数控机床的伺服系统(1)ppt课件

1、l伺服系统：以位置和速度作为控制对象的自动控制系统。l伺服系统接受数控安装发来的进给脉冲指令信号，经过信号变换和电压、功率放大由执行元件将其转变为角位移和直线位移，以驱动数控设备各运动部件实现运动。l7.1.1 伺服系统的分类l1. 按照调理实际分类l1开环伺服系统l开环伺服系统由步进电机及其驱动电路组成，无位置检测安装。7.1 概 述l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。步进电机每接纳一个指令脉冲，就旋转一个角度，再经过齿轮副和丝杠螺母副带动机床任务台挪动。l指令脉冲的频率决议了步进电机的转速，进而决议了任务台的挪动速度；指令脉冲的数量决议了步进电机转动的角度，进而决议

2、了任务台的位移大小。l开环伺服系统加工精度低。由于无位置检测安装，其精度取决于步进电机的步距精度和任务频率以及传动机构的传动精度。l构造简单，本钱较低，适用于对精度和速度要求不高的经济型、中小型数控系统。2闭环伺服系统有位置检测安装，且装在机床任务台上，直接检测任务台的实践位移。利用CNC安装的指令值与位置检测安装的检测值的差值进展位置控制。精度高，其运动精度取决于检测安装的精度，与传动链的误差无关。适用于大型或比较精细的数控设备。3半闭环伺服系统有位置检测安装，且装在电机或丝杠的端头，检测角位移，间接获得任务台的位移。精度比闭环控制低，滚珠丝杠的精度影响位置检测的精度。适用于中小型数控机床。

3、 1电液伺服系统执行元件：电液脉冲马达或电液伺服马达。驱动元件：液动机或液压缸。优点：低速高输出力矩，刚性好，时间常数小，反响快，速度平稳。缺陷：需求供油系统，体积大，产生噪声和漏油等问题。2电气伺服系统执行元件：伺服电机步进电机、交流或直流伺服电机。驱动元件：电力电子器件。现代数控机床均采用电气伺服系统。1进给伺服系统控制机床各坐标轴的切削进给运动，提供切削所需的转矩。包括速度控制环和位置控制环。2主轴伺服系统控制机床主轴的旋转运动，提供所需的驱动功率和切削力。普通的主轴控制只需一个速度控制系统，具有C轴控制的主轴伺服系统与进给伺服系一致样，是普通概念的位置伺服控制系统。刀库的位置控制是简单

4、的位置伺服控制。1数字脉冲比较伺服系统将数控安装发出的数字或脉冲指令信号与检测安装丈量的以数字或脉冲方式表示的反响信号直接进展比较，产生位置差值，构成闭环和半闭环控制。2相位比较伺服系统采用相位任务方式，指令信号与反响信号均以相位方式表示并进展比较。3幅值比较伺服系统以位置检测信号的幅值大小来反映机床位移量的大小，并与指令信号进展比较。4全数字控制伺服系统由位置、速度和电流组成的三环反响控制全部数字化。l由控制器、功率驱动安装、检测反响安装和伺服电机组成。l1控制器：由位置调解单元、速度调解单元和电流调解单元组成。l控制器最多构成三闭环控制：外环为位置环，中环为速度环，内环为电流环。l2功率驱

5、动安装：由驱动信号产生电路和功率放大器等组成。l功能：一方面按控制量大小将电网中的电能作用到电机上，调理电机力矩的大小；另一方面按电机要求将恒压恒频的电网供电转换为电机所需直流电或交流电。l3位置检测安装：闭环和半闭环伺服系统有位置检测安装，其安装位置不同；开环伺服系统无位置检测安装。l4伺服电机：闭环和半闭环伺服系统采用交流或直流伺服电机；开环伺服系统采用步进电机。1. 数控机床对进给伺服系统的要求1调速范围大，低速转矩大。调速范围：机械安装要求电机能提供的最高进给速度相对于最低进给速度之比。为保证一切加工条件下，均能得到最正确切削条件和加工质量，就要求进给速度在较大的范围内变化。低速切削要

6、求电机输出较大的转矩，防止出现低速爬行景象。2精度高。精度：伺服系统的输出量跟随输入量的准确程度。为保证数控加工精度要求，主要保证机床的定位精度和进给跟踪精度。3快速呼应无超调。快速呼应反映系统的跟踪精度。4稳定性好，可靠性高。稳定性：系统在给定输入或外界干扰作用下，能经过短暂的调理到达新的或恢复到原来平衡形状。系统具有较好的抗干扰才干能保证进给速度均匀、平稳。5足够的传动刚性，较强的过载才干，电机的惯量与挪动部件的惯量相匹配，伺服电机可以频繁启停和可逆运转。2. 数控机床对主轴伺服系统的要求1足够的输出功率。主轴转速高，输出转矩小；主轴转速低，输出转矩大。要求主轴驱动安装具有恒功率性质。2调

