第三章數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)

1第三章數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)《數(shù)控技術(shù)》講義———模塊2鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校機(jī)電教研室2本章知識(shí)要點(diǎn)及要求(4學(xué)時(shí))

知識(shí)要點(diǎn)

要求伺服系統(tǒng)的組成及分類掌握伺服系統(tǒng)的組成分類及機(jī)床對(duì)其的要求.步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)掌握步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理及特點(diǎn)伺服電動(dòng)機(jī)理解直流伺服電機(jī)的工作原理及性能了解直流伺服電機(jī)的工作原理測(cè)量裝置了解常用測(cè)量裝置的類型《數(shù)控技術(shù)》講義———模塊2鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校機(jī)電教研室33.1概述

伺服系統(tǒng)是以機(jī)械位置或角度作為控制對(duì)象的自動(dòng)控制系統(tǒng)，也是數(shù)控系統(tǒng)的執(zhí)行部分。“伺服”（servo），是指有關(guān)的傳動(dòng)或運(yùn)動(dòng)參數(shù)嚴(yán)格按照數(shù)控裝置的控制指令來實(shí)現(xiàn)，這些參數(shù)包括運(yùn)動(dòng)的速度、運(yùn)動(dòng)的方向和運(yùn)動(dòng)的起止點(diǎn)。伺服系統(tǒng)位于數(shù)控裝置與機(jī)床主體之間，是二者的聯(lián)接環(huán)節(jié)，其功能是接受來自數(shù)控裝置或插補(bǔ)軟件生成的脈沖指令，經(jīng)過一定的信號(hào)變換及電壓、功率放大、檢測(cè)反饋，然后進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行電機(jī)實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)相對(duì)刀具運(yùn)動(dòng)的控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)既是數(shù)控機(jī)床控制器與刀具、主軸間的信息傳遞環(huán)節(jié)，又是能量放大與傳遞的環(huán)節(jié)，它的性能在很大程度上決定了數(shù)控機(jī)床的性能?！稊?shù)控技術(shù)》講義———3.13-1加工錄象鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校機(jī)電教研室4《數(shù)控技術(shù)》講義———3.1

機(jī)床I/O電路和裝置測(cè)量裝置主軸驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置主軸伺服單元進(jìn)給伺服單元計(jì)算機(jī)數(shù)

控裝

置操作面板PLC計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)機(jī)

床輔助控制機(jī)構(gòu)進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)鍵盤輸入輸出設(shè)備鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校機(jī)電教研室5《數(shù)控技術(shù)》講義———3.1一、數(shù)控機(jī)床對(duì)伺服系統(tǒng)要求

數(shù)控機(jī)床的性能很大程度取決與伺服系統(tǒng)的性能，對(duì)伺服系統(tǒng)的性能有如下要求：

1、精度高

關(guān)鍵是保證機(jī)床的定位精度和位移精度。目前，定位精度一般要求達(dá)到1μm，位移精度可達(dá)到在全程范圍內(nèi)±5μm，高精度的數(shù)控機(jī)床脈沖可達(dá)0.001mm/脈沖。

2、穩(wěn)定性好

穩(wěn)定性指當(dāng)作用在系統(tǒng)上的擾動(dòng)信號(hào)消失后，系統(tǒng)能恢復(fù)到原來的穩(wěn)定狀態(tài)下運(yùn)行的能力。

3、速度響應(yīng)要快

它反映了系統(tǒng)的跟蹤精度，即要求跟蹤指令信號(hào)的響應(yīng)要快，一方面，在伺服系統(tǒng)處與頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)、加減速等動(dòng)態(tài)過程中，要求縮短過度過程，一般在200ms內(nèi)，另一方面，當(dāng)負(fù)載突變時(shí)，過渡過程恢復(fù)時(shí)間要短。

4、調(diào)速范圍要寬

指機(jī)械裝置要求電動(dòng)機(jī)提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比。對(duì)于一般數(shù)控機(jī)床而言，進(jìn)給速度范圍在0-24m/min時(shí)，可滿足加工要求。

5、低速大轉(zhuǎn)矩

數(shù)控機(jī)床要求進(jìn)給伺服系統(tǒng)在低速時(shí)要有大的轉(zhuǎn)矩輸出，即低速大轉(zhuǎn)矩，以滿足重切削加工要求。鎮(zhèn)江高等專科學(xué)校機(jī)電教研室6《數(shù)控技術(shù)》講義———3.1二、伺服系統(tǒng)的功能與組成

1、功能1)指令轉(zhuǎn)變成機(jī)床工作部件的運(yùn)動(dòng);2)功率放大。2、組成及控制信號(hào)的流向

伺服電動(dòng)機(jī)伺服控制電路功率放大電路鎮(zhèn)江高等專科學(xué)校機(jī)電教研室7《數(shù)控技術(shù)》講義———3.1二、伺服系統(tǒng)的分類

