第五章 数控机床的伺服驱动系统

数控机床的伺服驱动系统第五章数控机床的伺服驱动系统5.1概述5.2位置控制5.3主轴定向控制5.4伺服系统性能及参数5.5全数字式伺服系统5.6经济型数控系统5.7标准型数控系统5.8典型FANUC数控系统介绍数控机床的伺服驱动系统5.1概述伺服(Servo)，本意为“服从”的含义。数控机床伺服系统（ServoSystem）通常是指进给伺服系统，它是数控系统和机床机械传动部件间的联接环节，是数控机床的重要组成部分，包含机械传动、电气驱动、检测、自动控制方面的内容，涉及强电与弱电控制。进给伺服系统是以机床移动部件位置为控制量的自动控制系统，它根据数控系统插补运算生成的位置指令，精确地变换为机床移动部件的位移，直接反映了机床坐标轴跟踪运动指令和实际定位的性能。数控机床的伺服驱动系统5.1.1伺服系统的组成伺服系统完成机床移动部件（如工作台；主轴或刀具进给等）的位置和速度控制。它接收计算机的插补命令，将插补脉冲转换为机械位移。伺服系统的性能直接影响数控机床的精度和工作台的速度等技术指标。数控机床的伺服驱动系统（1）高精度由于数控机床的动作是由伺服电动机直接驱动的，为了保证移动部件的定位精度，对进给伺服系统要求定位准确。一般要求定位精度达到0.01～0.001mm；高档设备的定位精度要求达到0.1µm以上。速度控制要求在负载变化时有较强的抗扰动能力，以保证速度恒定。这样才能在轮廓加工中保证有较好的加工精度。5.1.2数控机床对伺服系统的要求数控机床的伺服驱动系统（2）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，同时要求在方向变化时，不应有反向间隙和运动的损失。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。数控机床的伺服驱动系统（3）响应快速为了提高生产率，保证加工精度要求伺服系统有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应要快。这就对伺服系统的动态性能提出了两方面的要求：一方面，在伺服系统处于频繁地起动、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、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，时间应控制在200毫秒以下，甚至少于几十毫秒，且速度变化不应有超调；另一方面，当负载突变时，过渡过程恢复时间要短且无振荡，这样才能达到光滑的加工表面。数控机床的伺服驱动系统（4）调速范围宽目前数控机床一般要求进给伺服系统的调速范围是0～30m/min，有的已达到240m/min。除去滚珠丝杠和降速齿轮的降速作用。伺服电动机要有更宽的调速范围。对于主轴电动机，因使用无级调速，要求有（1:100）～（1:1000）范围内的恒转矩调速以及1:10以上的恒功率调速。（5）低速大转矩机床在低速切削时，切深和进给都较大，要求主轴电动机输出转矩较大。现代的数控机床，通常是伺服电动机与丝杠直联，没有降速齿轮，这就要求进给电动机能输出较大的转矩。对于数控机床进给伺服系统主要是速度和位置控制。数控机床的伺服驱动系统（6）较强的过载能力由于电动机加减速时要求有很快的响应速度，而使电动机可能在过载的条件下工作，这就要求电动机有较强的抗过载能力。通常要求在数分钟内过载4～6倍而不损坏。（7）惯性匹配移动部件加速和降速时都有较大的惯量，由于要求系统的快速响应性能好，因而电动机的惯量要与移动部件的惯量匹配。通常要求电动机的惯量不小于移动部件惯量。数控机床的伺服驱动系统5.2位置控制位置控制是进给伺服系统的重要组成部分，是保证进给位置精度的重要环节。位置控制按其结构可分为开环和闭环控制。开环伺服系统位置控制比较简单，根据进给系统的需要由CNC装置发送所需要的脉冲指令便实现了位置控制。