第6章数控机床的进给伺服系统1和数控机床编程及加工

第六章数控机床的进给伺服系统

第一节概述

第二节开环步进电机

第三节数控机床的检测装置

第四节闭环伺服系统

第五节闭环伺服系统分析第一节

概述伺服驱动系统是指以位置和速度作为控制对象的自动控制系统。伺服系统的性能，在很大程度上决定了现代数控机床的性能。如：数控机床的最高移动速度、跟踪精度、定位精度等重要指标均取决于伺服系统的动态与静态性能。数控进给伺服系统是一种位置控制系统，分为开环、半闭环和闭环三种。一、数控机床对伺服系统的要求1、精度高脉冲当量越小，机床的精度越高。0.01-0.001mm;2、快速响应特性好快速响应是伺服系统动态品质的标志之一。达到最大稳态速度的时间要求在200ms以内。

3、调速范围大调速范围：电机的最高转速Nmax和最低转速Nmin之比。要求应大于：1:10000

4、负载特性要硬当负载变化时，输出速度应基本不变。5、系统可靠性要好

二、数控机床伺服驱动系统的基本组成数控机床的进给伺服系统是由：伺服电路、伺服驱动装置、机械传动机构及执行部件组成。进给指令比较控制环节驱动控制单元执行元件机床反馈检测单元三、数控机床伺服驱动系统的分类按其用途和功能分为：

进给驱动系统和主轴驱动系统按其控制原理和有无反馈环节分：

开环系统、闭环系统和半闭环系统按驱动执行元件的动作原理分为：

电液伺服系统和电气伺服系统。其中电气伺服系统又可分为直流伺服驱动系统和交流伺服驱动系统。1、

开环控制和闭环控制进给系统特点（1）开环控制系统①结构较简单，调试、维修、使用方便、成本低②无位置反馈环节，系统稳定；③速度及精度较低。驱动器步进电机工作台CNC指令脉冲开环控制系统结构图（2）半闭环与闭环进给系统特点：①结构比较复杂，安装调试比较麻烦；②加工精度高，速度快。

+指令位置检测测量与反馈-速度控制单元位置调节器伺服电机工作台半闭环控制（3）闭环进给系统2、进给驱动与主轴驱动进给驱动用于数控机床工作台或刀架坐标的控制系统，控制机床各坐标轴的切削进给运动，并提供切削过程的转矩。主轴驱动控制机床主轴的旋转运动，为机床主轴提供驱动率和所需的切削力。3、直流伺服驱动与交流伺服驱动直流大惯量伺服电机有良好的宽调速性能。输出转矩大，过载能力强，由于电机惯性与机床传动部件的惯量相当，构成闭环后易于调整。直流中小惯量伺服电机适于数控机床对于频繁启动、制动，快速定位、切削的要求。交流电机的一个最大优点是交流容易维修，制造简单，易于向大容量、高速度方向发展。缺点:电刷和换向四、数控系统常用伺服电机

1、步进电机开环进给驱动装置，在经济型数控机床上用；2、改进型直流电机在静态和动态特性较普通直流电机所改变，早期使用；3、小惯量直流电机减小电枢的转动惯量，获得好的快速性，早期使用；4、永磁直流伺服电机能在较大过载转矩下长期工作；可在低速下(1r/mmr/mm)平稳运转。70年代—80年代中期广泛应用，目前还在使用；5、无刷直流电机：

