數(shù)控技術- 數(shù)控伺服系統(tǒng)

1、CNC第第3 3章章 數(shù)控伺服系統(tǒng)數(shù)控伺服系統(tǒng) 主要內容主要內容主要內容 概述概述 伺服系統(tǒng)的驅動元件伺服系統(tǒng)的驅動元件 步進式伺服系統(tǒng)步進式伺服系統(tǒng) 鑒相式伺服系統(tǒng)鑒相式伺服系統(tǒng) 鑒幅式伺服系統(tǒng)鑒幅式伺服系統(tǒng) 脈沖比較式伺服系統(tǒng)脈沖比較式伺服系統(tǒng) CNC數(shù)字伺服系統(tǒng)數(shù)字伺服系統(tǒng)1CNC數(shù)控伺服系統(tǒng)是指以機床運動部件(如工作臺、主軸和刀具等)的位置和速度作為控制量的自動控制系統(tǒng)。數(shù)控伺服系統(tǒng)的作用在于接受來自數(shù)控裝置的進給脈沖信號，經過一定的信號變換及電壓、功率放大，驅動機床運動部件實現(xiàn)運動，并保證動作的快速性和準確性。 數(shù)控伺服系統(tǒng)作為數(shù)控裝置和機床的聯(lián)系環(huán)節(jié)，是數(shù)控機床的重要組成部分，數(shù)控

2、機床的精度和速度等技術指標很大程度上取決于伺服系統(tǒng)的性能優(yōu)劣。3.1 3.1 概述概述2CNC1. 輸出位置精度要高 靜態(tài)：靜態(tài)：定位精度和重復定位精度要高，即定位誤差和重復定位誤差要小。(尺寸精度) 動態(tài)：動態(tài)：跟隨精度，動態(tài)性能指標，用跟隨誤差表示。 (輪廓精度) 靈敏度要高，有足夠高的分辯率。3.1.1 對數(shù)控伺服系統(tǒng)的要求對數(shù)控伺服系統(tǒng)的要求3.1 3.1 概述概述3CNC2. 響應速度快且無超調 對伺服系統(tǒng)動態(tài)性能的要求，即在無超調的前提下，執(zhí)行部件的運動速度的建立時間 tp 應盡可能短。 要求從 0Fmax（Fmax0），時間應盡可能小，且不能有超調，否則對機械部件不利，有害于加工

3、質量。 t F tp3.1.1 對數(shù)控伺服系統(tǒng)的要求對數(shù)控伺服系統(tǒng)的要求3.1 3.1 概述概述4CNC3.1.1 對數(shù)控伺服系統(tǒng)的要求對數(shù)控伺服系統(tǒng)的要求3. 調速范圍要寬且要有良好的穩(wěn)定性(在調速范圍內) 調速范圍調速范圍： 一般要求： 穩(wěn)定性穩(wěn)定性：指輸出速度的波動要少，尤其是在低速時的平穩(wěn)性顯得特別重要。minmaxFFRNm in1 0 0 0 00 .1m in1m inNRm mFm m且3.1 3.1 概述概述5CNC4.系統(tǒng)的可靠性高 綜上所述：綜上所述： 對伺服系統(tǒng)的要求包括靜態(tài)和動態(tài)特性兩方面； 對高精度的數(shù)控機床，對其動態(tài)性能的要求更 嚴。3.1.1 對數(shù)控伺服系統(tǒng)的要

4、求對數(shù)控伺服系統(tǒng)的要求3.1 3.1 概述概述6CNC 按有無反饋檢測元件分為開環(huán)和閉環(huán)(含半閉環(huán))兩種類型 開環(huán)伺服系統(tǒng)由驅動控制單元、執(zhí)行元件和機床組成。 閉環(huán)(半閉環(huán))伺服系統(tǒng)由執(zhí)行元件、驅動控制單元、機床以及反饋檢測元件、比較環(huán)節(jié)組成。 3.1.2 數(shù)控伺服系統(tǒng)的基本組成數(shù)控伺服系統(tǒng)的基本組成3.1 3.1 概述概述7CNC3.1.3 數(shù)控伺服系統(tǒng)的分類數(shù)控伺服系統(tǒng)的分類按反饋比較控制方式分類數(shù)字脈沖比較伺服系統(tǒng)鑒相式伺服系統(tǒng)鑒幅式伺服系統(tǒng)全數(shù)字伺服系統(tǒng)按伺服系統(tǒng)的用途和功能分類進給驅動系統(tǒng)主軸驅動系統(tǒng)按執(zhí)行元件的類別分類直流伺服系統(tǒng)交流伺服系統(tǒng)3.1 3.1 概述概述8CNC 伺服驅

