数控技术数控伺服系统

第3章数控伺服系统

主要内容主要内容

概述

伺服系统的驱动元件

步进式伺服系统

鉴相式伺服系统鉴幅式伺服系统

脉冲比较式伺服系统CNC数字伺服系统1数控伺服系统是指以机床运动部件(如工作台、主轴和刀具等)的位置和速度作为控制量的自动控制系统。数控伺服系统的作用在于接受来自数控装置的进给脉冲信号，经过一定的信号变换及电压、功率放大，驱动机床运动部件实现运动，并保证动作的快速性和准确性。数控伺服系统作为数控装置和机床的联系环节，是数控机床的重要组成部分，数控机床的精度和速度等技术指标很大程度上取决于伺服系统的性能优劣。3.1概述21.输出位置精度要高

静态：定位精度和重复定位精度要高，即定位误差和重复定位误差要小。(尺寸精度)

动态：跟随精度，动态性能指标，用跟随误差表示。(轮廓精度)

灵敏度要高，有足够高的分辩率。3.1.1对数控伺服系统的要求3.1概述32.响应速度快且无超调对伺服系统动态性能的要求，即在无超调的前提下，执行部件的运动速度的建立时间tp

应尽可能短。要求从0→Fmax（Fmax→0），时间应尽可能小，且不能有超调，否则对机械部件不利，有害于加工质量。tFtp3.1.1对数控伺服系统的要求3.1概述43.1.1对数控伺服系统的要求3.调速范围要宽且要有良好的稳定性(在调速范围内)

调速范围：一般要求：

稳定性：指输出速度的波动要少，尤其是在低速时的平稳性显得特别重要。3.1概述54.系统的可靠性高

综上所述：

对伺服系统的要求包括静态和动态特性两方面；对高精度的数控机床，对其动态性能的要求更

严。3.1.1对数控伺服系统的要求3.1概述6按有无反馈检测元件分为开环和闭环(含半闭环)两种类型

开环伺服系统由驱动控制单元、执行元件和机床组成。

闭环(半闭环)伺服系统由执行元件、驱动控制单元、机床以及反馈检测元件、比较环节组成。

3.1.2数控伺服系统的基本组成3.1概述73.1.3数控伺服系统的分类按反馈比较控制方式分类数字脉冲比较伺服系统鉴相式伺服系统鉴幅式伺服系统全数字伺服系统按伺服系统的用途和功能分类进给驱动系统主轴驱动系统按执行元件的类别分类直流伺服系统交流伺服系统3.1概述8伺服驱动元件又称为执行电动机数控伺服系统的执行元件，是根据输入的控制信号产生角位移或角速度，带动被控对象运动。数控伺服系统中常用的驱动元件有：步进电动机直流伺服电动机交流伺服电动机3.2伺服系统的驱动元件93.2.1步进电动机

步进电机流行于70年代，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。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、绘图机等计算机的外部设备。步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转换成角位移的机电元件。每输入一个脉冲，步进电动机转轴就转过一定角度。

