第二讲数控机床的伺服系统

DD广东起重机第二讲数控机床的伺服系统在这一讲，我们一起学习数控机床对进给伺服系统的要求数控伺服驱动系统的分类步进电机驱动系统交流伺服系统一、伺服驱动概述伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。如果说CNC装置是数控系统的“大脑”，是发布“命令”的“指挥所”，那么进给伺服系统则是数控系统的“四肢”，是一种“执行机构”。它忠实地执行由CNC装置发来的运动命令，精确控制执行部件的运动方向，进给速度与位移量。伺服系统接收来自数控装置的进给脉冲，经变换和放大，再驱动数控机床各加工坐标轴运动。这些轴有的带动工作台，有的直接带动刀架，通过几个坐标轴的综合联动，使刀具相对于工件产生各种复杂的机械运动，从而加工出所要求的零件形状。1、伺服系统的组成数控机床伺服系统一般由位置检测装置、位置控制模块、伺服驱动装置、伺服电动机及机床进给传动链组成，（如图4.1所示。）图4.1闭环伺服系统组成闭环伺服系统的一般结构通常由位置环和速度环组成。速度环速度控制单元是一个独立的单元部件，它由伺服电动机、伺服驱动装置、测速装置及速度反馈组成；位置环由数控系统中的位置控制模块、位置检测装置及位置反馈组成。在伺服系统位置控制中，来自数控装置插补运算得到的位置指令，与位置检测装置反馈来的机床坐标轴的实际位置相比较，形成位置偏差，经变换为伺服装置提供控制电压，驱动工作台向误差减小的方向移动。在速度控制中，伺服驱动装置根据速度给定电压和速度检测装置反馈的实际转速对伺服电动机进行控制，以驱动机床进给传动部件。2、数控机床对进给伺服系统的要求数控机床进给伺服系统的性能在很大程度上决定了数控机床的效率及精度的高低。为此数控机床对进给伺服系统的位置控制、速度控制、以及伺服电动机、机械传动等方面都有很高的要求。具体来说有这样一些要求：1）可逆运行在加工过程中，机床工作台根据加工轨迹的要求，随时都可能实现正向或反向运动。从能量角度看，应该实现能量的可逆转换，即在加工运行时，电动机从电网吸收能量变为机械能；在制动时应把电动机的机械惯性能量变为电能回馈给电网，以实现快速制动。2）速度范围宽为适应不同的加工条件，数控机床要求进给能在很宽的范围内无级变化。这就要求伺服电动机有很宽的调速范围和优异的调速特性。对一般数控机床而言，进给速度范围在0～24m／min时，就可满足加工要求。3）具有足够的传动刚性和高的速度稳定性伺服系统在不同的负载情况下或切削条件发生变化时，也就是工件重量发生变化或加工时吃刀深度发生变化时，伺服系统应使刀具进给速度保持恒定。刚性良好的伺服系统系统，速度受负载力矩变化的影响很小。通常情况，数控机床要求承受的额定力矩变化时，静态速降(静态速降指的是伺服系统带负载运行时的转速和理想空载转速之差)应小于5％，动态速降(动态速降指伺服系统在承受突加负载时因电机轴力矩与承受的突加负载不相适应而造成的短时速度陡降超调现象)应小于10％。4）快速响应无超调数控机床在加工时，为了保证轮廓切削形状精度和提高零件表面光洁度，对位置伺服系统既要求有较高的定位精度，还要求有良好的快速响应特性。这就对伺服系统的动态性能提出两方面的要求：一方面，在伺服系统处于频繁地启动、制动、加速、减速等动态过程中，为了提高生产效率和保证加工质量，要求加速度、减速度足够大，以缩短过渡过程时间，一般电动机速度由零到最大，或从最大减少到零，过渡时间应控制在200ms以下，甚至少于几十毫秒，而且速度变化时不应有超调（超过给定速度值）；另一方面，当负载突变时，过渡过程恢复时间要短且无振荡，这样才能得到光滑的加工表面。5）高精度要满足数控加工精度的要求，关键是保证数控机床的定位精度和进给跟随精度。位置伺服系统的定位精度一般要求能达到1μm甚至0.1μm，相应地，对伺服系统的分辨力也提出了要求，什么是伺服系统的分辨力呢？就是当伺服系统接受数控装置送来的一个脉冲时，工作台相应移动的单位距离叫分辨力，也称脉冲当量。