有多種的分類方法，從位置控制的角度分類包括三種：1、開環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，不需要位置檢測(cè)與反饋，執(zhí)行組件多采用步進(jìn)電機(jī)，系統(tǒng)位移正比于指令脈沖的個(gè)數(shù)，位移速度取決于指令脈沖的頻率。易于控制，但精度低，低速平穩(wěn)性差，高速扭矩小，一般用于輕載、負(fù)載變化不大或經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床上。鎮(zhèn)江高等專科學(xué)校機(jī)電教研室8《數(shù)控技術(shù)》講義———4.1二、伺服系統(tǒng)的分類

2、閉環(huán)伺服系統(tǒng)是誤差控制隨動(dòng)系統(tǒng)，通常由位置環(huán)和速度環(huán)組成，系統(tǒng)內(nèi)各組件的誤差以及運(yùn)動(dòng)中造成的誤差都可以得到補(bǔ)償，提高了位移精度和定位精度，系統(tǒng)精度只取決于測(cè)量裝置的制造精度和安裝精度。

鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校機(jī)電教研室9《數(shù)控技術(shù)》講義———3.1二、伺服系統(tǒng)的分類

3、半閉環(huán)伺服系統(tǒng)位置檢測(cè)反饋組件沒有直接安裝在進(jìn)給坐標(biāo)的最終運(yùn)動(dòng)部件上,將部分機(jī)械構(gòu)件封閉在反饋控制環(huán)之外,其性能介于開環(huán)和閉環(huán)之間鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校機(jī)電教研室10《數(shù)控技術(shù)》講義———3.23.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是有一種將電脈信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)角位移或直線位移的轉(zhuǎn)換裝置，是開環(huán)伺服系統(tǒng)的最后執(zhí)行元件。輸入的進(jìn)給脈沖是不連續(xù)變化的數(shù)字量而輸出的角唯一或直線位移是連續(xù)變化的模擬量,因此步進(jìn)電機(jī)也稱為D/A轉(zhuǎn)換裝置。主要用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床。鎮(zhèn)江高等專科學(xué)校機(jī)電教研室11一、步進(jìn)電機(jī)的工作原理

步進(jìn)電機(jī)的工作原理是基于電磁力的吸引和排斥產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的現(xiàn)象。由定子、轉(zhuǎn)子和繞組組成。定子上有六個(gè)磁極，每個(gè)磁極上有繞組，轉(zhuǎn)子無繞組，由帶齒的鐵心做成?！跋唷笔谴艠O的對(duì)數(shù)，“單”是每次切換后只有一相繞組通電，“一拍”指從一種通電狀態(tài)到另一種通電狀態(tài)?！稊?shù)控技術(shù)》講義———3.2

三相步進(jìn)電機(jī)工作原理鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校機(jī)電教研室12二、步進(jìn)電機(jī)的主要特性

步進(jìn)電機(jī)的主要性能指標(biāo)有靜態(tài)矩角特性、步矩角和靜態(tài)步矩誤差和動(dòng)特性。

1、靜態(tài)矩角特性當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不改變通電狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)子處在不動(dòng)狀態(tài)。如果在電動(dòng)機(jī)軸上外加一個(gè)負(fù)載轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子按一定方向轉(zhuǎn)過一個(gè)角度θ，此時(shí)轉(zhuǎn)子所受的電磁轉(zhuǎn)矩T稱為靜態(tài)轉(zhuǎn)矩，θ稱為失調(diào)角?！稊?shù)控技術(shù)》講義———3.2鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校機(jī)電教研室13《數(shù)控技術(shù)》講義———3.2二、步進(jìn)電機(jī)的主要特性2、步矩角和靜態(tài)步矩誤差

步矩角α是反映步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度。它取決于電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和控制方式。

α=360?/（mzk）

m—定子相數(shù)；z—轉(zhuǎn)子齒數(shù)；k—系數(shù)（單三拍、雙三拍時(shí)，k=1；單、雙六拍時(shí)，k=2）

m、z越大，步矩角就越小，控制越精確。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每走一步的步矩角α應(yīng)是圓周360?的等分值，但是，實(shí)際的步矩角與理論值有誤差，在一轉(zhuǎn)內(nèi)各步矩誤差的最大值，被定為步矩誤差，通常在10’內(nèi)。

3、動(dòng)特性

動(dòng)特性是描述電動(dòng)機(jī)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩與連續(xù)運(yùn)行頻率之間的關(guān)系。鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校機(jī)電教研室143.3伺服電動(dòng)機(jī)

伺服電動(dòng)機(jī)在自動(dòng)控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件，其任務(wù)是將接收的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為輸出軸的角位移或直線位移，以驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。

伺服電動(dòng)機(jī)分為直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)?！稊?shù)控技術(shù)》講義———3.3鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校機(jī)電教研室15《數(shù)控技術(shù)》講義———3.3

