數(shù)控技術(shù)數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)課件

1、第六章 數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)重點(diǎn)：1伺服系統(tǒng)的要求、分類、組成2 常用伺服電機(jī)工作原理及其驅(qū)動裝置特點(diǎn)3 常用位置檢測元件工作原理及特點(diǎn) 6-1 概述 一 伺服系統(tǒng)概念 1 概念 數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)是指以機(jī)床移動部件位移和速度為控制對象的自動控制系統(tǒng)。 數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)包括進(jìn)給伺服驅(qū)動系統(tǒng)；主軸伺服驅(qū)動系統(tǒng)。 伺服系統(tǒng)的組成 伺服系統(tǒng)由伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動裝置、機(jī)械傳動裝置、位置檢測裝置等組成。 2 伺服系統(tǒng)的基本要求1 ） 精度高 伺服系統(tǒng)精度取決于機(jī)械傳動精度和伺服系統(tǒng)最小分辨率精度。2）響應(yīng)快速 響應(yīng)速度提高，可以減小跟隨誤差，一般在200 ms以內(nèi)。3） 穩(wěn)定性好 穩(wěn)定性直接影響數(shù)控加工精

2、度和表面粗糙度。4）調(diào)速范圍寬 R=nmax/nmin 進(jìn)給伺服與主軸范圍不一樣5 ） 低速大轉(zhuǎn)矩3 電氣控制伺服系統(tǒng)從控制的角度來說，一般電氣伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為三閉環(huán)控制。位置PID速度PID電流PID伺服電機(jī)速度反饋位置反饋給定二 對伺服電機(jī)的要求1）在調(diào)速范圍內(nèi)，具有平穩(wěn)的運(yùn)行速度2）具有較大較長時(shí)間的過載能力3）具有較大的啟動加速度4）能夠承受頻繁啟動、制動和反轉(zhuǎn)三 伺服系統(tǒng)的分類1 按控制方式劃分：開環(huán)控制系統(tǒng)；半閉控制環(huán)系統(tǒng)；閉環(huán)控制系統(tǒng)。2 按系統(tǒng)中執(zhí)行元件電動機(jī)的類型劃分（1）步進(jìn)驅(qū)動系統(tǒng) 執(zhí)行元件為步進(jìn)電機(jī)（2）直流伺服驅(qū)動系統(tǒng)執(zhí)行元件為直流伺服電機(jī)。 （3）交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)執(zhí)行

3、元件為交流伺服電機(jī)。6-2 步進(jìn)電機(jī)及開環(huán)控制系統(tǒng)一 步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及種類步進(jìn)電機(jī)又稱為脈沖電機(jī)它的輸入既不是交流電，也不是直流電，而是電脈沖。其主要特點(diǎn)：步進(jìn)電機(jī)輸出的角位移與輸入的脈沖個數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。分類：根據(jù)其結(jié)構(gòu)和材料大體分為可變磁阻式（反應(yīng)式）、永磁式和混合式（永磁感應(yīng)式）三種基本類型。按輸出扭矩分：伺服式（功率較小)，功率式(功率較大）。二 步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理1. 結(jié)構(gòu)與原理左圖為徑向分相式三相步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)定子齒距分布 步進(jìn)電機(jī)工作原理工作原理：以三相反應(yīng)式為例2 運(yùn)行節(jié)拍與通電方式 在一個完整的通斷電循環(huán)中，繞組通電狀態(tài)的不同組合數(shù)稱為運(yùn)行拍數(shù)。每拍

4、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個步距角。通電方式： ABCA；ABBCCAAB；AABBBCCCAA 3 徑向分相式與軸向分相式4 步距角 s =360/mPN P 運(yùn)行節(jié)拍與相數(shù)的比例， N轉(zhuǎn)子齒數(shù) m相數(shù) 。三 步進(jìn)電機(jī)進(jìn)給控制1 轉(zhuǎn)向控制 2 速度大小控制 控制步進(jìn)電機(jī)相鄰兩種勵磁狀態(tài)之間的時(shí)間，就可以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)速度控制。V=60f 式中f 輸入到步進(jìn)電機(jī)的脈沖頻率Hz，脈沖當(dāng)量mm/脈沖，V 單位 mm/min3 自動升降速控制當(dāng)要求步進(jìn)電機(jī)啟動到大于突跳頻率的工作頻率時(shí)，變化速度必須逐漸上升；同樣，從最高工作頻率或高干突跳頻率的工作頻率停止時(shí)，變化速度必須逐漸下降。 四 步進(jìn)電機(jī)特性與選用1 步進(jìn)電機(jī)