实质是交流调速电机的一种。性能达到直流电机的水平，又取消换向器及电刷部件，电机寿命提高一个数量级；6、交流调速电机：

自80年代中期开始，以异步电机和永磁同步电机为基础的交流进给驱动得到迅速的发展，是进给驱动的一个发展方向。第二节开环步进式伺服系统

一、步进电机步进电机是将电脉冲信号转换成角位移；角位移量与电脉冲数成正比；转速与电脉冲频率成正比。1、步进电机的种类和结构（1）分类分类方式具体类型按力矩产生的原理1）反应式：转子无绕组，由被激磁的定子绕组产生反应力矩实现步进运行。2）激磁式：定、转子均有激磁绕组，由电磁力矩实现步进运行按输出力矩大小1）伺服式：力矩小，只能驱动较小的负载2）功率式：输出力矩大，可直接驱动工作态等较大的负载。按定子数1）单定子式2）双定子式3）三定子式4）多定子式按各组绕组分布1）径向分相式：电机各相按圆周依次排列2）轴向分向式：电机各相按轴向依次排列SB-58-1型五定子轴向分相反应式步进电机。2、反应式步进电机工作原理1）电机的转速取决于绕组与电源接通或断开的变化频率；2）电机的转动方向取决于绕组通电的顺序；3）电机转过的角度取决于通电的次数。4）电动机定子绕组每改变一次通电方式——称为一拍5）每输入一个脉冲信号，转子转过的角度——步距角αº上述通电方式称为：三相单三拍。（三相三拍）单——每次通电时，只有一相绕组通电；双——每次通电时，有两相绕组通电；三拍——经过三次切换绕组的通电状态为一个循环；除此之外的通电方式还有：三相双三拍：AB—BC—CA—AB三相单双六拍：A—AB—B—BC—C—CA—A设步进电机的定子绕组有m相；转子齿数为Z齿；通电方式系数为k

则每输入一个脉冲电信号，转子的步距角αº有：

通电拍数相同时k=1；不同时k=2。

步进电机的步距角越小，位置精度越高。

由上式知道：磁极数越多，转子齿数越多，步距角就越小。m:相数,z:齿数;k:m相m拍时k取1,m相2m拍时k取2;

最常见的一种小步距角三相反应式步进电机如图所示。

设定子有A、B、C三相绕组，转子上均匀分布40个齿，定子上每个极有5个齿，与转子上的齿宽和齿距相同采用单三拍运行方式：三相六拍运行方式：若输入一个脉冲，转子转过转，故电动机的转速n为：如果每秒输入f个脉冲，电动机的转子每秒钟转f——控制脉冲的频率定子和转子都分为5段，呈轴向分布；有16个齿均匀分布在圆周上，齿距=360º/16=22.5º；各相定子彼此径向错开1/5个齿的齿距；SB-58-1型五定子轴向分相反应式步进电机。如按5相5拍通电，则步距角为：如按5相10拍通电，即AB—ABC—BC—BCD—CD—CDE…….，步距角为：例如：110BF003代表该步进电机为反应式，外径110mm，三相控制绕组反应式步进电机的型号表示：××××××定子绕组相数BF：反应式BGY：混合式电动机外径（单位：mm）3、步进电机工作特点：1）步进电机受脉冲电流的控制，转子的角位移和角速度与输入脉冲的数量和脉冲频率成正比，改变相的通电顺序可以改变步进电机的旋转方向；2）步进电机有自整角能力，不需机械制动；3）步距无累积误差；4）步进电机的效率低，脉冲当量不能太小，调速范围不大。四、步进电机的主要特性1、步距误差步距误差直接影响执行部件的定位精度。单相通电时，步距误差由定子和转子的分齿精度和各相定子错位角度的精度确定；多相通电时，步距误差还和各相电流的大小、磁路性能等因素有关。2、单相通电的矩角特性单相通电时的电磁转矩与失调角之间的关系称为单相通电时的矩角特性。其大至上是一条正弦曲线。Mjmax---最大静态转矩,表明了电机能承受的最大静态负载转矩。各相绕组单相通电的矩角特性不能相差太大。失调角eMeMjmax多相通电时的矩角特性，可根据单相通电的矩角特性以向量和的方式算出。当步进电机励磁绕组相数大于3时，多相通电多数能提高输出转矩。所以功率较大的步进电机多数采用多于三相的励磁绕组，且多相通电。步进电机多相通电时的转矩11.73221.732111.6181.618111.4141116543电机相数54321432132121同时通电相数3、启动转矩Mq当电机所带负载ML<Mq时，电机可不失步的启动。ABCMqe2、最高启动频率和最高工作频率最高启动频率fg：步进电机由静止突然启动，并不失步地进入稳速运行，所允许的启动频率的最高值。最高启动频率fg与步进电机的惯性负载J有关。最高工作频率：步进电机连续运行时所能接受的最高频率。3、输出的转矩——频率特性Md(N.m)f(Hz)在步进电机正常运转时，若输入脉冲的频率逐渐增加，则电机所能带动的负载转矩将逐渐下降。五、步进电机开环进给伺服系统1、传动计算目的：计算齿轮传动比i，确定齿数(Z1、Z2)，以①满足脉冲当量δ的要求。②提高步进电机的负载能力。（1）