对闭环或半闭环伺服系统，位置控制回路由位置控制、速度控制和位置检测三部分组成，如图5-1所示。位置变换/速度电动机速度调节器速度传感器位置传感器位置检测速度控制位置控制位置比较器实际位置实际速度速度比较器位置变换/速度位置指令PCPf△P△UPUPUP图5-1位置控制回路组成*+－－＋数控机床的伺服驱动系统5.2.1位置比较实现的方式位置控制的作用是将CNC装置插补出的瞬时位置指令值PC和检测出的位置Pf在位置比较器中进行比较，产生位置偏差ΔP，在把ΔP转为瞬时速度指令电压UP。输入位置比较器中的位置指令有两类方式——脉冲列和数值指令。数控机床的伺服驱动系统一、脉冲比较伺服系统在进给伺服系统中，脉冲比较伺服系统应用比较普遍。这是因为该系统结构较为简单，易于实现数字化的闭环位置控制。脉冲比较伺服系统的检测元件可以是光电脉冲编码器或光栅。但普遍采用光电编码器作为位置检测元件，以半闭环形式构成伺服系统。脉冲比较伺服系统是将位置指令脉冲与检测元件反馈脉冲在比较器进行比较，得到位置偏差脉冲信号。伺服系统根据这一偏差信号去驱动电动机，原理框图如图5-2所示。数控机床的伺服驱动系统1.脉冲比较伺服系统组成图5-2是以光电编码器为位置检测元件的脉冲比较伺服系统。它主要由下列部分组成：指令脉冲比较环节反馈脉冲脉冲处理位置检测光栅或光电编码器Pci△Pi图5-2脉冲比较伺服系统结构框图D/A转换器伺服放大器△Pi伺服电动机工作台Pf数控机床的伺服驱动系统(1)由计算机数控制装置提供指令的脉冲。(2)反映机床工作台实际位置的位置检测器。(3)完成指令信号与反馈信号相比较的比较器。(4)将比较器输出数字信号转变成伺服电动机模拟控制信号的数/模转换器。(5)执行元件（伺服电动机）。数控机床的伺服驱动系统2.脉冲比较伺服系统的工作原理当数控系统要求工作台向一个方向进给时，经插补运算得到一系列进给脉冲作为指令脉冲，其数量代表了工作台的指令进给量，频率代表了工作台的进给速度，方向代表了工作台的进给方向。以增量式光电编码器为例，当光电编码器与伺服电动机及滚珠丝杠直联时，随着伺服电动机的转动，产生序列脉冲输出，脉冲的频率将随着转速的快慢而升降。现设工作台处于静止状态。数控机床的伺服驱动系统（1）指令脉冲PC=0，这时反馈脉冲Pf=0，则Pe=0，则伺服电动机的速度给定为零，工作台继续保持静止不动。（2）现有正向指令PC+=2，可逆计数器加2，在工作台尚未移动之前，反馈脉冲Pf+=0，可逆计数器输出Pe=Pc+－Pf+=2－0=2，经转换，速度指令为正，伺服电动机正转，工作台正向进给。（3）工作台正向运动，即有反馈脉冲Pf+产生，当Pf+＝１时，可逆计数器减１，此时Pe=Pc+－Pf+=2－1＞0，伺服电动机仍正转，工作台继续正向进给。（4）当Pf+=2时，Pe=Pc+－Pf+=2－2=0，则速度指令为零，伺服电动机停转，工作台停止在位置指令所要求的位置。数控机床的伺服驱动系统当指令脉冲为反向PC-时，控制过程与正向时相同，只是Pe＜0，工作台反向进给。脉冲分离电路的作用是：在加、减脉冲先后分别到来时，各自按预定的要求经加法计数端或减法计数端进入可逆计数器。若加、减脉冲同时到来时，则由该电路保证先作加法计数，然后再作减法计数，这样可保证两路计数脉冲均不会丢失。当采用绝对式编码器时，通常情况下，先将位置检测的代码反馈信号经数码－数字转换，变成数字脉冲信号，再进行脉冲比较。数控机床的伺服驱动系统3.脉冲比较器(1)脉冲比较器概述脉冲比较伺服系统是将PC的脉冲符号与Pf的脉冲符号相比较，得到脉冲偏差信号Pe。比较器为由加减可逆计数器组成的数字脉冲比较器，其组成框图如图5-3所示。Pf+脉冲分离电路可逆计数器PePf-Pc+Pc-图5-3脉冲比较器框图数控机床的伺服驱动系统PC+、PC-和Pf+、Pf-的加、减定义见表5-1。