数控机床的进给伺服系统学习教案

1、会计学1数控机床数控机床(sh kn j chun)的进给伺服的进给伺服系统系统第一页，共73页。2 进给伺服系统是数控系统主要的子系统。如果说进给伺服系统是数控系统主要的子系统。如果说CNC装置是数控系统的装置是数控系统的“大脑大脑”，是发布，是发布“命令命令”的的“指指挥所挥所”，那么进给伺服系统则是数控系统的，那么进给伺服系统则是数控系统的“四肢四肢”，是一种是一种“执行机构执行机构”。它忠实地执行由。它忠实地执行由CNC装置发来的装置发来的运动命令，精确控制运动命令，精确控制(kngzh)执行部件的运动方向，执行部件的运动方向，进给速度与位移量。进给速度与位移量。第1页/共73页第二页

2、，共73页。3第一节第一节 概述概述(i sh)一、进给伺服系统的定义一、进给伺服系统的定义(dngy)及组及组成成. 定义定义(dngy) 进给伺服系统进给伺服系统(Feed Servo System)以移动部件的位置和速以移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统。度作为控制量的自动控制系统。第2页/共73页第三页，共73页。4 组成：组成： 位置控制单元；速度控制单元；驱位置控制单元；速度控制单元；驱动元件动元件(电机电机)；检测与反馈；检测与反馈(fnku)单元；机单元；机械执行部件。械执行部件。实际速度反馈实际速度反馈位置控位置控制调节制调节器器速度控制速度控制调节与驱调节与驱动动

3、检测与反检测与反馈单元馈单元位置控制单元位置控制单元速度控制单元速度控制单元+-机械执行部件机械执行部件CNC插补插补指令指令+-电机第3页/共73页第四页，共73页。5二、二、NC机床机床(jchung)对数控进给伺服系对数控进给伺服系统的要求统的要求1. 调速范围要宽且要有良好的稳定性调速范围要宽且要有良好的稳定性 调速范围：调速范围： 一般要求：一般要求： 稳定性：指输出速度的波动要少，尤其是在低速稳定性：指输出速度的波动要少，尤其是在低速(d s)时的平稳性显得特别重要。时的平稳性显得特别重要。minmaxFFRNminmin.minmm1Fmm1010000RN且第4页/共73页第五

4、页，共73页。62. 2. 输出位置输出位置(wi zhi)(wi zhi)精度要高精度要高 静态：定位精度和重复定位静态：定位精度和重复定位精度要高，即定位误差和重复定精度要高，即定位误差和重复定位误差要小。位误差要小。( (尺寸精度尺寸精度) ) 动态：跟随精度，这是动态动态：跟随精度，这是动态性能指标，用跟随误差表示。性能指标，用跟随误差表示。 ( (轮廓精度轮廓精度) ) 灵敏度要高，有足够高的分灵敏度要高，有足够高的分辩率。辩率。第5页/共73页第六页，共73页。7 负载特性要硬负载特性要硬 当负载变化时，输出速当负载变化时，输出速度应基本不变，即度应基本不变，即F尽可能尽可能小；小

5、； 当负载突变时，要求速当负载突变时，要求速度的恢复时间短且无振荡，度的恢复时间短且无振荡，即即t尽可能短；尽可能短； 应有足够的过载能力。应有足够的过载能力。即，要求伺服系统有良好即，要求伺服系统有良好的静态与动态的静态与动态(dngti)刚度。刚度。 t F t F第6页/共73页第七页，共73页。8响应速度快且无超调响应速度快且无超调 这是对伺服系统动态这是对伺服系统动态性能的要求，即在无超调性能的要求，即在无超调的前提下，执行部件的前提下，执行部件(bjin)的运动速度的建立的运动速度的建立时间时间 t p 应尽可能短。应尽可能短。 通常要求从通常要求从 0F max（F max0），

