數(shù)控裝備技術(shù)進給伺服A

1、第四章 進給伺服系統(tǒng)概述開環(huán)步進伺服驅(qū)動系統(tǒng)直流伺服控制系統(tǒng)(kn zh x tn)交流伺服控制系統(tǒng)進給伺服系統(tǒng)設(shè)計1共六十六頁 第一節(jié) 概述(i sh)2共六十六頁3共六十六頁 進給伺服系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)主要的子系統(tǒng)。如果說CNC裝置是數(shù)控系統(tǒng)的”大腦”，是發(fā)布“命令”的“指揮所”，那么進給伺服系統(tǒng)則是數(shù)控系統(tǒng)的“四肢”，是一種“執(zhí)行機構(gòu)”。它忠實地執(zhí)行由CNC裝置發(fā)來的運動命令，精確控制執(zhí)行部件的運動方向、進給速度(sd)與位移量。伺服驅(qū)動系統(tǒng)直接影響移動速度、跟蹤精度、定位精度等一系列重要指標(zhbio)，是數(shù)控機床的關(guān)鍵技術(shù)。4共六十六頁一、進給伺服系統(tǒng)的定義及組成1、定義： 進給伺服系

2、統(tǒng)(Feed Servo System)以移動部件的位置和速度作為(zuwi)控制量的自動控制系統(tǒng)。5共六十六頁從控制(kngzh)角度上，一般電氣伺服系統(tǒng)三閉環(huán)結(jié)構(gòu)：電流、速度、位置。6共六十六頁數(shù)控伺服：位置和速度(sd)位置環(huán)的輸入信號是計算機給出的指令信號和位置檢測裝置反饋的位置信號，負反饋指令信號向位置環(huán)送去加數(shù)，反饋信號送去減數(shù)速度環(huán)是一個非常重要的環(huán)節(jié)，由速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器及功率放大器等部分組成速度環(huán)的輸入：一個是位置環(huán)的輸出，作為速度環(huán)的指令信號送給速度環(huán)；另一個是電機轉(zhuǎn)速檢測裝置測得的速度信號作為負反饋送給速度環(huán)。7共六十六頁2. 組成：進給伺服系統(tǒng)主要由以下幾個部分組成

3、：位置控制單元；速度控制單元；驅(qū)動元件(電機)；檢測(jin c)與反饋單元；機械執(zhí)行部件。8共六十六頁9共六十六頁 、進給伺服驅(qū)動系統(tǒng)由驅(qū)動電機及其控制和驅(qū)動裝置(zhungzh)組成。 、驅(qū)動電機是進給系統(tǒng)的動力部件，它提供執(zhí)行運動所需的動力，在數(shù)控機床上常用的電機有： 步進電機 直流伺服電機交流伺服電機直線電機。 10共六十六頁 5、速度控制單元主要作用(zuyng)：接受來自位置控制單元的速度指令信號，對其進行適當?shù)恼{(diào)節(jié)運算(目的是穩(wěn)速)，將其變換成電機轉(zhuǎn)速的控制量(頻率，電壓等)，再經(jīng)功率放大部件將其變換成電機的驅(qū)動電量，使驅(qū)動電機按要求運行。簡言之：調(diào)節(jié)、變換、功放。6、進給驅(qū)動系

4、統(tǒng)的特點（與主運動（主軸）系統(tǒng)比較）：功率相對較??；控制精度要求高；控制性能(xngnng)要求高，尤其是動態(tài)性能(xngnng)。11共六十六頁1、調(diào)速范圍要寬且要有良好的穩(wěn)定性(在調(diào)速范圍內(nèi))調(diào)速范圍： 一般要求： 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(tbi)重要。二、NC機床(jchung)對數(shù)控進給伺服系統(tǒng)的要求12共六十六頁2、輸出位置精度要高靜態(tài)：定位精度和重復定位精度要高，即定位誤差(wch)和重復定位誤差(wch)要小。(尺寸精度)動態(tài)：跟隨精度，這是動態(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。13共六十六頁 3、負載特