直线进给系统已知：进给系统的脉冲当量δmm；步进电机的步距角αº；滚珠丝杠的导程tmm；求：

齿轮传动比i。1）为了求得所需的脉冲当量；2）满足结构要求和增大转矩的作用。步进电机的进给系统使用齿轮传动的作用：（2）圆周进给系统已知：脉冲当量为δ，蜗杆为Zk头，蜗轮为ZW点，则：2、步进电机的驱动电路3、步进电机的驱动控制线路

功能：将具有一定频率、一定数量和方向的进给脉冲转换成控制步进电机各相定子绕组通断电的电平信号。一个较完善的步进电机的驱动控制线路包括脉冲混合电路、加减速电路、环形分配器和功率放大器（1）脉冲混合电路功能：将一些信号混合为使工作台正向进给的“正向进给”信号或使工作台负向进给的“负向进给”信号。（2）加减脉冲分配电路功能：从正向进给方向的进给脉冲指令中抵消相同数量的反方向补偿脉冲。（3）加减速电路由同步器、可逆计数器、数模转换电路和RC变频振荡器组成。包括三部分：1）升速过程（fa=fb)2）均匀过程（fa=fb

后）3）降速过程在整个过程中，进给脉冲Pa时可逆计数器作加法计数，RC变频振荡器的输出脉冲Pb

,使其作减法计数。由于RC变频振荡器的输出脉冲Pb是进入步进电机的工作脉冲，因此，经过加法减速电路保证不会产生丢步。（4）环形分配器设计环形分配器时，先确定步进电机的工作状态。常用的步进电机的工作方式：运转方式三相三拍三相六拍四相四拍四相八拍五相五拍五相十拍拍号ABCABCABCDABCDABCDEABCDE11001001100110011000110002010110011011100110011100300101000110110001100110041000111001011110001011105001110000111100000110610110110011171001001000118110110011911001000110110011111000（5）功率放大器由环形分配器输出的脉冲功率很小(只有几十毫安)，不能直接驱动步进电机的绕组，需进行功率放大，使脉冲电流达1~10A才行。1）单电压供电功放器缺点：

由于R0的存在，无功功率耗增大。适用于小功率步进电机。3、提高步进伺服系统精度的措施（1）传动间隙补偿

当收到反向位移指令后，由间隙补偿软件或补偿电路产生一定数量的补偿脉冲，使步进电机转动越过传动间隙，然后再按指令脉冲使执行部件作准确的位移。（2）螺距误差补偿具体做法：1）安置两个补偿杆分别负责正误差和负误差的补偿。2）在两个补偿杆上，根据丝杠全程的误差分析及上述误差补偿原理，设置补偿开关或挡块；3）当机床工作台移动时，安装在机床上的微动开关每于挡块接触一次，就发出一个误差补偿信号，对螺距误差进行补偿，以消除螺距的累计误差。（3）细分线路把步进电机的一步再分得细一些。换句话说，采用十细分线路后，在进给速度不变的情况下，可使脉冲当量缩小到原来的1/10.第三节数控机床的检测装置1、检测装置的作用检测装置是数控机床闭环伺服系统的重要组成部分其作用是：检测位移和速度，发送反馈信号，构成闭环控制。

闭环控制的数控机床的加工精度主要取决于检测系统的精度。2、数控机床对位置检测装置的要求1)、高的可靠性和高抗干扰性；2)、使用维护方便，适合机床运行环境；3)、满足精度与速度要求和机床工作行程的要求；4)、成本低；5)、便于与数控系统相联。不同类型数控机床对检测装置的精度和适应的速度要求是不同的：