6、其时间应），其时间应小于小于200ms，且不能有超，且不能有超调，否则对机械部件调，否则对机械部件(bjin)不利，有害于加工不利，有害于加工质量。质量。 t F tp第7页/共73页第八页，共73页。9综上所述：综上所述： 对伺服系统的要求包括静态和动态对伺服系统的要求包括静态和动态(dngti)特性两方面；特性两方面； 对高精度的数控机床，对其动态对高精度的数控机床，对其动态(dngti)性能的要求更严。性能的要求更严。5. 能可逆运行(ynxng)和频繁灵活启停。6. 系统的可靠性高，维护使用方便，成本低。第8页/共73页第九页，共73页。10一直流伺服电机直流伺服电机一交流伺服电机交流

7、伺服电机一直线电机直线电机第9页/共73页第十页，共73页。113. 速度单元是上述驱动电机及其控制和驱动装置，通常驱速度单元是上述驱动电机及其控制和驱动装置，通常驱动电机与速度控制单元是相互动电机与速度控制单元是相互(xingh)配套供应的配套供应的，其性能参数都是进行了相互，其性能参数都是进行了相互(xingh)匹配，这样匹配，这样才能获得高性能的系统指标。才能获得高性能的系统指标。4. 速度控制单元主要作用：接受来自位置控制单元的速度速度控制单元主要作用：接受来自位置控制单元的速度指令信号，对其进行适当的调节运算指令信号，对其进行适当的调节运算(目的是稳速目的是稳速)，将其变换成电机转速

8、的控制量将其变换成电机转速的控制量(频率，电压等频率，电压等)，再经，再经功率放大部件将其变换成电机的驱动电量，使驱动功率放大部件将其变换成电机的驱动电量，使驱动电机按要求运行。电机按要求运行。 即，调节、变换、功放。即，调节、变换、功放。第10页/共73页第十一页，共73页。125.进给驱动系统的特点（与主运动（主轴）进给驱动系统的特点（与主运动（主轴）系统比较系统比较(bjio)）：）：6.功率相对较小；功率相对较小；7.控制精度要求高；控制精度要求高；8.控制性能要求高，尤其是动态性能。控制性能要求高，尤其是动态性能。第11页/共73页第十二页，共73页。13二、步进电机、步进电机(di

9、nj)及其驱动装及其驱动装置置 步进电机流行步进电机流行(lixng)于于70年代，该系统结构简单年代，该系统结构简单、控制容易、维修方面，且控制为全数字化。随着计算、控制容易、维修方面，且控制为全数字化。随着计算机技术的发展，除功率驱动电路之外，其它部分均可由机技术的发展，除功率驱动电路之外，其它部分均可由软件实现，从而进一步简化结构。因此，这类系统目前软件实现，从而进一步简化结构。因此，这类系统目前仍有相当的市场。目前步进电机仅用于小容量、低速、仍有相当的市场。目前步进电机仅用于小容量、低速、精度要不高的场合，如经济型数控、打印机、绘图机等精度要不高的场合，如经济型数控、打印机、绘图机等计

10、算机的外部设备。计算机的外部设备。第12页/共73页第十三页，共73页。14第13页/共73页第十四页，共73页。15第14页/共73页第十五页，共73页。16步进电机是一种将电脉冲信号转化为机械角位移的电磁机步进电机是一种将电脉冲信号转化为机械角位移的电磁机械装置。由于所用电源是脉冲电源，所以也称为脉冲马达械装置。由于所用电源是脉冲电源，所以也称为脉冲马达。 步进电机和一般电机不同，一般电机通电后连续转动步进电机和一般电机不同，一般电机通电后连续转动，而步进电机则随输入，而步进电机则随输入(shr)的脉冲按节拍一步一步地转的脉冲按节拍一步一步地转动。对步进电机施加一个电脉冲信号时，步进电机就

11、旋转动。对步进电机施加一个电脉冲信号时，步进电机就旋转一个固定的角度，称为一步。每一步所转过的角度叫做步一个固定的角度，称为一步。每一步所转过的角度叫做步距角。距角。 步进电机(dinj)第15页/共73页第十六页，共73页。17 步进电机的角位移量和输入的脉冲数成正比。在时间(shjin)上与输入的脉冲同步。 因此，只需要控制输入脉冲的数量、频率及电机绕组通电相序，便可以获得所需要的转角、转速及转动方向。 在无脉冲输入时，步进电机在绕组电源激励下，气隙磁场能使转子保持原有的位置而处于定位状态。 步进电机步进电机(dinj)第16页/共73页第十七页，共73页。18 步进电机步进电机(dinj

