数控机床伺服系统

1、1 概 述2 伺服系统的驱动3 伺服系统的检测、反馈元件第三章 数控机床的伺服系统11 概述1. 伺服系统的概念由伺服电路、伺服驱动装置、机械传动机构及执行部件组成伺服系统与一般机床的进给系统有本质上差别，它能根据指令信号精确地控制执行部件的运动速度与位置伺服系统是数控装置和机床的联系环节，是数控系统的重要组成功能：接受来自数控装置的指令来控制驱动机床的各运动部件，从而准确控制它们的速度和位置，达到加工出所需工件外形和尺寸22. 对伺服系统的基本要求精度高：稳定性好：快速响应：调速范围宽：低速大转矩：33. 伺服系统的分类开环、闭环、半闭环开环伺服系统指令脉冲步进电机驱动电路功率步进电机机床工

2、作台执行部件伺服驱动装置滚珠丝杆（机械传动机构）齿轮箱伺服驱动装置主要是步进电机：无检测元件、无反馈回路，控制方式简单，但精度难保证，切削力矩小，用于要求不高的经济型数控机床4闭环和半闭环伺服系统伺服驱动装置主要是直、交流伺服电机驱动：装有各式各样的速度、位置检测元件，两种系统中检测元件安装位置不同。位置控制速度控制位置检测装置位置反馈位置反馈速度反馈工作台指令脉冲Servo motor 52 伺服系统的驱动伺服驱动装置应满足以下要求：调速范围宽输出位移有足够的精度负载特性要硬动态响应快61. 步进电机的结构及工作原理结构 步进电机定子上才有绕组!7工作原理8三相双三拍工作方式：ABBCCAA

3、B三相六拍工作方式：AAB BBC C CA 三相单三拍工作方式：ABCA每个状态只有一组绕组通电三次换接为一个循环三相通电绕组A、B、C常用通电方式有：9为提高位置精度，常将转子做成多齿的10步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，它的转子便转过一个确定的角度，即步进电机的步距角改变步进电机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向也随之改变步进电机的步距角 与定子绕组的相数m、通电方式k有关，可用下式表示： 步进电机定子绕组的通电状态的改变速度越快，其转子旋转的速度越快，即通电状态的变化频率越高，转子的转速越高，即步进电机选型及工作方式定下后，步距角 是确定的，因此其转速n(r/min)只取决于指令

4、脉冲频率f的大小：n= 60f= 60f结论:相邻两次通电相数一样时， k=1；反之，k=2。三相三拍时k=1,三相六拍时k=211起动频率fq连续运行频率（最高工作频率） fmax步距角2. 步进电机的主要特性输入一个脉冲信号,转子转过的角度步进电机连续工作时能接受的最高频率,因运行时转动惯量的影响比起动时大大减小，所以fmax fq，它表明步进电机所能达到的最高速度电机正常起动时(不丢步)所能承受的最高控制频率,起动频率低于连续运动频率,因为起动时电机既要克服负载力矩,又要克服惯性力矩，且负载越大，fq越低。步距角越小,加工精度越高12工作台位移量的控制3. 步进式伺服系统的工作原理指令脉

5、冲机床工作台驱动控制线路步进电机丝杆工作台进给速度的控制工作台运动方向的控制134. 步进电机驱动电源脉冲发生器脉冲分配器功率放大器步进电机脉冲分配器（环形分配器）功率放大器步进电机及其驱动电源是一个整体，通常每一种型号的步进电动机均对应有一个型号的驱动电源，其组成：14 直流(DC)伺服电动机直流伺服电动机是将直流电能转换成机械能的旋转电动机直流伺服电动机的工作原理主要基于电磁感应定律：当导体在磁场中运动并切割磁力线时，导体中要产生感应电动势电磁力定律：载流导体在磁场中要受到电磁力作用直流伺服电动机具有良好的调速特性，对伺服电机的调速性能要求高的设备中，大都采用DC伺服电动机驱动。15换向片

6、电枢导体磁极磁极电刷直流伺服电动机的基本结构定子转子电刷、换向片其上绕组通以直流电产生恒定磁场其上绕组通以直流电在定子磁场作用下产生带动负载旋转的电磁转矩电刷与外加直流电源相接，换向片与电枢导体相接，使产生的电磁转矩保持恒定方向，转子能沿固定方向均匀、连续旋转16 永磁直流伺服电动机性能特点:具有较大的转矩、惯量比能承受较大的峰值电流和过载转矩低速时输出转矩大，惯量比大调速范围宽具有高精度的检测元件热容量大目前数控机床进给驱动中采用的直流电动机主要是大惯量宽速直流伺服电动机，占主导地位的是永久磁铁励磁式电动机 17 直流伺服电动机的调速技术1. 原理由上式知：对给定的电动机要改变其转速，有两种

7、办法：改变外加电压u改变磁通量电枢等效电路图他励式直流电动机调速原理图18改变磁通量的方法不能满足数控机床的要求，而改变电压的方法具有恒转矩的调速特性，机械特性好，即机械特性与调节特性都是直线，转速与控制量U之间是线性关系，而后一种方法转速与控制量是非线性关系，控制及设计系统都不方便。因此永磁直流电机大都采用该调速方案。MU2nU1U3U4机械特性U调节特性M0nM1M2M3192. 方式:改变电压3. SCR 与PWM比较可控硅调速（晶闸管SCR）脉冲调宽调速（PWM：Pulse Width Modulation）SCR会影响加工零件的表面粗糙度.PWM加工精度高,机械工作平稳SCR机床热变

8、形小,有利于提高加工精度PWM功率损耗小PWM适用于起,制动频繁的场合PWM具有优良的动态硬度PWM响应快20 交流(AC)伺服电动机直流伺服电动机结构较复杂，电刷、换向器需经常维护，电机转速受限，AC克服此缺点，因此AC伺服电动机有取代DC伺服电动机的趋势工作原理：定子绕组接上三相交流电，产生旋转磁场，旋转磁场吸引转子同步旋转。 永磁交流伺服电机结构：定子、转子、检测元件 矢量控制：直流伺服电机的调速性能好，控制简单（线性），如果能模拟直流电动机，使交流电机具有与直流电机近似的优良特性。为此，需将三相交变量转换为与之等效的直流量，然后按直流电动机的控制方法对其进行控制。213 伺服系统检测、

9、反馈元件 概述对检测元件的主要要求：工作可靠，抗干扰能力强能满足精度和速度的要求使用维护方便易于实现高速的动态测量和处理，易于实现自动化成本低22 分类数字式测量和模拟式测量增量式测量和绝对式测量直接测量和间接测量23 旋转变压器结构24工作原理在2个定子绕组中分别施加EA、EB两个交流电压，由于电磁感应，应用叠加原理，转子绕组中感应电压为25相位工作方式幅值工作方式两定子绕组通以同频、同幅但相位相差 的交流励磁电压，在转子绕组上感应电压为两定子绕组通以同频、同相位但幅值不同的交流电压，在转子绕组上感应电压为261、直线感应同步器的结构 感应同步器272829鉴相方式鉴幅方式2、工作原理两滑尺绕组通以同频、同幅但相位相差 的交流励磁电压，在转子绕组上感应电压叠加后为两滑尺绕组通以同频、同相位但幅值不同的交流电压，在转子绕组上感应电压为30脉冲编码器光栅1 标尺光栅2 指示光栅3 光电接收器4