位置指令含义运算位置反馈含义可逆计数器运算PC+正向运动指令+Pf+正向位置反馈－PC-反向运动指令－Pf-反向位置反馈＋表5-1PC、Pf的定义数控机床的伺服驱动系统≥1≥1≥1≥1≥1A2A1A3A4A5A6A7A8A9A13A12A11A10RRCCPf-Pc+Pf+Pc-DDDDDCPCPCPCPCPCPQQQQQQBBARDRDAQ0Q7+Vcc+Vcc+Vcc+Vcc加减可逆计数器图5-4脉冲比较器SOUTSS数控机床的伺服驱动系统在脉冲比较伺服系统中，只有实现指令脉冲PC和反馈脉冲Pf的比较后，才能得出位置的偏差值△Pi，所以系统需要脉冲比较器。图5-4为一脉冲比较器，其工作原理是、4、5、8、9为或非门；2、3、6、7为触发器；12为8位移位寄存器；10、11为单稳态触发器；13为可逆计数器。当PC与Pf不同时输出时，在和5中同一时刻只有一路有脉冲输出，9输出始终是低电平。如此时工作台要做正向进给，正向指令脉冲Pc+出现，该脉冲经、2、3、4输出，使可逆计数器13做加法计数。1AAAAAAAAAAAAAA1AAAAA数控机床的伺服驱动系统可逆计数器的内容由0变为正数，其输出经/转换和放大后，使伺服电动机带动工作台正向移动。工作台移动后，位置检测元件测得代表工作台位置的正向反脉冲Pf+，该脉冲经5、6、7、8输出，使可逆计数器13做减法计数。此时，可逆计数器的内容就是Pc+和Pf+的偏差值Pe。当可逆计数器的内容变为0时，说明偏差值Pe=0，即工作台的实际位置等于指令要求的位移，进给过程结束。反向进给时，反向指令脉冲PC-使可逆计数器做减法计数，反向反馈脉冲Pf-使可逆计数器做加法计数，其他过程和正向进给相同。AAAAA数控机床的伺服驱动系统但也有可能出现指令脉冲和反馈脉冲同时输入的情况。如出现这种情况，为防止可逆计数器内部操作因脉冲的“竞争”而产生误操作，影响脉冲比较的可靠性，在指令脉冲和反馈脉冲进入可逆计数器之前，要进行脉冲分离。如脉冲比较器输入端同时出现指令脉冲和反馈脉冲，则、5的输出同时为0，使9输出为1，单稳态触发器10、11有脉冲输出。10输出的负脉冲同时封锁3和7，使指令脉冲和反馈脉冲不能通过3和7而进入可逆计数器。1AAAAAAAAAA数控机床的伺服驱动系统11的正脉冲输出分成两路，先经4输出到可逆计数器做加法计数，再经12延时四个时针周期（由时钟脉冲PC产生）通过8输出到可逆计数器做减法计数。由于脉冲比较器具有脉冲分离功能，所以在指令脉冲和反馈脉冲不同时出现时，脉冲比较器进行正常的脉冲信号比较。即使指令脉冲和反馈脉冲同时出现，也由硬件逻辑电路保证，先做加法计数，后做减法计数，保证了两路的脉冲不会丢失。AAAA数控机床的伺服驱动系统5.1.2相位比较伺服系统一、相位比较伺服系统组成相位比较伺服系统的检测元件可以是旋转变压器、感应同步器或磁栅等。其特点是将位置指令脉冲和反馈脉冲都变成某个载波脉冲的相位，在鉴相器中进行相位比较，得到实际相位与给定位置相位的相位差Δ。原理框图如图5-5所示。它主要由以下部分组成。数控机床的伺服驱动系统f0放大整形滤波励磁电路脉冲一相位变换器鉴相器基准脉冲发生器基准相位脉冲Pθ0指令相位脉冲PθCfc+fc-sincosud图5-5相位比较控制原理框图△θ实际相位脉冲Pθf数控机床的伺服驱动系统（1）能输出一系列具有一定频率的脉冲信号，为伺服系统提供一个相位比较基准的基准信号发生器。（2）将来自计算机数控装置的进给脉冲转变为相位变化信号的脉冲调相器。（3）检测工作台位移的位置检测元件（感应同步器）。（4）将控制信号与反馈信号进行比较，输出与相位差成正比电压信号的鉴相器。（5）将鉴相器输出的电压信号进行功率和电压放大的伺服放大器。数控机床的伺服驱动系统（6）实现电信号到机械位移转换的执行元件。根据感应同步器工作在相位工作方式时有其中，。相位比较的实质不是脉冲数量上的比较，而是脉冲相位之间的比较，如超前或滞后多少。实现相位比较的比较器为鉴相器。由于旋转变压器，感应同步器和磁栅等检测信号为电压模拟信号，同时这些装置还有励磁信号，故相位比较首先要解决信号处理问题，即怎样形成指令相位脉冲和实际相位脉冲。sin()sin(2/)dmmukUtkUtX