7、速范围宽。数控机床的变速按照指令自动执行，要求可以在较宽的转速范围内进展无级调速，较少中间传送环节，简化主轴箱。3定位准停功能。为使得数控车床具有螺纹切削等功能，要求主轴能与进给驱动实行同步控制。在加工中为自动换刀，要求主轴具有高精度的准停功能。l步进电机：一种将电脉冲信号变换成相应的角位移或直线位移的机电执行元件。l数控安装输出的进给脉冲数量、频率和方向经过驱动控制电路到达步进电机后，可以转换为任务台的位移量、进给速度和方向。7.2.1 步进电机驱动控制线路驱动控制线路步进电机步进电机任务台任务台指令脉冲指令脉冲丝杠丝杠开环步进式伺服系统组成框图开环步进式伺服系统组成框图l步进式伺服系统受驱

8、动控制线路的控制，将代表进给脉冲的电信号经过步进电动机转变为具有一定大小和方向的机械角位移，经过齿轮和丝杠带开任务台挪动。l1. 任务台位移量的控制l数控安装发出N个进给脉冲，使步进电动机定子绕组的通电形状变化N次，那么步进电动机转过的角位移量 =N 为步距角。该角位移经丝杠螺母副之后转化为任务台的位移量L，即进给脉冲数决议了任务台的直线位移量。l2. 任务台运动方向的控制l当数控安装发出的进给脉冲是正向时，经驱动控制线路之后，步进电动机的定子绕组按一定顺序依次通电、断电。当进给脉冲是反向时，定子各相绕组那么按相反的顺序通电、断电。l改动进给脉冲的方向，可改动定子绕组的通电顺序，使步进电动机正

9、转或反转，从而改动任务台的进给方向。l3. 任务台进给速度的控制l假设数控安装发出的进给脉冲的频率为f，经驱动控制线路后，转换为控制步进电动机定子绕组的通电、断电的电平信号变化频率，由于进电动机转子的转速=60f为脉冲当量，所以定子绕组通电形状的变化频率决议步进电动机转子的转速。l该转速经过丝杠副螺母副传送之后，转化为任务台的进给速度，即进给脉冲的频率决议了任务台的进给速度。同时，在一样脉冲频率f的条件下，脉冲当量越小，那么进给速度越小，进给运动的分辨率和精度越高。l综上所述，进给脉冲的数量、频率和方向决议了机床任务台的位移量、速度和方向。l脉冲混合电路：将数控安装送来的信号混合为使任务台正向

10、运转的“正向进给信号或使之反向运转的“反向进给信号。 l加减脉冲分配电路：将脉冲混合电路输出的进给脉冲转换成为同一方向的正向或反向的进给脉冲。 脉冲混合电路脉冲混合电路加减脉冲分配电路加减脉冲分配电路加减速电路加减速电路环形分配器环形分配器功率放大器功率放大器正向进给脉冲正向进给脉冲反向进给脉冲反向进给脉冲进给脉冲进给脉冲步进电步进电机绕组机绕组加加减减步进电机驱动控制线路的组成步进电机驱动控制线路的组成l当机床在向着正或负向进给脉冲的控制下正沿着正或负方向进给时，由于各种补偿脉冲的存在，使得能够还会出现极个别的负或正向脉冲。这种极个别的脉冲的出现意味着步进电机正在沿着一个方向旋转时，再向相反

11、的方向旋转极个别个步距角。为了到达这一目的，通常采用从正在进给方向的进给脉冲中抵消一样数量的反向补偿脉冲 l加减速电路：由于进给脉冲经过加减脉冲分配电路后其频率的变化有腾跃，为了使进入步进电机的电信号的频率变化平滑，就运用加减速电路进展缓冲。 l环形分配器 ：把来自加减速电路的一串进给脉冲按一定规律分成假设干路电平信号去控制步进电机的几个定子绕组，使其正向运转或反向运转。 l功率放大器：功率放大。分类方式详细类型转矩产生原理 反响式磁阻式；永磁式；永磁感应式混合式。输出力矩大小伺服式：输出力矩在百分之几至非常之几Nm，只能驱动较小的负载，要求与液压扭矩放大器配用，才干驱动机床任务台等较大的负载

