机床数控技术(第4版) 课件 6

机床数控技术机械工业出版社

目录2数值模拟研究结果3安装工艺性验证试验大纲1项目要求及成果提交形式2数值模拟研究结果1项目要求及成果提交形式第3章

数控系统的加工控制原理第2章

零件加工程序的编制第1章

概述第6章

数控机床的伺服系统第5章

位置检测装置第4章

数控装置第1节

伺服系统的基本概念

1伺服系统的基本概念进给伺服系统是以机床移动部件（如工作台）的位置和速度作为控制量的自动控制系统，通常由伺服驱动装置、伺服电机、机械传动机构等部件组成。

作用：接受数控装置发出的进给速度和位移指令信号，由伺服驱动装置作一定的转换和放大后，经伺服电机（直流、交流伺服电机、功率步进电机等）和机械传动机构，驱动机床的工作台等执行部件实现工作进给或快速运动。

第6章

数控机床的伺服系统第6章

数控机床的伺服系统图闭环进给伺服系统结构位置控制模块速度控制单元伺服电机

工作台

位置检测测量反馈

伺服驱动装置速度环速度检测位置环第6章

数控机床的伺服系统2对伺服系统的基本要求

1)调速范围宽

2)可逆运行

3)具有足够的传动刚度和高的速度稳定性

4)快速响应和无超调

5)高精度

6)低速大转矩

第6章

数控机床的伺服系统第2节

步进电机及其驱动装置1步进电机工作原理

第6章

数控机床的伺服系统步进电机在结构上分为定子和转子两部分。有永磁式(PM,permanentmagnet),磁阻式(VR,variablereluctance),和混合式(HB,hybrid)等。三相反应式步进电机

现以图所示的反应式(磁阻式)三相步进电机为例加以介绍。第6章

数控机床的伺服系统第6章

数控机床的伺服系统

定子上有六个磁极，每个磁极上绕有励磁绕组，每相对的两个磁极组成一相，分成A、B、C三相。转子无绕组，它是由带齿的铁心做成的。步进电机是按电磁吸引的原理进行工作的。当定子绕组按顺序轮流通直流电时，A、B、C三对磁极就依次产生磁场，并每次对转子的某一对齿产生电磁引力，将其吸引过来，而使转子一步步转动。每当转子某一对齿的中心线与定子磁极中心线对齐时，磁阻最小，转矩为零。如果控制线路不停地按一定方向切换定子绕组各相电流，转子便按一定方向不停地转动。步进电机每次转过的角度称为步距角。图三相反应式步进电机结构第6章

数控机床的伺服系统

为进一步了解步进电机的工作原理，以下图为例来说明其转动的整个过程，假设转子上有四个齿，相邻两齿间夹角（齿距角）为90。当A相通电时，转子1、3齿被磁极A产生的电磁引力吸引过去，使1、3齿与A相磁极对齐。接着B相通电，A相断电，磁极B又把距它最近的一对齿2、4吸引过来，使转子按逆时针方向转动30。然后C相通电，B相断电，转子又逆时针旋转30，依次类推，定子按A→B→C→A顺序通电，转子就一步步地按逆时针方向转动，每步转30。AABBCC1234AABBCC1234AABBCC1234逆时针转30º逆时针转30º逆时针转30º第6章

数控机床的伺服系统A相通电，A、B相通电，B相通电

，B、C相通电

第6章

数控机床的伺服系统实际应用的步进电机如图所示，转子铁心和定子磁极上均有齿距相等的小齿，且齿数要有一定比例的配合。第6章

数控机床的伺服系统式中α—步进电机的步距角；

Z—转子齿数；

K—系数，相邻两次通电相数相同，K＝1；相邻两次通电相数不同，K＝2。

2步进电机的主要性能指标

（1）步距角和步距误差

反应式步距角和步进电机的相数、通电方式及电机转子齿数的关系如下：第6章

数控机床的伺服系统（2）静态转矩与矩角特性

当步进电机上某相定子绕组通电之后，转子齿将力求与定子齿对齐，使磁路中的磁阻最小，转子处在平衡位置不动（θ＝0）。如果在电机轴上外加一个负载转矩Mz，转子会偏离平衡位置向负载转矩方向转过一个角度θ，角度θ称为失调角。有失调角之后，步进电机就产生一个静态转矩（也称为电磁转矩），这时静态转矩等于负载转矩。静态转矩与失调角θ的关系叫矩角特性，如图所示，近似为正弦曲线。图静态矩角特性最大静转矩最大静转矩（保持转矩）：通电时能够维持静止状态的最大转矩。第6章

