河南科技大学机电工程学院学习教案

1、会计学1河南科技大学河南科技大学(dxu)机电工程学院机电工程学院第一页，共45页。 主轴伺服系统：用于控制机床主轴的转动（速度控制系统）。 进给伺服系统：机床移动部件（如工作台）的位置(wi zhi)和速度作为控制量的自动控制系统。一般意义的伺服系统，控制精度要求高。第一节第一节概述概述(ish)一、一、伺服系统的组成伺服系统的组成(zchn)伺服系统按其功能可分为：p 主轴伺服系统p 进给伺服系统第1页/共44页第二页，共45页。进给伺服系统的组成(z chn)作用：接受作用：接受CNC发出的进给速度和位移指令发出的进给速度和位移指令(zhlng)信号，由伺服驱动器作一定的信号，由伺服驱动

2、器作一定的转换和放大后，经伺服电机（直流、交流伺服电机、功率步进电机等）和机械传动转换和放大后，经伺服电机（直流、交流伺服电机、功率步进电机等）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。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。第2页/共44页第三页，共45页。 如果把CNC装置比作数控机床的“大脑”，是发布“命令”的指挥机构，那么伺服系统就是数控机床的“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(kngzh)执行部件的运动方向、进给速度与位移量。第3页/共44页第四页，共45页。二、二、对伺服系统的基本对伺服系统的基本(

3、jbn)要求：要求：1.位移精度高位移精度高位移精度：指指令脉冲要求机床工作台进给的位移量和该指令脉冲经伺服系统转化为工作台实际位移量位移精度：指指令脉冲要求机床工作台进给的位移量和该指令脉冲经伺服系统转化为工作台实际位移量之间的符合程度。两者误差愈小，位移精度愈高。之间的符合程度。两者误差愈小，位移精度愈高。2.稳定性好稳定性好稳定性：指系统在给定外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来平衡状态的稳定性：指系统在给定外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来平衡状态的能力。要求伺服系统具有能力。要求伺服系统具有(jyu)较强的抗干扰能力，保证进给速度均匀

4、、平稳。稳定性直接影响数控加工较强的抗干扰能力，保证进给速度均匀、平稳。稳定性直接影响数控加工精度和表面粗糙度。精度和表面粗糙度。第4页/共44页第五页，共45页。3.快速响应快速响应快速响应：是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统跟踪精度。机床进给快速响应：是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统跟踪精度。机床进给伺服系统实际上就是一种高精度的位置随动系统，为保证轮廓伺服系统实际上就是一种高精度的位置随动系统，为保证轮廓(lnku)切削形状精度和切削形状精度和低的表面粗糙度，要求伺服系统跟踪指令信号的响应要快，跟随误差小。低的表面粗糙度，要求伺服系统跟踪指令信号的响应要快，跟随误差小。

5、4.调速范围宽调速范围宽调速范围：是指生产机械要求电机能提供的最高转速和最低转速之比。在数控机调速范围：是指生产机械要求电机能提供的最高转速和最低转速之比。在数控机床中，由于所用刀具、加工材料及零件加工要求的不同，为保证在各种情况下都能得到床中，由于所用刀具、加工材料及零件加工要求的不同，为保证在各种情况下都能得到最佳切削条件，就要求伺服系统具有足够宽的调速范围。最佳切削条件，就要求伺服系统具有足够宽的调速范围。5.低速大扭矩低速大扭矩要求伺服系统有足够的输出扭矩或驱动功率。机床加工的特点是，在低速时进行要求伺服系统有足够的输出扭矩或驱动功率。机床加工的特点是，在低速时进行重切削。因此，伺服系

6、统在低速时要求有大的转矩输出。重切削。因此，伺服系统在低速时要求有大的转矩输出。第5页/共44页第六页，共45页。三、进给伺服系统的分类三、进给伺服系统的分类(fnli)p 开环系统(xtng)p 半闭环系统(xtng)p 全闭环系统(xtng)1、开环系统：没有(mi yu)任何测量反馈装置按其控制原理和有无位置反馈装置这类系统具有结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉等优点，在精度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合得到广泛应用。 一般用于经济型数控机床一般用于经济型数控机床功率步进电机第6页/共44页第七页，共45页。2 2、半闭环系统：其测量反馈信号是从驱动装置（常用伺服电机）