12、。 功率式：输出力矩在5-50Nm以上，可以直接驱动机床任务台等较大的负载。 相数三相；四相；五相；六相。各相绕组分布径向分相式：电机各相按圆周依次陈列。 轴向分向式：电机各相按轴依次陈列。 运动方式旋转运动式；直线运动式；平面运动式；滚动运动式。定子数单定子式；双定子式；三定子式；多定子式。1反响式步进电机步进电机由定子和转子组成，定子分定子铁芯和定子励磁绕组。1定子绕组；2转子铁芯；3A相磁通；4定子铁芯。定子铁芯由电工硅钢片叠压而成，定子绕组是绕置在定子铁芯6个均匀分布的齿上的线圈，在直径方向上相对的两个齿上的线圈串联在一同，构成一相控制绕组。步进电机可构成A、B、C三相控制绕组，称为三

13、相步进电机。假设任一相绕组通电，就构成一组定子磁极。l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，呈梳状陈列，齿槽等宽，齿间夹角为9。l转子上没有绕组，只需均匀分布的40个小齿，其大小和间距与定子上的完全一样。l三相定子磁极上的小齿在空间位置上依次错开1/3齿距。l当A相磁极上的小齿与转子上的小齿对齐时，B相磁极上的齿刚好超前或滞后转子齿1/3齿距角，即3；C相磁极齿超前或滞后转子齿2/3齿距角。l步距角：步进电机每走一步所转过的角度，其大小等于错齿的角度。l2永磁式步进电机l定子和转子中的某一方永永久磁钢，另一方由软磁资料制成，其上由励磁绕组。l绕组通电，建立的磁场与永久磁钢的恒

14、定磁场相互作用产生转矩。l3永磁感应式步进电机l转子由环行磁钢及两段铁芯构成。l步进电机：基于电磁力的吸引和排斥产生转矩。l定子绕组所加电源要求是脉冲电流方式，也称为脉冲电机。l步进电机定子绕组的通电形状每改动一次，即送给步进电机一个电流脉冲，其转子就转过一个确定的角度，即步距角；脉冲数添加，角位移也添加；无脉冲时，电机停顿。l改动步进电机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向改动。l步进电机定子绕组通电形状的改动速度越快，其转子旋转速度越快，即脉冲频率越高，转子转速越高；但脉冲频率不能过高，否那么产生失步或超步。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

15、，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。静态步距误差：在空载情况下，实际的步距角与实践的步距角之差，以分表示，普通在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要素呵斥。l静态转矩：当步进电机某相通电时，转子处于不同形状，此时在电机轴上加一个负载转矩，转子就按一定方向转过一个角度，此时转子所受的电磁转矩M即为静态转矩。l矩角特性：静态转矩M与的关系。3启动频率启动频率：空载时，步进电机由静止形状忽然启动，并进入不丢步的正常运转的最高频率。步进电机带负载下的

16、启动频率要比空载启动频率低，并随负载添加而进一步降低。4延续运转的最高任务频率最高任务频率：步进电机启动后，保证延续不丢步运转的最高任务频率。决议了定子绕组通电形状下最高变化的频率，即决议了步进电机的最高转速。5加减速特性加减速特性：步进电机由静止刀任务频率和由任务频率到静止的加减速过程中，定子绕组通电形状的变化频率与时间的关系。6矩频特性与动态转矩矩频特性：描画步进电机延续稳定运转时输出转矩M与延续运转频率f之间的关系。动态转矩：矩频特性曲线上每个频率对应的转矩。步进电机正常运转时，动态转矩随延续运转频率的上升而下降。l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

17、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。 l驱动控制器由环形脉冲分配器和功率放大器组成。l功能：将逻辑电平信号弱电变换为电机绕组所需的具有一定功率的电流脉冲信号强电。即将数控安装的插补脉冲，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。l分类：硬件环形分配器和软件环形分配器。l硬件环形分配器：步进电机驱动安装本身带有环形分配器。l软件环形分配器：驱动安装本身无环形分配器，环形分配需求软件完成。l输入、输出信号普通为TTL电平，输出信号A、B、C为高电平常表示相应绕组通电，低电平常表示相应绕组失电。lCLK为数控安装发出的脉冲信号，每个脉冲信号的上