数控机床的伺服系统（3）最大启动转矩图示为三相单三拍矩角特性曲线，图中的A、B分别是相邻A相和B相的静态矩角特性曲线，它们的交点所对应的转矩是步进电机的最大启动转矩Mq

。如果外加负载转矩大于Mq

，电机就不能启动。当A相通电时，若外加负载转矩Ma>Mq

，对应的失调角为θa

，当励磁电流由A相切换到B相时，对应角θa，B相的静转矩为Mb。从图中看出Mb<Mq,电机不能带动负载做步进运动，因而启动转矩是电机能带动负载转动的极限转矩。

bABC图步进电机的启动转矩MbMqMaMθθa第6章

数控机床的伺服系统（4）启动频率（5）连续运行频率步进电机起动后，其运行速度能根据指令脉冲频率连续上升而不丢步的最高工作频率，称为连续运行频率。其值远大于启动频率，它也随着电机所带负载的性质和大小而异，与驱动电源也有很大关系。

（6）矩频特性与动态转矩

第6章

数控机床的伺服系统作业：图示为数控车床横向进给传动结构简图，已知三相步进电动机转子上有80个齿，按三相六拍通电方式工作，步进电动机最高工作频率为3333Hz。滚珠丝杠基本导程为4mm，脉冲当量为0.005mm/脉冲。试计算：（1）齿轮减速比i（i>1）。（2）工作台的最大快进速度vmax(m/min)?第6章

数控机床的伺服系统3步进电机驱动

步进电机驱动线路完成由弱电到强电的转换和放大，也就是将逻辑电平信号(工作电平5V)变换成电机绕组所需的具有一定功率的电流脉冲信号。驱动控制电路由环形分配器和功率放大器组成。环形分配器是用于控制步进电机的通电方式的，其作用是将数控装置送来的一系列指令脉冲按照一定的顺序和分配方式加到功率放大器上，控制各相绕组的通电、断电。第6章

数控机床的伺服系统JA

KA

JB

KB

JC

KC

SA相B相C相RRCP指令脉冲置零正

反10硬件环形分配器第6章

数控机床的伺服系统

三相六拍环形分配器真值表序号

A

B

C

方向

1

1

0

0

2

1

1

0

3

0

1

0

4

0

1

1

5

0

0

1

6

1

0

1

反转

正转

软件环形分配器第6章

数控机床的伺服系统第6章

数控机床的伺服系统单电压功放电路前置放大输入VRcRdVDRaUC图单电压驱动电路原理图it图单电压驱动电流波形

电流波形第6章

数控机床的伺服系统高低压电路单稳延时前置放大前置放大U1＋80V＋12VU2

VD2VD1R1R2

Lt1t2V1V2

图高低压驱动电路原理图

图高低压驱动电流波形第6章

数控机床的伺服系统

恒流斩波驱动电路的原理图高压前置放大低压前置放大控制门整形U1U1VD1U2VD2V1RV2RaLRe图恒流斩波驱动电路原理图输入第6章

数控机床的伺服系统4开环控制步进式伺服系统的工作原理（1）工作台位移量的控制数控装置发出N个脉冲，经驱动线路放大后，使步进电机定子绕组通电状态变化N次，如果一个脉冲使步进电机转过的角度为α，则步进电机转过的角位移量Φ＝Nα，再经减速齿轮、丝杠、螺母之后转变为工作台的位移量L.（2）工作台进给速度的控制数控装置发出的进给脉冲频率为f，经驱动控制线路，表现为控制步进电机定子绕组的通电、断电状态的电平信号变化频率，定子绕组通电状态变化频率决定步进电机的转速，该转速经过减速齿轮及丝杠、螺母之后，体现为工作台的进给速度V。（3）工作台运动方向的控制改变步进电机输入脉冲信号的循环顺序方向，就可改变定子绕组中电流的通断循环顺序，从而使步进电机实现正转和反转，相应的工作台进给方向就被改变。第6章

