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1、第三章 数控机床的伺服系统,伺服系统的组成,伺服系统的基本要求,检测装置,闭环进给伺服系统,开环进给伺服系统,变频调速系统,教学目标：熟悉数控机床伺服系统，掌握结构组成部件原理。,在自动控制系统中，把被控量以一定的准确度跟随控制量的变化而变化的系统称为随动系统，亦称伺服系统。数控机床的伺服系统是以机床移动部件的位置和速度为被控制量的自动控制系统。伺服驱动系统接收来自插补装置或插补软件生成的进给脉冲指令，经过一定的信号变换及电压、功率放大，将其转化为机床工作台相对于切削刀具的运动。,第一节 伺服系统的组成,一、驱动电路,驱动电路接收CNC装置发出的指令，并将这种指令信号转换成后面执行元件所需要的
2、控制信号的形式，经过功率放大后，驱动执行元件动作。,驱动电路的主要功能是控制信号类型的转变和功率放大。,二、执行元件,执行元件的功能是接受驱动电路的控制信号进行转动，从而带动数控机床的工作台按一定的轨迹移动，进行工件加工。常用的执行元件有直流电动机、交流电动机，也可以是步进电动机。,一般我们把根据电磁感应原理使发电机转子形成旋转磁场的过程称为励磁,传动装置的作用是把执行元件的运动传递给工作台。在传递过程中，它会对运动速度进行变换，从而实现速度和转矩的改变。传动装置的精度，是决定数控机床加工精度的最重要的一个因素。常用的传动装置包括减速箱和滚珠丝杠等。,三、传动装置,四 位置检测元件及反馈回路,
3、对位置的移动准确与否进行检测判断，反馈校正，从而提高了位置控制的精度。,数控机床上常用的位置检测元件有光电编码器、直线感应同步器、光栅和磁尺等。,1952年美国麻省理工学院和帕森斯公司合作研制成功了世界上第一台具有信息存储和处理功能的数控机床,1952年美国麻省理工学院和帕森斯公司合作研制成功了世界上第一台具有信息存储和处理功能的数控机床,五、测速发电机及反馈回路,对执行元件的转速进行检测判断，反馈校正，从而提高了速度控制的精度。测速发电机只是一种检测元件，也可以选择别的。,第二节 伺服系统的基本要求,一、进给伺服系统的基本要求,1.可逆运行 即正反方向都可运行，且在换向时间隙误差小。,2.速
4、度范围宽 这样，可以根据不同的加工材料、不同的加工要求，选用最佳的速度。,目前，最先进的水平是在进给脉冲当量为1um的情况下，进给速度在O240mmin范围内连续可调。对一般数控机床而言，进给速度范围在O24mmin时，都可满足加工要求。通常在这样的速度范围还可以提出以下更细致的技术要求。(1)在1mmmin24000mmmin即1：24000调速范围内，要求速度均匀、稳定、无爬行，且转矩变化小。(2)在1mmmin以下时具有一定的瞬时速度，但平均速度很低。(3)在零速时，即工作台停止运动时，要求电动机有电磁转矩以维持定位精度，使定位误差不超过系统的允许范围，即电机处于伺服锁定状态。,3.具有
5、足够的传动刚性和高的速度稳定性 伺服系统在不同的负载情况下或切削条件发生变化时，应使进给速度保持恒定。刚性良好的系统，速度受负载力矩变化的影响很小。通常要求承受额定力矩变化时，静态速降应小于5，动态速降应小于10。,4.快速响应无超调 快 速：效率高 无超调：加工质量高,5.高精度,6.低速大转矩 机床的加工特点，大多是低速时进行切削，即在低速时进给驱动要有大的转矩输出。,7.对伺服电机的要求,1、输出大功率,二、主轴伺服系统的基本要求,在调速范围内均能提供所需的切削功率，提供主轴电动机的最大功率。为满足数控机床低速、强力切削的需要，常采用分段无级变速的方法(即在低速段采用机械减速装置)，以扩
