第六章数控机床的伺服系统-

第六章数控机床的伺服系统●数控机床对进给伺服系统的要求●伺服系统的分类及主要特点●常用伺服驱动装置的特点●几种典型位置检测装置工作原理●闭环和半闭环进给伺服系统CNC装置:数控系统的“大脑”，发布“命令”的“指挥所”进给伺服系统:数控系统的“四肢”，一种“执行机构”。忠实地执行由CNC装置发来的运动命令，驱动刀具或工作台的完成进给运动,最终实现精确的速度与位移量。第六章数控机床的伺服系统第六章数控机床的伺服系统§6.1概述一、(进给)伺服系统的定义FeedServoSystem以机床移动部件（如工作台、主轴或刀架）的位置和速度作为控制量的自动控制系统，又称拖动系统或位置随动系统。二、伺服系统的作用接收数控装置发出的进给脉冲或进给位移量信息经信号转换和电压、功率放大变为伺服电机的转动(或移动)由伺服电机带动机械传动机构§6.1概述实现机床工作台相对于刀具的直线位移或回转位移。数控机床的伺服驱动数控机床的伺服驱动UmrichterSIMODRIVE611digitalmitCNCSINUMERIK840DE/R-ModulNCULeistungsteilBedientafelfrontmitPCU20/50/70Drehstrom-ServomotorenPeripherieSIMATICS7-300Drehstrom-Hauptspindelmotor§6.1概述三、数控机床对数控进给伺服系统的要求（1）输出位置精度要高静态：要求定位精度高/重复定位精度高，动态：要求跟随精度高，即跟随误差要小另外，要求灵敏度高，有足够高的分辩率。保证尺寸精度以保证轮廓精度(动态性能指标)即定位误差要小/重复定位误差要小。§6.1概述三、数控机床对数控进给伺服系统的要求（2）响应速度快且无超调：对伺服系统动态性能的要求反映了系统对插补指令的跟踪精度；为了保证轮廓切削形状精度和低表面粗糙度，要求响应速度快。通常要求从0→Fmax（Fmax→0),其时间应小200ms，且不能有超调或超调很小，否则对机械部件不利，有害于加工质量。tFtp即在无超调或超调很小的前提下，执行部件的运动速度的建立时间tp应尽可能短。§6.1概述三、数控机床对数控进给伺服系统的要求(3)良好的稳定性●在系统负载范围内，负载特性要硬当负载变化时，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；这要求伺服系统有良好的静态与动态刚度。tF△t△F伺服系统在给定输入和外界干扰下，能在短暂的调节过程后，恢复到原有的平衡状态或达到新的平衡状态，即有较强的抗干扰能力。稳定性是保证数控机床正常工作的条件，直接影响数控加工的精度和表面粗糙度。§6.1概述三、数控机床对数控进给伺服系统的要求（4）调速范围要宽调速范围：minmaxFFRN一般要求：minmin.minmm1Fmm1010000RN且§6.1概述(5)低速大扭矩：数控加工的特点是在低速时切削深度和进给量较大。(6)系统的可靠性高，维护使用方便，成本低。综上所述：对伺服系统的要求包括静态和动态特性两方面；对高精度的数控机床，对其动态性能的要求更严。三、数控机床对数控进给伺服系统的要求§6.1概述四、数控机床伺服系统的分类按用途和功能分为：进给驱动系统：主轴驱动系统；按控制原理和有无检测反馈环节分：开环伺服系统闭环伺服系统半闭环伺服系统按驱动执行元件的动作原理分：电液伺服系统电气伺服系统直流伺服系统交流伺服系统控制机床工作台或刀架的进给运动控制机床主轴的旋转运动，为机床主轴提供驱动功率和所需的切削力。§6.2开环伺服系统及步进电机一、开环进给伺服系统★开环系统是最简单的进给伺服系统，★系统的伺服驱动装置主要是步进电机、功率步进电机、电液脉冲马达等。步进电机Z1Z2tf，步进电机Z1Z2tf，1、无位置检测装置。2、系统的位移精度主要决定于1）.步进电机的角位移精度、2）.齿轮丝杠等传动元件的导程或节距精度3）.系统的摩擦阻尼特性。