数控机床的伺服系统1数控机床用交流电动机在交流伺服系统中，按电机种类可分为同步型和异步型（感应电机）两种。交流伺服同步电机有永磁式、磁阻式（反应式）、磁滞式、绕组磁极式等。数控机床进给伺服系统中多采用永磁式同步电机，同步电机的转速是由供电频率所决定的，即在电源电压和频率固定不变时，它的转速是稳定不变的。由变频电源供电给同步电机时，能方便地获得与频率成正比的可变速度，可以得到非常硬的机械特性及宽的调速范围。

第3节

交流伺服系统P6系列交流伺服电机

第6章

数控机床的伺服系统第6章

数控机床的伺服系统第6章

数控机床的伺服系统伺服电动机与驱动器适合于各种加工中心的电主轴第6章

数控机床的伺服系统电主轴第6章

数控机床的伺服系统电主轴第6章

数控机床的伺服系统2交流电机的速度控制

(1)交流电机的调速

据电机学知，交流异步电机的转速表达式为(r/min）式中f1—定子电源频率（Hz）；p—磁极对数；s—转差率。由上式可知异步电机的调速方法，可以有变转差率、变极对数及变频三种。靠改变转差率对异步电机进行调速时，低速时转差率大，转差损耗功率也大，效率低。变极调速只能产生二种或三种转速，不可能做成无级调速，应用范围较窄。变频调速是平滑改变定子供电电压频率f1而使转速平滑变化的调速方法。交流同步电机的转速表达式为(r/min)第6章

数控机床的伺服系统

由上述分析可知改变频率f1，可平滑调节同步转速。但在实际调速时，只改变频率是不够的，现在来看一下变频时电动机的机械特性的变化情况，由电机学知：式中E1—定子每相感应电势；

Kr1—基波绕组系数；

N1—定子每相绕组串联匝数；

Φm—每极气隙磁通量。当略去定子绕组R和L上的阻抗压降时，定子相电压U1为第6章

数控机床的伺服系统由式(6-9)可见，定子电压不变时，随f1的上升，气隙磁通Φm将减小。又从转矩公式可以看出，Φm减小导致电机允许输出转矩T下降，则电机利用率下降，电机的最大转矩也将降低，严重时可能发生负载转矩超过最大转矩，电机就带不动了，即所谓堵转现象。又当电压U1不变，减小f1时，Φm上升会造成磁路饱合，激磁电流会上升，铁心过热，功率因数下降，电机带负载能力降低。故在调频调速中，要求在变频的同时改变定子电压U1，以维持Φm接近不变，由U1，f1不同的相互关系,而得出不同的变频调速方式、不同的调速机械特性。式中CT—转矩常数；

I2—折算到定子上的转子电流；

cosφ2

—转子电路功率因数。第6章

数控机床的伺服系统1）恒转矩调速

要保持T不变，即要求U1/f1为常数，可以近似地维持φm恒定。但最大转矩Tm随着f1下降而减小。这是因为f1高时，E1数值较大，此时定子漏阻抗压降在U1中所占比例较小，可以认为U1近似于定子绕组中感应电势E1。而当f1相对很较低时，E1数值变小，U1值也变小，此时定子漏阻抗压降在U1中所占比例增大，已不能忽略，E1与U1相差很大，所以φm减小，从而使Tm下降。图恒转矩调速特性曲线第6章

数控机床的伺服系统2）恒最大转矩（Tm）调速为了在低速时保持最大转矩Tm不变，就必须采取E1/f1=常数的协调控制，显然，这是一种理想的保持磁通恒定的控制方法。恒Tm调速的机械特性见图6-25所示，对应于同一转矩，转速降基本不变，即直线部分斜率不变，机械特性平行地移动。

n

T

f4

f1

f1>f2>f3>f4

f2

f3

图恒Tm调速特性曲线第6章

数控机床的伺服系统

n

T

f4

f1

f1>f2>f3>f4

f2

f3

3）恒功率调速

调频调压控制方式下，U1的最大值只能是额定电压，对应f1应为额定频率。为了扩大调速范围，可以在额定频率以上进行调速。因电机绕组是按额定电压等级设计的，超过额定电压运行将受到绕组绝缘强度的限制，因此定子电压不可能与频率成正比地提高。若频率上升，额定电压不变，那么气隙磁通φm将随着f1的升高而降低。这时，相当于额定电流时的转矩也减小，特性变软。图恒功率调速特性曲线第6章

