第6章 數(shù)控機床的伺服驅動系統(tǒng)

第6章

數(shù)控機床的伺服驅動系統(tǒng)1主要內容

6.1概述

6.2步進電機及其驅動控制系統(tǒng)

6.3直流伺服電機及其速度控制

6.4交流伺服電機及其速度控制系統(tǒng)

6.5主軸驅動26.1概述

6.1.1進給伺服系統(tǒng)的定義及組成定義：伺服系統(tǒng)是以機械位置或角度作為控制量的自動控制系統(tǒng)。又稱為位置隨動系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)、伺服機構或伺服單元，是實現(xiàn)切削刀具與工件間運動的進給驅動和執(zhí)行機構。作用：伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置(計算機)和機床的聯(lián)系環(huán)節(jié)，是數(shù)控機床的重要組成部分。功能：接收來自CNC裝置（插補裝置或插補軟件）的進給指令脈沖，經過信號變換及電壓、功率放大，驅動各坐標軸按指令脈沖運動，使刀具相對于工件產生各種復雜的機械運動，加工出所要求的復雜形狀工件。36.1.1進給伺服系統(tǒng)的定義及組成進給伺服系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)主要的子系統(tǒng)。如果說C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”。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，進給速度與位移量。46.1.1進給伺服系統(tǒng)的定義及組成數(shù)控機床伺服驅動系統(tǒng)的基本組成由比較環(huán)節(jié)、驅動控制裝置、檢測反饋裝置和執(zhí)行元件四部分組成

5伺服系統(tǒng)（ServoSystem)CNC系統(tǒng)驅動電機檢測裝置控制信號反饋信號光柵尺伺服驅動系統(tǒng)678比較環(huán)節(jié)是將輸入的指令信號與系統(tǒng)的反饋信號進行比較，以獲得輸出與輸入間的偏差信號的環(huán)節(jié)，通常由專門的電路或計算機來實現(xiàn)?？刂破魍ǔＪ怯嬎銠CCNC或PLC控制電路，其主要任務是對比較元件輸出的偏差信號進行變換處理，以控制執(zhí)行元件按要求動作。執(zhí)行環(huán)節(jié)的作用是按控制信號的要求，將輸入的各種形式的能量轉化成機械能，驅動被控對象工作。一般指各種電機或液壓、氣動伺服機構等。9伺服驅動元件又稱為執(zhí)行電機，在輸入電信號之前，轉子靜止不動；電信號到來之后，轉子立即轉動，且轉向、轉速隨電信號的方向和大小而改變，同時帶動一定的負載運動；電信號一旦消失，轉子立即自行停轉。10驅動電機：是進給系統(tǒng)的動力部件，它提供執(zhí)行部分運動所需的動力，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。

檢測裝置：在閉環(huán)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)中，它的主要作用是檢測位移和速度，并發(fā)出反饋信號，構成閉環(huán)或半閉環(huán)控制,對驅動裝置進行控制。常用的檢測裝置有：感應同步器、旋轉變壓器、光柵、脈沖編碼器等。11進給驅動系統(tǒng)用途和功能主軸驅動系統(tǒng)電液伺服系統(tǒng)驅動元件的類型直流伺服驅動系統(tǒng)電氣驅動系統(tǒng)交流伺服驅動系統(tǒng)開環(huán)系統(tǒng)控制原理半閉環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)6.1.2伺服驅動系統(tǒng)的分類伺服系統(tǒng)的分類方法很多，常見的分類方法有以下三種。