§6.2开环伺服系统及步进电机●开环进给伺服系统特点：3、系统的位移精度较低，其定位精度一般可达±0.02mm。如果采取螺距误差补偿和传动间隙补偿等措施，定位精度可提高到±0.01mm。此外，由于步进电机性能的限制，开环进给系统的进给速度也受到限制，在脉冲当量为0.01mm时，一般不超过5m/min。步进电机Z1Z2tf，4、系统的结构较简单，调试、维修、使用都很方便，工作可靠，成本低廉。§6.2开环伺服系统及步进电机●开环进给伺服系统特点：ABCAB逆时针旋转30°逆时针旋转30°B相通电逆时针旋转30°A相通电C相通电ABCABC1234C1234ABCABC1234二、步进电机及其工作原理§6.2开环伺服系统及步进电机按电磁吸引原理工作（以反应式步进电机为例）反应式步进电机的定子上有磁极，每个磁极上有激磁绕组，转子无绕组，有周向均布的齿，依靠磁极对齿的吸合工作。定子转子定子绕组二、步进电机及其工作原理（一）步进电机工作原理§6.2开环伺服系统及步进电机两个相对的磁极组成一相：共有三相定子绕组为简化分析，假设转子只有四个齿。AB定子转子IAIBIC定子绕组§6.2开环伺服系统及步进电机步进电机的工作方式(通电顺序)可分为：三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等。1）三相单三拍：通电顺序为：A相B相C相通电顺序也可以为：A相C相B相AB定子转子IAIBIC定子绕组§6.2开环伺服系统及步进电机B'A'CC'BA3412A相通电，形成定子磁极(AA'方向磁场),产生反应力矩，使转子1、3齿和AA'对齐B'A'CC'BABB'A'CC'AB相通电，转子2、4齿和B相轴线对齐CC相通电，转子1、3齿和C相轴线对齐ABC1324ABC1324A§6.2开环伺服系统及步进电机1）三相单三拍工作方式：§6.2开环伺服系统及步进电机三相单三拍的特点：（1）每来一个电脉冲，转子转过30。（2）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序。（3）每次定子绕组只有一相通电，在切换瞬间失去自锁转矩，容易产生失步；只有一相绕组产生力矩吸引转子，在平衡位置易产生振荡。§6.2开环伺服系统及步进电机ABCABB相通电CA相通电ABCABC1234C相通电ABCABCABCABBC相通电CABCABCA相通电CABCABAB相通电C123412341234123412342)三相六拍工作方式通电顺序为：AABBBCCCAA六拍。§6.2开环伺服系统及步进电机通电顺序A→AB→B→BC→C→CA→A…（逆时针）A→AC→C→BC→B→CA→A…（顺时针）每步转过15°，步距角是三相三拍工作方式的一半，特点：电机运转中始终有一相定子绕组通电，运转比较平稳。2)三相六拍工作方式§6.2开环伺服系统及步进电机3)双三拍工作方式定子绕组通电顺序为AB→BC→CA→AB…（转子逆时针旋转）AC→BC→CA→…（转子顺时针旋转）有两对磁极同时对转子的两对齿进行吸引，每步仍旋转30°。特点：始终有两相定子绕组通电，工作比较平稳。避免了单三拍通电方式的缺点§6.2开环伺服系统及步进电机实际上步进电机转子齿数很多，齿数越多，步距角越小为改善运行性能，定子磁极上的齿的齿距与转子的齿距相同，但各极的齿依次与转子的齿错开齿距的1／m（m电机相数）。每次定子绕组通电状态改变时，转子只转过齿距的1／m（如三相三拍）或1／2m（如三相六拍）达到新的平衡位置。§6.2开环伺服系统及步进电机转子40个齿，若通电为三相三拍，当转子齿与A相定子齿对齐时，转子齿与B相定子齿相差（3°），与C相定子齿相差（6°）。AACBSNSNCB绕组定子铁心转子铁心A相磁通A相各相定子9°3°6°顺时针方向转子齿展开B相C相AACBSNSNCB绕组定子铁心转子铁心A相磁通A相各相定子9°3°6°顺时针方向转子齿展开B相C相每给一个脉冲信号，电机转子转过角度的理论值。