进给伺服系统介绍

第四章进给伺服系统内容提要本章将详细讨论进给伺服系统的软件硬件结构；进给伺服系统基本功能的原理及实现方法。第一节概述.进给伺服系统的定义及组成.定义：进给伺服系统(FeedServoSystem)——以移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统。组成：进给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；机械执行部件。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一、进给伺服系统的定义及组成调速范围要宽且要有良好的稳定性(在调速范围内)调速范围：一般要求：稳定性：指输出速度的波动要少，尤其是在低速时的平稳性显得特别重要。minmaxFFRNminmin.minmm1Fmm1010000RN且二、NC机床对数控进给伺服系统的要求输出位置精度要高静态：定位精度和重复定位精度要高，即定位误差和重复定位误差要小。(尺寸精度)动态：跟随精度，这是动态性能指标，用跟随误差表示。(轮廓精度)灵敏度要高，有足够高的分辩率。负载特性要硬在系统负载范围内，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；应有足够的过载能力。这是要求伺服系统有良好的静态与动态刚度。tF△t△F响应速度快且无超调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。tFtp能可逆运行和频繁灵活启停。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。第二节进给伺服系统的位置检测装置一、概述组成：位置测量装置是由检测元件（传感器）和信号处理装置组成的。作用：实时测量执行部件的位移和速度信号，并变换成位置控制单元所要求的信号形式，将运动部件现实位置反馈到位置控制单元，以实施闭环控制。它是闭环、半闭环进给伺服系统的重要组成部分。闭环数控机床的加工精度在很大程度上是由位置检测装置的精度决定的，在设计数控机床进给伺服系统，尤其是高精度进给伺服系统时，必须精心选择位置检测装置。1.进给伺服系统对位置测量装置的要求高可靠性和高抗干扰性：受温度、湿度的影响小，工作可靠，精度保持性好，抗干扰能力强；能满足精度和速度的要求：位置检测装置分辨率应高于数控机床的分辨率（一个数量级）；位置检测装置最高允许的检测速度应数控机床的最高运行速度。使用维护方便，适应机床工作环境；成本低。2.位置检测装置的分类按输出信号的形式分类：数字式和模拟式按测量基点的类型分类：增量式和绝对式按位置检测元件的运动形式分类：回转型和直线型常用位置检测装置分类表数字式模拟式增量式绝对式增量式绝对式回转式脉冲编码盘圆光栅绝对式脉冲编码盘旋转变压器圆感应同步器圆磁尺三速圆感应同步器直线式直线光栅激光干涉仪多通道透射光栅直线感应同步器磁尺三速感应同步器绝对磁尺分类增量式绝对式圆感应同步器带型窄长型标准型增量式绝对式直线感应同步器二.感应同步器感应同步器的结构及分类结构sincos节距2τ（2mm）节距（0.5mm）41绝缘粘胶铜箔铝箔耐切削液涂层基板(钢、铜)定尺滑尺感应同步器的工作原理.感应同步器是利用励磁绕组与感应绕组间发生相对位移时，由于电磁耦合的变化，感应绕组中的感应电压随位移的变化而变化，借以进行位移量的检测。感应同步器滑尺上的绕组是励磁绕组，定尺上的绕组是感应绕组。