对于大型机床以满足速度要求为主；对中、小型机床和高精度机床以满足精度要求为主。3、检测装置的分类（1）按检测信号的类型分

（2）按测量方式分类（3）按测量获得的值来分类绝对式测量和增量式测量：绝对式增量式绝对式增量式绝对值式磁尺直线感应同步器磁尺容栅编码尺长光栅直线干涉仪直线型多极旋转变压器旋转变压器圆感应同步器圆磁栅编码盘圆光栅回转型模拟式数字式常用位置检测元件一、旋转变压器1、旋转变压器结构分为定子和转子根据转子绕组两种不同的引出方式分为有刷式和无刷式两种结构。2、旋转变压器的工作原理设加在定子绕组S1S2的激磁电压为Vs=Vmsinωt转子绕组感应电动势为VB=KVssin=KVmsinθsinωtK：电磁耦合系数Vm：Vs的幅值Θ：转子的转角二、感应同步器感应同步器是一种电磁式位置检测元件，按其结构分为直线式和旋转式。直线式感应同步器由定尺和滑尺组成（直线位移测量）旋转式感应同步器由定子和转子组成。（角位移测量）1、结构特点定尺滑尺：连续绕组正弦绕组余弦绕组定尺和滑尺的节距相同，标准型的感应同步器的节距为：2=2mm两相绕组在空间相差1/2个节距2、工作原理A点表示滑尺绕组与定尺绕组重合，定尺绕组中的感应电势最大。B点表示两绕组错开1/4节距，感应电势减为零。C点表示两绕组错开1/2节距，感应电势负的最大。D点表示两绕组错开3/4节距，感应电势再次变为零。滑尺在移动一个节距的过程中，感应同步器定尺绕组的感应电势近似于余弦函数变化了一个周期。设VS是加在滑尺任一绕组上的激磁交变电压：VS=Vmsint

定尺绕组上的感应电势为：

VB=KVScos=KVmcossint

式中：

K----电磁耦合系数Vm---V的幅值

----反映定尺和滑尺的相对移动的距离x三、光栅1、光栅的种类及结构（1）光栅种类按反射的原理分：

1）透视光栅在玻璃的表面制成透明与不透明间隔相等的线纹。其特点为：①光源可垂直入射，信号幅度大，读数头结构较简单；②每毫米上的线纹数多。③玻璃易碎，热胀系数与金属部件不一致。2）反射光栅在金属的镜面上制成全反射与漫反射间隔相等的线纹。其特点为：①长光栅的热胀系数容易做成与机休材料一致；②长光栅的安装和调整比较方便；③安装面积较小；④易于接长；⑤不易碰碎；⑥形成的莫尔条纹反差较大，每毫米内线纹不宜过多。按形状分：（2）光栅位置检测装置的结构光栅系统的精度主要取决于光栅的制造精度，即光栅任意两点间的误差——累积误差。2、光栅的工作原理（1）摩尔条纹白色代表不透光，黑色代表透光两条刻线之间的间隔称为栅距。mmWW为摩尔条纹的宽度。可见：摩尔条纹可将原来的很小的栅距放大。莫尔条纹的特点（1）放大作用Wc——莫尔条纹宽度；ω——栅距；θ——光栅线纹间的交角。由于θ很小，Wc可以比ω大很多倍。例如：时，莫尔条纹的宽度Wc=10mm，其放大倍数相当于1000倍，从而减化了放大电路。（2）平均效应起平均误差的作用莫尔条纹是由许多根线纹组成的。如：光栅为100线/mm一条10mm长的莫尔条纹由：100线/mm×10mm=1000条光栅线纹组成，光栅上线纹的间距误差就平均化。（3）莫尔条纹的移动规律与栅距之间的移动成