5、動元件又稱為執(zhí)行電動機 數(shù)控伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件，是根據(jù)輸入的控制信號產生角位移或角速度，帶動被控對象運動。 數(shù)控伺服系統(tǒng)中常用的驅動元件有：步進電動機直流伺服電動機交流伺服電動機 3.2 3.2 伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)的驅動元件的驅動元件9CNC3.2.1 步進電動機步進電動機 步進電機流行于70年代，系統(tǒng)結構簡單、控制容易、維修方面，且控制為全數(shù)字化。隨著計算機技術的發(fā)展，除功率驅動電路之外，其它部分均可由軟件實現(xiàn)，從而進一步簡化結構。目前步進電機僅用于小容量、低速、精度要不高的場合，如經濟型數(shù)控；打印機、繪圖機等計算機的外部設備。 步進電動機是一種用電脈沖信號進行控制，并將電脈沖信號轉換成角位移

6、的機電元件。每輸入一個脈沖，步進電動機轉軸就轉過一定角度。 3.2 3.2 伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)的驅動元件的驅動元件10CNC步進電動機步進電動機的種類的種類 運動方式：旋轉運動的、直線運動的和平面運動 ； 結構上：反應式、勵磁式 ； 按定子數(shù)目：單段定子式、多段定子式； 按相數(shù)：單相、兩相、三相及多相。 3.2 3.2 伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)的驅動元件的驅動元件11CNC三相三拍反應式的工作原理三相三拍反應式的工作原理 三相是指步進電機有三相定子繞組，三拍是指每三次轉換為一個循環(huán) 三相步進電機，定子有六個磁極，分為三對，每個磁極上裝有控制繞組。一對磁極通電后，對應產生N/S極磁場；轉子為帶齒的鐵心（反

7、應式）或磁鋼（混合式）。 當定子三相依次通電時，三對磁極依次產生氣隙磁場，吸引轉子一步步轉動。3.2 3.2 伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)的驅動元件的驅動元件12CNC步進電動機的主要特性步進電動機的主要特性 步距角 :步進電動機繞組的通電狀態(tài)每改變一次，轉子轉過的角度 起動頻率 :空載時，步進電動機由靜止狀態(tài)突然起動，進入不丟步的正常運行的最高頻率 連續(xù)運行頻率 :步進電動機起動以后其運行速度能跟蹤指令脈沖頻率連續(xù)上升而不丟步的最高工作頻率 加減速特性 :描述步進電動機由靜止到工作頻率和由工作頻率到靜止的加減速過程中，定子繞組通電狀態(tài)的變化頻率與時間的關系 3.2 3.2 伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)的驅動元件的驅

8、動元件13CNC3.2.2 直流伺服電動機直流伺服電動機 小慣量直流電動機:轉動慣量小，反應靈敏，動態(tài)特性好，適用于高速與負載慣量較小的場合。 大慣量寬調速直流伺服電動機:既具有一般直流電動機的各項優(yōu)點，又具有小慣量直流電動機的快速響應性能，易與較大的負載慣量匹配，能較好地滿足伺服驅動的要求。 3.2 3.2 伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)的驅動元件的驅動元件14CNC直流伺服電動機的結構特點直流伺服電動機的結構特點 按磁極的種類，寬調速直流電動機分為電勵磁和永久磁鐵兩種 3.2 3.2 伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)的驅動元件的驅動元件15CNC寬調速直流電動機性能寬調速直流電動機性能 輸出力矩大 過載能力強 動態(tài)響應

9、性能好 低速運轉平穩(wěn) 易于調試 因此，寬調速直流伺服電動機是目前機電一因此，寬調速直流伺服電動機是目前機電一體化閉環(huán)伺服系統(tǒng)中應用較多的控制電動機。體化閉環(huán)伺服系統(tǒng)中應用較多的控制電動機。 3.2 3.2 伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)的驅動元件的驅動元件16CNC直流伺服電動機調速方式直流伺服電動機調速方式 晶閘管直流調速（SCR ） 脈寬調制直流調速(PWM) 頻帶寬 電動機脈動小 電源的功率因數(shù)高 動態(tài)硬度好，系統(tǒng)具有良好的線性 3.2 3.2 伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)的驅動元件的驅動元件17CNC3.2.3 交流伺服電動機交流伺服電動機 由于直流伺服電機具有優(yōu)良的調速性能， 80年代初至90年代中，在要求調

