數(shù)控伺服系統(tǒng)

1、第3章 數(shù)控伺服系統(tǒng) 主要(zhyo)內(nèi)容主要(zhyo)內(nèi)容 概述 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件 步進式伺服系統(tǒng) 鑒相式伺服系統(tǒng)鑒幅式伺服系統(tǒng) 脈沖比較式伺服系統(tǒng)CNC數(shù)字伺服系統(tǒng)1共三十三頁數(shù)控伺服系統(tǒng)是指以機床運動部件(如工作臺、主軸和刀具等)的位置和速度作為控制量的自動(zdng)控制系統(tǒng)。數(shù)控伺服系統(tǒng)的作用在于接受來自數(shù)控裝置的進給脈沖信號，經(jīng)過一定的信號變換及電壓、功率放大，驅(qū)動機床運動部件實現(xiàn)運動，并保證動作的快速性和準確性。 數(shù)控伺服系統(tǒng)作為數(shù)控裝置和機床的聯(lián)系環(huán)節(jié)，是數(shù)控機床的重要組成部分，數(shù)控機床的精度和速度等技術(shù)指標很大程度上取決于伺服系統(tǒng)的性能優(yōu)劣。3.1 概述(i sh)2共三

2、十三頁1. 輸出位置精度要高 靜態(tài)：定位精度和重復(fù)定位精度要高，即定位誤差(wch)和重復(fù)定位誤差(wch)要小。(尺寸精度) 動態(tài)：跟隨精度，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。3.1.1 對數(shù)控伺服系統(tǒng)的要求(yoqi)3.1 概述3共三十三頁2. 響應(yīng)速度快且無超調(diào) 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(zhxng)部件的運動速度的建立時間 tp 應(yīng)盡可能短。 要求從 0Fmax（Fmax0），時間應(yīng)盡可能小，且不能有超調(diào)，否則對機械部件不利，有害于加工質(zhì)量。tFtp3.1.1 對數(shù)控伺服系統(tǒng)的要求(yoqi)3.1 概述4共三十三頁

3、3.1.1 對數(shù)控伺服系統(tǒng)的要求(yoqi)3. 調(diào)速范圍要寬且要有良好的穩(wěn)定性 調(diào)速范圍： 一般要求： 穩(wěn)定性：指輸出速度(sd)的波動要少，尤其是在低速時的平穩(wěn)性顯得特別重要。3.1 概述5共三十三頁4.系統(tǒng)的可靠性高 平均無故障時間 對伺服系統(tǒng)的要求包括靜態(tài)和動態(tài)特性兩方面(fngmin)； 對高精度的數(shù)控機床，對其動態(tài)性能的要求更 嚴。3.1.1 對數(shù)控伺服系統(tǒng)的要求(yoqi)3.1 概述6共三十三頁按有無(yu w)反饋檢測元件分為開環(huán)和閉環(huán)(含半閉環(huán))兩種類型 開環(huán)伺服系統(tǒng)由驅(qū)動控制單元、執(zhí)行元件和機床組成。 閉環(huán)(半閉環(huán))伺服系統(tǒng)由執(zhí)行元件、驅(qū)動控制單元、機床以及反饋檢測元件、

4、比較環(huán)節(jié)組成。 3.1.2 數(shù)控伺服系統(tǒng)的基本(jbn)組成3.1 概述7共三十三頁3.1.3 數(shù)控伺服系統(tǒng)的分類(fn li)按反饋比較控制方式分類數(shù)字脈沖比較伺服系統(tǒng)鑒相式伺服系統(tǒng)鑒幅式伺服系統(tǒng)全數(shù)字伺服系統(tǒng)按伺服系統(tǒng)的用途和功能分類進給驅(qū)動系統(tǒng)主軸(zhzhu)驅(qū)動系統(tǒng)按執(zhí)行元件的類別分類直流伺服系統(tǒng)交流伺服系統(tǒng)步進伺服系統(tǒng)3.1 概述8共三十三頁伺服驅(qū)動元件又稱為執(zhí)行(zhxng)電動機 數(shù)控伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件，是根據(jù)輸入的控制信號產(chǎn)生角位移或角速度，帶動被控對象運動。數(shù)控伺服系統(tǒng)中常用的驅(qū)動元件有：步進電動機直流伺服電動機交流伺服電動機 3.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(q dn)元件9共三十

