第三部分 数控机床的伺服系统(驱动).ppt

机电工程学院 第三部分数控机床的伺服系统 基本要求 熟悉数控机床的伺服控制原理 掌握伺服执行元件伺服电机的工作原理及特点 重点与难点 伺服电机的工作原理及特点 机电工程学院 3 1数控机床的伺服系统3 2数控机床的位置检测 本部分重要内容 机电工程学院 伺服系统是指以机床移动部件的位移和速度作为控制对象的自动控制系统 也称为位置随动系统 简称伺服系统 主要功能是 接受来自数控装置输出的插补结果 如指令脉冲或数字量 通过功率放大控制电动机驱动机床的移动部件 完成预期的直线或转角位移 第一节数控机床伺服系统概述 3 1数控机床对伺服系统概述 机电工程学院 如果说CNC装置是数控机床的 大脑 是发布 命令 的 指挥所 那么伺服系统则是数控机床的 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 速度与位移量 第一节数控机床伺服系统概述 机电工程学院 1 稳定性好2 准确度高3 响应快4 调速范围宽5 输出扭矩大6 高可靠性 第一节数控机床伺服系统概述 3 1 1数控机床伺服系统的基本要求 机电工程学院 组成 伺服电动机驱动信号控制转换电路电子电力驱动放大模块位置调节单元速度调节单元电流调节单元 调节加速度 检测装置一般闭环伺服系统的典型结构为三环结构 位置环 速度环 电流环 第一节数控机床伺服系统概述 3 1 2数控机床伺服系统的组成 机电工程学院 位置 速度和电流环均由 调节控制模块 检测和反馈部分组成 电力电子驱动装置由驱动信号产生电路和功率放大器组成 CNC指令 第一节数控机床伺服系统概述 机电工程学院 由于各组件加工的精密化 微米的误差已不是问题 在加工精度方面 近10年来 普通级数控机床的加工精度已由10 m提高到5 m 精密级加工中心则从3 5 m 提高到1 1 5 m 并且超精密加工精度已开始进入纳米级 在可靠性方面 国外数控装置的MTBF值已达6000h以上 伺服系统的MTBF值达到30000h以上 表现出非常高的可靠性 第一节数控机床伺服系统概述 机电工程学院 3 1 3常用的伺服驱动元件 伺服驱动元件是伺服系统的关键部件 对系统的特性有极大的影响 它的发展和进步是推动数控机床发展的重要因素 驱动元件的发展大致分为以下几个阶段 50年代 采用步进电动机 目前只应用于经济型数控机床 适于轻载 负荷变动不大 60 70年代 采用步进电动机和电液伺服电动机 现已基本不用 70 80年代 采用直流伺服电动机 目前在我国仍有使用 调速性能良好 80年代以后 采用交流伺服电动机 是比较理想的驱动元件 90年代以来直线电动机开始采用 高速 高精度 第一节数控机床伺服系统概述 机电工程学院 第一节数控机床伺服系统概述 一 步进电机步进电动机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构 当步进驱动器接收到一个脉冲信号 它就驱动步进电动机按设定的方向转动一个固定的角度 步进电动机的转子上无绕组且制有若干个均匀分布的齿 在定子上有励磁绕组 当有脉冲输入时 转子就转过一个固定的角度 其角位移量与输入脉冲个数严格地成正比 在时间上也与输入脉冲同步 当无脉冲时 在绕组电源的激励下 气隙磁场能使转子保持原有位置不变而处于定位状态 机电工程学院 第一节数控机床伺服系统概述 一 步进电动机工作原理尽管步进电动机种类很多 其基本原理实质都是一致的 现以三相反应式步进电动机为例 说明其工作原理 在步进电动机定子上有三对磁极上面绕有励磁绕组 分别称为A相 B相和C相 转子上带有等距小齿 图中有四个齿 如果先将A相加上电脉冲 则有 机电工程学院 第一节数控机床伺服系统概述 如果将B相加上电脉冲 则有 转子逆时针旋转30 机电工程学院 第一节数控机床伺服系统概述 如果将C相加上电脉冲 则有 转子逆时针旋转30 转子逆时针旋转30 动画模拟 机电工程学院 第一节数控机床伺服系统概述 这种三相励磁绕组依次单独通电 切换三次为一个循环 称为三相单三拍通电方式 其通电方式及通电顺序为A B C A 或者A C B A 由于每次只有一相磁极通电 易在平衡位置附近发生振荡 而且在各相磁极通电切换的瞬间 电动机失去自锁力 容易造成失步 机电工程学院 第一节数控机床伺服系统概述 为改善其工作性能 可采用三相六拍的通电方式 其通电方式及通电顺序为 A AB B BC C CA A 或者A AC C CB B BA A 这种通电方式当由A相通电转为AB相共同通电时 转子磁极将同时受到A相与B相的吸引 它就停在AB两相磁极中间 