机床数控技术(第七章)

1、|数控机床伺服系统数控机床伺服系统的主要功能是：的主要功能是：接受接受来自数控装来自数控装置的置的指令，控制指令，控制电动机驱动机床的电动机驱动机床的各运动部件，准各运动部件，准确地控制它们的速度和位置，确地控制它们的速度和位置，达到加工出所需零件达到加工出所需零件的目标；的目标；|伺服系统伺服系统是数控装置和机床本体的联系环节，接受是数控装置和机床本体的联系环节，接受CNCCNC装置插补器发出的脉冲指令，经过变换和放大由装置插补器发出的脉冲指令，经过变换和放大由伺服电机带动传动机构，转化为机床的直线或转动伺服电机带动传动机构，转化为机床的直线或转动位移；位移；|进给伺服系统进给伺服系统是数控

2、系统主要的子系统。如果说是数控系统主要的子系统。如果说数数控装置是数控系统的控装置是数控系统的“大脑大脑”，是发布是发布“命令命令”的的“指挥所指挥所”，那么，那么进给伺服系统则是数控系统的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CNCCNC装置发来的运动命令，精确控制执行部件的运动装置发来的运动命令，精确控制执行部件的运动方向，进给速度与位移量。方向，进给速度与位移量。|概述概述|步进电动机控制系统步进电动机控制系统|交流伺服电动机控制系统交流伺服电动机控制系统|直流伺服电动机控制系统直流伺服电动机控制系统|按伺服系统调节理论，

3、伺服系统可分为按伺服系统调节理论，伺服系统可分为开环、闭环开环、闭环和和半闭环半闭环系统。系统。|开环系统开环系统采用步进电动机驱动；采用步进电动机驱动；|无检测元件，也无反馈回路，结构与控制方式简单，无检测元件，也无反馈回路，结构与控制方式简单，由于精度难以保证，低速不平稳，切削力矩小等原因，由于精度难以保证，低速不平稳，切削力矩小等原因，应用受到限制；应用受到限制；|没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置进进给系统），故给系统），故系统稳定性好，系统稳定性好，|具有结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、价具有结构简单、工作稳定、调试方便、维修

4、简单、价格低廉等优点，格低廉等优点，在精度和速度要求不高、驱动力矩不在精度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合得到应用，大的场合得到应用，一般用于经济型数控机床。一般用于经济型数控机床。|闭环系统闭环系统采用直流，交流伺服电动机驱动；采用直流，交流伺服电动机驱动；|装有各种速度、位置检测元件，装有各种速度、位置检测元件，使用不同的反馈方式，使用不同的反馈方式，测出各坐标轴的实时位移量和实际所处位置测出各坐标轴的实时位移量和实际所处位置，与指令比，与指令比较后由较后由CNCCNC控制机床向着消除误差的方向运动；控制机床向着消除误差的方向运动；|精度高，环内各种机电误差都可以得到校正和补偿；精度高，

5、环内各种机电误差都可以得到校正和补偿；|缺点是缺点是环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的，故很隙都是非线性的，故很容易造成系统的不稳定，使闭环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。系统的设计、安装和调试都相当困难。主要用于精度要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。控机床等。|半闭环系统半闭环系统的特点是的特点是采用直流，交流伺服电动机驱动；采用直流，交流伺服电动机驱动；从电动机轴上进行位置检测；从电动机轴上进行位置检测；|优点

6、是环路短、刚度好、间隙小，即优点是环路短、刚度好、间隙小，即机械系统的非线机械系统的非线性因素对系统的稳定性影响较小，性因素对系统的稳定性影响较小，因此稳定性好，快因此稳定性好，快速性好，动态精度高；速性好，动态精度高；|由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难以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，需采取措施对这类误差进行补偿；消除，需采取措施对这类误差进行补偿；|数控系统结构简单、调试方便、精度也较高，数控系统结构简单、调试方便、精度也较高，因而在因而在现代现代CNCCNC机床中得到了广泛应用。机床中得到了广泛应用。|对伺服系统的基本要求对伺服系统的基本要求 z精度高，精