12、)(dinj)的分类的分类 按运动方式分：按运动方式分： 旋转运动、直线运动式步进电机旋转运动、直线运动式步进电机 按工作原理分：按工作原理分： 反应式（磁阻式）、电磁式、永磁式；反应式（磁阻式）、电磁式、永磁式； 按结构分：按结构分： 单段式（径向式）、多段式（轴向式）单段式（径向式）、多段式（轴向式） 按使用场合分：按使用场合分： 功率步进电机和控制功率步进电机和控制(kngzh)(kngzh)步进电机；步进电机； 按相数分：按相数分： 三相、四相、五相、六相、八相等三相、四相、五相、六相、八相等 按使用频率分：按使用频率分： 高频率和低频步进电机高频率和低频步进电机 不同的步进电机，其工

13、作原理、驱动装置也不完全一样。不同的步进电机，其工作原理、驱动装置也不完全一样。第17页/共73页第十八页，共73页。19 步进电机(dinj)的工作原理如图所示，三相反应式步进电机如图所示，三相反应式步进电机(dinj)工作原理图。工作原理图。由转子和定子组成(z chn)。定子上有A、B、C三对磁极绕组，分别为A相、B相、C相。转子转子是硅钢片软磁材料迭合成的带齿廓形状的铁心。 如果在定子上的三对绕组中通直流电流，就会产生磁场。B相通电A相通电C相通电第18页/共73页第十九页，共73页。20BACBCABACBCABACBCA12341234逆时针回转逆时针回转300逆时针回转逆时针回转

14、300当当A、B、C三对磁极的绕组依次轮流通电三对磁极的绕组依次轮流通电(tng din)，则则A、B、C三对磁极依次产生磁场吸引转子转动。三对磁极依次产生磁场吸引转子转动。当当A相通电时，相通电时，B相和相和C相不通电，电机铁心的相不通电，电机铁心的AA轴方向轴方向产生磁通，在磁拉力的作用下，转子产生磁通，在磁拉力的作用下，转子1、3齿与齿与A相磁极对齐相磁极对齐(du q)，2、4两齿与两齿与B、C两磁极相对错开两磁极相对错开300第19页/共73页第二十页，共73页。21当当B相通电时，相通电时，C相和相和A相断电，电机铁心的相断电，电机铁心的BB轴方向轴方向(fngxing)产生磁通，

15、在磁拉力的作用下，转子沿逆时针方产生磁通，在磁拉力的作用下，转子沿逆时针方向向(fngxing)旋转旋转300，2、4齿与齿与B相磁极对齐。相磁极对齐。1、3两齿两齿与与C、A两磁极相对错开两磁极相对错开300当当C相通电时，相通电时，A相和相和B相断电，电机铁心的相断电，电机铁心的CC轴方向产生磁轴方向产生磁通，在磁拉力的作用下，转子沿逆时针方向旋转通，在磁拉力的作用下，转子沿逆时针方向旋转300，1、3齿齿与与C相磁极相磁极(cj)对齐。对齐。2、4两齿与两齿与A、B两磁极两磁极(cj)相对错开相对错开300 若按若按A B C。通电相序连续通电，则步进电通电相序连续通电，则步进电机就连续

16、地沿逆时针方向转动，每换接一次相序，步机就连续地沿逆时针方向转动，每换接一次相序，步进电机沿逆时针方向转动进电机沿逆时针方向转动300，即步距角为，即步距角为300。第20页/共73页第二十一页，共73页。22 若按若按A C BA C B。进行。进行(jnxng)(jnxng)，则转子沿，则转子沿顺时针方向旋转。顺时针方向旋转。上述通电上述通电(tng din)方式称为三相单三拍通电方式称为三相单三拍通电(tng din)方式。方式。所谓所谓“单单”是指每次只有一相绕组通电的意思。是指每次只有一相绕组通电的意思。“一拍一拍”从一相通从一相通(xingtng)电换接到另一相通电换接到另一相通(