USU0U0θ1USUSUSUS定尺滑尺θ1感应同步器的信号处理原理滑尺正旋绕组上加激磁电压Us后，与之相耦合的定尺绕组上的感应电压为：Uos=KUScosθ1滑尺余旋绕组上加激磁电压Uc后，与之相耦合的定尺绕组上的感应电压为：Uoc=KUccos（θ1+π/2）=－KUcsinθ1滑尺正、余旋绕组上同时加激磁电压Us、Uc时，感应同步器的磁路可是为线性的，根据叠加原理，则与之相耦合的定尺绕组上的总感应电压为：Uo=Uos+Uos=KUScosθ1－KUcsinθ1K—电磁感应系数θ1—定尺绕组上的感应电压的相位角滑尺与定尺相对位移量x的求取：∵2τ:2π=x:θ1∴x=τθ1／π结论：相对位移量x与相位角θ1呈线性关系，只要能测出相位角θ1，就可求得位移量x。根据滑尺正、余旋绕组上激磁电压Us、Uc供电方式的不同可构成不同检测系统——-鉴相型系统和鉴幅型系统。鉴相型系统的工作原理在鉴相型系统中，激磁电压是频率、幅值相同，相位差为π/2的交变电压：US=UmsinωtUC=Umcosωt则：Uo=Uos+Uos=KUScosθ1－KUcsinθ1=KUmsinωtcosθ1－KUmcosωtsinθ1=KUmsin（ωt－θ1）结论：只要能测出Uo与US相位差θ1，就可求得滑尺与定尺相对位移量x。鉴幅型系统的工作原理在鉴幅型系统中，激磁电压是频率、相位相同，幅值不同的交变电压：US=Umsinθ2sinωtUC=Umcosθ2sinωtθ2=πx2／τ（x2是指令位移值）Uo=Uos+Uos=KUScosθ1－KUcsinθ1=KUmsinθ2cosθ1sinωt－KUmcosθ2sinωtsinθ1=KUmsin（θ2－θ1）sinωt结论：只要能测出Uo与UC相位差θ1，就可求得滑尺与定尺相对位移量x。三.脉冲编码器脉冲编码器又称码盘，是一种回转式数字测量元件，通常装在被检测轴上，随被测轴一起转动，可将被测轴的角位移转换为增量脉冲形式或绝对式的代码形式。根据内部结构和检测方式码盘可分为接触式、光电式和电磁式3种。其中，光电码盘在数控机床上应用较多，而由霍尔效应构成的电磁码盘则可用作速度检测元件。另外，它还可分为绝对式和增量式两种。1.增量脉冲编码器结构及工作原理信号处理装置abz码盘基片透镜光源光敏元件透光狭缝光欄板节距τAABBZZm+τ/4信号处理装置abz节距τAABBZZm+τ/4AAa光电码盘随被测轴一起转动，在光源的照射下，透过光电码盘和光欄板形成忽明忽暗的光信号，光敏元件把此光信号转换成电信号，通过信号处理装置的整形、放大等处理后输出。输出的波形有六路：其中，是的取反信号。AB90°Z……码盘转一圈AA、ZZBB、、、ZBA、、ZBA、、输出信号的作用及其处理A、B两相的作用根据脉冲的数目可得出被测轴的角位移；根据脉冲的频率可得被测轴的转速；根据A、B两相的相位超前滞后关系可判断被测轴旋转方向。后续电路可利用A、B两相的90°相位差进行细分处理（四倍频电路实现）。ABCP90OZ相的作用被测轴的周向定位基准信号；被测轴的旋转圈数记数信号。的作用后续电路可利用A、两相实现差分输入，以消除远距离传输的共模干扰。Z……码盘转一圈ZBA、、A增量式码盘的规格及分辨率规格增量式码盘的规格是指码盘每转一圈发出的脉冲数；现在市场上提供的规格从36线/转到10万线/转都有；选择：①伺服系统要求的分辨率；②考虑机械传动系统的参数。分辨率（分辨角）α设增量式码盘的规格为n线/转：n3602.绝对式编码器结构和工作原理码盘基片上有多圈码道，且每码道的刻线数相等；对应每圈都有光电传感器；输出信号的路数与码盘圈数成正比；检测信号按某种规律编码输出，故可测得被测轴的周向绝对位置。23222120绝对编码盘的编码方式及特点二进制编码：特点：编码循序与位置循序相一致，但可能产生非单值性误差。误差分析：1111100023222120格雷码（循环码、葛莱码）特点：任何两个编码之间只有一位是变化的，因而可把误差控制在最小单位上。但编码与位置循序无直接规律。