。,二、旋转变压器,有两种典型工作方式，鉴相式和鉴幅式。 鉴相式是根据感应输出电压的相位来检测位移量； 鉴幅式是根据感应输出电压的幅值来检测位移量。,根据光线在光栅中是透射还是反射分为透射光栅和反射光栅，透射光栅分辨率较反射光栅高，其检测精度可达1m以上。从形状上看，又可分为圆光栅和直线光栅。圆光栅用于测量转角位移，直线光栅用于检测直线位移。 直线光栅通常包括一长和一短两块配套使用，其中长的称为标尺光栅或长光栅，一般固定在机床移动部件上，要求