5、三頁3.2.1 步進電動機 步進電機流行于70年代，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、控制容易、維修方面，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實現(xiàn)，從而進一步簡化結(jié)構(gòu)。目前步進電機僅用于小容量、低速、精度要不高的場合(chng h)，如經(jīng)濟型數(shù)控；打印機、繪圖機等計算機的外部設(shè)備。 步進電動機是一種用電脈沖信號進行控制，并將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移的機電元件。每輸入一個脈沖，步進電動機轉(zhuǎn)軸就轉(zhuǎn)過一定角度。 3.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(q dn)元件10共三十三頁步進電動機的種類(zhngli)運動方式：旋轉(zhuǎn)運動的、直線運動的和平面運動 ；結(jié)構(gòu)上：反應(yīng)式、勵磁式 ；按定子數(shù)目：單

6、段定子式、多段定子式； 按相數(shù)：單相、兩相、三相(sn xin)及多相。 3.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件11共三十三頁三相(sn xin)三拍反應(yīng)式的工作原理 三相是指步進電機有三相定子繞組，三拍是指每三次轉(zhuǎn)換為一個循環(huán) 三相步進電機，定子有六個磁極，分為三對，每個磁極上裝有控制繞組。一對磁極通電后，對應(yīng)產(chǎn)生N/S極磁場(cchng)；轉(zhuǎn)子為帶齒的鐵心（反應(yīng)式）或磁鋼（混合式）。 當定子三相依次通電時，三對磁極依次產(chǎn)生氣隙磁場，吸引轉(zhuǎn)子一步步轉(zhuǎn)動。3.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件12共三十三頁步進電動機的主要(zhyo)特性 步距角 :步進電動機繞組的通電狀態(tài)每改變一次，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度 起動頻率 :空載

7、時，步進電動機由靜止狀態(tài)突然起動，進入不丟步的正常運行的最高頻率 連續(xù)運行頻率 :步進電動機起動以后其運行速度能跟蹤指令脈沖頻率連續(xù)上升而不丟步的最高工作頻率 加減速特性 :描述(mio sh)步進電動機由靜止到工作頻率和由工作頻率到靜止的加減速過程中，定子繞組通電狀態(tài)的變化頻率與時間的關(guān)系 3.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件13共三十三頁3.2.2 直流伺服電動機 小慣量直流電動機:轉(zhuǎn)動慣量小，反應(yīng)靈敏，動態(tài)特性好，適用于高速與負載慣量較小的場合。大慣量寬調(diào)速直流伺服電動機:既具有一般直流電動機的各項優(yōu)點，又具有小慣量直流電動機的快速響應(yīng)性能，易與較大的負載慣量匹配，能較好地滿足(mnz)伺服驅(qū)動的

8、要求。 3.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(q dn)元件14共三十三頁直流伺服電動機的結(jié)構(gòu)(jigu)特點 按磁極的種類(zhngli)，寬調(diào)速直流電動機分為電勵磁和永久磁鐵兩種 3.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件15共三十三頁寬調(diào)速直流電動機(dngj)性能 輸出力矩大 過載能力(nngl)強 動態(tài)響應(yīng)性能好 低速運轉(zhuǎn)平穩(wěn) 易于調(diào)試 因此，寬調(diào)速直流伺服電動機是目前機電一體化閉環(huán)伺服系統(tǒng)中應(yīng)用較多的控制電動機。 3.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件16共三十三頁直流伺服電動機調(diào)速方式(fngsh) 晶閘管直流調(diào)速（SCR ）脈寬調(diào)制直流調(diào)速(PWM) 頻帶寬 電動機脈動小 電源(dinyun)的功率因數(shù)高 動態(tài)硬度好，

9、系統(tǒng)具有良好的線性 3.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件17共三十三頁3.2.3 交流(jioli)伺服電動機 由于直流伺服電機具有優(yōu)良的調(diào)速性能， 80年代初至90年代中，在要求調(diào)速性能較高的場合，直流伺服電機調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用一直占據(jù)主導(dǎo)地位。但其卻存在一些固有的缺點，即：電刷和換向器易磨損，維護麻煩結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，成本高 而交流伺服電機則沒有上述缺點。特別是在同樣(tngyng)體積下，交流伺服電機的輸出功率比直流電機提高10%70%，且可達到的轉(zhuǎn)速比直流電機高。因此，人們一直在尋求交流電機調(diào)速方案來取代直流電機調(diào)速的方案。3.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件18共三十三頁交流伺服電動機的結(jié)構(gòu)(jigu)特

