第三部分?jǐn)?shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)

第三部分?jǐn)?shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)機(jī)電工程學(xué)院第1頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)3.2數(shù)控機(jī)床的位置檢測本部分重要內(nèi)容第2頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月伺服系統(tǒng)是指以機(jī)床移動(dòng)部件的位移和速度作為控制對象的自動(dòng)控制系統(tǒng)，也稱為位置隨動(dòng)系統(tǒng)、簡稱伺服系統(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)床對伺服系統(tǒng)概述第3頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月如果說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)概述第4頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月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)的基本要求第5頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月

組成：伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)信號控制轉(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)的組成第6頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月

位置調(diào)解速度調(diào)解電流調(diào)解轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)電流反饋速度反饋位置反饋MG

位置、速度和電流環(huán)均由：調(diào)節(jié)控制模塊、檢測和反饋部分組成。電力電子驅(qū)動(dòng)裝置由驅(qū)動(dòng)信號產(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)概述第7頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月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，普通級數(shù)控機(jī)床的加工精度已由10μm提高到5μm，精密級加工中心則從3～5μm，提高到1～1.5μm，并且超精密加工精度已開始進(jìn)入納米級。在可靠性方面，國外數(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)概述第8頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月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)?，F(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)概述第9頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(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，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，氣隙磁場能使轉(zhuǎn)子保持原有位置不變而處于定位狀態(tài)。第10頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(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?，F(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：ABBCC1234(a)A相通電A第11頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(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°AABBCC1234(b)B相通電AABBCC1234(a)A相通電第12頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(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°AABBCC1234(b)B相通電AABBCC1234(a)A相通電AABBCC1234(c)C相通電轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)30°動(dòng)畫模擬第13頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(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。第14頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(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。第15頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(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)第16頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(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)簡化，工作可靠，而且可以獲得較高的控制精度。第17頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(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１、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）；２、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）；３、按定子數(shù)分：單定子式、多定子式；４、按各相繞組分布分：有單段式（徑向式）、多段式（軸向式）等。第18頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(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。α＝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。第19頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(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。靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)穩(wěn)定平衡點(diǎn)穩(wěn)定平衡點(diǎn)最大靜轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定平衡點(diǎn)MOθ3、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。第20頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(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。脈沖頻率負(fù)載轉(zhuǎn)矩矩頻特性曲線O第21頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(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。A環(huán)形分配器功率放大器BC第22頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(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)的脈沖信號經(jīng)電路處理后輸出環(huán)形脈沖。第23頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(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)電路第24頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)概述（2）雙電源驅(qū)動(dòng)電路第25頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)概述（3）斬波限流驅(qū)動(dòng)電路第26頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(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)用簡易型數(shù)控機(jī)床、普通機(jī)床的數(shù)控改造第27頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月二、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)概述第28頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(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。第29頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月VSVS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。第30頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月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–磁極對數(shù)S–轉(zhuǎn)差率ns–定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速n–轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速第一節(jié)數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)概述第31頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)概述對于進(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)椋簭氖街锌梢钥闯觯褐荒苡米冾l調(diào)速，并且是有效方法。第32頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(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)