第四章伺服系统

1、第四章 伺服系统第一节 概述 机床进给系统担负着刀具对工作台的移动任务并使之形成零件所需形状，普通机床的进给系统是由电机驱动进给箱中的各个齿轮来实现变速，数控机床进给系统是由数控装置发出进给指令，通过伺服系统实现在一定调速范围内无级变速，通过若干进给坐标轴的运动和互相配合来完成直线、平面曲线、空间曲线的加工。一、NC机床伺服机床特点 数控机床能自动完成复杂型面的加工，因此，伺服系统必须具有灵敏而精确的跟踪指令的特点：、伺服系统特点： 具有快速响应性； 较宽的调速范围； 能跟踪指令运动，而误差很小。、伺服进给系统应该满足的要求：(1). 进给系统传动链应该尽量的简短，传动件之间摩擦系数尽可能小，

2、减少传动间隙，提高刚度，减少系统惯量，提高效率。(2). 伺服电机尽可能直接驱动工作台，因而需要较大的输出力矩和较宽的调速范围，低速时输出力矩大，并且运动平稳。(3). CNC机床能够长时间连续无人看管下自动进行加工，因此稳定和可靠性极为重要，所以，无论数控装置，伺服系统的电路或者机械结构都需要十分稳定可靠。二、伺服系统分类： 按驱动元件驱动元件划分：步进电液扭矩放大器伺服系统；功率步进电机伺服系统；电液伺服阀-液动机伺服系统；直流伺服电机伺服系统；交流伺服电机伺服系统。 按控制方式控制方式划分：开环控制伺服系统；闭环控制伺服系统；半闭环控制伺服系统。开环伺服系统位置控制模块速度控制单元步进电

3、机工作台指令信号滚珠丝杠联轴器 以步进电机为驱动元件的开环伺服系统，结构简单，在经济型数控中应用广泛，显著特点是没有反馈，开环系统传动精度和动态特性，由驱动元件及驱动电源和传动机构来决定，因此，步进电机的步距角精度，滚珠丝杠的螺纹导程精度，滚珠丝杠与螺母间的反向间隙，导轨间的摩擦系数及导轨精度等，直接影响动态特性和传动精度。 由于开环伺服系统把各个环节的误差累计起来，因而不易达到高的传动精度和较好的动态特性，步进电机的最高工作频率又限制了进给速度的提高，所以开环伺服系统适用于对精度、速度等特性要求不高的中小型数控机床。2.闭环伺服系统位置调节器速度调节器功率驱动伺服电机速度反馈位置反馈指令信号

4、伺服电机工作台位置检测-+- 闭环伺服系统工作原理是把位置测量元件的检测信号反馈到输入端与输出信号进行比较，比较后的差值经调节、放大用来驱动伺服电机转动，通过丝杠带动工作台向减小误差方向移动，直至使误差值趋于零，工作台才停止移动。 在闭环系统中，现在使用纯电气性闭环系统，电液系统已不再使用。 70年代初期，研制出来性能优越的宽调速直流伺服电机。 90年代研制出交流伺服电动机，由于其过载能力强，低速时输出力矩大，调速范围宽，体积小，维护方便，且成本随应用范围扩大而逐渐降低，因此，在国内外占据很大优势。3 半闭环伺服系统 位置调节器速度调节器功率驱动伺服电机工作台速度反馈位置反馈+-+-滚珠丝杠

5、半闭环伺服系统所不同之处，位置检测元件放在伺服电机或丝杠上，把工作台、导轨、丝杠甩出去，不包括在闭环内，优点：容易调整。第二节 伺服驱动元件 伺服驱动元件是伺服系统的关键部件，影响伺服精度，影响动态性能。因而，对伺服驱动元件有如下要求；（1）调速范围宽，数控机床的进给速度范围从单步点动到每分钟几十米，要求伺服系统具有很宽的调速范围，速比要求在1：10000以上，并且低速运转平稳。（2）动态响应快，动态反应速度直接影响到系统品质， 要求执行元件加速特性好，即：动态响应快。 （3）负载特性硬，在切削加工过程中负载有较大变化时，驱动元件特性应不受影响，低速运动时，应有足够的负载能力。驱动元件应具有和