比例当光栅向左、右移动一个栅距ω，莫尔条纹也相应地向上、下移动一个WC。莫尔条纹的移动有如下规律：若长光栅不动，指示光栅逆时钟方向转一个小角度（+θ），然后向左移动，则莫尔条纹向上移动；反之，当指示光栅向右移动，条纹向下移动。如果将指示光栅按顺时针方向转过一个小角度(-θ)，则情况与上述相反。当光栅移动一个栅距时，摩尔条纹的亮度也变化了一个周期。E光的强度x位移光电接收元件（２）光栅的辨向采用一个光电元件所得到的光栅信号只能计数，但不能辨识运动方向，为了确定运动方向，至少要有两个光电元件。如图所示。光电元件S1光电元件S2两个光电元件位置间隔1/4个摩尔条纹间距。产生的光电强度相差900ExS1S2S2通过判断S1和S2的超前或滞后来确定移动的方向。（3）光栅位移——数字变换电路为了提高光栅检测装置的精度，可以提高刻线精度和增加刻线密度。但刻线密度达200线/mm以上的细光栅刻线制造较困难，成本也高。因此，通常采用倍频的方法来提高光栅的分辨精度，见图6-26采用四倍频方案。光电元件由四块光电池组成，产生的信号，相位相差90度。该电路还将模拟位移转化为数字量。设光栅刻线的密度为：50线/mm，mm，但4倍频后，每一脉冲都相当于5μm，即分辨精度提高4倍。此外，还采用8、10、20倍频及其它倍频线路。xE四、脉冲编码器脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器。它将转角电脉冲，是一种常用的角位移传感器。1、增量式编码器增量式脉冲编码器实际上就是圆光栅。在圆盘的周围上分成等距的透光和不透光部分相间的辐射状线纹，该圆盘与工作轴一起旋转。辨向指示光栅上有两段线纹组A和B，每一组的线纹间节距与圆光栅相同，而A组和B组的线纹彼此错开1/4节距。指示光栅固定在底座上，与圆光栅的线纹平行的放置，两者保持一定距离。光线透过圆光栅和指示光栅的线纹，在光电元件上形成明暗交替变化的条纹，产生近似于正弦波的电流信号A和B，两者的相位相差90度。若A相超前于B相→电机作正向旋转；

若B相超前于A相→电机作反向旋转；

C相是一转脉冲，产生机床的基准点，又称零点脉冲。在应用时，从脉冲编码器输出的A和，B和四个方波引入位置控制回路，经辨向和乘以倍率后，变成代表位移量的测量脉冲；经频率一电压变换变成正比于频率的电压，作为速度反馈信号，速度控制单元进行速度调节。2、绝对值式编码器增量式脉冲编码有个缺点：在加工过程中，若遇因故障而停止加工时，一旦故障排除后，就不能找到事故前执行部件的正确位置。采用绝对值编码器就可以解决这个问题。绝对式编码器可以直接把被测转角过位移转换成相应的代码，指示的是绝对位置而无绝对误差。注：白色部分透光——表示’0’；黑色部分透光——表示’1’；圆盘内端(靠轴端)是二进制高位，外端是二进制的低位。（1）分类

接触式、光电式和电磁式等（2）工作原理

通过读取编码盘上的图案来表示轴的位置。采用的编码有：二进制编码、二进制循环码、二—十进制码等；（3）二进制与二进制循环码的比较二进制编码方式的缺点：图案转移点不明确，容易产生读数错误。二进制循环编码：图案的切换每次只有一位数，能把误读控制在一个数的单位内，提高可靠性。4、绝对值式编码的特点1）可以直接读出角度坐标的绝对值；2）没有累积误差；3）电源切除后，位置信息不会丢失；4）允许的最高转速比增量式编码器高。第四节闭环伺服系统优点：工作可靠、抗干扰性强，伺服精度高。缺点：结构复杂，调试、使用与维护也相对更困难。一、闭环伺服系统的执行元件执行元件是它的重要组成部分，它的作用是把驱动线路的电信号转化为机械运动，整个伺服系统的调速性能、动态特性，运行精度均与执行元件有关。伺服系统对执行元件有如下的要求：调速范围宽且具有良好的稳定性，尤其是低速运行的稳定性和均匀性。负载特性硬，即使在低速时也有足够的负载能力。尽可能的减少电机的转动惯量，以提高系统的快速动态响应。能够频繁启、停及换向。1、直流伺服电机（1）小惯量直流伺服电机特点：1）转动惯量小，约为一般直流电机的1/10。2）具有良好的换向性能。3）由于转子无槽，保证了低速运行的稳定性和均匀性。在转速低达10r/min时无爬行现象。4）过载能力强，最大电磁转矩可达额定值的10倍。5）热时间常数较小，容许过载的持续时间不能太长。（2）宽调速直流伺服电机它是在维持一般直流电机较大转动惯量的前提下，尽可能提高转矩的方法来改善其动态特性。具有快速响应性能，即较好的输出转矩/惯量的比值。特点：