7、或从传动、半闭环系统：其测量反馈信号是从驱动装置（常用伺服电机）或从传动(chundng)(chundng)中端引出的，间中端引出的，间接测量执行部件的移动量。接测量执行部件的移动量。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(jn d)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(jn d)。半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度(jn d)也较高，因而在现代数控机床中得到了广泛应用。 光电编码器第7页/共44页第八页，共45页。3 3、全闭环系统：直接对执行部件的实际位置进行测量，可消除中间传动环节、全闭环系统：直接对执行部件的实际位置进行测量，

8、可消除中间传动环节(hunji)(hunji)的误差，位置控制精度的误差，位置控制精度高。采用直线位移传感器，价格昂贵，多用于超精设备。高。采用直线位移传感器，价格昂贵，多用于超精设备。 由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦(mc)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，使闭环系统的设计、安装和调试都相当困难。 该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精磨床以及较大型的数控机床等。位置控制调节器速度控制调节与驱动位置检测单元位置控制单元速度控制单元+-电机机械执行部件CNC插补指令UgUpUmDXD速度检测装置mXAXCXDD直线(zhxin)位移传感器第8页/共44页

9、第九页，共45页。第二节第二节伺服电机及其调速伺服电机及其调速一、一、概述概述(ish)：伺服电机伺服电机分类分类(fnli)n 步进电机(dinj)（Stepping Motor）n 直流伺服电机(dinj)（DC Motor）n 交流伺服电机(dinj)（AC Motor）控制电机伺服电机是进给伺服系统中一个重要的组成环节，其性能决定了进给伺服系统的性能。第9页/共44页第十页，共45页。 （一） 步进电机结构和工作(gngzu)原理二、二、步进电机步进电机(dinj)是一种将电脉冲信号(xnho)转化为角位移的执行机构。步进电机是按电磁吸引的原理进行工作的。 A A B B C C 定子

10、 转子 绕组 结构：主要由定子、转子和励磁绕组三部分组成。定子上有六个磁极，每个磁极上绕有励磁绕组，每相对的两个磁极组成一相，分成A、B、C三相。定子和转子均由带齿的硅钢片叠成。当定子绕组按顺序轮流通电时，A、B、C三对磁极就依次产生磁场，并每次对转子的某一对齿产生电磁引力，将其吸引过来，而使转子一步步转动。每当转子某一对齿的中心线与定子磁极中心线对齐时，磁阻最小，转矩为零。如果控制线路不停地按一定方向切换定子绕组各相电流，转子便按一定方向不停地转动。步进电机每次转过的角度称为步距角。第10页/共44页第十一页，共45页。第11页/共44页第十二页，共45页。v 永磁式（PM）v 反应式（VR

11、）v 混合式（HB） 永磁式步进一般(ybn)为两相，转矩和体积较小，步进角一般(ybn)为7.5度 或15度；混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。这种步进电机(dinj)的应用最为广泛。（二）步进电机(dinj)的类型反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家80年代已被淘汰； 三相 四相 五相 六相等励磁相数转子结构应用最广泛第12页/共44页第十三页，共45页。v 不需反馈控制，电路简单 v 易于微机联接v 没有积累(jli)误差v 停止时有自锁能力v

12、维修方便v 价廉（三）特点(tdin)(Features)：v 效率低 v 容易(rngy)失步（脱调）v 低频时易发生震荡优点缺点第13页/共44页第十四页，共45页。（四）步进电机(dinj)的转矩特性步进电机的脉冲频率与其产生的转矩之间的关系(gun x)称为步进电机的转矩特性。当步进电机(dinj)转动时，电机(dinj)各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大，相电流减小，从而导致力矩下降。 转矩随着脉冲频率的增高而减小，why？第14页/共44页第十五页，共45页。也称为起动转矩:使处于静上状态的步进电机突然起动，并能够以一定转速旋转的负载转矩限值。牵入转矩以内

13、(y ni)的区域称为自起动区域。Pull-in Torque牵入转矩（Pull-in Torque）?第15页/共44页第十六页，共45页。Pull-out Torque 能够(nnggu)跟踪负载的转矩限值称为脱出转矩脱出(tu ch)转矩（Pull-out Torque）?第16页/共44页第十七页，共45页。保持保持(boch)(boch)转矩（转矩（Holding TorqueHolding Torque）? ?是指步进电机通电(tng din)但没有转动时，定子锁住转子的力矩。比如，2N.m的步进电机，在没有(mi yu)特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。Holdi

