第三部分 數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)(驅(qū)動(dòng)).ppt

機(jī)電工程學(xué)院 第三部分?jǐn)?shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng) 基本要求 熟悉數(shù)控機(jī)床的伺服控制原理 掌握伺服執(zhí)行元件伺服電機(jī)的工作原理及特點(diǎn) 重點(diǎn)與難點(diǎn) 伺服電機(jī)的工作原理及特點(diǎn) 機(jī)電工程學(xué)院 3 1數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)3 2數(shù)控機(jī)床的位置檢測(cè) 本部分重要內(nèi)容 機(jī)電工程學(xué)院 伺服系統(tǒng)是指以機(jī)床移動(dòng)部件的位移和速度作為控制對(duì)象的自動(dòng)控制系統(tǒng) 也稱為位置隨動(dòng)系統(tǒng) 簡(jiǎn)稱伺服系統(tǒng) 主要功能是 接受來自數(shù)控裝置輸出的插補(bǔ)結(jié)果 如指令脈沖或數(shù)字量 通過功率放大控制電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)床的移動(dòng)部件 完成預(yù)期的直線或轉(zhuǎn)角位移 第一節(jié)數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)概述 3 1數(shù)控機(jī)床對(duì)伺服系統(tǒng)概述 機(jī)電工程學(xué)院 如果說CNC裝置是數(shù)控機(jī)床的 大腦 是發(fā)布 命令 的 指揮所 那么伺服系統(tǒng)則是數(shù)控機(jī)床的 四肢 是一種 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 它忠實(shí)地執(zhí)行由CNC裝置發(fā)來的運(yùn)動(dòng)命令 精確控制執(zhí)行部件的運(yùn)動(dòng)方向 速度與位移量 第一節(jié)數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)概述 機(jī)電工程學(xué)院 1 穩(wěn)定性好2 準(zhǔn)確度高3 響應(yīng)快4 調(diào)速范圍寬5 輸出扭矩大6 高可靠性 第一節(jié)數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)概述 3 1 1數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的基本要求 機(jī)電工程學(xué)院 組成 伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制轉(zhuǎn)換電路電子電力驅(qū)動(dòng)放大模塊位置調(diào)節(jié)單元速度調(diào)節(jié)單元電流調(diào)節(jié)單元 調(diào)節(jié)加速度 檢測(cè)裝置一般閉環(huán)伺服系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)為三環(huán)結(jié)構(gòu) 位置環(huán) 速度環(huán) 電流環(huán) 第一節(jié)數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)概述 3 1 2數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的組成 機(jī)電工程學(xué)院 位置 速度和電流環(huán)均由 調(diào)節(jié)控制模塊 檢測(cè)和反饋部分組成 電力電子驅(qū)動(dòng)裝置由驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生電路和功率放大器組成 CNC指令 第一節(jié)數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)概述 機(jī)電工程學(xué)院 由于各組件加工的精密化 微米的誤差已不是問題 在加工精度方面 近10年來 普通級(jí)數(shù)控機(jī)床的加工精度已由10 m提高到5 m 精密級(jí)加工中心則從3 5 m 提高到1 1 5 m 并且超精密加工精度已開始進(jìn)入納米級(jí) 在可靠性方面 國(guó)外數(shù)控裝置的MTBF值已達(dá)6000h以上 伺服系統(tǒng)的MTBF值達(dá)到30000h以上 表現(xiàn)出非常高的可靠性 第一節(jié)數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)概述 機(jī)電工程學(xué)院 3 1 3常用的伺服驅(qū)動(dòng)元件 伺服驅(qū)動(dòng)元件是伺服系統(tǒng)的關(guān)鍵部件 對(duì)系統(tǒng)的特性有極大的影響 它的發(fā)展和進(jìn)步是推動(dòng)數(shù)控機(jī)床發(fā)展的重要因素 驅(qū)動(dòng)元件的發(fā)展大致分為以下幾個(gè)階段 50年代 采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 目前只應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床 適于輕載 負(fù)荷變動(dòng)不大 60 70年代 采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和電液伺服電動(dòng)機(jī) 現(xiàn)已基本不用 70 80年代 采用直流伺服電動(dòng)機(jī) 目前在我國(guó)仍有使用 調(diào)速性能良好 80年代以后 采用交流伺服電動(dòng)機(jī) 是比較理想的驅(qū)動(dòng)元件 90年代以來直線電動(dòng)機(jī)開始采用 高速 高精度 第一節(jié)數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)概述 機(jī)電工程學(xué)院 第一節(jié)數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)概述 一 步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu) 當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào) 它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子上無繞組且制有若干個(gè)均勻分布的齒 在定子上有勵(lì)磁繞組 當(dāng)有脈沖輸入時(shí) 轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個(gè)固定的角度 其角位移量與輸入脈沖個(gè)數(shù)嚴(yán)格地成正比 在時(shí)間上也與輸入脈沖同步 