5、性要硬 在系統(tǒng)負載范圍內(nèi)，當負載變化時，輸出速度應基本不變。即F盡可能??；當負載突變時，要求速度的恢復時間短且無振蕩。即t盡可能短；應有足夠的過載能力，以滿足(mnz)低速大轉(zhuǎn)矩的要求。（高速恒功率，低速恒轉(zhuǎn)矩）這就要求伺服系統(tǒng)有良好的靜態(tài)與動態(tài)剛度。 tFtF14共六十六頁4、響應速度快且無超調(diào) 這是對伺服系統(tǒng)動態(tài)性能的要求，即在無超調(diào)的前提下，執(zhí)行部件的運動速度的建立(jinl)時間 tp 應盡可能短。 通常要求從 0Fmax（Fmax0），其時間應小于200ms，且不能有超調(diào)，否則對機械部件不利，有害于加工質(zhì)量。tFtp15共六十六頁5、能可逆運行和頻繁靈活啟停。6、系統(tǒng)的可靠性高，維護

6、使用方便，成本低。綜上所述：對伺服系統(tǒng)的要求包括(boku)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。16共六十六頁三、伺服系統(tǒng)的分類(fn li)1按調(diào)節(jié)(tioji)理論分類（1）開環(huán)伺服系統(tǒng) （2）閉環(huán)伺服系統(tǒng) （3）半閉環(huán)伺服系統(tǒng)指令驅(qū)動電路步進電機工作臺脈沖伺服電機速度檢測速度控制位置控制位置檢測伺服電機速度控制位置控制工作臺脈沖編碼器指令17共六十六頁開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)沒有位置測量(cling)裝置，信號流是單向的（數(shù)控裝置進給系統(tǒng)），故系統(tǒng)穩(wěn)定性好。電機機械執(zhí)行部件A相、B相C相、f、nCNC插補指令脈沖頻率f脈沖個數(shù)n換算脈沖環(huán)形分配變換功率放大18共六十六頁

7、19共六十六頁無位置反饋，精度相對閉環(huán)系統(tǒng)來講不高，其精度主要取決于伺服驅(qū)動系統(tǒng)和機械傳動機構(gòu)的性能和精度。一般以功率步進電機作為伺服驅(qū)動元件。這類系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定、調(diào)試方便、維修簡單、價格低廉等優(yōu)點，在精度和速度要求不高、驅(qū)動力矩(l j)不大的場合得到廣泛應用。一般用于經(jīng)濟型數(shù)控機床。20共六十六頁半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng) 半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點如圖所示，是從驅(qū)動裝置(常用伺服電機)或絲杠引出，采樣旋轉(zhuǎn)(xunzhun)角度進行檢測，不是直接檢測運動部件的實際位置。位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動檢測與反饋單元位置控制單元速度控制單元+-電機機械執(zhí)行部件CNC插補指令實際位置反饋實際速

8、度反饋21共六十六頁22共六十六頁半閉環(huán)環(huán)路內(nèi)不包括或只包括少量機械傳動環(huán)節(jié)，因此可獲得穩(wěn)定的控制性能，其系統(tǒng)的穩(wěn)定性雖不如開環(huán)系統(tǒng)，但比閉環(huán)要好。由于絲杠的螺距誤差和齒輪間隙引起的運動誤差難以消除，因此，其精度較閉環(huán)差，較開環(huán)好。但可對這類誤差進行補償，因而仍可獲得滿意的精度。半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試方便、精度也較高，因而在現(xiàn)代CNC機床(jchung)中得到了廣泛應用。23共六十六頁全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng) 全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點如圖所示，直接對運動部件(bjin)的實際位置進行檢測。位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動檢測與反饋單元位置控制單元速度控制單元+-電機機械執(zhí)行部件CNC插補指令實際

9、位置反饋實際速度反饋24共六十六頁25共六十六頁從理論上講，可以消除整個驅(qū)動和傳動環(huán)節(jié)的誤差、間隙和失動量。具有很高的位置控制精度。 由于位置環(huán)內(nèi)的許多機械傳動環(huán)節(jié)的摩擦特性、剛性和間隙都是非線性的，故很容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，使閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計、安裝和調(diào)試都相當困難。該系統(tǒng)主要用于精度要求很高的鏜銑床(xchung)、超精車床、超精磨床以及較大型的數(shù)控機床等。26共六十六頁2按使用的執(zhí)行元件分類 （1）電液伺服系統(tǒng)：電液脈沖馬達和電液伺服馬達。 優(yōu)點：在低速下可以得到(d do)很高的輸出力矩，剛性好，時間常數(shù)小、反應快和速度平穩(wěn)。 缺點：液壓系統(tǒng)需要供油系統(tǒng)，體積大。噪聲、漏油。27共六十六頁