这时它转过的角度是15度 这种通电方式在切换时 始终有一相磁极不断电 故而工作较稳定 且在相同频率下 每相导通的时间增加 平均电流增加 从而可以提高电磁转矩 启动频率及连续运行频率等特性 机电工程学院 第一节数控机床伺服系统概述 二 步进电动机的结构 机电工程学院 第一节数控机床伺服系统概述 三 步进电动机的优点 控制特性好 误差不长期积累 步距角不受各种干扰因素的影响 步进电动机转子转动的速度取决于脉冲信号的频率 总位移量取决于总的脉冲数 它作为伺服电动机应用于控制系统时 可以使系统简化 工作可靠 而且可以获得较高的控制精度 机电工程学院 第一节数控机床伺服系统概述 四 步进电动机的分类 按力矩产生原理分 有反应式 转子无绕组 激磁式 定子转子均有绕组 按输出力矩大小分 可分为伺服式 与液压扭矩放大器配用 功率式 5 50N m 按定子数分 单定子式 多定子式 按各相绕组分布分 有单段式 径向式 多段式 轴向式 等 机电工程学院 第一节数控机床伺服系统概述 五 步进电动机的主要技术指标1 步距角 电动机每步的转角称为步距角 步距角越小精度越高 360 mzkm 相数 k 与通电方式有关的系数 z 齿数同一相数的步进电动机通常有两种步距角 如1 5 0 75 1 2 0 6 3 1 5 等 双拍制的步距角比单拍制的步距角减小一半 机电工程学院 第一节数控机床伺服系统概述 2 静态矩角特性 描述静态时电磁转矩与转角的关系 3 启动频率 在空载条件下由静止状态突然启动 并进入不丢步的正常运行最高频率 机电工程学院 第一节数控机床伺服系统概述 4 连续运行频率 其运行速度能跟踪指令脉冲连续上升而不丢步的最高工作频率 5 矩频特性曲线与动态转矩 描述步进电机输出转矩与运行频率之间的关系 机电工程学院 第一节数控机床伺服系统概述 六 驱动控制 步进电机驱动控制电路由环形分配器和功率放大电路组成 机电工程学院 第一节数控机床伺服系统概述 1 环形分配 实现环形分配的方法有两种 一种是计算机软件分配 用于多相电动机的脉冲分配 但会占用计算机的运行时间 从而影响电动机的运行速度 另一种是硬件环形分配 采用数字电路搭建或专用的环形分配器件将连续的脉冲信号经电路处理后输出环形脉冲 机电工程学院 第一节数控机床伺服系统概述 2 功率驱动 1 单电源驱动电路 机电工程学院 第一节数控机床伺服系统概述 2 双电源驱动电路 机电工程学院 第一节数控机床伺服系统概述 3 斩波限流驱动电路 机电工程学院 第一节数控机床伺服系统概述 七 步进电机在数控机床的应用 简易型数控机床 普通机床的数控改造 机电工程学院 二 交流伺服电动机 由于直流伺服电动机的的电刷和换向器易磨损 电动机最高转速的限制 应用环境的限制 结构复杂 制造困难 成本高 而交流伺服电动机结构简单 成本低廉 无直流伺服电动机的缺点 而且转子惯量较直流伺服电动机的小 这意味着动态响应更好 交流伺服电动机容量也比直流伺服电动机容量大 可达更高的电压和转速 一般在同样体积下 交流伺服电动机的输出功率比直流伺服电动机可以提高10 70 是当前机床进给驱动系统的主流 第一节数控机床伺服系统概述 机电工程学院 第一节数控机床伺服系统概述 1 交流伺服电动机的类型 交流异步电动机和交流同步电动机 交流异步电动机所采用的电流有三相和单相两种 交流同步电动机的磁势源可以是电磁式 永磁式和反应式等多种 在数控机床进给伺服系统中多采用永磁式同步电动机 主轴伺服系统电机多采用交流异步电动机 很少采用永磁同步电动机 主要因为永磁同步电动机的容量做得不够大 且电机成本较高 另外主轴驱动系统不象进给系统那样要求很高的性能 调速范围也不要太大 因此 采用异步电动机完全可以满足数控机床主轴的要求 笼型异步电机多用在主轴驱动系统中 机电工程学院 VS VS 第一节数控机床伺服系统概述 永磁式同步电动机的特点是 结构简单 运行可靠 效率高 在结构上采取措施如采用高剩磁感应 高矫顽力和稀土类磁铁 可比直流电动机在外形尺寸上减少约50 重量上减轻近60 转子惯量减至20 因而可得到比直流伺服电动机更硬的机械性能和宽的调速范围 机电工程学院 2 交流伺服电动机的调速方法由电动机学知 交流电动机转速公式 式中 f 定子电源频率p 磁极对数S 转差率ns 定子旋转磁场转速n 转子转速 第一节数控机床伺服系统概述 机电工程学院 第一节数控机床伺服系统概述 对于进给系统常使用交流同步电动机 该电动机没有转差率 电动机转速公式变为 从式中可以看出 只能用变频调速 并且是有效方法 机电工程学院 第一节数控机床伺服系统概述 变频调速的主要环节是为交流电动机提供变频 变压电源的变