一、直流伺服電機(jī)

直流伺服電機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速性能。由磁極（定子）、電樞（轉(zhuǎn)子）、電刷及換向器組成。

直流伺服電動(dòng)機(jī)按定子磁場(chǎng)產(chǎn)生的方式可分為永磁式和他勵(lì)式，兩者性能相近。

永磁式的磁極采用永磁材料制成，充磁后可產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)，應(yīng)用廣泛。

他勵(lì)式的磁極由沖壓硅鋼片疊加而成，外加線圈，靠外加勵(lì)磁電流產(chǎn)生磁場(chǎng)。缺點(diǎn)：電刷和換向器易磨損，換向時(shí)產(chǎn)生火花，使其最高轉(zhuǎn)速限制，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，成本高，逐漸開始被交流伺服電機(jī)取代。鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校機(jī)電教研室16《數(shù)控技術(shù)》講義———3.3

電機(jī)支承絲杠螺母伺服進(jìn)給系統(tǒng)鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校機(jī)電教研室17《數(shù)控技術(shù)》講義———3.4《數(shù)控技術(shù)》講義———3.43.4檢測(cè)裝置

檢測(cè)裝置是把位移和速度測(cè)量信號(hào)作為反饋信號(hào)，并將反饋信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送回計(jì)算機(jī)與脈沖指令信號(hào)進(jìn)行比較，以控制驅(qū)動(dòng)元件正確運(yùn)轉(zhuǎn)。檢測(cè)裝置的精度直接影響數(shù)控機(jī)床的定位精度和加工精度。一、檢測(cè)裝置作用二、對(duì)檢測(cè)裝置的要求

高的可靠性和抗干擾能力，滿足機(jī)床加工精度和加工速度的要求，使用維護(hù)方便，成本低。一般要求測(cè)量系統(tǒng)的分辨率要高于加工精度一個(gè)數(shù)量級(jí)鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校機(jī)電教研室18《數(shù)控技術(shù)》講義———3.4《數(shù)控技術(shù)》講義———3.4三、檢測(cè)裝置的分類

直接測(cè)量裝置鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校機(jī)電教研室19《數(shù)控技術(shù)》講義———3.4《數(shù)控技術(shù)》講義———3.4三、檢測(cè)裝置的分類

間接測(cè)量裝置鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校機(jī)電教研室20《數(shù)控技術(shù)》講義———3.4《數(shù)控技術(shù)》講義———3.4三、檢測(cè)裝置的分類

鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校機(jī)電教研室21《數(shù)控技術(shù)》講義———3.4《數(shù)控技術(shù)》講義———3.4三、檢測(cè)裝置的分類

直線型

直線位移檢測(cè)裝置

位置檢測(cè)裝置

旋轉(zhuǎn)型

檢測(cè)裝置角度位移檢測(cè)裝置

速度檢測(cè)裝置

感應(yīng)同步器

直線型檢測(cè)裝置光柵

磁柵

旋轉(zhuǎn)變壓器

旋轉(zhuǎn)型檢測(cè)裝置脈沖編碼器

測(cè)速發(fā)電機(jī)

以感應(yīng)同步器為例介紹工作原理鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校機(jī)電教研室22《數(shù)控技術(shù)》講義———3.5課后小結(jié)本章重點(diǎn)與難點(diǎn)：

1.伺服系統(tǒng)的定義以及作用;2.位置檢測(cè)裝置的作用。課后思考題：3-1畫圖說明開環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)合。

（學(xué)習(xí)教材P32~33）3-2簡述步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理。（學(xué)習(xí)教材P33~34）3-3位置檢測(cè)裝置的作用是什么？數(shù)控機(jī)床對(duì)位置檢測(cè)裝置有哪些要求?（學(xué)習(xí)教材P43）9、春去春又回，新桃換舊符。在那桃花盛開的地方，在這醉人芬芳的季節(jié)，愿你生活像春天一樣陽光，心情像桃花一樣美麗，日子像桃子一樣甜蜜。2月-252月-25Sunday,February23,202510、人的志向通常和他們的能力成正比例。21:11:5721:11:5721:112/23/20259:11:57PM11、夫?qū)W須志也，才須學(xué)也，非學(xué)無以廣才，非志無以成學(xué)。2月-2521:11:5721:11Feb-2523-Feb-2512、越是無能的人，越喜歡挑剔別人的錯(cuò)兒。21:11:5721:11:5721:11Sunday,February23,202513、志不立，天下無可成之事。2月-252月-2521:11:5721:11:57February23,202514、ThankyouverymuchfortakingmewithyouonthatsplendidoutingtoLondon.ItwasthefirsttimethatIhadseentheToweroranyoftheotherfamoussights.IfI'dgonealone,Icouldn'thaveseennearlyasmuch,becauseIwouldn'thave