14、ng Torque是步进电机所产生的最大转矩。第17页/共44页第十八页，共45页。（五）步进电动机的驱动(q dn)与控制1 1、环形脉冲分配器、环形脉冲分配器 步进电动机的各相绕组步进电动机的各相绕组(roz)(roz)必须按一定的顺序通电才能正常工作。这种使电动机必须按一定的顺序通电才能正常工作。这种使电动机绕组绕组(roz)(roz)的通电顺序按一定规律变化的部分称为环形脉冲分配器。的通电顺序按一定规律变化的部分称为环形脉冲分配器。实现(shxin)环形分配的三种方法：v 采用计算机软件v 用小规模集成电路搭接而成v 专用环形分配器芯片第18页/共44页第十九页，共45页。 从计算机输

15、出口或从环形分配器输出的信号脉冲电流一般只有几个毫安，不能直接驱动步进电动机。必须采用(ciyng)功率放大器将脉冲电流进行放大，使其增大到几至十几安培，从而驱动步进电动机运转。2 2、功率、功率(gngl)(gngl)放大器放大器恒流驱动(q dn)斩波驱动(q dn)等。功率放大电路电压型电流型单电压型双电压型（高低压型）第19页/共44页第二十页，共45页。脉冲信号：由CNC数控装置或单片机产生，一般脉冲信号的占空比为0.3-0.4左右，电机转速越高，占空比占空比则越大。3 3、控制系统、控制系统(kn zh x tn)(kn zh x tn)组成组成功率(gngl)放大器第20页/共4

16、4页第二十一页，共45页。一般一般(ybn)用于开环系统用于开环系统这类系统具有结构简单、工作稳定、调试方便、维修(wixi)简单、价格低廉等优点，在精度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合得到广泛应用。一般用于经济型机器人和经济型数控机床。第21页/共44页第二十二页，共45页。实际应用实际应用(yngyng)例子例子Y3150E型滚齿机的数控改造-鼓形齿轮(chln)加工 洛阳(lu yn)起重机厂步进电机数控系统第22页/共44页第二十三页，共45页。通电线圈产生(chnshng)的磁场与永久磁铁产生(chnshng)的磁场之间的相互作用产生(chnshng)了伺服电机的转矩。定子：磁场定

17、子：磁场永磁体永磁体转子转子(zhun z)(zhun z)：电枢绕组：电枢绕组换向：换向器与碳刷换向：换向器与碳刷三、直流伺服电机三、直流伺服电机为了得到(d do)连续的旋转方向,必须随着转子的转动角度不断改变电流方向,因此,必须有换向器与碳刷。目前使用比较多的是永磁式直流伺服电机，也称为大惯量宽调速直流伺服电机。特点：调速范围宽，输出转矩大，过载能力强，而且电机转动惯量较大，应用较方便 第23页/共44页第二十四页，共45页。优点：起动转矩大、体积小、重量轻、转矩和转速(zhun s)容易控制、效率高。特点(tdin)（Features）:缺点(qudin)：由于电刷和换向器的存在，其寿

18、命、噪声等方面存在不足。开发研制了无刷直流电机（brushless）第24页/共44页第二十五页，共45页。直流伺服电机的调速 改变电枢(din sh)电压来控制转速PWM控制(kngzh)原理第25页/共44页第二十六页，共45页。四、四、交流交流(jioli)伺服电机无刷电机伺服电机无刷电机改变电机的结构(jigu)磁极作转子，线圈作定子；线圈中的电流方向可以使用电子方式换向在换向过程中，需要测量磁场磁力线与线圈的夹角 霍尔传感器可以测量转子的磁场q 感应式电动机（Induction Motor）q 同步(tngb)式电动机（Synchronous Motor）-应用较多q 无刷电机（Br

19、ushless Motor）三种类型第26页/共44页第二十七页，共45页。永磁同步电动机逐渐成为(chngwi)交流伺服系统执行电动机的主流三种(sn zhn)交流伺服电机的结构第27页/共44页第二十八页，共45页。交流电机调速种类很多，应用最多的是变频调速。变频调速的主要环节是能为交流电机提供变频电源的变频器。变频器的功用是，将频率固定（电网频率为50Hz）的交流电，变换成频率连续可调（0400Hz）的交流电。变频器可分为交-直-交变频器和交-交变频器两大类。交-直-交变频器是先将频率固定的交流电整流成直流电，再把直流电逆变成频率可变的交流电。交-交变频器不经过中间环节，把频率固定的交流

