第5章 机床数控技术

第5章数控机床的伺服系统第5章数控机床的伺服系统5.1伺服系统概述5.2伺服驱动电动机5.3位置检测装置思考与练习题第5章数控机床的伺服系统5.1伺服系统概述5.1.1闭环伺服系统是一个位置随动系统，由速度环和位置环构成。速度环常用测速发电机或高分辨率脉冲编码器作为检测元件，由速度控制单元，伺服电动机组成速度反馈环节。位置环由CNC中位置模块与速度控制单元、位检及反馈部分构成。第5章数控机床的伺服系统图5-1闭环伺服系统结构原理图第5章数控机床的伺服系统图5-1为闭环伺服系统结构原理图。安装在工作台上的位置检测元件把机械位移变成位置数字量，并由位置反馈电路送到微机内部，该位置反馈量与输入微机的指令位置进行比较，如果不一致，微机送出差值信号，经驱动电路将差值信号进行进给变换、放大，然后驱动电动机，由减速装置带动工作台移动。当比较后的差值信号为零时，电动机停止转动，此时，工作台移到指令所指定的位置。这就是数控机床的位置控制过程。第5章数控机床的伺服系统伺服系统结构原理图可以用框图来表示，如图5-2所示。图5-2伺服系统框图第5章数控机床的伺服系统由上述原理图及框图可知，闭环伺服系统主要由以下几个(1)微型计算机:它能接收输入的加工程序和反馈信号，经系统软件运行处理后，由输出口送出指令信号。(2)驱动电路:它用于接收微机发出的指令，并将输入信号转换成电压信号。经过功率放大后，驱动电动机旋转。转速的大小由指令控制。若要实现恒速控制功能，驱动电路应能接收速度反馈信号，将反馈信号与微机的输入信号进行比较,并将差值信号作为控制信号，使电动机保持恒速转动。第5章数控机床的伺服系统(3)执行元件:它可以是直流电动机、交流电动机，也可以是步进电动机。采用步进电动机通常是开环控制。(4)传动装置:它包括减速箱和滚珠丝杠等。(5)位置检测元件及反馈电路:位置检测元件有直线感应同步器、光栅和磁尺等。位置检测元件检测的位移信号由反馈电路转变成计算机能识别的反馈信号送入计算机。由计算机进行数据比较后送出差值信号。(6)测速发电机及反馈电路:测速发电机实际上是小型发电机，发电机两端的电压值和发电机的转速成正比，故可将转速的变化量转变成电压的变化量。第5章数控机床的伺服系统除微型计算机外，其余部分称为伺服驱动系统。伺服系统有多种分类方法，分别如下：(1）按驱动方式分,可分为液压伺服系统、气压伺服系统和电气伺服系统。(2）按执行元件类别分,可分为直流电动机伺服系统、交流电动机伺服驱动系统和步进电动机伺服系统。(3）按有无检测元件和反馈环节分,可分为开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统。(4）按输出被控制量性质分,可分为位置伺服系统和速度伺服系统。第5章数控机床的伺服系统数控机床的精度与其使用的伺服系统类型有关。步进电动机开环伺服系统的定位精度是0.01～0.005mm。对精度要求高的大型数控设备，通常采用交流或直流，闭环或半闭环伺服系统。对高精度系统必须采用高精度检测元件，如感应同步器、光电编码器或磁栅等。对传动机构也必须采取相应措施，如高精度滚珠丝杠等。0.001～0.003mm。第5章数控机床的伺服系统5.1.2对伺服系统的基本要求(1)进给调速范围要宽。调速范围rn是指机床要求伺服电动机提供的最高转速nmax和最低转速nmin之比，即rn=nmax／nmin。在各种数控机床中，由于加工用的刀具、被加工材料及零件加工要求的不同，为保证在任何情况下都能得到最佳切削条件，就要求进给驱动必须具有足够宽的调速范围。脉冲当量为1μm／P的情况下，最先进的数控机床的进给速度在0～240m／min范围内连续可调。但对于一般的数控机床，要求进给驱动系统在0～24m／min进给速度下工作就足够了。第5章数控机床的伺服系统(2)位置精度要高。使用数控机床主要是为了解决以下几个问题：①保证加工质量的稳定性、一致性，减少废品率。②解决复杂曲面零件的加工问题。③解决复杂零件的加工精度问题，缩短制造周期等。第5章数控机床的伺服系统为了满足这些要求，关键之一是保证数控机床的定位精度和加工精度。