7、度高，伺服系统的精度是指输出量能复现输入伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确程度，包括定位精度（一般允许的误差为量的精确程度，包括定位精度（一般允许的误差为0.010.001mm）和轮廓加工精度；）和轮廓加工精度；z稳定性好，稳定性好，稳定是指系统在给定输入或外界干扰稳定是指系统在给定输入或外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或者作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态，它直接影响数控加工的精恢复到原来的平衡状态，它直接影响数控加工的精度和表面粗糙度；度和表面粗糙度；z快速响应，快速响应，快速响应是伺服系统动态品质的重要快速响应是伺服系统动态品质的重要指标

8、，它反映了系统的跟踪精度，一般在指标，它反映了系统的跟踪精度，一般在200ms以以内，甚至小于几十内，甚至小于几十ms；z调速范围宽，调速范围宽，调速范围是指机械产品要求电机能调速范围是指机械产品要求电机能提供的最高转速和最低转速之比，一般进给伺服系提供的最高转速和最低转速之比，一般进给伺服系统要求统要求024m/min；z低速大转矩，低速大转矩，进给坐标的伺服控制属于恒转矩控进给坐标的伺服控制属于恒转矩控制，在整个速度范围内都要保持这个转矩；主轴坐制，在整个速度范围内都要保持这个转矩；主轴坐标的伺服控制标的伺服控制在低速时为恒转矩控制，在低速时为恒转矩控制，能提供较大能提供较大转矩。转矩。在

9、高速时为恒功率控制，在高速时为恒功率控制，具有足够大的输出具有足够大的输出功率。功率。|步进电动机步进电动机是将电脉冲信号转换为角位移的电磁机械。是将电脉冲信号转换为角位移的电磁机械。其转子的转角与输入电脉冲数成正比，其速度与单位其转子的转角与输入电脉冲数成正比，其速度与单位时间内输入的的脉冲数成正比，可以时间内输入的的脉冲数成正比，可以通过对脉冲的频通过对脉冲的频率和数量的控制，实现对机械运动速度和位置的控制；率和数量的控制，实现对机械运动速度和位置的控制；|给一个电脉冲信号，步进电动机就回转一个固定的角给一个电脉冲信号，步进电动机就回转一个固定的角度，称为步进电动机，一定要与控制脉冲联系起

10、来才度，称为步进电动机，一定要与控制脉冲联系起来才能运行，否则无法工作；能运行，否则无法工作；|控制输入脉冲的控制输入脉冲的数量数量 控制电动机的控制电动机的转角或位移转角或位移量量；控制输入脉冲的；控制输入脉冲的频率频率控制电动机的控制电动机的速度速度；控；控制各绕组制各绕组接通电源的次序接通电源的次序 控制控制电动机的运动方电动机的运动方向；向；|步进电动机在使用时，无需通过位移传感器的反馈信步进电动机在使用时，无需通过位移传感器的反馈信号来控制其运动位置，具有精度高，惯性小的特点，号来控制其运动位置，具有精度高，惯性小的特点，对各种干扰因素不敏感，误差不会长期积累，转过对各种干扰因素不敏

11、感，误差不会长期积累，转过360以后其积累误差为以后其积累误差为“0”，适合于开环控制的场适合于开环控制的场合。合。|步进电动机工作原理步进电动机工作原理|步进电动机的主要性能指标步进电动机的主要性能指标|步进电动机步进电动机的种类很多，按工作原理、分为的种类很多，按工作原理、分为反应式、反应式、电磁式、永磁式电磁式、永磁式等类型。按使用场合分为功率步进电等类型。按使用场合分为功率步进电动机和控制步进电动机。按相数分为三相、四相、五动机和控制步进电动机。按相数分为三相、四相、五相。按频率分为高频和低频。相。按频率分为高频和低频。z步进电机由转子和定子两部分组成：步进电机由转子和定子两部分组成：

