數(shù)控機床伺服系統(tǒng)

1、1 概 述2 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動3 伺服系統(tǒng)的檢測、反饋元件第三章 數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)11 概述1. 伺服系統(tǒng)的概念由伺服電路、伺服驅(qū)動裝置、機械傳動機構(gòu)及執(zhí)行部件組成伺服系統(tǒng)與一般機床的進給系統(tǒng)有本質(zhì)上差別，它能根據(jù)指令信號精確地控制執(zhí)行部件的運動速度與位置伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置和機床的聯(lián)系環(huán)節(jié)，是數(shù)控系統(tǒng)的重要組成功能：接受來自數(shù)控裝置的指令來控制驅(qū)動機床的各運動部件，從而準確控制它們的速度和位置，達到加工出所需工件外形和尺寸22. 對伺服系統(tǒng)的基本要求精度高：穩(wěn)定性好：快速響應(yīng)：調(diào)速范圍寬：低速大轉(zhuǎn)矩：33. 伺服系統(tǒng)的分類開環(huán)、閉環(huán)、半閉環(huán)開環(huán)伺服系統(tǒng)指令脈沖步進電機驅(qū)動電路功率步進電機機床工

2、作臺執(zhí)行部件伺服驅(qū)動裝置滾珠絲桿（機械傳動機構(gòu)）齒輪箱伺服驅(qū)動裝置主要是步進電機：無檢測元件、無反饋回路，控制方式簡單，但精度難保證，切削力矩小，用于要求不高的經(jīng)濟型數(shù)控機床4閉環(huán)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)伺服驅(qū)動裝置主要是直、交流伺服電機驅(qū)動：裝有各式各樣的速度、位置檢測元件，兩種系統(tǒng)中檢測元件安裝位置不同。位置控制速度控制位置檢測裝置位置反饋位置反饋速度反饋工作臺指令脈沖Servo motor 52 伺服系統(tǒng)的驅(qū)動伺服驅(qū)動裝置應(yīng)滿足以下要求：調(diào)速范圍寬輸出位移有足夠的精度負載特性要硬動態(tài)響應(yīng)快61. 步進電機的結(jié)構(gòu)及工作原理結(jié)構(gòu) 步進電機定子上才有繞組!7工作原理8三相雙三拍工作方式：ABBCCAA

3、B三相六拍工作方式：AAB BBC C CA 三相單三拍工作方式：ABCA每個狀態(tài)只有一組繞組通電三次換接為一個循環(huán)三相通電繞組A、B、C常用通電方式有：9為提高位置精度，常將轉(zhuǎn)子做成多齒的10步進電機定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次，它的轉(zhuǎn)子便轉(zhuǎn)過一個確定的角度，即步進電機的步距角改變步進電機定子繞組的通電順序，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向也隨之改變步進電機的步距角 與定子繞組的相數(shù)m、通電方式k有關(guān)，可用下式表示： 步進電機定子繞組的通電狀態(tài)的改變速度越快，其轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的速度越快，即通電狀態(tài)的變化頻率越高，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速越高，即步進電機選型及工作方式定下后，步距角 是確定的，因此其轉(zhuǎn)速n(r/min)只取決于指令

4、脈沖頻率f的大?。簄= 60f= 60f結(jié)論:相鄰兩次通電相數(shù)一樣時， k=1；反之，k=2。三相三拍時k=1,三相六拍時k=211起動頻率fq連續(xù)運行頻率（最高工作頻率） fmax步距角2. 步進電機的主要特性輸入一個脈沖信號,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度步進電機連續(xù)工作時能接受的最高頻率,因運行時轉(zhuǎn)動慣量的影響比起動時大大減小，所以fmax fq，它表明步進電機所能達到的最高速度電機正常起動時(不丟步)所能承受的最高控制頻率,起動頻率低于連續(xù)運動頻率,因為起動時電機既要克服負載力矩,又要克服慣性力矩，且負載越大，fq越低。步距角越小,加工精度越高12工作臺位移量的控制3. 步進式伺服系統(tǒng)的工作原理指令脈

5、沖機床工作臺驅(qū)動控制線路步進電機絲桿工作臺進給速度的控制工作臺運動方向的控制134. 步進電機驅(qū)動電源脈沖發(fā)生器脈沖分配器功率放大器步進電機脈沖分配器（環(huán)形分配器）功率放大器步進電機及其驅(qū)動電源是一個整體，通常每一種型號的步進電動機均對應(yīng)有一個型號的驅(qū)動電源，其組成：14 直流(DC)伺服電動機直流伺服電動機是將直流電能轉(zhuǎn)換成機械能的旋轉(zhuǎn)電動機直流伺服電動機的工作原理主要基于電磁感應(yīng)定律：當導體在磁場中運動并切割磁力線時，導體中要產(chǎn)生感應(yīng)電動勢電磁力定律：載流導體在磁場中要受到電磁力作用直流伺服電動機具有良好的調(diào)速特性，對伺服電機的調(diào)速性能要求高的設(shè)備中，大都采用DC伺服電動機驅(qū)動。15換向片