18、升或下降沿到来时，输出改动一次绕组的通电形状。lDIR为数控安装发出的方向信号，其电平高低对应电机绕组通电顺序的改动，即步进电机的正、反转。lFULL/HALF控制电机的整步或半步。l软件环形脉冲分配器的设计方法有查表法、比较法、移位存放器法等。l如下图，8031单片机的P1口的三个引脚经过光电隔离、功率放大后分别与电机的A、B、C衔接。l采用三相六拍方式时，电机正转的通电顺序为AABBBCCCAA。l电机反转的通电顺序为AACCCBBBAA。l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。l1单电压功率放大器2高低电压功率放大器3斩波恒流功率放大器4调频调压功率放大器1

19、. 传动间隙补偿提高机床传动元件的齿轮、丝杠制造装配精度并采取消除传动间隙的措施，只能减少不能完全消除传动间隙。机械传动链在改动运动或旋转方向时，最初假设干个指令脉冲只能起到消除间隙的作用，呵斥步进电机的空走，而任务台无实践挪动，从而产生传动误差。补偿方法：先测出并存储间隙大小，接纳反向位移指令时，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N，驱动步进电机转动，越过传动间隙，然后按照指令脉激动作。2. 螺距误差补偿传动链中滚珠丝杠螺距的制造误差直接影响机床任务台的位移精度。补偿方法：设置假设干个补偿点，在每个补偿点丈量并记录任务台位移误差，确定补偿值并作为控制参数保送给数控安装。设

20、备运转时，任务台每经过一个补偿点，CNC系统就参与补偿量，补偿螺距误差。3. 细分线路细分驱动：将一个步距角细分为假设干步的驱动方法。7.3.1 直流伺服电机1. 直流伺服电机的类型按电枢的构造和外形分：平滑电枢型、空心电枢型和有槽电枢型等。按定子磁场产生方式分：永磁式和他励式。按转子转动惯量大小分：大惯量、中惯量和小惯量伺服电机。2. 直流伺服电机的构造1定子：产生定子磁极磁场。2转子：外表嵌有线圈，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。3电刷与换向片：为使产生的电磁转矩坚持恒定的方向，保证转子能沿着固定方向均匀地延续旋转，将电刷与外加直流电源衔接，换向片与电枢线圈衔接。3.

21、 直流伺服电机的任务原理1永磁式直流电机任务原理直流电压加在A、B两电刷之间，电流从A流入，从B流出，导体ab和cd遭到逆时针方向作用力，转子在逆时针方向地电磁转矩作用下旋转。当电枢转过90，电枢线圈处于磁极的中性面，电刷与换向片断开，无电磁转矩作用。l在惯性作用下，电枢继续转动一个角度，当电刷与换向片再次接触时，导体ab和cd交换了位置，ab和cd中的电流也发生改动，从而保证电枢遭到地电磁转矩方向不变，因此，电枢可以延续转动。2他励式直流电机任务原理定子上有磁励绕住和补偿绕组，转子绕组经过电刷供电。转子磁场与定子磁场一直正交，产生转矩，转子旋转。l直流电机地机械特性公式l公式中，n为电机转速

22、，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。l直流电机的三种调速方法。l改动电枢外加电压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。l改动磁通量。可得到恒功率特性，适用于主轴驱动的高速段，不适宜于进给驱动。l改动电枢电路的电阻Ra。该方法得到的机械特性较软，不能实现无级调速，也不适宜于数控机床。MCCRCUnmeaea2 1. 晶闸管直流调速系统三相全控桥式整流电路作为直流速度控制单元的主电路。两组正负对接的晶闸管，一组用于提供正向电压，供电机正转。一组提供反向电压，供电机反转。l速度调理

23、器和电流调理器均是由线性集成放大器和阻容元件构成的PI调理器。l速度环起主导作用，电流环的作用是在启动和堵转时限制最大电枢电流。2. 晶体管脉宽调制PWM直流调速系统1PWM系统的组成及任务原理脉宽调制：使功率放大器中的晶体管任务在开关形状下，开关频率坚持恒定，用调整开关周期内的晶体管导通时间的方法来改动输出，从而使得电机电枢两端获得宽度随时间变化的给定频率的电压脉冲。脉宽延续变化，使得电枢电压平均值延续变化，进而导致电机转速延续变化。7.4.1 交流伺服电机1. 交流伺服电机的类型永磁式交流伺服电机和感应式交流伺服电机共同点：任务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同运转。

24、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厉的同步关系，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求转速差才干产生电磁转矩，因此，电机的转速低于磁场同步转速，负载越大，转速差越大。2. 永磁交流伺服电机构造与任务原理电机构造：由定子、转子和检测元件组成，其中1定子；2转子；3压板；4定子三相绕组；5脉冲编码器；6接线盒。l任务原理：定子三相绕组接上电源后，产生一个旋转磁场，该旋转磁场以同步转速n0旋转；l定子旋转磁场与转子的永久磁铁磁极相互吸引，并带动转子以同步转速n0一同旋转；l当转子轴上加有负载转矩后，呵斥定子磁场轴线与转子磁极轴线不重合，相差一个角，负载转矩