系统分辨力取决于伺服系统稳定工作性能和所使用的位置检测元件。目前的闭环伺服系统都能达到1μm的分辨力。高精度数控机床可达到0.1μm的分辨力甚至更小。6）低速大转矩数控机床的切削加工一般在工作台低速时进行，所以低速时进给驱动要有大的转矩输出，以满足低速进给切削的要求。二、伺服系统的分类1.按执行机构的控制方式分类1)开环伺服系统开环伺服系统没有检测反馈装置，数控装置发出的指令信号流程是单向的，其精度主要决定于驱动元件和伺服电机的性能，开环伺服系统所用的电动机主要是步进电动机。移动部件的速度与位移是由输入脉冲的频率和脉冲数决定的，位移精度主要决定于该系统各有关零部件的精度。按控制原理和有无检测反馈环分类：开环伺服系统闭环伺服系统半闭环伺服系统按使用的伺服电动机类型分类：直流伺服系统交流伺服系统开环控制的优点是：结构简单、系统稳定、容易调试、成本低廉等。但是系统对移动部件的误差没有补偿和校正，所以精度低，位置精度通常为±0.01～±0.02mm。一般适用于经济型数控机床。（图1.8所示为开环数控系统的示意图。)图1.8开环数控系统2)闭环控制系统闭环控制系统是指在机床的运动部件上安装位置测量装置，例如光栅、感应同步器和磁栅等位置测量装置，（如图1.9所示。）在加工中，位置测量装置将测量到的工作台实际位置反馈到数控装置中，与输入的指令位移相比较，用比较的差值控制移动部件，直到差值为零，即实现移动部件的最终精确定位。从理论上讲，闭环控制系统的控制精度主要取决于检测装置的精度，它完全可以消除由于传动部件制造中存在的误差给工件加工带来的影响，所以这种控制系统可以得到很高的加工精度。但是闭环控制系统的设计和调整都有较大的难度，它主要用于一些精度要求很高的镗铣床、超精车床和加工中心上。图1.9闭环控制系统3）半闭环控制系统半闭环控制系统是在伺服系统的丝杠上或进给电动机的轴上装有角位移检测装置(角位移检测装置有圆光栅、光电编码器及旋转式感应同步器等）。半闭环控制系统不是直接测量工作台位移量，而是通过检测丝杠转角间接地测量工作台位移量，然后反馈给数控装置，（如图1.10所示。）这种控制系统实际控制的是丝杠的传动，而丝杠的螺母副的传动误差无法测量，只能靠制造保证。因而半闭环控制系统的精度低于闭环系统。但由于角位移检测装置比直线位移检测装置结构简单、安装调试方便，因此配有精密滚珠丝杠和齿轮的半闭环系统正在被广泛地采用。目前已逐步将角位移检测装置和伺服电动机设计成一个部件，使系统变得更加简单，安装调试更加方便，目前，中档数控机床广泛采用半闭环控制系统。图1.10半闭环控制系统2.按使用的伺服电动机类型分类1)直流伺服系统直流伺服系统常用的直流伺服电动机有小惯量直流伺服电动机和永磁直流伺服电动机这两种。小惯量伺服电动机最大限度地减少了电枢的转动惯量，所以能获得最好的快速性。在早期的数控机床上应用较多，现在也有应用。小惯量伺服电动机一般都具有高的额定转速和低的转动惯量，所以应用时，要经过中间机械传动(如齿轮副)才能与丝杠相连接。永磁直流伺服电动机的转子惯量较大，能直接与丝杠相连而不需中间传动装置。此外，它还有一个特点是可在低速下运转，如能在1r／min甚至在0.1r／min下平稳地运转。因此，自20世纪70年代至80年代中期，它在数控机床应用上占统治地位。永磁直流伺服电动机的缺点是有电刷，限制了转速的提高，一般额定转速为1000～1500r／min，而且结构复杂，价格较贵。2)交流伺服系统交流伺服系统可以使用交流异步伺服电动机(一般用于主轴伺服电动机)或者永磁同步伺服电动机(一般用于进给伺服电动机)。由于直流伺服电动机存在着一些如上面所说的固有的缺点（比如，有电刷，限制了转速的提高，而且结构复杂，价格较贵。），使其应用环境受到限制。交流伺服电动机没有这些缺点，且转子惯量比直流电动机小，使得动态响应好。