17、xingtng)电称为一拍。电称为一拍。“三拍三拍”每一拍转子转过一个步距角，这样每一拍转子转过一个步距角，这样“三拍三拍”是指通电换接三次后完成一个通电周期。是指通电换接三次后完成一个通电周期。 三相六拍通电方式三相六拍通电方式 即按即按A AB B BC C CA相序通电。（见下图）相序通电。（见下图）第21页/共73页第二十二页，共73页。23B相通电BC相通电C相通电AB相通电A相通电CA相通电工作原理：工作原理： 当当A相通电，相通电，1、3齿与齿与A相磁极对齐。当相磁极对齐。当A、B两相同时通电，因两相同时通电，因A极吸引极吸引1、3齿，齿，B极吸引极吸引2、4齿，转子齿，转子(z

18、hun z)逆时针旋转逆时针旋转150。随着。随着A相断电，只有相断电，只有B相通电相通电13A吸1、3两齿 A吸1、3两齿B吸2、4两齿B吸2、4两齿B吸2、4两齿C吸1、3 24C吸1、3 A吸2、4C吸1、3 第22页/共73页第二十三页，共73页。24转子又逆时针转转子又逆时针转150，2、4齿与齿与B相磁极对齐，如果相磁极对齐，如果继续按继续按BC C CA A。相序通电。相序通电(tng din)，步进电机就沿着逆时针方向，以步进电机就沿着逆时针方向，以150的步距角一步一的步距角一步一步移动。步移动。这种通电这种通电(tng din)方式采用单、双相轮流通电方式采用单、双相轮流通

19、电(tng din)，在通电，在通电(tng din)换接时，总有一相通电换接时，总有一相通电(tng din)，所以工作较平稳。，所以工作较平稳。实际使用的步进电机，一般实际使用的步进电机，一般(ybn)都要求有较小都要求有较小的步距角，因为步距角越小所达到的位置精度越的步距角，因为步距角越小所达到的位置精度越高。高。以上所述，步进电机的步距角大小不仅与通电以上所述，步进电机的步距角大小不仅与通电(tng din)方式有关，还与转子的齿数有关。方式有关，还与转子的齿数有关。计算公式为：计算公式为：mzk360m定子励磁绕组相数定子励磁绕组相数Z转子齿数转子齿数K通电方式，单为通电方式，单为1

20、，双为双为2第23页/共73页第二十四页，共73页。25步进电机转速步进电机转速(zhun s)计算：计算：360on60f=6fo式中：式中：n转速（转速（r/min);f脉冲脉冲(michng)频率，即频率，即每秒输入步进电机的脉冲每秒输入步进电机的脉冲(michng)数；数； 用度数表示的步距角。用度数表示的步距角。式中，当转子的步距角一定时，步进电机式中，当转子的步距角一定时，步进电机(dinj)的转速与输的转速与输入的脉冲频率成正比。入的脉冲频率成正比。第24页/共73页第二十五页，共73页。26步进电机步进电机(dinj)的的特点：特点：（1）步进电机的输出）步进电机的输出(shc

21、h)转角与脉冲频率严格成转角与脉冲频率严格成正比，所以控制输入步进电机的脉冲个数就能控制位正比，所以控制输入步进电机的脉冲个数就能控制位移量。移量。（2）步进电机的转速与输入的脉冲频率成正比，只）步进电机的转速与输入的脉冲频率成正比，只要控制脉冲频率就能调节步进电机的转速。要控制脉冲频率就能调节步进电机的转速。（3）当停止送入脉冲时，只要维持绕组内电流不变）当停止送入脉冲时，只要维持绕组内电流不变，电机轴可以保持在某固定位置上，不需要机械装制，电机轴可以保持在某固定位置上，不需要机械装制装置。装置。（4）改变通电相序即可改变电机转向。）改变通电相序即可改变电机转向。（5）步进电机存在齿间相邻误

22、差，但不存在累积误）步进电机存在齿间相邻误差，但不存在累积误差差第25页/共73页第二十六页，共73页。27A相、B相C相、A相、B相C相、f、nCNC插补指令(zhlng)脉冲频率f和脉冲个数n换算脉冲环形分配变换功率放大步进电机第26页/共73页第二十七页，共73页。28步进电机Z1Z2 tf， 第27页/共73页第二十八页，共73页。29n t丝杠导程。丝杠导程。t360ZZi21t i360:第28页/共73页第二十九页，共73页。3025Z20Z2520800106750360t360ZZi2121.25Z20Z2520800106750360t360ZZi2121.步进电机Z1Z2