3.2伺服系统的驱动元件10步进电动机机的种类运动方式：：旋转运动动的、直线线运动的和和平面运动动；结构上：反反应式、励励磁式；按定子数目目：单段定定子式、多多段定子式式；按相数：单单相、两相相、三相及及多相。3.2伺服系统的的驱动元件件11三相三拍反反应式的工工作原理三相是指步步进电机有有三相定子子绕组，三三拍是指每每三次转换换为一个循循环三相步进电电机，定子子有六个磁磁极，分为为三对，每每个磁极上上装有控制制绕组。一一对磁极通通电后，对对应产生N/S极磁场；转转子为带齿齿的铁心（（反应式））或磁钢（（混合式））。当定子三相相依次通电电时，三对对磁极依次次产生气隙隙磁场，吸吸引转子一一步步转动动。3.2伺服系统的的驱动元件件12步进电动机机的主要特特性步距角:步进电动机机绕组的通通电状态每每改变一次次，转子转转过的角度度起动频率:空载时，步步进电动机机由静止状状态突然起起动，进入入不丢步的的正常运行行的最高频频率连续运行频频率:步进电动机机起动以后后．其运行行速度能跟跟踪指令脉脉冲频率连连续上升而而不丢步的的最高工作作频率加减速特性性:描述步进电电动机由静静止到工作作频率和由由工作频率率到静止的的加减速过过程中，定定子绕组通通电状态的的变化频率率与时间的的关系3.2伺服系统的的驱动元件件133.2.2直流伺服电电动机小惯量直流流电动机:转动惯量小小，反应灵灵敏，动态态特性好，，适用于高高速与负载载惯量较小小的场合。。大惯量宽调调速直流伺伺服电动机机:既具有一般般直流电动动机的各项项优点，又又具有小惯惯量直流电电动机的快快速响应性性能，易与与较大的负负载惯量匹匹配，能较较好地满足足伺服驱动动的要求。。3.2伺服系统的的驱动元件件14直流伺服电电动机的结结构特点按磁极的种种类，宽调调速直流电电动机分为为电励磁和和永久磁铁铁两种3.2伺服系统的的驱动元件件15宽调速直流流电动机性性能输出力矩大大过载能力强强动态响应性性能好低速运转平平稳易于调试因此，宽调调速直流伺伺服电动机机是目前机机电一体化化闭环伺服服系统中应应用较多的的控制电动动机。3.2伺服系统的的驱动元件件16直流伺服电电动机调速速方式晶闸管直流流调速（SCR）脉宽调制直直流调速(PWM)频带宽电动机脉动动小电源的功率率因数高动态硬度好好，系统具具有良好的的线性3.2伺服系统的的驱动元件件173.2.3交流伺服电电动机由于直流伺伺服电机具具有优良的的调速性能能，80年代初至90年代中，在在要求调速速性能较高高的场合，，直流伺服服电机调速速系统的应应用一直占占据主导地地位。但其其却存在一一些固有的的缺点，即即：电刷和换向向器易磨损损，维护麻麻烦结构复杂，，制造困难难，成本高高而交流伺服服电机则没没有上述缺缺点。特别别是在同样样体积下，，交流伺服服电机的输输出功率比比直流电机机提高10%～70%，且可达到到的转速比比直流电机机高。因此此，人们一一直在寻求求交流电机机调速方案案来取代直直流电机调调速的方案案。3.2伺服系统的的驱动元件件18交流伺服电电动机的结结构特点交流伺服电电动机采用用全封闭无无刷构造，，不需定期期检查和维维修。定子省去了了铸件壳体体，结构紧紧凑，外形形小，重量量轻它的转子采采用具有精精密磁极形形状的永久久磁铁，常常做成鼠笼笼式，为了了使伺服电电动机反应应迅速，转转子做得较较细长。空心杯形转转子，杯壁壁很薄3.2伺服系统的的驱动元件件19交流伺服电电动机的工工作原理与单相异步步电动机相相似交流伺服电电动机调速速交流伺服电电动机调速速通常由调调频调速的的方法实现现。实现调频调调压方法：：脉冲幅值调调制(PAM)方法脉宽调制(PWM)方法3.2伺服系统的的驱动元件件203.2.4直线电动机机直线电动机机是一种能能将电信号号直接转换换成为直线线位移的电电动机。直直线电动机机没有传动动机械的磨磨损，并且且噪音低、、结构简单单、操作维维护方便。。直线电动机机主要应用用的机型有有直流直线线电动机、、交流直线线电动机以以及直线步步进电动机机等，在实实际中应用用较多的是是交流直线线电动机。。