1）高转矩2）调速范围宽3）动态响应好4）过载能力强5）易于调试（3）直流伺服电机的速度调节直流伺服电机的调整方法主要是调整电机电枢电压。一般直流速度控制单元较多采用晶闸管调速系统和晶体管脉宽调制(PWM)调速系统。PWM调速原理是利用脉宽调制器对大功率晶体管开关放大器的开关时间进行控制，将直流电压转换成某一频率的方波电压，加到直流电机电枢两端，通过对方波脉冲宽度的控制改变电枢两端的平均电压，从而达到调节电机转速的目的。（1）PWM工作原理图a中的开关S周期的闭合、断开，开和断的周期是T。在一个周期内，闭合时间为τ,若外加电源的电压U是常数，则电源加到电机电枢上的电压波形将是一个方波，它的平均值Ua为:

Ua=δrU。δ=τ/T,称为导通率。当T不变时，只要连续地改变(0~T),就可使电枢电压的平均值由0连续变化到U，从而连续地改变电机的转速。PWM调速系统的特点：频带宽：截止频率高于晶闸管，系统有较高的工作频率，其开关工作频率多为2kHz或5KHz。电机脉动小：输出转矩平稳，对低速加工有利。电源的功率因数高。动态硬度好，系统具有良好的线性。2、交流伺服电机特点：转子惯量较直流电机小，动态响应好，能在较宽的范围内产生理想的转矩，结构简单，运行可靠。交流伺服电机的速度调节通常由调频调速的方法实现。交流伺服电机变频调速的关键问题是获得调速调压的交流电源。实现调频调压通常采用交流—直流—交流的变换电路实现，其主要组成部分是电流逆变器。二、鉴相式伺服系统鉴相式伺服系统是采用相位比较方法实现位置闭环及半闭环控制的伺服系统。1、鉴相式伺服系统的基本组成和工作原理主要基准信号发生器、鉴相器、检测元件及信号处理线路、脉冲调相器和执行元件等组成。基准信号发生器输出一列具有一定频率的脉冲信号，其作用是为伺服系统提供一个相位比较的基准。脉冲调相器是将脉冲信号转换为相位变化信号，该相位变化信号可用正弦波或方波表示。检测元件及信号处理线路的作用是检测工作台的位移，并表达为基准信号之间的相位差。此相位差的大小代表了工作台的实际位移量。鉴相器的输入信号有两路：1.来自脉冲调相器的指令进给信号。2.来自检测元件及信号线路的反馈信号。这两路信号用它们与基准信号之间的相位差表示，且同频率、同周期。鉴相器的作用是鉴别出两个信号之间的相位差，并以与此相位差信号成正比的电压信号输出。鉴相器的输出信号比较弱，需要进行电压和功率放大，再去驱动执行元件。2、鉴相式伺服系统的类别（1）以旋转变压器为测量元件的半闭环伺服系,是以旋转变压器为测量元件，它的执行元件是宽调速直流电机。（2）以直线式感应同步器为测量元件的闭环伺服系统，与（1）的唯一区别是测量元件直接安装在机床的工作台。（3）以光栅为测量元件的数字相位比较伺服系统。它的测量元件是光栅，执行元件是宽调速直流伺服电机。3、鉴相式伺服系统的主要控制线路（1）脉冲调相器（2）鉴相器鉴相器的主要功能是鉴别两个输入信号的相位差及其超前滞后关系。常用的鉴相器有两种：二极管鉴相器：它可以鉴别正弦信号之间的相位差；门电路型鉴相器：它对方波信号之间的相位差进行鉴别三、鉴幅式伺服系统鉴幅式伺服系统是以位移检测信号的幅值大小来反映机械位移的数值，并以此作为位置反馈信号与指令信号进行比较构成的闭环控制系统。1、鉴幅式伺服系统的工作原理它与鉴相式伺服系统的主要区别它的测量元件是以鉴幅式工作状态进行，可用于鉴幅式伺服系统的测量元件有旋转变压器和感应同步器；比较器所比较的是数字脉冲量而不是相位信号。2、鉴幅式伺服系统的控制线路测量元件解调电路电压频率转换sin/cos发生器测量元件及信号处理线路（1）解调线路即鉴幅器它由低通滤波器、放大器和检波器组成。（2）电压频率转换器其作用是把检波后输出的电压值变成相应的脉冲序列，脉冲的方向用符号寄存器的输出表示。（3）sin/cos发生器其任务是根据电压频率转换器输出脉冲的多少和信号，生成测量元件的激磁信号。（4）比较器作用是对指令脉冲信号和反馈脉冲信号进行比较。（5）数模转换器也称脉宽调制器它的任务是把比较的数字量转化为电压信号。四、数字、脉冲比较式伺服系统