23222120格雷码的编码方法它是从二进制码转换而来的，转换规则为：将二进制码与其本身右移一位后并舍去末位的数码作不进位加法，得出的结果即为格雷码(循环码)。例题：将二进制码0101转换成对应的格雷码：（雷格码））（右移一位并舍去末位（二进制码）01110100101绝对式码盘的规格及分辨率规格绝对式码盘的规格与码盘码道数n有关；现在市场上提供从4道到18道都有；选择：①伺服系统要求的分辨率；②考虑机械传动系统的参数。分辨率（分辨角）α设绝对式码盘的规格n道：n23603.光电编码器的特点非接触测量，无接触磨损，码盘寿命长，精度保证性好；允许测量转速高，精度较高；。光电转换，抗干扰能力强；体积小，便于安装，适合于机床运行环境；结构复杂，价格高，光源寿命短；码盘基片为玻璃，抗冲击和抗震动能力差。第三节进给伺服驱动系统一、概述进给伺服驱动系统：由进给伺服系统中的电机及其控制和驱动装置组成。电机：进给系统的动力部件，它提供执行部件运动所需的动力，在数控机床上目前常用的电机有：步进电机直流伺服电机交流伺服电机直线电机。速度单元：电机的控制和驱动装置，通常驱动电机与速度控制单元是相互配套供应的，其性能参数都是进行了相互匹配，这样才能获得高性能的系统指标。速度控制单元主要作用：接受来自位置控制单元的速度指令信号，对其进行适当的调节运算(目的是稳速)，将其变换成电机转速的控制量(频率，电压等)，再经功率放大部件将其变换成电机的驱动电量，使驱动电机按要求运行。简言之：调节、变换、功放。进给驱动系统的特点（与主运动（主轴）系统比较）：功率相对较小；控制精度要求高；控制性能要求高，尤其是动态性能。二、步进电机及其驱动装置步进电机流行于70年代，该系统结构简单、控制容易、维修方面，且控制为全数字化。随着计算机技术的发展，除功率驱动电路之外，其它部分均可由软件实现，从而进一步简化结构。因此，这类系统目前仍有相当的市场。目前步进电机仅用于小容量、低速、精度要不高的场合，如经济型数控；打印机、绘图机等计算机的外部设备。三、直流伺服电机及驱动直流电机的工作原理是建立在电磁力定律基础上的，电磁力的大小正比于电机中的气隙磁场，直流电机的励磁绕组所建立的磁场是电机的主磁场，按对励磁绕组的励磁方式不同，直流电机可分为：他激式、并激式、串激式、复激式、永磁式。20世纪80~90年代中期，永磁式直流伺服电机在NC机床中广泛采用。直流伺服电机的特点过载倍数大，时间长；具有大的转矩/惯量比，电机的加速大，响应快。低速转矩大，惯量大，可与丝杆直接相联。调速范围大：1∶2000。带有高精度的速度和角位置检测元件；电机允许温度达150°以上，由于温升高，影响机床精度因转子惯性大，电源容量以及机械传动件的刚度都需相应增大。电刷、维护不便四、交流伺服电机及驱动由于直流伺服电机具有优良的调速性能，80年代初至90年代中，在要求调速性能较高的场合，直流伺服电机调速系统的应用一直占据主导地位。但其却存在一些固有的缺点，即：电刷和换向器易磨损，维护麻烦结构复杂，制造困难，成本高而交流伺服电机则没有上述缺点。特别是在同样体积下，交流伺服电机的输出功率比直流电机提高10%～70%，且可达到的转速比直流电机高。因此，人们一直在寻求交流电机调速方案来取代直流电机调速的方案。编码器转子（永磁体）定子绕组线圈接线盒电机轴1.分类电磁式反应式磁滞式非电磁式交流同步伺服电机交流感应伺服电机交流伺服电机永磁式2.交流伺服电机的速度控制单元交流伺服电机转速n调速的理论基础结论：交流伺服电机变频调速的关键是要获得可调频调压的交流电源电机的极对数转速的滑差率电源频率:::)(psfs1pf60ncos..2mICMkf444EUkf444E调频调压电源的分类可控硅整流器逆变器整流器逆变器交变频器（直接式）交电流型交变频器（间接式）直交变频器电压型电压型变频器方案示意图电压型变频器工作原理结论：变频器实现变频调压的关键是逆变器