河南科技大学教案

河南科技大学教案首页课程名称数控技术及装备任课教师张丰收第四章进给伺服系统计划学时10教学目的和要求：通过本章的学习，使学生掌握数控机床伺服机构和位置检测装置的工作原理和选用方法。要求了解伺服系统的组成和分类，掌握步进电机及其驱动装置和常用数控机床的位置检测装置的工作原理。重点：伺服电机及其驱动；常用位置检测装置的工作原理。难点：数控机床常用伺服电机及其驱动和调速控制。思考题：4-1．试述进给他伺系统的组成以及各组成环节的作用和联系。4-2．简述闭环进给伺服系统的控制原理。4-3．简述步进电机的工作原理和使用特性。4-4．哪些因素影响开环进给伺服系统的精度，哪些措施可以提高系统的精度？4-5．试述位置检测装置的类型有哪些？常用的有哪些？第一节概述一.进给伺服系统的定义及组成1.定义：进给伺服系统(FeedServoSystem)——以移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统。2.组成：进给伺服系统主要由以下几个部分组成：位置控制单元；速度控制单元；驱动元件(电机)；检测与反馈单元；机械执行部件。二、NC机床对数控进给伺服系统的要求1.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。2.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，这是动态性能指标，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.负载特性要硬在系统负载范围内，当负载变化时，输出速度应基本不变。即△F尽可能小；当负载突变时，要求速度的恢复时间短且无振荡。即△t尽可能短；应有足够的过载能力。这是要求伺服系统有良好的静态与动态刚度。4.响应速度快且无超调这是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。通常要求从0→Fmax（Fmax→0），其时间应小于200ms，且不能有超调，否则对机械部件不利，有害于加工质量5.能可逆运行和频繁灵活启停。6.系统的可靠性高，维护使用方便，成本低。综上所述：⑴.对伺服系统的要求包括静态和动态特性两方面；⑵.对高精度的数控机床，对其动态性能的要求更严第二节进给伺服系统的位置检测装置一、概述组成：位置测量装置是由检测元件（传感器）和信号处理装置组成的。作用：实时测量执行部件的位移和速度信号，并变换成位置控制单元所要求的信号形式，将运动部件现实位置反馈到位置控制单元，以实施闭环控制。它是闭环、半闭环进给伺服系统的重要组成部分。闭环数控机床的加工精度在很大程度上是由位置检测装置的精度决定的，在设计数控机床进给伺服系统，尤其是高精度进给伺服系统时，必须精心选择位置检测装置。1.进给伺服系统对位置测量装置的要求⑴高可靠性和高抗干扰性：受温度、湿度的影响小，工作可靠，精度保持性好，抗干扰能力强；⑵能满足精度和速度的要求：位置检测装置分辨率应高于数控机床的分辨率（一个数量级）；位置检测装置最高允许的检测速度应数控机床的最高运行速度。⑶使用维护方便，适应机床工作环境；⑷成本低。3.位置检测装置的分类按输出信号的形式分类：数字式和模拟式按测量基点的类型分类：增量式和绝对式按位置检测元件的运动形式分类：回转型和直线型常用位置检测装置分类表二、感应同步器1.感应同步器的结构及分类①结构②.分类2.感应同步器的工作原理感应同步器是利用励磁绕组与感应绕组间发生相对位移时，由于电磁耦合的变化，感应绕组中的感应电压随位移的变化而变化，借以进行位移量的检测。感应同步器滑尺上的绕组是励磁绕组，定尺上的绕组是感应绕组。