6、负载匹配的特性，M/J比值越大，特性越好。（4）能够频繁启动、停止、反转。（5）噪声小，震动小，寿命长，维修方便。 目前，经常使用的有：步进电机，功率步进电机，宽调速直流伺服电机，交流伺服电机，他们各有特点，从发展情况来看，自从出现了宽调速直流伺服电机，由于种种优点，在实际的应用中越来越多，那些要求性能高、精度高的场合，都使用宽调速直流、交流伺服电机，而只有在一些性能要求不高、精度低、成本低的场合使用功率步进电机和小功率步进电机。一、步进电机 步进电机是一种把脉冲电信号变为相应角位移的数字/模拟变换器，每个脉冲指令，就有一个步距角的转动。 一般电机都是连续转动的，而步进电机则每当电机绕组接收一

7、个脉冲时，转子就转过一个相应的角度，称为一个步距，在低速运行时，明显可见到电机轴是一步一步地转动的，因此，称为步进电机。 步进电机角位移量和输入脉冲的个数严格成正比，在时间上与输入脉冲同步，因此，只要控制输入脉冲的数量，脉冲的频率和电机绕组的相序，即可获得所需转角、转速、转动方向，因此，步进电机调速范围宽，响应快，控制装置简单，在精度要求不高场合，获得广泛应用，在开环伺服驱动系统中，大都采用步进电机做为驱动元件。 步进电机种类很多，在数控机床上常采用反应式和混合式步进电机，从结构上看，可分为：径向分相式和轴向分相式步进电机，即：单定子，多定子结构。 步进电机结构（电阻R和电感L）特点，转子运动

8、输出转距，随脉冲频率不同，输出转矩有所不同，也就是步进电机的矩频特性。 步进电机通电方式：（1）单三拍通电方式 按A-B-C的顺序使三相定子绕组依次轮流通电：转子轴一步一步转动，图4-3转子按A-B-C-A的顺序通电，顺时针转动；若按A-C-B-A的顺序通电，则转子逆时针转动，这种通电方式，在高速时易失步，且单相绕组通电，在平衡位置易振荡，一般很少采用这种通电方式。 （2）双三拍通电方式： 按AB-BC-CA-AB顺序通电，顺时针转动，按AC-CB-BA-AC，逆时针转动，每步都有两相同时通电，在状态变换时总有一相保持通电，因而运转平稳，输出转矩比单三拍通电方式要大，但发热量大。（3）三相六拍

9、通电方式 通电按A-AB-B-BC-C-CA-A顺序，顺时针转动，按A-AC-C-CB-B-BA-A，逆时针转动，每一拍运动总有一相保持通电，所以运转平稳，运转频率也可提高一倍，每拍转过的角度为前面（1、2）种的一半。如果：（1）、（2）两种情况为3，三相六拍方式为1.5，在实际使用中大多采用这种方案。二、宽调速直流伺服电机 早期数控机床的伺服驱动元件多采用液压马达，1959年创建了步进电液马达，体积小，反应灵敏，在早期是中小型数控机床的开环伺服驱动中采用的动力元件，但液压驱动，有效率低，发热量大，噪声大，安装维护困难，高速时输出扭矩迅速减小，不能过载，精度不高等一系列缺点，很难满足生产发展的

10、需要，迫切寻求其它性能更好的伺服驱动元件。 直流电机便于调速，有较高的机械特性，所以直流电动机很早就用于机床主运动系统，以实现无级调速，但是，一般的直流电动机转子转动惯量过大，而输出扭矩相对过小，扭矩惯量比M/J小，动态特性较差，尤其在低速运转下，更为突出，只能用做主运动系统中，不宜用作进给伺服电机。 60年代初，研制出了小惯量直流伺服电机，其转动惯量小，反应灵敏，动态特性好，在许多场合代替了液压伺服驱动系统。 小惯量直流伺服电机缺点：电机转子直径小，热时间常数小，过载能力差，转子惯量小，而机床工作台惯量大，需要根据转矩/惯量匹配，设置精密齿轮副才能匹配。 到70年代研制成功了大惯量宽调速直流

11、伺服电机，电机转动惯量大，动态特性相对较高，它既有一般直流电机的各项优点，又具有小惯量直流伺服电机的快速响应特性，具有较好的输出转矩/惯量的各项优点，易与机床惯量匹配，能较好地满足数控机床伺服驱动的各项要求。 大惯量宽调速直流伺服电机在80年代末以前一直是国内外数控机床上广泛应用的驱动元件。 宽调速直流伺服电机，结构与一般直流电机有区别，分为：电激磁，永久磁铁激磁两种结构， 目前，永磁材料性能不断提高，成本逐渐下降，因而永久磁铁结构用得较多。宽调速直流伺服电机性能特点：（1）电机输出力矩大，能直接驱动丝杠，中间不必用齿轮降速，对提高机床精度有利。（2）电机过载能力强。（3）动态响应性能好，电机