6、大输出转矩。通常主传动电机应有2.5250kw的功率范围，因此，对功率驱动电路提出了更高的要求。,具有足够的功率、宽的恒功率调节范围及速度调节范围,2、调速范围大,要求主轴能在较宽的转速范围内根据数控系统的指令自动实现无级调速，并减少中间传动环节。目前主轴驱动装置的恒转矩调速范围已可达l：100，恒功率调速范围也可达l：30，过载1.5倍时仍可持续工作达30min。主轴变速分为有级变速、无级变速和分段无级变速三种形式，其中有级变速仅用于经济型数控机床，大多数数控机床采用无级变速或分段无级变速。在无级变速中，变频调速主轴一般用于普及型数控机床，交流伺服主轴则用于中、高档数控机床。,要求主轴在正、
7、反向转动时均可进行自动加、减速控制，并且加、减速时间要短。目前一般伺服主轴可以在ls内从静止加速到6000rmin。主轴驱动一般为速度控制系统，除上面的一般要求外，还具有下面的控制功能。(1)主轴与进给驱动的同步控制 该功能使数控机床具有螺纹加工（或螺旋槽）能力。(2)准停控制 在加工中心上为了自动换刀，要求主轴能进行高精度的准确位置停止。(3)角度分度控制,3、具有四象限驱动能力,为了满足上述数控机床对主轴驱动的要求，主轴电机应具备以下性能：(1)电机功率要大，且在大的调速范围内速度要稳定，恒功率调速范围宽；(2)在断续负载下电机转速波动要小；(3)加速、减速时间短；(4)温升低，噪声小，振
8、动小，可靠性高，寿命长，易维护，体积小，重量轻；(5)电机过载能力强。,第三节 检测装置,在闭环系统中，它的主要作用是检测位移量，并发出反馈信号与数控装置发出的指令信号相比较，若有偏差，经放大后控制执行部件，使其向着消除偏差的方向运动，直至偏差等于零为止。一般要求检测元件的分辨率(检测元件能检测的最小位移量)在0.00010.01mm之内，测量精度为0.001O.02mmm，运动速度为O24mmin。,一、概述,1.位置检测装置的要求,1)受温度、湿度的影响小，工作可靠，能长期保持精度，抗干扰能力强。2)在机床执行部件移动范围内，能满足精度和速度的要求。3)使用维护方便，适应机床工作环境。4)
9、成本低。,2.位置检测装置的分类,(1)数字式测量与模拟式测量 1)数字式测量 数字式测量是将被测的量以数字的形式来表示。测量信号一般为电脉冲，可以直接把它送到数控装置进行比较、处理。如光栅位置检测装置。数字式测量装置的特点是：被测的量转换为脉冲个数，便于显示和处理。测量精度取决于测量单位，与量程基本上无关，但存在累积误差。测量装置比较简单，脉冲信号抗干扰能力较强。,2)模拟式测量 模拟式测量是将被测的量用连续变量来表示，如电压变化、相位变化等，数控机床所用模拟式测量主要用于小量程的测量，如感应同步器的一个线距(2mm)内的信号相位变化等。在大量程内作精确的模拟式测量时，对技术要求较高。模拟式
10、测量的特点是：直接测量被测的量，无需变换。在小量程内实现较高精度的测量，技术上较为成熟。如用旋转变压器、感应同步器等。,2)增量式测量与绝对式测量,1)增量式测量 增量式测量的特点是：只测位移量，如测量单位为0.01mm，则每移动O.01mm就发出一个脉冲信号。在轮廓控制的数控机床上大都采用这种测量方式。典型的测量元件有感应同步器、光栅、磁尺等。,2)绝对式测量 绝对式测量装置对于被测量的任意一点位置均由固定的零点标起，每一个被测点都有一个相应的测量值。装置的结构较增量式复杂，如编码盘中，对应于码盘的每一个角度位置便有一组二进制位数。显然，分辨精度要求愈高，量程愈大，则所要求的二进制位数也愈多
11、，结构也就愈复杂。,3）直接测量与间接测量,1)直接测量 直接测量是将检测装置直接安装在执行部件上，如光栅、感应同步器等用来直接测量工作台的直线位移，其缺点是测量装置要和工作台行程等长。2)间接测量 间接测量装置是将检测装置安装在滚珠丝杠或驱动电动机轴上，通过检测转动件的角位移来间接测量执行部件的直线位移。间接测量方便可靠，无长度限制。其缺点是测量信号中增加了由回转运动转变为直线运动的传动链误差，从而影响了测量精度。,感应同步器是利用电磁原理将线位移和角位移转换成电信号的一种装置。根据用途，可将感应同步器分为直线式和旋转式两种，分别用于测量线位移和角位移。,二、感应同步器位置检测装置,1.感应
