第7章数控机床的伺服系统

第7章数控机床的伺服系统7.1概述7.2伺服系统的分类7.3数控机床伺服驱动装置7.4典型进给伺服系统（位置控制）7.1概述数控机床伺服系统是以机床移动部件的位置和速度为控制量的自动控制系统，又称随动系统、拖动系统或伺服机构。进给伺服系统是数控系统主要的子系统。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。7.1.1伺服系统的组成•伺服系统主要由以下几个部分组成：位置控制单元、速度控制单元、驱动元件(电机)、检测与反馈单元和机械执行部件。7.1.2伺服系统的基本要求（1）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。数控机床是按预定的程序自动进行加工的，不同于普通机床用手动操作来调整和补偿各种因素对加工精度的影响，故要求数控机床的实际位移与指令位移之差要小。（2）稳定性好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。7.1.2伺服系统的基本要求（3）快速响应并无超调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。这是对伺服系统动态性能的要求，即在无超调的前提下，执行部件的运动速度的建立时间tp应尽可能短。通常要求从0→Fmax(Fmax→0)，其时间应小于200ms，且不能有超调，否则对机械部件不利，有害于加工质量。tFtp7.1.2伺服系统的基本要求（4）调速范围宽调速范围是指最高进给速度和最低进给速度之比。一般要求：（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。minmaxFFRNminmin.minmm1Fmm1010000RN且7.1.2伺服系统的基本要求对伺服电机的要求:高精度、快反映、宽调速和大转矩（1）电机从最低进给速度到最高进给速度范围内都能平滑运转，转矩波动要小。（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）为了满足快速响应的要求，电机应能在较短时间内达到规定的速度。电机必须具有较小的转动惯量和大的堵转转矩，尽可能小的机电时间常数和起动电压。（4）电机应能承受频繁的起动、制动和反转。7.2伺服系统的分类开环控制系统、闭环控制系统、半闭环控制系统电液伺服系统、电气伺服系统直流伺服系统、交流伺服系统进给伺服系统、主轴伺服系统脉冲/数字比较伺服系统、相位比较伺服系统、幅值比较伺服系统、数字伺服系统7.2.1按调节理论分类按照调节理论分：开环伺服系统、闭环伺服系统、半闭环伺服系统。•开环最为简单。由于可能发生“失步”现象，造成进给运动的速度和行程误差。故该类控制方式，仅限于精度不高的经济型中、小数控机床的进给传动。•半闭环的检测装置，安装在伺服电动机或传动丝杆上，闭环则将其装在运动部件上。由于丝杆螺距误差以及受载后丝杆、轴承变形等影响，半闭环对检测结果的校正并不完全，控制精度比闭环要低一些。•闭环则用于精度要求较高的机床，如高精度镗铣加工中心7.2.2按使用的驱动元件分类（1）电液伺服系统•执行元件为液压元件，其前一级为电气元件。•驱动元件为液动机和液压缸，常用的有电液脉冲马达和电液伺服马达。•特点：电液伺服系统具有在低速下可以得到很高的输出力矩，以及刚性好，时间常数小、反映快和速度平稳等优点。然而，液压系统需要油箱、油管等供油系统，体积大。此外，还有噪声、漏油等问题。7.2.2按使用的驱动元件分类（2）电气伺服系统•电气伺服系统全部采用电子器件和电机部件，操作维护方便可靠性高.•电气伺服系统中的驱动元件主要有步进电机,直流伺服电机和交流伺服电机。•特点：没有液压系统中的噪声、污染和维修费用高等问题.但反应速度和低速力矩不如液压系统高性能大大提高，已经在更大范围取代液压伺服系统。7.2.3按使用的伺服电机分类（1）直流伺服系统•常用的伺服电机有小惯量直流伺服电机和永磁直流伺服电机（也称为大惯量宽调速直流伺服电机）。•小惯量伺服电机具有高的额定转速、低的惯量和良好的快速性。在应用时，要经过中间机械传动（如齿轮副）才能与丝杆相连接。•永磁直流伺服电机能在较大过载转矩下长时间工作以及电机的转子惯量较大，能直接与丝杆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。由于电刷的限制转速的不能提高很多，一般额定转速为1000～1500r/min，而且结构复杂，价格较贵。7.2.3按使用的伺服电机分类（2）交流伺服系统•可分为：交流伺服系统伺服电机和永磁同步伺服电机（一般用于进给伺服电机）。•交流伺服电机不受应用环境的限制，且转子惯量较直流电机小，使得动态响应好。•在同样体积下，交流电机的输出功率可比直流电机提高10%～70%。还有交流电机的容量可以比直流电机造得大，达到更高的电压和转速。7.2.4按用途和功能分类（1）进给伺服系统进给伺服系统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，且保证任意转速的调节，完成在转速范围内的无级变速。7.2.5按反馈比较控制方式分类(1)脉冲/数字比较伺服系统•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。(2)相位比较伺服系统•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，很适于连续控制的伺服系统。