10、點 交流伺服電動機采用全封閉無刷構(gòu)造，不需定期檢查和維修。 定子省去了鑄件殼體，結(jié)構(gòu)緊湊，外形小，重量輕 它的轉(zhuǎn)子采用具有精密磁極形狀的永久磁鐵，常做成鼠籠式，為了(wi le)使伺服電動機反應(yīng)迅速，轉(zhuǎn)子做得較細長。 空心杯形轉(zhuǎn)子，杯壁很薄 3.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件19共三十三頁交流伺服電動機的工作原理(yunl) 與單相異步電動機相似交流伺服電動機調(diào)速 交流伺服電動機調(diào)速通常由調(diào)頻調(diào)速的方法實現(xiàn)。實現(xiàn)調(diào)頻調(diào)壓方法： 脈沖幅值調(diào)制(PAM)方法 脈寬調(diào)制(PWM)方法 3.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(q dn)元件20共三十三頁3.2.4 直線(zhxin)電動機 直線電動機是一種能將電信號直接轉(zhuǎn)換

11、成為直線位移的電動機。直線電動機沒有傳動(chundng)機械的磨損，并且噪音低、結(jié)構(gòu)簡單、操作維護方便。 直線電動機主要應(yīng)用的機型有直流直線電動機、交流直線電動機以及直線步進電動機等，在實際中應(yīng)用較多的是交流直線電動機。 3.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件21共三十三頁直線(zhxin)電動機的優(yōu)點 結(jié)構(gòu)簡單應(yīng)用(yngyng)范圍廣、適應(yīng)性強 反應(yīng)速度快，靈敏度高，隨動性好 額定值高、冷卻條件好 有精密定位和自鎖能力 工作穩(wěn)定可靠，壽命長 3.2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動元件22共三十三頁優(yōu)點(yudin)：是結(jié)構(gòu)比較簡單用較多的是以光柵和光電編碼器作為位置檢測裝置的閉環(huán)控制系統(tǒng)。組成3.6 脈沖(mich

12、ng)比較式伺服系統(tǒng) 23共三十三頁脈沖比較(bjio)式伺服系統(tǒng)的組成 指令信號 ：由數(shù)控裝置提供，數(shù)字脈沖信號，也可以是數(shù)碼信號 反饋測量信號 ：由檢測裝置提供的機床(jchung)速度、位置反饋信號，可以是脈沖信號，也可以是數(shù)碼信號 常用的檢測裝置：光柵和脈沖編碼器 比較器 作用：完成指令信號與反饋測量信號比較的環(huán)節(jié) 有三類：數(shù)碼比較器、數(shù)字脈沖比較器和數(shù)碼與數(shù)字脈沖比較器。 轉(zhuǎn)換器 ：轉(zhuǎn)換器是數(shù)字脈沖信號與數(shù)碼的相互轉(zhuǎn)換部件 驅(qū)動執(zhí)行元件 ：根據(jù)比較器的輸出帶動工作臺移動 3.6 脈沖比較式伺服系統(tǒng) 24共三十三頁3.6 脈沖(michng)比較式伺服系統(tǒng) 25脈沖比較式伺服系統(tǒng)工作原

13、理 以采用(ciyng)光電脈沖編碼器為測量元件的系統(tǒng)為例說明數(shù)字脈沖比較伺服系統(tǒng)的工作原理。 光電編碼器與伺服電機的轉(zhuǎn)軸連接，隨著電機的轉(zhuǎn)動產(chǎn)生脈沖序列輸出，其脈沖的頻率將隨著轉(zhuǎn)速的快慢而升降。若工作臺處于靜止狀態(tài)，指令脈沖Pc=0，這時反饋脈沖Pf亦為零，經(jīng)比較器可得偏差e=PcPf=0，則伺服電機的速度給定為零，工作臺繼續(xù)保持靜止不動。 共三十三頁3.6 脈沖(michng)比較式伺服系統(tǒng) 26脈沖比較式伺服系統(tǒng)工作原理 隨著指令脈沖的輸入，Pc0，在工作臺尚未移動之前，反饋脈沖Pf仍為零。經(jīng)比較器比較，得偏差e=PcPf0，若指令脈沖為正向進給脈沖，則e0，由速度控制單元驅(qū)動電機帶動(