10、（2）電氣伺服系統(tǒng)：伺服電機（步進電機、直流電機、交流(jioli)電機、直線電機） 優(yōu)點：操作維護方便，可靠性高。 10 直流伺服系統(tǒng)：進給運動系統(tǒng)采用大慣量寬調(diào)速永磁直流伺服電機和中小慣量直流伺服電機；主運動系統(tǒng)采用它激直流伺服電機。 優(yōu)點：調(diào)速性能好。缺點：有電刷，速度不高。 20 交流伺服系統(tǒng)：交流感應異步伺服電機（一般用于主軸伺服系統(tǒng)）和永磁同步伺服電機（一般用于進給伺服系統(tǒng)）。 優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、不需維護、適合于在惡劣環(huán)境下工作。動態(tài)響應好、轉(zhuǎn)速高和容量大。28共六十六頁3按被控對象分類 （1）進給伺服系統(tǒng) 指一般概念的位置伺服系統(tǒng)，包括速度控制環(huán)和位置控制環(huán)。 （2）主軸伺服系統(tǒng)

11、只是一個速度控制系統(tǒng)(kn zh x tn)。 C 軸控制功能。4按反饋比較控制方式分類 （1）脈沖、數(shù)字比較伺服系統(tǒng) （2）相位比較伺服系統(tǒng) （3）幅值比較伺服系統(tǒng) （4）全數(shù)字伺服系統(tǒng)29共六十六頁 第二節(jié) 步進電機及其驅(qū)動(q dn)系統(tǒng)30共六十六頁步進電機流行于70年代，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、控制容易、維修方便，且控制為全數(shù)字化。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，除功率驅(qū)動電路之外，其它部分均可由軟件(run jin)實現(xiàn)，從而進一步簡化結(jié)構(gòu)。因此，這類系統(tǒng)目前仍有相當?shù)氖袌?。目前步進電機僅用于小容量、低速、精度要求不高的場合，如經(jīng)濟型數(shù)控、打印機、繪圖機等計算機的外部設(shè)備。 步進電機一種將電脈沖信號

12、轉(zhuǎn)換成相應角位移（或線位移）的控制電機。 對它送一個控制脈沖(michng)，其轉(zhuǎn)軸就轉(zhuǎn)過一個角度，稱為一步。31共六十六頁4-2 步進電機及其驅(qū)動(q dn)系統(tǒng)一.步進電機的種類、結(jié)構(gòu)與工作(gngzu)原理1、步進電機的種類按產(chǎn)生力矩原理分： 反應式：定子有多相磁極，其上有勵磁繞組，轉(zhuǎn)子無繞組，用軟磁材料制成，由被勵磁的定子繞組產(chǎn)生反應力矩實現(xiàn)步進運行 激磁式：定子結(jié)構(gòu)與反應式相似，轉(zhuǎn)子用永磁材料制成或有勵磁繞組，由電磁力矩實現(xiàn)步進運行。32共六十六頁按輸出力矩大小(dxio)分：伺服式、功率式 伺服步進電機（快速步進電機），輸出力矩在百分之幾 至十分之幾Nm，只能帶動小負載，加上液壓扭

13、矩 放大器可驅(qū)動(q dn)工作臺。 功率步進電機輸出力矩在550Nm以上，能直接 驅(qū)動工作臺。按定子數(shù)：單定子、雙定子、三定子、多定子按各相繞阻分布：徑向分相式、軸向分相式33共六十六頁4-2 步進電機及其驅(qū)動(q dn)系統(tǒng)34共六十六頁4-2 步進電機及其驅(qū)動(q dn)系統(tǒng)2、步進電機(dinj)的結(jié)構(gòu)步進電機在結(jié)構(gòu)上分為定子和轉(zhuǎn)子兩部分。 以三相為例，定子上有六個磁極，每個磁極上繞有勵磁繞組，每相對的兩個磁極組成一相，分成A、B、C三相。轉(zhuǎn)子無繞組，它是由帶齒的鐵心做成的。步進電機是按電磁吸引的原理進行工作的。當定子繞組按順序輪流通電時，A、B、C三對磁極就依次產(chǎn)生磁場，并每次對轉(zhuǎn)子