感应同步器的工作原理感应同步器的信号处理原理滑尺正旋绕组上加激磁电压Us后，与之相耦合的定尺绕组上的感应电压为：Uos=KUScosθ1滑尺余旋绕组上加激磁电压Uc后，与之相耦合的定尺绕组上的感应电压为：Uoc=KUccos（θ1+π/2）=－KUcsinθ1滑尺正、余旋绕组上同时加激磁电压Us、Uc时，感应同步器的磁路可是为线性的，根据叠加原理，则与之相耦合的定尺绕组上的总感应电压为：Uo=Uos+Uos=KUScosθ1－KUcsinθ1K—电磁感应系数θ1—定尺绕组上的感应电压的相位角滑尺与定尺相对位移量x的求取：∵2τ:2π=x:θ1∴x=τθ1／π结论：相对位移量x与相位角θ1呈线性关系，只要能测出相位角θ1，就可求得位移量x。根据滑尺正、余旋绕组上激磁电压Us、Uc供电方式的不同可构成不同检测系统——-鉴相型系统和鉴幅型系统3.鉴相型系统的工作原理在鉴相型系统中，激磁电压是频率、幅值相同，相位差为π/2的交变电压：US=UmsinωtUC=Umcosωt则：Uo=Uos+Uos=KUScosθ1－KUcsinθ1=KUmsinωtcosθ1－KUmcosωtsinθ1=KUmsin（ωt－θ1）结论：只要能测出Uo与US相位差θ1，就可求得滑尺与定尺相对位移量x。4.鉴幅型系统的工作原理在鉴幅型系统中，激磁电压是频率、相位相同，幅值不同的交变电压：US=Umsinθ2sinωtUC=Umcosθ2sinωtθ2=πx2／τ（x2是指令位移值）Uo=Uos+Uos=KUScosθ1－KUcsinθ1=KUmsinθ2cosθ1sinωt－KUmcosθ2sinωtsinθ1=KUmsin（θ2－θ1）sinωt结论：只要能测出Uo与UC相位差θ1，就可求得滑尺与定尺相对位移量x。5.几点说明⑴感应同步器的测量周期为其绕组的节距2τ（2mm）⑵感应同步器的测量精度取决于测量电路对输出感应电压的细分精度。⑶现在商品化的感应同步器的输出大多是脉冲量，使其能方便地采用现代的数字处理技术6.感应同步器的特点及使用注意事项特点⑴精度高：平均自补偿特性；⑵对环境的适应能力强：抗湿、温度、热变形影响的能力强；⑶维护简单、寿命长：非接触测量，无磨损，精度保持性好。⑷测量距离长：通过接长可满足大行程测量的要求。串联方式n10串并联方式n≥10使用注意事项在安装方面：1.保证安装精度（安装面的精度、定尺与滑尺的相对位2.置精度、接缝的调整精度）3.加装防护装置（避免切屑、油污、灰尘的影响）在电气方面：要保证激磁电压波形的对称性和保真性。对鉴相系统：激磁电压的幅值、频率相等；相位差900对鉴幅系统：对Umsinθ2、Umcosθ2调制的精确性当失真度大于2%时，将严重影响测量精度。三、脉冲编码器脉冲编码器又称码盘，是一种回转式数字测量元件，通常装在被检测轴上，随被测轴一起转动，可将被测轴的角位移转换为增量脉冲形式或绝对式的代码形式。根据内部结构和检测方式码盘可分为接触式、光电式和电磁式3种。其中，光电码盘在数控机床上应用较多，而由霍尔效应构成的电磁码盘则可用作速度检测元件。另外，它还可分为绝对式和增量式两种1.增量脉冲编码器结构及工作原理光电码盘随被测轴一起转动，在光源的照射下，透过光电码盘和光欄板形成忽明忽暗的光信号，光敏元件把此光信号转换成电信号，通过信号处理装置的整形、放大等处理后输出。输出的波形有六路：其中，是的取反信号输出信号的作用及其处理A、B两相的作用⑴根据脉冲的数目可得出被测轴的角位移；⑵根据脉冲的频率可得被测轴的转速；⑶根据A、B两相的相位超前滞后关系可判断被测轴旋转方向。⑷后续电路可利用A、B两相的90°相位差进行细分处理（四倍频电路实现）。Z相的作用1被测轴的周向定位基准信号；2被测轴的旋转圈数记数信号。的作用3后续电路可利用A、两相实现差分输入，以消除远距离传输的共模干扰。增量式码盘的规格及分辨率规格增量式码盘的规格是指码盘每转一圈发出的脉冲数；现在市场上提供的规格从36线/转到10万线/转都有；选择：①伺服系统要求的分辨率；②考虑机械传动系统的参数。分辨率（分辨角）α设增量式码盘的规格为n线/转：2.绝对式编码器结构和工作原理⑴码盘基片上有多圈码道，且每码道的刻线数相等；⑵对应每圈都有光电传感器；⑶输出信号的路数与码盘圈数成正比；⑷检测信号按某种规律编码输出，故可测得被测轴的周向绝对位置。