12、z定子上有绕组分为若干相，每相磁极上有极齿，图为三定子上有绕组分为若干相，每相磁极上有极齿，图为三相定子：相定子：AA,BB,CCAA,BB,CC，A A、B B、C C三相每相两极，每三相每相两极，每极上五个齿。极上五个齿。 定子上线圈的绕法定子上线圈的绕法 转子上有均匀分布的齿，没有绕组转子上有均匀分布的齿，没有绕组 以四十齿为例，转子齿间夹角为以四十齿为例，转子齿间夹角为9o|反应式步进电动机应用普遍，结构也简单，反应式步进电动机应用普遍，结构也简单，是我们分析的是我们分析的重点对象；重点对象；|反应式步进电动机的工作原理主要是反应式步进电动机的工作原理主要是基于电磁力的吸引和基于电磁力

13、的吸引和排斥产生转矩排斥产生转矩的现象，磁力线总是力图走磁阻最小的路径，的现象，磁力线总是力图走磁阻最小的路径，从而产生反应力矩。从而产生反应力矩。图图7-27-2|三相步进电动机工作原理三相步进电动机工作原理图图7-37-3A A相相B B相相C C相相a) 稳定的平衡位置；稳定的平衡位置；b) 不平衡位置，磁力线要沿铁心方向走，力图不平衡位置，磁力线要沿铁心方向走，力图使转子恢复使转子恢复到磁阻最小的位置，到磁阻最小的位置，给转子作用一个转矩；给转子作用一个转矩；c) 不稳定的平衡位置。不稳定的平衡位置。z 定子上分布有六个磁极，每两个磁极有一相励磁绕组，定子上分布有六个磁极，每两个磁极有

14、一相励磁绕组，构成构成A、B、C三相绕组；三相绕组；z A相通电（相通电（B、C断电）断电），电磁力使转子齿与定子齿对齐，电磁力使转子齿与定子齿对齐，使磁阻最小，磁力线走最短路线；使磁阻最小，磁力线走最短路线； z B相通电相通电，转子顺时针转，转子顺时针转60度，使转子与度，使转子与B相定子对齐；相定子对齐；z C相通电相通电，转子顺时针再转，转子顺时针再转60度，绕组的通电顺序为度，绕组的通电顺序为A-B-C-A-，步进电机顺时针转；若通电顺序为，步进电机顺时针转；若通电顺序为A-C-B-A-，步进电机则逆时针转；步进电机则逆时针转；z 60 为步进电机的步距角。为步进电机的步距角。z 实

15、际应用中，要求步进电机的步距角小，一般为实际应用中，要求步进电机的步距角小，一般为0.75 、1.5 或或3 ；z 定子铁心定子铁心上有上有6个均匀分布的磁极，构成三相励磁绕组，每个均匀分布的磁极，构成三相励磁绕组，每个定子上均匀分布个定子上均匀分布5个齿，齿距角为个齿，齿距角为9 ； z 转子铁心转子铁心上无绕组，上面均匀分布上无绕组，上面均匀分布40个齿，与定子齿宽相等，个齿，与定子齿宽相等，齿距角齿距角360 /40=9 ；z 三相定子磁极的齿依次错开三相定子磁极的齿依次错开1/3齿距为齿距为3 ，结构上保证步进电结构上保证步进电机能转动起来；机能转动起来；z 当通电状态由当通电状态由A

16、相变为相变为B相时，转子顺时针方向转过相时，转子顺时针方向转过3 ，C相相通电再转通电再转3 。a) A相通电，相通电，B相与相与C相定、转子错相定、转子错齿齿3 和和66；b) B相通电，相通电，电磁反应力矩使转子电磁反应力矩使转子顺时针转顺时针转3 与定子对齐，与定子对齐， A相与相与C相定、转子错齿；相定、转子错齿；c) A、B相同时通电，相同时通电，转子齿与转子齿与A、B相都没有对齐，使转子顺时针转相都没有对齐，使转子顺时针转1.5，这时，这时， A、B相定子合成磁场相定子合成磁场是最强方向。是最强方向。|A-B-C-A-A-B-C-A-通电方式称为通电方式称为“三相单三拍三相单三拍”