3.2伺服系统的的驱动元件件21直线电动机机的优点结构简单应用范围广广、适应性性强反应速度快快，灵敏度度高，随动动性好额定值高、、冷却条件件好有精密定位位和自锁能能力工作稳定可可靠，寿命命长3.2伺服系统的的驱动元件件22开环步进伺服系统(Open-LoopSystem)不带位置测测量反馈装装置的系统统；驱动电机只只能用步进进电机；主要用于经经济型数控控或普通机机床的数控控化改造3.3步进式伺服服系统233.3.1步进式伺服服系统的工工作原理步进电动机机的驱动控制线线路和步进电动机机两部分组成成步进式伺服服系统受驱驱动控制线线路的控制制，将代表进给脉脉冲的电平平信号通过步进电电动机转变变为具有一一定大小和和方向的机机械角位移，通过齿轮轮和丝杠带带动工作台台移动。控制位移量：步进电动动机转过的的角位移量量，由进给脉冲数决决定方向：通电顺序序不同进给速度：由进给脉脉冲频率决决定3.3步进式伺服服系统243.3.2步进电动机机的驱动控控制线路驱动控制线线路的功能能：将具有一定定频率f、一定数量量和方向的的进给脉冲转换成控制制步进电动动机各相定定子绕组通通断电的电平信号。驱动控制线线路组成：：脉冲混合电电路、加减减脉冲分配配电路、加加减速电路路、环形分分配器和功功率放大器器3.3步进式伺服服系统253.3步进式伺服服系统脉冲混合电电路将插补信号号或者手动动信号等转转换为使工工作台正向向进给的““正向进给给”信号或或使工作台台反向进给给的“反向向进给”信信号。加减脉冲分分配电路当机床在进进给脉冲的的控制下正正在沿着某某一方向进进给时，由由于各种误误差补偿脉脉冲的存在在，可能会会有个别的的方向进给给脉冲，通通过加减脉脉冲分配电电路从正在在进给方向向的进给脉脉冲指令中中抵消相同同数量的方方向补偿脉脉冲。加减速电路路加减脉冲分分配电路来来的进给脉脉冲频率的的变化是有有跃变的作用：使之之变成符合合步进电动动机加减速速特性的脉脉冲频率，，然后再送送入步进电电动机的定定于绕组3.3步进式伺服服系统27环形分配器器环形分配器器的作用：把来自于于加减速电电路的一系系列进给脉脉冲指令，，转换成控控制步进电电动机定于于绕组通电电、断电的的电平信号号，电平信信号状态的的改变次数数及顺序与与进给脉冲冲的数量及及方向对应应。有硬件环形分分配器和软件环形分分配器两种形式3.3步进式伺服服系统28功率放大器器从环形分配配器来的进进给控制信信号的电流流只有几毫毫安，而步步进电动机机的定子绕绕组需要几几安培电流流。因此，，需要对从从环形分配配器来的信信号进行功功率放大，，以提供幅幅值足够，，前后沿较较好的励磁磁电流。常用的功放放电路有以以下两种：：(1)单电压供电电功放器(2)双电压供电电功放器：：双电压供供电功率放放大器又又称高低电电压供电功功放器3.3步进式伺服服系统293.3.3提高步进式式伺服系统统精度的措措施影响步进电电机开环系系统传动精精度的因素素：步进电机的的步距角精精度；机械传动部部件的精度度；丝杆等机械械传动部件件、支承的的传动间隙隙；传动件和支支承件的变变形。提高步进电电机开环系系统传动精精度的措施施：适当提高系系统组成环环节的精度度；采取各种精精度补偿措措施：3.3步进式伺服服系统30传动间隙补补偿在整个行程程范围内测测量传动机机构传动间间隙，取其其平均值存存放在数控控系统中的的间隙补偿偿单元，当当进给系统统反向运动动时，数控控系统自动动将补偿值值加到进给给指令中，，从而达到到补偿目的的。螺矩误差补补偿滚珠丝杆在在数控机床床应用广泛泛，虽然滚滚珠丝杆精精度较高，，但是总不不可做的绝绝对精确，，总是将其其精度控制制在一定的的范围内的的，也就是是它的螺距距总是存在在着一定的的误差的，，利用计算算机的运算算处理能力力，可以补补偿滚珠丝丝杠的螺矩矩累积误差差，以提高高进给位移移精度。方法：首先先测量出进进给丝杆螺螺距误差曲曲线(规律)，然后可采采用下列两两种方法实实现误差补补偿：硬件补偿、、软件补偿偿。细分线路：是把步进电电动机的一一步再分得得细一些。3.3步进式伺服服系统31优点：是结构比较较简单用较较多的是以以光栅和光光电编码器器作为位置置检测装置置的闭环控控制系统。。