3.光电编码器的特点⑴非接触测量，无接触磨损，码盘寿命长，精度保证性好；⑵允许测量转速高，精度较高；。⑶光电转换，抗干扰能力强；⑷体积小，便于安装，适合于机床运行环境；⑸结构复杂，价格高，光源寿命短；⑹码盘基片为玻璃，抗冲击和抗震动能力差。第三节进给伺服驱动系统一、概述1.进给伺服驱动系统由进给伺服系统中的驱动电机及其控制和驱动装置。2.驱动电机是进给系统的动力部件，它提供执行部分运动所需的动力，在数控机床上常用的电机有：①步进电机②直流伺服电机③交流伺服电机④直线电机。3.速度单元是上述驱动电机及其控制和驱动装置，通常驱动电机与速度控制单元是相互配套供应的，其性能参数都是进行了相互匹配，这样才能获得高性能的系统指标。4.速度控制单元主要作用：接受来自位置控制单元的速度指令信号，对其进行适当的调节运算(目的是稳速)，将其变换成电机转速的控制量(频率，电压等)，再经功率放大部件将其变换成电机的驱动电量，使驱动电机按要求运行。简言之：调节、变换、功放。5.进给驱动系统的特点（与主运动（主轴）系统比较）：①功率相对较小；②控制精度要求高；③控制性能要求高，尤其是动态性能二、步进电机及其驱动装置步进电机流行于70年代，该系统结构简单、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。因此，这类系统目前仍有相当的市场。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。三、直流伺服电机及驱动直流电机的工作原理是建立在电磁力定律基础上的，电磁力的大小正比于电机中的气隙磁场，直流电机的励磁绕组所建立的磁场是电机的主磁场，按对励磁绕组的励磁方式不同，直流电机可分为：他激式、并激式、串激式、复激式、永磁式。20世纪80~90年代中期，永磁式直流伺服电机在NC机床中广泛采用。直流伺服电机的特点：①过载倍数大，时间长；②具有大的转矩/惯量比，电机的加速大，响应快。③低速转矩大，惯量大，可与丝杆直接相联，省去了齿轮等传动机构。可提高了机床的加工精度。④调速范围大，与高性能的速度控制单元组成速度控制系统时，调速范围超过1∶2000。④带有高精度的检测元件(包括速度和转子位置检测元件)；⑤电机允许温度可达150°～180℃，由于转子温度高，它可通过轴传到机械上去，这会影响机床的精度⑥由于转子惯性较大，因此电源装置的容量以及机械传动件等的刚度都需相应增加。⑦电刷、维护不便四、交流伺服电机及驱动由于直流伺服电机具有优良的调速性能，80年代初至90年代中，在要求调速性能较高的场合，直流伺服电机调速系统的应用一直占据主导地位。但其却存在一些固有的缺点，即：⑴电刷和换向器易磨损，维护麻烦⑵结构复杂，制造困难，成本高而交流伺服电机则没有上述缺点。特别是在同样体积下，交流伺服电机的输出功率比直流电机提高10%～70%，且可达到的转速比直流电机高。因此，人们一直在寻求交流电机调速方案来取代直流电机调速的方案。1.分类2.交流伺服电机的速度控制单元交流伺服电机转速n调速的理论基础结论：交流伺服电机变频调速的关键是要获得可调频调压的交流电源调频调压电源的分类电压型变频器方案示意图电压型变频器工作原理结论：变频器实现变频调压的关键是逆变器控制端获得要求的控制波形（如SPWM波）。控制波形的实现方式（电机调速的控制方式）：⑴相位控制；⑵矢量变换控制；⑶PWM控制；⑷磁场控制；第四节典型进给伺服系统(位置控制)一、开环进给伺服系统(Open-LoopSystem)不带位置测量反馈装置的系统；驱动电机只能用步进电机；主要用于经济型数控或普通机床的数控化改造1.步进电机开环系统设计步进电机开环系统设计要解决的主要问题：①动力计算、②传动计算、③驱动电路设计或选择目的：传动计算选择合适的参数以满足脉冲当量和进给速度F的要求。图中：f—脉冲频率（HZ）α—步距角（度）Z1、Z2