14、的某一對齒產(chǎn)生電磁引力，將其吸引過來，而使轉(zhuǎn)子一步步轉(zhuǎn)動。每當轉(zhuǎn)子某一對齒的中心線與定子磁極中心線對齊時，磁阻最小，轉(zhuǎn)矩為零。如果控制線路不停地按一定方向切換定子繞組各相電流，轉(zhuǎn)子便按一定方向不停地轉(zhuǎn)動。步進電機每次轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角。 磁力線力圖走磁阻最小路徑，使磁力線最短，定、轉(zhuǎn)子間磁拉力的切向力產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩；各相定、轉(zhuǎn)子的齒間彼此相錯1/m 轉(zhuǎn)子齒距角(360/Z)。 35共六十六頁36共六十六頁兩個相對的磁極組成一相。注意：這里的“相”和三相交流電中的“相”的概念不同。步進電機(dinj)通的是電脈沖，主要是指線路的聯(lián)接和組數(shù)的區(qū)別。37共六十六頁4-2 步進電機及其驅(qū)動(q dn)系統(tǒng)

15、通電(tng din)方式（以m=3, Z=4為例, 齒距角360/4=90, 定、 轉(zhuǎn)子齒間相錯90/3=30）38共六十六頁（1）三相(sn xin)單三拍（1相通電）: 步距角30 逆時針：ABCA 順時針：ACBA m相單m拍39共六十六頁40共六十六頁三相單三拍的特點：（1）每來一個電脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過30。（2）轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)(xunzhun)方向取決于三相線圈通電的順序。（3）每次定子繞組只有一相通電，在切換瞬間失去自鎖轉(zhuǎn)矩，容易產(chǎn)生失步，只有一相繞組產(chǎn)生力矩吸引轉(zhuǎn)子，在平衡位置易產(chǎn)生振蕩。41共六十六頁 （2）三相雙三拍（2相通電）：AB BC CA AB （逆時針,步距角30 ）;

16、m相雙m拍 （3） 三相六拍（1-2相通電）：AAB B BC C CA A（逆時針,步距角15） m相2m拍m3的通電(tng din)方式（四相八拍、五相十拍等） 42共六十六頁實際上步進電機轉(zhuǎn)子齒數(shù)很多，齒數(shù)越多，步距角越小為改善運行性能，定子(dngz)磁極上的齒的齒距與轉(zhuǎn)子的齒距相同，但各極的齒依次與轉(zhuǎn)子的齒錯開齒距的1m（m電機相數(shù)）。每次定子繞組通電狀態(tài)改變時，轉(zhuǎn)子只轉(zhuǎn)過齒距的1m（如三相三拍）或12m（如三相六拍）達到新的平衡位置。43共六十六頁實際應用的步進電機如圖所示，轉(zhuǎn)子鐵心和定子磁極(cj)上均有齒距相等的小齒，且齒數(shù)要有一定比例的配合。 44共六十六頁4-2 步進電機

17、(dinj)及其驅(qū)動系統(tǒng)3. 步進電機的工作原理 步進電機定子繞阻通電(tng din)狀態(tài)每改變一次，它的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個固定的角度，即電機的步距角；改變步進電機定子繞阻的通電順序，其轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向隨之改變；步進電機定子繞阻通電狀態(tài)變化的頻率越高，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速越高；步距角與定子繞組相數(shù)m、轉(zhuǎn)子齒數(shù)z、通電方式k有關(guān)45共六十六頁4-2 步進電機及其驅(qū)動(q dn)系統(tǒng)4. 步進電機的主要技術(shù)(jsh)性能指標（1）步距角：每步的轉(zhuǎn)角m步進電動機相數(shù)Z轉(zhuǎn)子齒數(shù)；K控制方式系數(shù)，是拍數(shù)與相數(shù)的比例系數(shù)。 m相m拍，k1；m相2m拍，k2。46共六十六頁（2）靜態(tài)(jngti)轉(zhuǎn)矩與矩角特性 當步進電機

18、上某相定子繞組通電之后，轉(zhuǎn)子齒將力求與定子齒對齊，使磁路中的磁阻最小，轉(zhuǎn)子處在平衡位置不動（0）。如果在電機軸上外加一個負載轉(zhuǎn)矩Mz，轉(zhuǎn)子會偏離平衡位置向負載轉(zhuǎn)矩方向轉(zhuǎn)過一個角度，角度稱為失調(diào)角。有失調(diào)角之后，步進電機就產(chǎn)生一個靜態(tài)轉(zhuǎn)矩（也稱為電磁(dinc)轉(zhuǎn)矩），這時靜態(tài)轉(zhuǎn)矩等于負載轉(zhuǎn)矩。靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角的關(guān)系叫矩角特性，如圖所示，近似為正弦曲線。該矩角特性上的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩最大值稱為最大靜轉(zhuǎn)矩。在靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)內(nèi)，當外加負載轉(zhuǎn)矩除去時，轉(zhuǎn)子在電磁轉(zhuǎn)矩作用下，仍能回到穩(wěn)定平衡點位置（0）。 最大靜轉(zhuǎn)矩最大靜轉(zhuǎn)矩（保持轉(zhuǎn)矩）： 通電時能夠維持靜止狀態(tài)的最大轉(zhuǎn)矩。47共六十六頁48共六十六頁（3）空載啟

