第8章-机械伺服系统设计.

2020/2/27第8章机械伺服系统设计2020/2/278.1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。它接受来自数控装置的进给指令信号，经变换、调节和放大后驱动执行件，转化为直线或旋转运动。伺服系统是数控装置(计算机)和机床的联系环节，是数控机床的重要组成部分。数控机床伺服系统又称为位置随动系统、驱动系统、伺服机构或伺服单元。该系统包括了大量的电力电子器件，结构复杂，综合性强。2020/2/278.1概述进给伺服系统是数控系统主要的子系统。如果说C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。一、伺服系统的分类分类名称特点按控制特点分点位控制点位控制系统是指控制点与点之间位置，而对运动轨迹没有严格规定，如精密定位工作台的定位。连续控制系统连续控制系统则是用控制装置连续控制两个轴或多个轴同时连续运动、实现平面或空间曲面内的精密定位按控制技术分开环伺服系统控制装置发出运动指令脉冲后，无法确定运动的预期目标是否达到要求。适用于对运动速度和定位精度要求不高的场合闭环伺服系统闭环伺服系统与开环系统相比，增加了检测装置，可以随时测出工作台的实际位移，并将测得值反馈到数学控制装置中与指令信号进行比较，用比较后的差值进行控制。闭环伺服系统按反馈和比较方式不同分为脉冲比较式、幅度比较式、相位比较式等。闭环伺服系统实质上是一个自动调节系统。检测装置的精度是影响闭环伺服系统精度的主要因素。二、伺服驱动装置常用的驱动装置有：步进电机—它用电脉冲控制，每输入一个脉冲，电机就移进一步，可以改变脉冲频率在很大范围内调节转速，可以点动，也可以连续动，可正转也可反转，停机时有自锁能力，它的步距角和转速不受电压波动和负载变化的影响，也不受环境影响，仅与脉冲频率有关。步距误差不累积，一般在15′以内。步进电机运行时会出现超调或振荡，要注意低频时振动对工作台运动的影响，突然起动时有滞后。直流电机—运动平稳，改变驱动电压可以改变转速，也能换向，控制方便，驱动平稳，噪声小，但不能自锁，控制精度不如步进电机。同步电机—同步电机一般用于同步控制的场合。压电陶瓷驱动器—压电陶瓷驱动是近年来应用越来越广泛的驱动器。它分辨力高，可达纳米级，控制简单，但驱动范围较小。此外该驱动无摩擦、不发热，但有滞后和漂移现象。三、机械传动装置伺服系统中的机械传动装置有齿轮传动、蜗轮蜗杆传动、丝杠传动、弹性传动、摩擦传动等。传动装置的作用是传递转速和转矩，要求能使工作台灵敏、准确、稳定地跟踪指令，实现精确移动。（1）机械传动装置的选择选择机械传动装置的主要依据是工作台的定位分辨力和定位精度。将步进电动机与齿轮传动、蜗轮蜗杆传动或丝杠传动相结合，可以达到微米甚至亚微米级的分辨力，当要求位移传动分辨力更高时由于这几种传动具有摩擦，有间隙和空程及爬行，很难达到要求。当要求分辨力达到0.1～0.01μm量级时可采用摩擦传动和弹性传动；而当要求纳米级的位移分辨力时，常采用压电陶瓷驱动与弹性传动相结合。如压电陶瓷驱动与柔性铰链传动相组合等。（2）机械传动装置的减速比在伺服控制系统中，要求输入指令驱使工作台从某一速度变到另一速度时，电动机应能提供最大加速度，即要求工作台迅速响应指令。因此设计时应尽量使加速度达到最大值，即存在最佳转速比。电动机轴上的转动惯量为I，电动机最大转矩为Mm，则由加速度公式，求得最佳转速比为（8-1）最大角加速度为（8-2）mMImLMiII22mmMLMII（3）机械传动装置的动力设计动力系统要能提供足够的力矩和功率，以使工作台能跟随指令运动。则需满足动力平衡方程（8-3）式中，Mj为电动机轴加速力矩；Mf为摩擦力矩；ML为载荷力矩。mjfLMMMM≥（4）刚度计算由于机械传动装置中存在着摩擦和各个零部件都会有一定柔性，因而在输入指令开始驱动工作台时，由于传动环节的弹性变形，将导致工作台不能立即跟随指令移动，从而造成一定的失动量，影响定位精度。而当工作台低速运行时，由于传动环节的摩擦及刚度和导轨的摩擦又会造成爬行而使运动不均匀，同时刚度还影响固有频率。