数控机床原理第04章

第4章数控机床伺服系统4.1数控机床伺服系统概述4.2直流伺服系统4.3交流伺服系统4.4位置检测装置4.1数控机床伺服系统概述伺服系统是以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统，是一种位置随动系统。数控机床的伺服系统有两种，即进给伺服系统与主轴伺服系统。4.1.1伺服系统的组成双闭环系统，内环是速度环，外环是位置环。4.1.2数控机床对伺服系统的要求1．进给调速范围宽最高转速与最低转速之比。2．位置精度高保证数控机床的定位精度和进给跟踪精度。闭环伺服系统的分辨率可以达到1m，数控装置的分辨率可以达0.1m。3．速度响应快4．低速大转矩伺服驱动系统在低速进给时，要有大的输出转矩。4.1.3伺服系统的分类1．按有无反馈分类（1）开环伺服系统开环伺服系统无位置反馈装置，是数控机床中最简单的伺服系统。图4.2开环伺服系统（2）闭环伺服系统闭环伺服系统是误差控制随动系统。图4.3闭环伺服系统（3）半闭环伺服系统图4.4半闭环伺服系统2．按驱动装置类型分类（1）电液伺服系统（2）电气伺服系统3．按进给驱动和主轴驱动分类（1）进给伺服系统（2）主轴伺服系统4．按反馈比较控制方式分类（1）脉冲、数字比较伺服系统（2）相位比较伺服系统（3）幅值比较伺服系统（4）全数字伺服系统4.2直流伺服系统4.2.1直流伺服电机分类1．高速直流伺服电动机2．低速大扭矩宽调速电动机4.2.2永磁直流伺服电动机1．永磁直流伺服电机的结构与特点图4.8永磁式直流宽调速伺服电动机2．永磁直流伺服电机的选用（1）对直流伺服电机的要求（2）直流伺服电动机的选用4.2.3直流伺服系统主电路4.2.4晶闸管触发电路4.2.5直流电机晶闸管供电的速度控制系统4.2.6晶体管直流脉宽（PWM）调速系统4.3交流伺服系统4.3.1交流伺服电机固有缺点，如电刷和换向器易于磨损，需经常维护；换向时换向器会产生火花，直流电机结构复杂，制造困难，交流电机的输出功率可比直流电机提高10％～70％。此外，交流电机的容量可比直流电机做得大。1．交流伺服电机的分类和特点（1）异步交流伺服电机（IM）（2）同步交流伺服电机（SM）2．永磁式交流伺服电机（1）结构永磁式交流伺服电机由定子、转子和检测元件三部分组成。如图4.26、图4.27所示。图4.26永磁交流伺服电机横截面图4.27永磁交流伺服电机纵剖面（2）工作原理（3）永磁式伺服电机的性能①永磁式伺服电机的性能可用转矩—速度特性曲线描述。②高可靠性。③主要损耗在定子绕组与铁心上，故散热容易，便于安装时采取热保护措施；而直流电机损耗主要在转子上，散热困难。④转子惯量小，其结构允许高速工作。⑤体积小、质量轻。4.3.2交流永磁电机调速系统1．交流电机的一般调速方法2．交流变频调速系统3．交流永磁同步电机调速系统4.3.3交流主轴驱动系统1．交流主轴电机2．几种新型主轴电机3．交流主轴电机的控制方法4．主轴准停控制4.4位置检测装置4.4.1数控机床对检测元件的要求与检测元件的分类主要要求是：①寿命长，可靠性高，抗干扰能力强；②满足精度和速度要求；③使用维护方便，适合机床运行环境；④成本低；⑤便于与计算机联接。表4.1位置检测元件分类增量式绝对式回转型脉冲编码器、旋转变压器、圆感应同步器、圆光栅多速旋转变压器、绝对脉冲编码器、三速圆感应同步器直线型直线感应同步器、计量光栅、磁尺激光干涉仪三速感应同步器、绝对值式磁尺常用位置检测元件主要有脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器和光栅。4.4.2旋转变压器1．旋转变压器的工作原理2．旋转变压器的工作方式4.4.3脉冲编码器脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器。1．脉冲编码器的工作原理图4.45光电盘工作原理示意图2．脉冲编码器结构3．绝对值脉冲编码器通过读取编码盘上的图案确定轴的位置。图4.48光电绝对值编码器4.4.4光栅（1）直线光栅（即长光栅）①玻璃透射光栅。②金属反射光栅。（2）圆光栅（3）计量光栅的精度表4.5各种光栅的精度计量光栅光栅长度mm线纹数精度玻璃透射光栅500100/mm5m玻璃透射光栅1000100/mm10m金属反射光栅50025/mm7m金属反射光栅122040/mm13m高精度反射光栅100050/mm7.5m直线式玻璃衍射光栅300250/mm1.5m回转式玻璃圆光栅Ø27010800/周3＂2．工作原理（a）结构图（b）输出波形图4.51透射直线式光栅原理图3．光栅检测装置（1）光栅读数头（2）辨向方法4.4.5感应同步器是一种电磁式位置检测元件。一般可分为直线式和旋转式两种。1．感应同步器结构图4.58直线感应同步器