进给驱动系统课件

进给驱动系统龚承汉进给运动是保证零件加工精度和效率的重要运动。是“机—电”结合的关键所在。数控机床进给系统的机电部件主要有伺服电动机及检测元件、联轴节、减速机构(齿轮副和带轮)、滚珠丝杠螺母副(或齿轮齿条副)、丝杠轴承、运动部件(工作台、主轴箱、滑座、横梁和立柱等)。

数控机床伺服系统是指以数控机床移动部件的位置和速度作为控制对象的自动控制系统。是数控机床的重要组成部分。它接受来自数控装置的进给指令信号，经变换、调节和放大后驱动执行件，转化为直线或旋转运动。数控机床伺服系统又称为位置随动系统、驱动系统、伺服机构或伺服单元。

数控机床多坐标联动加工直线和曲线时，是把曲线分成许多小线段，一段一段地加工的。每一小段的长短取决于曲线的形状、进给速度和插补时间。在一段插补时间内，CNC完成一次插补运算，给出各坐标下一段运动的数字量。显然，插补时间应等于或小于完成一小段加工所用的时间。插补时间与CNC的时钟频率与字长有关，通常在0.1—20ms范围内。CNC的时钟频率越高，插补时间越短，曲线上被分割的小段就越短，精度也越高。CNC输出的各坐标运动的数字量—位置指令被送到各坐标的伺服系统，控制伺服电动机的转动，在经进行传动机构拖动执行部件。

伺服系统要求输出忠实地跟踪控制器所发出的命令，并能产生足够的力或力矩，使被驱动的运动机械获得所希望的加速度、速度和位置。

伺服的含义

伺服来自英文单词Servo，指系统跟随外部指令进行人们所期望的运动，运动要素包括位置、速度和力矩。最常见的伺服是交流永磁同步伺服电机，伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电在定子中形成变化的电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。最常见的是2500线标准编码器配置的伺服电机。伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类。

在交流伺服系统中，电动机的类型有永磁同步交流伺服电机(PMSM)和感应异步交流伺服电机(IM)，其中，永磁同步电机具备十分优良的低速性能、可以实现弱磁高速控制，调速范围宽广、动态特性和效率都很高，已经成为伺服系统的主流之选。而异步伺服电机虽然结构坚固、制造简单、价格低廉，但是在特性上和效率上存在差距，只在大功率场合得到重视。

伺服电机发展史第一个发展阶段（20世纪60年代以前），此阶段是以步进电动机驱动的液压伺服马达或以功率步进电动机直接驱动为中心的时代，伺服系统的位置控制为开环系统。

第二个发展阶段（20世纪60－70年代），这一阶段是直流伺服电动机的诞生和全盛发展的时代，由于直流电动机具有优良的调速性能，很多高性能驱动装置采用了直流电动机，伺服系统的位置控制也由开环系统发展成为闭环系统。在数控机床的应用领域，永磁式直流电动机占统治地位，其控制电路简单，无励磁损耗，低速性能好。

第三个发展阶段（20世纪80年代至今），这一阶段是以机电一体化时代作为背景的，由于伺服电动机结构及其永磁材料、控制技术的突破性进展，出现了无刷直流伺服电动机（方波驱动），交流伺服电动机（正弦波驱动）等种种新型电动机。

进入20世纪80年代后，因为微电子技术的快速发展，电路的集成度越来越高，对伺服系统产生了很重要的影响，交流伺服系统的控制方式迅速向微机控制方向发展，并由硬件伺服转向软件伺服，智能化的软件伺服将成为伺服控制的一个发展趋势。

伺服系统控制器的实现方式在数字控制中也在由硬件方式向着软件方式发展；在软件方式中也是从伺服系统的外环向内环、进而向接近电动机环路的更深层发展。目前，伺服系统的数字控制大都是采用硬件与软件相结合的控制方式，其中软件控制方式一般是利用微机实现的。这是因为基于微机实现的数字伺服控制器与模拟伺服控制器相比，具有下列优点：

（1）能明显地降低控制器硬件成本。速度更快、功能更新的新一代微处理机不断涌现，硬件费用会变得很便宜。体积小、重量轻、耗能少是它们的共同优点。

（2）可显著改善控制的可靠性。集成电路和大规模集成电路的平均无故障时（MTBF）大大长于分立元件电子电路。

（3）数字电路温度漂移小，也不存在参数的影响，稳定性好。

（4）硬件电路易标准化。在电路集成过程中采用了一些屏蔽措施，可以避免电力电子电路中过大的瞬态电流、电压引起的电磁干扰问题，因此可靠性比较高。

（5）采用微处理机的数字控制，使信息的双向传递能力大大增强，容易和上位系统机联运，可随时改变控制参数。

（6）可以设计适合于众多电力电子系统的统一硬件电路，其中软件可以模块化设计，拼装构成适用于各种应用对象的控制算法；以满足不同的用途。软件模块可以方便地增加、更改、删减，或者当实际系统变化时彻底更新。

（7）提高了信息存贮、监控、诊断以及分级控制的能力,使伺服系统更趋于智能化。

（8）随着微机芯片运算速度和存贮器容量的不断提高，性能优异但算法复杂的控制策略有了实现的基础。三环结构通过长期的生产实践发现，伺服系统中采用三环结构是目前实现高精度控制的最好方法，即位置环.速度环.电流环。又分别被称为外环.中环.内环。这三环是相互制约关系，使控制达到了极其完善。

对于主轴驱动而言，要求有较大调速范围和较大转矩，其精度要求低于进给系统，常常只需控制速度的稳定性且无需位置环。所以伺服系统的讲解以进给系统为主进行。①位置控制：位置环、速度环和电流环都在驱动器中执行，用数字脉冲或数据通信方式给定电机的转动方向和角度，驱动单元控制电机转子按给定的方向转过相应的角度。转动的角度（位置）和速度都可以控制。②速度控制：驱动器内仅执行速度环和电流环，可由外部的运动控制器执行位置环的所有功能。用模拟电压或数据通信方式给定电机的转动方向和速度，驱动单元控制电机转子按给定的方向和速度旋转。③转矩控制：驱动器仅实现电流环，由外部的运动控制器实现位置环的功能。这时系统中往往没有速度环。用模拟电压或数据通信方式给定电机输出力矩的大小和方向，驱动单元控制电机转子的转动方向和输出转矩大小。PID控制：也称为PID调节，是控制单元对输入数据（给定、反馈）进行数学处理的常用算法。位置环是进给伺服系统中十分重要的环节，根据位置环上有无检测器及检测方式的不同可分为:开环控制(早期，精度低，使用步进电动机)半闭环控制(间接检测反馈，精度较高)闭环控制(直接检测反馈，精度高，机床不易调整，易出现工作台振荡或爬行)

位置控制环节单方向指令没有反馈、只能进行一个方向的控制。使用步进马达或交流伺服电机反馈信号只到伺服系统的情况。开环进给伺服系统示意图半闭环控制系统示意图全闭环控制系统示意图“旋转伺服电机+滚珠丝杠