步進電機伺服驅動系統(tǒng)12主要內容開環(huán)控制(Open-LoopServo-Drive)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按控制原理分類采用步進電機作為驅動元件；無位置反饋，其精度主要取決于伺服驅動系統(tǒng)和機械傳動機構的性能和精度；結構簡單、調試維修方便，工作穩(wěn)定、設備投資低，一般用于精度和速度要求不高、驅動力矩不大的經濟型數(shù)控機床。13步進電機步進電機14半閉環(huán)控制(Half-Closed-LoopServo-Drive)速度控制電路工作臺伺服電機位置比較電路指令脈沖速度反饋位置反饋檢測元件半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點是從驅動裝置(常用伺服電機)或絲杠引出，采樣旋轉角度進行檢測，不是直接檢測運動部件的實際位置。按控制原理分類15半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)半閉環(huán)環(huán)路內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)結構簡單、調試方便、精度也較高，因而在現(xiàn)代CNC機床中得到了廣泛應用。16交流伺服電機17主要內容閉環(huán)控制(Closed-LoopServo-Drive)位置采樣點直接對運動部件的實際位置進行檢測。位置反饋速度控制電路工作臺伺服電機位置比較電路指令脈沖速度反饋按控制原理分類18從理論上講，可以消除整個驅動和傳動環(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)的設計、安裝和調試都相當困難。該系統(tǒng)主要用于精度要求很高的鏜銑床、超精車床、超精磨床以及較大型的數(shù)控機床等。閉環(huán)控制(Closed-LoopServo-Drive)19光柵尺光柵尺20（1）步進電機伺服驅動系統(tǒng)。步進電機將進給指令信號變換為具有一定方向、大小和速度的機械角位移，通過齒輪和絲杠螺母副帶動工作臺移動。特點：在大負載和速度較高的情況下容易失步、能耗大、速度低、精度較差。應用：故主要用于速度和精度要求不太高的經濟型數(shù)控機床和舊機床改造。按驅動電機的類型分：21（2）直流電機伺服驅動系統(tǒng)。特點：有良好的寬調速性能，輸出轉矩大、過載能力強。在上世紀70年代和80年代初，數(shù)控機床多采用直流電機伺服系統(tǒng)。但直流伺服電機由于具有電刷和機械換向器，使結構與體積受限制，現(xiàn)已基本被交流伺服電機取代。按驅動電機的類型分：22（3）交流電機伺服驅動系統(tǒng)。常永磁同步伺服電機。特點：相對于直流伺服電機，具有結構簡單、體積小、慣量小、響應速度快、效率高等特點。采用變頻調速。應用：它更適應大容量、高速加工的要求。交流電機伺服驅動系統(tǒng)在進給伺服驅動中已逐漸取代了直流電機伺服驅動系統(tǒng)。按驅動電機的類型分：23（4）直線電機伺服驅動系統(tǒng)。直接驅動機床工作臺運動，取消了電機和工作臺之間的一切中間傳動環(huán)節(jié)，形成了所謂的“直接驅動”或“零傳動”。特點：克服了傳統(tǒng)驅動方式中傳動環(huán)節(jié)帶來的缺點，顯著提高了機床的動態(tài)靈敏度、加工精度和可靠性。按驅動電機的類型分：直線電機24精度要高數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的精度是指機床工作的實際位置復現(xiàn)插補器指令信號的精確程度。

靜態(tài)：定位精度和重復定位精度要高，即定位誤差和重復定位誤差要小。高檔數(shù)控機床微米級，超精密機床亞微米級。（以保證尺寸精度）動態(tài)：跟隨精度，這是動態(tài)性能指標，用跟隨誤差表示。

（以保證輪廓精度）靈敏度要高：有足夠高的分辯率。6.1.3數(shù)控機床對進給伺服驅動系統(tǒng)的要求

252.工作穩(wěn)定性好工作穩(wěn)定性是指伺服系統(tǒng)在突變指令信號或外界干擾的作用下，能夠快速的達到新平衡狀態(tài)或恢復原有平衡狀態(tài)的能力。

工作穩(wěn)定性越好，機床運動平穩(wěn)性越高，工件的加工質量就越好。

速度穩(wěn)定性：指輸出速度的波動要少，尤其是在低速時的平穩(wěn)性顯得特別重要較強的抗干擾能力是獲得均勻進給速度的重要保證。6.1.3數(shù)控機床對進給伺服驅動系統(tǒng)的要求

26加工過程中，進給伺服驅動系統(tǒng)跟蹤指令信號的速度要快，過渡時間要短，且無超調，這樣跟隨誤差才小。否則對機械部件不利，有害于加工質量。過渡過程一般應在幾十毫秒以內。tFtp6.1.3數(shù)控機床對進給伺服驅動系統(tǒng)的要求