14、didng)工作臺正向進給。 隨著電機運轉(zhuǎn)，光電脈沖編碼器將輸出反饋脈沖Pf送入比較器，與指令脈沖Pc進行比較，若e=PcPf0，工作臺繼續(xù)運動，不斷反饋，直到e=PcPf=0，即反饋脈沖數(shù)等于指令脈沖數(shù)，工作臺停在指令規(guī)定的位置上。 當指令脈沖為反向運動脈沖時，控制過程與Pc為正時基本上類似。只是e0，工作臺作反向進給，直至e=0，工作臺停在指令所規(guī)定的反向某個位置上。共三十三頁主要工作部件 數(shù)字脈沖數(shù)碼轉(zhuǎn)換器 數(shù)字脈沖轉(zhuǎn)換為數(shù)碼 對于數(shù)字脈沖轉(zhuǎn)化為數(shù)碼，其最簡單的實現(xiàn)方法就是采用一個(y )可逆計數(shù)器，它將輸入的脈沖進行計數(shù)，以數(shù)碼值輸出。圖所示是由兩個二十進制計數(shù)器組成的數(shù)字脈沖數(shù)碼轉(zhuǎn)換

15、器。 3.6 脈沖(michng)比較式伺服系統(tǒng) 共三十三頁主要工作部件 數(shù)字脈沖數(shù)碼轉(zhuǎn)換器 數(shù)碼轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖 對于數(shù)碼轉(zhuǎn)化為數(shù)字脈沖，常用的有兩種方法。第一種方法是采用減法計數(shù)器組成(z chn)的線路，如圖所示， 3.6 脈沖(michng)比較式伺服系統(tǒng) 共三十三頁主要(zhyo)工作部件 數(shù)字脈沖數(shù)碼轉(zhuǎn)換器 數(shù)碼轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖 第二種方法是用一個脈沖乘法器，數(shù)字脈沖乘法器實質(zhì)上就是將輸入的二進制數(shù)碼轉(zhuǎn)化為等值的脈沖數(shù)輸出，其示意圖如圖3.37所示。3.6 脈沖(michng)比較式伺服系統(tǒng) 共三十三頁主要工作部件2. 比較器 在脈沖比較系統(tǒng)中，使用的比較器有多種結(jié)構(gòu)，根據(jù)其功能可分為

16、兩種：一種是數(shù)碼(shm)比較器，另一種是數(shù)字脈沖比較器。 數(shù)字脈沖比較器中常采用帶有可逆回路的可逆計數(shù)器進行工作。下面介紹一種具有脈沖分離功能的數(shù)字脈沖比較器。比較器的構(gòu)成原理圖如圖所示。3.6 脈沖(michng)比較式伺服系統(tǒng) 共三十三頁3.6 脈沖(michng)比較式伺服系統(tǒng) 共三十三頁用于高精度CNC機床 ，用軟件代替了大量的硬件(yn jin)，使得硬件(yn jin)線路與其它伺服系統(tǒng)相比要簡單些 優(yōu)點:可用計算機對伺服系統(tǒng)進行最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、前瞻控制等，可將整個系統(tǒng)的性能和效益顯著提高，具有精度高、穩(wěn)定性好等。組成軟件部分：軟件部分主要完成跟隨誤差的計算，即指令信號和反饋信號的比較計算； 硬件部分：主要由位置檢測組件和位置控制輸出組件組成。 類型以鑒幅方式工作的旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器為測量元件的伺服系統(tǒng) 以光柵、編碼盤為測量元件的伺服系統(tǒng) 3.6 CNC數(shù)字(shz)伺服系統(tǒng) 32共三十三頁內(nèi)容摘要第3章 數(shù)控伺服系統(tǒng)。靈敏度要高，有足夠高的分辯率。3. 調(diào)速范圍要寬且要有良好的穩(wěn)定性。穩(wěn)定性：指輸出速度的波動要少，尤