20、电直接变换成频率连续可调的交流电。因只需一次电能转换，效率高，工作可靠，但是频率的变化范围有限。交-直-交变频器，虽需两次电能的变换，但频率变化范围不受限制，目前(mqin)应用得比较广泛。交流交流(jioli)伺服电机的变频调速伺服电机的变频调速第28页/共44页第二十九页，共45页。交流交流(jioli)伺服数控系统的组成伺服数控系统的组成第29页/共44页第三十页，共45页。第三节第三节位置位置(wizhi)检测装置检测装置一、概、概 述述一 组成：位置测量装置是由检测元件（传感器）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。和信号处理装置组成的。一 作用：实时测量执行

21、部件的位移和速度信号作用：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，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。它是闭环、半闭环进给伺服系统的重要组成部分(z chn b fn)(z chn b fn)。一 闭环数控机床的加工精度在很大程度上是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，必须精心伺服系

22、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。选择位置检测装置。第30页/共44页第三十一页，共45页。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(y )数量级）；位置检测装置最高允许的检测速度应高于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31页/共44页第三十二页，共45页。p按输出信号的形式分类：数字式和模拟式p按测量基点的类型分类：增量式和绝对(judu)式p按位置检测元件的运动形式分类：回转型和直线型第32页

23、/共44页第三十三页，共45页。常用位置(wi zhi)检测装置分类表第33页/共44页第三十四页，共45页。三、三、脉冲脉冲(michng)编码器编码器（一）绝对式编码器（一）绝对式编码器绝对式编码器是一种旋转式检测装置，可直接把被测转角用数字代码表示出来绝对式编码器是一种旋转式检测装置，可直接把被测转角用数字代码表示出来，且每一个角度位置，且每一个角度位置(wizhi)均有其对应的测量代码，它能表示绝对位置均有其对应的测量代码，它能表示绝对位置(wizhi)，没有累积误差，电源切除后，位置，没有累积误差，电源切除后，位置(wizhi)信息不丢失，仍能读出转动角信息不丢失，仍能读出转动角度。

24、度。脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器，能把机械转角(zhunjio)变成电脉冲，是数控机床上使用很广泛的位置检测装置。 绝对式 增量式脉冲编码器可分为两类n 光电式光电式n 接触式n 电磁式绝对式编码器分类第34页/共44页第三十五页，共45页。组成组成(zchn)：多路光源、光敏元件、编码盘。：多路光源、光敏元件、编码盘。以光电式四位绝对编码器为例来说明(shumng)其工作原理。 编码盘的结构：码盘上有许多同心圆环（码道）编码盘的结构：码盘上有许多同心圆环（码道），整个，整个(zhngg)圆盘又分为若干个等分的扇形圆盘又分为若干个等分的扇形区段。按二进制编码在码盘上刻上若干圈透明和区段。按

25、二进制编码在码盘上刻上若干圈透明和不透明的区域。对应每圈都有光电传感器。不透明的区域。对应每圈都有光电传感器。23222120工作原理：工作原理：光线通过码盘的透明区域，使光敏元件导通，产生高电平，代表二进制的“0” ；不透明区域代表二进制的“1” 。最外圈代表最低位、最内圈代表最高位。这样每个扇形区段就由一组二进制的编码对应。 每组二进制编码对应一个确定的角度。根据检测信号的二进制码的输出，故可测得被测轴的周向绝对位置。第35页/共44页第三十六页，共45页。设n=10，分辨率 =0.36o绝对(judu)式码盘的规格及分辨率p规格规格p绝对式码盘的规格与码盘码道数绝对式码盘的规格与码盘码道

26、数n有关；有关；p现在市场上提供从现在市场上提供从4道道到到18道道都有；都有；p选择：伺服系统选择：伺服系统(xtng)要求的分辨率；要求的分辨率；p考虑机械传动系统考虑机械传动系统(xtng)的参数。的参数。p分辨率（分辨角）分辨率（分辨角）p设绝对式码盘的规格设绝对式码盘的规格n道：道：n2360第36页/共44页第三十七页，共45页。一、当掉电时， 绝对型编码器的位置不会丢失，一旦电源接通，它即可读出现时准确的位置信号，不需要退回到基准原点使系统从初始位置开始。同样(tngyng)，在经过一阵干扰后，可通过复读重新获得准确的位置信号。因此，绝对型编码器与增量型编码器相比，不存在掉电信号丢失问题，抗干扰能力强，可用于长期的定位控制。二、绝对型编码器读出的信号可以是格雷码等数字信号，其错码几率较小，对于后部二次仪表(ybio)的运算，因是数字量计算，不易增加其误差，因此，其传输及计算的数据的可靠性高。三、结构复杂、价格高（4-5倍）。绝对型多转编码器因其精度高量程大，不怕干扰掉电，在被广泛应用于如