数控机床的伺服系统3交流电机的变频调速

交流电机调速种类很多，应用最多的是变频调速。变频调速的主要环节是能为交流电机提供变频电源的变频器。变频器的功用是，将频率固定（电网频率为50Hz）的交流电，变换成频率连续可调（0～400Hz）的交流电。交-直-交变频器是先将频率固定的交流电整流成直流电，再把直流电逆变成频率可变的交流电。交-交变频器不经过中间环节交-直-交变频器，虽需两次电能的变换，但频率变化范围不受限制，目前应用得比较广泛，本书以这种变频器为例做介绍。第6章

数控机床的伺服系统整流电路平波电路逆变电路控制电路

逆变器输入恒电压，恒频率输出可变电压，可变频率

变频器基本组成，整流部分把恒压恒频的交流电压转换为直流电压，平波电路由电容器及电抗器组成（也称直流中间电路），逆变器把直流逆变为交流。控制电路通过来自外部的运行指令，经运算电路、驱动电路，向逆变器发出控制指令。变频器基本组成第6章

数控机床的伺服系统图6-29PWM变频器的主电路原理图ABC电源V1V4V3V6V5V2

V1

V5

V2

V3

V4

V6

t1

t2

t3

t4

t5

t6

在t1、t2时间内，V1、V6同时导通在t4、t5时间内，V3、V4同时导通在t3、t4时间内，V3、V2同时导通在t6、t1时间内，V5、V6同时导通在t5、t6时间内，V5、V4同时导通。在t2、t3时间内，V1、V2同时导通第6章

数控机床的伺服系统

3000

3000

3000

uAB

600

uBC

uCA

1200

1800

2400

3600

600

1200

1800

2400

3600

600

1200

1800

2400

3600

00

00

00

tw

tw

tw第6章

数控机床的伺服系统

T1

T5

T2

T3

T4

T6

t1

t2

t3

t4

t5

t6

下面讨论逆变管V1～V6以怎样的顺序动作（导通和关断）才能将直流电变为三相交流电？如图所示，在t1、t2时间内，V1、V6同时导通，A为正，B为负，uAB为正。在t4、t5时间内，V3、V4同时导通，A为负，B为正，uAB为负。在t3、t4时间内，V3、V2同时导通，B为正，C为负，uBC为正。在t6、t1时间内，V5、V6同时导通，B为负，C为正，uBC为负。在t5、t6时间内，V5、V4同时导通，C为正，A为负，uCA为正。在t2、t3时间内，V1、V2同时导通，C为负，A为正，uCA为负。图各逆变管的通断安排图所示为逆变管的工作情况，图中阴影部分为各逆变管的导通时间，其余为关断状态。第6章

数控机床的伺服系统第6章

数控机床的伺服系统第6章

数控机床的伺服系统如图所示，因电压的平均值和占空比成正比，所以在调节频率时，改变输出电压脉冲的占空比，就能同时实现变频和变压。与图a相比，图b所示电压周期增大（频率降低），而占空比减小，故平均电压降低。脉宽调制的输出电压第6章

数控机床的伺服系统第6章

数控机床的伺服系统SPWM

变频器输出三相频率和电压均可调整的等效于正弦波的脉宽调制波，即可拖动三相异步电机运转。下面介绍用正弦波（调制波）控制，三角波（载波）调制的采用模拟电路元件实现SPWM（正弦波脉宽调制）控制的变频器的工作原理。如图所示，首先由模拟元件构成的三角波和正弦波发生器分别产生三角波信号VT和正弦波信号VS，然后送入电压比较器A，产生SPWM调制的矩形脉冲。