目前应用较多的是以光栅和光电编码器作为位置检测装置的半闭环控制的脉冲比较伺服系统。1、数字脉冲比较系统的构成一个具体的数字脉冲比较系统可以包括6个部分，也可以仅由其中的某几个部分组成。2、数字脉冲比较系统的主要功能部件（1）数字脉冲---数码转换器1）数字脉冲转换—数码转换器。最简单的实现方法可用一个可逆计数器，它将输入的脉冲进行计数，以数码值输出。二-十进制可逆计数器二-十进制可逆计数器进位借位加减数字脉冲转化为数码的线路2）数码转换为数字脉冲常用的两种方法：a.采用减法计数器组成的线路用一个脉冲乘法器，实质上是将输入的二进制转化为等值的脉冲个数输出。减法器计数&S0全“0”数码输入CP分频器与门组S0CP（2）比较器根据功能可分为两类：

一是数码比较器；二是数字脉冲比较器。3.数字脉冲比较系统的工作过程用光电脉冲编码器为测量元件的数字脉冲比较系统为例说明其工作过程。若工作台静止、指令脉冲Pc=0。此时，反馈脉冲Pf亦为零，经比较环节得偏差e=Pc–Pf=0,伺服电机的转速给定为零。随着指令脉冲的输出，Pc≠

0，在工作台未移动前Pf

为零，e=Pc–Pf≠0.若指令脉冲为正向进给脉冲，e﹥0,由速度控制单元驱动电机带动工作台正面进给。不断比较Pc和Pf，直到e=0,工作台停止在指令规定的位置上。反向与其类似。第五节闭环伺服系统分析一般数控机床对位置伺服系统有如下要求：定位速度和轮廓切削进给速度。定位精度和轮廓切削精度。进加工的表面粗糙度。在外界干扰下的稳定性。这些要求取决于伺服系统的静态、动态特性。一、开环增益一般情况下，增益取为20~30（1/s）。K<20范围的伺服系统称为低增益或软伺服系统，多用于点位控制。K>20的系统称为高增益或硬伺服系统，应用于轮廓加工系统。数控机床的位置伺服系统是一个典型的二阶系统。在典型的二阶系统阻尼系数速度稳态误差e(∞)=1/K,K为开环放大倍数。当输入速度突变，高增益可能导致输出剧烈的变动，还可能引起系统的稳定性问题。高阶系统的稳定性对k值范围有要求。低增益系统调整比较容易，结构简化，对扰动不敏感，加工的表面粗糙度好。在实际系统中，对稳态与动态性能都有较高的要求时，可采取非线性控制的控制方法。

如动态响应的开始可取高增益值，在T不变时偏小，曲线上升变陡。在接近稳态90%，K取低值，使接近于1，过程趋于平稳无超调。稳态值=0.5tx0(t)采用非线性实现的动态响应=0.9二、位置精度位置精度在很大程度上决定了数控机床的加工精度。为了保证有足够的位置精度，一方面正确选择系统中开环放大倍数的大小，另一方面对位置检测元件提出精度的要求。位移检测系统能够测量的最小位移量称为分辨率，它不仅取决于检测元件本身，也取决于测量线路。总之，高精度的控制系统必须由高精度的检测元件作为保证。三、调速范围单步点动作为一种辅助工作方式常在工作台的调整中使用。死区：是指由于静摩擦力的存在使系统在很小输入下，电机克服不了摩擦力而不能转动。伺服系统在低速情况下实现平稳进给，则要求速度必须大于“死区”范围。由于存在机械间隙，电机虽然转动，但拖板并不移动，这些现象可用“死区”来表示。见图6-47。四、速度误差系数速度误差系数KVKV=最高进给速度Vmax