當(dāng)無脈沖時(shí) 在繞組電源的激勵(lì)下 氣隙磁場(chǎng)能使轉(zhuǎn)子保持原有位置不變而處于定位狀態(tài) 機(jī)電工程學(xué)院 第一節(jié)數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)概述 一 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理盡管步進(jìn)電動(dòng)機(jī)種類很多 其基本原理實(shí)質(zhì)都是一致的 現(xiàn)以三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為例 說明其工作原理 在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子上有三對(duì)磁極上面繞有勵(lì)磁繞組 分別稱為A相 B相和C相 轉(zhuǎn)子上帶有等距小齒 圖中有四個(gè)齒 如果先將A相加上電脈沖 則有 機(jī)電工程學(xué)院 第一節(jié)數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)概述 如果將B相加上電脈沖 則有 轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)30 機(jī)電工程學(xué)院 第一節(jié)數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)概述 如果將C相加上電脈沖 則有 轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)30 轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)30 動(dòng)畫模擬 機(jī)電工程學(xué)院 第一節(jié)數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)概述 這種三相勵(lì)磁繞組依次單獨(dú)通電 切換三次為一個(gè)循環(huán) 稱為三相單三拍通電方式 其通電方式及通電順序?yàn)锳 B C A 或者A C B A 由于每次只有一相磁極通電 易在平衡位置附近發(fā)生振蕩 而且在各相磁極通電切換的瞬間 電動(dòng)機(jī)失去自鎖力 容易造成失步 機(jī)電工程學(xué)院 第一節(jié)數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)概述 為改善其工作性能 可采用三相六拍的通電方式 其通電方式及通電順序?yàn)?A AB B BC C CA A 或者A AC C CB B BA A 這種通電方式當(dāng)由A相通電轉(zhuǎn)為AB相共同通電時(shí) 轉(zhuǎn)子磁極將同時(shí)受到A相與B相的吸引 它就停在AB兩相磁極中間 這時(shí)它轉(zhuǎn)過的角度是15度 這種通電方式在切換時(shí) 始終有一相磁極不斷電 故而工作較穩(wěn)定 且在相同頻率下 每相導(dǎo)通的時(shí)間增加 平均電流增加 從而可以提高電磁轉(zhuǎn)矩 啟動(dòng)頻率及連續(xù)運(yùn)行頻率等特性 機(jī)電工程學(xué)院 第一節(jié)數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)概述 二 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu) 機(jī)電工程學(xué)院 第一節(jié)數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)概述 三 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn) 控制特性好 誤差不長(zhǎng)期積累 步距角不受各種干擾因素的影響 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的速度取決于脈沖信號(hào)的頻率 總位移量取決于總的脈沖數(shù) 它作為伺服電動(dòng)機(jī)應(yīng)用于控制系統(tǒng)時(shí) 可以使系統(tǒng)簡(jiǎn)化 工作可靠 而且可以獲得較高的控制精度 機(jī)電工程學(xué)院 第一節(jié)數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)概述 四 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的分類 按力矩產(chǎn)生原理分 有反應(yīng)式 轉(zhuǎn)子無繞組 激磁式 定子轉(zhuǎn)子均有繞組 按輸出力矩大小分 可分為伺服式 與液壓扭矩放大器配用 功率式 5 50N m 按定子數(shù)分 單定子式 多定子式 按各相繞組分布分 有單段式 徑向式 多段式 軸向式 等 機(jī)電工程學(xué)院 第一節(jié)數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)概述 五 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)1 步距角 電動(dòng)機(jī)每步的轉(zhuǎn)角稱為步距角 步距角越小精度越高 360 mzkm 相數(shù) k 與通電方式有關(guān)的系數(shù) z 齒數(shù)同一相數(shù)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通常有兩種步距角 如1 5 0 75 1 2 0 6 3 1 5 等 雙拍制的步距角比單拍制的步距角減小一半 機(jī)電工程學(xué)院 第一節(jié)數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)概述 2 靜態(tài)矩角特性 描述靜態(tài)時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)角的關(guān)系 3 啟動(dòng)頻率 在空載條件下由靜止?fàn)顟B(tài)突然啟動(dòng) 并進(jìn)入不丟步的正常運(yùn)行最高頻率 機(jī)電工程學(xué)院 第一節(jié)數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)概述 4 連續(xù)運(yùn)行頻率 其運(yùn)行速度能跟蹤指令脈沖連續(xù)上升而不丟步的最高工作頻率 5 矩頻特性曲線與動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩 描述步進(jìn)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與運(yùn)行頻率之間的關(guān)系 機(jī)電工程學(xué)院 第一節(jié)數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)概述 六 驅(qū)動(dòng)控制 