12、同步器的结构,直线感应同步器的基体通常采用厚度为10 mm的铜板或铸铁制成，以减小与机床的温度误差。平面绕组为铜箔，通常采用厚度为0.05mm或0.07mm的紫铜箔，用绝缘粘结剂热压黏结在基体上，再利用刻蚀方法制成所需的绕组。,节距W2=2(a2+b2),定尺节距即为检测周期W,W=2mm,一般取W1=W2或者取W1=2W/3,2.感应同步器的工作原理,电磁感应的强弱和相互之间的位置有直接的关系。,不同位置时的感应效果对比,在一个节距,内，位移,与的关系应为,滑尺在移动一个节距的过程中，感应电势(按余弦波形)变化了一个周期。若励磁电压为,则在定尺绕组产生的感应电势为,1）鉴相方式 根据相位来判
13、断 通过检测感应电动势的幅值测量位移 2）鉴幅方式 根据幅值来判断 通过检测感应电动势的相位测量位移,3.感应同步器输出信号的处理方式,(1)鉴相方式,根据叠加原理，定尺绕组上总输出感应电势为,例如定尺输出的感应电动势与滑尺励磁电压之间相位差为3.6，在W=2mm的情况下,滑尺相对定尺节距为零的位置移动了002mm。,4感应同步器的特点,(1)精度高,(2)工作可靠，抗干扰性强,(3)维修简单、寿命长,(4)测量距离长,(5)工艺性好、成本低、便于成批生产,目前直线感应同步器的精度可达0.001mm，重复精度0.0002mm，灵敏度0.00005mm。,三、光栅位置检测装置,光栅用于数控机床作
14、为检测装置，用以测量长度、角度、速度、加速度、振动和爬行等。它是数控机床闭环系统中用得较多的一种检测装置。,1直线透射光栅的组成 光栅位置检测装置由光源、长光栅(标尺光栅)、短光栅(指示光栅)、光电接收元件等组成。长光栅随运动部件移动，要求与行程等长。短光栅则常固定在机床的相应部件上。长、短光栅保持一定间隙(0.050.1mm)重叠在一起，短光栅在自身的平面内旋转一个很小的角度。,2莫尔条纹的产生和特点,1一光栅尺(标尺光栅)2一指示光栅 3一光电接收元件4一光源,（1)放大作用 当标尺光栅和指示光栅的夹角很小时，栅距w和莫尔条纹节距B(单位：mm)有下列关系,莫尔条纹的节距为光栅栅距的1/倍
15、。由于很小(小于1 O)，因此节距B比栅距W放大了很多倍。,若W=0.01mm，通过减小角，将莫尔条纹的节距调成1Omm时，其放大倍数相当于1000倍(1=B/W)。因此，不需要经过复杂的光学系统，便将光栅的栅距放大了1000倍，从而大大减化了电子放大线路，这是光栅技术独有的特点。,3直线光栅的工作原理,根据莫尔条纹的移动规律，当光栅尺移动一个栅距w时，莫尔条纹会移动一个节距B。移动一个节距就会产生一个光电脉冲信号，这个信号通过光电元件可以检测到。这样，通过光电元件接收到的脉冲个数就可知道光栅尺移动了多少个栅距w，移动的距离不满一个栅距的，可以通过检测光的强弱来判断。这两方面结合起来，就能精确
16、地测量出光栅尺的移动距离。,四、编码器的原理与应用,1一光源 2一透镜 3一光栏板 4一光电码盘 5一光电元件6一参考标记,编码器是一种旋转式测量装置，通常安装在被测轴上，随被测轴一起转动，可将被测轴的角位移转换成增量脉冲形式或绝对式的代码形式。,如条纹数为1024，则分辨角,第四节 开环进给伺服系统,一、步进电动机的工作原理,步进电动机是一种将脉冲信号变换成角位移(或线位移)的电磁装置，步进电动机的角位移与输入脉冲个数成正比，在时间上与输入脉冲同步。,二、步进电动机的主要特性,1步距角与步距角误差,2矩角特性与最大静转矩,3启动(突跳)频率,4连续运行频率,5矩频特性,三、步进电动机的驱动,1环形分配器,2功率驱动器简介,第五节 闭环进给伺服系统,一、交流伺服电动机的分类和特点,1异步交流伺服电动机,2同步交流伺服电动机,二、永磁交流伺服电动机,1永磁交流伺服电动机的结构,2永磁交流伺服电动机的工作原理,3永磁交流伺服电动机的特性,第六节 变频调速系统,