23、 tf， 第29页/共73页第三十页，共73页。31minmmf60Fminmaxmm96004800Fminmaxmm960480FmaxfmaxFZH160008000fmax第30页/共73页第三十一页，共73页。32提高步进电机开环系统传动精度的提高步进电机开环系统传动精度的措施措施适当提高系统组成环节的精度；适当提高系统组成环节的精度；采取各种精度补偿措施。采取各种精度补偿措施。第31页/共73页第三十二页，共73页。33第32页/共73页第三十三页，共73页。34例例2 设设X-Y 工作台由步进电机直接工作台由步进电机直接(zhji)经丝杆螺经丝杆螺母副驱动，丝杆螺距为母副驱动，丝

24、杆螺距为5mm，步进电机步距角为，步进电机步距角为150，工作方式三相六拍，工作台最大行程为，工作方式三相六拍，工作台最大行程为400mm，求：求：（1）脉冲当量；）脉冲当量；（2）微机）微机(wi j)发出的脉冲总数是多少？发出的脉冲总数是多少？步进电步进电机机Z1Z2 tf， 第33页/共73页第三十四页，共73页。35(2)计算计算(j sun)脉冲数脉冲数n，由，由 n =L(工作台最大行工作台最大行程）程）所以所以(suy)，脉冲数为：，脉冲数为： n =L/ =400/0.02083=19200步步解： （1）由计算脉冲(michng)当量：360 L0已知， L0=5mm， =1

25、50求脉冲当量求脉冲当量 ？ 5/360 5/360 1.5=0.02083(mm)第34页/共73页第三十五页，共73页。36例例3 步进电机直接经丝杆螺母驱动工作台，步进电机步距角步进电机直接经丝杆螺母驱动工作台，步进电机步距角0.720,工作台质量为工作台质量为100kg，负载，负载(fzi)质量为质量为50kg，切削负，切削负载载(fzi)为为4000N，丝杆螺距为，丝杆螺距为5mm，如果步进电机从，如果步进电机从500Hz线性加速到线性加速到2000Hz，加速时间为，加速时间为0.2S，求步进电机的驱动转，求步进电机的驱动转距？距？解：（解：（1）忽略）忽略(hl)滚珠丝扛及电机的转

26、动惯量，则折算到滚珠丝扛及电机的转动惯量，则折算到电机轴上等效转动惯量：电机轴上等效转动惯量：V=f =500=500 0.01=5mm/s360 L0=0.01mmJ=m(V)2第35页/共73页第三十六页，共73页。37J=m(V)2所以(suy)，=（100+50） （5/2）=95.08 10-6(kg.m)22(2)求电机求电机(dinj)轴的等效转矩：轴的等效转矩： T =F（ ）VF为切削为切削(qixio)负载负载4000N;V5mm/s=4000（5/2 ）=3184.7 N.mm=3.184 N.M(3)步进电动机的角加速度：步进电动机的角加速度：=d dt=dfdt=(t

27、 0 )t2 3600.72.=2000 5000.2 2 360 0.72=94.2 rad/s2第36页/共73页第三十七页，共73页。38所以，步进电机(dinj)的启动转矩为： T q T + J T等效转矩；等效转矩；J 空载空载(kn zi)启动时启动时, 产生最大加速度所需的转产生最大加速度所需的转矩矩;步进电动机的角加速度。步进电动机的角加速度。所以(suy)， T q T + J =3.184+95.08 10-6 94.2= 3.27 Nm第37页/共73页第三十八页，共73页。39例例4 一台五相步进电机，五相五拍运行时其步距角是一台五相步进电机，五相五拍运行时其步距角是