10、速性能較高的場合，直流伺服電機調速系統(tǒng)的應用一直占據(jù)主導地位。但其卻存在一些固有的缺點，即：電刷和換向器易磨損，維護麻煩結構復雜，制造困難，成本高 而交流伺服電機則沒有上述缺點。特別是在同樣體積下，交流伺服電機的輸出功率比直流電機提高10%70%，且可達到的轉速比直流電機高。因此，人們一直在尋求交流電機調速方案來取代直流電機調速的方案。3.2 3.2 伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)的驅動元件的驅動元件18CNC交流伺服電動機的結構特點交流伺服電動機的結構特點 交流伺服電動機采用全封閉無刷構造，不需定期檢查和維修。 定子省去了鑄件殼體，結構緊湊，外形小，重量輕 它的轉子采用具有精密磁極形狀的永久磁鐵，常做成鼠

11、籠式，為了使伺服電動機反應迅速，轉子做得較細長。 空心杯形轉子，杯壁很薄 3.2 3.2 伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)的驅動元件的驅動元件19CNC 交流伺服電動機的工作交流伺服電動機的工作原理原理 與單相異步電動機相似 交流伺服電動機調速交流伺服電動機調速 交流伺服電動機調速通常由調頻調速的方法實現(xiàn)。 實現(xiàn)調頻調壓方法： 脈沖幅值調制脈沖幅值調制(PAM)(PAM)方法方法 脈寬調制脈寬調制(PWM)(PWM)方法方法 3.2 3.2 伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)的驅動元件的驅動元件20CNC3.2.4 直線電動機直線電動機 直線電動機是一種能將電信號直接轉換成為直線位移的電動機。直線電動機沒有傳動機械的磨損，并且

12、噪音低、結構簡單、操作維護方便。 直線電動機主要應用的機型有直流直線電動機、交流直線電動機以及直線步進電動機等，在實際中應用較多的是交流直線電動機。 3.2 3.2 伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)的驅動元件的驅動元件21CNC直線電動機的優(yōu)點直線電動機的優(yōu)點 結構簡單 應用范圍廣、適應性強 反應速度快，靈敏度高，隨動性好 額定值高、冷卻條件好 有精密定位和自鎖能力 工作穩(wěn)定可靠，壽命長 3.2 3.2 伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)的驅動元件的驅動元件22CNC 開環(huán)開環(huán)步進步進伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)(Open-Loop System)q 不帶位置測量反饋裝置的系統(tǒng)；不帶位置測量反饋裝置的系統(tǒng)；q 驅動電機只能用步進電機；驅動

13、電機只能用步進電機；q 主要用于經濟型數(shù)控或普通機床的數(shù)控化改造主要用于經濟型數(shù)控或普通機床的數(shù)控化改造3.3 3.3 步進式伺服系統(tǒng)步進式伺服系統(tǒng)23CNC3.3.1 步進式伺服系統(tǒng)的工作原理步進式伺服系統(tǒng)的工作原理 步進電動機的驅動控制線路驅動控制線路和步進電動機步進電動機兩部分組成 步進式伺服系統(tǒng)受驅動控制線路的控制，將代表進給脈沖的電平信號通過步進電動機轉變?yōu)榫哂幸欢ù笮『头较虻臋C械角位移，通過齒輪和絲杠帶動工作臺移動。 控制 位移量位移量：步進電動機轉過的角位移量，由進 給脈沖數(shù)決定 方向方向：通電順序不同 進給速度進給速度：由進給脈沖頻率決定3.3 3.3 步進式伺服系統(tǒng)步進式伺服

14、系統(tǒng)24CNC3.3.2 步進電動機的驅動控制線路步進電動機的驅動控制線路 驅動控制線路的功能：驅動控制線路的功能：將具有一定頻率f、一定數(shù)量和方向的進給脈沖進給脈沖轉換成控制步進電動機各相定子繞組通斷電的電平信號電平信號。 驅動控制線路組成：驅動控制線路組成：脈沖混合電路、加減脈沖分配電路、加減速電路、環(huán)形分配器和功率放大器 3.3 3.3 步進式伺服系統(tǒng)步進式伺服系統(tǒng)25CNC3.3 3.3 步進式伺服系統(tǒng)步進式伺服系統(tǒng)脈沖混合電路脈沖混合電路 將插補信號或者手動信號等轉換為使工作臺正向進給的“正向進給”信號或使工作臺反向進給的“反向進給”信號。加減脈沖分配電路加減脈沖分配電路 當機床在進