5、的優(yōu)點(diǎn)2 主要技術(shù)特性（1）步距角及其誤差（不大于10）s =360/mPN P 運(yùn)行節(jié)拍與相數(shù)的比例， N轉(zhuǎn)子齒數(shù) m相數(shù) （2）矩角特性與最大靜轉(zhuǎn)矩（3）啟動頻率（4）連續(xù)運(yùn)行頻率（5）矩頻特性3.選用 （1）選定類型（2）確定脈沖當(dāng)量（3）計(jì)算齒輪傳動比 （L為絲杠螺距、m一轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)）（4）確定高速運(yùn)行的輸出扭矩（大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，并留余量）（5）確定電機(jī)啟動頻率計(jì)算機(jī)三相六拍環(huán)形分配表（查表法）步序 導(dǎo)電相 工作狀態(tài) 數(shù)值（16進(jìn)制） 程序的數(shù)據(jù)表 正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) CBA A00101H TAB0 DB 01H AB01103H TAB1 DB 03HB01002H TAB2 DB 02HB

6、C11006H TAB3 DB 06HC10004H TAB4 DB 04HCA10105H TAB5 DB 05H6-2 直流、交流伺服驅(qū)動 （閉環(huán)控制系統(tǒng)）閉環(huán)控制的伺服系統(tǒng)執(zhí)行元件為直流、交流伺服電機(jī)。一 直流伺服電機(jī) 直流伺服電機(jī)具有良好的調(diào)速性能，在以往的數(shù)控機(jī)床上得到廣泛使用。直流伺服電機(jī)分為有刷和無刷兩種基本類型。有刷直流伺服電機(jī)通常采用永久磁鐵做定子。而無刷電機(jī)轉(zhuǎn)子為永久磁鐵，定子為電樞。1. 直流伺服電機(jī)的工作原理直流伺服電機(jī)基本結(jié)構(gòu)和工作原理與一般的直流電機(jī)相同，所不同的是為了滿足快速響應(yīng)的要求，從結(jié)構(gòu)上做得細(xì)長一些。直流伺服電機(jī)工作原理圖2. 直流電機(jī)的輸出特性直流電機(jī)的

7、電樞電路：R+E=UE=KenT-Tf=Jdn/dt當(dāng)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí) T=TfT=KT = KT(U E)/R= KT(U Ken)/ RMUaEaIa機(jī)械特性和調(diào)速特性二 直流伺服電機(jī)驅(qū)動裝置1 可控硅調(diào)速電路(SCR)采用三相全控橋式整流電路 ，通過對12個晶閘管觸發(fā)角的控制，達(dá)到控制電機(jī)電樞電壓的目的。2 脈寬調(diào)制PWM 調(diào)速電路UAB=USt1-(T-t1) US/T=(2t1/T -1) US=(2 -1) US = 0.5 UAB=0 電機(jī)不轉(zhuǎn) 0.5 UAB0 電機(jī)正轉(zhuǎn) 0.5 UAB0 電機(jī)反轉(zhuǎn) 3直流驅(qū)動系統(tǒng)的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)速度調(diào)節(jié)電流調(diào)節(jié)功率放大MTG電流反饋速度反饋三. 交流伺服電動機(jī)直流伺服電機(jī)存在機(jī)械整流子、電刷維護(hù)困難，造價(jià)高，壽命短、應(yīng)用環(huán)境受限制的缺點(diǎn)。而交流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，耐用可靠，動態(tài)響應(yīng)好，驅(qū)動調(diào)速技術(shù)日益成熟。用三相交流電驅(qū)動的伺服電機(jī)叫AC伺服電機(jī)。AC伺服電機(jī)按工作原理劃分為：永磁同步型；異步感應(yīng)型。1. 永磁同步型AC伺服電機(jī)永磁同步型AC伺服電機(jī)，轉(zhuǎn)子用永磁材料制成，定子裝有三相對稱繞組，通入三相對稱、相位相差120的交流電，可產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。多極永磁同步型AC伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)如下圖示轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 n=n1=60f/p p磁極對數(shù)，f電源頻率。 2 AC伺服電機(jī)SPWM調(diào)速永磁同步型AC伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電源頻率存在嚴(yán)格