6、電樞導體磁極磁極電刷直流伺服電動機的基本結(jié)構(gòu)定子轉(zhuǎn)子電刷、換向片其上繞組通以直流電產(chǎn)生恒定磁場其上繞組通以直流電在定子磁場作用下產(chǎn)生帶動負載旋轉(zhuǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩電刷與外加直流電源相接，換向片與電樞導體相接，使產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩保持恒定方向，轉(zhuǎn)子能沿固定方向均勻、連續(xù)旋轉(zhuǎn)16 永磁直流伺服電動機性能特點:具有較大的轉(zhuǎn)矩、慣量比能承受較大的峰值電流和過載轉(zhuǎn)矩低速時輸出轉(zhuǎn)矩大，慣量比大調(diào)速范圍寬具有高精度的檢測元件熱容量大目前數(shù)控機床進給驅(qū)動中采用的直流電動機主要是大慣量寬速直流伺服電動機，占主導地位的是永久磁鐵勵磁式電動機 17 直流伺服電動機的調(diào)速技術(shù)1. 原理由上式知：對給定的電動機要改變其轉(zhuǎn)速，有兩種

7、辦法：改變外加電壓u改變磁通量電樞等效電路圖他勵式直流電動機調(diào)速原理圖18改變磁通量的方法不能滿足數(shù)控機床的要求，而改變電壓的方法具有恒轉(zhuǎn)矩的調(diào)速特性，機械特性好，即機械特性與調(diào)節(jié)特性都是直線，轉(zhuǎn)速與控制量U之間是線性關(guān)系，而后一種方法轉(zhuǎn)速與控制量是非線性關(guān)系，控制及設(shè)計系統(tǒng)都不方便。因此永磁直流電機大都采用該調(diào)速方案。MU2nU1U3U4機械特性U調(diào)節(jié)特性M0nM1M2M3192. 方式:改變電壓3. SCR 與PWM比較可控硅調(diào)速（晶閘管SCR）脈沖調(diào)寬調(diào)速（PWM：Pulse Width Modulation）SCR會影響加工零件的表面粗糙度.PWM加工精度高,機械工作平穩(wěn)SCR機床熱變

8、形小,有利于提高加工精度PWM功率損耗小PWM適用于起,制動頻繁的場合PWM具有優(yōu)良的動態(tài)硬度PWM響應(yīng)快20 交流(AC)伺服電動機直流伺服電動機結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，電刷、換向器需經(jīng)常維護，電機轉(zhuǎn)速受限，AC克服此缺點，因此AC伺服電動機有取代DC伺服電動機的趨勢工作原理：定子繞組接上三相交流電，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，旋轉(zhuǎn)磁場吸引轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)。 永磁交流伺服電機結(jié)構(gòu)：定子、轉(zhuǎn)子、檢測元件 矢量控制：直流伺服電機的調(diào)速性能好，控制簡單（線性），如果能模擬直流電動機，使交流電機具有與直流電機近似的優(yōu)良特性。為此，需將三相交變量轉(zhuǎn)換為與之等效的直流量，然后按直流電動機的控制方法對其進行控制。213 伺服系統(tǒng)檢測、

9、反饋元件 概述對檢測元件的主要要求：工作可靠，抗干擾能力強能滿足精度和速度的要求使用維護方便易于實現(xiàn)高速的動態(tài)測量和處理，易于實現(xiàn)自動化成本低22 分類數(shù)字式測量和模擬式測量增量式測量和絕對式測量直接測量和間接測量23 旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)24工作原理在2個定子繞組中分別施加EA、EB兩個交流電壓，由于電磁感應(yīng)，應(yīng)用疊加原理，轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)電壓為25相位工作方式幅值工作方式兩定子繞組通以同頻、同幅但相位相差 的交流勵磁電壓，在轉(zhuǎn)子繞組上感應(yīng)電壓為兩定子繞組通以同頻、同相位但幅值不同的交流電壓，在轉(zhuǎn)子繞組上感應(yīng)電壓為261、直線感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu) 感應(yīng)同步器272829鑒相方式鑒幅方式2、工作原理兩滑尺繞組通以同頻、同幅但相位相差 的交流勵磁電壓，在轉(zhuǎn)子繞組上感應(yīng)電壓疊加后為兩滑尺繞組通以同頻、同相位但幅值不同的交流電壓，在轉(zhuǎn)子繞組上感應(yīng)電壓為30脈沖編碼器光柵1 標尺光柵2 指示光柵3 光電接收器4