15、給脈沖的控制下正在沿著某一方向進給時，由于各種誤差補償脈沖的存在，可能會有個別的方向進給脈沖，通過加減脈沖分配電路從正在進給方向的進給脈沖指令中抵消相同數(shù)量的方向補償脈沖。CNC加減速電路加減速電路 加減脈沖分配電路來的進給脈沖頻率的變化是有躍變的 作用：使之變成符合步進電動機加減速特性的脈沖頻率，然后再送入步進電動機的定于繞組 3.3 3.3 步進式伺服系統(tǒng)步進式伺服系統(tǒng)27CNC環(huán)形分配器環(huán)形分配器 環(huán)形分配器的作用：把來自于加減速電路的一系列進給脈沖指令，轉換成控制步進電動機定于繞組通電、斷電的電平信號，電平信號狀態(tài)的改變次數(shù)及順序與進給脈沖的數(shù)量及方向對應。 有硬件環(huán)形分配器和軟件環(huán)形

16、分配器兩種形式 3.3 3.3 步進式伺服系統(tǒng)步進式伺服系統(tǒng)28CNC功率放大器功率放大器 從環(huán)形分配器來的進給控制信號的電流只有幾毫安，而步進電動機的定子繞組需要幾安培電流。因此，需要對從環(huán)形分配器來的信號進行功率放大，以提供幅值足夠，前后沿較好的勵磁電流。 常用的功放電路有以下兩種：(1) 單電壓供電功放器(2) 雙電壓供電功放器：雙電壓供電功率放 大器又稱高低電壓供電功放器 3.3 3.3 步進式伺服系統(tǒng)步進式伺服系統(tǒng)29CNC3.3.3 提高步進式伺服系統(tǒng)精度的措施提高步進式伺服系統(tǒng)精度的措施 影響步進電機開環(huán)系統(tǒng)傳動精度的因素影響步進電機開環(huán)系統(tǒng)傳動精度的因素：步進電機的步距角精度；

17、機械傳動部件的精度；絲桿等機械傳動部件、支承的傳動間隙；傳動件和支承件的變形。提高步進電機開環(huán)系統(tǒng)傳動精度的措施：提高步進電機開環(huán)系統(tǒng)傳動精度的措施：適當提高系統(tǒng)組成環(huán)節(jié)的精度；采取各種精度補償措施：3.3 3.3 步進式伺服系統(tǒng)步進式伺服系統(tǒng)30CNC 傳動間隙補償傳動間隙補償 在整個行程范圍內測量傳動機構傳動間隙，取其平均值存放在數(shù)控系統(tǒng)中的間隙補償單元，當進給系統(tǒng)反向運動時，數(shù)控系統(tǒng)自動將補償值加到進給指令中，從而達到補償目的。 螺矩誤差補償螺矩誤差補償 滾珠絲桿在數(shù)控機床應用廣泛，雖然滾珠絲桿精度較高，但是總不可做的絕對精確，總是將其精度控制在一定的范圍內的，也就是它的螺距總是存在著一

18、定的誤差的，利用計算機的運算處理能力，可以補償滾珠絲杠的螺矩累積誤差，以提高進給位移精度。 方法：首先測量出進給絲桿螺距誤差曲線(規(guī)律)，然后可采用下列兩種方法實現(xiàn)誤差補償：硬件補償、軟件補償硬件補償、軟件補償。 細分線路細分線路 ：是把步進電動機的一步再分得細一些 。3.3 3.3 步進式伺服系統(tǒng)步進式伺服系統(tǒng)31CNC 優(yōu)點：是結構比較簡單用較多的是以光柵和光電編碼器作為位置檢測裝置的閉環(huán)控制系統(tǒng)。 組成3.6 3.6 脈沖脈沖比較式伺服系統(tǒng)比較式伺服系統(tǒng) 32CNC脈沖比較式伺服系統(tǒng)的組成脈沖比較式伺服系統(tǒng)的組成 指令信號 ：由數(shù)控裝置提供，數(shù)字脈沖信號，也可以是數(shù)碼信號 反饋測量信號