17、，由于每拍，由于每拍只有一相绕组通电，在只有一相绕组通电，在通电切换相序时的瞬间电动机通电切换相序时的瞬间电动机失电，失电，将使用于重力型负载的电动机失步，因此将使用于重力型负载的电动机失步，因此易在易在平衡位置附近产生振荡，运行不可靠，平衡位置附近产生振荡，运行不可靠，实际应用中很实际应用中很少采用这种运行方式；少采用这种运行方式；|一般常用的通电方式为：一般常用的通电方式为：“三相双三拍三相双三拍”及及“三相六三相六拍拍”，在，在状态切换时，始终有一相绕组通电，状态切换时，始终有一相绕组通电，保证了保证了状态切换过程中状态切换过程中电动机运行的稳定和可靠。电动机运行的稳定和可靠。|“三相双

18、三拍三相双三拍”的通电方式为：的通电方式为：AB-BC-CA-AB-AB-BC-CA-AB-|“三相六拍三相六拍”的通电方式为：的通电方式为：A-AB-B-BC-C-CA-A A-AB-B-BC-C-CA-A AB-AB-|此外，还有四相步进电动机的工作方式，通电方此外，还有四相步进电动机的工作方式，通电方式为式为“四相双四拍四相双四拍”和和“四相八拍四相八拍”。|关系式：关系式：z步距角：步距角： = 360/mzkz转速：转速：n = 360/mzk*60fm：相数：相数z：转子齿数：转子齿数k：通电拍数：通电拍数f：指令脉冲频率：指令脉冲频率z由于由于 是确定的，所以是确定的，所以步进电

19、动机的转速只决步进电动机的转速只决定于输入指令的脉冲频率定于输入指令的脉冲频率f。|定子绕组通断电顺序定子绕组通断电顺序 转子转向；转子转向； |定子绕组通断电转换频率定子绕组通断电转换频率 转子转速；转子转速；|定子绕组通断电次数定子绕组通断电次数 转子转角。转子转角。 |矩矩角特性与最大静转矩角特性与最大静转矩 MjmaxMjmax|空载起动频率空载起动频率fzfz ( (步步/s)/s)|起动矩频特性起动矩频特性|空载运行频率空载运行频率fmaxfmax ( (步步/s)/s)|运行矩频特性运行矩频特性|矩角特性与最大静转矩矩角特性与最大静转矩Mjmaxz步进电机定子一相绕组通电后，若转

20、子没有负载，步进电机定子一相绕组通电后，若转子没有负载，转子齿与定子齿对准，即步进电机处于初始平衡转子齿与定子齿对准，即步进电机处于初始平衡位置；位置；z如果在转子上作用外转矩，转子轴线偏离如果在转子上作用外转矩，转子轴线偏离初始平初始平衡位置，直到步进电机本身的转矩和外转矩平衡衡位置，直到步进电机本身的转矩和外转矩平衡为止；为止；z步进电机产生的静转矩步进电机产生的静转矩M随失调角（转子偏离平随失调角（转子偏离平衡位置的电角度衡位置的电角度e）的变化规律，称为）的变化规律，称为步进电机步进电机的矩角特性，的矩角特性，（图图7-6），），形状近似正弦曲线；形状近似正弦曲线；（图图7-7）z矩角

21、特性的静态转矩最大值矩角特性的静态转矩最大值MjmaxMjmax则是则是最大静转最大静转距，它表示了步进电机承受负载的能力。距，它表示了步进电机承受负载的能力。 MjmaxMjmax越大，步进电机带负载能力越强，运行的快速性越大，步进电机带负载能力越强，运行的快速性及稳定性也就越好。及稳定性也就越好。a) 初始平衡位置，不产生转矩，初始平衡位置，不产生转矩，M=0；b) 失调角失调角0c 90，转子受径向磁拉力和切向，转子受径向磁拉力和切向磁拉力，产磁拉力，产生转矩；生转矩； c =90时，转子受时，转子受切向磁拉力最大，切向磁拉力最大，M=Mjmax；c) 失调角失调角90c 180，转矩减小；，转矩减小； c =180时，时， M=0；d) 失调角失调角-180c 0，转子产生的转矩与，转子产生的转矩与b) 方向相反。方向相反。|空载起动频率空载起动频率fqz电动机正常起动所能承受的最高控制频率称为电动机正常起动所能承受的最高控制频率称为起动频率起动频率fq ，它，它是衡量步进电机快速性能的重是衡量步进电机快速性能的重要技术指标。要技术指标。因为