2020/2/278.1.1伺服系统的组成组成：伺服电机驱动信号控制转换电路电子电力驱动放大模块位置调节单元速度调节单元电流调节单元检测装置一般闭环系统为三环结构：位置环、速度环、电流环。2020/2/278.1.1伺服系统的组成位置调解速度调解电流调解转换驱动工作台电流反馈速度反馈位置反馈MG位置、速度和电流环均由：调节控制模块、检测和反馈部分组成。电力电子驱动装置由驱动信号产生电路和功率放大器组成。严格来说：位置控制包括位置、速度和电流控制；速度控制包括速度和电流控制。2020/2/271．精度高伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确程度。包括定位精度和轮廓加工精度。2．稳定性好稳定是指系统在给定输入或外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态。直接影响数控加工的精度和表面粗糙度。3．快速响应快速响应是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统的跟踪精度。4．调速范围宽调速范围是指生产机械要求电机能提供的最高转速和最低转速之比。0～24m/min。5．低速大转矩进给坐标的伺服控制属于恒转矩控制，在整个速度范围内都要保持这个转矩；主轴坐标的伺服控制在低速时为恒转矩控制，能提供较大转矩。在高速时为恒功率控制，具有足够大的输出功率。8.1.2对伺服系统的基本要求2020/2/27对伺服电机的要求：（1）调运范围宽且有良好的稳定性，低速时的速度平稳性（2）电机应具有大的、较长时间的过载能力，以满足低速大转矩的要求。（3）反应速度快，电机必须具有较小的转动惯量、较大的转矩、尽可能小的机电时间常数和很大的加速度(400rad/s2以上)。（4）能承受频繁的起动、制动和正反转。8.1.2对伺服系统的基本要求2020/2/271．按调节理论分类（1）开环伺服系统（2）闭环伺服系统（3）半闭环伺服系统8.1.2伺服系统的分类指令驱动电路步进电机工作台脉冲伺服电机速度检测速度控制位置控制位置检测伺服电机速度控制位置控制工作台脉冲编码器指令2020/2/278.1.2伺服系统的分类开环数控系统没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置→进给系统），故系统稳定性好。电机机械执行部件A相、B相C相、…f、nCNC插补指令脉冲频率f脉冲个数n换算脉冲环形分配变换功率放大2020/2/278.1.2伺服系统的分类无位置反馈，精度相对闭环系统来讲不高，其精度主要取决于伺服驱动系统和机械传动机构的性能和精度。一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。这类系统具有结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉等优点，在精度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合得到广泛应用。一般用于经济型数控机床。2020/2/278.1.2伺服系统的分类半闭环数控系统半闭环数控系统的位置采样点如图所示，是从驱动装置(常用伺服电机)或丝杠引出，采样旋转角度进行检测，不是直接检测运动部件的实际位置。位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元++--电机机械执行部件CNC插补指令实际位置反馈实际速度反馈2020/2/278.1.2伺服系统的分类半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，因此可获得稳定的控制性能，其系统的稳定性虽不如开环系统，但比闭环要好。由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难以消除。因此，其精度较闭环差，较开环好。但可对这类误差进行补偿，因而仍可获得满意的精度。半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度也较高，因而在现代CNC机床中得到了广泛应用。