数控机床在加工时免除了操作者的人为误差。它是按预定的程序自动进行加工，不可能应付事先没有预料到的情况。也就是说，数控机床不能像普通机床那样，可随时用手动操作来调整和补偿各种因素对加工精度的影响。因此，要求定位精度和轮廓切削精度能达到数控机床要求的指标。为此，在位置控制中要求高的定位精度，如1μm甚至0.1μm。在速度控制中，要求具有很高的调速精度和很强的抗干扰能力，即要求工作稳定性要好。第5章数控机床的伺服系统(3)速度响应要快。为了保证轮廓切削形状精度和低的加工表面粗糙度，除了要求有较高的定位精度外，还要求有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应要快。一方面，要求过渡过程时间要短，一般在200ms以内，甚至小于几十毫秒;另一方面，要使过渡过程的前沿较陡，亦即上升斜率要大。第5章数控机床的伺服系统(4)低速大转矩。根据数控机床的加工特点，大都是在低速下进行重切削的，即在低速时进给驱动要有大的转矩输出。这种可使动力源尽量靠近机床的执行机构，使传动装置机械部分的结构简化，系统刚性增加，传动精度提高。为满足上述四点要求，进给伺服驱动系统对执行元件——伺服电动机也相应提出了很高的要求，即高精度、快反应、宽调速和大转矩等。具体的要求是：(1)电动机在最低进给速度到最高进给速度范围内都能平滑地运转,转矩波动要小，尤其在最低转速时，如0.1r／min或更低转速时，仍保持平稳的速度而无爬行现象。第5章数控机床的伺服系统(2)电动机应具有大的、较长时间的过载能力，以满足低速大转矩的要求。例如，电动机能在数分钟内过载4～6倍而不损坏。(3)为了满足快速响应的要求，即随着控制信号的变化，电动机应能在较短时间内完成必须的动作。反应速度的快慢直接影响系统性能的好坏。因此，要求电动机必须具有较小的转动惯量和较大的制动转矩以及尽可能小的机电时间常数和启动电压。电动机必须具有4000rad／s2以上的加速度，才能保证电动机在0.2s以内从静止启动到1500r／min。(4)电动机应能承受频繁的启动、制动和反转。第5章数控机床的伺服系统5.1.31．按调节理论分类1）开环伺服系统开环伺服系统(见图5-3)的驱动元件主要是功率步进电动机或电液脉冲马达。这两种驱动元件工作原理的实质是数字脉冲到角度位移的变换，它无位置反馈系统，不用位置检测元件实现定位，而是靠驱动装置本身转过的角度正比于指令脉冲的个数；运动速度由进给脉冲的频率决定。第5章数控机床的伺服系统图5-3开环伺服系统第5章数控机床的伺服系统2）闭环伺服系统闭环伺服系统是误差控制随动系统(见图5-4)。数控机床进给系统的误差是CNC输出的位移指令和机床工作台(或刀架)实际位移的差值。闭环系统运动执行能反映运动的位置，因此需要位置检测装置。该装置测出实际位移量或者实际所处位置并将测量值反馈给CNC装置，与指令进行比较求得误差，因此构成闭环位置控制。第5章数控机床的伺服系统图5-4闭环伺服系统第5章数控机床的伺服系统由于闭环伺服系统是反馈控制，反馈测量装置精度很高，所以系统传动链的误差、各元件的误差以及运动中造成的误差都可以得到补偿，从而大大提高了跟随精度和定位精度。目前闭环系统的分辨率多数为1μm，定位精度可达±0.01～±0.05mm；高精度系统分辨率可达0.1μm。系统精度只取决于测量装置的制造精度和安装精度。第5章数控机床的伺服系统3）半闭环伺服系统位置检测元件没直接安装在进给坐标的最终运动部件上(见图5-5),而是经过中间机械传动部件的位置转换，称为间接测量。亦即坐标运动的传动链有一部分在位置闭环以外，在环外的传动误差没有得到系统的补偿，因而伺服系统的精度低于闭环系统。第5章数控机床的伺服系统图5-5半闭环伺服系统第5章数控机床的伺服系统半闭环和闭环系统的控制结构是一致的，不同点只是闭环系统环内包括较多的机械传动部件，传动误差均可被补偿，理论上精度可以达到很高。但由于受机械变形、温度变化、振动以及其他因素的影响，系统稳定性难以调整。此外，机床运行一段时间后，由于机械传动部件的磨损、变形及其他因素的改变，容易使系统稳定性改变，精度发生变化。