12、定子采用高性能永磁材料，具有很高的矫顽力，提高了电机效率，没有励磁损耗，能产生10-15倍的瞬时转距，而不出现退磁现象，从而使动态响应性能大大提高。（4）低速运转平稳。（5）易于调速。 宽调速直流伺服电机虽然具有上述优点，但并不是十分完美，其运行调整就不如步进电机简便，快速响应性能不如小惯量伺服电机；电机转子采用良好绝缘， 耐温可高达150 -200，由于转子上有绕组，高温热量通过转子直接传到丝杠，若不采取措施，热量传到丝杠影响机床精度，响应时间较慢，有滞后现象，对加工和定位精度有一定影响，不宜应用于精度要求太高的机床，此外，电机电刷容易磨损，维修、保养也有一定问题，鉴于上述存在的这些缺点，9

13、0年代以后，人们又研制成了交流伺服电机。三、交流伺服电机 早在60年代末，随着电子学和电子技术的发展，已实现了半导体变流技术的交流调速系统，70年代以来，随着大规模集成电路和计算机控制技术的发展和现代控制理论的应用，为交流伺服的进一步发展创造了有利条件，特别是矢量控制技术的应用使交流伺服驱动逐步具备了调速范围宽，稳速精度高，动态响应快，可逆运行，等良好技术性能，在调速性能方面已经可以与直流伺服驱动媲美，因此，自从90年代以后，交流伺服电机在调速性能，可靠性方面，不断完善，价格也在不断降低，它已经成为数控机床伺服驱动元件的主宰。 交流伺服电机采用全封闭无电刷结构，可以适应工厂恶劣的环境（油、气、

14、切削液、灰尘），不需要定期检查和维修，具有充分的可靠性，定子结构紧凑，外型小，重量只有同类直流伺服电机的75%-90%，轻很多，定子结构有许多特点，线圈绕在定子铁心上，绝缘可靠，磁场均匀，可以对定子铁心直接冷却，散热效果好，因此，传给机械部分的热量少，提高了整个系统的可靠性，采用具有精密磁极形状的永久磁铁，从而可实现高转矩/惯量比，动态响应特性好，运行平稳。转子轴上，可安装高精度的脉冲编码器、测速发电机或感应同步器作为检测元件，因而，交流伺服电机以其高性能，大容量，在机床伺服进给系统中有绝对统治地位，受到广泛重视和全面应用。第三节第三节 位置测量元件位置测量元件一、对检测装置的要求一、对检测装

15、置的要求 要求：工作可靠，易于调整维修，成本低廉，检测精度高，稳定工作。 位置测量元件提供执行元件的实际位置的电信息，可以测量直线位移和角位移。 在开环伺服驱动系统中，没有相应的位置测量元件，因为不需要反馈。 在闭环伺服驱动系统中，位置测量元件则是不可缺少的重要组成部分，它测量实际位移量，发出反馈信号，并与给定值进行比较，从而实现闭环或半闭环数字控制，其测量精度对整个位置环的伺服精度有着决定性的影响。不同类型的数控机床对测量元件的检测精度要求及允许最高位移速度各有不同，一般要求线位移的分辨率在0.001-0.01mm之间，磨床0.0001mm，速度1-10000mm/min，测量角位移0.00

16、1 0.01。二、检测装置的分类 直线型：光栅尺，感应同步器，磁尺，激 光干涉仪。增量式：回转型：圆光栅，圆感应同步器，旋转变压器，圆磁栅。绝对式：直线型：三速式感应同步器，绝对式磁尺 回转型：多极旋转变压器，编码盘。绝对零位式：零光栅。三、脉冲编码器1脉冲编码器分类与结构 脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器，能把机械转角变成脉冲，是数控机床上使用很广泛的位置检测装置，同时也用于检测速度，作为速度检测装置。 脉冲编码器分为：光电式，接触式，电磁式。 从测量精度和可靠性方面来看，光电式编码器优于其它两种，在数控机床上主要使用光电式脉冲编码器。伺服电机伺服电机圆光栅光敏元件指示光栅联轴器电路板光源玻