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路由環(huán)形分配器和功率放大電路組成 機(jī)電工程學(xué)院 第一節(jié)數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)概述 1 環(huán)形分配 實(shí)現(xiàn)環(huán)形分配的方法有兩種 一種是計(jì)算機(jī)軟件分配 用于多相電動(dòng)機(jī)的脈沖分配 但會(huì)占用計(jì)算機(jī)的運(yùn)行時(shí)間 從而影響電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行速度 另一種是硬件環(huán)形分配 采用數(shù)字電路搭建或?qū)Ｓ玫沫h(huán)形分配器件將連續(xù)的脈沖信號(hào)經(jīng)電路處理后輸出環(huán)形脈沖 機(jī)電工程學(xué)院 第一節(jié)數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)概述 2 功率驅(qū)動(dòng) 1 單電源驅(qū)動(dòng)電路 機(jī)電工程學(xué)院 第一節(jié)數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)概述 2 雙電源驅(qū)動(dòng)電路 機(jī)電工程學(xué)院 第一節(jié)數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)概述 3 斬波限流驅(qū)動(dòng)電路 機(jī)電工程學(xué)院 第一節(jié)數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)概述 七 步進(jìn)電機(jī)在數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用 簡(jiǎn)易型數(shù)控機(jī)床 普通機(jī)床的數(shù)控改造 機(jī)電工程學(xué)院 二 交流伺服電動(dòng)機(jī) 由于直流伺服電動(dòng)機(jī)的的電刷和換向器易磨損 電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速的限制 應(yīng)用環(huán)境的限制 結(jié)構(gòu)復(fù)雜 制造困難 成本高 而交流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 成本低廉 無直流伺服電動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn) 而且轉(zhuǎn)子慣量較直流伺服電動(dòng)機(jī)的小 這意味著動(dòng)態(tài)響應(yīng)更好 交流伺服電動(dòng)機(jī)容量也比直流伺服電動(dòng)機(jī)容量大 可達(dá)更高的電壓和轉(zhuǎn)速 一般在同樣體積下 交流伺服電動(dòng)機(jī)的輸出功率比直流伺服電動(dòng)機(jī)可以提高10 70 是當(dāng)前機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主流 第一節(jié)數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)概述 機(jī)電工程學(xué)院 第一節(jié)數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)概述 1 交流伺服電動(dòng)機(jī)的類型 交流異步電動(dòng)機(jī)和交流同步電動(dòng)機(jī) 交流異步電動(dòng)機(jī)所采用的電流有三相和單相兩種 交流同步電動(dòng)機(jī)的磁勢(shì)源可以是電磁式 永磁式和反應(yīng)式等多種 在數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)中多采用永磁式同步電動(dòng)機(jī) 主軸伺服系統(tǒng)電機(jī)多采用交流異步電動(dòng)機(jī) 很少采用永磁同步電動(dòng)機(jī) 主要因?yàn)橛来磐诫妱?dòng)機(jī)的容量做得不夠大 且電機(jī)成本較高 另外主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不象進(jìn)給系統(tǒng)那樣要求很高的性能 調(diào)速范圍也不要太大 因此 采用異步電動(dòng)機(jī)完全可以滿足數(shù)控機(jī)床主軸的要求 籠型異步電機(jī)多用在主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中 機(jī)電工程學(xué)院 VS VS 第一節(jié)數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)概述 永磁式同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)是 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 運(yùn)行可靠 效率高 在結(jié)構(gòu)上采取措施如采用高剩磁感應(yīng) 高矯頑力和稀土類磁鐵 可比直流電動(dòng)機(jī)在外形尺寸上減少約50 重量上減輕近60 轉(zhuǎn)子慣量減至20 因而可得到比直流伺服電動(dòng)機(jī)更硬的機(jī)械性能和寬的調(diào)速范圍 機(jī)電工程學(xué)院 2 交流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法由電動(dòng)機(jī)學(xué)知 交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速公式 式中 f 定子電源頻率p 磁極對(duì)數(shù)S 轉(zhuǎn)差率ns 定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速n 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 第一節(jié)數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)概述 機(jī)電工程學(xué)院 第一節(jié)數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)概述 對(duì)于進(jìn)給系統(tǒng)常使用交流同步電動(dòng)機(jī) 該電動(dòng)機(jī)沒有轉(zhuǎn)差率 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速公式變?yōu)?從式中可以看出 只能用變頻調(diào)速 并且是有效方法 機(jī)電工程學(xué)院 第一節(jié)數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)概述 變頻調(diào)速的主要環(huán)節(jié)是為交流電動(dòng)機(jī)提供變頻 變壓電源的變