19、：由測量裝置提供的機床速度、位置反饋信號，可以是脈沖信號，也可以是數(shù)碼信號 常用的測量裝置是光柵和脈沖編碼器 比較器 作用：完成指令信號與測量反饋信號比較的環(huán)節(jié) 有三類：數(shù)碼比較器、數(shù)字脈沖比較器和數(shù)碼與數(shù)字脈沖比較器。 轉換器 ：轉換器是數(shù)字脈沖信號與數(shù)碼的相互轉換部件 驅動執(zhí)行元件 ：根據(jù)比較器的輸出帶動工作臺移動 3.6 3.6 脈沖脈沖比較式伺服系統(tǒng)比較式伺服系統(tǒng) 33CNC3.6 3.6 脈沖脈沖比較式伺服系統(tǒng)比較式伺服系統(tǒng) 34脈沖比較式伺服系統(tǒng)工作原理脈沖比較式伺服系統(tǒng)工作原理 以采用光電脈沖編碼器為測量元件的系統(tǒng)為例說明數(shù)字脈沖比較伺服系統(tǒng)的工作原理。 光電編碼器與伺服電機的轉

20、軸連接，隨著電機的轉動產生脈沖序列輸出，其脈沖的頻率將隨著轉速的快慢而升降。若工作臺處于靜止狀態(tài)，指令脈沖Pc=0，這時反饋脈沖Pf亦為零，經比較器可得偏差e=PcPf=0，則伺服電機的速度給定為零，工作臺繼續(xù)保持靜止不動。 CNC3.6 3.6 脈沖脈沖比較式伺服系統(tǒng)比較式伺服系統(tǒng) 35脈沖比較式伺服系統(tǒng)工作原理脈沖比較式伺服系統(tǒng)工作原理 隨著指令脈沖的輸入，Pc0，在工作臺尚未移動之前，反饋脈沖Pf仍為零。經比較器比較，得偏差e=PcPf0，若指令脈沖為正向進給脈沖，則e0，由速度控制單元驅動電機帶動工作臺正向進給。 隨著電機運轉，光電脈沖編碼器將輸出反饋脈沖Pf送入比較器，與指令脈沖Pc

21、進行比較，若e=PcPf0，工作臺繼續(xù)運動，不斷反饋，直到e=PcPf=0，即反饋脈沖數(shù)等于指令脈沖數(shù)，工作臺停在指令規(guī)定的位置上。 當指令脈沖為反向運動脈沖時，控制過程與Pc為正時基本上類似。只是e0，工作臺作反向進給，直至e=0，工作臺停在指令所規(guī)定的反向某個位置上。CNC主要工作部件主要工作部件 數(shù)字脈沖數(shù)字脈沖數(shù)碼轉換器數(shù)碼轉換器 數(shù)字脈沖轉換為數(shù)碼數(shù)字脈沖轉換為數(shù)碼 對于數(shù)字脈沖轉化為數(shù)碼，其最簡單的實對于數(shù)字脈沖轉化為數(shù)碼，其最簡單的實現(xiàn)方法就是采用一個可逆計數(shù)器，它將輸入的現(xiàn)方法就是采用一個可逆計數(shù)器，它將輸入的脈沖進行計數(shù)，以數(shù)碼值輸出。脈沖進行計數(shù)，以數(shù)碼值輸出。圖所示是由兩

22、圖所示是由兩個二個二十進制計數(shù)器組成的數(shù)字脈沖十進制計數(shù)器組成的數(shù)字脈沖數(shù)碼轉數(shù)碼轉換器。換器。 3.6 3.6 脈沖脈沖比較式伺服系統(tǒng)比較式伺服系統(tǒng) CNC主要工作部件主要工作部件 數(shù)字脈沖數(shù)字脈沖數(shù)碼轉換器數(shù)碼轉換器 數(shù)碼轉換為數(shù)字脈沖數(shù)碼轉換為數(shù)字脈沖 對于數(shù)碼轉化為數(shù)字脈沖，常用的有兩種方對于數(shù)碼轉化為數(shù)字脈沖，常用的有兩種方法。第一種方法是采用減法計數(shù)器組成的線路法。第一種方法是采用減法計數(shù)器組成的線路，如圖所示，如圖所示， 3.6 3.6 脈沖脈沖比較式伺服系統(tǒng)比較式伺服系統(tǒng) CNC主要工作部件主要工作部件 數(shù)字脈沖數(shù)字脈沖數(shù)碼轉換器數(shù)碼轉換器 數(shù)碼轉換為數(shù)字脈沖數(shù)碼轉換為數(shù)字脈沖 第二種方法是用一個脈沖乘法器，數(shù)字脈沖第二種方法是用一個脈沖乘法器，數(shù)字