组成3.6脉冲比较式式伺服系统统32脉冲比较式式伺服系统统的组成指令信号：由数控装置置提供，数数字脉冲信信号，也可可以是数码码信号反馈测量信信号：由测量装置置提供的机机床速度、、位置反馈馈信号，可可以是脉冲冲信号，也也可以是数数码信号常用的测量量装置是光光栅和脉冲冲编码器比较器作用：完成成指令信号号与测量反反馈信号比比较的环节节有三类：数数码比较器器、数字脉脉冲比较器器和数码与与数字脉冲冲比较器。。转换器：转换器是数数字脉冲信信号与数码码的相互转转换部件驱动执行元元件：根据比较器器的输出带带动工作台台移动3.6脉冲比较式式伺服系统统333.6脉冲比较式式伺服系统统34脉冲比较式式伺服系统统工作原理理以采用光电电脉冲编码码器为测量量元件的系系统为例说明数字脉脉冲比较伺伺服系统的的工作原理理。光电编码器器与伺服电电机的转轴轴连接，随随着电机的的转动产生生脉冲序列列输出，其其脉冲的频频率将随着着转速的快快慢而升降降。若工作作台处于静静止状态，，指令脉冲Pc=0，这时反馈脉冲Pf亦为零，经经比较器可可得偏差e=Pc－Pf=0，则伺服电机的的速度给定定为零，工工作台继续续保持静止止不动。3.6脉冲比较式式伺服系统统35脉冲比较式式伺服系统统工作原理理随着指令脉脉冲的输入入，Pc≠0，在工作台台尚未移动动之前，反反馈脉冲Pf仍为零。经经比较器比比较，得偏偏差e=Pc－Pf≠0，若指令脉脉冲为正向向进给脉冲冲，则e>0，由速度控控制单元驱驱动电机带带动工作台台正向进给给。随着电机运运转，光电电脉冲编码码器将输出出反馈脉冲冲Pf送入比较器器，与指令令脉冲Pc进行比较，，若e=Pc—Pf≠0，工作台继继续运动，，不断反馈馈，直到e=Pc－Pf=0，即反馈脉冲冲数等于指指令脉冲数数，工作作台台停停在在指指令令规规定定的的位位置置上上。。当指指令令脉脉冲冲为为反反向向运运动动脉脉冲冲时时，，控控制制过过程程与与Pc为正正时时基基本本上上类类似似。。只只是是e<0，工工作作台台作作反反向向进进给给，，直直至至e=0，工工作作台台停停在在指指令令所所规规定定的的反反向向某某个个位位置置上上。。主要要工工作作部部件件⒈数数字字脉脉冲冲—数码码转转换换器器⑴数数字字脉脉冲冲转转换换为为数数码码对于于数数字字脉脉冲冲转转化化为为数数码码，，其其最最简简单单的的实实现现方方法法就就是是采采用用一一个个可可逆逆计计数数器器，，它它将将输输入入的的脉脉冲冲进进行行计计数数，，以以数数码码值值输输出出。。图所所示示是是由由两两个个二二—十进进制制计计数数器器组组成成的的数数字字脉脉冲冲—数码码转转换换器器。。3.6脉冲冲比比较较式式伺伺服服系系统统主要要工工作作部部件件⒈数数字字脉脉冲冲—数码码转转换换器器⑵数数码码转转换换为为数数字字脉脉冲冲对于于数数码码转转化化为为数数字字脉脉冲冲，，常常用用的的有有两两种种方方法法。。第第一一种种方方法法是是采采用用减减法法计计数数器器组组成成的的线线路路，，如如图图所所示示，，3.6脉冲冲比比较较式式伺伺服服系系统统主要要工工作作部部件件⒈数数字字脉脉冲冲—数码码转转换换器器⑵数数码码转转换换为为数数字字脉脉冲冲第二二种种方方法法是是用用一一个个脉脉冲冲乘乘法法器器，，数数字字脉脉冲冲乘乘法法器器实实质质上上就就是是将将输输入入的的二二进进制制数数码码转转化化为为等等值值的的脉脉冲冲数数输输出出，，其其示示意意图图如如图图3.37所示示。。3.6脉冲冲比比较较式式伺伺服服系系统统主要要工工作作部部件件2.比较较器器在脉脉冲冲比比较较系系统统中中，，使使用用的的比比较较器器有有多多种种结结构构，，根根据据其其功功能能可可分分为为两两种种：：一一种种是是数码码比比较较器器，另另一一种种是是数字字脉脉冲冲比比较较器器。数字字脉脉冲冲比比较较器器中中常常采采用用带带有有可可逆逆回回路路的的可可逆逆计计数数器器进进行行工工作作。。下下面面介介绍绍一一种种具具有有脉脉冲冲分分离离功功能能的的数数字字脉脉冲冲比比较较器器。。比比较较器器的的构构成成原原理理图图如如图图所所示示。。3.6脉冲冲比比较较式式伺伺服服系系统统3.6脉冲冲比比较较式式伺伺服服系系统统用于于