3.響應速度快，無超調

快速響應是伺服系統(tǒng)動態(tài)品質的一項重要指標，它反映了系統(tǒng)對插補指令的跟蹤精度。274.調速范圍要寬

調速范圍是指電機在額定負載時所能提供的最高轉速和最低轉速之比。為保證在任何切削條件下都能獲得最佳的切削速度，要求進給伺服驅動系統(tǒng)必須提供較大的調速范圍，一般調速范圍應達到1︰2000?，F(xiàn)有的高性能進給伺服系統(tǒng)已具備無級調速，且調速范圍在1︰10000以上。

6.1.3數(shù)控機床對進給伺服驅動系統(tǒng)的要求

285.低速轉矩要大在切削加工中，粗加工一般要求低進給速度、大切削量，為此，要求進給伺服驅動系統(tǒng)在低速進給時輸出足夠大的轉矩，提供良好的切削能力。6.能可逆運行和頻繁靈活啟停。7.可靠性高6.1.3數(shù)控機床對進給伺服驅動系統(tǒng)的要求

29對主軸伺服系統(tǒng)，還應滿足如下要求：1．主軸與進給驅動的同步控制為使數(shù)控機床具有螺紋和螺旋槽加工的能力，要求主軸驅動與進給驅動實現(xiàn)同步控制。2．準?？刂圃诩庸ぶ行纳?，為了實現(xiàn)自動換刀，要求主軸能進行高精確位置的停止。3．角度分度控制有兩種類型：一是固定的等分角度控制；二是連續(xù)的任意角度控制。（稱為“C”軸控制）306.2步進電機及其驅動控制系統(tǒng)步進電動機是一種將電脈沖信號轉換成相應的角位移或線位移的控制電動機。

步進電機和一般電機不同，一般電機通電后連續(xù)轉動，而步進電機則隨輸入的脈沖按節(jié)拍一步一步地轉動。

對步進電機施加一個電脈沖信號時，步進電機就旋轉一個固定的角度，稱為一步。每一步所轉過的角度叫做步距角。例：步進電機每轉400步，即步距角為：若絲杠的導程為10mm，齒輪傳動比是1，系統(tǒng)的脈沖當量為：31步進電機的角位移量和輸入的電脈沖數(shù)成正比。步進電機的轉速與輸入的電脈沖信號的頻率成正比步進電機的轉動方向與步進電機的工作方式(通電順序)有關。只需要控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率及電機繞組通電相序，便可以獲得所需要的轉角、轉速及轉動方向。

在無脈沖輸入時，步進電機在繞組電源激勵下，氣隙磁場能使轉子保持原有的位置而處于定位狀態(tài)。32優(yōu)點：結構簡單，價格便宜，工作可靠；缺點：

–容易失步（尤其在高速、大負載時），影響定位精度；

–

在低速時容易產生振動；

–細分技術的應用，明顯提高了定位精度，降低了低速振動。應用：要求一般的開環(huán)伺服驅動系統(tǒng)，如經濟型數(shù)控機床的進給驅動。336.2.1步進電機工作原理步進電機的步距角大小與那些因素有關？定子勵磁繞組相數(shù)、通電方式

和轉子的齒數(shù)。計算公式為：m——定子勵磁繞組相數(shù)Z——轉子齒數(shù)K——通電方式，若連續(xù)兩次通電相數(shù)相同為1，若不同則為2。m相m拍，k＝1；m相2m拍，k＝2。步距角越小所達到的位置精度越高。實際使用的步進電機轉子齒數(shù)很多k=拍數(shù)p/相數(shù)m34例如：轉子40個齒，定子仍是3對磁極，三相六拍。問步距角是多少？35步進電機轉速計算：式中，當轉子的步距角一定時，步進電機的轉速與輸入的脈沖頻率成正比。式中：

n——轉速（r/min);f——脈沖頻率，即每秒輸入步進電機的脈沖數(shù)；

α——用度數(shù)表示的步距角。36結論：

步進電機定子繞阻通電狀態(tài)每改變一次，它的轉子轉過一個固定的角度，即電機的步距角；改變步進電機定子繞阻的通電順序，其轉子的旋轉方向隨之改變；步進電機定子繞阻通電狀態(tài)變化的頻率越高，轉子的轉速越高；步距角與定子繞阻相數(shù)m、轉子齒數(shù)z、通電方式k有關：37主要特性有：