VT

Ud

VS

+

_

A

图电路原理图第6章

数控机床的伺服系统第6章

数控机床的伺服系统第6章

数控机床的伺服系统123451413u+Ud/2-Ud/2uA第6章

数控机床的伺服系统图规则取样SPWM调制模式第6章

数控机床的伺服系统第6章

数控机床的伺服系统第6章

数控机床的伺服系统最大静态转矩的选择进给系统中，电动机负载主要由切削力F和工作台运动时的摩擦阻力组成，从而求得负载力矩为

式中Mz—负载力矩（N·m）；F—进给方向上的切削力（N）；

m—工件和工作台总质量（kg）;—导轨摩擦系数；

—包括齿轮和丝杠在内的传动系统总效率；

i—减速比（i>1）；g—重力加速度9.8（m/s2）。

第4节机床进给伺服系统设计1进给电机的选择（1）步进电机的选择第6章

数控机床的伺服系统第6章

数控机床的伺服系统

步进电机FmSi第6章

数控机床的伺服系统数控机床进给系统的伺服电动机是根据负载条件来进行选择的。加在电动机轴上的负载有两种：负载转矩和负载惯量。负载转矩包括切削转矩和摩擦转矩。第6章

数控机床的伺服系统由于步进电机带负载启动时，其启动频率会进一步降低，所以应先计算电动机轴上的等效负载惯量JL：式中

J1、J2—齿轮转动惯量（kg·m2）;

J3—丝杠的转动惯量（kg·m2）。

启动频率

式中fqo—空载启动频率(Hz)；

M—启动频率下由矩频特性决定的电动机输出力矩（N·m）;

Jm—电动机转子转动惯量（kg·m2）。

第6章

数控机床的伺服系统

工作台驱动控制线路

工作台驱动控制线路0(r/min)n(r/min)fq0:空载启动频率M:启动频率下的输出力矩（见矩频特性曲线）第6章

数控机床的伺服系统以一个特定轴来进行讨论，需要将系统其它部件的转动惯量、所受力矩转换到特定轴上，进给系统总能量为E，计算其等效转动惯量将其转化到转速为特定轴上，设等效转动惯量为,特定轴能量为EK

第6章

数控机床的伺服系统

计算电动机输出的总力矩M

式中Ma—电动机启动加速力矩（N·m）;

n—电动机所需达到转速（r/min）;

t—电动机升速时间(s)。

工作台驱动控制线路

工作台驱动控制线路0(r/min)n(r/min)第6章

数控机床的伺服系统1）负载转矩计算负载转矩是由于驱动系统的摩擦力和切削反作用力所引起，可用下式表示：

式中Mz—加到电机轴上的负载转矩（N·m）；

F—把机械部件沿直线方向移动所需的力（N）；

L—电动机每转的机械位移量（m）；Mf—折算到电机轴上的滚珠丝杠、螺母、及轴承等部分的摩擦转矩（N·m）。所计算出的负载转矩应小于或等于电机额定转矩。

负载惯量计算（2）伺服电机的选择第6章

数控机床的伺服系统定位加速时的最大转矩计算定位加速时的最大转矩Mm（N﹒m），按下式计算：

式中nm—快速移动时的电机转速（r/min）；

ta—

加速、减速时间(s)；

Jm—电机惯量（kg﹒m2）；

JL—负载惯量（kg﹒m2）；

Mz—负载转矩（N﹒m）。第6章

数控机床的伺服系统2）进给电机惯量与负载惯量的匹配

因此必须使电机惯量与进给负载惯量之间有个合理的匹配。通常在电机惯量Jm与负载惯量JL（折算至电动机轴）或总惯量Jr之间，推荐下列匹配关系：

或

或

电动机转子惯量Jm，可以从产品样本中查到。

第6章

数控机床的伺服系统电机和负载转动惯量的匹配JlJmJlJlJmJmVXX第6章

数控机床的伺服系统第5节伺服系统的性能对加工精度的影响1跟随误差对加工精度的影响当恒速运动时，其运动速度与指令值相同，但是两者瞬时位置有一恒定滞后。因为指令是先发出的，运动是接到指令以后才产生的，所以位移总是滞后指令一段距离，图中1为指令位置曲线，2为实际位置曲线，实际位置总是滞后指令位置一个δV值，δV称之为跟随误差，