7.2.5按反馈比较控制方式分类(3)幅值比较伺服系统•幅值比较伺服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进行比较，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、数字比较系统复杂和要求高，所以一般情况下脉冲、数字比较伺服系统应用的广泛，而且相位比较系统又比幅值比较系统应用的多。(4)全数字伺服系统伺服系统采用高速、高精度的全数字伺服系统，使伺服控制技术从模拟方式、混合方式走向全数字方式。由位置、速度和电流构成的三环反馈全部数字化、软件处理数字PID，使用灵活，柔性好。Sendofalevelofvariabledurationandvoltage.CNC+-DriveTachoMotor7.2.5按反馈比较控制方式分类7.3数控机床伺服驱动装置•数控机床伺服驱动装置的作用：接收数控系统发出的进给指令信号，并将其转变为角位移或直线位移，从而驱动执行部件实现所要求的运动。•在数控机床中常用的伺服电机有：直流伺服电机、交流伺服电机、步进电机和直线电机等。7.3.1步进电机工作原理：步进电机是一种把脉冲信号转换成角位移的电气机械。电脉冲的数量代表了转子的角位移量，转子的转速与电脉冲的频率成正比，旋转方向取决于脉冲的顺序，转矩是由于磁阻作用所产生。步进电机用于与控制脉冲组成的开环系统中。7.3.1步进电机（1）步进电机的分类及结构•按作用原理分，步进电机有磁阻式(反应式)、感应子式和永磁式三大类。•按输出功率和使用场合分类，分为功率步进电机和控制步进电机。•按结构分类，分为径向式(单段式)、轴向式(多段式)和印刷绕组式步进电机。•按相数分类，分为三相、四相、五相、六相等。7.3.1步进电机•各种步进电机都是由定子和转子组成。•磁阻式步进电机(以三相反应式为例)结构如图所示。7.3.1步进电机•感应子式步进电机分为励磁式和永磁式两种。感应子式步进电机的结构与磁阻式步进电机的结构相似。其定子转子铁心的磁场和齿槽均一样，两者的差别是感应子式步进电机存在轴向存在恒定磁场。•励磁感应子式步进电机是靠转子上的励磁绕组产生轴向磁场。永磁感应子式步进电机的转子由一段环形磁钢(在转子中部)和二段铁心(在环形磁钢的两端)，轴向充磁，建立轴向磁场。7.3.1步进电机（2）步进电机的工作原理以下图所示的反应式三相步进电机为例加以说明。•Winding11001001001001001001001001•Winding20100100100100100100100100•Winding300100100100100100100100107.3.1步进电机•定子按A→B→C→A…顺序通电，转子就一步步地按逆时针方向转动，每步30°。•按A→C→B→A…使定子绕组通电，步进电机就按顺时针方向转动，同样每步转30°。•这种控制方式叫单三拍方式。缺点：每次只有一相绕组通电，在切换瞬间失去自锁转矩，容易失步，此外，只有一相绕组通电吸引转子，易在平衡位置附近产生振荡。7.3.1步进电机•双三拍:AB→BC→CA→AB→…(逆时针方向)AC→CB→BA→AC→…(顺时针方向)由于双三拍控制每次有二相绕组通电，而且切换时总保持一相绕组通电，所以工作较稳定。•三相六拍:A→AB→B→BC→C→CA→A→…(逆时针方向)A→AC→C→CB→B→BA→A→…(顺时针方向)每切换一次，步进电机每步转过15°。对应一个指令电脉冲，转子转动一个固定角度，称为步距角。•单极步进电机7.3.1步进电机7.3.1步进电机•单极步进电机的两种典型控制电路7.3.1步进电机•双极步进电机7.3.1步进电机•双极步进电机的控制电路7.3.1步进电机(3)步进电机的主要特性①步距角α•指每给一个脉冲信号，电机转子应转过角度的理论值，它是步进电机的重要指标。它取决于电机结构和控制方式。步距角可按下式计算：α=360°/mzk式中，m为定子相数；z为转子齿数；k为通电系数，若连续两次通电相数相同为1，若不同则为2。7.3.1步进电机②矩角特性、最大静态转矩Mjmax和启动转矩Mq•如果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，转子因而受到一个电磁转矩Mj的作用与负载平衡，该电磁转矩Mj称为静态转矩，该角度θ称为失调角。步进电机单相通电的静态转矩Mj随失调角θ的变化曲线称为矩角特性，如下图所示7.3.1步进电机矩角特性曲线上的电磁转矩的最大值称为最大静态转矩Mjmax，Mjmax是代表电机承载能力的重要指标，Mjmax越大，电机带负载的能力越强，运行的快速性和稳定性越好。相邻两条曲线的交点所对应的静态转矩是电机运行状态的最大启动转距Mq，当负载力矩小于Mq时，步进电机才能正常启动运行，否则将会造成失步。一般地，电机相数的增加会使矩角特性曲线变密，相邻两条曲线的交点上移，会使Mq增加；采用多相通电方式，即变m相m拍通电方式为m相2m拍通电方式，也会使Mq增加。7.3.1步进电机③启动频率fq和启动时的惯频特性•启动频率或突跳频率fq：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，是反映步进电机快速性能的重要指标。空载启动时，定子绕组通电状态变化的频率不能高于启动频率。•启动时的惯频特性：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。一般来说，随着负载惯量的增加，启动频率会下降。如果除了惯性负载外还有转矩负载，则启动频率将进一步下降。7.3.1步进电机④运行矩频特性定义：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，它是衡量步进电机运转时承载能力的动态指标，如图所