步距角；

矩角特性、最大靜態(tài)轉矩Mjmax和啟動轉矩Mq矩頻特性與動態(tài)轉矩.最大靜轉距啟動頻率fq

；運行矩頻特性；加減速特性；6.2.2步進電機的主要特性386.2.3步進電機的分類1．根據(jù)相數(shù)分類有三、四、五、六相等，相數(shù)越多，步距角越小。通電方式：采用m相m拍、雙m拍和m相2m拍，

在m相m拍和m相2m拍通電方式中，可采用一/二相、二/三相轉換通電，如五相步進電機，五相十拍的二／三相轉換方式：

AB→ABC→BC→BCD→CD→CDE→DE→DEA→EA→EAB392．根據(jù)產生力矩的原理分類根據(jù)定子與轉子間磁場建立方式，可分：反應式、永磁式、混合式。反應式步進電機的定子有多相磁極，其上有勵磁繞組，而轉子無繞組，用軟磁材料制成，由被勵磁的定子繞組產生反應力矩實現(xiàn)步進運行。永磁反應式步進電機的定子結構與反應式相似，但轉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。這樣可提高電機的輸出轉矩，減少定子繞組的電流。403．根據(jù)輸出力矩的大小分類根據(jù)輸出力矩的大小可將步進電機分為兩類：

伺服步進電機和功率步進電機。伺服步進電機又稱為快速步進電機，輸出力矩在幾十到數(shù)百mN·m，只能帶動小負載，加上液壓扭矩放大器可驅動工作臺。功率步進電機輸出力矩在5～50N·m以上，能直接驅動工作臺。414．根據(jù)結構分類步進電機可制成軸向分相式（多段式）、徑向分相式（單段式）426.3直流伺服電動機及其速度控制一、直流伺服電動機伺服電動機是指能夠精密地控制其位置的一種電動機。直流伺服電動機是伺服電動機的一種。1.直流伺服電動機分類及結構特點

永磁直流伺服電動機無槽轉子直流伺服電動機空心杯轉子直流伺服電動機印刷繞組直流伺服電動機后三種直流伺服電動機為小慣量直流伺服電動機。43

直流伺服電動機的組成電動機本體:主要由機殼、定子磁極和轉子組成。檢測部件:有高精度的測速發(fā)電機、旋轉變壓器以及脈沖編碼器等。特點小慣量直流伺服電動機:慣量小，響應速度快，但過載能力低。永磁直流伺服電動機:轉矩大，慣量大，穩(wěn)定性好，調速范圍寬。但有電刷，限制速度的提高（1000~1500r/min）。446.4交流伺服電動機及其速度控制直流伺服電動機具有優(yōu)良的調速性能，但直流伺服電動機的電刷和換向器容易磨損，需要經常維護；由于換向器換向時會產生火花而使最高轉速受到限制，也使應用環(huán)境受到限制；直流伺服電動機結構復雜、制造困難，成本高。自20世紀80年代中期以來，以交流伺服電動機作為驅動元件的交流伺服系統(tǒng)得到迅速發(fā)展，有逐漸代替直流伺服電機的趨勢。45一、交流伺服電動機二、永磁同步交流伺服電動機的結構三、永磁同步交流伺服電動機的工作原理四、同步交流伺服電動機的變頻調速五、直線電機46一、交流伺服電動機交流伺服電動機分類異步型同步型同步型交流伺服電動機又分為永磁式和勵磁式。數(shù)控機床進給伺服系統(tǒng)中多采用永磁同步交流伺服電動機。2.永磁同步交流伺服電動機的特點：結構簡單，運行可靠，效率較高調速方便由于它的轉速與所接電源頻率之間存在一種嚴格關系，所以可獲得與頻率成正比的可變速度，并且可以得到非常硬的機械特性及寬的調速范圍。缺點體積較大，起動較困難47二、永磁同步交流伺服電動機的結構