17、璃片照相制版轴承 在一个玻璃圆盘的圆周上刻有相等间距线，分为透明和不透明部分，称为圆光栅，圆光栅与工作轴一起旋转，与圆光栅相对平行放置一个固定的扇形，称为指示光栅，在上面刻有1/4周节的二个狭缝，在同一圆周称为辩向狭缝，此外在上面还有一个零位狭缝，脉冲编码器的轴，通过一个十字滑块联轴器与伺服电机轴相连，由法兰盘固定在电机端面上，罩上一个防护罩，构成一个完整的检测装置。光电脉冲编码器的工作原理当圆光栅旋转时，光线透过两个光栅的透明部分，形成明暗相间的条纹，光电元件接收这些明暗相间的光电信号，转换为交变的电信号，电信号为两组近似于正弦波的电信号，A B两相之间相位差90，经过放大整型形成脉冲方波，

18、此外，还有1脉冲/转的光栅信号，称为相脉冲，脉冲用来产生机床基准点。3光电脉冲编码器的应用在数控机床上，用在数字比较的伺服系统中，作为位置检测装置，将检测信号反馈给数控装置的位置环节。光电脉冲编码器将位置检测信号反馈到CNC装置有两种方式：一是适应带加减计数要求的可逆计数器，形成加计数脉冲和减计数脉冲。二是适应有计数控制和计数要求的计数器，形成方向控制信号和计数脉冲。四、绝对值编码器1.工作原理、分类 绝对值编码器是一种直接编码和直接测量的检测装置，它能检测指示绝对位置，没有积累误差，电源切除后，信息不丢失。 从编码器使用的计数制式来分： 二进制编码 二进制循环码 二十进制码 从结构原理来分：

19、接触式 光电式 电磁式 最常用的是光电式二进制循环码编码器。 码盘上有许多同心圆，它代表这种计数制式的1位，每个同心圆上有透光与不透光部分或导电与绝缘部分，透光为1，不透光为0，这样组成了不同的图案，在径向，若干同心圆组成的图案代表了某一绝对计数值，码盘每转一个角度，计数图案按二进制编码规律变化，葛莱码的计数图案的切换每次只改变一位，误差可以控制在一个单位内。2混合式绝对值编码器工作原理 这种编码器是把增量值码与绝对值码同做在一块码盘上，在圆盘的外圈是高密度的增量条纹，中间有四个码道组成的绝对式的四位葛莱码，每1/4同心圆被葛莱码分割成16个等分段，在圆盘最里面有一个每转信号的狭缝，该种码盘的

20、工作原理是三计数，从里到外粗、中、精计数。 码盘的转数由对一转/脉冲的计数表示，在一转以内的角度位置，由葛莱码的416不同数值表示，每1/4圆葛莱码的细分，由外圈增量码来完成。 第四节 伺服系统设计 在设计伺服进给系统时，应使机床工作台及其传动机构的刚度、间隙、摩擦、转动惯量尽可能达到最佳值，以提高伺服系统的快速响应性，应合理选定脉冲当量值的大小和调速范围，以保证加工零件的精度，表面质量和工作效率。一、传动设计 在开环系统中，一般都是由步进电机作为驱动元件，脉冲当量由步进电机步距角，滚球丝杠导程和齿轮减速比来决定： 脉冲当量其中： i 传动比 步进电机步距角 L 滚珠丝杠导程 脉冲当量大小直接

21、影响加工精度，一般精度，=0.01mm/脉冲，较高精度，=0.005mm/脉冲，高精度，=0.0001mm/脉冲。i*360*。l 确定脉冲当量：是选凑滚珠丝杠导程L，步进电机步距角和降速比I的过程，也是综合考虑机床进给系统的刚度、惯性和效率的过程，需要多方兼顾各种要求，多次调整，才能定下来。（1）滚珠丝杠导成L选定 导程L、螺旋升角、滚珠丝杠直径D，他们之间关系如下： =tan-1 L(*D) 螺旋升角与丝杠副效率有关： 330，90% 22085% 330，明显下降DLtg1（2）步进电机最高工作频率和步距角的选定 在选定步进电机型号时，既要满足脉冲当量的要求，又要兼顾对工作台快速运动要求，步距角和最高工作频率由步进电机的结构来确定，步距角应选小一些的数值，最高工作频率越高越好，步距角和最高工作频率的乘积表明了工作台的最高工作速度。（3）减速齿轮的速度比确定i与确定脉冲当量有关，与工作台特性有关，i取大些，可以减小工作台惯量对加速度特性的影响，因此，在确定i时，既要符合确定脉冲当量值的要求，又要使归算到电机上的转动惯量尽量小，以减小工作台惯量对加速度特性影响，获得较大的加速度。二、动力设计伺服系统动力设计必须保证工作台在速度变化情况下，在快速驱动时，在切削加工时，提供足够的转矩和功