28、1.50，此电动机转子上应有几个齿？齿距角是多少，此电动机转子上应有几个齿？齿距角是多少(dusho)？此电动机若按十拍运行，齿距角度是多少？此电动机若按十拍运行，齿距角度是多少(dusho)度？按五拍和十拍运行时，每走一步对应的度？按五拍和十拍运行时，每走一步对应的电角度是多少电角度是多少(dusho)？解：（解：（1）步距角：）步距角：360 mKz 0Z齿数；m相数；K1 五拍（单拍）2 十拍（双拍）第38页/共73页第三十九页，共73页。40所以(suy)，五拍运行时：360 mKz 0=1.5 0K=1m=5Z=360 0/5 1=48齿十拍运行十拍运行(ynxng)时：时：360

29、5 2 48 0=0.75 0(2)齿距角齿距角：c=360 48 0=7.5 0齿距角的电角度齿距角的电角度(jiod)：e=360 m K 0五拍运行时五拍运行时：e=360 5 1 0=72 0第39页/共73页第四十页，共73页。41十拍运行十拍运行(ynxng)时：时：e=360 5 2 =36 0 0第40页/共73页第四十一页，共73页。42例例5 设有一步进电机驱动的工作台，步进电机通过减设有一步进电机驱动的工作台，步进电机通过减速齿轮副驱动滚珠丝杆，其参数符号如下：脉冲当量速齿轮副驱动滚珠丝杆，其参数符号如下：脉冲当量(dngling)，滚珠丝杆的基本导程为，滚珠丝杆的基本导

30、程为L。步进电机。步进电机的步距角为的步距角为，减速齿轮比为，减速齿轮比为1：i。问题：。问题：（1）试写出）试写出、 、 L、i之间之间 的关系；的关系；（2）若）若=0.001mm， L。=5mm;减速比为减速比为1：5，问，问选择步进电机的步距角应为多少？选择步进电机的步距角应为多少？第41页/共73页第四十二页，共73页。43360 L0 i =360 5 0.001/5=0.36 0 0360 L0 0i解：（解：（1）求脉冲）求脉冲(michng)当量：当量：(2) 步进电机步进电机(dinj)的步的步距角距角第42页/共73页第四十三页，共73页。44第43页/共73页第四十四页

31、，共73页。45第44页/共73页第四十五页，共73页。46第45页/共73页第四十六页，共73页。47第46页/共73页第四十七页，共73页。48电磁式反应式磁滞式非电磁式交流同步伺服电机交流感应伺服电机交流伺服电机永永磁磁式式第47页/共73页第四十八页，共73页。49可控硅整流器可控硅整流器逆变器逆变器整流器整流器逆变器逆变器交变频器（直接式）交电流型交变频器（间接式）直交变频器电电压压型型电压电压(diny)型变频器方案示意图型变频器方案示意图第48页/共73页第四十九页，共73页。50LdUdT3T4T5T3T1T2CdUVWABC 结论：变频器实现结论：变频器实现(shxin)变频

32、调变频调压的关键是逆变器控制端获得要求控压的关键是逆变器控制端获得要求控制波形（如制波形（如SPWM波）。波）。第49页/共73页第五十页，共73页。51第50页/共73页第五十一页，共73页。52置检测元也是模拟式的。置检测元也是模拟式的。第51页/共73页第五十二页，共73页。53第52页/共73页第五十三页，共73页。54第53页/共73页第五十四页，共73页。55第54页/共73页第五十五页，共73页。56致命致命(zhmng)的危害。的危害。传送数据的数字电路要求具有很宽传送数据的数字电路要求具有很宽的频带。以保证脉冲上、下降沿有的频带。以保证脉冲上、下降沿有足够的陡峭度。足够的陡峭

33、度。抑制干扰、防止数据出错，是数字抑制干扰、防止数据出错，是数字伺服系统设计成功的关键。伺服系统设计成功的关键。第55页/共73页第五十六页，共73页。57全数字型系统数字模拟混合型数字型系统全软件型系统半软件型系统全硬件型系统第56页/共73页第五十七页，共73页。58_ NC装装 置置F/V偏差偏差(pinch)计数器计数器D/A速度控速度控制制(kngzh)与驱与驱动单元动单元A、B、Z+_+整 形整 形. 倍 频倍 频 .辨向辨向工作台工作台PG电电压压Z第57页/共73页第五十八页，共73页。59第58页/共73页第五十九页，共73页。60 零漂将影响精度：这类系统依靠零漂将影响精度：这类系统