●步距角αmzk360m—定子相数；z—转子齿数；k—通电方式系数，m相m拍，k＝1；m相2m拍，k＝2。α一般很小，如：3°／1.5°，1.5°／0.75°，0.72°／0.36°等§6.2开环伺服系统及步进电机1．根据相数分类有三、四、五、六相等，相数越多，步距角越小，通电方式采用m相m拍、双m拍、m相2m拍，m相m拍和m相2m拍通电方式中，可采用一/二相、二／三相转换通电，如五相步进电机，五相十拍的二／三相转换方式：AB→ABC→BC→BCD→CD→CDE→DE→DEA→EA→EAB（二）步进电机的分类§6.2开环伺服系统及步进电机根据定子与转子间磁场建立方式，可分两类：反应式、永磁式（混合式）。反应式步进电机：定子有多相磁极，其上有励磁绕组，转子无绕组，用软磁材料制成，由被励磁的定子绕组产生反应力矩实现步进运行永磁反应式步进电机：定子结构与反应式相似，转子用永磁材料制成或有励磁绕组、由电磁力矩实现步进运行。2．根据产生力矩的原理分类§6.2开环伺服系统及步进电机可将步进电机分两类：伺服步进电机功率步进电机伺服步进电机（快速步进电机），输出力矩在几十～数百N·m，只能带动小负载，加上液压扭矩放大器可驱动工作台。功率步进电机输出力矩在5～50KN·m以上，能直接驱动工作台。3．根据输出力矩的大小分类§6.2开环伺服系统及步进电机ABC外壳C段绕组转轴空气隙C段定子C段转子ABC主磁通通路转子齿距铁心绕组定子磁极转子4．根据结构分类步进电机可制成轴向分相式（多段式）径向分相式（单段式）§6.2开环伺服系统及步进电机§6.2开环伺服系统及步进电机（三）步进电机的主要特性1．矩角特性、最大静态转矩Mjmax和启动转矩Mq静态：步进电机处于通电状态，转子处在不动状态。静态转矩Mj：在电机轴上施加一个负载转矩M，转子会在载荷方向上转过一个角度θ（失调角），转子因而受到一个电磁转矩Mj的作用与负载平衡。矩角特性：步进电机单相通电的静态转矩Mj随失调角θ的变化曲线。CBAOMjMjmaxMqaθ§6.2开环伺服系统及步进电机2．启动频率fq和启动时的惯频特性启动频率或突跳频率fq：空载时，步进电机由静止突然启动并进入不丢步的正常运行状态所允许的最高频率。高于启动频率，将不能正常起动。启动时的惯频特性：是指电机带动纯惯性负载时启动频率和负载转动惯量之间的关系。步进电机在带负载（尤其是惯性负载）下的启动频率比空载要低。§6.2开环伺服系统及步进电机3．运行矩频特性510154812141620T/(N?m)of/kHz连续运行频率：步进电机启动后，其运行速度能跟踪指令脉冲频率连续上升而不丢步的最高工作频率。其值远大于启动频率。运行矩频特性：是描述步进电机在连续运行时，输出转矩与连续运行频率之间的关系。§6.2开环伺服系统及步进电机4．加、减速特性步进电机的加减速特性描述步进电机由静止到工作频率和由工作频率到静止的加、减速过程中，定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系。当要求步进电机启动到大于启动频率的工作频率时，变化速度必须逐渐上升；从最高工作频率或高于启动频率的工作频率停止时，变化速度必须逐渐下降。逐渐上升和下降的加速、减速时间不能过小，否则会失步或超步。主要通过软件实现加减速控制。指数规律加减速控制适用跟踪响应要求较高的切削加工中；直线规律加减速控制适用速度变化范围较大的快速定位方式。（四）步进电机的驱动控制线路根据步进式伺服系统的工作原理，步进电机驱动控制线路的功能是，将具有一定频率f、一定数量和一定方向的进给脉冲转换成控制步进电机各相定子绕组通断电的电平信号。电平信号的变化频率、变化次数和通断电顺序要与进给指令脉冲的频率、数量和方向对应。一个较完善的步进电机的驱动控制线路组成：负向进给脉冲正向进给脉冲脉冲混合电路加减脉冲分配电路加减速电路环形分配器功率放大器进给脉冲加减至步进电机绕组§6.2开环伺服系统及步进电机负向进给脉冲正向进给脉冲脉冲混合电路加减脉冲分配电路加减速电路环形分配器功率放大器进给脉冲加减至步进电机绕组负向进给