25、发生变化时， 角也发生变化。l只需不超越一定限制，转子一直跟随定子的旋转磁场以同步转速n0旋转。1. 交流伺服电机调速原理电机调速的三种方法：1改动磁极对数P：有级调速方法，经过对定子绕组接线的切换而改动磁极对数来实现。2改动转差率s：只适宜于异步型交流电机的调速。3变频调速：经过改动电机电源的频率f而改动电机的转速。2. SPWM变频调速1SPWM调制原理2SPWM变频器的功率放大电路3SPWM变频调速系统速度给定器：给定信号，控制频率、电压及正反转。平稳启动回路：使启动加、减速时间可随机械负载设定，以到达软启动的目的。函数发生器：在输出低频信号时坚持电机气隙磁通一定，补偿定子电压降的影响。

26、l电压频率变压器：将电压转换为频率，经分频器、环形计数器产生方波，和经三角波发生器产生的三角波一同送入调制回路。l电压调理器：产生频率和幅度可调的控制正弦波，送入调制回路，送入调制回路，在调制回路中进展SPWM变换，产生三相的脉冲宽度调制信号。在基极回路中输出信号至功率晶体管基极，即对SPWM的主回路进展控制，实现对永磁交流伺服电机的变频调速。l电流检测器：过载维护。l与传统数控机床进给系统中的“旋转伺服电机滚珠丝杠不同，直线电机直接驱动机床任务台，取消驱动电机和任务台之间的一切中间传动环节。l7.5.1 直线电机l分为交流和直流两种，交流直线电机又分为感应异步式和永磁同步式。l直线电机相当于

27、把旋转电机沿过轴线的平面剖开，并将定子、转子圆周展开为平面和进展一些演化构成。2. 直线电机的任务原理根本原理：利用电磁作用将电能转换为动能。1感应异步式直线电机的构造及任务原理2永磁同步式直线电机任务原理3. 直线电机的特点调理速度方便。加速度大，呼应快。定位精度和跟踪精度高。行程不受限制。l双环系统，内环为速度环，外环为位置环。l位置环：接纳来自光栅尺的位置反响信号及插补信号的比较信号，来控制速度环的指令速度，从而调理执行件的位置一直与指令位置坚持一致。l速度环：根据位置环的指令速度快速而准确控制电机，使得其不受负载转矩大小和方向的影响，并快速跟踪指令速度的变化。1. 途径生成问题三个方面

28、：加加速度、插补和对加工程序段的预处置。2. 直线电机对负载刚性的影响三个要素：速度控制环比例增益、积分时间和在没有前馈控制情况下的位置控制环比例增益。3. 影响定位时间的要素四个要素：最大加速度、速度、加加速度和位置控制进给前馈实践增益。4. 影响加工途径精度的要素三个要素：途径生成最大加速度和位置控制进给前馈实践增益。7.6.1 数字脉冲比较伺服系统将指令脉冲F与反响脉冲Pf进展比较，决议位置偏向e，再将位置偏向e放大后输出给速度控制单元和电机执行，以减少和消除位置偏向。半闭环系统中，检测元件多采用光电编码器；闭环系统中，检测元件多采用光栅。任务过程：当指令脉冲为正而反响脉冲为负时，计数器

29、作加法运算；当指令脉冲为负而反响脉冲为正时，计数器作减法运算。计数器的计算结果：当eFPf0时，任务台正向挪动；当eFPf0时，任务台反向运动；当eFPf0时，任务台静止。l常用检测元件是旋转变压器和感应同步器。l脉冲调相器数字相位变化器：未来自数控安装的进给脉冲信号转换为相位变化信号。l以位姿检测信号的幅值大小来反映机械位移量的数值，并以此信号作为反响信号，转换为数字信号后与指令信号进展比较，从而获得位置偏向构成闭环控制系统。l常用检测元件：旋转变压器和感应同步器。l提供加工各类工件所需的切削功率，主要完成主轴调速和正反转功能。l7.7.1 直流主轴伺服系统l由速度环和电流环组成双环调速，控制直流主轴电机的电枢电压来进展恒转矩调速。l交流主轴电机普通采用感应式交流伺服电机。l感应式交流伺服电机构造简单、廉价、可靠，配合矢量交换控