19、動頻率fq （步/s) 空載時，步進電機由靜止狀態(tài)突然起動，并進入(jnr)不失步的正常運行的最高頻率，稱為啟動頻率或突跳頻率，加給步進電機的指令脈沖頻率如大于啟動頻率，就不能正常工作，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。 步進電機在帶負載（尤其是慣性負載）下的啟動頻率比空載要低。而且，隨著負載加大（在允許范圍內(nèi)），啟動頻率會進一步降低。（4）啟動矩頻特性 步進電機在帶動負載轉(zhuǎn)矩時啟動頻率與負載轉(zhuǎn)矩的關(guān)系49共六十六頁（5）空載運行頻率（連續(xù)運行頻率）fmax 步進電機空載啟動后能不失步連續(xù)運行的最高頻率（6）運行矩頻特性 步進電機連續(xù)穩(wěn)定運行時輸出電磁轉(zhuǎn)矩T與連續(xù)運行頻 率f之間的關(guān)系（衡量電機 運轉(zhuǎn)時承載

20、能力的動態(tài)性能 運行矩頻特性 指標）。f繞組感抗 電流波形(b xn)變壞電流幅值 T50共六十六頁4-2 步進電機及其驅(qū)動(q dn)系統(tǒng)二、步進式伺服驅(qū)動系統(tǒng)工作原理 系統(tǒng)由步進電機(dinj)驅(qū)動線路+步進電機組成，對工作臺位移、速度和運動方向進行控制1. 工作臺位移的控制 進給脈沖個數(shù)N定子繞阻通電狀態(tài)改變次數(shù)N角位移 =N工作臺位移L=t/3602. 工作臺進給速度的控制 進給脈沖頻率f定子繞阻通斷電狀態(tài)變化頻率f步進電機轉(zhuǎn)速工作臺進給速度v 3. 工作臺運動方向的控制 定子繞阻通電順序改變工作臺運動方向改變51共六十六頁4-2 步進電機(dinj)及其驅(qū)動系統(tǒng)三.步進電機的驅(qū)動(q

21、 dn)驅(qū)動及控制系統(tǒng)組成： 環(huán)形脈沖分配器+功率放大器52共六十六頁1、環(huán)形(hun xn)分配器 作用：將數(shù)控裝置發(fā)出的脈沖分配給步進電動機的各相輸入端， 使步進電動機各繞組按一定的順序和時間通電和斷電，并使電機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。53共六十六頁環(huán)形(hun xn)分配器硬件環(huán)形分配：I/O線少，速度高，專用集 成電路芯片；軟件環(huán)形分配：線路簡化(jinhu)，靈活性大，成本低，I/O線多， 速度慢54共六十六頁硬件環(huán)分可由D觸發(fā)器或JK觸發(fā)器構(gòu)成，亦可用專用(zhunyng)集成芯片或通用可編程邏輯器件。 CH250是國產(chǎn)三相(sn xin)反應式步進電機環(huán)形分配器專用集成電路芯片，通過控制端的

22、不同接法可組成三相雙三拍和三相六拍的工作方式55共六十六頁軟件(run jin)環(huán)分由數(shù)控裝置中的軟件完成環(huán)形分配，直接驅(qū)動步進電機各繞組的通、斷電(dun din)。用軟件環(huán)形分配器只需編制不同的環(huán)形分配程序，可使線路簡化，成本下降，可靈活地改變步進電機的控制方案。56共六十六頁軟件(run jin)環(huán)形分配器的設(shè)計方法:查表法、比較法、移位寄存器法等，常用查表法。57共六十六頁58共六十六頁2、功率放大器（功率驅(qū)動器） 作用(zuyng)及分類 作用：將環(huán)形分配器或I/O口輸出的弱電信號放大，給步進電 機每相繞組提供脈沖勵磁電流功率(gngl)放大器按驅(qū)動方式：單壓驅(qū)動、雙壓（高低壓）驅(qū)動按功率開關(guān)元件：功率晶體管驅(qū)動、晶閘管驅(qū)動按控制方式：高低壓定時控制、恒流斬波控制、 脈寬控制59共六十六頁4-2 步進電機及其驅(qū)動(q dn)系統(tǒng)（1）單電壓(din