因此，目前较多使用半闭环系统。只在具备传动部件精密度高、性能稳定、使用过程温差变化不大的高精度数控机床上才使用全闭环伺服系统。第5章数控机床的伺服系统2．1）直流伺服系统直流伺服系统常用的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(也称为大惯量宽调速直流伺服电动机)。小惯量伺服电动机最大限度地减少了电枢的转动惯量，转速提高快。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设计成具有高的额定转速和低的惯量，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。第5章数控机床的伺服系统永磁直流伺服电动机能在较大过载转矩下长时间工作以及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以在低速下运转，如能在1r/min甚至在0.1r／min下平稳地运转。因此，这种直流伺服系统在数控机床上获得了广泛的应用,20世纪70年代至80年代中期，它在数控机床上的应用占据了绝对统治地位，至今，许多数控机床上仍使用这种电动机的直流伺服系统。永磁直流伺服电动机的缺点是其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。第5章数控机床的伺服系统2）交流伺服系统交流伺服系统使用交流异步伺服电动机(一般用于主轴伺服电动机)和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固有的缺点，使其应用环境受到限制。交流伺服电动机没有这些缺点，且转子惯量较直流电动机小，使得其动态响应快。另外,在同样的体积下，交流电动机的输出功率可比直流电动机提高10％～70％。还有交流电动机的容量可以比直流电动机的大，能够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，到今天，有些国家的厂家，已全部使用交流伺服系统。第5章数控机床的伺服系统3．按进给驱动和主轴驱动分类(1）进给伺服系统:是指一般概念的伺服系统，它包括速度控制环和位置控制环。进给伺服系统完成各坐标轴的进给运动，具有定位和轮廓跟踪功能，是数控机床中要求最高的伺服控制。(2）主轴伺服系统:严格地说，一般的主轴控制只是一个速度控制系统，主要实现主轴的旋转运动，提供切削过程中的转矩和功率，而且需保证任意转速的调节，来完成在转速范围内的无级变速。具有C轴控制的主轴与进给伺服系统一样，是一般概念的位置伺服控制系统。第5章数控机床的伺服系统4．按反馈比较控制方式分类(1）脉冲、数字比较伺服系统:该系统是闭环伺服系统中的一种控制方式。它是将数控装置发出的数字(或脉冲)指令信号与检测装置测得的以数字(或脉冲)形式表示的反馈信号直接进行比较，以产生位置误差，达到闭环控制。脉冲、数字比较伺服系统结构简单，容易实现，整机工作稳定，在一般数控伺服系统中应用十分普遍。第5章数控机床的伺服系统(2）相位比较伺服系统:在相位比较伺服系统中，位置检测装置采取相位工作方式，指令信号与反馈信号都变成某个载波的相位，然后通过两者相位的比较，获得实际位置与指令位置的偏差，实现闭环控制。相位伺服系统适用于感应式检测元件(如旋转变压器，感应同步器)的工作状态，可得到满意的精度。此外由于载波频率高，响应快，抗干扰性强，很适合于连续控制的伺服系统。第5章数控机床的伺服系统(3）幅值比较伺服系统:该系统是以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移的数值，并以此信号作为位置反馈信号，一般还要将此幅值信号转换成数字信号才与指令数字信号比较，从而获得位置偏差信号构成闭环控制系统。在以上三种伺服系统中，相位比较和幅值比较系统从结构上和安装维护上都比脉冲、数字比较系统复杂、要求高，所以一般情况下脉冲、数字比较伺服系统应用得最广泛，而相位比较系统要比幅值比较系统应用普遍。