另外在同样体积下，交流电动机的输出功率可比直流电动机提高10％～70％；其容量也可以比直流电动机造得大，达到更高的电压和转速。因此，交流伺服系统得到了迅速发展，已经形成潮流。从20世纪80年代后期开始，大量使用交流伺服系统，目前，已基本取代了直流电动机。三、步进电动机驱动系统步进电动机是一种将电脉冲信号转换为机械角位移的机电执行元件,它同普通电动机一样，由转子、定子和定子绕组组成。当给步进电动机定子绕组输入一个电脉冲，转子就会转过一个相应的角度，并由传动丝杠带动工作台移动。由于步进电动机伺服系统是典型的开环控制系统，它没有任何反馈检测环节，其精度主要由步进电动机的步距角和与之相联系的丝杠等传动机构所决定。步进电动机的最高极限速度通常要比伺服电动机低，并且在低速时容易产生振动，影响加工精度，但是步进电动机开环伺服系统具有价格便宜，结构简单，调整容易，运行可靠，无累积误差等优点，所以在速度和精度要求不高的场合仍有广泛的使用价值。1.步进电动机的工作原理（图4.2a)为三相反应式步进电动机的结构图。它是由转子、定子及定子绕组所组成。定子上有六个均布的磁极，直径方向相对的两个极的线圈串联，构成电动机的一相控制绕组。（图4.2b)所示为反应式步进电动机工作原理示意图。定子、转子是用硅钢片等软磁材料制成的，定子上有A、B、C三对磁极，分别绕有A、B、C三相绕组。三对磁极在空间上相互错开120°。转子上有4个齿，它在定子磁场中被磁化，被磁化就会呈现磁极性。当定子A相绕组通电时，形成以A-A′为轴线的磁场，转子受磁场拉力作用而产生转矩，使转子的1、3两齿和定子的A-A’极对齐，（如图4.2b)所示；当A相断电、B相绕组通电时，以B-B′为轴线的磁场使转子的2、4两齿和定子的B-B′极对齐，转子将在空间逆时针转过30°角；当B相断电，C相绕组通电时，以C-C′为轴线的磁场，使转子的1、3齿和定子的C-C′极对齐，转子将在空间又逆时针转过30°角。如此循环按A→B→C→A的顺序通电，转子就会不断地按逆时针方向转动；反过来，如A→C→B→A的顺序通电，转子就会不断地按顺时针方向转动。因此，步进电将会不断旋转。从一相通电换到另一相通电，叫一拍；每一拍转子转动一步，每步转过角度叫步距角，用α表示。a)b)图4．2反应式步进电动机工作原理步进电机的通电方式有3种，现以三相步进电动机为例说明步进电动机的通电方式。1）三相单三拍通电方式通电顺序为A→B→C→A。“三相”即是三相步进电动机，每次只有一相绕组通电，而每一个循环只有三次通电，故称为三相单三拍运行。单三拍通电方式每次只有一相控制绕组通电吸引转子，容易使转子在平衡位置附近产生振荡，运行稳定性较差。另外，在切换时一相控制绕组断电而另一相控制绕组开始通电，容易造成失步，因而实际上很少采用这种通电方式。2）双三拍通电方式通电顺序为AB→BC→CA→AB。这种通电方式由两相同时通电，转子受到的感应力矩大，静态误差小，定位精度高。另外，转换时始终有一相的控制绕组通电，所以工作稳定，不易失步。3）三相六拍通电方式通电顺序为A→AB→B→BC→C→CA→A。这种通电方式是单、双相轮流通电。它具有双三拍的特点，且通电状态增加一倍，而使步距角减少一半。2.步进电动机的特点：1）步进电动机受脉冲的控制，其转子的角位移量和转速严格地与输入脉冲的数量和脉冲频率成正比，改变通电顺序可改变步进电动机的旋转方向；改变通电频率可改变电动机的转速。2）维持控制绕组的电流不变，电动机便停在某一位置上不动，即步进电动机有通电自锁能力，不需要机械制动。3）有一定的步距精度，没有累积误差。4）步进电动机的缺点是效率低，拖动负载的能力不大，脉冲当量(步距角)不能太大，调速范围不宽，最高输入脉冲频率一般不超过18kHz。3.步进电动机的驱动及控制步进电机的运行性能，不仅与步进电机本身和负载有关，而且与配套的驱动装置有着十分密切的关系。步进电动机驱动装置由环形脉冲分配器、功率放大驱动电路两大部分组成，如图4.5所示。其中，步进电动机驱动电路完成由弱电到强