/允许的跟随误差e跟随误差——输入指令曲线与位置跟踪响应曲线之间存在的误差。常常用“伺服滞后”来表达跟随误差。“伺服滞后”与“跟随误差”本质是一样的。

误差要控制在进度范围内，因为过大的误差会引起工件的尺寸误差。提高伺服系统的KV是至关重要的，KV愈大，系统的跟随误差小，但过大的Kv会影响系统的稳定性。五、伺服系统的可靠性可靠度：产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的概率。它是评价可靠性的主要指标之一。数控机床常用平均故障间隔时间（MTBF）作为可靠性的定量指标。MTBF是指发生故障修理或更换零件还能继续工作的可修复设备或系统，从一次故障到下一次故障的平均时间。一般数控机床的故障主要来自伺服元件及机械传动部分。复习题1、数控机床对进给驱动有什么要求？2、步进电机有什么优缺点？它适用于什么场合？3、简述反应式步进电机的工作原理4、步进电机的步距角和转速是由什么参数决定的？5、试说明下有关步进电机的名词意义：1）静态矩角特性2）最大静态转矩3）动态矩频特性4）启动频率5）连续工作频率o/3o，试问这是什么意义？7、如果一台步进电机的负载转动惯量变大，试问它的启动频率有何变化？8、试问步进电机的连续工作频率和它的负载转矩有怎样的关系？为什么？9、一台五相十拍运行的步进电机，转子齿数Z1=48，在A相绕组中测得电流频率为600Hz，求1）电动机的步距角2）转速10、实现步进电机控制脉冲的环行分配器有哪两种主要方法？11、简述高低压切换驱动电路的原理12、简述恒流斩波型驱动电路的原理13、简述调频调压型驱动电路的原理14、试述以上三种电路的优缺点15、简述选择步进电机的基本方法16、直流宽调电动机有什么主要特点？17、数控机床伺服系统对位置检测元件的主要要求是什么？18、名词解释：（1）摩尔条纹（2）辨向（3）循环码19、摩尔条纹有何特点？20、简述摩尔条纹测量位移的工作原理21、增量式脉冲编码器于与绝对式脉冲编码器是测量什么机械量的？各有什么优缺点？22、在绝对式脉冲发生器中码盘采用循环码，为什么可以在一定程度上降低制作要求，减少出错的概率？数控机床编程及加工机械工程实验教学中心实验目的通过数控机床的加工程序编制，掌握编程的方法及技巧；将在计算机上用OpenSoftCNC软件模拟显示加工过程校验程序，然后在数控机床上对工件进行加工；结合机械加工工艺，实现最优化编程，提高加工质量和生产效率。机械工程实验教学中心数控编程的基本原理数控编程的目的；数控编程的内容；编程步骤。机械工程实验教学中心数控编程的基本原理所谓编程，就是把零件的图形尺寸、工艺过程、工艺参数、机床的运动以及刀具位移等内容，按照数控机床的编程格式和能识别的语言记录在程序单上的全过程。这样编制的程序还必须按规定把程序单制备成控制介质如程序纸带、磁带等，变成数控系统能读懂的信息，再送入数控机床，数控机床的CNC装置对程序经过处理之后，向机床各坐标的伺服系统发出指令信息，驱动机床完成相应的运动。机械工程实验教学中心数控编程的目的数控编程的基本原理①分析零件图纸，确定加工工艺过程；②计算走刀轨迹，得出刀位数据；③编写零件加工程序；④制作控制介质；⑤校对程序及首件试加工。机械工程实验教学中心数控编程的内容数控编程的基本原理机械工程实验教学中心数控编程的步骤零件图纸分析零件图纸制定工艺规程数学处理编写程序文件制作控制介质程序校验及试切数控机床OpenSoftCNC软件介绍Op