2020/2/278.1.2伺服系统的分类全闭环数控系统全闭环数控系统的位置采样点如图的虚线所示，直接对运动部件的实际位置进行检测。位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元++--电机机械执行部件CNC插补指令实际位置反馈实际速度反馈2020/2/278.1.2伺服系统的分类从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节的误差、间隙和失动量。具有很高的位置控制精度。由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的，故很容易造成系统的不稳定，使闭环系统的设计、安装和调试都相当困难。该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精磨床以及较大型的数控机床等。2020/2/272．按使用的执行元件分类（1）电液伺服系统电液脉冲马达和电液伺服马达。优点：在低速下可以得到很高的输出力矩，刚性好，时间常数小、反应快和速度平稳。缺点：液压系统需要供油系统，体积大。噪声、漏油。（2）电气伺服系统伺服电机（步进电机、直流电机和交流电机）优点：操作维护方便，可靠性高。1）直流伺服系统进给运动系统采用大惯量宽调速永磁直流伺服电机和中小惯量直流伺服电机；主运动系统采用他激直流伺服电机。优点：调速性能好。缺点：有电刷，速度不高。2）交流伺服系统交流感应异步伺服电机（一般用于主轴伺服系统）和永磁同步伺服电机（一般用于进给伺服系统）。优点：结构简单、不需维护、适合于在恶劣环境下工作。动态响应好、转速高和容量大。8.1.2伺服系统的分类2020/2/273．按被控对象分类（1）进给伺服系统指一般概念的位置伺服系统，包括速度控制环和位置控制环。（2）主轴伺服系统只是一个速度控制系统。C轴控制功能。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8.1.2伺服系统的分类2020/2/278.2伺服电动机伺服电动机为数控伺服系统的重要组成部分，是速度和轨迹控制的执行元件。数控机床中常用的伺服电机：直流伺服电机（调速性能良好）交流伺服电机（主要使用的电机）步进电机（适于轻载、负荷变动不大）直线电机（高速、高精度）2020/2/27常用的直流电动机有：永磁式直流电机（有槽、无槽、杯型、印刷绕组）励磁式直流电机混合式直流电机无刷直流电机直流力矩电机直流进给伺服系统：永磁式直流电机类型中的有槽电枢永磁直流电机（普通型）；直流主轴伺服系统：励磁式直流电机类型中的他激直流电机。8.2.1直流伺服电机及工作特性2020/2/271．直流伺服电机的结构极靴机壳瓦状永磁材料（定子）电枢（转子）换向极主磁极定子转子线圈图6.5永磁直流伺服电机的结构图6.6直流主轴电机结构示意图2020/2/27⑴静态特性电磁转矩由下式表示:（1）KT—转矩常数；Φ—磁场磁通；Ia—电枢电流；TM—电磁转矩。电枢回路的电压平衡方程式为:（2）Ua─电枢上的外加电压；Ra─电枢电阻；Ea─电枢反电势。电枢反电势与转速之间有以下关系：（3）Ke─电势常数；ω─电机转速（角速度）。根据以上各式可以求得：（4）2一般直流电机的工作特性aTMIKTaaaaERIUeaKEM2TeaeaTKKRKU2020/2/27当负载转矩为零时：理想空载转速（5）当转速为零时：启动转矩(6）当电机带动某一负载TL时电机转速与理想空载转速的差（7）2一般直流电机的工作特性ea0KUTgasKRUTL2TeaTKKRωO△ω直流电机的机械特性ω（n）ωOO△ωTSTTL2020/2/27⑵动态特性直流电机的动态力矩平衡方程式为（8）式中TM─电机电磁转矩；TL─折算到电机轴上的负载转矩；ω─电机转子角速度；J─电机转子上总转动惯量；t─时间自变量。2一般直流电机的工作特性dtdJTTLM2020/2/27(1)永磁直流伺服电机的性能特点1)低转速大惯量2)转矩大3)起动力矩大4)调速泛围大，低速运行平稳，力矩波动小(2)永磁直流伺服电机性能用特性曲线和数据表描述1)转矩-速度特性曲线（工作曲线）2)负载-工作周期曲线过载倍数Tmd，负载工作周期比d。3)数据表：N、T、时间常数、转动