組成：定子、轉子和檢測元件。

定子具有齒槽，內有三相繞組，形狀與普通交流電動機的定子相同，但其外形多呈多邊形，且無外殼，利于散熱。轉子由多塊永久磁鐵和沖片組成。這種結構的優(yōu)點是氣隙磁密較高，極數(shù)較多。48三、永磁同步交流伺服電動機的工作原理定子三相繞組接上交流電源后，就會產生一個旋轉磁場，以同步轉速ns旋轉。定子旋轉磁場與轉子的永久磁鐵磁極互相吸引，并帶著轉子一起旋轉。使轉子也以同步轉速ns旋轉。當轉子加上負載轉矩之后，將造成定子磁場軸線與轉子磁極軸線不重合，其夾角為θ。若負載發(fā)生變化，θ角也跟著變化，但只要不超過一定的限度，轉子始終跟著定子的旋轉磁場以恒定的同步轉速ns旋轉。轉子轉速為

n＝ns＝60f/p(r/min)式中f—電源的頻率

p—磁極對數(shù)49四、同步交流伺服電動機的變頻調速1.調速原理分析根據(jù)永磁同步交流伺服電動機轉子轉速公式

n＝ns＝60f/p(r/min)

可以通過改變電動機電源頻率f來調節(jié)電動機的轉速。此法可以實現(xiàn)無級調速，能夠較好地滿足數(shù)控機床的要求。變頻調速的關鍵是設計能為電動機提供變頻電源的變頻器。2.變頻器交—交變頻器直接將固定頻率的交流電變換為另一種頻率的交流電。交—直—交變頻器先將電網交流電通過整流變?yōu)橹绷鳎俳涍^電容或電感或電容、電感組合電路濾波后供給逆變器。逆變器輸出的是電壓和頻率可調的交流電。50五、直線電機1.直線電機的結構直線電機是指一種利用電磁作用原理，將電能直接轉換成直線運動動能的驅動裝置，是一種能實現(xiàn)往復直線運動的電動機。直線電機是從旋轉電機轉化而來的。(1)直線電機的結構可以認為直線電機是將旋轉電機沿其軸向剖開，然后將其定子和轉子展開，變成如圖所示的由定子和動子組成的直線電機。51直線電動機的實質把旋轉電動機沿徑向剖開，然后拉直演變而成，利用電磁作用原理，將電能直接轉換成直線運動動能的一種推力裝置，是一種較為理想的驅動裝置。與旋轉電動機的最大區(qū)別在機床進給系統(tǒng)中，取消了從電動機到工作臺之間的機械傳動環(huán)節(jié)，把機床進給傳動鏈的長度縮短為零。正由于這種傳動方式，帶來了旋轉電動機驅動方式無法達到的性能指標和優(yōu)點。應用前景由于直線電動機在機床中的應用目前還處于初級階段，還有待進一步研究和改進。隨著各相關配套技術的發(fā)展和直線電動機制造工藝的完善，直線電動機在機床進給驅動中將會得到廣泛應用。

2.直線電機的應用526.5主軸驅動數(shù)控機床的主軸驅動不同于進給驅動，主軸的工作運動通常為旋轉運動。主軸驅動的主要要求：輸出功率大2.2~250kw，結構上不能采用永磁式寬的調速范圍1：100~1000恒轉矩，1：10恒功率調速主軸既能正轉、又能反轉，且能快速制動特殊要求如：加工螺紋，要求主軸驅動與進給驅動實行同步控制；為了保證端面加工的光潔度，要求主軸驅動系統(tǒng)具有恒線速切削控制；在加工中心上，由于自動換刀的需要，要求主抽驅動系統(tǒng)具有高精度的停位控制；有的數(shù)控機床還要求主軸驅動系統(tǒng)具有角度控制功能等。53分類

直流主軸驅動系統(tǒng)早期的數(shù)控機床多采用直流主軸驅動系統(tǒng)。

交流主軸驅動系統(tǒng)

自20世紀70年代末80年代初，在數(shù)控機床主軸驅動中開始采用交流主軸驅動系統(tǒng)。現(xiàn)代數(shù)控機床多采用交流